第4章-1鑄鐵2合金鋼

第四章常用工程材料金屬非金屬復(fù)合材料碳鋼合金鋼鋁合金銅合金鈦合金鋼鐵有色金屬塑料橡膠陶瓷聚合物聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料第四章常用工程材料4.1碳鋼和鑄鐵4.1.1碳鋼的分類與牌號4.1.2碳素結(jié)構(gòu)鋼4.1.3碳素工具鋼4.1.4鑄鐵碳鋼分類碳鋼常用的分類方法有三種：1.按碳含量進(jìn)行分類可分為低碳鋼(＜0.25%C)、中碳鋼(0.25-0.55%C)、高碳鋼(＞0.55%C)。2.按其用途進(jìn)行分類可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼兩大類，前者用來制造各種金屬構(gòu)件和機(jī)械零件，后者用來制造各種刀具、模具和量具。3.按其質(zhì)量等級分類可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。合金鋼分類1.按合金元素的含量分低合金鋼合金元素總含量＜5%中合金鋼合金元素總含量5-10%高合金鋼合金元素總含量＞10%2.按主要用途分合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼鋼鐵材料的編號方法（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個(gè)部分組成。例：Q235A·F其中Q表示屈服點(diǎn)“屈”字漢語拼音第一個(gè)字母；235表示鋼材厚度≤16mm時(shí)的屈服點(diǎn)值不小于235MPa；A表示質(zhì)量等級A、B、C、D四級中的A級，F(xiàn)表示沸騰鋼。除此以外b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼鐵材料的編號方法（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以平均碳含量的萬分?jǐn)?shù)，用兩位數(shù)字表示。例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號表示為45。高級優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個(gè)“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號方法（三）碳素工具鋼的牌號是以其平均含碳量的千分之幾表示，并在數(shù)字之前冠以“T”字。例如：T10鋼表示平均含碳量為1.0%的碳素工具鋼。如為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個(gè)“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號方法（四）合金鋼編號方法用漢字或化學(xué)元素符號代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。對于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬分一為單位，用兩位數(shù)字表示；對于工具鋼和不銹鋼，碳含量以千分之一為單位，用一位數(shù)字表示。合金元素以百分之一為單位，當(dāng)含量小于1.5%時(shí)，一般不標(biāo)出含量。例如：牌號為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高級優(yōu)質(zhì)鋼。識別下列材料牌號牌號 類別 成分12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12 合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼4.1.4鑄鐵灰口鑄鐵的基體組織與共析鋼或亞共析鋼的組織相同，但其上分布片狀石墨。由于石墨的強(qiáng)度和塑性都極低，因此可以把灰口鑄鐵看成是含有大量裂紋的鋼。所以灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比鋼低得多。但是裂紋對抗壓強(qiáng)度影響不大，所以灰口鑄鐵的抗壓強(qiáng)度接近鋼。鑄鐵中石墨的存在能有效地吸收震動能量，故灰口鑄鐵是制造機(jī)床床身和各種機(jī)座的良好材料。因石墨有潤滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。石墨使基體不連續(xù)，切削加工時(shí)切屑容易脫落，從而改善了切削加工性?；铱阼T鐵牌號表示法及其力學(xué)性能其中“HT”為“灰鐵”二字漢語拼音第一字母，后面數(shù)字表示直徑為30mm單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度下限。灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度與鑄件壁厚有關(guān)，由表4-4看到不同壁厚的鑄件抗拉強(qiáng)度值不同，選擇材料時(shí)應(yīng)該注意。如某鑄件壁厚40mm，要求抗拉強(qiáng)度200MPa，此時(shí)應(yīng)選用HT250，而不是HT200。

