【冶金精品文档】常用金属材料

第四章常用金属材料金属材料分为两大类：铁合金（钢、铸铁和铁合金）非铁合金—除铁合金外的所有金属及合金。金属材料中95％为钢铁，是应用最多的工程材料。碳素钢（碳钢）•碳素钢的合金元素含量低，GB/13304—91规定，Cr＜0.30％、Mn＜1.0％、Mo＜0.05％、Si＜0.50％、Ti＜0.05％、W＜0.10％、V＜0.04％。•碳素钢中的碳质量分数2.11％，•钢中还含有C、Si、Mn、S、P等合金元素。碳素钢的分类①按碳质量分数分类②按质量分类③按用途分类碳素钢中各元素对钢性能的影响C的影响：碳质量分数小于0.9％时，随碳质量分数的增加，钢的强度、硬度呈直线上升，而塑性、韧性下降。当碳质量分数大于0.9％时，硬度继续上升，而强度开始下降，塑性、韧性继续下降。Mn和Si：有益元素。通常Mn含量在0.25～0.80％，最高达0.70～1.2％。Mn与S、O可形成MnO、MnS，起到脱氧去硫的作用，从而可降低钢的热脆性；Mn和Si可溶于铁素体中形成固溶体，从而提高钢的强度和硬度。S和P：有害元素。S与Fe形成的FeS与Fe在钢中形成低熔点的共晶体（熔点983℃），分布在晶界上，在1000～1200℃对钢进行加热锻造时，共晶体将熔化，使钢产生热脆开裂现象。P与Fe形成的Fe3P极脆。含P量高时，在室温或较低温度进行加热时易变脆开裂，称为冷脆。一．碳素结构钢（GB700—88）•约占钢总产量的70～80％，大部分作工程结构件。•牌号：Q+σS+质量等级+脱氧方法•质量等级为A、B、C、D四个等级。•脱氧方法：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）；Z、TZ在牌号中不标出。•如：Q215-A·F表示σS≥215MPa，质量为A级的沸腾钢；•Q235-B·b表示σS≥235MPa，质量为B级的半镇静钢。•用途：Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，通常轧制成型材，如钢板、钢管等，用于桥梁、建筑、车辆行业；Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。这类钢一般在热轧状态使用，不再进行热处理。二．优质碳素结构钢用平炉或电炉冶炼。其中S＜0.035％、P＜0.035％，化学成分加以严格控制，塑性、韧性较高，多用于制造重要的零件。这类钢HBS、σS、σb高，经热处理后力学性能较好。钢的牌号用2位数字表示，数字表示钢的平均含碳量的万分数。45钢表示平均含碳量为0.45％的优质碳素结构钢。数字后加F的为沸腾钢，如08F；数字后加Mn的为含锰量较高的钢,如45Mn。牌号自08，10～80，中间为5进制。08、10钢，含碳量很低，塑性很好，可用来作冲压件。15～25钢，低碳钢，σb不高，而塑性韧性较好，具有良好的冲压性和可焊性，可用来制作冲压件、螺钉、螺帽等。经渗碳淬火后可获得表面硬度高而心部韧性好的零部件，常用作渗碳用钢，亦称碳素渗碳钢。30～50钢，中碳钢，经调质处理后使用，可获得既有一定强度和硬度，又有一定塑性和韧性良好配合的综合力学性能，亦称碳素调质钢，可制作锻件、热冲压件、冷镦件、齿轮、轴类等零件。55～80钢，含碳量较高，强度高而塑性低，具有一定的耐磨性，经热处理后有很高的弹性极限，常用于制造各种弹性零件，亦称碳素弹簧钢。也可用作耐磨零件和机车车轮等。三.碳素工具钢（GB1298—86）•碳素工具钢含碳量较高（0.65％～1.35％）。•碳素工具钢按S、P含量分为2组：•第一组是高级优质钢：S≤0.020％,P≤0.030％；•第二组是优质钢：S≤0.030％，P≤0.035％。•碳素工具钢的牌号是用“碳或T+数字”表示，数字表示钢的平均碳质量分数的千分数。•如碳12或T12表示钢的平均碳质量分数为1.2％的碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在钢号数字后加一个“高”或“A”，如T8A或碳8高。如有T8Mn或T8MnA，则表示碳质量分数为0.8％,含Mn量较高的碳素工具钢或高级碳素工具钢。