西工大工程材料金属材料

西工大工程材料金属材料第1页/共145页1、按用途分类

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耐磨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性能钢挤压模具（二）钢的通常分类第2页/共145页2、按化学成分分类

中碳钢

0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢

0.25%C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%碳素钢合金钢第3页/共145页钢类碳素钢合金钢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≤0.0153、按质量分类钢的质量是以磷、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：第4页/共145页4、按冶炼方法分类平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢

按炉别分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分5、按金相组织分类第5页/共145页齿轮刀具（三）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.第6页/共145页1、普通碳素结构钢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。钢板第7页/共145页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：通常情况下，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。热连轧钢板第8页/共145页齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。第9页/共145页3.碳素工具钢T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示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：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。丝锥锉刀第10页/共145页4.合金结构钢该类钢的牌号由“数字+元素+数字”三部分组成。前两位数字表示平均碳含量的万分之几合金元素以汉字或化学元素符号表示合金元素后面的数字表示该元素的近似含量，单位是百分之几第11页/共145页5.合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).**含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。铣刀第12页/共145页6、滚动轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。第13页/共145页7、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……含碳量以千分之一为单位。8、铸钢ZG+两位数字ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几,如ZG25.第14页/共145页二、结构钢对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.铜陵长江公路大桥第15页/共145页1、用途常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。螺纹钢黄河小浪底枢纽工程（一）普通碳素结构钢第16页/共145页2、成分特点及钢种：<0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多.性能：可焊性、塑性好。热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。使用状态下组织：F+P螺纹钢圆钢第17页/共145页1、对低合金高强度钢的性能要求⑴高强度。⑵高韧性。⑶良好的焊接性能和冷成型性能2、化学成分特点⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。（二）低合金高强度结构钢第18页/共145页3、热处理特点：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、钢种、牌号与用途：低合金高强钢合金元素细化晶粒作用①

Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。②

V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。

③

另外加Cu、P可提高耐蚀性；加Re（铼）可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。第19页/共145页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，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.南京长江大桥第20页/共145页1、典型渗碳零件的工作条件、失效方式及性能要求：制造渗碳零件的钢种。⑴表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。⑵良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。（三）渗碳钢渗碳炉渗碳件—传动齿轮第21页/共145页2、化学成分特点⑴低碳：0.1~0.25%C⑵合金元素作用：①提高淬透性：

Cr、Mn、Ni、B②强化铁素体：

Cr、Mn、Ni③细化晶粒：

W、Mo、Ti、V渗碳件高精密独立导柱第22页/共145页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。淬火温度一般为

Ac1+(orAc3)30-50℃。(一次淬火或二次淬火）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)；第23页/共145页4、渗碳钢种、牌号与用途（1）低淬透性钢：20、20Cr。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。第24页/共145页（2）中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。（3）高淬透性钢：18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮第25页/共145页调质件（螺杆）1、典型调质零件的工作条件、失效方式及性能要求

⑴良好的综合力学性能。高强度和良好塑性⑵良好的淬透性。（四）调质钢第26页/共145页2、化学成分特点⑴中碳：0.3~0.5%C⑵合金元素作用：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调质件（冷却轮）破碎机主轴第27页/共145页3、热处理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→调质目的：使用状态下的组织为：为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。回火索氏体调质处理车间(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回第28页/共145页柴油机凸轮轴4、钢种、牌号与用途（1）低淬透性钢：

D0油<30~40mm,常用45、40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。（2）中淬透性钢：

