机械制造技术基础 课件 第2章 金属材料及其应用

机械制造技术基础目录（字号28号）第2章金属材料及其应用（字号28号）2.1金属材料的分类（字号24-28号）2.2结构钢2.3普通铸铁第2章金属材料及其应用阅读导入材料是人类生产和生活的物质基础。青铜器是我国历史文化的重要组成部分，可以见证我国古代青铜铸造业的宏大规模。极具代表性

司母戊鼎

高133厘米

口长112厘米

口宽79.2厘米

重达832.84公斤

已发现的中国古代最重的单体青铜礼器第2章

金属材料及其应用（字号28号）学习目标（字号20-24号）1、通过识记金属材料及其分类，能够说明铸铁和钢的性能，应用场合。

2、在铸铁和钢材料中，能够根据零件的使用功能及条件，合理选用材料。第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类工程材料四大类金属材料

陶瓷材料

高分子材料

复合材料金属材料：指金属元素或以金属元素为主要构成的具有金属特性的材料第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类金属材料分为：1、黑色金属：铁及以铁为基的合金，分为钢和铸铁，Fe-C基合金wC<2.1l％为钢，2.1l%<wC<4%为铸铁2、有色金属：除黑色金属以外的其他金属及其合金以主要元素命名，如铝合金、铜合金、钛合金等有色金属及其合金具有许多优良的特性，在工业领域尤其是高科技领域占有重要地位第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类2.1.1钢材的分类1、按化学成份分类

钢材按化学成份，可分为碳素钢和合金钢。

碳素钢又分为低碳钢(wC<0.25%)

中碳钢(0.25%<wC<0.6%)

高碳钢(0.6%<wC)

合金钢根据合金元素总量，分为

低合金钢(总量小于5%)

中合金钢

(总含量为5%~10%)

高合金钢

(总量大于10％)第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类2.1.1钢材的分类2、按供应态的显微组织分类

一般钢的供应状态有退火态和正火态两种。

按正火态组织，钢分为珠光体类钢、贝氏体类钢、马氏体类钢及奥氏体类钢，也可有过渡型混合组织

按退火态(即平衡态)组织，钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢3、按冶金质量分类

根据有害杂质硫磷含量，钢分为有

普通质量钢

(wP≤0.045%，wS≤0.05%)

优质钢(wP≤0.035%，wS≤0.035%)

高级优质钢

(wP≤0.025%，wS≤0.025%)第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类2.1.1钢材的分类4、按用途分类

根据用途，钢分为结构钢

特殊性能钢

工具钢

结构钢用于制造工程结构和机器零件。

工程构件用普通质量碳素钢(普碳钢)或普通低合金高强度钢(普低钢)制造。

机器零件用钢按其工艺过程和用途，可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢等。

特殊性能钢具有特殊的物理化学性能，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢和耐寒钢等。

工具钢用于制造加工和测量工具，按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类2.1.2铸铁的分类

铸铁中的主要元素有Fe、C、Si及Mn，而S、P等杂质含量也比普通碳钢要高。

工业常用铸铁的成份大致是：含C:2.5%~4.0%、含Si:1.0%~3.0%，含Mn:0.5%~1.4%

含P:0.01%~0.5%、含S:0.02%~0.20%

还可加入合金元素，改善和提高铸铁的力学及物理化学性能。铸铁是人类最早使用的金属材料之一，成本低廉，生产工艺简单，具有优良的铸造性能和切削加工性能，还有很高的耐磨减摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，目前仍然是机械制造业中重要材料之一。在农用机械、汽车、拖拉机、机床等行业中，铸铁件约占机器总重量的40%~90%。第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类2.1.2铸铁的分类

