汽車常用金屬材料

1、第十四章 汽車常用金屬材料第一節(jié) 金屬的性能 一、金屬的機(jī)械性能 二、金屬的物理、化學(xué)性能及工藝性能第二節(jié) 汽車常用碳素鋼、鑄鋼及其熱處理 一、碳素鋼的基本知識(shí) 二、碳素鋼在汽車中的應(yīng)用 三、鑄鋼在汽車中的應(yīng)用 四、鋼的熱處理第三節(jié) 汽車常用合金鋼 一、合金鋼的基本知識(shí) 二、合金結(jié)構(gòu)鋼及其在汽車中的應(yīng)用 三、合金工具鋼 四、特殊性能鋼第四節(jié) 汽車用鑄鐵 一、灰鑄鐵 二、可鍛鑄鐵 三、球墨鑄鐵 四、合金鑄鐵第五節(jié) 汽車用有色金屬 一、鋁及鋁合金 二、銅及銅合金 三、軸承合金第十四章 汽車常用金屬材料第一節(jié) 金屬的性能 金屬材料金屬材料:以一種金屬元素為基體，加入其它金屬元素或非金屬元素而形成的具

2、有金屬特性的材料。 大部分汽車零件是由金屬材料制造的，因此，汽車的性能很大程度上決定于金屬材料的性能。 一、金屬的機(jī)械性能 載荷：或稱為外力、負(fù)荷，分為拉力、壓力、扭矩等。 機(jī)械性能：是指金屬材料受到各種不同性質(zhì)載荷的作用，所表現(xiàn)出的力學(xué)性能。它包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌度和抗疲勞強(qiáng)度等性能指標(biāo)。（一）強(qiáng)度 強(qiáng)度：金屬在載荷（外力）作用下，抵抗變形和不受損壞的能力。 按載荷的不同強(qiáng)度分為抗拉、抗壓、抗剪、抗扭、抗彎曲等五種。 內(nèi)力：金屬內(nèi)部原子阻止變形的抗力。其數(shù)值大小和外力相等，方向相反。 應(yīng)力：材料單位面積上的內(nèi)力大小。 注：載荷類型不同，內(nèi)力的表現(xiàn)形式也不同，因此金屬?gòu)?qiáng)度指標(biāo)也不同。但實(shí)際

3、應(yīng)用中最為廣泛的是拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，其它強(qiáng)度指標(biāo)與拉伸強(qiáng)度指標(biāo)有一定的關(guān)系，知道拉伸強(qiáng)度就可以近似地預(yù)測(cè)其它強(qiáng)度指標(biāo)，而且測(cè)定金屬拉伸強(qiáng)度的方法拉伸試驗(yàn)法也最為簡(jiǎn)單。 拉伸試驗(yàn) ： 試驗(yàn)準(zhǔn)備：試驗(yàn)機(jī)、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 39786）規(guī)定要求的圓形拉伸試樣，如圖14-1所示。 試驗(yàn)時(shí)，將試樣放到試驗(yàn)機(jī)上，勻速緩慢地向試樣兩端施加軸向靜拉力，直至拉斷為止。 做出拉伸曲線圖，又稱為“應(yīng)力應(yīng)變曲線”，如圖14-2所示。 拉伸曲線圖的五個(gè)階段： 1. oe彈性變形階段 ： 2. es微量塑性變形階段 3. ss屈服階段 4. sb大量塑性變形階段 5. bk頸縮階段 可見，金屬在外載作用下，變形有三個(gè)階段：

4、彈性變形、彈塑性變形和斷裂。 注：只有塑性材料的塑性變形有五個(gè)階段。 由上述各階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以得出幾個(gè)機(jī)械性能的強(qiáng)度指標(biāo)： 彈性極限e金屬材料抵抗彈性變形的最大應(yīng)力。 屈服極限（屈服強(qiáng)度）s金屬材料抵抗塑性變形的應(yīng)力。 強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）b金屬材料抵抗塑性變形不致斷裂的最大應(yīng)力。 以上三個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)具有重要的實(shí)際意義。例如，汽車上許多零件都不允許產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形，象氣缸蓋螺栓，就是以屈服極限為設(shè)計(jì)依據(jù)。強(qiáng)度極限也是設(shè)計(jì)零件時(shí)的主要依據(jù)之一。（二）硬度： 硬度：金屬表面上局部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破壞的能力。 硬度是金屬材料的重要機(jī)械性能。雖然硬度與強(qiáng)度間沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以通過(guò)大

5、量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出粗略的換算關(guān)系。而硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易迅速，性能測(cè)試時(shí)又不損壞金屬零部件。所以，可以通過(guò)硬度試驗(yàn)檢驗(yàn)工具和零件的質(zhì)量。 硬度試驗(yàn)廣泛應(yīng)用的有布氏硬度和洛氏硬度試驗(yàn)方法。 1. 布氏硬度 試驗(yàn)原理：用直徑為D的淬硬圓鋼球以規(guī)定的載荷F壓入被測(cè)試材料表面，保持一定時(shí)間后，卸除載荷，測(cè)量被測(cè)材料的表面壓痕直徑d和壓痕球面積A，計(jì)算平均壓力FA的大小作為材料的布氏硬度指標(biāo)，如圖14-3所示。 布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，鋼球的直徑和載荷F是根據(jù)被測(cè)試材料的種類、性質(zhì)和厚度，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 23184）的規(guī)定選擇，試驗(yàn)后用專門的刻度放大鏡測(cè)出壓痕直徑d的大小，再查布氏硬度值表即可得到布氏硬度值

6、。布氏硬度用符號(hào)HB表示，習(xí)慣不寫單位。 布氏硬度只適用于硬度較低，尺寸較大的金屬材料。廣泛應(yīng)用于退火或調(diào)質(zhì)后的鋼件、灰口鑄鐵和有色金屬等較軟的材料。 由于布氏硬度是材料局部范圍抵抗變形的能力，所以布氏硬度與材料的抗拉強(qiáng)度之間存在一定的換算關(guān)系，對(duì)一般的碳鋼有如下近似關(guān)系： 當(dāng)HBS175時(shí)，b0.36HBS。 當(dāng)HBS175時(shí)，b0.35HBS。 2.洛氏硬度 試驗(yàn)原理：洛氏硬度試驗(yàn)和布氏硬度試驗(yàn)同樣采用壓入法測(cè)定硬度。兩者的區(qū)別是洛氏硬度試驗(yàn)用的壓頭是一個(gè)120o的圓錐形金鋼石壓頭，施加相應(yīng)載荷后，測(cè)定金屬材料壓痕的深度，以壓痕深度來(lái)表示硬度值。洛氏硬度用HRC表示，如圖14-4 所示。

