常用金属材料及性能(1)

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。 16
5.3.3 不锈钢和耐热钢
⑴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： ①加Cr（≥12～13%）提高电极电位、钝化能力，使耐蚀
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。
25
(2)铝合金分类 图5-10
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
等）。 •典型牌号：HT200。
表5-16
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5-9
表5-17
22
③球墨铸铁（球铁）： 直接结晶、球化处理（加稀土镁球化剂）。
然时效（4≥天）。
27
5.5.2 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。
磨性、足够整体强度与韧性。
•合金化：①高碳Wc>0.6～0.7%； 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。
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5-8
10
5.2.4 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、
意尺寸效应。 •典 型 牌 号：Q235。
表5-3
4
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5-4
5
5.2.2 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)。
屈氏体、回火马氏体。
•典型钢种： 45、40Cr(很少用)；5CrNiMo、5CrMnMo； 3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。 15
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：
表5-14上
表5-14下
18
⑵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： ① 低、中碳；
② Cr、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。
高性能。 表5-19
26
②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：
表5-20
•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
23
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）。
24
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
14
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
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
11
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。
(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。
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；
12
5.3.2 工具钢（tool steel）
⑴刃具钢 •用途、性能：
表5-11
表5-12
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（ωc>0.8%）,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。
•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。
表5-18
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。
20
⑵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Baidu Nhomakorabea，承载面积↓ →σ b↓↓，δ↓↓，αk↓↓。 G 本身应力集中→铸铁易脆断。
7
•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
8
(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
表5-2
3
5.2 结构钢（structural steel）
•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（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
•应用:
表5-5
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。 6
5.2.3 合金结构钢（alloy structural steel）
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。
17
•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。
图5-1
2
(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. 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Wcr=1%。 •记忆方式与技巧介绍。
•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5-10
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。
21
2)各类铸铁的特点
图5-5
图5-6
①灰铸铁 :
图5-7
图5-8
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
表5-15
19
5.4 铸铁（cast iron）
• ωc>2.11%，有共晶反应。主要介绍石墨化铸铁。
图5-4
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。
中淬透性:35CrMo、30CrMnSi； 表5-7 高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。 9
(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↑；
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 13
⑵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
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）
退1 出
5.1 钢的分类与钢中的合金元素（alloy element）
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。
表5-1
•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）。