工程材料第4講金屬材料01

第四章常用金屬材料1.

教學要求：本講是課程的重點，要求掌握：①

鋼和鑄鐵的分類，牌號表示，各類鋼的性能特點，熱處理特點及應(yīng)用。

②

鋁及其合金，銅及其合金，滑動軸承合金的分類，性能特點及其應(yīng)用；③

能根據(jù)零件的性能要求，合理選擇相應(yīng)的金屬材料.

2.

教學時數(shù)：10

4

.1工業(yè)用鋼概述

碳鋼（含碳量＜2.11％Fe－C合金)鋼

合金鋼（碳鋼+合金元素熔煉而成的鋼）

4.1.1.

鋼中雜質(zhì)

合金元素（Metalelements,Me）:為改善性能而有目的加入的化學元素。雜質(zhì)：不是人為加入和期望而存在于鋼鐵中的元素或化合物鋼中常見的雜質(zhì)有錳、硅、硫、磷等。1.

硫的影響S以FeS的形式存在于鋼中，F(xiàn)eS與Fe形成（Fe+FeS）共晶，其熔點僅985℃，在鍛造過程（加熱溫度在1050－1200℃）（Fe+FeS）共晶熔化而產(chǎn)生熱裂（稱為熱脆性），因此，鋼中含硫量均＜0.05％合金晶界的低熔點硫化物共晶

2.

磷的影響：磷

在鋼中能溶于鐵素體，固溶強化效果很強，而使塑韌性急劇降低，在冷塑性變形（如板沖壓）產(chǎn)生脆裂（冷脆性）鋼中含磷量均＜0.045％比利時阿爾伯特運河鋼橋因磷高產(chǎn)生冷脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中3、氣體元素①N：室溫下N在鐵素體中溶解度很低，鋼中過飽和N在常溫放置過程中以FeN、Fe4N形式析出使鋼變脆,稱時效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除時效傾向。②O：氧在鋼中以氧化物的形式存在，其與基體結(jié)合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源.鋼中TiN夾雜鋼中氧化物夾雜③H：常溫下氫在鋼中的溶解度也很低。當氫在鋼中以原子態(tài)溶解時，降低韌性，引起氫脆。當氫在缺陷處以分子態(tài)析出時，會產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點或發(fā)裂。鋼中白點鋼的氫脆斷口4.1.2.合金元素改善鋼的力學性能

圖、合金元素對鋼的力學性能的影響

合金元素在鋼中的分布形式

碳化物形成元素非碳化物形成元素

Ti.V.W.Mo.Cr.Mn.Si.Al.Ni.B

作用

26Fe

3d64S形成合金碳化物形成合金鐵素體合金鋼強化的原因：

a.固溶強化b.第二相強化c.細化晶化（碳化物阻礙奧氏體晶粒長大）提高鋼的強韌性4.1.3.鋼的分類及牌號表示1、鋼的分類按化學成分分:碳素鋼合金鋼低碳鋼≤0.25%C中碳鋼0.25~0.60%C高碳鋼≥0.60%C高合金鋼合金元素≥10%低合金鋼合金元素≤5%中合金鋼合金元素5~10%按用途分:

工程用鋼

建筑、橋梁、船舶、車輛用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼易切削鋼機器用鋼結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊鋼擠壓模具鋼類碳素鋼合金鋼PSPS普通質(zhì)量鋼≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015按冶金質(zhì)量分:鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼、特級優(yōu)質(zhì)鋼.根據(jù)現(xiàn)行標準，各質(zhì)量等級鋼的磷、硫含量如下：

4.1.3.鋼的分類及牌號表示2.牌號表示：（1）結(jié)構(gòu)鋼a.碳鋼

以“鋼中平均含碳量的萬倍”編號

例：0.40％C的鋼，牌號為40鋼

b.合金結(jié)構(gòu)鋼

“鋼中平均含碳量的萬倍+Me符號及含量的百倍+……”Me含量的標注：＜1.5％不標出，1.5～2.4％標2，…（2）工具鋼和不銹鋼a、碳素工具鋼

T+鋼中平均含碳量的千倍（高級優(yōu)質(zhì)+A)例：T12

b、合金工具鋼和不銹鋼

鋼中平均含碳量的千倍+Me符號及含量的百倍+……

其中，鋼中含碳量＞1.0％不標含碳量，高速鋼（＞10％Me的高合金鋼且Cr：4％）不標含碳量。例：9SiCrCrWMn.W18Cr4V（高速鋼，4％Cr）4Cr13（不銹鋼，含Cr量≥13％）。