D0油≈40~60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。第29页/共145页（3）高淬透性钢：D0油>60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴第30页/共145页1、典型弹簧零件的工作条件、失效方式及性能要求：制造弹簧或类似性能零件的钢种。弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。⑴高的σs，σs/σb；高的σ-1；足够的韧性⑵高的淬透性。（五）弹簧钢第31页/共145页2、化学成分特点⑴中高碳：碳素弹簧钢为0.6~0.9%C合金弹簧钢为0.45~0.7%C⑵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：V汽车弹簧弹簧丝第32页/共145页3、热处理特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理(250~300℃)。铅淬冷拔；油淬回火；退火用于<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)汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧第33页/共145页4、钢种、牌号与用途（1）Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。（2）Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。大型热卷弹簧汽车板簧第34页/共145页⑴高而均匀的硬度和耐磨性。⑵高的b和接触疲劳强度。⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.（六）滚动轴承钢1、典型滚珠轴承零件的工作条件、失效方式及性能要求：用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。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。圆柱滚子轴承自动调心球轴承第35页/共145页2、化学成分特点⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性。推力球轴承滚针轴承Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当>1.65%Cr时,会因A’增加而使硬度和稳定性下降。第36页/共145页3、热处理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+A’(少量)淬火后进行冷处理(-60~-80℃),可以减少A’、稳定尺寸.轴承生产车间第37页/共145页滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承4、钢种、牌号与用途应用最广的是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.向心球轴承第38页/共145页三、工具钢按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具第39页/共145页（一）刃具钢切削加工高硬度

(≥HRC60),主要取决于含碳量。高耐磨性

靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。高热硬性

即高温下保持高硬度的能力。足够的韧性

以防止脆断和崩刃。第40页/共145页2.碳素工具钢共有七个牌号：T7~T13（1）化学成分特点：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。

碳素工具钢带碳素工具钢材料第41页/共145页（2）热处理特点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)

球状珠光体T12钢正常淬火组织第42页/共145页3、性能特点由于碳钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。4、钢种、牌号与用途T7~T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。木工凿手锤木工钻第43页/共145页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第44页/共145页（1）化学成分特点：高碳：0.75~1.5%C

合金元素作用①提高淬透性:Cr、Mn、Si②

提高回火稳定性：Si③提高耐磨性、细化晶粒:W、V3.低合金工具钢主要用于低速切削由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(≤3~5%)形成。

低合金工具钢制品第45页/共145页（2）热处理特点同碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。使用状态下的组织为：

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)（3）性能特点●锻压及切削加工性降低（4）钢种、牌号与用途应用最多的是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.

丝锥板牙低合金工具钢扳手第46页/共145页（1）化学成分特点高碳:0.70~1.5%C

合金元素作用①

提高淬透性：Cr②

提高热硬性、耐磨性:W、Mo、V4.高速钢制造高速切削刃具用钢。高速钢冷轧钢带高速钢形材第47页/共145页W18Cr4V钢的铸态组织（2）铸造及热处理特点加工工艺路线：下料→锻造→球化退火→机加工→淬火→回火→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，脆性大且无法热处理改善。第48页/共145页退火目的：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钢的退火组织第49页/共145页淬火目的:获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(>1200℃)。淬火后组织：

M+未溶碳化物(~10%)+A’(~20%)W18Cr4V钢的淬火组织第50页/共145页

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。多次回火是促进A‘转变为M回。回火目的：主要为减少A’。消除内应力、稳定组织。常用560℃三次回火.回火时的组织变化：①析出W、Mo、V高速钢硬度与回火温度关系第51页/共145页W18Cr4V钢热处理工艺示意图第52页/共145页(4)钢种、牌号与用途常用钢号为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。铣刀高速钢铣刀（3）性能特点耐磨、耐高温（600℃）第53页/共145页汽车冲压模具1.冷作模具钢制造金属冷成型模具钢种.(1)冷模具的工作条件、失效方式和性能要求：高硬度和耐磨性。足够的强度和韧性。良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）（二）模具钢第54页/共145页(2)化学成分特点：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。

Cr12钢冷冲压件第55页/共145页（3）锻造及热处理特点：Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火,目的同高速钢.（4）钢种、牌号与用途：常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。最终热处理为:淬火+低温回火使用状态下的组织:M回+颗粒状碳化物+A’(少量)汽车外板冷冲模第56页/共145页2.热作模具钢（1）热模具的工作条件失效方式和性能要求：高温下良好的综合力学性能。

