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1、第3章 常用材料及选用文件整理人:张建林2008-6-103.1 碳钢碳钢含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢的铁碳合金称为碳素钢,简称碳钢简称碳钢3.1.1 碳钢的分类碳钢的分类 分为低碳钢(Wc0.25%)、中碳钢(0.25Wc0.60%)和高碳钢(Wc0.60%)。 1、按含碳量分类 2、按质量分类 1）普通质量碳钢（Ws0.050%、Wp0.045%）不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。2）优质碳钢（Ws0.035%、Wp0.035%）3）高级优质碳钢（Ws0.020%、Wp0.030%）3、按用途分类 1）碳素结构钢主要用于制造

2、各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。3)铸钢主要用于制造形状复杂、难以用压力加工方法成型的铸件。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等3.1.2 碳钢的牌号、性能和应用 1、碳素结构钢 牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040%；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）

3、、TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。例：Q235AF。2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。万分数。例：45钢（SC45)。含碳量为含碳量为0.45；又分为普通含锰量（WMn0.7%）和较高含锰量（WMn =0.7%1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。例：65Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。3、碳素工具钢 牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的千分数）表示。例：T12。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火

4、后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。如：锉刀、卡尺等如：锉刀、卡尺等1。低合金高强度结构钢 3.2合金钢3.2.1合金元素在钢中的作用3.2.2低合金高强度结构钢和合金结构钢成分特点：在低碳钢（Wc0.2%）的基础上加入少量的锰、硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢。性能特点：强度高，塑性、韧性好，焊接性好、冷成形性好、耐蚀性好、冷脆转变温度低、成本低。 低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出20%25%，代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的重量。例：南京长江大桥的桥梁

5、采用Q345比用Q235节省钢材15%以上。 广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器等工程结构件及低温下工作的构件等。4、铸钢 牌号：用“ZG” 表示。 牌号有两种表示方法：以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“” 隔开。例： ZG230450。 以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量1时不标出,平均碳含量0.1时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数。例：ZG15Cr1MolV。1）合金渗碳钢 (1）用途及

6、性能要求用途：汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸轮、活塞销等机械零件。性能要求：零件表面高的硬度、高的耐磨性和耐疲劳性能，心部高的韧性和足够的强度。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.10.25,以保证零件心部有良好的塑性和韧性。加入Cr、Mn、Ni、Ti、V、W、Mo、B等以提高钢的淬透性，细化晶粒，在渗碳层获得均匀细小的耐磨碳化物。热处理：渗碳后淬火、低温回火。(3）常用合金渗碳钢分低淬透性合金渗碳钢（如20Cr、20MnV）、中淬透性合金渗碳钢（如20CrMnTi）、高淬透性合金渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）三类。2.合金结构钢2）合金调质钢 (1）用途及性能要求用途：汽

7、车、机床等机器中重要的零件。性能要求：良好的综合力学性能。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.250.50，保证良好的综合力学性能。加入Cr、Mn、Si、Ni、B等提高淬透性、强化铁素体、细化晶粒、提高耐回火性等。热处理：调质处理(3）常用合金调质钢分低淬透性合金调质钢（如40Cr）、中淬透性合金调质钢（如35CrMo、38CrMoAl）、高淬透性合金调质钢（如40CrNiMo、40CrMnMo）三类。3.2.3 合金弹簧钢(1）用途及性能要求用途：机械和仪表中各种弹性元件。性能要求：高的弹性极限和屈强比、较高的疲劳强度、足够的塑性和韧性。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：W

8、c0.50.7% ,保证高的弹性极限。加入Mn、Si、Cr、Mo、W、V、B等以提高钢的淬透性、细化晶粒、耐回火性、强化铁素体、提高弹性和屈强比等。冷成形弹簧：去应力退火或淬火加中温回火。热成形弹簧：淬火、中温回火(3）常用合金弹簧钢分硅锰系合金弹簧钢（如60Si2Mn）、硅铬系合金弹簧钢、铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢（如50CrVA）。3.2.4 滚动轴承钢 1）用途及性能要求用途：制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外套圈等。性能要求：很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.951.15，保证高硬

