1、第 1 章 机械工程材料 1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 1.2 常用金属材料常用金属材料 1.3 钢的热处理钢的热处理 1.4 非金属材料非金属材料 1.5 1.5 选择零件材料的基本原则选择零件材料的基本原则复习思考题复习思考题 1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能1.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.强度强度强度(Strength)是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度指标用单位面积所承受的载荷表示,单位是MPa。工程上常用的强度指标有屈服强度s和抗拉强度b。金属的屈服强度、抗拉强度是通过拉伸实验测定的,拉伸实验在拉伸实验机上进行。实验时,
2、首先将标准试样装夹在拉伸实验机上,用静拉伸力对试样进行轴向拉伸,直至拉断。在整个拉伸过程中,拉伸实验机会自动记录载荷和试样相应的伸长量。屈服强度是指试样在拉伸过程中开始产生塑性变形时的最小应力值,用s表示,对没有明显屈服现象的材料(如铸铁),规定产生0.2%的塑性变形时,试样单位面积上所承受的拉力作为屈服强度,用0.2表示。抗拉强度是指试样在拉断前所能承受的最大应力值,用b表示。2.2.塑性塑性塑性(Plastic)是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。它们在标准试样的拉伸试验中可同时测出。伸长率是指试样拉断后,试样的伸长量与其原始标距的百分比。断
3、面收缩率是指试样拉断后,试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。和的计算公式如下:%100001lll%100010SSS式中,l0为试样的原始标距;l1为试样拉断后的标距;S0为试样的原始横截面积;S1为试样断裂处的横截面积。材料的和越大,材料的塑性越好。具有良好的塑性，有利于材料进行锻压、冷压和冷拔等压力加工,这也是保证零件安全工作、不发生突然脆断的必要条件。一般达5,达10即可满足绝大多数零件的使用要求。3.硬度硬度硬度(Hardness)是指材料表面抵抗硬物体压入的能力,是衡量材料软硬的依据。硬度的测试方法很多,生产中常用布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法两种。1)布氏硬度试验法如
4、图11所示,用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头,在载荷P的作用下压入被测材料的表面,保持一定时间后卸除载荷,测量材料表面留下的压痕直径d,以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测材料的布氏硬度值。图 1-1 布氏硬度测试原理 在实际应用中,布氏硬度值一般不用计算方法求得,而是先测出压痕直径,然后根据压痕直径d从专门的硬度表中查得对应的布氏硬度值。布氏硬度指标有HBS和HBW两种。前者压头为淬火钢球,适用于布氏硬度值低于450的材料;后者压头为硬质合金,适用于布氏硬度值为450650的材料。布氏硬度试验法常用于测定经退火、正火、调质处理的钢及铸铁、有色金属的硬度,但因压痕较大,不宜测试成品
5、或薄壁金属的硬度。2)洛氏硬度试验法用一锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588 mm(1/16英寸)的淬火钢球作为压头,在规定载荷作用下压入被测材料表面,保留一定时间后,卸除主载荷,然后直接从硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB、HRC三种，见表1-1。洛氏硬度试验法操作简便、压痕小,可以直接测定薄壁件和成品件,且硬度测试范围大。但因压痕小,准确度较差,故需在零件的不同部位进行测量,取其平均值。表表1-1 常用的三种洛氏硬度的实验条件和应用范围常用的三种洛氏硬度的实验条件和应用范围 指标 压头 总载荷/N 测量范围 应用举例 HRA 120金刚石圆锥体 600
6、 6085 硬质合金、经淬火或表面淬火钢 HRB 1.588mm 淬火钢球 1000 25100 有色金属、可锻铸铁、经退火、正火钢 HRC 120金刚石圆锥体 1500 2667 经淬火、调质处理的钢 4.冲击韧性冲击韧性冲击韧性(Percussive Tenacity)反映金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,其值以冲击韧度AK来表征。冲击韧度是通过冲击试验测定的。冲击试验中一次冲断试样单位截面积所消耗的冲击吸收功即为AK,其大小可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。AK的值越大,材料的韧性就越好,在受到冲击时越不容易断裂。AK值高的材料称为韧性材料,AK值低的材料称为脆性材料。5.5.疲劳
