机械工程材料

第五章金属材料

第一节工业用钢工业用钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。以Fe为主要元素，含碳量一般在2%以下。合金元素：指为了提高钢的性能，在非合金钢基础上而有意加入。

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(1)按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、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：(2)按用途分

工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承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耐磨钢特殊性能钢齿轮刀具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—2008）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头碳素工具钢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尾冷镦（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。

Q46014MnVTiRE、15MnVNQ42010MnPNbRE、15MnV、15MnTi、16MnNbQ39018Nb、09MnCuPTi、10MnSiCu、12MnV、14MnNb、16Mn、16MnREQ34509MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ295GB/T1591-1994旧标准GB1591-88（GB/T1591-2008取消了Q295强度级别，增加了Q500、Q550、Q620、Q690强度级别）

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（优质；高级优质）④高级优质钢在钢号后加字母A，如20A、T8A。特级优质钢在钢号后加字母E，如50MnE3）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+……（A、E）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工具钢含碳量以千分之一为单位标出(一位数字)如8MnSi*说明①低合金工具钢含碳量大于1.00%时，不标含碳量，如CrWMn②高速钢不标含碳量，如W18Cr4V③滚动轴承钢不标含碳量，如GCr15④高锰钢不标含碳量，如ZGMn13⑤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ZG20Cr13⑦

不锈钢和耐热钢用两位或三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以万分之几或十万分之几计）(1)只规定碳含量上限者，当碳含量上限不大于0.10%时，以其上限的3/4表示碳含量；当碳含量上限大于0.10%时，以其上限的4/5表示碳含量。例1：碳含量上限为0.08%，碳含量以06表示；碳含量上限为0.20%，碳含量以16表示例2对于超低碳不锈钢（即碳含量不大于0.030%，用三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以十万分之几计），如：碳含量上限为0.020%时，其牌号中的碳含量以015表示(2)规定上下限者，以平均碳含量×100表示。例如：碳含量为0.16-0.25%，牌号中的碳含量以20表示。例如：碳含量不大于0.08%，铬含量为18.0-20.0%，镍含量为8.0-11.0%的不锈钢牌号为06Cr19Ni10钢铁及合金的类型与统一数字代号(GB/T176256—1998)钢铁及合金的类型统一数字代号钢铁及合金的类型统一数字代号合金结构钢A

×××××杂类材料M×××××轴承钢B×××××粉末及粉末材料P×××××铸铁、铸钢及铸造合金C×××××快淬金属及合金Q×××××电工用钢和纯铁E

×××××不锈、耐蚀和耐热钢S

×××××铁合金和生铁F

×××××工具钢T

×××××高温合金和耐蚀合金H×××××非合金钢U×××××精密合金及其他特殊物理性能材料J×××××焊接用钢及合金W

×××××低合金钢L×××××合金元素对铁素体冲击韧性影响合金元素对铁素体硬度影响二、合金元素在钢中的作用㈠对钢中基本相的影响1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体。Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素(二)对钢中相变过程的影响1、对奥氏体化的影响⑴对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。⑵对奥氏体晶粒长大倾向的影响：碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大Mn、P促进长大。2、对过冷奥氏体转变的影响⑴

对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。

常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。⑵

对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外，所有元素都使Ms、Mf点下降。

碳钢高速钢3、对回火转变的影响⑴提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。⑵

产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时,硬度不仅不下降,反而升高的现象称二次硬化。⑶防止第二类回火脆性加W、Mo可防止第二类回火脆性。（一）碳素结构钢1、成分：<0.24%C，P、S量较多。2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P5、用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。热轧钢板三、结构钢（二）低合金高强度结构钢1、性能要求:⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。

2、成分特点：低碳(≤0.2%C)、主加Mn①Mn:强化铁素体,增加珠光体的量,降低脆转温度。②V、Ti、Nb:起细化晶粒和弥散强化作用。③Cu、P可提高耐蚀性，RE可提高韧性、疲劳极限。压力容器南京长江大桥3、热处理：热轧空冷后使用4、使用状态下组织：F+P5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。（三）渗碳钢——制造渗碳零件的钢种1、性能要求：⑴

