機(jī)械基礎(chǔ)（多學(xué)時(shí)）第3版 課件 4第四章 金屬材料與熱處理常識

第四章金屬材料與熱處理常識

機(jī)械工程材料是指機(jī)械中常用的材料。按化學(xué)成分有金屬材料

綜合性能好，用量最大、應(yīng)用范圍最廣

高分子材料質(zhì)輕、耐腐蝕，常用于化工、機(jī)械、航空航天等

陶瓷材料復(fù)合材料輕、高的比強(qiáng)度、比剛度，結(jié)合兩種材料的性能優(yōu)點(diǎn)， 用于航空航天等領(lǐng)域其中，金屬材料是應(yīng)用最廣。各類機(jī)械中，金屬材料占90%以上。第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

性能包括兩方面材料使用性能材料工藝性能力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強(qiáng)化）規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp屈服強(qiáng)度Re抗拉強(qiáng)度Rm一、強(qiáng)度和塑性（1）強(qiáng)度：材料抵抗變形和斷裂的能力（2）塑性材料斷裂前塑性變形的能力斷后伸長率AA<2~5%屬脆性材科A≈5~10%屬韌性材料A>10%屬塑性材料斷面收縮率Z

二、硬度

硬度：表征材料軟硬程度的力學(xué)性能。劃痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度）壓入法硬度值（工業(yè)中應(yīng)用廣泛）布氏硬度（HBW)(硬質(zhì)合金球)洛氏硬度(HRC)（錐角為120°的金剛石圓錐體）維氏硬度(HV)（錐面角為136°的金剛石四棱錐體為壓頭)(1)布氏硬度HB布氏硬度計(jì)

適用范圍:

＜450HBW;(2)洛氏硬度HRh1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)操作簡便、壓痕小、測量范圍大——應(yīng)用最廣泛(3)維氏硬度HV

測量薄板類;HV≈HBW;適用范圍:四、韌性沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷的能力。是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。指標(biāo)：沖擊消耗能量KV2

沖擊韌度ak(ak＝KV2/S

)應(yīng)用：評價(jià)材料韌性的好壞，與屈服強(qiáng)度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計(jì)。試樣斷口截面積晶體物體內(nèi)部的原子(或分子)在三維空間中,按一定規(guī)律作有規(guī)則排列的固體。所有的金屬都是晶體。性質(zhì):有固定的熔點(diǎn);各向異性等。1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬材料的晶相組織與鐵碳合金相圖晶格與晶胞晶格:用以描述晶體中原子排列規(guī)律的點(diǎn)陣格架。晶胞:反映晶格組成的最小幾何單元。分析晶體結(jié)構(gòu)常從晶胞入手。三種常見的晶體結(jié)構(gòu)a.體心立方晶格*晶胞中含:如：鉻(Cr);鉬(Mo);鎢(W);釩(V);

9120C以下的鐵(α-Fe)

等。原子數(shù)n=2個(gè)原子半徑致密度（V原子／V晶胞）K=68%b.面心立方晶格*晶胞中含:如：鋁(Al);銅(Cu);鎳(Ni);金(Au);

1394-9120C的鐵(γ-Fe)

等。原子數(shù)n=4個(gè)原子半徑致密度（V原子／V晶胞）K=74%c.密排六方晶格*晶胞中含:如：鎂(Mg);鋅(Zn);鈹(Be);鈦(γ-Ti)等。原子數(shù)n=6個(gè)原子半徑R=a/2致密度（V原子／V晶胞）K=74%晶體結(jié)構(gòu)與性能晶格中原子排列方式的不同，將引起性能的變化。實(shí)驗(yàn)表明：

同為立方晶格時(shí)，由于面心晶格的滑移方向多于體心晶格，所以面心立方晶格的金屬（Cu，A1）塑性最好。

具有立方晶格的金屬（Cu、Al）其塑性優(yōu)于密排六方晶格的金屬（Zn，Mg）。

晶體缺陷有點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷晶體中原子排列不完整的區(qū)域稱為晶體缺陷。空位置換原子間隙原子點(diǎn)缺陷線缺陷：例如位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)

面缺陷：例如晶界、亞晶界。ABCD

實(shí)際金屬由于生產(chǎn)工藝等多種原因,總是存在缺陷。晶體缺陷對變形抗力的影響

缺陷密度高時(shí)，晶格畸變嚴(yán)重，滑移變形時(shí)位錯(cuò)移動困難，晶體的變形抗力大——強(qiáng)度高。點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷強(qiáng)度缺陷密度晶格發(fā)生畸變2.合金的相結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

純金屬的強(qiáng)度、硬度較低。工程中常用合金來制作力學(xué)性能要求高的機(jī)械零件和工模具等。合金有固溶體和金屬化合物兩種相結(jié)構(gòu)。相：合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻組成部分。如（Cu+Zn）黃銅、（Fe+C）碳鋼溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中所形成的相結(jié)構(gòu)。a.固溶體

