第3章 金屬材料

1、鋼鋼非合非合金鋼金鋼低合低合金鋼金鋼合金鋼合金鋼普通質量非合金鋼普通質量非合金鋼優(yōu)質非合金鋼優(yōu)質非合金鋼特殊質量非合金特殊質量非合金鋼鋼普通質量低合金鋼普通質量低合金鋼優(yōu)質低合金鋼優(yōu)質低合金鋼特殊質量低合金特殊質量低合金鋼鋼優(yōu)質合金鋼優(yōu)質合金鋼特殊質量合金鋼特殊質量合金鋼工程用鋼工程用鋼 建筑、橋梁、船舶、車輛建筑、橋梁、船舶、車輛滲滲 碳碳 鋼鋼調調 質質 鋼鋼彈彈 簧簧 鋼鋼滾動軸承鋼滾動軸承鋼耐耐 磨磨 鋼鋼機器用鋼機器用鋼結結 構構 鋼鋼刃具鋼刃具鋼模具鋼模具鋼量具鋼量具鋼工工 具具 鋼鋼不銹鋼不銹鋼耐熱鋼耐熱鋼特特 殊殊 性性能能 鋼鋼擠壓模具擠壓模具中碳鋼中碳鋼 0.250.6%C

2、高碳鋼高碳鋼 0.6%C低碳鋼低碳鋼 0.25%C低合金鋼低合金鋼 合金元素總量合金元素總量 5%中合金鋼中合金鋼 合金元素總量合金元素總量 510%高合金鋼高合金鋼 合金元素總量合金元素總量 10%碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼平爐煉鋼平爐煉鋼平爐鋼平爐鋼轉爐鋼轉爐鋼電爐鋼電爐鋼 按按 爐爐 別別 分分珠光體鋼珠光體鋼貝氏體鋼貝氏體鋼馬氏體鋼馬氏體鋼鐵素體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼奧氏體鋼萊氏體鋼萊氏體鋼 按正火組織分按正火組織分亞共析鋼亞共析鋼共共 析析 鋼鋼過共析鋼過共析鋼 按退火組織分按退火組織分l脫氧方法符號脫氧方法符號: 沸騰鋼沸騰鋼F；鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼Z；半鎮(zhèn)靜鋼；半鎮(zhèn)靜鋼b；特；特殊鎮(zhèn)靜鋼殊鎮(zhèn)靜

3、鋼TZ。l如碳素結構鋼牌號表示為如碳素結構鋼牌號表示為Q235AF、Q235BZ。l*說明：說明：通常情況下，通常情況下，屈服強度值小屈服強度值小300MPa時時為碳素結構鋼，大于為碳素結構鋼，大于300MPa時為低合金高強時為低合金高強度鋼。度鋼。齒輪加工齒輪加工方鋼方鋼絲錐絲錐銼刀銼刀高速鋼高速鋼不標含碳量，如不標含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含含0.85%C).* 含鉻量小于含鉻量小于1%時，在含鉻時，在含鉻量量(以千分之一為單位以千分之一為單位)前加數(shù)前加數(shù)字字“0”，如，如Cr06。銅陵長江公路大橋銅陵長江公路大橋螺紋鋼螺紋鋼黃河小浪底樞紐工程黃河小浪底樞紐工程低合金高強鋼合金元素

4、細化晶粒作用低合金高強鋼合金元素細化晶粒作用l Mn的作用的作用是強化鐵素體；增加珠光體的量。是強化鐵素體；增加珠光體的量。l V、Ti、Nb等等起細化晶粒和彌散強化作用。起細化晶粒和彌散強化作用。 l 另外加另外加Cu、P可提高耐蝕性；加可提高耐蝕性；加RE可提高韌性、可提高韌性、疲勞極限，降低冷脆轉變溫度。疲勞極限，降低冷脆轉變溫度。南京長江大橋南京長江大橋滲碳爐滲碳爐滲碳件滲碳件高精密獨高精密獨立導柱立導柱滲碳淬火后的表層組織滲碳淬火后的表層組織柴油機凸輪軸柴油機凸輪軸用于受力小的耐用于受力小的耐磨件，如柴油機磨件，如柴油機的活塞銷、凸輪的活塞銷、凸輪軸等。軸等。增壓柴油機曲軸增壓柴油機

