机械制造基础第4章 典型机械零件材料的选用

机械制造基础贾颖莲教授二〇二〇年二月4.1工业用钢的分类与编号

4.2碳素钢

4.3低合金钢和合金钢

4.4铸钢和铸铁

4.5有色金属及其合金4.6粉末冶金材料4.7非金属材料简介4.8典型机械零件材料的选用第4章典型机械零件材料的选用了解铸钢、铸铁、有色金属及其合金、粉末冶金材料和非金属材料的性能及其碳钢、低合金钢、合金钢的性能及其应用，初步了解典型机械零件选材的方法和步骤。学习目标碳钢、低合金钢、合金钢、铸钢、铸铁、有色金属及其合金的性能特点及应用。粉末冶金材料和非金属的基本概念及其应用。知识点技能点典型机械零件选材的基本方法和步骤。第4章典型机械零件材料的选用4.1.1钢的分类4.1.2钢的编号4.1.3常存杂质元素对钢性能的影响

4.1工业用钢的分类与编号碳钢（或称非合金钢）是指以铁为主要元素，碳的质量分数Wc＜2.11%并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。碳钢价格低廉，容易加工，具有一定的力学性能，能满足一般工程结构和机械零件的使用性能要求，工业中应用广泛。但碳钢淬透性低，强度较低，且不能满足某些特俗性能要求（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等）。合金钢是在碳钢的基础上，有目的的加入某些元素所形成的钢。常加入的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钒、钛、硼、铝、铌、铜、稀土元素等。4.1工业用钢的分类与编号4.1.1钢的分类4.1工业用钢的分类与编号4.1工业用钢的分类与编号4.1.2钢的编号1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢Q

235

A

F屈服点字母屈服点数值质量等级符号脱氧方法Q235AF表示，屈服应力≥235MPa，质量等级为A级的沸腾钢；Q345C表示，屈服应力≥345MPa，质量等级为C级的镇静钢；F沸腾钢b半镇静钢Z镇静钢（可省略）TZ特殊镇静钢（可省略）4.1工业用钢的分类与编号2）优质碳素结构钢牌号用两位数字表示钢中的含碳量万分数。如：45钢，含碳量0.45%。优质碳素结构钢又分为普通含锰量wMn≤0.7%和较高含锰量（wMn=0.7%-1.2%）两类。含锰量较高的钢指两位数字后面加Mn.脱氧方法跟普通碳素结构钢相同。如:65Mn钢，表示含碳量65%，含有较高的锰。在两位数后面加A表示高级优质钢。3)碳素工具钢牌号:TT后面数字表示含碳量千分数。如T9，表示含碳量0.9%的优质碳素工具钢。4.1工业用钢的分类与编号4)合金结构钢牌号:两位数字+元素符号+数字两位数:含碳量万分数元素符号:钢中所含合金元素数字:合金元素含量百分数(若<1.5%,不标）；1.5%—2.49%之间，标2；2.5%—3.49%之间，标3,如此类推如：18Cr2Ni4W表示牌号后加A为高级优质钢如：60SiZMnA；牌号后加E为特级优质钢如：30CrMnSiE；4.1工业用钢的分类与编号5）轴承钢牌号：G+Cr+数字+（其它元素+数字）G表示为“滚”Cr后面数字表示含Cr千分数如：GCr15SiMn轴承钢均为高级优质钢，但牌号后不加A4.1工业用钢的分类与编号6）合金工具钢牌号：C+元素+数字（与合金结构钢相似）若钢中含碳量<1%时，牌号前的数字表示平均含碳量的千分之几；若钢中含碳量≥1%时，牌号前不标出含碳量。如：9Mn2VCrWMn4.1工业用钢的分类与编号7）高速工具钢牌号：C+元素+数字（与合金工具钢相似）无论钢中的含碳量多少，均不在牌号前标出含碳量。如：W18Cr4V8）不锈钢和耐热钢牌号：C+元素+数字（与合金工具钢相似）若钢中含碳量<0.03%（0.08%）时，牌号前分别用00（0）代替；如：3Cr1300Cr17Ni14Mo24.1工业用钢的分类与编号9）铸钢牌号：ZG+数字+数字第一组数据表示：屈服强度最低值第二组数据表示：抗拉强度最低值如：ZG230-450表示：屈服强度不小于230MPa，抗拉强度不小于450MPa4.1工业用钢的分类与编号4.1.3常存杂质元素对钢性能的影响

1.Mn（0.25--0.80%有益）

钢中的Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。Mn可防止形成FeO；Mn与S化合成MnS，能减轻S的有害作用；Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高。（Mn含量0.25%-0.80%）2.Si

也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，但含量较高时，会使钢的塑性和韧性下降。（Si含量0.10%-0.40%）4.1工业用钢的分类与编号3.S4.PP也是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，并提高铁液的流动性，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，在低温时更为严重，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”；磷的存在还会使钢的焊接性能变坏。因此钢中含磷量应严格控制。。（P含量0.035%-0.045%）

硫是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点共晶（熔点只有989℃），并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。钢中含硫量必须严格控制。（S含量0.08%-0.35%）S和P的含量必须严格控制，它是衡量钢的质量等级的指标之一。4.1工业用钢的分类与编号碳素钢的碳含量在0.06%-0.38%。通常轧制成钢板和各种型材（圆钢、方钢、角钢、工字钢、钢筋等）4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢优质碳素结构钢硫、磷等有害杂质含量较少，因而质量较高，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的机械零件。优质碳素结构钢中的08F，碳的质量分数低，塑性好，强度低，主要用于冷冲压件如：汽车和仪表仪器外壳；10-25钢冷塑性变形和焊接性好，可用于强度要求不高的零件及神探零件，如机罩，焊接容器，小轴，螺母，垫圈及渗碳齿轮等；30-55钢，40Mn，50Mn钢经调质后可获得良好的综合力学性能，主要用于受力较大的机械零件，如齿轮，连杆，机床主轴等；60-85钢，60Mn，65Mn钢具有较高的强度，可用于制造各种弹簧，机车轮缘，低俗车轮等。4.2碳素钢下表为优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能（摘自GB/T699-1999）4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2碳素钢4.2.3碳素工具钢碳素工具钢含碳量较高（0.65%-1.35%），硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不是很高的刃具，量具和模具。4.2碳素钢下表为碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能（摘自GB/T1298-1986）

4.2碳素钢1、合金元素在钢中的存在形式及作用1）合金元素与铁作用形成固溶体合金元素可以溶入α-Fe或γ-Fe中，形成含合金元素的铁素体或奥氏体。合金元素溶入将导致铁素体或奥氏体的晶格畸变，产生固溶强化。硅，锰，镍等元素对铁素体的强化效果显著，但超过一定数值后，将降低铁素体的韧性，因此在常用低合金钢和合金钢中，对合金元素的含量有一定的限制。4.3.1合金元素在钢中的作用4.3低碳合金钢和合金钢2）合金元素与碳作用形成合金碳化物大多数合金元素能与碳作用形成合金碳化物，如：TiC，VC，Cr7C3等。与渗碳体相比，合金碳化物具有熔点高、硬度高、不易分解，通常呈颗粒状分布在晶界上，可细化晶粒，提高钢的强度和硬度。4.3低碳合金钢和合金钢2、合金元素对钢热处理的影响1）合金元素对奥氏体化温度和时间的影响大多数合金（除锰、磷外）碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度，故减慢了奥氏体化过程。大多数低合金钢和合金钢与相同含碳量的碳钢相比，需要更高的加热温度，更长时间保温。这些合金谈哈U物分布在奥氏体的晶界上，能有效阻止奥氏体晶粒的长大，祈祷细化奥氏体晶粒的作用。4.3低碳合金钢和合金钢2、合金元素对钢热处理的影响2）合金元素对冷却时奥氏体转变的影响由于合金元素增加了过冷奥氏体的稳定性，固溶与奥氏体中的合金元素（除钴外），均程度不同的增加过冷奥氏体的稳定性（C曲线右移），使钢的淬透性增加。除钴、铝外，大多数合金元素会降低马氏体点（Ms），使合金钢淬火后的残余奥氏体量增加，高合金钢尤为突出。4.3低碳合金钢和合金钢■合金元素（除Co、Al外），均使奥氏体等温转变曲线位置右移，降低了钢的马氏体临界冷却速度，提高了钢的淬透性。（多元少量，效果显著）

