第五章常用金属材料

5.1.1常存元素对钢性能的影响1.锰：来源：锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，它也经常作为合金元素而特意加入钢中。作用：锰的脱氧能力较好，能很大程度上减少钢中的FeO，还能与硫化合成MnS，减轻硫昀有害作用。锰大部分溶入铁素体中，使铁素体强化。所以，锰在钢中是一种有益元素。5.1工业用钢含量：非合金钢中，锰作为常存元素时，其含量一般规定为<1.00％。2.硅来源：硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的，也可作为合金元素特意加入钢中。作用：硅的脱氧能力比锰强，可有效清除FeO。硅在室温下大部分溶入铁素体，使铁素体强化。工业用钢含量：作为常存元素时，其含量一般规定为<0.50％。3.硫来源：硫是在冶炼时由矿石和燃料中带人的有害杂质，炼钢时难以除尽。作用：硫在钢中常以FeS的形式存在，FeS与Fe形成低熔点的共晶体，分布在奥氏体的晶界上，当钢材进行热加工，共晶体过热甚至甚至熔化，减弱了晶粒间联系，使钢材强度降低，韧性下降，这种现象称热脆。常加入锰来降低硫的有害作用。工业用钢4.磷来源：磷是在冶炼时由矿石带入的有害杂质，炼钢时很难除尽。作用：磷能溶于α-Fe中，但当钢中有碳存在时，磷在α-Fe中溶解度急剧下降。磷的偏析倾向十分严重，即使只有千分之几的磷存在，也会在组织中析脆性很大的化合物Fe3P，并且特别容易聚于晶界上，使钢的脆性增加，冷脆转化温度升高，即发生冷脆。工业用钢5.1.2钢的分类和编号

分类方法：化学成分

分类

质量

用途钢的类型和编号钢的分类齿轮刀具2.钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1）碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号：沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。

低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，

其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：一般情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。2）优质碳素结构钢和碳素工具钢⑴优质碳素结构钢：牌号为两位数字这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几如45—其平均含碳量为万分之四十五（即0.45%C）⑵碳素工具钢：牌号为T+数字“T”表示“碳素工具钢”数字表示钢平均含碳量的千分之几如T8—其平均含碳量为千分之八（0.8%C）*说明：①优质碳素结构钢含Mn量为0.7~1.2%时，在含碳量数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于优质碳素结构钢的沸腾钢和半镇静钢，在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③碳素工具钢都是优质以上质量的④高级优质钢在钢号后加字母A，如20A、T8A。3）合金钢

牌号为碳含量+合金元素1+1元素的百分含量数字+合金元素2+2元素的百分含量数字+……⑴合金元素及其含量标注当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。如20CrMnTi

当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。*说明：①合金工具钢含铬量小于1%时，含铬量以千分之一为单位标出，并在含铬量前加数字“0”，如Cr06。②滚动轴承钢含铬量也以千分之一为单位标出，并在牌号头部加字母“G”，如GCr15③高级优质合金钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。④特级优质合金钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。⑵碳含量标注①合金结构钢含碳量以万分之一为单位标出(两位数字)如40Cr、60Si2Mn②工具钢和特殊性能钢含碳量以千分之一为单位标出(一位数字)如8MnSi、4Cr13*说明①低合金工具钢含碳量大于1.00%时，不标含碳量，如CrWMn(1.0%C)②高速钢不标含碳量，如W18Cr4V(含0.75%C)③滚动轴承钢不标含碳量，如GCr15(1.0%C)④高锰钢不标含碳量，如ZGMn13(0.75~1.45%C)⑤珠光体耐热钢含碳量标注同结构钢，如15CrMo⑥铸钢在牌号前加“ZG”,余同结构钢,如ZG20Cr135.1.3结构钢一般工程结构钢

1.碳素结构钢（如表）硫、磷的质量分数较高(P≤0.045，S≤0.055)典型牌号Q235（各种型材）

2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上，加入少量合会元

素Mn典型牌号Q345(16Mn)

碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途结构钢优质结构钢

1.优质碳素结构钢（如图）硫、磷的质量分数较低≤0.035％典型的牌号是45

2.碳素铸钢（如图）碳素钢的含碳量一般在0.15％～0.60％范围内，过高则塑性差，易产生裂纹。一般工程用铸钢件的成分、力学性能和用途见表3.合金结构钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢

优质碳素结构钢的力学性能和用途

碳素铸钢的化学成分、力学性能和用途合金结构钢(1)渗碳钢

常用的渗碳钢有15、20Cr、

20CrMnTi、18Cr2Ni4W等。工艺：采用表面渗碳进行成分调整，再结合淬火+低温回火的热处理，性能特点：能够使零件表面具有良好的耐磨性和疲劳强度，心部有良好的韧性和足够的强度。应用：渗碳钢主要用于制造高耐磨性，并承受动载荷的零件，如汽车齿轮、内燃机凸轮和活塞销等。合金结构钢

(2)调质钢

常用的调质钢有45、40Cr、35SiMn、38CrMoAlA等。特点：调质钢为中碳成分，经淬火+高温回火的调质处理后，钢的组织为回火索氏体，具有高强度和良好韧性，即具有良好的综合力学性能，常用于制造重要的机器零件，如传动轴、机床齿轮、曲轴、连杆螺栓等。（表面淬火、氮化处理提高工件表面的硬度）合金结构钢

(3)弹簧钢常用的弹簧钢有65、65Mn、60Si2Mn、50CrVA等。最有代表性的是60Si2Mn。性能特点：弹簧要求高弹性极限、疲劳极限和足够的韧性成分及工艺：弹簧钢采用中高碳成分（0.5%~0.7%）以保证强度；通过淬火+中温回火而获得回火托氏体组织，以满足使用性能的要求。（采用喷丸处理进行表面强化

）合金结构钢(4)滚动轴承钢

常用的是铬轴承钢GCr9、GCrl5、GCrl5SiMn等应用：滚动轴承钢是制造各类滚动轴承的滚动体及内、外套圈的专用钢。性能特点：滚动轴承在交变应力下工作，各部分之间因相对滑动而产生强烈磨擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。成分：Wc为0.95％～1.15％，属过共析钢，以此保证淬后马氏体的高硬度和碳化物的数量，提高耐磨性。s<0.020％，P<0.007％)，铬轴承钢是一种高级优质钢。5.1.4工具钢按用途分类：刃具钢、模具钢和量具钢。特点：为了满足高硬度和耐磨性的使用要求，工具钢均为高碳成分，一般经过淬火和低温回火后使用。

1.刃具钢

性能特点：高强度(特别是抗弯、抗压)；高硬度、高耐磨性；高热硬性；足够的塑性和韧性。

分类：碳素工具钢(T8、T8A、T10、T12等)；合金刃具钢(Cr06、9SiCr等)含碳量在0.9％～1.1％之间高速钢(W18Cr4V)含碳量在0.7％以上，最高可达1.5％

应用：碳素工具钢：手用工具和低速、小蠢走刀量的机用工具，

合金刃具钢：加入了合金元素，多用作丝锥、板牙、铰刀高速钢：广泛应用于车刀、铣刀、刨刀、钻头等刀具

高速钢的加工、热处理较复杂，其要点如下：

(1)锻造高速钢铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物，如图

所示，大大降低钢的性能。这些碳化物不能用热处理来消除，因此高速钢的锻造具有成形和改善碳化物形态和分布的双重作用。

(2)热处理锻造后进行球化退火，淬火加热进行预热三次回火高速钢的铸态组织工具钢2.模具钢分类：冷模具钢、热模具钢特点：1、冷模：很大压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要损坏形式是磨损也常出面崩刃、断裂和变形需高硬度、高耐磨性、足够的韧性与疲劳抗力和热处理变小2、热模具钢：冲击载荷、摩擦、不均匀热应变和热应力、高温氧化出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效现象需具有高的热硬性、高温耐磨性、高的抗氧化、高的热强性和足够高的韧性、较高的淬透性和导热性应用：