5、曲軸調質件（螺桿）調質件（螺桿）調質件（冷卻輪）調質件（冷卻輪）破碎機主軸破碎機主軸l為提高表面耐磨性，調質后可為提高表面耐磨性，調質后可進行表面淬火或氮化。進行表面淬火或氮化。調質處理車間調質處理車間(表面淬火表面淬火+低溫回火低溫回火)裝配裝配為表面淬火作組織準備；為表面淬火作組織準備；獲得最終心部組織獲得最終心部組織.表面：表面： M回回；心部：心部：S回回柴油機凸輪軸柴油機凸輪軸單缸汽車曲軸單缸汽車曲軸汽車彈簧汽車彈簧冷卷螺旋壓縮彈簧冷卷螺旋壓縮彈簧大型熱卷彈簧大型熱卷彈簧汽車板簧汽車板簧l1、l用于制造軸承套和滾動體的專用鋼種。用于制造軸承套和滾動體的專用鋼種。l軸承工作時軸承工作時

6、, , 承受接觸應力承受接觸應力( (達達30003500MPa)30003500MPa)、周期性交變、周期性交變圓柱滾圓柱滾子軸承子軸承自動調自動調心球軸承心球軸承推力球軸承推力球軸承滾針滾針軸承軸承l(wèi)Cr還提高耐磨性還提高耐磨性（形成合金滲（形成合金滲碳體）碳體）和耐蝕性。和耐蝕性。l當當1.65%Cr時時,會因會因A增加而增加而使硬度和穩(wěn)定性下降。使硬度和穩(wěn)定性下降。 M回回+顆粒狀碳化物顆粒狀碳化物+A(少量少量)l淬火后進行冷處理淬火后進行冷處理(- -60 - -80), 可以減可以減少少A、穩(wěn)定尺寸、穩(wěn)定尺寸. 軸承生產(chǎn)車間軸承生產(chǎn)車間滾針軸承滾針軸承滾柱軸承滾柱軸承滾珠軸承滾珠

7、軸承大型軸承大型軸承按用途分為按用途分為:刃具鋼刃具鋼模具鋼模具鋼量具鋼量具鋼模具模具切削加工切削加工l高碳高碳(0.651.35%C) 隨含碳量提高，碳化物隨含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但量增加，耐磨性提高，但韌性下降。韌性下降。 碳素工具鋼帶碳素工具鋼帶碳素工具鋼材料碳素工具鋼材料球狀珠光體球狀珠光體T12鋼正常淬火組織鋼正常淬火組織木工鑿木工鑿木工鉆木工鉆絲錐絲錐銼刀銼刀手鋸條手鋸條鉆頭鉆頭l由碳素工具鋼基礎上加入少量合金元素由碳素工具鋼基礎上加入少量合金元素(35)形成。形成。 低合金工具鋼制品低合金工具鋼制品絲錐絲錐板牙板牙低合金工具鋼扳手低合金工具鋼扳手l制造高速切削刃具

8、用鋼。制造高速切削刃具用鋼。高速鋼冷軋鋼帶高速鋼冷軋鋼帶W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織鋼的鑄態(tài)組織l加工工藝路線：加工工藝路線：下料下料鍛造鍛造退火退火機加工機加工淬火淬火回火回火磨削磨削打碎粗大的魚骨狀碳化物，使其均勻打碎粗大的魚骨狀碳化物，使其均勻分布于基體中。分布于基體中。W18Cr4V鋼的退火組織鋼的退火組織l淬火后組織：淬火后組織： M+未溶碳化物未溶碳化物(10%)+A (20%)W18Cr4VW18Cr4V鋼的淬火組織鋼的淬火組織Fe77W18Cr4V1C相圖相圖主要為減主要為減少少A。消除內應力、。消除內應力、穩(wěn)定組織。穩(wěn)定組織。l常用常用560三次回火三次回火.l回火時的組織變化