■Cr、Mo、W等合金元素不但使“C”曲线右移，而且当达到一定含量时，会使“C”曲线出现两个鼻尖，可在连续冷却的条件下获得贝氏体组织2）合金元素对冷却时奥氏体转变的影响提高淬透性必须指出，加入的合金元素只有完全溶入奥氏体时，才能提高淬透性。如果未完全溶解，就会成为奥氏体分解时新相结晶的核心，使分解速度加快，反而降低钢的淬透性。

使淬火后的残余奥氏体量增多■除Co、Al外，大多数固溶于马氏体中的合金元素均使Ms和Mf点下降，使合金钢淬火后残余奥氏体量较非合金钢多。可进行冷处理或进行多次回火，使残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体。提高淬透性带来的好处：①增加淬硬层深度，改善钢的性能；②减慢淬火冷却速度，减少变形。（所以，合金钢用油冷，碳钢用水冷）大尺寸零件→能淬透形状复杂的零件→变形小应选用合金钢。4.3低碳合金钢和合金钢■使合金钢在达到与非合金钢相同硬度的情况下，回火温度更高，回火时间更长，可进一步消除残余应力，塑性、韧性较非合金钢好；

■在同一温度回火时，合金钢的强度、硬度要比非合金钢高。3）合金元素对回火转变的影响提高回火稳定性回火时产生二次硬化防止第二类回火脆性从马氏体中析出硬度高、颗粒细小、数量多、高度弥散分布的特殊碳化物；部分残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体。回火稳定性：淬硬钢在温度升高时，仍能保持高硬度的能力。亦称抗回火软化能力。回火稳定性高带来的好处：工作温度升高，零件仍能保持高硬度，性能不下降。*在温度较高环境工作的或摩擦热较大的零件应选用合金钢。4.3低碳合金钢和合金钢4.3.2低合金钢的性能及其应用1、低合金钢高强度结构钢的成分和性能特点低合金高强度结构钢是在低碳钢Wc<0.2%的基础上加入少量的锰、硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢，钢中合金元素总量不超过3%。低碳是为了获得好的塑性、韧性和冷变形能力。加入的合金元素起固溶强化、细晶强化和弥散强化作用。低合金强度结构钢具有强度高，塑性、韧性好，焊接性好、冷成形性好、耐腐蚀性好、冷脆转变温度低、成本低等性能特点。4.3低碳合金钢和合金钢2、低合金钢高强度结构钢的应用低合金高强度钢的强度比低碳钢高处10%-30%，在某些情况下，代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的重量。如：南京长江大桥的桥梁采用Q345比用Q235节省钢材15%以上；载重汽车的大梁采用Q345后，载重比由1.05提高到1.25.低合高强度结构钢广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器、锅炉等工程结构件以及低温工作的构件等。4.3低碳合金钢和合金钢4.3.3合金钢的性能及其应用1、合金调质钢的性能及应用1）用途及性能要求要求强度高，塑性、韧性好的一些重要零件如：轴，齿轮等，应选用合金调质钢材料。2）成分、性能和热处理特点合金调质钢的Wc=0.25%-0.5%，典型的中碳钢，由于含碳量低，调质处理后强度不足；含碳量过高，则塑性和韧性较差。钢中加入的合金元素主要有锰、硅、镍、硼、钼、钒、钨等，祈祷细化晶粒、强化铁素体、提高淬透性、提高回火稳定性等作用。4.3低碳合金钢和合金钢合金调质钢在正火和调质状态下，其力学性能见下表一些零件除要求有良好的综合力学性能以外，还要求工作表面有较高的耐磨性，这时在调质处理后，应对工件进行表面淬火加低温回火处理，表面硬度可达到55-58HRC。4.3低碳合金钢和合金钢3）调质钢的应用碳素调质钢（常用牌号45）淬透性低，力学性能差，一般用来制造截面小以及不重要的零件。低淬透性合金调质钢（常用牌号40Cr）具有比碳钢高的回火稳定性，油淬临界直径在20-30mm，常用做汽车半轴、蜗杆、花键轴等零件。中淬透性合金调质钢（常用的牌号35CrMo、38CrMoAl）具有较高的回火稳定性，油淬临界直径在40-60mm，用来制造强度要求高、截面大的调质零件，如尺寸较大、受负荷很大的齿轮、汽轮发电机主轴、连杆等。高淬透性合金调质钢（常用牌号为40CrNiMo，40CrMnMo）具有更高的回火稳定性，油淬临界直径在60-100mm，用来制作截面积大、高强度和高韧性的零件，如大型重载汽车的半轴等。4.3低碳合金钢和合金钢2、合金渗碳钢的性能及其应用1）用途及性能要求在汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸轮、活塞销等许多机械零件的工作条件比较复杂，一方面工作表面承受强烈的摩擦、磨损和交变应力的作用，另一方面又要承受较高的载荷，特别是冲击载荷的作用。渗碳钢就是适应这种要求而发展起来的一种重要钢种；满足这种要求的零件表面具有高的硬度、高的耐磨性和耐疲劳性能，心部要有高的韧性和足够的强度。4.3低碳合金钢和合金钢2）成分、性能和热处理特点合金渗碳钢属于表面硬化合金结构钢，Wc=0.1%-0.25%（低碳）。渗碳钢的韧性要求比调质钢高，因而含碳量更低些。钢中加入的合金元素主要有铬、镍、锰、硼等；加入少量强碳化物形成元素钛、钒、钨、钼等，形成稳定的合金碳化物，以阻碍加热保温时奥氏体晶粒的长大。4.3低碳合金钢和合金钢3）渗碳钢的应用碳素渗碳钢（常用牌号15和20）中，经渗碳和热处理后表面硬度可达56-62HRC，由于淬透性较低，适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件，如轴套、链条等。低淬透性合金渗碳钢（常用牌号20Cr、20MnV）水中临界直径在20-35mm，淬透性和心部强度均较低，适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞等。中淬透性合金渗碳钢（常用的牌号20CrMnTi）油中临界直径在25-60mm，淬透性较高，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。高淬透性合金渗碳钢（常用牌号为18Cr2Ni4WA）油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨性，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。