固溶體可分為:置換固溶體、間隙固溶體固溶體的力學(xué)性能

原子的溶入導(dǎo)致晶格畸變，滑移變形困難，材料的抗力增加，強(qiáng)度與硬度提高。

——固溶強(qiáng)化。

b.金屬化合物滲碳體(Fe3C)晶格組元相互作用所形成的具有金屬特性的化合物結(jié)構(gòu)。如：鐵與碳形成的化合物滲碳體（Fe3C)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點(diǎn)高、硬而脆。對性能的影響：提高合金的硬度、耐磨性，降低塑性和韌性。

金屬化合物一般不用作合金的基體，通常作為材料強(qiáng)化的第二相。

合金中各類結(jié)構(gòu)的組合情況稱為合金的組織。包括各組成物的數(shù)量、大小、形態(tài)、分布及相互間結(jié)合狀態(tài)等。3.合金的組織a.結(jié)晶晶粒

金屬結(jié)晶時(shí)，由同一晶核長大而成的小晶體稱為晶粒。結(jié)晶：合金中原子作有規(guī)則排列的過程。晶粒大小對性能的影響晶粒愈細(xì)——強(qiáng)度愈高晶界多，晶格畸變大，塑性變形抗力也大。晶粒愈細(xì)——塑韌性愈好

細(xì)晶粒的金屬，變形均勻，不易開裂破壞。

細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化晶粒而使材料強(qiáng)度提高的方法。b.機(jī)械混合物合金的二種組織

單一固溶體機(jī)械混合物固溶體A（基體）+固溶體B固溶體

（基體）+化合物

合金中由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機(jī)械混合物?！诙唷诙鄼C(jī)械混合物組織的性能特點(diǎn)性能決定于組成相的性能。其中與第二相在基體上的分布特征有密切的關(guān)系。脆性第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上

受力變形時(shí)在第二相處將產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中和過早斷裂?！S著第二相數(shù)量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性都下降．

另外,彌散分布不影響基體相的連續(xù)性，對合金的塑性、韌性影響較小。

第二相以細(xì)粒狀彌散分布在基體晶粒內(nèi)部一方面相界面增多使周圍晶格發(fā)生畸變，造成滑移抗力增加；更重要的是第二相質(zhì)點(diǎn)本身成為位錯(cuò)移動的障礙物。必須指出，第二相的分布狀況是可以改變的，通過恰當(dāng)?shù)臒崽幚砗蜔嶙冃渭庸た梢愿纳频诙嗟姆植紶顩r，從而達(dá)到改善性能的目的。例如，對于鋼鐵，通過適當(dāng)?shù)腻懺旌蜔崽幚硐W(wǎng)狀滲碳體，通過調(diào)質(zhì)熱處理方式可以使?jié)B碳體以彌散質(zhì)點(diǎn)的方式分布，從而獲得高強(qiáng)度和高韌性。

第二相呈層片狀分布在基體相內(nèi)部隨著層片間距的減小，合金的強(qiáng)度增加而塑性有所下降。層片狀的第二相對塑性的不利影響比質(zhì)點(diǎn)狀的第二相要大些。

第三節(jié)

鐵碳合金

鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元組成的合金，是鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱。由于鋼鐵材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能，在機(jī)械工程中成為應(yīng)用最廣泛的金屬材料。

一、鐵碳合金的基本組織及其性能

1．鐵素體

鐵素體是碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體，用符號F表示。

鐵素體溶解碳的能力很小，727℃時(shí)，達(dá)到最大溶碳量0.0218%，其強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。

2．奧氏體

奧氏體是碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體，用符號A表示。奧氏體是存在于727℃以上的高溫相。性能與其溶碳量及晶粒大小有關(guān)，奧氏體的硬度不高，而塑性、韌性較好。因塑性好便于成形加工，所以生產(chǎn)中鋼材大多數(shù)要加熱至高溫奧氏體狀態(tài)才進(jìn)行鍛壓加工。

3．滲碳體

滲碳體是鐵與碳的金屬化合物，用符號Fe2C表示。滲碳體的Wc=6.69%，具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。滲碳體硬度很高，脆性很大，塑性和韌性幾乎等于零，不能單獨(dú)使用。

4．珠光體

鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物稱為珠光體，用符號P表示。珠光體的Wc=0.77%，其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度、硬度較高，具有一定的塑性和韌性，是一種綜合力學(xué)性能較好的組織。

5．萊氏體

萊氏體是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號Ld表示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性、韌性極差。

二、鐵碳相及其應(yīng)用

1．鐵碳相圖

鐵碳相圖是表示在緩慢冷卻（加熱）條件下，不同成分的鋼和鑄鐵在不同溫度下所具有的組織（平衡組織）或狀態(tài)的一種圖形。鐵碳合金按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平衡組織的分類工業(yè)純鐵Wc<0.0218%組織：鐵素體鐵碳合金的分類鋼亞共析鋼（Wc<0.77%）共析鋼（Wc＝0.77%）過共析鋼（Wc>0.77%)組織：鐵素體和珠光體組織：珠光體和二次滲碳體組織：珠光體白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵(Wc>2.11%)組織：珠光體＋萊氏體共晶白口鑄鐵(Wc＝4.3%)組織：萊氏體過共晶白口鑄鐵(Wc>4.3%)組織：一次滲碳體＋萊氏體2．含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響

