模块二工程材料及其热处理

1、.模块二 工程材料及其热处理【内容纲要】u 常用金属材料的分类、牌号、性能和应用u 常用热处理的目的和应用项目二 工程材料工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。一般可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。鉴于金属材料，特别是钢铁材料和有色金属及合金在机械制造中的广泛应用及其不可替代性，本学习环节重点介绍这几种材料的相关知识。任务一：工业常用碳钢【学习目标】1、 理解常用碳钢的分类、牌号、性能和应用。§2.1.1工业常用碳钢【知识链接】一、认识碳钢和合金钢1、碳钢和合金钢钢是经济建设中使用最广、用量最大的金

2、属材料，在现代工农业生产中占有重要地位。钢：以铁为主要元素，碳的质量分数（）一般在2%以下，并含有其他元素的材料。按照化学成分分为碳钢和合金钢两大类。碳钢：含碳量在0.0218%2.11%之间的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。合金钢：在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的铁基合金称为合金钢。碳素钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能满足一般工程和机械制造的使用要求，是工业生产中用量最大的金属材料。2、 钢中的常存杂质元素及其影响 含碳量对钢材的力学性能有重要影响。含碳量少，组织由铁素体和珠光体组成，淬火后多为板条马氏体，韧性大，硬度低，耐磨性差；含碳量高，组织一

3、般由渗碳体跟珠光体组成，淬火后多为片状马氏体，脆性大，硬度高，耐磨性好。钢中除铁和碳两种元素外，还含有少量硅、锰、硫、磷等元素，这些元素，有的是从炉料中带来的，有的是在冶炼过程中不可避免地带入的，它们的存在必然会对钢的性能产生影响。(1)锰（Mn）钢中的锰来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。一般认为锰在钢中是一种有益的元素。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化；另一部分锰溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，可提高钢的硬度；锰与硫化合成MnS，能减轻硫的有害作用。(2)硅（Si）硅也来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，硅和锰一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的硬度、强度、弹性提高，而塑性、韧性降低。

4、因此硅也是碳钢中的有益元素。(3)硫（S）硫是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而以FeS形式存在，使晶粒脱开，引起钢材沿晶界处裂开，这种现象称为“热脆”。(4)磷（P）磷也是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，在低温时表现尤其突出。这种在低温时由磷导致钢严重变脆的现象称为“冷脆”。3、碳钢的分类碳钢的分类方法比较多，比较常见的有以下四种，即按钢的含碳量、平衡组织、质量和用途分类。表2-1-1 碳素钢的分类按钢中含碳量低碳钢 ： WC0.25% 中碳钢 ： 0.25%<WC0.60% 高碳钢 ： WC0.60%。 按钢的平衡组

5、织分类亚共析钢 ： 铁素体珠光体 0.0218%<WC<0.77% 共析钢： 珠光体 WC0.77%过共析钢 ： 珠光体二次渗碳体 WC0.60% 按钢的质量分类（钢中有害杂质硫、磷含量分）普通碳素钢：0.055%， 0.045%。 优质碳素钢： 0.040% 0.040%。 高级优质碳素钢：0.030%， 0.035%。按钢的用途分类碳素结构钢：主要用于制造各类工程构件(如桥梁、船舶、建筑物等)及各种机器零件 (如齿轮、螺钉、螺母、连杆等)。它多属于低碳钢和中碳钢。 碳素工具钢：这类钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢中碳的含量较高，一般属于高碳钢。 二、碳钢的牌号、性能及

6、用途1. 碳素结构钢 用Q+数字表示，“Q”表示屈服点，数字表示屈服点数值。如Q275，表示屈服点为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即S、P含量不同。A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”表示半镇静钢，“Z”为镇静钢，“TZ”为特殊镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235C表示屈服点为235 MPa的C级镇静钢。碳素结构钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性，工艺性能（焊接性、冷变形成形性）优良，用于制造一般工程结构、普通机械零件以及日用品等。通常热轧成扁平成品或各种型材（

7、圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），一般不经热处理，在热轧态直接使用。常用碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和主要用途见表2-1-2。表2-1-2 常用碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和主要用途牌号等级化学成分/%力学性能脱氧方法主要用途WCWsWpss/MPasb/MPad/%Q195_0.060.120.0500.04519531539033F,b,Z载荷不大的金属结构件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件及焊接件Q235A0.140.220.0500.04523537546026F,b,Z钢板、钢筋、型钢、螺栓、螺母、短轴等B0.120.200.045C0.180.0400.040ZD0.17

8、0.0350.035TZQ255A0.170.280.0500.04525541051024Z键、销、转轴、拉杆、链轮、链环片等B0.280.380.045 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号由两位数字或两位以上数字与特征符号组成。以两位数字表示碳的平均质量分数（以万分之几计）。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”，镇静钢一般不标符号。较高含锰的优质碳素结构钢，在表示碳的平均质量分数的数字后面加锰元素符号。例如，WC =0.50%，WMn =0.70%1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”。高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级优质碳素结构钢在牌号后加符号“E”。这类钢

