《汽车机械基础》第10章-金属材料

第十章金属材料10.1碳钢10.2合金钢10.3铸铁10.4有色金属及其合金第十章金属材料学习目标：1.了解各种金属材料的性能特点；2.掌握各种金属材料在实际生产中的应用；3.掌握各种金属材料的牌号及含义，并能正确选用金属材料。10.1碳钢10.1.1碳钢的分类10.1.2碳钢的编号与用途10.1.1碳钢的分类工业上广泛使用的含碳量小于2.11%并含有少量杂质元素（Si，Mn，S，P）的铁碳合金称为碳钢。碳钢能满足绝大多数机械零件在工作时的机械性能要求，并具有良好的工艺性能，生产成本低，价格低廉等特点。1.按含碳量分低碳钢含碳量＜0.25%中碳钢含碳量0.25%～0.60%高碳钢含碳量＞0.60%2.按质量分普通质量钢

S≤0.050%、P≤0.045%优质钢

S≤0.035%、P≤0.035%高级优质钢

S≤0.025%、P≤0.030%3.按用途分结构钢：主要用于制造各种工程构件。如桥梁、船舶、建筑用钢和机械零件如齿轮、轴、螺钉、螺母、弹簧、曲轴、连杆等。工具钢：主要用于制造各种刃具、量具、模具。10.1.2碳钢的编号与用途1.碳素结构钢由代表钢材屈服点的指标进行编号。如：Q235AFQ：代表屈服点“屈”字汉语拼音首写字母；235：屈服点数值，单位MPa；A：冶金质量等级共A、B、C、D四级，其中A级硫磷含量最高，D级硫、磷含量最低；F：脱氧方法符号F为沸腾钢“沸”字汉语拼音首写字母（脱氧不完全的钢）。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示钢中平均含碳量的万分数。如10号钢表示平均含碳量为0.1%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢由于机构性能优良，并可通过热处理进行强化，因此广泛用于各类机构零件和汽车的制造。3.易切削碳素结构钢其牌号用“Y”（易字汉语拼音首写字母）加数字表示。如Y12钢表示含碳量为0.12%的易切削碳素结构钢。4.碳素铸钢用于铸造成零件的毛坯，而以后不再锻造加工的钢称为碳素铸钢。其牌号用“铸钢”两字的汉语拼音首写字母“Z、G”并加上两组数字表示。如：ZG200—400，其中：ZG：铸钢；200：屈服点数值，单位：MPa；400：抗拉强度，单位：MPa；5.碳素工具钢这类钢的牌号用汉语拼音碳字的首字母“T”或汉字“碳”表示碳素工具钢，其后用数字表示平均含碳量的千分数。如T9（碳9）表示含碳量为0.9%的碳素工具钢。10.2合金钢10.2.1合金钢的分类10.2.2合金钢编号10.2.3合金结构钢10.2.4合金工具钢10.2.5合金模具钢10.2.6高速工具钢10.2.7特殊性能钢10.2.8粉末冶金与硬质合金10.2.1合金钢的分类按用途不同可将合金钢分为四大类：（1）合金结构钢：用于制造各种机械零件；（2）合金工具钢：用于制造各种刃、量、模具；（3）滚动轴承钢：用于制造各种滚动轴承；（4）特殊性能钢：用于制造特殊条件下工作的零件。10.2.2合金钢编号1.合金结构钢合金结构钢编号采用两位数字加元素符号及其后的百分数表示，其中两位数字表示平均含碳量的万分数。当合金元素的含量不大于1.5%时，只标出元素符号，不标出含量。如16Mn表示平均含碳量为0.16%，含Mn不大于1.5%的低合金钢。当合金元素含量大于1.5%时则应标出元素符号及含量百分数。如20Mn2表示平均含碳量为0.2%，含Mn量为2%的合金渗碳钢。2.合金工具钢当合金工具钢中的含碳量＜1%时，用一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量大于1%时，将不标出含碳量，合金元素的种类及含量的表示方法与合金结构钢相同。