第二章-3常用金属材料及其应用

汽车应用材料,第二章金属材料,汽车应用材料第二章,金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。,第三节常用金属材料及其应用,汽车应用材料第二章,一.碳钢二.合金钢三.铸铁四.有色金属及其合金五.金属材料在工程上的应用,第三节常用金属材料及其应用,汽车应用材料第二章,金属材料的分类,金属,钢铁,铸铁,钢,白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁,非合金钢（碳钢）,碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、易切削钢、铸钢,合金钢,合金结构钢,低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢、超高强度钢,合金工具钢,量具刃具钢合金模具钢高速钢,冷作模具钢热作模具钢,特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢,非铁金属铜、铝、钛、锌、，轴承合金，硬质合金,汽车应用材料第二章,(一)碳钢的成分和分类(二)碳钢的牌号及用途,一.碳钢,汽车应用材料第二章,(一)碳钢的成分和分类,.成分w(C)2.11%Mn脱氧,固溶强化,提高强度和硬度w(Mn)=0.25%0.8%Si脱氧,固溶强化,提高强度和硬度镇静钢w(Si)=0.1%0.4%沸腾钢w(Si)=0.03%0.07%S热脆(有害)P冷脆(有害)O、N、H强度、塑性、韧性,汽车应用材料第二章,钢中元素的作用,基本元素：Fe、C合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素,非合金钢中的常存元素,汽车应用材料第二章,1）按C含量分低C钢w(C)0.25%中C钢0.25%w(C)0.6%高C钢w(C)0.6%2）按质量分（S、P含量）普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。3）按用途分碳素结构钢、碳素工具钢。,.分类,汽车应用材料第二章,(二)碳钢的牌号及用途,1碳素结构钢2优质碳素结构钢3碳素工具钢,汽车应用材料第二章,1碳素结构钢,牌号如Q215B，表示s215MPa（厚度16mm），B级质量。,At,汽车应用材料第二章,用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,热处理：热轧空冷组织：SF,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,汽车应用材料第二章,2优质碳素结构钢,牌号如45钢，含C量为45/10000=0.45%。,(摘自GB/T699-1999),汽车应用材料第二章,用途,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,热处理：渗碳、淬火、回火等。,汽车应用材料第二章,上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质50号中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工,汽车曲轴,汽车应用材料第二章,常用钢号及其应用,08、10钢:强度低,塑性好,具有良好的冲压、拉深及焊接性能,用于制造冷冲压件,如汽车和拖拉机油箱、仪表板、汽缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等.,15、20钢:渗碳,表硬内韧,作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等,3055钢:调质,综合机械性能好,制齿轮连杆轴类等,6070钢,淬火,中回,制造弹性元件,如汽车气门弹簧.,汽车应用材料第二章,3碳素工具钢,牌号如T12A钢，含C量为12/1000=1.2%，A表示高级优质，w(S)0.020%，w(P)0.030%。,(摘自GB/T1298-1986),汽车应用材料第二章,表2-16碳素工具钢的牌号、性能及用途,汽车应用材料第二章,用途,冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。,热处理：淬火+低温回火组织：回火M粒状Fe3C+A,汽车应用材料第二章,4.铸钢,W(c)=0.150.6%应用:结构复杂零件,如曲轴、箱体轴承座.牌号:如ZG340-640,汽车应用材料第二章,(一)概论(二)合金结构钢(三)合金工具钢(四)特殊性能钢,二.合金钢,汽车应用材料第二章,二.合金钢,碳钢：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。合金钢：在碳钢中加入某些合金元素,改善组织与性能.(硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、锆),汽车应用材料第二章,与C的亲和力：强弱,常见的合金元素及作用,TiZrNbVWMoCrMnFeCoNiCuSiAl,弱碳化物形成元素,强碳化物形成元素,非碳化物形成元素,合金元素对基本相的影响：,非碳化物形成元素,溶入F,固溶强化,弱碳化物形成元素,形成合金渗碳体,较硬，耐磨，比Fe3C更稳定,强碳化物形成元素,形成特殊碳化物,高熔点，硬，耐磨，最稳定,汽车应用材料第二章,（一）合金元素在钢中的作用,1合金元素可以提高钢的力学性能,2.合金元素对钢的热处理产生影响,3合金元素对钢的工艺性能产生影响,汽车应用材料第二章,合金钢的强化机制：合金F的固溶强化M位错强化细晶强化（F、M晶粒度，P片间距）第二相（沉淀）强化,1合金元素可以提高钢的力学性能,汽车应用材料第二章,2.合金元素对钢的热处理产生影响合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著。合金元素除CO外都能使C曲线右移，提高奥氏体的稳定，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，降低淬火应力，减少了工件的变形和开裂。,汽车应用材料第二章,3合金元素对钢的工艺性能产生影响合金元素的加入使钢的铸造、锻造性能、焊接、切削加工性能都不同程度的降低；但可以明显的改善热处理的工艺性能。,汽车应用材料第二章,.合金钢的分类（按用途分类）合金结构钢低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢刃具、模具、量具钢。特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢。,（二）合金钢的分类及编号,汽车应用材料第二章,.合金钢的编号结构钢如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)1.5%工具钢、特殊性能钢如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均1.5%,而CrWMn中，w(C)1.0%专用钢如，滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高级优质钢如，20Cr2Ni4A,（二）合金钢的分类及编号,汽车应用材料第二章,(三)合金结构钢,1低合金结构钢2渗碳钢3调质钢4弹簧钢5滚动轴承钢,汽车应用材料第二章,表2-18常用低合金结构钢的牌号、性能及用途,汽车应用材料第二章,1低合金结构钢,成分w(C)0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。,(摘自GB/T1591-1994),汽车应用材料第二章,普通低合金结构钢牌号,Q345C,汽车应用材料第二章,常用低合金钢,1.低合金高强度结构钢2.易切削结构钢.(S,P,Mn)3.低合金高耐候性钢,汽车应用材料第二章,热处理、组织热轧空冷，SF,高压容器,桥梁,船舶,车辆,应用,汽车应用材料第二章,典型普低合金钢应用,Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。,汽车应用材料第二章,2渗碳钢,成分w(C)=0.10.25%,韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，Ti细化晶粒性能渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。,汽车应用材料第二章,2渗碳钢,ReL,汽车应用材料第二章,热处理,组织表层：回火M+碳化物+A；心部：低C的回火M（+T+F）,应用耐磨件20Cr，小轴、活塞销、小齿轮。20CrMnTi，汽车齿轮。18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆。,渗碳淬火低温回火,汽车应用材料第二章,合金渗碳钢的牌号,20Mn2TiA,汽车应用材料第二章,典型合金渗碳钢应用,低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),汽车应用材料第二章,20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线,汽车应用材料第二章,典型合金渗碳钢应用,高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,汽车应用材料第二章,现有35x20mm的两根轴。一根为20钢，经920渗碳后直接淬火(水冷)及180回火，表层硬度为5862HRC；另一根为20CrMnTi钢，经920渗碳后直接淬火(油冷)，-80冷处理及180回火后表层硬度为6064HRC。问这两根轴的表层和心部的组织(包括晶粒粗细)与性能有何区别?为什么?,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,3调质钢,成分w(C)=0.250.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,强化F。Mn、Cr、Ni、B、Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒性能综合机械性能高,汽车应用材料第二章,3调质钢,汽车应用材料第二章,热处理,组织表层：回火S,应用:轴类、连杆、齿轮40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。