材料成型技术1.4

1.4金属材料铸铁粉末冶金材料铝及其合金铜及其合金钢金属材料

常用的金属材料包括钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、粉末冶金材料等，其中以钢和铸铁应用最为广泛。图1-14芜湖长江大桥1精选ppt1.4.1钢1.化学成分对钢的力学性能的影响（1）杂质元素的影响：1)

锰、硅的影响:有益元素.Mn和Si在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。Mn能减轻S的有害作用。FeS＋Mn＝MnS＋Fe2)

硫的影响:有害元素,Fe＋S＝FeS，FeS与Fe易形成低熔点的共晶体，可使钢引起热脆性。3)

磷的影响:有害元素，。P在钢中可溶于铁素体，使钢强度、硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生冷脆现象。但P与Cu同时存在，可提高钢的耐蚀性和耐磨性。2精选ppt

(2)合金元素的影响

合金元素：是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素,对钢的力学性能有很大影响。1)对钢的强度的影响:

C、Si、Mn产生固溶强化，使钢的强度提高。

C、N、Cr、Al形成碳化物或氮化物，使钢的强度和硬度提高。

Nb、V、Al、Ti可细化晶粒，提高钢的强度。2）对钢的韧性的影响:

Nb、V等元素可细化晶粒,从而也显著提高钢的韧性。

C、Si、Mn一般使钢的韧性降低。3精选ppt

2.钢的分类

(1)按化学成分分类:

根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为1）非合金钢（碳素钢），分普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于0.25%为低碳钢，0.25－0.6%为中碳钢，大于0.6%为高碳钢，。2）低合金高强度结构钢，3）合金钢。

钢的分类化学成分质量等级主要性能使用特性4精选ppt表1-2部分合金元素规定质量分数界限值(%)

合金元素非合金钢低合金钢合金钢Cr<0.300.30~0.50≥0.50Mn<1.001.00~1.40≥1.40Mo<0.050.05~0.10≥0.10Ni<0.300.30~0.50≥0.50Si<0.500.50~0.90≥0.905精选ppt(2)按主要质量等级分类1)

普通质量钢：即对生产过程中控制质量无特殊规定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。S、P含量均小于0.045%。2)优质钢:即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,并达到比普通质量钢较高的质量要求。S、P含量均小于0.040%。3）特殊质量钢：即在生产过程中需要严格控制质量和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。S、P含量均小于0.020%。

按质量等级普通质量钢优质钢特殊质量钢6精选ppt(3)按使用特性分类

可分为：

工具钢，工程结构用钢，机械结构用钢，不锈耐蚀钢，耐热钢等。工程结构用钢耐热钢不锈耐蚀钢机械结构用钢工具钢使用特性7精选ppt

(1)非合金钢1)碳素结构钢

牌号：例如Q235F“Q”表示屈服点，

“235”表示屈服点值为235MPa,

“F”表示脱氧方法（沸腾钢）。

用途：碳素结构钢w(C)为0.06%~0.38%。主要用来制造一般工程结构和普通机床零件，

通常轧制成各种型材、板材和线材等。3.钢的牌号和应用

8精选ppt牌号质量等级化学成分(质量分数,%)力学性能CMnSiSPσs/MPaσb/MPaδ(%)不大于Q195——0.06~0.120.25~0.500.030.0500.045195315~43033Q215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.045215335~45031Q255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045255410~55024Q275——0.28~0.380.50~0.800.350.0500.045275490~63020表1-3碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能9精选ppt2)优质碳素结构钢

牌号：是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平均碳的质量分数（万分数）。例如45钢表示平均w(C)为0.45%的优质碳素结构钢。若为沸腾钢，则在牌号后加“F”符号，如08F。若含锰量较高，则在数字后加“Mn”符号。用途：主要用来制造比较重要的机械零件，如轴、连杆、弹簧等。20钢金相组织示意图10精选ppt牌号化学成分（质量分数，%）力学性能（不小于）应用举例CSiMnσs/MPaσb/MPaδ(%)ψ(%)HBS(热轧）08F0.05~0.11≤0.030.25~0.502951753560131要求冷成形性和焊接性良好的零件，如冲压件、焊接件等。200.17~0.230.17~0.370.35~0.654102452555156同上，且用于要求内韧外硬的渗碳件。600.57~0.650.17~0.370.50~0.806754001535255经淬火和中温回火具有较高弹性的各类弹簧等。表1-4优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例11精选ppt图1-15丝锥

