常用金属材料及性能

第第 5章章 常用金属材料及性能常用金属材料及性能5.1 工业用钢分类工业用钢分类 与牌号与牌号5.2 结构钢（结构钢（ structural steel）5.3 滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢5.4 铸铁（铸铁（ cast iron）5.5 有色金属及其合金（有色金属及其合金（ non-ferrous alloy）5.6 粉末冶金材料（自学）粉末冶金材料（自学）退出5.1 钢的分类与钢中的合金元素（钢的分类与钢中的合金元素（ alloy element）5.1.1 工业用钢分类与牌号工业用钢分类与牌号(1) 我国现行钢分类与牌号的特点有统一国标，钢号直观、实用，并靠近国际标准。(2) 钢的分类钢的分类按 Wc ： 低碳钢（ 0.25% ）；中碳钢（ 0.25 0.60% ） ; 高碳钢（ 0.60% ）。按冶金质量： 普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。按脱氧程度： 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。按用途、成分、性能和热处理特点（最实用）。表 5-1图 5-1(3)钢的牌号钢的牌号要 求： 会识别、（图纸上）一看就明白。基本类型： 两类 主要以力学性能表示：主要以力学性能表示： 如 Q235 AF（ 常简写成Q235， 不保证化学成分）。 主要以化学成分表示：主要以化学成分表示： 碳与合金元素含量。例 1. 45 Wc =0.45% 的优质钢。例 2. 08F Wc =0.08% 的沸腾钢。例 3. 40Cr Wc =0.40% 及 Wc r=1% 。记忆方式与技巧介绍。 表 5-25.2 结构钢（结构钢（ structural steel）用于结构件用于结构件 工程结构：如建筑物珩架、桥梁、车辆等。工程结构：如建筑物珩架、桥梁、车辆等。 机器零件：如齿轮、螺栓、轴等。机器零件：如齿轮、螺栓、轴等。5.2.1 碳素结构钢（碳素结构钢（ carbon structural steel）保证力学性能： 一般用途；以型材（棒、板、型钢）供应。组 织 状 态： 轧后空冷、 F+P； 不再热处理。设计时注意尺寸效应。典 型 牌 号： Q235。表 5-35.2.1 低合金高强度钢（低合金高强度钢（ HSLA）添加少量合金元素（ Nb、 V等）起各种强化作用。用于重要工程结构（桥梁、压力容器等），能减轻自重、降低成本等。典型牌号： Q295、 Q420等。表 5-45.2.2 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 Ws 、 Wp 0.035 %性能特点： 随 Wc 升高，强度和硬度提高，塑、韧性有所下降。 零件制造中若经过热处理，可大幅度提高性能 (强度 )。应用 :08 25(15Mn)： 低碳钢，塑性好，可焊性好，直接冲压成形或作焊接件。15 25： 低碳钢，可作渗碳用钢。30 55： 中碳钢，经调质处理做较重要的机器零件。60： 中高碳钢，淬火中高温回火，一般弹簧及较高强度零件。表 5-55.2.3 合金结构钢（合金结构钢（ alloy structural steel）(1)合金渗碳钢合金渗碳钢用途及性能特点：用于承受较大冲击负荷、同时表面经受强烈摩擦磨损的零件 (如换档齿轮等 )。经渗碳及淬、回火后，表硬内韧。合金化原则： 低碳 (0.25%) ，保证渗碳及热处理后表、里的良好配合。 加提高淬透性元素， Cr、 Mn、 Ni、 B等，保证心部良好强韧性。 加 V、 Ti、 W 等，阻止渗碳时晶粒长大。热处理特点： 一般渗碳后预冷、直接淬火低温回火 (55HRC)。常 用 钢 种： 低淬透性 15(20)、 20Cr；中淬透性 20CrMnMo、 20MnTiB；高淬透性 18Cr2Ni4W 、 20Cr2Ni4。表 5-6(2)合金调质钢合金调质钢用途及性能特点：高强度（承受较大负荷）及高韧性（防止断裂事故）的重要零件（如机床主轴）具有良好的综合力学性能。合金化原则： 中碳（ 0.30 0.5% ），保证热处理后足够强度，又不致太脆。 加淬透性元素（ Cr、 Ni、 Mn、 Si、 B）， 保证大截面均一的性能。 细化晶粒元素（ V、 W 、 Mo等）。 加 Mo， 消除回火脆性。热处理： 调质即 淬火 +高温回火 （ 500 650 ） 。常用典型钢种： 低淬透性 :45、 40Cr、 40MnB；中淬透性 :35CrMo、 30CrMnSi；高淬透性 :40CrNiMo、 40CrMnMo。