第七章金属材料Word格式.docx

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2、Si（硅）

有益元素，含量＜0.35%。

3、S（硫）

有害杂质，以FeS形式存在，与Fe形成低熔点（985℃）共晶体（FeS+Fe），分布于晶界处，而钢进行热加工的开始温度一般为1150~1250℃，此时分布在晶界上的共晶体处于熔化状态而导致钢开裂——热脆；

因此必须严格控制S含量，Mn与S形成高熔点（1620℃）的MnS，呈粒状分布于晶粒内，避免了热脆。

4、P（磷）

有害杂质，溶入F中，室温下使钢的塑性、韧性急剧下降，脆韧转变温度升高——冷脆。

7-2结构钢

一、普通结构钢

1）用途：

工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢，用于桥梁、建筑等钢结构。

2）成分特点和钢种：

平均含碳量为0.06~0.38%；

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275；

以热轧空冷状态供应。

2、普通低合金结构钢

建筑结构、桥梁、车辆、压力容器、船舶、锅炉、钢结构等

2）成分特点：

含碳量0.1~0.2%，以Mn（0.8~1.8%）为主加元素。

合金元素含量＜3%，Mn——固溶强化；

Ti、Nb、V——细化晶粒、弥散强化。

3）热处理特点：

一般在热轧、正火状态下使用，组织为F+S。

4）钢种和牌号：

09Mn、09MnNb、16Mn、16MnCu、15MnV、15MnTi、

二、优质结构钢

1、优质碳素结构钢

制造各种机器零件。

2）牌号：

08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85

使用前要进行热处理。

2、合金结构钢

1）渗碳钢

（1）用途：

制造各种变速齿轮、凸轮轴、活塞销。

使用中能承受强烈摩擦、磨损、较大交变载荷和冲击载荷。

（2）成分：

含碳量为0.1~0.25%；

Cr、Ni、Mn、B——提高淬透性；

Ti、V、Mo、W——细化晶粒。

（3）典型合金：

20、20Cr、20CrMnTi、12Cr2Ni4

（4）热处理：

低淬透性渗碳钢：

20、20Cr，两次淬火法——渗碳→预冷淬火→淬火→低温回火

中淬透性渗碳钢：

20CrMnTi，直接淬火法——渗碳→预冷淬火→低温回火

高淬透性渗碳钢：

12Cr2Ni4，

①渗碳→球化退火（650℃，使碳化物球化）→淬火→低温回火②渗碳→淬火→冷处理→低温回火

（5）应用举例：

用20CrMnTi钢制造变速齿轮

下料→锻造→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳（930℃）→预冷淬火（830℃）→低温回火（200℃）→喷丸或喷砂→磨齿。

