工程材料-第3章

1、第第3章章 金属材料金属材料 重点：重点： (1)各类合金钢的钢号、成分特点、热处各类合金钢的钢号、成分特点、热处 理工理工艺、组织、性能以及它们的应用。艺、组织、性能以及它们的应用。 (2)合金钢中各主要合金元素的作用。合金钢中各主要合金元素的作用。金金属属材材料料黑色金属黑色金属有色金属有色金属铁和铁为基的合金。铁和铁为基的合金。黑色金属以外的所有金属和合金。黑色金属以外的所有金属和合金。要熟练掌握的金属材料的牌号碳钢：碳钢：Q235Q235 优质碳素结构钢如优质碳素结构钢如4545 碳素工具钢如碳素工具钢如T12T12合金钢：合金钢：Q345(16Mn)Q345(16Mn) 20Cr 2

2、0Cr、20CrMnTi20CrMnTi 40Cr 40Cr、35CrMo35CrMo、40CrNiMo40CrNiMo 65Mn 65Mn、60Si2Mn60Si2Mn GCr15 GCr15 CrWMn CrWMn 9SiCr9SiCr W18Cr4V W18Cr4V 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti0Cr18Ni9Ti要熟练掌握的金属材料的牌号铸钢铸钢：ZG35ZG35铸铁：铸铁：HT200HT200 QT600-2 QT600-2 KT300-6 KT300-6 RuT420 RuT420轴承合金：轴承合金：ZChSnSb11-6ZChSnSb11-6

3、ZChPbSb16-16-2 ZChPbSb16-16-23.1 碳钢碳钢3.1.1 碳钢的成分和分类碳钢的成分和分类1. 碳钢的成分碳钢的成分主要元素：主要元素：Fe、C非特意加入的杂质元素：非特意加入的杂质元素：Mn、Si、S、P、 H、O、N等等2. 碳钢的分类碳钢的分类(1)按钢的碳按钢的碳 质量分数分质量分数分低碳钢：低碳钢：w(C)0.25%中碳钢：中碳钢：0.25%w(C)0.6%高碳钢：高碳钢：w(C) 0.6%(2)按钢的按钢的 质量分质量分普通碳素钢：普通碳素钢：w(S)0.055%, w(P)0.045%优质碳素钢：优质碳素钢：w(S)0.04%, w(P)0.04%高级

4、优质碳素钢：高级优质碳素钢：w(S)0.03%, w(P)0.035%(3)按用途分按用途分碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢(4)按冶炼按冶炼 方法分方法分平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢1.碳素结构钢碳素结构钢Q235-CF屈服极限屈服极限=235MPa钢材质量等级钢材质量等级S、P质量分数质量分数A、B、C、D脱氧方法脱氧方法F、b、Z、TZ牌号牌号:Q+数字表示数字表示3.1.2 碳钢的牌号及用途碳钢的牌号及用途(GB700-88)“屈屈”字的字的汉语拼音汉语拼音字首字首F：沸腾钢：沸腾钢b：半镇静钢：半镇静钢Z：镇静钢：镇静钢TZ:特殊镇静钢特殊镇静钢A级硫、磷质量分数最高，级硫、磷质

5、量分数最高， D级硫、磷质量分数最低。级硫、磷质量分数最低。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢例：例：10 45 65W(c)=0.1%W(c)=0.45%W(c)=0.65%牌号：牌号：平均碳质量分数的万分数表示。平均碳质量分数的万分数表示。08F、10、20、30、40、45、50、60、65主要用来制造各种机器零件。主要用来制造各种机器零件。 例：轴，选材：例：轴，选材：4545钢。硬度要求为：钢。硬度要求为：220HB220HB250HB250HB；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为为5252HRCHRC。 (1)(1)确定工艺路线、热处理工艺确定工艺路

6、线、热处理工艺 (2)(2)分析组织与性能分析组织与性能 答答:(1):(1)工艺路线：锻造工艺路线：锻造正火正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火磨削加工。磨削加工。时间时间温温度度空冷空冷正火正火Ac3+30-50=840 左右左右水冷水冷淬火淬火高温高温回火回火水冷水冷淬火淬火低温低温回火回火500650 150250 +调质处理调质处理图图4545制造车床主轴热处理工艺图制造车床主轴热处理工艺图(2)(2)组织与性能组织与性能原始组织：原始组织：F+PF+P正火后的组织：正火后的组织：F+S F+S 正火的目的：细化、均匀化组织正火的目的：细化、均匀

7、化组织调质（淬火调质（淬火+ +高温回火）后的组织：回火高温回火）后的组织：回火S S 性能：良好的综合机械性能。性能：良好的综合机械性能。表面淬火表面淬火+ +低温回火：低温回火：表面组织为：回火表面组织为：回火M M。性能：硬度较高，耐磨。性能：硬度较高，耐磨。心部组织为：回火心部组织为：回火S S。性能：良好的综合机械性能。性能：良好的综合机械性能。 工艺路线：下料工艺路线：下料卷成型卷成型淬火淬火+ +中温回火中温回火喷喷丸强化丸强化两端磨平两端磨平 淬火（淬火（Ac3+30Ac3+3050, 850 50, 850 ）+ +中温回火中温回火(350-500 ),(350-500 ),

