工程材料 （黑色金屬）

1、常用工程金屬材料第四章4.1 碳鋼和鑄鐵 碳鋼又稱碳素鋼，碳含量在0.11.3%之間。含有硅、錳、硫、磷以及微量的氣體元素氧、氮、氫等。鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。4.1.1 碳鋼的分類按碳含量進(jìn)行分類 低碳鋼 0.25%C 中碳鋼 0.25-0.55%C 高碳鋼 0.55%C3. 按其質(zhì)量等級分類 硫 磷 普通碳素鋼 0.055% 0.045% 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 0.045% 0.040% 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼0.03% 0.035%2. 按其用途進(jìn)行分類 結(jié)構(gòu)鋼: 制造金屬構(gòu)件和機(jī)械零件 工具鋼: 制造各種刀具、模具和量具。編號原則：代表屈服點的字母、屈服點

2、數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四部分。4.1.2 碳素結(jié)構(gòu)鋼例：Q235 AF Q：屈服點“屈”字； 235：鋼材屈服點不小于235MPa； A：質(zhì)量等級A、B、C、D中的A級， F：表示沸騰鋼。 （b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼， TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼）。1. 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼共Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五個牌號價格比較便宜，在能夠滿足使用要求的情況下應(yīng)盡量采用。一般不進(jìn)行熱處理。編號原則：以平均碳含量的萬分之幾表示。高級優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個“A”字 鑄鋼則在鋼號前加“ZG”二字 含錳量高時（0.7-1.2%），鋼號后再加一個“錳”字例如: 45 表示平均碳含量為0.45%

3、的鋼。 45Mn 含錳量高的45號碳鋼 ZG25 表示是含碳量為0.25%的鑄鋼2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用： 含碳量很低的低碳鋼，強(qiáng)度很低，但塑性很好，因此具有良好的沖壓性能和焊接性能，如10、15、20碳鋼常用于制造沖壓件和焊接件。 中碳鋼屬于調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合機(jī)械性能。主要用來制造軸、桿、齒輪等零件， 含碳更高的60鋼等主要用來制造彈簧用途： T7、T8鋼用于制造要求具有較高韌性的工具，如沖頭、鍛模、錘、鑿子等， T10、T12用于制造高硬度耐磨的工具，如絲錐、板牙、銼、卡規(guī)等。4.1.3 碳素工具鋼編號原則： 以平均含碳量千分?jǐn)?shù)表示，數(shù)字前冠以“T”。如為高級優(yōu)質(zhì)鋼，數(shù)字后

4、再加“A”例如：T10 平均含碳量為1.0%碳素工具鋼， T10A 含碳量1.0%高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼常見鑄鐵有白口鑄鐵、灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。此外還有合金元素含量較多的合金鑄鐵。4.1.4 鑄鐵 鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。白口鑄鐵特點：斷口白亮 組織：珠光體和粗大碳化物，質(zhì)硬而脆。用途：用于制造要求耐磨損的鑄造零件，如球磨機(jī)中的球。還可作為煉鋼原料。2 灰口鑄鐵特點：碳大部分或全部以片狀石墨狀態(tài)存在，斷口呈暗灰色。機(jī)械性能：強(qiáng)度低，塑性、韌性極差。但抗壓 強(qiáng)度接近鋼。耐磨性：因石墨有自潤滑作用；鑄鐵有天然的潤滑槽；從而使鑄鐵具有良好的耐磨性