牌号：是用规定符号T（碳字的汉语拼音字首）和数字表示。

例如T10A“10”表示平均w(C)为1.0%，“A”表示高级优质。用途:用于制造不受冲击、高硬度、耐磨的工具，如锉刀、手锯条、拉丝模等。T12钢的金相组织12精选ppt牌号化学成分（质量分数，%）试样淬火HRC（不小于）应用举例CSiMnT80.75~0.84≤0.35≤0.40（780~800℃，水淬）62承受冲击，要求较高硬度的工具。如压缩空气工具等。T9A0.85~0.94≤0.40（760~780℃,水淬）62韧性中等，硬度高的工具。如冲头、木工工具，凿岩工具。T100.95~1.04不受剧烈冲击、高硬度、耐磨的工具。如冲头、手锯条等。T12A1.15~1.24不受冲击、要求高硬度、高耐磨的工具。如锉刀、量具等。表1-5

碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用13精选ppt(2)低合金高强度结构钢牌号：例如Q390A“Q”表示屈服点，“390”表示屈服点值为390MPa，“A”表示质量等级为A级。用途：低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理，综合力学性能良好，用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。14精选ppt(3)合金钢1）合金结构钢牌号：

例如60Si2Mn,“60”表示平均w(C)=0.6%，

“Si2”表示平均w(Si)=2%，

“Mn”表示平均w(Mn)<1.5%。用途：合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢，常用来制造重要的零件，如齿轮、轴类、弹簧等。例：渗碳钢，20CrMnTi；调质钢，40CrMn；弹簧钢，60Si2Mn。15精选ppt2）合金工具钢牌号：例1：低合金工具钢:9SiCr“9”表示平均w(C)=0.9%，“Si”表示平均w(Si)<1.5%，“Cr”表示平均w(Cr)<1.5%。用途：合金工具钢的力学性能优于碳素工具钢，广泛用于制造各种刃具、量具、模具等。如钻头、绞刀、量块和冲模等。图1-16

硬质合金冲模16精选ppt例2：高合金工具钢

高速钢：W18Cr4V

平均w(C)为0.7－0.8%，“W18”表示平均w(W)=18%，“Cr4”表示平均w(Cr)=4%，“V”表示平均w(V)＜1.5%。用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。17精选ppt图1-17铸钢件

即在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金。

性能特点：铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁，用途：主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的构件。如锻锤机架、齿轮、轧辊等。在各类铸造合金中，铸钢的应用仅次于铸铁。主要分为：铸造碳钢和铸造合金钢。18精选ppt1)铸造碳钢牌号：例如ZG230－450450—бb≥450MPa；230—бs（σ0.2）≥230MPa；ZG—“铸钢”汉语拼音首字母。性能特点：

有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，切削加工性尚好。用途：作砧座、轴承盖、齿轮等。图1-18各种铸钢件19精选ppt牌号化学成分（质量分数，%）力学性能（最小值）主要特点及应用CSiMnσs(σ0.2)/MPaΣb/MPaδ(%)ZG200－4000.200.500.8020040025塑性、韧性较好，强度、硬度较低，焊接性良好，但铸造性能差，用于受力不大，韧性要求较高的零件。如机座、机架等。ZG340－6400.600.600.9034064010强度、硬度较高，塑性、韧性较差，焊接性和铸造性能均差，用于受力较大的耐磨零件。如齿轮、棘轮、车轮等。表1-6铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用20精选ppt2)铸造合金钢即为改善性能而添加的合金元素含量

超过铸造碳钢范围的铸钢。

牌号：例如ZG30MnSi1

30——W（C）为0.3%左右。Si——W（Si）为0.9~1.4%Mn——W（Mn）为0.9~1.4%主要特点：耐磨性高。用途：用于受力较大的耐磨零件，如链轮、齿轮、承力支架等。21精选ppt1.4.2铸铁铸铁：在凝固过程中经历共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。性能特点：良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减震性，且熔炼工艺与设备比较简单，成本低廉。用途：铸铁件占铸件总产量的80%左右。如机床床身、箱体等。w(Si)1.0%~3.0%w(Mn)0.5%~1.3%w(P)≤0.3%w(S)≤0.15%w(C)2.5%~4.0%铸铁的化学成分22精选ppt1.铁碳合金双重相图