4.3低碳合金钢和合金钢3、合金弹簧钢的性能及其应用1）用途及性能要求合金弹簧钢主要用来制造和仪表中各种弹性元件，如圈簧、板簧等。要求：弹簧钢应具有搞的弹性极限和屈强比、较高的疲劳强度、足够的塑性和韧性。2）成分、性能和热处理特点合金弹簧钢的Wc=0.5%-0.7%。高的弹性极限是弹簧钢的主要要求，因此弹簧钢的含碳量比调质钢高，控制在中、高碳水平。含量过高时，将导致塑性、韧性和疲劳强度降低。钢中加入的合金元素主要有锰、硅、铬、钨、钼等；以提高脆透性、细化晶粒、耐回火星、强化铁素体、提高弹性和屈强比。硅增加了钢的脱碳倾向，锰易使钢过热，加入钒、铬、钨可克服这些弱点。4.3低碳合金钢和合金钢弹簧钢的加工处理方法有以下两种：（1）冷成形弹簧当弹簧直径或板簧厚度小于8-10mm时，一般用弹簧钢丝或弹簧钢带在冷态下制成。在成形前，弹簧钢丝需进行铅浴索氏体化处理，获得索氏体后再经多次拉拔至所需尺寸。这种钢丝有很高的强度和足够的韧性，职称弹簧后指进行消除应力的退火。另一部分冷成型弹簧是用退火状态的弹簧钢丝冷成形制成，随后必须进行淬火、中温回火，以获得所要求的性能。（2）热成形弹簧当弹簧钢丝直径或板簧后打大于10mm时，一般采用热扎钢丝或钢板制成，然后淬火、中温回火。经这种处理可获得回火托氏体，具有很高的屈服强度和弹性极限一定的塑性和韧性，硬度为40-48HRC。4.3低碳合金钢和合金钢3）弹簧钢的应用碳素弹簧钢（常用牌号65，70）有搞的强度、硬度、屈强比，但淬透性小，耐热性不好，承受动载和疲劳载荷的能力低，主要用于工作温度不高的小型弹簧或不太重要的较大弹簧，如一般机械用弹簧。硅锰系合金弹簧钢（常用牌号为60Si2Mn）强度高、弹性好、抗回火稳定性好、易脱碳和石漠化，这时主要的弹簧钢，用途很广，可制造各种弹簧，如汽车、机车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧，气缸安全阀簧及一些在高应力下工作的重要弹簧，磨损严重的弹簧。铬、钒系合金弹簧钢（吃那个用牌号为50CrVA）具有更好的弹性、强度、屈强比，塑性、韧性叫其他弹簧钢好，淬透性高、疲劳性能好、耐回火性好，特别适宜做工作盈利振幅高、疲劳性能要求严格的弹簧，如阀门弹簧、喷油嘴弹簧、气缸胀圈、安全阀簧等。4.3低碳合金钢和合金钢4、高锰耐磨钢1）用途及性能要求高锰耐磨钢是指在巨大压力作用下和强烈冲击下才发生硬化的钢，主要用于制造受强烈冲击和巨大压力，并要求耐磨的零件，如坦克及拖拉机的履带板、铁道道岔、防弹板等。2）成分、性能和热处理特点高锰耐磨钢的Wc=0.9%-1.5%，WMn=11%-14%。这类钢由于含有大量的碳和锰，铸态组织为奥氏体和大量的碳化物，性能硬而脆。当加热到1060-1100C的高温时，碳化物全部融入奥氏体，水冷可得到单一的奥氏体，这种处理成为水韧处理。经水韧处理的高锰钢强度、硬度180-230HBS不高，塑性、韧性好。使用时，收到强烈摩擦、巨大压力和冲击时，表面层产生加工硬化，同时还发生奥氏体向马氏体的转变，硬度52-56HRC和耐磨性大大提高，而心部仍保持奥氏体的良好的韧性和塑性，有较高的抗冲能力。4.3低碳合金钢和合金钢3）高锰耐磨钢的应用常用的钢种有，ZGMn13-1，ZGMn13-2，主要用于坦克或拖拉机履带板、球磨机滚筒衬板、破碎机牙板、挖掘机的铲齿及铁路上的道岔等，也可制用保险箱钢板、防弹板。4.3低碳合金钢和合金钢5、轴承钢1）用途及性能要求轴承钢是专用结构钢，主要用来制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外套圈等。滚动轴承是在高速转动和强烈摩擦的情况下工作，同时承受很大的局部交变应力，要求轴承钢具有很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。2）成分、性能和热处理特点轴承钢Wc=0.95%-1.15%，属高碳，这时保证淬火后具有高硬度、高耐磨性必不可少的条件。钢中加入的合金元素主要有铬、硅、锰、钼、钒等，以提高钢的淬透性、耐磨性和解除疲劳强度。轴承钢的预先热处理是球化退火，不仅仅是为了降低硬度，便于机械加工，更重要的是要获得颗粒细小、分布均匀的碳化物，为淬火作组织准备。4.3低碳合金钢和合金钢3）轴承钢的应用轴承钢种类很多，主要有高碳铬轴承钢GCr15应用最广和无铬轴承钢，用于制造滚动轴承的滚珠、轴承套圈等，也可用来制造工具，如冲模、量具、丝锥等。4.3低碳合金钢和合金钢6、低合金刃具钢1）用途及性能要求低合金刃具钢属低合金工具钢，主要用来制造各种金属切削刃具，如钻头、车刀、丝锥等。刃具工作时受强烈地摩擦、磨损、冲击和振动；同时因摩擦发热，还要承受一定的工作温度。因此合金刃具钢应具有高的硬度、耐磨性、热硬性和足够的强度和韧性。2）成分、性能和热处理特点低合金刃具钢的Wc=0.8%-1.5%，高碳是保证高硬度和耐磨性的必要条件。钢中加入的合金元素主要有铬、硅、锰、钼、钒等，以提高钢的淬透性、耐磨性和耐回火性。低合金刃具钢的热处理与轴承钢类似，经淬火低温回火后，硬度为60-65HRC，达到使用要求。4.3低碳合金钢和合金钢3）低合金刃具钢的应用常用的低合金刃具钢为9SiCr，淬透性很高，Φ40-50mm的工件可在油中淬透,淬火加低温回火后的硬度在60HRC以上.和碳素刃具钢相比,在相同的回火硬度下,9SiCr的回火温度可提高1000C以上,故切削寿命提高10%-30%，可用于制造各种低速切削的刀具和一些冷作模具，如：板牙、丝锥、搓丝板等精度及耐磨性要求较高的薄刃刀具。CrWMn钢具有高淬透性、高硬度和高耐磨性、淬火变形小，适于制造截面较大、要求耐磨合淬火变形小的刃具，如：拉刀、长丝锥、长铰刀等。一些精密量具（如游标卡尺、块规等）和形状复杂的冷作模具也常会私用该钢种。4.3低碳合金钢和合金钢量具用钢1.工作条件及性能要求

主要用于制造各种测量工具，如`卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。工作时主要受摩擦、磨损，承受外力很小，有时受碰撞。要求高硬度、高耐磨性、高尺寸稳定性；热处理变形要小。

失效形式：主要是磨损。2.化学成分

高碳0.9％～1.5％，以保证高硬度和高耐磨性要求；加入Cr、W、Mn等提高淬透性。4.3低碳合金钢和合金钢3.热处理工艺

球化退火→淬火后立即进行－70℃～－80℃的冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火和失效处理。4.典型钢号及其应用