9、：回火時的組織變化： l 析出析出W、Mo、V高速鋼硬度與回火溫度關系高速鋼硬度與回火溫度關系銑刀銑刀高速鋼銑刀高速鋼銑刀汽車沖壓模具汽車沖壓模具 高碳高碳(1.42.3%C)； 高鉻高鉻(11.513%Cr)l合金元素作用：合金元素作用：l Cr 提高淬透性提高淬透性； Mo、V 提高耐磨性，細化提高耐磨性，細化晶粒晶粒。 Cr12鋼鋼常用鋼號常用鋼號為為Cr12和和Cr12MoV。用于制造。用于制造冷沖冷沖模模、擠壓模擠壓模等。等。l最終熱處理為最終熱處理為: 淬火淬火+低溫回火低溫回火l使用狀態(tài)下的組織使用狀態(tài)下的組織: M回回+顆粒顆粒狀碳化物狀碳化物+A(少量少量)汽車外板冷沖模汽車

10、外板冷沖模熱模鍛曲軸毛坯熱模鍛曲軸毛坯熱鐓模熱鐓模凸緣模凸緣模卡尺卡尺千分尺千分尺漸開線花鍵環(huán)漸開線花鍵環(huán)規(guī)、塞規(guī)規(guī)、塞規(guī)矩形花鍵環(huán)矩形花鍵環(huán)規(guī)、塞規(guī)規(guī)、塞規(guī)光面量規(guī)光面量規(guī)l 下限溫度淬火及冷處理。目的是減少下限溫度淬火及冷處理。目的是減少A。l 長時間低溫時效，以消除內應力，降低馬氏體長時間低溫時效，以消除內應力，降低馬氏體的正方度。的正方度。指指具有特殊物理、具有特殊物理、化學性能的鋼。化學性能的鋼。本節(jié)只介紹不銹本節(jié)只介紹不銹鋼和耐熱鋼。鋼和耐熱鋼。化工管道化工管道的腐蝕的腐蝕裂解管裂解管內壁的內壁的高溫腐高溫腐蝕減薄蝕減薄l金屬的腐蝕分金屬的腐蝕分化學腐化學腐蝕蝕和和電化學腐蝕電化學

11、腐蝕。 l工業(yè)發(fā)達國家每年金屬腐蝕工業(yè)發(fā)達國家每年金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失占造成的直接經(jīng)濟損失占GNP的的4%左右。中國每年腐蝕的損左右。中國每年腐蝕的損失至少到失至少到400億元以上億元以上.ZnZnZn-Cu原電池示意圖原電池示意圖珠光體腐蝕示意圖珠光體腐蝕示意圖電解液電解液晶間腐蝕晶間腐蝕l可焊性。高的塑韌性可焊性。高的塑韌性,無磁性。無磁性。 l熱處理：熱處理：采用采用固溶處固溶處理理。即加熱到。即加熱到1100使使碳化物溶解后水冷。碳化物溶解后水冷。l組織為組織為單相奧氏體單相奧氏體。不銹鋼不銹鋼帶帶1Cr17削片刀削片刀l 無無相變相變，不能進，不能進行熱處理強化。行熱處理強化。