,调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。,汽车应用材料第二章,应用:,汽车曲轴,圆锥齿轮,汽车应用材料第二章,4弹簧钢,成分w(C)=0.450.70%，Si,Mn为主要元素，提高屈强比。性能e、s、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。,汽车应用材料第二章,4弹簧钢,（摘自GB/T12222007）,汽车应用材料第二章,应用65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。,热处理,热轧弹簧：热成型淬火+中温回火喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火冷成型去应力喷丸组织回火T,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,5滚动轴承钢,滚动轴承在交变应力作用下工作，各部分之间有强烈摩擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。因此，滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。,汽车应用材料第二章,5滚动轴承钢,成分w(C)=0.951.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。性能高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。,（摘自GB/T182542002）,汽车应用材料第二章,滚动轴承钢的牌号,GCr9SiMn,汽车应用材料第二章,应用GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。,热处理,球化退火+淬火+低温回火冷处理，时效（120140,1020h）：稳定尺寸，去应力。组织回火M细碳化物少量A,汽车应用材料第二章,铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造球化退火机加工淬火+冷处理(6080;1h)低温回火磨削加工稳定化处理(120130；510h),汽车应用材料第二章,合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造刃具、模具、量具和其它工具。,(四)合金工具钢,汽车应用材料第二章,量具,刃具,汽车应用材料第二章,1合金刃具钢2合金模具钢3量具用钢,(四)合金工具钢,汽车应用材料第二章,1合金刃具钢,（）性能要求高硬度机加工刀具HRC60高耐磨性刀具寿命和生产率组织要求硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。高的热硬性（红硬性）高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。足够的韧性以承受冲击载荷,汽车应用材料第二章,（）低合金刃具钢,成分w(C)=0.91.5%，合金元素5%。性能HRC60，使用温度200300。,汽车应用材料第二章,热处理球化退火（+机加工）+淬火+低温回火,最终组织回火M+合金碳化物+少量A应用如9SiCr，做板牙、丝锥等。,汽车应用材料第二章,（）高速钢,成分w(C)=0.71.2%，合金元素10%。性能高硬度、耐磨性VC等弥散硬化高热硬性600时HRC62，W2C等提高热硬性。高淬透性尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。,汽车应用材料第二章,热处理,（锻造+）球化退火（+机加工）淬火+回火锻造目的成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。,汽车应用材料第二章,淬火，1280增加A、M中合金含量，提高热硬性。,淬火组织（左图）：M+碳化物+A,最终组织（右图）：回火M+粒状碳化物+少量A,回火，560，三次W2C、VC弥散硬化，二次淬火基本消除A。,应用高速车刀、钻头、铣刀等。,汽车应用材料第二章,2合金模具钢,（）冷模具钢冷冲、冷镦、冷挤压模等。,性能高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。,应用小型模具9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。大型模具Cr12、Cr12MoV等，热处理变形小。,最终热处理淬火+低温回火最终组织回火M+碳化物+少量A,汽车应用材料第二章,（）热模具钢热锻、热挤压、压铸模等。,性能耐热性、热疲劳抗力高。,应用中小型模具5CrMnMo等。大型模具3Cr2W8V等，淬透性好。,最终热处理淬火+高温回火最终组织回火T或回火S,汽车应用材料第二章,3量具用钢卡尺、千分尺、塞规等,性能高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。