9、度、高耐磨性。加入Cr、Si、Mn、Mo、V等合金元素，提高钢的淬透性、耐磨性和接触疲劳强度。 热处理：球化退火、淬火和低温回火。3）常用轴承钢高碳铬轴承钢（GCr15应用最广）和无铬轴承钢。一一. .普通低合金钢普通低合金钢Q460钢含钢含Mo、B，正火组织，正火组织 为为B，强度高强度高，用于石化中温，用于石化中温 高压容器。高压容器。压力容压力容器器南京长江大南京长江大桥桥 Q345钢钢(16Mn)综合性能好综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。型钢结构。 Q390钢含钢含V、Ti、Nb，强度强度 高高，用于中等压力的容器。，用于中等压力的容器。万吨远

10、洋轮万吨远洋轮二二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求对渗碳钢的含碳量的要求: 低碳低碳3.渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点:渗碳渗碳 - 淬火淬火 + 低温回火低温回火(180200)表硬里韧表硬里韧Wc 0.25 %Wc = 0.150.25 %合金元素合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。等。表层表层:M回回+Fe3C+A残残心部心部:F+P表层表层:M回回+Cm+A残残心部心部:低碳低碳M回回 +F碳素渗碳钢碳素渗碳钢合金渗碳钢合金渗碳钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织4.

11、合金渗碳钢的牌号合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A等级等级:高级优质高级优质含钛量含钛量WTi1.5 %含锰量含锰量WMn 2 %含碳量含碳量WC 20 %005.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用用 于受力小的耐磨件，如柴于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左左 右。右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷。用于中等载荷 的耐

12、磨件，如变速箱齿轮。的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴活塞销活塞销( 20Cr )5.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。的耐磨件，如柴油机曲轴。 柴油机曲轴柴油机曲轴4.合金调质钢的牌号合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38 Cr Mo Al A25Cr2Ni4WA5.典型合金调质钢种介绍典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢低淬透性调质钢钢含合金元素总量钢含合金元素总量3

13、 %。40Cr、40MnB等。等。 中淬透性调质钢中淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左右。左右。38 CrSi、35 CrMo 等。等。圆圆锥锥齿齿轮轮柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。轴、螺栓等零件。5.典型合金调质钢种介绍典型合金调质钢种介绍 高淬透性调质钢高淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 % 10 %。 制造大截面重载荷零件，如制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等曲轴等用高淬透性的零件等 。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。等。 40C

14、r钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线四四. .碳素弹簧钢及合金弹簧钢碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.对弹簧钢的性能要求对弹簧钢的性能要求:高的高的e、高的、高的s/ b、高的、高的-1、良好的韧。、良好的韧。2.对弹簧钢含碳量的要求对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点热成型弹簧钢的热处理特点:淬火淬火 + 中温回火中温回火( 450550 )碳素弹簧钢碳素弹簧钢合金弹簧钢合金弹簧钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织Wc = 0.60.9 %Wc = 0.50.7 %合金元素合金元素: Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。等。T回回制

15、造尺寸小于制造尺寸小于815mm的的小型弹簧。小型弹簧。T回回制造尺寸在制造尺寸在2025mm左右的弹簧。左右的弹簧。4.合金弹簧钢的牌号合金弹簧钢的牌号6565 Mn55 Si 2 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb5.冷成形弹簧生产工艺特点冷成形弹簧生产工艺特点 用于生产尺寸小于用于生产尺寸小于815mm的小型弹簧的小型弹簧,常用弹常用弹簧钢丝簧钢丝(片片)冷绕成形冷绕成形,其制造方法有其制造方法有:v T组织冷成型组织冷成型+200300去应力去应力 退火。退火。60、75、85、65 Mn。v T回组织冷成型回组织冷成型+去应