9、中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得较严格，塑性和韧性较高，多用于制造较重要的机械零件。常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能和主要用途见表2-1-3。表2-1-3 优质碳素结构钢的牌号、力学性能和主要用途牌号力学性能主要用途实物图片sb/MPass/MPad/y/08F2951753560 一般用于制造受力不大的冲压件、焊接件、韧性要求较好的零件及渗碳件，如机器罩、容器、螺钉、螺母、垫圈、法兰盘、小轴、凸轮、滑块、套筒等。 凸轮103352053155153752252755204102452555254502752350304902952150综合力学性能较好，可用于制造受力较大的

10、零件，如曲轴、连杆、齿轮等。连杆355303152045405703351945456003551640506303751440606754001235有较高的强度、硬度和弹性，主要用于制造弹簧、弹簧垫圈、钢丝绳等。弹簧垫圈65695410103065Mn7354309303. 碳素工具钢这类钢的牌号由代表碳的符号“T”与数字组成，其中数字表示钢中碳的质量分数（以万分之几计）。对于较高含锰或高级优质碳素工具钢，牌号尾部表示同优质碳素结构钢。例如，T12钢，表示WC =1.2%的碳素工具钢。碳素工具钢生产成本较低，加工性能良好，可用于制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具、量具等。在使用前要

11、进行热处理（淬火+低温回火）。常用碳素工具钢的牌号、主要化学成分和用途见表2-1-4：表2-1-4 碳素工具钢的牌号、主要化学成分和用途牌号化学成分/%淬火后钢的硬度主要用途实物图片CMnSi淬火温度/及淬火介质HRCT70.650.740.400.35800820水淬62受到冲击且要求较高硬度的工具，如锤头、旋具、木工工具、铁皮剪刀等锤头T80.750.84780800水淬T8Mn0.800.900.400.60T90.850.940.400.35760780水淬62人性中等、硬度高的工具，如冲模、木工工具、凿岩工具等木工扁钻T100.951.040.400.35760780水淬62不受剧烈

12、冲击且要求高硬度和耐磨性的工具，如刨刀、冲模、丝锥、手锯、钻头等丝锥T111.051.14T121.151.240.400.35760780水淬62不受冲击且要求高硬度和耐磨性的工具，如丝锥、锉刀、刮刀、量具、剃刀、刻字道具等量具T131.251.354. 铸造碳钢许多形状复杂的零件，很难通过锻压等方法加工成形，用铸铁时性能又难以满足需求，此时常用铸钢铸造获取铸钢件。所以，铸造碳钢在机械制造尤其是重型机械制造业中应用非常广泛。铸造碳钢的牌号表示方法：以强度表示的铸钢牌号，是由铸钢代号“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字代表最低屈服点，第二组数字代表最低抗拉强度。例如，ZG20040

13、0，表示ss(s0.2)不小于200 MPa，sb不小于400 MPa。铸造碳钢碳的质量分数，一般WC=0.15%0.60%，过高则塑性差，易产生裂纹。铸钢的铸造性能比铸铁差，主要表现在铸钢流动性能差，凝固时收缩比大且易产生偏析等方面。常用铸造碳钢的牌号、力学性能和主要用途见表2-1-5。表2-1-5 常用铸造碳钢的牌号、力学性能和主要用途牌号力学性能主要用途实物图片ss/MPasb/MPaZG200400200400良好的塑性、韧性和焊接性，用于制造机座、变速器箱体等 变速器箱体ZG230450230450有一定的强度和较好的塑性、韧性，良好的焊接性，切削性能尚可，用于制造砧座、轴承盖、外壳

14、、阀体、底板等轴承压盖ZG270500270500具有较高强度和较好的塑性，铸造性能、切削性能良好，焊接性较差，用途较广，用做轧钢机机架、连杆、箱体、缸体、曲轴等曲轴ZG310570310570强度和切削性能良好，塑性、韧性较差，用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等剪板机大齿轮ZG340640340640高的强度、硬度和耐磨性，切削性能中等，焊接性差，裂纹敏感性大，用做齿轮、棘轮棘轮任务二：工业常用合金钢和铸铁【学习目标】1、了解合金钢的分类、牌号、性能和应用；2、了解常用铸铁的分类、牌号、性能和应用。§2.2.1工业常用合金钢所谓合金钢就是在碳钢的基础上，为了改善钢的