鑄鐵抗拉強(qiáng)度3.球墨鑄鐵球墨鑄鐵中的石墨呈球狀。球狀石墨是在澆鑄前在鐵水中加入特殊的變質(zhì)劑(鎂或鎂加稀土等)得到?；w可以是鐵素體、珠光體、或珠光體加鐵素體等。球墨鑄鐵的力學(xué)性能和牌號球墨鑄鐵的力學(xué)性能是鑄鐵中最高的，再加上良好的鑄造性、優(yōu)異的切削加工和耐磨性，使球墨鑄鐵兼有灰口鑄鐵和鋼的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用極為廣泛，如制造曲軸、連桿、凸輪等。球墨鑄鐵的牌號以“QT”即“球鐵”的漢語拼音第一字母表示，后面的數(shù)字分別表示抗拉強(qiáng)度和延伸率的值。附表4-3是球墨鑄鐵的牌號和力學(xué)性能。4可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵經(jīng)過長時(shí)間的高溫退火，使其中的滲碳體分解，得到團(tuán)絮狀的石墨分布在鐵素體或鐵素體加珠光體基體上的鑄鐵?？慑戣T鐵雖不可以鍛造，但與白口鑄鐵相比，塑性和韌性大為提高，卻可以進(jìn)行彎曲變形。可鍛鑄鐵的牌號和力學(xué)性能?？慑戣T鐵分為黑心可鍛鑄鐵（鐵素體基體）和珠光體可鍛鑄鐵。牌號以“KT”即“可鐵”二字的漢語拼音第一個(gè)字母表示。若是黑心可鍛鑄鐵，則在后面加“H”；珠光體可鍛鑄鐵后面加“Z”表示。字母后的數(shù)字分別表示抗拉強(qiáng)度及延伸率。KTH350一10黑心可鍛鑄鐵KTZ700一02珠光體可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵的牌號和力學(xué)性能200性能：與灰口鑄鐵相比，強(qiáng)度高，塑性和韌性尤突出，可以進(jìn)行彎曲變形。但可鍛鑄鐵不可以鍛造

用途：要求有一定強(qiáng)度、韌性及耐磨性的鑄件，如各種農(nóng)機(jī)、紡織機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)零件(輪轂、閥門、軸瓦)及自來水管的彎頭等

4.2合金鋼1．碳鋼在性能方面的不足（1）淬透性低——水淬最大淬透直徑15~20mm（2）強(qiáng)度低:Q275бs=275MN/m2（直徑≤16mm）

16Mnбs=350MN/m2（直徑≤16mm）（3）屈強(qiáng)比小:40鋼бs/бb=0.4335CrNi3Moбs/бb=0.74（4）回火穩(wěn)定性差例如碳鋼在調(diào)質(zhì)處理時(shí)要保證高強(qiáng)度，則韌性不足；要保證韌性，則強(qiáng)度不足。（5）不能滿足某些特殊性能的要求如抗氧化、耐腐蝕、耐熱、耐磨、耐低溫等。1概述2．合金鋼的分類低合金鋼（合金元素總量5%）中合金鋼（合金元素總量5~10%）高合金鋼（合金元素總量10%）按合金元素含量分合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼合金專用鋼按用途分1概述注：①結(jié)構(gòu)鋼的含碳量以兩位數(shù)字用萬分?jǐn)?shù)標(biāo)出，工具鋼、特殊性能鋼的含碳量以一位數(shù)字用千分?jǐn)?shù)標(biāo)出，碳含量超過1%時(shí)不標(biāo)出；②合金元素低于1.5%時(shí)不標(biāo)出，大于等于1.5時(shí)，按百分?jǐn)?shù)標(biāo)出；③專用鋼在編號前冠以其名稱首字的第一個(gè)漢語拼音字母。如：GCr15、Y40Mn、PCrNiMo、S20、D60等。規(guī)則——碳含量+合金元素及含量+質(zhì)量等級符號例如：18Cr2Ni4WA高級優(yōu)質(zhì)鋼含鎢量為＜1.5%含鎳量為4%左右含鎳量為4%左右含碳量約0.18%3.合金鋼的編號1概述典型牌號：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460用途舉例：橋梁、船舶、車輛、鍋爐等大型工程構(gòu)件工作條件：①高的復(fù)合應(yīng)力（拉、壓、彎）②較高的沖擊載荷性能要求：①高強(qiáng)度、高韌性②良好的焊接性和冷成型性成分特點(diǎn)：低碳(0.08～0.20%C)

