第六章 金屬材料

1、第一節(jié) 概述第二節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié) 合金工具鋼第四節(jié) 特殊性能鋼第五節(jié) 鋼的火花鑒別 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 工業(yè)上較多地使用合金鋼大約是在19世紀(jì)后半期，先后發(fā)明了自硬鋼、鉻鋼、鎳鋼和高速工具鋼，適應(yīng)了社會生產(chǎn)力發(fā)展的要求。 20世紀(jì)20年代后，冶金技術(shù)取得了快速發(fā)展，耐熱鋼、高強度鋼和超高強度鋼等不斷問世，隨著冶金新技術(shù)，特別是爐外精煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，合金鋼開始向高純度、高精度和超低碳的方向發(fā)展。目前國際上合金鋼的產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的10%，是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)大量使用的重要金屬材料。一、合金元素在鋼中的主要作用一、合金元素在鋼中的主要作用1. 1. 強化鐵素體強化鐵素體 由于合金元素與鐵

2、的晶格類型和原子半徑的差異，引起鐵素體的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化作用，使鐵素體的強度、硬度提高，塑性和韌性下降。2. 2. 形成合金碳化物形成合金碳化物 錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈦等元素能與碳形成碳化物。根據(jù)合金元素與碳的親和力不同，它們在鋼中形成的碳化物可分為合金滲碳體和特殊碳化物兩類。3. 3. 細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒 幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。4. 4. 提高鋼的淬透性提高鋼的淬透性 除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，從而減小淬火臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。5. 5. 提高鋼的回

3、火穩(wěn)定性提高鋼的回火穩(wěn)定性 合金鋼在回火過程中，由于合金元素的阻礙作用，使馬氏體不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集長大，而保持較大的彌散度，所以鋼在回火過程中硬度下降較慢。二、合金鋼的分類二、合金鋼的分類1. 1. 按用途分類按用途分類 合金結(jié)構(gòu)鋼：用于制造機械零件和工程結(jié)構(gòu)的合金鋼。 合金工具鋼：用于制造各種工具的合金鋼。 特殊性能鋼：具有某種特殊物理、化學(xué)性能的合金鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。2. 2. 按合金元素總含量分類按合金元素總含量分類 低合金鋼：合金元素總含量小于5%。 中合金鋼：合金元素總含量為5%10%。 高合金鋼：合金元素總含量大于10%。第一節(jié)第一節(jié) 概述

4、概述 第二節(jié)第二節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼實物a）奧運“鳥巢” b）變速齒輪c）機床絲杠 如圖所示，奧運“鳥巢”屬于大型工程構(gòu)件，變速齒輪和機床絲杠屬于機械零件。它們的工作條件和性能要求各不相同，應(yīng)選擇不同類型的金屬材料制造。 那么，什么樣的材料能滿足需要呢？一、低合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼1. 1. 成分及性能特點成分及性能特點 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的含碳量較低，加入的主要合金元素是錳（Mn）、硅（Si）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）等。錳和硅的主要作用是對鐵素體起固溶強化作用，以提高鋼的強度。2. 2. 熱處理特點熱處理特點 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼大多數(shù)是在熱軋退火或正火狀態(tài)下使用

5、，一般不再進(jìn)行熱處理。3. 3. 常用牌號和用途常用牌號和用途常用的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能和用途二、合金滲碳鋼二、合金滲碳鋼1. 1. 成分及性能特點成分及性能特點2. 2. 熱處理特點熱處理特點3. 3. 常用牌號和用途常用牌號和用途常用合金滲碳鋼的牌號、力學(xué)性能和用途 為改善切削加工性能，預(yù)備熱處理應(yīng)采用正火，為保證表面的高硬度和高耐磨性，合金滲碳鋼的最終熱處理應(yīng)采用滲碳后淬火再低溫回火。 合金滲碳鋼的含碳量為0.10%0.25%，可保證心部有足夠的塑性和韌性。加入鉻、鎳等合金元素可提高鋼的淬透性，加入釩、鈦等合金元素主要是為了防止在高溫滲碳過程中晶粒長大。三、合金調(diào)質(zhì)鋼三、合

6、金調(diào)質(zhì)鋼1. 1. 成分及性能特點成分及性能特點2. 2. 熱處理特點熱處理特點3. 3. 常用牌號和用途常用牌號和用途 這類鋼的含碳量一般為0.25%0.50%。合金調(diào)質(zhì)鋼中常加入少量鉻、錳等合金元素使鐵素體強化并提高韌性。加入少量鉬、釩等碳化物形成元素，可阻止奧氏體晶粒長大。 為改善鍛造后的組織、消除鍛造內(nèi)應(yīng)力和改善切削加工性能，合金調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)備熱處理應(yīng)采用正火或退火。常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號、力學(xué)性能和用途四、合金彈簧鋼四、合金彈簧鋼1. 1. 成分及性能特點成分及性能特點2. 2. 分類及熱處理特點分類及熱處理特點3. 3. 常用牌號和用途常用牌號和用途常用合金彈簧鋼的牌號、力學(xué)性能和用途

