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第六章 金属材料,6.1 工业用钢概述 工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。,6.1.1 钢中常存杂质,(1)按化学成分新分类,6.1.2 钢的分类与编号 1.钢的分类方法 从1991年起，实施了新的钢分类方法（GB/T133041991），它是参照国际标准制订的。,（2）钢的通常分类 1)按用途分类,2)按化学成分分类,3)按质量分类,4)按冶炼方法分类,5)按金相组织分类（1）按退火组织分类（2）按正火组织分类,2.钢的编号 我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。,1)普通碳素结构钢 2)优质碳素结构钢 该类钢的牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均碳质量分数为0.45%的钢。,3)碳素工具钢 碳素工具钢是在牌号前加“碳”或“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如T8或T10A。4)合金结构钢 该类钢的牌号是由“数字+元素+数字”三部分组成。如36Mn2Si 和18Cr2Ni4WA。,5)合金工具钢 如9Mn2V和CrMn，特殊：W6Mo5Cr4V2。6)滚动轴承钢 该类钢在钢号前冠以“滚”或“G”，其后为铬（Cr）+数字来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如GCr15。,7)不锈钢及耐热钢 这两类钢钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18和0Cr18Ni9。8)铸钢 如“ZG200400”表示其屈服点为20MPa,其抗拉强度为400 MPa。,6.2 合金元素在钢中的作用 为了获得所需要的组织结构、物理、化学性能和力学性能，以满足使用上的需要，必须在碳钢中有意识地加入一定量的元素，这些元素就称为合金元素。,6.2.1 合金元素对钢中基本相的影响 1.形成合金铁素体 产生固溶强化（即强度、硬度提高，塑性、韧性下降）；提高铁素体的再结晶温度和高温强度；提高铁素体的化学性能（如耐蚀性、磁性等）。2.形成碳化物(1)形成合金渗碳体 合金渗碳体(Fe、Mn)3C，其稳定性高于Fe3C。(2)形成特殊化合物 特殊化合物Cr7C3、Cr23C6、和稳定性更高的间隙相WC、MoC、VC、TiC、W2C等。,6.2.2 合金元素对铁碳相图的影响,（1）扩大相区元素 它们使A4点上升，A3点下降，奥氏体相稳定存在的温区扩大，使S点、E点向左下方移动。具有这一类影响的元素有Ni、Mn、Co、C、N、Cu等。（2）缩小相区元素 它们使A4点下降；A3点上升，缩小了相的存在范围，使S点、E点向左上方移动。具有这一类影响的元素有Cr、V、Mo、W、Ti、Si、Al、P、B、Nb等。,6.2.3 合金元素对热处理及性能的影响 1.对钢在加热时奥氏体化的影响（1）对奥氏体形成速度的影响 大多数合金元素会减缓奥氏体化过程，而Co、Ni等部分非碳化物使奥氏体的形成速度加快。Al、Si、Mn等对奥氏体形成速度影响不大。,（2）对奥氏体晶粒大小的影响 Mo、W、V、Ti等抑制奥氏体晶粒长大;Mn、P、C具有促进奥氏体晶粒长大的倾向。,2合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 大多数合金元素（除Co外）均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，临界冷却速度减少，提高钢的淬透性。,除Co、Al外，多数合金元素使Ms、Mf点下降，从而使钢中残余奥氏体量增多。,3合金元素对回火转变的影响,（1）提高耐回火性 大多数合金元素提高钢的耐回火性，使相同回火温度下的合金钢的硬度、强度高于碳钢。合金元素还可提高铁素体的再结晶温度，能使马氏体形态保持到很高温度，其中W、Mo、Cr、V、Co作用显著。,（2）产生二次硬化 Mo、W、V、Ti等在500-600回火时析出特殊碳化物，此时钢的硬度出现回升现象，称二次硬化。（3）回火脆性的影响 Mn、Ni、Cr都会促进回火脆性。加入Mo、W可强烈阻碍杂质元素向晶界迁移，以此来消除回火脆性。,钼含量对0.35%C的碳素钢回火硬度的影响,机器零件用钢用来制造各种机器结构中的轴类、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等钢种，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。它们大都是用优质碳素钢和合金结构钢制造，都要经过热处理后使用，按照热处理分为：,1）一般供应或正火状态下使用的钢种碳钢和碳素易切削钢。