7、强度疲劳强度疲劳强度(Fatigue Strength)是指材料经无数次的应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力,用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试材料的疲劳强度,最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。实验测得的材料所受循环应力与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线,如图1-2所示。由图中可以看出,循环应力越小,则材料断裂前所承受的循环次数越多。当应力降低到某一值时,曲线趋于水平,即表示在该应力作用下,材料经无数次的应力循环而不发生疲劳断裂。工程上规定,材料在循环应力作用下达到某一基数而不断裂时,其最大应力就作为该材料的疲劳极限。按GB4337-84规定,一般钢铁材料的循环次数取1
8、07次。当材料承受对称循环应力时,材料的疲劳极限用-1表示。图 1-2 疲劳曲线示意图 1.1.2 1.1.2 金属材料的物理性能和化学性能金属材料的物理性能和化学性能1.1.物理性能物理性能金属材料的物理性能(Physics Property)主要包括比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机械零件的用途不同,对金属材料的物理性能要求也有所不同。例如,飞机零件是用比重小、强度高的铝合金制造,这样可以增加有效载重量;制造内燃机的活塞,要求材料具有较小的热膨胀系数;制造变压器用的硅钢片,要求具有良好的磁性。金属材料的一些物理性能,对热加工工艺也有一定的影响。例如导热性对热加工具有十分重
9、要的意义。在进行铸造 锻造、焊接或热处理时,由于导热性的缘故,金属材料在加热或冷却过程中产生内外温度差,导致各部位不同的膨胀或收缩量,产生内应力,从而引起金属材料的变形和裂纹。因此,对于导热性差的金属材料(如合金钢,尤其是高合金钢),应采取适当的措施,避免急剧的加热或冷却,防止材料产生裂纹;在铸造中,对于熔点不同的材料,所选择的浇注温度也应有所不同等。2.2.化学性能化学性能化学性能(Chemistry Property)是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学浸蚀的能力。它主要包括耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。一般金属材料的耐酸性、耐碱性和抗氧化性都是很差的,为了满足化学性能的要求,
10、必续使用特殊的合金钢及某些有色金属,或者使之与介质隔离。如化工设备、医疗器械等采用不锈钢,工业用的锅炉、喷气发动机、汽轮机叶片等选用耐热钢。1.1.3 1.1.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料加工成型常用的四种基本加工方法是:铸造、锻压、焊接和切削加工(通常前三种加工方法称为热加工,而切削加工称为冷加工)。金属材料的工艺性能(Technology Property)包括加工工艺性能和热处理工艺性能。其中,加工工艺性能是指材料加工成型的难易程度。按照加工工艺的不同,又分为铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的,不能简单用
11、一个物理参数来表示。1.1.铸造性铸造性铸造性(Castability)是指金属熔化成液态后,在铸造成型时所具有的一种特性。衡量金属铸造性的指标有:流动性、收缩性和偏析倾向。金属材料中,铸造铝合金、青铜的铸造性优于铸铁和铸钢,铸铁优于铸钢；铸铁中,灰铸铁的铸造性能最好。2.2.锻造性锻造性锻造性(Forgeability)是指金属材料在锻压加工时的难易程度。材料的塑性好，变形抗力小，则锻造性好，反之，则锻造性差。锻造性不仅与金属材料的塑性和塑性变形抗力有关,而且与材料的成分和加工条件有关。如铜合金和铝合金在冷态下具有很好的锻造性;钢在高温下,锻造性也好,碳钢比合金钢的锻造性好,低碳钢比高碳钢的
12、锻造性好;青铜、铸铝和铸铁等几乎不能锻造。3.3.焊接性焊接性焊接性(Weldability)是指金属材料是否容易用焊接的方法形成优良接头的性能。焊接性好的金属易获得没有裂纹、气孔、夹渣等缺陷的焊缝,并且焊接接头具有一定的力学性能。导热性好、收缩小的金属材料焊接性都比较好,低碳钢和低合金高强度钢具有良好的焊接性,碳与合金元素含量越高,焊接性越差。4.4.切削加工性切削加工性切削加工性(Machining Capability)是指金属材料在切削加工时的难易程度。切削加工性好的金属材料对切削刀具的磨损量小,切削用量大,加工表面的粗糙度数值小。切削加工性能的好坏与金属材料的成分、硬度、导热性、内部
