1、第5章 常用金属材料及性能,5.1 工业用钢分类与牌号,5.2 结构钢（structural steel）,5.3 滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢,5.4 铸铁（cast iron）,5.5 有色金属及其合金（non-ferrous alloy）,5.6 粉末冶金材料（自学）,表5-1,图5-1,(3)钢的牌号 要 求：会识别、（图纸上）一看就明白。 基本类型：两类主要以力学性能表示：如Q235AF（常简写成Q235，不保证化学成分）。主要以化学成分表示：碳与合金元素含量。例1. 45 Wc=0.45%的优质钢。例2. 08F Wc=0.08%的沸腾钢。例3. 40Cr Wc=0.40%及
2、Wcr=1%。 记忆方式与技巧介绍。,表5-2,5.2 结构钢（structural steel）用于结构件工程结构：如建筑物珩架、桥梁、车辆等。机器零件：如齿轮、螺栓、轴等。5.2.1 碳素结构钢（carbon structural steel） 保证力学性能：一般用途；以型材（棒、板、型钢）供应。 组 织 状 态：轧后空冷、F+P；不再热处理。设计时注意尺寸效应。 典 型 牌 号：Q235。,表5-3,5.2.1 低合金高强度钢（HSLA）添加少量合金元素（Nb、V等）起各种强化作用。 用于重要工程结构（桥梁、压力容器等），能减轻自重、降低成本等。 典型牌号：Q295、Q420等。,表5-
3、4,5.2.2 优质碳素结构钢 Ws、 Wp 0.035 % 性能特点： 随Wc升高，强度和硬度提高，塑、韧性有所下降。 零件制造中若经过热处理，可大幅度提高性能(强度)。应用:0825(15Mn)：低碳钢，塑性好，可焊性好，直接冲压成形或作焊接件。1525：低碳钢，可作渗碳用钢。3055：中碳钢，经调质处理做较重要的机器零件。60： 中高碳钢，淬火中高温回火，一般弹簧及较高强度零件。,表5-5,5.2.3 合金结构钢（alloy structural steel）(1)合金渗碳钢 用途及性能特点： 用于承受较大冲击负荷、同时表面经受强烈摩擦磨损的零 件(如换档齿轮等)。经渗碳及淬、回火后，表
4、硬内韧。 合金化原则： 低碳(0.25%)，保证渗碳及热处理后表、里的良好配合。 加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保证心部良好强韧性。 加V、Ti、W等，阻止渗碳时晶粒长大。,热处理特点：一般渗碳后预冷、直接淬火低温回火 (55HRC)。 常 用 钢 种：低淬透性15(20)、20Cr；中淬透性20CrMnMo、20MnTiB；高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。,表5-6,(2)合金调质钢 用途及性能特点：高强度（承受较大负荷）及高韧性（防止断裂事故）的重要零件（如机床主轴）具有良好的综合力学性能。 合金化原则： 中碳（0.300.5%），保证热处理后足够强度，又不致太脆
5、。 加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保证大截面均一的性能。 细化晶粒元素（V、W、Mo等）。 加Mo，消除回火脆性。 热处理：调质即淬火+高温回火（500650） 。 常用典型钢种：低淬透性:45、40Cr、40MnB；中淬透性:35CrMo、30CrMnSi；高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。,表5-7,(3)合金弹簧钢 用途、性能：承受较大负荷的弹簧；高的e、-1及s/b。 合金化：中、高碳（0.450.9%）；加Sie及（s/b）； 加Mn、Si、或Cr淬透性； 加Mo、W、V细化晶粒（重要弹簧）。 热处理：淬火中温回火，回火屈氏体 4248HRC。 常用钢种：6
6、5；65Mn；60Si2Mn；50CrV。,表5-8,5.2.4 其它结构钢 易切削钢：加S、Pb、Ca、P等（减摩、易断屑等），提高切削加工性，强度次要。 铸钢（铸钢件）：特 点：直接铸造成零件的结构钢，用于形状复杂、性能要求较高的场合。重型机械，矿山、工程机械等。成 分：低、中碳。热处理：进行正火、退火，重要件进行淬火、回火。,表5-9,5.3 滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢5.3.1 滚动轴承钢（rolling bearing steel） 用途、性能：轴承零件；高抗压强度、疲劳强度、高硬度与耐磨性。 合 金 化：高碳（0.951.15%），0.41.65%Cr，以及特殊要求的成分。
