第四章 常用金属材料

1、工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 3. 3. 铸铁铸铁 2. 2. 合金钢合金钢 1. 1. 碳素钢碳素钢 4. 4. 非铁金属非铁金属 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 通过本章的学习，通过本章的学习，了解碳钢、铸铁中的了解碳钢、铸铁中的元素及其作用，掌握元素及其作用，掌握常用材料的牌号、性常用材料的牌号、性能、用途。能、用途。常用材料常用材料的的牌号、性能、用途牌号、性能、用途。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料1碳素钢的分类碳素钢的分类

2、（1）按钢的碳质量分数分按钢的碳质量分数分 低碳钢低碳钢wC 0.25%中碳钢中碳钢0.25wC 0.6%第一节第一节 碳素钢碳素钢 工业上将金属材料分为两大类工业上将金属材料分为两大类(有色金属、黑色金属有色金属、黑色金属)： 铁合金铁合金铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）； 非铁合金非铁合金除铁合金以外的所有金属及合金。除铁合金以外的所有金属及合金。 金属材料中金属材料中 95为钢铁，钢铁的工程性能比较优越，价格为钢铁，钢铁的工程性能比较优越，价格 便宜，是应用最多的工程材料。便宜，是应用最多的工程材料。一、一、碳素钢的分类碳素钢的分类及及常存杂质元

3、素的影响常存杂质元素的影响 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（2）按钢的质量分按钢的质量分 普通碳素钢普通碳素钢 ws0.050%、wP0.045%优质碳素钢优质碳素钢 ws0.035%、wP 0.035% 高级优质钢高级优质钢（标（标A） ws0.020%、wP 0.030%特级优质钢特级优质钢（标（标E） ws0.015%、wp0.025%（3）按钢的用途分按钢的用途分 碳素结构钢碳素结构钢 、优质、优质碳素结构钢碳素结构钢（工程结构和机械零件用钢）（工程结构和机械零件用钢）碳素工具钢碳素工具钢 （刃具、量具和模具用钢）（刃具、量具和模具用钢）铸钢铸钢

4、 （4）按钢脱氧程度分：按钢脱氧程度分：沸腾钢（沸腾钢（F）、镇静钢（）、镇静钢（Z，可省略），可省略） 半镇静钢（半镇静钢（b）、）、 特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZ可省略）可省略）工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料2常存杂质元素的影响常存杂质元素的影响 （1）Si、Mn的影响的影响 Si可改善钢质，可改善钢质，提高钢的强度和硬度，但含量较高时，提高钢的强度和硬度，但含量较高时，会使钢的塑性和韧性下降，恶化钢的热加工工艺性能会使钢的塑性和韧性下降，恶化钢的热加工工艺性能。Mn可防止形成可防止形成FeO，还能与硫（，还能与硫（S）化合成）化合成MnS，减轻，减

5、轻S的的有害作用，有害作用，防止防止S在钢中产生在钢中产生热脆性热脆性；Mn还可以还可以强化铁素体，强化铁素体，增加珠光体相对量，细化组织，提高强度。增加珠光体相对量，细化组织，提高强度。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 S在固态下，主要以在固态下，主要以FeS的形态存在，会产生的形态存在，会产生热脆热脆；S的含的含量高还会使材料的量高还会使材料的断裂韧性降低断裂韧性降低。 P在固态下可溶入铁素体中，使钢的在固态下可溶入铁素体中，使钢的强度、硬度提高强度、硬度提高，并，并改改善善铁液的铁液的流动性流动性，但会使钢的塑性、韧性显著下降，但会使钢的塑性、韧性显

6、著下降冷脆冷脆，P的存在也使的存在也使焊接性能变坏焊接性能变坏。 （2）S、P的影响的影响 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料1.碳素结构钢碳素结构钢1.牌号表示方法牌号表示方法Q235-AF A、B、C、D F、b、Z、TZ Q235-AF，表示碳素结构钢中屈服点，表示碳素结构钢中屈服点235MPa，质量等，质量等级为级为A级的沸腾钢。级的沸腾钢。 2.性能及用途性能及用途 性能：性能：强度较低，但冶炼容易，工艺性好，价廉，且具强度较低，但冶炼容易，工艺性好，价廉，且具 有优良的锻造性、焊接性和切削加工性能有优良的锻造性、焊接性和切削加工性能 。用途：用途

7、：Q195、 Q215、 Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等；塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等； Q255、 Q275可轧制成型钢、钢板等。可轧制成型钢、钢板等。加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用。加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用。二、二、碳素结构钢与优质碳素结构钢碳素结构钢与优质碳素结构钢 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示 。如：如：08F ，30A，45，（F表沸腾钢）表沸腾钢） （“A”表高级优

8、质钢）表高级优质钢） 性能：性能：塑性及韧性较高，一般都要经过热处理以提高力学性能。塑性及韧性较高，一般都要经过热处理以提高力学性能。 2.性能及用途性能及用途 1.牌号表示方法牌号表示方法 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 低碳钢低碳钢常用于制作冷冲压件、渗碳件等；常用于制作冷冲压件、渗碳件等； 中碳钢中碳钢常用于制作轴类零件；常用于制作轴类零件； 高碳钢高碳钢常用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧等。常用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧等。08F 塑性好，轧成薄板和钢带做冷冲压件塑性好，轧成薄板和钢带做冷冲压件10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。冷冲压件