抗热疲劳性能。高的淬透性和良好的导热性。曲轴模具热模锻曲轴毛坯第57页/共145页热镦模凸缘模（2）化学成分特点：

成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢（3）热处理特点：

淬火+高温回火使用状态下的组织:S回（4）钢种、牌号与用途：

5CrNiMo、5CrMnMo、

3Cr2W8V等。第58页/共145页制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。（三）量具钢卡尺塞规千分尺第59页/共145页1、量具钢的工作条件、失效方式和性能要求：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。渐开线花键环规、塞规矩形花键环规、塞规光面量规第60页/共145页3.量具钢的热处理特点⑴淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。⑵下限温度淬火及冷处理（-70~80℃）。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。2.化学成分特点：与低合金刃具钢相同第61页/共145页四、特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢和耐热钢。第62页/共145页化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄（1）化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。（2）电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。（一）不锈钢1.金属腐蚀的基本概念：金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。

第63页/共145页防止电化学腐蚀的措施：①获得均匀的单相组织。提高合金的电极电位②减少两极之间的电极电位差，提高阳极电极电位③使表面形成致密的钝化膜。第64页/共145页2.不锈钢的工作条件、失效方式及性能要求：1）良好的耐蚀性2）良好的力学性能3）良好的工艺性能4）价格低廉3.化学成分特点：

碳含量为0.08~0.95%，主加元素为Cr、Ni，辅加元素为Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。第65页/共145页低碳：碳高，则降低耐蚀性。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Ni：获得单相奥氏体组织。Mo：耐有机酸腐蚀。Ti,Nb:防止奥氏体钢晶间腐蚀.第66页/共145页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。奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出晶间腐蚀第67页/共145页（1）奥氏体型主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。低碳

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。热处理：采用固溶处理。即加热到1100℃使碳化物溶解后水冷。组织为单相奥氏体。不锈钢带4.常用不锈钢第68页/共145页1Cr17削片刀（2）铁素体不锈钢典型钢号如0Cr13、1Cr17等。成分：高铬低碳

无α↔γ相变，不能进行热处理强化。组织：单相铁素体性能特点：耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向。第69页/共145页（3）马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢钢号为1Cr13~4Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降.1Cr13、2Cr13热处理:淬火+高温回火使用状态下的组织:S回不锈钢棒第70页/共145页3Cr13、4Cr13热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。具有较高强度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。不锈钢刀（4）奥氏体—马氏体沉淀硬化型含碳量0.04~0.13%，含铬量15~17%，另外加入少量的Al、Mo、Ti、Nb等元素。第71页/共145页1.耐热钢的工作条件、失效方式及性能要求：(1)高的抗氧化性(2)高的高温力学性能(3)组织稳定性高(4)膨胀系数小，导热性好(5)工艺性及经济性好2.提高钢的抗氧化性和热强性的途径:（二）耐热钢第72页/共145页①固溶强化；②第二相强化；③晶界强化(加入B、Zr等降低晶界能量)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第73页/共145页涡轮机机壳1）珠光体型热强钢常用钢号为15CrMo、12Cr1MoV，是低合金钢。合金元素作用：Cr提高抗氧化性；Mo提高热强性(T再);V弥散强化。3.常用耐热钢（1）抗氧化钢（2）热强钢第74页/共145页2）马氏体型热强钢常用钢号为1Cr13、

1Cr11MoV,4Cr9Si2合金元素作用：Cr、Si提高抗氧化性;Mo提高热强性(T再);V弥散强化。热处理：调质。组织：S回。汽轮机叶片第75页/共145页过热器管排过热器集箱3）奥氏体型热强钢最典型钢号是1Cr18Ni9Ti。Cr的作用是提高抗氧化性；Ni的作用是获得单相奥氏体;Ti的作用是弥散强化。热处理采用固溶处理或固溶加时效组织为单相A。主要用于过热器管道等。固溶处理（solutiontreatment）：指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

第76页/共145页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、破碎机牙板和铁路辙岔等.