7、S、P要求严，冶金质量高。 热 处 理：球化退火（预先热处理）及淬火、低温回火，6064HRC。 典 型 钢 种：GCr15（中小型轴承）; G20Cr2Ni4（大型渗碳轴承）;9Cr18（不锈轴承）。,表5-10,5.3.2 工具钢（tool steel） 刃具钢用途、性能：较高切削的刀具；高硬度、高耐磨性及高热硬性。合金化（高速钢）：高碳（c0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。较多W与Mo（10%）,产生W2C、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。4%Cr，淬透性。加V，提高硬度、耐磨性。热 处 理：预先热处理；1200-1300 高温淬火+3次560回火,回火马氏体+碳化
8、物,6266HRC。典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。,图5-2,图5-3,表5-13,表5-11,表5-12,模具钢 1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。用途、性能：各种冷冲压、冷成型模具；高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。合金化：高碳Wc0.60.7%；淬透性元素：主加Cr，另Mn、Si；Mo、V细化晶粒;Cr、Mo、W、V提高耐磨性。热处理：淬火+低温回火，58HRC，细小马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。典 型 钢 种：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15、Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。,2)热作模具钢：中碳合金钢 用
9、途、性能：锻模、热挤压模、热弯模等；耐热性、高温强度，耐热 疲劳，高淬透性。 合金化：中碳（0.30.6%）,保证强度、韧性等。Cr、W、Si（抗热疲劳）；Mo、W、V（高温强度）；Cr、Mo、W等多元（淬透性）。 热处理：淬火、中温回火（高于工作温度），3550HRC，回火屈氏体、回火马氏体。 典型钢种：45、40Cr(很少用)；5CrNiMo、5CrMnMo；3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。,量具钢：高碳（低合金）钢用途、性能：各种量具（卡尺、块规等）；高硬度、高耐磨性，高尺寸稳定性。合金化：高碳（0.8%）；Cr、Mn、Si 等（淬透性）；Cr
10、、W等（耐磨性）。热处理：淬火+（冷处理）+多次回火，使残余奥氏体转变及稳定尺寸。典型钢种：9SiCr、CrWMn、GCr15 或渗碳钢，硬质合金。,5.3.3 不锈钢和耐热钢不锈钢（Stainless Steel） 用途、性能：腐蚀环境中的工作零件；耐蚀性及附加力学性能（强度、硬度）等。 合金化： 加Cr（1213%）提高电极电位、钝化能力，使耐蚀性。 加足够Ni或Cr ，呈单相奥氏体或单相铁素体状态。 加Ti、Nb等与碳形成稳定晶内碳化物，使晶间腐蚀。 可加Mn、N代Ni奥氏体不锈钢。,热 处 理：A 不锈钢：固溶处理(高温快冷)；F 不锈钢：退火处理；M不锈钢：淬火、回火。典型钢种：A
11、不锈钢：1Cr18Ni9Ti；F 不锈钢：1Cr17；M不锈钢：3Cr13，9Cr18。,表5-14上,表5-14下,耐热钢（heat resistant steel） 用途、性能：高温下工作零件（如锅炉管道）；高温强度、抗氧化性等。 合金化： 低、中碳； Cr、Ni、Si、Mo等固溶强化；Cr、Si、Al等抗氧化；V、W、Mo形成稳定碳化物弥散强化。 热处理（视用途而定）和典型钢种。,表5-15,5.4 铸铁（cast iron） c2.11%，有共晶反应。主要介绍石墨化铸铁。5.4.1 铸铁的主要类型及其特点 碳的形态与铸铁类型 一定条件下：Fe3C（亚稳态） 3Fe+G（稳定态） 碳呈化
