常用金屬材料

第三章常用金屬材料

3.1碳素鋼3.2合金鋼3.3鑄鐵3.4有色金屬及其合金3.1碳素鋼3.1.1碳鋼的分類3.1.2碳鋼的牌號(hào)及其應(yīng)用3.1.1碳鋼的分類3.1.2碳鋼的牌號(hào)及其應(yīng)用1．普通碳素結(jié)構(gòu)鋼2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3．碳素工具鋼4．鑄鋼1．普通碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要保證力學(xué)性能。

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)以“Q+數(shù)字+字母+字母”表示。其中，“Q”字是屈服點(diǎn)“屈”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示屈服點(diǎn)值。

數(shù)字后標(biāo)注字母A、B、C、D，表示鋼材質(zhì)量等級(jí)不同，從A到D含磷、硫量的依次降低，A級(jí)質(zhì)量最差，D級(jí)質(zhì)量最好。

若為沸騰鋼在鋼號(hào)后加“F”；半鎮(zhèn)靜鋼在鋼號(hào)后加“b”；鎮(zhèn)靜鋼則不加任何字母；TZ表示特種鎮(zhèn)靜鋼。例如：Q235AF即表示屈服點(diǎn)值為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。表1.3-1及表1.3-2列出了普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能及化學(xué)成分。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼一般在鋼廠供應(yīng)狀態(tài)下（即熱軋狀態(tài)）直接使用。Q195、Q214鋼的含碳量低，焊接性能好，塑性、韌性好，易于加工，有一定強(qiáng)度，常用于制造普通鉚釘、螺釘、螺母等零件和軋制成薄板、鋼筋等，用于橋梁、建筑、農(nóng)業(yè)機(jī)械等結(jié)構(gòu)。Q255、Q275鋼具有較高的強(qiáng)度，塑性、韌性較好，可進(jìn)行焊接，并軋制成工字鋼、槽鋼、角鋼、條鋼和鋼板及其它型鋼作結(jié)構(gòu)件以及制造簡單的機(jī)械的連桿、齒輪、聯(lián)軸節(jié)和銷子等零件。Q235既有較高的塑性又有適中的強(qiáng)度，成為一種應(yīng)用最廣的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。即可用作較重要的建筑構(gòu)件，又可用于制做一般的機(jī)器零件。2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼必須同時(shí)保證化學(xué)成分和力學(xué)性能。其硫、磷的含量較低，均控制在0.01%以下。非金屬夾雜物也較少，質(zhì)量級(jí)別較高。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是采用兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍。例如45鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC為0.45%；08鋼表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC為0.08%。這類鋼按含錳量不同，分為普通含錳量（0.35-0.8%）和較高含錳量(0.7-1.2%)兩組。含錳量較高的一組，在鋼號(hào)后加“Mn”。若為沸騰鋼，則在數(shù)字后加“F”，如08F為含碳量為0.08％的沸騰鋼。這類鋼隨鋼號(hào)的數(shù)字增加，含碳量增加，組織中的珠光體量增加，鐵素體量減少。因此，鋼的強(qiáng)度也隨之增加，而塑性指標(biāo)隨之降低。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼一般都要經(jīng)過熱處理以提高力學(xué)性能根據(jù)碳的含量不同，有不同的用途，主要用于制造機(jī)器零件08、08F、10鋼，塑性、韌性高，具有優(yōu)良的冷成形性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀器儀表外殼、汽車和拖拉機(jī)上的冷沖壓件，如汽車車身、拖拉機(jī)駕駛室等15、20、25鋼屬低碳鋼，也有良好的冷沖壓性和焊接性；常用來做沖壓件和焊接件，也可以用來滲碳，經(jīng)過滲碳和隨后熱處理，使得表面硬而耐磨，心部具有良好的韌性，從而可用于制造表面要求耐磨并能承受沖擊載荷的零件，如齒輪、活塞銷、樣板等30、35、40、45、50鋼屬中碳鋼，這幾種鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后，可獲得良好的綜合力學(xué)性能，即具有較高的強(qiáng)度和較高的塑性、韌性，主要用于制造齒輪、軸類等零件。其中由于45鋼的強(qiáng)度和塑性配合得好，因此成為機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鋼種。例如40、45鋼常用于制造汽車、拖拉機(jī)的曲軸、連桿、一般機(jī)床齒輪和其它受力不大的軸類零件55、60、65鋼熱處理（淬火+中溫回火）后具有高的彈性極限，常用于制作負(fù)荷不大、尺寸較?。ń孛娉叽缧∮?2~15mm）的彈簧，如調(diào)壓、調(diào)速彈簧、測力彈簧、冷卷彈簧，和鋼絲繩等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能列于表1.3-3中3．碳素工具鋼碳素工具鋼含碳量為0.65-1.35％，Si≤0.35％，Mn≤0.4％，硫、磷的含量是優(yōu)質(zhì)鋼的含量范圍(S≤0.03％，P≤0.035％)。碳素工具鋼的牌號(hào)以“T+數(shù)字+字母”表示，鋼號(hào)前面的“T”表示碳素工具鋼，其后的數(shù)字表示以千分?jǐn)?shù)表示的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如Wc=0.8%的碳素工具鋼，其鋼號(hào)為“T8”。如為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在其鋼號(hào)后加“A”，例如，“T10A”。碳素工具鋼經(jīng)熱處理（淬火+低溫回火）后具有高硬度，用于制造尺寸較小，要求耐磨性好的量具、刃具、模具等。這類鋼的鋼號(hào)有T7、T7A、T8、T8A、……、T13A，共8個(gè)鋼種、16個(gè)牌號(hào)。含碳量越高，則碳化物量越多，耐磨性就越高，但韌性越差。因此受沖擊的工具應(yīng)選用含碳量低的。一般沖頭，鑿子要選用T7、T8等，車刀、鉆頭可選用T10，而精車刀、銼刀則選用T12、T13之類。常用碳素工具鋼的牌號(hào)、成分、熱處理和用途列于表1.3-4中4．鑄鋼有些機(jī)械零件。如軋鋼機(jī)機(jī)架、水輪機(jī)轉(zhuǎn)子、拖拉機(jī)履帶板和重載大型齒輪等，因形狀復(fù)雜，難以用鍛壓等方法成型，用鑄鐵又無法滿足性能要求，此時(shí)可采用鑄鋼件碳素鑄鋼的含碳量一般在0.15~0.60%范圍內(nèi)，含碳量過高則塑性差，易產(chǎn)生裂紋碳素鑄鋼的牌號(hào)由“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首“ZG”加兩組數(shù)字表示。兩組數(shù)字分別表示材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；若為焊接性能好的鑄鋼，則在第二組數(shù)字后加漢字“焊”的漢語拼音字首“H

”。其牌號(hào)有ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-600。碳素鑄鋼按質(zhì)量可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級(jí)。Ⅰ級(jí)為高級(jí)質(zhì)量的鑄件，硫、磷含量均不大于0.04%；Ⅱ級(jí)為優(yōu)質(zhì)鑄件，硫、磷含量均不大于0.05%；Ⅲ級(jí)為普通質(zhì)量鑄件，硫、磷含量均不大于0.06%。質(zhì)量的級(jí)別應(yīng)標(biāo)注在鑄鋼牌號(hào)的后面，但Ⅲ級(jí)可以省略不注。鑄鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1.3-5。合金鋼1合金鋼的分類2合金元素在鋼中的作用3合金結(jié)構(gòu)鋼4合金工具鋼5特殊性能鋼合金鋼的分類1．按合金元素含量分合金鋼可分為低合金鋼（合金總含量wE<5%）、中合金鋼（合金總含量wE=5%~10%）和高合金鋼（合金總含量wE>10%）。2．按正火或鑄造狀態(tài)的組織類型分合金鋼可分為珠光體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼及萊氏體鋼。3．按主要用途分合金元素在鋼中的作用強(qiáng)化鐵素體形成合金滲碳體和特殊化合物合金元素對(duì)Fe—Fc3C相圖的影響1.強(qiáng)化鐵素體

鋼中與碳親合力很弱的非碳化物形成元素，如Si、Mn、Ni、Al、Co等都能溶于鐵素體而形成合金鐵素體，引起鐵素體晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鐵素體的強(qiáng)度硬度提高、但塑性、韌性則呈下降趨勢，如圖3—1所示（2）形成合金滲碳體和特殊化合物鋼中與碳親合力較強(qiáng)的碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等(按與碳親和力由弱到強(qiáng)的順序排列)在鋼中能形成碳化物；也有少部分溶于鐵素體合金鋼中的碳化物有合金滲碳體(如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等)、合金碳化物(如Mn3C、Cr7C、Fe3W3C等)、特殊碳化物(如WC、MoC、VC、TiC等)合金碳化物的穩(wěn)定性比合金滲碳體高，特殊碳化物的穩(wěn)定性最高。穩(wěn)定性愈高的碳化物愈難溶入奧氏體，也不易聚集長大，而且其溶點(diǎn)和硬度亦愈高。隨著這些碳化物數(shù)量的增多．能顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度、熱硬性和耐磨性。（3）合金元素對(duì)Fe—Fc3C相圖的影響合金元素加入鋼中，使Fe—Fe3C相圖的相變溫度及相變點(diǎn)的位置發(fā)生變化。Ni、Mn、Co、C、N、Cu等合金元素使A3線下降，γ區(qū)范圍擴(kuò)大。當(dāng)其含量足夠高時(shí)，可使γ區(qū)域擴(kuò)大至室溫，即在室溫下也保持為奧氏體組織，這類鋼又稱奧氏體鋼，如Ｍn13、1Cr18Ni9等均為奧氏體鋼。