Summary鋼號前有兩個位數(shù)為結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr，鋼號前有一個位數(shù)和沒有數(shù)的，

＜13％Cr是工具鋼，如9SiCr,CrWMn,W18Cr4V.

≥13％Cr是不銹鋼

如2Cr13,1Cr18Ni9

4.2結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼（普低鋼）16Mn合金滲碳鋼（低.中.高淬透性）20CrMnTi

合金調(diào)質(zhì)鋼（低.中.高淬透性）

40Cr合金彈簧鋼60Si2Mn滾動軸承鋼GCr15易切削鋼Y20合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼

Q235優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45碳素工具鋼T10A碳素鋼4.2結(jié)構(gòu)鋼4.2.1.工程結(jié)構(gòu)鋼1、性能特點：

①

強度低——主要用于靜載

②

塑性高——便于成型，C和Me含量越低，塑性越高

③

焊接性好——便于施焊，C和Me含量越低，可焊性越高

南京長江大橋壓力容器(1)普通結(jié)構(gòu)鋼牌號：

Q+鋼的屈服極限（MPa）+質(zhì)量等級（A-D）

Q195Q275（共五種）桁架結(jié)構(gòu)4.2結(jié)構(gòu)鋼4.2.1.工程結(jié)構(gòu)鋼2、成分特點：

低碳、低合金含量(2)低合金結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼＝普通結(jié)構(gòu)鋼(Q235)+Me（＜3.0％﹚常用合金元素：Mn、V、Ti。

合金元素的作用：

強化鐵素體，細化晶粒，增加碳化物相對量。因此，低合金結(jié)構(gòu)鋼的強度比Q235高40％至一倍。3、主要應(yīng)用

框架結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)，壓力容器等

使用狀態(tài)：不熱處理或正火，或去應(yīng)力退火，對特殊要求的零件可進行淬火4.2.2優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼：

1,滲碳鋼(1)性能特點（以齒輪為例）

通過滲碳-淬火實現(xiàn)

c.高沖擊韌性d.高淬透性

*表層高硬度，高耐磨性,心部高韌性

汽車變速箱齒輪(1)成分特點

低碳，0.15～0.20％C

——保證零件心部高韌性

Cr、Mo、W、V、Ti

——形成合金碳化物，保證滲碳過程細化晶粒Mn、Ni、B——提高淬透性。

(2)常用鋼：20、20Cr（一般要求)20MnVB(代用鋼）

20CrMnTi、20CrMnMo等柴油機凸輪軸活塞銷(20Cr)（3）應(yīng)用：齒輪、凸輪、活塞銷等。滲碳零件的工藝流程：毛坯鍛造——正火——機加工——滲碳——淬火+低溫回火——精加工——……