7、洛氏硬度試驗(yàn)可以直接從刻度盤上讀取硬度值；壓痕小，可測(cè)定成品及薄的工件；測(cè)試的硬度范圍大，可以測(cè)從極軟到極硬的金屬材料。但洛氏硬度測(cè)試壓痕小，測(cè)量值有時(shí)不夠準(zhǔn)確，所以，同一試樣應(yīng)測(cè)三點(diǎn)以上，取其平均值。（三）塑性 塑性：材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形而不被破壞（不斷裂）的能力。 材料具有良好的塑性，有利于金屬的冷沖壓成型加工。如汽車駕駛室外殼、車箱板、油箱等，在其成型過(guò)程中，若金屬材料塑性不好，則在成形時(shí)容易開裂。 衡量材料塑性好壞的指標(biāo)是延長(zhǎng)率和斷面收縮率。 1. 延長(zhǎng)率：是指金屬試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)被拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比值的百分比用表示。 2. 斷面收縮率：是指金屬試樣進(jìn)行

8、拉伸試驗(yàn)拉斷處橫截面積縮小量與原始橫截面積之比值的百分率。用表示。 （四）韌度 沖擊載荷：在汽車運(yùn)行時(shí)，汽車的許多零件要受到一些突然施加的外力作用。如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、彈簧鋼板、大梁、前工字梁等在汽車起動(dòng)、制動(dòng)及速度突然改變時(shí)，都會(huì)受到突然施加的力作用。這種突然作用的力稱為沖擊載荷。 韌度：防止零件受沖擊載荷作用而破壞的能力。 受沖擊載荷作用的零件不僅要有較高的強(qiáng)度和一定的硬度，還要有足夠的沖擊韌度，以防止零件受沖擊載荷作用而破壞。 衡定材料韌度的方法是：擺錘式一次能量沖擊試驗(yàn)、 小能量多次沖擊。 1. 擺錘式一次能量沖擊試驗(yàn) 把帶有缺口的試樣放在一次擺錘試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)定金屬承受沖擊載荷的能力。如圖1

9、4-5所示在實(shí)際應(yīng)用中，直接從試驗(yàn)機(jī)上讀出擺錘打斷試樣所作的沖擊功k，然后將沖擊功k的值除以試樣缺口處的橫截面積A便得到?jīng)_擊韌性k。 2. 小能量多次沖擊 實(shí)際上，汽車上零件在動(dòng)載荷作用下并非一次或幾次沖擊而破壞的。多數(shù)情況是零件承受的沖擊載荷屬于小能量的多次沖擊載荷。因此，利用小能量多次沖擊試驗(yàn)，得到的韌度值更符合實(shí)際。試驗(yàn)原理如圖14-6所示。（五）疲勞 交變應(yīng)力 ：載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力的大小和方向呈周期性變化 。 疲勞：零件在其遠(yuǎn)低于該材料的強(qiáng)度極限、甚至低于屈服極限的交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。 許多汽車零件，如齒輪、鋼板彈簧、曲軸等在工作時(shí)承受的載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力都是交變應(yīng)力。容易發(fā)生疲

10、勞或疲勞斷裂。 零件產(chǎn)生疲勞破壞的因素： 1. 材料的表面或內(nèi)部的缺陷（如加工刀痕、原有裂紋、軟點(diǎn)、夾雜、夾角等應(yīng)力集中源） 2. 零件受到交變應(yīng)力的大小、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力特性。 如圖14-7所示，是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的疲勞斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與交變應(yīng)力的關(guān)系曲線疲勞曲線。從曲線可以看出，應(yīng)力值越低，則斷裂前的循環(huán)次數(shù)o越多。當(dāng)應(yīng)力降到一定值時(shí)，疲勞曲線與橫軸平行，應(yīng)力低于此值時(shí)，材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，此應(yīng)力值稱為疲勞極限，也叫疲勞強(qiáng)度。 提高零件的疲勞強(qiáng)度的措施： 除了改善結(jié)構(gòu)形狀，避免內(nèi)外部應(yīng)力集中外，還可以通過(guò)提高零件表面加工質(zhì)量或采取各種表面強(qiáng)化的方法來(lái)達(dá)到，如在零件表面進(jìn)行噴丸、滾壓、

11、拋光及表面熱處理等。 二、金屬的物理、化學(xué)性能及工藝性能 （一）物理性能：金屬材料的物理性能主要包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性和電阻率等。 不同用途的零件對(duì)物理性能的要求也不同。如散熱器水箱要選用導(dǎo)熱性好的材料；發(fā)動(dòng)機(jī)活塞應(yīng)選用比重輕的鋁合金。常用金屬的物理性能見表14-1（查看此表）。 （二）化學(xué)性能：金屬的化學(xué)性能是指在室溫或高溫條件下發(fā)生或抵抗各種化學(xué)作用的能力。在工程上常指金屬抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕的能力，包括抗氧化性和抗腐蝕性。 工作于惡劣環(huán)境下的零件選擇材料時(shí)應(yīng)注意其化學(xué)性能。 （三）工藝性能：工藝性能是指金屬材料接受加工成型的能力。它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、

12、切削加工性能及熱處理性能等。 在設(shè)計(jì)及制造零件時(shí)，要綜合考慮材料的選擇及加工方法，這時(shí)必須考慮金屬材料的工藝性能。如灰口鑄鐵鑄造性能好，但其壓力加工及焊接性能較差，故廣泛應(yīng)用于鑄造形狀復(fù)雜、尺寸較大的零件。表表14-1 常用金屬的物理性能常用金屬的物理性能 第二節(jié) 汽車常用碳素鋼、鑄鋼及其熱處理 一、碳素鋼的基本知識(shí) 鋼鐵材料（鐵碳合金）：以鐵（Fe）為基礎(chǔ)的鐵碳合金統(tǒng)稱為鋼鐵材料。它是由多種元素組成的多成份的復(fù)雜合金，但最基本是由鐵和碳兩種元素組成，因此通常稱為鐵碳合金。 碳素鋼（碳鋼）：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2.11的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡(jiǎn)稱碳鋼 。碳素鋼的機(jī)械性能可以滿足許多零件和工具的要求，

13、又有良好的工藝性能，而且生產(chǎn)方便，價(jià)格低廉，因此在汽車、拖拉機(jī)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。 鑄造生鐵 ：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11的鐵碳合金稱為鑄造生鐵。 （一）碳及幾種雜質(zhì)元素對(duì)碳素鋼性能的影響 1.碳 碳是決定鋼性能的主要元素。當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.77時(shí)，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高，鋼的強(qiáng)度和硬度也愈高，而塑性和韌性則愈低。當(dāng)超過(guò)1.0以后，鋼的硬度仍將升高，但鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性都將顯著下降，脆性也增大。 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的加工工藝性能也有較大的影響。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的鋼強(qiáng)度低、塑性好、容易鍛造和冷加工成型（如冷彎、冷沖壓、冷擠、冷鉚）等。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的鋼其焊接性能良好，采用一般的焊接方法就能獲得良

14、好的焊接質(zhì)量。反之，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的鋼，塑性變形抗力增加，塑性變形能力差而不易冷壓力加工成型；鋼中隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大其可焊接性能也逐漸變差。 2.錳 錳是煉鋼時(shí)作為脫氧除硫元素，以錳鐵合金形式加入鋼中的。錳具有很好的脫氧能力，它與鋼液中的氧結(jié)合，形成氧化錳（MnO）鋼渣，降低鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而改善鋼的質(zhì)量。錳的另一個(gè)重要作用是與硫化合，形成硫化錳（MnS），以消除硫在鋼中的有害作用。錳也能溶于鐵素體和滲碳體形成（FeMn）3C，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但也降低了鋼的塑性。碳素鋼錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.50.8時(shí)，錳在鋼中為有益元素。錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)再高，可使鋼成為各種性能不同的合金鋼。 3.硅 硅