•碳素工具钢一般经淬火+低温回火后使用，硬度大于64HRC。随着碳质量分数的增加，热处理后钢的耐磨性提高，而塑性、韧性降低。由于碳素工具钢的淬透性不高，故适用于小尺寸的模具、刀具和量具等。T7、T8硬度高，韧性较高，可制作冲头、凿子、锤子等工具；T12、T13等硬度高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。工作温度一般不超过180℃，否则硬度急剧下降。四.铸造碳钢•用于铸造的碳素钢称为铸造铸钢，简称铸钢。•对于形状复杂，而性能要求较高的零件，用锻件及铸件的材料达不到要求时，可选用铸钢件来制造。•铸钢一般是亚共析钢，碳质量分数在0.15～0.60％之间.•铸钢的牌号是“ZG”加2组数字组成，第一组数字表示屈服强度，第二组数字表示抗拉强度。如ZG230—450表示σS为230MPa和σb为450MPa。•常用牌号有：ZG200—400、ZG230—450、ZG270—500、ZG310—570、ZG340—640。五.低淬透性含钛优质碳素结构钢•这类钢淬透性很低，含钛量较高，ωTi=0.03％～0.12％,不含其他合金元素。•广泛用于制造汽车、拖拉机的小模数齿轮和轴等零件。•牌号以2位数字加D、Ti表示。数字表示平均碳质量分数为万分数，D表示低淬透性，Ti表示含钛量。如55DTi表示平均碳质量分数为0.55％的低淬透性含钛优质碳素结构钢。低合金钢与合金钢•低合金钢与合金钢是以合金元素含量多少区分的；•70%;低合金钢与合金钢的分类合金钢的编号编号方法原则采用“数字+化学元素符号+数字”的方法。（1）合金结构钢编号•前面数字表示钢的平均碳质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，用化学符号表示，后面的数字表示合金元素平均含量的百分数。合金元素的平均含量四舍五入。•如0.37～0.45％C，0.80～1.10％Cr的铬钢，以40Cr表示；含0.57～0.65％C，1.5～2.0％Si、0.80～1.10％Mn的硅锰钢，以60Si2Mn表示。如含S、P量低的高级优质钢，则在钢号的末尾加以符号“A”或“高”字，如20Cr2Ni4A，表示平均碳质量分数为0.20％、Cr=2.0％、Ni=4.0％的高级优质合金钢。（2）滚动轴承钢与易切钢滚动承钢牌号为“G+平均铬质量分数的千分数”组成，碳质量分数不标出。如GCr15（滚铬15）表示平均含铬量为1.5％的滚动轴承钢。易切钢为“Y”+碳质量分数的万分数。如Y12、Y20分别表示平均碳质量分数为0.12％、0.20％的易切钢。（3）合金工具钢•合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，区别的是平均碳质量分数≥1.0％时不标出，＜1.0％时以千分数表示。•如9SiCr表示平均碳质量数为0.9％，Si、Cr的平均含量＜1.5％；CrMn表示平均碳质量分数≥1.0％，Cr、Mn平均含量＜1.5％。•对于高速钢不论碳质量分数多少，均不标出。如W18Cr4V表示平均碳质量分数为0.7％～0.8％、含钨量为18％、含铬量为4％、含钒量＜1.5％。（4）特殊性能钢牌号前面的数字表示平均碳质量分数的千分数。如9Cr18表示碳质量分数为0.9％，含铬量为18％。当平均碳质量分数≤0.03％及0.08％时，在钢号前分别标以“00”及“0”。如00Cr18Ni10表示平均碳质量分数≤0.03％、含铬量为18％、含镍量为10％；又如0Cr19Ni9表示平均碳质量分数≤0.08％、平均含铬量为19％、平均含镍量为9％。3．合金元素在钢中的作用常用的合金元素有：Mn、Si、Cr、Ti、Ni、V、Mo、W、RE等。3．合金元素在钢中的作用（1）合金元素对钢的基本相的影响（2）合金元素对Fe-C状态图的影响（3）合金元素对热处理的影响（3）合金元素对热处理的影响1）金元素对钢加热时奥氏体化的影响2）合金元素对过冷奥氏体转变的影响3）合金元素对马氏体转变的影响4）合金元素对淬火钢回火转变及性能的影响合金钢回火转变特点①提高合金钢的回火稳定性：较高温度回火时仍能保持较高强度和硬度。