1、 第四章 1. 教學要求： 本講是課程的重點，要求掌握： 鋼和鑄鐵的分類，牌號表示，各類鋼的性能特點，熱處理特點及應用。 鋁及其合金，銅及其合金，滑動軸承合金的分類，性能特點及其應用； 能根據零件的性能要求，合理選擇相應的金屬材料. 2.教學時數： 7 4. 1.工業用鋼概述 碳鋼（含碳量 2.11 FeC合金) 鋼 合金鋼（碳鋼+合金元素熔煉而成的鋼） 4.1.1.鋼中雜質 合金元素（Metal elements,Me）: 為改善性能而有目的加入的化學元素。雜質：不是人為加入和期望而存在于鋼鐵中的元素或化合物 鋼中常見的雜質有錳、硅、（硫、磷 等。1.硫的影響 S以FeS的形式存在于鋼中，F

2、eS與Fe形成（Fe+FeS）共晶，其熔點僅985，在鍛造過程（加熱溫度在10501200）（ Fe+FeS）共晶熔化而產生熱裂（稱為熱脆性），因此，鋼中含硫量均0.05 2.磷的影響： 因此，鋼中含磷量均0.045。 磷 在鋼中能溶于鐵素體，固溶強化效果很強，而使塑韌性急劇降低，在冷塑性變形（如板沖壓）產生脆裂（冷脆性）鋼中含磷量均0.0454，1，2.合金元素在鋼中的作用 1.改善鋼的力學性能 圖、合金元素對鋼的力學性能的影響 合金元素在鋼中的分布形式： 碳化物形成元素 非碳化物形成元素Ti.V.W.Mo.Cr.Mn. Si.Al.Ni.B作用 26 Fe 3d64S形成合金碳化物形成合金

3、鐵素體合金鋼強化的原因： a.固溶強化 b.第二相強化 c. 細化晶化（碳化物阻礙奧氏體晶粒長大） 提高強度和韌性2.提高鋼的淬透性2.提高鋼的淬透性 Me 阻礙 Fe. C 原子擴散，因此減慢與原子擴散有關的組織轉變，Me使C曲線右移，臨界冷卻速度減慢鋼的淬透性提高。 提高淬透性帶來的好處 增加淬硬層深度，改善鋼的性能； 減慢淬火冷卻速度，減少變形。 （所以,合金鋼用油冷，碳鋼用水冷） * 大尺寸零件，形狀復雜 的零件應選用合金鋼。變形小 能淬透 3.提高鋼的回火穩定性 回火穩定性：淬硬鋼在溫度升高時，仍能保持高硬度的能力。亦稱抗回火軟化能力。回火穩定性高帶來的好處：工作溫度升高，零件仍能保

4、持高硬度和耐磨性 * 在溫度較高環境工作的或摩擦熱較大的零件應選用合金鋼。 T12 鋼 和高速鋼車刀不同溫度回火的組織與性能 例4，提高奧氏體轉變溫度，減慢奧氏體形成過程 *合金鋼加熱溫度更高，保溫時間更長。 4.1.3. 鋼的分類及牌號表示 1.分類： 見教材 2.牌號表示： （1）結構鋼 a. 碳鋼 以“鋼中平均含碳量的萬倍”編號 例： 0.40C的鋼， 牌號為 40鋼 b.合金結構鋼 “鋼中平均含碳量的萬倍 + Me符號及含量的百倍 + ” Me含量的標注： 1.5 不標出， 1.52.4標2，（2）工具鋼和不銹鋼 a、碳素工具鋼 T+鋼中平均含碳量的千倍（高級優質+A) 例：T12 b