13、组织结构、加工硬化等因素有关。尤其与硬度关系较大,材料的硬度值在170230 HBS最容易进行切削加工。一般铸铁、铜合金、铝合金及中碳钢都具有较好的切削加工性,而高合金钢的切削加工性差。5.5.热处理工艺性热处理工艺性材料的热处理工艺性(Heat Treatment Capability)是指材料的淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、热处理介质的渗透能力等。热处理能够提高和改善钢的力学性能,因此应充分利用热处理技术来发挥材料的潜力。一般碳钢的淬透性差,淬火时易变形开裂,而合金钢的淬透性优于碳钢。1.2 常用金属材料常用金属材料1.2.1 1.2.1 工业用钢工业用钢钢的性能好、价格低、品种多、规格全
14、,并且可通过热处理改善其力学性能,是工业中用量最大的金属材料。国家标准GB/T13304-91钢分类是参照国际标准制定的。该标准比较系统、详细地规定了钢的分类及表示方法。钢按化学成分可分为非合金钢(碳钢)、低合金钢和合金钢(国际标准ISO 4948/1分为非合金钢和合金钢);按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢;按质量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢;按含碳量可分为低碳钢(含碳量小于等于0.25)、中碳钢(含碳量范围是0.250.6)和高碳钢(含碳量范围是0.62.11)。1.1.非合金钢非合金钢(碳素钢碳素钢)碳素钢(Carbon Steel)是指含碳量小于2.11,含有少量硅、锰、磷、硫
15、等杂质元素的铁碳合金。其中,硅、锰是有益元素,对钢有一定的强化作用;磷、硫是有害元素,分别增加钢的冷脆性和热脆性,应严格控制。碳素钢有结构钢和工具钢之分。结构钢是制造一般机械零件和工程结构所用的钢,按质量又分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。此外,结构钢还包括铸钢。1)普通碳素结构钢(简称普通碳钢)普通碳钢的含碳量在0.060.38之间,有害元素磷、硫的含量较高,一般在供应状态下使用,不需经过热处理,价格便宜,在满足性能要求的情况下,应优先采用。这类钢大多轧制成板材、型材(圆、方、扁、工、槽、角钢等)及异型材(如轻轨等),用于房屋、桥梁、船舶等建筑结构或一些受力不大的机械零件。普通碳钢牌号的表
16、示方法是用屈服强度的“屈”字拼音首字母Q、屈服强度数值、质量等级符号(A、B、C、D,其中A级磷、硫含量相对较高,D级最低)、脱氧方法(镇静钢Z、特殊镇静钢TZ、半镇静钢b、沸腾钢F)等四部分按顺序组成。对于镇静钢和特殊镇静钢,符号Z和TZ可以省略。例如，Q235-AF表示屈服强度数值为235 MPa的A级沸腾钢。普通碳钢供应时所有的A级钢保证力学性能,其他等级的钢既要保证力学性能,又要保证化学成分。2)优质碳素结构钢(简称优质碳钢)优质碳钢是按化学成分和力学性能供应的。钢中磷、硫及非金属夹杂物的含量较少,常用作需要经过热处理的各种较重要的机械零件。牌号用两位数字表示,该数字为平均含碳量的万分
17、数。如45钢表示平均含碳量为0.45。如果是高级优质钢,则在牌号后面加“A”,沸腾钢加“F”,含锰量较高时加“Mn”。优质碳钢中08F、10F含碳量低,塑性好,焊接性能好,主要用于制造冷冲压零件和焊接件,属于冷冲压钢。15、20、25钢属于渗碳钢,这类钢强度低,塑性、韧性较高,切削加工性和焊接性能很好,可制造各种受力不大但要求高韧性的零件,还可用作冷冲压件和焊接件。渗碳钢经渗碳淬火后,表面硬度可达60HRC以上,耐磨性好,而心部仍具有很好的韧性,常用于制造表面要求硬度高、耐磨,并承受冲击载荷的零件。30、35、40、45、50、55钢属于调质钢,经热处理后,具有良好的综合力学性能。主要用于要求
18、强度、塑性、韧性都较高的零件,如齿轮、套筒、轴类零件。60、65、70、75、80、85钢属于高碳钢,经过热处理后可获得高的弹性极限和硬度,常用于制造弹簧、手工工具及耐磨零件等。3)铸钢在重型机械、运输机械、冶金设备、国防工业中,许多形状复杂的零件很难用锻压等方法成型,用铸铁又不能满足性能要求,此时通常采用铸钢件,如变速箱体、轧钢机架、水泵体等。铸钢(Cast Steel)多采用碳素铸钢,当有特殊要求时可采用合金铸钢。GB/T113521989规定铸钢的牌号用“ZG”表示,后面的两组数字分别表示屈服强度和抗拉强度值,如ZG310-570。4)碳素工具钢碳素工具钢的牌号用“T”表示,后面的数字为
