第3章 金属材料

1、钢钢非合非合金钢金钢低合低合金钢金钢合金钢合金钢普通质量非合金钢普通质量非合金钢优质非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金特殊质量非合金钢钢普通质量低合金钢普通质量低合金钢优质低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金特殊质量低合金钢钢优质合金钢优质合金钢特殊质量合金钢特殊质量合金钢工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢耐耐 磨磨 钢钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢特特 殊殊 性性能能 钢钢挤压模具挤压模具中碳钢中碳钢 0.250.6%C

2、高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量 510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢平炉炼钢平炉炼钢平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢电炉钢电炉钢 按按 炉炉 别别 分分珠光体钢珠光体钢贝氏体钢贝氏体钢马氏体钢马氏体钢铁素体钢铁素体钢奥氏体钢奥氏体钢莱氏体钢莱氏体钢 按正火组织分按正火组织分亚共析钢亚共析钢共共 析析 钢钢过共析钢过共析钢 按退火组织分按退火组织分l脱氧方法符号脱氧方法符号: 沸腾钢沸腾钢F；镇静钢镇静钢Z；半镇静钢；半镇静钢b；特殊镇静钢特殊镇静钢

3、TZ。l如碳素结构钢牌号表示为如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。l*说明：说明：通常情况下，通常情况下，屈服强度值小屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大时为碳素结构钢，大于于300MPa时为低合金时为低合金高强度钢。高强度钢。齿轮加工齿轮加工方钢方钢钢带钢带l 对于沸腾钢和半对于沸腾钢和半镇静钢镇静钢, 在钢号后分在钢号后分别加字母别加字母F和和b，如，如08F、10b。l 高级优质钢在钢高级优质钢在钢号后加字母号后加字母A，如，如20A。丝锥丝锥锉刀锉刀* 高速钢高速钢不标含碳量，如不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含含0.85%C).* 含铬量小于含铬量小于1%时，

4、在含铬时，在含铬量量(以千分之一为单位以千分之一为单位)前加前加数字数字“0”，如，如Cr06。涡轮叶片涡轮叶片铸钢件铸钢件2.5吨大齿轮铸件吨大齿轮铸件铜陵长江公路大桥铜陵长江公路大桥螺纹钢螺纹钢黄河小浪底枢纽工程黄河小浪底枢纽工程低合金高强钢合金元素细化晶粒作用低合金高强钢合金元素细化晶粒作用l Mn的作用的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。是强化铁素体；增加珠光体的量。l V、Ti、Nb等等起细化晶粒和弥散强化作用。起细化晶粒和弥散强化作用。 l 另外加另外加Cu、P可提高耐蚀性；加可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。疲劳极限，降低冷脆转变温度。南京长

5、江大桥南京长江大桥渗碳炉渗碳炉渗碳件渗碳件高精密独高精密独立导柱立导柱渗碳淬火后的表层组织渗碳淬火后的表层组织柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴用于受力小的用于受力小的耐磨件，如柴耐磨件，如柴油机的活塞销、油机的活塞销、凸轮轴等。凸轮轴等。增压柴油机曲轴增压柴油机曲轴调质件（螺杆）调质件（螺杆）调质件（冷却轮）调质件（冷却轮）破碎机主轴破碎机主轴l为提高表面耐磨性，调质后可为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。进行表面淬火或氮化。回火索氏体回火索氏体调质处理车间调质处理车间(表面淬火表面淬火+低温回火低温回火)装配装配为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织获得最终心部组织.

6、表面：表面： M回回；心部：心部：S回回柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴单缸汽车曲轴单缸汽车曲轴汽车弹簧汽车弹簧汽车板簧淬火线汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧冷卷螺旋压缩弹簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧汽车板簧汽车板簧l1、l用于制造轴承套和滚动体的专用钢用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。种。l轴承工作时轴承工作时, , 承受接触应力承受接触应力( (达达30003500MPa)30003500MPa)、周期性交变、周期性交变圆柱滚圆柱滚子轴承子轴承自动调自动调心球轴承心球轴承推力球轴承推力球轴承滚针滚针轴承轴承lCr还提高耐磨性还提高耐磨性（形成合金渗（形成合金渗碳体）碳体）和耐蚀性。和耐蚀性。l当当1.