15、性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。碳素钢种类繁多，生产比较简单，成本低廉。经过热处理后，可以在不改变化学成分的前提下使力学性能得到不同程度的改善和提高，在工农业生产中有着广泛的应用。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、回火稳定性、抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。为了满足科学技术和工业的发展要求，提高钢的性能，往往在铁碳合金中特意加入锰、铬、硅、镍、钨、钒、钼、钛、硼、铝、铜和稀土等合金元素，形成合金钢。由于合金元素与铁、碳以及合金元素之间的相互作用，改变了钢的内部组织结构，从而能提高和改善钢的性能。一、合金相关概念

16、1、 合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。2、合金元素在一般的合金化理论中，按与碳相互作用形成碳化物趋势的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、Co、Cu、N、B碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。加入的合金元素改变了钢的相变点和合金状态图，也改变了钢的组织结构和性能。钢的合金化的目的是利用合金元素与铁、

17、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。二、合金钢分类和牌号（一）合金钢的分类目前，可按照合金钢的主要用途、钢中全部合金总的质量分数来分类。1.按用途分类合金结构钢：用于制造机械零件和工程结构的钢。 合金工具钢：用于制造各种工具的钢。 特殊性能钢：具有某种特殊性能的钢（如不锈钢、耐热刚、耐磨钢）。2.按合金元素的总含量分类低合金钢：合金元素的总含量5%。中合金钢：合金元素的总含量5%10%.高合金钢：合金元素的总含量10%。（二）合金钢的编号我国合金钢的牌号采用含碳量、合金元素的种类及含量、质量级别来编号，简单明了，比较实用。合金钢的牌号：数字（含碳量）+元素符号（或

18、汉字）+数字表示。首部用数字标明碳质量分数，结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。高速钢平均含碳量小于1.0%时，其含碳量也不予以标出。 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字表明。例如40Cr，合金结构钢，平均含碳量为0.4%,主要合金元素为铬，其含量在1.5%以下。60Si2Mn，合金结构钢，平均含碳量0.60%，主要合金元素锰含量小于1.5%，平均含硅量为2%。9SiCr，合金工具钢，平均含碳量为0.90%，主要合金元素为

19、铬、硅，含量均小于1.5%。Cr12MoV，合金工具钢，平均含碳量大于等于1.0%，主要合金元素铬的平均含量为12%，钼和钒的含量均小于1.5%。2Cr13：特殊性能钢，含碳量为0.2%，平均含铬量为13%。 除此之外：还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注和上述也有所不同。例如滚动轴承钢前面标“G”，如Cr15SiMn表示含铬量为1.5%，硅、锰含量均小于1.5%的滚动轴承钢。 三、合金钢性能和应用（一）合金结构钢按用途的不同，合金结构钢可以分为低合金结构钢和机械制造用钢两类。机械制造用钢主要用于制造各种机械零件，通常是优质或

20、高级优质合金结构钢。按照用途和热处理特性机械制造用钢又可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。1、低合金结构钢低合金钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素（一般合金元素总量小于3%）的工程用钢。主要用于桥梁、建筑、船舶、车辆、压力容器等工程结构件，是一类可焊接的低碳、低合金工程结构钢。其中，低合金高强度结构钢是结合我国资源条件（主要加入锰）而发展起来的优良低合金钢之一。低合金结构钢具有较高的强度和韧性，良好的综合力学性能和耐蚀性等。低合金高强度结构钢牌号、力学性能及用途见表2-2-1。表2-2-1 低合金高强度结构钢牌号、力学性能及用途牌号力学性能用途ss/MPasb/MPad/%Q2

21、9523529539057023 适于制作各种容器、螺旋焊管、车辆冲压件、农机结构件、储油罐、输油管道等Q34527534547063021 适于制作各种容器、锅炉、建筑结构、车辆、桥梁、船舶、厂房结构、低温压力容器等结构件Q39033039049065019 适于制作船舶、压力容器、电站设备、桥梁、起重设备、较高负荷的焊接件等Q42036042052068018 适于制作高压容器、大型船舶、大型焊接结构等2、合金渗碳钢合金渗碳钢的含碳量在1.10%0.25%之间，可保证心部有足够的塑性和韧性；加入铬、镍、锰、硅、硼等合金元素以提高钢的淬透性，使零件在热处理后，表层和心部均得到强化；加入钒、钛

22、等合金元素，主要是为了防止在高温长时间渗碳过程中晶粒长大。合金渗碳钢是用来制造既有优良的耐磨性、耐疲劳性，又能承受冲击载荷的作用的零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮、内燃机中的凸轮和活塞销等。常用合金渗碳钢的牌号、力学性能及用途见表2-2-2。表2-2-2 常用合金渗碳钢的牌号、力学性能及用途牌号力学性能适用毛坯尺寸/用途sb/MPass/MPad/%y/%aK/J/2不小于20Cr83554010406015齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销20Mn2B980785104570齿轮、轴套、气阀挺杆、离合器20CrMnTi1080835104570汽车、拖拉机上变速齿轮、传动轴12CrNi3930685