如9SiCr表示平均含碳量为0.9%，含Si、Cr不大于1.5%的合金工具钢。3.滚动轴承钢在含碳量大于1%的高碳铬轴承钢中，通常不标出碳量，其Cr含量用千分数表示，并在牌号前面符号“G”表示。如GCr9表示含碳量大于1%，含铬为0.9%的高碳铬轴承钢。含铬量小于1%的低铬轴承钢，其Cr含量也用千分数表示，并在Cr含量数值前加一数字“0”。如GCr6表示含碳量大于1%，平均铬量为0.6%左右的低铬轴承钢。4.特殊性能钢在不锈耐酸钢及耐热钢中一般用一位数字表示平均含碳量的千分数，平均含碳量小于千分之一的用“0”表示；平均含碳量不大于0.03%的用“00”表示；合金元素则采用元素符号及其后的百分数表示。如0Cr13表示平均含碳量小于千分之一，平均含Cr量约13%的不锈钢。10.2.3合金结构钢用于制造各种机械零件以及建筑工程结构的钢，称为结构钢。合金结构按成分及用途不同分为低合金钢、合金渗碳钢、合金调质钢及合金弹簧钢。1.低合金钢含碳量在0.12%～0.20%，S、P不大于0.45%，合金元素总量≤3%，主要加入元素为Si、Mn及少量的Ti、V、Nb、Cu及稀土元素等。如Q355等。低合金钢具有良好的冲击韧性及低温韧性。因此特别适合作寒冷地区使用的构件，并具有良好的塑性和韧性及焊接性能，易于冲压成型及制造各种构件及压力容器等。低合金钢通常是在热轧或正火状态下使用。2.合金渗碳钢用于制造表面渗碳零件的钢称为合金渗碳钢。合金渗碳钢中的含碳量一般为0.1%～0.25%，渗碳钢中含低碳是为了零件在心部保持良好的塑性和韧性。渗碳钢中加入的合金元素有Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti、B等，目的是便于渗碳过程的进行，并使零件在渗碳淬火后表面获得高硬度，耐磨性。如20Cr等。3.合金调质钢调质（淬火＋回火）状态下使用的钢称为调质钢。调质钢中含中碳（0.3%～0.5%）是为了使钢经调质处理后获得足够的强度和硬度，一定的塑性和韧性即良好的综合机械性能。调质钢中加入的合金元素有Ti、Mn、Mo、Cr、Ni、B、W、V等。如40CrMn等。4.合金弹簧钢弹簧钢要求高的强度、弹性极限、韧性及疲劳极限；弹簧钢具有高屈服极限，尤其是要求高的屈强比；弹簧钢含碳量一般为0.45%～0.75%，加入合金元素V、Cr、Mn、Si是为了提高淬透性，强化铁素体，提高回火稳定性，细化晶粒，由于含有提高回火稳定性元素Cr、V，可使弹簧钢在中温回火获得较高的弹性极限及韧性；弹簧钢常采用淬火+中温回火的热处理，组织为回火屈氏体；常对弹簧采用喷丸或表面强化处理，在其表面造成压应力状态以提高弹簧的疲劳强度及表面质量。

汽车板簧5.滚动轴承钢专门用于制造各种滚动轴承的内、外套圈及滚动体的钢称为滚动轴承钢；滚动轴承钢要求具有高的抗疲劳性能及高的硬度和耐磨性，良好的韧性和耐腐蚀性。可分为：高碳滚动轴承钢：钢中一般含碳量1.0%左右，以保证钢具有高的硬度和耐磨性。加入合金元素Cr以提高的淬透性，耐磨性及疲劳强度，加入合金元素Si、Mn可起到固溶强化及提高回火稳定性的作用。高碳铬不锈轴承钢：渗碳轴承钢：10.2.4合金工具钢1.量具钢用来制造测量工具如游标卡尺、块规、卡规、千分尺、样板等的钢称为量具钢；要求量具应有较高的硬度和耐磨性，故量具钢中的含碳量通常高达0.90%～1.5%，并含有铬、钨、锰等碳化物形成元素以提高钢的淬透性和保证钢有足够的硬度、耐磨性。2.刃具钢用于制造商各种车刀、铣刀等切削加工刀具的钢称为刃具钢；具的硬度必须高于被切削材料的硬度，故刃具钢中一般含碳量为0.7%～1.5%以保证钢有足够的硬度。