工程材料-合金钢

1、 【概述概述】 碳钢价格低廉，工艺性能好，力学性能可满足一般工程结 构和机械零件的使用要求，是工业中用量最大的金属材料。 与碳钢相比，合金钢具有许多优点，性能更优越，但加工 工艺复杂，成本较高； 铸铁材料虽然力学性能较低，但工艺性能良好，生产成本 低，设备和工艺简单。 本节主要介绍常用的合金钢和铸铁材料的分类、牌号、热 处理工艺、组织结构、性能特点及用途。 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 所谓合金钢是指在碳钢的基础上，有意识地加入一些合金元 素的钢。 常加入的元素有锰（）、硅（）、铬（）、镍 （）、钼（）、钨（）、钒（）、钛（）、铌 （）、锆（）、稀土（）等。 合金元素对钢的相变、组

2、织和性能的影响取决于它们与钢中 铁或碳的相互作用。 1.1合金元素在钢中的存在形式和对基本相的影响合金元素在钢中的存在形式和对基本相的影响 合金元素在钢中可以两种形式存在： 一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没 有的新相。 在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元 素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。 常用的合金元素有以下几种：常用的合金元素有以下几种： 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：、 碳化物形成元素：碳化物形成元素：、 。 稀土元素稀土元素:一般用符号表示。 铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时， 可以溶于铁素体内，也可以溶于渗

3、碳体内。 （）形成合金铁素体）形成合金铁素体 非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，以及与碳亲和力较 弱的碳化物形成元素，如锰，主要溶于铁素体中，形成合金铁素体。 合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同 而造成晶格畸变； 另外，合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制 作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。 （）形成碳化物（）形成碳化物 锰是弱碳化物形成元素，与碳的亲和力比铁强，可溶于 渗碳体中，形成合金渗碳体（，），这种碳化物 的熔点较低、硬度较低、稳定性较差。 铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗 碳体. 合金钢的分类与编号 .合金

4、钢的分类合金钢的分类 合金钢种类繁多，为了便于生产、选材、管理及研究， 根据某些特性，从不同角度出发可以将其分成若干种类。 （）按用途分类（）按用途分类 合金结构钢：合金结构钢： 可分为机械制造用钢和工程结构用钢，主要用于制造各 种机械零件、工程结构件等。 合金工具钢：合金工具钢： 按合金工具钢标准， 可分为量具刃具钢、耐冲击工具钢、热作模具钢、冷作模具 钢、无磁模具钢和塑料模具钢等。 特殊性能钢：特殊性能钢： 可分为抗氧化用钢、不锈钢、耐磨钢、易切削钢等。 （）按合金元素含量分类（）按合金元素含量分类 低合金钢：低合金钢： 合金元素的总含量在以下。 中合金钢：中合金钢： 合金元素的总含量在

5、之间。 高合金钢：高合金钢： 合金元素的总含量在以上。 （）按金相组织分类（）按金相组织分类 按平衡组织或退火组织分类按平衡组织或退火组织分类 可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。 按正火组织分类按正火组织分类 可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。 （）其他分类方法（）其他分类方法 除上述分类方法外，还有许多其他的分类方法，如按工 艺特点可分为铸钢、渗碳钢、易切削钢等； 按质量可分为普通质量钢、优质钢和高级质量钢，其区别 主要在于钢中所含有害杂质元素（、）的多少。 .合金钢的编号合金钢的编号 （）（）合金结构钢合金结构钢的牌号表示方法的牌号表示方法 根据国家标准规定，合金结构

6、钢的牌号用“两位数字元两位数字元 素符号数字素符号数字”表示。 元素符号前的两位数字表示钢的平均碳的质量分数，元素符号前的两位数字表示钢的平均碳的质量分数， 以万分之一为单位计以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后 面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。 当.时，只标明元素名称，不标明质量分数； 当（. .），（. . ），时，则在元素符号后相应地标上，。 如，表示碳的平均质量分数为，锰、 钒的平均质量分数均小于.的合金结构钢。若为高级优质 钢，则在钢的牌号末尾加上“”，如。 对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示 其牌号。 滚动轴承钢牌号的首位用