23、115090重负荷下工作的齿轮、轴、凸轮轴18Cr2Ni4WA1175835104578大型齿轮和轴等20Cr2Ni411751080104580大型齿轮和轴，也可用作调制件3、合金调质钢合金调质钢是用于制造一些受力复杂的重要零件，它既要求有很高的强度，又要有很好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。调质钢的含碳量一般为0.25%0.50%，含碳量过，硬度不足。含碳量过高，则韧性不足。合金调制钢中主加元素是锰、硅、铬、镍、钼、硼、铝等，主要作用是提高钢的淬透性；钼能防止高温回火脆性；钨、钒、钛可细化晶粒；铝能加速渗氮过程。合金调制钢主要用来制造受力复杂的重要零件，如机床主轴、汽车半轴、柴油机

24、连杆螺旋等。常用调制钢的牌号、力学性能及用途见表2-2-3。表2-2-3 常用调制钢的牌号、力学性能及用途牌号力学性能用途sb/MPass/MPad/%y/%aK/J/2不小于40Cr98078594547（60）重要调制零件，如齿轮、轴、曲轴、连杆、螺栓35CrMo980835124563（80）代替40CrNi制造大断面齿轮与轴、汽轮发电机转子，480以下工作的紧固件38CrMoAlA980835145071（90） 高级渗氮钢，制造硬度大于900HV的渗氮件，如镗床镗杆、蜗杆、高压阀门40CrNiMoA980835123578（100） 受冲击载荷的高强度零件，如锻压机床的传动偏心轴、压

25、力机曲轴等大断面重要零件4、合金弹簧钢弹簧钢主要用于制造弹簧等弹性元件，例如，汽车、拖拉机、坦克、机车车辆的减振板簧和螺旋弹簧，钟表发条等。合金弹簧钢含碳量一般为0.45%0.7%。主加元素有锰、硅、铬、钒和钨等。加入硅、锰可提高钢的淬透性，同时也可提高钢的弹性极限。硅使弹性极限增强的效果很明显，但硅含量过高易使钢在加热时脱碳，锰元素的含量过高则钢易于过热。因此，重要用途的弹簧钢常加入铬、钒、钨等。不仅有效的提高钢的淬透性，不易过热，而且使钢具有更好的高温强度和韧性。常用弹簧钢的牌号、力学性能及用途如下表2-2-4。表2-2-4 常用弹簧钢的牌号、力学性能及用途牌号力学性能用途sb/MPass

26、/MPad/%y/%不小于65Mn1000800830用于直径小于12的各种弹簧，如弹簧发条、制动弹簧等60Si2M用于制造直径为2530的减振板簧与螺旋弹簧，工作温度低于23050CrVA130011501040用于制造直径为3050承受大应力的各种螺旋弹簧，也可用于大断面的及工作温度低于400的气阀弹簧、喷油嘴弹簧等60Si2CrVA19001700620 用于直径小于50的弹簧，工作温度低于250的、极重要的和重载荷下工作的板簧与螺旋弹簧5、滚动轴承钢 滚动轴承钢主要用来制造各种滚动轴承元件，如轴承内外圈、滚动体等。此外，还可以用来制造各种工具和耐磨零件。 滚动

27、轴承在工作时承受很高的交变应力，同时在滚动体和套圈之间还产生强烈的摩擦。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、足够的韧性和一定的耐蚀性。 高碳铬钢是应用比较广的轴承钢。其含碳量0.95%1.15%，含铬量0.40%1.65%。加入合金元素铬是为了提高淬透性，并在热处理后形成细小均匀分布的谈话物，以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。制造大型轴承时，为了进一步提高淬透性，还可以加入硅、锰等元素。目前应用最多的滚动轴承钢有：GCr15主要用于中小型轴承、冷冲模、量具、丝锥；GCr15SiMn主要用于较大的轴承。常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理及用途见表2-2-5。

28、表2-2-5 常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理及用途牌号化学成分/%热处理回火后硬度/HRC用途CCrSiMn淬火温度/淬火温度/GCr91.001.100.901.200.150.350.250.45810830水、油1501706264 直径小于20的滚珠、滚柱及滚针GCr9SiMn1.001.100.901.200.450.750.951.25810830水、油1501606264 壁厚小于12、外径小于250的套圈。直径为2550的钢球。直径小于22的滚子GCr150.951.051.401.650.150.350.250.45820846油1501606264 直径小于20的滚珠、

29、滚柱及滚针GCr15SiMn0.951.051.401.650.450.750.951.25820840油1501706264 壁厚小于等于12、外径大于250的套圈。直径大于50的钢球。直径大于22的滚子（二）合金工具钢主要用于制造各种加工和测量工具的钢称工具钢。按其加工用途分为刃具、量具和模具用钢，按成分不同也可分为碳素工具钢和合金工具钢。在碳素工具钢的基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的