15、在鋼中也是一種有益元素。它能與鋼液中的氧化合，形成二氧化硅（SiO2），再與其它氧化物（FeO、MnO、Al2O3)結(jié)合形成硅酸鹽鋼渣，降低鋼的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可使鋼質(zhì)致密。硅在碳鋼中質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于0.5，它能溶于鐵素體，使鐵素體強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。 4.硫 硫是隨生鐵、廢鋼和燃料進(jìn)入鋼中的有害元素。硫在鋼中不溶于鐵，而以FeS形式存在，其熔點(diǎn)為1190。而FeS還會(huì)與Fe反應(yīng)形成熔點(diǎn)只有985的共晶硫化物（FeSFe）分布在晶界上，當(dāng)對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行軋制和鍛造熱加工時(shí)，由于鋼材的熱壓加工溫度均高于共晶硫化物溫度，從而造成共晶硫化物在晶界熔化而引起鋼材的開裂，

16、這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。 硫在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)有嚴(yán)格的控制。普通鋼硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.055，優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)分別小于0.040和0.030。 5.磷 磷也是隨同礦石、生鐵和廢鋼進(jìn)入鋼中的有害雜質(zhì)。磷在鋼中全部溶入鐵素體中，可使鋼的強(qiáng)度、硬度有所提高，卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，尤其是低溫更為嚴(yán)重，這種在低溫時(shí)使鋼嚴(yán)重變脆的現(xiàn)象，稱為“冷脆”。在易切削鋼中適當(dāng)?shù)靥岣吡颉⒘椎馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)，增加脆性，可以提高切削效率，延長(zhǎng)刀具壽命。（二）碳素鋼的分類 碳素鋼分類方法很多，可按冶煉方法、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、品質(zhì)、金相組織及用途等進(jìn)行分類，下面介紹幾種主要的分類方法： 1.按鋼碳的質(zhì)量分

17、數(shù)分類 低碳鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.25，在建筑上應(yīng)用很廣，如鋼筋、橋梁等。 中碳鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.250.60，主要用于制造傳動(dòng)機(jī)件，如曲軸、連桿、凸輪軸等。 高碳鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.6（一般不高于1.3），主要用于制造工具，如銼刀、斧子、鋸及彈簧等。 2.按鋼的品質(zhì)分類 即根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)多少分類。碳鋼通常分三類： 普通碳素鋼 鋼中S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不高于0.055和0.045。 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 鋼中S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.035。 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 鋼中S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不高于0.020和0.030。 3.按鋼的用途分類 碳素結(jié)構(gòu)鋼 主要用于制造機(jī)械零件和工程構(gòu)件（如齒

18、輪、軸、螺釘、橋梁、建筑等的構(gòu)件）。其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.70以下。 碳素工具鋼 主要用于制造刀具、量具、模具。這類鋼都是高碳鋼，一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.71.35之間。二、碳素鋼在汽車中的應(yīng)用 碳素結(jié)構(gòu)鋼按品質(zhì)可分為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 （一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼簡(jiǎn)稱為普通碳鋼。 1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能 普通碳鋼的牌號(hào)表示方法由4部分組成。 例如Q215AF，Q表示鋼材的屈服點(diǎn)（“屈”字漢語(yǔ)拼音的字頭）；215表示鋼材的屈服強(qiáng)度s215MPa；A表示鋼材的品質(zhì)為A等級(jí)（A、B、C、D等級(jí)是指其硫和磷有害雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低）；F冶煉的脫氧方法，即沸騰鋼（“沸”字漢

19、語(yǔ)拼音字頭）。 注：TZ即特殊鎮(zhèn)靜鋼“特鎮(zhèn)”漢語(yǔ)拼音字頭，在牌號(hào)表示時(shí)“Z”與“TZ”代號(hào)可以省略不寫。 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能如表14-2所示（點(diǎn)此看表）。 表14-2 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能 返回 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼含硫、磷及其它非金屬雜質(zhì)較多，但價(jià)格便宜，產(chǎn)量高，所以大量用于金屬結(jié)構(gòu)或汽車上要求不高的零件。 Q195、Q215、Q235等幾種鋼的塑性較高，焊接性能良好，適用于金屬構(gòu)件的制造；而Q255、Q275鋼的強(qiáng)度較高，適用于制造承受中等載荷的機(jī)械構(gòu)件，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼在汽車上的應(yīng)用如表14-3所示（點(diǎn)此看表）。 2普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用 表 14-3 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼在汽車上的應(yīng)用返回

20、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按其錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，又分為：普通錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和較高錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 1普通錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)、力學(xué)性能 當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.350.65范圍內(nèi)，以及鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25，其錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.50.8之間，其牌號(hào)表示是：用兩位數(shù)字代表鋼的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以0.01為單位，即這兩位數(shù)字等于平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的“”前的數(shù)字乘以100。而錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則不需表示。 例如，15號(hào)鋼，表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為0.15的普通優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。又如，40鋼，40表示鋼中的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40，其鋼號(hào)寫成40鋼。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)

21、構(gòu)鋼的牌號(hào)和力學(xué)性能如表14-4。（點(diǎn)此看表） （二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 表表 14-4 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能 返回2錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能 當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.150.60范圍的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.701.00范圍內(nèi)；以及當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.600.70時(shí)，其錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.901.20的范圍內(nèi)。因其錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高而被稱為較高錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 這類鋼的牌號(hào)是用兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以0.01作單位，并在這兩位數(shù)字后面標(biāo)上“錳”字或元素符號(hào)“Mn”。 例如，15Mn（或15錳），其中15表示

22、該鋼的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 該類鋼的牌號(hào)及機(jī)械性能如表14-5所示（點(diǎn)此看表）。 表 14-5 含錳量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能 返回3優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量較少，鋼廠既保證鋼的化學(xué)成分又保證鋼的機(jī)械性能。這類鋼多在熱處理后廣泛使用，用于制造要求較高的零件。 08F、08、10等鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、塑性好，廣泛應(yīng)用于冷沖壓成型構(gòu)件，如汽車駕駛室外殼、油箱等。 15、20等幾類鋼塑性好，有良好的冷沖壓性能和焊接性能，用于冷沖壓構(gòu)件和需經(jīng)過(guò)熱處理（如滲碳、氮化）而尺寸較小但需承受一定載荷的零件，如變速叉等。 30、35、40、45等鋼

23、，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用在曲軸、齒輪、凸輪軸、從動(dòng)軸等零件的制造。 60、65、65Mn等屬于碳素彈簧鋼，這幾類鋼經(jīng)過(guò)熱處理后，可用于要求具有較高韌性和強(qiáng)度的彈性零件或耐磨零件。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在汽車上的應(yīng)用如表14-6。（點(diǎn)此看表） 表14-6 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在汽車上的應(yīng)用 返回三、鑄鋼在汽車中的應(yīng)用 鑄鋼的機(jī)械性能有些已達(dá)到或接近碳素鋼的性能，而且隨著鑄造工藝的提高，鑄件成品率也很高，并且鍛造無(wú)法鍛造的形狀復(fù)雜、尺寸大的工件，用鑄造的方法卻很容易實(shí)現(xiàn)，因此鑄鋼件在重型機(jī)械、冶金設(shè)備、運(yùn)輸機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 （一）鑄鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能 鑄鋼牌號(hào)是用“鑄鋼”兩字