尺寸小，形状简单一般量具:选用T10、T12A、9SiCr；精密量具（如高精度量规、量块）：CrMn、GCr15；形状复杂精密量具：CrWMn。耐蚀量具：4Cr14、9Cr18。非合金钢10、20或50、55、60、60Mn、65Mn——样板或卡规。4.3低碳合金钢和合金钢8、冷作模具钢1）用途及性能要求冷作模具钢是用于制造金属在冷态下成形的模具，如冷冲模、冷挤压模、拉丝模等。这模具工作时要求具有高的硬度、高的耐磨性以及足够的强度和韧性。2）成分、性能和热处理特点冷作模具钢的Wc=1.0%-2.0%，这是确保冷作模具具有很高的耐磨性必不可少的条件。钢中加入铬、硅、锰、钼、钒等，以提高钢的淬透性、耐磨性、耐回火性和热硬性。4.3低碳合金钢和合金钢3）冷作模具钢的应用常用的钢种有，Cr12MoV主要用于制造断面较大、形状复杂、耐磨性要求高、承受较大冲击负荷的冷做模具，如冷切剪刀、切边模、滚边模、量规、拉丝模、搓丝模等，以及要求高耐磨性的冷冲模和冲头等。4.3低碳合金钢和合金钢9、热作模具钢1）用途及性能要求热作模具钢是用于制造使金属在热态下或也太下成形的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。这类模具工作时要求具有较高的强度和韧性，良好的导热性、耐热疲劳性、高的热硬性和高温耐磨性。2）成分、性能和热处理特点热作模具钢的Wc=0.3%-0.6%，中碳是确保较高的韧性和耐热疲劳性必不可少的条件；含碳量过低，又会导致硬度和耐磨性不足。钢中加入铬、硅、锰、钼、钒等，以提高钢的淬透性、耐磨性、耐回火性、耐热疲劳性和防止回火脆性。热锻模的最终热处理和调质钢类似，淬火后在5500C回火，可获得回火索氏体或回火托氏体组织，硬度约为40HRC.对压铸模和热挤压模，热硬性要求高，要利用二次硬化现象，其最终热处理和高速钢类似，硬度约为45HRC。4.3低碳合金钢和合金钢3）热作模具钢的应用5CrNiMo、5CrMnMo是最常用的热锻模具钢，对压铸模和热挤压模一般选用3Cr2W8V。4.3低碳合金钢和合金钢10、高速工具钢1）用途及性能要求高速工具钢简称高速钢，俗称锋钢，属高合金工具钢。主要用来制作各种复杂刀具，如钻头、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等。与低合金钢相比应具有更高的热硬性，在切削温度达到5000C-6000C时，仍能进行切削加工。2）成分、性能和热处理特点高速工具钢的的Wc=0.7%-1.6%，高碳一方面是保证钢的淬硬性，另一方面是与合金元素配合保证二次硬化的效果。钢中需加入大量（≥10%）的合金元素，有铬、硅、锰、钼、钒等，以提高钢的淬透性、耐磨性、热硬性。4.3低碳合金钢和合金钢3.热处理工艺等温或球化退火→1280℃淬火＋560℃～580℃回火(三次)W18Cr4V热处理特点：加热温度高回火温度高回火次数多4.3低碳合金钢和合金钢高速工具钢锻打后，为消除残余应力，降低硬度，便于切削加工，并为淬火作组织准备，应进行退火处理。退货后的组织为索氏体和粒状碳化物，硬度为207-255HBS。3）高速工具钢的应用高速工具钢主要用途是制造高速切削工具，除具有高硬度、高耐磨性和足够韧性外，还要有高的热硬性。4.3低碳合金钢和合金钢4.典型钢号及应用W18Cr4V：车刀、铣刀、刨刀、钻头、拉刀；

W6Mo5Cr4V2：丝锥、铰刀、钻头等。高速钢钻头机铰刀手铰刀丝锥4.3低碳合金钢和合金钢4.典型钢号及应用高速钢铣刀板牙4.3低碳合金钢和合金钢11、不锈钢和耐热钢1）不锈钢将具有抵抗大气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀的钢称为不锈钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。4.3低碳合金钢和合金钢一、不锈钢1.金属抗腐蚀的原理①单相组织→原电池形成可能性↓、金属电极电位↑→抗腐蚀；②↓电极电位差、↑阳极电极电位；③表面保护膜→钝化2.牌号3.工作条件及性能要求制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件。要求：耐蚀，适当的力学性能，良好的冷、热加工性能和焊接性能3Cr13

00Cr19Ni11

0Cr19Ni9wc≈0.3%

wc≤0.03%

wc≤0.08%4.3低碳合金钢和合金钢4.化学成分①含C量尽可能低；一般0.1％～0.2％②加入Cr→含量＞12.5%电极电位跃升(如M不锈钢)；③含Cr量＞12.7%→单相F(如F不锈钢)；④加入Ni→单相A或F+A(如A不锈钢)；⑤加入Ti、Nb、B→晶界腐蚀↓5.典型钢号及应用种类牌号及用途M不锈钢1Cr13,2Cr13—汽轮机叶片、测量工具、不锈轴承、弹簧，3Cr13、4Cr13、9Cr18—手术器具及刀具。F不锈钢1Cr17、1Cr25、1Cr28—化工设备、食品工业A－F不锈钢1Cr12Ni5Ti—化工设备、热交换器。4.3低碳合金钢和合金钢2）耐热钢耐热钢是指在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢，分为抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。4.3低碳合金钢和合金钢4.4.1铸钢

4.4.2铸铁4.4铸钢和铸铁铸钢主要用于制造形状复杂，力学性能要求高，而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如汽车的变速箱壳、机车车辆的车钩和联轴器等。铸钢中含碳量一般在0.15%-0.6%范围内。碳含量过高，则钢的塑性差，铸造时易产生裂纹。4.4.1铸钢4.4.1铸钢

铸铁是Wc>2.11%的铁、碳、硅合金。与碳钢相比，除了有较高的碳、硅含量外，还有较高的杂质元素硫和磷并有共晶转变的多元合金。虽然铸铁的机械性（抗拉强度、塑性、韧性）较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到了普遍的应用，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。4.4.2铸铁1、铸铁的分类及石墨化1）铸铁的分类在铸铁中，碳有渗碳体Fe3C和石墨G这两种存在形式。按其存在形式不同，铸铁可分为下列几种：（1）白口铸铁碳主要以渗碳体形式存在的铸铁，断口呈银白色。因其硬度高、脆性大而难以切削加工，故很少直接用来制造机械零件。白口铸铁主要用作炼钢的原料、可锻铸铁的毛坯，以及不受冲击、要求硬度高和耐磨性好的零件，如轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。（2）灰口铸铁碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。这类铸铁有很多优良的性能，生产设备、生产工艺简单，成本低廉，广泛用于机械制造业。在一般机械中，灰口铸铁件约占机器重量的40%-70%，在机床和中兴机械中高达80%-90%。4.4.2铸铁根据石墨的形态不同，灰口铸铁又分为以下四种：灰铸铁，碳主要以片状石墨的形式出现；球墨铸铁，碳主要以球状石墨的形式出现；可锻铸铁，碳主要以团絮状石墨的形式出现；蠕墨铸铁碳，主要以蠕虫状石墨的形式出现；（3）麻口铸铁碳部分以渗碳体、部分以石墨形式存在的铸铁，断口呈灰白色相间。这类铸铁硬度高、脆性大，工业很少使用。此外，为满足耐热、耐腐蚀、耐磨等特殊性能的需求，在铸铁中加如铬、钼、铜、铝、硅等合金原色得到合金铸铁。4.4.2铸铁2）铸铁的石墨影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度■化学成分①碳和硅:强烈促进石墨化；但C和Si含量过高，会导致石墨片粗大，降低力学性能。

