常用工程材料模板

資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。第六章常見工程材料工業(yè)中應用最廣泛的金屬材料是鋼鐵。本章主要介紹常見金屬材料的分類、牌號、化學成分、力學性能和應用范圍。第一節(jié)非合金鋼新的鋼分類中已經(jīng)用”非合金鋼”一詞取代”碳素鋼”,但由于許多技術(shù)標準是在新的《鋼分類》標準實施之前制訂的,因此,為便于銜接和過渡,非合金鋼的介紹仍按原常規(guī)分類進行。非合金鋼價格低廉、工藝性能好、力學性能能滿足一般工程和機械制造的使用要求,是工業(yè)生產(chǎn)中用量最大的工程材料。一、非合金鋼中的常存雜質(zhì)元素及其影響實際使用的非合金鋼并不是單純的鐵碳合金,由于冶煉時所用原料以及冶煉工藝方法等影響,鋼中總不免有少量其它元素存在,如硅、錳、硫、磷、銅、鉻、鎳等,這些并非有意加入或保留的元素一般作為雜質(zhì)看待。它們的存在對鋼的性能有較大的影響。1、錳(Mn)鋼中的錳來自煉鋼生鐵及脫氧劑錳鐵。一般認為錳在鋼中是一種有益的元素。在碳鋼中含錳量一般＜0.80%;在含錳合金鋼中,含錳量一般控制在1.0～1.2%范圍內(nèi)。錳大部分溶于鐵素體中,形成置換固溶體,并使鐵素體強化;另一部分錳溶于滲碳體中,形成合金滲碳體,提高鋼的硬度;錳與硫化合成MnS,能減輕硫的有害作用。當錳含量不多,在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時,它對鋼的性能影響并不明顯。2、硅(Si)也是來自煉鋼生鐵和脫氧劑硅鐵,在碳鋼中含硅量一般＜0.35%,硅和錳一樣能溶于鐵素體中,使鐵素體強化,從而使鋼的強度、硬度、彈性提高,而塑性、韌性降低。因此,硅也是碳鋼中的有益元素。3、硫(S)硫是生鐵中帶來的而在煉鋼時又未能除盡的有害元素。硫不溶于鐵,而以FeS形成存在,FeS會與Fe形成低熔點(985℃)的共晶體(FeS-Fe),并分布于奧氏體的晶界上,當鋼材在1000℃～1200℃壓力加工時,晶界處的FeS-Fe共晶體已經(jīng)熔化,并使晶粒脫開,鋼材將沿晶界處開裂,這種現(xiàn)象稱為”熱脆”。為了避免熱脆,鋼中含硫量必須嚴格控制,普通鋼含硫量應≤0.055%,優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應≤0.040%,高級優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應≤0.030%。在鋼中增加含錳量,可消除硫的有害作用,錳能與硫形成熔點為1620℃的MnS,而且MnS在高溫時具有塑性,這樣避免了熱脆現(xiàn)象。4、磷(P)也是生鐵中帶來的而在煉鋼時又未能除盡的有害元素。磷在鋼中全部溶于鐵素體中,雖可使鐵素體的強度、硬度有所提高,但卻使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低,在低溫時表現(xiàn)特別突出。這種在低溫時由磷導致鋼嚴重變脆的現(xiàn)象稱為”冷脆”。磷的存在還會使鋼的焊接性能變壞,因此鋼中含磷量應嚴格控制,普通鋼含磷量應≤0.045%,優(yōu)質(zhì)鋼含磷量應≤0.040%,高級優(yōu)質(zhì)鋼含磷量應≤0.035%。可是,在適當?shù)那闆r下,硫、磷也有一些有益的作用。對于硫,當鋼中含硫較高(0.08～0.3%)時,適當提高鋼中含錳量(0.6～1.55%),使硫與錳結(jié)合成MnS,切削時易于斷屑,能改進鋼的切削性能,故易切鋼中含有較多的硫。對于磷,如與銅配合能增加鋼的抗大氣腐蝕能力,改進鋼材的切削加工性能。另外,鋼在冶煉時還會吸收和溶解一部分氣體,如氮、氫、氧等,給鋼的性能帶來有害影響。特別是氫,它可使鋼產(chǎn)生氫脆,也可使鋼中產(chǎn)生微裂紋,即白點。二、非合金鋼的分類、編號和用途1、非合金鋼的分類非合金鋼分類方法很多,比較常見的有三種,即按鋼的含碳量、質(zhì)量和用途分類。2、碳鋼的牌號和用途(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼用Q+數(shù)字表示,”Q”為屈服點,”屈”漢語拼音,數(shù)字表示屈服點數(shù)值。如:Q275,表示屈服點為275MPa,若牌號后面標注字母A、B、C、D,則表示鋼材質(zhì)量等級不同,即S、P含量不同。A、B、C、D質(zhì)量依次提高,”F”表示沸騰鋼,”b”為半鎮(zhèn)靜鋼,不標”F”和”b”的為鎮(zhèn)靜鋼。如:Q235-A·F表示屈服點為235MPa的A級沸騰鋼,Q235-C表示屈服點為235MPa的C級鎮(zhèn)靜鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼一般情況下都不經(jīng)熱處理,而是在供應狀態(tài)下直接使用。一般Q195、Q215、Q235含碳量低,有一定強度,常扎制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等,用于橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu),也可制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等等,Q255和Q275鋼強度較高,塑性、韌性較好,可進行焊接。