2）淬火加回火状态下使用，按照回火温度分为：高温回火调质钢;中温回火弹簧钢 低温回火滚动轴承钢和超高强度钢,3）化学热处理后使用：渗碳钢、渗氮钢 4）高频淬火用钢高、中频感应加热淬火后低温回火使用。,6.3 结构钢 结构钢包括工程用钢和机器零件用钢。工程构件用钢主要用来制造钢架，一般钢板和型钢用普通碳素钢和低合金高强度钢制造。不进行热处理，在冷轧空冷状态下使用。,6.3.1 普通结构钢,1.碳素结构钢 一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等。普通碳素结构钢平均碳的质量分数为 0.06%0.38%，满足一般工程结构及普通零件的性能要求。碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应。如Q195和Q275。,2.低合金高强度钢 这类材料是用来制造桥梁、船舶、大型钢结构等。用它来代替普通碳素结构钢，屈服强度提高25%100%。,1)对低合金高强度钢的性能要求（1）高强度 屈服点在300MPa以上。在保证塑性和韧性的条件下，应尽量提高其强度。（2）高韧性（3）良好的焊接性能和冷成形性能 要求有较高的抗腐蚀能力。,2)化学成分特点 碳含量较低（wc0.20%），合金元素含量较少（wMe3%），其主加元素为Mn，辅加元素为Nb、Ti、V、RE。碳会使焊接性和冷成型性下降，使韧性明显下降，韧脆转变温度升高，钢的碳质量分数不超过0.2%。元素Mn的主要作用是固溶强化铁素体，降低奥氏体晶粒的长大，获得细小的铁素体晶粒；热轧时固溶在奥氏体内，冷却时弥散析出，起到析出沉淀的作用。少量的Cu 提高钢抗腐蚀能力，少量的稀土元素可改善韧性和工艺性能。,3)热处理特点 热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一次正火处理。,4)钢种、牌号与用途 屈服点从300650MPa分为六级。16Mn是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN是具有代表性的中等强度级别的钢种。较广泛用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。,5)发展趋势（1）通过合金化和热处理改变基体组织以提高强度 加入较多种的合金元素，如Cr、Mn、Mo、Ni、Si、B等。通过淬火和高温回火，使钢获得低碳索氏体组织，得到良好的综合力学性能和焊接性能。（2）超低碳化 充分保证韧性和焊接性能。（3）控制轧制 细化晶粒与合理轧制工艺结合起来，实行控制轧制。（4）发展专用钢 例如低温用钢，耐海水、大气腐蚀用钢，钢轨用钢等。,6.3.2 优质结构钢 1.渗碳钢,1)典型渗碳钢零件的工作条件、失效方式及性能要求 要求表面高的硬度、耐磨性以及高的疲劳强度；要求心部具有足够的强度和韧性，能承受大的冲击载荷。齿轮性能要求是：渗碳层表面具有高的硬度、高耐磨性、高的疲劳抗力及适当的塑韧性；心部具有高的韧性和足够高的强度，即良好的综合性能。,2)化学成分特点 保证心部的足够强度和良好的韧性，渗碳钢的含碳量为wc 0.10%0.25%。合金元素的主要作用是，提高淬透性（Si、Mn、Cr、Ni、B）；细化晶粒、提高耐磨性（V、Ti、W、Mo）。,3）热处理特点 渗碳后预冷直接淬火+低温回火，或渗碳后需先正火消除过热组织，再进行淬火+低温回火。表面为高碳回火马氏体+合金渗碳体+少量残余奥氏体，心部组织取决于淬透性。,4）钢种、牌号与用途（1）低淬透性渗碳钢 如：20Mn2、20Cr（2）中淬透性渗碳钢 如：20CrMnTi、12CrNi3（3）高淬透性渗碳钢 如：12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA,2.调质钢 调质钢主要是采用调质处理得到回火索氏体组织，综合力学性能好，用来做轴、杆类零件。,1)典型零件的工作条件、失效方式及性能要求 轴类零件的失效方式主要是由于硬度低、耐磨性差而造成的花键磨损，以及承受交变的扭转、弯曲载荷所引起的疲劳破坏。轴类零件的性能要求是高强度，尤其是高的疲劳强度、高硬度，高耐磨性及良好的塑韧性。,2)化学成分特点 碳含量为wc 0.25%0.5%。主加元素为Mn、Cr、Si、Ni，辅加元素为V、Mo、W、Ti。合金元素的主要作用是提高淬透性（Mn、Cr、Si、Ni），降低第二类回火脆性倾向（Mo、W），细化奥氏体晶粒（V、Ti），提高钢的耐回火性。,3)热处理特点 最终热处理通常采用淬火+高温回火，回火温度为500650，得到回火索氏体组织，在具有良好的塑性的情况下保证足够的强度。,4)钢种、牌号与用途（1）低淬透性调质钢 制造一般尺寸的重要零件，如40MnB、40MnVB。（2）中淬透性调质钢 制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等，典型牌号有35CrMo。