常用金屬材料及性能PPT課件

1、第5章 常用金屬材料及性能,5.1 工業(yè)用鋼分類與牌號,5.2 結(jié)構(gòu)鋼（structural steel）,5.3 滾動軸承鋼、工具鋼、不銹鋼和耐熱鋼,5.4 鑄鐵（cast iron）,5.5 有色金屬及其合金（non-ferrous alloy）,5.6 粉末冶金材料（自學(xué)）,5.1 鋼的分類與鋼中的合金元素（alloy element） 5.1.1 工業(yè)用鋼分類與牌號 (1) 我國現(xiàn)行鋼分類與牌號的特點 有統(tǒng)一國標(biāo)，鋼號直觀、實用，并靠近國際標(biāo)準(zhǔn)。 (2) 鋼的分類 按Wc：低碳鋼（0.25%）； 中碳鋼（0.250.60%）; 高碳鋼（0.60%）。 按冶金質(zhì)量：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)

2、質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì) 鋼。 按脫氧程度：沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。 按用途、成分、性能和熱處理特點（最實用）。,表5-1,圖5-1,(3)鋼的牌號 要 求：會識別、（圖紙上）一看就明白。 基本類型：兩類 主要以力學(xué)性能表示：如Q235AF（常簡寫成 Q235，不保證化學(xué)成分）。 主要以化學(xué)成分表示：碳與合金元素含量。 例1. 45 Wc=0.45%的優(yōu)質(zhì)鋼。 例2. 08F Wc=0.08%的沸騰鋼。 例3. 40Cr Wc=0.40%及Wcr=1%。 記憶方式與技巧介紹。,表5-2,5.2 結(jié)構(gòu)鋼（structural steel） 用于結(jié)構(gòu)件 工程結(jié)構(gòu)：如建筑物珩架、橋梁、車輛等。

3、機器零件：如齒輪、螺栓、軸等。 5.2.1 碳素結(jié)構(gòu)鋼（carbon structural steel） 保證力學(xué)性能：一般用途；以型材（棒、板、型鋼）供應(yīng)。 組 織 狀 態(tài)：軋后空冷、F+P；不再熱處理。設(shè)計時注意尺寸效應(yīng)。 典 型 牌 號：Q235。,表5-3,5.2.1 低合金高強度鋼（HSLA） 添加少量合金元素（Nb、V等）起各種強化作用。 用于重要工程結(jié)構(gòu)（橋梁、壓力容器等），能減輕自 重、降低成本等。 典型牌號：Q295、Q420等。,表5-4,5.2.2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 Ws、 Wp 0.035 % 性能特點： 隨Wc升高，強度和硬度提高，塑、韌性有所下降。 零件制造中若經(jīng)過熱

4、處理，可大幅度提高性能(強度)。 應(yīng)用: 0825(15Mn)：低碳鋼，塑性好，可焊性好，直接沖壓成形或作焊接件。 1525：低碳鋼，可作滲碳用鋼。 3055：中碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理做較重要的機器零件。 60： 中高碳鋼，淬火中高溫回火，一般彈簧及較 高強度零件。,表5-5,5.2.3 合金結(jié)構(gòu)鋼（alloy structural steel） (1)合金滲碳鋼 用途及性能特點： 用于承受較大沖擊負(fù)荷、同時表面經(jīng)受強烈摩擦磨損的零 件(如換檔齒輪等)。經(jīng)滲碳及淬、回火后，表硬內(nèi)韌。 合金化原則： 低碳(0.25%)，保證滲碳及熱處理后表、里的良好配合。 加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保

5、證心部良好強韌性。 加V、Ti、W等，阻止?jié)B碳時晶粒長大。,熱處理特點：一般滲碳后預(yù)冷、直接淬火低溫回火 (55HRC)。 常 用 鋼 種：低淬透性15(20)、20Cr； 中淬透性20CrMnMo、20MnTiB； 高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。,表5-6,(2)合金調(diào)質(zhì)鋼 用途及性能特點： 高強度（承受較大負(fù)荷）及高韌性（防止斷裂事故）的 重要零件（如機床主軸）具有良好的綜合力學(xué)性能。 合金化原則： 中碳（0.300.5%），保證熱處理后足夠強度，又不致太脆。 加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保證大截面均一的性能。 細(xì)化晶粒元素（V、W、Mo等）。 加Mo，消除