19、平均含碳量的千分数。若为高级优质钢,后面加注“A”,如T10A。此类钢含碳量在0.7以上,经淬火和低温回火后有很高的硬度和耐磨性。一般T7、T8用于制造中等硬度、韧性稍高的工具,如冲头、錾子、木工工具等;T9、T10、T11用于制造高硬度、中等韧性的工具,如手用锯条、丝锥、板牙等,也可用作要求不高的模具;T12、T13具有高的硬度和耐磨性,但韧性低,用于制作量具、锉刀、钻头、刮刀等。2.2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢,是接合我国资源条件发展起来的优质低合金钢之一,主要加入我国的富产资源锰、钒、铌等元素,使其具有高的强度和韧性、良好
20、的综合力学性能和耐蚀性能等。GB/T1591-1994规定低合金高强度结构钢的牌号与普通碳钢相同,只是此类钢只有镇静钢和特殊镇静钢,因此,牌号中没有表示脱氧方法的符号。例如,Q390A表示屈服强度为390 MPa的A级质量的低合金高强度结构钢。常用的低合金高强度结构钢有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。由于低合金高强度结构钢具有一系列优良的性能,近年来发展极为迅速,有取代碳素结构钢的趋势。特别是Q345A(原16Mn),生产最早,产量最大,低温性能较好,可以在40450范围内使用。南京长江大桥就是采用Q345A建造的。目前已在锅炉、高压容器、大型钢结构以及汽车、拖拉机、挖掘机中
21、得到广泛应用。低合金高强度结构钢通常是在热轧经退火(或正火)状态下供应,使用时一般不进行热处理。3.3.合金钢合金钢为改善和提高钢的性能,在碳钢中加入一定量的合金元素便成为合金钢(Alloy Steel)。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、铜、钒、钛、稀土元素等。合金钢只有经过热处理,才能使合金元素发挥作用,使其力学性能和特殊性能得到显著的提高。合金钢的品种繁多,按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。1)合金结构钢按其用途和热处理特点分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。除滚动轴承钢外,其余合金结构钢的牌号用钢中含碳量和所含合金元素的种类(元素符号)及含量表示,牌号的首部
22、数字表示平均含碳量的万分数;合金元素符号后面的数字表示该合金元素平均含量的百分数,含量低于1.5时其后数字可省略。滚动轴承钢是制造滚动轴承的专用钢,其牌号用“滚”或“G”和“元素符号数字”表示,含碳量不标出,符号Cr后数字表示含铬量的千分数。例如,GCr15表示含铬量为1.5。(1)合金渗碳钢。渗碳钢是指经渗碳淬火、回火后使用的钢。用于制造表面承受强烈摩擦,并承受动载荷的零件。这类零件要求材料表面具有高硬度,而心部具有较高强度和韧性。优质碳素结构钢和合金结构钢中的低碳钢均可用作渗碳钢。但前者因淬透性差,心部强度不高等缺点,一般只用来制造承受载荷较低的不重要渗碳零件,要求较高的渗碳零件应采用合金
23、渗碳钢。常用的合金渗碳钢有20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20MnVB、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4VA等。(2)合金调质钢。调质钢是指经调质处理(淬火加高温回火)后使用的钢,主要用于制造受力情况比较复杂的零件,如机器中传递动力的轴、连杆、齿轮等。这类零件要求具有良好的综合力学性能。常用的合金调质钢有40Cr、40MnVB、35CrMo、30CrMnSi、40CrMnMo、40CrNiMoA、30CrMnTi等。优质碳素结构钢中的40、45、50钢也是常用的调质钢。(3)合金弹簧钢。弹簧钢是专用结构钢,主要制造各种弹簧和弹性元件。弹簧是机器和仪表中的重要零件,主要在冲击、振动、周
24、期性扭转、弯曲等交变应力下工作。因此,要求制作弹簧的材料具有高强度、高的疲劳极限,足够的塑性、韧性。弹簧钢具有高的弹性极限e,高的屈强比s/b、高的疲劳极限-1、足够的塑性和韧性。其成分特点是:中、高碳(一般为0.60.9),加入以Si,Mn为主的合金元素以提高淬透性,同时也提高屈强比。弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。常用碳素弹簧钢有55Mn和65Mn;常用合金弹簧钢有50CrVA和60Si2Mn。(4)(4)滚动轴承钢。滚动轴承钢。滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的内外圈及滚动体的专用钢,也可作为工具钢使用,用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。具有高的接触疲劳强度、高的硬度、耐磨性、足