8、回火屈氏体。回火屈氏体。 例：弹簧，选材：例：弹簧，选材：6565钢。硬度：钢。硬度：3535HRCHRC45HRC45HRC (1) (1)确定工艺路线、热处理工艺确定工艺路线、热处理工艺 (2)(2)分析组织与性能分析组织与性能3. 碳素工具钢碳素工具钢例：例：T8 T10 T12W(c)=0.8%W(c)=1.0%W(c)=1.2%牌号：牌号：平均碳质量分数的千分数表示。平均碳质量分数的千分数表示。 优质：优质：T7、T8、T8Mn、T9、T10Mn、T10、 T12、T13 高级优质：在上述牌号后面加高级优质：在上述牌号后面加A主要用来制造各种刃具、量具、模具等。主要用来制造各种刃具、

9、量具、模具等。(1)(1)工艺工艺路线路线 热轧钢板（带）下料一锻（轧）柄部热轧钢板（带）下料一锻（轧）柄部- -正火正火- -球化球化退火退火- -机加工机加工- -淬火淬火- -低温回火。低温回火。Ac1=730Ac1=730AccmAccm=830=830例：板挫例：板挫 对板挫的对板挫的要求：表面刃部有高的硬度（要求：表面刃部有高的硬度（64HRC-64HRC-67HRC67HRC），柄部硬度），柄部硬度3535HRCHRC。选材：。选材：T12T12钢。钢。 回答以下问题：回答以下问题： (1)(1)确定工艺路线、热处理工艺参数确定工艺路线、热处理工艺参数 (2)(2)分析组织与性能

10、分析组织与性能刃部64HRC67HRC时间时间温温度度低温低温回火回火150250 球化退火球化退火略高于略高于730730空冷空冷正火正火Accm+30-50=860-880 左右左右水冷水冷淬火淬火Ac1+30-50=760-780 左右左右图图 T12T12制造板锉热处理工艺图制造板锉热处理工艺图正火后的组织：正火后的组织： S +FeS +Fe3 3C C （不连续的网状组织）（不连续的网状组织）, , 为球化退火作准备。为球化退火作准备。淬火：淬火： Fe3C (球状球状) +M+A低温回火：低温回火： Fe3C (球状球状) +回火回火M+A球化退火后的组织：在铁素体基体上分布着细

11、小球化退火后的组织：在铁素体基体上分布着细小 均匀的球状渗碳体。均匀的球状渗碳体。原始组织：原始组织：P +FeP +Fe3 3C C （连续的网状组织）（连续的网状组织）(2) (2) 组织与性能组织与性能3.2 合金钢合金钢3.2.1概论概论1.合金钢的分类合金钢的分类2.合金钢的编号合金钢的编号按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢总原则：总原则：碳质量分数碳质量分数+合金元素符号合金元素符号+合金元素数量合金元素数量+质量级别质量级别结构钢：碳质量分数万分之一，两位数表示。结构钢：碳质量分数万分之一，两位数表示。工具钢、特殊性能钢：碳质量分数千分之一，

12、一位数工具钢、特殊性能钢：碳质量分数千分之一，一位数 表示。表示。工具钢的碳质量分数超过工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。时，碳质量分数不标出。碳质量分数的表示：碳质量分数的表示：标出主要合金元素，质量分数由其后面的数字标出，标出主要合金元素，质量分数由其后面的数字标出，平均质量分数为：平均质量分数为：1.5%2.49%标标2 2.5%3.49%标标3 以此类推以此类推 若若1.5%不标不标合金元素及其质量分数的表示：合金元素及其质量分数的表示：20CrMnTiW(C)约为约为0.2%主要元素主要元素Cr、Mn、Ti的质的质量分数均在量分数均在1.5%以下。以下。牌号：牌号：1C

13、r18Ni9TiW(C)约为约为0.1%主要元素主要元素w(Cr)约为约为18% w(Ni)约为约为9% w(Ti) 1.5%牌号：牌号：专用钢用汉语拼音字首来表示。专用钢用汉语拼音字首来表示。少数特殊性能钢的编号例外。少数特殊性能钢的编号例外。特例特例1：滚珠轴承纲：滚珠轴承纲：GCr15：w(C)约为约为1.0% w(Cr)约为约为1.5%特例特例2：易切削钢：易切削钢：Y40Mn: w(C)约为约为0.4% w(Mn)1.5%特例特例3：高级优质钢在钢的末尾加：高级优质钢在钢的末尾加“A”：20Cr2Ni4A特例特例4：耐热钢：耐热钢：12Cr1MoV: w(C)约为约为0.12% w(

14、Cr)约为约为0.1% w(Mo) 1.5% w(V) 1.5%1.低合金结构钢低合金结构钢3.2.2合金结构钢合金结构钢(2)性能要求性能要求高强度高强度高韧性高韧性良好的焊接性和冷成型性良好的焊接性和冷成型性低的冷脆转变温度低的冷脆转变温度良好的耐蚀性良好的耐蚀性 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构件。压容器、输油输气管道、大型钢结构件。(1)用途用途 (4)常用钢种：例：常用钢种：例：16Mn (Q345)热轧空冷状态下使用，不需专门的热处理热轧空冷状态下使用，不需专门的热处理为了改善焊接区，可进行一次正火处理。为

15、了改善焊接区，可进行一次正火处理。组织：组织：F+S(5)热处理和组织性能热处理和组织性能低碳：低碳：w(C)0.7%b.加入加入Cr、W 、Mo 、 V等合金元素等合金元素 Cr：提高淬透性：提高淬透性 W 、Mo：获得高的热硬性：获得高的热硬性 V：提高硬度和耐磨性：提高硬度和耐磨性 (3)成分特点成分特点低合金刃具钢低合金刃具钢9SiCr牌号：牌号：Cr、Si提高淬透性，Si提高回火稳定性。(4)常用钢种常用钢种 W(C)=0.9%w(Si)1.5%w(Cr) 1.5%高速钢W18Cr4V牌号：牌号：W(C)=0.7%0.8%Cr：提高淬透性，一般：提高淬透性，一般Cr的质量分数为的质量