6、回火脆性。 熱處理：調(diào)質(zhì)即淬火+高溫回火（500650） 。 常用典型鋼種：低淬透性:45、40Cr、40MnB； 中淬透性:35CrMo、30CrMnSi； 高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。,表5-7,(3)合金彈簧鋼 用途、性能： 承受較大負(fù)荷的彈簧；高的e、-1及s/b。 合金化： 中、高碳（0.450.9%）； 加Sie及（s/b）； 加Mn、Si、或Cr淬透性； 加Mo、W、V細(xì)化晶粒（重要彈簧）。 熱處理： 淬火中溫回火，回火屈氏體 4248HRC。 常用鋼種： 65；65Mn；60Si2Mn；50CrV。,表5-8,5.2.4 其它結(jié)構(gòu)鋼 易切削鋼： 加S、Pb、C

7、a、P等（減摩、易斷屑等），提高切削加工性，強度次要。 鑄鋼（鑄鋼件）： 特 點：直接鑄造成零件的結(jié)構(gòu)鋼，用于形狀復(fù)雜、 性能要求較高的場合。重型機械，礦山、工 程機械等。 成 分：低、中碳。 熱處理：進(jìn)行正火、退火，重要件進(jìn)行淬火、回火。,表5-9,5.3 滾動軸承鋼、工具鋼、不銹鋼和耐熱鋼 5.3.1 滾動軸承鋼（rolling bearing steel） 用途、性能： 軸承零件；高抗壓強度、疲勞強度、高硬度與耐磨性。 合 金 化： 高碳（0.951.15%），0.41.65%Cr，以及特殊要求的成分。 S、P要求嚴(yán)，冶金質(zhì)量高。 熱 處 理：球化退火（預(yù)先熱處理）及淬火、低溫回 火，6

8、064HRC。 典 型 鋼 種：GCr15（中小型軸承）; G20Cr2Ni4（大型滲碳軸承）; 9Cr18（不銹軸承）。,表5-10,5.3.2 工具鋼（tool steel） 刃具鋼 用途、性能： 較高切削的刀具；高硬度、高耐磨性及高熱硬性。 合金化（高速鋼）： 高碳（c0.8%）,以形成大量碳化物，保證高硬度、高耐磨性。 較多W與Mo（10%）,產(chǎn)生W2C、Mo2C等細(xì)小彌散硬化，保證熱硬性。 4%Cr，淬透性。 加V，提高硬度、耐磨性。 熱 處 理：預(yù)先熱處理；1200-1300 高溫淬火+3次 560回火,回火馬氏體+碳化物,6266HRC。 典型鋼種：W6Mo5Cr4V2、W9Mo

9、3Cr4V、W18Cr4V。,圖5-2,圖5-3,表5-13,表5-11,表5-12,模具鋼 1)冷作模具鋼：高碳（合金）鋼。 用途、性能：各種冷沖壓、冷成型模具；高硬度高耐 磨性、足夠整體強度與韌性。 合金化：高碳Wc0.60.7%； 淬透性元素：主加Cr，另Mn、Si； Mo、V細(xì)化晶粒;Cr、Mo、W、V提高耐磨性。 熱處理： 淬火+低溫回火，58HRC，細(xì)小馬氏體+碳化物+少 量殘余奧氏體。 典 型 鋼 種： T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15、 Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。,2)熱作模具鋼：中碳合金鋼 用途、性能： 鍛模、熱擠壓模、熱彎模等；

