常用结构材料介绍

第五章

常用结构材料简介钢铁碳素钢合金钢金属材料黑色金属材料有色金属材料灰口铸铁球墨铸铁……白口铸铁Cu、Al、Ti、Mg合金碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢碳素钢成分(GB/T13304-91)合金元素CrMnMoNiSiTiWV最大含量／wt.％0.301.000.050.300.500.050.100.04按成分分类低碳钢中碳钢高碳钢普通质量钢优质钢高级优质钢wc0.25%wc＝0.25-0.60%wc>0.60%wS0.050%wP0.045%wS0.035%wP0.035%wS0.020%wP0.030%按用途分类碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢碳素结构钢牌号：Ｑ２３５-Ｂ·b脱氧方法：Ｆ—沸腾钢；b—半镇静钢质量等级：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ屈屈服点s主要牌号及应用牌号Q195Q215Q235Q255Q275主要应用举例受载荷较小的钢丝、开口销、钉子、拉杆、焊接件铆钉、短轴、拉杆、垫圈、渗碳件、焊接件连杆、螺栓、螺母、轴类支架、角钢、槽钢、工字钢、圆钢、焊接件轴类、吊钩、型钢轴、齿轮wc＝0.06-0.38%常用热处理：一般不热处理，直接使用碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢Q235-AFA级沸腾钢优质碳素结构钢牌号：45平均含碳量的万分数。数字后加F表示沸腾钢加Mn表示含Mn量较高。牌号08F、1015、20、25（碳素渗碳钢）30、35、40、45、50（碳素调质钢）55、60、65、65Mn（碳素弹簧钢）性能特点强度低、塑性好强度较低、塑性韧性较好渗碳后获得表面硬度高、心部韧性好的零件强度、塑性、韧性配合较好经调质后可获得优良的综合力学性能强度高、塑性低淬火中温回火处理后有较好的弹性应用举例冷冲压件、焊接件负载不大的轴、销、齿轮、垫片及渗碳件轴类、齿轮、紧固件、要求不高的表面淬火件简单的耐磨件、简单的弹簧、钢丝绳等wc＝0.05-0.75%常用热处理：正火、调质、淬火、回火、渗碳碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢随含C量提高，强度增大，塑性降低性能调节方法：渗碳、回火钢合金钢碳素工具钢牌号：T10A碳平均含碳量的千分数。数字后加A表示高级优质碳素工具钢wc＝0.65-1.35%常用热处理：球化退火、淬火、低温回火主要牌号：T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13性能特点：热处理后，硬度、耐磨性高；塑性、韧性低；淬透性差主要应用：小截面刃具、模具碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢T8MnA，含C%=0.8%、含Mn、高级P、S含量低于一般优质碳素工具钢铸造碳钢牌号：ZG200-400铸钢sbwc＝0.15-0.60%主要牌号：ZG200-400,ZG230-450,ZG270-500,ZG310-570,ZG340-640主要应用：形状复杂、力学性能要求高、铸铁难以满足的零件碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢合金钢主要合金元素Al、Co、Si、Cu、Mo、Ni、Cr、Mn合金元素的主要作用细化晶粒固溶强化（形成合金渗碳体或特殊碳化物）提高淬透性提高回火稳定性获得室温奥氏体（奥氏体不锈钢）合金钢调质钢机器结构钢工程结构钢渗碳钢合金结构钢合金工具钢低合金结构钢锅炉用钢造船用钢刃具钢弹簧钢轴承钢易切削钢耐候钢模具钢量具钢高强度钢耐蚀钢耐热钢特殊性能钢耐磨钢碳素钢钢合金钢工程结构钢成分特点低含碳量（wc<0.2%）

根据不同要求添加合金元素，总量<3%用途建筑、船舶、桥梁、运输工具、高压容器、军工性能要求一定的综合力学性能和屈强比良好的压力加工和焊接性能耐侯性和耐冷脆性级别300MPa350MPa400MPa450MPa500MPa650MPa牌号12Mn09MnNb16Mn12MnPRe16MnNb10MnNbRe14MnVTiRe15MnVN14MnMoVBRe18MnMoNb14CrMnMoVB用途船舶、低压锅炉、容器、油罐桥梁、车辆船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构、起重机械建筑结构、船舶、化工容器桥梁、起重机港口工程结构、造船、石油井架桥梁、高压容器、电站设备、大型船舶大型焊接结构、大桥、造船、车辆中温高压容器(<500C)锅炉、化工、石油的高压厚壁容器(<500C)中温高压容器(400~560C)我国几种低合金高强度钢的用途机器结构钢工程结构钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢调质钢成分特点中含碳量（wc=0.30~0.50%）