正火——改善切削加工性能；

喷丸——清除氧化皮，光洁表面，在表面产生压应力，提高疲劳强度。

组织：

表层——M回+碳化物+AR

心部——低碳M回+AR+S+F

2）调质钢

制造各种重要零件：

齿轮、轴、连杆、螺栓等，经调质处理后具有良好的综合机械性能。

含碳量：

0.3~0.5%，常用为0.4%；

Cr、Mn、Si、Ni、B——提高淬透性；

Mo、W——防止高温回火脆性；

（3）热处理：

1调质处理：

用40Cr制造连杆

下料→锻造→正火→粗加工→调质处理→精加工

回火索氏体

2调质处理+表面淬火：

用40Cr制造变速箱主轴

下料→锻造→正火→粗加工→调质处理→半精加工→轴颈高频淬火+低温回火→精加工

回火索氏体（心部）+回火马氏体（表面）

3调质处理+渗氮：

用38CrMoAlA制造镗床镗杆

下料→锻造→退火→粗加工→调质处理→精加工→渗氮

回火索氏体（心部）+金属氮化物（表面）

4钢种和牌号

40Cr、35CrMo、40CrMnMo

3）弹簧钢

制造各种弹簧和弹性零件。

（2）性能特点：

高弹性极限、高疲劳强度、足够塑性和韧性。

（3）成分：

合金钢——0.45~0.70%，碳钢——0.6~0.9%；

Mn、Si——提高淬透性；

1热成型弹簧：

淬火+中温回火，组织——回火屈氏体

2冷成型弹簧：

a、等温退火（450~550℃）→冷成型→去应力退火（定型）

组织——屈氏体

b、淬火+中温回火→成型→去应力退火

组织——回火屈氏体

c、冷拔→退火→成型→淬火+中温回火

（5）钢种和牌号

65、85、65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn、60Si2CrVA

4）滚动轴承钢

制造滚动轴承、精密量具、冷冲模、机床丝杆。

高疲劳性能、高硬度、高耐磨性、足够韧性和淬透性

含碳量——0.95~1.1%

Cr——提高淬透性、耐磨性、疲劳强度

Si、Mn——进一步提高淬透性

球化退火+淬火（+冷处理）+低温回火

球化退火——改善切削加工性能，为淬火作组织准备

组织——M回+渗碳体

（5）钢号：

GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn

7-3工具钢

一、刃具钢

1、用途：

制造车刀、铣刀、钻头

2、性能特点：

高硬度、高耐磨性、高热硬性、足够塑性和韧性

3、碳素工具钢

（1）成分：

含碳量——0.65~1.35%

（2）用途：

各种手工工具、低速刃具

球化退火+淬火+低温回火

组织——M回+AR+渗碳体

（4）钢号

T7~T13；

T7A~T13A

4、低合金刃具钢

含碳量——0.9~1.1%

Cr、Mn、Si、——提高淬透性

W、V——提高硬度和耐磨性、细化晶粒

制造各种刃具

（4）钢号：

9Mn2V、9SiCr、CrW5、CrMn、CrWMn

5、高速钢

含碳量——0.7~1.25%

Cr——提高淬透性、回火稳定性

W、Mo、V——提高热硬性、细化晶粒、二次硬化、回火稳定性

制造各种高速切削加工刃具

球化退火（860~880℃）+淬火（1270~1280℃）+三次回火（550~570℃）

组织——M回+AR+碳化物

球化退火：

改善切削加工性能，为淬火作组织准备。

组织——球化组织

淬火：

分级预热——防止变形、开裂，缩短保温时间，减少脱碳

分级淬火——防止变形、开裂。

组织——M+AR（25%）+碳化物（10%）

回火：

减少AR量，二次硬化，稳定组织，消除内应力

组织——M回+AR（1%）+碳化物

二、模具钢

1、冷作模具钢

制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模。

工作温度不超过200~300℃。

2）性能要求：

高硬度、高耐磨性、足够韧性和疲劳抗力、热处理变形小。

3）成分：

含碳量≥1.0%

Cr、Mo、W、V——提高淬透性、耐磨性

4）热处理：

（1）一次硬化法

低温淬火（AC1以上，950~1000℃）+低温回火（150~180℃）

获得高硬度，较好耐磨性和韧性，适用于重载模具。

M回+碳化物+AR

（2）二次硬化法

高温淬火（ACCm以上，1100~1150℃）+三次回火（510~520℃）

获得高硬度，较高红硬性和耐磨性，但韧性差。

适用于400~450℃温度下工作的模具

M回+碳化物+AR

5）钢号：

各种刃具钢

2、热作模具钢

制造各种热锻模、热压模、热挤压模、铸模。

工作温度可达600℃。

高热硬性、高高温耐磨性、高抗氧化性能、高热强性、足够韧性、高热疲劳抗力。

含碳量—0.3~0.6%

Cr、Ni、Mn、Si—提高淬透性、回火稳定性、耐热疲劳性能。

Mo、W、V—二次硬化，防止高温回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。

（1）锻造→球化退火→淬火→高温回火

（2）锻造→球化退火→淬火→中温回火

回火屈氏体

5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiV、