7、“滚”或“滚”字的汉语拼音字首 “”来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素“ ”，其后面的数字则表示铬的平均质量分数，以千分之一为单 位计。 如，表示钢中铬的平均质量分数为。 易切削钢牌号的表示方法与其相似，用“易”或“易”字的 汉语拼音宇首“”开头，后面和合金结构钢牌号表示方法无异; 如易锰或，表示 ， 的易切削钢。 （）合金工具钢的牌号表示方法（）合金工具钢的牌号表示方法 与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元 素的表示方法未变. 如表示合金元素的平均质量分数、 、均小于，合金工具钢中碳的含量表示方 法则有所不同; 当，不标出碳的质量分数，如 钢。当 时，用一位数字在最前

8、面表示碳的质用一位数字在最前面表示碳的质 量分数，以千分之一为单位计量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素; 如表示碳的质量分数平均为， 、皆小于。 高速工具钢碳的平均质量分数无论是多少，都不标出。 如钢碳的平均质量分数在 之间。 （）特殊性能钢的牌号表示方法（）特殊性能钢的牌号表示方法 特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如 钢表示钢中碳的平均质量分数为，铬的 平均质量分数为。 但不锈钢、耐热钢在碳的质量分数很低时，表示方法有 所不同，当碳的平均质量分数当碳的平均质量分数或或时，时， 分别在第一个合金元素符号前分别在第一个合金元素符号前冠冠“”或或“”表示其碳的平表示其碳的平

9、 均质量分数均质量分数，如、 钢等。 由于耐磨钢零件经常是铸造成型后使用，其牌号最前面 是“”，表示铸钢，紧随其后的是元素符号，然后是该元素 的平均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。 如表示铸造高锰钢，锰含量平均为 ，序号为。 合金结构钢及其应用合金结构钢及其应用 .低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 （）用途 广泛用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管、 大型钢结构以及汽车、拖拉机、挖土机械等产品方面。 在某些场合用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢可减 轻构件重量，保证使用可靠、耐久。 （）性能特点 这类钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊 接性、耐蚀性和冷成形性，

10、低的韧脆转变温度，适于冷弯和 焊接。 其强度显著高于相同碳含量的碳素结构钢，若用低合金 高强度结构钢来代替碳素结构钢，可在相同受载条件下使重 量减轻 。 此外，它还具有更低的韧脆转变温度，这对在北方高寒 地区使用的构件及运输工具（例如车辆、容器、桥梁），具 有十分重要的意义。 南京长江大桥南京长江大桥 . 合金渗碳钢合金渗碳钢 用于制造渗碳零件的钢叫做渗碳钢。 （）用途（）用途 主要用于制造汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的 凸轮轴、活塞销等工作条件较复杂的机械零件，它们一方面 承受强烈的摩擦磨损和交变应力的作用，另一方面又经常承 受较强烈的冲击载荷作用。 （）性能特点（）性能特点 钢件经渗

11、碳、淬火和低温回火后，表面具有较高的硬度和 耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。 渗碳炉渗碳炉 .合金调质钢合金调质钢 通常将需经淬火和高温回火（即调质处理）强化而使用的 钢种称为调质钢。 （）用途（）用途 广泛用于制造汽车、拖拉机、机床及其他机器上要求具有 良好综合力学性能的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、 螺栓等。 （）性能特点（）性能特点 合金调质钢应具备较高的淬透性，调质处理后具有高强度与 良好塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。 调质件（螺杆）调质件（螺杆） 单缸汽车曲轴单缸汽车曲轴 .合金弹簧钢合金弹簧钢 （）用途（）用途 主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 （）性能特点（