一般扎制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造連桿、鍵、銷、簡單機械上的齒輪、軸節(jié)等。(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號由二位數(shù)字,或數(shù)字與特征符號組成。以二位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)(以萬分之幾計)。沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼在牌號尾部分別加符號”F”和”b”,鎮(zhèn)靜鋼一般不標符號。較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,在表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)的數(shù)字后面加錳元素符號。例如:WC=0.50%,WMn=0.70～1.00%的鋼,其牌號表示為”50Mn”。高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,在牌號后加符號”A”,特級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在牌號后加符號”E”。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造機械零件。一般都要經(jīng)過熱處理以提高機械性能,根據(jù)碳的質(zhì)量分數(shù)不同,有不同的用途,08、08F、10、10F鋼,塑性、韌性好,具有優(yōu)良的冷成型性能和焊接性能,常冷軋成薄板,用于制作儀表外殼、汽車和拖拉機上的冷沖壓件,如汽車車身,拖拉機駕駛室等;15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負荷較輕、表面要求耐磨、心部強度要求不高的滲碳零件,如活塞鋼、樣板等;30、35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理(淬火+高溫回火)后具有良好的綜合機械性能,即具有較高的強度和較高的塑性、韌性,用于制作軸類零件;55、60、65鋼熱處理(淬火+高溫回火)后具有高的彈性極限,常見作彈簧。(3)碳素工具鋼這類鋼的牌號是由代表碳的符號”T”與數(shù)字組成,其中數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)(以千分之幾計)。對于較高含錳或高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼,牌號尾部表示同優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。例如T12鋼,表示W(wǎng)C=1.2%的碳素工具鋼。碳素工具鋼生產(chǎn)成本較低,加工性能良好,可用于制造低速、手動刀具及常溫下使用的工具、模具、量具等。在使用前要進行熱處理(淬火+低溫回火)。常見牌號有T7、T8,用于制造要求較高韌性、承受沖擊負荷的工具,如小型沖頭、鑿子、錘子等;T9、T10、T11用于制造要求中韌性的工具,如鉆頭、絲錐、車刀、沖模、拉絲模、鋸條等;T12、T13鋼具有高硬度、高耐磨性,但韌性低,用于制造不受沖擊的工具如量規(guī)、塞規(guī)、樣板、銼刀、刮刀、精車刀等。(4)鑄造碳鋼許多形狀復雜的零件,很難經(jīng)過鍛壓等方法加工成形,用鑄鐵時性能雙難以滿足需要,此時常見鑄鋼鑄造獲取鑄鋼件,因此,鑄造碳鋼在機械制造特別是重型機械制造業(yè)中應用非常廣泛。鑄鋼的牌號有兩種表示方法:以強度表示的鑄鋼牌號,是由鑄鋼代號”ZG”與表示力學性能的兩組數(shù)字組成,第一組數(shù)字代表最低屈服點,第二組數(shù)字代表最低抗拉強度值。例如ZG200-400,表示不小于200MPa,不小于400MPa;另一種用化學成分表示的牌號在此不作介紹。鑄造碳鑄鋼碳的質(zhì)量分數(shù),一般WC=0.15～0.60%范圍內(nèi),過高則塑性差,易產(chǎn)生裂紋。鑄鋼的鑄造性能比鑄鐵差,主要表現(xiàn)在鑄鋼流動性差,凝固時收縮比大且易產(chǎn)生偏析等方面。第二節(jié)合金鋼一、合金元素在鋼中的作用(一)為使金屬具有某些特性,在基體金屬中有意加入或保留的金屬或非金屬元素稱為合金元素,鋼中常見的有鉻、錳、硅、鎳、鉬、鎢、釩、鈷、鋁、銅等。硫、磷在特定條件下也能夠認為是合金元素,如易切削鋼中的硫。合金元素在鋼中的作用,主要表現(xiàn)為合金元素與鐵、碳之間的相互作用以及對鐵碳相圖和熱處理相變過程的影響。1、合金元素對鋼基本相的影響(1)強化鐵素體大多數(shù)合金元素都能溶于鐵素體,引起鐵素體的晶格畸變,產(chǎn)生固溶強化,使鐵素體的強度、硬度升高,塑性、韌性下降。(2)形成碳化物在鋼中能形成碳化物的元素稱為碳化物形成元素,有鐵、錳、鉻、鉬、鎢、釩等。這些元素與碳結(jié)合力較強,生成碳化物(包括合金碳化物、合金滲碳體和特殊碳化物)。合金元素與碳的結(jié)合力越強,形成的碳化物越穩(wěn)定,硬度就越高。碳化物的穩(wěn)定性越高,就越難溶于奧氏體,也越不易聚集長大。隨著碳化物數(shù)量的增加,鋼的硬度、強度提高,塑性、韌性下降。