金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。

汽车应用材料第二章

金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。

第三节常用金属材料及其应用


一 . 碳钢

　二 . 合金钢

　　三 . 铸铁

　　　四 . 有色金属及其合金

五 . 金属材料在工程上的应用

第三节常用金属材料及其应用


金属材料的分类

金属

钢铁

铸铁 ——

钢

白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁

非合金钢 ——（碳钢）

碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、易切削钢、铸钢

合金钢

合金结构钢

低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢、超高强度钢

合金工具钢

量具刃具钢合金模具钢高速钢

冷作模具钢热作模具钢

特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢非铁金属—— 铜、铝、钛、锌、…，轴承合金，硬质合金


( 一 ) 　碳钢的成分和分类

( 二 ) 　碳钢的牌号及用途

一 . 碳钢


( 一 ) 碳钢的成分和分类

１ . 成分 —— w(C) ≤2.11%

Mn → 脱氧 , 固溶强化 , 提高强度和硬度 w(Mn) =0.25 % ~0.8%

Si → 脱氧 , 固溶强化 , 提高强度和硬度镇静钢 w(Si) =0.1 % ~0.4%

沸腾钢 w(Si) =0.03 % ~0.07%

S → 热脆 ( 有害 )

P → 冷脆 ( 有害 )

O、N、H → 强度、塑性、韧性↓


钢中元素的作用基本元素： Fe、 C

合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素

非合金钢中的常存元素

冷脆性——有害矿石中P

热脆性——有害矿石中S

溶入 F→ 固溶强化——有益炼钢时残留Mn

溶入 F→ 固溶强化——有益炼钢时残留Si

作用来源


　 1 ）按 C 含量分　　低 C 钢　 w(C) ≤ 0.25%

　　中 C 钢　 0.25% ＜w(C) ≤ 0.6%　　高 C 钢　 w(C) ＞ 0.6%　 2 ）按质量分（ S、 P 含量）—— 普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。　 3 ）按用途分 —— 碳素结构钢、碳素工具钢。

２ . 分类


( 二 ) 碳钢的牌号及用途

1 ．碳素结构钢

　 2 ．优质碳素结构钢

　　 3 ．碳素工具钢


1 ．碳素结构钢　牌号 —— 如 Q215B ，表示 s ≥ 215 MPa （厚度 ≤ 16mm）， B 级质量。

表 2-14 碳素结构钢的牌号和化学成分 (GB/T700-1988)

牌号等级

化学成分脱氧方法w(C)

%w( Mn)

%

w( Si)%

w(S )%

w( P)%

不大于Q195 － 0.06-0.12 0.25-0.50 0.30 0.050 0.045 F,b,Z

Q215 A / B 0.09-0.15 0.25-0.55 0.30 0.050 / 0.045 0.045 F,b,Z

Q235

A 0.14-0.22 0.30-0.65 0.30 0.050 0.045 F,b,Z

B 0.12-0.20 0.30-0.70 0.30 0.045 0.045 F,b,Z

C 0.18 0.35-0.80 0.30 0.040 0.040 Z

D 0.17 0.35-0.80 0.30 0.035 0.035 TZ

Q255 A / B 0.18-0.28 0.40-0.70 0.30 0.050 / 0.045 0.045 Z

Q275 － 0.28-0.38 0.50-0.80 0.35 0.050 0.045 Z

GB/T700-1988 标准 GB700-79 标准

化学成分和力学性能均须保证 A 类钢 —— 保证力学性能， B 类钢 —— 保证化学成分， C 类钢 —— 保证化学成分及力学性能。

Q195 A1； B1

Q215 A2； C2

Q235 A3； C3

Q255 A4； C4

Q275 C5

碳素结构钢新、老标准钢号对照表 2-15 碳素结构钢的机械性能 (GB/T700-1988)

牌号

等级

拉伸试验冲击试验屈服点 s ，MPa

抗拉强度b /MPa

伸长率 s , %

温度℃

V 型冲击功( 纵向 )