根据碳的存在形态，铸铁可分为白口铸铁

麻口铸铁

灰口铸铁

白口铸铁断口呈银白色，性能硬而脆，很难切削加工，很少用于制造机械零件。

麻口铸铁断口呈黑白相间的麻点，也具有较大的硬脆性，应用很少。

灰口铸铁具有良好的加工性、减摩性、减震性等，广泛用于工业领域。第2章金属材料及其应用2.1金属材料的分类2.1.2铸铁的分类

根据石墨的形态，灰口铸铁又可分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁四类。

灰铸铁中石墨呈片状，力学性能不高，但生产工艺简单、成本低，应用广泛。

球墨铸铁中石墨呈球状，力学性能高于灰铸铁。

蠕墨铸铁中石墨呈蠕虫状，力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。

可锻铸铁中石墨呈团絮状，力学性能接近球墨铸铁。

另外，凡具有耐热、耐蚀、耐磨等性能的铸铁又称为特殊性能铸铁。第2章金属材料及其应用2.2结构钢2.2.1工程构件用钢1、普通碳素结构钢

(普碳钢)

普碳钢产量占钢总产量的70%~80%，大部分用于工程构件

根据国家标准GB/T700-2006，普碳钢分为Q195、Q215、Q235及Q275共四个钢级

质量等级分为A、B

C、D级

脱氧方法符号：F（沸腾钢）Z（镇静钢）TZ（特殊镇静钢）第2章金属材料及其应用2.2.1工程构件用钢1、普通碳素结构钢

(普碳钢)

第2章金属材料及其应用2.2.1工程构件用钢2、普通低合金结构钢(普低钢)

普低钢又称低合金高强度钢，低碳低合金元素钢种，适应大型工程结构，如大型桥梁，压力容器及船舶等，可减轻结构重量，提高可靠性并节约材料。

在GB/T1591-2018中，普低钢分为Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690共八个钢级

交货状态代号：热轧（无代号）、正火（N）、热机械轧制（M）

质量等级分为B、C、D、E、F级。第2章金属材料及其应用2.2.1工程构件用钢2、普通低合金结构钢(普低钢)

第2章金属材料及其应用2.2结构钢2.2.1工程构件用钢2.2.2机器零件用钢1、渗碳钢

渗碳钢是指由其制造的零件在渗碳处理后而使用的结构钢。渗碳钢零件要有较高的强度和可靠性，还常受到较大的表面磨擦和冲击作用，

其性能要求为：1)有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形；2)表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳；3)有较高的韧性，以承受冲击作用；4)受循环载荷作用时，有好的抗疲劳性能。

第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢1、渗碳钢某载重汽车变速箱中间轴的三档齿轮，材料：20CrMnTi工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工齿形→渗碳(930℃)→

预冷淬火(880℃)→低温回火(200℃)→磨削精加工→装配第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢1、渗碳钢第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢2、调质钢

指由其制造的零件经过调质处理(淬火+高温回火)而使用的结构钢

其性能要求：1)高的屈服强度及疲劳极限；2)良好的韧性塑性；3)局部表面有一定耐磨性；4)较好的淬透性。调质处理后组织为回火索氏体，既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能。

许多机器设备的重要零件使用调质钢制造，如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、曲轴、连杆、高强螺拴等。第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢2、调质钢第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢2、调质钢车床主轴工作时，受交变弯曲和扭转应力，偶尔有冲击作用，花键等部分常有磕碰或相对滑动，故属于多阶梯中小尺寸中速中载有滚动轴承的工作轴，材料：45钢或40Cr钢其工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→铣键槽→局部感应淬火→磨削精加工→装配。第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢3、弹簧钢

制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢

主要用于间断吸收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用和周期性贮存能量，如汽车叠板弹簧、仪表弹簧、汽阀弹簧等。

主要失效形式为疲劳断裂或因塑性变形而失去弹性

性能要求为：1)高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比；2)一定的塑性和韧性；3)保证组织性能均匀，淬透性好；4)在高温或腐蚀介质下工作时，应有好的环境稳定性。

加工方法分为热成型(成形后强化)和冷成型(强化后成形)第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢3、弹簧钢

第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢3、弹簧钢(1)热成型弹簧

一般用于大中型或形状复杂的弹簧，热成型后再淬火和中温回火。

汽车板簧可采用：60Si2MnA

主要工艺路线为：扁钢剪断→加热→压弯成型→淬火→中温回火→喷丸第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢3、弹簧钢(2)冷成型弹簧