16、分数为4%。W：保证高的热硬性。：保证高的热硬性。V：提高钢的硬度和耐磨性。：提高钢的硬度和耐磨性。w(W)=18%w(Cr)=4%w(V)1.5%回火后的组织：回火回火后的组织：回火M+细粒状碳化物细粒状碳化物+A工艺路线：工艺路线：图图W18Cr4V钢的热处理工艺路线图钢的热处理工艺路线图2.合金模具钢合金模具钢(1)冷模具钢冷模具钢 性能要求性能要求 a.高硬度，一般为高硬度，一般为58HRC 62HRC b.高耐磨性高耐磨性 c.足够的韧性和疲劳抗力足够的韧性和疲劳抗力 d.热处理变形小热处理变形小 用途用途 用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压

17、模和拉丝 模等，工作温度不超过模等，工作温度不超过200300。成分特点成分特点 a.高碳高碳 碳质量分数多在碳质量分数多在1.0%以上以上 b.加入加入Cr、Mo、W、V等合金元素等合金元素 钢种和牌号钢种和牌号 9SiCr、CrWMn、9Mn2V 热处理特点热处理特点 高碳高铬冷模具钢的热处理方案有两种：高碳高铬冷模具钢的热处理方案有两种： 一次硬化：在较高温度一次硬化：在较高温度(9501000)下淬火，下淬火，然后低温然后低温(150180)回火，硬度可达回火，硬度可达61HRC 64HRC。 二次硬化：在较高温度二次硬化：在较高温度(11001150)下淬火，下淬火，然后然后5105

18、20多次多次(一般为三次一般为三次)回火，产生二回火，产生二次硬化，硬度可达次硬化，硬度可达60HRC 62HRC。 (2)热模具钢热模具钢 性能要求性能要求 a.高的热硬性和高温耐磨性高的热硬性和高温耐磨性 b.高的抗氧化性能高的抗氧化性能 c.高的热强度和足够的韧性高的热强度和足够的韧性 d.高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏 用途用途 用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸 模等，工作时型腔表面温度可达模等，工作时型腔表面温度可达600以上。以上。成分特点成分特点 a.中碳中碳 碳质量分数一般为碳质量分数一般为0.3

19、0.6% b.加入加入Cr、Ni、Mn、Si等合金元素等合金元素 c.加入加入Mo、W、V等等 钢种和牌号钢种和牌号 5CrMnMo等等 热处理热处理3.合金量具钢合金量具钢(1)用途用途(2)性能要求性能要求高硬度高硬度高尺寸稳定性高尺寸稳定性主要用于制造各种测量工具。主要用于制造各种测量工具。高碳：高碳：w(C)=0.9%1.5%加入提高淬透性的元素：加入提高淬透性的元素：Cr、W、Mn(3)成分特点成分特点(4)常用钢种常用钢种:CrWMn、GCr15 保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以 减少残余奥氏体。减少残余奥氏体。 高淬火后立即进行高淬火后

20、立即进行-70-80的冷处理，的冷处理，使残余奥氏体尽可能转变为马氏体。使残余奥氏体尽可能转变为马氏体。 (5)热处理特点热处理特点1.不锈钢不锈钢3.2.4特殊性能钢特殊性能钢(1)腐蚀概述腐蚀概述 金属腐蚀是自然界存在的一种自然现象，它是金属与环境化学、电化学相互作用的自发破坏过程。 世界各国因腐蚀而造成的经济损失十分惊人，一般工业发达国家的腐蚀损失是国民经济总产值的4左右。 据估计，世界上每年因腐蚀而不能使用的金属质量，大约相当于金属年产量的l4l3，而每年生产的黑色金属（钢铁）由于腐蚀而遭到破坏的有520。 金属在环境中，在金属表面或界面上进行的化学、电化学多相反应，或者由于物理溶解作

21、用而造成的材料氧化、损坏或变质。金属的腐蚀过程属于氧化还原反应。(2)腐蚀的定义腐蚀的定义 根据腐蚀反应机理的不同，通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。(3)腐蚀的分类腐蚀的分类 是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。 其主要特点是非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。 电子的传递是在金属和氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。化学腐蚀化学腐蚀： 是指金属与电解质发生电化学反映，并伴有电是指金属与电解质发生电化学反映，并伴有电流产生的腐蚀过程。流产生的腐蚀过程。 主要特点是其反应历程可以分为两个相对独立主要特点是其反应历程可以分为两个相对独立，并且可同时进

22、行的过程，并且可同时进行的过程阴极反应与阳极反应。阴极反应与阳极反应。电化学腐蚀电化学腐蚀： 最简单的原电池是最简单的原电池是CuZn原电池。如图所示。当外原电池。如图所示。当外电路接通时，电路中即有电流电路接通时，电路中即有电流通过。通过。 电极过程如下：电极过程如下： Zn 的电极电位较负，为的电极电位较负，为阳极，发生氧化反应。阳极，发生氧化反应。 Cu的电极电位较正，为的电极电位较正，为阴极，发生还原反应，溶液中阴极，发生还原反应，溶液中的的H离子与从离子与从Zn电极流过来的电极流过来的电子相结合放出氢气。电子相结合放出氢气。(4)电化学腐蚀的原理电化学腐蚀的原理阴极阴极：2H+2e-

