第三章常用工程材料 马建敏 (Email:mma @fudan edu cn) Fudan university
第三章 常用工程材料 马建敏 (Email:jmma@fudan.edu.cn) Fudan University
常用金属工程材料 碳钢 铸铁 常用金属工程材料 合金钢 有色金属
常用金属工程材料 常用金属工程材料 碳钢 合金钢 铸铁 有色金属
碳钢的分类 碳钢有以下三种分类方法 1、按钢的含碳量可分为 低碳钢:含碳量0≤0.25% 中碳钢:含碳量(0.25~0.6)%。 高碳钢:含碳量>0.6%。 2、按钢的质量可分为(根据钢中有害杂质S、P的多少来分): 普通钢:S≤0.055%,P≤0.045% 优质钢:S、P均≤0.04% 高级优质钢:S、P均≤0.03% 3、按用途可分为: 碳素结构钢:用于制造工程结构(如桥梁、船舶、建筑、髙压容器等)和机械 零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杄等),这类钢一般为低、中碳钢。 碳素工具钢:用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等),这类钢一般为高碳 钢
碳钢的分类 碳钢有以下三种分类方法 1、按钢的含碳量可分为： 低碳钢：含碳量0≤0.25% 中碳钢：含碳量（0.25～0.6）%。 高碳钢：含碳量>0.6%。 2、按钢的质量可分为(根据钢中有害杂质S、P的多少来分)： 普通钢：S≤0.055%，P≤0.045% 优质钢：S、P均≤0.04% 高级优质钢：S、P均≤0.03% 3、按用途可分为： 碳素结构钢：用于制造工程结构(如桥梁、船舶、建筑、 高压容器等)和机械 零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等)， 这类钢一般为低、中碳钢。 碳素工具钢：用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等)，这类钢一般为高碳 钢
铸铁 口铸铁广泛应用于机械制造中。按重量计算,汽车、拖拉机中铸铁零件约占 (50~70)%;机床中约占(60~90)%。常见的机床床身、工作台、箱体 、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件,大多用铸铁制成。 口铸铁之所以应用广泛,除了因为它具有接近共晶的成分,熔点低,流动性 好,易于铸造外,还因为它的C、S琀含量较高,使碳大部分不以化合 (Fe3C)而是呈游离的石墨状态存在,石墨有润滑作用和吸油能力,因而 铸铁有良好的减摩性和切削加工性。根据碳在铸铁组织中存在形式不同, 可分为以下几类 ①白口铸铁 ②灰口铸铁 ③可锻铸铁 ④球墨铸铁 ⑤蠕墨铸铁
铸铁 铸铁广泛应用于机械制造中。按重量计算，汽车、拖拉机中铸铁零件约占 (50～70)%；机床中约占(60～90)%。常见的机床床身、工作台、箱体 、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件，大多用铸铁制成。 铸铁之所以应用广泛，除了因为它具有接近共晶的成分，熔点低，流动性 好，易于铸造外，还因为它的C、Si含量较高， 使碳大部分不以化合 (Fe3C)而是呈游离的石墨状态存在，石墨有润滑作用和吸油能力，因而 铸铁有良好的减摩性和切削加工性。根据碳在铸铁组织中存在形式不同， 可分为以下几类： ① 白口铸铁 ② 灰口铸铁 ③ 可锻铸铁 ④ 球墨铸铁 ⑤ 蠕墨铸铁
合金钢 ●由于碳钢成本低,通常作为制造各种构件的基本材料,但是碳钢有 以下局限性 (1)碳钢的强度很难超过690MPa,除非塑性和韧性有明显的下降。 (2)厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织,即不能淬透。 (3)碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。 (4)高温强度低,红硬性差。 合金钢克服了碳钢的上述缺点,在许多应用中,合金钢是能够满足 工程要求的重要材料。 ●合金钢成本高,压力、切削、焊接方面比碳钢差
合金钢 ⚫ 由于碳钢成本低，通常作为制造各种构件的基本材料，但是碳钢有 以下局限性： （1）碳钢的强度很难超过690MPa，除非塑性和韧性有明显的下降。 （2）厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织，即不能淬透。 （3）碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。 （4）高温强度低，红硬性差。 ⚫ 合金钢克服了碳钢的上述缺点，在许多应用中，合金钢是能够满足 工程要求的重要材料。 ⚫ 合金钢成本高，压力、切削、焊接方面比碳钢差