12、l 組織組織：單相鐵素體單相鐵素體不銹鋼棒不銹鋼棒不銹鋼刀不銹鋼刀高溫合金中的高溫合金中的 析出相析出相高溫合金中的彎曲晶界高溫合金中的彎曲晶界裂紋中止于晶界顆粒狀析出物裂紋中止于晶界顆粒狀析出物渦輪機機殼渦輪機機殼汽輪機葉片汽輪機葉片過熱器管排過熱器管排過熱器集箱過熱器集箱挖掘機鏟齒挖掘機鏟齒鐵路轍岔鐵路轍岔（三）（三）顎式破碎機顎式破碎機挖掘機挖掘機L+GL+Fe3CPWC+Wsi(%)鑄件壁厚和碳硅含量對鑄鐵組織的影響鑄件壁厚和碳硅含量對鑄鐵組織的影響 l快冷時由快冷時由于過冷度于過冷度大，結晶大，結晶將按將按 Fe-Fe3C相圖相圖進行進行, 不利不利于石墨化于石墨化.SiC白口鑄鐵白

13、口鑄鐵灰口鑄鐵灰口鑄鐵麻口麻口鑄鑄鐵鐵共晶共晶碳、硅含量對鑄鐵石墨化的影響碳、硅含量對鑄鐵石墨化的影響l灰鑄鐵的基體組織有灰鑄鐵的基體組織有鐵素體鐵素體、珠光體珠光體和和鐵素體加珠光體鐵素體加珠光體三種。三種?？慑戣T鐵管件可鍛鑄鐵管件硅鐵硅鐵硅硅鈣鈣稀土鎂稀土鎂l為避免白口，并使石墨細小均為避免白口，并使石墨細小均勻，在球化處理同時還進行孕勻，在球化處理同時還進行孕育處理。育處理。 l常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。l球墨鑄鐵球墨鑄鐵可進行各可進行各種熱處理種熱處理,如如退火退火、正正火火、淬火加淬火加回火回火、等溫等溫淬火淬火等等。 制品制品(軋輥與輥環(huán)軋輥與輥環(huán))貝

14、氏體基球墨鑄鐵貝氏體基球墨鑄鐵 稀土硅鐵合金稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。稀土硅鐵鈣合金等。l蠕墨鑄鐵的組織：蠕墨鑄鐵的組織： 基體（基體（F、F+P、P）+ 蠕蟲狀蠕蟲狀G 蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵中的石墨玻璃模具玻璃模具l在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為鐵及其合金稱為黑色金黑色金屬屬，把其他非鐵金屬及，把其他非鐵金屬及其合金稱為其合金稱為有色金屬有色金屬。 同時把密度低于4.5103 kg/m3的金屬稱為輕金輕金屬屬。鋁合金制造的機翼鋁合金制造的機翼1l鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖。鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖。（1）固溶強化）固溶強化l固溶處理固溶處理是指

15、將合金加是指將合金加熱到固溶線以上，保溫熱到固溶線以上，保溫加熱固溶淬火過飽和時效析出值，超過峰值時間，值，超過峰值時間，析出相聚集長大，強析出相聚集長大，強度下降，為度下降，為過時效過時效。隨時效溫度提高，峰隨時效溫度提高，峰值強度下降，出現(xiàn)峰值強度下降，出現(xiàn)峰值的時間提前。值的時間提前。含含4%Cu鋁合金的時效曲線鋁合金的時效曲線 時效時間時效時間/d全世界鋁的用量全世界鋁的用量百萬噸百萬噸一次生產(chǎn)量二次回收量總用量鋁合金制品鋁合金制品衛(wèi)星天線衛(wèi)星天線（LF2）l防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能

16、差。焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。l不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高其強度。不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高其強度。 l常用硬鋁合金如常用硬鋁合金如2A11 (LY11) 、 2A12 (LY12)等，用于制造沖壓件等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘?shù)刃龢?、梁、鉚釘?shù)? 飛機翼梁飛機翼梁(腹板腹板為硬鋁合金為硬鋁合金)飛機主起落架飛機主起落架lAl-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金系耐熱鍛鋁合金 常用牌號有常用牌號有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等等 。用于制造。用于制造150 225下工作的零件，