（3）高淬透性调炙钢 制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等，典型牌号有40CrNiMo。,3.弹簧钢 1)典型弹簧钢的工作条件、失效方式及性能要求 失效方式通常为弯曲疲劳或扭转疲劳破坏，也可能由于弹性极限较低引起弹簧的过量变形或永久变形而失去弹性。弹簧必须具有高的弹性极限与屈服点，高的屈强比，高的疲劳极限及足够的冲击韧性和塑性。,2)化学成分特点 wc 为0.6%0.9%，合金弹簧钢的wc为0.45%0.7%。主加元素为Mn、Si、Cr，辅加元素为Mo、V、Nb、W。合金元素的主要作用是提高淬透性（Mn、Si、Cr），提高耐回火性（Cr、Si、Mo、W、V、Nb），细化晶粒、防止脱碳（Mo、V、Nb、W），提高弹性极限（Si、Mn）等。,3)热处理特点 按弹簧的加工工艺不同，可分为冷成形弹簧和热成形弹簧两种。大型弹簧或复杂形状的弹簧，采用热轧成形后淬火+中温回火（450550），获得回火托氏体组织，保证高的弹性极限、疲劳极限及一定的塑韧性。小尺寸的弹簧分为：（1）铅浴等温淬火冷拉弹簧钢丝 钢丝加热到Ac3(Accm)+100200，完全奥氏体化，再在铅浴（480540）中进行等温淬火，得到塑性高的索氏体组织，经冷拔后绕卷成形，再进行消除应力的低温退火（200300）。,（2）油淬回火弹簧钢丝 冷拔钢丝退火后，冷绕成弹簧，再进行淬火+中温回火处理，得到回火托氏体组织。（3）硬拉弹簧钢丝 冷拔至要求尺寸后，利用淬火+回火来进行强化，在冷绕成弹簧，并进行去应力退火，之后不再热处理。,4)钢种、牌号与用途（1）以Si、Mn元素合金化的弹簧钢 淬透性显著优于碳素弹簧钢，例如：65Mn、60Si2Mn。（2）含Cr、V、W等元素的弹簧钢 可制作在350400下承受重载的较大型弹簧，例如阀门弹簧、汽车弹簧等。典型钢种是50CrVA。,4.滚动轴承钢 1)典型零件的工作条件、失效方式和性能要求 失效方式为接触疲劳破坏产生的麻点或剥落；长期摩擦造成磨损而丧失精度；处于润滑环境下而带来的锈蚀。性能要求为具有高的接触疲劳强度，高硬度、高耐磨性，以及良好的耐蚀性。,2)化学成分特点 碳含量为wc 0.95%1.10%，以保证高硬度、高耐磨性和高强度。主加元素为Cr，辅加元素为Si、Mn、V、Mo。Cr的作用是提高淬透性，为了进一步提高淬透性，补加Mn、Si，通过加入V、Mo可阻止奥氏体晶粒长大。,3)热处理特点 最终热处理为淬火（820840）+低温回火（150160），得到回火马氏体+细小均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体。,4)钢种、牌号与用途（1）铬轴承钢 最具代表性的是GCr15。（2）无铬轴承钢 最具代表性的是GsiMnMoV、GSiMnMoVRE。,64 工具钢 工具钢是用来制造刃具、模具和量具的钢。分为碳素工具、低合金工具钢、高合金工具钢。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢,1.刃具钢 1)典型刃具的工作条件、失效方式及性能要求 刃具钢的性能要求为：高硬度；高的耐磨性；高的切断抗力；高的热硬性 在高温下保持高硬度的能力（随温度升高出现硬度下降，是由马氏体的分解、碳化物聚集长大及基体的再结晶引起的）；足够的塑性和韧性。,2)碳素工具钢（1）化学成分特点 含碳量wc 0.65%1.35%，保证淬火后有足够高的硬度。（2）热处理特点 预备热处理为球化退火，组织为球化体。最终热处理是淬火+低温回火。淬火温度为780，回火温度为180，组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。,（3）性能特点 碳素工具钢的锻造及切削加工性好，缺点是淬头性低。（4）钢种、牌号与用途,3）低合金工具钢（1）化学成分特点 含碳量为wc 0.9%1.1%，合金元素为Cr、Mn、Si、W、V。合金元素的作用是提高淬透性，提高耐回火性，提高硬度和耐磨性，细化晶粒、降低过热敏感性。（2）热处理特点 预备热处理为球化退火。最终热处理为淬火+低温回火，其组织为回火马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。（3）性能特点 提高了淬透性、耐回火性及降低了过热热倾向。采用油淬，使用温度范围可达到250。（4）钢种、牌号与用途 典型的钢种为9SiCr。,4）高速钢（1）化学成分特点 碳含量为wc 0.7%1.6%，加入的合金元素为W、Mo、Cr、V。含铬量均为Wcr4%左右，在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体中,提高了钢的淬透性。钨和钼的作用相似，造成二次硬化，从而使钢具有良好的红硬性。淬火加热时未溶入奥氏体的碳化物，可阻止奥氏体晶粒长大并提高耐磨性。