第4章-1铸铁2合金钢

第四章常用工程材料金属非金属复合材料碳钢合金钢铝合金铜合金钛合金钢铁有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料第四章常用工程材料4.1碳钢和铸铁4.1.1碳钢的分类与牌号4.1.2碳素结构钢4.1.3碳素工具钢4.1.4铸铁碳钢分类碳钢常用的分类方法有三种：1.按碳含量进行分类可分为低碳钢(＜0.25%C)、中碳钢(0.25-0.55%C)、高碳钢(＞0.55%C)。2.按其用途进行分类可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。3.按其质量等级分类可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。合金钢分类1.按合金元素的含量分低合金钢合金元素总含量＜5%中合金钢合金元素总含量5-10%高合金钢合金元素总含量＞10%2.按主要用途分合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢钢铁材料的编号方法（一）普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。例：Q235A·F其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母；235表示钢材厚度≤16mm时的屈服点值不小于235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级，F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。钢铁材料的编号方法（二）优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数，用两位数字表示。例如平均碳含量为0.45%的钢，其牌号表示为45。高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。钢铁材料的编号方法（三）碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例如：T10钢表示平均含碳量为1.0%的碳素工具钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一个“A”字，如T10A。钢铁材料的编号方法（四）合金钢编号方法用汉字或化学元素符号代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位，用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含量以千分之一为单位，用一位数字表示。合金元素以百分之一为单位，当含量小于1.5%时，一般不标出含量。例如：牌号为30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高级优质钢。识别下列材料牌号牌号 类别 成分12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12 合金结构钢合金工具钢合金结构钢合金工具钢碳素结构钢碳素工具钢4.1.4铸铁灰口铸铁的基体组织与共析钢或亚共析钢的组织相同，但其上分布片状石墨。由于石墨的强度和塑性都极低，因此可以把灰口铸铁看成是含有大量裂纹的钢。所以灰口铸铁的抗拉强度比钢低得多。但是裂纹对抗压强度影响不大，所以灰口铸铁的抗压强度接近钢。铸铁中石墨的存在能有效地吸收震动能量，故灰口铸铁是制造机床床身和各种机座的良好材料。因石墨有润滑作用，使铸铁有良好的耐磨性和减磨性。石墨使基体不连续，切削加工时切屑容易脱落，从而改善了切削加工性。灰口铸铁牌号表示法及其力学性能其中“HT”为“灰铁”二字汉语拼音第一字母，后面数字表示直径为30mm单铸试棒的抗拉强度下限。灰口铸铁的抗拉强度与铸件壁厚有关，由表4-4看到不同壁厚的铸件抗拉强度值不同，选择材料时应该注意。如某铸件壁厚40mm，要求抗拉强度200MPa，此时应选用HT250，而不是HT200。

铸铁抗拉强度3.球墨铸铁球墨铸铁中的石墨呈球状。球状石墨是在浇铸前在铁水中加入特殊的变质剂(镁或镁加稀土等)得到。基体可以是铁素体、珠光体、或珠光体加铁素体等。球墨铸铁的力学性能和牌号球墨铸铁的力学性能是铸铁中最高的，再加上良好的铸造性、优异的切削加工和耐磨性，使球墨铸铁兼有灰口铸铁和钢的优点，因此应用极为广泛，如制造曲轴、连杆、凸轮等。球墨铸铁的牌号以“QT”即“球铁”的汉语拼音第一字母表示，后面的数字分别表示抗拉强度和延伸率的值。附表4-3是球墨铸铁的牌号和力学性能。4可锻铸铁可锻铸铁是将白口铸铁经过长时间的高温退火，使其中的渗碳体分解，得到团絮状的石墨分布在铁素体或铁素体加珠光体基体上的铸铁。可锻铸铁虽不可以锻造，但与白口铸铁相比，塑性和韧性大为提高，却可以进行弯曲变形。可锻铸铁的牌号和力学性能。可锻铸铁分为黑心可锻铸铁（铁素体基体）和珠光体可锻铸铁。牌号以“KT”即“可铁”二字的汉语拼音第一个字母表示。若是黑心可锻铸铁，则在后面加“H”；珠光体可锻铸铁后面加“Z”表示。字母后的数字分别表示抗拉强度及延伸率。KTH350一10黑心可锻铸铁KTZ700一02珠光体可锻铸铁可锻铸铁的牌号和力学性能200性能：与灰口铸铁相比，强度高，塑性和韧性尤突出，可以进行弯曲变形。但可锻铸铁不可以锻造