J

钢材厚度 ( 直径 )，mm

钢材厚度 ( 直径 ), mm

16

>40~60

>100~150

>150

16

>40~60

>100~150

>150

不小于不小于不小于

Q195 － 195 －－－ 315-390 33 －－－－－

Q215 A/B 215 195 175 165 335-410 31 29 27 26－ /2

0－ /27

Q235A/BC/D

235 215 195 185 375-460 26 24 22 21－ /2

00/-20

－ /27

Q255 A/B 255 235 215 205 410-510 24 22 20 19－ /2

0－ /27

Q275 － 275 255 235 225 490-610 20 18 16 15 －－

最新牌号 GB/T221--2000


用途　　钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。

热处理：热轧空冷

组织： S＋ F 多边型角钢

螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁


2 ．优质碳素结构钢　牌号 —— 如 45 钢，含 C 量为 45 / 10000 = 0.45 % 。

表 2-15 优质碳素钢的化学成分和性能

钢号化学成分， % s ，MP

a

≥C Mn Si S P

08F1020354045506065

0.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.70

0.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37

<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035

<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035

175205245315335355375400420

( 摘自 GB/T699-1999)


用途

　　较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。

热处理：　　渗碳、淬火、回火等。


上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质 50 号中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工

汽车曲轴


常用钢号及其应用

08 、 10钢 : 强度低 , 塑性好 , 具有良好的冲压、拉深及焊接性能 , 用于制造冷冲压件 , 如汽车和拖拉机油箱、仪表板、汽缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等 .15 、 20钢 : 渗碳 , 表硬内韧 , 作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等

30~55钢 : 调质 ,综合机械性能好 , 制齿轮连杆轴类等60~70钢 , 淬火 , 中回 , 制造弹性元件 , 如汽车气门弹簧 .


3 ．碳素工具钢　牌号 —— 如 T12A 钢，含 C 量为 12 / 1000 = 1.2 % ，

A 表示高级优质， w(S) 0.020 % ，w(P) 0.030 % 。

钢号 C, % Mn, % Si, %S, %

P, %

退火后HBS,

水冷淬火温度，℃

T7T8

T8MnT9

T10MnT10T12T13

0.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.400.40

0.40-0.600.40

0.40-0.600.400.400.40

0.350.350.350.35

0.35 0.35 0.350.35

0.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.030

0.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035

18718718719219

207207217

800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780

表 2-16 　碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后 HRC≥62)

( 摘自 GB/T1298-1986)


用途　　冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。

螺纹量规

热处理：淬火 + 低温回火

组织：回火 M ＋粒状 Fe3C + A'


4. 铸钢

W(c)=0.15~0.6% 应用 : 结构复杂零件 , 如曲轴、箱体轴承座 . 牌号 :如 ZG340-640


( 一 ) 　概论

( 二 ) 　合金结构钢

　　 ( 三 ) 　合金工具钢

　　　 ( 四 ) 　特殊性能钢

二 . 合金钢


二 . 合金钢

碳钢：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。

合金钢：在碳钢中加入某些合金元素 , 改善组织与性能 .(硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、锆 )


与 C 的亲和力：强弱

常见的合金元素及作用

Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Co Ni Cu Si Al弱碳化物形

成元素强碳化物形成元素非碳化物形成元素

合金元素对基本相的影响：

非碳化物形成元素溶入 F 固溶强化

弱碳化物形成元素形成合金渗碳体

较硬，耐磨，比 Fe3C 更稳定

强碳化物形成元素形成特殊碳化物

高熔点，硬，耐磨，最稳定


（一）合金元素在钢中的作用

1 ．合金元素可以提高钢的力学性能

2. 合金元素对钢的热处理产生影响

3 ．合金元素对钢的工艺性能产生影响


合金钢的强化机制：

　　合金 F 的固溶强化

M 位错强化

　　细晶强化（ F、M 晶粒度， P 片间距↓）

　　第二相（沉淀）强化

1 ．合金元素可以提高钢的力学性能


2. 合金元素对钢的热处理产生影响合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著。合金元素除 CO外都能使 C 曲线右移，提高奥氏体的稳定，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，降低淬火应力，减少了工件的变形和开裂。