钒主要的作用是细化晶粒，提高钢的耐磨性的作用。,（2）锻造及热处理特点 莱氏体钢呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C。碳化物只能依靠锻打来击碎，通过反复多次的镦拔，使其尽可能均匀分布。锻造后进行球化退火，显微组织为索氏体和其上均匀分布的碳化物。,淬火温度的选择：最佳的淬火温度为1280。,淬火方式通常采用油淬或分级淬火。淬火后的组织为淬火马氏体+未溶碳化物+大量残余奥氏体。高速钢通常采用550570多次回火的方式。特殊碳化物W2C或Mo2C呈细小弥散状从马氏体中析出，这些碳化物很稳定，难以聚集长大，从而提高了钢的硬度，即“弥散强化”。另外，在次温度范围内，由于碳化物从残余奥氏体中析出，即“二次淬火”。由于以上原因，在回火时便出现了硬度回升的“二次硬化”现象。多次回火的目的主要是为了充分消除残余奥氏体。经三次回火后，其组织为回火马氏体+碳化物+少量奥氏体。,W18Cr4V钢与回火温度的关系,2.模具钢 分为冷模具钢和热模具钢。,1)冷模具钢（1）冷模具钢的工作条件、失效方式和性能要求 失效方式为磨损，也有崩刃或疲劳断裂等现象。应具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性和疲劳抗力。（2）化学成分特点 wc为1.3%2.3%，主加元素为Cr，辅加元素为Mo、V。铬的主要作用是提高淬透性和耐回火性，形成铬的碳化物，提高耐磨性。钼和钒的作用是细化奥氏体晶粒，提高耐磨性。,（3）性能特点 热硬性较高。（4）钢种、牌号与用途 钨系W18Cr4V和钨钼系W6Mo5Cr4V2,b）二次硬化法 在较高温度（11001150）下淬火，随后进行多次高温回火（510520）中，产生二次硬化，热硬性高，但其强度、韧性稍低，工艺较复杂。（4）钢种、牌号与用途 典型的钢种Cr12、Cr12MoV。,2)热模具钢（1）热模具的工作条件、失效方式和性能要求 失效方式是磨损、塌陷、崩裂及龟裂等。性能要求是：a）高的热硬性和高温耐磨性。b）高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性。c）高的热疲劳抗力。,（3）锻造及热处理的特点 莱氏体钢通过轧制将网状共晶碳化物打碎。热处理方案有两种：a）一次硬化法 在较低温度（9501000）下淬火，再经低温回火（150180）。,（3）热处理的特点 采用淬火+高温回火，得到回火索氏体组织，获得良好的综合力学性能。（4）钢种、牌号与用途 典型的钢号5CrMnMo、5CrNiMo、3CrW8V。,3.量具钢 1)量具钢的工作条件、失效方式及性能要求 量具钢的性能要求是：高的硬度和耐磨性；高的尺寸稳定性，热处理变形要小。,2)化学成分特点 高碳（wc 0.9%1.5%）提高淬透性的元素（Cr、W、Mn）等。,（2）化学成分特点 碳含量wc 0.3%0.6%，保证足够的强度和韧性。主加元素为Cr、Ni、Mn、Si等，辅加元素为Mo、W、V。合金元素的作用是提高淬透性，提高耐回火性；防止第二类回火脆性，产生二次硬化，阻止奥氏体晶粒的长大。,3)热处理的特点 热处理工艺为淬火+低温回火。钢中存在有以下三种导致尺寸变化的因素：残余奥氏体转变成马氏体，引起体积膨胀；马氏体分解，体积收缩；残余应力的变化和重新分布，使弹性变形部分转变为塑性变形而引起尺寸变化。为了量具的尺寸稳定，减小时效效应，需要有三个附加的热处理工序：淬火之前的调质处理、常规淬火之后的冷处理、常规热处理后的时效处理。,a）调质处理的目的是获得回火索氏体组织。b）冷处理的目的是使残余奥氏体转变为马氏体，减少残余奥氏体量。c）时效处理的目的是消除残余应力，稳定马氏体和残余奥氏体。4)钢种、牌号与用途,6.5 特殊性能钢 用于制造在特殊工作条件或特殊环境（腐蚀、高温等）下具有特殊性能要求的构件和零件的钢材，称特殊性能钢。,6.5.1 不锈钢 不锈钢是不锈耐酸钢的简称。在自然环境中具有高度化学稳定性、抵抗腐蚀的一类钢。,1.不锈钢的工作条件、失效方式及性能要求 性能要求：1）良好的耐蚀性。2）良好的力学性能。3）良好的工艺性能。,2.化学成分特点 不锈钢的wc为0.08%0.95%，主加元素为Cr、CrNi，辅加元素为Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。碳的变化范围很大，一方面从耐蚀性的角度来看，碳含量越低越好。大多数的不锈钢的wc为0.1%0.2%。另一方面从力学性能的角度来看，碳含量越高，钢的强度、硬度、耐磨性会相应地提高。,铬是不锈钢中最重要的合金元素。它能按n/8规律显著提高基体的电极电位，铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密的氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。