圖3－2是錳對(duì)Fe—Fe3C相圖的影響。Si、Cr、V、Ti、W、Mo等合金元素使Ａ3線上升，即使γ區(qū)域范圍縮小，α區(qū)域范圍增大。當(dāng)這些元素含量足夠高時(shí)，可以在室溫與高溫下均保持為鐵素體組織，這類鋼又稱為鐵素體鋼，如Cr17、Cr25、Cr28等不銹鋼均屬于鐵素體鋼圖3－3為鉻對(duì)Fe—Fe3C相圖的影響所有的合金元素都使Fe—Fe3C相圖中的Ｓ點(diǎn)和Ｅ點(diǎn)向左移Ｓ點(diǎn)和Ｅ點(diǎn)左移，使共析和共晶成分中的含碳量減少，原來是亞共析碳鋼的可能變成共析或過共析組織；含碳量ωc＜2.11％的鋼中出現(xiàn)萊氏體，例如高速鋼(ωc＝0.7一0.8％)，但在鑄態(tài)組織中就有萊氏體，故又稱萊氏體鋼合金結(jié)構(gòu)鋼1．合金結(jié)構(gòu)鋼的編號(hào)2．普通低合金結(jié)構(gòu)鋼3．滲碳鋼4．調(diào)質(zhì)鋼5．彈簧鋼6．滾動(dòng)軸承鋼合金結(jié)構(gòu)鋼按用途可分為工程用鋼和機(jī)器用鋼兩大類工程用鋼主要是用于各種工程結(jié)構(gòu)，它們大都是用普通低合金鋼制造。這類鋼冶煉簡便、成本低，適用于工程用鋼批量大的特點(diǎn)，這類鋼使用時(shí)一般不進(jìn)行熱處理。而機(jī)器制造用鋼一般都經(jīng)過熱處理后使用，主要是用于制造機(jī)器零件，它們大都是合金結(jié)構(gòu)鋼制造。按其用途和熱處理持點(diǎn)，又分為調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、易切鋼、彈簧鋼、軸承鋼、耐磨鋼等1．合金結(jié)構(gòu)鋼的編號(hào)我國規(guī)定合金結(jié)構(gòu)鋼的編號(hào)方法為：基本組成為“兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字+……”，前兩位數(shù)字表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍（wC×10000）；元素符號(hào)后面的數(shù)字為該元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百倍（wE×100），當(dāng)其wE<1.5%時(shí)，只標(biāo)出元素符號(hào)，而不標(biāo)明數(shù)字；當(dāng)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)wE≥1.5%、2.5%、3.5%、4.5%……時(shí)，相應(yīng)標(biāo)注為2、3、4、5……如18Cr2Ni4W表示平均成分為：C0.18%，Cr2%，Ni4%，wW<.1.5%；若S、P含量達(dá)到高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼時(shí)，則在鋼號(hào)后加“A”，如38CrMoAlA。易切削鋼在鋼號(hào)前加“Y”字（“易”字聲母），如Y12、Y40Mn，Y40CrSCa，其含碳量和合金元素含量均與結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)一樣，如Y40CrSCa，表示易切削鋼的成分為：wC=0.4%，wCr<1.5%，S、Ca為易切削元素（wS=0.05%～0.3%），一般情況下wCa<0.015%。滾動(dòng)軸承鋼的編號(hào)是在鋼號(hào)前加“G”（“滾”字聲母），其后數(shù)字為平均含Cr量，以千倍（wCr×1000）表示，平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC≥1.0%時(shí)不標(biāo)出，如GCr15、GCr9等鋼中含鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wCr分別為1.5%和0.9%2．普通低合金結(jié)構(gòu)鋼普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，也稱普低鋼，又稱普通低合金高強(qiáng)度鋼，它是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量的合金元素發(fā)展起來的。普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度較高，具有較好的韌性和塑性以及良好的焊接性能和耐蝕性。由于強(qiáng)度高，所以1t普通低合金鋼可代替1.2~2.0t普碳鋼使用，從而可減輕構(gòu)件重量。為得到較好的塑性和焊接性，普通低合金結(jié)構(gòu)鋼大多是低碳鋼，含碳量控制在0.2％以下。普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的主加元素是錳，其原因在于錳的資源豐富，以及錳強(qiáng)化鐵素體的效果顯著；錳能降低鋼的冷脆溫度；另外，加錳后還使組織中的珠光體含量增加，從而進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度常用的普通低合金結(jié)構(gòu)鋼按其屈服強(qiáng)度的高低分為6個(gè)級(jí)別，300、350、400、450、500、550一650（MPa）。在350Mpa級(jí)中16Mn是個(gè)典型代表，它發(fā)展最早，用的最多、產(chǎn)量最大。與300MPa級(jí)的12Mn鋼相比，由于C和Mn均稍有增加，所以強(qiáng)度指標(biāo)也提高了。在這類鋼中，還有16Mn的派生鋼種，16MnRe、16MnCu等。Re的主要作用是提高塑性和韌性，提高疲勞強(qiáng)度，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，Cu的主要作用是通過鈍化提高耐蝕性。這類鋼多用于船舶、車輛、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)400MPa級(jí)的15MnV、15MnTi等，其含碳量與16Mn相當(dāng)，但由于加入釩、鈮、鈦等元素，能細(xì)化晶粒、產(chǎn)生第二相強(qiáng)化，使屈服強(qiáng)度提高。主要用于大型結(jié)構(gòu)、中壓容器等。對(duì)450MPa級(jí)的15MnVN、14MnVTiRe等，由于釩、氮、鈦等元素起細(xì)化晶粒和第二相強(qiáng)化作用，稀土又起凈化晶界作用，提高塑、韌性，因此強(qiáng)化效果比15MnV、15MnTi還好。300一450MPa級(jí)的普低綱均是在熱軋狀態(tài)下或在熱軋后正火狀態(tài)下使用。組織為鐵素體十少量珠光體。對(duì)500Mpa級(jí)的18MnMoNb、14MnMoVBRe等，鋼中加入鉬和微量硼，推遲奧氏體冷卻時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變的鐵素體析出，而對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變則影響不大，因此在正火后得到貝氏體組織。廣泛用于石油化工、中溫高壓容器等。對(duì)于14CrMnMoVB，正火后得貝氏體組織，然后再高溫回火，以穩(wěn)定組織，消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性和韌性。這種鋼適于制造400～500℃的鍋爐、高壓容器等。常用低合金結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)、成分、性能與用途見表3-63．滲碳鋼用于制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼。（1）要求滲碳鋼常用在受沖擊和磨損條件下工作的一些機(jī)械零件，如汽車、拖拉機(jī)上的變速齒輪、內(nèi)燃機(jī)上的凸輪、活塞銷等，要求表面硬、耐磨，而零件心部則要求有較高的韌性和強(qiáng)度以承受沖擊。通常尺寸小、受力小的，采用低碳鋼，而尺寸大、受力大的則采用低碳合金鋼。（2）滲碳鋼的成分和鋼種常用的滲碳鋼鋼號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途見表3-7為了滿足“外硬內(nèi)韌”的要求，這類鋼一般都采用低碳鋼，wC=0.1%~0.25%，經(jīng)過滲碳后，零件的表面變?yōu)楦咛嫉模牟咳允堑吞嫉?，通過淬火+低溫回火后使用。零件表面組織為回火馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體，硬度達(dá)58~62HRC，滿足耐磨的要求，而心部的組織是低碳馬氏體，保持較高的韌性，滿足承受沖擊載荷的要求。對(duì)于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部淬不透，仍保持原來的珠光體+鐵素體組織；這時(shí)由于是低碳的，組織中鐵素體占比例很大，因而韌性指標(biāo)比較高，能滿足“外硬內(nèi)韌”的要求。這類鋼使用的合金元素為鉻、錳、鎳、鉬、鎢、鈦、硼、釩等。按照淬透性大小，可將滲碳鋼分為三類：1）低淬透性滲碳鋼。典型鋼種為20Cr，這類鋼水淬臨界直徑<25mm，滲碳淬火后，心部強(qiáng)韌性較低，只適于制造受沖擊載荷較小的耐磨零件，如活塞銷、凸輪、滑塊、小齒輪等。2）中淬透性滲碳鋼。典型鋼種為20CrMnTi，這類鋼油淬臨界直徑約為25~60mm，主要用于制造承受中等載荷、要求足夠沖擊韌性和耐磨性的汽車、拖拉機(jī)齒輪等零件。3）高淬透性滲碳鋼。典型鋼種為20Cr2Ni4A，這類鋼的油淬臨界直徑>100mm，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)、坦克中的曲軸、大模數(shù)齒輪等。（3）滲碳鋼的熱處理滲碳鋼的熱處理規(guī)范一般是滲碳后進(jìn)行直接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低溫回火。碳素滲碳鋼和低合金滲碳鋼，經(jīng)常采用直接淬火或一次淬火，而后低溫回火；高合金滲碳鋼則采用二次淬火和低溫回火處理4．調(diào)質(zhì)鋼（1）經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后使用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，統(tǒng)稱為調(diào)質(zhì)鋼淬火后得到位錯(cuò)與孿晶馬氏體的混合組織，以及殘留奧氏體和碳化物。高溫回火后，由于馬氏體分解，碳化物彌散析出，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變，內(nèi)應(yīng)力消除，最終得到回火索氏體組織，綜合力學(xué)性能好，用于受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件，如汽車后橋半軸、連桿、螺栓以及各種軸類零件對(duì)于截面尺寸大的零件，為保證有足夠的淬透性，就要采用合金調(diào)質(zhì)鋼。