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第 3 章 金 属 材 料 简 介

第 3 章 金 属 材 料 简 介. 赵 健 闯. 3.1 概述. 3.1.1 金属材料的分类. 一、钢 二、铸铁 三、非铁金属材料. 一、钢的分类. 1 、按化学成分分类：碳素钢、合金钢. 1 ）碳素钢 ：低碳钢 、中碳钢 、高碳钢 　　 2 ）合金钢：低合金钢 、中合金钢、高合金钢 　　合金钢按合金元素的种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。.

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第 3 章 金 属 材 料 简 介

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  1. 第3章 金 属 材 料 简 介 赵 健 闯

  2. 3.1 概述 3.1.1 金属材料的分类 一、钢 二、铸铁 三、非铁金属材料

  3. 一、钢的分类 1、按化学成分分类：碳素钢、合金钢 1）碳素钢 ：低碳钢 、中碳钢 、高碳钢 　　 2）合金钢：低合金钢 、中合金钢、高合金钢 　　合金钢按合金元素的种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。

  4. 2、按冶金质量分类按钢中所含有害杂质S、P的多少，可分为普通钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%）、优质钢（S%、P%≤0.040%）和高级优质钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%）三类。　　此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。2、按冶金质量分类按钢中所含有害杂质S、P的多少，可分为普通钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%）、优质钢（S%、P%≤0.040%）和高级优质钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%）三类。　　此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。

  5. 3、按用途分类:结构钢、工具钢、特殊钢 1）结构钢:工程构件用钢、机器零件用钢 （1）工程构件用钢：建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢。 （2）机器用钢：调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳和渗氮钢、耐磨钢等、 2）工具钢：刃具钢、量具钢、模具钢 3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢等

  6. 4、按金相组织分类 1）按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。2）按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。 在给钢的产品命名时，往往把成分、质量和用途几种分类方法结合起来。如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢等

  7. 二、铸铁的分类 按碳元素主要存在方式 分类： 1、白口铸铸铁（断口呈现白色）：碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体，没有石墨； 2、灰口铸铁（断口呈现黑灰色）：碳的主要存在形式是碳的单质，即游离状态石墨。 3、麻口铸铁：介于白口铸铁与灰口铸铁之间为，其中的碳既有游离石墨又有渗碳体。

  8. 按石墨的形态和组织性能分类 一、灰口铸铁：由片状石墨和钢的基体

  9. 二、球墨铸铁：球形石墨和金属基体

  10. 三、蠕墨铸铁：石墨片短而厚、头部较圆（似蠕虫）。

  11. 四、可锻铸铁：团絮状石墨和金属基体

  12. 特殊性能铸铁 　　工业上除了要求铸铁有一定的机械性能外，有时还要求它具有较高的耐磨性以及耐热性、耐蚀性。为此，在普通铸铁的基础上加入一定量的合金元素，制成特殊性能铸铁（合金铸铁）。它与特殊性能钢相比，熔炼简便，成本较低。缺点是脆性较大，综合机械性能不如钢。

  13. 三、非铁金属材料的分类 1、 铝及其合金

  14. 2、 铜及铜合金 一、纯铜（紫铜） 纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故常称为紫铜。纯铜主要用于制作电工导体以及配制各种铜合金。 二、黄铜 铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 三、青铜 青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等特殊元素组成的合金也叫青铜。

  15. 3.2 非合金钢 3.2.1 碳素结构钢 “Q＋数字＋字母＋字母” “Q”：钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号和脱氧方法。 例如：Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。　　牌号中规定了A、B、C、D四种质量等级，A级质量最差，D级质量最好。　　按脱氧制度，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢在钢号后加 “b”， 镇静钢则不加任何字母。

  16. 3.2.2 优质碳素结构钢 “两位数字＋字母” 两位数字表示平均含碳量的万分之几，沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出。如为高级优质钢，则在其钢号后加“高”或“A”。如45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢

  17. 3.2.3 碳素工具钢 “T＋数字＋字母” “T”表示碳素工具钢，其后的数字表示含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的碳素工具钢，其钢号为“碳8”或“T8”。　　含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”,如“碳8锰”或“T8Mn”。如为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加“高”或“A”，如“碳10高”或“T10A”。

  18. 3.2.4 易切削结构钢 “Y＋数字＋字母” Y40Mn表示含碳量约0.4%，含锰量小于1.5的易切钢

  19. 3.2.5 工程用铸造碳钢 “ZG＋数字＋数字” ZG表示“铸钢”二字汉语拼音字首，第一组数字表示屈服点，第二组数字表示抗拉强度。 如：ZG200-400，ZG230-450，ZG270-500， ZG310-570，ZG340-640

  20. 3.3 合金钢 “数字＋字母 ＋ 数字＋字母 ＋ 数字” 合金元素平均质量分数 <1.5 不标含量 1.5-2.5;2.5-3.5…… 合金元素符号 碳的平均质量分数(万分之几,千分之几)

  21. (1) 合金结构钢 60Si2Mn 09Mn2 注意:V,Ti,Al,B,稀土RE,即使含量 很低,要标元素符号.如:40MnVB,25MnTiBRE

  22. 注意:滚动轴承钢牌号独特. ① “G” ② 其后的铬元素Cr,质量分数以千分之几表示.其他元素与合金结构钢牌号相同. ③ 如:GCr15SiMn

  23. (2) 合金工具钢 ①WC<1.0% 千分之几(一位数) ②WC>1.0% 为了避免与结构钢混淆,不标数字 如: 9Mn2V; CrWMn ③高速工具钢牌号中不标含碳量

  24. (3) 特殊性能钢 与合金工具钢基本相同不同: WC<0.08% 牌号前 ”0” WC<0.03% 牌号前 ”00” 如: 0Cr19Ni9 0Cr13Al

  25. 3.3.1 低合金钢 低合金钢是低碳\低合金工程结构钢 特点:尺寸大,需冷弯及焊接成形,形状复杂, 大多在热轧或正火条件下使用 钢材必须具有: ①强度和屈强比 ②塑性和韧性 ③焊接性 ④较低的缺口敏感性和冷弯后低时效敏感性 ⑤较低的韧脆转变温度

  26. 1 低合金高强度结构钢 主要合金素: Mn;V;Ti;Nb;Al;Cr;Ni 固溶强化F;增加并细化P 细化晶粒 提高对大气的抗蚀能力 牌号:Q295; Q345; Q390; Q420; Q460;

  27. 2 低合金专业用钢 汽车用低合金钢(四类):①冲压性能良好的低强度钢(发动机罩等); ②微合金钢(大梁等);③低合金双相钢(轮毂\大梁等);④高延性高强度钢(车门\挡板)

  28. 3.3.2 机械结构用合金钢 1. 合金渗碳钢 (1) 用途与性能特点 渗碳\淬火\低温回火 用于制造受强烈冲击载荷和摩擦磨损的机械零件如:变速齿轮\凸轮轴\活塞销 (2) 常用钢种 20Cr;20CrMnTi;20MnVB;12Cr2Ni4;18Cr2Ni4WA

  29. 2. 合金调质钢 (1) 用途与性能特点 回火温度:500-650℃/表面淬火或氮化处理 用于制造在重载荷小同时又受冲击载荷作用的一些重要零件.如:齿轮\轴类\连杆\高强度螺栓 (2) 常用钢种 40Cr; 40MnB;35CrMo;38CrMoAl;40CrNiMoA

  30. 3. 合金弹簧钢 (1) 用途与性能特点 淬火/中温回火 用于制造弹簧等弹性零件.高的弹性极限和屈强比;足够的疲劳强度和韧性 (2) 常用钢种 55Si2Mn; 60Si2CrA; 50CrVA; 30W4Cr2VA

  31. 4. 滚动轴承钢 (1) 用途与性能特点 淬火/低温回火 用于制造滚动轴承内\外圈以及滚动体,及某些模具和量具.交变载荷\接触应力\摩擦磨损\冲击载荷\大气和润滑介质腐蚀 (2) 常用钢种 GCr9; GCr15; GCr15SiMn