I.常用合金结构钢 ◆合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。这类钢是碳素 结构钢的基础上加入一些合金元素以提高其性能的钢。通常分为低合金结 构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等几种。其用 途最广,用量最大。 常用合金结构钢分为以下5类: 低合金结构钢 ②合金渗碳钢 自合金调质钢 ④合金弹簧钢 ⑤滚动轴承钢
I. 常用合金结构钢 ◆ 合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。这类钢是碳素 结构钢的基础上加入一些合金元素以提高其性能的钢。通常分为低合金结 构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等几种。其用 途最广，用量最大。 ➢ 常用合金结构钢分为以下5类: ① 低合金结构钢 ② 合金渗碳钢 ③ 合金调质钢 ④ 合金弹簧钢 ⑤ 滚动轴承钢
II.合金工具钢 口工具钢用于制造各种工具,如量具、刃具、模具等。合金工具钢分为低合金工具 钢、高合金工具钢、高速钢 其中高速钢[应用场合]:高速钢主要用来制造中、高速切削刀具,如车刀、铣刀、 铰刀、拉刀、麻花钻等。[性能特点]:具有较高的热硬性,保证在500~600°C 硬度仍不降低,硬度可保持~60HRC。[常用高速钢]:是一种高碳高合金工具钢 ,Wc=0.70~1.25%,常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等,W、Mo、Ⅴ是提 高热硬性的主要元素,V可形成高硬度的碳化物,显著提髙钢的硬度及耐磨性,Cr 可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢 这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95%以上。[热处理]:W18Cr4V 的最终热处理为高温淬火和多次回火。W18Cr4V钢的淬火温度高达1270~ 1280°℃,淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体(20%~30%)。回火 采用560°C三次回火,多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体, 使其转变成马氏体;三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物,产生二次硬化 提高热硬性。热处理后高速钢的硬度可达63~65HRC。高速钢属于莱氏体钢,铸 态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物,这种碳化物硬而脆,若不消除这种碳化物的 不均匀性,制成刀具后将岀现早期损坏,使刀具易岀现“崩刃”,故必须用反复锻 打的方法将其击碎,使碳化物细化并均匀分布在基体上。W18Cr4V钢锻造后进行 退火,以消除内应力,降低硬度改善切削加工性能,并为淬火做好组织准备
II. 合金工具钢 工具钢用于制造各种工具，如量具、刃具、模具等。合金工具钢分为:低合金工具 钢、高合金工具钢、高速钢。 ➢ 其中高速钢[应用场合]：高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、 铰刀、拉刀、麻花钻等。[性能特点]：具有较高的热硬性，保证在500～600℃时 硬度仍不降低，硬度可保持~60HRC。[常用高速钢]：是一种高碳高合金工具钢 ，wC=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，W、Mo、V是提 高热硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，显著提高钢的硬度及耐磨性，Cr 可提高淬透性。 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢， 这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95 %以上。[热处理]：W18Cr4V钢 的最终热处理为高温淬火和多次回火。W18Cr4V钢的淬火温度高达1270～ 1280℃，淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体（20%～30%）。回火 采用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体， 使其转变成马氏体；三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物，产生二次硬化， 提高热硬性。热处理后高速钢的硬度可达63~65HRC。高速钢属于莱氏体钢，铸 态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物，这种碳化物硬而脆，若不消除这种碳化物的 不均匀性，制成刀具后将出现早期损坏，使刀具易出现“崩刃”，故必须用反复锻 打的方法将其击碎，使碳化物细化并均匀分布在基体上。W18Cr4V钢锻造后进行 退火，以消除内应力，降低硬度改善切削加工性能，并为淬火做好组织准备
