常用金属材料及其性能概述

第五章常用金属材料及性能第五章常用金属材料及性能重点：⒈学习钢材编号、钢的牌号、性能、用途、热处理工艺及选用依据；⒉常用工业用钢（结构钢、合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、工具钢、滚动轴承钢、特殊钢）。组织、性能用途及选用；⒊铸铁的石墨化、常用铸铁的牌号、组织与性能；5.1工业用钢分类与牌号工业用钢：碳素钢(简称碳钢)和合金钢。碳钢：C%＜2.11％的铁碳合金。碳钢优点：价低、易获得、易加工、好的力学性能，应用极广泛。碳钢缺点：淬透性低、强度和屈强比低、回火稳定性差、不能满足如耐热性、耐磨性、耐蚀性等特殊性能的要求；合金钢：为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢中特意加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。5.1工业用钢分类与牌号5.1.1我国现行钢分类与牌号的特点1积极推行国际标准2注重实用我国钢号的命名采用化学元素符号、汉语拼音、阿拉伯数字相结合5.1.2钢的分类分类方法化学成分、主要质量等级、主要性能及用途1钢分类简介按化学成分分类：非合金钢、低合金钢、合金钢按主要质量等级、主要性能及使用特性分类：2目前常用的钢分类方法：1)按钢中含碳量wc高低分：低碳钢：wc≤0.25%中碳钢：0.25%﹤Wc﹤0.60%高碳钢：wc≥0.60%2)按冶金特点分普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢5.1.2钢的分类5.1.2钢的分类3)按钢的用途、成分、性能和热处理特点分①用途②．按化学成分分类碳素钢：低碳钢(C﹪≤0.25﹪)、中碳钢（0.25﹪＜C﹪≤0.6﹪）、高碳钢(C﹪＞0.6﹪)。合金钢：低合金钢(Me总量＜5％〕、中合金钢(Me总量＝5％～10％)、高合金钢(Me总量＞10％)。根据所含主要Me种类，锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰鈦钢等。

③．按质量分类（按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类）普通钢（S﹪≤0.055％、P﹪≤0.045％）；优质钢(S﹪≤0.040％、P﹪≤0.040％)；高级优质钢(S﹪≤0.030％、P﹪≤0.035％)④．按冶炼方法分类可按炉别分为平炉钢、转炉纲、电炉钢。按脱氧程度可分为沸腾纲（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧完全）、半镇静钢⑤．按金相组织分类按退火组织：分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。按正火、淬火组织：分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢。5.1.3钢的牌号GB221-1997，钢号由三大部分构成

化学元素符号---表示钢中所含化学元素种类汉语拼音字母---表示产品名称、用途、冶炼方法等，表5.1阿拉伯数字---钢中主要化学元素含量或产品主要性能参数或代号参看表5.25.2结构钢结构钢是各种工程构件和机器零件用钢。结构钢根据化学成分、力学性能和冶金质量特点，分为：碳素结构钢低合金高强度钢优质碳素结构钢合金结构钢5.2.1碳素结构钢主要用于制造各种金属结构和要求不很高的机器零件，是目前产量最大、使用最多的一类钢。Q235：Q---屈服强度235---235MPa此类钢的力学性能随钢材厚度或直径的增大而降低。5.2.2低合金高强度钢用于桥梁、车辆、锅炉、输油输气管道、农机等大型重要钢结构。性能要求：1)高强度及足够韧性2)良好的焊接性能和冷成形性能3)良好的耐蚀性(大气、海水、土壤等)在碳素结构钢的基础上加入少量(一般合金总量低于5%)合金元素而形成。特点：强度较高，塑性好，加工工艺性能良好。能减轻重量，节约钢材，降低成本加入的主要合金元素：

Mn、Si、Cr、Ni固溶强化

V、Ti、Nb形成碳化物，弥散/细晶强化供货状态：热轧或控制轧制状态注意：其强度、塑性与钢材尺寸有关Q345(新牌号)5.2.3优质碳素结构钢Ws≤0.035%，Wp≤0.035%用于制造各种比较重要的机器零件和弹簧。力学性能主要取决于碳的质量分数及热处理状态例：08钢---Wc为0.05%～0.12%钢种和用途

08～25低碳钢具有良好的塑、韧性，良好的冲压及焊接性能，用于制造冲压零件(如汽车、拖拉机油箱、仪表盘、机器罩等)，焊接件(容器、端盖等)及对强度要求不高的机器零件(凸轮、小齿轮等)30～55中碳钢经调质处理后用(调质钢)，主要用于制造受力较大的机器零件，如轴、齿轮、连杆等60及以上高碳钢主要用于制造较高强度、耐磨性及弹性的零件，如弹簧、工具等。热处理：优质碳素结构钢使用前一般都要进行热处理。性能：