（2）調(diào)質(zhì)鋼的成分特點(diǎn)和鋼種調(diào)質(zhì)鋼中wC在0.30%~0.50%之間，屬中碳鋼。含碳量在這一范圍內(nèi)可保證鋼的綜合性能，含碳量過低，則影響鋼的強(qiáng)度指標(biāo)，含碳量過高則韌性顯得不足。一般碳素鋼的含碳量偏上限；對(duì)于合金調(diào)質(zhì)鋼，隨合金元素的增加，含碳量趨于下限。調(diào)質(zhì)鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用十分廣泛，常用調(diào)質(zhì)鋼的鋼號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途見表3-8。按淬透性的高低，調(diào)質(zhì)鋼大致可以分為三類：1）低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種是40Cr，這類鋼的油淬臨界直徑最大為30~40mm，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如軸、齒輪、連桿螺栓等。35SiMn、40MnB是為節(jié)約鉻而發(fā)展的代用鋼種。2）中淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種是40CrNi，這類鋼的油淬臨界直徑最大為40~60mm，含有較多的合金元素，用于制造截面較大、承受較重載荷的零件，如曲軸、連桿等。3）高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種是40CrNiMoA，這類鋼的油淬臨界直徑最大為60~100mm，多半為鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當(dāng)配合，可大大提高淬透性，并能獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。用于制造大截面、承受重負(fù)荷的重要零件，如汽輪機(jī)主軸、壓力機(jī)曲軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。5．彈簧鋼彈簧是各種機(jī)器和儀表中的重要零件。要求制造彈簧的材料具有高的彈性極限（即具有高的屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)比）、高的疲勞極限與足夠的塑性和韌性。彈簧鋼中wC一般為0.45%~0.70%。含碳量過高，塑性和韌性降低，疲勞極限也下降。也加入的合金元素有錳、硅、鉻、礬和鎢等。加入硅、錳主要是提高淬透性，同時(shí)也提高屈強(qiáng)比，其中硅的作用更為突出。硅、錳元素的不足之處是：硅會(huì)促使鋼材表面在加熱時(shí)脫碳，錳則使鋼易于過熱。因此，重要用途的彈簧鋼必須加入鉻、礬、鎢等。它們不僅使鋼材有更高的淬透性，不易脫碳和過熱，而且有更高的高溫強(qiáng)度和韌性。常用彈簧鋼的鋼號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途見表3-96．滾動(dòng)軸承鋼用于制造滾動(dòng)軸承的鋼稱為滾動(dòng)軸承鋼具有高而均勻的硬度、高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度、足夠的韌性和淬透性、一定的耐腐蝕能力。滾動(dòng)軸承鋼的成分特點(diǎn)及鋼種滾動(dòng)軸承鋼是一種高碳低鉻鋼，wC=0.95%~1.0%，wCr=0.4%~1.65%高碳是為保證有高的淬硬性，同時(shí)可形成鉻的碳化物強(qiáng)化相鉻的主要作用是增加鋼的淬透性，使淬火、回火后整個(gè)截面上獲得較均勻的組織鉻可形成合金滲碳體(Fe?Cr)3C，加熱時(shí)降低過熱敏感性，得到細(xì)小的奧氏體組織。溶入奧氏體中的鉻，又可提高馬氏體的回火穩(wěn)定性高碳低鉻的滾動(dòng)軸承鋼，其材料成分中需加入Si、Mn等元素，進(jìn)一步提高淬透性，適量的Si(wSi=0.4%~0.6%)還能明顯地提高鋼的強(qiáng)度和彈性極限滾動(dòng)軸承鋼是高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，成分中wS<0.015%，wP<0.025%，最好用電爐冶煉，并用真空除氣常用滾動(dòng)軸承鋼的鋼號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途見表3-10合金工具鋼1．合金工具鋼的分類及編號(hào)2．刃具鋼3．模具鋼4．量具鋼1．合金工具鋼的分類及編號(hào)標(biāo)注方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，基本組成為“一位數(shù)字（或無數(shù)字）+元素符號(hào)+數(shù)字+……”，其平均含碳量是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍（wC×1000）表示，而且，當(dāng)碳質(zhì)量wC≥1.0%時(shí)，鋼號(hào)中不標(biāo)出，如9SiCr鋼（成分：C0.9%，wSi<1.5%

，wCr<1.5%）；CrWMn鋼（wC≥1.0%，wCr、

wW

、wMn均<1.5%）。高速鋼，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，它們的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均<1.0%，但不標(biāo)明其數(shù)字；合金元素含量與合金工具鋼的標(biāo)注方法相同，如W18Cr4V鋼的成分為：C0.7%～0.8%，W18%，Cr4%，wC<1.5%。合金工具鋼均屬于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，但鋼號(hào)后不加“A”字。屬于這一編號(hào)方法的鋼種還有不銹鋼、奧氏體型和馬氏體型耐熱鋼2．刃具鋼根據(jù)刃具的工況條件，刃具鋼應(yīng)該具有高硬度、高耐磨性、高彎曲強(qiáng)度和足夠的韌性，高熱穩(wěn)定性用于刃具的材料有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等（1）低合金工具鋼為了克服碳素工具鋼淬透性差、易變形和開裂、及熱硬性差等缺點(diǎn)。在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素，一般不超過3%~5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），就形成了低合金工具鋼。低合金工具鋼中wC=0.75%~1.50%，高的含碳量可保證鋼的高硬度及形成足夠的合金碳化物，提高耐磨性合金元素的作用主要是為了保證鋼具有足夠的淬透性鋼中常加入的合金元素有硅、錳、鉻、鉬、鎢、礬等其中硅、錳、鉻、鉬的主要作用是提高淬透性；硅、錳、鉻可強(qiáng)化鐵素體鉻、鉬、鎢、礬查可細(xì)化晶粒使鋼進(jìn)一步強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度作為碳化物形成元素鉻、鉬、鎢、礬等在鋼中形成合金滲碳體和特殊碳化物，從而提高鋼的硬度和耐磨性常用的低合金工具鋼成分、熱處理與用途如表3-11示（2）高速鋼高速鋼是一種含有鎢、鉬、鉻、釩等多種元素的高合金工具鋼鋼中加入較多的碳，其作用是既保證它的淬硬性，又保證淬火后有足夠多的碳化物相。一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%左右，最高可達(dá)1.6%。如W6Mo5Cr4V5SiNbAl鋼，wC=1.56%~1.65%高速鋼中一般含有較多數(shù)量的鎢元素，它是提高鋼熱硬性的主要元素，由于世界范圍鎢資源的缺少，使人們找到了以Mo、Co元素代替W元素而保持高的熱硬性的方法Cr元素在鋼中的作用：Cr的加入可提高鋼的淬透性，并能形成碳化物強(qiáng)化相，Cr在高溫下可形成Cr2O3，能起到保護(hù)作用，一般認(rèn)為Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右為宜，高于4%時(shí)，會(huì)使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms下降，淬火后造成殘留奧氏體量增多的不良結(jié)果V元素在鋼中的作用：V與C的親和力很強(qiáng)，在高速鋼中形成碳化物VC，它有很高的穩(wěn)定性，即使淬火溫度在1260~1280℃時(shí)，也不會(huì)全部溶于奧氏體中，VC的最高硬度可達(dá)到83~85HRC，在高溫多次回火過程中VC呈彌散狀析出，進(jìn)一步提高了高速鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性為了提高高速鋼的某些方面的性能，還可以加入適量的Al、Co、N等合金元素。常用高速鋼的成分、鋼號(hào)、熱處理、力學(xué)性能及用途見表3-12在我國最常用的高速鋼是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，通常簡稱18-4-1和6-5-4-2。前者的過熱敏感性小，磨削性好，但由于熱塑性差，通常適于制造一般高速切削刀具，如車刀、銑刀、絞刀等；由于后者的耐磨性、韌性和熱塑性較好些，適于制造耐磨性和韌性很好配合的高速刀具，如絲錐、齒輪銑刀、插齒刀等（3）硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是把一些高硬度、高熔點(diǎn)的粉末（WC、TiC等）和膠結(jié)物質(zhì)（Co、Ni等）混合、加壓、燒結(jié)成形的一種粉末冶金材料。它雖不是合金工具鋼，但是一種常用的、主要的刃具材料。其特點(diǎn)是：硬度極高（89~91HRA）、熱硬性好（切削溫度可達(dá)1000℃）、耐磨性好。用硬質(zhì)合金制作的刀具，切削速度比高速鋼提高4~5倍由于硬質(zhì)合金的硬度很高，切削加工困難。因此形狀復(fù)雜的刀具，如拉刀、滾刀就不能用硬質(zhì)合金來制作。一般硬質(zhì)合金做成刀片，鑲在刀體上使用。除了用硬質(zhì)合金來制作刀具外，還可以制作冷作模具、量具及耐磨零件等1）鎢鈷類牌號(hào)有YG3、YG6、YG8等YG表示鎢鈷類硬質(zhì)合金，后邊的數(shù)字表示鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。如YG8表示wCo=8%、wWC=92%的鎢鈷類硬質(zhì)合金。2）鎢鈷鈦類牌號(hào)有YT5、YT15、YT30等，YT表示鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金，后邊的數(shù)字表示碳化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如YT15表示含wTic=15%，其余為WC和Co的鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金。