表硬里韧⑵

良好淬透性和渗碳能力。2、成分特点：低碳(0.1~0.25%C),

加Cr、Mn、Ni、B等元素

①Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性②

Cr、Mn、Ni：强化铁素体③

W、Mo、Ti、V：细化晶粒渗碳件渗碳回火炉渗碳淬火后的表层组织3、热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度:Ac1+30-50℃。4、使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)；5、常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机凸轮轴柴油机曲轴活塞销(20Cr)（四）调质钢——调质后使用的钢种。

1、成分特点中碳(0.3~0.5%C)，合金元素作用为：①提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体：Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒：Ti、V④防止第二类回火脆性：W、Mo回火索氏体2、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配调质目的:获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。(表面淬火+低温回火)→装配①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。表面：

M回；心部：S回圆锥齿轮柴油机凸轮轴3、性能：良好的综合力学性能。4、常用钢号及用途常用钢号为45、40Cr、40CrNi。用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的40CrNiM等。（五）弹簧钢——制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求(弹簧是储存能量或缓和冲击的零件)高的σs、σs/σb、σ-1；足够的韧性2、成分特点：中高碳碳素弹簧钢为0.6~0.9%C；合金弹簧钢为0.45~0.7%C合金元素作用：①

提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②

提高s/b：Si③

细化晶粒：V3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理（250~300℃）。用于<φ10mm弹簧。⑵

热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回。用于大截面弹簧（>φ10mm）热卷大弹簧弹簧丝板簧喷丸处理示意图4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法：①

防止表面脱碳；②

避免表面缺陷；③进行喷丸处理，使表面产生压应力。汽车板簧大型热卷弹簧5、常用钢号及用途常用钢号为65Mn、60Si2Mn用于制造较大截面弹簧。

制造大截面、大载荷、耐热的弹簧用50CrV。

（六）滚动轴承钢——制造轴承套和滚动体专用钢种1、性能要求(轴承承受接触应力、交变载荷和摩擦)

高而均匀的硬度、耐磨性、b、接触疲劳强度和足够的韧性。2、成分特点：高碳(0.95~1.10%C)，主加Cr①

Cr、Mn、Si：提高淬透性②Cr还提高耐磨性和耐蚀性当>1.65%Cr时，因A’增加而使硬度和稳定性下降。3、热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢。⑴热处理：球化退火+淬火+低温回火⑵组织：

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）淬火后可进行冷处理(-60~-80℃)，以减少A’，稳定尺寸。滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。四、工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。模具量具刃具（一）刃具钢用来制造各种切削刀具的钢种。切削加工的基本形式㈠性能要求1、高硬度(≥HRC60)，主要取决于含碳量。2、高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性以防止脆断和崩刃。㈡碳素工具钢共有七个牌号：T7~T131、成分特点：高碳（0.65~1.35%C）随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。

锉刀手锤T12钢正常淬火组织球状珠光体2、热处理及组织⑴热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：①

降低硬度，便于加工；②

为淬火作组织准备。⑵使用状态下的组织：

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)

木工凿手锤圆冲3、用途由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7~T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。T10~T11：

制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥锉刀手锯条钻头板牙丝锥㈢低合金工具钢在碳素工具钢基础上加入少量合金元素(≤3~5)形成。1、成分特点：⑴高碳：0.75~1.5%C⑵合金元素作用①

提高淬透性:Cr、Mn、Si

③提高耐磨性、细化晶粒:W、V

丝锥板牙2、热处理及组织同碳素工具钢，只是淬火介质为油（碳工钢为水）。使用状态下的组织为：

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）3、常用钢号及用途应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等。

高速钢铣刀㈣高速钢制造高速切削刃具用钢。（俗称风钢）1、性能特点：高热硬性(达600℃)、高淬透性。2、成分特点⑴高碳：0.70~1.5%C

⑵高合金元素含量①

提高淬透性：Cr②

提高热硬性、耐磨性：W、Mo、V

W18Cr4V钢的铸态组织3、加工与热处理加工工艺路线：下料→锻造→球化退火→机加工→高温淬火→高温回火三次→磨削高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法通过热处理改善。W18Cr4V钢的退火组织⑵