5、、合金工具鋼和不銹鋼 鋼中平均含碳量的千倍+Me符號及含量的百倍+其中， 鋼中含碳量1.0不標含碳量， 高速鋼（10Me的高合金鋼且Cr：4）不標含碳量。 例：9SiCr CrWMn. W18Cr4V（高速鋼，4Cr） 4Cr13（不銹鋼，含Cr量13）。Summary 鋼號前有兩個位數為結構鋼，如 40Cr， 一個位數和沒有數的， 13Cr是工具鋼，如 9SiCr,CrWMn,W18Cr4V. 13Cr是不銹鋼 2Cr13,1Cr18Ni94.2 結構鋼4.2.1.工程結構鋼 1、性能特點： 強度低 主要用于靜載 塑性高 便于成型，C和Me含量越低，塑性越高 焊接性好便于施焊，C和Me含量越

6、低，可焊性越高。 2、成分特點： 低碳，低合金含量 (1)普通結構鋼 牌號： Q+鋼的屈服極限（MPa）+質量等級（A-D） Q195 Q275（共五種） (2)低合金結構鋼 低合金結構鋼普通結構鋼(Q235)+Me（3.0 常用 Me：Mn、V、Ti。 合金元素的作用： 強化鐵素體，細化晶粒，增加碳化物相對量。 因此，低合金結構鋼的強度比Q235高40至一倍。3、主要應用 框架結構，建筑結構，壓力容器等 使用狀態：不熱處理或正火，或去應力退火，對特殊要求的零件可進行淬火。4.2.2 優質結構鋼： 1,滲碳鋼 (1)性能特點（以齒輪為例） 通過滲碳-淬火實現 c.高沖擊韌性 d.高淬透性 *表

7、層高硬度，高耐磨性,心部高韌性 (1)成分特點 低碳，0.150.20C保證零件心部高韌性 Cr、Mo、W、V、Ti形成合金碳化物，保證滲碳過程細化晶粒 Cr、Mn、Ni、B提高淬透性。(2)常用鋼：20（一般要求),20MnVB(代用鋼） 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等 0.20C，低碳，保證高韌性例：20CrMnTi Cr、Ti細化晶粒 Cr、Mn提高淬透性。（3）應用：齒輪、凸輪、活塞銷等。滲碳零件的工藝流程： 毛坯鍛造正火機加工滲碳淬火+低溫回火精加工 2、調質鋼（1）性能特點 具有高的綜合力學性能 a 高強度以抵抗扭轉和彎曲變 b 高韌性以抵抗振動和沖擊（2） 成分特

8、點 中碳：0.250.5C Si、Mn、Cr、Ni、B提高淬透性 Cr、V細化晶粒 Mo、W消除回火脆性。（3）常用鋼 一般要求 40，45，40Cr 較高要求 35CrMo 42CrMo 40CrNi 40CrNiMo 無Cr,Ni代用鋼: 40MnB 40MnVB 42Mn2V （4）熱處理特點 調質 組織：回火索氏體 硬度 HRC25-32 調質鋼加工工藝流程： a、軸桿類零件：如連桿，曲軸，連桿螺栓等 鍛造正火機加工調質 -精加工檢驗 組織：回火索氏體（HRC25-32） b、齒輪，軸頸等要求表面耐磨零件 鍛造-正火-機加工-調質-精加工-表面淬火+低溫回火-檢驗組織： 表層：回火馬氏

9、體（HRC54-58） 心部：回火索氏體（HRC25-32）3、彈簧鋼 （1）性能特點 高彈性極限，高疲勞極限 （2）成分特點： 中高碳 0.50.7（合金鋼）， 0.60.9（碳鋼） Si強化鐵素體，提高彈性極限 Si、Mn提高淬透性 Cr、Mo、W提高高溫強度（高溫彈簧所必須） （3）常用鋼： 65，75，65Mn, 55Si2Mn, 60Si2Mn. 高溫彈簧鋼 50CrMo, 50CrV（4）熱處理特點： 淬火+中溫回火。 組織：回火托氏體（HRC40-50） （5）應用： 彈性元件，要求高韌性、高耐磨性的零件、工具，如鏟刀，刀剪等。 4、滾動軸承鋼 (1)成分和性能特點： 高硬度，高