鐵碳合金的成分、組織、力學(xué)性能等變化規(guī)律如圖3—8所示。

3．鐵碳相圖的應(yīng)用

（1）在選材方面的應(yīng)用

（2）在制定工藝規(guī)范方面的應(yīng)用

1)在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

2)在鍛壓工藝方面的應(yīng)用

3)在熱處理方面的應(yīng)用

三、鋼的熱處理方法簡介

（一）熱處理的概念

鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。

常用熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）和表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）。

鋼的加熱是熱處理的第一道工序，圖3-11表示了不同成分的鋼在加熱與冷卻時(shí)相變臨界點(diǎn)的位置。

（二）鋼的常用熱處理方法

1．鋼的退火與正火

退火與正火是鋼的基本熱處理工藝之一，其目的主要在于消除鋼材經(jīng)熱加工所引起的某些缺陷，或者為以后的加工做好準(zhǔn)備，故稱為預(yù)備熱處理。

（1）退火

將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為退火。退火工藝主要特點(diǎn)是緩慢冷卻。退火的主要目的是：

1）降低硬度，提高塑性。

2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷。

3）消除內(nèi)應(yīng)力。

根據(jù)退火工藝與目的不同，退火常分為完全退火、球化退火、等溫退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。

（2）正火

正火是把工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，然后在空氣中冷卻的工藝。與退火相比，正火冷卻速度稍快，過冷度較大，因此正火后的組織比較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火高一些。生產(chǎn)中常用正火來改善低碳鋼的切削加工性能。對于力學(xué)性能要求不太高的普通零件，也可考慮采用正火處理作為最終熱處理。

2．鋼的淬火

淬火是將鋼件加熱到相變點(diǎn)Ac3或Ac1以上30～50℃,保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻，獲得馬氏體（或貝氏體）組織的熱處理工藝。淬火是強(qiáng)化鋼鐵零件最重要的熱處理方法。

（1）淬火的目的

淬火的目的主要是使鋼件得到馬氏體（或貝氏體）組織，使零件通過適當(dāng)回火，能獲得所需要的使用性能。

（2）淬火方法及其應(yīng)用

為了保證鋼淬火后得到馬氏體，同時(shí)又防止產(chǎn)生變形和開裂，應(yīng)選擇合適的淬火方法。常用淬火方法如圖3-13所示，圖中MS是指馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（約為230oC）。

①單液淬火②雙液淬火③分級淬火④等溫淬火

3．鋼的回火

將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。它是緊接淬火的熱處理工序。

（1）回火的目的

回火的目的是減少內(nèi)應(yīng)力；穩(wěn)定組織，使工件形狀、尺寸穩(wěn)定；調(diào)整組織，消除脆性，以獲得工件所需要的使用性能。

（2）回火的方法及應(yīng)用

1）低溫回火（150℃～250℃）回火后的硬度一般為58～64HRC。低溫回火一般用于表面要求高硬度、高耐磨的工件，如刀具、量具、冷作模具、滾動軸承、滲碳件、表面淬火件等。

2）中溫回火（350℃～500℃）中溫回火后的硬度為35～50HRC。中溫回火一般用于要求彈性高、有足夠韌性的工件，如彈簧、彈性元件及熱鍛模具等。

3）高溫回火（500℃～650℃）（調(diào)質(zhì)）高溫回火后的硬度一般為220～330HBS。通常將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理廣泛用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等重要的結(jié)構(gòu)零件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類。

4．鋼的表面熱處理

表面熱處理又分為兩類：一類是只改變表面組織而不改變表面化學(xué)成分的熱處理，稱為表面淬火。另一類是同時(shí)改變表面化學(xué)成分及組織的熱處理，稱為化學(xué)熱處理。

（1）鋼的表面淬火

表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而中心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。它是通過快速加熱，使鋼件表面層很快達(dá)到淬火溫度，在熱量來不及傳到中心就立即迅速冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火。常用的表面淬火有感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。1）感應(yīng)加熱表面淬火

依靠感應(yīng)電流的熱效應(yīng)，使工件表層在幾秒鐘內(nèi)快速加熱到淬火溫度，然后立即冷卻，達(dá)到表面淬火目的。生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，適宜批量生產(chǎn)。

2）火焰加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧—乙炔或其它可燃?xì)獾幕鹧?，對工件表面進(jìn)行加熱，然后快冷的淬火工藝?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬牟僮骱啽?，不需要特殊設(shè)備，成本低。適用于大型、異型、單件或小批量工件的表面淬火。

（2）鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入鋼的表層，以改變工件表層的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。化學(xué)熱處理不僅改變了鋼件表層的組織，而且表層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化。在制造業(yè)中，最常用的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮和碳氮共滲。

