常用金属材料及其性能概述

第五章常用金属材料及性能第五章常用金属材料及性能重点：⒈学习钢材编号、钢的牌号、性能、用途、热处理工艺及选用依据；⒉常用工业用钢（结构钢、合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、工具钢、滚动轴承钢、特殊钢）。组织、性能用途及选用；⒊铸铁的石墨化、常用铸铁的牌号、组织与性能；5.1工业用钢分类与牌号工业用钢：碳素钢(简称碳钢)和合金钢。碳钢：C%＜2.11％的铁碳合金。碳钢优点：价低、易获得、易加工、好的力学性能，应用极广泛。碳钢缺点：淬透性低、强度和屈强比低、回火稳定性差、不能满足如耐热性、耐磨性、耐蚀性等特殊性能的要求；合金钢：为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢中特意加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。5.1工业用钢分类与牌号5.1.1我国现行钢分类与牌号的特点1积极推行国际标准2注重实用我国钢号的命名采用化学元素符号、汉语拼音、阿拉伯数字相结合5.1.2钢的分类分类方法化学成分、主要质量等级、主要性能及用途1钢分类简介按化学成分分类：非合金钢、低合金钢、合金钢按主要质量等级、主要性能及使用特性分类：2目前常用的钢分类方法：1)按钢中含碳量wc高低分：低碳钢：wc≤0.25%中碳钢：0.25%﹤Wc﹤0.60%高碳钢：wc≥0.60%2)按冶金特点分普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢5.1.2钢的分类5.1.2钢的分类3)按钢的用途、成分、性能和热处理特点分①用途②．按化学成分分类碳素钢：低碳钢(C﹪≤0.25﹪)、中碳钢（0.25﹪＜C﹪≤0.6﹪）、高碳钢(C﹪＞0.6﹪)。合金钢：低合金钢(Me总量＜5％〕、中合金钢(Me总量＝5％～10％)、高合金钢(Me总量＞10％)。根据所含主要Me种类，锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰鈦钢等。

③．按质量分类（按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类）普通钢（S﹪≤0.055％、P﹪≤0.045％）；优质钢(S﹪≤0.040％、P﹪≤0.040％)；高级优质钢(S﹪≤0.030％、P﹪≤0.035％)④．按冶炼方法分类可按炉别分为平炉钢、转炉纲、电炉钢。按脱氧程度可分为沸腾纲（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧完全）、半镇静钢⑤．按金相组织分类按退火组织：分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。按正火、淬火组织：分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢。5.1.3钢的的牌号GB221-1997，钢号由三三大部分分构成化学元素素符号---表表示钢中中所含化学元素素种类汉语拼音音字母---表表示产品品名称、、用途、、冶炼方方法等，，表5.1阿拉伯数数字---钢中中主要化学元素素含量或产品主要性能能参数或或代号参看表5.25.2结结构钢钢结构钢是是各种工工程构件件和机器器零件用用钢。