铸铁中，碳的存在形式有渗碳体（Fe3C）

和游离状态的石墨（G）两种。

铁碳合金实际上存在两种相图：（1）Fe－Fe3C相图，（2）Fe－G相图。图1-19铁碳双重相图

23精选ppt2.铸铁的石墨化过程(三个过程)

第一阶段：高温石墨化阶段，“一次结晶析出石墨G”1154℃：L4.26→A2.08+G(共晶)第二阶段：中间石墨化阶段，“二次结晶析出G”1154-738℃：A→G第三阶段：低温石墨化阶段，“共析反应析出G”738℃：A0.68→F+G(共析)24精选ppt

铸铁的组织：

铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织：（1）珠光体+石墨，（2）珠光体+铁素体+石墨，（3）铁素体+石墨。铁素体+石墨铁素体+珠光体+石墨珠光体+石墨铸铁组织25精选ppt3.影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。（1）化学成分碳和硅

分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳、硅含量越高，石墨越容易析出。

硫

强烈阻碍石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向，

锰

虽然阻碍石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利于减弱硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成，强化基体，故铸铁中必须含一定量的锰。磷

是微弱促进石墨化的元素，但会增加铸铁的冷脆性。26精选ppt（2)冷却速度1）慢冷：利于石墨析出并长大，形成灰口，2）快冷：石墨来不及析出，碳以Fe3C存在，形成白口。

注：要获得所需的组织和性能的铸件，应根据铸件的壁厚，控制铸件中碳和硅的含量，配合以适当的含锰量，并严格控制硫、磷的含量。27精选ppt（3）变质处理（孕育处理）变质处理：在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育剂），如Si－Fe、Si－Ca合金，以增加石墨的结晶核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高强度铸铁。变质铸铁（孕育铸铁）即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。性能特点：强度较高，塑性、韧性得到改善。28精选ppt4.铸铁的分类、牌号及应用

按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等类型。

铸铁按石墨形态按碳的存在形式白口铸铁麻口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁29精选ppt铸铁中常见的石墨形态（示意图）铸铁中常见的石墨形态

(1)片状（2）球状（3）团絮状（4）蠕虫状30精选ppt

(1)白口铸铁

白口铸铁：碳以游离碳化物的形式析出的铸铁，断口呈白色。白口铸铁硬而脆，难以加工，很少用来制造零件，有时利用其硬而耐磨的特点制造某些耐磨零件，如球磨机的衬板、磨球等。（2）麻口铸铁

麻口铸铁：碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出的铸铁，断口呈灰白色相间。图1-21灰口铸铁图1-20白口铸铁31精选ppt（3）灰铸铁

灰铸铁：又称片墨铸铁，碳主要以片状石墨形成或析出的铸铁。1)灰铸铁的性能

①力学性能较差（相比碳钢）。②工艺性能

铸造性能良好，切削加工性能良好，不能进行锻造，焊接性和热处理性能也差。③其它使用性能

耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。32精选ppt2)灰铸铁的牌号及应用

牌号：例如HT200“200”：抗拉强度бb≥200MPa，“HT”：灰铁的汉语拼音首字母。应用：用于制造机座、支架、缝纫机零件、车床床身等。

图1-22灰铸铁件33精选ppt类别牌号铸件壁厚/cm基体组织最小抗拉强度σb/MPaHBS应用举例普通灰铸铁HT1002.5~1010~2020~3030~50F1301009080110~16793~14087~13182~122

负荷很小的不重要零件。如重锤、防护罩、盖板等普通灰铸铁HT1502.5~1010~2020~3030~50F+P175145130120136~205119~179110~167105~157

承受中等负荷件。如机座、支架、箱体、轴承座、缝纫机零件等表1-7灰铸铁部分牌号、力学性能和应用34精选ppt类别牌号铸件壁厚/cm基体组织最小抗拉强度σb/MPaHBS应用举例孕育铸铁HT2504~1010~2020~3030~50P270240220200174~262164~247157~236150~225

