常用工程材料选用
三、常用工程材料及选用
纯金属因价贵，力学性能较低，不能满足现代工业的要求，因此工业上多应用合金。下面对工程中常用的金属材料进行叙述。
一、碳素钢
碳素钢是指Wc≤2.11%，并含少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。碳素钢具有一定的力学性能和良好的工艺性能，且价格低廉，在工业中广泛应用。
碳素钢的分类及牌号
碳素钢的种类很多，常按以下方法分类。
1．按钢的含碳量分类
可分为：低碳钢（0.0218% 2．按钢的主要质量等级分类 （1）普通质量碳素钢（Ws≤0.050%、Wp≤0.045%）。 （2）优质碳素钢（Ws≤0.035%、Wp≤0.035%）。 （3）特殊质量碳素钢（ws≤0.020%，Wp≤0.020%）。 3．按钢的用途分类 （1）碳素结构钢：主要用于制作机械零件和工程构件，一般属于低、中碳钢。 （2）碳素工具钢：主要用于制作刃具、量具和模具，一般属于高碳钢。 此外，钢按冶炼方法不同，可分为转炉钢和电炉钢；按冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静和特殊镇静钢等。 生产中，常用的碳素钢类别、牌号表示方法如表1-7所示。 表1-7常用的碳素钢类别、牌号表示方法 二、合金钢 为了改善碳素钢的组织和性能，在碳素钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为低合金钢或合金钢。常加入的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、铌、锆等。通常低合金钢中加入合金元素的种类和数量较合金钢少。不同元素的组合，不同的元素含量，可得到不同的性能。 合金钢的分类 1.按质量等级分 按质量等级，合金钢可分为优质合金钢（如一般工程结构用合金钢、耐磨钢、硅锰弹簧钢等）和特殊质量合金钢（如合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢等）。 2.按合金元素总量分 按合金元素总量将合金钢分为：低合金钢（W Me<5%）、中合金钢（W Me=5%～10%）和高合金钢（W Me >10%） 3. 按合金元素种类分 按合金元素种类将合金钢分为：铬钢、锰钢、硅锰钢、铬镍钢等。 4. 按主要性能和使用特性分 主要分为工程结构用合金钢，机械结构用合金钢，轴承钢，工具钢，不锈、耐蚀和耐热钢，特殊物理性能钢等。 合金钢的编号 我国合金钢编号方法的原则是以钢中碳含量（Wc×100）、合金元素的种类和含量（W Me ×100）来表示。当钢中合金元素的平均含量W Me <1.5%时，钢号中只标出元素符号，不标明合金元素平均含量；当W Me≥1.5%、2.5%、3.5%……时，在该元素后面相应的标出2、3、4……。合金钢的具体编号方法见表1-11： 表1-12 合金钢的编号方法 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢由于其较高强度和良好的工艺性能，是近年来发展最快，最有前景的一类合金钢，目前其主要的发展方向之一是通过合金化和热处理改变基体组织（如马氏体、贝氏体等）以提高强度，同时超低碳化，即进一步降低含碳量，以充分保证韧性和工艺性能。 1．化学成分 （1）含碳量：Wc<0.20%，钢中含碳量较低，是为了获得良好的塑性、焊接和冷变形能力。 （2）常用合金元素种类及主要作用：低合金高强度结构钢主要合金元素有锰、钒、钛、铌、铝、铬、镍等。锰有固溶强化铁素体、增加并细化珠光体的作用；钒、钛、铌等主要作用是细化晶粒；铬、镍可提高钢的冲击韧性，改善钢的热处理性能，提高钢的强度，并且铝、铬、镍均能提高对大气的抗蚀能力。为改善钢的性能，高性能级别钢可加入钼、稀土等元素。 2．热处理特点 低合金高强度结构钢大多在热轧、正火状态下供应，使用时一般不再进行热处理。 合金结构钢 合金结构钢按其用途和热处理特点，可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢。 １. 化学成分 表1-14列出了合金结构钢的化学成分及其特点。 