項目四常用金屬材料的選擇任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇任務(wù)４－２鑄鐵的選擇任務(wù)４－３非鐵合金及粉末冶金的選擇返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料是鋼鐵，鋼鐵是鋼和鑄鐵的總稱。本任務(wù)主要介紹常用金屬材料的分類、牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和應(yīng)用范圍。一、常存元素對鋼性能的影響實際使用的鋼并不是單純的鐵碳合金這是由于冶煉時所用原料以及冶煉工藝方法等影響，鋼中總不免有少量其他元素存在，如硅、錳、硫、磷、銅、鉻、鎳等，這些并非有意加入或保留的元素一般作為雜質(zhì)看待。它們的存在對鋼的性能有較大的影響。下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇二、鋼的分類和編號１.鋼的分類鋼的種類繁多，如按用途不同，可分為結(jié)構(gòu)鋼（包括建筑用鋼和機(jī)械用鋼），工具鋼（包括制造各種工具，如刀具、量具、模具等用鋼）和特殊性能鋼（具有特殊的物理、化學(xué)性能的鋼）；按脫氧程度的不同，分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼；按鋼的品質(zhì)不同，分為普通鋼（ｗＰ≤０.０４５％、ｗＳ≤０.０５％），優(yōu)質(zhì)鋼（ｗＰ≤０.３５％、ｗＳ≤０.３５％），高級優(yōu)質(zhì)鋼（ｗＰ≤０.２５％、ｗＳ≤０.２５％）和特級優(yōu)質(zhì)鋼（ｗＰ≤０.０２５％、ｗＳ≤０.０１５％）。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇２.鋼的編號世界各國都根據(jù)國情制定科學(xué)而簡明的鋼鐵分類表示方法，通常采用“牌號”來具體表示鋼的品種，如表４.１所示。通過牌號能大致了解鋼的類別、成分、冶金質(zhì)量、性能特點、熱處理要求和用途等。三、結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼在工程中應(yīng)用最多。凡用于各種機(jī)器零件及各種工程結(jié)構(gòu)（如屋架、井架、橋梁、車輛構(gòu)架等）的鋼稱為結(jié)構(gòu)鋼。１.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼中硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（ｗＰ≤０.０４５、ｗＳ≤０.０５５），大部分用于工程結(jié)構(gòu)，小部分用于機(jī)械零件。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇用Ｑ＋數(shù)字表示，“Ｑ”代表屈服點（“屈”漢語拼音首字母），數(shù)字表示屈服點數(shù)值。如：Ｑ２７５，表示屈服點為２７５ＭＰａ，若牌號后面標(biāo)注字母Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，則表示鋼材質(zhì)量等級不同，即Ｓ、Ｐ含量不同。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ質(zhì)量依次提高，“Ｆ”表示沸騰鋼，“ｂ”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標(biāo)“Ｆ”和“ｂ”的為鎮(zhèn)靜鋼。如Ｑ２３５－Ａ·Ｆ表示屈服點為２３５ＭＰａ的Ａ級沸騰鋼，Ｑ２３５－Ｃ表示屈服點為２３５ＭＰａ的Ｃ級鎮(zhèn)靜鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼一般情況下都不經(jīng)熱處理，而是在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。