3 ．合金元素对钢的工艺性能产生影响合金元素的加入使钢的铸造、锻造性能、焊接、切削加工性能都不同程度的降低；但可以明显的改善热处理的工艺性能。


１ . 　合金钢的分类（按用途分类）

　　合金结构钢 —— 低合金结构钢、渗 C 钢、调质钢、

弹簧钢、轴承钢等。

　　合金工具钢 —— 刃具、模具、量具钢。

　　特殊性能钢 —— 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。

（二）合金钢的分类及编号


２ . 　合金钢的编号

　　结构钢 —— 如 60Si2Mn ，w(C)=0.6% ，w(Si)=2% ，w(Mn)＜ 1.5%

　　工具钢、特殊性能钢 —— 如 9SiCr ，w(C)=0.9% ，w(Si)、w(Cr) 均＜ 1.5% , 而 CrWMn 中， w(C)＞ 1.0%

专用钢 —— 如，滚动轴承钢 GCr15 ，w(C)=1.0% ， w(Cr)=1.5%

　　高级优质钢 —— 如， 20Cr2Ni4A

（二）合金钢的分类及编号


( 三 ) 合金结构钢

1 ．低合金结构钢

　 2 ．渗碳钢

　　 3 ．调质钢

　　　 4 ．弹簧钢

　　　　 5 ．滚动轴承钢


1 ．低合金结构钢

钢号旧钢号主要化学成分， % 机械性能

C Mn Si， s ，MP

a

b ，MP

a5 ， %

Q29509MnNb

12Mn0.16

0.80~1.50

0.55 295 570 23

Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.55 345 630 21~22

Q39016MnNb15MnTi

0.201.00

~1.600.55 390 650 19~20

Q42014MnVTiRe

15MnVN0.20

1.00~1.70

0.55 420 680 18~19

Q46014MnMoV

18MnMoNb0.20

1.00~1.70

0.55 460 720 17

常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度 ( 直径 )16mm， AKV

≥34J）

成分 —— w(C)＜ 0.2% ，主加元素 Mn ，附加V、 Ti、Nb 。

性能 —— 强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。

( 摘自 GB/T1591-1994)


普通低合金结构钢牌号 Q 345 C

质量等级

345 MPa

屈服强度


常用低合金钢 1. 低合金高强度结构钢 2. 易切削结构钢 .(S,P,Mn) 3. 低合金高耐候性钢


热处理、组织 —— 热轧空冷， S＋ F

高压容器

桥梁

船舶

车辆

应用


典型普低合金钢应用

Q460 钢含 Mo、 B ，正火组织为 B ，强度高，用于石化中温高压容器。

Q345钢 (16Mn) 综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。

Q390 钢含 V 、 Ti、 Nb ，强度高，用于中等压力的容器。


2 ．渗碳钢

成分 —— w(C)=0.1～ 0.25%, 韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性 , 细化晶粒。 Cr、Ni、Mo、W 、Mn、 Si和 B 提高淬透性， Ti 细化晶粒

性能 —— 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。


2 ．渗碳钢

渗 C 钢的牌号（摘自 GB/T3077-1999 ）（渗 C: 930℃，回火： 200 ℃）　

主要化学成分 , % 预备处理／

淬火 , ℃C Mn Cr， Ni

0.17~0.24　

0.17~0.24

0.50~0.80　

1.30~1.60

0.70~1.00 　

880／ 800水 , 油

880水 , 油

0.17~0.230.17~0.23

　

0.90~1.200.80~1.10

　

0.90~1.201.00~1.30

850 油880 ／ 87

0 油

钢号

20Cr

20MnV

20CrMn20CrMnTi

淬透性

低

中

高

18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A

0.13~0.19

0.17~0.23

W0.8~1.2

0.30~0.60

1.35~1.654.0~4.5

1.25~1.653.25~3.75

950 ／ 850空

880／ 780油

机械性能　

b

MPa

s

MPa

835　

785

540　590

9301080

　

735835　

1180

1180

835

1080

aKU2

J

47　55

4755　

78

63


热处理

组织 —— 表层：回火 M + 碳化物 + A′ ；心部：低 C 的回火 M（+T + F ）

应用 —— 耐磨件

20Cr ，小轴、活塞销、小齿轮。

20CrMnTi ，汽车齿轮。

18Cr2Ni4WA ，如曲轴、连杆。

　　渗碳 → 淬火 → 低温回火


合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A

等级 : 高级优质

含钛量WTi≤1.5 %

含锰量WMn 2 %

含碳量WC 20 %00


典型合金渗碳钢应用

低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜ 3 % 15Cr、 20Cr、 20Mn2 。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在 4 %左右。 20CrMn、 20CrMnTi 、 20Mn2TiB 。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴

活塞销 ( 20Cr )


20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线


典型合金渗碳钢应用

高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在 4 %～ 6 %。 18Cr2NiWA 、 20Cr2Ni4A 等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

柴油机曲轴


现有 φ35x20mm 的两根轴。一根为20 钢，经 920℃ 渗碳后直接淬火 ( 水冷 )及 180℃ 回火，表层硬度为 58 ～ 62HRC ；另一根为 20CrMnTi 钢，经920℃ 渗碳后直接淬火 ( 油冷 ) ， -80℃冷处理及 180℃ 回火后表层硬度为 60 ～ 64HRC 。问这两根轴的表层和心部的组织( 包括晶粒粗细 ) 与性能有何区别 ? 为什么 ?


钢种表面组织心部组织晶粒大小性能

20 钢回火马氏体＋渗碳体

F+P 较细小外硬内韧

20CrMnTi 回火马氏体＋合金碳化物

F+P（细）＋低碳回火马氏体

更细小表面强度、硬度更高，心部不仅强、硬度较高，同时韧性好。


3 ．调质钢

成分 —— w(C)=0.25～ 0.50% ，合金元素消除回火脆性 , 提高回火抗力 , 强化 F 。 Mn、 Cr、Ni、B 、 Si 用来提高淬透性， Mo、W 可抑制第二类回火脆性， Ti、 V 细化晶粒

性能 —— 综合机械性能高


3 ．调质钢调质钢的牌号（摘自 GB/T3077 －

1999 ）淬透性

钢号主要成分 , % 淬火

℃

回火

℃C MnSiCr

低

450.42~0.50

0.50~0.80

0.17~0.37

830~840水

580~640 空

40Cr0.37~0.45

0.50~0.80

Cr 0.8~1.10

850 油 500 水，油

中

高

35CrMo0.32~0.40

0.40~0.70

Cr 0.8~1.10

850 油 550 水，油

38CrMoAlA0.35~0.42

Al 0.7~1.1

Cr 1.35~1.65

940水，油

640水，油

40CrMnMo0.37~0.45

0.90~1.20

Cr 0.9~1.20

850 油 600 水，油

机械性能 b

MPa

s

MPa

aKU2

J60

035

5 39

40MnB0.37~0.44

1.10~1.40

0.20~0.40

850 油 500 水，油 980 785 47

980 785 47

980 835 63

980 835 71

980 785 63


热处理

组织 —— 表层：回火 S

应用 : 轴类、连杆、齿轮

40Cr ，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。

35CrMo ，较大截面零件，如曲轴、连杆。

40CrNiMo ，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。

　　调质，可附加表面淬火或氮化 (38CrMoAl) 。


应用 :

汽车曲轴

圆锥齿轮


4 ．弹簧钢

成分 —— w(C)=0.45～ 0.70 % ， Si, Mn 为主要元素，提高屈强比。

性能 —— σe 、 σs 、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。


4 ．弹簧钢

钢号主要成分 , % 淬火

油 ℃

回火

℃

机械性能

C Mn Si, Crb

MPa

s

MPa

10

%

ak

kJ/m2

650.62~0.70

0.50~0.80

0.17~0.37

840油 500 1000 800 9 450

850.82~0.90

0.50~0.80

0.17~0.37

820油 480 1150 1000 6 600

65Mn0.62~0.70

0.90~1.20

0.17~0.37

830油 540 1000 800 8 800

60Si2Mn0.56~0.64

0.60~0.90

1.50~2.00

870油 480 1300 1200 5 800

50CrVA0.46~0.54

0.50~0.80

Cr 0.8~1.10

850油 500 1300 1150 5 9 800

（摘自 GB/T1222－ 1985）

汽车应用材料第二章汽车板簧火车螺旋弹簧

应用

65Mn、 60Si2Mn ：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。

热处理　　热轧弹簧：热成型 → 淬火 + 中温回火 → 喷丸

　　冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 → 冷成型 → 去应力 → 喷丸

组织 ——　回火 T


汽车板簧

大型热卷弹簧

热卷大弹簧

弹簧丝


5 ．滚动轴承钢

滚动轴承在交变应力作用下工作，各部分之间有强烈摩擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。因此，滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。