17、如壓氣機葉片、超音速飛機蒙下工作的零件，如壓氣機葉片、超音速飛機蒙皮等。皮等。l又稱又稱硅鋁明硅鋁明。其中。其中ZL102(ZAlSi12)是含是含12%Si的的鋁硅二元合金，稱為鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明簡單硅鋁明. 未變質處理未變質處理 經(jīng)變質處理經(jīng)變質處理 ZL102的鑄態(tài)組織的鑄態(tài)組織活塞活塞( (裙部為鋁硅合金裙部為鋁硅合金) )l用于制造飛機、儀用于制造飛機、儀表、電動機殼體、汽表、電動機殼體、汽缸體、風機葉片缸體、風機葉片、發(fā)動發(fā)動機活塞等。機活塞等。汽缸頭汽缸頭l常用代號有常用代號有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。等。主要用于制主要用于制造在

18、較高溫度下工作的高造在較高溫度下工作的高強零件，如內燃機汽缸頭、強零件，如內燃機汽缸頭、汽車活塞等。汽車活塞等。l常用代號為常用代號為ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等等.l主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。質下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。鼓風機密封件等鼓風機密封件等(ZL102、301)l常用代號為常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等等.l主要用于制造形狀復主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛雜受力較小的汽車、飛

19、機、儀器零件。機、儀器零件。美美F-22戰(zhàn)機約戰(zhàn)機約36%重量的零重量的零件用鈦合金制造件用鈦合金制造鈦鋼復合反應釜鈦鋼復合反應釜鈦管換熱器鈦管換熱器鈦制蒸餾塔鈦制蒸餾塔l按退火組織，鈦合金可分按退火組織，鈦合金可分為為 型鈦合金、型鈦合金、 型鈦合金和型鈦合金和 + 型鈦合金三類，它們的型鈦合金三類，它們的牌號分別用牌號分別用TA、TB、TC加加順序號表示順序號表示 。如。如TA5、TB2、TC4等。其中等。其中TA0TA3為工為工業(yè)純鈦。業(yè)純鈦。 鈦合金泵鈦合金泵鈦合金氫泵鈦合金氫泵誘導輪誘導輪鈦合金氫泵殼體鈦合金氫泵殼體鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵鈦合金液下泵 -Ti合金組織

20、合金組織鈦合金管鈦合金管鈦合金管應用鈦合金管應用鈦合金棒鈦合金棒鈦合金眼鏡架鈦合金眼鏡架鈦離心泵鈦離心泵熱軋銅合金熱軋銅合金銅管銅管銅與黃銅帶銅與黃銅帶黃銅棒黃銅棒l從銅鋅合金相圖可以看出黃銅有從銅鋅合金相圖可以看出黃銅有 和和 + 兩種組織兩種組織,分別稱分別稱單相黃銅單相黃銅和和兩相黃銅兩相黃銅。 冷凝器管冷凝器管汽車機油泵襯套汽車機油泵襯套黃銅制品黃銅制品青銅制品青銅制品錫青銅錠錫青銅錠Cu-Sn相圖相圖l主要用于耐蝕承載件主要用于耐蝕承載件,如彈簧、軸承、齒輪軸、如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。蝸輪、墊圈等。 錫青銅管錫青銅管船用青銅軟船用青銅軟管快速接頭管快速接頭閥閥( (錫青銅閥錫青銅閥體、閥蓋體、閥蓋) )大型水力發(fā)電設備中的抗磨環(huán)大型水力發(fā)電設備中的抗磨環(huán) 磨性、耐熱性及耐蝕性高于黃銅和錫青銅，鑄造性磨性、耐熱性及耐蝕性高于黃銅和錫青銅，鑄造性能好，但焊接性能差。能好，但焊接性能差。 l常用牌號有常用牌號有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。等。l主要用于制造船舶、飛機及儀器中的高強、耐磨、主要用于制造船舶、飛機及儀器中的高強、耐磨、耐蝕件，如齒輪、軸承、蝸輪、軸套、