II不锈钢 口不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称。应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等 腐蚀性介质的腐蚀。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,例如化工装置中的管道、阀门、泵,医疗手术器械,防锈刃具和量 具等。 口[化学成分]:不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低,因此,大多数不锈 钢的含碳量均较低,有些钢的wc甚至低于0.03%(如00Cr12)。不锈钢 中的主要合金元素是Cr,只有当Cr含量达到定值时,钢才有耐蚀性。 因此,不锈钢一般wc均在13%以上。不锈钢中还含有Ni、T、Mn、N、 Nb等元素 口[不锈钢种类]:不锈钢常按组织状态分为:马氏体钢、铁素体钢、奥氏体 钢等。另外,可按成分分为:铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等
III.不锈钢 不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称。应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等 腐蚀性介质的腐蚀。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，例如化工装置中的管道、阀门、泵，医疗手术器械，防锈刃具和量 具等。 [化学成分]：不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈 钢的含碳量均较低，有些钢的wC甚至低于0.03%(如00Cr12)。不锈钢 中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定值时，钢才有耐蚀性。 因此，不锈钢一般wCr均在13%以上。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、N、 Nb等元素。 [不锈钢种类]：不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体 钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等
Ⅳ.高温合金 口高温合金一般指以铁、钴或镍等为基体,可在高温下使用的合金。 口高温下使用的零件主要要求热稳定性和热强度二个指标。高温下金属材料抵抗氧化 或气体腐蚀的能力称为热稳定性。抵抗塑性变形和断裂的能力称为热强度。 [高温合金的分类方法]:按合金基体分为铁基、镍基、钴基、钼基、钽基、铌基等; 按合金的高温性能、成型特点及用途分类: ①[热强度变形高温合金]=〉热强度高,主要用于高温下承受大载荷及复杂应力条件 下工作的零件。 ②[热稳定变形高温合金]=〉热稳定性很高,强度虽不高,但塑性很好。主要用于受 力不大而工作温度很高的零件。 ③[热强铸造高温合金]≡〉热强度很髙,塑性低,焊接性能差。通常用于精密铸造的 方法直接铸成零件。 [高温合金的牌号] 以汉语拼音字母的“高合”字头“GH"+序号数字表示。如GH36,表示36号高温合 金;铸造高温合金用K+序号数字表示,如K17即17号铸造高温合金
IV. 高温合金 高温合金一般指以铁、钴或镍等为基体，可在高温下使用的合金。 高温下使用的零件主要要求热稳定性和热强度二个指标。高温下金属材料抵抗氧化 或气体腐蚀的能力称为热稳定性。抵抗塑性变形和断裂的能力称为热强度。 [高温合金的分类方法]：按合金基体分为铁基、镍基、钴基、钼基、钽基、铌基等； 按合金的高温性能、成型特点及用途分类： ① [热强度变形高温合金]=〉热强度高，主要用于高温下承受大载荷及复杂应力条件 下工作的零件。 ② [热稳定变形高温合金]=〉热稳定性很高，强度虽不高，但塑性很好。主要用于受 力不大而工作温度很高的零件。 ③ [热强铸造高温合金]=〉热强度很高，塑性低，焊接性能差。通常用于精密铸造的 方法直接铸成零件。 [高温合金的牌号] 以汉语拼音字母的“高合”字头“GH”+ 序号数字表示。如 GH36，表示36号高温合 金；铸造高温合金用K+序号数字表示，如K17 即17号铸造高温合金
有色金属 重金属(密度> 35);Cu、Ni等 轻金属(密度< 3.5);Al、Mg 有色金属 贵重金属;Au、 Ag、Pt等 稀有金属;W、 Ti、Ra、Nb等 半金属;Si、Te B等
有色金属 有色金属 重金属(密度＞ 3.5); Cu、Ni 等 轻金属(密度＜ 3.5); Al、Mg 等 贵重金属; Au、 Ag、Pt 等 稀有金属; W、 Ti、Ra、Nb 等 半金属; Si、Te、 B 等