表1-14合金结构钢的成分特点 2. 热处理特点 （1）合金渗碳钢 ①预备热处理：正火。 ②最终热处理：渗碳、淬火和低温回火。 （2）合金调质钢 ①预备热处理：正火或退火。 ②最终热处理：合金调质钢的最终热处理为调质，以保证具有良好的综合力学性能。对于某些承受冲击的耐磨零件，也可采用调质、表面淬火并低温回火或调质后氮化处理，以满足表面的耐磨性要求和抗冲击要求。 （2）合金弹簧钢 ①当弹簧直径或板簧厚度大于10mm时，常采用热成形，即将弹簧钢加热到比正常淬火温度高出50~80℃进行热成形，然后利用余热立即淬火并中温回火，得到回火托氏体组织，硬度为40~48HRC，有较高的弹性极限和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性。 ②当弹簧直径或板簧厚度小于8~10mm时，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。例如，淬火回火钢丝是将钢丝冷拔到规定尺寸后，进行油淬和中温回火，冷卷成弹簧后在200~300℃进行去应力退火即可。 弹簧钢热处理后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压力，以提高弹簧的疲劳强度。 （3）滚动轴承钢 ①预备热处理：轴承钢的预先热处理是正火和球化退火。 ②最终热处理：轴承钢的最终热处理是淬火和低温回火，回火后的组织为细回火马氏体加均匀分布的细粒状碳化物及少量残余奥氏体，硬度为61～65HRC。对精密的轴承钢零件，为保证尺寸稳定性，可在淬火后立即进行冷处理（–60～–80℃），以尽量减少残余奥氏体量，冷处理后进行低温回火和粗磨，接着在120～130℃进行时效处理，最后进行精磨。 合金工具钢 合金工具钢包括量具、刃具钢、冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等。 1．合金量具钢 量具工作时，主要受磨损，承受外力很小，因而要求量具用钢要有高硬度、高耐磨性；为保证测量的准确性，要求量具用钢具有良好的尺寸稳定性。 量具用钢没有专用钢。为了保证量具用钢具有高的尺寸稳定性，可采用冷处理和进行稳定化处理。 2．合金刃具钢 （1）性能要求 刃具工作时，刃部与切屑、毛坯间产生强烈摩擦，使刃部磨损并产生高温（可达500~600℃）；另外，刃具还承受冲击和震动，因此要求刃具钢具有以下性能： ①高的硬度和耐磨性； ②高的热硬度； ③足够的强度和韧性，以防在受冲击和震动时，刀具突然断裂和崩刃。 （2）化学成分 ①含碳量：Wc=0.80%~1.50%，以保证高硬度和耐磨性。 ②合金元素：Cr、Mn、Si：提高淬透性、耐回火性和改善热硬性；W、V：可提高钢的热硬性和耐磨性。 （3）热处理特点 ①预备热处理：采用球化退火，以改善切削加工性能 ②最终热处理：采用淬火和低温回火，其组织为细回火马氏体、合金碳化物和少量残留奥氏体，硬度为60~65HRC 3．冷作模具钢 冷作模具钢用于制造在冷态下变形或分离的模具，如冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。 （1）性能要求 冷作模具在工作时承受的弯曲应力、压力、冲击及摩擦，因此冷作模具钢应具有高硬度、耐磨性和足够的强度、韧性。大型模具用钢还应具有好的淬透性、热处理变形小的等性能。 （2）化学成分 ①含碳量：Wc=1.0%~2.0%，其目的是为了获得高硬度和耐磨性。 ②合金元素：Cr 、Mo、W 、V：提高耐磨性、淬透性和耐回火性。 （3）热处理特点 ①预备热处理：加工前进行反复锻打后退火。 ②最终热处理：采用淬火和低温回火。回火后组织为回火马氏体、碳化物和残留奥氏体，硬度为60~62HRC。 铸铁 铸铁是Wc>2.11%的铁碳合金。除铁、硅、碳、锰以外，还含有较高的硫、磷等杂质元素，在合金铸铁中，还加入一定含量的其他合金元素。铸铁在工业中应用量较大，按重量百分比，一般机械中，铸铁件占约40%~70%，在机床和重型机械中达60%~90%。 碳除极少量固溶于铁素体外，一般均以游离状态的石墨或化合状态的渗碳体存在。