5、和減磨性。工藝性：具有優(yōu)良的鑄造性能和切削加工性。減震性： 石墨可以吸收震動能量灰口鑄鐵牌號表示法及其機(jī)械性能其中“HT”為“灰鐵”二字漢語拼音第一字母， 后面數(shù)字表示直徑為30mm單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度下限。孕育鑄鐵是抗拉強(qiáng)度大于250N/mm2的灰口鑄鐵。它是在鐵水中加入一定量的硅鐵作孕育劑，得到均勻分布著細(xì)小片狀石墨的灰口鑄鐵。表 513 鑄件抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)特點：石墨呈球狀分布。在澆鑄前加入特殊的變質(zhì)劑(鎂或鎂加稀土等)得到。基體組成： 鐵素體、珠光體、或珠光體加鐵素體等。可以對基體進(jìn)行熱處理。3. 球墨鑄鐵球狀石墨減少了對基體的割裂作用，提高了強(qiáng)度、塑性及韌性。力學(xué)性能是鑄鐵中最高的，再加上

6、良好的鑄造性、優(yōu)異的切削加工和耐磨性，使球墨鑄鐵兼有灰口鑄鐵和鋼的優(yōu)點應(yīng)用： 曲軸、連桿，凸輪。牌號： 例 QT400-18性能特點：可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵經(jīng)過長時間的高溫退火，使其中的滲碳體分解，得到團(tuán)絮狀的石墨分布在鐵素體或鐵素體加珠光體基體上的鑄鐵。4 可鍛鑄鐵性能：與灰口鑄鐵相比，強(qiáng)度高，塑性和韌性尤突出，可以進(jìn)行彎曲變形。但可鍛鑄鐵不可以鍛造用途：要求有一定強(qiáng)度、韌性及耐磨性的鑄件，如各種農(nóng)機(jī)、紡織機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)零件(輪轂、閥門、軸瓦)及自來水管的彎頭等牌號：KTH370-125.3.5 合金鑄鐵隨著工業(yè)的發(fā)展，對鑄鐵不僅要求具有更高的機(jī)械性能，同時要求它具有耐磨、耐熱、耐腐蝕等特

7、殊性能，因此需要加入合金元素，獲得合金鑄鐵。用途：機(jī)床導(dǎo)軌、汽車發(fā)動機(jī)的缸套、活塞環(huán)等零件。(1). 高磷合金鑄鐵磷：0.4-0.7%，以Fe3P化合物存在，并與鐵素體或珠光體形成共晶體，以斷續(xù)網(wǎng)狀分布在珠光體基體上，形成堅硬的骨架，顯著提高了鑄鐵的耐磨性。Cr、Mn、V、Ti、W等：可強(qiáng)化和細(xì)化基體，使其強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步提高。性能： 強(qiáng)度和耐磨性比HT200灰口鑄鐵高出一倍以上。目前機(jī)床制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種耐磨鑄鐵。(2). 鉻鉬銅合金鑄鐵鉻、鉬可形成穩(wěn)定的碳化物，銅能促進(jìn)珠光體灰口鑄鐵形成， (1) 強(qiáng)度低。碳鋼的強(qiáng)度很難超過690MPa，除非塑性和韌性有明顯的下降。 (2)淬透性差。厚

8、截面碳鋼零件淬火時無法全部得到馬氏體組織。 (3) 碳鋼的抗腐蝕性和抗氧化性較差。 合金鋼克服了碳鋼的上述缺點，雖然其成本高于碳鋼，但是在許多應(yīng)用中，合金鋼是能夠滿足工程要求的重要材料。4.2 合金鋼為了提高鋼的機(jī)械性能、工藝性能、或物理化學(xué)性能，有意的向鋼中加入一定量的合金元素所煉制的鋼。碳鋼的局限性：按主要用途分合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、 軸承鋼 合金工具鋼: 刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼: 不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼4.2.1 合金鋼的分類與牌號 按合金元素的含量分低合金鋼 合金元素總含量5%中合金鋼 合金元素總含量5-10%高合金鋼 合金元素總含量10%1、合金鋼的分類2.