3、量具钢

制造各种测量工具

高硬度和耐磨性、高尺寸稳定性、热处理变形小，组织稳定。

与低合金刃具钢或渗碳钢相同。

调质处理→淬火→冷处理→低温回火→时效处理

碳素工具钢、渗碳钢、低合金工具钢、滚动轴承钢、冷作模具钢、不锈钢（4Cr13、9Cr18）

7-4不锈钢

一、奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）

1、性能：

高耐蚀性、优良塑性、韧性和焊接性，强度不高。

2、钢号：

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti

3、热处理：

固溶处理（950~1100℃加热，水冷）

二、铁素体不锈钢

高耐酸性、较好塑性、强度不高。

2、成分：

含碳量＜0.15%（不标注），Cr含为17~30%

3、钢号：

Cr17、Cr17Ti、Cr25Ti、Cr28

4、热处理：

退火或正火状态使用

三、马氏体不锈钢

1、成分：

Cr含量为12~14%，含碳量为0.1~0.4%

1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18MoV

1）1Cr13、2Cr13：

制造各种零件

热处理：

淬火+高温回火

2）3Cr13：

制造刀具、弹簧

淬火+低温回火、淬火+中温回火

3）4Cr13：

制造医疗器械、刀具、量具

淬火+低温回火

4）9Cr18MoV：

制造滚珠轴承、刃具

7-5铸铁

一、铸铁的成分、组织和性能

工业上常用铸铁的成分：

2.5~4.0%C、1.0~3.0%Si、0.5~1.4%Mn

铸铁强度、塑性、韧性差，不能锻造，但铸造性能、减磨性能、切削加工性能良好，在机械制造业中广泛应用。

铸造性能好：

接近共晶成分、熔点低、流动性能好。

碳以石墨形态存在，石墨具有润滑作用，使铸铁具有良好减摩性能、切削加工性能。

二、铸铁的石墨化过程

石墨为简单六方晶格，面间距大，结合力弱，塑性、韧性趋于0。

缓慢冷却、Si促进石墨化，有利于石墨化，石墨化三个阶段：

1、共晶转变：

2、二次析出：

3、共析转变：

第1、2阶段的石墨化过程容易进行，第3阶段石墨化依实际条件（成分、冷速）不同，被全部或部分抑制，得到三种不同组织：

F+G、F+P+G、P+G。

三、铸铁的分类

1、石墨化程度：

（1）灰口铸铁：

第1、2阶段的石墨化过程充分进行，断口呈暗灰色，根据第3阶段石墨化程度不同，分为三种不同基体组织的灰口铸铁：

F、F+P、P。

（2）白口铸铁：

三个阶段全被抑制，一般作为炼钢原材料。

2、石墨形态：

石墨呈片状

（2）可锻铸铁：

石墨呈团絮状

（3）球墨铸铁：

石墨呈球状

（4）蠕墨铸铁：

石墨呈蠕虫状

7-6灰口铸铁

一、灰口铸铁的成分、组织、性能和用途

2.5~4.0%C、1.0~2.5%Si

2、组织：

基体组织分三种：

3、性能：

抗拉强度、塑性、韧性差；

铸造性能、切削加工性能、减摩性能、消震性能好。

4、应用：

制造承受压力和要求消震性的床身、机架、箱体、壳体、经受摩擦的导轨、缸体。

5、牌号：

HT100~HT350（最小抗拉强度）。

牌号性能对应一定的铸件壁厚。

二、灰口铸铁的变质处理

在铸铁浇注前向铁水中加入少量的变质剂（0.4%的SiFe、SiCa合金）进行“变质处理”，促进石墨的形核和结晶，使石墨细化，得到较高强度的变质铸铁（孕育铸铁）。

三、灰口铸铁的热处理

热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的存在形态，改善机械性能效果不大。

1、消除内应力退火：

对大型、复杂、高精度铸件在开箱后或切削加工前加热到500~600℃，保温后缓慢冷却。

2、改善切削加工性能的退火：

铸件表层、薄壁处，由于冷却快，出现白口组织，切削加工性能下降，加热到850~900℃×

2~5h，使

，炉冷至400~500℃后空冷，可降低硬度，改善切削加工性能。

3、表面淬火：

机床导轨表面、汽缸套内壁要求高强度、耐磨性，采用高频淬火，组织为回火马氏体+片状石墨。

7-7可锻铸铁

可锻铸铁的生产：

先铸成白口铸铁，经长时间石墨化退火（900~980℃×

15h）得到具有团絮状石墨的可锻铸铁。

根据退火时共析转变时冷速不同，基体组织分别为：

F——慢冷；

P——快冷。

由于团絮状石墨对基体割裂作用小，可锻铸铁的强度、塑性、韧性比灰口铸铁高。

成分：

2.2~2.8%C、1.2~2.0%Si，0.4~1.2%Mn

牌号：

KTH——基体为F的可锻铸铁；

KTZ——基体为P的可锻铸铁；

KTH（KTZ）×

可锻铸铁

最小抗拉强度（MPa）

最小延伸率（%）

KTH300-6、KTH370-12、KTZ500-4、KTZ700-2

应用：

可锻铸铁性能优于灰口铸铁，但生产周期长，工艺复杂，成本高，适用于制造薄壁（25㎜以下）零件

7-8球墨铸铁

在铸铁浇注前向铁水中加入一定量的球化剂（Mg、Ca、Re）进行球化处理，并加入少量的变质剂（SiFe、SiCa合金）促进石墨化，浇注后直接获得球状石墨铸铁——球墨铸铁。