25、够的韧性和淬透性。其成分特点是高碳(一般为0.951.15),含适量铬(一般为0.41.65),加入硅、锰、钒等合金元素可进一步提高淬透性,便于制造大型轴承。常用钢种有GCr9,GCr15等。2)合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素制成的,由于合金元素的加入,提高了热硬性、耐磨性,改善了热处理性能。合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢的相似,但含碳量用一位数字表示,即平均含碳量的千分数,当平均含碳量大于等于1时,可省略。合金工具钢均属高级优质钢,牌号后不标“A”。合金工具钢常用来制造各种刀具、量具和模具等,对应地有刃具钢、模具钢和量具钢之分。(1)刃具钢。刃具钢又分为低合
26、金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢中的合金元素总量少,主要有铬、硅、锰等元素。与碳素工具钢相比,淬透性有明显提高,但热硬性、硬度、耐磨性并无明显改善。因此,低合金刃具钢主要用于制造形状复杂、截面尺寸较大的低速切削刃具。常用的低合金刃具钢有9SiCr、Cr06、Cr2、9Cr2等。高速钢是一种含钨、铬、钒、钼等合金元素较多的钢,高速钢有很高的热硬性,当切削温度高达550左右时,其硬度仍无明显下降。此外,它还具有足够的强度、韧性和耐磨性,是重要的切削刀具材料,常用来制作形状复杂、冲击力较大的刀具,如拉刀、插齿刀、钻头、各种成型刀具等。高速钢除了制作各种刀具外,也用于制作冷挤压模具、冲头以及受热耐磨零件
27、。常用的高速钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al等。(2)模具钢。模具钢是用于制造冲压、锻造、成型和压铸等模具的钢。按使用状态,分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢用于制造各种冷冲模、冷挤压模、拉拔模和拉丝模等,工作温度不超过200300,工作时承受很大的压力、弯曲应力、冲击力和摩擦力,因此,要求这类钢应具有高硬度、高耐磨性,并要有足够的强度和韧性。冷作模具钢成分特点是高碳(多在1.0以上),且加入Cr、Mo、W、V等合金元素,以提高硬度和耐磨性等。工作时受力较小的小型冷作模具,可采用9Mo2V,而形状复杂高精度的冷冲模用CrWMn,对于承受重载荷、形状复杂的高
28、精度的冷作模采用Cr12和Cr12MoV等高碳高铬钢制造。冷作模具钢的热处理一般采用淬火加低温回火(Cr12钢除外)方式。热作模具钢用于制造各种热锻模、热挤压模和压铸模等,工作时型腔表面温度可达到600以上。热作模具钢成分特点是中碳(一般为0.30.6),因含碳量过高将使塑性下降,导热性也差;若含碳量过低,则硬度和耐磨性达不到要求。常用热作模具钢有3Cr2W8V、5CrMnMo和4Cr5MoSiV。热作模具钢的最终热处理一般采用调质或淬火后中温回火。(3)量具钢。量具是机械制造过程中控制加工精度的测量工具,量具钢应具有高硬度、高耐磨性,高的尺寸稳定性和足够的韧性。量具钢没有专用钢,对简单量具,
29、如卡尺、直尺、样板、量块等,采用T10A、T11A、T12A、Cr2、9SiCr等制造;复杂的较精密的量具一般用低合金刃具钢制造;精度要求高的量具,如量块、塞规等,一般都采用热处理变形小的冷作模具钢或滚动轴承钢制造,如CrWMn、CrMn;对要求耐蚀性的量具,可采用不锈钢,如3Cr13、4Cr13、9Cr18等制造。3)特殊性能钢特殊性能钢(Especial Property Steel)是指在钢中加入的某些合金元素达到一定程度后,钢的组织和性能将发生某种特殊变化,从而获得具有特殊性能的合金钢,如不锈钢、耐热钢及耐磨钢、超高强度钢、低温用钢、电工用钢等均属于这一类钢。这类钢的牌号基本上与合金工
30、具钢的相同,只是当平均含碳量小于0.1时,用“0”表示；平均含碳量小于等于0.03时,用“00”表示。下面对机械工程上最常用的几种特殊性能钢作简单介绍。(1)不锈钢。不锈钢(Stainless Steel)是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的合金钢的总称。在酸、碱、盐等浸蚀性较强的介质中能抵抗腐蚀作用的钢,又进一步称为耐蚀钢,或称耐酸钢。不锈钢主要用来制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件。例如,化工设备中的各种管道、阀门和泵,医疗中的手术器械、防锈刃具和量具等。不锈钢的成分特点是碳含量低(0.10.2),含有较高的铬和镍,常用的不锈钢有1Cr13,2Cr13,1
31、Cr17及1Cr18Ni9。不锈钢具有一定的耐热性,如1Cr13,2Cr13等可用于制造工作温度低于450的汽轮机叶片,而在铬镍不锈钢中加入钛、铌,如1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb等,可在500700范围内工作。(2)耐热钢。耐热钢(Heat-proof Steel)是具有热化学稳定性和热强性的特殊钢。热化学稳定性是指钢在高温下对各类介质化学腐蚀的抵抗能力;热强性是指钢在高温下保持一定强度的性能。耐热钢可分为抗氧化钢、热强钢和汽阀钢。抗氧化钢,如3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N等,主要用于长期在高温下工作但强度要求不高的零件,如各种加热炉、渗碳炉的构件。