30、工具。合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。1、合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、耐磨、高热硬性及足够的强度和韧性等。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两种。1）低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素形成的。钢中主要加入铬、锰、硅等元素，其目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。9SiCr是最常用的低合金刃具钢，被广泛用来制造形状复杂、变形小的低速切削刀具，如板牙、丝锥、铰刀等。2）高速钢用高速钢制作的刃具在

31、使用时，能以比低合金刃具钢刀具更高的切削速度进行切削，因而被称为高速钢。它的特点是热硬性高达600，切削时能长时间保持刃口锋利，故又称为“锋钢”，并且还具有高的强度、硬度和淬透性。淬火时在空气中冷却即可得马氏体组织，因此，又俗称为“风钢”、“白钢”。高速钢的含碳量较高，在0.751.60的范围内，高的含碳量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性。钼和钨提高热硬性，铬提高淬透性。高速钢具有高热硬性、高耐磨性和足够的强度，故常用于制造切削速度较高的刀具（如车刀、铣刀、钻头等）和形状复杂、载荷较大的成形刀具（如齿轮铣刀、拉刀等）。此外，高速钢

32、还可以用于制造冷挤压模及某些耐磨零件。2、合金模具钢模具是机械、仪表等工业部门中的主要加工工具。根据使用状态，模具钢可分为两大类：一类是用于热成形的热作模具钢，模具表面温度可达600以上；另一类是用于冷成形的冷作模具钢，工作温度不超过200300。1）热作模具钢热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。这类模具在工作中除承受较大的冲击载荷、很大的压力、弯曲力外，还受到炽热金属在模腔中流动所产生的强烈摩擦力，同时还受到反复的加热和冷却。因此，要求热作模具钢应具有高的热硬性和高温耐磨性，良好的综合力学性能，高的热疲劳强度和较好的抗氧化能力，同时还要求具有

33、高的淬透性、导热性。热作模具钢一般是中碳合金钢，含碳量为0.30.6，以保证钢具有高强度、高韧性、较高的硬度（3552HRC）和较高的热疲劳强度。加入的合金元素有锰、铬、镍、钨、钒等，主要是提高钢的淬透性、回火稳定性和热硬性、细化晶粒，同时还提高钢的强度和热疲劳强度。目前一般采用5CrNiMo和5CrMnMo钢制作热锻模，采用3Cr2W8V钢制作热挤压模和压铸模。 2）冷作模具钢冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。这些模具在工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击力和强烈的摩擦。因此，冷作模具钢的性能要求与刃具钢相似，要求具有高的硬度（5862HR

34、C）和耐磨性，足够的强度和韧性，同时要求热处理变形小。小型冷作模具可用碳素工具钢和低合金刃具钢来制造，如T10A,T12，9SiCr,CrWMn,9Mn2V等。大型冷作模具一般采用Cr12, Cr12MoV等高碳高铬钢制造。这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。3、合金量具钢 量具是用来测量和检验零件尺寸的工具，如千分尺、游标卡尺、量块、样板等。量具在使用过程中经常受到磨损和碰撞。因此，要求量具钢必须具备高硬度（6265HRC）、高耐磨性、高的尺寸稳定性及足够的强度和韧性，同时还要求热处理变形小等。 制造量具没有专用钢中，碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢均可用来制造量具。对于形状简单、尺寸较小、

35、精度要求不高的量具（如简单卡规、低精度量块等），可用碳素工具钢T10A、T12A制造；或用渗碳钢（20、15Cr等）制造，并经渗碳淬火处理；或用中碳钢（50、60钢等）制造，并经高频表面淬火处理。对于精度要求高或形状复杂的量具，一般用合金工具钢或滚动轴承钢（如9SiCr、Cr2、CrWMn、GCr15等）制造。（三）特殊性能钢具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊性能。这类钢种类很多，在机械制造业中常用的有耐热钢、不锈钢和耐磨钢等。1、耐热钢在高温下具有高的抗氧化性能和较高强度的钢称为耐热钢。耐热钢可分为抗氧化钢与热强钢两类。（1）抗氧化钢抗氧化钢是在高温下有较好的抗氧化能力且具有一定强度的钢。抗

36、氧化钢中加入的合金元素为铬、硅、铝等，它们在钢表面形成致密的、高熔点的、稳定的氧化膜，牢固地覆盖在钢的表面，使钢与高温氧化性气体隔绝，从而避免了钢的进一步氧化。这类钢主要用于制造长期在高温下工作但强度要求不高的零件，如各种加热炉的炉底板、渗碳处理用的渗碳箱等。常用的抗氧化钢有4Ci9Si2,1Cr13SiAl等。（2）热强钢热强钢是在高温下具有良好抗氧化能力且具有较高的高温强度的高强度的钢。为了提高钢的抗氧化能力和高温下的强度，常在钢中加入铬及钨、钼、钛、钒等合金元素。常用的热强钢有15CrMo, Cr18Ni10Mo ，4Cr14Ni14W2Mo等。15CrMo钢是典型的锅炉用钢，可以制造在