5 ．滚动轴承钢成分 —— w(C)=0.95～ 1.10% ，主加元素是 Cr ，形成细小的碳化物。

性能 —— 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。

钢号主要化学成分， w / % 热处理规范及性能

C Cr Si Mn 淬火℃ 回火℃ 回火后 HRC

GCr40.95~1.05

0.35~0.0

0.15~0.30

0.15~0.30

800~820

150~170

62~66

GCr150.95~1.05

1.40~1.65

0.15~0.35

0.25~0.45

820~840

150~160

62~66

GCr15SiMn0.95~1.05

1.40~1.65

0.45~0.75

0.95~1.25

820~840

170~200

>62

GMnMoVRE0.95~1.05

0.15~0.40

1.10~1.40

770~810

1705 62

GSiMoMnV0.95~1.10

0.45~0.65

0.75~1.05

780~820

175~200

62

（摘自 GB/T18254－ 2002）


滚动轴承钢的牌号

G Cr9 Si Mn

含Mn量WMn≤1.5 %

含 Si量WSi≤1.5 %

含 Cr量WCr ≈ 0.9 %

滚动轴承钢


应用

GCr15 ：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。

热处理　　球化退火 + 淬火 + 低温回火

　　冷处理，时效（ 120～ 140℃,10～ 20h）：稳定尺寸，去应力。

组织 —— 回火 M ＋细碳化物＋少量 A'


铬轴承钢制造轴承的工艺路线

锻造球化退火机加工

淬火 + 冷处理 ( – 60 ～ – 80℃;1h ) 低温回火磨削加工稳定

化处理 ( 120 ～ 130℃； 5 ～ 10h )


合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造刃具、模具、量具和其它工具。

( 四 ) 合金工具钢

汽车应用材料第二章量具

刃具

模具


1 ．合金刃具钢

　 2 ．合金模具钢

　　 3 ．量具用钢

( 四 ) 合金工具钢


1 ．合金刃具钢

（１）性能要求

高硬度 —— 机加工刀具 HRC＞ 60

高耐磨性 —— 刀具寿命和生产率↑

组织要求—— 硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。

高的热硬性（红硬性）—— 高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。

足够的韧性 —— 以承受冲击载荷


（２）低合金刃具钢

成分 —— w(C) = 0.9 ~ 1.5 % ，合金元素＜ 5 % 。

性能 —— HRC＞ 60 ，使用温度 200 ~ 300 ℃ 。

钢号主要化学成分， w / % 热处理及性能

C Mn Si Cr 淬火℃ 回火℃ 回火后HRC

9SiCr0.85~0.95

0.30~0.60

1.20~1.60

0.95~1.25

860~880 油

180~200

60~62

CrWMn0.90~1.05

0.80~1.10

W1.2~1.60

0.90~1.20

820~840 油

140~160

62~65

（摘自 GB/T1299 － 2000 ）


热处理 —— 球化退火（ + 机加工） + 淬火 + 低温回火

最终组织 —— 回火 M + 合金碳化物 + 少量 A '

应用 —— 如 9SiCr ，做板牙、丝锥等。

板牙丝锥


（３）高速钢

成分 —— w(C) = 0.7 ~ 1.2 % ，合金元素＞ 10 % 。

性能

高硬度、耐磨性 —— VC 等弥散硬化

高热硬性 —— 600 ℃时HRC≈62 ，W2C 等提高热硬性。

高淬透性 —— 尺寸不大时可空冷淬火， Cr 等元素提高淬透性。

钢号主要化学成分， w，% 热处理及性能

C W V Cr Mo 淬火℃ 回火℃ 回火后HRC

W18Cr4V0.70~0.80

17.5~19.0

1.00~1.40

3.80~4.40

1270~1285 油

550~570三次 ≥63

W6Mo5Cr4V20.80~0.90

5.50~6.75

1.75~2.20

3.80~4.40

4.75~5.50

1210~1230 油

540~560三次 ≥63


热处理　（锻造 +）球化退火（ + 机加工） → 淬火 +回火

　　　锻造目的 —— 成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。


淬火， 1280 ℃ —— 增加 A 、M 中合金含量，提高热硬性。

淬火组织（左图）： M + 碳化物 + A '最终组织（右图）：回火 M + 粒状碳化物 + 少量 A '