表 5-7(3)合金弹簧钢合金弹簧钢用途、性能：承受较大负荷的弹簧；高的 e、 -1及 s/b。合金化： 中、高碳（ 0.45 0.9% ）； 加 Si e及（ s/b） ； 加 Mn、 Si、或 Cr 淬透性 ； 加 Mo、 W 、 V细化晶粒（重要弹簧）。热处理：淬火中温回火，回火屈氏体 42 48HRC。常用钢种：65； 65Mn； 60Si2Mn； 50CrV。表 5-85.2.4 其它结构钢其它结构钢 易切削钢：易切削钢：加 S、 Pb、 Ca、 P等（减摩、易断屑等），提高切削加工性，强度次要。 铸钢（铸钢件）：铸钢（铸钢件）：特 点： 直接铸造成零件的结构钢，用于形状复杂、性能要求较高的场合。重型机械，矿山、工程机械等。成 分： 低、中碳。热处理： 进行正火、退火，重要件进行淬火、回火。表 5-95.3 滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢5.3.1 滚动轴承钢（滚动轴承钢（ rolling bearing steel）用途、性能：轴承零件；高抗压强度、疲劳强度、高硬度与耐磨性。合 金 化： 高碳（ 0.95 1.15% ）， 0.4 1.65%Cr ， 以及特殊要求的成分。 S、 P要求严，冶金质量高。热 处 理： 球化退火（预先热处理）及淬火、低温回火， 60 64HRC。典 型 钢 种： GCr15（ 中小型轴承） ; G20Cr2Ni4（ 大型渗碳轴承） ;9Cr18（ 不锈轴承）。表 5-105.3.2 工具钢（工具钢（ tool steel） 刃具钢刃具钢用途、性能：较高切削的刀具；高硬度、高耐磨性及高热硬性。合金化（高速钢）： 高碳（ c0.8%） ,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。 较多 W与 Mo（ 10%） ,产生 W2C、 Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。 4%Cr， 淬透性。 加 V， 提高硬度、耐磨性。热 处 理： 预先热处理； 1200-1300 高温淬火 +3次560 回火 ,回火马氏体 +碳化物 ,62 66HRC。典型钢种： W6Mo5Cr4V2、 W9Mo3Cr4V、 W18Cr4V。图 5-2 图 5-3 表 5-13表 5-11 表 5-12 模具钢模具钢1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。用途、性能： 各种冷冲压、冷成型模具；高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。合金化： 高碳 Wc0.6 0.7%； 淬透性元素：主加 Cr，另 Mn、 Si； Mo、 V细化晶粒 ;Cr、 Mo、 W、 V提高耐磨性。热处理：淬火 +低温回火， 58HRC， 细小马氏体 +碳化物 +少量残余奥氏体。典 型 钢 种：T8、 T10、 T12； 9Mn2V、 9SiCr、 GCr15、Cr12MoV、 65Nb、 W6Mo5Cr4V2。2)热作模具钢：中碳合金钢用途、性能：锻模、热挤压模、热弯模等；耐热性、高温强度，耐热 疲劳，高淬透性。合金化： 中碳（ 0.3 0.6%） ,保证强度、韧性等。 Cr、 W、 Si（ 抗热疲劳）； Mo、 W、 V（ 高温强度）；Cr、 Mo、 W等多元（淬透性）。热处理：淬火、中温回火（高于工作温度）， 35 50HRC， 回火屈氏体、回火马氏体。典型钢种：45、 40Cr(很少用 )； 5CrNiMo、 5CrMnMo；3Cr2W8V； H11(4Cr5MoSiV)、 H13(Cr5MoSiV1)。 量具钢：高碳（低合金）钢量具钢：高碳（低合金）钢用途、性能：各种量具（卡尺、块规等）；高硬度、高耐磨性，高尺寸稳定性。合金化：高碳（ 0.8% ）； Cr、 Mn、 Si 等（淬透性）； Cr、 W 等（耐磨性）。热处理：淬火 +（冷处理） +多次回火，使残余奥氏体转变及稳定尺寸。典型钢种：9SiCr、 CrWMn 、 GCr15 或渗碳钢，硬质合金。5.3.3 不锈钢和耐热钢不锈钢和耐热钢 不锈钢（不锈钢（ Stainless Steel）用途、性能：腐蚀环境中的工作零件；耐蚀性及附加力学性能（强度、硬度）等。合金化： 加 Cr（ 12 13%） 提高电极电位、钝化能力，使耐蚀性 。 加足够 Ni或 Cr ， 呈单相奥氏体或单相铁素体状态。 加 Ti、 Nb等与碳形成稳定晶内碳化物，使晶间腐蚀 。 可加 Mn、 N代 Ni 奥氏体不锈钢。