9、，焊接件，渗碳处理。 35，45，40，50 齿轮、轴类、连杆齿轮、轴类、连杆、销类件。销类件。 60，65 小尺寸弹簧元件。小尺寸弹簧元件。用用 途途工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 以碳的平均质量千分数表示，并在前面以碳的平均质量千分数表示，并在前面+T。1.牌号表示方法牌号表示方法 2.性能及用途性能及用途 生产成本较低；易于冷、热加工，热处理后有相当高的生产成本较低；易于冷、热加工，热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，主要用主要用于制造各种低速或手动刃具、量具、模具等于制造各

10、种低速或手动刃具、量具、模具等如：如：T10A, T9 , T12(A表示高级优质钢）表示高级优质钢） 三、碳素工具钢三、碳素工具钢 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料T7，T8：强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头T9T9，T10T10，T11T11，T10AT10A ：强度，韧性适中，可制作钻头、：强度，韧性适中，可制作钻头、 刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。 T12，T13： 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。工程材料及热加工工程材料及热加

11、工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。的零件，如齿轮、联轴器等。锻造不了的复杂零件，铸铁达不到性能的零件锻造不了的复杂零件，铸铁达不到性能的零件 2.性能及用途性能及用途 四、铸造碳钢四、铸造碳钢以强度表示的铸钢牌号以强度表示的铸钢牌号如如ZG200-400表示表示S（或（或不小于不小于400MPa的铸造碳钢；的铸造碳钢； 2 . 0b）不小于不小于200MPa， 1.牌号表示方法牌号表示方法 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料第二节第二

12、节 低合金钢与合金钢低合金钢与合金钢一、低合金与合金钢的分类、编号一、低合金与合金钢的分类、编号1.分类分类低合金钢：低合金钢：1）普通质量低合金钢）普通质量低合金钢2）优质低合金钢）优质低合金钢3）特殊质量低合金钢）特殊质量低合金钢工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 2合金钢的编号合金钢的编号 编号方法原则采用编号方法原则采用“数字数字+化学元素符号化学元素符号+数字数字”的方法。的方法。 （1）合金结构钢）合金结构钢 2位数字位数字+元素符号元素符号+数字数字 如如0.370.45C,0.801.10Cr的铬钢，以的铬钢，以40Cr表示表示 含含0.57

13、0.65C,1.52.0Si、0.801.10Mn的硅锰钢的硅锰钢,以以60Si2Mn表示；表示； 如含如含S、P量较低的高级优质钢，则在钢号的末尾加以符号量较低的高级优质钢，则在钢号的末尾加以符号“A”或或“高高”字，如字，如20Cr2Ni4A，表示平均碳质量分数为，表示平均碳质量分数为0.20、Cr=2.0、Ni=4.0的高级优质合金钢；的高级优质合金钢； 又如又如12Mn2A，表示平均碳质量分数为，表示平均碳质量分数为0.12、Mn=2.0的高级优质的高级优质合金钢。合金钢。 合金元素的平均含量合金元素的平均含量1.5、2.5，则相应以，则相应以2，3，4表示。表示。 工程材料及热加工工

14、程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 （2）滚动轴承钢）滚动轴承钢 由由“G+平均铬质量分数的千分数平均铬质量分数的千分数”，平均碳质量分数不标出。，平均碳质量分数不标出。如如GCr15（滚铬（滚铬15）表示平均含铬量为表示平均含铬量为1.5的滚动轴承钢；又如的滚动轴承钢；又如GCr9（滚铬（滚铬9）表示含铬量为）表示含铬量为0.9的滚动轴承钢。的滚动轴承钢。 （3）合金工具钢）合金工具钢 合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，区别的是平均碳质量分数区别的是平均碳质量分数1.0时不标出，时不标出，1.0时以千分数表示。时以千分数表示。如如9

15、SiCr表示平均碳质量数为表示平均碳质量数为0.9，Si、Cr的平均含量的平均含量1.5；对于对于高速钢不论碳质量分数多少，均不标出。如高速钢不论碳质量分数多少，均不标出。如W18Cr4V表示平均表示平均碳质量分数为碳质量分数为0.70.8、平均含钨量为、平均含钨量为18、平均含铬量为、平均含铬量为4、平均含钒量、平均含钒量1.5。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 （4）特殊性能钢）特殊性能钢 特殊性能钢的编号方法也与合金工具钢基本相似，特殊性能钢的编号方法也与合金工具钢基本相似，牌号牌号前面的数字表示平均碳质量分数的千分数。前面的数字表示平均碳质量分数

16、的千分数。 如如9Cr18表示平均碳质量分数为表示平均碳质量分数为0.9，平均含铬量为，平均含铬量为18。 当平均碳质量分数当平均碳质量分数0.03及及0.08时，在钢号前分别标时，在钢号前分别标以以“00”及及“0”。如。如00Cr18Ni10表示平均碳质量分数表示平均碳质量分数0.03、含铬量为、含铬量为18、含镍量为、含镍量为10量为量为9。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料3 3合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 合金钢中常用的合金元素有合金钢中常用的合金元素有Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti(钛钛)、Nb、Zr(锆 汉语读音:go )、N

17、i等。等。（1）合金元素对钢的基本相的影响）合金元素对钢的基本相的影响 碳钢中的基本相为碳钢中的基本相为F、Fe3C、A（高温）。钢中加入合金元（高温）。钢中加入合金元素后，合金元素与基本相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合素后，合金元素与基本相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合金渗碳体、合金奥氏体。金渗碳体、合金奥氏体。1）对铁基固溶体的影响）对铁基固溶体的影响2）对碳化物的影响）对碳化物的影响硬度、韧性、淬透性硬度、韧性、淬透性含量少时形成含量少时形成合金渗碳体合金渗碳体或或铁基固溶体铁基固溶体，含量多时大部分形成特殊碳化物。含量多时大部分形成特殊碳化物。 特殊碳化物的结构稳定，合金元