9、合金鋼的牌號(1)用漢字或化學(xué)元素符號代表合金元素。(2)元素含量用數(shù)字表示； 結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬分之一為單位（兩位數(shù)字）； 工具鋼和不銹鋼，碳含量以千分之一為單位 （一位數(shù)字或沒有）； 合金元素百分之一為單位，小于1.5%時一般不標(biāo)(3)碳含量在編號的最前面，合金元素含量在該元素 符號的后面。(4)高級優(yōu)質(zhì)鋼在編號的尾部加“A”字。例如：30CrMnSiA W18Cr4V 1Cr18Ni9Ti合金鋼牌號規(guī)律是：P.754.2.2 合金結(jié)構(gòu)鋼普通低合金鋼 含碳量較低(0.2%）， 合金元素總含量一般在3%以下以錳為主。性能：強(qiáng)度顯著高于相同含碳量的碳素鋼，并有較好的塑性、韌性、焊接性及耐蝕性。

10、用途：主要用于制造橋梁、船舶、車輛、容器、管道和建筑結(jié)構(gòu)件。通常是在熱軋成型材經(jīng)正火狀態(tài)下使用，不熱處理。附表4-1 常用低合金結(jié)構(gòu)鋼P(yáng).115鋼號Q295Q345Q390Q420Q460厚度或直徑力學(xué)性能應(yīng)用舉例mmsMPabMPaAkkJm216163535502952752553905702334橋梁，車輛，容器，油罐。1616353550345325295470630212234橋梁，車輛，船舶，壓力容器，建筑結(jié)構(gòu)。1616353550390370350490650192034橋梁，船舶，起重設(shè)備， 壓力容器。1616353550420400380520680181934橋梁，高壓容器

11、大型船舶.電站設(shè)備，管道。16163535504604404205807201734中溫高壓容器鍋爐，化工高壓厚壁容器應(yīng)用角鋼、槽鋼等型鋼采用Q345。 2. 合金滲碳鋼 碳：0.12-0.25%,為了使零件心部具有足夠的韌性。 Cr、Ni、Mn、B等元素來增加淬透性, 提高心部的強(qiáng)度，使零件在淬火時心部獲得馬氏體組織 W、Mo、V、Ti等, 細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和韌性。熱處理特點: 滲碳+淬火+低溫回火，表面層組織：高碳回火馬氏體(含合金滲碳體、合金 碳化物)，表面層性能：高的硬度和耐磨性;提高零件疲勞強(qiáng)度心 部 組 織：低碳回火馬氏體，心 部 性 能：具有足夠的強(qiáng)度和良好的韌性。(1

12、)合金滲碳鋼的成分和熱處理特點(2)常用滲碳鋼（表4-5）(3)應(yīng)用舉例 模鍛正火+高溫回火機(jī)械加工滲碳 高溫回火 機(jī)械加工 淬火+低溫回火 精加工檢驗發(fā)動機(jī)上某齒輪，材料為12Cr2Ni4A，要求：齒部滲碳深度0.85-1.1毫米(磨后為0.7-0.9毫米)；表面硬度HRC60；心部硬度HRC31-41。f 30f 82f 71.2模鍛正火+高溫回火機(jī)械加工非滲碳表面鍍銅 滲碳 淬火+低溫回火 除銅精加工檢驗3. 合金調(diào)質(zhì)鋼(1)合金調(diào)質(zhì)鋼的性能特點(2)合金調(diào)質(zhì)鋼的成份及熱處理特點 碳：一般在0.250.5%之間， 主加元素：Mn,Si,Cr,Ni等，輔加元素：B，V，Ti,Mo,W 等。

13、 提高淬透性和綜合機(jī)械性能。最終熱處理：調(diào)質(zhì)處理。組織：回火索氏體組織。40CrNiMoA制某航空發(fā)動機(jī)軸模鍛正火+高回粗加工淬火+高回精加工去應(yīng)力退火非氮化面鍍錫氮化退錫精磨表面保護(hù)應(yīng)用舉例：鍛造毛柸正火+高回粗加工焊接去應(yīng)力退火精加工淬火+高回（或等溫淬火）精磨表面保護(hù)應(yīng)用舉例：30CrMnSiA制造飛機(jī)起落架作動筒(3)常用調(diào)質(zhì)鋼和超高強(qiáng)度鋼 P.77超高強(qiáng)度鋼：指抗拉強(qiáng)度大于1500MPa的鋼。主要用途：飛機(jī)大梁、起落架等零件。最終熱處理：淬火、低溫回火或等溫淬火等。例如：30CrMnSiNi2A牌號淬火()回火淬透直徑(mm)b (MPo)s(MPa)()ak(Jcm2)主要用途40

