工程材料与材料成型基础：第 5 章金属材料

1、2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 1,第 5 章 金属材料,金属材料的分类：钢、铸铁、非铁金属 钢的分类： 按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢 普通质量钢（0.045%P，0.05%S） 按品质分： 优质钢（ 0.035% P ，0.035% S ） 高级优质钢（ 0.025% P ， 0.025% S ） 低碳钢（0.6%C） 低合金钢（10,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 2,钢中元素的作用,基本元素：Fe、C 合金元素：为改善钢的性能而有意加入 杂质元素：无法去除的有害元素 残留元素：为去除杂质元素而加入的元素,非合金钢中的常存元素,2021/1/7,

2、工程材料与材料成型基础,4 - 3,与C的亲和力：强 弱,常见的合金元素,Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Co Ni Cu Si Al,弱碳化物形成元素,强碳化物形成元素,非碳化物形成元素,合金元素对基本相的影响,非碳化物形成元素,溶入F,固溶强化,弱碳化物形成元素,形成合金渗碳体,较硬，耐磨，比Fe3C更稳定,强碳化物形成元素,形成特殊碳化物,高熔点，硬，耐磨，最稳定,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 4,合金元素对铁碳相图的影响,1 改变A相区 扩大A相区元素,缩小A相区元素,使A1，A3，Acm线,使A1，A3，Acm线,2 改变S、E点位置,多数元素使

3、S点左移,0.77%C的钢中可能 出现过共析组织,多数元素使E点左移,2.11%C的钢中可能 出现莱氏体组织,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 5,合金元素对热处理的影响,1 对加热的影响 多数元素减缓A形成，阻碍晶粒长大,合金钢需要 加热温度， 保温时间 保证A均匀化,对冷却的影响 多数元素溶入A后 过冷A稳定性 Vc 淬透性 Ms点 残余A量 （看后图,合金钢可以制造大截面的零件，淬火不易变形,3 对回火的影响 回火稳定性 抗回火软化的能力 产生二次硬化,HRC,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 6,非合金钢（碳钢,1 碳素结构钢 用于工程结构和要求不高的机

4、械零件 （螺栓、钢窗、销子、吊钩、螺母、） 一般不热处理，热轧状态使用 牌号：Q235 AF,屈,s,品质：只保证力学性能及Si,S,P成分,脱氧方式：沸腾钢,2 优质碳素结构钢 用于较重要的机械零件 一般热处理后使用 牌号：08F 45 （平均含碳量的万分数,0.08%C,0.45%C,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 7,碳素工具钢,3 碳素工具钢 用于形状简单、尺寸小的手用工、模、量具 热处理：预备： 最终： 牌号：T 8 A T10 T12A,球化退火 球状P,淬火+低温回火 回火M+Fe3C+残A,碳,平均含碳量的千分数 0.8%C,高级优质钢,易切削结构钢 用于机械

5、结构件 牌号：Y20 （易 + 平均含碳量的万分数） 5 铸钢 用于工程结构 牌号：ZG230-450 （铸钢 +s+b,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 8,合金钢,为什么要开发合金钢？ 非合金钢的不足： 淬透性低 （碳钢） 强度低，屈强比低 无特殊性能,回火稳定性同一回火温度下，合金钢硬度 、强度 同一回火硬度时，合金钢回火 ，韧性,机械性能高省料、减重,合金钢的主要优点： 淬透性好 可制造大型零件,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 9,合金钢编号,1 结构钢：二位数字 + 元素符号 + 数字 （60Si2Mn, 09Mn2,平均含碳量的万分数,合金元素含量

6、的百分数 （1.5%不注，1.5-2.5%注2，,工具钢 特殊钢,一位数字 + 元素符号 + 数字 （CrWMn, 9SiCr,平均含碳量的千分数 （1%时不注，高速钢不注,合金元素含量的百分数 1.5%不注，1.5-2.5%注2,3 高级优质钢：牌号后加“A,特殊用途钢：滚动轴承钢 牌号前加“G” （滚） （GCr15 含Cr量的千分数,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 10,低合金结构钢,1 用途：工程结构 桥梁，船舶，车辆外壳、支架 2 性能：较高的s ，塑韧性，焊接性，抗蚀性， 冷脆转变温度低,3 成分：0.10.2%C，合金元素23% 主加元素：Mn 固溶强化 辅加元

