工程材料及成形工艺基础课件：第四章 常用金属材料

1、第一节 合金钢第二节 铸铁第三节 有色金属第四章 常用金属材料第一节 合金钢合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。 碳钢性能的优缺点： 价格低廉 C%的控制组织、性能优点：缺点： 淬透性差、回火稳定性差 不能满足特殊性能要求：耐蚀性、耐高低温一、对钢中基本相的影响1、溶于铁素体, 起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。对铁素体冲击韧性影响1合金元素在钢中的作用2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为： Ti、Zr(锆)、N

2、b（铌）、V、W、Mo（钼)、Cr、Mn、Fe。 Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。 W、Mo、Cr为中强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。钢中碳化物1、对奥氏体相区的影响 Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降，A4点上升。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。 锰对奥氏体相区的影响二、对Fe - Fe3C相图的影响 Cr、Mo、Si、Ti、W、Al

3、等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升，A4点下降。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.铬对奥氏体相区的影响2、对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E点和S点左移，碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）碳含量比较低的钢出现共晶组织（如W18Cr4V） 三、对钢的热处理的影响1、对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。 对奥氏体晶粒长大倾向的影响：碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。Mn、P促进长大。 2、对过冷奥氏体转变的影响对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高

4、。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。 对Ms、Mf点的影响：除Co、 Al外,所有元素都使Ms、Mf点下降。 淬火碳钢回火 时的 硬度变化3、对回火转变的影响 提高回火稳定性（耐回火性）淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。 二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。 防止第二类回火脆性加W、Mo可防止第二类回火脆性。高速钢一、钢的分类1、按合金元素

5、的总量分 低合金钢 合金元素总量 5%中合金钢 合金元素总量 510%高合金钢 合金元素总量 10%合金钢2 合金钢的分类及编号2、按用途分 工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆渗 碳 钢调 质 钢弹 簧 钢滚动轴承钢耐 磨 钢机器用钢结 构 钢刃具钢模具钢量具钢工 具 钢不锈钢耐热钢特 殊 性能 钢二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 221-2000）名称符号位置名称符号位置碳素结

6、构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1、低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两

7、位阿拉伯数字（C%）和化学元素符号，如16Mn。说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。2、合金结构钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。特例：*轴承钢 G+Cr+铬含量 GC

8、r15“G”表示“滚动轴承钢”铬含量以千分之一为单位 平均含铬量为1.5%。不标含碳量 C% 0.951.05%含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，数字表示平均含碳量的千分之几 9SiCr当含碳量大于1.00%时，不标含碳量 Cr12MoV特例：* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.80.9%C)3、合金工具钢4、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位低碳时，C%的标注珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMoC% 0.08% 以“0”表示，如0Cr18Ni9C% 0.03% 以“00”表

9、示，如00Cr19Ni13Mo31、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。2、成分特点 低碳：0.2%C 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。一、低合金高强度钢铜陵长江公路大桥3 低合金钢3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、使用状态下组织：F+P低合金高强钢合金元素细化晶粒作用 Mn 强化铁素体；增加珠光体的量 V、Ti、Nb 细化晶粒和弥散强化 Cu、P 提高耐蚀性； Re(铼) 提高韧性、疲劳极限， 降低冷脆转变温度。5、用途：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

10、V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.南京长江大桥4 合金结构钢对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.制造渗碳零件的钢种1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。一、渗碳钢渗碳炉渗碳件传动齿轮2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V 3、热处理特点

11、渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为 Ac1+30-50。 4、使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；5、常用钢号及用途低淬透性钢：20Cr柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性钢：20CrMnTi 用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。 增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮调质件（螺杆）调质后使用的钢种。1、性能要求 良好的综合力学性能 良好的淬透性二、调质钢2、成分特点 中碳：0.30.