回火， 560 ℃，三次 —— W2C、 VC弥散硬化，二次淬火基本消除 A ' 。

应用 —— 高速车刀、钻头、铣刀等。


2 ．合金模具钢（１）冷模具钢 —— 冷冲、冷镦、冷挤压模等。性能 —— 高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。

应用

　　小型模具 —— 9Mn2V、 9SiCr、 CrWMn 等。

　　大型模具 —— Cr12、 Cr12MoV 等，热处理变形小。最终热处理 —— 淬火 + 低温回火

最终组织 —— 回火 M + 碳化物 + 少量 A '


（２）热模具钢 —— 热锻、热挤压、压铸模等。

性能 —— 耐热性、热疲劳抗力高。

应用

中小型模具 —— 5CrMnMo 等。

大型模具 —— 3Cr2W8V 等，淬透性好。

最终热处理 —— 淬火 + 高温回火

最终组织 —— 回火 T 或回火 S


3 ．量具用钢—— 卡尺、千分尺、塞规等

性能 ——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。

应用 : 简单量具 —— T10A、 T12A 等。

高精度量具 —— GCr15、 CrWMn 等。

最终热处理 —— 淬火 +（ -70～ -80℃ ）冷处理 + 低温回火 + 时效处理

　时效处理： 120～ 130℃，保温几～几十小时，使M 、 A ' 稳定，消除内应力。

最终组织 —— 回火 M + 碳化物 + 少量 A '



1 ．不锈钢

　 2 ．耐热钢

　　 3 ．耐磨钢

( 五 ) 　特殊性能钢


1. 不锈钢

钢的抗腐蚀措施

　　形成单相组织。

　　加入 Cr ，降低两相的电极电位差。

　　加入 Cr 、 Al 等，生成致密的表面氧化膜。常用不锈钢

F 型 —— 如 1Cr17 ，化工设备、食品工业。

M 型 —— 如 1Cr13 用于汽轮机叶片； 3Cr13 做手术器具及刀具。

A 型 —— 如 1Cr18Ni9Ti 用于化工、食品、医疗行业。


不锈钢的成分、热处理、性能

钢号主要化学成分 , % 淬火

℃

回火

℃C Cr Ni Ti

类别

机械性能　

b

MPa

s

MPa

5%

HRC

HB

1Cr13

0.1512~14

950~1000水 ,

油700~750

4Cr130.36~0.45

12~14

1050~1100 油

200~300

M型

540 345

680 400

25

4

159

50

1Cr17

0.1216~18

780~850 正火

0Cr18Ni9

0.0717~19

8~12

1010~1150 水

F型

A型

A-F型

450 205

520 205

22

40

183

187

1Cr18Ni9Ti

0.12

17~19

9~12

0.5~0.8

920~1150 水 520 205 40 187

1Cr21Ni5Ti

0.09~0.14

20~22

4.8~5.8

0.35~0.8

950~1100水 ,

空600 350 20


２ . 耐热钢抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力

热强性：热强性是指钢在高温下的强度

用途：锅炉、燃气轮机等 ,燃烧室 \排气系 .

类别钢号

主要化学成分 , % 淬火

℃

回火

℃C Cr Ni Ti

M型

1Cr13

0.1512~14

950~1000 油

700~750

1Cr11MoV0.11~0.18

10~11.5

Mo 0.5

~0.7

1050~1100 空

720~740

A型

1Cr18Ni9Ti

0.12

17~19

8~11

0.5~0.8

920~1150 水

机械性能　

b

MPa

s

MPa

540 345

490 685

520 205

5%

20

40

HB

159

159

187


耐热钢的用途

发动机叶片航空发动机

汽轮机叶片汽车阀门


３ . 耐磨钢　 ZGMn13

热处理： 1000℃～ 1100℃，保温，水冷→ A ，硬度低，韧性高。

性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著　　　提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道、挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等

代表牌号 Mn13


耐磨钢的用途

球磨机

挖掘机颚式破碎机


三、铸铁

1. 铸铁的性能特点 2. 常用铸铁


成分 —— w(C) = 2.5~4.0 % ， w(Si) = 1.0~3.0 % .