含碳量增加→强度增加，塑性、冲击韧性降低。

5.2.4合金结构钢在优质碳素结构钢的基础上，加入合金元素形成分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢性能特点：具有较高的强度、韧性、较高的淬透性，整个截面得到均匀良好的综合机械性能。1)合金渗碳钢---经渗碳、淬火和低温回火后使用的结构钢，基本上都是低碳钢和低碳合金钢主要用于制造高耐磨性、高疲劳强度和要求具有较高心部韧性的零件，如变速齿轮及凸轮轴等20Cr---5.2.4合金结构钢1)合金渗碳钢按其淬透性可分为三类①低淬透性渗碳钢：水淬临界淬透直径为20～35㎜。典型钢种20Mn2、20Cr、20MnV等。②中淬透性渗碳钢：油淬直径约为25～60㎜。典型钢种20CrMnTi、12CrNi3等，用于制造尺寸较大、承受中等载荷、耐磨零件，如汽车中齿轮。③高淬透性渗碳钢：油淬直径约100㎜以上，典型钢种有12CrNi14、20CrNi4、18Cr2Ni4WA等，承受重载与强烈磨损的极为重要的大型零件。2)合金调质钢组织及性能：由调质得回火索氏体；良好的综合力学性能。用途：承受较大疲劳应力的重要零件如齿轮、连杆、高强螺栓等。在中碳调质钢基础上发展起来的，C%：0.25%～0.5主加元素：Mn、Si、Cr、Ni、B---提高钢的淬透性，并产生固溶强化；辅加元素：Ti、V、W、Mo---形成高稳定性碳化物，阻止淬火加热时奥氏体晶粒的长大，起细晶强韧化作用。W、Mo还可防止产生高温回火脆性。合金调质钢热处理特点最终热处理：调质（淬火+高温回火工艺路线：40Cr，下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工→装配。退火（预备热处理）目的：改善锻造组织、消除缺陷、细化晶粒；调整硬度，便于切割加工；为淬火做好组织准备。调质工艺：油淬得到马氏体组织，然后在525℃回火。最终使用状态下的组织为回火索氏体。合金调质钢常用钢种及用途①低淬透性调质钢：典型钢种40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件。②中淬透性调质钢典型牌号40CrNi等，用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。③高淬透性调质钢典型牌号有40CrNiMoA钢,用于制造大截面重载荷的重要零件，如汽轮机主铀、叶轮、航空发动机轴等。3)合金弹簧钢主要用于制造弹簧而得名，要求：高的弹性极限、高的疲劳强度和足够的塑性与韧性。一般为高碳钢、中碳合金钢和高碳合金钢C%：0.45%～0.7%例：60、70、85钢性能①高的弹性极限和高的屈强比②高的疲劳极限：因弹簧一般在交变载荷下工作。③足够的塑性和韧性，以免受冲击时发生脆断。④较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型等。3)合金弹簧钢热处理：按弹簧的加工工艺艺不同，可分为冷成型弹簧和热成型弹簧两种①热成型弹簧（热轧钢丝（＞10～15㎜））热轧→淬火＋中温(450～550℃)回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性。②冷成型弹簧（直径＜8～10㎜）冷成型后不再淬火，只进行消除应力的低温(200～300℃)退火，并使弹簧定形。5.2.5其他结构钢1)

易切削钢含较多的S、P、Pb、Ca等，硫化物和铅微粒→易切削常用于制造受力较小、强度要求不高，但要求尺寸精度高、表面粗糙度低且进行大批量生产的零件，如螺栓等2)

铸钢冶炼后直接铸造成形而不需锻轧成形的钢种。按化学成分碳素铸钢合金铸钢铸钢的牌号、力学性能及用途见表5.9常用于制造结构件，如机座、箱体等，通常不进行热处理。铸钢与铸铁相比，强度、塑性、韧性较高，但流动性差、收缩性大、熔点高，所以铸造性较差，只用于制造形状复杂，并需要一定强韧性的零件。3)

超高强度钢在合金结构钢的基础上，通过严格控制材料冶金质量、化学成分和热处理工艺而发展起来的，以强度为首要要求并辅以适当韧性的钢种。屈服强度超过1380Mpa或抗拉强度超过1500Mpa主要用于制造飞机起落架、机翼大梁、火箭、发动机壳体和武器等按化学成分和强韧化机制不同，可分为四类，见表5.104)