12、5%C 合金元素作用： 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒: Ti、V 防止第二类回火脆性: W、Mo 调质件（冷却轮）破碎机主轴3、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。回火索氏体调质处理车间(表面淬火+低温回火)装配为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织.表面： M回；心部：S回4、常用钢号及用途低淬透性钢： 40Cr D0油60mm, 常用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。 制造弹簧或类似性能零件的钢种

13、1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。（1） 高的e ，s，s/b（2） 高的-1；（3）足够的韧性（4） 高的淬透性三、弹簧钢2、成分特点 中高碳：0.450.7%C e -1 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr提高s/b：Si 细化晶粒：V汽车弹簧弹簧丝3、热处理及组织特点 冷成型弹簧： 冷拔 冷成型定型处理(250300)用于10mm)汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大提高表面质量的方法: 防止表面脱碳； 避免表面缺陷； 进行喷丸处理，使表面产生压应力。 板簧喷丸处理示意图5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧

14、钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。 高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性.四、滚动轴承钢用于制造轴承套和滚动体的专用钢种1、性能要求接触应力(达30003500MPa)周期性交变载荷(频率达数万次/分)摩擦 圆柱滚子轴承自动调心球轴承2、成分特点 高碳：0.951.10%C 合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性推力球轴承滚针轴承 Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。 当1.65%Cr时, A% 硬度和稳定性下降。3 、热处理

15、和组织特点滚动轴承钢是过共析钢（1） 热处理： 球化退火+淬火+低温回火（2） 组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量)（3）尺寸稳定化处理：淬火后进行冷处理(-60 -80), 可以减少A、稳定尺寸. 4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等.在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢ZGMn131、成分特点 高碳：1.01.3%C 以保持高耐磨性。 高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体组织.五、耐磨钢高锰钢铸件高锰钢2、热处理及组织铸态组织为奥氏体+碳化物, 性能硬而脆.热处理采用水韧处理：将钢加热到1100，使碳化

16、物溶入奥氏体，并进行水淬。室温组织为过饱和单相奥氏体。高锰钢水韧处理组织浇铸高锰钢件3、使用及用途水韧处理后，韧性高，硬度低.使用时必须伴随着压力和冲击作用。 在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织,具有高耐冲击能力。颚式破碎机挖掘机高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等. 履带球磨机衬板挖掘机铲齿铁路辙岔破碎机牙板5 合金工具钢按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具用来制造各种切削刀具的钢种。一、刃具钢切削加工（一）性能要

17、求1、高硬度 (HRC60),主要取决于含碳量。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。切削加工的基本形式（1）成分特点： 碳： 高碳 0.91.1%C 合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐回火性：Si 提高耐磨性、细化晶粒: W、V （二）常用钢种 1、低合金工具钢： 碳素工具钢基础上+合金元素（35%）低合金工具钢制品（2）热处理及组织同碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。使用状态下的组织为： M回+颗粒状碳化物+A(少量) （3）常用钢号及用途应用最多的是9SiCr。用于制

18、造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等. 丝锥板牙低合金工具钢扳手（1）性能特点: 高热硬性(600)、高淬透性 （2）成分特点 C: 高碳 0.701.5%C 合金元素作用提高淬透性：Cr提高热硬性、耐磨性: W、Mo、V 2、 高速钢（俗称风钢） ：制造高速切削刃具用钢W18Cr4V钢的铸态组织(3)加工与热处理加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。 球化退火：降低硬度，便于切加工为淬火作组织准退火后组织： S+颗粒状碳化物 锻造：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中

19、。W18Cr4V钢的退火组织淬火: 获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200)淬火后组织： M+未溶碳化物(10%)+A (20%)W18Cr4V钢的淬火组织Fe77W18Cr4V1C相图 的碳化物，产生二次硬化。 碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火回火：主要为减少A、消除内应力、稳定组织。560三次回火回火时的组织变化： 析出W、Mo、V高速钢硬度与回火温度关系W18Cr4V钢热处理工艺示意图W18Cr4V钢淬火、回火后的组织（4）使用状态下组织 M回+颗粒状碳化物+A（少量）不同状态下W18Cr4V的组织铸态淬火回火态

20、淬火态退火态（5）常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。车刀铣刀高速钢铣刀汽车冲压模具用以制造冷热模具的钢种. 冷作模具钢制造金属冷成型模具钢种.1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。 良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）二、模具钢2、常用钢种 小尺寸、形状简单、受力不大的模具, 可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。 截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造. 成分特点：高碳(1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr) 合金元素作用： Cr 提高淬透性； Mo、V 提高