镍为扩大奥氏体区元素，配合铬调整组织形式，当Wcr18%，WNi8%时，获得单相奥氏体不锈钢，称188型。钛、铌优先与碳形成碳化物，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。钼、铜的加入，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀性。锰、氮的加入为了部分取代镍，以降低成本。,3.常用不锈钢（1）奥氏体型 wc 0.1%，Wcr18%，WNi8%，热处理方式为固溶处理（850950加热，水冷），得单相奥氏体组织。再加一个稳定化退火（850950加热，空冷），以避免晶间腐蚀的产生。耐蚀性很好，优良的塑性、韧性和焊接性，缺点是强度很低。,（2）铁素体型 wc 0.15%,Wcr17%,具有较好的塑性，强度不高，对硝酸、磷酸有较高的耐蚀性。,（3）马氏体型 wc 为0.1%0.4%的Cr13型、wc 为0.8%1.0%的Cr18型和1Cr17Ni2型。热处理方式：1Cr13、2Cr13 为淬火+高温回火，作为结构件使用；3Cr13、4Cr13、9Cr18 为淬火+低温回火，具有高硬度、高耐磨性。,（4）奥氏体马氏体沉淀硬化型 wc 为0.04%0.13%，含Wcr15%17%,含WNi4%8%。超低碳的目的是为了保证高的耐蚀性。Al、Mo、Ti、Nb的加入，产生沉淀硬化。Cr、Ni及其它元素的配合为获得钢的Ms点在室温至-78之间。热处理方式为固溶处理（9501050）得到奥氏体，再经冷处理、塑性变形或调整处理（750加热，空冷或950加热，空冷），再经时效处理（400500），析出金属间化合物沉淀强化。,6.5.2 耐热钢 1.耐热钢的工作条件、失效方式和性能要求 在300以上的温度下长期工作。失效方式：剧烈氧化，形成氧化皮，强度急剧下降而破坏。性能要求是：高的抗氧化性；高的高温力学性能；组织稳定性高；膨胀系数小，导热性好；工艺性及经济性好。,2.提高钢的抗氧化性和热强性的途径 氧化过程是化学腐蚀过程，提高钢的抗氧化性途径是合金化，加入Cr、Si、Al，通过形成致密稳定的合金氧化膜层，降低甚至阻止氧化膜的扩散。金属在高温下所表现的力学性能：工作应力超过金属在该温度下的弹性极限时，随着时间的延长金属发生极其缓慢的变形，即“蠕变”。,提高金属的热强性，可采取以下途径：（1）固溶强化 高温时奥氏体的强度高于铁素体。合金元素Mo、W、Co因增大了原子间的结合力，减慢了固溶体中的扩散过程，使热强性提高。,（2）第二相强化 提高热强性最有效的方法之一。耐热钢采用难熔碳化物MC、M6C、M23C6等作强化相；耐热合金则多利用金属间化合物如Ni3(Ti、Al)来强化。,（3）晶界强化 高温下晶界为薄弱部位，为了提高热强性，应当减少晶界，采用粗晶金属。进一步提高热强性的办法有：定向结晶，消除与外力垂直的晶界，甚至采用没有晶界的单晶体。,3.常用耐热钢 1）抗氧化钢 用来制造炉用零件和热交换器，如燃气机燃烧室、锅炉吊钩、加热炉底版等。,抗氧化钢分为铁素体型抗氧化钢和奥氏体型抗氧化钢，如Cr17Al14Si,Cr18Ni25Si2。3Cr18Mn12Si2N,2Cr20Mn9Ni2Si2N多用于制造加热炉的受热构件、锅炉吊钩等。主要热处理是固溶处理，以获得均匀的奥氏体组织。,2）热强钢（1）珠光体型热强钢 常用牌号是15CrMo和12CrMoV。工作温度低于600的构件，如锅炉的炉管、过热器、石油热裂装置等。一般在正火+高温回火（高于使用温度100150）状态下使用，组织为细珠光体或索氏体加部分铁素体。,（2）马氏体型热强钢 常用钢种为Cr12型，多用于制造600以下受力较大的零件，如汽轮机叶片等。一般在淬火+高温回火状态下使用，组织为回火马氏体。,（3）奥氏体型热强钢 常用的钢种是1Cr18Ni9Ti。该类钢抗氧化性和热强性比珠光体型和马氏体型耐热钢高，工作温度可达750800，常用来制作一些比较重要的零件如燃气轮轮盘和叶片等。一般进行固溶处理或固溶+时效处理。,6.5.3 耐磨钢 1.耐磨钢的工作条件、失效方式和性能要求 失效方式为磨损，要求有很高的耐磨性和韧性。,2.化学成分特点 wc为0.9%1.5%，含锰量为WMn11%14%，另外还有WSi0.3%0.8%。高锰要获得奥氏体组织，提高钢的加工硬化速率。硅是为了改善钢的流动性，起固溶强化作用，提高钢的加工硬化能力。牌号为ZGMn13，也称为高锰钢。,3.热处理特点 高锰钢都采用水韧处理，即将钢加热到10501100，保温一段时间后，碳化物全部溶解，然后迅速水淬至室温，组织仍保持为单一奥氏体。,4.性能特点 有很高的韧性，在受到强烈的冲击载荷和强大的压力下，不仅表层会迅速产生加工硬化，还会诱发马氏体转变，使表面层硬度、耐磨性显著提高，而心部仍保持为原来的高韧性状态。,6.6 铸铁,wc 2.11%的合金称为铸铁，铸铁中常含有硅、锰等元素以及硫、磷等杂质。