7、 （1）冷成形彈簧 當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度小于或等于10mm 時，常采用冷成形加工（冷纏、冷卷或冷繞成形）。 （2）熱成形彈簧 當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度大于10mm時，采用熱成形加工。 合金彈簧鋼的含碳量一般為0.45%0.70%，含碳量過高，塑性和韌性降低，疲勞強度也下降。合金彈簧鋼中常加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。五、滾動軸承鋼五、滾動軸承鋼1. 1. 成分及性能特點成分及性能特點2. 2. 熱處理特點熱處理特點3. 3. 常用牌號和用途常用牌號和用途常用滾動軸承鋼的牌號、熱處理和用途 預(yù)備熱處理采用球化退火，以降低鍛造后鋼的硬度，為淬火做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理為淬火加低溫回火，目的是提

8、高軸承的硬度和耐磨性。 滾動軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強度、足夠的韌性和一定的耐腐蝕性。滾動軸承常用合金結(jié)構(gòu)鋼中外牌號對照 第三節(jié)第三節(jié) 合金工具鋼合金工具鋼 車刀和銑刀是高速切削刀具，工作時由于受到復(fù)雜的切削力作用，其刃部與工件之間產(chǎn)生強烈的摩擦，使切削刃磨損并發(fā)熱，切削量越大，刃部溫度越高，會使刃部硬度降低，甚至喪失切削能力。另外，車刀和銑刀還承受沖擊載荷與振動。 因此，要求制造車刀和銑刀的材料除了具有高的硬度和刃磨性，足夠的強度和韌性外，還必須在高溫下具有高的熱硬度。一、合金刃具鋼一、合金刃具鋼1. 1. 低合金刃具鋼低合金刃具鋼 （1）成分及性能特點 低合金

9、刃具鋼的含碳量一般為0.75%1.5%，保證淬火后具有高的硬度和耐磨性。低合金刃具鋼與碳素工具鋼相比提高了淬透性。低合金刃具鋼經(jīng)熱處理后具有高的硬度、足夠的強度和韌性等。 （2）熱處理特點 低合金刃具鋼的預(yù)備熱處理采用球化退火，若組織中網(wǎng)狀碳化物較多，球化退火前應(yīng)先正火消除網(wǎng)狀碳化物。為獲得所需要的力學(xué)性能，最終熱處理采用淬火加低溫回火。 （3）常用牌號和用途常用低合金刃具鋼的牌號、硬度和用途2. 2. 高速鋼高速鋼（1）成分及性能特點 高速鋼中含碳量較高（0.7%1.5%），并含有大量的鎢、鉻、釩、鉬等強碳化物形成元素。高含碳量是為了保證形成足夠量的合金碳化物，并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性

10、。 高速鋼具有高熱硬性、高耐磨性和足夠的強度，高速鋼的熱硬性可達(dá)600，切削時能長期保持刃口鋒利，故又稱鋒鋼。（2）熱處理特點 高速鋼只有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蟛拍塬@得較好的組織和性能。為改善切削加工性能，并為淬火做好組織準(zhǔn)備，預(yù)備熱處理一般采用球化退火。高速鋼(W18Cr4V) 的熱處理工藝曲線（3）常用牌號和用途常用高速鋼的牌號、含碳量、熱處理、硬度和用途二、合金模具鋼二、合金模具鋼1. 1. 冷作模具鋼冷作模具鋼冷作模具（1）成分及性能特點 冷作模具鋼的成分特點是高碳、高鉻，高碳保證獲得高硬度和高耐磨性，加入一定量的鉻、錳等元素是為了提高淬透性。這類鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、足夠的強度和韌性

11、。（2）熱處理特點 為減小內(nèi)應(yīng)力，冷作模具鋼的預(yù)備熱處理選用等溫球化退火。最終熱處理一般采用淬火加低溫回火。（3) 常用牌號和用途 冷作模具鋼的牌號表示方法與低合金刃具鋼相同。小型冷作模具可用碳素工具鋼、低合金刃具鋼和滾動軸承鋼制造。2. 2. 熱作模具鋼熱作模具鋼熱作模具（1）成分及性能特點 熱作模具鋼一般為中碳合金鋼，具有良好的強度、硬度和韌性。加入合金元素鉻、鎳、錳、硅等是為了強化鋼的基體和提高鋼的淬透性。加入鋁、鎢、釩等元素是為了細(xì)化晶粒，提高鋼的回火穩(wěn)定性和耐磨性。（2）熱處理特點 熱作模具鋼的預(yù)備熱處理一般采用退火。最終熱處理是淬火后中溫或高溫回火。（3）常用牌號和用途 熱作模具鋼