24、的漢語(yǔ)拼音字頭“ZG”代表。舊的鑄造用鑄鋼在“ZG”后面標(biāo)出一組數(shù)字，用以表示該鑄鋼的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以0.01作單位（舊標(biāo)準(zhǔn)作為常識(shí)介紹）；新的鑄鋼牌號(hào)是在“ZG”后面標(biāo)出兩組數(shù)字，以表示屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。 例如，ZG230450則表示屈服強(qiáng)度（s）為230MPa、抗拉強(qiáng)度（b）為450MPa的工程用鑄鋼。 常用鑄鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能如表14-7（舊）和表14-8（新）。 表14-7鑄鋼碳鋼的力學(xué)性能（舊） 返回 表 14-8 工程用鑄鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能 返回（二）鑄鋼的應(yīng)用 ZG200400和ZG330450兩類工程鑄鋼因塑性、韌性較好，并有一定的焊接性能，所以被應(yīng)用在閥體、機(jī)架、大型減

25、速箱外殼等構(gòu)件的制造。 ZG270500、ZG310570，其強(qiáng)度和切削加工性能比較好，應(yīng)用于制動(dòng)輪、軋輥、軋鋼機(jī)機(jī)架、大齒輪、曲軸、橫梁等零件制造。 ZG390640，其強(qiáng)度與硬度較高、耐磨性好、焊接性差、裂紋傾向性大，一般用于需要耐磨的棘爪、叉頭等零件的制造。 鑄鋼在汽車上的應(yīng)用如表14-9所示。 四、鋼的熱處理 熱處理是將鋼在固態(tài)加熱到一定溫度，并在此溫度保持一定時(shí)間，然后以選定的冷卻速度冷卻，改變鋼的內(nèi)部組織，從而改善鋼的性能的一種工藝方法。因此熱處理是強(qiáng)化鋼材、使其發(fā)揮潛在能力的重要工藝措施。汽車、拖拉機(jī)工業(yè)中7080的零件需經(jīng)過(guò)熱處理這道工序。 鋼的熱處理分為普通熱處理和表面熱處理

26、兩類。普通熱處理按加熱溫度和冷卻速度的不同又分為退火、正火、回火和淬火；表面熱處理又分為表面淬火和化學(xué)熱處理。（一）退火 將鋼件加熱到臨界溫度（臨界溫度指零件在緩慢加熱或緩慢冷卻時(shí)，內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變的溫度）以上3050K，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝稱為退火。 退火的主要目的和用途是： 降低鋼的硬度，提高塑性，改善切削加工性能和壓力加工性能； 細(xì)化晶粒，使組織成分均勻，改善機(jī)械性能，為以后熱處理做準(zhǔn)備； 消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。（二）正火 將鋼件加熱到臨界溫度以上3050K，保溫一定時(shí)間后放在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火的保溫時(shí)間一般按每毫米厚度保溫1min（分

27、鐘）計(jì)算，對(duì)于一些大型工件也可用吹風(fēng)、噴水霧等方法加快冷卻速度。冷卻時(shí)工件不能堆放在一起。 正火與退火的目的基本相同，二者的主要區(qū)別是正火的冷卻速度比退火稍快，生產(chǎn)周期短、效率高、成本低。因正火后得到的組織比退火細(xì)，一些性能也比退火有所提高。所以，在汽車工業(yè)，凡能用正火代替退火的零件，就不采用退火處理，對(duì)于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.250.5范圍內(nèi)的中碳鋼常用正火熱處理。 正火的主要目的和用途： 改變鋼件硬度，改善切削加工性； 可作為要求不高的普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理； 可作為中碳鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼淬火前的預(yù)先熱處理，以減少淬火缺陷； 改善和細(xì)化鑄鋼件的鑄態(tài)組織。（三）淬火 將鋼件加熱到臨界溫度以上2030

28、K，保溫一段時(shí)間后快速冷卻的熱處理工藝稱為淬火。 1. 淬火的主要目的 提高工件的機(jī)械性能。例如，對(duì)于工具鋼，主要是提高鋼的硬度，以保證刀具的切削性能和工具的耐磨性；對(duì)于中碳鋼，主要目的是為了提高強(qiáng)度和韌性，獲得綜合的機(jī)械性能。 改善某些特殊鋼的物理性能或化學(xué)性能。例如，提高不銹鋼的耐磨性。 經(jīng)過(guò)淬火處理的零件或工具不僅要有高的強(qiáng)度和硬度，而且還要求有足夠的塑性和韌性相配合，因此淬火后需進(jìn)行回火。淬火為回火做好了組織準(zhǔn)備，而回火則決定了零件的使用性能和壽命。2. 淬火冷卻劑 1）鋼的淬透性在淬火中，對(duì)大多數(shù)的工件,希望表面和心部都能得到高硬度。若表面硬度已達(dá)到要求，而心部的硬度偏低，這種情況表

29、示零件“未淬透”。淬透性就是指,鋼在一定條件下淬火時(shí),淬硬層所能透入的深度。若某種材料的淬硬層深，就說(shuō)它的淬透性好或大。因此淬透性是衡量材料熱處理性能好壞的重要指標(biāo)之一。2）淬火冷卻劑（冷卻介質(zhì)） 淬火時(shí)工件的冷卻速度是由淬火冷卻劑的冷卻能力所決定的。 （1）水及水溶液 水是最便宜、使用安全、無(wú)燃燒和腐蝕等危險(xiǎn)、應(yīng)用最廣泛的冷卻介質(zhì)。一般碳鋼零件用水作冷卻介質(zhì)，硬度都能達(dá)到要求。但它的冷卻速度太快，使零件內(nèi)外溫差大，零件易產(chǎn)生嚴(yán)重變形，甚至開裂。故適用于低合金鋼及碳素工具鋼的淬火。 為了提高水的冷卻能力，常在水中加入某種鹽或堿（氯化鈉或氫氧化鈉）。水溶液適用于低碳鋼和中碳鋼的淬火。（2）油 油

30、也是廣泛應(yīng)用的冷卻介質(zhì)。常用淬火油有柴油、機(jī)油、變壓器油等。油類的冷卻能力較弱，冷卻速度較慢，零件不易變形和開裂，但也不易淬硬、淬透，所以不適用于超過(guò)58mm厚的碳素鋼，被廣泛用作各種合金鋼和碳素鋼小型零件的淬火冷卻介質(zhì)。 （3）鹽浴液、堿浴液 熔化的NaNO3、NaOH等，其冷卻能力在水和油之間，常用于截面不大、形狀復(fù)雜、變形要求嚴(yán)格的碳素工具鋼、合金工具鋼。3）淬火冷卻方法 （1）單液淬火法 它是將加熱鋼件放到一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的操作方法。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但單一冷卻介質(zhì)難以達(dá)到理想效果，故它的應(yīng)用受到一定的限制。 （2）雙液淬火法 將加熱鋼件先放到冷卻能力較強(qiáng)的介