鎢鈷類用于加工脆性材料（如鑄鐵以及膠木等非金屬材料）。其中含鈷量高的，抗彎強(qiáng)度高，韌性好，而硬度、耐磨性低，適于粗加工鎢鈷鈦類用于加工韌性材料（適于加工各種鋼件），由于TiC的耐磨性好，熱硬性高，所以這類硬質(zhì)合金的熱硬性好，加工工件的表面質(zhì)量也好此外，還有如YW1和YW2稱通用和萬能硬質(zhì)合金，用來切削不銹鋼、耐熱合金等難加工的材料，刀具壽命更長常用硬質(zhì)合金的牌號(hào)、組成和性能如表3-13所示3．模具鋼根據(jù)模具的工作條件不同，模具鋼一般分為冷作模具和熱作模具鋼兩大類。前者用于制造冷沖模和冷擠壓模等，工作溫度大都接近室溫；后者用于制造熱鍛模和壓鑄模等，工作時(shí)型腔表面溫度可高達(dá)600℃以上（1）冷作模具鋼對(duì)冷作模具鋼性能的要求較高的硬度和耐磨性較高的強(qiáng)度和韌性良好的工藝性模具鋼鋼號(hào)表示方法與低合金工具鋼相同（2）冷作模具鋼的成分特點(diǎn)和鋼種對(duì)于尺寸小、形狀簡單、工作負(fù)荷不大的模具采用碳素工具鋼和低合金工具鋼。鋼種有T8A、T10A、T12A、Cr2、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr6WV等。這類鋼的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，加工性能好，能基本上滿足模具的工作要求。缺點(diǎn)是：這類鋼的淬透性差，熱處理變形大，耐磨性較差，使用壽命較低。對(duì)于低合金工具鋼，則由于可采用油淬火，并含有少量的合金元素，淬透性提高了，晶粒細(xì)化了，變形減小了，像9SiCr、Cr2可用來制造滾絲模等。制造負(fù)荷大、尺寸大、形狀復(fù)雜的模具用高碳高鉻模具鋼。鋼號(hào)有Cr12、Cr12MoV等。Cr12型鋼的化學(xué)成分、熱處理工藝和用途如表3-14這類鋼中wC=1.4%~2.3%、wCr=11%~12%含碳量高是為了保證與鉻形成碳化物，在淬火加熱時(shí)，其中一部分溶于奧氏體中，以保證馬氏體有足夠的硬度，而未溶的碳化物，則起到細(xì)化晶粒的作用，在使用狀態(tài)下起到提高耐磨性的作用含鉻量高，其主要作用是：提高淬透性和細(xì)化晶粒，截面尺寸為200~300mm時(shí)，在油中可以淬透；形成鉻的碳化物，提高鋼的耐磨性。wCr一般為12%，過高的含鉻量會(huì)使碳化物分布不均（2）熱作模具鋼熱作模具包括熱鍛模、熱鐓模、熱擠壓模、精密鍛造模等，均屬于在受熱狀態(tài)下對(duì)金屬進(jìn)行變形加工的模具，也稱為熱變形模具鉬和釩的加入，能進(jìn)一步提高淬透性，細(xì)化晶粒，其中釩可形成VC，因而可進(jìn)一步提高耐磨性和韌性。還可適當(dāng)降低鋼的含碳量，以減少碳化物的不均勻性，所以Cr12MoV鋼較Cr12鋼的碳化物分布均勻，強(qiáng)度和韌性高，淬透性高，用于制作截面大、負(fù)荷大的冷沖模、擠壓模、滾絲模、冷剪刀等對(duì)熱作模具鋼的性能要求是：1）綜合力學(xué)性能好。模具在工作中承受壓應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及沖擊應(yīng)力等，還經(jīng)受強(qiáng)烈的摩擦，因此必須具有高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還應(yīng)有足夠的硬度和耐磨性。2）抗熱疲勞能力高。模具在工作中反復(fù)受到熾熱金屬和冷卻介質(zhì)的交替作用，極易產(chǎn)生熱疲勞，因此應(yīng)具有良好的抗疲勞能力。3）回火穩(wěn)定性高。工作時(shí)模具型腔表面溫度可高達(dá)400600，因此必須具有較高的回火穩(wěn)定性。4）淬透性高。對(duì)尺寸大的模具，為保證其整體的物理力學(xué)性能，要求材料的淬透性高。對(duì)于中小尺寸（截面尺寸≤300mm）的模具，一般采用5CrMnMo對(duì)于大尺寸（截面尺寸>400mm）的模具，一般采用5CrNiMo對(duì)于壓鑄模，采用3Cr2W8V它們化學(xué)成分如表3-15所示熱作模具鋼的含碳量取中碳范圍，wC=0.5%~0.6%，對(duì)于壓鑄模wC=0.30%。這一含碳量可保證淬火后的硬度，同時(shí)還有較好的韌性指標(biāo)鉻、鎳、錳、鉬的作用是提高淬透性，使模具表里的硬度趨于一致。鉻、鉬還有提高回火穩(wěn)定性、提高耐磨性的作用；鉻、鎢、鉬還通過提高共析溫度，使模具在反復(fù)加熱和冷卻過程中不發(fā)生相變，來提高抗熱疲勞的能力4．量具鋼量具鋼是用于制造量具的鋼，如卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞尺等對(duì)量具鋼的主要性能要求如下：（1）工作部分有高的硬度和耐磨性，以防止在使用過程中因磨損而失效；組織穩(wěn)定性高，熱處理變形小，在存放和使用過程中尺寸不變，以保證高的尺寸精度；（2）有良好的磨削加工性。（3）為了滿足上述高硬度、高耐磨性的要求，一般都采用含碳量高的鋼，通過淬火得到馬氏體。最常用的量具用鋼為碳素工具鋼和低合金工具鋼碳素工具鋼由于采用水淬火，淬透性低，變形大，因此常用于制作尺寸小、形狀簡單、精度要求低的量具。常用的碳素工具鋼有T10A、T12A、50、55、60等；也可采用低碳鋼（如10、15鋼）經(jīng)滲碳熱處理。 低合金工具鋼（包括GCr15等）由于加入了少量的合金元素，提高了淬透性；又由于采用油淬火，減小了變形量。合金元素在鋼中形成合金滲碳體，提高了鋼的耐磨性。在這類鋼中，GCr15用得最多，這是由于滾動(dòng)軸承鋼本身也比較純凈，鋼的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性都較好還可采用低變形鋼，如鉻錳鋼、鉻鎢錳鋼等。這種鋼由于含錳，可使Ms點(diǎn)降低，淬火后的殘留奧氏體增加，因而造成鋼的淬火變形減少，有低變形鋼之稱特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊的物理、化學(xué)性能的鋼，它的種類很多，其中最主要的是不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等1．不銹鋼2．耐熱鋼3．耐磨鋼1．不銹鋼不銹鋼（又稱為不銹耐酸鋼）是指能抵抗大氣或酸等化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼(1)金屬腐蝕的一般概念金屬腐蝕通?？煞譃榛瘜W(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種類型化學(xué)腐蝕是金屬在干燥氣體或非電解質(zhì)溶液中的腐蝕，腐蝕過程不產(chǎn)生電流，鋼在高溫下的氧化屬于典型的化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)所發(fā)生的腐蝕，腐蝕過程中有電流產(chǎn)生，鋼在室溫下的銹蝕主要屬于電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕除了鋼的高溫氧化外，鋼的脫碳、鋼在石油中的腐蝕、氫和含氫氣體對(duì)普通碳鋼的腐蝕等都屬于化學(xué)腐蝕大部分金屬的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕，這類腐蝕是由于金屬在電解質(zhì)中發(fā)生了電化學(xué)作用，這種作用是由于形成了原電池當(dāng)兩種互相接觸的金屬放入電解質(zhì)溶液時(shí)，由于兩種金屬的電極電位不同，彼此之間就形成一個(gè)微電池，并有電流產(chǎn)生電極電位低的金屬為陽極，電極電位高的金屬為陰極，陽極的金屬將不斷被溶解，而陰極金屬就不被腐蝕對(duì)于同一種合金，由于組成合金的相或組織不同，也會(huì)形成微電池，造成電化學(xué)腐蝕例如：鋼組織中的珠光體，是由鐵素體和滲碳體兩相組成的，在電解質(zhì)溶液中就會(huì)形成微電池，由于鐵素體的電極電位低，為陽極，就被腐蝕。而滲碳體的電極電位高，為陰極而不被腐蝕，如圖3-4所示在觀察碳鋼的顯微組織時(shí)，要把拋光的試樣磨面放在硝酸酒精溶液中的浸蝕，使鐵素體腐蝕后，才能在顯微鏡下觀察到珠光體的組織，就是利用電化學(xué)腐蝕的原理實(shí)現(xiàn)的由上述可知，要提高金屬的耐電化學(xué)腐蝕能力，通?？刹扇∫韵麓胧?）在合金鋼中加入較多數(shù)量的Cr、Ni等合金元素，盡量使金屬在獲得均勻的單相組織條件下使用，這樣金屬在電解職質(zhì)溶液中只有一個(gè)極，使微電池難以形成。如在鋼中加入大于24%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Ni,會(huì)使鋼在常溫下獲得單相的奧氏體組織。2）加入合金元素提高金屬基體的電極電位，例如在鋼中加入大于13%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Cr，則鐵素體的電極電位由-0.56V提高到0.2V，從而使金屬的耐腐蝕性能提高。3）加入合金元素，在金屬表面形成一層致密的氧化膜，又稱純化膜，把金屬與介質(zhì)分隔開，從而防止進(jìn)一步的腐蝕。鉻是不銹鋼合金化的主要元素。鋼中加入鉻，提高電極電位，從而提高鋼的耐腐蝕性能。當(dāng)鉻含量達(dá)n/8原子分?jǐn)?shù)值（n=1、2、3…），即達(dá)到1/8、2/8、3/8、…（也即12.5%、25%、37.5%、…）原子分?jǐn)?shù)時(shí)，電極電位呈臺(tái)階式躍增，即腐蝕速度呈臺(tái)階式下降，這種現(xiàn)象稱為n/8規(guī)律。所以鉻鋼中的含鉻量只有超過臺(tái)階值（如n=1，換成質(zhì)量分?jǐn)?shù)則為12.5%×52/55.8=11.7%）時(shí)，鋼的耐蝕性才有明顯提高。由于wCr>11.7%，而且絕大部分都溶于固溶體中，使電極電位躍增，使基體的電化學(xué)腐蝕過程變緩。同時(shí)，在金屬表面被腐蝕時(shí)，形成一層與基體金屬結(jié)合牢固的鈍化膜，使腐蝕過程受阻，從而提高鋼的耐蝕性（2）常用不銹鋼常用的不銹鋼根據(jù)其組織特點(diǎn)，可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼三種類型常用不銹鋼的鋼號(hào)、成分、熱處理工藝及用途如表3-16所示2．耐熱鋼在發(fā)動(dòng)機(jī)、化工、航空等部門有很多零件是在高溫下工作，要求具有高和耐熱性的鋼稱為耐熱鋼耐熱鋼的一般概念鋼的耐熱性包括高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩方面的涵義金屬的高溫抗氧化性是指金屬在高溫下對(duì)氧化作用的抗力；而高溫強(qiáng)度是指鋼在高溫下承受機(jī)械負(fù)荷的能力所以耐熱鋼是高溫抗氧化性能好、高溫強(qiáng)度高的鋼。