16、力退火。去应力退火。v 退火组织冷成型退火组织冷成型+淬火淬火+中温回火。中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧簧弹丝簧弹丝五五.滚动轴承钢滚动轴承钢 ( bearing steel )1.性能要求性能要求:v高的硬度强度和耐磨性高的硬度强度和耐磨性;v高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度;v足够的韧性和耐蚀性足够的韧性和耐蚀性;v高的纯净度高的纯净度;滚珠轴滚珠轴承承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承五五.滚动轴承钢滚动轴承钢 ( bearing steel )2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳, Wc = 0.

17、91.1%。主加主加Cr, 0.41.65 % 辅加辅加Si、Mn。优质钢材优质钢材。五五.滚动轴承钢滚动轴承钢 ( bearing steel )3.热处理特点热处理特点:球化退火球化退火+ 淬火淬火+ 低温回火低温回火极细回火马氏体极细回火马氏体+ +细粒状碳化物细粒状碳化物+ +少量残余奥氏体少量残余奥氏体4.滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 含含Mn量量WMn1.5 % 含含Si量量WSi1.5 % 含含Cr量量WCr 0.9 % 滚动轴承钢滚动轴承钢5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火 + 冷

18、处理冷处理 ( 60 80;1h ) 低温回火低温回火 磨削加工磨削加工 稳定化处理稳定化处理 ( 120 130；5 10h ) 3.2.5 合金工具钢合金工具钢合金刃具钢合金刃具钢 ( alloy cutting steel )合金模具钢合金模具钢 ( alloy die steel )合金量具钢合金量具钢( alloy measuring steel )量量 具具刃刃 具具模模 具具二二.合金刃具钢合金刃具钢 种类种类 : 低合金刃具钢低合金刃具钢 ; 高速钢。高速钢。 牌号牌号 :合金元素及含量合金元素及含量千分之几的含碳量（千分之几的含碳量（0.9） 9 Si Cr W18 Cr4

19、V1.低合金刃具钢低合金刃具钢1.性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性、有一高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过工作温度不超过300。2.化学成分特点化学成分特点:*高碳高碳*加入加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。等合金元素。3.热处理特点热处理特点:球化退火球化退火 淬火淬火 + 低温回火低温回火 9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线钢板牙热处理工艺曲线板板牙牙2.高速钢高速钢 ( high speed steel )(1) 性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时时,HRC63以上以上) 、有一

20、定的强度和韧性。、有一定的强度和韧性。高速钢高速钢 - 锋钢、风钢锋钢、风钢 ; 18 4 1 钢钢车刀车刀铣刀铣刀钻头钻头(2) 化学成分特点化学成分特点:v高碳高碳 0.71.5%:v钨钨 18%:v钼钼 5%:v铬铬 4%:v钒钒1.5%: 保证高硬度保证高硬度退火状态下形成退火状态下形成M6C碳化物碳化物,在在560左右回火时左右回火时, 弥散析弥散析出出W2C, 造成二次硬化造成二次硬化, 提高提高钢的红硬性钢的红硬性。1%Mo的作用等同于的作用等同于2%W。形成形成Cr23C6碳化物碳化物;提高钢的提高钢的淬透性淬透性。形成形成VC, 硬度极高硬度极高, 提高钢的提高钢的硬度和耐磨

21、性硬度和耐磨性, 产生二次硬化。产生二次硬化。(3) W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点钢的生产工艺及热处理特点铸造铸造 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+三次三次570回火回火 磨削加工磨削加工 铸造铸造:高速钢属于高速钢属于莱氏体钢莱氏体钢,铸态组织铸态组织 中含有中含有大量呈鱼骨状分布的粗大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物大共晶碳化物M6C,钢的韧性大钢的韧性大 幅下降。幅下降。四四.合金量具钢合金量具钢1.性能要求性能要求:高的硬度高的硬度, HRC62;高的耐磨性高的耐磨性;高的尺寸稳定性高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性足够高的心部韧性;热处理变形小热处理变形小