,三、6.6.1 铸铁的石墨化 1.Fe-G比Fe-Fe3C双重相图铸铁在冷却过程中即可以从液态中或奥氏体中直接析出Fe3C；可以直接析出石墨，形成的Fe3C在一定条件下也可以分解为铁素体和石墨，即Fe3C3Fe+G（石墨）。,图为FeG（石墨）系和FeFe3C系的双重相图，虚线表示FeG系，虚线在实线的上方或左上方，表明FeG系比FeFe3C系更为稳定。,铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化过程。可分为两个阶段：第一阶段，从过共晶的铁液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶转变过程中形成的共晶石墨及奥氏体冷却析出的二次石墨；第二阶段，共析转变过程中形成的共析石墨。,第一阶段的石墨化温度较高，易进行得完全；第二阶段石墨化温度较低，进行的程度取决冷却速度。也决定着获得的铸铁组织。第二阶段石墨化进行的充分时，组织为铁素体和石墨；第二阶段石墨化部分进行，形成铁素体+珠光体为基体，其上分布石墨的组织；第二阶段石墨化完全被抑制不能进行时，组织为珠光体和石墨组成。当冷速过快，两个阶段的石墨化均被抑制，会得到白口铸铁。若第一阶段石墨化部分进行，得到麻口铸铁。,2.铸铁的石墨化过程,2)根据铸铁中石墨的形态进行分类 灰口铸铁中，根据石墨的形态不同分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。,6.6.2 常用铸铁 1.铸铁的分类、组织和牌号 1)根据碳在铸铁中存在形式分类（1）灰口铸铁 碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在于铸铁中，断口呈暗灰色，故称灰口铸铁，应用最广泛的一类铸铁。（2）白口铸铁 碳以Fe3C的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，组织硬而脆，难以切削加工。很少直接用来制造机械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件。,铸铁的分类及牌号表示方法,2.性能特点（1）力学性能 灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多，原因有两个方面：石墨本身的强度和塑性几乎为零，石墨的存在就等于减小了金属基体的有效承载面积；石墨割断了金属基体的连续性，且石墨尖端将导致严重的应力集中，形成断裂源。铸铁的抗压强度和钢差不多。团絮状、球状石墨对金属基体的割裂作用大为减弱，使强度、塑性、韧性较灰铸铁都有明显提高。基体利用率提高到70%90%。（2）耐磨性及消振性好（3）工艺性能好,灰铸铁的化学成分范围是：Wc2.5%4.0%,WSi1.0%3.0%,WMn0.5%1.3%,WP0.3%，WS0.15%。灰铸铁的组织是片状石墨和钢的基体组成，根据共析阶段石墨化进行的程度不同可分为铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种。,3.常用普通铸铁（1）灰铸铁,（2）可锻铸铁 利用铸铁的优良铸造性能先铸成白口铸铁铸件，然后经过石墨化退火处理，将Fe3C分解为团絮状的石墨，即获得可锻铸铁。,成分：C、Si含量的大致范围为：Wc2.0%2.6%，WSi1.1%1.6%。可锻铸铁的牌号、组织性能及应用举例见表3-15。,（3）球墨铸铁 球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。与片状石墨和团絮状石墨相比，圆球状石墨对基体的割裂和应力集中作用最小，球墨铸铁是各种铸铁中力学性能最好的一种。与可锻铸铁相比较，具有生产工艺简单、生产周期短、不受铸件尺寸限制等特点；球墨铸铁可以像钢一样进行各种热处理以改善金属基体组织，进一步提高力学性能，在很多场合下可以代替钢使用。,生产球墨铸铁要进行脱硫处理、球化处理（浇注前必须先往铁液中加入能促使石墨结晶成球状的球化剂）和孕育处理（球化处理后立即加入石墨化元素而进行的处理）。“QT”是“球铁”二字汉语拼音的字头，后面两组数字分别表示其抗拉强度和伸长率的最小值。,球铁组织可看成是由球状石墨与钢的基体所组成。常见基体组织有铁素体、铁素体+珠光体和珠光体，也可获得贝氏体、马氏体、托氏体、索氏体和奥氏体等基体组织。,球铁的一个突出的优良性能是，屈服强度和抗拉强度的比值（屈强比）约为钢的两倍，对于承受静载荷的零件，可用球铁代钢，以减轻机器质量；球墨铸铁其力学性能取决于石墨的大小和基体的组织。球径越小，性能越好。珠光体球铁的抗拉强度比铁素体球铁的高约一倍。回火马氏体为基的球铁具有高强度、高硬度；下贝氏体为基的球铁具有良好的综合力学性能。,球墨铸铁因为基体利用率提高到70%90%，使热处理改变基体的作用大为突出。球铁像钢一样进行各种热处理。