12、合态的Fe3C和共晶莱氏体；极脆，称白口铸铁 （断口白壳），应用很有限。 碳呈游离态的石墨，（G）具有多种形态，铸造性能优良，应用广泛。,图5-4,各类铸铁的特点 1) 共性：成 分：高碳、高硅（易形成G）及杂质S、P较宽（成本低廉、易浇注）。组 织：钢基（F、F+P、P等）+G。性 能：G的存在，具有多重性影响。分析基点：G作为空洞或裂纹看待。 割裂基体，承载面积 b，k。G 本身应力集中铸铁易脆断。G是裂纹萌生及扩展通道抗压不抗拉，宜作承压件。G存在加工性能好（铸造、切削加工）；减震减摩；较小缺口敏感性。,2)各类铸铁的特点灰铸铁 :直接结晶获得、成分亚共晶。特点：片G应力集中、割裂基体严
13、重；铸造性能最好。 应用：承压或受力不大的形状复杂件或薄壁件（如箱体等）。典型牌号：HT200。 可锻铸铁:铁水白口铁石墨化退火 Fe3C分解为团絮状G。特点：性能优于灰铸铁（但并不可锻），工艺复杂。应用：一定承载能力的结构件。典型牌号：KTH35010。,图5-5,图5-6,图5-7,图5-8,表5-16,图5-9,表5-17,球墨铸铁（球铁）：直接结晶、球化处理（加稀土镁球化剂）。 特点：高碳高硅（接近共晶成分）、杂质少；强度和塑性改善，基体作用加强，性能在铸铁中最好。 应用：冲击负荷不大时可代钢（如柴油机曲轴）。 典型牌号：QT45010。蠕墨铸铁 ： 直接结晶获得（G形态介于片状与球状
14、之间），力学性能明显优于灰铸铁、劣于球铁，加工性能等优于球铁。RuT300等。,表5-18,5.4.2 铸铁的热处理石墨化退火：生产可锻铸铁，消除铸件薄壁处白口。 去应力退火：用于各种铸件。 正火、淬火回火：主要用于球铁（提高基体强度）。,5.5 有色金属其合金（non-ferrous alloy） 5.5.1 铝及铝合金 纯铝：导电导热、抗大气腐蚀；太软。 (1)铝合金及其特点比强度高（高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。 良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金铸造性能好，宜作压铸件。,(2)铝合金分类变形铝合金：不可时效强化的铝合金：防锈铝（F以左），单相固
15、溶体，强度低、压力加工性能好；用其优良的耐蚀性能。牌号标记LF。可时效强化的变形铝合金：硬铝（LY）、超硬铝（LC）和锻铝（LD）。固溶时效提高性能。,表5-19,图5-10,铸造铝合金：具有共晶转变的合金，铸造性能良好。提高性能方法：变质细化粗铸态组织；时效硬化。牌号 ：ZAL或ZL(3)铝合金的热处理： 退火：消除应力退火（200300）；再结晶退火（350415）。 固溶时效硬化：500水冷 + 人工时效（200）或自然时效（4天）。,表5-20,5.5.2 铜及铜合金 (1)铜和铜合金的特点较好的理化性能 导电材料，导热（纯铜，汽车散热器）；抗大气、海水腐蚀（黄铜）。良好的加工性 易冷
16、成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。某些特有性能 优良减摩性和耐磨性（青铜和部分黄铜，滑动轴承或蜗轮等），高的e和-1（铍青铜，弹性元件）。色泽美观,(2)铜合金 黄铜(Cu-Zn)、白铜(Cu-Ni)、青铜(其它,主要为Cu-Sn)。 1)黄铜 主要CuZn合金类别：普通黄铜(CuZn)；特殊黄铜(加工黄铜、铸造黄铜)，是在Cu-Zn基础上再加Ni、Pb、Al等，较高强度和耐蚀性。 典型牌号：H96(加工黄铜)，HPb601(特殊黄铜)，ZH(铸造黄铜)。,表5-21,2)青铜 主要为CuSn合金压力加工青铜：锡青铜（Sn2%5%）、铝青铜（Al4%8%）及铍青铜。 仪器仪表元件，耐蚀场合的耐磨件、抗磁件等。铸造青铜：有共晶体（Sn 9%11%、Al9%11%），蜗轮、齿轮（减摩耐蚀）。,表5-22,5.6 粉末冶金材料（自学）课堂讨论：1.一般而言，什么情况下用钢， 什么情况下用铸铁；又什么情况下用有色金属？2.传统的火锅，应该用什么材料好？作业：2，3，4，5，6，7，10。,本 章 结 束,表5-3 普通碳素结构钢的牌号、成分、性能与应用,