常加入的元素有Cr、Si、Mn以提高钢的淬透性。10.2.5模具钢按工作条件的不同，模具钢分为冷作模具钢和热模具钢。冷作模具钢的热处理一般为：锻后退火+淬火+低温回火，常用的有：CrM2MoV及CrWMn。热作模具钢的热处理一般为：调质或淬火+中温回火，常用的有：5CrNiMo及3Cr2Mo。10.2.6高速工具钢高速工具钢是一种含碳量高（0.7～1.6%），并含有大量W、Cr、Mo、V等高熔点元素的高，因此其它高温下仍能保持常温硬度，故其热硬性好。10.2.7特殊性能钢具有特殊的物理及化学性能并用来制造特殊条件下工作零件的钢称为特殊性能钢；不锈钢、耐热钢和耐磨钢。1.不锈钢在空气或某些化学介质中具有抵抗锈蚀能力的钢称为不锈钢。不锈钢的主要合金元素是铬。其含量一般不低于13%。不锈钢的化学成分具有低碳、高铬的特点，由于铬是碳化物形成元素，因此在钢中形成一部分含铬的碳化物会使钢的耐蚀性下降，故不锈钢中含碳量较低，一般为0.1%～0.15%，含铬量为12～14%。2.耐热钢金属材料在高温下抗氧化并具有一定高温强度的性能统称为耐热性，具有耐热性的钢称为耐热钢。在耐热钢中加入Cr、Si、Al等元素，在零件表面形成致密的氧化（保持）膜而提高钢的抗氧化性，加入Mo、W、Ti、V这些碳化物形成元素以形成稳定的碳化物，产生弥散强化作用，而且能提高钢的再结晶温度，以保证钢在高温下的强度。3.耐磨钢耐磨钢一般是指冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢。由于其难以切削加工，因此常采用铸造的方法获得零件，如铸钢锰13，记为ZGMn13，其含碳量1.0%～1.3%，含锰量为13%。高锰钢在使用过程中受到强烈的冲击和撞击以及摩擦力的作用，表面因塑性变形而产生加工硬化现象，使硬度大大提高而产生的较高耐磨性。10.2.8粉末冶金与硬质合金将几种金属粉末或金属与非金属粉末均匀混合压制成型，然后经高温烧结而成的冶金制品的工艺方法，称为粉末冶金法。硬质合金是用一些难熔的化合物粉末用粉末冶金法制取的工具材料.它具有硬度高(HRA86～93，相当于HRC69～81)，热硬性好（工作温度可高达900～1000℃）。良好的耐磨、耐蚀性及膨胀系数小等特点。10.3铸铁10.3.1铸铁的分类10.3.2灰铸铁10.3.3可锻铸铁10.3.4球墨铸铁10.3.5蠕墨铸铁10.3.6合金铸铁10.3.1铸铁的分类铸铁是含碳量大于2.11%、并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。在铸铁中，碳以两种形式存在，一是化合状态的渗碳体；一是自由状态的石墨（用符号G表示）。白口铸铁：碳主要以渗碳体形式存在，其断口呈白亮色；灰铸铁：碳大部分或全部以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色；球墨铸铁：碳大部分或全部以球状石墨形式存在；可锻铸铁：碳主要以团絮状石墨形式存在；蠕墨铸铁：碳大部分或全部以蠕虫状石墨形式存在。10.3.2灰铸铁灰铸铁的牌号用“HT”（即“灰铁”二字的汉语拼音首写字母）及后面一组数字组成。数字表示其最低抗拉强度，单位为MPa。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁等。特点：优良的铸造性能良好的减摩性和耐磨性良好的切削加工性良好的减振性和低的缺口敏感性10.3.3可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种石墨呈团絮状的高强度铸铁。