②锰：阻碍石墨化，促白口化。③硫的影响：阻碍石墨化，促进白口铸铁，降低铁水的流动性，恶化铸造性能，S越少越好。④磷的影响：促进石墨化不十分强烈，能提高铸铁的流动性。但含量过高会增加铸铁的冷裂倾向，因此通常要限制P的含量。铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程称为石墨化。石墨可从液体和奥氏体中析出，或由Fe3C分解出铁素体和石墨。4.4.2铸铁2）铸铁的石墨影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度

■温度和冷却速度

缓慢冷却或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。影响冷却速度的因素主要有：铸型材料：铸铁中砂型中冷却比在金属型中冷却慢；铸件壁厚：铸件壁厚越厚，冷却速度越慢；浇注温度：浇注温度越高，冷却速度越慢。4.4.2铸铁二、铸铁的组织与性能1.铸铁的组织

通常认为铸铁的组织是由钢的基体与不同形状、数量、大小及分布的石墨组成的。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和显微组织也不同。

铸铁的金属基体有珠光体、铁素体、铁素体＋珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。

铸铁中石墨的形态可分为六种:片状石墨;蟹状石墨;蠕虫状石墨;团絮状石墨;不规则或开裂状石墨;球状石墨。普通灰铸铁

蠕墨铸铁

可锻铸铁球墨铸铁4.4.2铸铁1.铸铁的组织表铸铁经不同程度石墨化后所得到的显微组织名称石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰铸铁充分进行充分进行充分进行F+G充分进行充分进行部分进行F+P+G充分进行充分进行不进行P+G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Ld'+P+G白口铸铁不进行不进行不进行Ld'+P+Fe3C4.4.2铸铁2.铸铁的性能

主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布。

石墨的影响：wc≈100%，具有简单六方晶格，硬度为3～5HBS，σb约为20MPa，塑性和韧性极低，伸长率δ接近于零。石墨数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对力学性能的削弱就越严重。片状石墨削弱最大，球状最小，团絮状二者之中。石墨使铸铁具有优异的切削加工性能、良好的铸造性能和润滑作用、很好的耐磨性能和抗振性能，对缺口不敏感。

基体组织的影响：对同一类铸铁来说，在其他条件相同的情况下，铁素体相的数量越多，塑性越好；珠光体的数量越多，则抗拉强度和硬度越高。由于片状石墨对基体的强烈作用，所以只有当石墨为团絮状、蠕虫状或球状时，改变铸铁基体组织才能显示出对性能的影响。4.4.2铸铁

与钢相比，铸铁的性能有何特点？

①铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低，②良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性，铸造性能优于钢。③铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。4.4.2铸铁三、常用铸铁材料（1.普通灰铸铁）1.灰铸铁的成分、组织、性能

■灰铸铁的成分

wc=2.5%～4.0%，wSi=1.0～2.5%，wS<0.15%，wP<0.3%，wMn=0.5%～1.4%

■灰铸铁的组织

是由片状石墨和金属基体组织所组成的。基体组织分为铁素体，铁素体＋珠光体和珠光体三种。

灰铸铁件机械性能与石墨片的大小有关，石墨片越粗，其机械性能越差，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。

灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨的存在基本无关。因此，灰铸铁的抗压强度约为抗拉强度3～4倍。

■灰铸铁的性能

抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。良好的减摩、耐磨性，高的消振性，低的缺口敏感性以及优良的切削加工性，铸造性能优于钢。4.4.2铸铁2）灰铸铁的孕育处理

为了获得细片状的石墨，可采用孕育处理。经过孕育处理（变质处理）的灰铸铁，称为孕育铸铁。

孕育处理——在铸铁液中加入孕育剂，然后进行浇注生产的铸铁。

目的—是细化组织和石墨，提高其强度，均匀组织，防止出现白口。4.4.2铸铁分类牌号铸件

尺寸σb

(MPa)σbb

(MPa)基体石墨应用普通

灰铸铁HT100任意100260铁素体粗片机床座 普通

灰铸铁HT20015～30200 400珠光体中等汽缸、飞轮孕育

铸铁HT30015～30300 540珠光体较细重荷机床床身孕育

铸铁HT40015～30400 680索氏体细小齿轮、高压泵壳3）灰铸铁的牌号及用途

灰铸铁的牌号用“灰铁”汉语拼音的第一个大写字母“HT”和一组数字来表示，HT100表示抗拉强度为100MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关，铸件壁厚增加则强度降低4.4.2铸铁4）灰铸铁的热处理

①去应力退火

将铸件加热到500～600℃，经长时间保温(2～6h)后炉冷却至150～200℃以下空冷用以消除铸件的凝固过程中因冷却不均匀而产生的铸造应力，防止铸件产生变形和裂纹。自然时效：将铸件长期放置在室温下以消除其内应力；时效退火可消除90%以上的内应力。退火温度越高，残余应力消除越显著，铸件尺寸越稳定，但力学性能会下降。4.4.2铸铁②消除白口组织的高温退火目的：

是为了消除白口、降低硬度，改善加工性能。工艺：加热到850～900℃，保温2～5h后炉冷至400℃～500℃出炉空冷。③正火目的是增加铸铁基体的珠光体组织，提高铸件的强度、硬度和耐磨性，并可作为表面热处理的预先热处理，改善基体组织。工艺：加热到850～900℃保温1～3小时采用空冷、风冷或喷雾冷却。冷却速度越快，基体组织中珠光体量越多，组织越弥散，强度、硬度越高，耐磨性越好。④表面淬火—目的是改变铸件表层的基体组织，提高强度、硬度、耐磨性和疲劳强度。工艺：高、中频淬火4.4.2铸铁三、常用铸铁材料（2.球墨铸铁）1.球墨铸铁的成分、组织、性能

■球墨铸铁的成分

C、Si的质量分数较高;Mn的质量分数较低;S、P质量分数限制很严；含有一定量的Mg和稀土元素。

■球墨铸铁的组织

铁素体、铁素体+珠光体、珠光体、贝氏体；通过合金化和热处理还可获得下贝氏体、马氏体、托氏体、索氏体和奥氏体等

球化处理：铁液在浇铸前加入一定量的球化剂，以促使石墨结晶时生长为球状的工艺操作。孕育处理：促使石墨晶核生成球径小、数量多、园整度好、分布均匀的球状石墨，防止出现白口，改善球墨铸铁的力学性能。石墨呈球状分布的灰口铸铁称为球墨铸铁。4.4.2铸铁■球墨铸铁的性能

强度、塑性和韧性比灰铸铁高得多，屈服强度也很高，屈强比可达0.7～0.8，比钢约高一倍，疲劳强度可接近一般中碳钢，耐磨性优于非合金钢，铸造性能优于铸钢并保持有耐磨、减振、加工性能好、缺口不敏感等灰口铸铁的特性。缺点：凝固收缩较大，容易出现缩松与缩孔，熔铸工艺要求高，铁也成分要求严格，因此它的消振能力也比灰口铁低。4.4.2铸铁2.球墨铸铁的牌号及用途用“球铁”二字的汉语拼音的首写字母“QT”加两组数字表示，第一组数字代表最低抗拉强度(单位为MPa)；第二组数字代表最低延伸率(%)。如：QT600-3表示抗拉强度σb≥600MPa,δ≥3%.4.4.2铸铁4.4.2铸铁3.球墨铸铁的热处理