2、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響(1)合金元素對奧氏體相區(qū)的影響①鎳、錳等合金元素使單相奧氏體區(qū)擴大該元素使A1線、A3線下降。若其量足夠高,可使單相奧氏體擴大至常溫,即可在常溫下保持穩(wěn)定的單相奧氏體組織(這種鋼稱為奧氏體鋼)。②鉻、鉬、鈦、硅、鋁等合金元素使單相奧氏體區(qū)縮小該元素使A1線、A3線升高。當其含量足夠高時,可使鋼在高溫與常溫均保持鐵素體組織,這類鋼稱為鐵素體鋼。(2)合金元素對S、E點的影響合金元素都使Fe-Fe3C相圖的S點和E點向左移,即使鋼的共析含碳量和碳在奧氏體中的最大溶解度降低。若合金元素含量足夠高,能夠在含碳量為0.4%的鋼中產(chǎn)生過共析組織,在含碳量為1.0%的鋼中產(chǎn)生萊氏體。3、合金元素對鋼的熱處理的影響(1)對鋼加熱時奧氏體形成的影響①奧氏體形成速度的影響合金鋼的奧氏體形成過程基本上與碳鋼相同,但由于碳化物形成元素都阻礙碳原子的擴散,因而都減緩奧氏體的形成;同時合金元素形成的碳化物比滲碳體難溶于奧氏體,溶解后也不易擴散均勻。因此要獲得均勻的奧氏體,合金鋼的加熱溫度應比碳鋼高,保溫時間應比碳鋼長。②對奧氏體晶粒大小的影響由于高熔點的碳化物的細小顆粒分散在奧氏體組織中,能機械地阻礙奧氏體晶粒的長大,因此熱處理時合金鋼(錳鋼除外)不易產(chǎn)生過熱組織。(2)對過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變的影響除鈷以外,大多數(shù)合金元素都增加奧氏體的穩(wěn)定性,使C曲線右移。且碳化物形成元素使珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線分離為兩個C形。如圖6-2所示。由于合金元素使C曲線右移,因而使淬火的臨界冷卻速度降低,提高了鋼的淬透性,這樣就可采用較小的冷卻速度,甚至在空氣中冷卻就能得到馬氏體,從而避免了由于冷卻速度過大而引起的變形和開裂。C曲線向右移會使鋼的退火變的困難,因此合金鋼往往采用等溫退火使之軟化。另外,除鈷、鋁外,其它合金元素均使Ms點降低,殘余奧氏體量增多。(3)對淬火鋼回火的影響合金元素固溶于馬氏體中,減慢了碳的擴散,從而減慢了馬氏體及殘余奧氏體的分解過程,阻礙碳化物析出和聚集長大,因而在回火過程中合金鋼的軟化速度比碳鋼慢,即合金鋼具有較高的回火抗力,在較高的回火溫度下仍保持較高的硬度,這一特性稱為耐回火性(或回火穩(wěn)定性)。也就是說,在回火溫度相同時,合金鋼的硬度及強度比相同含碳量的碳鋼要高,或者說兩種鋼淬火后回火至相同硬度時,合金鋼的回火溫度高(內(nèi)應力的消除比較徹底,因此,其塑性和韌性比碳鋼亦好)。另外,若鋼中鉻、鎢、鉬、釩等元素超過一定量時,除了提高耐回火性外,在400℃以上還會形成彌散分布的特殊碳化物,使硬度重新升高,直到500～600℃硬度達最高值,出現(xiàn)所謂的二次硬化現(xiàn)象。600℃以后硬度下降是由于這些彌散分布的碳化物聚集長大的結(jié)果。高的耐回火性和二次硬化使合金鋼在較高溫度(500～600℃)仍保持高硬度,這種性能稱為熱硬性(或紅硬性)。熱硬性對高速切削刀具及熱變形模具等非常重要。合金元素對淬火鋼回火后的機械性能的不利方面主要是第二類回火脆性。這種脆性主要在含鉻、鎳、錳、硅的調(diào)質(zhì)鋼中出現(xiàn),而鉬和鎢可降低第二類回火脆性。二、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金鋼是一類可焊接的低碳低合金工程結(jié)構(gòu)鋼,主要用于房屋、橋梁、船舶、車輛、鐵道、高壓容器等工程結(jié)構(gòu)件。其中低合金高強度鋼是結(jié)合中國資源條件(主要加入錳)而發(fā)展起來的優(yōu)良低合金鋼之一。鋼中WC≤0.2%,(低碳具有較好的塑性和焊接性),WMn=0.8%～1.7%,輔以中國富產(chǎn)資源釩、鈮等元素,經(jīng)過強化鐵素體、細化晶粒等作用,使其具備了高的強度和韌性,良好的綜合力學性能,良好的耐蝕性等。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼一般是在熱軋經(jīng)退火(或正火)狀態(tài)下供應的,使用時一般不進行熱處理。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼分為鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼,在牌號的組成中沒有表示脫氫方法的符號,其余表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。例如Q345A,表示屈服強度為345MPa的A級低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。三、機械結(jié)構(gòu)用合金鋼機械結(jié)構(gòu)用合金鋼主要用于制造各種機械零件,是用途廣、產(chǎn)量大、鋼號多的一類鋼,大多數(shù)需經(jīng)熱處理后才能使用。按其用途及熱處理特點可分為合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼等。機械結(jié)構(gòu)用合金鋼牌號由數(shù)字與元素符號組成。