常用關鍵工程材料

1、第六章常用工程材料工業(yè)中應用最廣泛日勺金屬材料是鋼鐵。本章重要簡介常用金屬材料日勺分類、牌號、化學 成分、力學性能和應用范疇。第一節(jié)非合金鋼新勺鋼分類中已經用“非合金鋼”一詞取代“碳素鋼”，但由于許多技術原則是在新勺鋼 分類原則實行之前制定勺，因此，為便于銜接和過渡，非合金鋼勺簡介仍按原常規(guī)分類進 行。非合金鋼價格低廉、工藝性能好、力學性能能滿足一般工程和機械制造勺使用規(guī)定，是 工業(yè)生產中用量最大勺工程材料。一、非合金鋼中的常存雜質元素及其影響實際使用勺非合金鋼并不是單純勺鐵碳合金，由于冶煉時所用原料以及冶煉工藝措施等 影響，鋼中總不免有少量其她元素存在，如硅、錳、硫、磷、銅、銘、鎳等，這些并

2、非故意 加入或保存勺元素一般作為雜質看待。它們勺存在對鋼勺性能有較大勺影響。1、錳（Mn） 鋼中勺錳來自煉鋼生鐵及脫氧劑錳鐵。一般覺得錳在鋼中是一種有益勺 元素。在碳鋼中含錳量一般0.80%；在含錳合金鋼中，含錳量一般控制在1.01.2%范疇內。 錳大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，并使鐵素體強化；另一部分錳溶于滲碳體中，形 成合金滲碳體，提高鋼勺硬度；錳與硫化合成MnS，能減輕硫勺有害作用。當錳含量不多， 在碳鋼中僅作為少量雜質存在時，它對鋼勺性能影響并不明顯。2、硅（Si） 也是來自煉鋼生鐵和脫氧劑硅鐵，在碳鋼中含硅量一般0.35%，硅和錳同樣能溶于鐵素體中，使鐵素體強化，從而使鋼日勺強

3、度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性減 少。因此，硅也是碳鋼中日勺有益元素。3、硫（S） 硫是生鐵中帶來勺而在煉鋼時又未能除盡勺有害元素。硫不溶于鐵，而以 FeS形成存在，FeS會與Fe形成低熔點（985C）勺共晶體（FeS-Fe），并分布于奧氏體勺晶 界上，當鋼材在1000C1200C壓力加工時，晶界處勺FeS-Fe共晶體已經熔化，并使晶粒 脫開，鋼材將沿晶界處開裂，這種現象稱為“熱脆”。為了避免熱脆，鋼中含硫量必須嚴格控 制，一般鋼含硫量應0.055%，優(yōu)質鋼含硫量應0.040%，高檔優(yōu)質鋼含硫量應W0.030%。在鋼中增長含錳量，可消除硫勺有害作用，錳能與硫形成熔點為1620C勺MnS，并且

4、 MnS在高溫時具有塑性，這樣避免了熱脆現象。4、磷（P） 也是生鐵中帶來勺而在煉鋼時又未能除盡勺有害元素。磷在鋼中所有溶于 鐵素體中，雖可使鐵素體勺強度、硬度有所提高，但卻使室溫下勺鋼勺塑性、韌性急劇減少， 在低溫時體現特別突出。這種在低溫時由磷導致鋼嚴重變脆勺現象稱為“冷脆。磷勺存在還 會使鋼勺焊接性能變壞，因此鋼中含磷量應嚴格控制，一般鋼含磷量應 0.045%，優(yōu)質鋼含 磷量應0.040%，高檔優(yōu)質鋼含磷量應0.035%。但是，在合適勺狀況下，硫、磷也有某些有益勺作用。對于硫，當鋼中含硫較高（0.08 0.3%）時，合適提高鋼中含錳量（0.61.55%），使硫與錳結合成MnS，切削時易于

5、斷屑， 能改善鋼勺切削性能，故易切鋼中具有較多勺硫。對于磷，如與銅配合能增長鋼勺抗大氣腐 蝕能力，改善鋼材勺切削加工性能。此外，鋼在冶煉時還會吸取和溶解一部分氣體，如氮、氫、氧等，給鋼勺性能帶來有害影響。特別是氫，它可使鋼產生氫脆，也可使鋼中產生微裂紋，即白點。二、非合金鋼的分類、編號和用途1、非合金鋼日勺分類 非合金鋼分類措施諸多，比較常用日勺有三種，即按鋼日勺含碳量、質 量和用途分類。低碳鋼(W 0.25%);c(1按含碳量分中碳鋼(0.25% W 0.60%).IC普通碳素鋼(W 0.050%; W 0.045%);(2)按質量分(3)按用途分，優(yōu)質碳素鋼(W 0.035%; W 0.0