37、300500条件下长期工作的零件。4Cr14Ni14W2Mo钢可以制造600以下的工作的零件，如汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。2、不锈钢不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。常用的不锈钢根据其组织特点，可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢三种类型。根据合金的含量可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。不锈钢钢号的表示方法与低合金工具钢相同。（1）铁素体不锈钢常用的铁素Cr体不锈钢的含碳量低于0.15%，含铬量为1230%，属于铬不锈钢，典型钢号有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。由于含碳量相应地降低，含铬量有相应地提高，钢

38、从室温加热到高温（9601100），其显微组织始终是单相铁素体组织。其耐蚀性、塑性、焊接性均优于马氏体不锈钢。对于高铬铁素体不锈钢，其抗氧化性介质腐蚀的能力较强，随含铬量增加，耐蚀性又进一步提高。钢中加入钛，能细化晶粒，稳定碳和氮，改善的韧性和焊接性。具有良好的抗大气、海水、蒸汽等介质腐蚀的能力，用来制作在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件，如水压机阀门、化工设备、汽轮机叶片等。（2）马氏体不锈钢常用马氏体不锈钢的含量为0.10.45%，含铬量为1214%，也属于铬不锈钢，通常指Cr13型不锈钢。典型钢号有1Cr13，2Cr13和3Cr13等。这类钢一般用来制作即能承受载荷又需要耐蚀性的各种阀、

39、机泵、轴承、医疗器械以及一些不锈工具等。为了提高耐蚀性，马氏体不锈钢的含碳量都控制在很低的含量范围，一般不超过0.4%。含碳量越低，钢的耐蚀性就越好，含碳量越高，形成的铬的碳化物量就越多，其耐蚀性就变得越差一些，但含碳量越高，钢的强度和硬度却越高，所以不难看出4Cr13的强度、硬度指标优于1Cr13，但其耐蚀性却不如1Cr13。（3）奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢属于铬镍不锈钢，常用钢的牌号有0Cr19Ni9,1Cr18Ni9等，通称18-8型不锈钢。这类钢含碳量低，含镍量高，经热处理后，呈单相奥氏体组织，无磁性，其耐蚀性、塑性和韧性均较Cr13型不锈钢好。铬镍不锈钢主要用于制造强腐蚀介质（硝酸、

40、磷酸、有机酸及碱水溶液等）中工作的零件，如吸收塔壁、贮槽、管道及容器等。3、耐磨钢从广泛的意义上讲表面强化结构钢，工具钢和滚动轴承钢等具有高耐磨性的钢种都可称做耐磨钢，但这里所指的耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷或高压力的作用下发生表面硬化而具有高耐磨性的高锰钢，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。常用的高锰钢的牌号有ZGMn13 钢（ZG 是铸钢两字汉语拼音的字母）等，这种钢的含碳量为0.8%1.4%，保证钢的耐磨性和强度；含锰11%14%，锰是扩大奥氏体区的元素，它和碳配合，使钢在常温下呈现单相奥氏体组织， 因此高锰钢又称为奥氏体锰钢。【学后测评】1、 判断题（1）随着钢中含碳量

41、的增加，钢的强度和硬度提高，而韧性和耐蚀性则下降。（2）合金结构钢的牌号中，标明碳质量分数是以千分之一为单位的一位数字表示。 （3）大部分合金钢淬透性都比碳钢好。2、填空题（1）碳素钢是含碳量大于0.0218%而小于 的铁碳合金,简称 。（2）机械制造用钢主要用于 ，通常是优质或高级优质合金结构钢。按照用途和热处理特性机械制造用钢又可分为 、调质钢、弹簧钢、 。2、选择题(1) Q345(16Mn)是一种( )。A. 调质钢，可制造车床齿轮 B. 渗碳钢，可制造主轴C. 低合金结构钢，可制造桥梁 D. 弹簧钢，可制造弹簧(2) 40Cr 中Cr 的主要作用是( )。A. 提高耐蚀性 B. 提高

42、回火稳定性及固溶强化FC. 提高切削性 D. 提高淬透性及固溶强化F(3) GCr15 是一种滚动轴承钢，其( )。A. 碳含量为1%，铬含量为15% B. 碳含量为0.1%，铬含量为15%C. 碳含量为1%，铬含量为1.5% D. 碳含量为0.1%，铬含量为1.5%3、简答题(1) 合金钢中经常加入的合金元素有哪些？(2) 指出下列钢号的钢种、成分及主要用途。16Mn、20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、GCr15、9SiCr、W18Cr4V、1Cr18Ni9Ti、1Cr13、12CrMoV、5CrNiMo§2.2.2工业常用铸铁【知识链接】铸铁是人类使用最早的金属材料之一