7、65%Cr时时,会因会因A增加而增加而使硬度和稳定性下降。使硬度和稳定性下降。 M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)l淬火后进行冷处理淬火后进行冷处理(- -60 - -80), 可以可以减少减少A、稳定尺寸、稳定尺寸. 轴承生产车间轴承生产车间滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承大型轴承大型轴承按用途分为按用途分为:刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢模具模具切削加工切削加工l高碳高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高，碳化物随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，量增加，耐磨性提高，但韧性下降。但韧性下降。 碳素工具钢带碳素工具钢带碳素工具钢材料碳素工具钢材料球

8、状珠光体球状珠光体T12钢正常淬火组织钢正常淬火组织木工凿木工凿木工钻木工钻丝锥丝锥锉刀锉刀手锯条手锯条钻头钻头l由碳素工具钢基础上加入少量合金元素由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。形成。 低合金工具钢制品低合金工具钢制品丝锥丝锥板牙板牙低合金工具钢扳手低合金工具钢扳手l制造高速切削刃具用钢。制造高速切削刃具用钢。高速钢冷轧钢带高速钢冷轧钢带高速钢形材高速钢形材W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织l加工工艺路线：加工工艺路线：下料下料锻造锻造退火退火机加工机加工淬火淬火回火回火磨削磨削打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。分布于基体中。W

9、18Cr4V钢的退火组织钢的退火组织l淬火后组织：淬火后组织： M+未溶碳化物未溶碳化物(10%)+A (20%)W18Cr4VW18Cr4V钢的淬火组织钢的淬火组织Fe77W18Cr4V1C相图相图主要为减主要为减少少A。消除内应力、。消除内应力、稳定组织。稳定组织。l常用常用560三次回火三次回火.l回火时的组织变化：回火时的组织变化： l 析出析出W、Mo、V高速钢硬度与回火温度关系高速钢硬度与回火温度关系铸态铸态淬火回火态淬火回火态淬火态淬火态退火态退火态铣刀铣刀高速钢铣刀高速钢铣刀汽车冲压模具汽车冲压模具 高碳高碳(1.42.3%C)； 高铬高铬(11.513%Cr)l合金元素作用：

10、合金元素作用： Cr 提高淬透性提高淬透性； Mo、V 提高耐磨性，细化提高耐磨性，细化晶粒晶粒。 Cr12钢钢常用钢号常用钢号为为Cr12和和Cr12MoV。用于制造。用于制造冷冷冲模冲模、挤压模挤压模等。等。l最终热处理为最终热处理为: 淬火淬火+低温回火低温回火l使用状态下的组织使用状态下的组织: M回回+颗粒颗粒状碳化物状碳化物+A(少量少量)汽车外板冷冲模汽车外板冷冲模热模锻曲轴毛坯热模锻曲轴毛坯热镦模热镦模凸缘模凸缘模卡尺卡尺塞规塞规千分尺千分尺渐开线花键环渐开线花键环规、塞规规、塞规矩形花键环矩形花键环规、塞规规、塞规光面量规光面量规l 下限温度淬火及冷处理。目的是减少下限温度淬

11、火及冷处理。目的是减少A。l 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。的正方度。指指具有特殊物理、具有特殊物理、化学性能的钢。化学性能的钢。本节只介绍不锈本节只介绍不锈钢和耐热钢。钢和耐热钢。化工管道化工管道的腐蚀的腐蚀裂解管内裂解管内壁的高温壁的高温腐蚀减薄腐蚀减薄l金属的腐蚀分金属的腐蚀分化学化学腐蚀腐蚀和和电化学腐蚀电化学腐蚀。 l工业发达国家每年金属腐蚀工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占造成的直接经济损失占GNP的的4%左右。中国每年腐蚀左右。中国每年腐蚀的损失至少到的损失至少到400亿元以上亿元以上.ZnZnZn-Cu原电池