通常Ｑ１９５、Ｑ２１５、Ｑ２３５含碳量低，有一定強(qiáng)度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)，也可制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等；上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇Ｑ２５５和Ｑ２７５鋼強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好，可進(jìn)行焊接，通常軋制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造連桿、鍵、銷和簡單機(jī)械上的齒輪、軸節(jié)等。２.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼基礎(chǔ)上，加入少量合金元素（Ｍｎ為主加元素）。低合金鋼是一類可焊接的低碳低合金工程結(jié)構(gòu)鋼，主要用于房屋、橋梁、船舶、車輛、鐵道、高壓容器等工程結(jié)構(gòu)件。鋼中ｗＣ≤０.２％（低碳具有較好的塑性和焊接性），ｗＭｎ＝０.８％～１.７％，輔以我國富產(chǎn)資源釩、鈮等元素，通過強(qiáng)化鐵素體、細(xì)化晶粒等作用，使其具備了高的強(qiáng)度和韌性、良好的綜合力學(xué)性能、良好的耐蝕性等。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼通常是在熱軋經(jīng)退火（或正火）狀態(tài)下供應(yīng)的，使用時一般不進(jìn)行熱處理。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，在牌號的組成中沒有表示脫氫方法的符號，其余表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。如Ｑ３４５Ａ表示屈服強(qiáng)度為３４５ＭＰａ的Ａ級低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。３.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件，屬于用途廣、產(chǎn)量大、鋼號多的一類鋼，大多數(shù)需經(jīng)熱處理后才能使用。按其用途及熱處理特點可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼等。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇合金結(jié)構(gòu)鋼牌號由數(shù)字與元素符號組成。用２位數(shù)字表示碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以萬分之幾計），放在牌號頭部。合金元素含量表示方法為：平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于１.５％時，牌號中僅標(biāo)注元素，一般不標(biāo)注含量；平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１.５％～２.４９％、２.５％～３.４９％…時，在合金元素后相應(yīng)寫成２、３…例如碳、鉻、鎳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０.２％、０.７５％、２.９５％的合金結(jié)構(gòu)鋼，其牌號表示為“２０ＣｒＮｉ３”。高級優(yōu)質(zhì)合金鋼和特級優(yōu)質(zhì)合金鋼的表示方法同優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇四、工具鋼為了滿足高硬度和耐磨性的使用要求，工具鋼均為高碳成分，一般經(jīng)過淬火和低溫回火后使用。碳素工具鋼雖然能達(dá)到較高的硬度和耐磨性，但淬透性差，淬火變形傾向大，并且韌性和紅硬性差（只能在２００℃以下保持高硬度）。因此，尺寸大、精度高、承受沖擊載荷和較高工作溫度的工具，都要采用合金工具鋼制造。合金工具鋼的牌號表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼基本相同，只是含碳量的表示方法不同。當(dāng)平均ｗＣ＜１.０％時，牌號前以千分之幾（一位數(shù)）表示；當(dāng)ｗＣ≥１.０％時，牌號前不標(biāo)數(shù)字。合金元素表示方法與結(jié)構(gòu)鋼相同。高速鋼牌號中不標(biāo)出含碳量。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇１.