工程材料第4讲金属材料01

第四章常用金属材料1.

教学要求：本讲是课程的重点，要求掌握：①

钢和铸铁的分类，牌号表示，各类钢的性能特点，热处理特点及应用。

②

铝及其合金，铜及其合金，滑动轴承合金的分类，性能特点及其应用；③

能根据零件的性能要求，合理选择相应的金属材料.

2.

教学时数：10

4

.1工业用钢概述

碳钢（含碳量＜2.11％Fe－C合金)钢

合金钢（碳钢+合金元素熔炼而成的钢）

4.1.1.

钢中杂质

合金元素（Metalelements,Me）:为改善性能而有目的加入的化学元素。杂质：不是人为加入和期望而存在于钢铁中的元素或化合物钢中常见的杂质有锰、硅、硫、磷等。1.

硫的影响S以FeS的形式存在于钢中，FeS与Fe形成（Fe+FeS）共晶，其熔点仅985℃，在锻造过程（加热温度在1050－1200℃）（Fe+FeS）共晶熔化而产生热裂（称为热脆性），因此，钢中含硫量均＜0.05％合金晶界的低熔点硫化物共晶

2.

磷的影响：磷

在钢中能溶于铁素体，固溶强化效果很强，而使塑韧性急剧降低，在冷塑性变形（如板冲压）产生脆裂（冷脆性）钢中含磷量均＜0.045％比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中3、气体元素①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。②O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源.钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂③H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点钢的氢脆断口4.1.2.合金元素改善钢的力学性能

图、合金元素对钢的力学性能的影响

合金元素在钢中的分布形式

碳化物形成元素非碳化物形成元素

Ti.V.W.Mo.Cr.Mn.Si.Al.Ni.B

作用

26Fe

3d64S形成合金碳化物形成合金铁素体合金钢强化的原因：

a.固溶强化b.第二相强化c.细化晶化（碳化物阻碍奥氏体晶粒长大）提高钢的强韧性4.1.3.钢的分类及牌号表示1、钢的分类按化学成分分:碳素钢合金钢低碳钢≤0.25%C中碳钢0.25~0.60%C高碳钢≥0.60%C高合金钢合金元素≥10%低合金钢合金元素≤5%中合金钢合金元素5~10%按用途分:

工程用钢

建筑、桥梁、船舶、车辆用钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊钢挤压模具钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015按冶金质量分:钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：

4.1.3.钢的分类及牌号表示2.牌号表示：（1）结构钢a.碳钢

以“钢中平均含碳量的万倍”编号

例：0.40％C的钢，牌号为40钢

b.合金结构钢

“钢中平均含碳量的万倍+Me符号及含量的百倍+……”Me含量的标注：＜1.5％不标出，1.5～2.4％标2，…（2）工具钢和不锈钢a、碳素工具钢

T+钢中平均含碳量的千倍（高级优质+A)例：T12

b、合金工具钢和不锈钢

钢中平均含碳量的千倍+Me符号及含量的百倍+……

其中，钢中含碳量＞1.0％不标含碳量，高速钢（＞10％Me的高合金钢且Cr：4％）不标含碳量。例：9SiCrCrWMn.W18Cr4V（高速钢，4％Cr）4Cr13（不锈钢，含Cr量≥13％）。

Summary钢号前有两个位数为结构钢，如40Cr，钢号前有一个位数和没有数的，

＜13％Cr是工具钢，如9SiCr,CrWMn,W18Cr4V.