31、質(zhì)（水或鹽堿溶液）中，待溫度降到573673K時(shí)取出，并迅速投入冷卻速度較弱的油中（有時(shí)甚至放到空氣中）冷卻的方法叫雙液淬火法。此方法可有效地降低內(nèi)應(yīng)力，防止鋼件的變形和開裂。（3）分級(jí)淬火法 將加熱鋼件先放入323533K的鹽浴或堿浴中冷卻，停留一段時(shí)間，待其心部與表面的溫差減少后再取出放在空氣中冷卻的方法叫分級(jí)淬火法。這是防止鋼件變形和開裂的一種有效方法，而硬度也較均勻。分級(jí)淬火比較理想，操作也容易，適用于形狀復(fù)雜、尺寸較小、要求精密的零件。 （4）等溫淬火法 將加熱的鋼件放到溫度稍高于503K的鹽浴中，停留較長(zhǎng)時(shí)間后取出在空氣中冷卻的方法稱為等溫淬火。經(jīng)等溫淬火的鋼件雖然硬度較低，但能在

32、獲得高強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的韌性。淬火后，鋼件的內(nèi)應(yīng)力和變形都很小。對(duì)于碳鋼和低碳合金鋼等溫淬火后可不再進(jìn)行回火處理，故常用于形狀復(fù)雜、強(qiáng)度和韌性要求較高的鋼件。3.淬火缺陷及防止辦法 由于淬火工藝控制不當(dāng)、加熱溫度高、冷卻劇烈，易產(chǎn)生以下缺陷： 1）硬度不足 主要是由于加熱溫度過(guò)低，保溫時(shí)間不足或冷卻速度過(guò)慢造成的。硬度不足可通過(guò)正火后重新淬火的方法來(lái)消除。 2）過(guò)熱或過(guò)燒 當(dāng)淬火加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起鋼內(nèi)部微小晶粒變得粗大，此現(xiàn)象稱為過(guò)熱。過(guò)熱會(huì)使鋼的脆性增加、強(qiáng)度低、塑性和韌性變差。可用正火或退火后重新淬火來(lái)消除。 若加熱溫度更高時(shí)，不僅鋼內(nèi)晶粒粗大，而且在晶粒表面有熔化或氧

33、化的現(xiàn)象，稱為過(guò)燒。一般過(guò)燒的工件只能按報(bào)廢處理。 3）變形與開裂 變形和開裂的主要原因是鋼件在加熱和冷卻時(shí)，由于工件表層與心部溫差較大而造成熱脹冷縮不同步所引起的。變形可校正過(guò)來(lái)，裂紋只能報(bào)廢。（四）回火 將淬火后的鋼件重新加熱到臨界溫度以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后取出工件以一定的方式冷卻下來(lái)的一種熱處理方法稱為回火。 鋼件經(jīng)淬火后的組織，在室溫下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，回火就是采用加熱手段，使不穩(wěn)定的淬火組織向相對(duì)穩(wěn)定的回火組織轉(zhuǎn)化的工藝過(guò)程。 1.回火的目的 降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力； 獲得工件所要求的機(jī)械性能； 穩(wěn)定工件尺寸，使工件經(jīng)回火處理后在以后使用過(guò)程中不再發(fā)生尺寸和形狀的改變。2

34、. 回火方法及應(yīng)用 按回火溫度高低可將回火分為三種： 1）低溫回火（423523K） 低溫回火的目的是降低淬火內(nèi)應(yīng)力、減小脆性、保持工件的高硬度和耐磨性。 低溫回火主要適用于中、高碳鋼制成的各類工模具、機(jī)械零件，對(duì)滲碳及碳氮共滲淬火后的工件，也要進(jìn)行低溫回火。 一般淬火后低溫回火硬度為HRC5864。 2）中溫回火（625773K） 中溫回火主要是為了使工件在足夠的韌性下，同時(shí)獲得高彈性和高屈服強(qiáng)度。 中溫回火主要用于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.60.9的碳素彈簧鋼及碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.450.75的合金彈簧鋼。熱鍛模具和某些要求高強(qiáng)度的軸、軸套、刀桿等也采用中溫回火。一般中溫回火后硬度可達(dá)HRC3545

35、。3）高溫回火（773823K） 高溫回火主要是為了獲得既有一定強(qiáng)度、硬度，又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。高溫回火又稱為調(diào)質(zhì)處理。 調(diào)質(zhì)處理廣泛用于各種重要零件和一些受力較復(fù)雜、重要的零件，特別是在交變載荷作用下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。 調(diào)質(zhì)處理后硬度可達(dá)HRC2535，HB220350。（五）鋼的表面熱處理 鋼的表面熱處理大致分為兩類，即表面淬火和表面化學(xué)熱處理。 汽車上許多零件都是在扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變載荷、沖擊載荷作用下工作的。有些還在摩擦狀態(tài)下工作。因而要求這類零件表面具有高硬度和耐磨性，而心部具有足夠的塑性和韌性。若選用高碳鋼，硬度雖能達(dá)到，但心部韌性不足；若選用低碳鋼，心部

36、雖能有足夠的塑性和韌性，但表面硬度很低。因此，對(duì)于這類零件，一般選用中碳鋼、中碳合金鋼、碳素工具鋼、低合金工具鋼和球墨鑄鐵，經(jīng)表面淬火即可達(dá)到要求；也可選用低碳鋼采用表面化學(xué)熱處理。1. 表面淬火 表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，而不等熱量傳至中心就迅速冷卻，以達(dá)到表硬內(nèi)韌的熱處理工藝。根據(jù)加熱方法的不同，有火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火。 1）火焰加熱表面淬火 是利用氧乙炔火焰（或其它可燃?xì)怏w）將工件表面迅速加熱到淬火溫度后，立即噴水或用乳化液進(jìn)行冷卻的一種方法，如圖14-8所示。 火焰表面淬火的淬硬層深度一般為26mm?；鹧姹砻娲慊鸩恍杼厥庠O(shè)備，淬硬速度快，變形小，常用于中碳鋼

37、以及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼零件，適用于單件和小批量生產(chǎn)或?qū)Υ笮土慵木植繜崽幚?。如機(jī)床導(dǎo)軌、大型軸類、大模數(shù)、齒輪等，此工藝對(duì)于特大工件的局部淬火更為經(jīng)濟(jì)。但這一工藝容易產(chǎn)生過(guò)熱，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)率也較低，因此使用受到一定的限制。 2）感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火是采用交變電磁場(chǎng)在零件表層產(chǎn)生渦流，將零件表層迅速加熱到淬火溫度，并迅速冷卻的一種淬火熱處理工藝。此法的原理如圖14-9所示（圖見下一頁(yè)）。 將工件放在空心銅管（內(nèi)部有冷卻水）繞成的線圈（感應(yīng)器）內(nèi)，線圈通以一定頻率的交流電，于是工件表層便產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流（渦流），這種電流主要集中在零件的表層（趨膚性）。由于零件表層存在電阻，所