合金工具鋼合金工具鋼通常以用途分類，主要分為量具刃具鋼、耐沖擊工具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無磁工具鋼和塑料模具鋼。２.高速鋼高速鋼主要用于制造高速切削刃具，在切削溫度高達(dá)６００℃時硬度仍無明顯下降，能以比低合金工具鋼更高的速度進(jìn)行切削。高速鋼碳含量高（ｗＣ＝０.７％～１.２％），但在牌號中不標(biāo)出；合金含量高（合金元素總量ＭＭｅ＞１０％），加入的合金元素有鎢、鉬、鉻、釩，主要是提高熱硬性，鉻主要是提高淬透性。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇高速鋼的熱處理特點主要是高的加熱溫度（１２００℃以上）；高回火溫度（５６０℃左右）；高的回火次數(shù)（３次）。采用高的淬火加熱溫度是為了讓難溶的特殊碳化物能充分溶入奧氏體，最終使馬氏體中鎢、鉬、釩等含量足夠高，保證熱硬性足夠高；高回火溫度是因為馬氏體中的碳化物形成元素含量高，阻礙回火，因而耐回火性高；多次回火是因為高速鋼淬火后殘余奧氏體量很大，多次回火才能消除。正因為如此，高速鋼回火時的硬化效果很顯著。五、特殊性能鋼特殊性能鋼指具有某些特殊的物理、化學(xué)、力學(xué)性能，因而能在特殊的環(huán)境、工作條件下使用的鋼，主要包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇１.不銹鋼在腐蝕性介質(zhì)中具有抗腐蝕性能的鋼，一般稱為不銹鋼。鉻是不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素。２.耐熱鋼耐熱鋼是指在高溫下具有熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的鋼，它包括抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼等。熱化學(xué)穩(wěn)定性是指鋼在高溫下對各類介質(zhì)化學(xué)腐蝕的抗力；熱強(qiáng)性是指鋼在高溫下對外力的抗力。對耐熱鋼的主要性能要求是優(yōu)良的高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度。此外，還應(yīng)有適當(dāng)?shù)奈锢硇阅?，如熱膨脹系?shù)小和良好的導(dǎo)熱性，以及較好的加工工藝性能等。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇為了提高鋼的抗氧化性，加入合金元素鉻、硅和鋁，在鋼的表面形成完整的穩(wěn)定的氧化物保護(hù)膜。但硅、鋁含量較高時鋼材變脆，所以一般以加鉻為主，也可加入鈦、鈮、釩、鎢、鉬等合金元素來提高熱強(qiáng)性。常用牌號有３Ｃｒ１８Ｎｉ２５Ｓｉ２、Ｃｒ１３型、１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ等。３.耐磨鋼對耐磨鋼的主要性能要求是很高的耐磨性和韌性。高錳鋼能很好地滿足這些要求，它是目前最重要的耐磨鋼。上一頁下一頁返回任務(wù)４－１工業(yè)用鋼的選擇耐磨鋼高碳高錳，一般ｗＣ＝１.０％～１.３％，ｗＭｎ＝１１％～１４％。高碳可以提高耐磨性（過高時韌性下降，且易在高溫下析出碳化物），高錳可以保證固溶化處理后獲得單相奧氏體。單相奧氏體塑性、韌性很好，開始使用時硬度很低，耐磨性差，當(dāng)工作中受到強(qiáng)烈的擠壓、撞擊、摩擦?xí)r，工件表面迅速產(chǎn)生劇烈的加工硬化（加工硬化是指金屬材料發(fā)生塑性時，隨變形度的增大，所出現(xiàn)的金屬強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象），并且發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使硬度顯著提高，芯部則仍保持為原來的高韌性狀態(tài)。耐磨鋼主要用于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受嚴(yán)重磨損和強(qiáng)烈沖擊的零件，如車輛履帶板、挖掘機(jī)鏟斗等。Ｍｎ１３是較典型的高錳鋼，應(yīng)用最為廣泛。上一頁返回任務(wù)４－２鑄鐵的選擇一、鑄鐵的石墨化在鐵碳合金中，碳除了少部分固溶于鐵素體和奧氏體外，以兩種形式存在：碳化物狀態(tài)———滲碳體（Ｆｅ３Ｃ）及合金鑄鐵中的其他碳化物；游離狀態(tài)———石墨（以Ｇ表示）。