冷模具钢(Crl2、Crl2MoV等)：冷冲模、冷挤压模和拉丝，热模具钢(5CrMnMo、5CrNiMo等)热锻模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600以上

工具钢3.量具钢特点：主要受磨损，性能要求是：高硬度和耐磨性；高尺寸稳定性。热处理：量具钢的成分高碳(训c为0.9％～1.5％)，并常加入Cr、W、Mn等元素①尽量降低淬火温度，以减少残余奥氏体量②淬火后立即进行一70-一80℃的冷处理

③精度要求高的量具，需进行时效处理应用：制造各种测量工具，如卡千分尺、螺旋测微仪、块规和塞规等

6.1.5特殊性能钢分类：不锈钢、耐热钢、耐磨钢不锈钢定义：不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其它腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的合金钢的总称。分类及应用：分为马氏体型不锈钢(Cr13型)制造承载耐腐蚀的各种阀、机泵零件、不锈刀具

铁素体型不锈钢(Crl7型)，主要用于制造耐蚀零件，广泛用于硝酸和氮肥工业中

奥氏体型不锈钢(18—8型)，主要制造化工生产中的某些设备零件或构件及暂道等。

特殊性能钢

2.耐热钢定义：高温下具有热化学稳定性和热强性的特殊钢。

性能特点:

优良的高温抗氧化性能和高温强度热膨胀系数小和良好的导热性，

成分特点：加入合金元素Cr、Si和铝，主加CrTi、V、W、Mo、Ni等合金元素来提高热强性。

分类及应用：热化学稳定钢(3Cr18Ni25Si2等)热强钢(Crl2型、Crl3型、1Crl8Ni9Ti、1Crl7)。耐热钢主要用于石油化工的高温反应设备和加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、汽车和船舶的内燃机、飞机的喷气发动机以及热交换器等设备5.1.5特殊性能钢

3.耐磨钢性能特点：很高的耐磨性和韧性。高锰钢(ZGMn13)成分特点：高碳，含碳量1.0％～1.3％之间高锰，一般Mn含量为11％～14％一定量硅（Si=0.3％～0.8％）热处理：水韧处理：即将钢加热1000～1100*C，保温一段时间，使碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。应用：

用于运转中承受严重磨损的和强烈冲击的零件1.铸铁的石墨化2.常用铸铁3.合金铸铁教学重点:常用铸铁的分类及特点教学难点:铸铁的石墨化5.2铸铁铸铁的性能

铸铁之所以用得如此广泛,是因为石墨的存在，石墨的存在，使铸铁具有铸钢所不具备的性能。铸铁通常是C%=2.5%~4.0%的铁碳合金。碳在铁碳合金中的存在形式有：渗碳体和石墨铸铁的优点

良好的铸造性能，如流动性好、收缩小良好的切削加工性能；高的耐磨性；

良好的吸振缓冲性能；

低的缺口敏感性能。根据碳在铁碳合金中的存在形式铸铁可以分为：

白口铸铁：灰口铸铁：普通灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁5.2.1铸铁的石墨化

碳以石墨的形式析出的过程为石墨化过程。通常视石墨化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。铸铁的基体通常有：*铁素体灰口铸铁*铁素体—珠光体灰口铸铁*珠光体灰口铸铁石墨形态对铸铁性能的影响

石墨片越圆整、越细小、分布越均匀对基体割裂作用越小。影响石墨化的因素化学成分

化学成分：C是形成石墨的元素，Si是促进形成石墨的元素。通常C%、Si%越高，越容易石墨化。影响石墨化的因素冷却速度

冷却速度：减小冷却速度可以促进石墨化，易得到粗大的石墨片和铁素体基体；增大冷却速度则阻碍石墨化，此时只有部分碳以细石墨片析出，而另一部分碳则以渗碳体析出，得到铸光体基体。影响石墨化的因素：壁厚5.2.2常用铸铁