( 一 ) 铸铁的性能特点

（１）铸铁的石墨化

C 的同素异构体：

　石墨 G （简单六方晶格）

组织 —— 钢基体 + 石墨（ C ）

石墨的形态 ( 形状 \数目 \大小 \

及分布 ) 决定铸铁组织与性能


石墨化过程 —— 按 Fe-G 相图结晶、转变

G 结晶：过共晶成分 L → L + GI

　　　　共晶转变 L4.26 →A2.08+G （共晶） (1154℃)

G 析出： A→A+GII (1154～ 738 ℃)

共析转变 A0.68→F + G （共析） ( 738℃)影响石墨化的因素 :

化学成分 C、 Si 促进石墨化

冷却速度　冷速慢有利石墨化



（２）铸铁的组织和分类

名称石墨化程度显微组织

灰口铸铁

按 Fe-G 相图结晶、转变 F + G

较高 F + P + G

中等 P + G

麻口铸铁较低 Le' + P + G

白口铸铁按 Fe-Fe3C 相图结晶、转变 Le' + P + Fe3C


（２）铸铁的组织和分类

灰口铸铁的组织 —— 钢基体 + G


力学性能

　　强度、塑韧性比钢低。

G 的强度、韧性极低，减小钢基体的有效截面，并引起应力集中。

（３）铸铁的性能

　　耐磨性好 —— 石墨有利于润滑、储油。

三种石墨形态


　　缺口敏感性低 —— 表面粗糙对疲劳极限的影响不明显

　　消震性好（是钢的十倍）—— G 组织松软

　　铸造性好 —— 接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。

　　切削加工性好 —— G 使切屑易断，还可润滑刀具。

其它性能


应用 —— 如，机床床身、发动机缸体、齿轮、曲轴。


( 二 ) 常用铸铁

灰铸铁

球墨铸铁

蠕墨铸铁

可锻铸铁

合金铸铁


1.灰铸铁牌号 —— 如 HT100 ，表示 b≥100MPa （直径＝

30mm）。

组织 —— 钢基体（ F 、 F + P 、 P） + 片状 G性能 —— 与其它铸铁相比，力学性能差，其它性能好。

分类牌号显微组织

基体粗片

普通灰铸铁HT100 F +少量 P 粗片HT150 F + P 较粗片HT200 P 中等片

孕育铸铁

HT250 细 P 较细片HT300

S 或 T 细片HT350

HT400

F+P 基体 + 片状G

×500

F 基体 + 片状G

P 基体 + 片状G

孕育铸铁 —— 浇注前在铁水中加 Si-Fe， Si-Ca 等孕育剂 ,　　　　　使 P 细化、 G 细而均匀，强度、塑韧性明显提高。


热处理 :　去应力退火 —— 500~550℃ ，防止机加工、使用时变形或开裂。

水泵　

叶轮　发动机飞轮

　高温退火 —— 850~900℃, 表面、薄壁等白口处 Cm→G, 硬度↓ , 切削加工性↑

　表面淬火 —— 提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。

应用 —— 如，机床床身、导轨，汽缸体。


如： HT200适用于汽车的气缸体、气缸盖、刹车轮等。 HT300、HT350 等适用于大型发动机的气缸体、气缸盖、气缸套、油缸、泵体、阀体等。

气缸垫

气缸盖

气缸盖罩

衬垫

安装火花塞


（２）球墨铸铁　——　在铁水浇注前加球化剂（稀土Mg ）使 G 球化

牌号 —— 如 QT700-2 ，表示 b≥700 ， ≥2 ％。

组织 —— 钢基体（ F 、 F + P 、 P、回火 S 、下 B ) + 球状 G

性能 —— 强度、塑韧性明显优于灰铸铁。（球状 G 对基体的割裂作用小）

F+P 基体 ×500

F 基体 ×100


（２）球墨铸铁　

牌号基体机械性能　

b

MPa

0.2

MPa

5

%ak

kJ/m2HB

QT400-17 F 400 250 17 600 179

QT420-10 F 420 270 10 300 207

QT500-5 F+P 500 350 5 － 147-241

QT600-2 P 600 420 2 － 229-302

QT700-2 P 700 490 2 － 229-302

QT800-2 P 800 560 2 － 241-321

QT1200-1 下 B 1200 840 1 30038HR

C


热处理

　退火 —— 去应力退火， 500 ～ 600℃ 。

　　　　　低温退火， 720~760℃ ， P→G + F ，塑韧性、切削加工性↑