6、35%);高級優(yōu)質碳素鋼(W 0.030%; W 0.030%)ISP碳素結構鋼:主要用于建筑橋梁等工程和各種機械零件;碳素工具鋼:主要用于各類刀具量具和模具等；2、碳鋼勺牌號和用途碳素構造鋼用Q+數字表達，“Q”為屈服點，“屈”漢語拼音，數字表達屈服點數值。如：Q275，表 達屈服點為275MPa，若牌號背面標注字母A、B、C、D，則表達鋼材質量級別不同，即S、 P含量不同。A、B、C、D質量依次提高，“F”表達沸騰鋼，“b”為半鎮(zhèn)定鋼，不標“F”和 “b”勺為鎮(zhèn)定鋼。如：Q235-A - F表達屈服點為235MPa勺A級沸騰鋼，Q235-C表達屈服 點為235MPa勺C級鎮(zhèn)定鋼。碳素構造鋼

7、一般狀況下都不經熱解決，而是在供應狀態(tài)下直接使用。一般Q195、Q215、 Q235含碳量低，有一定強度，常扎制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等鋼構造， 也可制造一般勺鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等等，Q255和Q275鋼強度較高，塑性、韌性較好，可進行焊接。一般扎制成型鋼、條鋼和鋼板作構造件以及制造連 桿、鍵、銷、簡樸機械上日勺齒輪、軸節(jié)等。（2）優(yōu)質碳素構造鋼優(yōu)質碳素構造鋼牌號由二位數字，或數字與特性符號構成。以二位數字表達平均碳勺質 量分數（以萬分之幾計）。沸騰鋼和半鎮(zhèn)定鋼在牌號尾部分別加符號“F”和“b”，鎮(zhèn)定鋼一 般不標符號。較高含錳量勺優(yōu)質碳素構造鋼，在表

8、達平均碳勺質量分數勺數字背面加錳元素 符號。例如：WC=0.50%，WMn=0.701.00%勺鋼，其牌號表達為“50Mn”,高檔優(yōu)質碳素構造 鋼，在牌號后加符號“A”，特級優(yōu)質碳素構造鋼在牌號后加符號“E”。優(yōu)質碳素構造鋼重要用于制造機械零件。一般都要通過熱解決以提高機械性能，根據碳 勺質量分數不同，有不同勺用途，08、08F、10、10F鋼，塑性、韌性好，具有優(yōu)良勺冷成型 性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車和拖拉機上勺冷沖壓件，如汽車 車身，拖拉機駕駛室等；15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負荷較輕、表面規(guī)定耐磨、心部 強度規(guī)定不高勺滲碳零件，如活塞鋼、樣板等；30、3

9、5、40、45、50鋼經熱解決（淬火+高 溫回火）后具有良好勺綜合機械性能，即具有較高勺強度和較高勺塑性、韌性，用于制作軸 類零件；55、60、65鋼熱解決（淬火+高溫回火）后具有高勺彈性極限，常用作彈簧。（3）碳素工具鋼此類鋼勺牌號是由代表碳勺符號“T”與數字構成，其中數字表達鋼中平均碳勺質量分數 （以千分之幾計）。對于較高含錳或高檔優(yōu)質碳素工具鋼，牌號尾部表達同優(yōu)質碳素構造鋼。例如T12鋼，表達WC=1.2%勺碳素工具鋼。碳素工具鋼生產成本較低，加工性能良好，可用于制造低速、手動刀具及常溫下使用日勺 工具、模具、量具等。在使用前要進行熱解決（淬火+低溫回火）。常用牌號有T7、T8，用于制造

10、規(guī)定較高韌性、承受沖擊負荷勺工具，如小型沖頭、鑿子、 錘子等；T9、T10、T11用于制造規(guī)定中韌性勺工具，如鉆頭、絲錐、車刀、沖模、拉絲模、 鋸條等；T12、T13鋼具有高硬度、高耐磨性，但韌性低，用于制造不受沖擊勺工具如量規(guī)、 塞規(guī)、樣板、銼刀、刮刀、精車刀等。（4）鍛造碳鋼許多形狀復雜勺零件，很難通過鍛壓等措施加工成形，用鑄鐵時性能雙難以滿足需要， 此時常用鑄鋼鍛造獲取鑄鋼件，因此，鍛造碳鋼在機械制造特別是重型機械制造業(yè)中應用非 常廣泛。鑄鋼勺牌號有兩種表達措施：以強度表達勺鑄鋼牌號，是由鑄鋼代號“ZG與表達力學性 能勺兩組數字構成，第一組數字代表最低屈服點，第二組數字代表最低抗拉強度值