12、示意图原电池示意图珠光体腐蚀示意图珠光体腐蚀示意图电解液电解液晶间腐蚀晶间腐蚀l可焊性。高的塑韧性可焊性。高的塑韧性,无磁性。无磁性。 l热处理：热处理：采用采用固溶处固溶处理理。即加热到。即加热到1100使碳化物溶解后水冷。使碳化物溶解后水冷。l组织为组织为单相奥氏体单相奥氏体。不锈钢不锈钢带带1Cr17削片刀削片刀l 无无相变相变，不能进，不能进行热处理强化。行热处理强化。l 组织组织：单相铁素体单相铁素体不锈钢棒不锈钢棒不锈钢刀不锈钢刀高温合金中的高温合金中的 析出相析出相高温合金中的弯曲晶界高温合金中的弯曲晶界裂纹中止于晶界颗粒状析出物裂纹中止于晶界颗粒状析出物涡轮机机壳涡轮机机壳汽轮

13、机叶片汽轮机叶片过热器管排过热器管排过热器集箱过热器集箱球磨机衬板球磨机衬板挖掘机铲齿挖掘机铲齿铁路辙岔铁路辙岔（三）（三）高锰钢铸件高锰钢铸件高锰钢高锰钢高锰钢水韧处理组织高锰钢水韧处理组织浇铸高锰钢件浇铸高锰钢件颚式破碎机颚式破碎机挖掘机挖掘机L+GL+Fe3CPWC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 l快冷时由快冷时由于过冷度于过冷度大，结晶大，结晶将按将按 Fe-Fe3C相图相图进行进行, 不利不利于石墨化于石墨化.SiC白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁麻口麻口铸铸铁铁共晶共晶碳、硅含量对铸铁石墨化的影响碳、硅含量对铸铁石墨化的影响l灰铸

14、铁的基体组织有灰铸铁的基体组织有铁素体铁素体、珠光体珠光体和和铁素体加珠光体铁素体加珠光体三种。三种。铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌灰铸铁件灰铸铁件汽缸套汽缸套活塞环活塞环可锻铸铁管件可锻铸铁管件黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火硅铁硅铁硅硅钙钙稀土镁稀土镁l为避免白口，并使石墨细小均为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕匀，在球化处理同时还进行孕育处理。育处理。 l常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。铁素体加

15、珠光体球墨铸铁铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球球墨铸铁中的石墨球 l球墨铸铁球墨铸铁可进行各可进行各种热处理种热处理,如如退火退火、正正火火、淬火加淬火加回火回火、等温等温淬火淬火等等。 制品制品(轧辊与辊环轧辊与辊环)贝氏体基球墨铸铁贝氏体基球墨铸铁核燃料贮存运输核燃料贮存运输容器容器(QT350-22)铸铁曲轴铸铁曲轴 稀土硅铁合金稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。稀土硅铁钙合金等。l蠕墨铸铁的组织：蠕墨铸铁的组织： 基体（基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状蠕虫状G 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中

16、的石墨珠光体基体珠光体基体铁素体基体铁素体基体玻璃模具玻璃模具l在工业生产中，通常把在工业生产中，通常把铁及其合金称为铁及其合金称为黑色金黑色金属属，把其他非铁金属及，把其他非铁金属及其合金称为其合金称为有色金属有色金属。 同时把密度低于4.5103kg/m3的金属称为轻金属轻金属。铝合金制造的机翼铝合金制造的机翼铝合金型材铝合金型材铝铸件铝铸件铝合金分类示意图铝合金分类示意图1. 铝合金的分类铝合金的分类l铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。（1）固溶强化）固溶强化l固溶处理固溶处理是指将合金加是指将合金加热到固溶线以上，保温热到固溶线以上，保温加热固溶淬火过