1）鋼的滲碳

滲碳是將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的熱處理工藝。其目的是為了增加工件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)淬火、低溫回火后，工件表層具有高硬度(58～64HRC)和高耐磨性；心部具有高的塑性、韌性和足夠強(qiáng)度，以滿足某些機(jī)械零件的需要。如汽車發(fā)動機(jī)的變速齒輪、變速軸、活塞銷等。

2）鋼的滲氮

滲氮是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。滲氮又叫氮化，其目的是提高工件表層的硬度、耐磨性、紅硬性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。

滲氮主要適用于表面要求耐磨、耐高溫、耐腐蝕的精密零件，如精密齒輪、精密機(jī)床主軸、氣缸套、閥門等。

3）鋼的碳氮共滲

碳氮共滲是碳、氮原子同時(shí)滲入工件表面的一種化學(xué)熱處理工藝。這種工藝是滲碳與滲氮的綜合，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)。（三）鋼的淬透性與淬硬性1.鋼的淬透性鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體組織的難易程度。鋼的淬透性往往與鋼有成分有關(guān)，如含有合金元素(Co除外)的鋼，其淬透性會比普通碳鋼好。鋼的淬透性好則熱處理后，由表及里均可得到較高的力學(xué)性能。因此，對于承受較大負(fù)荷的結(jié)構(gòu)零件，都應(yīng)選用淬透性較好的鋼。此外，對于淬透性好的鋼，在淬火冷卻時(shí)可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，以減小淬火應(yīng)力，從而減少工件淬火時(shí)的變形和開裂傾向。2.鋼的淬硬性鋼的淬硬性是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度的能力。淬硬性的高低主要取決于鋼中含碳量。

淬硬性與淬透性是兩個(gè)不同的概念。如碳素工具鋼淬火后的硬度雖然很高(淬硬性好)，但淬透性卻很低；而某些低碳成分的合金鋼，淬火后的硬度雖然不高，但淬透性卻很好。各種鋼的淬透性、淬硬性可從有關(guān)手冊中查出。

四、工業(yè)用鋼

鋼的分類

鋼是含碳量在2.11%以下，并含有其它元素的鐵碳合金。

按化學(xué)成分分類非合金鋼

指在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素而得到的鋼種低合金鋼和高合金鋼

指含碳量小于2.11%的鐵碳合金低碳鋼（Wc<0.25%)中碳鋼(0.25%Wc0.6%)高碳鋼(Wc>0.6%)錳鋼鉻鋼鉻鎳鋼、鉻錳鋼鉻錳鈦鋼

按用途分類結(jié)構(gòu)鋼：用于制造工程構(gòu)件和機(jī)器零件，如橋梁、船舶、建筑和齒輪、軸、連桿等零件。工具鋼：用于制造各種刃具、量具、模具，如鋸條、油標(biāo)卡尺、冷作模具等。特殊用途鋼：主要有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。

按質(zhì)量分類

硫磷雜質(zhì)含量越少，鋼的質(zhì)量越高?。ㄒ唬┙Y(jié)構(gòu)鋼1.普通質(zhì)量結(jié)構(gòu)鋼

直接保證力學(xué)性能。通常不經(jīng)過熱處理，在供應(yīng)狀態(tài)下用。牌號Q數(shù)字“屈”的漢語拼音第一個(gè)字母屈服強(qiáng)度(MPa)用途:碳結(jié)鋼用于一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件(如各種型材和螺栓、螺母等)；低合金結(jié)構(gòu)鋼用于在大氣和海洋中工作的結(jié)構(gòu)件(如橋梁、建筑、壓力容器等)。Q235,Q345Q數(shù)字-A(B,C,D)·F(b)A,B,C,D鋼的含硫、磷量依次降低，質(zhì)量變好F沸騰鋼b表示半鎮(zhèn)定鋼

例分碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼性能：好的塑性韌性及焊接性能，低合金結(jié)構(gòu)鋼性能更好。鳥巢:Q4602.優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼

保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，常用熱處理改善性能。0808F1010F可冷軋成薄板，用于儀器儀表外殼、汽車車身等404550用于承載零件，如齒輪、軸、連桿等

6065 主要用于彈簧類零件優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼典型牌號及應(yīng)用塑性韌性好，冷成型性和焊接性能好。綜合性能好彈性極限高特殊情況：軸承鋼G，高級優(yōu)質(zhì)鋼A數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字45Mn240Cr（1）滲碳鋼（通常經(jīng)過滲碳、淬火回火后使用）常用牌號：2020CrMnTi20CrMn20MnTiB等最終熱處理：滲碳+淬火+低溫回火組織：表面：高碳回火馬氏體+碳化物58~64HRC

心部：鐵素體+低碳回火馬氏體40~48HRC性能：“表硬心韌”應(yīng)用：同時(shí)承受沖擊,摩擦的零件。如汽車、機(jī)床齒輪，內(nèi)燃機(jī)的凸輪軸等成分：低碳(Wc：0.12~0.25%)，常加元素Cr,Ni,Mn,B