18、素与碳之间有很强的亲和力。其特点是特殊碳化物的结构稳定，合金元素与碳之间有很强的亲和力。其特点是高熔点、高硬度，稳定性好，加热时不易聚集长大，并能阻止奥氏体晶高熔点、高硬度，稳定性好，加热时不易聚集长大，并能阻止奥氏体晶粒长大。粒长大。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（2 2）合金元素对）合金元素对Fe-CFe-C状态图的影响状态图的影响 碳钢中的基本相为碳钢中的基本相为F F、FeFe3 3C C、A A（高温）。钢中加入合金元素（高温）。钢中加入合金元素后，合金元素与基本相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合金后，合金元素与基本相作用生成合金相，主要有

19、合金铁素体、合金渗碳体、合金奥氏体。渗碳体、合金奥氏体。凡能扩大凡能扩大A A区的合金元素可使区的合金元素可使N N点上升，点上升，E E、S S点向左移，点向左移，G G点、点、A1A1线下降。线下降。如图如图4-24-2，MnMn的影响。主要有的影响。主要有MnMn、NiNi、CoCo、C C、N N、CuCu等元等元素。当钢中这类合金元素含量达到一定程度时，在室温下可获得素。当钢中这类合金元素含量达到一定程度时，在室温下可获得稳定的奥氏体组织，称为稳定的奥氏体组织，称为奥氏体钢奥氏体钢。 凡能缩小并封闭凡能缩小并封闭A A区的合金元素可使区的合金元素可使N N点降低，点降低，E E、S

20、S点向点向右移，右移，G G点、点、A1A1线升高。线升高。如图如图4-34-3，SiSi的影响。主要有的影响。主要有CrCr、SiSi、V V、MoMo、W W、TiTi、AlAl等元素。当钢中这类合金元素含量达到一定程度时，在室温下可等元素。当钢中这类合金元素含量达到一定程度时，在室温下可获得单相铁素体组织，称为获得单相铁素体组织，称为铁素体钢铁素体钢。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（3）合金元素对热处理的影响）合金元素对热处理的影响 碳钢中的基本相为碳钢中的基本相为F、Fe3C、A（高温）。钢中加入合金元（高温）。钢中加入合金元素后，合金元素与基本

21、相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合素后，合金元素与基本相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合金渗碳体、合金奥氏体。金渗碳体、合金奥氏体。1）合金元素对钢加热时奥氏体化的影响）合金元素对钢加热时奥氏体化的影响除除Mn和和P外，大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大。外，大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大。2）合金元素对过冷奥氏体转变的影响）合金元素对过冷奥氏体转变的影响除除Co，Al外，大多数溶于奥氏体的合金元素都使过冷奥外，大多数溶于奥氏体的合金元素都使过冷奥氏体的稳定性增大，使氏体的稳定性增大，使C曲线向右移曲线向右移3）合金元素对马氏体转变的影响）合金元素对马氏体转变的影响4）合金元素对淬

22、火钢回火转变及性能的影响）合金元素对淬火钢回火转变及性能的影响除除Co、Al外，大多数合金元素在不同程度上使马氏体转外，大多数合金元素在不同程度上使马氏体转变变Ms和和Mf线降低并增加了残余奥氏体的含量，线降低并增加了残余奥氏体的含量，提高合金钢的回火稳定性提高合金钢的回火稳定性合金钢有合金钢有2次淬火和次淬火和2次硬化现象次硬化现象回火脆性回火脆性工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料二、合金结构钢二、合金结构钢合金结构钢可分合金结构钢可分工程结构钢工程结构钢和和机器结构钢机器结构钢。1工程结构钢工程结构钢（1）低合金结构钢）低合金结构钢 低合金结构钢是一种低

23、碳、低合金的结构钢，其碳质量分数小于低合金结构钢是一种低碳、低合金的结构钢，其碳质量分数小于0.20.2，合金元素总量小于，合金元素总量小于3.03.0，这类钢与碳质量分数相同的碳，这类钢与碳质量分数相同的碳钢相比具有较高的强度，故又有钢相比具有较高的强度，故又有“低合金高强度钢低合金高强度钢”之称。之称。主要用于建筑、船舶、桥梁、运输工具、高压容主要用于建筑、船舶、桥梁、运输工具、高压容器、输油管、军工等方面的构件用钢。器、输油管、军工等方面的构件用钢。低合金结构钢一般不进行热处理，在热轧正火状态使用，低合金结构钢一般不进行热处理，在热轧正火状态使用，如如16Mn南京长江大桥用钢。南京长江大

24、桥用钢。“鸟巢鸟巢”使用的钢材材质绝大部分为使用的钢材材质绝大部分为Q345D和和Q345GJD钢材，局部受力大部位采用了钢材，局部受力大部位采用了Q460E钢材。钢材。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 Q460E钢材力学性能：钢材力学性能： 抗拉强度抗拉强度550-720MPa，断后伸长率，断后伸长率17%；冲击功；冲击功27J 价约价约16000元元/吨。吨。 Q表示屈服强度，表示屈服强度，460表示屈服强度最低为表示屈服强度最低为460，E表示是表示是E类钢。类钢。Q460钢厚度为钢厚度为110毫米，鸟巢钢结构中共使用了毫米，鸟巢钢结构中共使用了40