非调质钢是非常有利于再生循环的新型结构钢，可实现制造过程的大量节能。5)

冷冲压用钢适用于冷冲压工艺的钢材要求，有优良的冲压成形性能—低的屈服强度和屈强比，高的塑性、形变强化能力及低的时效性等6)

低温钢指用于工作温度低于0℃(也有认为-40℃)的零件的钢种性能要求：冷脆转变温度低低温韧性好良好的可焊性良好的冷塑性成形性。广泛用于化工、冷冻设备、液体燃料的制备与储运装置、海洋工程与极地机械设施等。常用低温钢见表5.115.3滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢主要用于制造各类滚动轴承的内圈、外圈以及滚动体的专用钢，GCr15应具有高的抗压强度的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，同时应具有一定的韧性和抗腐蚀性。成分特点高碳（0.95％～1.15％）保证高硬度、高耐磨性和高强度铬为基本合金元素（Cr≈0.4％～1.65％）提高淬透性、耐磨性、接触疲劳强度。加人Si、Mn进一步提高淬透性。5.3.1滚动轴承钢5.3.2工具钢用于制造各种工具的钢。按用途分为：刃具钢模具钢量具钢1)

刃具钢制造各种切削工具的钢。应具有高硬度、高耐磨性、高的热硬性，并具有一定的强度和韧性，通常为高碳钢和高碳合金钢常用刃具钢:碳素工具钢(表5.13)合金工具钢(表5.14)高速钢1)

刃具钢碳素工具钢(表5.13)含碳量：0.65％～1.35％的高碳钢。①机械性能：随碳含量增加，使钢耐磨性增加，而韧性下降。②热处理特点预备热处理：球化退火；降硬度、改善切削加工．为淬火做组织准备。最终热处理：淬火+低温回火。回火M＋粒状渗碳体＋残余奥氏体。③用途：碳素工具钢T7、T8：承受冲击负荷的工具，如凿子、锤子、冲头T9～T11：中等韧性的工具，如小冲模，手工锯条T12、T13：不承受冲击负荷的量具，锉刀高级优质碳素工具钢（T7A～T13A）形状较为复杂的工具。

1)

刃具钢合金工具钢(表5.14)①成分特点：高碳（0.9～1.1％）。加入Cr、Mn、Si提高钢的淬透性、加入W、V提高硬度和耐磨性。②热处理：预备热处理：锻造后进行球化退火。最终热处理：淬火+低温回火，组织：回火M＋粒状Cem＋少量A残余与碳素工具钢相比较，淬透性提高，变形和开裂倾向小。③常用钢种及用途比碳素工具钢：较高的淬透性，一定的热硬性（250℃）。可制造截面较大，较复杂的刃具，如车刀、绞刀、刨刀等。典型钢种：9SiCr钢：1)

刃具钢高速钢：(W16Cr4V)具有很高的热硬性，在高速切削的刃部温度达600℃时，硬度无明显下降。

①成分特点高碳（0.70％～1.5％，）、加人铬提高淬透性（Cr4％）、加入钨、钼提高热硬性、加入钒提高耐磨性②热处理高温淬火（1170～1300℃）＋三次高温回火（560℃）回火后的组织：回火M+少量A残余+Cem。2)

模具钢指主要用于制造各种模具(如冷冲模、冷挤压模、热锻模等)的钢根据用途分冷作模具钢热作模具钢成形模具钢3)