≥13％Cr是不锈钢

如2Cr13,1Cr18Ni9

4.2结构钢低合金结构钢（普低钢）16Mn合金渗碳钢（低.中.高淬透性）20CrMnTi

合金调质钢（低.中.高淬透性）

40Cr合金弹簧钢60Si2Mn滚动轴承钢GCr15易切削钢Y20合金钢碳素结构钢

Q235优质碳素结构钢45碳素工具钢T10A碳素钢4.2结构钢4.2.1.工程结构钢1、性能特点：

①

强度低——主要用于静载

②

塑性高——便于成型，C和Me含量越低，塑性越高

③

焊接性好——便于施焊，C和Me含量越低，可焊性越高

南京长江大桥压力容器(1)普通结构钢牌号：

Q+钢的屈服极限（MPa）+质量等级（A-D）

Q195Q275（共五种）桁架结构4.2结构钢4.2.1.工程结构钢2、成分特点：

低碳、低合金含量(2)低合金结构钢

低合金结构钢＝普通结构钢(Q235)+Me（＜3.0％﹚常用合金元素：Mn、V、Ti。

合金元素的作用：

强化铁素体，细化晶粒，增加碳化物相对量。因此，低合金结构钢的强度比Q235高40％至一倍。3、主要应用

框架结构，建筑结构，压力容器等

使用状态：不热处理或正火，或去应力退火，对特殊要求的零件可进行淬火4.2.2优质结构钢：

1,渗碳钢(1)性能特点（以齿轮为例）

通过渗碳-淬火实现

c.高冲击韧性d.高淬透性

*表层高硬度，高耐磨性,心部高韧性

汽车变速箱齿轮(1)成分特点

低碳，0.15～0.20％C

——保证零件心部高韧性

Cr、Mo、W、V、Ti

——形成合金碳化物，保证渗碳过程细化晶粒Mn、Ni、B——提高淬透性。

(2)常用钢：20、20Cr（一般要求)20MnVB(代用钢）

20CrMnTi、20CrMnMo等柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)（3）应用：齿轮、凸轮、活塞销等。渗碳零件的工艺流程：毛坯锻造——正火——机加工——渗碳——淬火+低温回火——精加工——……

增压柴油机曲轴表层：高碳回火M+碳化物+Ar硬度：60～62HRC心部：淬透时低碳M回硬度：

40HRC；未淬透时F+S硬度：

<20HRC

预备热处理：正火最终热处理：渗碳+淬火+低温回火

热处理特点2、调质钢（1）性能特点

a高强度——以抵抗扭转和弯曲变

b高韧性——以抵抗振动和冲击要求：具有高的综合力学性能合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴（2）成分特点

中碳：0.25～0.5％C---高的综合力学性能Si、Mn、Cr、Ni、B——提高淬透性Cr、V—细化晶粒

（3）常用钢

一般要求40，45，40Cr较高要求35CrMo42CrMo40CrNi40CrNiMo无Cr,Ni代用钢:40MnB40MnVB42Mn2V

（4）热处理特点

调质处理

组织：回火索氏体

硬度HRC25-32调质钢加工工艺流程：a、轴杆类零件：如连杆，曲轴，连杆螺栓等

锻造——正火——机加工——调质——精加工——检验

组织：回火索氏体（HRC25-32）调质件（螺杆）b、齿轮，轴颈等要求表面耐磨零件锻造---正火----机加工----调质----精加工—--表面淬火+低温回火---检验组织：表层：回火马氏体（HRC54-58）心部：回火索氏体（HRC25-32）

柴油机凸轮轴3、弹簧钢（1）性能特点

高弹性极限，高疲劳极限（2）成分特点：

中高碳

0.5——0.7％（合金钢），0.6——0.9％（碳钢）Si——强化铁素体，提高弹性极限Si、Mn——提高淬透性

Cr、Mo、W——提高高温强度（高温弹簧所必须）

3、弹簧钢（3）常用钢：

一般有求65，75，65Mn,较高要求55Si2Mn,60Si2Mn.高温弹簧钢50CrMo,50CrV（4）热处理特点：

淬火+中温回火。组织：回火托氏体（HRC40-50）（5）应用：

弹性元件，要求高韧性、高耐磨性的零件、工具，如铲刀，刀剪等。汽车弹簧弹簧丝汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝60Si2Mn制汽车板簧工艺路线：扁钢剪断→机械加工(倒角钻孔等)→加热压弯→淬火中温回火→喷丸轴承钢主要制造滚动轴承滚动体(滚珠、滚柱、滚针)、内外套圈等，属专用结构钢。

化学成分上属于高碳合金钢，也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承4、滚动轴承钢轴承工作时,承受接触应力(达3000-3500MPa)、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。

高的接触疲劳强度和抗压强度；高硬度和耐磨性；足够的弹性极限及冲击韧性；高的淬透性；高的耐蚀性；（1）性能要求圆柱滚子轴承自动调心球轴承(2)成分特点和常用牌号

高硬度，高耐磨性——高碳0.95-1.10％C高耐蚀性——0.4-1.65％Cr高接触疲劳强度——严格控制有害元素和夹杂物。常用牌号：

GCr15(G+含Cr量的千倍)