38、以當(dāng)感應(yīng)電流通過(guò)表層電阻時(shí)便產(chǎn)生熱量，從而使工件的表層迅速加熱到淬火溫度（而工件心部溫度仍接近室溫），隨即噴水冷卻，從而達(dá)到表層淬火的目的。 這種表面淬火的優(yōu)點(diǎn)是加熱迅速，生產(chǎn)率高，淬硬的深度易于控制且硬度均勻。其缺點(diǎn)是對(duì)形狀和尺寸不同的零件需不同的感應(yīng)圈，設(shè)備較貴，只適宜于大批量生產(chǎn)才能降低成本。 感應(yīng)加熱表面淬火的頻率越高，淬透層就越薄。一般感應(yīng)加熱有三個(gè)頻率選擇： 高頻加熱（200300 KHz）：淬硬層 0.52 mm。 中頻加熱（50010000 Hz）：淬硬層 28 。 工頻加熱（50z）：淬硬層 1020 mm。2鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將工件置于一定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)

39、中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而使工件表面具有某些特殊的機(jī)械或物理化學(xué)性能的一種熱處理工藝。 與表面淬火相比，化學(xué)熱處理的主要特點(diǎn)是：表面層不僅有組織的變化，而且有成分的變化。 在汽車、拖拉機(jī)制造中，最常用的有滲碳、離子氮化、氣體碳氮共滲（氰化處理）和滲金屬等多種。但無(wú)論哪一種均通過(guò)三個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)： 分解：介質(zhì)在一定溫度下，發(fā)生化學(xué)分解，產(chǎn)生滲入鋼中的活性原子。 吸收：活性原子被工件表面吸收。 擴(kuò)散：滲入表面的活性原子，從表面向中心擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層（即滲層）。1）鋼的滲碳 滲碳是向鋼表面滲入碳原子的過(guò)程。它是將零件置于含碳的介質(zhì)中加熱和保溫，使活性碳原子滲入

40、鋼的表面，提高鋼的表面含碳量。其目的與鋼的表面淬火相似。 鋼的滲碳方法分為氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳三種，最常用的是氣體滲碳。 氣體滲碳是將鋼件放在密封的加熱爐中，滴入煤油、丙酮、甲醇（或直接通入滲碳?xì)怏w，如煤氣、石油液化氣）等滲劑，并加熱到 11731223，這些滲碳劑在高溫下分解產(chǎn)生活性碳原子，這些活動(dòng)碳原子被鋼件表面吸收，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，最后形成一定深度的滲碳層。 氣體滲碳工件的加熱及滲碳層厚度較均勻，不易過(guò)熱，勞動(dòng)條件好，質(zhì)量容易控制。一般每保溫小時(shí)，滲碳層厚度可增加0.20.3mm。 汽車上有許多零件是在受較強(qiáng)烈的沖出作用和受磨損的條件下進(jìn)行工作的。這樣的零件一

41、般都采用低碳鋼或低合金鋼通過(guò)滲碳淬火和低溫回火處理，這樣就能使零件不僅表面具有高的硬度和耐磨性，而且心部具有較高的韌性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。2）鋼的滲氮（氮化） 鋼的滲氮是利用氮?dú)庠谝欢囟确秶?23843），所分解的活性氮原子向鋼的表層擴(kuò)散而形成鐵氮化合物，從而改變鋼件表層的理化性能和機(jī)械性能的一種方法。目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞強(qiáng)度。 氮化通常在專用設(shè)備或井式滲碳爐中進(jìn)行。將零件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到843左右，通入氨氣（NH3）或氮?dú)猓∟2），氣體分解出活性氮原子，被零件表面吸收，與鋼中的金屬元素形成氮化物，并向心部擴(kuò)散，當(dāng)爐溫降至473以下停止供介質(zhì)，零件出爐。氮化層一般深

42、度為0.10.6mm。 氮化處理的特點(diǎn)是：滲氮后不需再淬火便有很高的表層硬度。滲氮是在低溫下進(jìn)行的，工件變形很小，且疲勞強(qiáng)度可提高1535。另外，氮化后零件在水中、熱蒸汽中及堿性介質(zhì)中有較高的抗蝕性。但滲氮生產(chǎn)周期長(zhǎng)、氮化層薄而脆，不宜承受集中的重載荷，并需要專用的氮化鋼等。3）碳氮共滲（氰化） 它是向零件表面同時(shí)滲入碳原子和氮原子的化學(xué)熱處理工藝。常用的是氣體碳氮共滲，即在氣體滲碳的同時(shí)，向爐內(nèi)送入一定量的氨氣。 碳氮共滲有中溫氣體氰化和低溫氣體氰化（也稱軟氮化）兩種。 中溫氣體氰化的共滲溫度為10931143，共滲層表面含碳量約0.71.0，含氮量約0.150.50，主要起滲碳作用，共滲后

43、還必須進(jìn)行淬火和低溫回火，此法常用于處理低碳鋼及低合金鋼；低溫氣體氰化的溫度為773883，時(shí)間為小時(shí)（h），該共滲層的優(yōu)點(diǎn)是硬而不脆，具有一定的韌性，能起到一定的耐磨和抗膠合作用，它以氮化為主，處理后在空氣中冷卻即可，此法適用于中碳合金鋼、高速鋼、鑄鋼及粉末冶金等。 中溫氣體碳氮共滲所用的共滲劑有煤油加氨氣、煤氣加氨氣和甲醇加丙烷加氨氣等。低溫共滲劑主要有尿素、甲酰胺、三乙醇胺等。這些介質(zhì)在共滲溫度下能同時(shí)分解出活性碳、氮原子，起到共滲的作用。 第三節(jié) 汽車常用合金鋼 一、合金鋼的基本知識(shí) 所謂合金鋼，就是在碳鋼的基礎(chǔ)上，為了使鋼的機(jī)械性能提高或獲得某些特殊的物理化學(xué)性能而特意加入含量在一定

44、范圍的一種或多種元素而形成的一類鋼。加入的元素稱為合金元素。常用的合金元素有：鉻（r）、錳（n）、鎳（i）、硅（i）、鋁（l）、硼（）、鎢（）、鉬（o）、鈦（i）、釩（）、鈷（o）及稀土元素(RE)等。（一）合金元素對(duì)合金鋼性能的影響 合金元素在鋼中的作用是非常復(fù)雜的，而且各種不同合金元素對(duì)合金鋼性能的影響也不相同。但總括起來(lái)，合金元素對(duì)合金鋼的性能產(chǎn)生以下5方面的影響。 （1）合金元素含量適當(dāng)時(shí)，可使鋼的韌性提高。 （2）合金元素可提高合金鋼的硬度和耐磨性。 （3）合金元素能細(xì)化晶粒，改善鋼的淬透性和力學(xué)性能。因此在獲得同樣淬硬層深度的情況下可以采用冷卻能力較低的淬火介質(zhì)，這樣可減少形狀復(fù)雜