,（四）蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的化学成分与球铁的成分要求基本相似，即高碳、低硫、一定的硅、锰含量。成分范围如下：Wc3.5%3.9%，WSi2.2%2.8%,WMn0.4%0.8%,WP和WS均小于0.1%，碳当量为4.3%4.6%。,蠕墨铸铁通过蠕化处理后获得。蠕化处理后还要进行孕育处理。我国目前采用的蠕化剂主要有镁钛合金、稀土镁、硅铁和硅钙合金。,蠕墨铸铁中石墨是一种过渡型石墨。在光学显微镜下的形状形似蠕虫状，故得名蠕墨铸铁。,蠕墨铸铁较球墨铸铁在性能上的优越性在于具有良好的抗热疲劳性能以及优良的导热性能；铸造性能、减振能力也优于球铁。广泛用来制造缸盖、气缸套、电机壳、机床床身、液压阀等。,6.6.3 合金铸铁 在铸铁中加入某些元素，以形成具有特殊性能的铸铁（又称合金铸铁）。,1.耐磨铸铁 耐磨铸铁零件按工作条件大致可分为两种类型：一种是在润滑条件下工作；另一种使在无润滑的干摩擦条件下工作。灰铸铁制成的摩擦对，要求摩擦因数小磨损量低，彼此不损害对方偶件，在润滑条件下工作。例如在灰铸铁的基础上提高磷含量，使其达到WP0.4%0.6%，得到高磷铸铁，在高磷铸铁的基础上加入铜和钛，得到的磷铜钛耐磨铸铁等就是常用的这类耐磨铸铁。白口铸铁多半是在干摩擦情况下，破坏摩擦对偶而保全自身并具有较长的工作寿命。欲提高白口铸铁的耐磨性，可通过在铸铁中加入Cr、Ni、Mo、V等元素，提高淬透性，得到铸态下具有马氏体组织的白口铸铁。含锰量WMn5%7%，含硅量WSi3.3%5%的中锰合金铸铁，组织为马氏体+贝氏体+部分奥氏体+碳化物，具有很高的硬度和耐磨性的同时又有一定的韧性。,2.耐蚀铸铁 耐蚀铸铁的耐蚀原理：通过向铸铁中加入Si、Al、Cr、Cu、Ni、P等合金元素，提高基体的电极电位；使基体成为单相，减少石墨数量并形成球状石墨；在铸铁表面形成一层致密的保护膜。,耐蚀铸铁可分为高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁等。最常用的是高硅耐蚀铸铁，含硅量WSi15%17%，组织为硅合金铁素体+石墨+Fe3Si2，有优良的耐酸性，在硝酸、硫酸等有氧酸中均有很好的抗蚀性，在碱性介质中工作的零件，可采用AlSi合金铸铁。高铬耐蚀铸铁中铬的含量高达WCr26%36%,能形成Cr2O3保护膜，具有优良的耐蚀性、耐热性。,进入下一节,6.7 铝及其合金 钢铁以外的金属及合金称为有色金属，密度低于4.5103kg/m3的金属称为轻金属。有色金属及其合金具有很多钢铁材料不具备的特殊性能，致使在航空、航天、航海、机电、仪表等工业中起到重要作用。（有色金属热处理）,6.7.1 纯铝（1）质量轻，具有面心立方晶体结构，无同素异构转变，极好的塑性，适于冷热加工成形。（2）具有良好的导电、导热性。（3）耐大气腐蚀性好。工业纯铝的牌号有1A70（L1）、1A60（L2）、1A06（L6）等。用于制作铝箔、导线及配制合金。工业纯铝的强度和硬度都很低，难以作为工程结构材料使用。,672 铝合金 铝中加入合金元素，配制成各种成分的铝合金，再经过冷变形加工或热处理，是提高纯铝强度的有效途径。,1.铝合金的分类 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金，是指合金经熔化后浇成铸锭，再经压力加工（锻造、扎制、挤压等）制成板材、带材、棒材、管材、线材以及其它各种型材，要求具有较高的塑性和良好的工艺成型性能。铸造铝合金，则是将熔融的合金液直接浇入铸型中获得成型铸件，要求合金应具有良好的铸造性能，如流动性好、收缩小、抗热裂性高。,铝中通常加入的合金元素有Cu、Mg、Zn、Si、Mn及稀土元素。与铝所成的相图大都具有二元共晶相图的特点。D是理论分界线。低于D 点的合金，加热时均能形成单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，划归为变形铝合金。成分位于D点右侧的合金熔点低，结晶时发生共晶反应，固态下具有共晶组织，塑性较差，但流动性好，适于铸造，划归为铸造铝合金。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类，凡成分在F点左侧的合金，不能进行热处理强化的铝合金。成分在F、D点之间的铝合金，即属于可热处理强化的铝合金。,时效强化又称沉淀强化。是指类似F、D之间成分的铝合金经固溶处理后，在室温或较高的环境温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象。室温放置过程中发生的时效称为自然时效；合金在加热条件下发生的时效称为人工时效。,2.铝合金的强化 合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细化组织强化。对不可热处理强化的铝合金进行冷变形是这类合金强化的主要方式。