21、耐磨性，细化晶粒。 Cr12钢冷冲压件 加工及热处理：Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火, 目的同高速钢. 常用钢号为Cr12和Cr12MoV 用于制造冷冲模、挤压模等。最终热处理: 淬火+低温回火使用状态下的组织: M回+颗粒状碳化物+A(少量)汽车外板冷冲模 热作模具钢制造使加热金属或液态金属成型模具钢种.1、性能要求 高温下良好的综合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性。曲轴模具热模锻曲轴毛坯热镦模凸缘模2、常用钢种 热锻模钢 5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模.成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。使用状态下的组织: S

22、回 压铸模钢典型钢号是3Cr2W8V, 为过共析钢.中碳(0.30.4%C), 合金元素作用同高速钢。 W、Cr提高抗热疲劳性能.淬火+回火后组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量)型板压铸模压铸工艺汽车四缸压铸模制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。三、量具钢卡尺塞规千分尺1、性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。 高硬度和耐磨性。 高的尺寸稳定性。 足够的韧性。渐开线花键环规、塞规矩形花键环规、塞规光面量规2、量具用钢 低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火。 碳素工具钢、低合金工具钢两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。 滚动轴承钢、冷作模具钢，用于制造精密量具。 不

23、锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。 量块電子卡尺3、量具钢的热处理特点 淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。 下限温度淬火及冷处理。目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。量规化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。一、不锈钢在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 金属的腐蚀金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。 5 不锈钢与耐热钢 不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。ZnZnZn-

24、Cu原电池示意图珠光体腐蚀示意图电解液 不锈钢中合金元素的作用1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。 提高基体电极电位(n/8规律)3、Ni：获得单相奥氏体组织。 4、Mo：耐有机酸腐蚀。5、Ti, Nb: 防止奥氏体钢晶间腐蚀.晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大.它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。加 Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物, 避免晶界贫Cr。 奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出晶间腐蚀晶间腐蚀破坏

25、304不锈钢消火栓齿轮架 常用不锈钢1、马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr134Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降. 1Cr13、2Cr13热处理: 淬火+高温回火使用状态下的组织: S回不锈钢棒1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等.汽轮机叶片透平转轮 3Cr13、4Cr13热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。具有较高强度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。医疗器械不锈钢刀1Cr17削片刀铁素体不锈钢水加热器2、铁素体不锈钢典型钢号如0Cr13、1Cr17等。 成分：高

26、铬低碳 无相变，不能进行热处理强化。 组织：单相铁素体钢中相 性能特点耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向： 475脆化：加热到450550停留，产生脆化. 再加热到600快冷可消除。 相脆化： 在600 800长期加热时，析出硬而脆的相。 用途广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。合成氨厂硝酸生产装置铁素体不锈钢制品3、奥氏体不锈钢主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。 性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性。高的塑韧性,无磁性。 热处理：固溶处理(即加热到1100使碳化物溶解后水冷。)组织为单相奥氏体。不锈钢带 常用钢种1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti广泛用于化工设备及

27、管道.反应釜(316L)大型化工储罐(304)热交换器(316L) 应力腐蚀奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含Cl的介质中发生，裂纹为树枝状。 发生应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内壁应力腐蚀裂纹 性能要求1、高的抗氧化性：指钢在高温下对氧化作用的抗力。钢中加入Cr、Si、Al可形成致密稳定的氧化膜，阻碍氧进一步扩散，提高抗氧化性。二、耐热钢气轮机叶片飞机发动机过热器2、高的热强性热强性是指金属在高温下的强度.指标为蠕变强度和持久强度。蠕变指金属在高温低于s的应力下所发生的极其缓慢的塑性变形.提高高温强度的途径: 固溶强化； 析出强化；

28、晶界强化(加入B、Zr等降低晶界能量)高温合金中的析出相高温合金中的弯曲晶界裂纹中止于晶界颗粒状析出物涡轮机机壳钢制法兰 常用耐热钢1、珠光体耐热钢常用钢号为15CrMo、12Cr1MoV，是低合金钢。 合金元素作用： Cr提高抗氧化性；Mo提高热强性(T再);V弥散强化。 热处理： 正火+高温回火 组织: F+P 用途：600以下的锅炉零件,压力容器，热交换器等。 烟管式锅炉锅炉管2、马氏体耐热钢常用钢号为1Cr13、 1Cr11MoV、4Cr9Si2 合金元素作用：Cr、Si提高抗氧化性; Mo提高热强性(T再);V弥散强化。 热处理：调质。 组织： S回。汽轮机叶片 用途：1Cr13、1