用途：要求有一定强度、韧性及耐磨性的铸件，如各种农机、纺织机械、汽车、拖拉机零件(轮毂、阀门、轴瓦)及自来水管的弯头等

4.2合金钢1．碳钢在性能方面的不足（1）淬透性低——水淬最大淬透直径15~20mm（2）强度低:Q275бs=275MN/m2（直径≤16mm）

16Mnбs=350MN/m2（直径≤16mm）（3）屈强比小:40钢бs/бb=0.4335CrNi3Moбs/бb=0.74（4）回火稳定性差例如碳钢在调质处理时要保证高强度，则韧性不足；要保证韧性，则强度不足。（5）不能满足某些特殊性能的要求如抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、耐低温等。1概述2．合金钢的分类低合金钢（合金元素总量5%）中合金钢（合金元素总量5~10%）高合金钢（合金元素总量10%）按合金元素含量分合金结构钢合金工具钢特殊性能钢合金专用钢按用途分1概述注：①结构钢的含碳量以两位数字用万分数标出，工具钢、特殊性能钢的含碳量以一位数字用千分数标出，碳含量超过1%时不标出；②合金元素低于1.5%时不标出，大于等于1.5时，按百分数标出；③专用钢在编号前冠以其名称首字的第一个汉语拼音字母。如：GCr15、Y40Mn、PCrNiMo、S20、D60等。规则——碳含量+合金元素及含量+质量等级符号例如：18Cr2Ni4WA高级优质钢含钨量为＜1.5%含镍量为4%左右含镍量为4%左右含碳量约0.18%3.合金钢的编号1概述典型牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460用途举例：桥梁、船舶、车辆、锅炉等大型工程构件工作条件：①高的复合应力（拉、压、弯）②较高的冲击载荷性能要求：①高强度、高韧性②良好的焊接性和冷成型性成分特点：低碳(0.08～0.20%C)

提高强度：Mn

细化晶粒：V、Ti、Nb2合金结构钢—低合金高强度钢最终热处理：①在热轧空冷状态下使用②正火（以改善焊接区性能）使用状态组织：铁素体+珠光体2合金结构钢—优质合金结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢如何获得下列性能材料热处理用途高硬度高塑性高强度高韧性外硬内韧如何获得下列性能材料热处理用途高硬度高碳（合金）钢淬火+低温回火刀具、模具、量具高塑性低碳（合金）钢退火塑性加工高强度高韧性中碳（合金）钢调质轴外硬内韧低碳（合金）钢渗碳+淬火+低温回火齿轮、销子中碳（合金）钢调质+表面淬火+低温回火轴、齿轮2合金渗碳钢航空发动机中许多重要零件，如齿轮、活塞销和凸轮等，往往要求表面具有高的硬度和耐磨性，而心部则要求具有足够的强度和韧性，使零件既有耐磨的表面又能承受大的交变和冲击载荷。这些零件常用含碳量较低的合金渗碳钢制作。典型牌号：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA、用途举例：变速齿轮、凸轮轴、活塞销等工作条件：①强烈的摩擦磨损②较高的交变载荷③特别是冲击载荷性能要求：表层高硬度、高耐磨性，心部高韧性、高强度，足够的淬透性。1合金渗碳钢合金渗碳钢的成分特点为了使零件心部具有足够的韧性，含碳量一般在0.12-0.25%范围内。为了提高心部的强度，加入Cr、Ni、Mn、B等元素来增加淬透性，以使渗碳零件在淬火时心部获得马氏体组织。有的渗碳钢为了细化晶粒，进一步提高其强度和韧性，还加有W、Mo、V、Ti等元素。最终热处理：渗碳+淬火+低温回火使用状态组织：表层：高碳回火马氏体（+碳化物）+A’