用二位數(shù)字表示碳的平均質(zhì)量分數(shù)(以萬分之幾計),放在牌號頭部。合金元素含量表示方法為:平均質(zhì)量分數(shù)＜1.5%時,牌號中僅標注元素,一般不標注含量;平均質(zhì)量分數(shù)為1.5%～2.49%、2.5～3.49%……時,在合金元素后相應寫成2、3……。例如碳、鉻、鎳的平均質(zhì)量分數(shù)為0.2%、0.75%、2.95%的合金結(jié)構(gòu)鋼,其牌號表示為”20CrNi3”。高級優(yōu)質(zhì)合金鋼和特級優(yōu)質(zhì)合金鋼的表示方法同優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。1、合金滲碳鋼(1)成分特點用于制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼。滲碳鋼中WC=0.12%～0.25%,低的碳含量保證了淬火后零件心部有足夠的塑性、韌性。主要合金元素是鉻,還可加入鎳、錳、硼、鎢、鉬、釩、鈦等元素。其中,鉻、鎳、錳、硼的主要作用是提高淬透性,使大尺寸零件的心部淬回火后有較高的強度和韌性;少量的鎢、鉬、釩、鈦能形成細小、難溶的碳化物,以阻止?jié)B碳過程中高溫、常時間保溫條件下晶粒長大。(2)熱處理與性能特點預備熱處理為正火;最終熱處理一般采用滲碳后直接淬火或滲碳后二次淬火加低溫回火的熱處理。滲碳后的鋼件,表層經(jīng)淬火和低溫回火后,獲得高碳回火馬氏體加碳化物,硬度一般為58～64HRC;而心部組織則視鋼的淬透性及零件的尺寸的大小而定,可得低碳回火馬氏體(40～48HRC)或珠光體加鐵素體組織(25～40HRC)。20CrMnTi是應用最廣泛的合金滲碳鋼,用于制造汽車拖拉機的變速齒輪、軸等零件。2、合金調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)質(zhì)碳素調(diào)質(zhì)鋼中的40、45、50,雖然常見而價廉;但由于存在著淬透性差、耐回火性差,綜合力學性能不夠理想等缺點。因此,對重載作用下同時又受沖擊的重要零件必須選用合金調(diào)質(zhì)鋼。(1)成分特點調(diào)質(zhì)鋼WC=0.25%～0.5%。調(diào)質(zhì)鋼中主加合金元素是錳、硅、鉻、鎳、鉬、硼、鋁等,主要作用是提高鋼的淬透性;鉬能防止高溫回火脆性;鎢、釩、鈦可細化晶粒;鋁能加速滲氮過程。(2)熱處理及性能特點調(diào)質(zhì)鋼鍛造毛坯應進行預備熱處理,以降低硬度,便于切削加工。合金元素含量低,淬透性低的調(diào)質(zhì)鋼可采用退火;淬透性高的鋼,則采用正火加高溫回火。例如40CrNiMo鋼正火后硬度在400HBS以上,經(jīng)高溫回火后硬度才能降低到230HBS左右,滿足了切削要求。調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理為淬火后高溫回火(500～600℃),以獲得回火索氏體組織,使鋼件具有高強度、高韌性相結(jié)合的良好綜合力學性能。如果除了具備良好的綜合力學性能外,還要求表面有良好的耐磨性,則可在調(diào)質(zhì)后進行表面淬火或滲氮處理。(3)用途調(diào)質(zhì)鋼主要用來制造受力復雜的重要零件,如機床主軸、汽車半軸、柴油機連桿螺栓等。40Cr是最常見的一種調(diào)質(zhì)鋼,有很好的強化效果。38CrMoAl是專用滲氮鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)和滲氮處理后,表面具有很高的硬度、耐磨性和疲勞強度,且變形很小。常見來制造一些精密零件,如鏜床鏜桿、磨床主軸等。3、合金彈簧鋼彈簧鋼主要用于制造彈簧等彈性元件,例如汽車、拖拉機、坦克、機車車輛的減振板簧和螺旋彈簧,鐘表發(fā)條等。(1)成分特點彈簧鋼WC=0.45%～0.7%。常加入硅、錳、鉻等合金元素,主要作用是提高淬透性,并提高彈性極限。硅使彈性極限提高的效果很突出,也使鋼加熱時易表面脫碳;錳能增加淬透性,但也使鋼的過熱和回火脆性傾向增大。另外,彈簧鋼中還加入了鎢、鉬、釩等,它們可減少硅錳彈簧鋼脫碳和過熱的傾向,同時可進一步提高彈性極限、耐熱性和耐回火性。(2)熱處理及性能特點彈簧鋼的熱處理一般是淬火加中溫回火,獲得回火托氏體組織,具有高的彈性極限和屈服強度。60Si2MnA是典型的彈簧鋼,廣泛用于汽車、拖拉機上的板簧、螺旋彈簧等。4、滾動軸承鋼滾動軸承鋼主要用來制造各種滾動軸承元件,如軸承內(nèi)外圈、滾動體等。另外,還能夠用來制造某些工具,例如模具、量具等。滾動軸承鋼有自己獨特的牌號。牌號前面以”G”(滾)為標志,其后為鉻元素符號Cr,其質(zhì)量分數(shù)以千分之幾表示,其余與合金結(jié)構(gòu)鋼牌號規(guī)定相同,例如平均WCr=1.5%的軸承鋼,基牌號表示為”GCr15”。(1)成分特點軸承鋼在工作時承受很高的交變接觸壓力,同時滾動體與內(nèi)外圈之間還產(chǎn)生強烈的摩擦,并受到?jīng)_擊載荷的作用,大氣和潤滑介質(zhì)的腐蝕作用。這就要求軸承鋼必須具有高而均勻的硬度和耐磨性,高的抗壓強度和接觸疲勞強度,足夠的韌性和對大氣、潤滑劑的耐蝕能力。為獲得上述性能,一般WC=0.95%～1.15%,WCr=0.4%～1.65%。高碳是為了獲得高硬度、耐磨性,鉻的作用是提高淬透性,增加回火穩(wěn)定性。