量具钢指用于制造各种测量工具(如卡尺、千分尺等)的钢要求：高硬度高耐磨性高的尺寸稳定性5.3.3不锈钢和耐热钢1不锈钢指在自然环境或一定工业介质中耐腐蚀的钢种，是典型的耐蚀合金。是在碳钢的基础上加入Cr、Ni、Si、Mo、Ti、Nb、Al、N、Mn、Cu等形成的。按正火后组织的不同，分为马氏体型铁素体型奥氏体型奥氏体-铁素体型沉淀硬化型2耐热钢指用于制造在高温条件下使用的零件或构件的钢。应具有良好的抗氧化能力和高温强度。按使用特性分为抗氧化钢热强钢按组织不同分为铁素体类耐热钢奥氏体类耐热钢5.4铸铁铸铁是碳的质量分数大于2.11%，并含有较多的Si、Mn及杂质S、P的多元铁碳合金。与碳钢相比：力学性能通常较低，特别是塑性、韧性较差但具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切削加工性能成本低廉因此在工业生产中得到广泛的应用。5.4.1铸铁的主要类型铁碳合金中碳的存在形式：亚稳定的化合态(如Fe3C)和稳定的游离态(石墨)。亚稳定化合态的Fe3C可以转变为稳定的石墨游离态或在较慢冷却条件下，碳原子充分扩散，直接从铁水或奥氏体中析出石墨---石墨化铸铁分类：1白口铸铁碳主要以Fe3C等碳化物形式存在的铸铁。组织中有共晶莱氏体存在，组织粗大、很脆，断口呈白亮色。硬度很高，因而难以进行切削加工，仅用于部分要求耐磨等场合的产品。2灰铸铁碳全部或大部分以片状石墨形式存在的铸铁。价格低廉，铸造性能及切削加工性能好，应用非常广泛。3可锻铸铁碳全部或大部分以团絮状石墨形式存在的铸铁。与灰铸铁相比，具有较高的塑性和韧性可锻铸铁不能锻造。4球墨铸铁碳全部或大部分以球状石墨形式存在的铸铁。力学性能好，在一定条件下可代替钢来制造重要零件。5蠕墨铸铁碳全部或大部分以蠕虫状石墨形式存在的铸铁。5.4.2各类铸铁的特点1共性特点1)

成分特点高碳、高硅S、P质量分数限制较宽---成本低廉、可在机械厂熔炼的重要原因之一2)

组织特点基体组织除石墨外，还有F、F+P、P、M、B等类型，与钢组织类型相同，因此通常将铸铁组织看成是在钢基体上分布着一定数量、形态、大小的石墨。3)

性能特点力学性能主要取决于基体组织类型和石墨的形状、数量、大小和分布。铸铁中石墨的存在可视为孔洞和裂纹，割裂了基体，减小了铸件的有效承载面积，并引起应力集中，导致铸铁的抗拉强度、塑性、韧性通常较低。受压时裂纹不易扩展，因此铸铁的抗压强度高。切削加工时具有良好的断屑性能；石墨具有自润滑性能，可提高铸铁的耐磨性；石墨的存在使铸铁具有良好的减震性和较小的缺口敏感性。2各类铸铁的特点1)

灰铸铁组织特点：在钢基体(F、F+P、P)上分布着一些片状石墨。应力集中大，抗拉强度、塑性、韧性均较差变质处理(孕育处理)---加入一定量的硅铁、硅钙合金作非自发核心而形成的铸铁，石墨片得以细化，并改善石墨片的分布，从而提高铸铁性能。HT+最小抗拉强度值(强度牌号)或HT+布氏硬度值(硬度牌号)主要用于制造承压件或受力较小、不太重要的零件。表5.152)

可锻铸铁用一定成分的铁水浇铸成白口铸铁(白口铸铁是指完全按照Fe-Fe3C相图结晶而得到的铸铁)，再经石墨化退火使其中的渗碳体全部或大部分分解，形成团絮状石墨的一种铸铁。组织特点：在钢基体(F、P)上分布着一些团絮状石墨。应力集中较小，比具有相同组织的灰口铸铁具有较高的强度和塑性。KTZ、KTH比铸钢铸造性能好，比灰口铸铁强韧，比球墨铸铁成本低，质量稳定，常用于制造形状复杂、承受一定冲击的薄壁件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门、钢管脚手架接头等。表5.163)

球墨铸铁在一定成分的铁水中加入少量球化剂和变质剂后，获得的在钢基体上分布着球状石墨的铸铁。组织特点：在钢基体上分布着球状石墨的铸铁。应力集中小，比具有相同组织的灰口铸铁和可锻铸铁具有更高的强度和塑性。QT+最小抗拉强度+-最小断后伸长率制造一些受力复杂，对强度、韧性和耐磨性要求高的零件，如柴油机中的曲轴、连杆以及凸轮轴、齿轮等。但塑性、焊接性比钢差。表5.174)

蠕墨铸铁在一定成分的铁水中加入一定量的蠕化剂及少量孕育剂形成的石墨形态呈蠕虫状的一类铸铁。组织特点：钢基体上分布着蠕虫状的石墨。引起的应力集中程度介于片状石墨和球状石墨之间，性能优于灰口铸铁。导热性、铸造性、减震性、切削加工性均优于球墨铸铁，是一种具有良好综合性能的铸铁。RuT+最小抗拉强度用于制造一些形状复杂、承受热循环载荷、组织致密、强度要求高的铸件，如缸盖、液压阀、汽缸套、制动盘、刹车鼓、玻璃膜等。5.4.3铸铁的热处理特点灰口铸铁：去应力退火、消除局部白口组织的高温石