29、Cr11MoV用于550以下汽轮机叶片；4Cr9Si2是汽车阀门用钢。汽车阀门锅炉安全泄压阀(2Cr13)过热器管排过热器集箱3、奥氏体耐热钢最典型钢号是1Cr18Ni9Ti。Cr的作用是提高抗氧化性； Ni的作用是获得单相奥氏体;Ti的作用是弥散强化。热处理采用固溶处理组织为单相A。主要用于过热器管道等。 第二节 铸铁铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。 例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造.铸铁曲轴内燃机汽缸一、铸铁的石墨化过程1、Fe-Fe

30、3C 和 Fe-G (石墨)双重相图Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解： Fe3C3Fe+G（石墨）共晶白口铸铁F基体球墨铸铁1 概述石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C2、铸铁的石墨化过程铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。台车式石墨化退火炉石墨化分两个阶段：(1)在PSK线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。包括结晶时一次石墨、二次

31、石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解.P(2)在PSK线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。P铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例） 石墨化进行程度 铸铁的显微组织 铸铁类型 第一阶段石墨化 第二阶段石墨化 完全进行完全进行F+G灰口铸铁部分进行F+P+G未进行P+G部分进行未进行Ld+P+G麻口铸铁未进行未进行Ld白口铸铁3、影响石墨化的因素 化学成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。碳、硅含

32、量过高,会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能. 2.54.0%C 1.03.0%SiAl、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。 铸铁中的磷共晶P虽然可促进石墨化,但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高 (达0.3%以上)。 冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe - G相图进行，因而促进石墨化。WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 快冷时由于过冷度大，结晶将按 Fe-Fe3C相图进行, 不利于石墨化.二、铸铁的特点及分类1、铸铁的组织特点

33、钢的基体+G（石墨） F+GF+P+GP+G 耐磨性能好。石墨本身有润滑作用。 消振性能好。石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。 成分接近于共晶 切削性能好。 石墨使车屑容易脆断， 不粘刀。2、铸铁的性能特点 力学性能低。石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较3、铸铁的分类与牌号表示方法 铸铁名称 石墨形态 基体组织 编 号 方 法 牌号实例 灰 铸 铁 片状FHT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。 HT100F+PHT150PHT200 可 锻铸铁 团絮状FKTH + 两组数字KTB + 两组数字KT

34、Z + 两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，% 铸铁的分类与牌号表示方法（续）铸铁名称 石墨形态 基体组织 编 号 方 法 牌号实例 球 墨 铸 铁 球状FQT + 两组数字 第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%。 “QT”表示 球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕 墨铸 铁 蠕虫状FRuT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值, MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号 RuT2

35、60F+PRuT300PRuT420铸铁的分类工业铸铁的成分范围与组织工业铸铁的成分范围温度快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷缓冷快冷白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨化退火中速冷却缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce2 常用铸铁一、灰口铸铁灰口铸铁是指石墨呈片状分布的铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。1、组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。灰铸铁齿轮箱灰铸铁 的显微组织 铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌2、孕育处理细化片状石

36、墨常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。 孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙3、热处理热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁强度只有碳钢的3050%，热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有： 消除内应力退火(又称人工时效) 消除白口组织退火 表面淬火 灰铸铁件汽缸套活塞环4、用途制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 二、可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口 铸铁，是由白口铸铁 经石墨化退火获得的。1、组织： 基体(F、P)团絮状G2、性能：强度为碳钢

37、的4070%，接近于铸钢。 名为可锻，实不可锻 可锻铸铁的显微组织 黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火3、用途用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。可锻铸铁管件三、 球墨铸铁石墨呈球形1、组织：基体（F、F+P、P）+ 球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的球化剂为镁、稀土和稀土镁。硅铁硅钙稀土镁为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。 常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。球墨铸铁的显微组织 铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球 2、性能与热处理强度是碳钢的7090%。球墨铸

38、铁的突出特点是屈强比(0.2 /b)高, 约为0.70.8, 而钢一般只有0.30.5。 球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。 球墨铸铁的热处理特点是： 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; 淬透性比碳钢高; 奥氏体中碳含量可控。制品(轧辊与辊环)组织贝氏体基球墨铸铁3、用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴四、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁.蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的.蠕化剂为稀土硅铁镁合金、 稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。蠕墨铸铁的组织： 基体（F、F+P、P）