17、饱和时效析出值，超过峰值时间，值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强析出相聚集长大，强度下降，为度下降，为过时效过时效。随时效温度提高，峰随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值强度下降，出现峰值的时间提前。值的时间提前。含含4%Cu铝合金的时效曲线铝合金的时效曲线 时效时间时效时间/d全世界铝的用量全世界铝的用量百万吨百万吨一次生产量二次回收量总用量铝合金制品铝合金制品卫星天线卫星天线（LF2） 提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。l防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削

18、性能差。焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。l不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 l常用硬铝合金如常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等螺旋桨、梁、铆钉等. 飞机翼梁飞机翼梁(腹板腹板为硬铝合金为硬铝合金)飞机主起落架飞机主起落架lAl-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金系耐热锻铝合金 常用牌号有常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等等 。用于制造。用于制造150 225下工作的零件

19、，如压气机叶片、超音速飞机下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。蒙皮等。l又称又称硅铝明硅铝明。其中。其中ZL102(ZAlSi12)是含是含12%Si的铝硅二元合的铝硅二元合金，称为金，称为简单硅铝明简单硅铝明. 57712.7%未变质处理未变质处理 经变质处理经变质处理 ZL102的铸态组织的铸态组织活塞活塞( (裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金) )l用于制造飞机、仪用于制造飞机、仪表、电动机壳体、表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。发动机活塞等。汽缸头汽缸头l常用代号有常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。等。主要用

20、于主要用于制造在较高温度下工作制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。汽缸头、汽车活塞等。l常用代号为常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等等.l主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。鼓风机密封件等鼓风机密封件等(ZL102、301)l常用代号为常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等等.l主要用于制造形状复主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、杂受

21、力较小的汽车、飞机、仪器零件。飞机、仪器零件。美美F-22战机约战机约36%重量的零重量的零件用钛合金制造件用钛合金制造钛钢复合反应釜钛钢复合反应釜钛管换热器钛管换热器钛制蒸馏塔钛制蒸馏塔l按退火组织，钛合金可分按退火组织，钛合金可分为为 型钛合金、型钛合金、 型钛合金型钛合金和和 + 型钛合金三类，它型钛合金三类，它们的牌号分别用们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示加顺序号表示 。如。如TA5、TB2、TC4等。其等。其中中TA0TA3为工业纯钛。为工业纯钛。 钛合金泵钛合金泵钛合金氢泵钛合金氢泵诱导轮诱导轮钛合金氢泵壳体钛合金氢泵壳体钛合金卫星框架钛合金卫星框架钛合金液下泵钛合金液下

22、泵 -Ti合金组织合金组织钛合金管钛合金管钛合金管应用钛合金管应用钛合金棒钛合金棒钛合金眼镜架钛合金眼镜架钛离心泵钛离心泵钛合金列管式换热器钛合金列管式换热器+钛合金组织钛合金组织+钛合金组织（电镜）钛合金组织（电镜）生物医生物医用材料用材料飞机压气机叶片飞机压气机叶片热轧铜合金热轧铜合金铜管铜管铜与黄铜带铜与黄铜带黄铜棒黄铜棒l从铜锌合金相图可以看出黄铜有从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和和 + 两种组织两种组织,分别称分别称单相黄铜单相黄铜和和两相黄铜两相黄铜。 冷凝器管冷凝器管汽车机油泵衬套汽车机油泵衬套黄铜制品黄铜制品青铜制品青铜制品锡青铜锭锡青铜锭Cu-Sn相图相图l主要用于耐蚀承载件主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。轴、蜗轮、垫圈等。 锡青铜管锡青铜管船用青铜软船用青铜软管快速接头管快速接头阀阀( (锡青铜阀锡青铜阀体、阀盖体、阀盖) )大型水力发电设备中的抗磨环大型水力发电设备中的抗磨环 磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。能好，但焊接性能差。 l常用牌号有常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。等。