一、球墨铸铁的成分、组织、性能和用途

3.6~3.8%C

珠光体球墨铸铁：

2.0~2.8%Si、0.6~0.8%Mn

铁素体球墨铸铁：

3.3%Si、0.3~0.6%Mn

基体为F或P，石墨呈圆整球状。

具有优良机械性能、切削加工性能、铸造性能、减摩性能，低缺口敏感性能。

可代替铸钢、锻钢及可锻铸铁制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的重要零件。

QT×

球墨铸铁

QT400-13、QT700-2、QT900-2

三、球墨铸铁的热处理

1、退火：

目的：

获得铁素体球墨铸铁，消除内应力，改善切削加工性能。

（1）高温退火

铸态组织有自由渗碳体时，进行高温退火。

加热到900~950℃×

2~5h，炉冷至600℃出炉空冷。

（2）低温退火

铸态组织没有自由渗碳体时，进行低温退火。

加热到720~760℃×

3~6h，炉冷至600℃出炉空冷。

2、正火：

（1）低温正火：

加热到840~860℃，基体部分奥氏体化，冷却后获得的球墨铸铁基体为F+P，强度低。

（2）高温正火：

加热到880~920℃，基体全部奥氏体化，冷却后获得的球墨铸铁基体为P，强度高。

3、调质处理：

制造受力复杂、要求高综合机械性能的零件，如连杆、曲轴等。

淬火加热到850~900℃，回火加热温度550~600℃。

调质处理后组织为回火索氏体+石墨。

4、等温淬火：

制造形状复杂、要求高综合机械性能零件，如齿轮、凸轮轴，易变形、开裂。

加热到840~900℃，保温后在300℃的等温盐浴中等温处理，然后空冷。

组织为下贝氏体+石墨。

适用于截面尺寸不大的零件。

7-9铝及其合金

一、工业纯铝性能

1、铝的性能

（1）轻，比重为2.7g/㎝3；

（2）导电性、导热性较好，仅次于银、铜、金；

（3）塑性好，铝箔0.000638mm，ψ=80%；

（4）抗大气腐蚀性能好，表面形成Al2O3膜；

（5）强度低。

2、编号

L01、L02、L03、L04……数字代表铝的纯度，数字越大，纯度越低。

二、铝合金

以铝为基的合金统称为铝合金。

铝合金的主要优点：

保持铝的密度小、耐蚀性好的特性，而且还具有较高的机械性能。

1、分类

按铝合金成分及生产工艺特点分为：

铸造铝合金和形变铝合金（分为：

可热处理铝合金和不可热处理铝合金）。

成分位于D左边的合金，在加热时能形成单相固溶体组织，塑性较高，适于压力加工成型——形变铝合金；

（成分位于F点左边的铝合金不能进行热处理强化——不可热处理铝合金；

成分位于F和D点之间的合金能进行热处理强化——可热处理铝合金）成分位于D以右的铝合金，具有共晶组织，适于铸造成型——铸造铝合金。

按主要合金元素不同，铸造铝合金分为：

Al—Si系、Al—Cu系、Al—Mg系、Al—Zn系铸造铝合金。

形变铝合金按其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝。

（1）铸造铝合金：

ZL×

（三个数字）

“ZL”代表“铸造铝合金”；

第一个“×

”代表“类别”：

其中1——Al—Si系，2——Al—Cu系，3——Al—Mg系，4——Al—Zn系；

后面两个“×

”代表“顺序号”。

（2）形变铝合金：

防锈铝——LF×

（或×

），“LF”代表“防锈铝”；

“×

硬铝——LY×

，“LY”代表“硬铝”；

超硬铝——LC×

，“LC”代表“超硬铝”；

锻铝——LD×

，“LD”代表“锻铝”；

3、铝合金的强化

（1）固溶强化

合金元素加入铝中后，形成铝基固溶体，起固溶强化作用。

如铝中常加入的合金元素Cu、Zn、Si、Mg、Mn等均与铝形成有限固溶体，并有较大的固溶度，所以有较好的强化效果。

（2）时效强化

可热处理强化铝合金，热处理（固溶处理）→水淬→时效脱溶→析出强化相。

时效析出强化相，是脱溶沉淀过程，所以又叫沉淀强化。

（3）细晶强化

铸造铝合金（如Al—Si合金）进行变质处理，既细化基体组织，又细化过剩相，使其强度、塑性提高。

变形铝合金中加入Ti、Zr、Re等元素，增加非自发晶核，细化晶粒，提高强度和塑性。

（4）冷加工硬化

对于不能热处理强化的变形铝合金，可进行冷加工硬化，以提高强度。

4、铝合金的热处理

将成分位于F和D点之间的铝合金加热到单相α相区中某一温度，经过一段时间保温，使获得单一的α固溶体组织，然后水淬，使次生相来不及从α中析出，在室温下获得过饱和α固溶体组织——固溶处理。