增壓柴油機曲軸表層：高碳回火M+碳化物+Ar硬度：60～62HRC心部：淬透時低碳M回硬度：

40HRC；未淬透時F+S硬度：

<20HRC

預(yù)備熱處理：正火最終熱處理：滲碳+淬火+低溫回火

熱處理特點2、調(diào)質(zhì)鋼（1）性能特點

a高強度——以抵抗扭轉(zhuǎn)和彎曲變

b高韌性——以抵抗振動和沖擊要求：具有高的綜合力學性能合金結(jié)構(gòu)鋼曲軸單缸汽車曲軸（2）成分特點

中碳：0.25～0.5％C---高的綜合力學性能Si、Mn、Cr、Ni、B——提高淬透性Cr、V—細化晶粒

（3）常用鋼

一般要求40，45，40Cr較高要求35CrMo42CrMo40CrNi40CrNiMo無Cr,Ni代用鋼:40MnB40MnVB42Mn2V

（4）熱處理特點

調(diào)質(zhì)處理

組織：回火索氏體

硬度HRC25-32調(diào)質(zhì)鋼加工工藝流程：a、軸桿類零件：如連桿，曲軸，連桿螺栓等

鍛造——正火——機加工——調(diào)質(zhì)——精加工——檢驗

組織：回火索氏體（HRC25-32）調(diào)質(zhì)件（螺桿）b、齒輪，軸頸等要求表面耐磨零件鍛造---正火----機加工----調(diào)質(zhì)----精加工—--表面淬火+低溫回火---檢驗組織：表層：回火馬氏體（HRC54-58）心部：回火索氏體（HRC25-32）

柴油機凸輪軸3、彈簧鋼（1）性能特點

高彈性極限，高疲勞極限（2）成分特點：

中高碳

0.5——0.7％（合金鋼），0.6——0.9％（碳鋼）Si——強化鐵素體，提高彈性極限Si、Mn——提高淬透性

Cr、Mo、W——提高高溫強度（高溫彈簧所必須）

3、彈簧鋼（3）常用鋼：

一般有求65，75，65Mn,較高要求55Si2Mn,60Si2Mn.高溫彈簧鋼50CrMo,50CrV（4）熱處理特點：

淬火+中溫回火。組織：回火托氏體（HRC40-50）（5）應(yīng)用：

彈性元件，要求高韌性、高耐磨性的零件、工具，如鏟刀，刀剪等。汽車彈簧彈簧絲汽車板簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧彈簧絲60Si2Mn制汽車板簧工藝路線：扁鋼剪斷→機械加工(倒角鉆孔等)→加熱壓彎→淬火中溫回火→噴丸軸承鋼主要制造滾動軸承滾動體(滾珠、滾柱、滾針)、內(nèi)外套圈等，屬專用結(jié)構(gòu)鋼。

化學成分上屬于高碳合金鋼，也用于制造精密量具、冷沖模、機床絲杠等耐磨件。滾珠軸承滾針軸承滾柱軸承4、滾動軸承鋼軸承工作時,承受接觸應(yīng)力(達3000-3500MPa)、周期性交變載荷(頻率達數(shù)萬次/分)和摩擦。

高的接觸疲勞強度和抗壓強度；高硬度和耐磨性；足夠的彈性極限及沖擊韌性；高的淬透性；高的耐蝕性；（1）性能要求圓柱滾子軸承自動調(diào)心球軸承(2)成分特點和常用牌號

高硬度，高耐磨性——高碳0.95-1.10％C高耐蝕性——0.4-1.65％Cr高接觸疲勞強度——嚴格控制有害元素和夾雜物。常用牌號：

GCr15(G+含Cr量的千倍)

GCr15SiMn

(Si、Mn提高淬透性，用于大型軸承)推力球軸承滾針軸承(3)

應(yīng)用：滾動軸承、刀具、模具、量具工藝路線鍛造—球化退火—機加工—淬火+低溫回火—精加工--組織與性能(1)球化退火

球狀珠光體

180—220HBS(2)淬火+低溫回火

回火馬氏體+碳化物HRC60—64球狀珠光體正常淬火組織5、易切削鋼(fee–cuttingsteel)牌號表示：

Y+平均含碳的萬倍

如Y20Y40Ca成分特點：

S:Ws=0.08～0.3%切屑易斷；減摩、潤滑Pb:WPb=0.15～0.25%破壞連續(xù)性，減摩P:<0.15%溶于F使之變脆切屑易斷Ca:微量減摩潤滑

應(yīng)用：要求尺寸精度高、表面光潔度高、切削量大、力學性能要求不高的工件，一般不進行鍛造和熱處理。

在碳鋼中加入合金元素，使之成為切削加工性能良好的鋼，稱為易切削結(jié)構(gòu)鋼。高切削性能的特征：切削抗力小，排屑（斷屑）容易，刀具壽命長，工件表面粗糙度低。鑄鋼件5噸大齒輪鑄件6、鑄造碳鋼ZG+兩組數(shù)字例：ZG200-400第一組數(shù)字為屈服強度≥200MPa，第二組數(shù)字為抗拉強度≥400MPa。4.3工具鋼按用途分為:刃具鋼模具鋼量具鋼模具刃具量具4.3工具鋼4.3.1.工具鋼的特點（除熱作模具鋼外）1、性能特點①

