常用工程材料選用

三、常用工程材料及選用純金屬因價貴，力學性能較低，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的規(guī)定，因此工業(yè)上多應用合金。下面對工程中常用的金屬材料進行敘述。一、碳素鋼碳素鋼是指≤2.11%，并含少量硅、錳、磷、硫等雜質元素的鐵碳合金。碳素鋼具有一定的力學性能和良好的工藝性能，且價格低廉，在工業(yè)中廣泛應用。碳素鋼的分類及牌號碳素鋼的種類很多，常按以下方法分類。按鋼的含碳量分類可分為：低碳鋼（0.0218%<Wc<0.25%）、中碳鋼（0.25%≤Wc≤0.60%）、高碳鋼（0.60%<Wc≤2.11%〉。按鋼的重要質量等級分類普通質量碳素鋼（Ws≤0.050%、Wp≤0.045%）。優(yōu)質碳素鋼（Ws≤0.035%、Wp≤0.035%）。特殊質量碳素鋼（ws≤0.020%，Wp≤0.020%）。按鋼的用途分類（1）碳素結構鋼：重要用于制作機械零件和工程構件，一般屬于低、中碳鋼。（2）碳素工具鋼：重要用于制作刃具、量具和模具，一般屬于高碳鋼。此外，鋼按冶煉方法不同，可分為轉爐鋼和電爐鋼；按冶煉時脫氧限度的不同，可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜和特殊鎮(zhèn)靜鋼等。生產(chǎn)中，常用的碳素鋼類別、牌號表達方法如表1-7所示。表1-7常用的碳素鋼類別、牌號表達方法二、合金鋼為了改善碳素鋼的組織和性能，在碳素鋼基礎上有目的地加入一種或幾種合金元素所形成的鐵基合金，稱為低合金鋼或合金鋼。常加入的合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、硼、鋁、鈮、鋯等。通常低合金鋼中加入合金元素的種類和數(shù)量較合金鋼少。不同元素的組合，不同的元素含量，可得到不同的性能。合金鋼的分類1.按質量等級分按質量等級，合金鋼可分為優(yōu)質合金鋼（如一般工程結構用合金鋼、耐磨鋼、硅錳彈簧鋼等）和特殊質量合金鋼（如合金結構鋼、軸承鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼等）。2.按合金元素總量分按合金元素總量將合金鋼分為：低合金鋼（WMe<5%）、中合金鋼（WMe=5%～10%）和高合金鋼（WMe>10%）3.按合金元素種類分按合金元素種類將合金鋼分為：鉻鋼、錳鋼、硅錳鋼、鉻鎳鋼等。4.按重要性能和使用特性分重要分為工程結構用合金鋼，機械結構用合金鋼，軸承鋼，工具鋼，不銹、耐蝕和耐熱鋼，特殊物理性能鋼等。合金鋼的編號我國合金鋼編號方法的原則是以鋼中碳含量（Wc×100）、合金元素的種類和含量（WMe×100）來表達。當鋼中合金元素的平均含量WMe<1.5%時，鋼號中只標出元素符號，不標明合金元素平均含量；當WMe≥1.5%、2.5%、3.5%……時，在該元素后面相應的標出2、3、4……。合金鋼的具體編號方法見表1-11：表1-12合金鋼的編號方法鋼的牌號由代表屈服點的漢語拼音字母（Q）、屈服點數(shù)值、質量等級符號（A、B、C、D、E）三個部分按順序排列。Q345C表達屈服點為345MPa、質量為C級的低合金高強度結構鋼。合金結構鋼的牌號用“兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字”表達，前面兩位數(shù)字表達鋼中平均碳的質量分數(shù)的萬倍值；元素符號表達鋼中所含的合金元素；元素符號后面的數(shù)字表達該元素平均質量分數(shù)的百倍值。若為高級優(yōu)質鋼則在牌號后面加“A”。60Si2Mn表達鋼中平均碳含量為0.6%、含硅量為2%，含錳量小于1.5%的合金結構鋼。40CrNiMoA滾動軸承鋼的牌號用“G+Cr+數(shù)字”表達，G表達“滾”，合金元素鉻后面的數(shù)字表達平均鉻質量分數(shù)的千倍值。GCr15表達含鉻量為1.5%的滾動軸承鋼合金工具鋼的編號方法與合金結構鋼相似。