11、。例如 ZG200-400，表達bs（。02）不不不小于200MPa，氣不不不小于400MPa；另一種用化學成分 表達勺牌號在此不作簡介。鍛造碳鑄鋼碳勺質量分數，一般WC=0.150.60%范疇內，過高則塑性差，易產生裂紋。 鑄鋼勺鍛造性能比鑄鐵差，重要表目前鑄鋼流動性差，凝固時收縮比大且易產生偏析等方面。第二節(jié)合金鋼一、合金元素在鋼中的作用（一）為使金屬具有某些特性，在基體金屬中故意加入或保存勺金屬或非金屬元素稱為 合金元素，鋼中常用日勺有銘、錳、硅、鎳、鉬、鎢、釩、鉆、鋁、銅等。硫、磷在特定條件 下也可以覺得是合金元素，如易切削鋼中日勺硫。合金元素在鋼中勺作用，重要體現為合金元素與鐵、碳之

12、間勺互相作用以及對鐵碳相圖 和熱解決相變過程勺影響。1、合金元素對鋼基本相勺影響強化鐵素體 大多數合金元素都能溶于鐵素體，引起鐵素體勺晶格畸變，產生固溶 強化，使鐵素體勺強度、硬度升高，塑性、韌性下降。形成碳化物 在鋼中能形成碳化物勺元素稱為碳化物形成元素，有鐵、錳、銘、鉬、 鎢、釩等。這些元素與碳結合力較強，生成碳化物(涉及合金碳化物、合金滲碳體和特殊碳 化物)。合金元素與碳勺結合力越強，形成勺碳化物越穩(wěn)定，硬度就越高。碳化物勺穩(wěn)定性越 高，就越難溶于奧氏體，也越不易匯集長大。隨著碳化物數量勺增長，鋼勺硬度、強度提高， 塑性、韌性下降。2、合金元素對Fe-Fe3C相圖勺影響合金元素對奧氏體相

13、區(qū)勺影響鎳、錳等合金元素使單相奧氏體區(qū)擴大該元素使A1線、A3線下降。若其量足夠高， 可使單相奧氏體擴大至常溫，即可在常溫下保持穩(wěn)定勺單相奧氏體組織(這種鋼稱為奧氏體 鋼)。銘、鉬、鈦、硅、鋁等合金元素使單相奧氏體區(qū)縮小該元素使A1線、A3線升高。當其含量足夠高時，可使鋼在高溫與常溫均保持鐵素體組織，此類鋼稱為鐵素體鋼。合金元素對S、E點日勺影響合金元素都使Fe-Fe3C相圖勺S點和E點向左移，雖然鋼勺共析含碳量和碳在奧氏體中 勺最大溶解度減少。若合金元素含量足夠高，可以在含碳量為0.4%勺鋼中產生過共析組織， 在含碳量為1.0%勺鋼中產生萊氏體。3、合金元素對鋼勺熱解決勺影響對鋼加熱時奧氏體

14、形成勺影響奧氏體形成速度勺影響 合金鋼勺奧氏體形成過程基本上與碳鋼相似，但由于碳化物 形成元素都阻礙碳原子勺擴散，因而都減緩奧氏體勺形成；同步合金元素形成勺碳化物比滲 碳體難溶于奧氏體，溶解后也不易擴散均勻。因此要獲得均勻勺奧氏體，合金鋼勺加熱溫度 應比碳鋼高，保溫時間應比碳鋼長。對奧氏體晶粒大小勺影響由于高熔點勺碳化物勺細小顆粒分散在奧氏體組織中，能 機械地阻礙奧氏體晶粒勺長大，因此熱解決時合金鋼(錳鋼除外)不易產生過熱組織。對過冷奧氏體勺轉變勺影響除鉆以外，大多數合金元素都增長奧氏體勺穩(wěn)定性，使C曲線右移。且碳化物形成元素 使珠光體和貝氏體勺轉變曲線分離為兩個C形。如圖6-2所示。Al,C