高硬度，高耐磨性＞HRC60

合金工具鋼制品碳化物越多，越細，分布越均勻，硬度、耐磨性越高

因此，工具鋼均高碳，高碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V等②

高熱硬性熱硬性：工具鋼經(jīng)適當熱處理后，在達到紅熱溫度時仍能保持高硬度的特性.

如加入Mo、W、V、Co可提高鋼的熱硬性③

一定強韌性：細化晶粒高淬透性：如加入Cr、Mn、Si。2、成分特點：三高：含碳量高（＞0.7％C，）合金元素含量高純度高

S、P均＜0.03—0.02％均屬高級優(yōu)質(zhì)鋼。切削加工3、鍛造及熱處理特點

工具生產(chǎn)工藝流程；

鍛造—球化退火—機加工——淬火+低溫回火——精加工*鍛造比

鐓粗Y=拔長

Y=W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織（1）鍛造

目的：成型，細化碳化細（打碎）要求：低合金工具鋼：鍛造比

（Y）≥4高合金工具鋼：Y≥6（2）球化退火

目的：

消除應(yīng)力，降低硬度，改善切削性能，為淬火作好組織準備

工藝：

Ac1+20～30℃保溫A1﹣20～30℃等溫

組織:球狀珠光體硬度200—250HBS

平衡組織球化組織含1.4%C鋼的組織

a.淬火+低溫回火(180—200℃回火)，

組織:回火馬氏體+碳化物+A，

b.淬火+高溫回火（510—550℃回火）：

組織:回火馬氏體+碳化物+A，

有二次硬化現(xiàn)象,具有更高硬度，高耐磨性，尤其有高的熱硬性。常用于高速鋼，高鉻模具鋼制造的刀具、大型冷作模具等。

（3）淬火+回火4.3.2.常用工具鋼1、碳素工具鋼T7——T13用于工作溫度＜250℃的工具T7-T9：制造承受沖擊的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。木工鑿手錘木工鉆T10~T11：制造低速切削工具，如鉆頭、鋸條、車刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如銼刀、絲錐等。絲錐銼刀手鋸條鉆頭4.3.2.常用工具鋼2、低合金工具鋼：9SiCr,9Mn2V,CrWMn用于工作溫度＜350℃的工具

3、高速鋼：W18Cr4VW6Mo5Cr4V2等用于工作溫度＜550℃的工具車刀銑刀鉆頭板牙預(yù)熱分級淬火低溫回火9SiCr鋼板牙熱處理工藝曲線低合金工具鋼的淬透性和耐磨性明顯高于碳素工具鋼，變形小，主要用于制造截面尺寸較大、幾何形狀較復(fù)雜、加工精度要求較高、切削速度不太高的薄刃刀具。高速鋼的熱處理W18Cr4V鋼淬火、回火后的組織高速鋼銑刀4、冷作模具鋼工作條件工作時承受很大的壓力、彎曲力、沖擊載荷和摩擦。主要失效形式是磨損常用鋼Cr12Cr12MoV等。用于制造大型模具。汽車沖壓模具5、熱作模具鋼5CrNiMo5CrMnMo用于制造熱鍛模.熱處理淬火+中溫（或高溫）回火組織回火托氏體（或回火索氏體）

性能

具有良好的綜合力學性能和熱疲勞性能曲軸模具熱模鍛曲軸毛坯5、熱作模具鋼3Cr2W8V用于制造壓鑄模具.熱處理淬火+高溫回火組織回火索氏體性能

具有良好的熱疲勞性能高錳鋼水韌處理組織澆鑄鑄件汽車四缸壓鑄模4.4特殊性能鋼不銹鋼(stainlesssteel)1Cr13、1Cr18Ni9Ti耐熱鋼(heat–resistantsteel)4Cr9Si2耐磨鋼(wear–resistantsteel)ZGMn13特殊性能鋼是指具有特殊物理化學性能并可在特殊環(huán)境下工作的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼及低溫用鋼等。合成氨廠4.4.1不銹鋼1、金屬腐蝕的概念