軸承鋼的純度要求很高,磷、硫含量限制極嚴,故它是一種高級優(yōu)質(zhì)鋼(但在牌號后不加”A”字)。(2)熱處理及性能特點軸承鋼的熱處理包括預備熱處理(球化退火)和最終熱處理(淬火與低溫回火)。GCr15為常見的軸承鋼,具有高的強度、耐磨性和穩(wěn)定的力學性能。四、合金工具鋼和調(diào)整工具鋼合金工具鋼和與合金結(jié)構(gòu)鋼基本相同,只是含碳量的表示方法不同。當平均WC<1.0%時,牌號前以千分之幾(一位數(shù))表示;當WC≥1.0%時,牌號前不標數(shù)字。合金元素表示方法與結(jié)構(gòu)鋼相同。高速鋼牌號中不標出含碳量。1、合金工具鋼合金工具鋼一般以用途分類,主要分為量具刃具鋼、耐沖擊工具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無磁工具鋼和塑料模具鋼。(1)量具刃具鋼主要用于制造形狀復雜、截面尺寸較大的低速切削刃具和機械制造過程中控制加工精度的測量工具,如卡尺、塊規(guī)、樣板等。量具刃具鋼碳的質(zhì)量分數(shù)高,一般為WC=0.9%～1.5%,合金元素總量少,主要有鉻、硅、錳、鎢等,提高淬透性,獲得高的強度、耐磨性,保證高的尺寸精度。該鋼的熱處理與非合金(碳素)工具基本相同。預備熱處理采用球化退火,最終熱處理采用淬火(油淬、馬氏體分級淬火或等溫淬火)加低溫回火。9SiCr是常見的低合金量具刃具鋼。(2)合金模具鋼①冷作模具鋼用于制作使金屬冷塑性變形的模具,如冷沖模、冷擠壓模等。冷作模具工作時承受大的彎曲應力、壓力、沖擊及摩擦。因此要求具有具備高硬度、高耐磨性和足夠的強度和韌性。熱處理采用球化退火(預備熱處理)淬火后低溫回火(最終熱處理)。②熱作模具鋼用于制作高溫金屬成形的模具,如熱鍛模、熱擠壓模等。熱作模具工作時承受很大的壓力和沖擊,并重復受熱和冷卻。因此,要求模具鋼在高溫下具有足夠的強度、硬度、耐磨性和韌性,以及良好的耐熱疲勞性,即在重復的受熱、冷卻循環(huán)中,表面不易熱疲勞(龜裂)。另外還應具有良好的導熱性和高淬透性。為了達到上述性能要求,熱作模具鋼的WC=0.3%～0.6%。若過高,則塑性、韌性不足;若過低,則硬度、耐磨性不足。加入的合金元素有鉻、錳、鎳、鉬、鎢等。其中鉻、錳、鎳主要作用是提高淬透性;鎢、鉬提高耐回火性;鉻、鎢、鉬、硅還能提高耐熱疲勞性。預備熱處理為退火,以降低硬度利于切削加工;最終熱處理為淬火加高溫回火。2、高速工具鋼高速工具鋼(高速鋼),主要用于制造高速切削刃具,在切削溫度高達600℃時硬度仍無明顯下降,能以比低合金工具鋼更高的速度進行切削。(1)成分特點高的碳含量(WC=0.7%～1.2%),但在牌號中不標出,高的合金含量(合金元素總量MMe＞10%),加入的合金元素有鎢、鉬、鉻、釩,主要是提高熱硬性,鉻主要是提高淬透性。(2)熱處理及性能特點熱處理特點主要是高的加熱溫度(1200℃以上);高回火溫度(560℃左右);高的回火次數(shù)(3次)。采用高的淬火加熱溫度是為了讓難溶的特殊碳化物能充分溶入奧氏體,最終使馬氏體中鎢、鉬、釩等含量足夠高,保證熱硬性足夠高;高回火溫度是因為馬氏體中的碳化物形成元素含量高,阻礙回火,因而耐回火性高;多次回火是因為高速鋼淬火后殘余奧氏體量很大,多次回火才能消除。正因為如此,高速鋼回火時的硬化效果很顯著。五、特殊性能鋼特殊性能鋼指具有某些特殊的物理、化學、力學性能,因而能在特殊的環(huán)境、工作條件下使用的鋼。主要包括耐磨鋼、耐熱鋼、不銹鋼。1、不銹鋼在腐蝕性介質(zhì)中具有抗腐蝕性能的鋼,一般稱為不銹鋼。鉻是不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素。(1)(2)牌號牌號表示法與合金結(jié)構(gòu)鋼基本相同,只是當WC≤0.08%及WC≤0.03%時,在牌號前分別冠以”0”及”00”,例如0Cr19Ni9。(3)鉻不銹鋼這類鋼包括馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼兩種類型。其中Cr13型屬馬氏體不銹鋼,可淬火獲得馬氏體組織。Cr13型鉻的質(zhì)量分數(shù)平均為13%,WC=0.1%～0.4%。1Cr13和2Cr13可制作塑性、韌性較高的受沖擊載荷,在弱腐蝕條件工作的零件(1000℃淬火加750℃高溫回火);3Cr13和4Cr13可制作強度較高、高硬、耐磨,在弱腐蝕條件下工作的彈性元件和工具等(淬火加低溫回火)。當含鉻量較高(WCr≥15%)時,鉻不銹鋼的組織為單相奧氏體,如1Cr17鋼,耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼。(4)鉻鎳不銹鋼這類鋼含鉻WCr=18%～20%,含鎳WNi=8%～12%,經(jīng)1100℃水淬固溶化處理(加熱1000℃以上保溫后快冷),在常溫下呈單相奧氏體組織,故稱為奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼無磁性,耐蝕性優(yōu)良,塑性、韌性、焊接性優(yōu)于別的不銹鋼,是應用最為廣泛的一類不銹鋼。由于奧氏體不銹鋼固態(tài)下無相變,因此不能熱處理強化,冷變形強化是有效的強化方法。近年應用最多是0Cr18Ni10。2、耐熱鋼耐熱鋼是指在高溫下具有熱化學穩(wěn)定性和熱強性的鋼,它包括抗氧化鋼和熱強鋼等。熱化學穩(wěn)定性是指鋼在高溫下對各類介質(zhì)化學腐蝕的抗力;熱強性是指鋼在高溫下對外力的抗力。