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1、第3章 常用金属材料,本章介绍工业用钢、铸铁、有色金属等常用金属材料。,本章学习重点和难点,【学习重点】各类金属材料的成分、组织状态、热处理工艺、性能及其应用。 【学习难点】常用机械零件的选材及其热处理工艺的确定。,3.1工业用钢,工业用钢主要是指碳素钢和合金钢，是应用最广泛的机械工程材料，在工业生产中起着十分重要的作用。,3.1.1碳素钢,碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳钢容易冶炼，价格低廉，易于加工，能满足一般机械零件的使用要求，因此是工业中用量最大的金属材料。,1.钢中的常存杂质元素,钢中最常见的杂质元素有Si、Mn、P、S等，都是在钢铁冶炼过程中进入的，它们
2、对钢的性能有一定影响。 通常少量的Si和Mn在钢中是有益元素，而P和S是有害元素，应严格控制。,2.碳钢的分类,钢的分类方法很多，通常按钢的用途分： 碳素结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程结构件。这类钢一般属于低、中碳钢； 碳素工具钢 主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢一般属于高碳钢； 碳素铸钢 主要用于制作形状复杂，难以用锻压等方法成形的铸钢件。,.碳钢的牌号、性能和用途,下表为碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能 （摘自GB/T700-2006）,下表为优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能 （摘自GB/T699-1999）,表3-2 优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能
3、（摘自GB/T699-1999）,下表为碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能 （摘自GB/T1298-1986）,3.1.2合金钢,为改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上加入一种或几种合金元素所形成的钢称为合金钢。 合金钢与碳钢相比具有许多优良性能，如高的强度与韧性；高的淬透性和回火稳定性；一定的抗氧化能力和低温冲击韧性；良好的耐磨耐蚀性等。,合金钢中常加入的合金元素,在合金钢中，经常加入的合金元素有: 锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、 钼（Mo）、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、 铌(Nb)、锆（Zr）、稀土元素（RE）等。,合金钢的分类,按用途分 合金结构钢：主要用于制造各种
4、机械零件、工程结构件等； 合金工具钢：主要用于制造刃具、模具、量具等； 按合金元素含量分 低合金钢：合金元素的总含量在5%以下； 中合金钢：合金元素的总含量在5%10%之间； 高合金钢：合金元素的总含量在10%以上。,合金钢的编号,低合金高强度结构钢，其编号方法与碳素结构钢的编号方法相同。例如，Q390表示s 390 Mpa的低合金高强度结构钢。 合金结构钢采用两位数字+化学元素符号+数字的方法。前面两位数字表示碳的平均质量分数的万分数；元素符号表示所含的合金元素；元素符号后面的数字表示该元素平均含量的百分数。如60Si2 Mn、40 Mn2、50CrVA等。 合金工具钢平均碳含量1.00%时
5、，其碳的质量分数不标出，碳含量1.00%时，用千分数表示，其他同合金结构钢。如9SiCr、9Mn2V、Cr12等。,低合金高强度结构钢(工程结构用钢),低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上，加入少量合金元素而形成的钢。钢中碳的质量分数一般为0.16%0.20%，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、 V、Nb、Ti、Al等，合金元素总含量3%。这类钢的强度显著高于相同碳质量分数的碳钢，所以常称其为低合金高强度钢。,渗碳钢,用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢广泛用于制造汽车、机车及工程机械的传动齿轮、凸轮轴、活塞销等，即要求表面高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的强韧性的机械零件。,调质钢
6、,调质钢是指经过调质处理后的碳素结构钢和合金结构钢。多数调质钢属于中碳钢，调质处理后，其组织为回火索氏体。调质钢具有高的强度、良好的塑性与韧性，即良好的综合力学性能，常用于制造汽车、拖拉机、机床的各种重要零件。,下图为40Cr钢制连杆螺栓及调质热处理工艺图,弹簧钢,弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，主要利用弹性变形时所储存的能量来缓和机械上的震动和冲击作用，因此要求弹簧钢必须具有高的抗拉强度、高的屈强比，高的疲劳强度（尤其是缺口疲劳强度），并有足够的塑性、韧性以及良好的表面质量，同时还要求有较好的淬透性和低的脱碳敏感性，在冷热状态下容易绕卷成型。,滚动轴承钢,用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢
7、。滚动轴承在工作时，滚动体和套圈均受周期性的交变载荷作用。根据滚动轴承的工作条件，要求滚动轴承钢具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，同时在大气或润滑剂中具有一定的抗蚀能力。,易切削钢,在钢中附加一种或几种合金元素，以提高其切削加工性，这类钢称为易切削钢。目前常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。 易切钢的常用钢号有Y12、Y20，Y40Mn等 。,合金工具钢,用于制造刃具、模具、量具等工具的钢称为工具钢。,（1）刃具钢,主要指制造车刀、铣刀、钻头等切削刀具的钢。典型的有用9SiCr钢制造的圆板牙 。,（2） 模具钢,用于制造各类模具的钢称为模具钢。模具是使金
8、属或非金属材料成形的工具，其工作条件及性能要求，与被成形材料的性能、温度及状态等有着密切的关系。因此，模具钢可分为冷作模具钢、热作模具钢等。,冷作、热作模具钢,冷作模具钢可采用Cr12、Cr12MoV等Cr12型钢制造。 热作模具钢用于制造热锻模、热镦模、热挤压模、精密锻造模、高速锻模等 ，采用5CrMnMo钢来制造；而大型热锻模具则采用5CrNiMo钢制造 。,特殊性能钢,所谓特殊性能钢，是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐蚀钢等一些具有特殊的力学、物理和化学性能的钢。,（1）不锈钢,是指能够抵抗大气、酸、碱或其他介质腐蚀的合金钢。 常用的不锈钢有铬不锈钢和18-8型不锈钢 。 铬不锈钢主要有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13等。,（2）耐热钢,耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。 常用的抗氧化钢有3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等。 常用的热强钢有珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢等几种。,（3）耐磨钢,耐磨钢主要指在冲击载荷作用下产生冲击硬化的高锰钢，高锰钢制件在使用过程中，必须伴随外来的压力和冲击作用，否则高锰钢是不耐磨的。 高锰钢件不仅具有良好的耐磨性，而且材质坚韧，不会突然折断；即使有裂纹产生，由于加工硬化作用，也会抵抗裂纹的继续扩展，而容易发现。,