23、H2阳极阳极：ZnZn2+2e 腐蚀电池的总反应：腐蚀电池的总反应：Zn+2H+Zn2+H2 随着反应的不断进行，锌不断地被离子化，随着反应的不断进行，锌不断地被离子化，释放电子，在外电路形成电流。锌离子化的结果，释放电子，在外电路形成电流。锌离子化的结果，是使锌被腐蚀。是使锌被腐蚀。 如果将一块合金置于电解质溶液中，也会发如果将一块合金置于电解质溶液中，也会发生同样的氧化、还原反应，组成腐蚀原电池，只生同样的氧化、还原反应，组成腐蚀原电池，只不过这种电池的阳极、阴极难以用肉眼去区分而不过这种电池的阳极、阴极难以用肉眼去区分而已。已。 金属组织结构的不均匀性而构成的微金属组织结构的不均匀性而构

24、成的微 观电池观电池 金属与合金的晶粒与界面之间，各种不同的相之间的电极电位是有差异的，由此在电解质溶液中也可能导致形成微电池而产生局部腐蚀。图不锈钢的晶间腐蚀图不锈钢的晶间腐蚀例：渗碳体电极电位高，例：渗碳体电极电位高，铁素体电极电位低。铁素体电极电位低。物理状态的不均匀性形成的微观电池物理状态的不均匀性形成的微观电池 金属在加工或使用过程中往往产生部分变形金属在加工或使用过程中往往产生部分变形或受力不均匀性，以及在热加工冷却过程中引起或受力不均匀性，以及在热加工冷却过程中引起的热应力和相变产生的组织应力等，都会形成微的热应力和相变产生的组织应力等，都会形成微观电池。观电池。 一般情况下，应

25、力大的部位成为阳极，因此一般情况下，应力大的部位成为阳极，因此在铁板弯曲处和铆接处容易发生腐蚀。在铁板弯曲处和铆接处容易发生腐蚀。 另外，温差、光照的不均匀性也会引起微观另外，温差、光照的不均匀性也会引起微观电池的形成。电池的形成。 金属表面膜不完整形成的微观电池金属表面膜不完整形成的微观电池 金属的表面一般都存在一层初生膜。如果这种金属的表面一般都存在一层初生膜。如果这种膜不完整、有孔隙或破损，则孔隙或破损处的金属膜不完整、有孔隙或破损，则孔隙或破损处的金属相对于表面膜来说，电极电位较负，成为微电池的相对于表面膜来说，电极电位较负，成为微电池的阳极，故腐蚀将从这里开始。阳极，故腐蚀将从这里开

26、始。如：小孔腐蚀（点腐蚀如：小孔腐蚀（点腐蚀）(5)提高金属材料腐蚀的能力提高金属材料腐蚀的能力 减少原电池形成的可能，使金属材料具有均匀减少原电池形成的可能，使金属材料具有均匀的单相组织，并尽可能提高金属材料的电极电位。的单相组织，并尽可能提高金属材料的电极电位。 尽可能减小两极之间的电极电位差，并提高尽可能减小两极之间的电极电位差，并提高阳级的电极电位。阳级的电极电位。 减少甚至阻隔腐蚀电流，使金属减少甚至阻隔腐蚀电流，使金属“钝化钝化”，即在表面形成致密的、稳定的保护膜，将介质与，即在表面形成致密的、稳定的保护膜，将介质与金属材料隔离。金属材料隔离。(6) 不锈钢的成分特点不锈钢的成分特

27、点 碳含量碳含量 耐蚀性要求愈高，碳质量分数应愈低。耐蚀性要求愈高，碳质量分数应愈低。 C与与Cr形成碳化物形成碳化物 (Cr,Fe)23C6在晶界析出在晶界析出,使晶界周围严重贫铬使晶界周围严重贫铬W(Cr)12% 电极电位电极电位 加入加入Ni 可获得单相奥氏体组织可获得单相奥氏体组织 加入加入Mo、Cu等等 :提高钢在非氧化性酸中提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力。的耐腐蚀能力。 加入加入Mn、N等：部分代替等：部分代替Ni以获得奥氏体组以获得奥氏体组织，并提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。织，并提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。 加入加入Ti、Nb等：同等：同C形成稳定的碳化物，使形成稳

28、定的碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶界腐蚀。界腐蚀。(6)常用不锈钢常用不锈钢 马氏体不锈钢马氏体不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13。 热处理同结构钢。热处理同结构钢。 铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢 1Cr17、1Cr17Ti W(C)0.15% 由于由于Cr质量分数高，钢为单相铁素体组织质量分数高，钢为单相铁素体组织 热处理：退火或正火状态下使用热处理：退火或正火状态下使用 奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti W(C)0.1% 奥氏体奥氏体-铁素体双相不锈钢铁素体双相不

29、锈钢牌号：牌号：1Cr18Ni9TiW(C)=0.1%W(Cr)=18%W(Ti)40CrT86540CrT865。 淬硬性：淬硬性：T86540Cr20CrMnTiT86540Cr20CrMnTi 原因：原因：淬透性淬透性与合金元素含量有关，合金元与合金元素含量有关，合金元素含量越高，淬透性越高；淬硬性与碳质量分数素含量越高，淬透性越高；淬硬性与碳质量分数有关，碳质量分数越高，淬硬性越高。有关，碳质量分数越高，淬硬性越高。 (2) (2)答答:20CrMnTi:20CrMnTi钢主要用于制造汽车、拖钢主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮

30、轴、活塞销等机器零件；销等机器零件； 热处理工艺热处理工艺: :一般都是渗碳后直接淬火，再一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火；热处理后；低温回火；热处理后； 表面渗碳层的组织由合金渗碳体和回火马表面渗碳层的组织由合金渗碳体和回火马氏体及少量残余奥氏体组成。氏体及少量残余奥氏体组成。 心部组织多数情况下是屈氏体、回火马氏心部组织多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体。体和少量铁素体。 65 65钢主要用来制造弹簧；钢主要用来制造弹簧； 6565钢完全退火后淬火，再中温回火；钢完全退火后淬火，再中温回火； 组织是铁素体基体与大量弥散分布的细粒组织是铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组

31、织，即回火屈氏体。状渗碳体的混合组织，即回火屈氏体。 T8T8钢可制造冲头、凿子、锤子等工具；钢可制造冲头、凿子、锤子等工具； T8T8钢球化退火后淬火，再低温回火；钢球化退火后淬火，再低温回火； 组织是回火马氏体加残余奥氏体。组织是回火马氏体加残余奥氏体。 40Cr40Cr钢用于制造一般尺寸的重要零件；钢用于制造一般尺寸的重要零件； 合金调质钢需经淬火加高温回火热处理；合金调质钢需经淬火加高温回火热处理； 组织是回火索氏体。组织是回火索氏体。 3.3 铸钢和铸铁铸钢和铸铁3.3.1铸钢铸钢1.碳素铸钢的化学成分及机械性能碳素铸钢的化学成分及机械性能从机械性能看：从机械性能看：W(c) 屈服强

32、度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度 W(c) 0.45%时，屈服强度增加很少，但塑性和韧性时，屈服强度增加很少，但塑性和韧性 下降下降从铸造性能看：从铸造性能看：W(c) 降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢 中气体、夹杂也能减少。中气体、夹杂也能减少。ZG 25、ZG 35、ZG45铸钢铸钢W(C)=0.35%牌号：牌号：ZG+平均碳质量分数平均碳质量分数2. 铸钢的组织特征和热处理铸钢的组织特征和热处理铸造冷却：粗大的奥氏体晶粒铸造冷却：粗大的奥氏体晶粒魏氏体组织。魏氏体组织。热处理：退火或正火。热处理：退火或正火。热处理后的组织：颗粒比较细小的热处理后

33、的组织：颗粒比较细小的P+F魏氏体组织特点：铁素体沿魏氏体组织特点：铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光晶界分布并呈针状插入珠光体内，使钢的塑性和韧性下体内，使钢的塑性和韧性下降，不能直接使用。降，不能直接使用。3.3.2铸铁铸铁 W(C)2.11% 1. 1.铸铁的特点铸铁的特点在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在: :a.a.溶于溶于-Fe-Fe或或-Fe-Fe中形成固溶体（中形成固溶体（F F或或A A）；）；b.b.形成化合物态的渗碳体（形成化合物态的渗碳体（FeFe3 3C C）；）；c.c.游离态石墨（游离态石墨（G G）(1) (1) 铸铁的石墨化过程

34、和组织特点铸铁的石墨化过程和组织特点石墨具有特殊的简单六方晶格。石墨具有特殊的简单六方晶格。 渗碳体为亚稳相，在一定条件下能分解为铁和渗碳体为亚稳相，在一定条件下能分解为铁和石墨；石墨为稳定相。石墨；石墨为稳定相。图图 石墨的晶体结构石墨的晶体结构 第一阶段：第一阶段： 铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）。和在1154（ECF线）通过共晶反应形成共晶石墨。)(共晶GALEc铁碳合金相图应该是复线相图铁碳合金相图应该是复线相图 第二阶段：第二阶段： 在1154738温度范围内奥氏体沿ES线析出二次石墨。 石墨化：石墨化：铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。 第三阶段：第三阶段： 在在738738

35、（P S K P S K 线）通过共析反应共析线）通过共析反应共析出石墨。出石墨。影响石墨化的主要因素影响石墨化的主要因素：温度和冷却速度温度和冷却速度合金元素合金元素)(共析GFAps图图 铸铁合金复线相图铸铁合金复线相图(2) (2) 铸铁的组织特征和分类铸铁的组织特征和分类表表 铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织铸铁的组织：钢的基体铸铁的组织：钢的基体+ +石墨石墨球墨铸铁：石墨呈球状。球墨铸铁：石墨呈球状。可锻铸铁：石墨呈团絮状。可锻铸铁：石墨呈团絮状。蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状。蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状。普通灰口铸铁和变质灰口铸铁：石墨呈片状普通灰口铸铁和

36、变质灰口铸铁：石墨呈片状变质处理：在液体金属中加入变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织和改善组织铸铁的分类：铸铁的分类：图图 可锻铸铁可锻铸铁图图 球墨铸铁球墨铸铁球状石墨球状石墨团絮状石墨团絮状石墨图图 蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕虫状蠕虫状石墨石墨(3) (3) 铸铁的性能特点铸铁的性能特点表表 各种铸铁的机械性能各种铸铁的机械性能 灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低。灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低。 原因：石墨对基体的割裂原因：石墨对基体的割裂 变质处理后，由于石墨对基体的割裂作用减变质处理后，由于石墨对基体的割裂作用减轻，铸铁的强度提高，但塑性无明