结构钢根根据化学学成分、、力学性性能和冶冶金质量量特点，，分为：：碳素结构构钢低合金高高强度钢钢优质碳素素结构钢钢合金结构构钢5.2.1碳素素结构钢钢主要用于于制造各各种金属属结构和和要求不不很高的的机器零零件，是是目前产产量最大大、使用用最多的的一类钢钢。Q235：Q---屈服强度度235---235MPa此类钢的的力学性性能随钢钢材厚度度或直径径的增大大而降低低。5.2.2低合合金高强强度钢用于桥梁梁、车辆辆、锅炉炉、输油油输气管管道、农农机等大大型重要要钢结构构。性能要求求：1)高强强度及足足够韧性性2)良好好的焊接接性能和和冷成形形性能3)良好好的耐蚀蚀性(大大气、海海水、土土壤等)在碳素结结构钢的的基础上上加入少少量(一一般合金金总量低低于5%)合金金元素而而形成。。特点：强强度较高高，塑性性好，加加工工艺艺性能良良好。能减轻重重量，节节约钢材材，降低低成本加入的主主要合金金元素：：Mn、Si、Cr、Ni固溶强化化V、Ti、Nb形成碳化化物，弥弥散/细细晶强化化供货状态态：热轧轧或控制制轧制状状态注意：其其强度、、塑性与与钢材尺尺寸有关关Q345(新牌号)5.2.3优质质碳素结结构钢Ws≤0.035%，Wp≤0.035%用于制造各各种比较重重要的机器器零件和弹弹簧。力学性能主主要取决于于碳的质量分分数及热处理状态态例：08钢钢---Wc为0.05%～0.12%钢种和用途途08～25低碳碳钢具有良好的的塑、韧性性，良好的的冲压及焊焊接性能，，用于制造造冲压零件件(如汽车车、拖拉机机油箱、仪仪表盘、机机器罩等)，焊接件件(容器、、端盖等)及对强度度要求不高高的机器零零件(凸轮轮、小齿轮轮等)30～55中中碳钢经调质处理理后用(调调质钢)，，主要用于于制造受力力较大的机机器零件，，如轴、齿齿轮、连杆杆等60及以上上高碳碳钢主要用于制制造较高强强度、耐磨磨性及弹性性的零件，，如弹簧、、工具等。。热处理：优质碳素结结构钢使用用前一般都都要进行热热处理。性能：含碳量增加加→强度增增加，塑性性、冲击韧韧性降低。5.2.4合金结构构钢在优质碳素素结构钢的的基础上，，加入合金金元素形成成分为合金渗渗碳钢、合合金调质钢钢、合金弹弹簧钢性能特点：：具有较高高的强度、、韧性、较较高的淬透透性，整个个截面得到到均匀良好好的综合机机械性能。。1)合金渗渗碳钢---经渗碳、淬火火和低温回回火后使用的结结构钢，基基本上都是是低碳钢和低碳合金钢钢主要用于制制造高耐磨磨性、高疲疲劳强度和和要求具有有较高心部部韧性的零零件，如变变速齿轮及及凸轮轴等等20Cr---5.2.4合金结构构钢1)合金渗渗碳钢按其淬透性性可分为三三类①低淬透性性渗碳钢：：水淬临界界淬透直径径为20～35㎜。典型钢种种20Mn2、20Cr、20MnV等。②中淬透性性渗碳钢：：油淬直径径约为25～60㎜。典型钢种种20CrMnTi、12CrNi3等，用于制制造尺寸较较大、承受受中等载荷荷、耐磨零零件，如汽汽车中齿轮轮。③高淬透性性渗碳钢：：油淬直径径约100㎜以上，典型型钢种有12CrNi14、20CrNi4、18Cr2Ni4WA等，承受重重载与强烈烈磨损的极极为重要的的大型零件件。2)合金调调质钢组织及性能能：由调质质得回火索索氏体；良良好的综合合力学性能能。