43、。到目前为止，铸铁仍是一种广泛应用的金属材料。从整个工业生产中使用金属材料的数量来看，铸铁的使用量仅次于钢材。例如按重量统计，在机床中，铸铁件约占60%90%；在汽车、拖拉机中，铸铁件约占50%70%。因此，铸铁是国民经济中重要的基础材料。铸铁之所以获得广泛的应用，主要是由于它的生产成本低廉且具有优良的铸造性、可切削加工性、耐磨性和吸振性。另外，随着铸造技术的进步、球墨铸铁和蠕墨铸铁的研制成功以及对铸铁进行合金化和热处理等强化手段的采用，已经可以制取各种性能优异的铸造合金。所以，尽管有来自其他新材料的激烈竞争，但铸铁仍不失为最经济的适合于各种工程用途的材料。一、铸铁的分类和编号1.根据碳存在的

44、形式不同，铸铁可以分为下列几种：（1）灰口铸铁 碳全部或大部分以游离状态石墨的形式存在，断口呈灰黑色。（2）白口铸铁 少量碳溶于铁素体，其余的碳以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色。（3）麻口铸铁 碳以石墨和渗碳的混合形式存在，断口呈黑白相间的麻点。2.根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为下列几种：（1）普通灰铸铁 石墨呈片状。（2）蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状。（3）可断铸铁 石墨呈棉絮状。（4）球墨铸铁 石墨呈球状。二、常用铸铁、灰铸铁1）性能特点 通过对灰铸铁的组织的分析可以看出（图2-2-1），铸铁是在钢的基体上分布着一些片状石墨。由于石墨的强度和塑性几乎为零，因此石墨的存在就像在钢的基本体上

45、分布着许多细小的裂缝和空洞，破坏了金属基本体的连续性，减小了有效的承载面积，并且在石墨尖角处容易产生应力集中，所以灰铸铁的强度、塑性和韧性远不如钢。铸铁中的石墨数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对基体的割裂作用和应力集中现象就越严重，铸件的强度、塑性和韧性就越差，但石墨的存在对抗压强度和硬度影响不大。 (a) 铁素体基体灰铸铁 (b)珠光体一铁素体基体灰铸铁 (c)珠光体基体灰铸铁图2-2-1 灰铸铁的显微组织铁素体灰铸铁是在铁素体的基体上分布着多而粗大的石墨片，其强度、硬度差，很少应用.珠光体灰铸铁是在珠光体的基体上分布着均匀、细小的石墨片，其强度、硬度相对较高，常用于制造床身、机体等重要件

46、。珠光体铁素体灰铸铁是在珠光体和铁素体混合的基体上，分布着较为粗大的石墨片，此种铸铁的强度、硬度尽管比前者低，但仍可满足一般机体要求，其铸造性、减震性均佳，且便于熔炼，是应用最广的灰铸铁。2）牌号及用途灰铸铁的牌号由“灰铁”两字的汉语拼音字母字头“HT”及后面一组数字组成，数字表示最低抗拉强度。表2-2-6 灰铸铁的牌号、力学性能和用途牌号最小抗拉强度/MPa应用举例铁素体灰铸铁HT100100适用于负荷小，对摩擦、磨损无特殊要求的零件，如盖、油盘、支架、手轮铁素体珠光体灰铸铁HT150150适用于承受中等负荷的零件，如机床支柱、底座、刀架、齿轮箱、轴承座珠光体灰铸铁HT200200适用于承受

47、较大负荷的零件，如机床床身、立柱、汽车缸体、缸盖、轮毂、联轴器、油缸、齿轮、飞轮HT250250孕育铸铁HT300300适用于承受高负荷的重要零件，如齿轮、凸轮、大型发动机曲轴、缸体、缸套、缸盖、高压油缸、阀体、泵体HT350350、可锻铸铁可锻铸铁是由一定化学成分的铁液浇注成白口坯件，通过石墨化退火，使渗碳体分解而获得团絮状石墨的铸铁，俗称玛钢、马铁，又叫展性铸铁或韧性铸铁石墨呈团絮状，减轻了石墨对金属基体的割裂作用和应力集中，因而可锻铸铁相对于灰铸铁有较高的强度，塑性和韧性也有很大的提高。因其具有一定的塑性变形的能力，故得名可锻铸铁，实际上可锻铸铁并不能锻造。1） 组织与性能可锻铸铁的生产