區(qū)別僅在于：若鋼中平均Wc<1%時，牌號前面用一位數(shù)字表達平均碳的質量分數(shù)的千倍值；若Wc≥1%時則不標出。9Mn2V表達含碳量為0.9%，含錳量為2%，含釩量小于1.5%的合金工具鋼。CrWMn高速工具鋼的編號方法與合金工具鋼略有不同，重要區(qū)別是鋼中平均Wc<1%時也不標出數(shù)字W18Cr4V表達含鎢量為18%，含鉻量為4%，含釩量小于1.5%的高速工具鋼特殊性能鋼的牌號表達方法與合金工具鋼基本相同。當Wc≤0.03%及Wc≤0.08%時，牌號前面分別加“00”及“0”4Cr13表達含碳量為0.4%，含鉻量為13%特殊性能鋼。0Cr19Ni9、00Cr17Ni14Mo2低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼由于其較高強度和良好的工藝性能，是近年來發(fā)展最快，最有前景的一類合金鋼，目前其重要的發(fā)展方向之一是通過合金化和熱解決改變基體組織（如馬氏體、貝氏體等）以提高強度，同時超低碳化，即進一步減少含碳量，以充足保證韌性和工藝性能?；瘜W成分含碳量：Wc<0.20%，鋼中含碳量較低，是為了獲得良好的塑性、焊接和冷變形能力。常用合金元素種類及重要作用：低合金高強度結構鋼重要合金元素有錳、釩、鈦、鈮、鋁、鉻、鎳等。錳有固溶強化鐵素體、增長并細化珠光體的作用；釩、鈦、鈮等重要作用是細化晶粒；鉻、鎳可提高鋼的沖擊韌性，改善鋼的熱解決性能，提高鋼的強度，并且鋁、鉻、鎳均能提高對大氣的抗蝕能力。為改善鋼的性能，高性能級別鋼可加入鉬、稀土等元素。2．熱解決特點低合金高強度結構鋼大多在熱軋、正火狀態(tài)下供應，使用時一般不再進行熱解決。合金結構鋼合金結構鋼按其用途和熱解決特點，可分為滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、軸承鋼。１.化學成分表1-14列出了合金結構鋼的化學成分及其特點。表1-14合金結構鋼的成分特點2.熱解決特點合金滲碳鋼①預備熱解決：正火。②最終熱解決：滲碳、淬火和低溫回火。合金調質鋼①預備熱解決：正火或退火。②最終熱解決：合金調質鋼的最終熱解決為調質，以保證具有良好的綜合力學性能。對于某些承受沖擊的耐磨零件，也可采用調質、表面淬火并低溫回火或調質后氮化解決，以滿足表面的耐磨性規(guī)定和抗沖擊規(guī)定。（2）合金彈簧鋼①當彈簧直徑或板簧厚度大于10mm時，常采用熱成形，即將彈簧鋼加熱到比正常淬火溫度高出50~80℃進行熱成形，然后運用余熱立即淬火并中溫回火，得到回火托氏體組織，硬度為40~48HRC②當彈簧直徑或板簧厚度小于8~10mm時，常用冷拔彈簧鋼絲冷卷成形。例如，淬火回火鋼絲是將鋼絲冷拔到規(guī)定尺寸后，進行油淬和中溫回火，冷卷成彈簧后在200~300℃彈簧鋼熱解決后通常進行噴丸解決，其目的是在彈簧表面產(chǎn)生殘余壓力，以提高彈簧的疲勞強度。（3）滾動軸承鋼①預備熱解決：軸承鋼的預先熱解決是正火和球化退火。②最終熱解決：軸承鋼的最終熱解決是淬火和低溫回火，回火后的組織為細回火馬氏體加均勻分布的細粒狀碳化物及少量殘余奧氏體，硬度為61～65HRC。對精密的軸承鋼零件，為保證尺寸穩(wěn)定性，可在淬火后立即進行冷解決（–60～–80℃），以盡量減少殘余奧氏體量，冷解決后進行低溫回火和粗磨，接著在120～130℃合金工具鋼合金工具鋼涉及量具、刃具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼等。合金量具鋼量具工作時，重要受磨損，承受外力很小，因而規(guī)定量具用鋼要有高硬度、高耐磨性；為保證測量的準確性，規(guī)定量具用鋼具有良好的尺寸穩(wěn)定性。量具用鋼沒有專用鋼。為了保證量具用鋼具有高的尺寸穩(wěn)定性，可采用冷解決和進行穩(wěn)定化解決。合金刃具鋼性能規(guī)定刃具工作時，刃部與切屑、毛坯間產(chǎn)生強烈摩擦，使刃部磨損并產(chǎn)生高溫（可達500~600℃①高的硬度和耐磨性；②高的熱硬度；③足夠的強度和韌性，以防在受沖擊和震動時，刀具忽然斷裂和崩刃?