  32. 3.3.3 合金工具钢和高速工具钢 1. 合金工具钢 1) 量具刃具钢 (1) 用途与性能特点 淬火/低温回火/-80—70℃冷处理 用于制造形状复杂.截面尺寸较大的低速切削刀具 (2) 常用钢种 9SiCr; Cr06; Cr2; 9Cr2

  33. 1) 模具钢(冷作模具/热作模具/塑料模具) (1) 用途与性能特点 (淬火/低温回火) / (淬火/高中温回火) 用于制造使金属冷塑性变形的模具/高温下塑性变形模具 (2) 常用钢种 Cr12; Cr12MoV; 9Mn2V; CrWMn 5CrMnMo; 5CrNiMo; 3Cr2W8V; 4Cr5W2VSi

  34. 2. 高速工具钢 (1) 用途与性能特点 用于制造高强度;高硬度;高耐磨性以及足够的塑性和韧性刀具.温度高达600℃,热硬性 (2) 常用钢种 淬火温度高1200;回火温度高560;次数多3;63-64HRC W18Cr4V; W6Mo5Cr4V2

  35. 3.3.4 特殊性能钢 具有某些特殊的物理/化学/力学性能,因而能在特殊的环境/工作条件使用的钢.工程中常用的特殊性能钢有不锈钢/耐热钢/耐磨钢.

  36. 1、 不锈钢 (1) 用途与性能特点 不锈钢和耐酸钢的统称.能够抵抗空气、蒸汽和水等弱酸腐蚀介质腐蚀的钢为不锈钢。在酸、碱、盐等强腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的钢为耐酸钢。 (2) 常用钢种 马氏体不锈钢:(淬火/回火) 1Cr13;2Cr13;3Cr13;4Cr13 奥氏体不锈钢: (冷变形强化) 0Cr19Ni9;1Cr18Ni9Ti 铁素体不锈钢:(退火) 0Cr13;1Cr17;1Cr28;1Cr17Ti

  37. 2、 耐热钢 (1) 用途与性能特点 主要用于热工动力机械(气轮机\燃气轮机\锅炉和内燃机)/化工机械/石油装置和加热炉等高温条件工作的构件.耐热性是指高温抗氧化性和高温强度的综合性能. (2) 常用钢种 a 抗氧化钢主要用于长期在燃烧环境工作,有一定强度的零件 1Cr13Si13; 3Cr18Ni25Si2 b 热强钢是高温下有抗氧化能力;且有高温强度和保持能力 15CrMo;4Cr10Si2Mo;4Cr9Si2;1Cr18Ni9Ti

  38. 3、 耐磨钢 (1) 用途与性能特点 主要用于在运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件.如铁路道岔;坦克履带;挖掘机铲齿等.具有表面硬度高,耐磨,心部韧性好,强度高等特点. (2) 常用钢种 ZGMn13 特点是高碳,高锰,固溶处理可得到奥氏体组织.工作时受到强烈的挤压\撞击\摩擦时,钢件表面迅速产生剧烈的加工硬化,获得耐磨层,而心部仍保持原来的组织和高韧性状态.

  39. 3.4 铸铁 3.4.1 铸铁的石墨化

  40. 石墨化影响因素 a、化学元素C,Si 强烈促进石墨化的元素S 强烈阻碍石墨化元素,并降低铁水流 动性Mn 阻碍石墨化元素，但形成MnS可减弱S对石墨化的有害作用b、冷却速度c、造型材料，铸造方法，铸件壁厚

  41. 3.4.2 常用铸铁 1、 灰铸铁 （1） 灰铸铁的化学成分、组织和性能 WC=2.5-3.6%,WSi=1-2.5%,Wp ≤0.3%WMn ≤0.5-1.3%,WS ≤0.15% 组织：F F+P P 性能：减摩性/减振性/低缺口敏感性/良好切削加工性/良好的铸造性