灰口铸铁灰口铸铁可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。而石墨的形态、大小和分布直接影响着铸铁的性能。根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁可以分为：普通灰口铸铁：石墨呈片状可锻铸铁：石墨呈团絮状蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状球墨铸铁：石墨呈球状1、普通灰口铸铁件基体：F、P、F+P生产：铁水熔炼好后直接浇铸牌号：HTXXXHT:表示灰口铸铁中文拼音的代号XXX:三位数字表示最抵抗拉强度(MPa)石墨形态：片状灰口铸铁的孕育处理提高和改善灰口铸铁的性能的途径改善基体组织改变石墨形态、数量、大小和分布灰口铸铁的孕育处理是提高和改善灰口铸铁的性能的途径行之有效的方法。常用的孕育剂是含Si量为75%的硅铁。灰口铸铁的孕育处理方法即将熔炼出的铁水在浇铸前加入质量分数为0.25%~0.60%的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用显著提高，从而得到在细珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织。

灰铸铁的热处理去应力退火：铸件凝固冷却时，因壁厚不同等原因造成冷却不均，会产生内应力，或工件要求精度较高时，都应进行去应力退火；消除白口、降低硬度退火：铸件较薄截面处，因冷速较快会产生白口，使切削加工困难，应进行退火使渗碳体分解，以降低硬度；表面淬火：目的是提高铸件表面硬度和耐磨性，常用方法有火焰淬火、感应淬火等。2、球墨铸铁件的生产

向高温铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，直接得到球状石墨的铸造合金。球化剂：金属镁或稀土镁

孕育剂：含Si量为75%或95%的硅铁球墨铸铁的组织按基体组织不同，分为铁素体球墨铸铁、铁素体—珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁四种，金相显微组织如图6-5所示。球墨铸铁件主要特点：石墨成球状，对基体的割裂作用已降到最低，力学性能比灰铸铁有显著提高。可通过热处理改善金属基体，进一步提高性能这一点与灰铸铁不同。球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷。石墨析出时，发生膨胀，应适当提高铸型刚度。球墨铸铁件生产中应注意的问题控制原铁液的化学成分，与一般灰铸铁基本相同；具有高C高Si,中Mn,低S、P特点。较高的铁液温度，以防止球化处理、孕育处理后铁液温度过低，产生浇不足等缺陷球化处理、孕育处理。球墨铸铁的牌号和应用（3）球墨铸铁的牌号和应用球墨铸铁的牌号由“QT“（“球铁”两字汉语拼音字首）及后面两组数字组成。第一组数字表示最低抗拉强度；第二组数字表示最低断后伸长率δ。例如QT600－3，代表≥600MPa，δ≥3％的球墨铸铁。

球墨铸铁的力学性能好，又易于熔铸，经合金化和热处理后；可代替铸钢、锻钢，制作受力复杂、性能要求高的重要零件，在机械制造中得到广泛应用。（4）球墨铸铁的热处理球墨铸铁的热处理与钢相似，但因含碳、硅量较高，有石墨存在，热导性较差，因此球墨铸铁热处理时，加热温度要略高，保温时间要长，加热及冷却速度要相应慢。常用的热处理方法有以下几种：①退火分为去应力退火、低温退火和高温退火。目的是消除铸造内应力，获得铁素体基体，提高韧性和塑性。②正火分为高温正火和低温正火。目的是增加珠光体数量并提高其弥散度，提高强度和耐磨性，但正火后需回火，消除正火内应力。③调质处理目的是得到回火索氏体基体，获得较高的综合力学性能。④等温淬火目的是获得下贝氏体基体，使其具有高硬度、高强度和较好的韧性。球墨铸铁的牌号、性能及用途球墨铸铁的牌号由“QT“（“球铁”两字汉语拼音字首）及后面两组数字组成。第一组数字表示最低抗拉强度；第二组数字表示最低断后伸长率δ。例如QT600－3，代表≥600MPa，δ≥3％的球墨铸铁。

3、可锻铸铁可锻铸铁生产：将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳体分解，获得在铁素体或珠光体的基体分布着团絮状石墨的铸铁。黑心可锻铸铁(KTH,铁素体基体)珠光体可锻铸铁(KTZ)

