第五章金屬材料,重點(diǎn)掌握1.合金元素在鋼中的作用，尤其是合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響。2.碳素鋼、合金鋼的編號(hào)方法，會(huì)辯認(rèn)各種鋼號(hào)；3.各類合金結(jié)構(gòu)鋼的成分，熱處理方法，熱處理后的組織，性能的特點(diǎn)以及主要用途。教學(xué)內(nèi)容1.工業(yè)用鋼2.鑄鐵,第一節(jié)工業(yè)用鋼,工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。,一、鋼的分類及編號(hào)二、合金元素在鋼中的作用三、結(jié)構(gòu)鋼四、工具鋼五、特殊性能鋼,一、鋼的分類及編號(hào),1.鋼的分類按化學(xué)成分分,按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，各質(zhì)量等級(jí)鋼的磷、硫含量如下：,按用途分,2.鋼的編號(hào)我國鋼材的編號(hào)是采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法。采用漢語拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法時(shí)，一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個(gè)字母。,常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號(hào)（GB/T2212000）,1）碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)Q表示“屈服強(qiáng)度”；屈服強(qiáng)度值單位是MPa；質(zhì)量等級(jí)符號(hào)為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號(hào)：沸騰鋼F；鎮(zhèn)靜鋼Z；半鎮(zhèn)靜鋼b；特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ。如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF、Q235BZ。,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，其牌號(hào)中沒有表示脫氧方法的符號(hào)。如Q345C。根據(jù)需要，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)也可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學(xué)元素符號(hào)，按順序表示，如16Mn。*說明：一般情況下，屈服強(qiáng)度值小300MPa時(shí)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，大于300MPa時(shí)為低合金高強(qiáng)度鋼。,2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號(hào)為兩位數(shù)字這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾如45其平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%C）碳素工具鋼：牌號(hào)為T+數(shù)字“T”表示“碳素工具鋼”數(shù)字表示鋼平均含碳量的千分之幾如T8其平均含碳量為千分之八（0.8%C）,*說明：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼含Mn量為0.71.2%時(shí)，在含碳量數(shù)字后加元素符號(hào)“Mn”，如40Mn。對(duì)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號(hào)后分別加字母F和b，如08F、10b。碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加字母A，如20A、T8A。,3）合金鋼牌號(hào)為碳含量+合金元素1+1元素的百分含量數(shù)字+合金元素2+2元素的百分含量數(shù)字+合金元素及其含量標(biāo)注當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量。如20CrMnTi當(dāng)合金元素的平均含量為1.50-2.49%、2.50-3.49%、3.50-4.49%、4.50-5.49%、時(shí)，在相應(yīng)的合金元素符號(hào)后標(biāo)2、3、4、5等數(shù)字。如20CrNi3。,*說明：合金工具鋼含鉻量小于1%時(shí)，含鉻量以千分之一為單位標(biāo)出，并在含鉻量前加數(shù)字“0”，如Cr06。