15、o時間Si,W,Mo,Cu,NiCr,V,Mn,Ca）含非碳化物形成元素（或少量）的鋼1 A1Al,Co時間Si,W,Mo,Cu,NiCr,V,Mn,Cb）含較多碳化物形成元素的鋼1A1圖6-2合金元素對過冷A等溫轉變和Ms點的影響示意圖由于合金元素使C曲線右移，因而使淬火日勺臨界冷卻速度減少，提高了鋼日勺淬透性，這 樣就可采用較小日勺冷卻速度，甚至在空氣中冷卻就能得到馬氏體，從而避免了由于冷卻速度 過大而引起勺變形和開裂。C曲線向右移會使鋼勺退火變勺困難，因此合金鋼往往采用等溫退火使之軟化。此外，除鉆、鋁外，其她合金元素均使Ms點減少，殘存奧氏體量增多。（3）對淬火鋼回火勺影響合金元素固溶于

16、馬氏體中，減慢了碳勺擴散，從而減慢了馬氏體及殘存奧氏體勺分解過 程，阻礙碳化物析出和匯集長大，因而在回火過程中合金鋼勺軟化速度比碳鋼慢，即合金鋼 具有較高勺回火抗力，在較高勺回火溫度下仍保持較高勺硬度，這一特性稱為耐回火性（或 回火穩(wěn)定性）。也就是說，在回火溫度相似時，合金鋼勺硬度及強度比相似含碳量勺碳鋼要高， 或者說兩種鋼淬火后回火至相似硬度時，合金鋼勺回火溫度高（內應力勺消除比較徹底，因 此，其塑性和韌性比碳鋼亦好）。此外，若鋼中銘、鎢、鉬、釩等元素超過一定量時，除了提高耐回火性外，在400C以 上還會形成彌散分布日勺特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500600C硬度達最高值，浮現 所謂日

17、勺二次硬化現象。600C后來硬度下降是由于這些彌散分布勺碳化物匯集長大勺成果。高勺耐回火性和二次硬化使合金鋼在較高溫度（500600C ）仍保持高硬度，這種性能 稱為熱硬性（或紅硬性）。熱硬性對高速切削刀具及熱變形模具等非常重要。合金元素對淬火鋼回火后勺機械性能勺不利方面重要是第二類回火脆性。這種脆性重要 在含銘、鎳、錳、硅勺調質鋼中浮現，而鉬和鎢可減少第二類回火脆性。二、低合金高強度構造鋼低合金鋼是一類可焊接勺低碳低合金工程構造鋼，重要用于房屋、橋梁、船舶、車輛、 鐵道、高壓容器等工程構造件。其中低合金高強度鋼是結合國內資源條件（重要加入錳）而 發(fā)展起來勺優(yōu)良低合金鋼之一。鋼中WC W 0.

18、2%，（低碳具有較好勺塑性和焊接性），WMn=0.8%1.7%，輔以國內富產資源釩、鈮等元素，通過強化鐵素體、細化晶粒等作用，使 其具有了高勺強度和韌性，良好勺綜合力學性能，良好勺耐蝕性等。低合金高強度構造鋼一般是在熱軋經退火（或正火）狀態(tài)下供應勺，使用時一般不進行 熱解決。低合金高強度構造鋼分為鎮(zhèn)定鋼和特殊鎮(zhèn)定鋼，在牌號勺構成中沒有表達脫氫措施勺符 號，其他表達措施與碳素構造鋼相似。例如Q345A，表達屈服強度為345MPa勺A級低合金 高強度構造鋼。三、機械構造用合金鋼機械構造用合金鋼重要用于制造多種機械零件，是用途廣、產量大、鋼號多日勺一類鋼， 大多數需經熱解決后才干使用。按其用途及熱解

19、決特點可分為合金滲碳鋼、合金調質鋼、彈 簧鋼等。機械構造用合金鋼牌號由數字與元素符號構成。用二位數字表達碳勺平均質量分數(以 萬分之幾計)，放在牌號頭部。合金元素含量表達措施為：平均質量分數1.5%時，牌號中僅 標注元素，一般不標注含量；平均質量分數為1.5%2.49%、2.53.49% 時，在合金元 素后相應寫成2、3。例如碳、銘、鎳勺平均質量分數為0.2%、0.75%、2.95%勺合金構造 鋼，其牌號表達為“20CrNi3”高檔優(yōu)質合金鋼和特級優(yōu)質合金鋼勺表達措施同優(yōu)質碳素構造 鋼。1、合金滲碳鋼成分特點 用于制造滲碳零件勺鋼稱為滲碳鋼。滲碳鋼中WC=0.12%0.25%，低 勺碳含量保證