14、Cr850油500油水251000800960機(jī)床主軸、連桿、螺柱、齒輪40MnB850油2510008001060代40Cr40CrMnSiA880900油520油250301100170085013001085040起落架、發(fā)動機(jī)架、重要螺栓38CrMoAlA940油640油3010008501590氮化件，如氣缸套40CrNiMoA850油850油640油250油751000170085012910040渦輪軸、曲軸、聯(lián)桿30CrMnSiNi2A900油2305017001400960機(jī)翼大梁等受力大的主要結(jié)構(gòu)件40CrMnSiMnVA940油260空19001175代30CrMnSiN

15、i2A4. 合金彈簧鋼工作狀態(tài)：沖擊、震動或長期均勻的交變應(yīng)力的動載荷，失效方式：疲勞破壞和永久變形。性能要求：必須具有高的彈性極限，屈服極限和高的疲勞極限。碳：0.5-0.85%，合金元素：Mn,Si,Cr,V提高強(qiáng)度與淬透性 。熱處理：淬火和中溫回火。工作狀態(tài)：點、線接觸，交變應(yīng)力，也有滑動摩擦，并有沖擊載荷及腐蝕作用，性能要求：較高而均勻的硬度，疲勞強(qiáng)度高，尺寸精確穩(wěn)定，并有一定韌性和耐蝕性。含碳量通常為1%,5. 滾珠軸承鋼牌號：G代表滾動軸承鋼，注意Cr后數(shù)字表示的含量與一般合金鋼不同，如GCr15，其含Cr量不是15%，而是1.5%Cr。GSiMnVR中R代表稀土元素。含碳量高：一

16、般在0.6-1.3%之間，合金元素：多為強(qiáng)碳化物形成元素。如Cr、Mo、V等，提高鋼的硬度和耐磨性；Si、Mn增加鋼的淬透性, 提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性。最終熱處理： 各種刀具、量具和冷變形模具的采用淬火與低溫回火。鑄模、熱鍛模等，采用淬火、高溫回火。4.2.3 合金工具鋼用于制造各種刀具、模具、量具等工具的合金鋼稱為合金工具鋼。低合金工具鋼低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入了少量Cr,W,Mn等合金元素。用途：主要是各種刃具及小模具。2. 高合金工具鋼含有大量的Cr,W等碳化物形成元素，具有更高的淬透性和回火抗力。主要用途是制造冷、熱變形模具和壓鑄模具。Cr12鋼制造大型復(fù)雜冷沖模具。3

17、Cr2W8制造壓鑄模的熱作模具。主加元素：、Mo、Cr、V、Co、Al（大量）熱 加 工：反復(fù)鍛造。將粗大的碳化物“破碎”并使其分布均勻。預(yù)備熱處理：退火3. 高速鋼在高溫（600左右）下仍能保持其高硬度、高耐磨性。即高的紅硬性。高速鋼550 850 1280 油冷560 一次回火560 三次回火560 二次回火A殘13% HRC65A殘25% HRC62A殘10% HRC64A殘4% HRC64.5T 最終熱處理：淬火后多次回火W18Cr4V適用于制造各種工具，如車刀、銑刀、齒輪刀具、鉸刀、拉刀等。由于我國鎢價昂貴，W8Mo2Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V2為我國研制的替代品。淬火后進(jìn)行