；瘜W成分①含碳量：Wc=0.80%~1.50%，以保證高硬度和耐磨性。②合金元素：Cr、Mn、Si：提高淬透性、耐回火性和改善熱硬性；W、V：可提高鋼的熱硬性和耐磨性。（3）熱解決特點①預備熱解決：采用球化退火，以改善切削加工性能②最終熱解決：采用淬火和低溫回火，其組織為細回火馬氏體、合金碳化物和少量殘留奧氏體，硬度為60~65HRC冷作模具鋼冷作模具鋼用于制造在冷態(tài)下變形或分離的模具，如冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模等。性能規(guī)定冷作模具在工作時承受的彎曲應力、壓力、沖擊及摩擦，因此冷作模具鋼應具有高硬度、耐磨性和足夠的強度、韌性。大型模具用鋼還應具有好的淬透性、熱解決變形小的等性能。化學成分①含碳量：Wc=1.0%~2.0%，其目的是為了獲得高硬度和耐磨性。②合金元素：Cr、Mo、W、V：提高耐磨性、淬透性和耐回火性。 （3）熱解決特點①預備熱解決：加工前進行反復鍛打后退火。②最終熱解決：采用淬火和低溫回火?；鼗鸷蠼M織為回火馬氏體、碳化物和殘留奧氏體，硬度為60~62HRC。 鑄鐵鑄鐵是Wc>2.11%的鐵碳合金。除鐵、硅、碳、錳以外，還具有較高的硫、磷等雜質元素，在合金鑄鐵中，還加入一定含量的其他合金元素。鑄鐵在工業(yè)中應用量較大，按重量比例，一般機械中，鑄鐵件占約40%~70%，在機床和重型機械中達60%~90%。碳除很少量固溶于鐵素體外，一般均以游離狀態(tài)的石墨或化合狀態(tài)的滲碳體存在。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式不同，可分為以下幾種：白口鑄鐵這種鑄鐵中的碳重要以游離碳化物的形式析出，斷口呈銀白色。由于大量硬而脆的滲碳體存在。白口鑄鐵硬度高、脆性大，難以切削加工?；铱阼T鐵這種鑄鐵中的碳大部分或所有以石墨的形式析出，斷口呈暗灰色。按石墨形態(tài)不同，灰口鑄鐵又分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵。麻口鑄鐵這種鑄鐵中的碳部分以游離碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，斷口灰、白色相間。此類鑄鐵硬脆性較大，故工業(yè)上很少使用。1.5.3.1一般工程用鑄鐵1．灰鑄鐵灰鑄鐵的成分灰鑄鐵的化學成分范圍一般為：Wc=2.5%~3.6%，WSi=1.0%~2.5%,Wp≤0.3%，WMn=0.5%~1.3%，WS≤0.15%?；诣T鐵的組織灰鑄鐵的組織可當作碳素鋼的基體加片狀石墨。按基體組織不同分為：鐵素體基體灰鑄鐵，鐵素體—珠光體基體灰鑄鐵，珠光體基體灰鑄鐵。（3）灰鑄鐵的性能①力學性能：灰鑄鐵的性能重要取決于基體的組織和石墨形態(tài)。因石墨的強度極低，相稱于在鋼的基體上分布了許多孔洞和裂紋，分割、破壞了基體的連續(xù)性，減小了基體的有效承載截面，并且石墨的尖角外易產(chǎn)生應力集中，所以灰鑄鐵的抗拉強度比相應基體的鋼低很多，塑性、韌性極低。石墨片數(shù)量越多，尺寸越大、分布越不均勻，灰鑄鐵的抗拉強度越低?；诣T鐵的抗壓強度、硬度重要取決于基體，石墨對其影響不大，故灰鑄鐵的抗壓強度和硬度與相同基體的鋼體的鋼相似。灰鑄鐵的抗壓強度一般是其抗拉強度的3—4倍。當石墨存在形態(tài)一定期，鑄鐵的力學性能取決于基體組織，珠光體基體比鐵素體基體灰鑄鐵的強度、硬度、耐磨性均高，但塑性、韌性低；鐵素體一珠光體基體灰鑄鐵的性能介于前兩者之間。②其他性能：石墨雖然減少了灰鑄鐵的力學性能，但卻給灰鑄鐵帶來一系列其他的優(yōu)良性能，如良好的鑄造性能，良好的減振性，良好的耐磨性能，良好的切削加工性能和較小的缺口敏感性。由于灰鑄鐵具有以上一系列性能特點，因此被廣泛地用來制作各種受壓應力作用和規(guī)定消震的機床床身與機架、結構復雜的殼體與箱體、承受摩擦的缸體與導軌等。2.球墨鑄鐵（1）球墨鑄鐵的獲得球墨鑄鐵是通過鐵液的球化解決獲得的。