对小型弹簧一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形主要工艺路线：绕制成型→去应力退火→喷丸→发蓝第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢4、滚动轴承钢

主要用于制造滚动轴承内圈、外圈及滚动体

高速运转的滚动轴承，实际受载面积很小，有很高的集中交变载荷作用；接触部位有滚动摩擦和滑动摩擦，

性能要求：1)高而均匀的表面硬度至61~65HRC，以提高耐磨性；2)良好的组织和尺寸稳定性，尤其对精密轴承；3)高的弹性极限和接触疲劳强度；4)韧性和淬透性；5)一定的耐蚀性。

第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢4、滚动轴承钢

第2章金属材料及其应用2.2.2机器零件用钢4、滚动轴承钢GCrl5钢的工艺路线为：锻造→正火+球化退火→粗加工→淬火+冷处理→低温回火→磨削→去应力回火。

锻造组织为索氏体+少量粒状二次渗碳体，硬度为255~340HB。

正火可细化组织并消除锻造缺陷；

球化退火降低硬度至210HB以下，便于切削加工，也为最终热处理做组织准备(球状珠光体)。

GCrl5淬火温度严格控制为840℃±l0℃，油淬后，立即于-60℃~-80℃低温冷处理；再150℃~160℃低温回火，时间为2h~3h，得到回火马氏体和细小弥散碳化物，可消除内应力，提高韧性，稳定组织和尺寸。

磨削后进行120℃~150℃、2h~3h的时效，进一步稳定尺寸并消除磨削应力。

第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.1灰铸铁灰铸铁的成分大致为：wC=2.5~4.0%，wSi=1.0~3.0%，

wMn=0.25~1.0%，wS=0.02~0.20%，wP=0.05~0.50%。

牌号中“HT”表示“灰铁”第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.1灰铸铁特点：1)机械性能低。

灰铸铁的抗拉强度低，是因组织中的低性能石墨，相当于布满于材料内的孔洞或裂纹，在受载时对基体有很强的分割和应力集中效应，大大降低了强度和塑性。2)优良的耐磨性和消震性。

铸铁中的石墨因其层状结构而有润滑作用，而石墨磨损后留下的空隙有利于贮油，从而使灰铁的耐磨性好；同样石墨的存在使灰铁的有较好的消震性。3)工艺性能好。

灰铸铁的成分接近于相图中的共晶成分点，熔点较低，使材料在铸造时流动性好，分散缩孔少，能制造复杂形状的零件；而石墨的润滑效应有利于材料的切削加工。第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.1灰铸铁主要制造：机床床身壳体箱体支架第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.2可锻铸铁由白口铁经过可锻化(石墨化)退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁成分范围为：wC=2.4%~2.7%，wSi=1.4%~1.8%，wMn=0.5%~0.7%wP<0.008%，wS<0.025%为缩短石墨化退火周期加入B、Al、Bi等孕育剂第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.2可锻铸铁组织特点为：石墨化工艺不同，可锻铸铁的组织状态就不同。性能特点为：可锻铸铁的机械性能比灰铸铁高，强度、塑性和韧性都有明显提高，是由于团絮状石墨对基体的割裂作用较片状石墨大大减轻。铁素体可锻铸铁（KTH）：具有较高的塑性和韧性，且铸造性能好，常用于制造形状复杂的薄截面零件，其工作时易受冲击和振动，如汽车、拖拉机的后桥壳、轮壳、转向机构及管接头等珠光体可锻铸铁（KTZ）：强度和耐磨性较好，可用于制造曲轴、连杆、凸轮、活塞等强度和耐磨性要求较高的零件白心可锻铸铁（KTB）：在机械制造中很少使用第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.2可锻铸铁第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.3球墨铸铁石墨呈球状的铸铁，简称球铁比普通灰铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性，同时较好地保留了普通灰铸铁具有耐磨、消震、减磨、易切削、好的铸造性能和对缺口不敏感等特性比可锻铸铁的力学性能高，且产生工艺简单，周期短，不受铸件尺寸限制。此外，球铁可进行各种热处理改变金属基体的组织，能使力学性能大大提高，所以球铁是最重要的铸造金属材料。球铁通过液体铁水经球化处理及孕育处理后结晶而获得。常用球化剂有镁、稀土或稀土镁；孕育剂常用的是硅铁和硅钙。第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.3球墨铸铁化学成分为：wC=3.8%~4.0%，wSi=2.0%~2.8%，wMn=0.6%~0.8%wMg=0.03%~0.08%，wP<0.1%，wS<0.04%