添加Cr、Ni、Mn、Si增加淬透性，固溶强化添加少量Mo、W、V等细化晶粒，提高回火稳定性用途轴、杆类零件、齿轮、链条等性能要求优良的综合力学性能良好的淬透性牌号40Cr40MnB35CrMo40CrNi40CrNiMoA40CrMnMo45CrNiMoVA用途轴类、连杆螺栓、进气阀、重要齿轮中小截面调质件大截面齿轮、重型传动轴、大电机主轴强度高、韧性好的零件，如轴、齿轮、链条大截面受冲击零件，如偏心轴、曲轴大截面重负荷齿轮、轴高强度高弹性零件，如车辆扭力轴常用合金调质钢的牌号及其用途(轴)主要热处理：淬火+高温回火机器结构钢工程结构钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢调质钢渗碳钢弹簧钢轴承钢渗碳钢成分特点低含碳量(wc=0.10~0.25%)

添加Cr、Ni、Mn、B增加淬透性，固溶强化添加少量Mo、W、V、Ti等形成稳定碳化物，细化晶粒用途轴、齿轮、蜗杆、活塞销等性能要求

表面良好的耐磨性高强度、高硬度

心部良好的韧性牌号20CrMnTi20MnTiB20Cr2Ni418Cr2Ni4WA20CrMn20Mn220Cr用途广泛用于汽车、拖拉机工业30mm直径以下的高速、中重载冲击磨损件，如变速箱齿轮汽车拖拉机上小截面、中等负荷齿轮传动齿轮、轴、万向叉大齿轮、花键轴、曲轴齿轮、轴、蜗杆、活塞销、摩擦轮小齿轮、小活塞销小齿轮、小轴、活塞销常用合金渗碳钢的牌号及其用途（齿轮）主要热处理：渗碳+淬火+低温回火机器结构钢工程结构钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢调质钢渗碳钢弹簧钢轴承钢弹簧钢成分特点中含碳量（wc=0.50~0.70%）

添加Cr、V、Mn、Si增加淬透性，固溶强化，提高回火稳定性用途弹簧性能要求

高弹性极限和屈强比

高疲劳强度良好的综合力学性能牌号65Mn60Si2Mn55CrMnA60Si2CrVA50CrVA30W4Cr2VA用途大尺寸的各种弹簧车辆板簧、螺旋弹簧、安全阀用弹簧，低于250C耐热弹簧大尺寸板簧、螺旋弹簧高载荷耐冲击弹簧、工作温度低于250C耐热弹簧大截面高应力螺旋弹簧，低于300C耐热弹簧500C下工作弹簧、锅炉安全阀用弹簧常用合金弹簧钢的牌号及其用途主要热处理：淬火+中温回火，获得回火索氏体组织。表面喷丸强化机器结构钢工程结构钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢调质钢渗碳钢弹簧钢轴承钢轴承钢成分特点高含碳量（wc=0.90~1.10%）

添加Cr（wCr=0.50～1.65%）提高淬透性，细化碳化物用途轴承的滚珠、滚针、套圈，某些工具、量具、模具性能要求

高硬度、高耐磨性高接触疲劳强度和弹性极限良好的综合力学性能牌号GCr9GCr15GSiMnVGSiMnMoVGCr6GCr15SiMn用途较小尺寸轴承件大型机械轴承，高耐磨、高疲劳轴承汽车、拖拉机、轧钢机用轴承汽车、拖拉机、轧钢机用轴承小尺寸轴承件大型机械轴承，高耐磨、高疲劳轴承常用滚动轴承钢的牌号及其用途主要热处理：正火、球化退火、不完全淬火+低温回火、冷处理机器结构钢工程结构钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢调质钢渗碳钢弹簧钢轴承钢合金工具钢分类合金刃具钢合金模具钢合金量具钢低速刃具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢性能要求