退火目的：降低硬度,便于切加工；为淬火作组织准备。退火后组织：

S+颗粒状碳化物⑴锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。W18Cr4V钢的淬火组织⑶淬火目的：获得高合金元素含量的马氏体。淬火温度高(>1200℃)。

淬火后组织：

M+未溶碳化物（~10%）+A’（~25%）W18Cr4V硬度与回火温度关系⑷

回火目的：主要为减少A’。消除内应力。常采用560℃三次回火。回火时的组织变化：①

析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。②

碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A’转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。W18Cr4V钢淬火、回火后的组织4、使用状态下组织

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）不同状态下W18Cr4V的组织铸态淬火回火态淬火态退火态车刀铣刀钻头5、常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V（18-4-1）和W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。汽车冲压模具二、模具钢用以制造冷热模具的钢种。㈠冷作模具钢制造金属冷成型模具的钢种1、性能要求⑴高硬度和耐磨性。⑵足够的强度和韧性。Cr12钢2、常用钢种●

碳素工具钢和低合金工具钢：用于小尺寸、形状简单、受力不大的模具。●Cr12型冷作模具钢⑴成分特点：高碳(1.4~2.3%C)；高铬(11.5~13%Cr)合金元素作用：

Cr提高淬透性；

Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。

汽车外板冷冲模②加工及热处理：同高速钢相。使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A’（少量）③常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。㈡热作模具钢制造使加热金属或液态金属成型模具的钢种。1、性能要求⑴高温下良好的综合力学性能。⑵抗热疲劳性能。

⑶高的淬透性和良好的导热性。曲轴模具热镦模凸缘模2、常用钢种⑴热锻模钢

5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模。成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。使用状态下的组织：S回。卡尺量规千分尺三、量具钢制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。1、性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。⑴高硬度和耐磨性。⑵高的尺寸稳定性。⑶足够的韧性。量规量块2、量具用钢⑴

低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火。⑵

碳素工具钢、低合金工具钢

⑴⑵用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。⑶

滚动轴承钢、冷作模具钢用于制造精密量具。⑷

不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。千分尺卡尺3、量具钢的热处理特点⑴

预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。⑵

下限温度淬火及冷处理，目的是减少A’。⑶

长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。五、特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄一、不锈钢在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。㈠金属的腐蚀化学腐蚀：金属在非电解质中的腐蚀。电化学腐蚀：金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。防止电化学腐蚀的措施：获得均匀的单相组织。提高合金的电极电位。使表面形成致密的钝化膜。降低碳质量分数在工业发达国家，每年金属腐蚀造成的直接经济损失占其GNP的4%左右。中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上。㈡不锈钢中合金元素的作用1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。

2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素①形成稳定致密的Cr2O3氧化膜.②Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。③提高基体电极电位（服从n/8规律）。3、Ni：获得单相奥氏体组织。

Mo：耐有机酸腐蚀。4、Ti、Nb：防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀。晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大。它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。加Ti、Nb

则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物，避免晶界贫Cr。

㈢常用不锈钢1、马氏体不锈钢主要为Cr13型钢号有12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13等随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。⑴12Cr13、20Cr13热处理：淬火+高温回火使用状态下的组织：S回汽轮机叶片性能：耐大气、蒸汽腐蚀及良好的综合力学性能。用途：用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等。医疗器械不锈钢直尺⑵30Cr13、40Cr13热处理：淬火+低温回火使用状态下的组织：M回性能：强度、硬度较高用途：用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。1Cr17削片刀铁素体不锈钢水加热器2、铁素体不锈钢典型钢号如06Cr13、10Cr17等。⑴