②合金钢有2次淬火和2次硬化现象：合金元素含量较高，残余奥氏体稳定，加热到500～600℃温度范围回火时也不分解，而在冷却时有部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度提高，这种现象称为2次淬火。含W、Mn、V、Cr、Ti等合金元素量高时，在500～600℃回火，会直接从马氏体中析出弥散分布、颗粒细小的特殊碳化物、使钢的硬度不但不会下降，反而有所升高，这种现象称为2次硬化。合金钢回火转变特点③回火脆性：淬火后，在某一温度范围回火后出现脆化现象，称为回火脆性。在250～350℃回火产生的脆性，称为低温回火脆性或第一类回火脆性；在500～650℃回火产生的脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。第一类回火脆性与回火后的冷却速度无关，无法消除。应避开此温度范围。第二类回火脆性与冷却速度有关，快速通过500～650℃，抑制脆化出现。防止第二类回火脆性的主要措施有：第一，冶炼时提高钢的纯度，减少杂质元素的含量；第二，采用回火时快速冷却，抑制元素偏聚；第三，在钢中加入适量的Mo、W，也可阻止杂质元素偏聚；第四，采用二次淬火改善杂质元素的分布情况。二.合金结构钢1．工程结构钢（1）低合金结构钢低碳、低合金，C0.2％，合金元素总量3.0％，可分为F-P钢，低碳B钢和低碳M钢。合金有Mn、Ti、V、Nb、Cu、P。Mn是基本强化元素，1.8％时，除固溶强化外，还可细化F晶粒，提高强度、改善塑性。Ti、Nb、V等生成微细碳化物起到细化晶粒和弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。少量Cu、P可提高钢对大气的抗蚀能力。一般不进行热处理，在热轧正火状态使用。（2）船钢和锅炉钢专用于造船和锅炉制造的低合金结构钢，有专用牌号。船钢含P量不能太低，以保证一定的抗蚀性，碳质量分数不能太高，以提供良好的焊接工艺。锅炉钢Si含量不能太低，以保证Si氧化膜覆盖于钢的表面，提高钢的强度、韧性和抗氧化性，碳质量分数不能太高，便于焊接。机器结构用钢之（1）合金调质钢是指淬火+高温回火（调质处理）后使用的结构钢。组织为S回。C为0.30％～0.50％。含有较多的Mn、Cr、Si、Ni、B等，可固溶强化F，增加淬透性；另外含有少量的Mo、W、V等元素，形成特殊碳化物，细化晶粒，提高回火稳定性，防止第二类回火脆性。按淬透性大小可分三类：1）低淬透性合金调质钢主要40Cr、40MnB等。合金元素总量2.5％，淬透性低，综合力学性能及工艺性能好，可用于制造中小截面零件。如汽车、拖拉机轴、连杆、齿轮。2）中淬透性合金调质钢主要牌号35CrMo、40CrNi。合金元素总量不大于3.5％，可用于制作大截面、重载齿轮、曲轴和连杆等。3）高淬透性合金调质钢主要牌号40CrNiMoA、40CrMnMo等。合金元素总量达4.0％以上，淬透性高，可用于制作汽轮机的主轴、叶轮等。机器结构用钢之（2）合金渗碳钢渗碳+直接淬火+低温回火，表层为高碳M回+Ar+合金渗碳体，硬度HRC60～66。心部为F+T+少量低碳M，硬度HRC25～40；具有表硬，心强韧的特点。C：0.10～0.25％。合金Cr＜2.0％、Ni＜4.5％、Mn＜2.0％、B＜0.005％。合金元素具有固溶强化、提高淬透性作用；此外加入V、Mo、W、Ti等强碳化物形成元素，细化晶粒、抑制渗碳时A的长大，改善渗碳能力。可分三类:1）低淬透性合金渗碳钢：如15Cr、20CrMn等。经渗碳后淬火与低温回火后心部强度较低，强度与韧性配合较差，主要用于制造受力不大，强度、耐磨性要求不高的零件。2）中淬透性合金渗碳钢：如20CrMnTi、20Mn2TiB等。合金元素含量≤4.0％，淬透性较好，热处理后表面硬度高，而心部强韧性好，用作承受冲击载荷的齿轮、轴和凸轮盘等。3）高淬透性合金渗碳钢：如20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等。合金元素总量4.0～6.0％，淬透性大，经渗碳+淬火+低温回火后心部强度很高，强度与韧性配合很好，可制造重载、大截面、强韧性和耐磨性要求高的重要