12、）性能特点 具有高的弹性极限和屈强比，以避免在高负荷作用下产生永久 变形；具有高的疲劳极限，以防止产生疲劳破坏； 具有一定的塑性和韧性，以防止在冲击载荷下发生突然破坏。 .滚动轴承钢滚动轴承钢 （）用途（）用途 主要用于制造各种滚动轴承的零件，如滚珠、滚柱、轴 承内外套圈等。 此外，其化学成分类似于低合金工具钢，因而，也可以 用于制造某些刃具、量具、模具及精密构件。 （）性能特点（）性能特点 具有高而均匀的硬度（）和耐磨性； 高的接触疲劳强度，轴承元件工作时受很大的交变接触应力 （），往往发生接触疲劳破坏， 易产生麻点或剥落；一定的韧性、淬透性及耐腐蚀性（对大 气或润滑剂）。 圆柱滚圆柱滚 子

13、轴承子轴承 自动调自动调 心球轴承心球轴承 .易切削结构钢易切削结构钢 在钢中附加一种或几种合金元素，以提高其切削加工性，这 类钢称为易切削钢。 目前常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。硫在钢中与锰、 铁可形成、夹杂物，会中断基体的连续性，促使 形成卷曲半径小而短的切屑，减少切屑与刀具的接触面积；还能 起减摩作用，降低切屑与刀具之间的摩擦系数，并且使切屑不黏 附在刀刃上。 因此，硫能降低切削力和切削热，减少刀具磨损，提高表面 光洁度和刀具寿命，改善排屑性能。 合金工具钢及其应用合金工具钢及其应用 .量具刃具钢量具刃具钢 （）用途）用途 主要用于制造低速切削刃具（如木工工具、钳工工具、 钻头、铣刀

14、、拉刀等）及测量工具（如卡尺、千分尺、块规、 样板等）。 （）性能特点（）性能特点 量具刃具钢要求具有高硬度（）、高 耐磨性、足够的强韧性、高的热硬性（即刃具在高温时仍能 保持高的硬度）；为保证测量的准确性，要求量具刃具钢具 有良好的尺寸稳定性。 丝锥丝锥 板牙板牙 .高速工具钢高速工具钢 （）用途（）用途 高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、 铰刀、拉刀、麻花钻等。 （）性能特点（）性能特点 高硬度、高耐磨性：高硬度、高耐磨性：切削加工时刀具的刃部与工件之 间发生强烈摩擦，故一般要求硬度大于。 高热硬性（又称红硬性）：高热硬性（又称红硬性）：热硬性是指钢在高温下仍 能维持高硬度

15、的能力。热硬性的高低与回火稳定性和碳化物 的弥散沉淀等有关。 具有一定的强度、韧性和塑性：具有一定的强度、韧性和塑性：以免刃具在冲击、震 动载荷作用下崩刃或断裂。 高速钢冷轧钢带高速钢冷轧钢带 高速钢形材高速钢形材 .冷作模具钢 （）用途（）用途 冷作模具钢主要用于制造接近室温状态（低于 ）下对金属进行变形加工的模具，如冷冲模、 冷镦模、冷挤压模以及拉丝模、滚丝模、搓丝模等。 （）性能特点（）性能特点 冷作模具工作时，刃口部位承受很大的压力、冲击力， 模具的工作部分与坯料之间产生强烈的摩擦。 因此，冷作模具钢要求有较高的硬度和良好的耐磨性， 以及足够的强度和韧性。对于高精度模具要求热处理变形小

16、， 大型模具要求具有良好的淬透性。 汽车冲压模具汽车冲压模具 Cr12钢钢 .热作模具钢热作模具钢 （）用途（）用途 用于制造对金属进行热变形加工的模具，如热锻模、热镦模、 热挤压模、精密锻造模、高速锻模等。 （）性能特点（）性能特点 热作模具工作时受到较高的冲击载荷作用，同时模腔表面与炽 热金属接触并摩擦，局部温度可达以上，并且还要反复受 热与冷却，常因热疲劳而使模腔表面产生龟裂。 故要求在高温下具有足够的强度、韧性和硬度，有较高的耐磨 性、良好的导热性和抗热疲劳性。对于尺寸较大的模具，还应有较 高的淬透性。 热模锻曲轴毛坯热模锻曲轴毛坯 特殊性能钢及其应用特殊性能钢及其应用 不锈钢不锈钢