25、0吨吨Q460钢。钢。 Q460 化化 学学 成成 分分 % （摘自（摘自GB/T1591-1994） C(碳碳) 0.20；Si(硅硅)0.55；P(磷磷) 0.035；S(硫硫)0.035；Cr(铬铬)0.70； Ni(镍镍)0.70 ；Al(铝铝)0.015 ；Mn(锰锰)1.001.70 ；V(钒钒)0.020.20 ；Nb(铌铌)0.0150.060 ；Ti(钛钛)0.020.20。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料2）造船用钢和锅炉用钢）造船用钢和锅炉用钢 低合金结构钢，由于用量很大，故有专用的牌号供选用。低合金结构钢，由于用量很大，故有专用的牌

26、号供选用。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料2机器结构钢机器结构钢（1）合金调质钢）合金调质钢淬火淬火+高温回火（调质处理）后使用高温回火（调质处理）后使用组织为组织为回火索氏体回火索氏体，具有良好的综合力学性能。，具有良好的综合力学性能。属中碳钢，碳质量分数为属中碳钢，碳质量分数为0.300.501）低淬透性合金调质钢）低淬透性合金调质钢 40Cr、40MnB 综合力学性能及工艺性能好综合力学性能及工艺性能好用于制造中等截面的零件：汽车、拖拉机等中小截面的重要调质件的轴、用于制造中等截面的零件：汽车、拖拉机等中小截面的重要调质件的轴、连杆、齿轮等。连杆、齿

27、轮等。2）中淬透性合金调质钢）中淬透性合金调质钢 35CrMo、40CrNi用于制作大截面、重载齿轮、曲轴和连杆等。用于制作大截面、重载齿轮、曲轴和连杆等。3）高淬透性合金调质钢）高淬透性合金调质钢 40CrNiMoA、40CrMnMo 淬透性高淬透性高用于制作承受重载的重要零件。如汽轮机的主轴、叶轮等。用于制作承受重载的重要零件。如汽轮机的主轴、叶轮等。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（2）合金渗碳钢）合金渗碳钢渗碳后直接淬火、再进行低温回火渗碳后直接淬火、再进行低温回火碳质量分数为碳质量分数为0.100.25 1 1）低淬透性合金渗碳钢）低淬透性合金渗

28、碳钢 如如15Cr15Cr、20Cr20Cr、20CrMn20CrMn、20Cr220Cr2心部强度较低，强度与韧性配合较差，心部强度较低，强度与韧性配合较差，用于制造受力不大，强度、耐磨性要求不高的零件，如柴油机用于制造受力不大，强度、耐磨性要求不高的零件，如柴油机的凸轮轴、小齿轮、滑块和小轴等。的凸轮轴、小齿轮、滑块和小轴等。 2 2）中淬透性合金渗碳钢）中淬透性合金渗碳钢 如如20CrMnTi20CrMnTi、12CrNi3A12CrNi3A、表面硬度高，而心部强度、韧性较好表面硬度高，而心部强度、韧性较好用作制造汽车、拖拉机上承受冲击载荷的齿轮、轴、花键轴用作制造汽车、拖拉机上承受冲击

29、载荷的齿轮、轴、花键轴 3 3）高淬透性合金渗碳钢）高淬透性合金渗碳钢 如如20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA心部强度很高，强度与韧性配合很好心部强度很高，强度与韧性配合很好用作制造重载、大截面、强韧性和耐磨性要求高的重要零件，如内燃机用作制造重载、大截面、强韧性和耐磨性要求高的重要零件，如内燃机车、飞机、坦克用的齿轮、轴、曲轴、连杆及汽缸头的精密螺栓等。车、飞机、坦克用的齿轮、轴、曲轴、连杆及汽缸头的精密螺栓等。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（3）合金弹簧钢）合金弹簧钢弹簧钢是一种专用结构钢，专用于制造各种弹

30、簧或类似零件。弹簧钢是一种专用结构钢，专用于制造各种弹簧或类似零件。常用合金弹簧钢有常用合金弹簧钢有65Mn、60Si2Mn、50CrVA、55SiMnMoV等。等。高的弹性极限、高的屈强比；高的弹性极限、高的屈强比；足够的强度、塑性和韧性；足够的强度、塑性和韧性；高的疲劳强度；高的疲劳强度；优良的热处理性能。优良的热处理性能。碳质量分数约为碳质量分数约为(0.50.7) 1）热轧态弹簧钢）热轧态弹簧钢 用于制造截面较大的弹簧（用于制造截面较大的弹簧（250mm），），2）冷拉态弹簧钢）冷拉态弹簧钢 用于制造截面较小的弹簧（用于制造截面较小的弹簧（2mm），），工程材料及热加工工程材料及热加工

31、第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（4）滚动轴承钢）滚动轴承钢碳质量分数为碳质量分数为0.91.1之间，含铬量为之间，含铬量为0.51.65之间之间专用结构钢，主要用来制造各种轴承的滚珠、内外套圈和专用结构钢，主要用来制造各种轴承的滚珠、内外套圈和一些工具、量具和模具等。一些工具、量具和模具等。高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性高的疲劳强度、弹性极限，能承受交变载荷高的疲劳强度、弹性极限，能承受交变载荷良好的综合力学性能，能承受复杂载荷良好的综合力学性能，能承受复杂载荷 代表钢种代表钢种GCr15，表示表示wC=0.95%1.05%，wCr =1.3%1.65%的高碳铬轴承钢。的高碳铬轴承钢