  42. （2） 灰铸铁的牌号及用途 F: HT100载荷小,不要求摩擦\磨损件:防护罩,盖,油盘,手轮F+P: HT150中等载荷,如机座,支架,工作台,带轮,床身,轴承座P: HT200 HT250承受较大载荷,要求具有一定的密封性或耐蚀性较重要 零件,如汽缸,齿轮,刹车轮,齿轮箱,飞轮,机座,阀门P细: HT300 HT350 (孕育铸铁)承受高载荷,耐磨和高气密性重要零件,如重型机床,剪床,压力机,自动机床的床身/机座/机架/活塞环/齿轮/凸轮/卡盘/衬套/汽缸体/缸套/汽缸盖

  43. （３） 灰铸铁的孕育处理 孕育剂：硅铁，硅钙合金 目　的：得到细小均匀分布的片状Ｇ和Ｐ 性 能：强度 , 塑性和韧性改善 用 途：用于制造力学性能要求较高,截面 尺寸变化较大的大型铸件

  44. （4） 灰铸铁的热处理 只能改变基体组织,不改变石墨的形状/大小/分布,因此只用于消除铸件的内应力和白口组织,稳定尺寸,提高工件表面的硬度和耐磨性. 去应力退火:500-600℃，炉冷至200 ℃空冷去白口退火：850-950 ℃ ，保温2-5h，炉冷至400-500 ℃后空冷提高耐磨性：表面淬火

  45. 2、 球墨铸铁 （1）球墨铸铁的组织和性能（F/F+P/P/B） （2）球墨铸铁的牌号及用途“QT”+最低抗拉强度+最低断后伸长率 （3）球墨铸铁的球化处理 （4）球墨铸铁的热处理退火/正火/调质处理/等温淬火等

  46. 3、 可锻铸铁 白口铸铁件经高温长时间可锻化退火，使渗碳体分解出团絮状石墨。分为黑心（F）可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两种类型。 “KTH”“KTZ” 牌号： KTH300-06； KTH 330-08； KTH350-10； KTZ450-06 ;KTZ550-04

  47. 4、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间,其铸造性能和热传导性/耐疲劳性及减振性与灰铸铁相似.主要用于制造大功率柴油机汽缸盖/汽缸套/电动机外壳/机座/机床床身/阀体/玻璃模具/起重机卷筒/钢锭模等. “RuT”+抗拉强度 如: RuT340 各牌号蠕墨铸铁的主要区别在于基体组织

  48. 3.4.3 特殊性能铸铁 1、耐磨铸铁 a 在无润滑、干摩擦或磨料磨损条件下工作的耐磨铸铁，具有均匀的高硬度组织和必要的韧性。包括高铬白口铸铁，低合金白口铸铁，中锰球墨铸铁和冷硬铸铁等，可作轧辊，犁铧，破碎机，球磨机零件 b 在润滑条件下工作的减摩铸铁，具有较低的摩擦系数和很好的保持连续油膜的能力，组织形式最好为软的基体上分布硬的骨架。常用减摩铸铁有高磷铸铁和钒钛铸铁，常用于机床导轨，汽缸套和活塞环。

  49. 2、耐热铸铁 具有抗高温氧化等性能，能够在高温下承受一定载荷。在铸铁中加入Al、Si、Cr等元素，可以在铸铁表面形成致密的保护性氧化膜，使铸铁在高温下具有抗氧化的能力，同时能够是铸铁基体变为单相铁素体。加入Ni、Mo能增加高温下的强度和韧性，从而提高铸铁的耐热性。 中硅铸铁/高铬铸铁/镍铬硅铸铁/镍铬球墨铸铁等 主要用于制造加热炉附件，如炉底板，换热器，渗碳坩埚等

  50. 3、耐蚀铸铁 耐蚀铸铁主要有高硅、高铝、高铬、高镍系列。 加入一定量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等元素，使铸件表面形成致密的氧化膜，提高耐蚀性。 高硅铸铁是最常用的耐蚀铸铁，为了提高对盐酸副食的抵抗力可加入Cr和Mo等合金元素。广泛用于化工、石油、化纤、冶金等工业设备，如泵、管道、阀门、储罐的出口等。

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