GCr15SiMn

(Si、Mn提高淬透性，用于大型轴承)推力球轴承滚针轴承(3)

应用：滚动轴承、刀具、模具、量具工艺路线锻造—球化退火—机加工—淬火+低温回火—精加工--组织与性能(1)球化退火

球状珠光体

180—220HBS(2)淬火+低温回火

回火马氏体+碳化物HRC60—64球状珠光体正常淬火组织5、易切削钢(fee–cuttingsteel)牌号表示：

Y+平均含碳的万倍

如Y20Y40Ca成分特点：

S:Ws=0.08～0.3%切屑易断；减摩、润滑Pb:WPb=0.15～0.25%破坏连续性，减摩P:<0.15%溶于F使之变脆切屑易断Ca:微量减摩润滑

应用：要求尺寸精度高、表面光洁度高、切削量大、力学性能要求不高的工件，一般不进行锻造和热处理。

在碳钢中加入合金元素，使之成为切削加工性能良好的钢，称为易切削结构钢。高切削性能的特征：切削抗力小，排屑（断屑）容易，刀具寿命长，工件表面粗糙度低。铸钢件5吨大齿轮铸件6、铸造碳钢ZG+两组数字例：ZG200-400第一组数字为屈服强度≥200MPa，第二组数字为抗拉强度≥400MPa。4.3工具钢按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具4.3工具钢4.3.1.工具钢的特点（除热作模具钢外）1、性能特点①

高硬度，高耐磨性＞HRC60

合金工具钢制品碳化物越多，越细，分布越均匀，硬度、耐磨性越高

因此，工具钢均高碳，高碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V等②

高热硬性热硬性：工具钢经适当热处理后，在达到红热温度时仍能保持高硬度的特性.

如加入Mo、W、V、Co可提高钢的热硬性③

一定强韧性：细化晶粒高淬透性：如加入Cr、Mn、Si。2、成分特点：三高：含碳量高（＞0.7％C，）合金元素含量高纯度高

S、P均＜0.03—0.02％均属高级优质钢。切削加工3、锻造及热处理特点

工具生产工艺流程；

锻造—球化退火—机加工——淬火+低温回火——精加工*锻造比

镦粗Y=拔长

Y=W18Cr4V钢的铸态组织（1）锻造

目的：成型，细化碳化细（打碎）要求：低合金工具钢：锻造比

（Y）≥4高合金工具钢：Y≥6（2）球化退火

目的：

消除应力，降低硬度，改善切削性能，为淬火作好组织准备

工艺：

Ac1+20～30℃保温A1﹣20～30℃等温

组织:球状珠光体硬度200—250HBS

平衡组织球化组织含1.4%C钢的组织

a.淬火+低温回火(180—200℃回火)，

组织:回火马氏体+碳化物+A，

b.淬火+高温回火（510—550℃回火）：

组织:回火马氏体+碳化物+A，

有二次硬化现象,具有更高硬度，高耐磨性，尤其有高的热硬性。常用于高速钢，高铬模具钢制造的刀具、大型冷作模具等。

（3）淬火+回火4.3.2.常用工具钢1、碳素工具钢T7——T13用于工作温度＜250℃的工具T7-T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。木工凿手锤木工钻T10~T11：制造低速切削工具，如钻头、锯条、车刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、丝锥等。丝锥锉刀手锯条钻头4.3.2.常用工具钢2、低合金工具钢：9SiCr,9Mn2V,CrWMn用于工作温度＜350℃的工具

3、高速钢：W18Cr4VW6Mo5Cr4V2等用于工作温度＜550℃的工具车刀铣刀钻头板牙预热分级淬火低温回火9SiCr钢板牙热处理工艺曲线低合金工具钢的淬透性和耐磨性明显高于碳素工具钢，变形小，主要用于制造截面尺寸较大、几何形状较复杂、加工精度要求较高、切削速度不太高的薄刃刀具。高速钢的热处理W18Cr4V钢淬火、回火后的组织高速钢铣刀4、冷作模具钢工作条件工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损常用钢Cr12Cr12MoV等。用于制造大型模具。汽车冲压模具5、热作模具钢5CrNiMo5CrMnMo用于制造热锻模.热处理淬火+中温（或高温）回火组织回火托氏体（或回火索氏体）