微量元素V,Ti,W,Mo（2）調(diào)質(zhì)鋼：(通常經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后使用)常用牌號：4540Cr40MnB35CrMo38CrMoAlA熱處理：調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織25~35HRC應(yīng)用：承受較大載荷的零件.如機(jī)床主軸、發(fā)動機(jī)曲軸、連桿螺栓、傳動齒輪等。性能：良好的綜合性能（即高強(qiáng)度、好的塑性韌性）成分：中碳（Wc：0.25~0.50%

，多數(shù)0.4%）,合金元素：Mn,Cr,Si,Ni,B,Mo,W等。

成分：Wc0.45~0.70%，多數(shù)0.6%，合金元素及作用：Si,Mn,Cr,V，Nb,Mo,W。常用牌號：606560Si2Mn50CrVA最終熱處理：淬火+中溫回火，獲得回火屈氏體組織38~45HRC性能：具有高的彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性韌性。應(yīng)用：用于制造彈性零件,如汽車、火車的板彈簧,螺旋彈簧等。（4）軸承鋼（用于制造滾動軸承及量具、沖模等耐磨件）兩大類：高碳鉻軸承鋼GCr15、GCr15SiMn(含Cr1.5%)

高碳無鉻軸承鋼GMnMoVREGSiMnMoV（3）彈簧鋼最終熱處理：淬火+低溫回火，獲得回火馬氏體+細(xì)粒碳化物組織

61~65HRC性能：高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的硬度、耐磨性及一定的韌性。3.鑄造碳鋼ZG200-400表示其屈服點(diǎn)為200MPa,其抗拉強(qiáng)度為400MPa。通過鑄造生產(chǎn)獲取零件毛坯所用的碳素鋼。性能：與鑄鐵相比有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性成分：Wc0.15%～0.6%牌號：常用牌號：ZG200-400、ZG270-500最終熱處理：正火或調(diào)質(zhì)應(yīng)用：結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、尺寸較大、力學(xué)性能要求高的鑄件。（二）工具鋼合金工具鋼：數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字含碳量的千分?jǐn)?shù)（限一位）合金元素平均質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)說明：Wc>1%時(shí)，不標(biāo)數(shù)字；高速鋼例外。

分為碳素工具鋼、低合金工具鋼、高合金工具鋼。按用途分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。牌號表示碳素工具鋼：T+數(shù)字（A）含碳量的千分?jǐn)?shù)高級優(yōu)質(zhì)鋼例：T10A例：9SiCr、Cr121.量具刃具鋼性能要求為：①高硬度；②高的耐磨性；③高的熱硬性（在高溫下保持高硬度的能力）；④足夠的強(qiáng)度和韌性。

(1)碳素工具鋼成分含碳量wc

0.65%～1.35%，淬火后有足夠高的硬度熱處理預(yù)備熱處理為球化退火最終熱處理是淬火+低溫回火組織回火馬氏體+粒狀滲碳體60~64HRC性能價(jià)格低，工藝性好。但淬透性差、熱硬性差。

常用牌號

T7、T8、T9、T10、T11、T13

用途：形狀簡單的手工具（2）低合金量具刃具鋼成分wc

0.9%～1.1%，合金元素為Cr、Mn、Si、W、V

合金元素的作用是提高淬透性，提高回火穩(wěn)定性，提高硬度和耐磨性，細(xì)化晶粒、降低過熱敏感性。牌號典型代表為9SiCr、CrWMn熱處理球化退火；淬火+低溫回火。組織回火馬氏體+粒狀碳化物60~65HRC用途：形狀復(fù)雜的低速刃具及冷作模具、量具

（3）高速工具鋼成分wc

0.7%～1.6%，加入的合金元素為W、Mo、Cr、V。

熱處理鍛造后球化退火，最終熱處理為淬火+多次回火。

組織回火馬氏體+粒狀碳化物

63~66HRC

性能特點(diǎn)熱硬性高鋼種、牌號鎢系W18Cr4V

鎢鉬系W6Mo5Cr4V2

用于切削速度較高、載荷較大、形狀復(fù)雜的刃具

淬火溫度的選擇：最佳的淬火溫度為1280℃。高速鋼通常采用550～570℃多次回火的方式。特殊碳化物W2C或Mo2C呈細(xì)小彌散狀從馬氏體中析出，從而提高了鋼的硬度，即“彌散強(qiáng)化”。另外，在此溫度范圍內(nèi)，碳化物會從殘余奧氏體中析出，即“二次淬火”。由于以上原因，在回火時(shí)便出現(xiàn)了硬度回升的“二次硬化”現(xiàn)象。經(jīng)三次回火后，其組織為回火馬氏體+少量碳化物+未溶碳化物。2.模具鋼分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼等。

(1)冷作模具鋼(實(shí)際溫度不超過200～3000C)

失效及性能要求磨損、崩刃或疲勞斷裂等。性能要求應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、足夠的韌性和疲勞抗力。成分wc為1.3%～2.3%，主加元素為Cr，輔加元素為Mo、V。