39、+ 蠕虫状G 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体铁素体基体蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁灰铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。 玻璃模具制动鼓五、特殊性能铸铁1、耐磨铸铁 干摩擦 湿摩擦（有润滑情况）高硬度、耐磨性软基体+硬质点P灰口铸铁+Cr、Mo、W、Cu、Ti、V白口铁强度、韧性、耐磨性2、耐热铸铁（RT）3、耐蚀铸铁 +Cr、Al、Si常用

40、：Si 系 、Al-Si系+Cr、Al、Si第三节 有色金属及其合金 在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。 有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料.材料占汽车净重比AlFe塑料其它橡胶磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比铝锭1 铝及铝合金 一、铝及铝合金性能特点 1、纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72g/cm3 )，熔点低(660.4), 导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形 。具有面心

41、立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼2、铝合金铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。 铝合金型材铝铸件铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.铝合金分类示意图二、铝合金的分类（铝合金一般具有有限固溶型共晶相图）三、铝合金的热处理 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。 可热处理强化变形铝合金 固溶 + 时效处理固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。加热固溶

42、淬火过饱和时效析出在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。含4%Cu铝合金的时效曲线 时效时间/d四、铝合金的牌号、性能及用途 1、变形铝合金 变形铝及铝合金牌号表示方法 根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC

43、+序号 锻铝合金： LD +序号铝合金波纹管铝合金制品铝是可以回收利用的金属 常用变形铝合金 防锈铝合金Al-Mn和Al-Mg系合金Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用卫星天线（LF2）防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 汽化器(热交换管为LF21)常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯 铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空

44、工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。 硬铝合金Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等. 飞机翼梁(腹板为硬铝合金)CuAl2(相)Al2CuMg(S相)Mg2Si(相) 超硬铝合金Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn时效强化效果超过硬铝合金热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件,

45、 如飞机大梁、起落架等.飞机主起落架 锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.压气机叶片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼2、铸造铝合金 包括：Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系： 代号为ZL

46、4+两位数字顺序号 Al-Si系铸造铝合金 （硅铝明） ZL102 Al-Si Si %12% 简单硅铝明57712.7%在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。变质处理(钠盐变质剂) 细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。未变质处理 经变质处理 ZL102的铸态组织加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。 活塞(裙部为铝硅合金)用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。 Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较

47、高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。汽缸头常用代号：ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。 Al-Mg系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。常用代号：ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等.主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。鼓风机密封件等(ZL102、301) Al-Zn系铸造铝合金这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。大型空压机

48、活塞(ZL401)常用代号：ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。2 铜及铜合金 一、铜及铜合金性能特点纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性，塑性好。 热轧铜合金铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性.铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。铜管铜与黄铜带二、黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜按工艺可分为加工

49、黄铜和铸造黄铜。黄铜铸件黄铜棒1、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为：H (黄) + 表示铜平均百分含量的数字，如H68从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+ 两种组织,分别称单相黄铜和两相黄铜。 普通黄铜的显微组织 单相黄铜 两相黄铜 单相黄铜塑性好常用牌号：H80、H70、 H68 适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好, 强度高常用牌号：H59、H62适于制造受力件，如”:垫圈、弹簧、导管、散热器等。冷凝器管汽车机油泵衬套2、特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。 加工特殊黄铜的牌号为：H(黄)

50、+主加元素符号(Zn除外)+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量, 如HPb59-1. 特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。 黄铜制品黄铜棒常用牌号：HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。 三、青铜除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如：QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 青铜制品1、锡青铜是以锡为主

51、加元素的铜合金，锡含量一般为314%。 锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。 锡青铜锭Cu-Sn相图常用牌号：QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。 锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)2、铝青铜以铝为主加元素的铜合金，铝含量为511%。强度、硬度、耐大型水力发电设备中的抗磨环 磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 常用牌号：QAl5、QA

52、l7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。3、铍青铜以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.铍青铜制品常用牌号：QBe2、QBe1.7、QBe1.9等 。用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。 普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。常用牌号有B5、B19等 。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等. 白铜件四、白铜以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。常用牌号：BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。用于制造精密机械、仪表零件及 医疗器械等。康铜热偶白铜型材3 钛及钛合金 一、工业纯钛 纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti, 由体心立方-