成分：高铬低碳⑵

无α↔γ相变不能进行热处理强化。⑶

组织：单相铁素体

钢中σ相⑷

性能特点耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向：①

475℃脆化：加热到450~550℃停留，产生脆化。

再加热到600℃快冷可消除。②相脆化：在600~800℃长期加热时，析出硬而脆的相。⑸

用途广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。硝酸生产装置合成氨生产装置3、奥氏体不锈钢主要为18-8型。低碳、高铬、高镍⑴性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性。高的塑韧性，无磁性。

⑵热处理：采用固溶处理。即加热到1100℃使碳化物溶解后水冷。⑶组织：单相奥氏体不锈钢带反应釜(316L)管板换热器(304)大型化工储罐(304)⑷常用钢种为12Cr18Ni9、06Cr19Ni10。⑸用途：广泛用于化工设备及管道。二、耐热钢㈠性能要求1、高的抗氧化性：指钢在高温下对氧化作用的抗力。2、高的热强性热强性是指金属在高温下的强度。涡轮机机壳钢制法兰㈢常用耐热钢1、珠光体耐热钢常用15CrMo、12Cr1MoV，⑴

热处理：正火+高温回火⑵

组织:

F+P

⑶

用途：600℃以下的锅炉零件，压力容器，热交换器等。

2、马氏体耐热钢常用12Cr13、14Cr11MoV、42Cr9Si2。⑵

热处理：调质+高于使用温度100℃的高温回火。⑶组织：

S回。⑷

用途：12Cr13、1Cr11MoV用于550℃以下汽轮机叶片。42Cr9Si2是汽车阀门用钢。汽轮机叶片汽车阀门过热器管排过热器集箱3、奥氏体耐热钢常用1Cr18Ni9Ti。热处理：固溶处理组织：单相A。用途：主要用于过热器管道等。高锰钢铸件三、耐磨钢是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。牌号为ZGMn13。1、成分特点⑴

高碳：0.75~1.45%C。

以保持高耐磨性。⑵高锰：11~14%Mn。以保证形成奥氏体组织。挖掘机颚式破碎机球磨机2、热处理及组织铸态组织为奥氏体+碳化物，性能硬而脆。热处理：水韧处理。即将钢加热到1100℃，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。室温组织：过饱和单相奥氏体。高锰钢铸件使用时必须伴随着压力和冲击作用。在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500~550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织，具有高耐冲击能力。3、使用及用途水韧处理后，韧性高，硬度低（HB180~200）。高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。球磨机衬板铁路道岔履带挖掘机铲齿钢号钢种合金元素的主要作用热处理特点使用状态下组织Q345低合金高强度结构钢Mn:强化F，增加P量，降低冷脆转变温度热轧空冷F+P65Mn弹簧钢Mn:提高淬透性，强化F淬火+中温回火T回ZGMn13耐磨钢Mn:获得单相A组织水韧处理表:M+碳化物心:A20Cr渗碳钢Cr:提高淬透性，强化F渗碳+淬火+低温回火表:M回+颗粒状碳化物+A’心:M回+F40Cr调质钢Cr:提高淬透性，强化F调质处理S回9SiCr低合金工具钢Cr:提高淬透性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)GCr15滚动轴承钢Cr:提高淬透性，耐磨性、耐蚀性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)12Cr13马氏体不锈钢Cr:提高耐蚀性淬火+高温回火S回5CrNiMo热作模具钢Cr、Ni:提高淬透性，强化F淬火+高温回火S回Mo:防止高温回火脆性Cr12MoV冷作模具钢Mo:细化晶粒，提高耐磨性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)W18Cr4V高速钢V:提高耐磨性、热硬性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)12Cr18Ni9不锈钢Ti:防止晶间腐蚀固溶处理A本章练习1现有下列钢号：Q235；W18Cr4V；5CrNiMo；60Si2Mn；ZGMn13；Q345；12Cr13；20CrMnTi；9SiCr；12Cr18Ni9；T12；40Cr；GCr15；Cr12MoV；12Cr1MoV请按用途选择钢号：（1）制造机床齿轮应选用（）（2）制造汽车板簧应选用（）（3）制造滚动轴承应选用（）（4）制造高速车刀应选用（）（5）制造桥梁应选用（）本章练习1