10、耐熱性、高溫強度，耐熱 疲勞，高淬透性。 合金化： 中碳（0.30.6%）,保證強度、韌性等。 Cr、W、Si（抗熱疲勞）；Mo、W、V（高溫強度）； Cr、Mo、W等多元（淬透性）。 熱處理： 淬火、中溫回火（高于工作溫度），3550HRC，回火屈氏體、回火馬氏體。 典型鋼種： 45、40Cr(很少用)；5CrNiMo、5CrMnMo； 3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。,量具鋼：高碳（低合金）鋼 用途、性能： 各種量具（卡尺、塊規(guī)等）；高硬度、高耐磨性，高尺寸穩(wěn)定性。 合金化： 高碳（0.8%）；Cr、Mn、Si 等（淬透性）；Cr、W等（耐磨性）

11、。 熱處理： 淬火+（冷處理）+多次回火，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變及穩(wěn)定尺寸。 典型鋼種： 9SiCr、CrWMn、GCr15 或滲碳鋼，硬質(zhì)合金。,5.3.3 不銹鋼和耐熱鋼 不銹鋼（Stainless Steel） 用途、性能： 腐蝕環(huán)境中的工作零件；耐蝕性及附加力學(xué)性能（強 度、硬度）等。 合金化： 加Cr（1213%）提高電極電位、鈍化能力，使耐蝕性。 加足夠Ni或Cr ，呈單相奧氏體或單相鐵素體狀態(tài)。 加Ti、Nb等與碳形成穩(wěn)定晶內(nèi)碳化物，使晶間腐蝕。 可加Mn、N代Ni奧氏體不銹鋼。,熱 處 理：A 不銹鋼：固溶處理(高溫快冷)； F 不銹鋼：退火處理； M不銹鋼：淬火、回火。 典型鋼種：

12、A 不銹鋼：1Cr18Ni9Ti； F 不銹鋼：1Cr17； M不銹鋼：3Cr13，9Cr18。,表5-14上,表5-14下,耐熱鋼（heat resistant steel） 用途、性能： 高溫下工作零件（如鍋爐管道）；高溫強度、抗氧化性等。 合金化： 低、中碳； Cr、Ni、Si、Mo等固溶強化； Cr、Si、Al等抗氧化； V、W、Mo形成穩(wěn)定碳化物彌散強化。 熱處理（視用途而定）和典型鋼種。,表5-15,5.4 鑄鐵（cast iron） c2.11%，有共晶反應(yīng)。主要介紹石墨化鑄鐵。 5.4.1 鑄鐵的主要類型及其特點 碳的形態(tài)與鑄鐵類型 一定條件下：Fe3C（亞穩(wěn)態(tài)） 3Fe+G（

13、穩(wěn)定態(tài)） 碳呈化合態(tài)的Fe3C和共晶萊氏體；極脆，稱白口鑄鐵 （斷口白殼），應(yīng)用很有限。 碳呈游離態(tài)的石墨，（G）具有多種形態(tài)，鑄造性能優(yōu) 良，應(yīng)用廣泛。,圖5-4,各類鑄鐵的特點 1) 共性： 成 分：高碳、高硅（易形成G）及雜質(zhì)S、P較寬 （成本低廉、易澆注）。 組 織：鋼基（F、F+P、P等）+G。 性 能：G的存在，具有多重性影響。 分析基點：G作為空洞或裂紋看待。 割裂基體，承載面積 b，k。 G 本身應(yīng)力集中鑄鐵易脆斷。 G是裂紋萌生及擴展通道抗壓不抗拉，宜作承壓件。 G存在加工性能好（鑄造、切削加工）；減震減摩； 較小缺口敏感性。,2)各類鑄鐵的特點 灰鑄鐵 : 直接結(jié)晶獲得、成