澆注前向鐵液中加入球化劑，促使石墨呈球狀析出。這種解決方法稱為球化解決。目前常用的球化劑有鎂、稀土元素和稀土鎂合金3種，其中稀土鎂合金球化劑應用最廣泛。稀土鎂合金球化劑多采用沖入法加入，即先將球化劑放在鐵水包內，然后將鐵液沖入，使球化劑逐漸熔化。由于鎂及稀土元素都強烈阻礙石墨化，因此在進行球化解決的同時，必須進行孕育解決，其作用是削弱白口傾向，以免得到白口組織，同時孕育解決可以改善石墨的結晶條件，使石墨球徑變小，數(shù)量增多，形狀圓整，分布均勻，從而提高了鑄鐵的力學性能。（2）球墨鑄鐵的成分球墨鑄鐵的化學成分是：Wc=3.8%~4.0%，Wsi=2.0%~2.8%，WMn=0.6%~0.8%，Ws≤0.04%，Wp<0.1%，WMg=0.03%~0.05%，WRE<0.03%~0.05%。（3）球墨鑄鐵的組織球墨鑄鐵的組織可當作是碳素鋼的基體加球狀石墨。按基體組織的不同，常用的球墨鑄鐵有：鐵素體球墨鑄鐵、鐵素體—珠光體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵和貝氏體球墨鑄鐵等。（4）球墨鑄鐵的性能①力學性能：球墨鑄鐵中由于石墨呈球狀，對基體的割裂作用和引起應力集中現(xiàn)象明顯減小，基體對鑄鐵的性能影響起到了支配性的作用，因而球墨鑄鐵的強度、塑性與韌性都大大優(yōu)于灰鑄鐵，可與相應組織的鑄鋼媲美。球墨鑄鐵中石墨球越圓整、球徑越小、分布越均勻，其性能就越好。②其他性能：球墨鑄鐵同樣具有灰鑄鐵的一系列優(yōu)點，如良好的鑄造性、減振性、減摩性、削切加工性及低的缺口敏感性等，但凝固收縮較大，容易出現(xiàn)縮松與縮孔，熔化工藝規(guī)定高。3．可鍛鑄鐵（1）可鍛鑄鐵的獲得可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火而獲得。石墨化退火的工藝過程是：將白口鑄鐵加熱到900℃~980℃，使鑄鐵組織轉變?yōu)閵W氏體加滲碳體，在此溫度下長時間保溫后，滲碳體分解為團絮狀石墨，這時鑄鐵組織為奧氏體加石墨，此為一階段石墨化。在隨后的緩冷過程中，奧氏體中過飽和的碳將充足析出并附在已形成的團絮狀石墨表面，使石墨長大，完畢第二階段石墨化（760～720℃），形成鐵素體和石墨，再緩冷至700～650℃，出爐空冷（圖4．蠕墨鑄鐵（1）蠕墨鑄鐵的獲得蠕墨鑄鐵的獲得方法與球墨鑄鐵相似，是通過鐵液的蠕化解決獲得的。澆注前向鐵液中加入蠕化劑，促使石墨呈蠕蟲狀析出，就得到了蠕墨鑄鐵，這種解決方法稱為蠕化解決。目前常用的蠕化劑有稀土鎂鈦合金、稀土硅鐵合金、稀土鈣鎂鐵合金等。（2）蠕墨鑄鐵的組織和性能蠕墨鑄鐵的組織可當作碳素鋼的基體加蠕蟲狀石墨。蠕墨鑄鐵中石墨形態(tài)介于片狀與球狀之間，石墨的形態(tài)決定了蠕墨鑄鐵的力學性能介于相同基本組織的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，其鑄造性能、減振性和導熱性都優(yōu)于球墨鑄鐵，與灰鑄鐵相近。有色金屬鋁及其合金鋁是目前工業(yè)中應用最廣泛的有色金屬。它具有良好的導電、導熱性，強度低，塑性好，可以進行各種壓力加工。為了獲得良好的的機械性能和工藝性能，通常在鋁中加入一定量的其他元素以制成具有較高強度的鋁合金。根據(jù)化學成分和工藝特點的不同，鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。1．形變鋁合金根據(jù)重要性能特點和用途，形變鋁合金分為防銹鋁（代號LF），硬鋁（代號LY），超硬鋁（代號LC），鍛造鋁（代號LD）等。它們的供應狀態(tài)是具有各種規(guī)格的型材、板材、線材、管材等。防銹鋁的牌號如LF5，LF21，具有良好的塑性和耐腐蝕性，可用于制作油箱、油管、鉚釘及窗框、餐具等結構件。硬鋁（如LYll，LYl2）及超硬鋁（如LC4，LC5）通過熱解決后可以獲得較高的硬度和強度，可用于制造螺旋槳、葉片、飛機大梁、起落架、桁架等高強度結構件。鍛鋁（如LD5，LD7）具有良好的熱塑性，可用于制造復雜的大型鍛件。2