用途：承受受较大疲劳劳应力的重重要零件如如齿轮、连连杆、高强强螺栓等。。在中碳调质质钢基础上上发展起来来的，C%：0.25%～～0.5主加元素：：Mn、Si、Cr、、Ni、B---提高钢的淬淬透性，并并产生固溶溶强化；辅加元素：：Ti、V、、W、Mo---形成高稳定定性碳化物物，阻止淬淬火加热时时奥氏体晶晶粒的长大大，起细晶晶强韧化作作用。W、Mo还可防止产产生高温回回火脆性。。合金调质钢钢热处理特特点最终热处理理：调质（（淬火+高温回火工艺路线：：40Cr，下料→锻锻造→退火火→粗机加加工→调质质→精机加加工→装配配。退火（预备备热处理））目的：改改善锻造组组织、消除除缺陷、细细化晶粒；；调整硬度度，便于切切割加工；；为淬火做做好组织准准备。调质工艺：：油淬得到到马氏体组组织，然后后在525℃回火。最终终使用状态态下的组织织为回火索索氏体。合金调质钢钢常用钢种种及用途①低淬透性性调质钢：：典型钢种种40Cr，广泛用于于制造一般般尺寸的重重要零件。。②中淬透透性调质钢钢典型牌号40CrNi等，用于制制造截面较较大的零件件，例如曲曲轴、连杆杆等。③高淬透性性调质钢典型牌号有有40CrNiMoA钢,用于制造大大截面重载载荷的重要要零件，如如汽轮机主主铀、叶轮轮、航空发发动机轴等等。3)合金弹弹簧钢主要用于制制造弹簧而而得名，要要求：高的的弹性极限限、高的疲疲劳强度和和足够的塑塑性与韧性性。一般为高碳碳钢、中碳碳合金钢和和高碳合金金钢C%：0.45%～～0.7%例：60、、70、85钢性能①高的弹性性极限和高高的屈强比比②高的疲劳劳极限：因因弹簧一般般在交变载载荷下工作作。③足够的塑塑性和韧性性，以免受受冲击时发发生脆断。。④较好的淬淬透性，不不易脱碳和和过热，容容易绕卷成成型等。3)合金弹弹簧钢热处理：按按弹簧的加加工工艺艺艺不同，可可分为冷成成型弹簧和和热成型弹弹簧两种①热成型弹弹簧（热轧轧钢丝（＞＞10～15㎜））热轧→淬火火＋中温(450～550℃)回火，获得得回火屈氏体组组织，具有有很高的屈屈服强度和和弹性极限限，并有一定的的塑性和韧韧性。②冷成型弹弹簧（直径径＜8～10㎜）冷成型后不不再淬火，，只进行消消除应力的的低温(200～300℃)退火，并使使弹簧定形形。5.2.5其他结构构钢1)易切削钢含较多的S、P、Pb、Ca等，硫化物物和铅微粒粒→易切削削常用于制造造受力较小小、强度要要求不高，，但要求尺尺寸精度高高、表面粗粗糙度低且且进行大批批量生产的的零件，如如螺栓等2)铸钢冶炼炼后后直直接接铸铸造造成成形形而而不不需需锻锻轧轧成成形形的的钢钢种种。。按化化学学成成分分碳素素铸铸钢钢合金金铸铸钢钢铸钢钢的的牌牌号号、、力力学学性性能能及及用用途途见见表表5.9常用用于于制制造造结结构构件件，，如如机机座座、、箱箱体体等等，，通通常常不不进进行行热热处处理理。。铸钢钢与与铸铸铁铁相相比比，，强强度度、、塑塑性性、、韧韧性性较较高高，，但但流流动动性性差差、、收收缩缩性性大大、、熔熔点点高高，，所所以以铸铸造造性性较较差差，，只只用用于于制制造造形形状状复复杂杂，，并并需需要要一一定定强强韧韧性性的的零零件件。。3)超高高强强度度钢钢在合合金金结结构构钢钢的的基基础础上上，，通通过过严严格格控控制制材材料料冶冶金金质质量量、、化化学学成成分分和和热热处处理理工工艺艺而而发发展展起起来来的的，，以以强度度为首首要要要要求求并并辅辅以以适适当当韧韧性性的的钢钢种种。。