汽车材料第二章黑色金属节

第二章黑色金属

（钢铁材料）当前1页，总共46页。§2.6合金钢 1.合金钢分类

（1)按用途分类 ①合金结构钢合金结构钢用于制造各种机械零件和工程结构件。 ②合金工具钢合金工具钢用于制造各种工具。 ③特殊性能钢特殊性能钢是指具有一些特殊性能的钢 （2）按合金元素总含量分类 ①低合金钢低合金钢的合金元素总含量ωMe<5%。 ②中合金钢中合金钢合金元素总含量ωMe=5%~10% ③高合金钢高合金钢合金元素总含量ωMe>10%一、合金钢的分类及编号当前2页，总共46页。一、合金钢的分类及编号（1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号是用代表屈服强度的汉语字母“Q”、屈服强度值（单位MPa）、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列。（2）合金结构钢除了低合金高强度结构钢外，其它合金结构钢的牌号由三部分组成，即两位数字+元素符号+数字。（3）合金工具钢合金工具钢中的平均含碳量<1%时，用一位数字表示平均含碳量的千分数，当平均含碳量>1%时，不标注含碳量。（4）滚动轴承钢高碳铬轴承钢，在牌前冠以“G”符号。当含碳量小于1%时，在“G”符号前用一位数字表示含碳量的千分数；当含碳量大于１%时，不标注含碳量。含铬量用千分数表示（两位数）。

当前3页，总共46页。当前4页，总共46页。§2.6合金钢 1、合金元素在钢中存在形式

（1）强化铁素体

合金元素溶入铁素体后，引起铁素体晶格畸变，另外合金元素还易分布在晶体缺陷处，使位错移动困难，从而提高了钢的塑性变形抗力，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。

（2）形成合金碳化物

钢中形成的合金碳化物的类型主要有：合金渗碳体和特殊碳化物。二、合金元素在钢中的作用当前5页，总共46页。§2.6合金钢 2、合金元素在钢中的作用

合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：

非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；

碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。此外，还有稀土元素，一般用符号Re表示。二、合金元素在钢中的作用当前6页，总共46页。§2.6合金钢 3、合金元素对钢的热处理影响（1）合金元素对钢加热时转变影响（2）合金元素对钢冷却转变的影响（3）合金元素对淬火钢回火转变的影响二、合金元素在钢中的作用当前7页，总共46页。§2.6合金钢 4、合金元素对钢的机械和工艺性能的影响（1）合金元素对强度的影响

强度是金属材料最重要的性能指标之一，使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构材料的主要目的。金属的强度一般是指金属对塑性变形的抗力。金属强化一般有以下几种方式：

①固溶强化

②细晶强化

③弥散强化（2）合金元素对塑性和韧性的影响（3）合金元素对钢的工艺性能的影响

①合金元素对铸造性能的影响

②合金元素对锻造性能的影响

③合金元素对焊接性能的影响

④合金元素对切削性能的影响二、合金元素在钢中的作用当前8页，总共46页。§2.6合金钢 1、低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是结合我国资源条件发展起来的钢种，是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的，原称普通低合金钢。它是低碳结构钢，合金元素总量在3％以下，以Mn为主要元素。与碳素结构钢相比有较高强度，足够的塑性、韧性，良好的焊接工艺性能，较好的耐腐蚀性和低的冷脆转变温度。

低合金高强度结构钢可按屈服极限分295、345、390、420、460N/mm2五个强度等级，其中295–390N/mm2级的应用最广。三、合金结构钢当前9页，总共46页。三、合金结构钢当前10页，总共46页。§2.6合金钢 2、合金渗碳钢合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。例如，制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等。这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够韧性的零件。合金渗碳钢可按淬透性分为低淬透性、中淬透性及高淬透性钢三类。三、合金结构钢当前11页，总共46页。§2.6合金钢 3、合金调质钢

合金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢，其基本性能是具有良好的综合力学性能。调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上如齿轮、轴类件、连杆、高强螺栓等重要零件。大多承受多种和较复杂的工作载荷，要求具有高水平的综合力学性能。性能上要求：①高的屈服强度及疲劳极限和良好的韧性塑性，即要求综合的力学性能。②局部表面要求一定的耐磨性。③好的淬透性。三、合金结构钢当前12页，总共46页。§2.6合金钢 3、合金调质钢

调质钢的合金化经历了一个由单一元素到多元素复合加入发展过程，从40→40Mn→40CrMn→40CrMnMo或40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo发展，合金元素主要作用是：①提高淬透性②固溶强化③防止第二类回火脆性④细化晶粒 我国常用调质钢按照淬透性的高低，大致分为三类： ①低淬透性调质钢 ②中淬透性调质钢 ③高淬透性调质钢三、合金结构钢当前13页，总共46页。§2.6合金钢 4、合金弹簧钢

弹簧是机器、车辆和仪表及生活中的重要零件，主要在冲击、振动、周期性扭转和弯曲等交变应力下工作，弹簧工作时不允许产生塑性变形，因此要求制造弹簧的材料具有较高的强度。5、滚动轴承钢

滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚珠、滚柱、滚针的专用钢，也可做其他用途，如形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。

三、合金结构钢当前14页，总共46页。§2.6合金钢 合金工具钢按用途分为合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢。1、合金刃具钢

刃具钢是用来制造各种切削刀具的钢，如车刀、铣刀、钻头等，合金工具钢需具备如下性能：高的硬度、高耐磨性、高的红硬性（红硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力）、一定的韧性和塑性。（1）低合金刃具钢（2）高速钢2、合金模具钢（1）冷作模具钢（2）热作模具钢3、合金量具钢

四、合金工具钢当前15页，总共46页。§2.6合金钢特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢。其种类较多，常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢和耐磨钢。1、不锈钢

在腐蚀性介质中具有抗腐蚀能力的钢，一般称为不锈钢。2、耐热钢

耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称。3、耐磨钢

耐磨钢是指在冲击和磨损条件下使用的高锰钢。五、特殊性能钢当前16页，总共46页。复习与练习7一、填空题1.高速工具钢经高温淬火加多次回火后，具有很高的

和较好的

。2.不锈钢按其金相显微组织不同，常用的有以下三类：

、

、奥氏体型不锈钢。3.高速钢刀具在切削温度达600℃时仍能保持

和

。4.合金钢按主要质量等级分为

钢和

钢。当前17页，总共46页。复习与练习7二、判断题1.高锰钢加热到1000-1100℃,淬火后可获得单相马氏体组织。2.1Cr18Ni9钢是一种马氏体不锈钢。3.5CrNiMo钢是合金结构钢。5.20CrMnTi钢是合金调质钢。6.GCr15是专用的合金工具钢。7.高速钢回火后硬度会增加。8.W18Cr4V钢是不锈钢。当前18页，总共46页。复习与练习7三、简答题1.指出下列牌号是哪种钢？其含碳量约多少？ 20、9siCr、40Cr、5CrMnMo2.试说明下列合金钢的名称及其主要用途。 W18Cr4V、5CrNiMo3.指出下列牌号是哪类钢？其含碳量约多少？ T9A、GCr15、30、20Cr4.合金元素在钢中主要作用有哪些？5.试说明下列牌号的名称。 1Cr18Ni9、2Cr13、ZGMn13-1、4Cr9si12当前19页，总共46页。含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。铸铁与钢的主要区别是铸铁的含碳硅量较高，杂质元素S、P含量较多，在加工手段上铸铁制成零件毛坯只能用铸造方法，不能用锻造或轧制方法。铸铁的机械性能(抗拉强度、塑性、韧性)较低，但是由于铸铁具有优良的铸造性能、可切削加工性、耐磨性、吸振性、生产工艺简单、成本低廉等特点，因此被广泛地应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防生产部门，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。§2.7铸铁当前20页，总共46页。§2.7铸铁 1、铸铁的特点（1）成分与组织的特点

铸铁与碳钢相比较，除了有较高的碳、硅含量外，还有较高含量的杂质硫和磷。

由于铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。一、铸铁的特点和分类当前21页，总共46页。§2.7铸铁 1、铸铁的特点（2）铸铁的性能特点铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都要比碳钢低。一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高。一、铸铁的特点和分类当前22页，总共46页。§2.7铸铁 1、铸铁的特点（2）铸铁的性能特点

虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的特殊性能： ①石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。 ②铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低铸件中的内应力。 ③石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。 ④石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。 ⑤大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。一、铸铁的特点和分类当前23页，总共46页。§2.7铸铁 2、铸铁的分类 根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断面颜色的不同，铸铁可分为以下几类：（1）白口铸铁（2）灰铸铁（3）球墨铸铁（4）蠕墨铸铁（5）可锻铸铁（6）特殊性能铸铁一、铸铁的特点和分类当前24页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁1、灰铸铁的片状石墨形态当前25页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁2、灰铸铁的化学成分和组织特征当前26页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁3、灰铸铁的牌号当前27页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁3、灰铸铁的牌号当前28页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁4、灰铸铁的性能（1）灰铸铁的组织对性能的影响

通常灰铸铁铸态的基体组织都是珠光体＋铁素体组织。

灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都低于碳素钢，特别是塑性、韧性几乎为零。（2）灰铸铁的性能 灰铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：①力学性能低②耐磨性与消振性好③工艺性能好当前29页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁4、灰铸铁的性能（1）灰铸铁的组织对性能的影响

通常灰铸铁铸态的基体组织都是珠光体＋铁素体组织。

灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都低于碳素钢，特别是塑性、韧性几乎为零。（2）灰铸铁的性能 灰铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：①力学性能低②耐磨性与消振性好③工艺性能好当前30页，总共46页。§2.7铸铁二、灰铸铁5、灰铸铁的孕育处理

灰铸铁的孕育处理是指在液态铁中加入孕育剂，以促进晶核的形成或激发自身晶核的产生，增大晶核数量，使石墨的析出能在比较小的过冷度下开始进行。其结果是提高石墨析出的倾向，并得到均匀分布的细小的石墨，从而使铸铁具有良好的力学性能和加工性能。把经过孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。6、灰铸铁的热处理（1）消除内应力退火（2）消除铸件白口组织、降低硬度的退火（3）正火（4）表面淬火