1）高溫抗氧化性金屬的高溫抗氧化性，通常主要取決于金屬在高溫下與氧接觸時(shí)，表面能形成致密且熔點(diǎn)高的氧化膜，以避免金屬的進(jìn)一步氧化的能力一般碳鋼在高溫下很容易氧化，這主要是由于在高溫下鋼的表面生成疏松多孔的氧化亞鐵FeO，容易剝落，而且氧原子不斷地通過FeO擴(kuò)散，使鋼繼續(xù)氧化。為了提高鋼的抗氧化性能，一般是采用合金化方法，加入鉻、硅、鋁等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時(shí)，在表面形成致密的高熔點(diǎn)的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，牢固地附在鋼的表面，使鋼在高溫氣體中的氧化過程難以繼續(xù)進(jìn)行如在鋼中加wCr=15%的Cr，其抗氧化溫度可達(dá)900℃；在鋼中加wCr=20%~25%的Cr，其抗氧化溫度可達(dá)1100℃2）高溫強(qiáng)度金屬在高溫下所表現(xiàn)的力學(xué)性能與室溫下大不相同。在室溫下的強(qiáng)度值與載荷作用的時(shí)間無關(guān)，但金屬在高溫下，當(dāng)工作溫度大于再結(jié)晶溫度、工作應(yīng)力大于此溫度下的彈性極限時(shí)，隨時(shí)間的延長，金屬會(huì)發(fā)生極其緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象叫做“蠕變”。在高溫下，金屬的強(qiáng)度是用蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度來表示。蠕變強(qiáng)度是指金屬在一定溫度下，一定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一定變形量所能承受的最大應(yīng)力。而持久強(qiáng)度是指金屬在一定溫度下，一定時(shí)間內(nèi)，所能承受的最大斷裂應(yīng)力。為了提高鋼的高溫強(qiáng)度，通常采用以下幾種措施：1）固溶強(qiáng)化。固溶體的熱強(qiáng)性首先取決于固溶體自身的晶體結(jié)構(gòu)，由于面心立方的奧氏體晶體結(jié)構(gòu)比體心立方的鐵素體排列要緊密，因此奧氏體耐熱鋼的熱強(qiáng)性高于鐵素體為基的耐熱鋼。在鋼中加入合金元素，形成單相固溶體，提高原子結(jié)合力，減緩元素的擴(kuò)散，提高再結(jié)晶溫度，能進(jìn)一步提高熱強(qiáng)性。2）析出強(qiáng)化。在固溶體中沉淀析出穩(wěn)定的碳化物、氮化物、金屬間化合物，也是提高耐熱鋼熱強(qiáng)性的重要途徑之一。如加入鈮、釩、鈦等，形成NbC、TiC、VC等，在晶內(nèi)彌散析出，阻礙位錯(cuò)的滑移，提高塑變抗力，提高熱強(qiáng)性。3）強(qiáng)化晶界。材料在高溫下（大于等強(qiáng)溫度Te），其晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度，晶界成為薄弱環(huán)節(jié)。通過加入鉬、鋯、釩、硼等晶界吸附元素，降低晶界表面能，使晶界碳化物趨于穩(wěn)定，使晶界強(qiáng)化，從而提高鋼的熱強(qiáng)性。（2）常用的耐熱鋼常用耐熱鋼的鋼號(hào)、成分、熱處理工藝及使用溫度如表3-17所示3．耐磨鋼磨損是機(jī)械工程上廣泛存在的問題，通常有磨料磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損等采用低碳合金鋼經(jīng)滲碳、淬火+低溫回火，可制造要求“外硬內(nèi)韌”的耐磨性較高的零件，如齒輪、銷子等采用中碳鋼和中碳合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火可制造要求強(qiáng)度和耐磨性高的零件，如負(fù)荷較大的軸類、齒輪等采用高碳鋼和高碳合金鋼，經(jīng)淬火+低溫回火可制造要求耐磨性更高的零件，如用GCr15制作噴油嘴等。習(xí)慣上，耐磨鋼主要指在沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊硬化的高錳鋼，常見的鋼號(hào)是：ZGMn13。在耐磨鋼的成分中Mn與C含量的比值不小于10，它的具體成分為：wC=0.9%~1.4%，wMn=11.5%~15%，wS≤0.05%，wP≤0.12%，wCr≤1%，wNi≤1%，wCu≤0.3%此類鋼機(jī)械加工比較困難，基本上都是鑄造成形后使用。鑄造成形后，性能主要表現(xiàn)是硬而脆，必須在1050~1100℃加熱水冷、保持單一均勻的奧氏體組織、防止碳化物析出，從而使其具有強(qiáng)度、韌性結(jié)合及耐沖擊的優(yōu)良性能。這種處理稱作高錳鋼的水韌處理。水韌處理后的高錳鋼，受到?jīng)_擊或磨損時(shí)，表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化現(xiàn)象，表層硬度、強(qiáng)度急劇上升，而內(nèi)部仍為保持高的塑性、韌性的奧氏體組織，廣泛應(yīng)用于制造要求耐磨、耐沖擊的一些零件。在鐵路運(yùn)輸業(yè)中，可用高錳鋼制造鐵道上的轍尖、轍岔、轉(zhuǎn)轍器及小半徑轉(zhuǎn)彎處的軌條。在建筑、礦山、冶金業(yè)中，長期使用高錳鋼制造的挖掘機(jī)鏟斗，各種碎石機(jī)顎板、襯板、磨板。高錳鋼還大量用于挖掘機(jī)、拖拉機(jī)、坦克車履帶板、主動(dòng)輪和支承滾輪等。又因高錳鋼組織為單一無磁性奧氏體，也可用于既耐磨又抗磁化的零件，如吸料器的電磁鐵罩3.3鑄鐵3.3.1鑄鋼的石墨化過程及其組織3.3.2影響石墨化過程的因素3.3.3鑄鐵的分類3.3.4灰口鑄鐵3.3.5球墨鑄鐵3.3.6蠕墨鑄鐵3.3.7可鍛鑄鐵3.3.8合金鑄鐵同鋼一樣，鑄鐵也是以Fe、C元素為主的鐵基材料，其含碳量Wc>2.11%。鑄鐵成形只能用鑄造方法，不能用鍛或軋制方法。與鋼相比，鑄鐵的強(qiáng)度低、塑性、韌性差，但具有優(yōu)良的鑄造和切削加工性能。按碳元素在鑄鐵中存在的方式不同，可將鑄鐵分為兩大類：白口鑄鐵和灰口鑄鐵。在白口鑄鐵中，碳以滲碳體的形式存在；而灰口鑄鐵中，滲以游離石墨形式存在。白口鑄鐵硬且脆，很少用來制造機(jī)械零件，主要用作煉鋼的原料，故通常稱它為生鐵3.3.1鑄鐵的石墨化過程及其組織鑄鐵組織中石墨的形成叫做“石墨化”過程。在鐵碳合金中，碳可能以兩種形式存在，即化合狀態(tài)的滲碳體和游離狀態(tài)的石墨石墨的晶格形式為簡單六方，如圖1.4-5所示。因其面間距較大，結(jié)合力弱，故其結(jié)晶形態(tài)易發(fā)展成片狀，且強(qiáng)度、塑性和韌性極低，接近于零。鐵碳合金中，滲碳體并不是一種穩(wěn)定的相，而石墨是一種穩(wěn)定的相。在鐵碳合金結(jié)晶的過程中，因?yàn)闈B碳體的含碳量較石墨的含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形成滲碳體晶核。但在極其緩慢冷卻條件下，或在合金中含有促進(jìn)石墨化的元素時(shí)，在鐵碳合金的結(jié)晶過程中，便會(huì)直接自液體或奧氏體中析出石墨相。因此，對(duì)鐵碳合金的結(jié)晶過程來說，實(shí)際存在兩種相圖，即亞穩(wěn)定狀態(tài)的Fe-Fe3C相圖和穩(wěn)定的Fe-G相圖(如圖3-6)鐵碳合金按照Fe-G相圖進(jìn)行結(jié)晶，則鑄鐵的石墨化過程可分為如下三個(gè)階段：第一階段：即在1153時(shí)通過共晶反應(yīng)而形成石墨第二階段：即在范圍內(nèi)冷卻過程中自奧氏體中不斷析出二次石墨。第三階段：即在時(shí)通過共析反應(yīng)而形成石墨一般，鑄鐵在高溫冷卻過程中，由于具有較高的原子擴(kuò)散能力，故其第一和第二階段的石墨化是較容易進(jìn)行的，而在較低溫度下的第三階段的石墨化，則常因鑄鐵的成分及冷卻速度等條件的不同，遭遇被部分或全部抑制，從而得到三種不同的組織，即：F+G，F(xiàn)+P+G，P+G鑄鐵組織與石墨化進(jìn)行程度之間的關(guān)系見表3-183.3.2影響石墨化過程的因素1．化學(xué)成分的影響鑄鐵中的碳、硅、錳、硫、磷等元素對(duì)石墨化有不同影響其中碳、硅、磷是促進(jìn)石墨化的元素，錳和硫是阻礙石墨化的元素在一般鑄造條件下，鑄鐵中較高的含碳量是石墨化的必要條件，而一定的含硅量是石墨化的充分條件，碳與硅含量越高越易石墨化；若碳、硅含量過低則易出現(xiàn)白口；如果碳、硅含量過高，將導(dǎo)致石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量多，鑄鐵的力學(xué)性能下降2．溫度及冷卻速度的影響鑄件的冷卻速度對(duì)石墨化的影響也很大，即冷卻愈慢，愈有利于擴(kuò)散，對(duì)石墨化便愈有利，而快冷則阻止石墨化在鑄造時(shí)，除了造型材料和鑄造工藝影響冷卻速度以外，鑄件的壁厚不同也會(huì)具有不同的冷卻速度，也會(huì)得到不同的組織。如圖3-7所示3.3.3鑄鐵的分類工業(yè)上使用的鑄鐵種類很多,按照石墨的形態(tài)和組織性能,鑄鐵可分為:普通灰鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵3.3.4灰口鑄鐵1．灰口鑄鐵的化學(xué)和組織特征2．灰口鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途3．灰鑄鐵的孕育處理1．灰口鑄鐵的化學(xué)和組織特征在生產(chǎn)中，為使鑄鐵澆注后得到灰口，且不至含有過多和粗大的片狀石墨，通常把鑄鐵的成分控制在：wC=2.5%~4.0%，wSi=1.0%~3.0%，wMn=0.25%~1.0%，wS=0.02%~0.2%，wP=0.05%~0.5%。具有上述成分范圍的鐵液在進(jìn)行緩慢冷卻凝固時(shí)，將發(fā)生石墨化，析出片狀石墨。其斷口呈黑灰色。若鐵水中的碳、硅含量低，鑄件容易出現(xiàn)白口組織，白口組織往往出現(xiàn)在鑄件的表面層和薄壁處。普通灰口鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成的。根據(jù)不同階段石墨化程度的不同，灰口鑄鐵有三種不同的基體組織，如圖3-8所示2．灰口鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途從表3-19可以看出，在同一牌號(hào)中，隨鑄件壁厚的增加，其抗拉強(qiáng)度降低。因此，根據(jù)零件的性能要求選擇鑄鐵牌號(hào)時(shí)，必須同時(shí)注意到零件的壁厚尺寸?；铱阼T鐵的性能與碳鋼相比，具有如下特點(diǎn)：（1）力學(xué)性能低其抗拉強(qiáng)度和塑性、韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼。這是由于灰口鑄鐵中片狀石墨的存在，不僅在其尖端處引起應(yīng)力集中，而且破壞了基體的連續(xù)性。石墨片的量愈多，尺寸愈大其影響也愈大。但是，石墨的存在對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大，其抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的2.5~4倍。