提高強(qiáng)度：Mn

細(xì)化晶粒：V、Ti、Nb2合金結(jié)構(gòu)鋼—低合金高強(qiáng)度鋼最終熱處理：①在熱軋空冷狀態(tài)下使用②正火（以改善焊接區(qū)性能）使用狀態(tài)組織：鐵素體+珠光體2合金結(jié)構(gòu)鋼—優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼軸承鋼如何獲得下列性能材料熱處理用途高硬度高塑性高強(qiáng)度高韌性外硬內(nèi)韌如何獲得下列性能材料熱處理用途高硬度高碳（合金）鋼淬火+低溫回火刀具、模具、量具高塑性低碳（合金）鋼退火塑性加工高強(qiáng)度高韌性中碳（合金）鋼調(diào)質(zhì)軸外硬內(nèi)韌低碳（合金）鋼滲碳+淬火+低溫回火齒輪、銷子中碳（合金）鋼調(diào)質(zhì)+表面淬火+低溫回火軸、齒輪2合金滲碳鋼航空發(fā)動機(jī)中許多重要零件，如齒輪、活塞銷和凸輪等，往往要求表面具有高的硬度和耐磨性，而心部則要求具有足夠的強(qiáng)度和韌性，使零件既有耐磨的表面又能承受大的交變和沖擊載荷。這些零件常用含碳量較低的合金滲碳鋼制作。典型牌號：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA、用途舉例：變速齒輪、凸輪軸、活塞銷等工作條件：①強(qiáng)烈的摩擦磨損②較高的交變載荷③特別是沖擊載荷性能要求：表層高硬度、高耐磨性，心部高韌性、高強(qiáng)度，足夠的淬透性。1合金滲碳鋼合金滲碳鋼的成分特點(diǎn)為了使零件心部具有足夠的韌性，含碳量一般在0.12-0.25%范圍內(nèi)。為了提高心部的強(qiáng)度，加入Cr、Ni、Mn、B等元素來增加淬透性，以使?jié)B碳零件在淬火時(shí)心部獲得馬氏體組織。有的滲碳鋼為了細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和韌性，還加有W、Mo、V、Ti等元素。最終熱處理：滲碳+淬火+低溫回火使用狀態(tài)組織：表層：高碳回火馬氏體（+碳化物）+A’

心部：低碳回火馬氏體（+F+T）合金滲碳零件的工藝流程舉例發(fā)動機(jī)上某齒輪，材料為12Cr2Ni4A，要求：齒部滲碳深度0.84~1.1毫米(磨后為0.7~0.9毫米)；表面硬度HRC≥60；心部硬度HRC31~41。f30f82f71.2加工工藝模鍛→正火+高溫回火→機(jī)械加工→非滲碳表面鍍銅→滲碳→淬火+低溫回火→除銅→精加工→檢驗(yàn)2.合金調(diào)質(zhì)鋼(1)合金調(diào)質(zhì)鋼的性能特點(diǎn)飛機(jī)、發(fā)動機(jī)及其附件上的一些重要結(jié)構(gòu)件，如起落架、渦輪軸和油泵的轉(zhuǎn)動軸等，工作時(shí)受到很大的應(yīng)力，往往受有強(qiáng)烈振動等交變載荷，而零件形狀又很復(fù)雜，容易造成應(yīng)力集中。因此鋼材必須在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，還要具有良好的韌性和塑性，使零件能經(jīng)受外載荷的作用。合金調(diào)質(zhì)鋼的成份特點(diǎn)為滿足零件的性能要求，合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般在0.25～0.5%之間，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織。合金調(diào)質(zhì)鋼中常用的主要合金元素有Mn、Si、Cr、Ni等，主要是為了提高淬透性和綜合力學(xué)性能。最終熱處理：①調(diào)質(zhì)處理:淬火+高溫回火回火索氏體②調(diào)質(zhì)+表面淬火+低溫回火心部：回火索氏體表層：回火馬氏體航空常用調(diào)質(zhì)鋼，有時(shí)還要進(jìn)行氮化處理。超高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼是指抗拉強(qiáng)度大于1500MPa的鋼。主要用于飛機(jī)大梁、起落架、火箭發(fā)動機(jī)外殼等零件。最終熱處理:淬火、低溫回火等溫淬火牌號淬火(℃)回火(℃)可淬透直徑(mm)σb(MPo)σs(MPa)δ(％)ak(J／cm2)主要用途40Cr850油500油水251000800960機(jī)床主軸、連桿、螺柱、齒輪40MnB850油2510008001060代40Cr20CrMnSiA880~900油520油250301100170085013001085040起落架、發(fā)動機(jī)架、重要螺栓38CrMoAlA940油640油3010008501590氮化件，如氣缸套40CrNiMoA850油850油640油250油751000170085012910040渦輪軸、曲軸、聯(lián)桿30CrMnSiNi2A900油2305017001400960機(jī)翼大梁等受力大的主要結(jié)構(gòu)件40CrMnSiMnVA940油260空19001175代30CrMnSiNi2A應(yīng)用舉例40CrNiMoA制某航空發(fā)動機(jī)軸模鍛→正火+高回→粗加工→淬火+高回→精加工→去應(yīng)力退火→非氮化面鍍錫→氮化→退錫→精磨→表面保護(hù)30CrMnSiA制飛機(jī)起落架作動筒鍛造毛柸→正火+高回→粗加工→焊接→去應(yīng)力退火→精加工→淬火+低回（或等溫淬火）→精磨→表面保護(hù)典型牌號：55MnSi、60Si2Mn、50CrMnVA、65Si2MnWA用途舉例：各種彈簧、彈性零件工作條件：利用彈性變形吸收能量，緩和震動和沖擊性能要求：①高的彈性極限бe②高的疲勞極限бr③足夠的塑性和韌性3合金彈簧鋼成分特點(diǎn)：中高碳(0.45～0.85%C)