白心可锻铸铁(KTB，很少用)种类特点：强度高σb=300-400Mpa，塑性（δ≤12%）和韧性（αk≤30J/Cm2)好。石墨化退火周期长，40-70h,铸件成本高。适用于制造承受震动和冲击、形状复杂的薄壁小件。可锻铸铁牌号及用途（2）可锻铸铁的性能由于石墨呈团絮状，对基体的割裂和尖口作用减轻，故可锻铸铁的强度、韧性比灰铸铁提高很多。（3）可锻铸铁牌号及用途可锻铸铁牌号由“KT’（“可铁”两字汉语拼音字首）和代表类别的字母（H、Z）及后面两组数字组成。其中，H代表“黑心”，Z代表珠光体基体。两组数字分别代表最低抗拉强度和最低断后伸长率δ。例如，KTH370－12，代表＞370MPa、δ≥12％的黑心可锻铸铁（铁素体可锻铸铁）。可锻铸铁主要用于形状复杂、要求强度和韧性较高的薄壁铸件。4、蠕墨铸铁

（1）蠕墨铸铁组织为蠕虫状石墨形态介于球状和片状之间，它比片状石墨短、粗、端部呈球状。如图6-7所示。蠕墨铸铁的基体组织有铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种。（2）蠕墨铸铁的性能力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。与球墨铸铁相比，有较好的铸造性，良好的热导性、较低的热膨胀系数，是近三十年来迅速发展的新型铸铁。（3）蠕墨铸铁牌号及用途蠕墨铸铁的牌号由“RuT’（“蠕铁”两字的汉语拼音字首）加一组数字组成，数字表示最低抗拉强度，例如：RuT300。5.2.3合金铸铁

合金铸铁是指常规元素硅、锰高于普通铸铁规定含量或含有其他合金元素，具有较高力学性能或某些特殊性能的铸铁。主要有耐磨铸铁、耐热铸和耐蚀铸铁。1.铝及其合金2.铜及其合金3.轴承合金4.粉末冶金教学重点:常用铜铝合金的分类及特点教学难点:常用铜铝合金的分类及特点5.3非铁合金5.3.1铝合金的分类1、变形铝合金不可热处理强化的变形铝合金主要有防锈铝合金；可热处理强化的变形铝合金主要有硬铝、超硬铝和锻铝。（1）防锈铝合金防锈铝合金属Al-Mg或Al-Mg系合金。加入锰主要用于提高合金的耐蚀能力和产生固溶强化。加入镁用于起固溶强化作用和降低密度。防锈铝合金强度比纯铝高，并有良好的耐蚀性、塑性和焊接性，但切削加工性较差。因其不能热处理强化而只能进行冷塑性变形强化。其典型牌号是5A05、3A21，主要用于制造构件、容器、管道及需要拉伸、弯曲的零件和制品。（2）硬铝合金硬铝合金属Al-Cu-Mg系合金。加入铜和镁是为了时效过程产生强化相。将合金加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺称为固溶处理。固溶处理后，铝合金的强度和硬度并不立即升高，且塑性较好，在室温或高于室温的适当温度保持一段时间后，强度会有所提高，这种现象称为时效。在室温下进行的称自然时效，在高于室温下进行的称人工时效。硬铝合金典型牌号是2A01、2A11，主要用于航空工业中。铝合金的分类（3）超硬铝合金超硬铝合金属Al-Cu-Mg-Zn系合金。这类合金经淬火加人工时效后，可产生多种复杂的第二相，具有很高的强度和硬度，切削性能良好，但耐蚀性差。典型牌号7A04，主要用于航空。（4）锻铝合金锻铝合金属Al-Cu-Mg-Si系合金。元素种类多，但含量少，因而合金的热塑性好，适于锻造，故称“锻铝”。锻铝通过固溶处理和人工时效来强化。典型牌号是2A05、0A07，主要用于制造外形复杂的锻件和模锻件。2、铸造铝合金铸造铝合金按主加元素不同，分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四类。应用最广的是Al-Si系铸造合金，通常称为硅铝明。Wsi＝10％～13％的Al-Si二元合金ZAlSi12（ZL102），成分在共晶点附近，其铸