所以常用灰口鑄鐵制造機(jī)床床身、底座等耐壓零部件。（2）耐磨性與減振性好由于鑄鐵中石墨有利于潤滑及貯油，所以耐磨性好。同樣，由于石墨的存在，灰鑄鐵的減振性優(yōu)于鋼。（3）工藝性能好由于灰鑄鐵含碳量高，接近于共晶成分，故熔點(diǎn)比較低，流動(dòng)性良好，收縮率小，因此適宜于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜或薄壁鑄件。另外，由于石墨使切削加工時(shí)易斷屑。所以灰鑄鐵的可切削加工性優(yōu)于鋼3．灰鑄鐵的孕育處理表3-19中HT250、HT300、HT350屬于較高強(qiáng)度的孕育鑄鐵（也稱變質(zhì)鑄鐵），這是普通鑄鐵通過孕育處理而得到的。由于在鑄造之前向鐵液中加入了孕育劑（或稱變質(zhì)劑），因此結(jié)晶時(shí)石墨晶核數(shù)目增多，石墨片尺寸變小，更為均勻地分布在基體中。所以其顯微組織是在細(xì)珠光體基體上分布著細(xì)小片狀石墨。鑄鐵變質(zhì)劑或孕育劑一般為硅鐵合金或硅鈣合金小顆?；蚍郏尤肓繛殍F水總量的0.4%，當(dāng)變質(zhì)劑加入鑄鐵液內(nèi)后立即形成SiO2的固體小質(zhì)點(diǎn)，鑄鐵中的碳以這些小質(zhì)點(diǎn)為核心形成細(xì)小的片狀石墨。鑄鐵經(jīng)孕育處理后不僅強(qiáng)度有較大提高，而且塑性和韌性也有所改善。同時(shí)，由于孕育劑的加入，還可使鑄鐵對(duì)冷卻速度的敏感性顯著減少，使各部位都能得到均勻一致的組織。因而孕育鑄鐵常用來制造力學(xué)性能要求較高、截面尺寸變化較大的鑄件3.3.5球墨鑄鐵在澆注前向鐵液中加入一定量的球化劑（如鎂、稀土或稀土鎂）和少量的孕育劑（硅鐵和硅鈣）進(jìn)行球化處理和孕育處理，在澆注后可獲得具有球狀石墨結(jié)晶鑄鐵，稱為球墨鑄鐵，簡稱“球鐵”1．球墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征2．球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途1．球墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征球墨鑄鐵的大致化學(xué)成分范圍是：wC=3.6%~3.9%，wSi=2.0%~3.0%，wMn=0.3%~0.8%，wP<0.1%，wS<0.07%，wMg=0.03%~0.08%球墨鑄鐵的成分特點(diǎn)是：碳當(dāng)量較高（一般在4.3~4.6%），含硫量較低。高碳當(dāng)量是為了使它得到共晶左右的成分，具有良好的流動(dòng)性；而低硫則是因?yàn)榱蚺c球化劑（Mg及RE）具有很強(qiáng)的親和力，會(huì)消耗球化劑，從而造成球化不良。由于球化劑的加入將阻礙石墨化，并使共晶點(diǎn)右移造成流動(dòng)性下降，所以必須嚴(yán)格控制其含量。球墨鑄鐵的顯微組織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨著成分和冷卻速度的不同球墨鑄鐵在鑄態(tài)下的金屬基體可分為鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種，見圖3-92．球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途在球墨鑄鐵中，由于球形石墨對(duì)金屬基截面削弱作用較小，使得基體比較連續(xù)。而且，在拉伸時(shí)，應(yīng)力集中明顯減弱，從而使基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70~90%，而在灰口鑄鐵中基本的強(qiáng)度利用率僅為30~50%，故球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性都超過灰口鑄鐵，球鐵的剛性也比灰口鑄鐵好。球墨鑄鐵不僅具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灰口鑄鐵的機(jī)械性能，而且同樣也具有灰口鑄鐵的一系列優(yōu)點(diǎn)，如良好的鑄造性，減摩性，切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面可與鍛鋼相媲美，如疲勞強(qiáng)度大致與中碳鋼相近，耐磨性優(yōu)于表面淬火鋼等。但球鐵的減振能力比灰鑄鐵低很多。由于球鐵中金屬基體是決定球鐵力學(xué)性能的主要因素，所以球鐵可通過合金化和熱處理強(qiáng)化的方法進(jìn)一步提高它的力學(xué)性能。因此，球鐵可以在一定條件下代替鑄鋼、鍛鋼等，用以制造受力復(fù)雜、負(fù)荷較大和要求耐磨的鑄件3.3.6蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是近年來發(fā)展起來的一種新型工程材料。它是由鐵液經(jīng)變質(zhì)處理和孕育處理冷卻凝固后所獲得的一種鑄鐵。通常采用的變質(zhì)元素（又稱蠕化劑）有稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金或混合稀土等。然后加入少量的孕育劑（硅鐵）以促進(jìn)石墨化，使鑄鐵中的石墨具有介于片狀和球狀間的形態(tài)

1．蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征2．蠕墨鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途1．蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分一般為wC=3.4%~3.6%，wSi=2.4%~3.0%，wMn=0.4%~0.6%，wS<0.06%，wP<0.07%。蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)介于片狀和球狀石墨之間。蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)在光學(xué)顯微鏡下看起來像片狀，但不同于灰鑄鐵的是其片較短而厚、頭部較圓（形似蠕蟲）。所以可以認(rèn)為蠕蟲狀石墨是一種過渡型石墨2．蠕墨鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途蠕墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途如表3-22所示。牌號(hào)中“RuT”是“蠕鐵”二字漢語拼音的大寫字頭，為蠕墨鑄鐵代號(hào)；在“RuT”后面的數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。表中的“蠕化率”為在有代表性的顯微視野內(nèi)，蠕蟲狀石墨數(shù)目與全部石墨數(shù)目的百分比3.3.7可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵中是由白口鑄鐵在固態(tài)下經(jīng)長時(shí)間石墨化退火而獲得的一種具有團(tuán)絮狀石墨的高強(qiáng)度鑄鐵，又叫馬鐵。由于可鍛鑄鐵中石墨呈團(tuán)絮狀，所以明顯減輕了石墨對(duì)基體金屬的割裂。與灰鑄鐵相比，可鍛鑄鐵的強(qiáng)度和韌性有明顯提高。應(yīng)該指出可鍛鑄鐵不能用鍛造方法制成零件1．可鍛鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征2．可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途1．可鍛鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程是：先鑄造成白口鑄鐵。再進(jìn)行“石墨化”退火如果鑄鐵沒有完全白口化而出現(xiàn)了片狀石墨，則在隨后的退火過程中，則會(huì)因?yàn)閺臐B碳體中分解出的石墨沿片狀石墨析出而得不到團(tuán)絮狀石墨。所以可鍛鑄鐵的碳、硅含量不能太高，以促使鑄鐵完全白口化；但碳、硅含量也不能太低，否則使石墨化退火困難，退火周期增長?？慑戣T鐵的化學(xué)成分大致為：wC=2.5%~3.2%，wSi=0.6%~1.3%，wMn=0.4%~0.6%，wP=0.1~0.26%，wS=0.05%~1.0%鐵素體基體+團(tuán)絮狀石墨的可鍛鑄鐵斷口呈黑灰色，俗稱黑心可鍛鑄鐵，這種鑄鐵件的強(qiáng)度與延性均較灰鑄鐵的高，非常適合鑄造薄壁零件，是最為常用的一種可鍛鑄鐵。珠光體基體或珠光體與少量鐵素體共存的基體+團(tuán)絮狀石墨的可鍛鑄鐵件斷口呈白色俗稱白心可鍛鑄鐵，這種可鍛鑄鐵應(yīng)用不多退火后白口鐵中的滲碳體分解為團(tuán)絮狀石墨，得到鐵素體基體+團(tuán)絮狀石墨或珠光體（亦或珠光體及少量鐵素體）基體+團(tuán)絮狀石墨，如圖1.4-10所示可鍛鑄鐵的石墨化退火是將白口鑄鐵件加熱到900~980℃溫度，一般保溫60~80h。爐冷使其中滲碳體分解，讓“第一階段石墨化”充分進(jìn)行，形成團(tuán)絮狀石墨。待爐冷至770~650℃，再長時(shí)間保溫，讓“第二階段石墨化”充分進(jìn)行，這樣處理后獲得“黑心可鍛鑄鐵”。若取消第二階段的770~650℃長時(shí)間保溫，只讓第一階段石墨化充分進(jìn)行，爐冷后便獲得珠光體基體或珠光體與少量鐵素體共存的基體+團(tuán)絮狀石墨的“白心可鍛鑄鐵”2．可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途見表3-23。牌號(hào)中的“KT”是“可鐵”二字漢語拼音的大寫字頭，為可鍛鑄鐵代號(hào)，“H”表示“黑心”，“Z”表示珠光體基體；后面的兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低延伸率可鍛鑄鐵的力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，有較好的耐蝕性，但由于退火時(shí)間長，生產(chǎn)效率極低，使用受到限制，故一般用于制造形狀復(fù)雜、承受沖擊，并且壁厚<25mm的鑄件（如汽車、拖拉機(jī)的后橋殼、輪彀等）可鍛鑄鐵亦適用于制造在潮濕空氣、爐氣和水等介質(zhì)中工作的零件，如管接頭、閥門等3.3.8合金鑄鐵在普通鑄鐵的基礎(chǔ)上加入一定時(shí)的合金元素，制成特殊性能鑄鐵（合金鑄鐵）。它與特殊性能鋼相比，熔煉簡便，成本較低。缺點(diǎn)是脆性較大，綜合力學(xué)性能不如鋼。合金鑄鐵具有一般鑄鐵不具備的耐高溫、耐腐蝕、抗磨損等特性1．耐磨鑄鐵2．耐熱鑄鐵3．耐蝕鑄鐵1．耐磨鑄鐵有些零件如機(jī)床的導(dǎo)軌、托板，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套，球磨機(jī)的襯板、磨球等，要求更高的耐磨性，一般鑄鐵滿足不了工作條件的要求，應(yīng)當(dāng)選用耐磨鑄鐵。