22、; 尺寸稳定尺寸稳定;良好的耐蚀性良好的耐蚀性;卡卡 尺尺量量 规规千分尺千分尺3.热处理特点热处理特点:4.热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm淬火淬火 冷处理冷处理 ( - 70 - 80 ) 低温回火低温回火 时效处理时效处理 ( 120130,几十小时几十小时 ) 5.牌号牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。等。2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳 0.91.5 %;合金元素合金元素:Cr, Mn、W。 CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺钢制造块规退火后的热处理工艺650820840油冷油冷3h-70-80 冷处理冷处理1401

23、603h11012036h时效处理时效处理精磨精磨3h研磨研磨温度时间零件毛坯的选择与材料的选用零件毛坯的选择与材料的选用 材料选用的一般原则材料选用的一般原则 选材的基本过程与失效分析选材的基本过程与失效分析 典型零件的选材典型零件的选材 零件毛坯的选择零件毛坯的选择3.3 铸铁 铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。 6.1.1 铸铁的分类铸铁的分类 1白口铸铁白口铸铁 2麻口铸铁 3灰口铸铁（1）灰铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；（2）可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；（3）球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；（4）蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁

24、。 3.3.1 灰铸铁灰铸铁 1灰铸铁的化学成分、组织和性能灰铸铁的化学成分、组织和性能 （1）化学成分灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5% 40%，wSi=1.0% 25%，wMn=O5% 1.4%，wSO.15%，wP0.3%。 (2)组织由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。 6.2.1 灰口铸铁灰口铸铁（3）性能 力学性能石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能 优良的性能： 良好的铸造性能 良好的减震性 较低的缺口敏感性 良好的切削加工性 良

25、好的减摩性 良好的抗压性能6.2.1 灰口铸铁灰口铸铁b类 别牌号用 途 举 例铁素体灰铸铁HTl00低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等铁索体珠光体灰铸铁HT150承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件珠光体灰铸铁HT200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等HT250孕育铸铁HT300床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等HT3503.3.2 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 是20世纪50年代发展起来的

26、一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。 6.2.2 球墨铸铁球墨铸铁 1球墨铸铁的化学成分、组织和性能球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%3.9%，wSi=2.0%2.8%，wMn=0.6%0.8%，wS0.04%，wP0.1%, wMg=0.03%0.05% （2）组织 球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)+球状石墨(G)，铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，珠光体(P)+球状石墨(G)，下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。为铁素体球墨铸铁的显微组织。图6-3 铁素体球墨铸铁显微组

27、织6.2.2 球墨铸铁球墨铸铁 （3）性能 球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。6.2.2 球墨铸铁球墨铸铁基体类型牌号用途举例铁素体QT400

28、-15QT400-10阀体，汽车、内燃机车零件，机床零件，减谴器壳铁素体+珠光体QT500-7机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦珠光体QT700-2QT800-2柴油机曲轴、凸轮轴汽缸体、缸套，活塞环，部分磨床、铣床、车床的主轴等下贝氏体QT900-2汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速齿轮柴油机凸轮轴6.2.4 可锻铸铁可锻铸铁 可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。6.2.4 可锻铸铁可锻铸铁 1可锻铸铁的化学成分、组织和性能1）可锻铸铁的化学成分是: wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，w

29、Mn=0.3%0.8%，wS0.2%，wP0.1%。 2）可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。 3)性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。 6.2.4 可锻铸铁可锻铸铁类 别牌号应用举例黑心可锻铸铁KTH300-06KTH330-08KTH35010KTH37012汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管接头，铁道扣板和农具等珠光体可锻铸铁KTZ550-04KTZ700-02曲轴，连杆，齿轮，凸轮轴，播臂，活塞环等