1、现有下列钢号：Q235；W18Cr4V；5CrNiMo；60Si2Mn；ZGMn13；Q345；12Cr13；20CrMnTi；9SiCr；12Cr18Ni9；T12；40Cr；GCr15；Cr12MoV；12Cr1MoV（不同于12CrMoV）请按用途选择钢号：（6）制造尺寸冷模具应选用（）（7）制造耐酸容器应选用（）（8）制造锉刀应选用（）本章练习1

2、汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（1）20钢渗碳淬火后低温回火（2）40Cr淬火后高温回火（3）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火3、下列钢种中，以球化退火作为预备热处理的钢种是：（1）40Cr（2）20Cr（3）Q345（3）GCr15本章练习1

4、奥氏体不锈钢固溶处理的目的是：（1）增加塑性（2）提高强度（3）提高耐蚀性5、下列钢种中，以球化退火作为预备热处理的钢种是：（1）40Cr（2）20Cr（3）Q345（3）GCr15第二节铸铁铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。

例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。铸铁曲轴一、铸铁的石墨化过程1、Fe-Fe3C和Fe-G（石墨）双重相图铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体（Fe3C）和游离态的石墨（G）两种形式存在。共晶白口铸铁F基体球墨铸铁石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）存在两个铁碳相图：

Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C二、铸铁的组织特点工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。钢的基体+G（石墨）基体组织有三种，即铁素体、珠光体和铁素体加珠光体。三、影响石墨化的因素⑴化学成分的影响

碳和硅是强烈促进石墨化的元素。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。碳、硅含量过高，会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能。⑵冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化。而快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行，不利于石墨化。铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响

WC+Wsi(%)四、铸铁的分类与牌号表示方法

铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例灰铸铁片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。

HT100F+PHT150PHT200可锻铸铁团絮状FKTH+两组数字KTB+两组数字KTZ+两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低延伸率值，%

铸铁的分类与牌号表示方法铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字

第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低延伸率值，%。

“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字数字表示最低抗拉强度值,MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号

RuT260F+PRuT300PRuT420五、常用铸铁（一）灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。1、组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。2、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。

⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。

⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高，成分接近于共晶。

⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。

灰铸铁的显微组织

铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。

孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙2、热处理热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有：①消除内应力退火(又称人工时效)②消除白口组织退火③表面淬火立式加工中心

3、用途制造承受压力和震动的零件，如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体（二）球墨铸铁石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到。1、组织：基体（F、F+P、P）+球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂为镁、稀土和稀土镁。为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。

常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。硅铁硅钙稀土镁球墨铸铁的显微组织

铁素体加珠光体球墨铸铁

铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

球墨铸铁中的石墨球

2、球墨铸铁的性能特点⑴力学性能较高。球状石墨对基体的切口作用小。⑵铸造性能优于铸钢，不如灰铸铁。收缩率大，过冷倾向大⑶消振性能比灰铸铁低得多。

(4)切削性能接近灰铸铁。

2、性能与热处理强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2/b)高,约为0.7~0.8,而钢一般只0.3~0.5。球墨铸铁可进行各种热处理，热处理特点是：①奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高。②淬透性比碳钢高③奥氏体中碳含量可控热处理有退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。