37、显改善。轻，铸铁的强度提高，但塑性无明显改善。 铸铁的一些特殊性能：铸铁的一些特殊性能： a.a.脆性脆性便于切削。便于切削。 b.b.良好的铸造性能，铸造应力低。良好的铸造性能，铸造应力低。 c.c.石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油耐磨性好。耐磨性好。 d.d.石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。好的抗振性能。 e.e.大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。HT150灰铁灰铁牌号牌号最低抗拉强度最低抗拉强度MPa 2. 2.常用的铸铁常用的铸铁(1)(1)灰口

38、铸铁灰口铸铁图图(b) (b) 珠光体基灰口铸铁珠光体基灰口铸铁图图(c) (c) 珠光体珠光体+ +铁素体基灰口铸铁铁素体基灰口铸铁图图(a) (a) 铁素体基灰口铸铁铁素体基灰口铸铁FGPGPGF影响灰口铸铁组织和性能的因素影响灰口铸铁组织和性能的因素影响因素：化学成分和冷却速度影响因素：化学成分和冷却速度碳、硅：强烈促进石墨化元素。碳、硅：强烈促进石墨化元素。W(c)=2.5%W(c)=2.5%4.0%4.0%W(SiW(Si)=1.0%)=1.0%2.0%2.0%锰：阻碍石墨化的元素。锰：阻碍石墨化的元素。W(MnW(Mn)=0.5%)=0.5%1.4%1.4%硫：有害元素。硫：有害元

39、素。W(S)0.15%W(S)0.15%磷：促进石墨化的元素。磷：促进石墨化的元素。W(P)W(P)一般小于一般小于0.12%,0.12%,耐磨铸铁可达耐磨铸铁可达0.3%0.3%以上以上a.化学成分化学成分共晶度共晶度Sc=Sc=铸铁中实际碳质量分数铸铁中实际碳质量分数/ /共晶碳质量分数共晶碳质量分数 碳当量碳当量C CE E：将所含元素按促进石墨化的能力折：将所含元素按促进石墨化的能力折算成所相当的总碳质量分数。算成所相当的总碳质量分数。C CE E=C+1/3 (si=C+1/3 (si+P)+P)ScSc=1 (=1 (C CE E = = 4.26)4.26)共晶铸铁共晶铸铁1(1

40、(C CE E 4.26)1 (1 (C CE E 4.26)4.26)过共晶铸铁过共晶铸铁式中：式中：C C、SiSi、P P均为各自的质量分数均为各自的质量分数Sc=C/CSc=C/C共晶共晶=C CE E-1/3(si+P) / 4.26-1/3(si-1/3(si+P) / 4.26-1/3(si+P) +P) b.冷却速度冷却速度图图 铸铁壁厚与碳、硅质量分数对铸铁组织的影响铸铁壁厚与碳、硅质量分数对铸铁组织的影响孕育处理孕育处理(变质处理变质处理)灰口铸铁的热处理灰口铸铁的热处理a.a.去应力退火去应力退火b.b.消除铸件白口、降低硬度的退火消除铸件白口、降低硬度的退火c.c.表面

41、淬火表面淬火QT700-2球铁球铁牌号牌号最低抗拉强度最低抗拉强度700MPa延伸率延伸率2%成分和球化处理成分和球化处理加入球化剂和孕育剂加入球化剂和孕育剂热处理热处理退火、正火、调质、等温淬火退火、正火、调质、等温淬火成分：成分：w(C)=3.6%-3.9%, w(Si)=2.2%-2.8%, w(Mn)=0.6%-0.8%, w(S)0.07%, w(P)50%合金无价值。合金无价值。a.成分：一般成分：一般W(Zn)45%,全部组织为全部组织为相，强度相，强度，塑性，塑性W(Zn) 32%,出现出现相，塑性相，塑性图黄铜的机械性能与锌含量的关系图黄铜的机械性能与锌含量的关系 W(Zn)

42、 7%时时(特别是大于特别是大于20%后后)的冷加的冷加工黄铜，由于有残余应力存在，在潮湿的大气工黄铜，由于有残余应力存在，在潮湿的大气或海水中，特别是在含有氨的环境中，容易产或海水中，特别是在含有氨的环境中，容易产生应力腐蚀，使黄铜开裂。生应力腐蚀，使黄铜开裂。 d.应用应用 单相黄铜：塑性好，适合制作冷轧板材，冷拉单相黄铜：塑性好，适合制作冷轧板材，冷拉线材，管材及形状复杂的深冲零件。线材，管材及形状复杂的深冲零件。 双相黄铜：可进行热变形，通常热轧成棒材、双相黄铜：可进行热变形，通常热轧成棒材、板材。也可铸造。板材。也可铸造。应力腐蚀开裂：应力腐蚀开裂：表表 部分普通黄铜的牌号、成分、机

43、械性能及用途部分普通黄铜的牌号、成分、机械性能及用途复杂黄铜复杂黄铜在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素。在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素。牌号：牌号：H+主加元素符号主加元素符号+铜质量分数铜质量分数+主加元素质量分数主加元素质量分数HPb60-1黄铜黄铜Cu的质量分数的质量分数W(Cu)=60%W(Pb)=1% 铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜、镍黄铜、铁黄铜、镍黄铜W(Zn)=100%-60%-1%=39%复杂黄铜可分为：压力加工黄铜和铸造黄铜复杂黄铜可分为：压力加工黄铜和铸造黄铜(2)青铜青铜牌号：牌号：Q+主加元素符号主