化學腐蝕

金屬腐蝕電化學腐蝕

實驗得出：兩電池電位差越大，微電池數(shù)目越多，金屬腐蝕速度越快。

ZnZnZn-Cu原電池示意圖珠光體腐蝕示意圖電解液2、金屬抗腐蝕的途徑

(1)獲得單相組織——降低碳含量，減少形成碳化物，盡量消除微電池。

(2)提高陽極的電極電位，縮小兩電極電位差。加入13％Cr,鋼的陽極的電極電位可由-0.56V提高到0.12V。因此，不銹鋼含鉻量均≥13％。

(3)形成致密保護性氧化膜,如Al2O3Cr2O3

3、常用不銹鋼（1）馬氏體型（Cr13型）不銹鋼1Cr13.2Cr13.代替結(jié)構(gòu)鋼熱處理：1050℃油淬+600～780℃回火組織：回火索氏體。3Cr13.4Cr13.代替工具鋼熱處理：1050℃油淬+200－300℃回火組織：回火馬氏體HRC50左右。應(yīng)用：工具，彈簧，軸承，醫(yī)療器械

不銹鋼刀（2）奧氏體不銹鋼（Cr—Ni不銹鋼18—8型）18％Cr—鈍化9％Ni—擴大奧氏體區(qū)空冷室溫組織：單相奧氏體

a.常用鋼

OCr18Ni91Cr18Ni9OCr18Ni9Ti

（加Ti抑制（Fe,Cr）4C的析出〕

大型化工儲罐b.熱處理：

固溶處理：1050—1150℃水冷，抑制碳化物析出

消除應(yīng)力回火：冷加工后300—350℃回火，減小應(yīng)力腐蝕傾向。（3）鐵素體不銹鋼加入17—30％Cr.Cr縮小奧氏體區(qū)，鈍化，含Cr量越高，耐蝕性越高。常用鋼：

Cr17-Cr30型.主要應(yīng)用于食品機械，化工機械

硝酸生產(chǎn)裝置鐵素體不銹鋼制品4.4.2耐熱鋼1.定義:在高溫下具有抗氧化性和高溫強度的特殊鋼。如制造高壓鍋爐、汽輪機、內(nèi)燃機等的構(gòu)件。2、性能要求抗氧化性(熱穩(wěn)定性)高溫強度(熱強性）蠕變強度持久強度高溫抗氧化性是指金屬在高溫下對氧化作用的抗力；高溫強度是指鋼在高溫下承受機械負荷的能力。

2、性能要求（1）高的抗氧化性鋼中加入Cr、Si、Al可形成致密穩(wěn)定的氧化膜，阻礙氧進一步擴散，提高抗氧化性。航空發(fā)動機（2）高的熱強性熱強性是指金屬在高溫下的強度.指標為蠕變強度和持久強度。蠕變（Creep）指金屬在高溫低于σs的應(yīng)力下所發(fā)生的極其緩慢的塑性變形.提高高溫強度的途徑:

①固溶強化；②析出強化；③晶界強化高溫合金中的‘析出相高溫合金中的彎曲晶界裂紋中止于晶界顆粒狀析出物3.熱強鋼：（1）珠光體熱強鋼（工作溫度＜500℃)

12CrMo.12Cr1MoV.正火、用于管道、容器等

35CrMo.25Cr2MoV.調(diào)質(zhì)、用于緊固件、軸類、葉輪等。

渦輪機機殼鋼制法蘭3.熱強鋼：（2）馬氏體型熱強鋼（工作溫度≤600℃）Cr13型基礎(chǔ)上添加Mo.V.Si.

常用鋼

4Cr9Si2.4Cr10Si2Mo.熱處理：980—1080℃淬火+650—700℃回火

應(yīng)用：發(fā)動機氣閥，氣門彈簧——有氣閥鋼之稱

航空發(fā)動機汽車閥門3.熱強鋼