①退火■去应力退火将铸铁加热到500-6000C，保温2-8h，缓慢冷却后，铸件内应力基本可以消除。■低温退火和高温退火

使渗碳体分解，获得铁素体基体，消除应力，提高塑性和韧性，改善其加工性。低温退火：将铸铁加热到700-7600C，保温2-8h，使珠光体中渗碳体分解，然后随炉缓冷指6000C左右，出炉空冷。球墨铸铁加热温度略高些、保温时间长些、加热速度和冷却速度要慢些.为了获得铁素体基体，提高塑性和韧性。4.4.2铸铁高温退火：将铸铁加热到900-9500C，保温2-5h，使渗碳体分解，然后随炉缓冷指6000C左右，出炉空冷。球墨铸铁高温石墨化退火

高温石墨化两段退火

低温石墨化退火4.4.2铸铁②正火-获得F+P型或P型球墨铸铁

正火的目的是为了得到以珠光体为主的基体组织，细化晶粒，提高球墨铸铁的强度、硬度和耐磨性。低温正火：将铸件加热到820-8600C，保温1-4h，使基体组织部分奥氏体化，然后出炉空冷，获得以F+P为基体组织的球墨铸铁，铸件塑性和韧性较好，但强度较低。高温正火：高温正火又称完全奥氏体化正火，其工艺上将铸件加热至880-9500C，保温1-3h（使基体组织全奥氏体化），然后出炉空冷，以得到珠光体基体的球墨铸铁，提高强度、硬度和耐磨性。正火后应进行一次消除应力退火。4.4.2铸铁（3）调质处理将铸件加热到860-9200C，保温2-4h后油中淬火，然后在550-6000C回火2-4h，得到回火索氏体加球状石墨的组织，具有良好的综合力学性能，用于受力复杂和综合力学性能要求高的重要铸件，如曲轴与连杆等。（4）等温淬火将铸件加热到850-9000C，保温后迅速放入250-3500C的盐浴中等温60-90min，然后出炉空冷，获得下贝氏体加球状石墨的组织，综合力学性能较高，用于形状复杂，热处理变形开裂，要求强度高、塑性和韧性好、截面尺寸不大的零件。4.4.2铸铁三、常用铸铁材料（3.可锻铸铁）1.可锻铸铁的成分、组织、性能

■可锻铸铁的成分

WC2.2～2.8%,WSi1.2～1.8%,WS<0.1%，WMn0.4～1.2%,WP<0.2%。

■可锻铸铁的分类

（1）铁素体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）；珠光体可锻铸铁

（2）白心可锻铸铁，氧化性介质中经石墨化退火制的，在我国很少用。■可锻铸铁的性能

较高的强度，低温冲击性能较好，耐磨性和减振性优于碳素结构钢；切削性能与灰铸铁接近。特别是塑性(延伸率δ可达12%)比灰铸铁高得多，有一定的塑性变形能力，因而得名可锻铸铁(或展性铸铁，又称为马铁)，实际上不能锻造。可锻铸铁是先将铁水浇铸成白口铸铁，然后经石墨化退火，使游离渗碳体发生分解形成团絮状石墨的一种高强度灰口铸铁。4.4.2铸铁2.可锻铸铁的牌号及用途

可锻铸铁的牌号用“可铁”两字汉语拼音的首写字母“KT”表示。“KTH”、“KTZ”、“KTB”分别代表“黑心(铁素体)可锻铸铁”、“珠光体可锻铸铁”和“白心可锻铸铁”，随后两组数字分别表示最低抗拉强度(单位为MPa)和最低延伸率值(%)。如：KTH370-12，表示：σb≥370MPa,δ≥12%.4.4.2铸铁4.4.2铸铁三、常用铸铁材料（4.蠕墨铸铁）1.蠕墨铸铁的成分、组织、性能

■蠕墨铸铁的成分

C=3.5%～3.9%、Si=2.2%～2.8%、Mn=0.4%～0.8%、S<0.1%，P<0.1%。

■蠕墨铸铁铸铁的组织

铁素体、珠光体、铁素体+珠光体基体。

■蠕墨铸铁的性能

强度、韧性、疲劳强度、耐磨性及耐热疲劳性比灰铸铁高，断面敏感性也小，塑性、韧性都比球墨铸铁低。铸造性、减振性、导热性及切削加工性优于球墨铸铁，抗拉强度接近于球墨铸铁。在相同的蠕化率时，随基体中珠光体量增加，铁素体量减少，则强度增加而塑性降低。是在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂和孕育剂所获得的石墨形似蠕虫状的铸铁。蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。减震性、铸造性能、导热性优于球墨铸铁，切削加工性比灰铸铁差。4.4.2铸铁2.蠕墨铸铁的牌号及用途

蠕墨铸铁的牌号由“RuT+数字”组成。其中“RuT”表示是蠕墨铸铁，数字表示最小抗拉强度值（MPa）。

RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260

应用—承受循环热应力的零件，汽缸和缸盖，气缸套，钢锭模，液压阀等。如：RuT420，表示σb≥420MPa的蠕墨铸铁.4.4.2铸铁4.4.2铸铁3.蠕墨铸铁的热处理

①正火-目的是增加珠光体量，提高强度和耐磨性。全奥氏体化正火

两阶段低碳奥氏体正火

4.4.2铸铁

②退火-目的是获得85%以上的铁素体基体或消除薄壁处的自由渗碳体。铁素体化退火

消除渗碳体退火

4.4.2铸铁三、常用铸铁材料（5.合金铸铁）1.耐磨铸铁①减摩铸铁

用于润滑条件下工作的零件，如机床导轨，汽缸套及轴承等；减摩铸铁的组织应为软基体上分布有坚硬的强化相。软基体在磨损后形成的沟槽可储存润滑油，而坚硬的强化相可起支撑作用。细层状珠光体灰铸铁就能满足这一要求，其中铁素体为软集体，渗碳体为强化相，同时石墨也起着贮油和润滑的作用。■珠光体基体的灰铸铁：良好的减摩性。■高磷铸铁：耐磨性显著提高。在铸铁熔炼时有意加入一些合金元素，从而改善物理、化学和力学性能或获得某些特殊性能的铸铁。4.4.2铸铁②抗磨铸铁

用于无润滑、干摩擦的零件，例如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球墨机衬板和磨球等。抗磨铸铁的组织应具有均匀的高硬度。普通白口铸铁就是一种抗磨性高的铸铁，但其脆性大，不宜作承受冲击的零件。在有冲击的场合可使冷硬铸铁，其生产方法是：在造型时，在铸件要求抗磨的部位作成金属型，其余部位用砂型，使其要求抗磨处得到白口组织而其余部位韧性较好，可承受一定的冲击。■冷硬铸铁：较高的强度和耐磨性，又能承受一定的冲击■抗磨白口铸铁：具有一定的韧性和更高的硬度和耐磨性■中锰球墨铸铁：具有更高的耐磨性和耐冲击性，强度和韧性也得到进一步的改善。4.4.2铸铁2.耐热铸铁

①铸铁的耐热性：抗氧化，抗热生长■热生长：即铸铁在高温下体积产生不可逆的胀大现象，严重时可胀大10%左右■原因氧化性气体渗入铸铁内形成体积大的氧化物；渗碳体分解出密度小而体积大的石墨；铸铁基体组织发生的相变；→零件变形、翘曲、产生裂纹甚至破裂。②提高耐热性的途径