44、加元素符号+主加元素质量分数主加元素质量分数+其他元素质量分数其他元素质量分数QSn4-3青铜青铜W(Sn)=4%W(Zn)=3%W(Cu)=100%-4%-3%=93%锡青铜：以锡锡青铜：以锡(Sn)为主要合金元素的铜基合金。为主要合金元素的铜基合金。W(Sn)6%：组织组织: +共析体共析体(+)结构：结构： 体心立方晶格。体心立方晶格。性能：性能： 极硬和脆，不能塑性变形。极硬和脆，不能塑性变形。W(Sn)20%，无价值。一般在，无价值。一般在3%14%之间。之间。W(Sn)10%：铸造：铸造相：电子化合物相：电子化合物Cu31Sn8为为基形成的固溶体。基形成的固溶体。铝青铜：铝青铜：

45、以以Al为主要合金元素的铜基合金为主要合金元素的铜基合金W(Al)7%8%：塑性：塑性W(Al)12%：塑性很差，加工困难。：塑性很差，加工困难。实际使用一般在实际使用一般在5% 12%之间。之间。a.成分成分b.性能性能 铝青铜的机械性能、耐腐蚀性、耐磨性比黄铝青铜的机械性能、耐腐蚀性、耐磨性比黄铜和锡青铜好。铜和锡青铜好。c.应用应用制造齿轮、轴套、蜗轮等。制造齿轮、轴套、蜗轮等。铍青铜：铍青铜： 以以Be为主要合金元素的铜基合金为主要合金元素的铜基合金W(Be)=1.7%2.5%：相相:是是Be溶于溶于Cu的固溶体。的固溶体。最大溶解度为最大溶解度为2.7%，室温下仅为，室温下仅为0.2

46、%。图图 Cu-Be合金相图合金相图a.成分成分图图 铍青铜的机械性能和铍青铜的机械性能和铍质量分数的关系铍质量分数的关系(780淬火，淬火，300时效时效3h)b.性能性能 淬火状态下塑性好，人淬火状态下塑性好，人工时效后，获得很高的强度工时效后，获得很高的强度和硬度：和硬度：b可达可达1200MPa1500MPa,硬度可达硬度可达350HB400HB。 铍青铜的弹性极限、疲铍青铜的弹性极限、疲劳极限都很高，耐磨性和抗劳极限都很高，耐磨性和抗蚀性也很优异。蚀性也很优异。c.应用应用 制造精密仪器的重要弹簧和其他弹性元件，制造精密仪器的重要弹簧和其他弹性元件，钟表齿轮等。钟表齿轮等。硅青铜：硅

47、青铜： 以以Si为主要合金元素的铜基合金为主要合金元素的铜基合金 硅青铜机械性能比锡青铜好。硅青铜机械性能比锡青铜好。 Si在在Cu中的最大溶解度为中的最大溶解度为4.6%，在室温的溶解度，在室温的溶解度为为3%。 硅青铜中加入硅青铜中加入Ni，形成金属间化合，形成金属间化合Ni2Si，可进行，可进行淬火时效处理，获得高的强度和硬度。淬火时效处理，获得高的强度和硬度。(3)白铜白铜以以Ni为主要合金元素的铜基合金。为主要合金元素的铜基合金。牌号：牌号：B 30白铜白铜W(Ni)=30%B+Ni的平均质量分数的平均质量分数普通白铜普通白铜Cu-Ni合金相图图图 Cu-Ni为无限固溶体为无限固溶体

48、。牌号：牌号：B+其他元素符号其他元素符号+Ni的平均质量分数的平均质量分数+其他元素平均质量分数其他元素平均质量分数锌白铜、锰白铜锌白铜、锰白铜B Zn15-20白铜白铜W(Ni)=15%W(Zn)=20%B Mn3-12白铜白铜W(Ni)=3%W(Mn)=12%表表 部分白铜的牌号、成分、机械性能及用途部分白铜的牌号、成分、机械性能及用途3.4.3 钛及钛合金钛及钛合金 1. 1.纯钛纯钛 钛及钛合金的优点：重量轻、比强度高、钛及钛合金的优点：重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好的低温韧性。耐高温、耐腐蚀以及良好的低温韧性。结构：结构：882.5882.5以下为密排六方晶格，以下为密排

49、六方晶格，-Ti-Ti882.5882.5以上为体心立方晶格，以上为体心立方晶格，-Ti-Ti-Ti-Ti-Ti-Ti882.5882.5同素异构转变：同素异构转变： 2. 2. 钛合金钛合金合金元素溶于合金元素溶于-Ti-Ti中，形成中，形成固溶体；固溶体；合金元素溶于合金元素溶于-Ti-Ti中，形成中，形成固溶体。固溶体。稳定化元素：提高同素异构转变的温度。稳定化元素：提高同素异构转变的温度。稳定化元素：降低同素异构转变的温度。稳定化元素：降低同素异构转变的温度。图图 合金元素对钛同素异构转变温度的影响合金元素对钛同素异构转变温度的影响钛合金分类：钛合金分类：钛合金、钛合金、 钛合金、钛合

50、金、 +钛合金钛合金牌号：牌号：TA+TA+编号编号TA4TA4TA5TA5TA6TA6TA7TA7TB+TB+编号编号TB1TB1TB2TB2TC+TC+编号编号TC1TC1TC2TC2TC3TC3TC4TC4(1)钛合金钛合金加入铝、硼等元素可获得加入铝、硼等元素可获得钛合金。钛合金。典型牌号：典型牌号：TA7,TA7,成分为成分为Ti-5Al-2.5SnTi-5Al-2.5Sn a.钛合金的室温强度低于钛合金的室温强度低于钛合金和钛合金和(+ )钛合金钛合金,但高温但高温(500600)强度比他们高。强度比他们高。 b.组织稳定，抗氧化性和抗组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也好。