48、过程包括两个步骤：首先铸造白口铸铁，然后进行长时间的石墨化退火。为了保证在一般的冷却条件下获得白口铸铁件，又要在退火时使渗碳体易分解，并呈团絮状石墨析出，就要严格控制铁水的化学成分。可锻铸铁的化学成分一般为：C2.2%2.8%，Si1.2%1.8%，Mn0.4%0.6%，P0.1%,S0.25%。与灰铸铁相比，碳和硅的含量要低一些，以保证铸件获得白口组织。但也不能太低，否则退火时难以石墨化，延长退火周期。根据白口铸铁件退火的工艺不同，可形成铁素体基本体的可锻铸铁和珠光体基本体的可锻铸铁，其显微组织图如下图2-2-2。铁素体基本体的可锻铸铁，因其断口心部呈灰黑色，表层呈灰白色，故又称为黑心可锻铸

49、铁。可锻铸铁的基本组织不同，其性能也不同，黑心可锻铸铁具有一定的强度和一定的塑性与韧性。而珠光体可锻铸铁则具有较高的强度、硬度和耐磨性，塑性与韧性则较低。 （a） 黑心可锻铸铁显微组织图 （b）珠光体基本体的可锻铸铁显微组织图图2-2-2 可锻铸铁的显微组织2） 牌号与用途我国可锻铸铁的牌号是由三个字母及两组数字组成。前两个字母“KT”是“可铁”两字的汉语拼音的第一个字母，第三个字母代表可锻铸铁的类别。后面两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值。如：KTH300-06表示黑心可锻铸铁，其最低抗拉强度为300MPa，最低伸长率为6%；KTZ450-06表示珠光体可锻铸铁，其最低抗拉强度为45

50、0MPa，最低伸长率为6%。铁水处理简单，质量稳定，容易组织流水生产，低温韧性好等优点，从而得到广泛使用。适于制作形状复杂的薄壁中小型零件和工作中受到振动而强度、韧性要求又较高的零件。黑心可锻铸铁用于冲击或震动和扭转载荷的零件，常用于制造汽车后桥、弹簧支架、低压阀门、管接头、工具扳手等。珠光体可锻铸铁常用来制造动力机械和农业机械的耐磨零件。下表2-2-7为我国黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁的牌号、力学性能和用途。表2-2-7 可锻铸铁的牌号、力学性能和用途。牌号sb/MPass/MPad/%硬度/HBS用途分类AB不小于黑心可锻铸铁KTH300-6-300-6不大于150 适于动载和静载且要求气

51、密性好的零件，如管道配件、中低压阀门-KTH330-08330-8 适于承受中等动载和静载的零件，如机床扳手、车轮壳、钢丝绳接头KTH350-10-35022010 适于承受较高的冲击、振动及扭转负荷下工作的零件，如汽车上的减速器壳、前后轮壳、转向节壳、制动器-KTH370-12370-12珠光体可锻铸铁KTZ450-06KTZ550-04KTZ650-02KTZ700-02-4505506507002703404305306422150200180230210260240290 适于承受较高载荷、耐磨损且要求有一定韧性重要零件，如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、活塞环、摇臂、扳手、球墨铸铁球墨铸铁

52、是20 世纪50 年代发展起来的优良的铸铁材料，是通过在浇注时向铁水中加入一定量的球化剂（稀土镁合金等）进行球化处理而得到的，球化剂可使石墨呈球状结晶。为防止铁液球化处理后出现白口，必须进行孕育处理，使石墨球数量增加，球径减小，形状圆整，分布均匀，显著改善了其力学性能。1）组织和性能球墨铸铁进行球化孕育处理的目的是通过向具有碳当量在共晶成分附近的球墨铸铁原铁液中加入一定数量的球化剂（如纯镁、镁合金、稀土硅铁镁合金）和孕育剂，引起强烈脱氧和去硫，促使石墨成为球状，并细化球状石墨和改善球状石墨的分布，因而可获得较高的强度和冲击韧度等。球墨铸铁的化学成分一般为：C3.6%3.9%,Si2.0%2.8

53、%,Mn0.6%0.8%,S0.07%,P0.1%.与灰铸铁相比，它的碳、硅含量较高，以有利于石墨球化。球墨铸铁按其基体组织不同，可分为铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁三种，其显微组织如下图（图2-2-3）。 图a铁素体球墨铸铁 图b铁素体-珠光体球墨铸铁 图c珠光体球墨铸铁图2-2-3 球磨铸铁的显微组织由于球墨铸铁中的石墨呈球状，其割裂基本体的作用及应力集中现象大为减小，可以充分发挥金属基本的性能。所以，它的强度和塑性已超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢。 2）牌号及用途球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字的汉语拼音的第一个字母“QT”及两组数字组成，两组数字分别代表其最低抗拉强度和伸长率。如QT400-18表示球墨铸铁，其最低抗拉强度为400MPa，最低伸长率为18%。球墨铸铁不