10、耐磨性高碳0.95-1.10C 高耐蝕性0.4-1.65Cr 高接觸疲勞強度嚴格控制有害元素和非金屬夾雜物。 (2)常用牌號： GCr15(G +含 Cr量的千倍) GCr15SiMn(Si、Mn提高淬透性，用于大型軸承) (3)應用： 滾動軸承、刀具、模具、量具 工藝路線 鍛造(1)球化退火機加工(2)淬火+低溫回火精加工 組織與性能 (1)球狀珠光體 (2) 回火馬氏體+碳化物 180220HBS HRC6064 5、易切削鋼 高切削性能的特征：切削抗力小，排屑（斷屑）容易，刀具壽命長，工件表面粗糙度低。 牌號表示： Y+平均含碳的萬倍 如Y20 Y40Ca 成分特點： 含硫量高，0.10

11、.3S ， 形成MnS潤滑刀具，易斷屑 應用：切削量大的工件，如標準件 例，南汽用 Y53Ca 制造連桿 4.3工具鋼4.3.1.工具鋼的特點（除熱作模具鋼外）1、性能特點 高硬度，高耐磨性 HRC60 碳化物越多，越細，分布越均勻，硬度、耐磨性越高 因此，工具鋼均高碳， 0.71.3C 高碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V等 高熱硬性 熱硬性：工具鋼經適當熱處理后，在達到紅熱溫度時仍能保持高硬度的特性 . 如加入Mo、W、V、Co可提高鋼的熱硬性一定強韌性：細化晶粒高的淬透性：如加入Cr、Mn、Si。2、成分特點：三高：含碳量高（0.7C，熱作模具鋼0.30.6C除外）合金元素含量高純度高

12、S、P均0.030.02 均屬高級優質鋼。3、鍛造及熱處理特點 工具生產工藝流程； 鍛造球化退火機加工淬火+低溫回火 精加工（1）鍛造 目的：成型，細化碳化細（打碎） 要求：低合金工具鋼：鍛造比（Y）4 高合金工具鋼：Y6。*鍛造比 鐓粗 Y = 拔長 Y= （2）球化退火 目 的： 消除應力，降低硬度，改善切削性能，并為淬火作好組織準備。 工 藝： Ac1+2030保溫 A12030等溫 組 織: 球狀珠光體 硬 度 200250HBS。 （3）淬火+回火 a.淬火+低溫回火(180200回火)， 組織:回火馬氏體+碳化物+A， b.淬火+高溫回火（510550回火）： 組織:回火馬氏體+碳

13、化物+A，有二次硬化現象,具有更高硬度 ，高耐磨性，尤其有高的熱硬性。常用于高速鋼，高鉻模具鋼制造的刀具、 大型冷作模具等。 4.3.2.常用工具鋼 1、碳素工具鋼：T7T13。用于工作溫度250的工具 2、低合金工具鋼：9SiCr, 9Mn2V, CrWMn 用于工作溫度350的工具 3、高速鋼：W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 用于工作溫度550的工具. 4、冷作模具鋼：Cr12 Cr12MoV 等 用于制造大型模具。5、熱作模具鋼：5CrNiMo 5CrMnMo 用于制造熱鍛模3Cr2W8V用于制造壓鑄模具.熱作模具鋼的熱處理 淬火+中溫（或高溫）組織：回火托氏體（或回火索氏體）

14、性能 具有良好的綜合力學性能4.4 特殊性能鋼 -具有特殊理化性能的鋼4.4.1不銹鋼 1、金屬腐蝕的概念 化學腐蝕 金屬腐蝕 電化學腐蝕 組成微電池 實驗得出：兩電池電位差越大，微電池數目越多，金屬腐蝕速度越快。 金屬腐蝕示意圖2、金屬抗腐蝕的途徑 (1) 獲得單相組織降低碳含量，減少形成碳化物，盡量消除微電池。 (2) 提高陽極的電極電位，縮小兩電極電位差。加入13Cr陽極的電極電位可由-0.56V提高到0.12V。 因此，不銹鋼含鉻量均13。 (3) 形成致密保護性氧化膜,如Al2O3 Cr2O3 3、常用不銹鋼 （1）馬氏體型（Cr13型）不銹鋼1Cr13. 2Cr13. 代替結構鋼