滲碳體和其他碳化物的晶體結(jié)構(gòu)及性能在前面章節(jié)中已經(jīng)介紹。石墨的晶格類型為簡單六方晶格，其基面中的原子間距為０.１４２ｎｍ，結(jié)合力較強(qiáng)；而兩基面間距為０.３４０ｎｍ，結(jié)合力弱，故石墨的基面很容易滑動，其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性很低，常呈片狀形態(tài)存在。影響鑄鐵組織和性能的關(guān)鍵是碳在鑄鐵中存在的形式、形態(tài)、大小和分布。工程應(yīng)用鑄鐵研究的中心問題是如何改變石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布。下一頁返回任務(wù)４－２鑄鐵的選擇鑄鐵組織中石墨的形成過程稱為石墨化過程。一般認(rèn)為石墨可以從液態(tài)中直接析出，也可以自奧氏體中析出，還可以由滲碳體分解得到。１.鐵碳合金的雙重相圖實驗表明，滲碳體是一個亞穩(wěn)定相，石墨才是穩(wěn)定相。通常在鐵碳合金的結(jié)晶過程，之所以自液體或奧氏體中析出的是滲碳體而不是石墨，這主要是因為滲碳體的含碳量（６.６９％）較石墨的含碳量（≈１００％）更接近合金成分的含碳量（２.５％～４.０％），析出滲碳體時所需的原子擴(kuò)散量較小，滲碳體的晶核形成較易。但在極其緩慢冷卻（即提供足夠的擴(kuò)散時間）的條件下，或在合金中含有可促進(jìn)石墨形成的元素（如Ｓｉ等）時，那么在鐵碳合金的結(jié)晶過程中，便會直接從液體或奧氏體中析出穩(wěn)定的石墨相，而不再析出滲碳體。上一頁下一頁返回任務(wù)４－２鑄鐵的選擇因此對鐵碳合金的結(jié)晶過程來說，實際上存在兩種相圖，即Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ和Ｆｅ－Ｃ相圖，如圖４.２所示，其中實線表示Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖，虛線表示Ｆｅ－Ｃ相圖。顯然，按Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ系相圖進(jìn)行結(jié)晶，就得到白口鑄鐵；按Ｆｅ－Ｃ系相圖進(jìn)行結(jié)晶，就析出和形成石墨。２.鑄鐵冷卻和加熱時的石墨化過程按Ｆｅ－Ｃ相圖進(jìn)行結(jié)晶，則鑄鐵冷卻時的石墨化過程應(yīng)包括：從液體中析出一次石墨ＣⅠ；通過共晶反應(yīng)產(chǎn)生共晶石墨Ｃ共晶；由奧氏體中析出的二次石墨ＣⅡ。鑄件加熱時的石墨化過程：亞穩(wěn)定的滲碳體當(dāng)在比較高的溫度下長時間加熱時，會發(fā)生分解，產(chǎn)生石墨，即Ｆｅ３Ｃ→３Ｆｅ＋Ｃ。加熱溫度越高，分解速度相對就越快。上一頁下一頁返回任務(wù)４－２鑄鐵的選擇無論是冷卻還是加熱時的石墨化過程，凡是發(fā)生在ＰＳＫ線（Ｆｅ－Ｃ系相圖中）以上，統(tǒng)稱為第一階段石墨化；凡是發(fā)生在ＰＳＫ線以下，統(tǒng)稱為第二階段石墨化。３.影響鑄鐵石墨化的因素（１）化學(xué)成分的影響碳、硅、磷是促進(jìn)石墨化的元素，錳和硫是阻礙石墨化的元素。碳、硅的含量過低，鑄鐵易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能都較差；碳、硅的含量過高，鑄鐵中石墨數(shù)量多且粗大，性能變差。上一頁下一頁返回任務(wù)４－２鑄鐵的選擇（２）冷卻速度的影響冷卻速度越慢，即過冷度越小，越有利于按照Ｆｅ－Ｃ相圖進(jìn)行結(jié)晶，對石墨化越有利；反之冷卻速度越快，過冷度增大，不利于鐵和碳原子的長距離擴(kuò)散，越有利于按Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖進(jìn)行結(jié)晶，不利于石墨化的進(jìn)行。二、常用鑄鐵根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式及石墨的形態(tài)，可將鑄鐵分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵等?；诣T鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵中石墨都是自液體鐵水在結(jié)晶過程中獲得的，而可鍛鑄鐵中石墨則是由白口鑄鐵通過在加熱過程中石墨化獲得。