12、牌號的表示方法與低合金刃具鋼相同。3. 3. 塑料模具鋼塑料模具鋼（1）性能特點 塑料模具鋼的工作溫度均不超過250，由于其在工作時會持續(xù)受熱、受壓，并受到一定程度的摩擦和有害氣體的腐蝕，因此要求塑料模具鋼在200左右具有足夠的強度和韌性，并具有較高的耐磨性和耐腐蝕性。（2）常用牌號和用途塑料模具鋼的牌號和用途三、合金量具鋼三、合金量具鋼常用量具1. 1. 性能特點性能特點 量具必須具備極高的尺寸精度和穩(wěn)定性，因而量具的工作部分一般要求具有高硬度、高耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。2. 2. 熱處理特點熱處理特點 合金量具鋼經(jīng)淬火后要在150170下長時間低溫回火，以穩(wěn)定尺寸。對精密量具，

13、淬火后要進(jìn)行冷處理，然后再進(jìn)行長時間的低溫回火。3. 3. 常用合金量具鋼的牌號和用途常用合金量具鋼的牌號和用途量具鋼的應(yīng)用實例 第四節(jié)第四節(jié) 特殊性能鋼特殊性能鋼挖掘機 挖掘機主要用于各種工程土料的挖掘和裝載等作業(yè)，其工作條件十分復(fù)雜和具有不確定性，履帶和鏟斗承受強烈的磨損和沖擊，要求具有很高的強度、韌性和耐磨性，一般鋼材難以滿足這一要求，這就需要選擇一種具有特殊性能的材料特殊性能鋼來滿足上述要求。一、不銹鋼一、不銹鋼1. 1. 成分特點成分特點 隨著不銹鋼中含碳量的增加，其強度、硬度和耐磨性提高，但耐腐蝕性下降，因此，大多數(shù)不銹鋼的含碳量都較低。不銹鋼還具有良好的耐腐蝕性。2. 2. 常用

14、不銹鋼的牌號和用途常用不銹鋼的牌號和用途 不銹鋼牌號的表示方法：只規(guī)定含碳量上限者，當(dāng)鋼中含碳量上限不大于0.10% 時，以其上限的3/4表示含碳量；當(dāng)含碳量上限大于0.10% 時，以其上限的4/5表示含碳量，用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)。 常用不銹鋼的牌號和用途1.1. 成分特點成分特點（1）抗氧化鋼 抗氧化鋼是在高溫下具有較好的抗氧化能力且具有一定強度的鋼?？寡趸撝屑尤氲暮辖鹪貫殂t、硅、鋁等，它們在鋼表面形成致密的氧化膜，從而避免了鋼的進(jìn)一步氧化。（2）熱強鋼 熱強鋼是在高溫下具有良好抗氧化能力且具有較高的高溫強度的鋼。為了提高鋼的抗氧能力和高溫強度，常在鋼中加入鉻、鎢等合金元素

15、。2. 2. 常用牌號和用途常用牌號和用途耐熱鋼的常用牌號和用途二、耐熱鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼三、耐磨鋼1. 1. 高錳鋼的成分及性能特點高錳鋼的成分及性能特點2. 2. 高錳鋼的熱處理特點高錳鋼的熱處理特點3. 3. 高錳鋼的常用牌號和用途高錳鋼的常用牌號和用途常用特殊性能鋼中外牌號對照 為了使高錳鋼獲得單相奧氏體組織，應(yīng)進(jìn)行水韌處理，即將鋼加熱到10001100，保溫一定時間，使鋼中碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室溫下獲得均勻單一的奧氏體組織。 高錳鋼的含碳量為0.9%1.4%，含錳量為11% 14%，高碳保證了鋼的耐磨性和強度，高錳保證了與碳配合完全獲得奧氏體組織，提高加工硬化能力。第

16、一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第五節(jié)第五節(jié) 鋼的火花鑒別鋼的火花鑒別一、火花鑒別的原理及火花組成一、火花鑒別的原理及火花組成1 1火花鑒別的原理火花鑒別的原理 在旋轉(zhuǎn)著的砂輪上打磨鋼試件，試件上脫落下來的鋼屑在慣性力作用下飛濺出來，形成一道道或長或短的火花射線。根據(jù)試件與砂輪的接觸壓力不同、鋼的成分不同, 火花射線也各不一樣。飛濺的鋼屑達(dá)到高溫時，鋼和鋼中的伴生元素在空氣中燒掉。因為碳的氧化物CO和CO2是氣體，這些小的赤熱微粒在離開砂輪一定距離時產(chǎn)生類似于爆炸的現(xiàn)象，于是便爆裂成火花，所以可根據(jù)流線和火花的特征來鑒別鋼材的成分。2 2火花的組成火花的組成（1）火束（2）流線流線形狀示意圖（3）節(jié)點與芒線（4）爆花與花粉爆花各種形式的示意圖（5）尾