屈服服强强度度超超过过1380Mpa或抗抗拉拉强强度度超超过过1500Mpa主要要用用于于制制造造飞飞机机起起落落架架、、机机翼翼大大梁梁、、火火箭箭、、发发动动机机壳壳体体和和武武器器等等按化化学学成成分分和和强强韧韧化化机机制制不不同同，，可可分分为为四四类类，，见见表表5.104)非调调质质钢钢是非非常常有有利利于于再再生生循循环环的的新新型型结结构构钢钢，，可可实实现现制制造造过过程程的的大大量量节节能能。。5)冷冲冲压压用用钢钢适用用于于冷冷冲冲压压工工艺艺的的钢钢材材要要求求，，有有优优良良的的冲冲压压成成形形性性能能——低低的的屈屈服服强强度度和和屈屈强强比比，，高高的的塑塑性性、、形形变变强强化化能能力力及及低低的的时时效效性性等等6)低温温钢钢指用用于于工工作作温温度度低低于于0℃℃(也也有有认认为为-40℃℃)的的零零件件的的钢钢种种性能能要要求求：：冷脆脆转转变变温温度度低低低温温韧韧性性好好良好好的的可可焊焊性性良好好的的冷冷塑塑性性成成形形性性。。广泛泛用用于于化化工工、、冷冷冻冻设设备备、、液液体体燃燃料料的的制制备备与与储储运运装装置置、、海海洋洋工工程程与与极极地地机机械械设设施施等等。。常用用低低温温钢钢见见表表5.115.3滚滚动动轴轴承承钢钢、、工工具具钢钢、、不不锈锈钢钢和和耐耐热热钢钢主要要用用于于制制造造各各类类滚滚动动轴轴承承的的内内圈圈、、外外圈圈以以及及滚滚动动体体的的专专用用钢钢，，GCr15应具具有有高高的的抗抗压压强强度度的的接接触触疲疲劳劳强强度度、、高高的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性，，同同时时应应具具有有一一定定的的韧韧性性和和抗抗腐腐蚀蚀性性。。成分分特特点点高碳碳（（0.95％～～1.15％））保保证证高高硬硬度度、、高高耐耐磨磨性性和和高高强强度度铬为为基基本本合合金金元元素素（（Cr≈≈0.4％～～1.65％））提提高高淬淬透透性性、、耐耐磨磨性性、、接接触触疲疲劳劳强强度度。。加人人Si、Mn进一一步步提提高高淬淬透透性性。。5.3.1滚动轴承承钢5.3.2工具钢用于制造各各种工具的的钢。按用途分为为：刃具钢模具钢量具钢1)刃具钢制造各种切切削工具的的钢。应具有高硬硬度、高耐耐磨性、高高的热硬性性，并具有有一定的强强度和韧性性，通常为为高碳钢和和高碳合金金钢常用刃具钢钢:碳素工具钢钢(表5.13)合金工具钢钢(表5.14)高速钢1)刃具钢碳素工具钢钢(表5.13)含含碳量：：0.65％～1.35％的高碳钢钢。①机械性能能：随碳含含量增加，，使钢耐磨磨性增加，，而韧性下下降。②热处理特特点预备热处理理：球化退退火；降硬硬度、改善善切削加工工．为淬火火做组织准准备。最终热处理理：淬火+低温回火。。回火M＋粒状渗碳碳体＋残余余奥氏体。。③用途：碳碳素工具钢钢T7、T8：承受冲击击负荷的工工具，如凿凿子、锤子子、冲头T9～T11：中等韧性性的工具，，如小冲模模，手工锯锯条T12、T13：不承受冲冲击负荷的的量具，锉锉刀高级优质碳碳素工具钢钢（T7A～T13A）形状较为为复杂的工工具。1)刃具钢合金工具钢钢(表5.14)①成分特点点：高碳（0.9～1.1％）。加入入Cr、Mn、Si提高钢的淬淬透性、加加入W、V提高硬度和和耐磨性。。