根据碳在铸铁中存在的形式不同，可分为以下几种： （1）白口铸铁 这种铸铁中的碳主要以游离碳化物的形式析出，断口呈银白色。由于大量硬而脆的渗碳体存在。白口铸铁硬度高、脆性大，难以切削加工。 （2）灰口铸铁 这种铸铁中的碳大部分或全部以石墨的形式析出，断口呈暗灰色。按石墨形态不同，灰口铸铁又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。 （3）麻口铸铁 这种铸铁中的碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，断口灰、白色相间。此类铸铁硬脆性较大，故工业上很少使用。 1.5.3.1一般工程用铸铁 1．灰铸铁 （1）灰铸铁的成分 灰铸铁的化学成分范围一般为：Wc=2.5%~3.6%，W Si= 1.0%~2.5%,Wp≤0.3%， W Mn=0.5%~1.3%，W S≤0.15%。 （2）灰铸铁的组织 灰铸铁的组织可看成碳素钢的基体加片状石墨。按基体组织不同分为：铁素体基体灰铸铁，铁素体—珠光体基体灰铸铁，珠光体基体灰铸铁。 （3）灰铸铁的性能 ①力学性能：灰铸铁的性能主要取决于基体的组织和石墨形态。因石墨的强度极低，相当于在钢的基体上分布了许多孔洞和裂纹，分割、破坏了基体的连续性，减小了基体的有效承载截面，而且石墨的尖角外易产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度比相应基体的钢低很 多，塑性、韧性极低。石墨片数量越多，尺寸越大、分布越不均匀，灰铸铁的抗拉强度越低。灰铸铁的抗压强度、硬度主要取决于基体，石墨对其影响不大，故灰铸铁的抗压强度和硬度与相同基体的钢体的钢相似。灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的3—4倍。当石墨存在形态一定时，铸铁的力学性能取决于基体组织，珠光体基体比铁素体基体灰铸铁的强度、硬度、耐磨性均高，但塑性、韧性低；铁素体一珠光体基体灰铸铁的性能介于前二者之间。 ②其他性能：石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却给灰铸铁带来一系列其他的优良性能，如良好的铸造性能，良好的减振性，良好的耐磨性能，良好的切削加工性能和较小的缺口敏感性。 由于灰铸铁具有以上一系列性能特点，因此被广泛地用来制作各种受压应力作用和要求消震的机床床身与机架、结构复杂的壳体与箱体、承受摩擦的缸体与导轨等。 2. 球墨铸铁 （1）球墨铸铁的获得 球墨铸铁是通过铁液的球化处理获得的。浇注前向铁液中加入球化剂，促使石墨呈球状析出。这种处理方法称为球化处理。目前常用的球化剂有镁、稀土元素和稀土镁合金3种，其中稀土镁合金球化剂应用最广泛。稀土镁合金球化剂多采用冲入法加入，即先将球化剂放在铁水包内，然后将铁液冲入，使球化剂逐渐熔化。 由于镁及稀土元素都强烈阻碍石墨化，因此在进行球化处理的同时，必须进行孕育处理，其作用是削弱白口倾向，以免得到白口组织，同时孕育处理可以改善石墨的结晶条件，使石墨球径变小，数量增多，形状圆整，分布均匀，从而提高了铸铁的力学性能。 （2）球墨铸铁的成分 球墨铸铁的化学成分是：Wc=3.8%~4.0%，Wsi=2.0%~2.8%，W Mn=0.6%~0.8%，Ws≤0.04%，Wp<0.1%，W Mg=0.03%~0.05%，W RE<0.03%~0.05% 。 （3）球墨铸铁的组织 球墨铸铁的组织可看成是碳素钢的基体加球状石墨。按基体组织的不同，常用的球墨铸铁有：铁素体球墨铸铁、铁素体—珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁等。 （4）球墨铸铁的性能 ①力学性能：球墨铸铁中由于石墨呈球状，对基体的割裂作用和引起应力集中现象明 显减小，基体对铸铁的性能影响起到了支配性的作用，因而球墨铸铁的强度、塑性与韧性都大大优于灰铸铁，可与相应组织的铸钢媲美。球墨铸铁中石墨球越圆整、球径越小、分布越均匀，其性能就越好。 ②其他性能：球墨铸铁同样具有灰铸铁的一系列优点，如良好的铸造性、减振性、减摩性、削切加工性及低的缺口敏感性等，但凝固收缩较大，容易出现缩松与缩孔，熔化工艺要求高。 