心部：低碳回火马氏体（+F+T）合金渗碳零件的工艺流程举例发动机上某齿轮，材料为12Cr2Ni4A，要求：齿部渗碳深度0.84~1.1毫米(磨后为0.7~0.9毫米)；表面硬度HRC≥60；心部硬度HRC31~41。f30f82f71.2加工工艺模锻→正火+高温回火→机械加工→非渗碳表面镀铜→渗碳→淬火+低温回火→除铜→精加工→检验2.合金调质钢(1)合金调质钢的性能特点飞机、发动机及其附件上的一些重要结构件，如起落架、涡轮轴和油泵的转动轴等，工作时受到很大的应力，往往受有强烈振动等交变载荷，而零件形状又很复杂，容易造成应力集中。因此钢材必须在具有高强度的同时，还要具有良好的韧性和塑性，使零件能经受外载荷的作用。合金调质钢的成份特点为满足零件的性能要求，合金调质钢的含碳量一般在0.25～0.5%之间，经调质处理获得回火索氏体组织。合金调质钢中常用的主要合金元素有Mn、Si、Cr、Ni等，主要是为了提高淬透性和综合力学性能。最终热处理：①调质处理:淬火+高温回火回火索氏体②调质+表面淬火+低温回火心部：回火索氏体表层：回火马氏体航空常用调质钢，有时还要进行氮化处理。超高强度钢超高强度钢是指抗拉强度大于1500MPa的钢。主要用于飞机大梁、起落架、火箭发动机外壳等零件。最终热处理:淬火、低温回火等温淬火牌号淬火(℃)回火(℃)可淬透直径(mm)σb(MPo)σs(MPa)δ(％)ak(J／cm2)主要用途40Cr850油500油水251000800960机床主轴、连杆、螺柱、齿轮40MnB850油2510008001060代40Cr20CrMnSiA880~900油520油250301100170085013001085040起落架、发动机架、重要螺栓38CrMoAlA940油640油3010008501590氮化件，如气缸套40CrNiMoA850油850油640油250油751000170085012910040涡轮轴、曲轴、联杆30CrMnSiNi2A900油2305017001400960机翼大梁等受力大的主要结构件40CrMnSiMnVA940油260空19001175代30CrMnSiNi2A应用举例40CrNiMoA制某航空发动机轴模锻→正火+高回→粗加工→淬火+高回→精加工→去应力退火→非氮化面镀锡→氮化→退锡→精磨→表面保护30CrMnSiA制飞机起落架作动筒锻造毛柸→正火+高回→粗加工→焊接→去应力退火→精加工→淬火+低回（或等温淬火）→精磨→表面保护典型牌号：55MnSi、60Si2Mn、50CrMnVA、65Si2MnWA用途举例：各种弹簧、弹性零件工作条件：利用弹性变形吸收能量，缓和震动和冲击性能要求：①高的弹性极限бe②高的疲劳极限бr③足够的塑性和韧性3合金弹簧钢成分特点：中高碳(0.45～0.85%C)

提高淬透性：Si、Mn

提高屈强比：Si预防脱碳、过热：Cr、V最终热处理：淬火+中温回火使用状态组织：回火屈氏体3合金弹簧钢4.滚珠轴承钢工作状态：交变应力，也有滑动摩擦，大的接触压应力，并有冲击载荷，有腐蚀作用。

性能要求：较高而均匀的硬度，疲劳强度高，尺寸精确稳定，并有一定韧性和耐蚀性。

含碳量通常为1%。

滚动轴承钢牌号：G代表滚动轴承钢，注意Cr后数字表示的含量与一般合金钢不同，如GCr15，其含Cr量不是15%，而是1.5%Cr。GSiMnVR中R代表稀土元素。最终热处理:淬火、低温回火。合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠轴承钢碳含量0.12-0.25%0.25～0.5%0.5-0.85%1%热处理渗碳+淬火+低温回火调质处理淬火+中温回火淬火+低温回火组织高碳回火马氏体回火索氏体回火屈氏体回火马氏体低碳回火马氏体性能外硬内韧综合性能高的弹性极限，屈服极限和疲劳极限硬度，疲劳强度5.2.6合金工具钢

用于制造各种刀具、模具、量具等工具的合金钢称为合金工具钢。含碳量高：一般在0.6-1.3%之间，

合金元素：多为强碳化物形成元素。如Cr、Ｗ、Mo、V等，提高钢的硬度和耐磨性；Si、Mn增加钢的淬透性,提高钢的强度和回火稳定性。

最终热处理：

各种刀具、量具和冷变形模具的采用淬火与低温回火。

铸模、热锻模等，采用淬火、高温回火。

低合金工具钢 低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了少量Cr,W,Mn等合金元素。

用途：主要是各种刃具及小模具。典型牌号：9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr用途举例：丝锥、板牙、钻头、铣刀等金属切削刀具工作条件：工件压力，强烈摩擦，工作温度在

300以下，一定的震动和冲击性能要求：①高硬度、高耐磨性，

60HRC以上②高热硬性③足够的塑性和韧性成分特点：高碳(0.70～1.5%C)