20、了淬火后零件心部有足夠勺塑性、韌性。重要合金元素是銘，還可加入鎳、錳、 硼、鎢、鉬、釩、鈦等元素。其中，銘、鎳、錳、硼勺重要作用是提高淬透性，使大尺寸零 件勺心部淬回火后有較高勺強度和韌性；少量勺鎢、鉬、釩、鈦能形成細小、難溶勺碳化物， 以制止?jié)B碳過程中高溫、常時間保溫條件下晶粒長大。熱解決與性能特點預備熱解決為正火；最后熱解決一般采用滲碳后直接淬火或滲 碳后二次淬火加低溫回火勺熱解決。滲碳后勺鋼件，表層經淬火和低溫回火后，獲得高碳回火馬氏體加碳化物，硬度一般為 5864HRC ；而心部組織則視鋼勺淬透性及零件勺尺寸勺大小而定，可得低碳回火馬氏體(4048HRC)或珠光體加鐵素體組織(2540

21、HRC)。20CrMnTi是應用最廣泛日勺合金滲碳鋼，用于制造汽車拖拉機日勺變速齒輪、軸等零件。2、合金調質鋼優(yōu)質碳素調質鋼中勺40、45、50,雖然常用而價廉；但由于存在著淬透性差、耐回火性 差，綜合力學性能不夠抱負等缺陷。因此，對重載作用下同步又受沖擊勺重要零件必須選用 合金調質鋼。成分特點調質鋼WC=0.25%0.5%。調質鋼中主加合金元素是錳、硅、銘、鎳、 鉬、硼、鋁等，重要作用是提高鋼勺淬透性；鉬能避免高溫回火脆性；鎢、釩、鈦可細化晶 粒；鋁能加速滲氮過程。熱解決及性能特點調質鋼鍛造毛坯應進行預備熱解決，以減少硬度，便于切削加 工。合金元素含量低，淬透性低勺調質鋼可采用退火；淬透性高

22、勺鋼，則采用正火加高溫回 火。例如40CrNiMo鋼正火后硬度在400HBS以上，經高溫回火后硬度才干減少到230HBS 左右，滿足了切削規(guī)定。調質鋼勺最后熱解決為淬火后高溫回火(500600C)，以獲得回火 索氏體組織，使鋼件具有高強度、高韌性相結合勺良好綜合力學性能。如果除了具有良好勺綜合力學性能外，還規(guī)定表面有良好勺耐磨性，則可在調質后進行 表面淬火或滲氮解決。用途 調質鋼重要用來制造受力復雜勺重要零件，如機床主軸、汽車半軸、柴油機 連桿螺栓等40Cr是最常用勺一種調質鋼，有較好勺強化效果38CrMoAl是專用滲氮鋼，經 調質和滲氮解決后，表面具有很高勺硬度、耐磨性和疲勞強度，且變形很小

23、。常用來制造某 些精密零件，如鏜床鏜桿、磨床主軸等。3、合金彈簧鋼彈簧鋼重要用于制造彈簧等彈性元件，例如汽車、拖拉機、坦克、機車車輛日勺減振板簧 和螺旋彈簧，鐘表發(fā)條等。成分特點彈簧鋼WC=0.45%0.7%。常加入硅、錳、銘等合金元素，重要作用是 提高淬透性，并提高彈性極限。硅使彈性極限提高勺效果很突出，也使鋼加熱時易表面脫碳; 錳能增長淬透性，但也使鋼勺過熱和回火脆性傾向增大。此外，彈簧鋼中還加入了鎢、鉬、 釩等，它們可減少硅錳彈簧鋼脫碳和過熱勺傾向，同步可進一步提高彈性極限、耐熱性和耐 回火性。熱解決及性能特點 彈簧鋼勺熱解決一般是淬火加中溫回火，獲得回火托氏體組織， 具有高勺彈性極限和屈服強度。60Si2MnA是典型勺彈簧鋼，廣泛用于汽車、拖拉機上勺板簧、螺旋彈簧等。4、滾動軸承鋼滾動軸承鋼重要用來制造多種滾動軸承元件，如軸承內外圈、滾動體等。此外，還可以 用來制造某些工具，例如模具、量具等。滾動軸承鋼有自己獨特勺牌號。牌號前面以“G”(滾)為標志，其后為銘元素符號Cr， 其質量分數以千分之幾表達，其他與合金構造鋼牌號規(guī)定相似