17、在自然环境或一定工业介质中具有耐蚀性的一类钢称为不锈钢。 不锈钢应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等腐蚀介质的腐蚀。 （）金属腐蚀的概念（）金属腐蚀的概念 金属表面与周围介质相互作用，使金属基体逐渐遭受破坏的现 象称为腐蚀。腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。金属直接与介 质发生化学反应造成的腐蚀称为化学腐蚀。 在化学腐蚀过程中没有电流产生，例如金属在高温下的氧化、 钢的脱碳、钢在石油中的腐蚀以及氢和含氢气体对普通碳钢的强烈 腐蚀（氢蚀）等。金属在电介质溶液中因原电池作用，产生电流而 引起的腐蚀现象称为电化学腐蚀。 化工管化工管 道的腐道的腐 蚀蚀 裂解管裂解管 内壁的内壁的 高温腐高温腐 蚀减薄

18、蚀减薄 （）常用不锈钢（）常用不锈钢 不锈钢常用两种方法分类： 一是按钢中主要合金元素分为铬不锈钢和铬镍不锈钢； 二是按正火态的组织分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥 氏体不锈钢。 常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途见表 耐热钢耐热钢 耐热钢是指在高温下具有较好的抗氧化性并兼有高温强度 的钢。 一般钢铁材料加热到以上时表面容易产生氧化， 这是由于空气中的氧原子与铁原子在高温下形成疏松多孔的 。 温度越高，氧化速度越快，长时间氧化会使钢材表面起皮 和剥落，钢的抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的稳定性。 除氧化外，钢铁在高温下由于原子间结合力减弱，其强度 也大大下降。当工作温度高于金属

19、的再结晶温度，工作应力超 过金属在该温度下的弹性极限时，随着时间的延长金属会发生 极其缓慢的变形，这种现象称为“蠕变”。 气轮机叶片气轮机叶片 汽车阀门汽车阀门锅炉安全泄压阀锅炉安全泄压阀 (2Cr13) 耐磨钢耐磨钢 耐磨钢主要是指在冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢。它 的主要成分是含碳 、含锰 。由于这种钢极易产生加工硬化，切削加工困难，所以大多 数高锰钢零件是铸造成型后直接使用或少许加工。 球磨机衬板球磨机衬板 挖掘机铲齿挖掘机铲齿 铁路辙岔铁路辙岔 破碎机牙板破碎机牙板 41 铸铁及其石墨化铸铁及其石墨化 铸铁铸铁是是含碳量大于含碳量大于2.11%并含并含 有较多有较多硅、锰、硫、磷等元

20、素的硅、锰、硫、磷等元素的 多元铁基合金。多元铁基合金。 铸铁具有许多优良的性能及铸铁具有许多优良的性能及生生 产简便、成本低廉等优点产简便、成本低廉等优点，因而，因而 是应用最广泛的材料之一。是应用最广泛的材料之一。 例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞 环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。 铸铁曲轴铸铁曲轴 42 铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程 Fe-Fe3C 和和 Fe-G (石石 墨墨)双重相图双重相图 Fe3C是亚稳相，是亚稳相，在一在一 定条件下将发生分解：定条件下将发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨）

21、（石墨） 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁基体球墨铸铁 6.1 概述概述 43 石墨石墨是碳的单质之是碳的单质之 一，其一，其强度、塑性、强度、塑性、 韧性几乎为零。韧性几乎为零。 铸铁中的铸铁中的碳碳除除少量少量 固溶于基体固溶于基体中外，主中外，主 要以化合态的要以化合态的渗碳体渗碳体 (Fe3C)和游离态的石墨和游离态的石墨 (G)两种形式存在。两种形式存在。 44 6.2 存在两个铁碳相图存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和和Fe-G双重相图双重相图 L+G L+Fe3C 45 6.5、铸铁的特点及分类、铸铁的特点及分类 工业上使用的铸铁主要是工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。灰