■加入Si、Al、Cr→保持为单相的铁素体；■形成稳定、致密和牢固的氧化膜→抗氧化和抗热生长■加入Ni、Mn、Cu，易得到单相奥氏体基体，不发生相变。■加入Cr、V、Mo，使碳化物在高温下不发生石墨化过程，■

Cr和Ni还可以使石墨细化和球化，独立分布，互不相连，不构成氧化性气体渗入铸铁的通道。耐热铸铁是指在高温下使用，具有抗氧化性或抗生长性能符合使用要求的铸铁。4.4.2铸铁3.耐蚀铸铁

耐蚀铸铁不仅具有一定的力学性能，还要求在腐蚀性介质中工作时有较高的耐腐蚀能力。加入Si、Al、Cr、Mo、Ni、Cu等，在铸件表面形成连续的、牢固的、致密的保护膜，并可提高铸铁基体的电极电位，还可使铸铁得到单相铁素体或奥氏体基体，提高其耐蚀性。用来制作经常在大气、海水及酸、碱、盐等介质中工作的管道、阀门、泵类、容器等零件。4.4.2铸铁4.5.1铝及铝合金4.5.2铜及铜合金4.5.3其他非铁金属材料4.5.4滑动轴承合金4.5.5粉末冶金材料4.5有色金属及其合金名称纯度用途高纯铝99.93%-99.99%科学研究、制作电器工业高纯铝98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金纯铝呈银白色，是地壳中蕴藏量最丰富的元素之一，约占全部金属元素的1/3.铝是一种轻金属，面心立方晶格、无同素异晶转变，具有许多优良的性能。纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时，会使性能下降。

4.5.1铝及铝合金1、工业纯铝熔点低、密度小:熔点6600C，易于铸造成形。纯铝的密度只有2.7g/m3，仅为铁的1/3，比强度高于铁。良好的导电性和导热性。铝的电导性仅次于金银铜，其电导率是铜的60%。优良的加工工艺性能。纯铝的强度、硬度低σb=80-100MPa，20HBS，塑性、韧性很好δ=50%，ψ=80%，可进行各种冷、热加工。纯铝经冷变形强化后，强度，弹塑性下降。良好的耐大气腐蚀能力。纯铝和痒的亲和力很大，在空气中会生成致密的Ai2O3薄膜，有效阻止铝的进一步氧化。

4.5.1铝及铝合金铝（铝合金）的特点纯铝的强度低，不能用作结构材料铝合金铝含量不低于99%为纯铝，其牌号按GB/T16474-1996的规定，用1XXX表示。牌号最后两位数字表示铝的最低百分含量，第二位字母表示原始纯铝的改型情况，如1Al35，表示wAl=99.35%的纯铝。工业纯铝是wAl=99.00%-99.80%的纯铝，杂质元素是Fe，Si等，其含量越多，电导性，热导性，耐蚀性和塑性越差。加入Si，Cu，Mn，Mg等合金元素，可形成具有较高强度的铝合金。铝合金的比强度高，耐蚀性和切削加工性好，广泛用于航空工业。

4.5.1铝及铝合金3（1）铝合金的分类

根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金不可热处理强化铝合金——防锈铝可热处理强化铝合金——硬铝、超硬铝和锻铝

（1）

变形铝合金（2）

铸造铝合金具有共晶组织，塑性较差，但熔点低，流动性好

4.5.1铝及铝合金

2、铝合金(1)铝合金的时效强化2.铝合金的热处理

固溶处理+时效处理铝合金固溶处理后，得到过饱和的α固溶体，强度和硬度不会明显升高，塑性会显著提高。但这种组织是不稳定的，经时效处理，细小弥散分布的第二相析出，强度和硬度显著升高，塑性下降。将铝合金加热到α相区，经保温第二相溶解形成单相α固溶体后，水冷至室温，得到过饱和的α固溶体——固溶处理。将经过固溶热处理的合金，在常温放置（自然时效）或在较高温度保温（人工时效），第二相从过饱和固溶体中缓慢析出，使铝合金的强度、硬度明显提高。这种固溶处理后的铝合金随时间延长而发生硬化的现象，称为时效（时效强化）。

4.5.1铝及铝合金4下图是铝合金自然时效曲线。自然时效过程是一个逐渐变化的过程，在时效初始阶段（孕育期），强度和硬度变化不大，塑性较好，容易进行各种冷变形加工。孕育期后，强度、硬度迅速增加，随后又趋于稳定。

4.5.1铝及铝合金4下图是人工时效温度对强度的影响。时效温度高，时效速度快。但时效温度过高，合金会出现软化现象，称为时效处理。

4.5.1铝及铝合金(2)回归处理

将已强化的铝合金重新加热，经保温后在水中急冷，使合金恢复到固溶后的状态，这种处理方法叫回归处理。可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。

(3)退火

铸造铝合金退火消除内应力及成分偏析，稳定组织。变形铝合金退火消除变形加工中出现的加工硬化现象，改善其加工工艺性。

4.5.1铝及铝合金(1)变形铝合金的分类、代号与牌号3.变形铝合金分类：防锈铝合金(LF)、硬铝合金(LY)、超硬铝合金(LC)及锻铝合金(LD)。

四位数字体系和四位字符体系：如3A21

、2A01等代号与牌号：(2)常用的变形铝合金①不能热处理强化的铝合金用“铝”和“防”二字的汉语拼音第一个字母

“L”和“F”加顺序号表示，如五号防锈铝用LF5(5A05)表示。

防锈铝（铝-镁系合金）（铝-锰系合金）

4.5.1铝及铝合金●Al-Mn系合金如3A21(LF21)

●Al-Mg系合金如5A05(LF5)、5A11(LF11)

●Al-Zn-Mg-Cu系合金

②能热处理强化的铝合金防锈铝优良的抗腐蚀，良好的塑性与焊接性，适宜压力加工和焊接。力学性能较低，可用冷加工方法使其强化。切削加工工艺性能差，故适用制作焊接管道、容器、铆钉以及其它冷变形零件。

硬铝（铝-铜-镁系合金）

4.5.1铝及铝合金用“铝”和“硬”二字的汉语拼音首字母“L”和“Y”加顺序号表示，如12号硬铝用LY12(2A12)表示。

硬铝有强烈的时效强化作用，经时效处理后具有很高的硬度、强度，具有优良的加工工艺性能，可以加工成板、棒、管、线、型材及锻件等半成品，广泛应用在航空，汽车和机械中。铆钉硬铝典型牌号2A01(LY1)、2A10(LY10)

标准硬铝典型牌号2A11(LY11)

高强度硬铝典型牌号2A12(LY12)超硬铝用“铝”和“超”二字的汉语拼音首字母“L”和“C”加顺序号表示，如4号超硬铝用LC4(7A04)表示。（铝-锌-铜系合金）

4.5.1铝及铝合金超硬铝合金是目前室温强度最高的一类铝合金，其强度达500～700MPa，超过高强度的硬铝LY12合金(400-430MPa)。（抗蚀性差，高温下软化快）应用在航空飞机大梁，起落架等承受重载的零部件。用“铝”和“锻”二字的汉语拼音首字母“L”和“D”加顺序号表示，如5号锻铝用LD5(2A50)表示。锻铝（铝-镁-硅-铜系合金）锻铝合金具有优良的耐蚀性和良好的塑性，适用于锻造成形，主要用作制作外形复杂的锻件。如：内燃机活塞、风扇轮等。锻铝合金通常要进行固溶处理和人工时效。