鉻的主要作用是提高淬透性和回火穩(wěn)定性，形成鉻的碳化物，提高耐磨性。鉬和釩的作用是細(xì)化奧氏體晶粒，提高耐磨性。

熱處理通過軋制將網(wǎng)狀共晶碳化物打碎。常用熱處理：淬火+低溫回火牌號Cr12、Cr12MoV、7Cr7Mo3VSi(新鋼種）。(2)熱作模具鋼(型腔表面溫度可達(dá)6000C。)失效及性能要求：磨損、塌陷、崩裂及龜裂等。性能要求

1）高的熱硬性和高溫耐磨性。

2）高的抗氧化能力，高的熱強(qiáng)性和足夠高的韌性。

3）高的熱疲勞抗力。

組織回火馬氏體+少量碳化物58~62HRC

成分wc

0.3%～0.6%，保證足夠的強(qiáng)度和韌性。主加元素為Cr、Ni、Mn、Si等，輔加元素為Mo、W、V。

合金元素的作用是提高淬透性，提高回火穩(wěn)定性；防止第二類回火脆性，產(chǎn)生二次硬化，阻止奧氏體晶粒的長大。

牌號5CrMnMo、5CrNiMo。熱處理淬火+高溫回火，得到回火索氏體組織40HRC3.量具鋼

性能①高的硬度和耐磨性；②高的尺寸穩(wěn)定性，熱處理變形小。

成分高碳（Wc

0.9%～1.5%）提高淬透性的元素（Cr、W、Mn）等。(3)塑料模具鋼牌號一般注塑模4Cr5MoSiV、熱固性塑料模9MnVCr127CrSiMnMoV

熱處理淬火+低溫回火穩(wěn)定處理導(dǎo)致量具尺寸變化的因素：殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，引起體積膨脹；馬氏體分解，體積收縮；殘余應(yīng)力的變化和重新分布，使彈性變形部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?）冷處理的目的是使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，減少殘余奧氏體量。

2）時(shí)效處理的目的是消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定馬氏體和殘余奧氏體?？蛇x鋼種、牌號20、20Cr；T12A；GCr15、CrWMn、Cr12(三)

特殊鋼用于制造在特殊環(huán)境（腐蝕、高溫等）下具有特殊性能的構(gòu)件和零件的鋼材，稱特殊性能鋼。

1.不銹鋼不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統(tǒng)稱。是在大氣或腐性環(huán)境中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性、抵抗腐蝕的一類鋼。

金屬腐蝕及防止（1）化學(xué)腐蝕金屬與化學(xué)介質(zhì)直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕。防止措施是加入Si、Cr、Al等能形成致密保護(hù)膜的合金元素。（2）電化學(xué)腐蝕是指金屬在腐蝕介質(zhì)中由于形成原電池，陽極失去電子而腐蝕。防止方法：①使金屬具有均勻的單相組織，減少原電池形成的可能性；②減少兩極的電極電位差，提高陽極的電極電位；③表面形成致密的、穩(wěn)定的保護(hù)膜，減少甚至阻斷腐蝕電流。

常用不銹鋼（1）鐵素體型wc＜0.35%,Wcr=12%～30%,具有較好的塑性，強(qiáng)度不高，對硝酸、磷酸有較高的耐蝕性。06Cr13Al10Cr17

（2）奧氏體型wc＜0.25%，Wcr＞16%，WNi＞7%，熱處理方式為固溶處理（850～950℃加熱，水冷），得單相奧氏體組織。再加穩(wěn)定化退火（850～950℃加熱，空冷），以避免晶間腐蝕的產(chǎn)生。06Cr19Ni10

耐蝕性很好，優(yōu)良的塑性、韌性和焊接性，缺點(diǎn)是強(qiáng)度低。

（3）馬氏體型wc≤1.2%，Wcr=11%～20%,典型的為Cr13型。熱處理方式：12Cr13、20Cr13為淬火+高溫回火，作為結(jié)構(gòu)件使用；30Cr13、68Cr17為淬火+低溫回火，具有高硬度、高耐磨性。成分不銹鋼的wc為0.08%～0.95%，主加元素為Cr、Cr-Ni，輔加元素為Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。2.耐熱鋼耐熱鋼的工作條件在300℃以上的溫度下長期工作。失效方式：劇烈氧化，強(qiáng)度急劇下降而破壞。性能要求是：①高的抗氧化性；②高的高溫力學(xué)性能；③組織穩(wěn)定性高；④膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好。

提高鋼的抗氧化性和熱強(qiáng)性的途徑加入Cr、Si、Al，通過形成致密穩(wěn)定的合金氧化膜層，降低甚至阻止氧化膜的擴(kuò)散。

通過固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、粗化晶粒提高金屬的熱強(qiáng)性。

常用耐熱鋼

(1)鐵素體型耐熱鋼如06Cr13Al、20Cr25N等。用來制造受力不大的爐用零件和熱交換器：燃?xì)鈾C(jī)燃燒室、鍋爐吊鉤、加熱爐底板等。(2)珠光體型耐熱鋼常用牌號是15CrMo和12CrMoV。工作溫度低于600℃的構(gòu)件。一般在正火+高溫回火（高于使用溫度100～150℃）狀態(tài)下使用。(3)馬氏體型耐熱鋼常用鋼種為Cr12、Cr13型，多用于制造600℃以下受力較大的零件，如汽輪機(jī)葉片等。一般在淬火+高溫回火狀態(tài)下使用。(4)奧氏體型耐熱鋼常用的鋼種是06Cr19Ni10。工作溫度可達(dá)750～800℃，常用來制作一些比較重要的零件如燃?xì)廨嗇啽P和葉片等。一般進(jìn)行固溶處理或固溶+時(shí)效處理。3.耐磨鋼失效方式和性能要求失效方式為磨損，主要要求是有很高的耐磨性和韌性。