3、用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴可锻铸铁石墨化退火工艺曲线

（二）可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。1、组织：基体（F、P）＋团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。2、性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻分类金相组织及特性生产方法应用黑心可锻铸铁铁素体＋团絮状石墨中等强度，高塑性，高韧性白口铸铁坯件在非氧化介质中石墨化退火，莱氏体和珠光体分解我国，黑心可锻铸铁产品占可锻铸铁总量的90%以上。广泛应用于汽车，拖拉机，铁路，建筑，水暖管件、线路器材等。珠光体可锻铸铁片状或粒状珠光体＋团絮状石墨，基体可处理成贝氏体，回火马氏体，较高强度、硬度白口铸铁坯件在非氧化介质中石墨化退火，莱氏体应用少，国外有用于汽车轮毂、万向轴节、发动机曲轴，连杆，农机具零件等。分类金相组织及特性生产方法应用白心可锻铸铁1、小断面（≤6mm）。外层为铁素体；心部为铁素体＋少量珠光体2、大断面（6~15mm）；外层为铁素体；中间为铁素体＋珠光体，心部为珠光体＋铁素体。焊接性好。白口铸铁坯件在氧化性介质中脱碳退火，外层中的碳被氧化成CO、CO2脱离铸件。国内应用很少。欧洲用作水暖管件，自行车零件、农机具、渔具、汽车零件等，铸件壁厚≯15mm

可锻铸铁的显微组织

黑心可锻铸铁

珠光体可锻铸铁

3、用途用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等可锻铸铁管件（四）蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。常用蠕化剂有稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。蠕墨铸铁的组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G

蠕墨铸铁的显微组织（铁素体基体）

蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。

玻璃模具制动盘阀芯第三节有色金属及其合金

在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。

有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度（强度与密度之比）等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料。一、铝及铝合金

（一）铝及铝合金的性能特点

纯铝具有银白色金属光泽，密度小（2.72），熔点低（660.4℃），导电、导热性能优良。抗大气腐蚀性能好，易于加工成形（铸造、切削、冷热压力加工、焊接）。塑性好、强度低、低温性能好具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。（二）铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。铝合金分类示意图变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类。（三）铝合金的热处理

可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理+时效。固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。

在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。

温度一定时,随时效时间延长,时效曲线上出现峰值,超过峰值时间,析出相聚集长大,强度下降,为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。含4%Cu铝合金的时效曲线

（四）变形铝合金1.变形铝及铝合金牌号表示方法

根据国家标准GBT3190-2008变形铝及铝合金化学成分规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。（四）变形铝合金1.变形铝及铝合金牌号表示方法

其牌号分别用2XXX～8XXX表示，第一位数字依次表示以Cu、Mn、Si、Mg、Mg-Si、Zn、其他元素为主要合金元素的铝合金组别，第二位若为A，表示为原始合金；其他字母表示原始合金的改型情况，后两位数字表示顺序号。9XXX为备用合金组。纯铝用1XXX表示。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量。当最低铝百分含量精确到0.01%时，牌号的最后两位数字就是最低铝百分含量中小数点后面的两位。2.常用变形铝合金①防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg的主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。

卫星天线（LF2）汽化器（热交换管为LF21）常用的Al-Mn系合金有

LF21（3A21），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。②硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。常用硬铝合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。

飞机翼梁(腹板为硬铝合金)③超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金。热态塑性好，但耐热性耐蚀性差。

飞机主起落架常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机的大梁、起落架等。④锻造铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金

常用牌号有LD7（2A70

）、LD8

（2A80

）、LD9（2A90

）等。用于制造150~225℃下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。压气机叶片叶导轮美F-117隐身战斗机

（所用材料大部分是铝合金）（五）铸造铝合金包括：Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号1.Al-Si系铸造铝合金

又称硅铝明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。活塞(裙部为铝硅合金)2.Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。常用代号有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。汽缸头3.Al-Mg系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性低。常用代号为ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301)4.Al-Zn系铸造铝合金这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。大型空压机活塞(ZL401)常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。二、铜及铜合金

（一）铜及铜合金的性能特点纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。

纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好，铸造性能差。

铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。铜管铜冷却器（二）黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。

法兰阀闸阀1、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为：H（黄）+表示铜平均百分含量的数字，如H68。普通黄铜的显微组织

单相黄铜

两相黄铜

单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、H68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好，强度高，铸造性能较好。常用牌号有H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。冷凝器管汽车机油泵衬套2、特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入Al、

Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni

等元素形成特殊黄铜。

加工特殊黄铜的牌号为：H（黄）+主加元素符号（Zn除外）+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量，如HPb59-1。特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。

黄铜制品常用牌号有HPb74-3、HAl60-1-1、HS