它有较高的强度和一下的塑性、韧性。牌号中的字母“KTH”表示黑心可锻铸铁；“KTZ”表示珠光体可锻铸铁。字母后面的两组数字分别代表可锻铸铁的最低抗拉强度和延伸率。如KTZ450-06表示珠光体可锻铸铁，其最低抗拉强度为450MPa，最低延伸率为6%。10.3.4球墨铸铁通过对铁水进行球化处理和孕育处理而制得。即在铁水浇注前，向铁水中加入一定量的球化剂和少量的孕育剂，促使石墨呈球状析出。球墨铸铁的牌号用“QT”（即“球铁”二字汉语拼音首写字母）加二组数字表示。第一组数字表示该球墨铸铁最低抗拉强度，单位是MPa；第二组数字表示该材料的最低延伸率（δ5）。如QT450-10表示最低抗拉强度为450MPa，最低延伸率为10%的球墨铸铁。10.3.5蠕墨铸铁蠕墨铸铁的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性、较高的耐磨性，同时又具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁是用高碳、低硫、磷的铁水加入适量的蠕化剂经蠕化处理而制得，其方法和程序与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。牌号中的字母“RuT”表示蠕墨铸铁，数字表示蠕墨铸铁的最低抗拉强度。进气管排气管10.3.6合金铸铁向灰铸铁或球墨铸铁中加入某些合金元素，可生产出具有某些特殊性能的合金铸铁，例如耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁等。1.耐磨铸铁根据工作条件不同，大致分为两类：一类是在无润滑干磨擦条件下工作的抗磨铸铁；另一类是在润滑条件下工作的减摩铸铁。2.耐热铸铁的耐热性是指在铸铁中加入了A1、Si、Cr等元素。提高它在高温下的抗氧化和抗生长的能力。3.生产中主要通过向铸铁中加入Si、A1、Ni、Cr等合金元素，在铸铁表面形成保护膜或使基体电极电位升高来提高铸铁的耐蚀性。10.4有色金属及其合金10.4.1铝及其合金10.4.2铜及其合金10.4.3滑动轴承合金10.4.1铝及其合金1.工业纯铝工业上使用的纯铝呈银灰白色，相对密度为2.72g/cm3（约为钢的1/3），熔点为660℃，具有良好的导电、导热性，其导电性仅次于银、铜、金而居第四位。工业纯铝编号采用“铝”字的汉语拼音道写字母加序号表示。如L1、L2、L3、L4……，L1为1号纯铝，序号越大铝的纯度越低。含杂质元素越多，塑性及导电导热性越差。2.铝合金铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。形变铝合金分为防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）、锻铝合金（LD）等。其编号表示为：“LF5”代表序号为5的防锈铝合金，其成份和性能可查有关手册（不能从序号上直接反应出来）。汽缸头铸造铝合金有：（1）铝硅合金又称硅铝明，这类合金流动性极好，且铸造焊收缩率及线膨胀系数小，并具有良好的抗蚀性及焊接性。（2）铝铜系合金有较好的耐高温强度，但铸造性能差，其主要用作高强度或高温下工作的汽车、摩托车、内燃机的活塞及内燃机气缸盖等。（3）铝镁系合金具有良好的耐蚀性，强度高，密度小，多用于制造在腐蚀性介质中工作的铸件等。（4）铝锌系合金具有良好的铸造性和较高的强度，但耐蚀性差，热裂倾向大，常用于工作温度小于200℃的汽车、拖拉机及飞机的复杂零件的制造。10.4.2铜及其合金1.纯铜纯铜是用电解的方法制造出