32、。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料三三.合金工具钢合金工具钢1合金刃具钢合金刃具钢 分为分为低速刃具钢低速刃具钢和和高速刃具钢高速刃具钢。低速刃具钢有碳素工具钢和低合金刃具钢；低速刃具钢有碳素工具钢和低合金刃具钢；高速刃具钢都是高合金钢。高速刃具钢都是高合金钢。9SiCr 如，板牙，丝锥，冷冲模，木工工具，低速切削刃具如，板牙，丝锥，冷冲模，木工工具，低速切削刃具（1）低合金刃具钢）低合金刃具钢合金元素总量在合金元素总量在3.0以下，以下，加入元素主要有加入元素主要有Cr、Mn、Si、V、W等。等。低合金刃具钢广泛用于制造低速切削的刀具，如板牙、丝锥等，低

33、合金刃具钢广泛用于制造低速切削的刀具，如板牙、丝锥等，低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入某些合金元素，克服低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入某些合金元素，克服了碳素工具钢存在着淬透性、红硬性差，易淬火开裂等缺点。了碳素工具钢存在着淬透性、红硬性差，易淬火开裂等缺点。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（2）高速钢）高速钢很好的热硬性，又称很好的热硬性，又称“锋钢锋钢”，“风风钢钢”。1）高速钢中合金元素的作用）高速钢中合金元素的作用 分为分为W系（如系（如W18Cr4V）和）和Mo系（如系（如W6Mo5Cr4V2）2大类大类 C：碳质量分数为：碳质量分

34、数为0.70.8 Cr：Cr的质量分数为的质量分数为4.0，加入，加入Cr可形成碳化物，也可溶于奥氏可形成碳化物，也可溶于奥氏体中使奥氏体稳定性提高，淬火后使马氏体具有较高的硬度，并可提高体中使奥氏体稳定性提高，淬火后使马氏体具有较高的硬度，并可提高淬透性。淬透性。 W与与Mo：含：含W量为量为6.019.0,含含Mo量为量为06.0。W与与Mo的主要作用是提高钢的回火稳定性。的主要作用是提高钢的回火稳定性。 V：在：在W系中含系中含V量为量为1.0，在，在Mo系中含系中含V量为量为2.03.0。V与与C能形成微细、弥散和稳定的能形成微细、弥散和稳定的VC，可产生二次硬化提高回火稳定性，可产生

35、二次硬化提高回火稳定性，使钢具有很高的红硬性和耐磨性使钢具有很高的红硬性和耐磨性工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料2）高速钢的锻造和热处理）高速钢的锻造和热处理锻造锻造高速钢的铸态组织中含有大量分布不均匀的粗大共晶莱高速钢的铸态组织中含有大量分布不均匀的粗大共晶莱氏体碳化物，使钢的力学性能降低。共晶莱氏体碳化物氏体碳化物，使钢的力学性能降低。共晶莱氏体碳化物不能用热处理方法来改变其状态，只能用反复锻造，将不能用热处理方法来改变其状态，只能用反复锻造，将大块碳化物击碎，并使其均匀地分布在基体上，终锻温大块碳化物击碎，并使其均匀地分布在基体上，终锻温度不宜低于度

36、不宜低于 900，以免锻裂，锻造后缓慢冷却以免形，以免锻裂，锻造后缓慢冷却以免形成马氏体。成马氏体。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料等温或球化退火等温或球化退火 1280淬火淬火560580回火回火(三次三次) W18Cr4V热处理特点：加热温度高，回火温度高，回火次数多热处理特点：加热温度高，回火温度高，回火次数多 热处理热处理工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料下料下料锻造锻造退火退火切削加工切削加工淬火后三次高温回火淬火后三次高温回火喷丸喷丸磨削磨削成品。成品。a。退火。退火，其目的是消除内应力、降低硬度、细化晶粒

37、、便于切削加工，为，其目的是消除内应力、降低硬度、细化晶粒、便于切削加工，为淬火作好组织准备。淬火作好组织准备。b。淬火。淬火，采用分级预热，以防止淬火加热速度过快而引起热应力、变形和，采用分级预热，以防止淬火加热速度过快而引起热应力、变形和开裂。其特点是加热温度高，如开裂。其特点是加热温度高，如 W18Cr4V钢加热温度为钢加热温度为12701280，高温加热的目的是为了使合金元素尽可能多地溶入奥氏体，从而在淬火后高温加热的目的是为了使合金元素尽可能多地溶入奥氏体，从而在淬火后可获得合金元素含量高的合金马氏体，以提高其红热性和回火稳定性，但可获得合金元素含量高的合金马氏体，以提高其红热性和回

38、火稳定性，但加热温度不宜超过加热温度不宜超过1300，温度过高使奥氏体晶粒粗化，甚至导致晶界熔，温度过高使奥氏体晶粒粗化，甚至导致晶界熔化。化。c。回火。回火 高速钢淬火后必须立即回火，以消除淬火内应力、稳定组织、减高速钢淬火后必须立即回火，以消除淬火内应力、稳定组织、减少残余奥氏体的数量。常用回火工艺是少残余奥氏体的数量。常用回火工艺是550570回火三次，每次保温回火三次，每次保温1h。3次回火的目的：使残余奥氏体转变为马氏体；形成弥散强化。次回火的目的：使残余奥氏体转变为马氏体；形成弥散强化。回火后的组织为：回火马氏体回火后的组织为：回火马氏体 +细粒状合金碳化物细粒状合金碳化物+少量残