15、熱處理：1050油淬 + 600780回火 組織：回火索氏體。3Cr13. 4Cr13.代替工具鋼 熱處理：1050油淬 + 200300回火。 組織：回火馬氏體 HRC 50左右。 應用：工具，彈簧，軸承，醫療器械 （2）奧氏體不銹鋼 （ CrNi不銹鋼 188型） 18Cr鈍化 9Ni擴大奧氏體區 空冷室溫組織：單相奧氏體 a.常用鋼 OCr18Ni9 1Cr18Ni9 OCr18Ni9Ti （加Ti抑制（Fe,Cr）4C的析出 b.熱處理： 固溶處理：10501150水冷，抑制碳化物析出 消除應力回火：冷加工后 300350回火，減小應力腐蝕傾向。（3）鐵素體不銹鋼 加入 1730Cr.

16、 Cr縮小奧氏體區，鈍化，含Cr量越高，耐蝕性越高。 常用鋼： Cr17-Cr30型. 主要應用于食品機械，化工機械 4.4.2 耐熱鋼1.金屬在高溫服役的性能（1）嚴重氧化燒損鋼在高于570 形成FeO .致密度低。抗氧化措施添加Si. Cr. Al. 形成致密的SiO2. Cr2O3. Al2O3 保護性氧化膜。（2)降低強度與蠕變 溫度升高，金屬內部原子擴散能力增強， 結合力下降，表現出強度下降， 蠕變（Creep.）： 工作應力一定時工件形狀緩慢地發變化（伸長或變形）的現象。 原因: 高溫下金屬的屈服應力工作應力（圖） 措施 添加Cr. Mo. W. V. 形成碳化物，提高高溫強度2.

17、熱強鋼：（1）珠光體型熱強鋼（工作溫度500) 12CrMo. 12Cr1MoV.正火、用于管道、容器等 35CrMo. 25Cr2MoV.調質、用于緊固件、軸 類、葉輪等。（2）馬氏體型熱強鋼（工作溫度600） Cr13型基礎上添加 Mo.V.Si. 常用鋼 4Cr9Si2 . 4Cr10Si2Mo. 熱處理：9801080淬火 + 650700回火 應用：發動機氣閥，氣門彈簧有氣閥鋼之稱 4.4.3 耐磨鋼 -高錳鋼 成分：1114Mn(Mn擴大奧氏體區，降低Ms點),0.91.3C，（Mnc= 1012） 常用鋼 ZGMn13. 鑄造組織： + +（Fe，Mn）3C 熱處理：100011

18、00 （單相 區）加熱水淬 組織：硬度約 200HBS，稱水韌處理 耐磨機理：（奧氏體）受沖擊變形，強烈壓縮 表層硬度硬度 HRC 5460 （520600HBS） 應用：高應力受沖擊的零件，如拖拉機履帶板4.5. 鑄 鐵（Cast Iron） 4.5.1 鑄鐵的特點1.成分特點 含碳量 2.11，S.P含量較高。 同樣有普通鑄鐵和合金鑄鐵之分。2.組織特點 白口鑄鐵 以萊氏體為基體 灰口鑄鐵 鋼的基體 + G（Graphite） 白口鑄鐵 斷口呈銀白色 鑄鐵 灰口鑄鐵 斷口呈灰色 麻口鑄鐵 斷口為銀白色底 + 麻點 FF+PP 一些鑄鐵的顯微組織3.性能特點灰口鑄鐵： 鋼的基體組織 + GG（石墨）的性能：b=1520MPa. 硬度 3-5HBS