45、零件在淬火時(shí)的變形和開裂；在淬火條件相同的條件下，合金鋼可獲得較深的淬硬層，從而得到較高的力學(xué)性能。 （4）與碳素鋼相比，在相同的回火溫度下，合金鋼比同樣含碳量的碳素鋼具有更高的硬度和強(qiáng)度。因此，假使要達(dá)到相同的強(qiáng)度，合金鋼可在更高的溫度下回火，以充分消除內(nèi)應(yīng)力，而使韌性更好。 （5）合金元素可改善合金鋼的一些特殊的物理、化學(xué)性能，如耐蝕性、耐熱性。 但是，大部分合金鋼，特別是碳以及合金元素含量較高時(shí)，合金鋼的脆性增大，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性也增大，其工藝性能不如碳鋼。（二）合金鋼的分類與牌號(hào) 合金鋼的分類 合金鋼的分類最常用的是下面的兩種分類方法： 1）按用途分類 合金結(jié)構(gòu)鋼：主要用于重要的機(jī)械

46、零件和工程構(gòu)件。 合金工具鋼：主要用于重要的工模具、量具、刃具等。 特殊性能鋼：具有某種特殊物理、化學(xué)性能的鋼。如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。用于有特殊要求的零件。 2）按主要質(zhì)量等級(jí)分類 普通質(zhì)量 優(yōu)質(zhì) 特殊質(zhì)量 合金鋼的牌號(hào) 合金鋼牌號(hào)采用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、合金元素（種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和質(zhì)量級(jí)別來(lái)編號(hào)。 1）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào) 采用“兩位數(shù)字（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）元素符號(hào)數(shù)字”來(lái)表示。前兩位數(shù)字表示鋼的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，元素符號(hào)表明鋼中含有的主要合金元素，后面的數(shù)字表示該合金元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)。凡平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5時(shí)，不標(biāo)該合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.52.5、2.53.5、3.5

47、4.5 時(shí)，則相應(yīng)地用平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)2，3，4，表示。例如： 2）合金工具鋼的牌號(hào) 合金工具鋼的牌號(hào)和合金結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別僅在于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表示方法。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0時(shí)，首部只用一位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)；當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于時(shí)，則不予標(biāo)出。例如： 但應(yīng)注意，高速鋼（是一種高合金工具鋼）和其它一些高合金鋼，即使碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1，也不標(biāo)注碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如：3）特殊性能鋼的牌號(hào) 其表示方法與合金工具鋼牌號(hào)表示法基本相同。首部的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)，當(dāng)平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于千分之一時(shí)，用O表示。例如： 此外，還有一些特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在鋼的牌號(hào)前冠以漢語(yǔ)拼音

48、字母字頭，而不標(biāo)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（因其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都大于或等于1.0 ），合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)注也特殊。例如： 這里應(yīng)注意牌號(hào)中鉻元素后面的數(shù)字是表示鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)，其它元素仍按百分?jǐn)?shù)表示。二、合金結(jié)構(gòu)鋼及其在汽車中的應(yīng)用 在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最廣的是合金結(jié)構(gòu)鋼。按用途可分為低合金結(jié)構(gòu)鋼（工程用鋼）和機(jī)械制造用鋼兩類。后者常用的有：合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼。 （一）低合金結(jié)構(gòu)鋼 低合金結(jié)構(gòu)鋼雖然是一種低碳（在0.10.25之間）、低合金（一般合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于）的鋼，但由于合金元素的強(qiáng)化作用，這類鋼比相同碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳素結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度（特別是屈服點(diǎn)）要高得多，并

49、且具有良好的塑性、韌性和焊接性，在大氣和海水中的耐蝕性也比碳素鋼好。 低合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、船舶、車輛和大型鋼結(jié)構(gòu)等。對(duì)于汽車上的零件，如汽車大梁、球頭銷、活塞銷、汽油箱托架、半軸齒輪及氣缸蓋螺栓等，要求具有良好的綜合機(jī)械性能，若用低合金結(jié)構(gòu)鋼代替普通碳素結(jié)構(gòu)鋼在同樣的承載能力下，至少可使結(jié)構(gòu)零件的質(zhì)量減輕2030。 常用低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能如表14-10所示，其在汽車上的應(yīng)用見表14-11。表14-10 常用低合金結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能 返回（二）合金滲碳鋼 合金滲碳鋼是用來(lái)制造既要有優(yōu)良的耐磨性、耐疲勞性，又要承受沖擊載荷的作用而有足夠高的韌性和足夠高強(qiáng)度的零件。如汽

50、車上傳動(dòng)系的齒輪、萬(wàn)向節(jié)十字軸、活塞銷、氣門挺桿及凸輪軸等一般都用合金滲碳鋼制造。 合金滲碳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.100.25之間，以保證心部有足夠高的塑性和韌性，加入銘（r）、鎳（i）、錳（n）、釩（）、鈦（i）等合金元素是為了提高鋼的淬透性和細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能。 常用合金滲碳鋼牌號(hào)和力學(xué)性能見表14-12，其在汽車上的應(yīng)用見表14-13。表14-12 常用合金滲碳鋼的牌號(hào)、熱處理規(guī)范及性能返回表14-13常用合金滲碳鋼在汽車上的應(yīng)用返回（三）合金調(diào)質(zhì)鋼 合金調(diào)質(zhì)鋼是用來(lái)制造一些受力復(fù)雜的重要零件（如汽車上的半軸、連桿、萬(wàn)向節(jié)叉及變速器二軸等），它們既要求有很高的強(qiáng)度，又要有良好的塑性和

51、韌性。 合金調(diào)質(zhì)鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.250.50。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低，硬度不足，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，則韌性不好。加入合金元素的目的也是為了增加鋼的淬透性，細(xì)化晶粒以提高強(qiáng)度和綜合機(jī)械性能。 合金調(diào)質(zhì)鋼的熱處理工藝是調(diào)質(zhì)，故稱為合金調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)后零件有良好的綜合性能。若零件表面有耐磨性要求，調(diào)質(zhì)后再進(jìn)行表面淬火或化學(xué)熱處理。 常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)、熱處理規(guī)范及性能如表14-14所示，其在汽車上的應(yīng)用見表14-15。表14-14 常用合金調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)、熱處理規(guī)范及性能返回表 14-15 合金調(diào)質(zhì)鋼在汽車上的應(yīng)用返回（四）合金彈簧鋼 彈簧是利用彈性變形吸收能量以緩和振動(dòng)和沖擊，或依靠彈性貯能來(lái)起驅(qū)動(dòng)

52、作用的。因此，用于制造彈簧的材料應(yīng)具有高的彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及足夠的塑性和韌性。 彈簧鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.450.70。若碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，塑性和韌性降低，疲勞極限也下降。加入錳（n）、硅（i）、鉻（r）等元素主要是提高淬透性和增強(qiáng)彈性。對(duì)于重要用途的彈簧鋼必須加入鉻（r）、釩（）、鎢（）等，它們不僅可提高鋼的淬透性，而且減少鋼在加熱時(shí)的過(guò)熱敏感性，使鋼具有更高的高溫強(qiáng)度和韌性。 常用合金彈簧鋼的牌號(hào)、熱處理工藝和力學(xué)性能如表14-16，在汽車上的應(yīng)用如表14-17。表14-16 常用合金彈簧鋼的牌號(hào)及機(jī)械性能返回表 14-17 合金彈簧鋼在汽車上的應(yīng)用返回（五）滾動(dòng)軸承鋼