负荷较大的铸件，尤其是厚壁件。如机体、阀体液压缸等。HT30010~2020~3030~50290250230182~272168~251161~241

载荷较大的重要铸件，尤其是厚壁件。如齿轮、凸轮、重型机床床身、液压件等续上表：35精选ppt3）孕育铸铁孕育铸铁：铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁。性能特点：孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小，组织和性能的均匀性很好，应用：适用于制造载荷较大、耐磨性减震性要求较高的重要铸件，特别是厚大铸件。如机床床身、发动机气缸体等。图1-23孕育剂36精选ppt（４）球墨铸铁1)球墨铸铁：铁液经过球化处理和孕育处理，使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。2)化学成分、组织、性能：化学成分特点：高碳、硅，低锰、磷、硫。

图1-24球墨铸铁37精选ppt组织：F＋G球，F＋P＋G球，P＋G球。性能：强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁），同时具有灰铁的优良性能。3）球墨铸铁的牌号和应用牌号：例如QT600－3“QT”——球铁的汉语拼音首字母，“600”——抗拉强度бb≥300Mpa，“3”——伸长率δ≥3%。应用：用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。38精选ppt

牌号

基体机械性能应用举例

b

MPa

0.2

MPa

5

%ak

kJm2HBSQT400-18F40025018600130～180

汽车、拖拉机后桥壳QT500-7F+P5003507－170～230

齿轮QT1200-1B下12008401300≥38HRC汽车、拖拉机传动齿轮

表1-8球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用39精选ppt4）常用的球墨铸铁

目前应用最为广泛的是珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。（1）珠光体球墨铸铁指基体主要为珠光体的球墨铸铁，强度、硬度高,耐磨性好。（2）铁素体球墨铸铁指基体主要为铁素体的球墨铸铁，抗拉强度比珠光体球铁低，但塑性、韧性较高，力学性能优于可锻铸铁。图1-25珠光体球墨铸铁图1-26铁素体球墨铸铁图1-27混合基体球墨铸铁40精选ppt（5）可锻铸铁可锻铸铁：

又称马铁或玛钢。是白口铸铁通过石墨化退火处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。

可锻铸铁中的碳主要以团絮状石墨存在。图1-28可锻铸铁41精选ppt1）化学成分：W(C)：2.4－2.8%，W(Si)：1.2－2.0%，W(Mn)：0.4－1.2%，W(S)≤0.1%，W(P)≤0.2%。2）性能特点：灰铸铁相比不仅有较高的强度，而且有较高的塑性和韧性。可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是不可锻造的。3）可锻铸铁的生产:

先浇注成白口铸件，再经石墨化退火获得。42精选ppt4）牌号及应用

①黑心可锻铸铁牌号：例KTH350－10组织：F+G团絮性能：塑性、韧性较好，强度不高，应用：用于受冲击、振动及扭转负荷的零件。如曲轴、连杆、齿轮、传动链条等。

②珠光体可锻铸铁牌号：例KTZ650－02组织：P+G团絮性能：强度、硬度高，塑性、韧性比黑心可锻铸铁差，应用：制作曲轴、连杆、齿轮、传动链条等。

43精选ppt分类

牌号试棒直径mm抗拉强度

b

MPa延伸率

%硬度

HB

应用举例铁素体基体KT300-06163006≤150承受冲击、振动及扭转负荷的零件，如汽车的后桥壳、管件等。KT370-121637012

珠光体基体KT450-06164506150~200负荷较高和耐磨损零件，如曲轴、连杆、齿轮等。KTZ700-02167002240~290

表1-9可锻铸铁部分牌号、力学性能及应用

44精选ppt（6）蠕墨铸铁1）

蠕墨铸铁：金相组织中石墨形态主要为蠕虫状石墨的铸铁，它是向一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂（如镁钛合金等）和孕育剂而获得的。2）性能特点：