3．可锻铸铁 （1）可锻铸铁的获得 可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火而获得。石墨化退火的工艺过程是：将白口铸铁加热到900℃~980℃，使铸铁组织转变为奥氏体加渗碳体，在此温度下长时间保温后，渗碳体分解为团絮状石墨，这时铸铁组织为奥氏体加石墨，此为一阶段石墨化。在随后的缓冷过程中，奥氏体中过饱和的碳将充分析出并附在已形成的团絮状石墨表面，使石墨长大，完成第二阶段石墨化（760～720℃），形成铁素体和石墨，再缓冷至700～650℃，出炉空冷（图1-49曲线①）最后得到铁素体可锻铸铁，又称黑心可锻铸铁。 4．蠕墨铸铁 （1）蠕墨铸铁的获得 蠕墨铸铁的获得方法与球墨铸铁相似，是通过铁液的蠕化处理获得的。浇注前向铁液中加入蠕化剂，促使石墨呈蠕虫状析出，就得到了蠕墨铸铁，这种处理方法称为蠕化处理。目前常用的蠕化剂有稀土镁钛合金、稀土硅铁合金、稀土钙镁铁合金等。 （2）蠕墨铸铁的组织和性能 蠕墨铸铁的组织可看成碳素钢的基体加蠕虫状石墨。蠕墨铸铁中石墨形态介于片状与球状之间，石墨的形态决定了蠕墨铸铁的力学性能介于相同基本组织的灰铸铁和球墨铸铁之间，其铸造性能、减振性和导热性都优于球墨铸铁，与灰铸铁相近。 有色金属 铝及其合金 铝是目前工业中应用最广泛的有色金属。它具有良好的导电、导热性，强度低，塑性好，可以进行各种压力加工。为了获得良好的的机械性能和工艺性能，通常在铝中加入一定量的 其他元素以制成具有较高强度的铝合金。根据化学成分和工艺特点的不同，铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金。 1．形变铝合金根据主要性能特点和用途，形变铝合金分为防锈铝（代号LF），硬铝（代号LY），超硬铝（代号LC），锻造铝（代号LD）等。它们的供应状态是具有各种规格的型材、板材、线材、管材等。防锈铝的牌号如LF5，LF21，具有良好的塑性和耐腐蚀性，可用于制作油箱、油管、铆钉及窗框、餐具等结构件。硬铝（如LYll，LYl2）及超硬铝（如LC4，LC5）经过热处理后可以获得较高的硬度和强度，可用于制造螺旋桨、叶片、飞机大梁、起落架、桁架等高强度结构件。锻铝（如LD5，LD7）具有良好的热塑性，可用于制造复杂的大型锻件。 2．铸造铝合金（代号ZL）依据化学成分可分为铝硅铸造合金（如ZLl01，ZLl02）、铝铜铸造合金（如ZL201，ZL202）、铝镁铸造合金（如ZL301）等。铸造铝合金具有良好的铸造性能，适宜于铸造成型，可用于生产形状复杂的零件。常用于制造电动机壳体、汽缸体、油泵壳体、内燃料机活塞及仪器、仪表零件等。 铜及其合金 1．纯铜又称紫铜，具有良好的导电性、导热性、抗大气腐蚀性及抗磁性。广泛用于制造导电材料及防磁器械等。铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大类，其中黄铜和青铜应用最广泛。 2．黄铜：黄铜是以锌为主要合金元素的铜锌合金。它具有良好的耐腐蚀性和加工工艺性。 根据化学成分和加工方法的不同，黄铜又可分为普通黄铜，牌号如H70，H62，H58，数字表示铜的百分含量。常用于制造弹壳、冷凝器管、弹簧、垫圈、螺钉、螺母等；特殊黄铜，牌号如HPb59—1，常用于制造高强度及化学性能稳定的零件；铸造黄铜，牌号如ZCuZn38，ZCuZn33Pb2等，常用于铸造机械、热压扎制零件及轴承、轴套等。 3．青铜：工业上把以锡、铝、铍、锰、铅等为主要元素的铜合金称为青铜。根据化学成分青铜可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。锡青铜具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，常用于制造泵、齿轮、涡轮及耐磨轴承等；铝青铜具有强度高、耐腐蚀性好、铸造性能优良，用于制造弹性零件及耐腐蚀、耐磨件等。铍青铜不仅强度高、弹性好，而且抗蚀、耐热、耐磨等性能较好，主要用于制造精密仪器、仪表的弹性元件、耐磨零件等。 另外，有色金属还有钛及其合金、镁及其合金、锌及其合金、轴承合金等。