53、滾動(dòng)軸承鋼是用來(lái)制造各種滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和套圈的，也用來(lái)制造各種工具（如絲錐、板牙、鉸刀等）和耐磨零件（如一些量具、柴油機(jī)上的噴油泵柱塞、噴油嘴的針閥等）。 應(yīng)用最廣的軸承鋼是高碳鉻鋼。其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.951.05，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.401.65。加入合金元素鉻是為了提高鋼熱處理后的硬度、疲勞強(qiáng)度和耐磨性。對(duì)于大型軸承，為進(jìn)一步提高淬透性，還可加入Si、Mn等元素。 常用滾動(dòng)軸承鋼的化學(xué)成分、熱處理及用途見表14-18。 表 14-18 常用軸承鋼的成分、熱處理及用途返回三、合金工具鋼 合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上為了提高鋼的一些特有性能再加入適量合金元素的鋼。 合金工具鋼按用途可分為

54、刃具鋼、模具鋼和量具鋼。 （一）合金刀具鋼 合金刀具鋼分為低合金刀具鋼和高速鋼。低合金刀具鋼其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.81.5，合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35。加入鉻（Cr）、錳（Mn）、硅（Si）的目的是提高強(qiáng)度；加入鎢（W）、釩（V）等元素是為了提高硬度和耐磨性。這類鋼常用于制造低速或手動(dòng)工具或刀具等，如絲錐、板牙、鉆頭、鉸刀、刮刀和拉刀等。由于合金元素加入量不大，一般工作溫度不得超過(guò)575K，否則刀具硬度下降很多。 常用低合金刀具鋼牌號(hào)、熱處理及用途如表14-19。表 14-19 常用低合金刃具鋼的牌號(hào)、成分、熱處理及用途返回 高速鋼也稱白鋼或鋒鋼，屬于高碳合金鋼。由于加入大量碳及合金元素，使它具有

55、較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，且在873K左右硬度仍能保持在HRC60以上。常用的高速鋼有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。前者通用性強(qiáng)，能滿足一般要求，但紅硬性較差且價(jià)高，主要用于制造截面較小的刀具和普通鉆頭，后者的特點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低，用來(lái)制造鉆頭、滾刀、銑刀以及大截面的刀具。（二）合金模具鋼 合金模具鋼主要用于制造各種金屬成型用的工、模具，可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。 冷作模具鋼主要用于使金屬冷態(tài)下變形的模具。如冷沖模、冷擠壓模、冷鐓粗模、拉絲模等。常用的冷作模具鋼有Cr12、9Mn2V、CrWMn等。其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.81.7。 熱作模具鋼主要用于使金屬在高溫下成型的模具，如熱鍛模、

56、壓鑄模等。一般5CrNiMo、5CrMnMo、4CrW2Si等常用于制作熱鍛模，3Cr2W8V鋼常用于制作擠壓模和壓鑄模。（三）合金量具鋼 量具，如游標(biāo)卡尺、千分尺、塞規(guī)、樣板等，是測(cè)量工件的工具。它們的工作部分要求高硬度、高耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性及足夠的韌性。常用的合金量具鋼有CrMn、CrWMn等。四、特殊性能鋼 特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼，用來(lái)制造有特殊性能要求的零件。這類鋼種類很多，常用的有不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。 （一）不銹鋼 不銹鋼是指在腐蝕介質(zhì)（空氣、水、酸、堿類溶液或其它介質(zhì)）中具有高的抗腐蝕能力的鋼。常用的有鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩類。 1鉻不銹鋼 鉻不銹鋼的鉻的

57、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12以上，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.180.40內(nèi)。鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，耐蝕性越好，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，強(qiáng)度和硬度高。常用的鉻不銹鋼有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。1Cr13、2Cr13適用于制造在大氣、海水、蒸汽等介質(zhì)中工作的零件，塑性和韌性好。3Cr13、4Cr13硬度可達(dá)HRC50左右，用于制造彈簧、軸承、醫(yī)療器械及在弱酸腐蝕條件下工作并有較高強(qiáng)度的零件。2鉻鎳不銹鋼 鉻鎳不銹鋼的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在18左右，含910的鎳，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低甚至極微。這類鋼具有良好的耐蝕性、塑性、焊接性和低溫韌性及高溫強(qiáng)度。常用的鉻鎳不銹鋼有1Cr18Ni19、2Cr18Ni19等。主要用于制

58、造強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（硝酸、磷酸、有機(jī)酸及堿水溶液等）中工作的設(shè)備，如吸收塔、貯槽、管道及容器等。 常用不銹鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理方法見表14-20。 表 14-20 常用不銹鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理返回（二）耐熱鋼 1抗氧化耐熱鋼 常用的抗氧化耐熱鋼有3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N，它們有較好的鑄造性，用來(lái)制造鑄件。另外4Cr9Si2、1Cr13SiAl也是常用的抗氧化耐熱鋼。 2熱強(qiáng)鋼 常用熱強(qiáng)鋼有4Cr10Si2Mo、5Cr21Mn9Ni4N等，主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門，可在600以下長(zhǎng)期工作。4r14Ni14W2Mo鋼可以制造工作溫度大于650的航空、船舶、載

59、重汽車的內(nèi)燃機(jī)排氣閥。（三）耐磨鋼 耐磨鋼是指具有較高耐磨性能的鋼。目前多采用高錳鋼來(lái)制造高沖擊負(fù)荷下的耐磨零件。高錳鋼的牌號(hào)主要有2GMn13，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.01.3，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1114。ZG表示鑄鋼。因?yàn)楦咤i鋼機(jī)械加工性能差，但有良好的鑄造性能，所以常用鑄造的方法制造零件。第四節(jié)第四節(jié) 汽車用鑄鐵汽車用鑄鐵 鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11的鐵碳合金，并且含有比普通碳素鋼較多的硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）等元素。 在鑄鐵中，碳可以以兩種形式存在：一種是石墨，它很軟，強(qiáng)度極低，另一種是滲碳體（用符號(hào)“e3C”表示），它是化合物，硬度達(dá)800HB并且脆性很大，幾乎無(wú)塑性和韌

60、性。根據(jù)碳的存在形式，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵。另外還有一種合金鑄鐵，它是在灰鑄鐵或球墨鑄鐵中有目的的加入一些合金元素的鑄鐵。白口鑄鐵中碳主要以滲碳體形式存在。其斷口呈銀白色，故稱為白口鑄鐵。這類鑄鐵的性能既硬又脆，很難進(jìn)行切削加工，所以很少直接用來(lái)制造零件。 下面分別介紹其它幾種鑄鐵。一、灰鑄鐵 （一）基本知識(shí) 灰鑄鐵組織及性能 這類鑄鐵中碳大部或全部以片狀石墨形式存大，其斷口呈暗灰色，故稱為灰鑄鐵。 由于灰鑄鐵是由金屬基體和片狀石墨兩部分組成，而片狀石墨硬度和強(qiáng)度都極低，這就相當(dāng)于在鋼基體中存在著許多細(xì)小的裂縫，從而使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度降低，并且塑性、韌性很差