铝合金的淬火过程与钢的淬火过程相似，但过程实质不同。

钢的淬火加热主要靠类同素异构转变进行奥氏体化；

铝合金主要靠固溶度的提高获得铝基固溶体（α固溶体）；

钢的淬火冷却过程伴同晶格改组（相变）获得高硬度低塑性的过饱和固溶体（马氏体），而铝合金淬火冷却过程不发生相变，只是把α固溶体固定下来，成为硬度低、塑性好的过饱和固溶体，因此铝合金的淬火又称为固溶处理。

固溶强化后的铝合金随时间的延续，发生进一步强化的现象——时效强化或时效硬化。

室温下进行的时效——自然时效；

加热条件下进行的时效——人工时效。

人工时效比自然时效的强化效果低，而且时效温度越高，强化效果越低，但时效速度越快。

时效析出过程伴随着过饱和固溶体浓度的下降，使固溶强化减弱，时效是固态相变过程，析出相形核、长大伴随着溶质原子的扩散。

铝合金的时效强化能否进行，主要取决于合金元素能否溶入基体固溶体。

7-10铜及其合金

一、工业纯铜（紫铜）的性能

1）密度大（比重为8.9）；

2）逆磁性；

3）导电、导热性好；

4）塑性极好；

5）化学稳定性、耐蚀性好；

6）强度低。

二、铜的合金化

加入合金元素提高强度的强化方法：

1）固溶强化：

常用的固溶强化元素有Zn、Sn、Al、Ni等；

2）热处理强化：

Be、Si在Cu中的溶解度随T↓而↓↓，其加入Cu中可使合金具有时效强化的性能。

3）过剩相强化：

当合金元素加入量超过极限固溶度时，淬火加热时仍有一部分合金元素不能溶入固溶体而形成的第二相——过剩相。

过剩相大多是硬而脆的金属间化合物，起固溶强化作用，过剩相虽然阻碍位错的运动，使强度、硬度↑，但塑性、韧性↓。

所以合金元素含量不应过大，否则塑性、韧性、强度↓↓。

类似Fe3CII。

三、黄铜（Cu—Zn系铜合金）

1、概念：

含Zn量低于50%，以Zn为唯一或主要合金元素的铜合金称为黄铜。

2、分类：

黄铜分为简单黄铜（只含Zn，不含其它合金元素）和复杂黄铜（除Zn外，

还含有其它合金元素：

Pb、Sn、Al、Mn、Ti、Co、Ni等）。

3、编号：

简单黄铜：

H×

，其中“H”代表“简单黄铜”，“×

”表示铜的百分含量。

如H80—含铜为80%的简单黄铜。

ZH×

，其中“ZH”代表“铸造简单黄铜”，“×

如ZH62—含铜为62%的铸造简单黄铜。

复杂黄铜：

H+主加元素符号+铜含量+主加元素含量，如HAl77—2，77%Cu，2%Al。

4、热处理

Zn在Cu中固溶度随T↓而↑，所以黄铜不能进行热处理强化。

常用的热处理是去应力退火（200300℃）和再结晶退火（500570℃）。

四、青铜（含Sn的铜基合金）

1、分类：

Sn青铜、Al青铜、Be青铜、Si青铜

2、编号：

Q+主加元素符号+主加元素含量+其它元素含量，如QSn4—3，4%Sn，3%其它元素，93%Cu。

3、热处理

一般青铜不能用热处理强化，但铍（Be）青铜经固溶处理并时效后，强化效果显著。

7-11轴承合金

一、轴承合金的概念和性能要求

1、概念

在滑动轴承中，制造轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。

2、性能要求

轴转动时，轴和轴瓦之间强烈摩擦，而轴是机器上最重要部件，价高，难更换，在磨损不可避免的情况下从轴瓦材料上确保轴受到最小的磨损。

轴瓦材料必须具有以下性能特性：

1）在工作温度下具有足够的强度和硬度，以便承受轴颈施加的压力，并要耐磨；

2）有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并能够抵抗冲击和振动；

3）与轴之间的摩擦系数为最小，并能保持住润滑油；

4）具有良好磨合能力，以使负荷均匀分布；

5）具有良好的抗蚀