,细化组织强化 铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金力学性能的另一种重要手段。如铸造铝合金中常加入微量元素（变质剂）进行变质处理来细化合金组织，既能提高合金强度，又会改善其塑性和韧性。,3.变形铝合金 依据其主要性能特点分为防锈铝合金（简称防锈铝）、硬铝合金（简称硬铝）、超硬铝合金（简称超硬铝）和锻铝合金（简称锻铝）。防锈铝合金为不可热处理强化的铝合金，其余三种为可热处理强化的铝合金。,变形铝合金的牌号采用4位字字符表示，2 8系列分别表示Al-Cu、Al-Mn、Al-Si、Al-Mg、Al-Mg-Zn、Al-Zn等铝合金。变形铝合金的代号采用汉语拼音字母加顺序号表示。LF（防锈铝）；LY（硬铝）；LC（超硬铝）；LD（锻铝）。,常见形变铝合金的牌号及用途,（2）硬铝合金 AlCuMg系，由于该合金强度和硬度高，故称为硬铝，又称杜拉铝。Cu和Mg形成强化相和S（CuMgAl2），合金具有明显的热处理强化能力。硬铝合金的耐蚀性不高，通常需要进行阳极化处理，使其表面形成（包覆）一层纯铝，称为包铝。,（3）超硬铝合金 AlZnMgCu系，强化相为相、S相和复杂的强化相，如相、T相等。这类合金有强烈的时效强化效果。其强度超过硬铝，是变形铝合金中强度最高的一类铝合金，故称超硬铝合金。超硬铝合金耐蚀性低，故也需要包铝保护。,（4）锻铝合金 AlMgSiCu系，每种元素的含量较少，有良好的热塑性，适合加工外形复杂的锻件，故称为锻铝。,（1）防锈铝合金 主要是AlMn系及AlMg系合金。其时效硬化效果不明显，所以不宜热处理强化，通过加工硬化来提高强度和硬度。性能特点是具有优良的耐蚀性、塑性和焊接性，适宜制造需深冲、焊接和在腐蚀介质中工作的零、部件。,4.铸造铝合金 铸造铝合金可分为AlSi系、AlCu系、AlMg系、AlRE系和AlZn系五类，AlSi系应用最为广泛。,F铸态（变质处理）；T1人工时效；T4固溶加自然时效；T5固溶加不完全人工时效；T6固溶加完全人工时效,（1）AlSi系铸造铝合金，具有很好的流动性，补缩能力强，热裂倾向小。AlSi系铸造铝合金又称硅铝明，仅由Al、Si两组元组成的二元合金称为简单硅铝明。组织为粗大针状的硅和铝基固溶体构成的共晶体，偶而有少量板块初晶硅。为改善合金的力学性能，通常要进行变质处理（加入微量钠或钠盐）。初晶硅消失，且粗大的针状共晶硅细化成细小条状或点状，并在组织中出现初晶固溶体，合金的力学性能大为改善。通常用于制造形状复杂、强度要求不高的铸件，如内燃机缸体。,ZL102变质前铸态组织,ZL102变质后铸态组织,（2）其它铸造铝合金 AlCu系铸造铝合金是以AlCu为基的二元或多元合金。铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。大部分已为其它铝合金所代替，ZL201室温强度、塑性比较好，可制作300以下工作的零件。ZL202 塑性较低，制作不受冲击的零件。AlMg系铸造铝合金是密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金，且抗冲击和切削加工性能良好，但铸造工艺性能和耐热性能较差。该系铸造铝合金常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零件或接头。AlZn合金是最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，无特别突出的优点，主要缺点是耐蚀性较差。ZL401主要用于工作温度不超过200、形状复杂、受力不大的零件。,6.8.1 纯铜 呈紫红色，又称紫铜。无同素异构转变，无磁性。最显著的特点是导电、导热性好，仅次于银。高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀性，在海水中的抗蚀性较差。纯铜具有面心立方晶格，极优良的塑性，可进行冷热压力加工。,工业纯铜的杂质，铅、铋会造成“热裂”。氧、硫会引起即“冷脆”。纯铜的代号以汉语拼音字头“T”加数字表示，数字越大，杂质的含量越高，工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、T4。纯铜用于制作导电、导热及兼具抗蚀性的器材。,6.8 铜及其合金 在自然界中既以矿石的形式存在，又以纯金属的形式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中，80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。,6.8.2 铜合金 工业纯铜不适于用作结构材料。为满足制作结构件的要求，需对纯铜进行合金化，加入一些Zn、Al、Sn、Mn、Ni等适宜的合金元素。产生显著的固溶强化效果，获得强度及塑性都能满足要求的铜合金。铜合金分为黄铜、白铜和青铜三大类。黄铜是CuZn合金；白铜是CuNi合金；早期的青铜是铜与锡的合