39、余奥氏体（少量残余奥氏体（12），硬度可达），硬度可达6366HRC工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料丝锥丝锥机铰刀机铰刀手铰刀手铰刀工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料高速钢钻头高速钢钻头工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料高速钢高速钢 铣刀铣刀板牙板牙2合金模具钢合金模具钢 （ 1 1）冷作模具钢）冷作模具钢 冷作模具钢主要用于在冷塑性成型的模具冷作模具钢主要用于在冷塑性成型的模具 有很高的硬度、强度、良好的耐磨性和足够的韧性，硬度有很高的硬度、强度、良好的耐磨性和足够的韧性，硬度达到达

40、到5862HRC以上以上 Cr12型钢（型钢（Cr12、Cr12MoV）是专用冷作模具钢）是专用冷作模具钢 淬火后低温回火组织为：回火马氏体淬火后低温回火组织为：回火马氏体 +残奥氏体残奥氏体+少量合少量合金碳化物，硬度为金碳化物，硬度为6062HRC。 Cr12型钢的主要特点是型钢的主要特点是高碳高铬高碳高铬，具有很高的强度、硬度，具有很高的强度、硬度、耐磨性，又有较高的韧性，淬透性很好，淬火变形很小、耐磨性，又有较高的韧性，淬透性很好，淬火变形很小，适用于制造中、大型冷作模具。，适用于制造中、大型冷作模具。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（2）热作模

41、具钢）热作模具钢 热作模具钢主要用于在热塑性成型的模具热作模具钢主要用于在热塑性成型的模具 常在常在400左右长期经受交变载荷和摩擦载荷，要求模具有左右长期经受交变载荷和摩擦载荷，要求模具有良好的热良好的热疲劳性能、高温强度、高温冲韧性、良好的导热性、回火稳定性和淬疲劳性能、高温强度、高温冲韧性、良好的导热性、回火稳定性和淬透性透性等等 碳质量分数为碳质量分数为 0.30.6，以保证良好的强度和韧性的配合。以保证良好的强度和韧性的配合。Cr、Ni、Mn、Si等可提高淬透性、硬度和热疲劳性；等可提高淬透性、硬度和热疲劳性；W、Mo、V等可提高热（红）硬性、热疲劳性、细化晶粒，并提高等可提高热（红

42、）硬性、热疲劳性、细化晶粒，并提高回火稳定性及减少回火脆性。回火稳定性及减少回火脆性。 普通热锻模可用调质钢制造，经调质后使用。一般应反复锻造，然后退普通热锻模可用调质钢制造，经调质后使用。一般应反复锻造，然后退火、淬火和高温回火，可得到回火索氏体，以获得较好的力学性能。火、淬火和高温回火，可得到回火索氏体，以获得较好的力学性能。 大中型一般大中型一般40Cr、5CrMnMo，600700的热作模具可用的热作模具可用3Cr2W8V 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料汽车四缸压铸模工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（3）塑料

43、模具钢）塑料模具钢 1）良好的强度、韧性等力学性能；）良好的强度、韧性等力学性能； 2）良好的预硬硬度可调节性；）良好的预硬硬度可调节性； 3）良好的抛光性；）良好的抛光性； 4）良好的皮纹加工性；）良好的皮纹加工性； 5）良好的化学热处理和表面热处理性能；）良好的化学热处理和表面热处理性能； 6）易于焊补；）易于焊补； 7）具有一定的耐蚀性和良好的热传导性。）具有一定的耐蚀性和良好的热传导性。一般的塑料模具可用一般的塑料模具可用 T7A、T8A、T10A、Cr12Mo、40Cr、CrWMn等制造等制造 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料3合金量具钢合金量具

44、钢 量具钢是制造各种测量工具的钢种，如量规、块规、千分尺等。量具钢是制造各种测量工具的钢种，如量规、块规、千分尺等。因此，要求模具钢具有高的硬度（大于因此，要求模具钢具有高的硬度（大于 62HRC）与耐磨性，热）与耐磨性，热处理变形小，在存放和使用过程中，尺寸稳定，始终保持高的精处理变形小，在存放和使用过程中，尺寸稳定，始终保持高的精度，并具有足够的韧性和良好的加工工艺性。度，并具有足够的韧性和良好的加工工艺性。 量具钢的最终热处理工艺为淬火量具钢的最终热处理工艺为淬火+低温回火。组织为：低温回火。组织为：回火马氏体回火马氏体+残余奥氏体，以获得高的硬度和耐磨性。残余奥氏体，以获得高的硬度和耐

45、磨性。 量具钢没有专用钢种，通常简单的量具可选用碳素工具钢，如量具钢没有专用钢种，通常简单的量具可选用碳素工具钢，如 T10A、T12A等制造；高精度量具可采用低合金工具钢，如等制造；高精度量具可采用低合金工具钢，如GCr15、9SiCr、CrMn、CrWMo等制造，这类钢残余应力较等制造，这类钢残余应力较小，组织稳定性好，尺寸稳定，如小，组织稳定性好，尺寸稳定，如CrWMo钢，变形量小，适钢，变形量小，适宜于制作精度高，形状复杂的量具。宜于制作精度高，形状复杂的量具。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料第三节第三节 铸铁铸铁常用铸铁的成分大致为：常用铸铁的