對這類鋼的主要要求是優(yōu)良的高溫抗氧化性和高溫強度。另外,還應有適當?shù)奈锢硇阅?如熱膨脹系數(shù)小和良好的導熱性,以及較好的加工工藝性能等。為了提高鋼的抗氧化性,加入合金元素鉻、硅和鋁,在鋼的表面形成完整的穩(wěn)定的氧化物保護膜。但硅、鋁含量較高時鋼材變脆,因此一般以加鉻為主。加入鈦、鈮、釩鎢、鉬等合金元素來提高熱強性。常見牌號有3Cr18Ni25Si2、Cr13型、1Cr18Ni9Ti等。3、耐磨鋼對耐磨鋼的主要性能要求是很高的耐磨性和韌性。高錳鋼能很好地滿足這些要求,它是當前最重要的耐磨鋼。耐磨鋼高碳高錳,一般WC=1.0%～1.3%,WMn=11%～14%。高碳能夠提高耐磨性(過高時韌性下降,且易在高溫下析出碳化物),高錳能夠保證固溶化處理后獲得單相奧氏體。單相奧氏體塑性、韌性很好,開始使用時硬度很低,耐磨性差,當工作中受到強烈的擠壓、撞擊、摩擦時,工件表面迅速產(chǎn)生劇烈的加工硬化(加工硬化是指金屬材料發(fā)生塑性時,隨變形度的增大,所出現(xiàn)的金屬強度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象),而且還發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,使硬度顯著提高,心部則仍保持為原來的高韌性狀態(tài)。耐磨鋼主要用于運轉(zhuǎn)過程中承受嚴重磨損和強烈沖擊的零件,如車輛履帶板、挖掘機鏟斗等。Mn13是較典型的高錳鋼,應用最為廣泛。第三節(jié)鑄鐵從鐵碳相圖知道,含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵,工業(yè)上常見的鑄鐵的成分范圍WC=2.5%～4.0%,WSi=1.0%～3.0%,WMn=0.5%～1.4%,WP=0.01%～0.50%,WS=0.02%～0.20%,有時還含有一些合金元素,如Cr、Mo、V、Cu、Al等,可見在成分上鑄鐵與鋼的主要區(qū)別是鑄鐵的含碳和硅量較高,雜質(zhì)元素S、P含量較多。雖然鑄鐵的機械性(抗拉強度、塑性、韌性)較低,可是由于其生產(chǎn)成本低廉,具有優(yōu)良的鑄造性、可切削加工性、減震性及耐磨性,因此在現(xiàn)代工業(yè)中仍得到了普遍的應用,典型的應用是制造機床的床身、內(nèi)燃機的汽缸、汽缸套、曲軸等。鑄鐵的組織能夠理解為在鋼的組織基體上分布有不同形狀、大小、數(shù)量的石墨。一、鑄鐵的石墨化在鐵碳合金中,碳除了少部分固溶于鐵素體和奧氏體外,以兩種形式存在:碳化物狀態(tài)——滲碳體(Fe3C)及合金鑄鐵中的其它碳化物;游離狀態(tài)——石墨(以G表示)。滲碳體和其它碳化物的晶體結(jié)構(gòu)及性能在前面章節(jié)中已經(jīng)介紹。石墨的晶格類型為簡單六方晶格,其基面中的原子間距為0.142nm,結(jié)合力較強;而兩基面間距為0.340nm,結(jié)合力弱,故石墨的基面很容易滑動,其強度、硬度、塑性和韌性很低,常呈片狀形態(tài)存在。影響鑄鐵組織和性能的關(guān)鍵是碳在鑄鐵中存在的形式、形態(tài)、大小和分布。工程應用鑄鐵研究的中心問題是如何改變石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布。鑄鐵組織中石墨的形成過程稱之為石墨化過程。一般認為石墨能夠從液態(tài)中直接析出,也能夠自奧氏體中析出,還能夠由滲碳體分解得到。1、鐵碳合金的雙重相圖實驗表明,滲碳體是一個亞穩(wěn)定相,石墨才是穩(wěn)定相。一般在鐵碳合金的結(jié)晶過程,之因此自液體或奧氏體中析出的是滲碳體而不是石墨,這主是因為滲碳體的含碳量(6.69%)較之石墨的含碳量(≈100%)更接近合金成分的含碳(2.5%~4.0%),析出滲碳體時所需的原子擴散量較小,滲碳體的晶核形成較易。但在極其緩慢冷卻(即提供足夠的擴散時間)的條件下,或在合金中含有可促進石墨形成的元素(如Si等)時,那么在鐵碳合金的結(jié)晶過程中,便會直接從液體或奧氏體中析出穩(wěn)定的石墨相,而不再析出滲碳體。因此對鐵碳合金的結(jié)晶過程來說,實際上存在兩種相圖,即Fe-Fe3C和Fe-G相圖,如圖6-3所示,其中實線表示Fe-Fe3C相圖,虛線表示Fe-G相圖。顯然,按Fe-Fe3C系相圖進行結(jié)晶,就得到白口鑄鐵;按Fe-G系相圖進行結(jié)晶,就析出和形成石墨。2、鑄鐵冷卻和加熱時的石墨化過程按Fe-G相圖進行結(jié)晶,則鑄鐵冷卻時的的石墨化過程應包括:從液體中析出一次石墨GⅠ;經(jīng)過共晶反應產(chǎn)生共晶石墨G共晶;由奧氏體中析出的二次石墨GⅡ。鑄件加熱時的石墨化過程:亞穩(wěn)定的滲碳體當在比較高的溫度下長時間加熱時,會發(fā)生分解,產(chǎn)生石墨,即Fe3C→3Fe+G。加熱溫度越高,分解速度相對就越快。無論是冷卻還是加熱時的石墨化過程,凡是發(fā)生在PSK線(Fe-G系相圖中)以上,統(tǒng)稱為第一階段石墨化;凡是發(fā)生在PSK以下,統(tǒng)稱為第二階段石墨化。3、影響鑄鐵石墨化的因素(1)化學成分的影響碳、硅、磷是促進石墨化的元素,錳和硫是阻礙石墨化的元素。碳、硅的含量過低,鑄鐵易出現(xiàn)白口組織,力學性能和鑄造性能都較差;碳、硅的含量過高,鑄鐵中石墨數(shù)量多且粗大,性能變差。