18、冷處理，再經(jīng)一次560回火，也可達(dá)到相近的效果。識別下列材料牌號牌號12Cr2Ni4A3Cr2W8V40CrNiMoW18Cr4V45，60T8 ,T12合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼4.2.4 不銹鋼性能要求：在不同腐蝕介質(zhì)中，具有較高的耐性及相應(yīng)的機(jī)械性能、工藝性能。 能在一定介質(zhì)下不受腐蝕，或者抗蝕性很高的鋼，稱為不銹鋼。為了防止金屬腐蝕，可以采用以下基本途徑：(1)提高鋼基體的電極電位。(2)獲得單相組織。(3)形成穩(wěn)定、致密、牢固的鈍化薄膜。常用不銹鋼不銹鋼按其正火組織分為：鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼四類。Cr：13%，提高

19、鋼基體的電極電位可在材料表面形成鈍化膜Cr2O3C：0.1-0.4%。為了使鋼能熱處理強(qiáng)化，1.馬氏體不銹鋼（Cr13、Cr17型） 1/8 2/8 原子比 11.7% 23.4% 重量比 電極電位1Cr13、2Cr13熱處理：淬火+高溫回火合金回火索氏體組織用途：耐腐蝕的齒輪、螺栓等零件。3Cr13、4Cr13熱處理：淬火+低溫回火組織：回火馬氏體用途： 3Cr13用于350以下工作的不銹鋼彈簧與耐磨零件。4Cr13一般用于制作載荷較高，耐磨損的零件，例如耐腐蝕的軸承等。Cr：增到17%，進(jìn)一步提高鋼的抗蝕性，同時改善其機(jī)械性能，尤其是沖擊韌性Ni：使之可熱處理強(qiáng)化增加合金的強(qiáng)度及韌性例：1

20、Cr17Ni2不銹鋼主要用于制造噴氣發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)葉片等零件。Cr17型2. 奧氏體不銹鋼“18-8”型鉻鎳奧氏體不銹鋼。例：1Cr18Ni9Ti熱處理：（固溶處理）使鋼中的碳化物溶解于基體中，獲得單相奧氏體組織。強(qiáng)化：冷變形加工硬化。晶間腐蝕現(xiàn)象：固溶處理后，在500-750時工作，碳化物Cr23C6會沿奧氏體晶粒邊界析出，從而使周圍形成貧Cr(12%)的陽極區(qū)，發(fā)生晶間腐蝕，防止晶間腐蝕辦法有二個，一個是降低含碳量。如：0Cr18Ni9。另一個辦法是加入Ti或Nb，如1Cr18Ni9Ti。用途：奧氏體不銹鋼無磁性。在500-600以下具有一定的強(qiáng)度，是耐熱鋼的一種。此外，它還具備良好的可焊

21、性，但切削加工性較差。常用于制造噴氣發(fā)動機(jī)的燃燒室外套、尾噴管等。熱穩(wěn)定性：高溫下金屬材料抵抗氧化或氣體腐蝕的能力。熱強(qiáng)度：高溫下金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力（蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度）。4.2.5 高溫合金高溫合金：指以鐵、鈷或鎳等為基體，可在高溫下使用的合金。工作溫度()適用的合金應(yīng)用舉例350600Fe為基的耐熱鋼鍋爐及柴油機(jī)氣閥600800奧氏體耐熱鋼空發(fā)動機(jī)的排氣閥，噴氣機(jī)尾噴管排氣管，渦輪盤6501100鎳基、鈷基合金發(fā)動機(jī)的渦輪葉片及導(dǎo)向葉片，燃燒室，尾錐體等零件900鈮基、鉬基陶瓷合金速飛機(jī)的機(jī)翼前緣，燃燒室前部，火箭發(fā)動機(jī)推力室，火箭噴咀(1) 按合金基體成份分類：可分為鐵基、鎳基、鈷基、鉬基、鉭基、鈮基等。1. 高溫合金的分類與牌號表4-7 耐熱合金工作溫度范圍(2) 按合金的高溫性能、成型特點及用途可分為