滾動(dòng)軸承鋼含鉻量也以千分之一為單位標(biāo)出，并在牌號(hào)頭部加字母“G”，如GCr15高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼在牌號(hào)后加字母A，如60Si2MnA。特級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼在牌號(hào)后加字母E，如30CrMnSiE。,碳含量標(biāo)注合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量以萬分之一為單位標(biāo)出(兩位數(shù)字)如40Cr、60Si2Mn工具鋼和特殊性能鋼含碳量以千分之一為單位標(biāo)出(一位數(shù)字)如8MnSi、4Cr13,*說明低合金工具鋼含碳量大于1.00%時(shí)，不標(biāo)含碳量，如CrWMn(1.0%C)高速鋼不標(biāo)含碳量，如W18Cr4V(含0.75%C)滾動(dòng)軸承鋼不標(biāo)含碳量，如GCr15(1.0%C)高錳鋼不標(biāo)含碳量，如ZGMn13(0.751.45%C)珠光體耐熱鋼含碳量標(biāo)注同結(jié)構(gòu)鋼，如15CrMo鑄鋼在牌號(hào)前加“ZG”,余同結(jié)構(gòu)鋼,如ZG20Cr13,不銹鋼和耐熱鋼當(dāng)含碳量為0.1%-0.03%時(shí)，以“0”表示，如“0Cr18Ni9”（含碳量上限為0.08%）當(dāng)含碳量為0.03%-0.01%時(shí)(超低碳)，以“03”表示，如“03Cr19Ni10”（含碳量上限為0.03%）當(dāng)含碳量0.01%時(shí)(極低碳)，以“01”表示，如“01Cr19Ni11”(含碳量上限為0.01%)*注:舊牌號(hào):0.08%C時(shí),標(biāo)“0”;0.03%C時(shí),標(biāo)“00”,鋼鐵及合金的類型與統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)(GB/T1762561998),二、合金元素在鋼中的作用1、溶于鐵素體,起固溶強(qiáng)化作用非碳化物形成元素及過剩的碳化物形成元素都溶于鐵素體，形成合金鐵素體。Si、Mn對(duì)強(qiáng)度、硬度提高顯著。Cr、Ni在適當(dāng)范圍內(nèi)提高韌性。,2、形成碳化物，起強(qiáng)化相作用合金元素與碳的親和力從大到小的順序?yàn)椋?3、對(duì)C曲線和淬透性的影響除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素均使C曲線右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素為Mn、Si、Cr、Ni、B。4、滿足材料的一些特殊性能如加入合金元素形成單相組織,在表面形成致密的氧化膜等來形成不銹鋼。合金鋼中常用的合金元素有錳、硅、鈦、鎳、鋁、鎢、釩、鈷、鋁、稀土等。,（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼1、成分：1.65%Cr時(shí)，因A增加而使硬度和穩(wěn)定性下降。,3、常用鋼號(hào)及用途應(yīng)用最廣的是GCr15，大量用于大中型軸承；大型軸承用GCr15SiMn。這類鋼還可用于制造模具、量具等。,高錳鋼鑄件,（七）耐磨鋼是指在沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊硬化的高錳鋼。牌號(hào)為ZGMn13。1、成分特點(diǎn)高碳：0.75-1.45%C。以保持高耐磨性。高錳：11-14%Mn。以保證形成奧氏體組織。,高錳鋼鑄件,使用時(shí)必須伴隨著壓力和沖擊作用。在壓力及沖擊作用下，表面奧氏體迅速加工硬化，形成馬氏體并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500550，獲得高耐磨性。而心部仍為奧氏體組織，具有高耐沖擊能力。,2、使用及用途水韌處理后，韌性高，硬度低（HB180200）。,高錳鋼廣泛用于既要求耐磨又要求耐沖擊的零件。如拖拉機(jī)的履帶板、球磨機(jī)的襯板、破碎機(jī)的牙板、挖掘機(jī)的鏟齒和鐵路的道岔等。,四、工具鋼,按用途分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。,（一）刃具鋼用來制造各種切削刀具的鋼種。,切削加工的基本形式,1、性能要求高硬度(HRC60)，主要取決于含碳量。高耐磨性靠高硬度和析出細(xì)小均勻硬碳化物來達(dá)到。,高熱硬性即高溫下保持高硬度的能力。足夠的韌性以防止脆斷和崩刃。,2、碳素工具鋼共有七個(gè)牌號(hào)：T7-T13（1）成分特點(diǎn)：高碳（0.65-1.35%C）隨含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韌性下降。,（2）用途由于碳工鋼熱硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7-T9：制造承受沖擊的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。