高硬度高耐磨性高红硬性适当的强度、韧性

高强度、高硬度高耐磨性足够的韧性

高强度、高硬度高耐磨性足够的韧性

抗热疲劳性、抗氧化性、导热性

高强度、高硬度高耐磨性；

组织稳定性最终热处理及组织淬火+低温回火M’+合金碳化物+’淬火＋560C三次回火M’+合金碳化物+’淬火+低温回火M’+合金碳化物+’淬火+高温回火S’或T’淬火+低温回火+深冷处理M’主要钢种举例9SiCr,8MnSi,Cr06,Cr2,W,9Cr2W18Cr4VW6Mo5Cr4V2Cr12MoV,Cr12,CrWMn,9Mn2V,Cr4W2MoV,6W6Mo5Cr4V5CrNiMo,5CrMnMo,3Cr2W8V,4Cr5MoSiV,5Cr4W5Mo2V9SiCr,CrWMn,GCr15,T10A,T12A说明：含碳量用千分数表示，wc>1.0%时不标注。高速钢不标注含碳量合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢刃具钢模具钢量具钢特殊性能钢超高强度钢耐磨钢易削钢耐热钢耐蚀钢性能要求高强度合适的塑性高疲劳强度一定的冲击韧性和断裂韧性承受严重冲击和摩擦良好切削性热强性抗氧化性耐腐蚀主要种类或成分特点低合金中碳马氏体型中合金低碳马氏体型中合金中碳二次硬化型高合金超低碳马氏体时效钢高锰铸钢(受冲击后表面产生加工硬化)提高S、P含量加S、Se、Te等改变非金属夹杂物的组成加Pb形成金属夹杂奥氏体耐热钢铁素体耐热钢马氏体耐热钢珠光体耐热钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢马氏体不锈钢主要钢种举例30CrMnSiNi2A40Cr5MoSiV1(H13)25Si2Mn2CrNiMoVANi25Ti2AlNbZGMn8ZGMn13Y12、Y20、Y40Mn、YP40、Y35S、Y40CrS、YP12CrNi,YP30CrMo1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr131Cr11MoV1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr13,2Cr133Cr13,4Cr13合金结构钢合金工具钢高强度钢耐蚀钢耐热钢特殊性能钢耐磨钢碳素钢钢合金钢易切削钢铸铁分类、特点及应用分类成分/wt.%组织性能应用牌号灰口铸铁C:2.5-4.0Si:1.0-3.0Mn:0.5-1.2S:<0.15P:<0.12抗拉强度低、压缩强度高塑性、韧性低减摩、减震性好缺口敏感性好机床床身，发动机缸体，箱体，阀体，泵体等HT100HT150HT200HT250HT300HT350球墨铸铁C:3.6-3.9Si:2.0-2.8Mn:0.3-0.6S:<0.07P:<0.10具有灰铁基本性能

抗拉强度高、屈服强度高

有一定塑性、韧性

疲劳强度较高曲轴，连杆，凸轮轴，飞轮，机器底座，汽缸等QT400-18QT450-10QT500-7QT700-2QT900-2蠕墨铸铁C:3.5-3.9Si:2.2-2.8Mn:0.4-0.8S:<0.10P:<0.10介于灰铁和球铁之间

导热性，铸造性能，切削加工性能好制动盘，排气管，汽缸盖，活塞环等RuT200RuT300RuT340RuT380RuT420其它铸铁：可锻铸铁，冷硬铸铁，耐磨铸铁，耐热铸铁，耐蚀铸铁紫铜纯铜(紫铜)FCC=8.94g/cm3Tm=1083C性能特点塑性好，可进行各种冷热加工导电、导热、耐腐蚀无磁性强度低，b=230-240MPa牌号应用举例纯铜T1T2导电、导热、耐腐蚀器件，如电线、雷管等。T3电器开关、铆钉等无氧铜TU1TU2电真空器件脱氧铜TP1TP2汽油、气体冷凝管等焊接用铜材黄铜

Cu-Zn基合金，wZn=0~50wt%

易加工成形良好的机械性能耐大气、海水腐蚀色泽美丽，价格低廉普通黄铜特殊黄铜铸造黄铜牌号H96、H90、H80、H68、H65、H62、H59HSn90-1、HSn62-1HAl60-1-1、HMn58-2、HPb63-3ZCuZn38、ZCuZn40Mn2、ZCuZn38Al2、ZCuZn33Pb2应用举例散热器、冷凝器管道、电器、机器零件、垫圈、弹簧、螺钉等船舶零件、海水中工作的高强度零件、弱电工业用零件等一般结构耐腐蚀零件、海水中工作的管配件、电机仪表用压铸件、机械、电子、仪器配件等青铜