履带球磨机衬板挖掘机铲齿铁路辙岔耐磨钢的工作条件、失效方式和性能要求（三）耐磨钢第77页/共145页2.化学成分特点只有ZGMn13一个钢号.⑴

高碳：1.0~1.3%C

以保持高耐磨性。⑵高锰：11~14%Mn

以保证形成奥氏体组织.3.热处理特点铸态组织为奥氏体+碳化物,性能硬而脆.热处理采用水韧处理。即将钢加热到1100℃，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。(注意奥氏体硬度低）室温组织为过饱和单相奥氏体。ZGMn13钢在热处理过程中，ZGMn13钢中由于含有较多稳定奥氏体的元素Mn,马氏体相变的开始温度Ms低于室温。没有发生奥氏体向马氏体的相变,因而不同于一般热处理中钢的淬火,称为“水韧处理”。第78页/共145页4.性能特点水韧处理后，韧性高，硬度低.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。颚式破碎机挖掘机表层马氏体磨损后继续相变第79页/共145页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)1Cr13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+回火三次M回+颗粒状碳化物+A’(少量)1Cr18Ni9Ti不锈钢Ti:防止晶间腐蚀固溶处理A第80页/共145页

直径为25mm的40CrNiMo棒料毛坯，经正火处理后硬度高很难切削加工，这是什么原因？试设计一个最简单的热处理方法以提高其机械加工性能。判断下列钢号的钢种、成分、常用的热处理方法及使用状态下的显微组织：T8、16Mn、20Cr、40Cr、20CrMnTi、4Cr13、GCr15、3Cr2W8V、9CrSi、1Cr18Ni9Ti。作业第81页/共145页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。

第82页/共145页一、铸铁的分类1、根据碳在铸铁中存在的形式分类灰口铸铁碳大部分以游离态的石墨形式存在，其断口呈现暗灰色。是目前应用最广泛的一类铸铁。白口铸铁碳大部分以Fe3C的形式存在，断口呈银白色。麻口铸铁碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C的形式存在，断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨。第83页/共145页2、根据铸铁中石墨的形态进行分类

灰铸铁(石墨为片状)；可锻铸铁(石墨为团絮状)；球墨铸铁(石墨为球状)；蠕墨铸铁(石墨为蠕虫状)第84页/共145页(一)铸铁的石墨化过程Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）二、铸铁的石墨化及其影响因素石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。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。第85页/共145页存在两个铁碳相图：Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C第86页/共145页铸铁的石墨化过程:铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。石墨化分三个阶段：第一阶段：液体结晶和共晶反应生成石墨第二阶段：沿E’S’析出二次石墨第三阶段：在P’S’K’线以下发生的石墨化包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。第87页/共145页（二）影响铸铁石墨化的因素（1）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。WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响

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.第88页/共145页（2）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.SiC白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁共晶碳、硅含量对铸铁石墨化的影响碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。第89页/共145页三、常用普通铸铁（一）灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。牌号：HT+数字，数字表示最低抗拉强度。化学成分：wc2.5~4.0%,wSi1.0~3.0%,wMn0.5~1.3%灰铸铁的基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。灰铸铁齿轮箱第90页/共145页（二）可锻铸铁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。可锻铸铁管件第91页/共145页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。牌号：KT+数字+数字，后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率组织：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。性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻第92页/共145页（三）球墨铸铁石墨呈球形的灰口铸铁。液态铁水经石墨球化得到.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、稀土镁。硅铁硅钙稀土镁为避免白口，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。第93页/共145页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,而钢一般只有0.3~0.5。球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。第94页/共145页球墨铸铁的热处理特点是：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。制品(轧辊与辊环)组织贝氏体基球墨铸铁用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。第95页/共145页（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.蠕化剂为镁钛合金、稀土镁钙合金、孕育剂为稀土硅铁钙合金等。