46、成分大致为： 2.54.0C 1.03.0Si、0.51.4Mn、 0.020.2S、0.010.5P。与钢相比，铸铁含与钢相比，铸铁含C、Si、Mn、S、P量较多。此外，还量较多。此外，还含有一定量的合金元素，如含有一定量的合金元素，如Cr、Mo、V、Cu、Al等，等，含有合金元素的铸铁，称为合金铸铁。含有合金元素的铸铁，称为合金铸铁。 铸铁的强度、塑性、韧性比钢差，铸铁的强度、塑性、韧性比钢差，不能进行锻造。不能进行锻造。但但它具有它具有优良的铸造性能和切削加工性能，良好的减摩性、优良的铸造性能和切削加工性能，良好的减摩性、耐磨性、消震性以及缺口敏感性低等优点，并且生产工耐磨性、消震性以及

47、缺口敏感性低等优点，并且生产工艺及设备简单，价格低廉，艺及设备简单，价格低廉，因此，铸铁被广泛地应用于因此，铸铁被广泛地应用于机械制造、冶金、石油化工、交通等工业部门。机械制造、冶金、石油化工、交通等工业部门。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 一、分类一、分类 （1）灰口铸铁灰口铸铁 碳全部或大部分以游离状态石墨的形式存碳全部或大部分以游离状态石墨的形式存 在，断口呈灰黑色；在，断口呈灰黑色； （2）白口铸铁白口铸铁 少量碳溶入铁素体，其余的碳以渗碳体的少量碳溶入铁素体，其余的碳以渗碳体的 形式存在，断口呈亮白色；形式存在，断口呈亮白色； （3）麻口铸铁

48、麻口铸铁 碳以石墨和渗碳体的混合形式存在，断口呈碳以石墨和渗碳体的混合形式存在，断口呈 黑白相间的麻点。黑白相间的麻点。1.按碳存在的形式分类按碳存在的形式分类工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（1）普通灰铸铁）普通灰铸铁 石墨呈片状；（石墨呈片状；（2）蠕墨铸铁）蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状；石墨呈蠕虫状；（3）可锻铸铁）可锻铸铁 石墨呈棉絮状；（石墨呈棉絮状；（4）球墨铸铁）球墨铸铁 石墨呈球状。石墨呈球状。 2.按石墨的形态分类按石墨的形态分类（1）普通铸铁）普通铸铁 如普通灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁；如普通灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁；

49、（2）合金铸铁）合金铸铁 如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。 3.按化学成分分类按化学成分分类 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 二、铸铁的石墨化二、铸铁的石墨化铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程称为石墨化常用铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程称为石墨化常用G表示石墨表示石墨铸铁在冷却过程中，可以从液体和奥氏体中析出铸铁在冷却过程中，可以从液体和奥氏体中析出Fe3C或石墨，或石墨，还可以在一定条件下由还可以在一定条件下由Fe3C分解出铁素体和石墨。分解出铁素体和石墨。 1. 石墨化的概念石墨化的概念 由于铸铁中的碳能以石墨或由

50、于铸铁中的碳能以石墨或Fe3C两种独立相的形式存在，两种独立相的形式存在，因而使得铁碳合金系统存在着因而使得铁碳合金系统存在着铁铁-渗碳体（渗碳体（Fe-Fe3C）和铁）和铁-石墨石墨（Fe-G）双重相图）双重相图 （见下页）（见下页）工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料FeG与与FeFe3C双重相图双重相图 图中虚线表示图中虚线表示稳定态（稳定态（Fe-G）相图，实线表相图，实线表示亚稳定态示亚稳定态（Fe-Fe3C）相）相图，虚线与实图，虚线与实线重合的线用线重合的线用实线画出。实线画出。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属

51、材料 第一阶段石墨化第一阶段石墨化 铸铁液相冷至铸铁液相冷至CD线结晶出一次石墨；在线结晶出一次石墨；在ECF线通过共线通过共晶反应形成的共晶石墨；奥氏体沿晶反应形成的共晶石墨；奥氏体沿ES线析出二次石墨；线析出二次石墨； 第二阶段石墨化第二阶段石墨化 到到PSK线，通过共析转变析出共析石墨线，通过共析转变析出共析石墨。 石墨化过程是碳原子扩散、聚集和长大的过程。温度愈高。石墨化过程是碳原子扩散、聚集和长大的过程。温度愈高。原子活动能量愈大，因此，第一阶段石墨化比第二阶段石墨化原子活动能量愈大，因此，第一阶段石墨化比第二阶段石墨化容易进行，即只有当第一阶段石墨化充分进行，才能进行第二容易进行，

52、即只有当第一阶段石墨化充分进行，才能进行第二阶段石墨化。阶段石墨化。 2.石墨化过程石墨化过程 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料促进石墨化促进石墨化阻碍石墨化阻碍石墨化（1）化学成分）化学成分C、Si、Al、Cu、Ni、Co、P等等 Cr、W、Mo、V、Mn、S等等 C和和Si是强烈促进；是强烈促进；P促进石墨化不十分强烈促进石墨化不十分强烈S是强烈阻碍降低铁水的流动性，恶化铸造性能；是强烈阻碍降低铁水的流动性，恶化铸造性能； Mn是间接促进是间接促进4.影响石墨化的主要因素影响石墨化的主要因素 （2）温度和冷却速度）温度和冷却速度缓慢冷却或在高温下长时间

