第5章 常用金属材料及性能

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（structuralsteel）5.3滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢5.4铸铁（castiron）5.5有色金属及其合金（non-ferrousalloy）5.6粉末冶金材料（自学）退出5.1钢的分类与钢中的合金元素（alloyelement）5.1.1工业用钢分类与牌号(1)我国现行钢分类与牌号的特点•有统一国标，钢号直观、实用，并靠近国际标准。(2)钢的分类•按Wc：低碳钢（≤0.25%）；中碳钢（0.25～0.60%）;高碳钢（≥0.60%）。•按冶金质量：普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。•按脱氧程度：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。•按用途、成分、性能和热处理特点（最实用）。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①主要以力学性能表示：如Q235－A·F（常简写成Q235，不保证化学成分）。②主要以化学成分表示：碳与合金元素含量。例1.45Wc=0.45%的优质钢。例2.08FWc=0.08%的沸腾钢。例3.40CrWc=0.40%及Wcr=1%。•记忆方式与技巧介绍。表5-25.2结构钢（structuralsteel）•用于结构件①工程结构：如建筑物珩架、桥梁、车辆等。②机器零件：如齿轮、螺栓、轴等。5.2.1碳素结构钢（carbonstructuralsteel）•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5-35.2.1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5-45.2.2优质碳素结构钢•Ws、Wp≤0.035%•性能特点：①随Wc升高，强度和硬度提高，塑、韧性有所下降。②零件制造中若经过热处理，可大幅度提高性能(强度)。•应用:08～25(15Mn)：低碳钢，塑性好，可焊性好，直接冲压成形或作焊接件。15～25：低碳钢，可作渗碳用钢。30～55：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5-55.2.3合金结构钢（alloystructuralsteel）(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，表硬内韧。•合金化原则：①低碳(≤0.25%)，保证渗碳及热处理后表、里的良好配合。②加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保证心部良好强韧性。③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：①中碳（0.30～0.5%），保证热处理后足够强度，又不致太脆。②加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保证大截面均一的性能。③细化晶粒元素（V、W、Mo等）。④加Mo，消除回火脆性。•热处理：调质即淬火+高温回火（500～650℃）。•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σe、σ-1及σs/σb。•合金化：①中、高碳（0.45～0.9%）；②加Si→σe↑及（σs/σb）↑；③加Mn、Si、或Cr→淬透性↑；④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42～48HRC。•常用钢种：65；65Mn；60Si2Mn；50CrV。表5-85.2.4其它结构钢⑴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。⑵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5-95.3滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢5.3.1滚动轴承钢（rollingbearingsteel）•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：①高碳（0.95～1.15%），0.4～1.65%Cr，以及特殊要求的成分。②S、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，60～64HRC。•典型钢种：GCr15（中小型轴承）;G20Cr2Ni4（大型渗碳轴承）;9Cr18（不锈轴承）。表5-105.3.2工具钢（toolsteel）⑴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）：①高碳（ωc0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。②较多W与Mo（10%）,产生W2C、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。③4%Cr，淬透性。④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+碳化物,62～66HRC。•典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。图5-2图5-3表5-13表5-11表5-12⑵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：①高碳Wc0.6～0.7%；②淬透性元素：主加Cr，另Mn、Si；③Mo、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：①中碳（0.3～0.6%）,保证强度、韧性等。②Cr、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），35～50HRC，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)。⑶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、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⑴不锈钢（StainlessSteel）•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：①加Cr（≥12～13%）提高电极电位、钝化能力，使耐蚀性↑↑。②加足够Ni或Cr，呈单相奥氏体或单相铁素体状态。③加Ti、Nb等与碳形成稳定晶内碳化物，使晶间腐蚀↓。④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不锈钢：1Cr18Ni9Ti；F不锈钢：1Cr17；M不锈钢：3Cr13，9Cr18。表5-14上表5-14下⑵耐热钢（heatresistantsteel）•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：①低、中碳；②Cr、Ni、Si、Mo等固溶强化；③Cr、Si、Al等抗氧化；④V、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5-155.4铸铁（castiron）•ωc2.11%，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⑴碳的形态与铸铁类型•一定条件下：Fe3C（亚稳态）→3Fe+G（稳定态）•碳呈化合态的Fe3CⅠ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5-4⑵各类铸铁的特点1)共性：①成分：高碳、高硅（易形成G）及杂质S、P较宽（成本低廉、易浇注）。②组织：钢基（F、F+P、P等）+G。③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↓→σb↓↓，δ↓↓，αk↓↓。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①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。②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：KTH350—10。图5-5图5-6图5-7图5-8表5-16图5-9表5-17③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：QT450—10。④蠕墨铸铁：直接结晶获得（G形态介于片状与球状之间），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5-185.4.2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-ferrousalloy）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①比强度高（高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。②突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。③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①变形铝合金：•不可时效强化的铝合金：防锈铝（F以左），单相固溶体，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5-10②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（200～300℃）；再结晶退火（350～415℃）。•固溶时效硬化：～500℃水冷+人工时效（≤200℃）或自然时效（4≥天）。表5-205.5.2铜及铜合金(1)铜和铜合金的特点①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）。②良好的加工性易冷成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。③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σe和σ-1（铍青铜，弹性元件）。④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Cu—Zn合金•类别：普通黄铜(Cu—Zn)；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)，HPb60—1(特殊黄铜)，ZH(铸造黄铜)。表5-212)青铜主要为Cu—Sn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