4.5.1铝及铝合金4.铸造铝合金

铸造铝合金的代号用“铸铝”二字的汉语拼音首写字母“ZL”加三位数字表示第一位数表示合金系别：1为铝硅系合金；2为铝铜系合金；3为铝镁系合金；4为铝锌系合金。第二、三位数字表示合金的顺序号。如ZL111表示11号铝硅系铸造铝合金。(1)铸造铝合金的分类、代号及牌号

铸造铝合金的牌号是由“Z+基体金属的化学元素符号+合金元素符号+数字”组成。如ZA1Si12表示wsi≈12%的铸造合金。

4.5.1铝及铝合金ZL101、ZL102、

ZL104、ZL105、

ZL107具有流动性好、收缩小、熔点低、热裂倾向小、密度小、耐蚀性和耐热性好的特点，主要用于制作强度要求不高、形状复杂的铸件，如仪表的壳体和汽缸体等一些承受低载荷的零件。

铝-硅铸造合金ZL201ZL202ZL203耐热性高，其高温强度随铜含量的增加而提高，而合金的铸缩率和形成裂纹的趋向则减小。由于铜含量增加，使合金的脆性增加，故铜含量一般不超过14％。ZAlCu5Mn铸造铝合金强度较高、塑性较好、耐热性好，但铸造性能及耐蚀性较低。可用于制作3000C以下工作、形状不复杂的零件，如内燃机气缸头、活塞等。

铝-铜铸造合金(2)常用的铸造铝合金

4.5.1铝及铝合金ZAlMg10铸造铝合金强度较高、密度小、有良好的耐蚀性，但铸造性能不好、耐热性差。常用语制作受冲击、在腐蚀介质中工作，外形不复杂的零件，如氨用泵体。ZL301ZL302ZL303ZAlZn11Si7铸造铝合金铸造性能优良、价格低、强度较高，但抗蚀性差，热裂倾向大。常用语制作结构形状复杂的汽车、飞机、仪器零件，也可制造日用品。ZL401ZL402

4.5.1铝及铝合金铝-镁铸造合金铝-锌铸造合金

4.5.1铝及铝合金

4.5.1铝及铝合金

纯铜为紫色，又称紫铜。工业纯铜分为4种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。工业纯铜除配制铜合金和其他合金外，主要用于电器工业，制造电线、电缆、电刷、铜管、散热器、冷凝器、通信器材以及抗磁、防磁仪器等。纯铜的强度低，不宜用作结构材料工业纯铜的纯度为99.9%-99.5%4.5.2铜及铜合金1、工业纯铜铜的熔点10830C，密度为8.96g/cm3，色泽美观。良好的加工工艺性能。纯铜的强度、硬度不高（σb=200-500MPa，40HBS），塑性、韧性很好（δ=45%-50%），容易冷、热成形。纯铜经冷变形强化后，抗拉强度σb=400-500MPa，但塑性下降至δ=5%。极佳的电导性和热导性。具有抗磁性。良好的耐蚀性。纯铜具有良好的抗大气和海水腐蚀的能力。4.5.2铜及铜合金铜及铜合金的特点铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。

黄铜以Zn为主要合金元素。良好的加工性能，良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。分普通黄铜和特殊黄铜。

青铜以Sn为主要合金元素。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。

白铜以Ni为主要合金元素。具有较好的强度和塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。1.铜合金的分类4.5.2铜及铜合金

铜合金按化学成分按生产方式

加工铜合金

铸造铜合金

2.黄铜

(1)普通黄铜(铜锌二元合金)①Zn的质量分数的影响Zn<32%时，强度和塑性都随Zn的增加而提高；Zn=30%～32%时塑性最高；Zn>32%时，塑性下降；Zn=40%～45%时，强度最高；Zn>45%时，塑性和强度均急剧下降。4.5.2铜及铜合金②普通黄铜的代号及牌号H62表示Cu的平均质量分数为62%，其余为Zn的普通加工黄铜。ZCuZn38，其含义是wZn≈38%，其余为Cu的铸造黄铜。H80金色黄铜，装饰件，薄管。H62

、H59强度较高，作零件，标准件，焊接件，冲压件。H96冷凝管、热交换器、散热器，计算机插件等。

H70“三七黄铜”弹壳、套管和复杂深冲零件(H68)。③普通黄铜的用途4.5.2铜及铜合金(2)特殊黄铜

①合金元素的影响

Pb——改善切削加工性和耐磨性；Si——改善铸造性能，提高强度和耐蚀性；A1——提高强度、硬度和耐蚀性；Sn、Al、Si、Mn——提高耐蚀性，减少应力腐蚀破裂。②特殊黄铜的代号、牌号与应用HSn62-1表示wCu≈62%，wSn≈1%，其余为Zn的加工锡黄铜。ZCuZn40Mn3Fe1，表示wZn≈40%、wMn≈3%wFe≈1%、其余为Cu的铸造特殊黄铜。4.5.2铜及铜合金☆Pb黄铜：HPb60-1切削性能好，耐磨性好——钟表零件☆Sn黄铜：HSn90-1HSn62-1耐蚀性好

——船舶零件。海军黄铜☆Al黄铜：HAl77-2HAl60-1-1耐蚀性好，强度和硬度高——船舶零件，机械及电机零件。☆Si黄铜HSi80-3

耐蚀性好，机械性能好，切削性好，耐磨性好——船舶零件，机械及化工零件其它还有锰黄铜，铁黄铜，镍黄铜。主要用于船舶零件4.5.2铜及铜合金消除加工黄铜的加工硬化现象。(3)黄铜的热处理①去应力退火：将黄铜制件加热到200～300℃，保温后缓冷。消除应力，防止应力腐蚀破裂及切削加工后的变形。②再结晶退火：一般是将黄铜制件加热到500～700℃，保温后缓冷。3.青铜（分为锡青铜和无锡青铜）

(1)青铜的代号及牌号

加工青铜的代号如QSn4-3表示平均wSn≈4%、wZn≈3%，其余为Cu的加工锡青铜。4.5.2铜及铜合金

铸造青铜的牌号如ZCuSn10Zn1，表示平均wSn≈10%、wZn≈1%，其余为Cu的铸造锡青铜。(2)普通青铜(锡青铜)①Sn的质量分数的影响Sn<7%时，强度、塑性随着

Sn的增加而增大；Sn>7%以后，强度继续升高，塑性急剧下降；wSn>20%时，合金变脆，强度显著降低4.5.2铜及铜合金②锡青铜的性能及用途QSn4-3,QSn6.5-0.1,

耐蚀性优于黄铜，铸造性好，耐磨性好，有弹性用于造船、化工、机械、仪表中的耐磨件，耐蚀件、弹性元件，抗磁件。(3)特殊青铜(无锡青铜)☆铝青铜

QAl9-4QAl7耐蚀性优于黄铜和锡青铜

，铸造性和耐磨性优于锡青铜，力学性能好。QAl10-3-1.5飞机、船舶用高强度、高耐磨抗蚀零件QAl9-4船舶及电气零件，耐磨件

4.5.2铜及铜合金☆铍青铜耐蚀性、耐磨性、弹性、抗磁性、抗疲劳都很好，耐寒，冲击无火花。QBe2重要的弹簧及弹性元件、耐磨件、高压高速高温轴承，防爆工具，钟表件。

☆硅青铜耐蚀件、弹簧、涡轮