,应用:简单量具T10A、T12A等。高精度量具GCr15、CrWMn等。,最终热处理淬火+（-70-80）冷处理+低温回火+时效处理时效处理：120130，保温几几十小时，使M、A稳定，消除内应力。最终组织回火M+碳化物+少量A,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,1不锈钢2耐热钢3耐磨钢,(五)特殊性能钢,汽车应用材料第二章,1.不锈钢,钢的抗腐蚀措施形成单相组织。加入Cr，降低两相的电极电位差。加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。,常用不锈钢F型如1Cr17，化工设备、食品工业。M型如1Cr13用于汽轮机叶片；3Cr13做手术器具及刀具。A型如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、医疗行业。,汽车应用材料第二章,不锈钢的成分、热处理、性能,汽车应用材料第二章,.耐热钢,抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力热强性：热强性是指钢在高温下的强度,用途：锅炉、燃气轮机等,燃烧室排气系.,汽车应用材料第二章,耐热钢的用途,汽车应用材料第二章,.耐磨钢ZGMn13,热处理：10001100，保温，水冷A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。,用途：履带、铁道岔道、挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等代表牌号Mn13,汽车应用材料第二章,耐磨钢的用途,汽车应用材料第二章,三、铸铁,1.铸铁的性能特点2.常用铸铁,汽车应用材料第二章,成分w(C)=2.54.0%，w(Si)=1.03.0%.,(一)铸铁的性能特点,（）铸铁的石墨化C的同素异构体：石墨G（简单六方晶格）,组织钢基体+石墨（C）,石墨的形态(形状数目大小及分布)决定铸铁组织与性能,汽车应用材料第二章,石墨化过程按Fe-G相图结晶、转变,G结晶：过共晶成分LL+GI共晶转变L4.26A2.08+G（共晶）(1154)G析出：AA+GII(1154738)共析转变A0.68F+G（共析）(738),影响石墨化的因素:化学成分C、Si促进石墨化冷却速度冷速慢有利石墨化,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,（）铸铁的组织和分类,汽车应用材料第二章,（）铸铁的组织和分类,灰口铸铁的组织钢基体+G,汽车应用材料第二章,力学性能强度、塑韧性比钢低。G的强度、韧性极低，减小钢基体的有效截面，并引起应力集中。,（）铸铁的性能,耐磨性好石墨有利于润滑、储油。,三种石墨形态,汽车应用材料第二章,缺口敏感性低表面粗糙对疲劳极限的影响不明显消震性好（是钢的十倍）G组织松软铸造性好接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。切削加工性好G使切屑易断，还可润滑刀具。,其它性能,汽车应用材料第二章,应用如，机床床身、发动机缸体、齿轮、曲轴。,汽车应用材料第二章,(二)常用铸铁,灰铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁合金铸铁,汽车应用材料第二章,1.灰铸铁,牌号如HT100，表示b100MPa（直径30mm）。组织钢基体（F、F+P、P）+片状G,性能与其它铸铁相比，力学性能差，其它性能好。,孕育铸铁浇注前在铁水中加Si-Fe，Si-Ca等孕育剂,使P细化、G细而均匀，强度、塑韧性明显提高。,汽车应用材料第二章,热处理:,去应力退火500550，防止机加工、使用时变形或开裂。,高温退火850900,表面、薄壁等白口处CmG,硬度,切削加工性,表面淬火提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。应用如，机床床身、导轨，汽缸体。,汽车应用材料第二章,如：HT200适用于汽车的气缸体、气缸盖、刹车轮等。HT300、HT350等适用于大型发动机的气缸体、气缸盖、气缸套、油缸、泵体、阀体等。,气缸垫,气缸盖,气缸盖罩,衬垫,安装火花塞,汽车应用材料第二章,（）球墨铸铁在铁水浇注前加球化剂（稀土Mg）使G球化,牌号如QT700-2，表示b700，2。,组织钢基体（F、F+P、P、回火S、下B)+球状G,性能强度、塑韧性明显优于灰铸铁。（球状G对基体的割裂作用小）,汽车应用材料第二章,（）球墨铸铁,汽车应用材料第二章,汽车应用材料第二章,热处理,退火去应力退火，500600。低温退火，720760，PG+F，塑韧性、切削加工性高温退火，900950，P,CmG+F，塑韧性、切削加工性正火P%，细化组织，强度、耐磨性低温正火，840860，P+F+G，塑韧性较好。高温正火，880920，P+G+少量F，强度较高。,调质850900油淬+550600回火回火S+G等温淬火840900+300等温下B+G调质、等温淬火后综合机械性能好，但仅适于小尺寸零件。,汽车应用材料第