51、蠕变性好，焊接性能也好。组织：组织： 固溶体。固溶体。性能性能 热处理：不能淬火，热处理只进行退火。热处理：不能淬火，热处理只进行退火。应用：如导弹的燃料罐。应用：如导弹的燃料罐。图图 Ti-5Al-2.5Sn合金在合金在不同温度下的机械性能不同温度下的机械性能(2)钛合金钛合金加入钼、铬、钒等元素可获得加入钼、铬、钒等元素可获得钛合金。钛合金。典型牌号：典型牌号：TB1,TB1,成分为成分为Ti-3Al-13V-11CrTi-3Al-13V-11Cr。性能：较高的强度、优良的冲压性能。性能：较高的强度、优良的冲压性能。热处理：淬火和时效热处理：淬火和时效时效状态下的组织：时效状态下的组织：

52、相相+弥散分布的细小弥散分布的细小相粒子相粒子应用：压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以应用：压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件。及飞机构件。(3) (+)钛合金钛合金加入加入稳定化元素和稳定化元素和稳定化元素得到稳定化元素得到(+) 钛合金。钛合金。淬火淬火+时效状态下的组织：时效状态下的组织： +针状针状典型牌号：典型牌号：TC4,TC4,成分为成分为Ti-6Al-4VTi-6Al-4V。针状针状是是从从相析相析出。出。热处理：淬火和时效热处理：淬火和时效针状针状图图 Ti-5Al-4V合金时合金时效处理后的显微组织效处理后的显微组织 性能：强度高、塑性好，在性能：强度高、

53、塑性好，在400时组时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的耐腐蚀能力。性，并有良好的耐腐蚀能力。 应用：制造在应用：制造在400以下长期工作的零件，要以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件。火箭、导弹的液氢燃料箱部件。图图 Ti-5Al-4V合金在不同温度下的机械性能合金在不同温度下的机械性能3.4.4 轴承合金（滑动轴承）轴承合金（滑动轴承） (1) (1)足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位

54、压力. . (2) (2)足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。 (3)(3)良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。 (4)(4)高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。油，减轻磨损。 (5)(5)良好的耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数，防止良好的耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数，防止摩擦升温而发生咬合。摩擦升温而发生咬合。轴承合金应具有的性能：轴承合金应具有的性能：材料要求：不能硬也不

55、能软。材料要求：不能硬也不能软。组织特点：软基体上分布硬质点，组织特点：软基体上分布硬质点， 或硬基体上分布软质点。或硬基体上分布软质点。软基体上分布硬质点情况分析：软基体上分布硬质点情况分析： a. a.运转时软基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出运转时软基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出于基体上，使轴和轴瓦的接触面积减小，而凹坑能于基体上，使轴和轴瓦的接触面积减小，而凹坑能储存润滑油，降低轴与轴瓦之间的摩擦系数，减少储存润滑油，降低轴与轴瓦之间的摩擦系数，减少轴和轴承的磨损。轴和轴承的磨损。 b.b.软基体能承受冲击和震动，使轴和轴瓦能很软基体能承受冲击和震动，使轴和轴瓦能很好地结合，并能起嵌藏外来

56、小硬物的作用，保证轴好地结合，并能起嵌藏外来小硬物的作用，保证轴颈不被擦伤。颈不被擦伤。图图 软基体上硬质点轴瓦与轴的接触面软基体上硬质点轴瓦与轴的接触面轴承合金分类轴承合金分类：锡基、铅基、铝基、铜基锡基、铅基、铝基、铜基巴氏合金巴氏合金牌号：牌号：ZChZCh+ +基本元素符号基本元素符号+ +主加元素符号主加元素符号+ +主加元素含量主加元素含量+ +辅加元素含量辅加元素含量例：例：ZChSnSb11-6ZChSnSb11-6锑：锑：W(SbW(Sb)=11%)=11%铜：铜：W(Cu)=6%W(Cu)=6%铸造铸造轴承轴承1.1.锡基轴承合金锡基轴承合金软基体硬质点。软基体硬质点。(1

57、)(1)典型牌号：典型牌号：ZChSnSb11-6ZChSnSb11-6相：锑溶解于锡中的固溶体相：锑溶解于锡中的固溶体 ，为软基体。，为软基体。相：以电子化合物相：以电子化合物SnSbSnSb为为基基 的固溶体，为硬质点。的固溶体，为硬质点。CuCu6 6SnSn5 5：加入：加入Cu,Cu,生成生成CuCu6 6SnSn5 5 ， 起硬质点作用起硬质点作用。(2)(2)组织组织图图 Sn-SbSn-Sb合金相图合金相图图图 ZChSnSb11-6ZChSnSb11-6轴承轴承合金的显微组织合金的显微组织(3)(3)性能性能摩擦系数和膨胀系数小。摩擦系数和膨胀系数小。塑性和导热性好。塑性和导热性好。疲劳强度低，许用温度低疲劳强度低，许用温度低( (不高于不高于150)150)。(4)(4)应用应用最重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大最重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。型机器的高速轴瓦。2.2.铅基轴承合金铅基轴承合金软基体硬质点。软基体硬质点。(1)(1)典型牌号：典型牌号：ZChPbSb16-16-2ZChPbSb16-16-2锑：锑：W(SbW(Sb)=16%)=16%锡：锡：W(SnW(Sn)=16%)=16%铜：铜：W(Cu)=2%W(Cu)=2%其余为铅：其余为铅：W(PbW(Pb)=100%-16%-16%-2