成分特點(diǎn)

wc為0.9%～1.5%，WMn11%～14%，另外還有WSi0.3%～0.8%。

高錳的目的是與碳配合保證完全獲得奧氏體組織，提高鋼的加工硬化速率。硅是為了改善鋼的流動性，起固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的加工硬化能力。牌號為ZGMn13，也稱為高錳鋼。

性能特點(diǎn)有很高的韌性，在受到強(qiáng)烈的沖擊載荷和強(qiáng)大的壓力下，表面會迅速產(chǎn)生加工硬化，使表面層硬度、耐磨性顯著提高，而心部仍保持為原來的高韌性狀態(tài)。適合于制造履帶板、鏟斗齒、防彈板等。五、鑄鐵

鑄鐵是指的鐵、碳和硅組成的合金。

與碳鋼不同，鑄鐵的碳、硅含量較高，雜質(zhì)元素錳、硫、磷較多。鑄鐵加合金元素后可以得到合金鑄鐵。

鑄鐵有優(yōu)良的鑄造性能、切削加工性能、減摩性及減振性，成本低廉，是最重要的鑄件用材料。鑄鐵的分類（按石墨化程度分類）

1)灰口鑄鐵：碳主要以石墨形式存在，應(yīng)用廣泛。

2)白口鑄鐵：碳主要以Fe3C形式存在。（很少應(yīng)用）3)麻口鑄鐵：碳部分以石墨、部分以Fe3C形式存在（少用）灰口鑄鐵分類（以石墨形態(tài)分類）

1、灰鑄鐵：石墨為片狀；組織：鋼的基體（F、F+P、P）+G(片)

破壞了基體的連貫性能：抗壓不抗拉；耐磨、消振性好；缺口敏感性低；牌號：HT+數(shù)字→表示最低抗拉強(qiáng)度。應(yīng)用：機(jī)床床座，床身、工作臺；汽車拖拉機(jī)的汽缸、汽缸套等。

2、球墨鑄鐵：石墨為球狀；

組織：鋼基（F、F+P、P）+G（球）基體的連貫性好性能：良好的抗拉強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度，塑性、韌性；優(yōu)異的鑄造性，可切削加工性。（可熱處理或合金化）；牌號：QT+數(shù)字-數(shù)字球鐵最低抗拉強(qiáng)度斷后伸長率應(yīng)用：F+G:汽車拖拉機(jī)底盤零件；閥體、閥蓋；

F+P+G:機(jī)油泵齒輪；

P+G:代替中碳鋼制造內(nèi)燃機(jī)曲軸、車床主軸。3、可鍛鑄鐵：石墨為團(tuán)絮狀（不可鍛造）

制備：（不同于其它幾類鑄鐵）將亞共晶白口鑄鐵進(jìn)行石墨化退火，F(xiàn)e3C在固態(tài)下分解形成團(tuán)絮狀石墨。（9000C---9800C保溫15小時(shí)左右。）組織：鋼基（F、P）+G（團(tuán)絮）性能：介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間（相對于片狀石墨，團(tuán)絮狀石墨對基體的切割作用小）。牌號：KT（H、Z）+數(shù)字—數(shù)字（最低抗拉強(qiáng)度+斷后伸長率）應(yīng)用：形狀復(fù)雜、承受一定沖擊載荷的薄壁零件。（汽車的前后輪殼，給水管件等）4、蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀和球狀（少量）組織：鋼基（F、F+P、P）+G（蠕蟲狀、球狀）；性能：蠕蟲狀石墨長寬比小，尖端圓鈍對基體切割作用小?？估瓘?qiáng)度、塑性、疲勞強(qiáng)度>灰鑄鐵導(dǎo)熱性、鑄造性、可切削性>球墨鑄鐵

牌號：RuT+數(shù)字（最低抗拉強(qiáng)度）應(yīng)用：熱循環(huán)載荷條件下的鋼錠模，柴油機(jī)汽缸、氣缸蓋、排氣管、剎車件等。

第四節(jié)

有色金屬與粉冶材料

有色金屬是指除鋼鐵（黑色金屬）以外的其它金屬。粉冶材料是指通過粉末冶金的方法制取的材料。由于有色金屬、粉冶材料具有某些特殊的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。

一、鋁及鋁合金

1.工業(yè)純鋁

純鋁呈銀白色，其密度?。?.7g/cm2），熔點(diǎn)低（660℃），有良好的導(dǎo)電性，在大氣中有良好的耐蝕性。鋁的強(qiáng)度、硬度低（σb≈80～100Mpa），但塑性好（δ=50%），能承受各種冷、熱加工。