当前31页，总共46页。§2.7铸铁三、球墨铸铁

球状石墨对金属基体的损坏、减小有效承载面积以及引起应力集中等危害作用均比片状石墨的灰铸铁小得多。因此，具有比灰铸铁高得多的强度、塑性和韧性，并保持有耐磨、减振、缺口不敏感等灰铸铁的特性。

1、球墨铸铁的化学成分和组织特征

当前32页，总共46页。§2.7铸铁三、球墨铸铁

2、球墨铸铁的球化处理与孕育处理（1）球化处理（2）孕育处理球墨铸铁生产中，铁液在临浇注前加入一定量的球化剂，以促使石墨结晶时生长为球状的操作工艺称为球化处理。在球化处理的同时必须进行孕育处理(也称为石墨化处理)，以促使石墨生长成球径小、数量多、圆整度好、分布均匀的球状石墨，从而改善球墨铸铁的力学性能。当前33页，总共46页。§2.7铸铁三、球墨铸铁

3、球墨铸铁的牌号、性能与用途（1）牌号球墨铸铁的牌号、力学性能及用途见表8-3。牌号中的“QT”是“球铁”两字汉语拼音的大写字母，在“QT”后面两组的数字分别表示最低抗拉强度(MPa)和最低伸长率(%)。（2）性能与用途与灰口铸铁相比，球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有相当良好的塑性及韧性。球铁在一定条件下代替铸钢、锻钢等，用以制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的铸件。如具有高强度与耐磨性的珠光体球铁常用来制造内燃机曲轴、凸轮轴、轧钢机轧辊等；具有高韧性和塑性的铁素体球铁常用来制造阀门、汽车后桥壳、犁铧等。当前34页，总共46页。§2.7铸铁三、球墨铸铁

4、球墨铸铁的热处理（1）退火获得单一的铁素体基体，提高铸件塑性，从而改善球墨铸铁的切削加工性能，消除铸造应力。 （2）正火球墨铸铁高温正火的目的是增加基体组织中的珠光体量，提高强度、硬度和耐磨性，同时还可以消除游离渗碳体。（3）调质处理对于受力比较复杂，要求综合力学性能较高的球墨铸铁件，可采用淬火加高温回火，即调质处理。（4）等温淬火当前35页，总共46页。§2.7铸铁四、可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而获得的一种高强度铸铁。白口铸铁中的游离渗碳体在退火过程中分解出团絮状石墨，由于团絮状石墨对铸铁金属基体的割裂和引起的应力集中作用比灰铸铁小得多，与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度和韧性有明显提高，并且有一定的塑性变形能力，因而称为可锻铸铁(或展性铸铁，又称为马口铸铁)。当前36页，总共46页。§2.7铸铁四、可锻铸铁1、可锻铸铁的化学成分和组织特征当前37页，总共46页。§2.7铸铁2、可锻铸铁的牌号、性能特点及用途当前38页，总共46页。§2.7铸铁五、蠕墨铸铁蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间，它的抗拉强度、屈服点、伸长率、疲劳强度均优于灰铸铁，接近于铁素体球墨铸铁；而铸造性能、减震能力、导热性、切削加工性均优于球墨铸铁，与灰铸铁相近。蠕墨铸铁是将蠕化剂（稀土镁钛合金、稀土镁钙合金、镁钙合金等），置于浇包内的一侧。另一侧冲入铁液，蠕化剂熔化而成的。当前39页，总共46页。§2.7铸铁五、蠕墨铸铁1、蠕墨铸铁的化学成分和组织特征

蠕墨铸铁的石墨具有介于片状石墨和球状石墨之间的中间形态，在光学显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。所不同的是，其石墨片的长厚比较小，端部较圆(形似蠕虫)，所以可以认为，蠕虫状石墨是一种过渡型石墨。当前40页，总共46页。§2.7铸铁五、蠕墨铸铁2、蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途当前41页，总共46页。§2.7铸铁六、特殊性能铸铁工业上除了要求铸铁有一定的力学性能外，有时还要求它具有较高的耐磨性以及耐热性、耐蚀性。为此，在普通铸铁的基础上加入一定量的合金元素，制成特殊性能铸铁，主要包括耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁。1、耐磨铸铁2、耐热铸铁3、耐蚀铸铁当前42页，总共46页。复习与练习8一、名词解释石墨化、孕育(变质)处理、球化退火、可锻化退火、石墨化退火二、填空题1．白口铸铁中碳主要以

的形式存在．灰口铸铁中碳主要以

的形式存在。2．普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中石墨的形态分别为

、

和。3．铸铁的基体有

、

和

三种。4．QT500—05牌号中，QT表示

，数字500表示

。5．HT250是

铸铁，250表示

。6．促进石墨化的元素有

，阻碍石墨化的元素有

。7．铸铁的石墨化过程分为三个阶段，分别为

、

和

。8．可锻铸铁铸件的生产方法是先

，然后再进行

。9．球墨铸铁