32、热强钢不仅要求在高温下具有良好的抗氧化性,而且具有较高的高温强度。常用的热强钢15CrMo是典型的锅炉钢,可制造在300以下工作的零件,1Cr11MoV、1Cr12WMoV有较高的热强性,用于蒸汽机叶片、紧固件等。汽阀钢是热强性较高的钢,主要用于高温下工作的汽阀,如4Cr9Si2用于制造在600以下工作的汽轮机叶片、发动机排汽阀。4Cr14Ni14W2Mo用于制造工作温度不低于650的内燃机重载荷排汽阀。(3)耐磨钢。耐磨钢(Abrade-proof Steel)用于制造车辆履带板、挖掘机铲斗、球磨机衬板、破碎机颚板和铁道道叉、防弹板等零件。这类零件工作时受到严重磨损和强烈冲击,因此要求具有很
33、高的耐磨性。常用高锰耐磨钢ZGMn13制造。高锰钢不易切削加工,但有良好的铸造性能,可铸造成型状复杂的铸件。(4)软磁钢。软磁钢(Steel Magnet)又名硅钢片(Si-steel)。它是在钢中加入硅并轧制成薄片而成的，杂质含量极少,具有很好的磁性,是制造变压器、电机、电工仪表等不可缺少的材料。1.2.2 1.2.2 铸铁铸铁铸铁(Cast Iron)是含碳量大于2.11的铁碳合金。工业上常用的铸铁含碳量一般为2.54,与碳素钢相比,所含的碳和杂质较多,力学性能较差,不能锻造。但其具有优良的铸造性、减振性、耐磨性和切削加工性,而且成本低廉,生产设备和工艺简单,是机械制造中应用最多的金属材料
34、。根据碳在铸铁中存在形式的不同,常用铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。1.1.白口铸铁白口铸铁白口铸铁中碳以渗碳体的形式存在,断口呈亮白色,故称为白口铸铁。其性能硬而脆,极难切削加工。除制造一些要求表面有高硬度和耐磨的铸件(如冷铸车轮、轧辊等)外,一般不用来制造机械零件,主要用作炼钢的原料。2.2.灰铸铁灰铸铁灰铸铁中的碳多以片状石墨形式存在,断口呈灰色,故称为灰铸铁。其性能硬而脆,它是铸铁中用量最大的一种。常用于制作受力不大、冲击载荷小,需要减振和耐磨的零件,如机床床身、机座、箱壳、阀体等。灰铸铁牌号由“HT”(灰铁)及数字组成,数字表示最低抗拉强度。如HT200表示
35、最低抗拉强度为200 MPa的灰铸铁。常用的灰铸铁有HT150,HT200,HT350等。3.3.可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁经可锻化退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。与灰铸铁相比,可锻铸铁具有较高的强度和一定的塑性、韧性,故称为可锻铸铁,实际上并不可锻。常用来制造汽车、拖拉机的薄壳零件、低压阀门和各种管接头等。国家标准GB944088和GB561285规定,可锻铸铁分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁,其牌号分别由“KTH”、“KTZ”、“KTB”和两组数字组成。第一组数字表示最低抗拉强度,第二组数字表示最低伸长率。常用的可锻铸铁有KTH330-08,KTH370-12,K
36、TZ650-02等。4.4.球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁中石墨呈球状,球状石墨对基体组织的割裂作用和应力集中都大为减小,因而有较高的力学性能,抗拉强度甚至高于碳钢。主要用于制造受力复杂、承受载荷大的零件,如曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮等。球墨铸铁的牌号由“QT”和两组数字组成，数字含义同可锻铸铁,如QT400-18表示最低抗拉强度为400 MPa,伸长率为18的球墨铸铁。常用的球墨铸铁有QT400-18,QT600-3,QT900-2等。5.5.合金铸铁合金铸铁在铸铁熔炼时有意加入一些合金元素(如Mn,Cr,W,Cu和Mo等)制成合金铸铁(或称特殊性能铸铁)。例如,在铸铁中加入磷、铬、钼、铜等元素,可
37、得到具有较高耐磨性的耐磨铸铁;加入硅、铝、铬等合金元素,可得到耐热铸铁;加入铬、钼、铜、镍、硅等元素,可得到耐蚀铸铁。它们主要应用于内燃机活塞环、水泵叶轮等耐磨、耐热、耐蚀的零件。1.2.3 1.2.3 非铁金属及其合金非铁金属及其合金1.1.铝及其合金铝及其合金纯铝的特点是密度小,导电、导热性好(仅次于银、铜),塑性好,抗大气腐蚀性好,但强度和硬度低。工业纯铝主要用于制造电线、电缆、散热器以及强度要求不高的耐蚀器皿、用具等。铝与硅、铜、锰、镁等合金元素组成的铝合金具有强度高、密度小的特点,而且可通过热处理进一步提高强度,是轻质结构件的重要材料。铝合金按其工艺性能分为适合于压力加工的变形铝合金