蠕墨铸铁的组织：

基体（F、F+P、P）+蠕虫状G

蠕墨铸铁中的石墨第96页/共145页蠕墨铸铁的强度、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。蠕墨铸铁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。玻璃模具第97页/共145页（五）特殊性能铸铁在铸铁中加入某些元素，以形成具有特殊性能的铸铁(又称合金铸铁)。（1）耐磨铸铁灰铸铁中提高P磷含量；白口铸铁中加入Cr、Ni、

Mo、V等元素。（2）耐热铸铁加入Al、Si、Cr（3）耐蚀铸铁向铸铁中加入Si、Al、

Cr、Cu、Ni、P等元素。第98页/共145页液压泵发动机凸轮轴第99页/共145页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。同时把密度低于4.5×103kg/m3的金属称为轻金属。第100页/共145页一、铝及铝合金

（一）纯铝纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72)，熔点低(660.4℃)(2)导电、导热性能优良。(3)耐大气腐蚀，易于加工成形(4)具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼第101页/共145页（二）铝合金铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。

1.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。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.第102页/共145页2.铝合金的强化

（2）时效强化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。

（1）固溶强化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。加热固溶淬火过饱和时效析出第103页/共145页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

时效时间/d第104页/共145页以Al-4%Cu合金为例：该合金的时效基本过程可以概括为：合金淬火过饱和α固溶体形成铜原子富集区(GP[Ⅰ]区)铜原子富集区有序化(GP[Ⅱ]区)

形成过渡相θ′

析出平衡相(CuAl2)+平衡的α固溶体。

（3）细化组织强化在铝合金中添加微量元素细化组织提高铝合金力学性能(既提高强度又改善塑性)。（4）冷变形强化对合金进行冷变形，能增加其内部的位错密度，阻碍位错运动，提高合金强度。这对不能进行热处理强化的铝合金提供了强化的途径和方法。第105页/共145页3、变形铝合金变形铝及铝合金牌号表示方法根据国标规定，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。全世界铝的用量百万吨一次生产量二次回收量总用量第106页/共145页GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号硬铝合金LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号铝合金波纹管铝合金制品铝是可以回收利用的金属第107页/共145页（1）防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。卫星天线（LF2）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。第108页/共145页(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)第109页/共145页（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，但耐蚀性差。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,如飞机大梁、起落架等.飞机主起落架第110页/共145页（4）锻铝合金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.压气机叶片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。第111页/共145页4.铸造铝合金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⑴Al-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.第112页/共145页

在普通铸造条件下，ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。未变质处理

经变质处理

ZL102的铸态组织第113页/共145页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。活塞用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。第114页/共145页⑵其它铸造铝合金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。汽缸头常用代号有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。第115页/共145页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。鼓风机密封件等(ZL102、301)第116页/共145页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。第117页/共145页二、铜及铜合金

（一）纯铜纯铜呈紫红色，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。无氢脆现象。T1-T4；OFC无氧铜热轧铜合金无氧铜第118页/共145页铜合金常加元素为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。铜管铜与黄铜带第119页/共145页（二）铜合金1.黄铜（Cu-Zn）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。黄铜铸件黄铜棒第120页/共145页（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。从铜锌合金相图可以看出黄铜有和+’

两种组织,分别称单相黄铜和两相黄铜。

第121页/共145页单相黄铜塑性好。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.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第122页/共145页（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。黄铜制品黄铜棒第123页/共145页常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。第124页/共145页2.青铜除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。加工青铜的牌号为：Q+主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。

青铜制品第125页/共145页（1）锡青铜是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为3~14%。锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小。锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。锡青铜锭Cu-Sn相图第126页/共145页常用牌号有QSn4-3、

QSn6.5-0.1、

ZCuSn10Pb1等。主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)第127页/共145页（2）铝青铜以铝为主加元素的铜合金，铝含量为5~11%。强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。

大型水力发电设备中的抗磨环常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。第128页/共145页（3）铍青铜以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.7~2.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.铍青铜制品常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等。用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.第129页/共145页普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。常用牌号有B5、B19等。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等.

白铜件3.白铜以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。第130页/共145页特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成