热 处 理： A 不锈钢： 固溶处理 (高温快冷 )；F 不锈钢： 退火处理；M不锈钢： 淬火、回火。典型钢种： A 不锈钢： 1Cr18Ni9Ti；F 不锈钢： 1Cr17；M不锈钢： 3Cr13， 9Cr18。表 5-14上 表 5-14下 耐热钢（耐热钢（ heat resistant steel）用途、性能：高温下工作零件（如锅炉管道）；高温强度、抗氧化性等。合金化： 低、中碳； Cr、 Ni、 Si、 Mo等固溶强化； Cr、 Si、 Al等抗氧化； V、 W、 Mo形成稳定碳化物弥散强化。热处理（视用途而定）和典型钢种。表 5-155.4 铸铁（铸铁（ cast iron） c2.11% ， 有共晶反应。主要介绍石墨化铸铁。有共晶反应。主要介绍石墨化铸铁。5.4.1 铸铁的主要类型及其特点铸铁的主要类型及其特点 碳的形态与铸铁类型碳的形态与铸铁类型一定条件下： Fe3C（ 亚稳态） 3Fe+G（ 稳定态） 碳呈化合态的 Fe3C 和共晶莱氏体；极脆，称白口铸铁（断口白壳），应用很有限。碳呈游离态的石墨，（ G） 具有多种形态，铸造性能优良，应用广泛。图 5-4 各类铸铁的特点各类铸铁的特点1) 共性： 成 分：高碳、高硅（易形成 G） 及杂质 S、 P较宽（成本低廉、易浇注）。 组 织：钢基（ F、 F+P、 P等） +G。 性 能： G的存在，具有多重性影响。分析基点： G作为空洞或裂纹看待。割裂基体，承载面积 b， ， k。G 本身应力集中 铸铁易脆断。G是裂纹萌生及扩展通道 抗压不抗拉，宜作承压件。G存在 加工性能好（铸造、切削加工）；减震减摩；较小缺口敏感性。2)各类铸铁的特点 灰铸铁 :直接结晶获得、成分亚共晶。特点： 片 G应力集中、割裂基体严重；铸造性能最好。 应用： 承压或受力不大的形状复杂件或薄壁件（如箱体等）。典型牌号： HT200。 可锻铸铁 :铁水 白口铁 石墨化退火 Fe3C分解为团絮状 G。特点： 性能优于灰铸铁（但并不可锻），工艺复杂。应用： 一定承载能力的结构件。典型牌号： KTH35010 。图 5-5 图 5-6 图 5-7 图 5-8表 5-16图 5-9表 5-17 球墨铸铁（球铁）：直接结晶、球化处理（加稀土镁球化剂）。特点： 高碳高硅（接近共晶成分）、杂质少；强度和塑性改善，基体作用加强，性能在铸铁中最好。应用： 冲击负荷不大时可代钢（如柴油机曲轴）。典型牌号： QT45010 。 蠕墨铸铁 ： 直接结晶获得（ G形态介于片状与球状之间），力学性能明显优于灰铸铁、劣于球铁，加工性能等优于球铁。RuT300等。 表 5-185.4.2 铸铁的热处理铸铁的热处理石墨化退火： 生产可锻铸铁，消除铸件薄壁处白口。去应力退火： 用于各种铸件。正火、淬火回火： 主要用于球铁（提高基体强度）。5.5 有色金属其合金（有色金属其合金（ non-ferrous alloy）5.5.1 铝及铝合金铝及铝合金纯铝：导电导热、抗大气腐蚀；太软。(1)铝合金及其特点铝合金及其特点 比强度高（ 高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。 突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。 良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金铸造性能好，宜作压铸件。(2)铝合金分类铝合金分类 变形铝合金：不可时效强化的铝合金：防锈铝（ F以左），单相固溶体，强度低、压力加工性能好；用其优良的耐蚀性能。牌号标记 LF。可时效强化的变形铝合金：硬铝（ LY）、 超硬铝（ LC） 和锻铝（ LD）。 固溶时效提高性能。表 5-19图 5-10 铸造铝合金：具有共晶转变的合金，铸造性能良好。提高性能方法： 变质细化粗铸态组织；时效硬化。牌号 ： ZAL 或 ZL(3)铝合金的热处理：铝合金的热处理：退火： 消除应力退火（ 200 300 ）；再结晶退火（ 350 415 ）。固溶时效硬化： 500 水冷 + 人工时效（ 200 ）或自然时效（ 4 天）。表 5-205.5.2 铜及铜合金铜及铜合金(1)铜和铜合金的特点铜和铜合金的特点 较好的理化性能 导电材料，导热（纯铜，汽车散热器）；抗大气、海水腐蚀（黄铜）。 良好的加工性 易冷成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。 某些特有性能 优良减摩性和耐磨性（青铜和部分黄铜，滑动轴承或蜗轮等），高的 e和 -1（ 铍青铜，弹性元件）。 色泽美观(2)铜合金铜合金黄铜 (Cu-Zn)、 白铜 (Cu