7、素：Ti,Cr,Nb 弥散强化 4 使用状态：热轧或正火，不需最终热处理 组织：F + P 5 常用钢号：Q295 （09Mn2），Q345 (16Mn,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 11,渗碳钢,1 用途：受冲击和摩擦的零件（各类齿轮、凸轮） 2 性能：表面硬、耐磨，心部塑韧 3 成分：0.10.25%C 低碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性，强化基体 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒,4 最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火 组织：表层：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 残A 心部：淬透：低碳回火M 未淬透：F+P,5 常用钢号：20, 20Cr

8、, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W 淬透性： 低 中 高 适用：一般齿轮 中载变速齿轮 重载重要大齿轮 （举例： 机床 汽车 飞机,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 12,调质钢,1 用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴） 2 性能：良好的综合机械性能 3 成分：0.30.5%C 中碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,Si 淬透性，强化基体 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒, 回火稳定性 4 热处理,消除淬火应力， 防止磨削裂纹,预备：正火S改善组织，消除锻造应力， 便于切削加工 最终：调质回火S获得良好的综合机械性能,如对表面要求高硬度、耐磨、-1，

9、增加热处理： 表面淬火（细M）+ 低温回火（回火M） 5 常用钢号：45，40Cr,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 13,大弹簧：热成型钢 在A化时成型弹簧 淬火+中温回火 （回火T ） 小弹簧：冷拉钢 冷绕成型弹簧 低温回火 （加工硬化） （消除内应力，尺寸定型） 热处理后：喷丸 -1,弹簧钢,1 用途：弹性元件 2 性能：高的e 、b 、-1 ，一定的塑韧性 3 成分：0.450.7%C （碳钢0.60.9%C） 主加元素：Mn, Si, Cr 淬透性，强化基体, e 辅加元素：Mo, W, V 防脱碳，细化,s ，e 4 热处理,常用钢号：65，65Mn， 60Si2M

10、n 适用： 小尺寸的沙发弹簧 大尺寸的汽车板簧,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 14,滚动轴承钢,1 用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具 （滚珠、滚柱、轴承套） 2 性能：硬、耐磨， -1 ，一定的韧性 3 成分：0.951.15%C 硬、耐磨 主加元素：Cr 淬透性，硬，耐磨 4 热处理,预备：球化退火球状PHRC，改善切削加工性 最终：淬火+低温回火回火M+细小均布碳化物+残A,常用钢号：GCr15 超高强度钢（略,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 15,合金工具钢量具刃具钢,1 性能： 刃具：高硬度、耐磨性，红硬性（热硬性）， 足够的强度、韧性 量具：高硬

11、度、耐磨性、尺寸稳定性 2 成分：0.81.5%C 硬、耐磨 Cr, W, Mn, V 淬透性、回火稳定性， 强化，细化，HRC，耐磨 3 热处理,一定温度下保持高硬度的能力,预备：球化退火球状PHRC，改善切削加工性 最终：淬火+低温回火回火M+细小均布碳化物+残A HRC、耐磨性,量具：淬火+冷处理+低回 人工时效 (消除残A) （稳定组织、尺寸,4 常用钢号：9SiCr, CrWMn, 9Mn2V, GCr15（量具,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 16,冷作模具钢,1 性能： 高硬度、耐磨性，足够的强度、韧性 2 成分： （与刃具钢相近） 3 热处理： （与刃具钢相近

12、） 4 常用钢号：T10，GCr15 尺寸小、形状简单的模具 9SiCr,9Mn2V,CrWMn 形状复杂模具 Cr12,Cr12MoV 大型复杂模具 （冷冲模，冷挤压模，冷镦模,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 17,热作模具钢,性能： 高温足够的强韧性、耐磨性， 良好的抗疲劳性、导热性、淬透性 成分： 0.30.6%C 中碳钢 Cr, Mn, Ni, Si 淬透性、强度 Mo, W, V 回火稳定性，回火脆性,热处理： 预备：退火 最终： 淬火+高温回火 回火S （中温回火） （回火T,4 常用钢号：5CrNiMo 中小型热锻模 （亚共析钢） 5CrMnMo 中大型热锻模

13、3Cr2W8V 压铸模 （过共析钢,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 18,高速钢特点,性能特点： 红硬性高，淬透性好 成分特点： 含碳量高 （ 0.71.2%C） 合金元素含量高 热处理： 预备：球化退火 S+细粒状碳化物 改善切削加工性 （HB210250） 最终：淬火+三次高温回火,回火M +粒状碳化物 +少量残A,隐晶M+粒状碳化物+残A,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 19,高速钢牌号和性能,常用钢号：W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2 适用于：车刀，铣刀，钻头等高速切削刀具（比较碳素工具钢,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 20