提高淬透性：Si、Mn

提高屈強(qiáng)比：Si預(yù)防脫碳、過熱：Cr、V最終熱處理：淬火+中溫回火使用狀態(tài)組織：回火屈氏體3合金彈簧鋼4.滾珠軸承鋼工作狀態(tài)：交變應(yīng)力，也有滑動摩擦，大的接觸壓應(yīng)力，并有沖擊載荷，有腐蝕作用。

性能要求：較高而均勻的硬度，疲勞強(qiáng)度高，尺寸精確穩(wěn)定，并有一定韌性和耐蝕性。

含碳量通常為1%。

滾動軸承鋼牌號：G代表滾動軸承鋼，注意Cr后數(shù)字表示的含量與一般合金鋼不同，如GCr15，其含Cr量不是15%，而是1.5%Cr。GSiMnVR中R代表稀土元素。最終熱處理:淬火、低溫回火。合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼滾珠軸承鋼碳含量0.12-0.25%0.25～0.5%0.5-0.85%1%熱處理滲碳+淬火+低溫回火調(diào)質(zhì)處理淬火+中溫回火淬火+低溫回火組織高碳回火馬氏體回火索氏體回火屈氏體回火馬氏體低碳回火馬氏體性能外硬內(nèi)韌綜合性能高的彈性極限，屈服極限和疲勞極限硬度，疲勞強(qiáng)度5.2.6合金工具鋼

用于制造各種刀具、模具、量具等工具的合金鋼稱為合金工具鋼。含碳量高：一般在0.6-1.3%之間，

合金元素：多為強(qiáng)碳化物形成元素。如Cr、Ｗ、Mo、V等，提高鋼的硬度和耐磨性；Si、Mn增加鋼的淬透性,提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性。

最終熱處理：

各種刀具、量具和冷變形模具的采用淬火與低溫回火。

鑄模、熱鍛模等，采用淬火、高溫回火。

低合金工具鋼 低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入了少量Cr,W,Mn等合金元素。

用途：主要是各種刃具及小模具。典型牌號：9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr用途舉例：絲錐、板牙、鉆頭、銑刀等金屬切削刀具工作條件：工件壓力，強(qiáng)烈摩擦，工作溫度在

300以下，一定的震動和沖擊性能要求：①高硬度、高耐磨性，

60HRC以上②高熱硬性③足夠的塑性和韌性成分特點(diǎn)：高碳(0.70～1.5%C)

提高淬透性：Cr、Mn、Si

提高硬度耐磨性：W、V

提高熱硬性：W、Mo最終熱處理：淬火+低溫回火使用狀態(tài)組織：回火馬氏體組織3合金工具鋼—低合金刃具鋼合金刃具鋼的組織特點(diǎn)3合金工具鋼—低合金刃具鋼2.高合金工具鋼

含有大量的Cr,W等碳化物形成元素，具有更高的淬透性和回火抗力。

主要用途是制造冷、熱變形模具和壓鑄模具。

Cr12鋼制造大型復(fù)雜冷沖模具。

3Cr2W8制造壓鑄模的熱作模具。熱壓模鋼:3Cr2W8V

熱處理工藝:淬火+600℃三次回火熱處理后的組織:M回+Cm粒狀冷作模鋼1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足夠高的韌性與疲勞抗力;熱處理變形小;2.化學(xué)成分特點(diǎn):高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。汽車沖壓模具3.熱處理特點(diǎn):*一次硬化法:

淬火+低溫回火

(950～1000℃)(150～180℃)*二次硬化法:

淬火+三次回火

(1100～1000℃)(510～520℃)熱處理后的組織:M回+Cm+A殘牌號:Cr12、Cr12MoV四.合金量具鋼1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸穩(wěn)定性;足夠高的心部韌性;熱處理變形小;尺寸穩(wěn)定;良好的耐蝕性;卡尺量規(guī)千分尺3.熱處理特點(diǎn):4.熱處理后的組織:M回+

Cm淬火冷處理(-70～-80℃)低溫回火時(shí)效處理(120～130℃,幾十小時(shí))5.牌號:

CrWMn、4Cr13、GCr15、

9SiCr、T12A、60等。2.化學(xué)成分特點(diǎn):高碳0.9～1.5%;合金元素:Cr,Mn、W。

CrWMn鋼制造塊規(guī)退火后的熱處理工藝～650℃820～840℃油冷3h-70～-80℃

冷處理140～160℃3h110～120℃36h時(shí)效處理精磨3h研磨溫度時(shí)間3.高速鋼在高溫（600℃左右）下仍能保持其高硬度、高耐磨性。即高的紅硬性。主加元素：Ｗ、Mo、Cr、V、Co、Al（大量）熱加工：反復(fù)鍛造。將粗大的碳化物“破碎”并使其分布均勻。典型牌號：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2用途舉例：高速切削刀具工作條件：比低合金刃具鋼承受更高的切削溫度可達(dá)500～600℃性能要求：比低合金刃具要求更高的熱硬性成分特點(diǎn)：高碳(0.70～1.5%C)

提高淬透性：Cr（4%）提高硬度耐磨性：W、V

提高熱硬性：W、Mo

高速鋼的熱處理特點(diǎn)高速鋼中大量合金元素的存在使其鑄態(tài)含有大量共晶萊氏體，共晶碳化物呈魚骨狀，脆性大，用熱處理方法是不能消除的。一般通過反復(fù)鍛造打碎，并使之均勻。

高速鋼的熱處理特點(diǎn)②高速鋼鍛后必須緩冷，并進(jìn)行球化退火，以消除了內(nèi)應(yīng)力，獲得的索氏體+粒狀碳化物組織，硬度為HB(207～255)，可以進(jìn)行機(jī)械加工。高速鋼的淬火溫度高達(dá)1250~1300℃，以保證有足夠碳化物溶入奧氏體，使奧氏體中固溶碳和合金元素含量高，淬透性非常好。高速鋼合金元素較多，導(dǎo)熱性差，傳熱速率低，為了降低內(nèi)應(yīng)力，淬火加熱時(shí)必須有中間預(yù)熱；冷卻時(shí)常常進(jìn)行預(yù)冷淬火或分級淬火。高速鋼的熱處理特點(diǎn)⑤高速鋼的正常淬火組織為隱晶馬氏體+粒狀碳化物+(20~25)%殘余奧氏體。高速鋼的熱處理特點(diǎn)⑥高速鋼的回火溫度較高(550~570℃),為了減少殘余奧氏體數(shù)量，高速鋼通常要進(jìn)行三次回火。三次回火后組織為：極細(xì)的M回

+粒狀碳化物+Ar（<1~3%），回火后硬度為HRC(63~66)。高速鋼的熱處理特點(diǎn)⑦高速鋼在560℃左右時(shí)會產(chǎn)生二次硬化，其原因一是回火時(shí)析出了高硬度的細(xì)小彌散分布的W、Mo等的合金碳化物；二是每次回火冷卻時(shí)發(fā)生殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的二次淬火現(xiàn)象。高速鋼的熱處理特點(diǎn)5.2.7不銹鋼

能在一定介質(zhì)下不受腐蝕，或者抗蝕性很高的鋼，稱為不銹鋼。性能要求：在不同腐蝕介質(zhì)中，具有較高的耐性及相應(yīng)的機(jī)械性能、工藝性能。條件：

◆必須有兩相或兩種電極電位不同的金屬

◆有電解液

◆三者相互導(dǎo)通2）電化學(xué)腐蝕

指金屬和周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕。特點(diǎn)：伴有電流產(chǎn)生，腐蝕速度快，危害大防止金屬腐蝕基本途徑 (1)提高鋼基體的電極電位。

(2)獲得單相組織。

(3)形成穩(wěn)定、致密、牢固的鈍化薄膜。2.常用不銹鋼

不銹鋼按其正火組織分為：鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼四類。馬氏體不銹鋼（Cr13、Cr1