　　　　　高温退火， 900~950℃ ， P, Cm→G + F ，塑韧性、切削加工性↑

　正火 —— P% ↑ ，细化组织，强度、耐磨性↑

　　　　　低温正火， 840~860℃ ， → P + F + G ，塑韧性较好。

　　　　　高温正火， 880~920℃ ， → P + G + 少量 F ，强度较高。

不完全 A 化正火完全 A 化正火

　调质 —— 850~900℃ 油淬 + 550~600℃ 回火→回火 S + G

　等温淬火 —— 840~900℃ + 300℃ 等温→下 B+G

　　　调质、等温淬火后综合机械性能好，但仅适于小尺寸零件。


应用　　替代部分铸钢、锻钢件，如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。

　连杆

管道接口

桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组


（３）蠕墨铸铁　——　在铁水浇注前加蠕化剂而得牌号 —— 如 RuT420 ，表示 b≥420 。

组织 —— 钢基体 + 蠕虫状 G

性能 —— 强度、塑韧性优于灰铸铁。

牌号b

MPa

0.2

MPa% 硬度

HB基体

不小于

RuT420 420 335 0.75 200~280 P

RuT380 380 300 0.75 193~274 P

RuT340 340 270 1.0 170~249 P+F

RuT300 300 240 1.5 140~217 F+P

RuT260 260 195 3 121~197 F

应用 —— 高压热交换器、汽缸盖、液压阀等。

进气管

排气管


（３）蠕墨铸铁　——　在铁水浇注前加蠕化剂而得

牌号 —— 如 RuT420 ，表示 b≥420 。

组织 —— 钢基体 + 蠕虫状 G

性能 —— 强度、塑韧性优于灰铸铁。

应用 —— 高压热交换器、汽缸盖、液压阀等。

进气管

排气管


（４）可锻铸铁 —— 白口铸铁经长时间石墨化退火（ 900－ 960℃）而得

牌号 —— 如 KT300-6 ，表示 b≥300 ，≥6 ％。

组织 —— 钢基体 + 团絮状G

性能 —— 强度、塑韧性优于 HT ，低于 QT 。

F+P 基×500

F 基×500

F 基×100


（４）可锻铸铁

分类牌号壁厚mm

b

MPa%

硬度HB

F 基体

KT300-6 >12 300 6 120~163

KT330-8 >12 330 8 120~163

KT350-10 >12 350 10 120~163

KT370-12 >12 370 12 120~163

P 基体

KT450-5 450 5 152~219

KTZ500-4 500 4 179~241

KTZ600-3 600 3 201~269

KTZ700-2 700 2 240~270

* 试棒直径 16mm


应用 —— 管接头、低压阀门、汽车、拖拉机薄壳零件等。


（５）合金铸铁

耐磨铸铁 :

在铸铁中加入 P 、 Cu、 Ti、Mn、Mo 等合金元素，可大大提高铸铁的耐磨性。

　减摩铸铁 —— P 灰铸铁（ F 为软基体， Cm 为硬质点， G 润滑、储油）

　抗磨铸铁 —— 白口铸铁表层＋灰口铸铁心部（强度好）

加入合金元素，以提高强度、韧性、耐磨性。

应用 ——汽车气缸套筒、排气门座圈、活塞环等零件。

活塞连杆组

气环

油环

活塞销活塞连杆连杆螺栓

连杆轴瓦连杆盖


在铸铁中加入硅、铝、铬等元素，使铸铁表层形成一层致密的保护膜（如 Al2O3、 SiO2、 Cr2O3 ），具高温抗氧化性。应用 ——汽车发动机排气门。

(6)耐热铸铁：


小结

重点要求1. 合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；

2. 合金结构钢的成分，热处理及组织，性能及用途。

３ . 工具钢的性能，成分，热处理目的和方法，组织；

4.灰铸铁和球墨铸铁的成分，组织，性能特点，牌号及用途

一般要求

１ . 特殊性能钢；

２ . 时效处理、热硬性等概念。


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金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等 。

金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。