,T10-T11：制造低速切削工具，如鉆頭、絲錐、車刀等。T12-T13：制造耐磨工具，如銼刀、鋸條等。,3、低合金工具鋼在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素(35)形成。成分特點(diǎn)：高碳：0.751.5%C合金元素作用提高淬透性:Cr、Mn、Si提高耐磨性、細(xì)化晶粒:W、V,（2）常用鋼號(hào)及用途應(yīng)用最多的是9SiCr。用于制造形狀復(fù)雜、要求變形小的低速刃具，如絲錐、板牙等。,高速鋼銑刀,4、高速鋼制造高速切削刃具用鋼。（俗稱風(fēng)鋼）性能特點(diǎn)：高熱硬性(達(dá)600)、高淬透性。成分特點(diǎn)高碳：0.701.5%C高合金元素含量提高淬透性：Cr提高熱硬性、耐磨性：W、Mo、V,（3）常用鋼號(hào)及用途常用鋼號(hào)為W18Cr4V（18-4-1）和W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）。用于高速切削刃具，如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等。,汽車沖壓模具,（二）模具鋼用以制造冷熱模具的鋼種。1、冷作模具鋼制造金屬冷成型模具的鋼種性能要求高硬度和耐磨性。足夠的強(qiáng)度和韌性。,Cr12鋼,（2）常用鋼種碳素工具鋼和低合金工具鋼：用于小尺寸、形狀簡單、受力不大的模具。Cr12型冷作模具鋼成分特點(diǎn)：高碳(1.4-2.3%C)；高鉻(11.5-13%Cr)合金元素作用：Cr提高淬透性；Mo、V提高耐磨性，細(xì)化晶粒。,汽車外板冷沖模,常用鋼號(hào)為Cr12和Cr12MoV。用于制造冷沖模、擠壓模等。,2、熱作模具鋼制造使加熱金屬或液態(tài)金屬成型模具的鋼種。性能要求高溫下良好的綜合力學(xué)性能?？篃崞谛阅?。高的淬透性和良好的導(dǎo)熱性。,曲軸模具,（2）常用鋼種熱鍛模鋼5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型熱鍛模，后者用于中小型熱鍛模。成分特點(diǎn)、合金元素作用及熱處理同調(diào)質(zhì)鋼。使用狀態(tài)下的組織：S回。,型板壓鑄模,壓鑄模鋼常用3Cr2W8V。為過共析鋼。中碳（0.3-0.4%C），合金元素作用同高速鋼。W、Cr有提高抗熱疲勞作用。淬火+回火后組織：M回+顆粒狀碳化物+A(少量),汽車四缸壓鑄模,（三）量具鋼制造各種量具用鋼。如千分尺、卡尺、塊規(guī)、塞規(guī)等。,1、性能要求量具在使用過程中與被測(cè)零件接觸，承受摩擦和沖擊。高硬度和耐磨性。高的尺寸穩(wěn)定性。足夠的韌性。,量規(guī),量塊,2、量具用鋼低碳鋼滲碳、中碳鋼表面淬火。碳素工具鋼、低合金工具鋼用于尺寸小、形狀簡單、精度要求不高的量具。滾動(dòng)軸承鋼、冷作模具鋼用于制造精密量具。不銹鋼用于制造接觸腐蝕介質(zhì)的量具。,特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼。本節(jié)只介紹不銹鋼和耐熱鋼。,五、特殊性能鋼,一、不銹鋼在腐蝕介質(zhì)中具有耐蝕性能的鋼。金屬的腐蝕化學(xué)腐蝕：金屬在非電解質(zhì)中的腐蝕。電化學(xué)腐蝕：金屬在電解質(zhì)溶液中的腐蝕，是有電流參與作用的腐蝕。不同組織、成分、應(yīng)力區(qū)域之間都可構(gòu)成微電池。,防止電化學(xué)腐蝕的措施：獲得均勻的單相組織。提高合金的電極電位。使表面形成致密的鈍化膜。,在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，每年金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占其GNP的4%左右。中國每年腐蝕的損失至少到400億元以上。,不銹鋼中合金元素的作用1、低碳：碳高，則降低耐蝕性。2、Cr：是提高耐蝕性的主要元素形成穩(wěn)定致密的Cr2O3氧化膜.Cr含量大于13%時(shí)，形成單相鐵素體組織。提高基體電極電位（服從n/8規(guī)律）。3、Ni：獲得單相奧氏體組織。Mo：耐有機(jī)酸腐蝕。4、Ti、Nb：防止奧氏體不銹鋼晶間腐蝕。,晶間腐蝕是沿晶粒周界發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象，危害很大。它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介質(zhì)作用下發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕。,加Ti、Nb則先于Cr與C形成不易溶于奧氏體的碳化物，避免晶界貧Cr。,常用不銹鋼1、馬氏體不銹鋼主要為Cr13型鋼號(hào)為1Cr13-4Cr13隨含碳量提高，強(qiáng)度、硬度提高，耐蝕性下降。1Cr13-3Cr13熱處理：淬火+高溫回火使用狀態(tài)下的組織：S回,汽輪機(jī)葉片,性能：耐大氣、蒸汽腐蝕及良好的綜合力學(xué)性能。用途：用于要求塑韌性較高的耐蝕件，如汽輪機(jī)葉片等。