②热处理：预备热处理理：锻造后后进行球化化退火。最终热处理理：淬火+低温回火，，组织：回火M＋粒状Cem＋少量A残余与碳素工具具钢相比较较，淬透性性提高，变变形和开裂裂倾向小。。③常用钢种种及用途比碳素工具具钢：较高高的淬透性性，一定的的热硬性（（250℃）。可制造造截面较大大，较复杂杂的刃具，，如车刀、、绞刀、刨刨刀等。典型钢种：9SiCr钢：1)刃具钢高速钢：(W16Cr4V)具有很高的的热硬性，，在高速切切削的刃部部温度达600℃时，硬度无无明显下降降。①成分特点点高碳（0.70％～1.5％，）、加人铬提高高淬透性（（Cr4％）、加入钨、钼钼提高热硬硬性、加入入钒提高耐耐磨性②热处理高温淬火（（1170～1300℃℃）＋三次高高温回火（（560℃）回火后的组组织：回火火M+少量A残余+Cem。2)模具钢指主要用于于制造各种种模具(如如冷冲模、、冷挤压模模、热锻模模等)的钢钢根据用途分分冷作模具钢钢热作模具钢钢成形模具钢钢3)量具钢指用于制造造各种测量量工具(如如卡尺、千千分尺等)的钢要求：高硬度高耐磨性高的尺寸稳稳定性5.3.3不锈钢和和耐热钢1不锈钢钢指在自然环环境或一定定工业介质质中耐腐蚀蚀的钢种，，是典型的的耐蚀合金金。是在碳钢的的基础上加加入Cr、Ni、Si、、Mo、Ti、Nb、Al、、N、Mn、Cu等形成的。。按正火后组组织的不同同，分为马氏体型铁素体型奥氏体型奥氏体-铁铁素体型沉淀硬化型型2耐热钢钢指用于制造造在高温条条件下使用用的零件或或构件的钢钢。应具有良好好的抗氧化化能力和高高温强度。。按使用特性性分为抗氧化钢热强钢按组织不同同分为铁素体类耐耐热钢奥氏体类耐耐热钢5.4铸铸铁铸铁是碳的的质量分数数大于2.11%，，并含有较较多的Si、Mn及杂质S、P的多元铁碳碳合金。与碳钢相比比：力学性能通通常较低，，特别是塑塑性、韧性性较差但具有优良良的减震性性、耐磨性性、铸造性性能和切削削加工性能能成本低廉因此在工业业生产中得得到广泛的的应用。5.4.1铸铁的的主要类型型铁碳合金中中碳的存在在形式：亚亚稳定的化化合态(如如Fe3C)和稳定的游游离态(石石墨)。亚稳定化合合态的Fe3C可以转变为为稳定的石石墨游离态态或在较慢冷冷却条件下下，碳原子子充分扩散散，直接从从铁水或奥奥氏体中析析出石墨---石墨墨化铸铁分类：：1白口铸铸铁碳主要以Fe3C等碳化物形形式存在的的铸铁。组织中有共共晶莱氏体体存在，组组织粗大、、很脆，断断口呈白亮亮色。硬度很高，，因而难以以进行切削削加工，仅仅用于部分分要求耐磨磨等场合的的产品。2灰铸铁铁碳全部或大大部分以片片状石墨形形式存在的的铸铁。价格低廉，，铸造性能能及切削加加工性能好好，应用非非常广泛。。3可锻铸铸铁碳全部或大大部分以团团絮状石墨墨形式存在在的铸铁。。与灰铸铁相相比，具有有较高的塑塑性和韧性性可锻铸铁不能锻造。4球墨铸铸铁碳全部或大大部分以球球状石墨形形式存在的的铸铁。力学性能好好，在一定定条件下可可代替钢来来制造重要要零件。5蠕墨铸铸铁碳全部或大大部分以蠕蠕虫状石墨墨形式存在在的铸铁。。5.4.2各类铸铁铁的特点1共性特特点1)成分特特点高碳、、高硅硅S、P质量分分数限限制较较宽---成本本低廉廉、可可在机机械厂厂熔炼炼的重重要原原因之之一2)组织特特点基体组组织除除石墨墨外，，还有有F、F+P、P、M、B等类型型，与与钢组组织类类型相相同，，因此此通常常将铸铸铁组组织看看成是是在钢基体体上分布布着一一定数数量、、形态态、大大小的的石墨。