14、,硬质合金,W-Co类：如 YG6 （硬钴+6%Co) 用来加工脆性材料（铸铁）、塑料 W-Co-Ti类：如 YT15 （硬钛+15%Ti） 用来加工塑性材料（钢、耐热钢） 万能硬质合金（VC+TiC+Ta+Co）：如 YW1 （硬万+序号） 用来加工钢、铸铁 钢结硬质合金：如 YE65 塑性较好，可机加工、锻、铸、热处理 制成复杂刀具,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 21,特殊性能钢,不锈钢，耐热钢，耐磨钢 不锈钢 成分： 0.10.2%C 低碳 耐蚀性 主加元素 Cr 基体电极电位 形成钝化膜（Cr2O3） 获得单相组织,常用钢种： 铁素体不锈钢 1Cr17 不能热处理强

15、化 马氏体不锈钢 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13 多用于： 结构件 工具、医疗器械 热处理： 淬火+高温回火 淬火+低温回火 组 织： 回火S 回火M,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 22,奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti 热处理：固溶处理（淬火） 单相 A 区别于普通淬火：无相变，淬火后硬度低 强化方式：加工硬化 应用举例：耐酸容器，餐具,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 23,铸铁,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 24,铁碳合金双重相图,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 25,石墨化过

16、程,第一阶段石墨化： 从过共晶铁水中直接析出的初生（一次）石墨； 在共晶转变中形成的共晶石墨； 一次渗碳体（Fe3CI） 共晶渗碳体 在高温下分解析出石墨 二次渗碳体（Fe3CII,第二阶段石墨化： 共析转变过程中形成的共析石墨 由共析渗碳体分解析出的石墨,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 26,影响石墨化的因素,1 化学成分 C、Si 强烈促进石墨化 S 强烈阻碍石墨化 Mn 阻碍石墨化,2 冷却速度 ，时间 有利于石墨化 冷速慢 促进石墨化 冷速快 抑制石墨化,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 27,石墨化程度与铸铁分类,第一阶段石墨化完全进行 C主要以石墨

17、存在 第二阶段石墨化完全进行 F基体+石墨 第二阶段石墨化部分进行 P+F基体+石墨 第二阶段石墨化没有进行 P基体+石墨 第一阶段石墨化部分进行 第二阶段石墨化没有进行 石墨与Fe3C共存 第一阶段石墨化没有进行 第二阶段石墨化没有进行 C以Fe3C形式存在,冷速 慢,快,灰口铸铁,麻口铸铁,白口铸铁,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 28,冷却速度对铸铁组织的影响,实际生产中，同一铸件上 壁厚处 冷速慢 F基体的灰口铁 壁薄处 冷速快 P基体的白口铁,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 29,石墨形态与铸铁分类,L,直接析出,片状石墨,灰铸铁,L,直接析出 +

18、球化剂,球状石墨,球墨铸铁,L,直接析出 +蠕化剂,蠕虫状石墨,蠕墨铸铁,Fe3C,退火,团絮状石墨,可锻铸铁,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 30,灰铸铁,性能：b、比相同基体的钢低，抗压强度和硬度与钢接近 减振性好，耐磨性好，缺口敏感性低， 铸造性好，切削加工性好。 2 热处理对提高灰铸铁性能的效果不大,F 灰铸铁,P 灰铸铁,F+P 灰铸铁,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 31,常用灰铸铁的牌号与用途,HT200表示灰铸铁，b200N/mm2 （壁厚增加，强度降低,灰铸铁与碳钢机械性能的比较,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 32,孕育

19、铸铁：HT250、HT300、HT350,孕育处理：降低碳、硅含量，以提高铸铁的强度； 浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（75%硅铁），可以细化组织，促进石墨化,孕育铸铁的特点： 强度较高，冷却速度对其组织和性能的影响甚小。因此，适用静载荷下要求较高强度和耐磨性的铸件，特别适合生产厚大铸件如重型机床、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮、凸轮等,灰铸铁孕育处理,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 33,球墨铸铁,1 性能：力学性能接近相应组织的钢， 耐磨性、减振性、s /b比钢好 2 热处理：退火、正火、等温淬火、调质,F 球墨铸铁 F+P 球墨铸铁 P 球墨铸铁,在浇注前往铁水中加少量的球化剂和孕育剂,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 34,常用球墨铸铁的牌号与用途,QT500-7表示球墨铸铁，b500N/mm2 , 7 ,钢与球墨铸铁机械性能比较,2021/1/7,工程材料与材料成型基础,4 - 35,1）严格控制化学成分 （2）较高的出铁温度 （3）球化处理 （4）孕育