“QT”代表球铁二字的汉语拼音字头，后面的数字代表最低抗拉强度值和伸长率值

QT800-2曲轴第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.3球墨铸铁第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.4蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近几十年来迅速发展起来的新型铸铁材料，是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂，凝固结晶后铸铁中的石墨形态介于片状与球状之间，形似蠕虫状。蠕墨铸铁的化学成分与球铁相似，要求高碳、高硅、低磷并含有一定量的镁和稀土一般成分是：wC=3.5%~3.9%wSi=2.1%~2.8%wMn=0.4%~0.8%wP<0.1%，wS<0.1%第2章金属材料及其应用2.3灰口铸铁2.3.3球墨铸铁性能特点为：蠕铁的力学性能介于基体组织相同的优质灰铸铁和球铁之间。当成分一定时，蠕墨铸铁的强度、韧性、疲劳极限和耐磨性等都优于灰铸铁，对断面的敏感性也较小；但蠕虫状石墨是互相连接的，使塑性和韧性比球铁低，强度接近球铁。此外，蠕铁还有优良的抗热疲劳性能、铸造性能、减震能力以及导热性能接近于灰铸铁，但优于球铁。蠕墨铸铁广泛用来制造柴油机缸盖、气缸套、机座、电机壳、机床床身、钢锭模、液压阀等零件。第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.1基本原则1.使用性原则

选用的材料能保证零件在使用条件下工作，并有预期的寿命2．工艺性原则

选用的材料能保证顺利地加工成合格的零件3.经济性原则

材料有良好的经济性，能带来较好的经济效益第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.2材料的合理使用1.铸铁与钢

铸铁具有许多优良性能，但力学性能不如钢。

铸铁的耐磨性优于钢，气缸体、活塞环、箱体、泵体、机床床身及导轨可采用HT150、HT200铸铁制造。

一般低碳钢零件，壁厚在5mm以上都可用铁素体球墨铸铁代替

如车轮轮辐、离合器盖体、支架等第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.2材料的合理使用2.碳素钢、低合金钢和合金钢碳素钢一般能满足使用性能要求，且价格便宜，所以应用最广泛。低合金结构钢主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等，与一般质量碳素钢相比，可大大减轻结构重量，保证使用可靠。对于制造重要工程结构和机器零件应选用合金钢。第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.2材料的合理使用2.碳素钢、低合金钢和合金钢渗碳钢主要用于制造汽车拖拉机、内燃机车中的变速齿轮等机器零件。调质钢由于能承受多种和较复杂的工作载荷，具有高的综合力学性能大多用于制造汽车、机床和其他机器上的各种重要零件如主轴、齿轮、连杆等。第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.2材料的合理使用2.碳素钢、低合金钢和合金钢下列情况，可不用合金钢而采用碳素钢1)小截面零件，因易淬透无需用合金钢2)在退火或正火状态使用的中碳合金钢，因合金元素未发挥作用，故只要用碳素钢也可满足使用要求3)对承受纯弯曲或纯扭转的零件，表面应力最大，心部应力最小。这样的零件不要求整个截面淬透,仅要求表层淬硬获得细针状马氏体，故选用非合金钢也可满足使用要求第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.2材料的合理使用3.非金属材料工程塑料和复合材料在机械、电气、化工、仪表航空工业方面逐渐取代部分金属材料复合材料，由于其具有比强度大、自润滑性好、化学稳定性高等优良的综合性能，正在用来制造高强度的机械零件第2章金属材料及其应用2.4金属材料的选用2.4.3典型零件的选材1.齿轮类零件的选材齿轮

用于传递功率、调节速度