①强度比灰铸铁高，②有一定的韧性和较高的耐磨性，③壁厚敏感性比灰铁小得多，④减震性比球铁高，低于灰铁。⑤工艺性良好，铸造性能接近灰铁，切削加工性能接近球铁。图1-29蠕墨铸铁45精选ppt5）蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁基本相同。①铁液成分：高碳、硅，低锰、磷、硫，②蠕化处理：蠕化剂:国外，镁合金；国内，稀土镁钛，稀土镁钙合金等。采用冲入法，加入量：为铁液质量的1－2％。③孕育处理：加孕育剂。注：蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中需严格控制蠕化剂。46精选ppt（7）合金铸铁合金铸铁：常规元素硅、锰高于普通铸铁规定含量或含有其它合金元素，具有较高力学性能或某些特殊性能的铸铁。性能特点：具有更高的力学性能，还具有某些特殊性能，如耐热、耐磨、耐蚀等。应用：例如在孕育铸铁中加入质量分数为0.4%~0.6%的磷或同时加入少量的铜、钛等元素，就可以得到高磷耐磨铸铁，可用来制造轴承、活塞环、机床导轨等零件。图1-30耐热合金铸铁模具47精选ppt1.4.3非铁金属材料钢铁材料以外的金属材料，统称为非铁金属材料。如铜、铝、铅等及其合金。性能特点：密度小、色泽鲜艳、导电、耐热、耐蚀或良好的加工性能等。因而成为现代工业中不可缺少的材料。图1-31中国古代铜的冶炼48精选ppt１.铜及其合金（１）阴极铜

又称纯铜，外观呈紫色，熔点为1083℃，具有良好的导电性，导热性、耐蚀性及塑性。（２）铜合金

即以铜为基的合金。按化学成分不同可分为黄铜、青铜及白铜三类。青铜白铜黄铜铜合金49精选ppt１）黄铜

Ｃu-Zn合金或以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。①普通黄铜

铜锌二元合金，其中多数通过压力加工制成型材，成为普通变形黄铜。

当平均w(Zn)＝32%时，塑性最好，强度最高，是工业上应用较多的铜合金。普通铸造黄铜不但具有优良的力学性能和铸造性能，而且切削加工性能好，也可以焊接。图1-32黄铜50精选ppt②特殊黄铜

在普通黄铜中加入其它元素所组成的多元合金称为特殊黄铜。常加入的元素有铅、锡、硅、铝、铁等，相应地称这些特殊黄铜为铅黄铜、锡黄铜等等。

合金元素加入黄铜后，主要是提高黄铜的特殊性能和改善其工艺性能。如加入Sn、Al、Mn、Si可提高耐蚀性及减少黄铜应力腐蚀开裂的倾向;加Si可改善铸造性能；加Pb则改善切削加工性能。

51精选ppt2)青铜

青铜原指Cu-Sn合金，是人类应用最早的一种合金，但工业上习惯称含有Al、Si、Pb、Mn、Be等的铜基合金为青铜。青铜包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。

图1－33青铜工艺品52精选ppt3）白铜

白铜:以镍为主加合金元素的铜合金。主要有普通白铜、铝白铜和锰白铜等。

白铜耐蚀性好、电阻率高，多用来制造船舶仪器零件、化工机械零件和医疗器械。图1-34白铜管53精选ppt2.铝及铝合金

铝是地壳中储量最丰富的元素之一，约占全部金属的三分之一。特点：铝的比重轻，是铜的1/3倍，属于轻金属。熔点是660℃。铝的导电性和导热性都很好，仅次于银和铜。因此，铝被广泛用于制造导电材料和热传导器件。

图1-35铝为基的二元合金的共晶相图

54精选ppt(1)纯铝

特点：质量轻、溶点低。具有良好的塑性、耐蚀性、导热性和导电性，且价格相对低廉。但其强度和硬度均低，因此用于制造电线、电缆、耐蚀器具和生活用以及配制各种铝合金。（2）铝合金

以铝为基的合金，强度高于纯铝，用于制造承受载荷的结构零件。主加元素：如铜、锰、硅、镁、锌等。一般起强化作用。附加元素：如铬、铁、锆等。用于细化铝合金晶粒和改善热处理性能。图1-36铝合金扳状抛物面天线55精选ppt

根据铝合金的成分和工艺特点，可以将铝合金分为变形铝合金和

铸造铝合金两类。1）变形铝合金加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，宜于进行压力加工的铝合金。2）铸造铝合金以铝为基的铸造合金