14、分亞共晶。 特點：片G應(yīng)力集中、割裂基體嚴(yán)重；鑄造性能最好。 應(yīng)用：承壓或受力不大的形狀復(fù)雜件或薄壁件（如箱體等）。 典型牌號：HT200。 可鍛鑄鐵: 鐵水白口鐵石墨化退火 Fe3C分解為團絮狀G。 特點：性能優(yōu)于灰鑄鐵（但并不可鍛），工藝復(fù)雜。 應(yīng)用：一定承載能力的結(jié)構(gòu)件。 典型牌號：KTH35010。,圖5-5,圖5-6,圖5-7,圖5-8,表5-16,圖5-9,表5-17,球墨鑄鐵（球鐵）： 直接結(jié)晶、球化處理（加稀土鎂球化劑）。 特點：高碳高硅（接近共晶成分）、雜質(zhì)少；強度和塑性改善，基體作用加強，性能在鑄鐵中最好。 應(yīng)用：沖擊負(fù)荷不大時可代鋼（如柴油機曲軸）。 典型牌號：QT450

15、10。 蠕墨鑄鐵 ： 直接結(jié)晶獲得（G形態(tài)介于片狀與球狀之間），力學(xué)性 能明顯優(yōu)于灰鑄鐵、劣于球鐵，加工性能等優(yōu)于球鐵。 RuT300等。,表5-18,5.4.2 鑄鐵的熱處理 石墨化退火：生產(chǎn)可鍛鑄鐵，消除鑄件薄壁處白口。 去應(yīng)力退火：用于各種鑄件。 正火、淬火回火：主要用于球鐵（提高基體強度）。,5.5 有色金屬其合金（non-ferrous alloy） 5.5.1 鋁及鋁合金 純鋁：導(dǎo)電導(dǎo)熱、抗大氣腐蝕；太軟。 (1)鋁合金及其特點 比強度高（高強鋼）。可用于輕結(jié)構(gòu)件，尤其航空。 突出理化性能。導(dǎo)電、抗大氣腐蝕。 良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金鑄造性能好，宜作壓鑄件。,(2)鋁

16、合金分類 變形鋁合金： 不可時效強化的鋁合金： 防銹鋁（F以左），單相固溶體，強度低、壓力加工性能好；用其優(yōu)良的耐蝕性能。牌號標(biāo)記LF。 可時效強化的變形鋁合金： 硬鋁（LY）、超硬鋁（LC）和鍛鋁（LD）。固溶時效提高性能。,表5-19,圖5-10,鑄造鋁合金： 具有共晶轉(zhuǎn)變的合金，鑄造性能良好。 提高性能方法：變質(zhì)細(xì)化粗鑄態(tài)組織；時效硬化。 牌號 ：ZAL或ZL (3)鋁合金的熱處理： 退火：消除應(yīng)力退火（200300）；再結(jié)晶退火（350415）。 固溶時效硬化：500水冷 + 人工時效（200）或自然時效（4天）。,表5-20,5.5.2 銅及銅合金 (1)銅和銅合金的特點 較好的理化

17、性能 導(dǎo)電材料，導(dǎo)熱（純銅，汽車散熱器）；抗大氣、海水腐蝕（黃銅）。 良好的加工性 易冷成形，且鑄造銅合金，有良好鑄造性能。 某些特有性能 優(yōu)良減摩性和耐磨性（青銅和部分黃銅，滑動軸承或蝸輪等），高的e和-1（鈹青銅，彈性元件）。 色澤美觀,(2)銅合金 黃銅(Cu-Zn)、白銅(Cu-Ni)、青銅(其它,主要為Cu-Sn)。 1)黃銅 主要CuZn合金 類別： 普通黃銅(CuZn)；特殊黃銅(加工黃銅、鑄造黃銅)，是在Cu-Zn基礎(chǔ)上再加Ni、Pb、Al等，較高強度和耐蝕 性。 典型牌號： H96(加工黃銅)，HPb601(特殊黃銅)，ZH(鑄造黃銅)。,表5-21,2)青銅 主要為CuSn合金 壓力加工青銅： 錫青銅（Sn2%5%）、鋁青銅（Al4%8%）及鈹青銅。 儀器儀表元件，耐蝕場合的耐磨件、抗磁件等。 鑄造青銅： 有共晶體（Sn 9%11%、Al9%11%），蝸輪、齒輪 （減摩耐蝕）。,表5-22,5.6 粉末冶金材料（自學(xué)） 課堂討論： 1.一般而言，什么情況下用