38、和适合于铸造的铸造铝合金两大类。变形铝合金塑性好，可通过压力加工方法生产出板、带、线、管、棒、型材成锻件。变形铝合金又分为能热处理强化的硬铝合金(如Al-Mn、Al-Mg、Al-Si系合金)和不能热处理强化的防锈铝合金(如Al-Mg-Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg系合金)。铸造铝合金合金元素含量高，铸造性能好，但塑性差，只能铸造成型。铸造铝合金亦可通过热处理来改善力学性能。1)变形铝合金GB/T319096规定,变形铝合金牌号用“28”表示,第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、MgSi、Zn和其他元素的顺序来表示组别,如1表示工业纯铝，2表示Al-Cu合金，3表示Al-Mn合金，4
39、表示Al-Si合金，5表示Al-Mg合金，6表示Al-Mg-Si合金，7表示Al-Zn-Mg-Cu合金，8表示Al-Li合金。第二位字母表示原始纯铝的改型情况,A表示原始纯铝,其他字母表示原始纯铝的改型,最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。如2A11表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。变形铝合金的主要特性及用途如表1-2所示。表表1-2 变形铝合金的主要特性及用途变形铝合金的主要特性及用途 旧标准（GB319082）新标准GB/T319096 类别 牌号 主要特性 应用举例 5A02 3A21 防锈铝 LF2 LF21 热处理不能强化，强度不高，塑性、耐蚀性好，焊接性好 在液体中工作的零
40、件，如油箱，油管，液体容器，防锈蒙皮 2A12 硬铝 LY12 可热处理强化，力学性能良好，但耐蚀性不高 中等强度的零件，如飞机上的骨架，蒙皮，铆钉等 7A01 超硬铝 LC4 室温强度最高，塑性较低，耐蚀性不高 高载荷零件，如飞机上的大梁、桁条、加强框、起落架等 2A50 LD5 高强度锻铝，锻造性好，耐蚀性、切削加工性好 形状复杂和中等强度的锻件、冲压件 2A70 锻铝 LD7 耐热锻铝，热强性较高，耐蚀性、切削加工性好 内燃机活塞、叶轮，在高温下工作的锻件 (1)防锈铝合金。防锈铝合金主要是Al-Mg系和 Al-Mn系合金,具有很好的抗蚀性,强度适中、塑性好。(2)硬铝。硬铝是Al-Cu
41、-Mg系和Al-Cu-Mn系合金,通过热处理可使其强度达到低碳钢甚至中碳钢的水平。但耐蚀性比纯铝差,更不耐海洋大气的腐蚀,所以有些硬铝的板材在表面包一层纯铝后使用。它主要用作航空工业中的一般受力件。(3)超硬铝合金。超硬铝合金属于Al-Cu-Mg-Zn系,是在硬铝的基础上加锌而成的,其强度高于硬铝,但耐蚀性较差。主要用作受力大的重要零件,如飞机大梁、加强框、起落架、螺旋桨叶片等。(4)锻造铝合金。锻造铝合金大多属于Al-Cu-Mg-Si系,力学性能与硬铝相近,但由于其热塑性较好,主要用于压力加工方法如锻压、冲压成型的零件。2)铸造铝合金铸造铝合金的塑性较差,一般不进行压力加工,只用于铸造成型。
42、按照主要合金元素的不同,铸造铝合金分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四类。牌号用“ZL”加三位数字表示。其中,第一位数字表示合金的类别,如1为Al-Si系,2为Al-Cu系,3为Al-Mg系,4为Al-Zn系;后两位数字表示合金的顺序号,如ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。(1)Al-Si系。铝硅合金又称硅铝明,是工业上应用最广的铸造铝合金。由铝、硅两种元素组成的铝合金称简单硅铝明,简单硅铝明中加入其他合金元素的称特殊硅铝明。简单硅铝明为热处理不能强化的铝合金,故强度不高。特殊硅铝明因加入铜、镁、锰等元素使合金强化,并可通过热处理进一步提高力学性能。此外,还具有良好的
43、铸造性能,可用作内燃机活塞、汽缸体、汽缸套、风扇叶片、形状复杂的薄壁零件以及电机、仪表的外壳等。(2)Al-Cu系。铝铜合金强度高,加入镍、锰可进一步提高耐热性,用于高强度和高温条件下工作的零件。(3)Al-Mg系。铝镁合金有良好的耐蚀性,可用作腐蚀介质条件下工作的铸件,如氨用泵体、泵盖及海轮配件等。(4)Al-Zn系。铝锌合金有较高强度、价格便宜的特点,用于制造医疗器械、仪表和日用品等。2.2.铜与铜合金铜与铜合金纯铜呈玫瑰红色,表面形成氧化铜膜后,外观为紫红色,俗称紫铜。由于纯铜用电解方法制造,又称电解铜。纯铜具有很高的导电性、导热性和耐蚀性,塑性很好,又有一定的强度,易于压力加工。纯铜经