,4Cr13熱處理：淬火+低溫回火使用狀態(tài)下的組織：M回性能：強(qiáng)度、硬度較高用途：用于要求耐蝕、耐磨件，醫(yī)療器械、量具等。,2、鐵素體不銹鋼典型鋼號(hào)如0Cr13、1Cr17等。成分：高鉻低碳無相變不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。組織：單相鐵素體,鋼中相,性能特點(diǎn)耐酸蝕，抗氧化能力強(qiáng)，塑性好。但有脆化傾向：475脆化：加熱到450-550停留，產(chǎn)生脆化。,再加熱到600快冷可消除。相脆化：在600-800長期加熱時(shí)，析出硬而脆的相。,用途廣泛用于硝酸和氮肥工業(yè)的耐蝕件。,3、奧氏體不銹鋼主要為18-8（18Cr-8Ni）型。性能特點(diǎn)：具有良好的耐蝕性，冷熱加工性及可焊性。高的塑韌性，無磁性。,熱處理：采用固溶處理。即加熱到1100使碳化物溶解后水冷。組織：單相奧氏體,不銹鋼帶,常用鋼種為1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti。用途：廣泛用于化工設(shè)備及管道。,應(yīng)力腐蝕奧氏體不銹鋼易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。即在特定合金-環(huán)境體系中，應(yīng)力與腐蝕共同作用引起的破壞。奧氏體不銹鋼易在含Cl的介質(zhì)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕，裂紋為樹枝狀。,二、耐熱鋼性能要求1、高的抗氧化性：指鋼在高溫下對(duì)氧化作用的抗力。,2、高的熱強(qiáng)性熱強(qiáng)性是指金屬在高溫下的強(qiáng)度。,提高高溫強(qiáng)度的途徑：固溶強(qiáng)化；析出強(qiáng)化；晶界強(qiáng)化（加入B、Zr等降低晶界能量）。,成分特點(diǎn)低中碳Cr、Si：提高抗氧化性Mo：提高熱強(qiáng)性(T再)V、Ti：彌散強(qiáng)化Ni：獲得單相A組織,常用耐熱鋼1、珠光體耐熱鋼常用15CrMo、12Cr1MoV，熱處理：正火+高溫回火組織:F+P用途：600以下的鍋爐零件，壓力容器，熱交換器等。,2、馬氏體耐熱鋼常用1Cr13、1Cr11MoV、4Cr9Si2。熱處理：調(diào)質(zhì)。組織：S回。用途：1Cr13、1Cr11MoV用于550以下汽輪機(jī)葉片。4Cr9Si2是汽車閥門用鋼。,3、奧氏體耐熱鋼常用1Cr18Ni9Ti。熱處理：固溶處理組織：單相A。用途：主要用于過熱器管道等。,第二節(jié)鑄鐵,鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。,一、鑄鐵的特點(diǎn)及分類,工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。1、鑄鐵的組織特點(diǎn)鋼的基體+G（石墨）基體組織有三種，即鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體。,2、鑄鐵的性能特點(diǎn)力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中。耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。消振性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高，成分接近于共晶。切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。,3、鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法,鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法,二、常用鑄鐵,（一）灰鑄鐵灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。1、組織灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時(shí)通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。,灰鑄鐵的顯微組織,常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理，以細(xì)化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。,2、用途制造承受壓力和震動(dòng)的零件，如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。,可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線,（二）可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。1、組織：基體（F、P）團(tuán)絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又