53、保温，均有利于石墨化缓慢冷却或在高温下长时间保温，均有利于石墨化工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料 补充补充 铸铁的组织与性能铸铁的组织与性能1.铸铁的组织铸铁的组织 灰铸铁的基体组织有灰铸铁的基体组织有珠光体、铁素体、铁素体珠光体珠光体、铁素体、铁素体珠光体，它们相当于钢的组织。它们相当于钢的组织。 铸铁中石墨的铸铁中石墨的形态可分为六种形态可分为六种: 型为型为片状片状石墨石墨; 型为型为蟹状蟹状石墨石墨; 型为型为蠕虫状蠕虫状石墨石墨; 型为聚集状型为聚集状(团絮状团絮状)石墨石墨; 型为型为不规则或开裂状不规则或开裂状石墨石墨; 型为型为球状球状石墨

54、。石墨。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料2.铸铁的性能铸铁的性能 力学性能很低，力学性能很低，硬度仅为硬度仅为35HBS，抗拉强度，抗拉强度20MPa，伸长率接近零。，伸长率接近零。片状石墨对基体的削弱作用和引起应力集中的程度最大片状石墨对基体的削弱作用和引起应力集中的程度最大，球状石墨最小，球状石墨最小，团絮状石墨居二者之间；团絮状石墨居二者之间； 优异的切削加工性能，良好的铸造性能和润滑作优异的切削加工性能，良好的铸造性能和润滑作 用，很好的耐磨性能和抗振性能，缺口不敏感。用，很好的耐磨性能和抗振性能，缺口不敏感。（1）石墨的影响）石墨的影响 主要取

55、决于铸铁基体组织以及石墨主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布的数量、形状、大小及分布 对同一类铸铁来说，在其他条件相同的情况下，铁素体相的数量越多，塑对同一类铸铁来说，在其他条件相同的情况下，铁素体相的数量越多，塑性越好；珠光体的数量越多，则抗拉强度和硬度越高。性越好；珠光体的数量越多，则抗拉强度和硬度越高。 石墨石墨 珠光体珠光体 铁素体铁素体抗拉强度抗拉强度MPaMPa20 20 8008001000 1000 350350400 400 （2）基体组织的影响）基体组织的影响 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料三、普通灰铸铁三、普通灰铸

56、铁 （石墨为片状）（石墨为片状） 是石墨呈片状分布的铸铁，它是应用最广的一类铸铁。在各类铸铁的总是石墨呈片状分布的铸铁，它是应用最广的一类铸铁。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁所占的比重最大，约占产量中，灰铸铁所占的比重最大，约占80以上。以上。 抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。 铁素体铁素体灰铸铁灰铸铁珠光体珠光体+铁素体铁素体灰铸铁灰铸铁珠光体珠光体灰铸铁灰铸铁 良好的减摩、耐磨性，高的消振性，低的缺口敏良好的减摩、耐磨性，高的消振性，低的缺口敏感性以及优良的切削加工性，铸造性能优于钢感性以及优良的切削加工性，铸造性能优于钢是由片状石墨和金属基体组织所组成的是由

57、片状石墨和金属基体组织所组成的 组组织织性性能能1、组织和性能、成分、组织和性能、成分 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料wC=2.5%4.0%，wSi=1.03.0%，wS0.12%，wP0.15%wMn=0.5%1.2%成成分分 灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨的存在基本无关。因此，灰铸铁的抗压强度约为与石墨的存在基本无关。因此，灰铸铁的抗压强度约为抗拉强度抗拉强度34倍。倍。 一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，则铸铁的强度、

58、塑性和韧性越高。球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高。 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料3.牌号及用途牌号及用途 灰铸铁的牌号用灰铸铁的牌号用“灰铁灰铁”汉语拼音的第一个大写字母汉语拼音的第一个大写字母“HT”和和一组数字来表示，一组数字来表示，HT100表示抗拉强度为表示抗拉强度为100MPa的灰铸铁。的灰铸铁。 补充补充 灰铸铁的孕育处理灰铸铁的孕育处理 用途见表用途见表(见下页见下页)孕育处理孕育处理：在铁液中加入孕育剂，进行浇注生产的铸铁。：在铁液中加入孕育剂，进行浇注生产的铸铁。 孕育处理的目的：细化组织和石墨，提高其强度，均匀孕育处理的目的：细化

59、组织和石墨，提高其强度，均匀 组织，防止出现白口。组织，防止出现白口。从本质上说，孕育处理主要影响形核和促进晶粒游离；而变质处理则是改变晶体的生长机理（抑制长大），从而影响晶体形貌。工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料分类分类 牌号牌号 铸件铸件 尺寸尺寸 b b (MPa) (MPa) 基体基体 石墨石墨 应用应用 普通普通灰铸铁灰铸铁 HT100 HT100 任意任意 100 100 铁素体铁素体 粗片粗片 机床座机床座普通普通灰铸铁灰铸铁 HT200 HT200 151530 30 200200珠光体珠光体 中等中等汽缸、飞汽缸、飞轮轮 孕育孕育铸铁铸铁

60、 HT300 HT300 151530 30 300300珠光体珠光体 较细较细重荷机床重荷机床床身床身 孕育孕育铸铁铸铁 HT400 HT400 151530 30 400400索氏体索氏体 细小细小齿轮、高齿轮、高压泵壳压泵壳 灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关，铸件壁厚增加则强度降低灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关，铸件壁厚增加则强度降低 工程材料及热加工工程材料及热加工第四章第四章 常用金属材料常用金属材料（4）灰铸铁的热处理）灰铸铁的热处理 时效处理时效处理 人工时效（去应力退火）人工时效（去应力退火）：将铸件重新加热到：将铸件重新加热到530620，经长时间保温（经长时间保温（26h）后炉冷