耐磨鑄鐵根據(jù)組織可分為下面幾類：（1）耐磨灰鑄鐵在灰鑄鐵中加入少量合金元素（如磷、釩、鉻、鉬、銻、稀土等）可以使金屬基體中珠光體細(xì)化，同時(shí)也細(xì)化了石墨。由于鑄鐵的強(qiáng)度和硬度升高，顯微組織得到改善，使得這種灰鑄鐵具有良好的潤滑性和抗咬合、抗擦傷的能力耐磨灰鑄鐵廣泛用于制造機(jī)床導(dǎo)軌、氣缸套、活塞環(huán)、凸輪軸等零件。（2）中錳球墨鑄鐵在稀土―鎂球鐵中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%~9.5%的錳，控制硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.3%~5.0%范圍內(nèi)，其組織為馬氏體+奧氏體+滲碳體+貝氏體+球墨石墨。具有較高的沖擊韌度和強(qiáng)度，適用于同時(shí)承受沖擊和磨損的條件下使用，可代替部分高錳鋼和鍛鋼。中錳球鐵常用于農(nóng)機(jī)具耙片、犁鏵、球磨機(jī)磨球等零件2．耐熱鑄鐵普通灰鑄鐵的耐熱性較差，只能在低于400℃左右的溫度下工作。耐熱鑄鐵是指在高溫下具有良好的抗氧化和抗生長能力的鑄鐵。所謂熱生長是指氧化性氣氛沿石墨片邊界和裂紋滲入鑄鐵內(nèi)部，形成內(nèi)氧化以及因滲碳體分解成石墨而引起體積的不可逆膨脹。結(jié)果將使鑄件失去精度和產(chǎn)生顯微裂紋。在鑄鐵中加入硅、鋁、鉻等合金元素，使之在高溫下形成一層致密的氧化膜：SiO2、Al2O3、Cr2O3等，使其內(nèi)部不再繼續(xù)氧化。此外，這些元素還會(huì)提高鑄鐵的臨界點(diǎn)，使其在所使用的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生固態(tài)相變，以減少由此造成的體積變化，防止顯微裂紋的產(chǎn)生耐熱鑄鐵按其成分可分為硅系、鋁系、硅鋁系及鉻系等其中鋁系耐熱鑄鐵脆性較大，而鉻系耐熱鑄鐵的價(jià)格較貴，所以我國多采用硅系和硅鋁系耐熱鑄鐵3．耐蝕鑄鐵在鑄鐵中加入硅、鋁、鉻等合金元素，能在鑄鐵表面形成一層連續(xù)致密的保護(hù)膜，可有效地提高鑄鐵的耐蝕性在鑄鐵中加入鉻、硅、鉬、鎳、磷等合金元素，可提高鐵素體電極電位，以提高耐蝕性。另外，通過合金化，還可獲得單相金屬基體組織，減少鑄鐵中的微電池，從而提高其耐蝕性。目前應(yīng)用較多的耐蝕鑄鐵有高硅鑄鐵（STSi15RE）、高硅鉬鑄鐵（STSi15Mo3RE）、鋁鑄鐵（STAl5）、鉻鑄鐵（STCr28）、抗堿球鐵（STQNiCrRE）等3.4有色金屬及其合金3.4.1鋁及其合金3.4.2銅及其合金3.4.3鈦及其合金3.4.4滑動(dòng)軸承合金3.4.1鋁及其合金1．純鋁2．鋁合金的分類3．鋁合金的強(qiáng)化4．形變鋁合金1．純鋁純鋁是一種銀白色的輕金屬，熔點(diǎn)為660℃，具有面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。它的密度?。ㄖ挥?.72g/cm3）；導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性僅次于銀和銅。純鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，在大氣中極易氧化，在表面形成一層牢固致密的氧化膜，有效隔絕鋁和氧的接觸，從而阻止鋁表面的進(jìn)一步氧化，使它在大氣和淡水中具有良好的耐蝕性。純鋁在低溫下，甚至在超低溫下都具有良好的塑性（Ψ=80％）和韌性，這與鋁具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)有關(guān)。鋁的強(qiáng)度低（σb=80～100MPa），冷變形加工硬化后強(qiáng)度可提高到σb=150～250MPa，但其塑性卻降低到Ψ=50～60﹪純鋁具有許多優(yōu)良的工藝性能，易于鑄造、易于切削、也易于通過壓力加工上述這些特性決定了純鋁適合制造電纜電線以及要求具有導(dǎo)熱和抗大氣腐蝕性能而對(duì)強(qiáng)度要求不高的一些用品或器皿。純鋁按其純度分為高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁純鋁的牌號(hào)由1×××表示，其中最后兩位數(shù)字表示純鋁的純度為99.××％，如1A97表示鋁含量為99.97％高純鋁的牌號(hào)有1A85（原LG5）、1A90（原LG2）、1A93（原LG3）、1A97（原LG4）和1A99（原LG5工業(yè)純鋁的牌號(hào)1070A（原L1）、1060（原L2）、1050（原L3）、1035（原L4）2．鋁合金的分類鋁與硅、銅、鎂、錳等到合金元素所組成的鋁合金具有較高的強(qiáng)度，能用于制造承受載荷的機(jī)械零件鋁合金不僅可以通過冷變形加工硬化的方法提高其強(qiáng)度，還可以通過熱處理——“時(shí)效硬化”的方法進(jìn)一步提高其強(qiáng)度根據(jù)鋁合金的成分、組織和生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，可將鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩類。工業(yè)上常用的鋁合金一般具有如圖3-11所示的相圖凡位于相圖上D點(diǎn)成分以左的合金，在加熱至高溫時(shí)能形成單相固溶體組織，其塑性較高，適于壓力加工，故稱為形變鋁合金成分位于D以右的合金，都有具有共晶組織，液態(tài)流動(dòng)性較高，多適于鑄造而不適于壓力加工，所以稱為鑄造鋁合金形變鋁合金適于通過壓力加工（軋制、擠壓、模鍛等）制成半成品或模鍛件，鑄造鋁合金則適于直接澆鑄成形狀復(fù)雜的甚至是薄壁的成形件在形變鋁合金中，位于F點(diǎn)以左成分的合金，在固態(tài)始終保持單相，被稱為不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。成分在F和D之間的鋁合金，由于合金元素在鋁中有溶解度的變化會(huì)析出第二相，可通過熱處理使合金強(qiáng)度提高，所以稱為可熱處理強(qiáng)化鋁合金鑄造鋁合金中按主加合金元素的不同，分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系等四種合金鑄造鋁合金牌號(hào)由“鑄造代號(hào)Z+基本元素鋁的元素符號(hào)Al+合金元素符號(hào)及其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）”表示。如ZAlSi12表示含硅wSi=12%的鑄鋁合金合金代號(hào)用“鑄鋁”二字漢語拼音字首“ZL”后跟三位數(shù)字表示。代號(hào)中第一位數(shù)表示合金系列，1為Al-Si系合金；2為Al-Cu系合金；3為Al-Mg系合金；4為Al-Zn系合金。第二、三位數(shù)表示合金的順序號(hào)。如ZL201表示1號(hào)鋁銅系鑄造鋁合金，ZL107表示7號(hào)鋁硅系鑄造鋁合金。形變鋁合金按照性能特點(diǎn)和用途分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等四種3．鋁合金的強(qiáng)化鋁合金的強(qiáng)化方式主要以下幾種：（1）固溶強(qiáng)化純鋁中加入合金元素，形成鋁基固溶體，造成晶格畸變，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到固溶強(qiáng)化的作用，可使其強(qiáng)度提高根據(jù)合金化的一般規(guī)律，形成無限固溶體或高濃度的固溶體型合金時(shí)，不僅能獲得高的強(qiáng)度，而且還能獲得優(yōu)良的塑性與良好的壓力加工性能。Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固溶體，并且均有較大的溶解度（見表1.4-25），因此具有較大的固溶強(qiáng)化效果（2）時(shí)效強(qiáng)化經(jīng)過固溶處理的過飽和鋁合金在室溫下或加熱到某一溫度后，放一段時(shí)間，其強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間的延長而增高，但塑性、韌性則降低，這個(gè)過程稱為時(shí)效在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱為自然時(shí)效，在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。時(shí)效過程中使鋁合金的強(qiáng)度、硬度增高的現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效硬化鋁合金的強(qiáng)化是通過固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化達(dá)到的，尤其是時(shí)效強(qiáng)化的效果較為顯著。實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行的時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，大多不是二元合金，而是Al-Cu-Mg系，Al-Mg-Si系和Al-Si-Cu-Mg系等4．形變鋁合金（1）防銹鋁合金防銹鋁合金中主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高鋁合金的耐蝕能力，并通過固溶強(qiáng)化作用，提高鋁合金的強(qiáng)度。Mg也具有固溶強(qiáng)化的作用，并使合金的密度降低防銹鋁合金鍛造退火后其組織為單相固溶體，故耐腐蝕能力強(qiáng)，塑性好各類防銹鋁合金均不能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，但可通過冷變形加工，利用加工硬化，提高合金的強(qiáng)度（2）硬鋁合金硬鋁合金為Al-Cu-Mg系合金，還含有少量的Mn合金中的Cu、Mg是為了形成強(qiáng)化相CuAl2（θ）相及CuMgAl2（S相）Mn主要是提高合金的耐蝕性，并有一定的固溶強(qiáng)化作用，但Mn的析出傾向小，不參與時(shí)效過程。少量的Ti或B可細(xì)化晶粒和提高合金強(qiáng)度各種硬鋁合金都可以進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，屬于可以熱處理強(qiáng)化的鋁合金，亦可進(jìn)行變形強(qiáng)化。按照所含合金元素的數(shù)量不同和熱處理強(qiáng)化效果的不同，可將硬鋁合金分為三類：低合金硬鋁，合金中Mg、Cu含量低；標(biāo)準(zhǔn)硬鋁，合金元素含量中等；高合金硬鋁，合金元素含量較多在使用或加工硬鋁時(shí)應(yīng)注意到硬鋁的如下不足之處。一是耐蝕性差，特別是在海水等環(huán)境中；二是固溶處理的加熱溫度范圍較窄，這對(duì)其生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)帶來了困難（3）超硬鋁合金超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量的Cr和MnZn、Cu、Mg與Al可以形成固溶體和多種復(fù)雜的第二相，例如MgZn2，Al2CuMg，AlMgZnCu等。