3)性能特特点力学性性能主要取取决于于基体组组织类类型和和石墨墨的形形状、、数量量、大大小和和分布布。铸铁中中石墨墨的存存在可可视为为孔洞洞和裂裂纹，，割裂裂了基基体，，减小小了铸铸件的的有效效承载载面积积，并并引起起应力力集中中，导导致铸铸铁的的抗拉拉强度度、塑塑性、、韧性性通常常较低低。受压时时裂纹纹不易易扩展展，因因此铸铸铁的的抗压压强度度高。。切削加加工时时具有有良好好的断断屑性性能；；石墨墨具有有自润润滑性性能，，可提提高铸铸铁的的耐磨磨性；；石墨墨的存存在使使铸铁铁具有有良好好的减减震性性和较较小的的缺口口敏感感性。。2各各类铸铸铁的的特点点1)灰铸铁铁组织特特点：：在钢钢基体体(F、F+P、P)上分布布着一一些片状石石墨。应力集集中大大，抗抗拉强强度、、塑性性、韧韧性均均较差差变质处处理(孕育育处理理)---加入入一定定量的的硅铁铁、硅硅钙合合金作作非自自发核核心而而形成成的铸铸铁，，石墨墨片得得以细细化，，并改改善石石墨片片的分分布，，从而而提高高铸铁铁性能能。HT+最小抗抗拉强强度值值(强强度牌牌号)或HT+布氏硬硬度值值(硬硬度牌牌号)主要用用于制制造承承压件件或受受力较较小、、不太太重要要的零零件。。表5.152)可锻铸铸铁用一定定成分分的铁铁水浇浇铸成成白口铸铸铁(白口口铸铁铁是指指完全全按照照Fe-Fe3C相图结结晶而而得到到的铸铸铁)，再经石石墨化化退火火使其中中的渗渗碳体体全部部或大大部分分分解解，形形成团絮状状石墨墨的一种种铸铁铁。组织特特点：：在钢钢基体体(F、P)上分布布着一一些团絮状状石墨墨。应力集集中较较小，，比具具有相相同组组织的的灰口口铸铁铁具有有较高高的强强度和和塑性性。KTZ、KTH比铸钢钢铸造造性能能好，，比灰灰口铸铸铁强强韧，，比球球墨铸铸铁成成本低低，质量量稳定定，常常用于于制造造形状状复杂杂、承承受一一定冲冲击的的薄壁壁件，，如汽汽车拖拖拉机机的后后桥外外壳、、管接接头、、低压压阀门门、钢钢管脚脚手架架接头头等。。表5.163)球墨铸铸铁在一定定成分分的铁铁水中中加入入少量量球化化剂和和变质质剂后后，获获得的的在钢钢基体体上分分布着着球状石石墨的铸铁铁。组织特特点：：在钢钢基体体上分分布着着球状状石墨墨的铸铸铁。。应力集集中小小，比比具有有相同同组织织的灰灰口铸铸铁和和可锻锻铸铁铁具有有更高高的强强度和和塑性性。QT+最小抗抗拉强强度+-最最小断断后伸伸长率率制造一一些受受力复复杂，，对强强度、、韧性性和耐耐磨性性要求求高的的零件件，如如柴油油机中中的曲曲轴、、连杆杆以及及凸轮轮轴、、齿轮轮等。。但塑性性、焊焊接性性比钢钢差。。表5.174)蠕墨铸铸铁在一定定成分分的铁铁水中中加入入一定定量的的蠕化化剂及及少量量孕育育剂形形成的的石墨墨形态态呈蠕虫状状的一类类铸铁铁。组织特特点：：钢基基体上上分布布着蠕蠕虫状状的石石墨。。引起的的应力力集中中程度度介于于片状状石墨墨和球球状石石墨之之间，，性能能优于于灰口口铸铁铁。导热性性、铸铸造性性、减减震性性、切切削加加工性性均优优于球球墨铸铸铁，，是一一种具有良良好综综合性性能的铸铁铁。RuT+最小抗抗拉强强度用于制制造一一些形形状复复杂、、承受受热循循环载载荷、、组织织致密密、强强度要要求高高的铸铸件，，如缸缸盖、、液压压阀、、汽缸缸套、、制动动盘、、刹车车