上一頁下一頁返回任務(wù)４－２鑄鐵的選擇三、合金鑄鐵合金鑄鐵是指常規(guī)元素硅、錳高于普通鑄鐵規(guī)定含量或含有其他合金元素，具有較高力學(xué)性能或某些特殊性能的鑄鐵。合金鑄鐵主要有耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵。上一頁返回任務(wù)４－３非鐵合金及粉末冶金的選擇一、鋁及其合金工業(yè)上使用的純鋁，其純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為９９.７％～９８.００％。純鋁呈銀白色，密度為２.７ｇ／ｃｍ３，熔點為６６０℃，具有面心立方晶格，無同素異晶轉(zhuǎn)變，有良好的電導(dǎo)性、熱導(dǎo)性。純鋁強(qiáng)度低，塑性好，易塑性變形加工成材；熔點低，可鑄造各種形狀零件；與氧的親和力強(qiáng)，在大氣中表面會生成致密的Ａｌ２Ｏ３薄膜，耐蝕性良好。純鋁的牌號為：１０７０Ａ、１０６０、１０５０Ａ。工業(yè)純鋁主要用于制造電線、電纜、管、棒、線、型材和配制合金。鋁合金按其成分和工藝特點不同，分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。下一頁返回任務(wù)４－３非鐵合金及粉末冶金的選擇１.變形鋁合金不可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金主要有防銹鋁合金；可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金主要有硬鋁、超硬鋁和鍛鋁。２.鑄造鋁合金鑄造鋁合金按主加元素不同，分為Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系和Ａｌ－Ｚｎ系四類。應(yīng)用最廣的是Ａｌ－Ｓｉ系鑄造鋁合金，成分在共晶點附近，其鑄造組織為粗大針狀硅晶體與α固溶體組成的共晶，鑄造性能良好，但強(qiáng)度、韌性較差。通過變質(zhì)處理，得到塑性好的初晶α固溶體加細(xì)粒狀共晶體組織，力學(xué)性能顯著提高，應(yīng)用很廣。上一頁下一頁返回任務(wù)４－３非鐵合金及粉末冶金的選擇鑄造鋁合金的牌號由“ＺＬ”（“鑄鋁”漢字拼音首字母）加順序號組成。順序號的三位數(shù)字中：第一位數(shù)字為合金系列，１表示Ａｌ－Ｓｉ系，２、３、４分別表示Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｚｎ系；后兩位數(shù)字為合金的順序號。例如，ＺＬ２０１表示１號鋁銅系鑄造鋁合金，ＺＬ１０７表示７號鋁硅系鑄造鋁合金。二、銅及銅合金純銅呈紫紅色，又稱紫銅。銅的密度為８.９６ｇ／ｃｍ３，熔點為１０８３℃，具有面心立方晶格，無同素異晶轉(zhuǎn)變。它有良好的電導(dǎo)性、熱導(dǎo)性、耐蝕性和塑性。純銅易于熱壓和冷壓力加工；但強(qiáng)度較低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。上一頁下一頁返回任務(wù)４－３非鐵合金及粉末冶金的選擇工業(yè)純銅的純度為９９.５０％～９９.９０％，其牌號用“Ｔ”（“銅”字漢語拼音首字母）加順序號表示，共有Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４四個代號。序號越大，純度越低。純銅廣泛用于制造電線、電纜、電刷、銅管、銅棒及配制合金。銅合金有黃銅、青銅和白銅。三、軸承合金滑動軸承中用于制作軸瓦和軸襯的合金稱為軸承合金。當(dāng)軸承支撐軸進(jìn)行工作時，由于軸的旋轉(zhuǎn)，使軸和軸瓦之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦。為了減少軸承對軸頸的磨損，確保機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承合金應(yīng)具有以下性能要求：①較高的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；上一頁下一頁返回任務(wù)４－３非鐵合金及粉末冶金的選擇②摩擦系數(shù)小，表面能儲存潤滑油，耐磨性好；③良好的抗蝕性、熱導(dǎo)性和較小的膨脹系數(shù)；④良好的磨合性；⑤加工性能好，原料來源廣，價格便宜。為了滿足以上性能要求，軸承合金的