44、冷塑性变形后,强度提高,但塑性下降。根据杂质含量的不同,工业纯铜分为三种:T1、T2、T3。纯度为99.9599.7,编号越大,纯度越低。由于纯铜强度低,不易作结构零件,故广泛地用于制造电线、电缆、电刷、铜管以及作配置合金的原料。铜合金按化学成分分为黄铜、青铜和白铜三大类。在机械工程中常用的是黄铜和青铜。1)黄铜黄铜(Brass)是指以铜和锌为主的合金。不含其他合金元素的黄铜为普通黄铜;含有其他合金元素的黄铜为特殊黄铜,如铅黄铜等。用于压力加工的普通黄铜的牌号用“H数字”表示,数字表示平均含铜量的百分数,如H70表示平均含铜量为70、含锌量为30的普通黄铜。如果是铸造用黄铜,其牌号用“ZCuZ
45、n数字”表示,ZCuZn表示铸造铜锌合金,数字表示平均含锌量的百分数。如ZCuZn38表示平均含锌量为38的铸造铜锌合金(亦称38黄铜)。常用的普通黄铜有H80、H70、H62。其中,H80呈金黄色,可用来作装饰品,有金色黄铜之称,有较好的力学性能和冷、热压力加工性能,在大气和海水中有较高的耐蚀性。H70强度高、塑性好,冷成型性能好,可用深冲压的方法制造弹壳、散热器、垫片等零件,有弹壳黄铜之称。因其铜锌质量之比为7 3,亦称七三黄铜。H62有较高的强度,热状态下塑性良好,切削性能好,故又称易切削黄铜。此外,还具有易焊接、耐腐蚀,价格较便宜等优点。工业上应用较多,如用作散热器、油管、垫片、螺钉等
46、。特殊黄铜是在铜锌合金的基础上加入Al、Mn、Sn、Pb、Fe、Ni、Si等元素后形成的铜合金。这些合金元素的加入都能提高黄铜的强度,其中加入Sn、Al、Ni、Mn等元素能提高其耐蚀性,加入Al元素还能改善切削加工性和提高耐磨性。特殊黄铜分为压力加工用和铸造用两种。压力加工用特殊黄铜的牌号用“H主加元素化学符号数字”表示,数字依次表示铜和主加元素平均含量的百分数。如HPb59-1表示平均含铜量为59，含铅量为1，其余为锌的铅黄铜。铸造用特殊黄铜的牌号与铸造用普通黄铜的相同,在牌号后面依次加上加入元素的化学符号及平均含量的百分数。如ZCuZn40Pb2表示平均含锌量为40，含铅量为2，其余为铜的
47、铸造黄铜。2)青铜青铜(Bronze)原指铜锡合金,又叫锡青铜。但目前工业上应用的大多为不含锡而含Al、Si、Pb、Be、Mn等的铜合金,统称青铜或无锡青铜。青铜分为压力加工用青铜和铸造用青铜两种。压力加工青铜的牌号用“Q主加元素符号数字”表示,数字表示加入元素平均含量的百分数。如QSn4-3表示平均含锡量为4，含锌量为3，其余为铜的锡青铜。铸造青铜的牌号用“ZCu主加元素符号数字”表示,如ZCuSn3Zn8Pb6Ni1,表示平均含锡量为3，含锌量为8，含铅量为6，含镍量为1，其余为铜的铸造锡青铜。锡青铜是以铜和锡为主要组成的铜合金,锡青铜具有良好的强度、硬度、耐蚀性和铸造性。它是有色合金中铸
48、造收缩率最小的合金,适用于铸造形状复杂、尺寸要求较严的零件。因而成为自古至今广泛应用于制作艺术品的合金。锡青铜的耐腐蚀性比纯铜和黄铜的都高,耐磨性也很好,多用来制作耐磨零件(轴瓦、轴套、蜗轮)和与酸、碱、蒸汽等接触的零件。铝青铜与锡青铜和黄铜相比,具有更高的强度,更好的耐蚀性、耐磨性,良好的流动性,无偏析倾向,可得到致密的铸件,还可通过热处理强化,是无锡青铜中用途最广泛的一种。铝青铜作为价格昂贵的锡青铜的代用品,常用来铸造承受重载的耐磨、耐蚀件,如齿轮、轴套、船舶零件。最常用的铸造铝青铜是ZCuAl10Fe3。铍青铜具有很好的综合性能,不仅有高的强度、硬度、弹性、耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性,还有
49、高的导电性、导热性、无铁磁性以及被撞击不产生火花的特性。铍青铜经热处理后,强度、硬度远远超过其他所有的铜合金,甚至接近高强度钢。铍青铜在工业上主要用来制造重要用途的弹性元件、耐磨零件,如钟表齿轮、弹簧、电接触器、电焊机电极、航海罗盘以及在高温下工作的高速轴承、轴瓦等。铍是稀有金属,价格昂贵。铍青铜的生产工艺复杂,成本高,而且有毒,因而在应用上受到限制。在铍青铜中加入钛,可减少铍的含量,降低成本,改善工艺性能。钛青铜的性能与铍青铜的相似,生产工艺简单,无毒,价格便宜,是一种很有前途的新型高强度铜合金。1.3 钢钢 的的 热热 处处 理理 1.3.1 1.3.1 普通热处理普通热处理1.1.退火退
50、火退火(Annealing)是将零件加热到适当的温度,保温一定时间后随炉或埋入导热性差的介质中缓慢冷却的一种热处理工艺。退火后的材料硬度较低,一般用布氏硬度试验法测定。常用的退火方法有消除中碳钢铸件缺陷的完全退火、改善高碳钢切削加工性能的球化退火和去除大型铸、锻件应力的去应力退火等。2.2.正火正火正火(Normalizing)是将钢加热到一定的温度,保温一定时间,再在空气中冷却的热处理工艺。正火实质是退火的一个特例。由于正火的冷却速度较退火快,因此,正火所获得的组织比退火细。正火件的强度、硬度比退火件的高,生产周期短,因此,在可能的情况下,应尽量采用正火取代退火。生产中正火常用来提高低碳钢的