性能

具有良好的综合力学性能和热疲劳性能曲轴模具热模锻曲轴毛坯5、热作模具钢3Cr2W8V用于制造压铸模具.热处理淬火+高温回火组织回火索氏体性能

具有良好的热疲劳性能高锰钢水韧处理组织浇铸铸件汽车四缸压铸模4.4特殊性能钢不锈钢(stainlesssteel)1Cr13、1Cr18Ni9Ti耐热钢(heat–resistantsteel)4Cr9Si2耐磨钢(wear–resistantsteel)ZGMn13特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢及低温用钢等。合成氨厂4.4.1不锈钢1、金属腐蚀的概念

化学腐蚀

金属腐蚀电化学腐蚀

实验得出：两电池电位差越大，微电池数目越多，金属腐蚀速度越快。

ZnZnZn-Cu原电池示意图珠光体腐蚀示意图电解液2、金属抗腐蚀的途径

(1)获得单相组织——降低碳含量，减少形成碳化物，尽量消除微电池。

(2)提高阳极的电极电位，缩小两电极电位差。加入13％Cr,钢的阳极的电极电位可由-0.56V提高到0.12V。因此，不锈钢含铬量均≥13％。

(3)形成致密保护性氧化膜,如Al2O3Cr2O3

3、常用不锈钢（1）马氏体型（Cr13型）不锈钢1Cr13.2Cr13.代替结构钢热处理：1050℃油淬+600～780℃回火组织：回火索氏体。3Cr13.4Cr13.代替工具钢热处理：1050℃油淬+200－300℃回火组织：回火马氏体HRC50左右。应用：工具，弹簧，轴承，医疗器械

不锈钢刀（2）奥氏体不锈钢（Cr—Ni不锈钢18—8型）18％Cr—钝化9％Ni—扩大奥氏体区空冷室温组织：单相奥氏体

a.常用钢

OCr18Ni91Cr18Ni9OCr18Ni9Ti

（加Ti抑制（Fe,Cr）4C的析出〕

大型化工储罐b.热处理：

固溶处理：1050—1150℃水冷，抑制碳化物析出

消除应力回火：冷加工后300—350℃回火，减小应力腐蚀倾向。（3）铁素体不锈钢加入17—30％Cr.Cr缩小奥氏体区，钝化，含Cr量越高，耐蚀性越高。常用钢：

Cr17-Cr30型.主要应用于食品机械，化工机械

硝酸生产装置铁素体不锈钢制品4.4.2耐热钢1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。如制造高压锅炉、汽轮机、内燃机等的构件。2、性能要求抗氧化性(热稳定性)高温强度(热强性）蠕变强度持久强度高温抗氧化性是指金属在高温下对氧化作用的抗力；高温强度是指钢在高温下承受机械负荷的能力。

2、性能要求（1）高的抗氧化性钢中加入Cr、Si、Al可形成致密稳定的氧化膜，阻碍氧进一步扩散，提高抗氧化性。航空发动机（2）高的热强性热强性是指金属在高温下的强度.指标为蠕变强度和持久强度。蠕变（Creep）指金属在高温低于σs的应力下所发生的极其缓慢的塑性变形.提高高温强度的途径:

①固溶强化；②析出强化；③晶界强化高温合金中的‘析出相高温合金中的弯曲晶界裂纹中止于晶界颗粒状析出物3.热强钢：（1）珠光体热强钢（工作温度＜500℃)

12CrMo.12Cr1MoV.正火、用于管道、容器等

35CrMo.25Cr2MoV.调质、用于紧固件、轴类、叶轮等。

涡轮机机壳钢制法兰3.热强钢：（2）马氏体型热强钢（工作温度≤600℃）Cr13型基础上添加Mo.V.Si.

常用钢

4Cr9Si2.4Cr10Si2Mo.热处理：980—1080℃淬火+650—700℃回火

应用：发动机气阀，气门弹簧——有气阀钢之称

航空发动机汽车阀门3.热强钢