(2)冷卻速度的影響冷卻速度愈慢,即過冷度愈小,愈有利于按照Fe-G相圖進行結(jié)晶,對石墨化愈有利,反之冷卻速度愈快,過冷度增大,不利于鐵和碳原子的長距離擴散,愈有利于按Fe-Fe3C相圖進行結(jié)晶,不利于石墨化的進行。二、常見鑄鐵根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式及石墨的形態(tài),可將鑄鐵分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵等。灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵中石墨都是自液體鐵水在結(jié)晶過程中獲得的,而可鍛鑄鐵中石墨則是由白口鑄鐵經(jīng)過在加熱過程中石墨化獲得。1、灰鑄鐵(1)灰鑄鐵的組織由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成。因石墨化程度不同,得到鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種不同基體的灰鑄鐵如圖6-4所示。(2)灰鑄鐵的性能主要決定于基體組織以及石墨的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布。因石墨的力學性能極低,在基體中起割裂作用、縮減作用,片狀石墨的尖端處易造成應力集中,使灰鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性比鋼低很多。(3)灰鑄鐵的孕育處理為提高灰鑄鐵的力學性能,在澆注前向鐵水中加人少量孕育劑(常見硅鐵和硅鈣合金),使大量高度彌散的難熔質(zhì)點成為石墨的結(jié)晶核心,灰鑄鐵得到細珠光體基體和細小均勻分布的片狀石墨組織,這樣的處理稱為孕育處理,得到的鑄鐵稱為孕育鑄鐵。孕育鑄鐵強度較高,且鑄件各部位截面上的組織和性能比較均勻。(4)灰鑄鐵的牌號和應用牌號由”HT”(”灰鐵”兩字漢語拼音字首)及后面一組數(shù)字組成。數(shù)字表示最低抗拉強度值。例如HT300,代表抗拉強度≥300MPa的灰鑄鐵。由于灰鑄鐵的性能特點及生產(chǎn)簡便,灰鑄鐵產(chǎn)量占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上,應用廣泛。常見的灰鑄鐵牌號是HT150、HT200,前者主要用于機械制造業(yè)承受中等應力的一般鑄件,如底座、刀架、閥體、水泵殼等;后者主要用于一般運輸機械和機床中承受較大應力和較重要零件,如氣缸體、缸蓋、機座、床身等。(5)灰鑄鐵的熱處理去應力退火:鑄件凝固冷卻時,因壁厚不同等原因造成冷卻不均,會產(chǎn)生內(nèi)應力,或工件要求精度較高時,都應進行去應力退火;消除白口、降低硬度退火:鑄件較薄截面處,因冷速較快會產(chǎn)生白口,使切削加工困難,應進行退火使?jié)B碳體分解,以降低硬度;表面淬火:目的是提高鑄件表面硬度和耐磨性,常見方法有火焰淬火、感應淬火等。2、球墨鑄鐵(1)球墨鑄鐵的組織按基體組織不同,分為鐵素體球墨鑄鐵、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四種,金相顯微組織如圖6-5所示。(2)球墨鑄鐵的性能由于石墨呈球狀,其表面積最小,大大減少了對基體的割裂和尖口敏感作用。球墨鑄鐵的力學性能比灰鑄鐵高得多,強度與鋼接近,屈強比()比鋼高,塑性、韌性雖然大為改進,仍比鋼差。另外,球墨鑄鐵仍有灰鑄鐵的一些優(yōu)點,如較好的減震性、減摩性、低的缺口敏感性、優(yōu)良的鑄造性和切削加工性等。

但球墨鑄鐵存在收縮率較大、白口傾向大、流動性稍差等缺陷,故它對原材料和熔煉、鑄造工藝的要求比灰鑄鐵高。(3)球墨鑄鐵的牌號和應用球墨鑄鐵的牌號由”QT”(”球鐵”兩字漢語拼音字首)及后面兩組數(shù)字組成。第一組數(shù)字表示最低抗拉強度;第二組數(shù)字表示最低斷后伸長率δ。例如QT600－3,代表≥600MPa,δ≥3％的球墨鑄鐵。

球墨鑄鐵的力學性能好,又易于熔鑄,經(jīng)合金化和熱處理后;可代替鑄鋼、鍛鋼,制作受力復雜、性能要求高的重要零件,在機械制造中得到廣泛應用。(4)球墨鑄鐵的熱處理球墨鑄鐵的熱處理與鋼相似,但因含碳、硅量較高,有石墨存在,熱導性較差,因此球墨鑄鐵熱處理時,加熱溫度要略高,保溫時間要長,加熱及冷卻速度要相應慢。常見的熱處理方法有以下幾種:①退火分為去應力退火、低溫退火和高溫退火。目的是消除鑄造內(nèi)應力,獲得鐵素體基體,提高韌性和塑性。②正火分為高溫正火和低溫正火。目的是增加珠光體數(shù)量并提高其彌散度,提高強度和耐磨性,但正火后需回火,消除正火內(nèi)應力。③調(diào)質(zhì)處理目的是得到回火索氏體基體,獲得較高的綜合力學性能。④等溫淬火目的是獲得下貝氏體基體,使其具有高硬度、高強度和較好的韌性。3、可鍛鑄鐵(1)可鍛鑄鐵的組織可鍛鑄鐵組織與石墨化退火方法有關(guān),可得到兩種不同基體的鐵素體可鍛鑄鐵(又稱黑心可鍛鑄鐵)和珠光體可鍛鑄鐵,其顯微組織如圖6-6所示。(2)可鍛鑄鐵的性能由于石墨呈團絮狀,對基體的割裂和尖口作用減輕,故可鍛鑄鐵的強度、韌性比灰鑄鐵提高很多。(3)可鍛鑄鐵牌號及用途可鍛鑄鐵牌號由”KT’(”可鐵”兩字漢語拼音字首)和代表類別的字母(H、Z)及后面兩組數(shù)字組成。其中,H代表”黑心”,Z代表珠光體基體。