22、口铸铁。 1、铸铁的组织特点、铸铁的组织特点 钢的基体钢的基体+G（石墨）（石墨） 基体组织有基体组织有铁素体、珠光体铁素体、珠光体和和铁素体加珠光体铁素体加珠光体三种。三种。 F+GF+P+GP+ G 46 耐磨性能好。耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好。消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。铸造性能好。由于铸铁硅含量高由于铸铁硅含量高, 成分接近于成分接近于 共晶。共晶。 切削性能好。切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不由于石墨使车屑容易脆断，不 粘刀。粘刀。 对缺口不敏感。对缺口不敏感。 2、铸铁的性能特点、

23、铸铁的性能特点 铸铁与铸钢的强度比较铸铁与铸钢的强度比较 力学性能低。力学性能低。由于由于石墨石墨相当相当 于钢基体中的于钢基体中的裂纹或空洞裂纹或空洞，破，破 坏了基体的连续性，且易导致坏了基体的连续性，且易导致 应力集中。应力集中。 47 3、铸铁的分类与牌号表示方法、铸铁的分类与牌号表示方法 铸铁铸铁 名称名称 石墨石墨 形态形态 基体基体 组织组织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 灰灰 铸铸 铁铁 片片 状状 FHT + 一组数字一组数字 数字表示最低抗拉强度值，单位数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。 “HT”表示灰铸铁代号。表示灰铸铁代号。 HT100 F+P HT150

24、 P HT200 可可 锻锻 铸铸 铁铁 团团 絮絮 状状 F KTH +两组数字、两组数字、KTB +两组数字、两组数字、 KTZ + 两组数字两组数字 KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白分别为黑心、白 心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数 字表示最低抗拉强度值，字表示最低抗拉强度值，MPa；第二；第二 组数字表示最低伸长率值，组数字表示最低伸长率值，% KTH300- 06 表表F 心心P KTB350- 04 P KTZ450- 06 48 铸铁的分类与牌号表示方法（续）铸铁的分类与牌号表示方法（续） 铸铁铸铁 名称名称 石墨石墨 形态形态 基体基体 组织组

25、织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 球球 墨墨 铸铸 铁铁 球球 状状 FQT + 两组数字两组数字 第一组数字表示最低抗拉强第一组数字表示最低抗拉强 度值，度值，MPa； 第二组数字表示最低伸长率第二组数字表示最低伸长率 值，值，%。 “QT”表示表示 球墨铸铁代号球墨铸铁代号 QT400-17 F+PQT600-3 PQT700-2 蠕蠕 墨墨 铸铸 铁铁 蠕蠕 虫虫 状状 FRuT + 一组数字一组数字 数字表示最低抗拉强度值数字表示最低抗拉强度值, MPa。 “RuT”表示蠕墨铸铁代号表示蠕墨铸铁代号 RuT260 F+PRuT300 PRuT420 7 灰铸铁灰铸铁 灰铸铁

26、是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约 占铸铁总产量的占铸铁总产量的80%以上。以上。 灰灰 铸铁铸铁 的的 显显 微组织微组织 铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁 珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁 铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁 石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌 51 3、用途、用途 制造承受压力和震动的零制造承受压力和震动的零 件件,如如机床床身、各种箱体、机床床身、各种箱体、 壳体、泵体、缸体。壳体、泵体、缸体。 大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床床身(HT-250) 变速箱体变速箱体 可锻铸铁石墨化退火可锻铸铁石墨化退火 工艺曲线工艺曲线 石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白白 口铸铁经石墨化退火获得的。口铸铁经石墨化退火获得的。 2、性能、性能：强度为碳钢的：强度为碳钢的4070%， 接近于铸钢。接近于铸钢。 名为可锻，实不可锻。名为可锻，实不可锻。 3、用途、用途 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 用于制造用于制造形状复杂且承受振形状复杂且承受振 动载荷的薄壁动载荷的薄壁小型件小型件. 如如汽车、拖拉机的前后轮壳汽车、拖拉机的前后轮壳、 管接头管接头、低压阀门、低压阀门等。等。 54 7.3、 球墨铸铁球墨铸铁 石墨呈球形的灰口铸铁