所以經(jīng)過固溶處理和人工時(shí)效后，可獲得很高的強(qiáng)度和硬度。它是強(qiáng)度最高的一種鋁合金。但這種合金的耐蝕性較差，高溫下軟化快?？梢杂冒X法提高耐蝕性（4）鍛鋁合金鍛鋁合金為Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金這類鋁合金具有良好的熱塑性，良好的鑄造性能和鍛造性能，并有較高的力學(xué)性能。在這類鋁合金中，合金元素的種類眾多，但每種元素的含量都很少，因而具有良好熱塑性。鍛造鋁合金通常都要進(jìn)行固溶處理和人工時(shí)效（5）鑄造鋁合金鑄造鋁合金按照主要合金元素的不同，可分為四類：Al-Si鑄造鋁合金，如ZL101、ZL105等；Al-Cu鑄造鋁合金，如ZL201、ZL203等；Al-Mg鑄造鋁合金，如ZL301、ZL302等；Al-Zn鑄造鋁合金，如ZL401、ZL402等。各類鑄造鋁合金的主要牌號(hào)、力學(xué)性能及用途見表1.4-261）Al-Si鑄造鋁合金Al-Si鑄造鋁合金通常稱為鋁硅明，只含硅元素的Al-Si二元合金稱為簡單鋁硅明，除硅外還含有其它合金元素的稱為復(fù)雜鋁硅明（Al-Si-Mg-Cu等多元合金）含硅wSi=11%~13%的簡單鋁硅明（ZL102）鑄造后幾乎全部是共晶組織。因此，這種合金流動(dòng)性好，鑄件發(fā)生熱裂傾向小，適用于鑄造復(fù)雜形狀的零件Al-Si鑄造鋁合金還有耐腐蝕性能高，膨脹系數(shù)低，焊接性優(yōu)良。該合金的不足之處是鑄造時(shí)吸氣性高，結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生大量分散縮孔，使鑄件的致密度下降。Al-Si合金組織中的共晶硅呈粗大的針狀，嚴(yán)重降低了合金的塑性。采用變質(zhì)處理可使合金的金相組織明顯細(xì)化，提高其強(qiáng)度和塑性。簡單鋁硅明不能進(jìn)行淬火時(shí)效強(qiáng)化，因而僅適合制造形狀復(fù)雜但強(qiáng)度要求不高的鑄件。為了提高鋁硅明的強(qiáng)度，可向合金中加入Mg、Cu等合金元素，以形成CuAl2（θ相）、MgSi（β相）、Al2CuMg（S相）等強(qiáng)度相。此類復(fù)雜鋁硅明除可進(jìn)行變質(zhì)處理外，還可進(jìn)行淬火時(shí)效提高鋁硅明的強(qiáng)度。這類合金在制造形狀復(fù)雜、性能要求高和高溫下工作的零件和重載荷的大鑄件中得到廣泛應(yīng)用。2）Al-Cu鑄造鋁合金Al-Cu合金的強(qiáng)度較高，耐熱性好，但鑄造性能不好，其中只有少量共晶體，有熱裂和疏松傾向，耐蝕性較差ZL201的室溫強(qiáng)度高，塑性比較好，可制作在300℃以下工作的零件，ZL202塑性較低，多用于高溫下不受沖擊的零件。ZL203經(jīng)淬火時(shí)效后，強(qiáng)度較高，可做結(jié)構(gòu)材料鑄造受中等載荷和形狀較簡單的零件3）Al-Mg鑄造鋁合金Al-Mg合金（ZL301、ZL302）強(qiáng)度高，密度小（約為2.55g/m3），耐蝕性好，但鑄造性能不好，沒有共晶體，耐熱性低。Al-Mg合金可進(jìn)行時(shí)效處理，通常采用自然時(shí)效。此類合金多用于制作承受沖擊載荷、耐海水腐蝕、外形不太復(fù)雜便于鑄造的零件。4）Al-Zn鑄造鋁合金Al-Zn合金（ZL401、ZL402）價(jià)格便宜，鑄造性能優(yōu)良，經(jīng)變質(zhì)處理和時(shí)效處理后強(qiáng)度較高，但耐蝕性差，熱裂傾向大鑄造鋁合金的鑄件，由于形狀較復(fù)雜，組織粗糙，化合物粗大，并有嚴(yán)重的偏析，因此它的熱處理與變形鋁合金相比，淬火溫度應(yīng)高一些，加熱保溫時(shí)間要3.4.2銅及其合金1．純銅2．黃銅3．青銅1．純銅純銅呈玫瑰紅色，比重8.9。其熔點(diǎn)為1083℃，在固態(tài)時(shí)具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)，表面形成氧化膜后，呈紫紅色，故常稱為紫銅。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性在各種元素中僅次于銀，故純銅主要用作導(dǎo)電材料（1）銅是逆磁性物質(zhì)，用純銅制作的各種儀器和機(jī)件不受外磁場的干擾，故純銅適合制作磁導(dǎo)儀器、定向儀器和防磁器械等（2）純銅具有極好的塑性，容易冷、熱成形，故純銅制品大多經(jīng)壓力加工制成（3）純銅的化學(xué)性能比較穩(wěn)定，在大氣、水、水蒸汽、熱水中基本上不遭受腐蝕工業(yè)純銅中含有錫、鉍、氧、硫、磷等雜質(zhì)，它們都使銅的導(dǎo)電能力下降鉛和鉍能與銅形成熔點(diǎn)很低的共晶體（Cu+Pb）和(Cu+Bi)，共晶溫度分別為326℃和270℃，分布在銅的晶界上。進(jìn)行熱加工時(shí)（溫度為820~860℃），因共晶體溶化，破壞晶界的結(jié)合，使銅發(fā)生脆性斷裂（熱裂）硫、氧與銅也形成共晶體（Cu+Cu2S）和(Cu+Cu2O)，共晶溫度分別為1067℃和1065℃，因共晶溫度高，它們不引起熱脆性。但由于Cu2S、Cu2O都是脆性化合物，在冷加工時(shí)易產(chǎn)生破裂，這種現(xiàn)象稱為冷脆根據(jù)雜質(zhì)的含量，工業(yè)純銅可分為四種：T1、T2、T3、T4?！癟”為銅的漢語拼音字頭，編號(hào)越大，純度越低。工業(yè)純銅的牌號(hào)、成分及主要用途見表3-27純銅除工業(yè)純外，還有一類叫無氧銅，其含氧量極低，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.003%。牌號(hào)有TU1、TU2，主要用來制作電真空器件及高導(dǎo)電性銅線。這種導(dǎo)線能抵抗氫的作用，不發(fā)生氫脆現(xiàn)象。純銅的強(qiáng)度低，不宜直接用作結(jié)構(gòu)材料2．黃銅以鋅為唯一或主要合金元素的銅合金稱為黃銅黃銅具有良好的塑性和耐腐蝕性、良好的變形加工性能和鑄造性能，在工業(yè)中有很好的應(yīng)用價(jià)值。按化學(xué)成分的不同，黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。表3-28是常用黃銅的牌號(hào)、成分、性能和用途。（1）普通黃銅普通黃銅是銅-鋅二元合金。圖3-13是Cu-Zn合金相圖。從圖中可以看出，Cu-Zn系具有六種相，但工業(yè)中應(yīng)用的黃銅的含鋅量一般不超過47%，所以在黃銅中只有單相（α）和兩相（α+β）狀態(tài)α相是鋅溶于銅中的固溶體，其溶解度隨溫度的下降而增加，在456℃時(shí)溶解度為最大（約含有39%鋅），456℃以下，溶解度又減小。α相具有面心立方晶格，塑性很好，適于進(jìn)行冷、熱加工，并有優(yōu)良的鑄造、焊接和鍍錫的能力。高溫時(shí)，CuZn（β相）中的銅、鋅原子處于無序狀態(tài)，當(dāng)合金緩冷至456℃~468℃時(shí)β相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)稱β′相，具有體心立方晶格，高溫時(shí)β相具有極好的塑性，適于熱加工，低溫時(shí)β′相比較脆，故不適于冷加工。黃銅的含鋅量對(duì)其力學(xué)性能有很大的影響。當(dāng)黃銅處于單相α狀態(tài)（wZn≤30%~32%）時(shí)，隨著含鋅量的增加，強(qiáng)度和延伸率都升高，當(dāng)wZn>32%后，因組織中出現(xiàn)β′相，塑性開始下降，而強(qiáng)度繼續(xù)升高，在wZn=45%附近達(dá)到最大值。當(dāng)wZn更高時(shí)，黃銅的組織全部為β′相，強(qiáng)度與塑性急劇下降。普通黃銅根據(jù)其組織不同可分為單相黃銅和雙相黃銅，單相黃銅的組織為α，塑性很好，可進(jìn)行冷、熱壓力加工，適于制作冷軋板材、冷拉線材、管材及形狀復(fù)雜的深沖零件常用的單相黃銅代號(hào)有H80、H70、H68等，“H”為黃銅的漢語拼音字首，數(shù)字表示銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）常用雙相黃銅的代號(hào)有H62、H59等，雙相黃銅的組織為α+β′。由于室溫β′相很脆，冷變形性能差，而高溫β相塑性好，因此它們可以進(jìn)行熱加工變形。通常雙相黃銅熱軋成棒材、板材，再經(jīng)機(jī)加工制造各種零件。（2）特殊黃銅為了獲得更高的強(qiáng)度、耐蝕性和某些良好的工藝性能，在銅鋅合金中加入鉛、錫、鋁、鐵、硅、錳、鎳等元素，形成各種特殊黃銅。特殊黃銅的編號(hào)方法是：“H+主加元素符號(hào)+銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)+主加元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)”。特殊黃銅可分為壓力加工黃銅（以黃銅加工產(chǎn)品供應(yīng)）和鑄造黃銅兩類，其中鑄造黃銅在編號(hào)前加“Z”。例如：HSn70-1表示成分為wCu=69.0~71.0%，wSn=1.0~1.5%，余為Zn的錫黃銅；ZHPb59-1表示成分為wCu=57.0~61.0%，wPb=0.8~1.9%，余為Zn的鉛黃銅。①鉛黃銅鉛能改善黃銅的切削加工性能，并能提高合金的耐磨性。鉛對(duì)黃銅的強(qiáng)度影響不大，略微降低塑性。壓力加工鉛黃銅主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如鐘表零件），鑄造鉛黃銅可以制作軸瓦和襯套。②錫黃銅錫可顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的耐蝕性，錫能使黃銅的強(qiáng)度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛應(yīng)用于制造海船零件。③鋁黃銅鋁能顯著提高黃銅的強(qiáng)度和硬度，但使合金的塑性降低。鋁能使黃銅表面形成保護(hù)性的氧化膜，因而使黃銅在大氣中的耐蝕性得以改善。鋁黃銅可制作海船零件及其機(jī)器的耐蝕零件。鋁黃銅中加入適量的鎳、錳、鐵后，可得到高強(qiáng)度、高耐蝕性的特殊黃銅，常用于制作大型蝸桿、海船用螺旋槳等需要高強(qiáng)度、高耐蝕性的重要零件④鐵黃銅鐵能提高黃銅的強(qiáng)度，并使黃銅具有高的韌性、耐磨性及在大氣和海水中優(yōu)良的耐蝕性，因而鐵黃銅可以用于制造受摩擦及受海水腐蝕的零件⑤硅黃銅硅能顯著提高黃銅的力學(xué)性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進(jìn)行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工機(jī)械零件。⑥錳黃銅錳能提高黃銅的強(qiáng)度，不降低塑性，也能提高在海水中及過熱蒸汽中的耐蝕性。合金的耐熱性和承受冷熱