兩組數(shù)字分別代表最低抗拉強度和最低斷后伸長率δ。例如,KTH370－12,代表＞370MPa、δ≥12％的黑心可鍛鑄鐵(鐵素體可鍛鑄鐵)?？慑戣T鐵主要用于形狀復雜、要求強度和韌性較高的薄壁鑄件。4、蠕墨鑄鐵(1)蠕墨鑄鐵組織為蠕蟲狀石墨形態(tài)介于球狀和片狀之間,它比片狀石墨短、粗、端部呈球狀。如圖6-7所示。蠕墨鑄鐵的基體組織有鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種。(2)蠕墨鑄鐵的性能力學性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。與球墨鑄鐵相比,有較好的鑄造性,良好的熱導性、較低的熱膨脹系數(shù),是近三十年來迅速發(fā)展的新型鑄鐵。(3)蠕墨鑄鐵牌號及用途蠕墨鑄鐵的牌號由”RuT’(”蠕鐵”兩字的漢語拼音字首)加一組數(shù)字組成,數(shù)字表示最低抗拉強度,例如:RuT300。5、合金鑄鐵合金鑄鐵是指常規(guī)元素硅、錳高于普通鑄鐵規(guī)定含量或含有其它合金元素,具有較高力學性能或某些特殊性能的鑄鐵。主要有耐磨合金鑄鐵、耐熱合金鑄鐵、耐蝕合金鑄鐵。第四節(jié)非鐵合金粉末冶金工業(yè)中一般將鋼鐵材料以外的金屬或合金,統(tǒng)稱為非鐵金屬及非鐵合金。因其具有優(yōu)良的物理、化學和力學性能而成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的重要的工程材料。一、鋁及共合金(一)工業(yè)純鋁工業(yè)上使用的純鋁,其純度(質(zhì)量分數(shù))為99.7%～98.00%.純鋁呈銀白色,密度為2.7g／cm3,熔點為660,具有面心立方晶格,無同素異晶轉(zhuǎn)變,有良好的電導性、熱導性。純鋁強度低,塑性好,易塑性變形加工成材;熔點低,可鑄造各種形狀零件;與氧的親和力強,在大氣中表面會生成致密的Al2O3薄膜,耐蝕性良好。純鋁的牌號為:1070A、1060、1050A。工業(yè)純鋁主要用于制造電線、電纜、管、棒、線、型材和配制合金。(二)鋁合金的分類及熱處理特點鋁合金的分類鋁合金按其成分和工藝特點不同,分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。鋁合金一般都具有如圖6-8所示類型的相圖。凡合金成分在D’點右邊的鋁合金都具有低熔點共晶組織,流動性好,稱為鑄造鋁合金。合金成分在D’點左邊的合金,在加熱時都能形成單項固溶體組織,這類合金塑性較高,稱為變形鋁合金。變形鋁合金又分為兩類,成分在F點左邊的合金稱為不能熱處理強化鋁合金;成分在F與D’點之間的鋁合金稱為能熱處理強化鋁合金。1、變形鋁合金不可熱處理強化的變形鋁合金主要有防銹鋁合金;可熱處理強化的變形鋁合金主要有硬鋁、超硬鋁和鍛鋁。(1)防銹鋁合金防銹鋁合金屬Al-Mg或Al-Mg系合金。加入錳主要用于提高合金的耐蝕能力和產(chǎn)生固溶強化。加入鎂用于起固溶強化作用和降低密度。防銹鋁合金強度比純鋁高,并有良好的耐蝕性、塑性和焊接性,但切削加工性較差。因其不能熱處理強化而只能進行冷塑性變形強化。其典型牌號是5A05、3A21,主要用于制造構(gòu)件、容器、管道及需要拉伸、彎曲的零件和制品。(2)硬鋁合金硬鋁合金屬Al-Cu-Mg系合金。加入銅和鎂是為了時效過程產(chǎn)生強化相。將合金加熱至適當溫度并保溫,使過剩相充分溶解,然后快速冷卻以獲得過飽和固溶體的熱處理工藝稱為固溶處理。固溶處理后,鋁合金的強度和硬度并不立即升高,且塑性較好,在室溫或高于室溫的適當溫度保持一段時間后,強度會有所提高,這種現(xiàn)象稱為時效。在室溫下進行的稱自然時效,在高于室溫下進行的稱人工時效。硬鋁合金典型牌號是2A01、2A11,主要用于航空工業(yè)中。(3)超硬鋁合金超硬鋁合金屬Al-Cu-Mg-Zn系合金。這類合金經(jīng)淬火加人工時效后,可產(chǎn)生多種復雜的第二相,具有很高的強度和硬度,切削性能良好,但耐蝕性差。典型牌號7A04,主要用于航空。(4)鍛鋁合金鍛鋁合金屬Al-Cu-Mg-Si系合金。元素種類多,但含量少,因而合金的熱塑性好,適于鍛造,故稱”鍛鋁”。鍛鋁經(jīng)過固溶處理和人工時效來強化。典型牌號是2A05、0A07,主要用于制造外形復雜的鍛件和模鍛件。2、鑄造鋁合金鑄造鋁合金按主加元素不同,分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四類。應用最廣的是Al-Si系鑄造合金,一般稱為硅鋁明。Wsi＝10％～13％的Al-Si二元合金ZAlSi12(ZL102),成分在共晶點附近,其鑄造組織為粗大針狀硅晶體與α固溶體組成的共晶(如圖6-8所示),鑄造性能良好,但強度、韌性較差。經(jīng)過變質(zhì)處理,得到塑性好的初晶α固溶體加細粒狀共晶體組織(如圖6-8所示),力學性能顯著提高,應用很廣。二、銅及銅合金(一)純銅純銅呈紫紅色,又稱紫銅。銅的密度為8.96g／cm3,熔點為1083,具有面心立方晶格,無同素異晶轉(zhuǎn)變。它有良好的電導性、熱導性、耐蝕性和塑性。純銅易于熱壓和冷壓力加工;但強度較低,不宜作結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)純銅的純度為99.50％～99.90％,其代號用”T”(”銅”字漢語拼音字首)加順序號表示,共有T1、T2、T3、T4四個代號。序號越大,純度越低。純