提高淬透性：Cr、Mn、Si

提高硬度耐磨性：W、V

提高热硬性：W、Mo最终热处理：淬火+低温回火使用状态组织：回火马氏体组织3合金工具钢—低合金刃具钢合金刃具钢的组织特点3合金工具钢—低合金刃具钢2.高合金工具钢

含有大量的Cr,W等碳化物形成元素，具有更高的淬透性和回火抗力。

主要用途是制造冷、热变形模具和压铸模具。

Cr12钢制造大型复杂冷冲模具。

3Cr2W8制造压铸模的热作模具。热压模钢:3Cr2W8V

热处理工艺:淬火+600℃三次回火热处理后的组织:M回+Cm粒状冷作模钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。汽车冲压模具3.热处理特点:*一次硬化法:

淬火+低温回火

(950～1000℃)(150～180℃)*二次硬化法:

淬火+三次回火

(1100～1000℃)(510～520℃)热处理后的组织:M回+Cm+A残牌号:Cr12、Cr12MoV四.合金量具钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;卡尺量规千分尺3.热处理特点:4.热处理后的组织:M回+

Cm淬火冷处理(-70～-80℃)低温回火时效处理(120～130℃,几十小时)5.牌号:

CrWMn、4Cr13、GCr15、

9SiCr、T12A、60等。2.化学成分特点:高碳0.9～1.5%;合金元素:Cr,Mn、W。

CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺～650℃820～840℃油冷3h-70～-80℃

冷处理140～160℃3h110～120℃36h时效处理精磨3h研磨温度时间3.高速钢在高温（600℃左右）下仍能保持其高硬度、高耐磨性。即高的红硬性。主加元素：Ｗ、Mo、Cr、V、Co、Al（大量）热加工：反复锻造。将粗大的碳化物“破碎”并使其分布均匀。典型牌号：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2用途举例：高速切削刀具工作条件：比低合金刃具钢承受更高的切削温度可达500～600℃性能要求：比低合金刃具要求更高的热硬性成分特点：高碳(0.70～1.5%C)

提高淬透性：Cr（4%）提高硬度耐磨性：W、V

提高热硬性：W、Mo

高速钢的热处理特点高速钢中大量合金元素的存在使其铸态含有大量共晶莱氏体，共晶碳化物呈鱼骨状，脆性大，用热处理方法是不能消除的。一般通过反复锻造打碎，并使之均匀。

高速钢的热处理特点②高速钢锻后必须缓冷，并进行球化退火，以消除了内应力，获得的索氏体+粒状碳化物组织，硬度为HB(207～255)，可以进行机械加工。高速钢的淬火温度高达1250~1300℃，以保证有足够碳化物溶入奥氏体，使奥氏体中固溶碳和合金元素含量高，淬透性非常好。高速钢合金元素较多，导热性差，传热速率低，为了降低内应力，淬火加热时必须有中间预热；冷却时常常进行预冷淬火或分级淬火。高速钢的热处理特点⑤高速钢的正常淬火组织为隐晶马氏体+粒状碳化物+(20~25)%残余奥氏体。高速钢的热处理特点⑥高速钢的回火温度较高(550~570℃),为了减少残余奥氏体数量，高速钢通常要进行三次回火。三次回火后组织为：极细的M回

+粒状碳化物+Ar（<1~3%），回火后硬度为HRC(63~66)。高速钢的热处理特点⑦高速钢在560℃左右时会产生二次硬化，其原因一是回火时析出了高硬度的细小弥散分布的W、Mo等的合金碳化物；二是每次回火冷却时发生残余奥氏体向马氏体转变的二次淬火现象。高速钢的热处理特点5.2.7不锈钢

能在一定介质下不受腐蚀，或者抗蚀性很高的钢，称为不锈钢。性能要求：在不同腐蚀介质中，具有较高的耐性及相应的机械性能、工艺性能。条件：

◆必须有两相或两种电极电位不同的金属

◆有电解液

◆三者相互导通2）电化学腐蚀

指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。特点：伴有电流产生，腐蚀速度快，危害大防止金属腐蚀基本途径 (1)提高钢基体的电极电位。

(2)获得单相组织。

(3)形成稳定、致密、牢固的钝化薄膜。2.常用不锈钢

不锈钢按其正火组织分为：铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢四类。马氏体不锈钢（Cr13、Cr1