工業(yè)純鋁主要用于熔制鋁合金,制造電線、電纜以及要求具有導(dǎo)熱、抗蝕而對強(qiáng)度要求不高的一些用品和器皿等。工業(yè)純鋁的牌號有1060、1035、1200等，編號越大，純度越低。

2.鋁合金

純鋁的強(qiáng)度低，不適宜做結(jié)構(gòu)材料，但如果加入適量的硅、銅、鎂、鋅、錳等合金元素形成鋁合金，則具有密度小，比強(qiáng)度（強(qiáng)度極限與密度的比值）高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)良性能。若經(jīng)過冷加工或熱處理，還可進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。

（1）變形鋁合金

變形鋁合金在加熱時(shí)能形成單相固溶體組織,塑性好，能進(jìn)行各種壓力加工。變形鋁根據(jù)性能特征可分為下列四類，它們的牌號、成分、性能及用途見表3-17。

1）防銹鋁

有Al-Mn和Al-Mg兩系。其特點(diǎn)是耐蝕性好，塑性的焊接性能良好，均不能進(jìn)行熱處理方法強(qiáng)化，只能用冷變形強(qiáng)化。

2）硬鋁

主要有Al-Cu-Mg系。銅和鎂元素的加入可形成強(qiáng)化相，這類合金能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。經(jīng)淬火時(shí)效，強(qiáng)化相均勻彌散分布，能顯著提高其強(qiáng)度和硬度，這類鋁合金主要性能特點(diǎn)是強(qiáng)度大、硬度高。

3）超硬鋁

是Al-Cu-Mg-Zn系合金。與硬鋁合金相比，超硬鋁合金時(shí)效中能產(chǎn)生更多的強(qiáng)化相，強(qiáng)化效果更顯著，所以其強(qiáng)度、硬度更高。

4）鍛鋁

鍛鋁合金多為Al—Cu—Mg—Si系。這類合金在加熱狀態(tài)下有良好的塑性和較好的耐熱性，具有良好的鍛造性。進(jìn)行淬火時(shí)效后有較高的強(qiáng)度，其強(qiáng)度和硬度可與硬鋁合金相媲美。

（2）鑄造鋁合金

具有良好的鑄造性能，但塑性較低，不能承受壓力加工。按其主加合金元素的不同，鑄造鋁合金可分為Al-Si系、Al-Cu等、Al-Mg系、Al-Zn系四種。

鑄造鋁合金多用于制造質(zhì)量輕、耐腐蝕、形狀復(fù)雜、要求有一定力學(xué)性能的鑄件生產(chǎn)。常用鑄造鋁合金中以鋁硅鑄造鋁合金應(yīng)用最廣泛。

二、銅及銅合金

1．工業(yè)純銅

其密度為8.9/cm3，熔點(diǎn)為1083℃，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，抗蝕性好；塑性好，能承受各種冷壓力加工，但強(qiáng)度低。工業(yè)純銅一般被加工成棒、線、板、管等型材，用于制造電線、電纜、電器零件及熔制銅合金等。

2．銅合金

按照化學(xué)成分不同，銅合金可分為黃銅、青銅和白銅三類。常用的是黃銅和青銅。白銅是以鎳為主要合金元素的銅合金，一般很少應(yīng)用。

（1）黃銅

黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金。黃銅又分為普通黃銅（又稱簡單黃銅）和特殊黃銅（又稱復(fù)雜黃銅）。1）普通黃銅（以鋅和銅組成的合金）普通黃銅的牌號用“H+數(shù)字”表示。H表示黃銅，數(shù)字表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如H68表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Wcu=68%，其余為鋅。

普通黃銅的力學(xué)性能、工藝性和耐蝕性都較好，應(yīng)用較為廣泛。

2）特殊黃銅

在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入鉛、錫、鋁、錳、硅等合金元素構(gòu)成特殊黃銅。其目的是為了改善黃銅的某些性能，如加入鉛可以改善切削加工性；加入鋁、錫能提高耐蝕性，加入錳、硅能提高強(qiáng)度和耐蝕性等。

常用的特殊黃銅有鉛黃銅、鋁黃銅、錳黃銅、硅黃銅等。

（2）青銅

青銅是除黃銅、白銅以外的銅合金。它又分為普通青銅（錫青銅）和特殊青銅兩種。

1）錫青銅

錫青銅是以錫為主要合金元素的銅合金。它最主要的特點(diǎn)是具有良好的力學(xué)性能、耐蝕性和減摩性，較多地用于軸承、蝸輪、絲桿螺母等零件的制造。

2）特殊青銅

加入其它元素代替錫的青銅，稱為特殊青銅，又稱為無錫青銅。

鋁青銅——以鋁為主要合金元素的銅基合金稱為鋁青銅。鋁青銅主要用于在海水或高溫下工作的零件和高強(qiáng)度耐磨零件，是各種青銅