以Zn、Ni外的其他元素作为主要合金元素的Cu合金锡青铜：QSn4-3,QSn7-0.2

具有高强度、耐磨性和弹性

适用于制造弹性元件、滑动轴承、齿轮及艺术品铝青铜：QAl9-4,QAl10-4-4

价格低，是重要的结构材料适用于制造齿轮、轴套等零件铍青铜：QBe2,QBe1.7

高强度、高弹性、高疲劳强度；良好的耐磨性、抗腐蚀、导电导热无冲击火花可以时效强化，是优良的弹性材料可制造高级精密弹簧、膜片、轴承、齿轮等铝合金纯铝银白色，2.7g/cm3，FCC，Tm=660.24C

强度低，导电导热性优良，仅次于Ag、Cu

主要用于制造电线、电缆铝合金主要合金元素有Si、Cu、Mg、Zn、Mn

一般用作结构材料平衡相Al2Cu正方结构，完全脱离母相，丧失了与基体的共格关系，合金硬度、强度下降Al-Cu合金的时效序列固溶处理后：Al(Cu)过饱和固溶体时效序列：Al(Cu)G.P.区’’’欠时效时效峰值过时效G.P.区’经淬火后的铝合金强度、硬度随时间延长而发生显著提高，称之为时效，或时效硬化实质是第二相Al2Cu从过饱和固溶体中沉淀的过程富铜区。铜原子在(100)晶面上偏聚，呈圆片状正方结构，’在(001)面上与基体铝共格铝合金应用铝合金功放面板铝合金发动机压气机叶轮铝合金散热器铝合金支架铝铰链铝合金型材铝锂合金模锻件钛及钛合金纯钛

4.54g/cm3，Tm=1668C

室温~882.5C:HCP(-Ti)

882.5C~熔点:BCC(-Ti)

强度低，韧性、塑性好钛合金主要应用航空、航天、机械、医疗、化工以TC4、TB5、TB6、TB8、TA15、TC16等为代表的高强钛合金减轻了结构重量，提高了战机作战性能飞机钛合金接头飞机活动腹鳍前接头飞机承力框异型筒状零件超高强钛合金钛合金机翼接头钛合金应用水泥、混凝土水泥(Cement)——可通过化学反应将颗粒黏结成整体的物质混凝土(Concrete)—由水泥将颗粒(石子、沙子)黏结成的一个整体混凝土力学性能抗拉强度、比强度、塑性低价廉、加工性好、节能……烧结产物为砖铝酸钙铁铝酸钙成分石灰石C粘土S2AH2氧化铁F石灰石/粘土=3/1加氧化铁可降低熔点，降低窑炉温度石灰石+粘土+氧化铁烧结1500CC3A+C2S+C3S+C4AF+CO2硅酸三钙石,A-水泥石斜硅钙石,B-水泥石水化反应层水泥水泥凝胶层混合水化反应相互衔接的脊柱硬化反应实际强度来自于硬化反应及其所形成的相互衔接的脊柱水泥强度水化反应硬化反应陶瓷——广义定义为无机非金属材料，一般认为必须含晶相氧化铝Al2O3高强度、高硬度、高刚度、高热稳定性氧化镁MgO高热稳定性多铝红柱石Al6Si2O13低热膨胀系数、高热稳定性石英SiO2低密度、透明氧化锆ZrO2高韧性金刚石C极高强度、极高硬度、极高刚度、低热膨胀系数、透明石墨C极高强度、极高刚度、低热膨胀系数金刚砂SiC高强度、高硬度、高刚度碳化钨WC高强度、高硬度氮化硼BN极高强度、极高硬度、极高刚度氮化硅Si3N4高强度、高硬度、高刚度、高热稳定性氧化物碳化物氮化物玻璃玻璃的三种主要用途示例窗玻璃、液晶显示器、光纤应用民用——建筑玻璃、汽车挡风玻璃、装饰玻璃等光学——透镜、滤光片等高科技——光纤、光存、