《汽車機械基礎》第10章-金屬材料

第十章金屬材料10.1碳鋼10.2合金鋼10.3鑄鐵10.4有色金屬及其合金第十章金屬材料學習目標：1.了解各種金屬材料的性能特點；2.掌握各種金屬材料在實際生產中的應用；3.掌握各種金屬材料的牌號及含義，并能正確選用金屬材料。10.1碳鋼10.1.1碳鋼的分類10.1.2碳鋼的編號與用途10.1.1碳鋼的分類工業(yè)上廣泛使用的含碳量小于2.11%并含有少量雜質元素（Si，Mn，S，P）的鐵碳合金稱為碳鋼。碳鋼能滿足絕大多數(shù)機械零件在工作時的機械性能要求，并具有良好的工藝性能，生產成本低，價格低廉等特點。1.按含碳量分低碳鋼含碳量＜0.25%中碳鋼含碳量0.25%～0.60%高碳鋼含碳量＞0.60%2.按質量分普通質量鋼

S≤0.050%、P≤0.045%優(yōu)質鋼

S≤0.035%、P≤0.035%高級優(yōu)質鋼

S≤0.025%、P≤0.030%3.按用途分結構鋼：主要用于制造各種工程構件。如橋梁、船舶、建筑用鋼和機械零件如齒輪、軸、螺釘、螺母、彈簧、曲軸、連桿等。工具鋼：主要用于制造各種刃具、量具、模具。10.1.2碳鋼的編號與用途1.碳素結構鋼由代表鋼材屈服點的指標進行編號。如：Q235AFQ：代表屈服點“屈”字漢語拼音首寫字母；235：屈服點數(shù)值，單位MPa；A：冶金質量等級共A、B、C、D四級，其中A級硫磷含量最高，D級硫、磷含量最低；F：脫氧方法符號F為沸騰鋼“沸”字漢語拼音首寫字母（脫氧不完全的鋼）。2.優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼的牌號用兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬分數(shù)。如10號鋼表示平均含碳量為0.1%的優(yōu)質碳素結構鋼。優(yōu)質碳素結構鋼由于機構性能優(yōu)良，并可通過熱處理進行強化，因此廣泛用于各類機構零件和汽車的制造。3.易切削碳素結構鋼其牌號用“Y”（易字漢語拼音首寫字母）加數(shù)字表示。如Y12鋼表示含碳量為0.12%的易切削碳素結構鋼。4.碳素鑄鋼用于鑄造成零件的毛坯，而以后不再鍛造加工的鋼稱為碳素鑄鋼。其牌號用“鑄鋼”兩字的漢語拼音首寫字母“Z、G”并加上兩組數(shù)字表示。如：ZG200—400，其中：ZG：鑄鋼；200：屈服點數(shù)值，單位：MPa；400：抗拉強度，單位：MPa；5.碳素工具鋼這類鋼的牌號用漢語拼音碳字的首字母“T”或漢字“碳”表示碳素工具鋼，其后用數(shù)字表示平均含碳量的千分數(shù)。如T9（碳9）表示含碳量為0.9%的碳素工具鋼。10.2合金鋼10.2.1合金鋼的分類10.2.2合金鋼編號10.2.3合金結構鋼10.2.4合金工具鋼10.2.5合金模具鋼10.2.6高速工具鋼10.2.7特殊性能鋼10.2.8粉末冶金與硬質合金10.2.1合金鋼的分類按用途不同可將合金鋼分為四大類：（1）合金結構鋼：用于制造各種機械零件；（2）合金工具鋼：用于制造各種刃、量、模具；（3）滾動軸承鋼：用于制造各種滾動軸承；（4）特殊性能鋼：用于制造特殊條件下工作的零件。10.2.2合金鋼編號1.合金結構鋼合金結構鋼編號采用兩位數(shù)字加元素符號及其后的百分數(shù)表示，其中兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分數(shù)。當合金元素的含量不大于1.5%時，只標出元素符號，不標出含量。如16Mn表示平均含碳量為0.16%，含Mn不大于1.5%的低合金鋼。當合金元素含量大于1.5%時則應標出元素符號及含量百分數(shù)。如20Mn2表示平均含碳量為0.2%，含Mn量為2%的合金滲碳鋼。2.合金工具鋼當合金工具鋼中的含碳量＜1%時，用一位數(shù)字表示平均含碳量的千分數(shù)，當含碳量大于1%時，將不標出含碳量，合金元素的種類及含量的表示方法與合金結構鋼相同。如9SiCr表示平均含碳量為0.9%，含Si、Cr不大于1.5%的合金工具鋼。3.滾動軸承鋼在含碳量大于1%的高碳鉻軸承鋼中，通常不標出碳量，其Cr含量用千分數(shù)表示，并在牌號前面符號“G”表示。如GCr9表示含碳量大于1%，含鉻為0.9%的高碳鉻軸承鋼。含鉻量小于1%的低鉻軸承鋼，其Cr含量也用千分數(shù)表示，并在Cr含量數(shù)值前加一數(shù)字“0”。如GCr6表示含碳量大于1%，平均鉻量為0.6%左右的低鉻軸承鋼。4.特殊性能鋼在不銹耐酸鋼及耐熱鋼中一般用一位數(shù)字表示平均含碳量的千分數(shù)，平均含碳量小于千分之一的用“0”表示；平均含碳量不大于0.03%的用“00”表示；合金元素則采用元素符號及其后的百分數(shù)表示。如0Cr13表示平均含碳量小于千分之一，平均含Cr量約13%的不銹鋼。10.2.3合金結構鋼用于制造各種機械零件以及建筑工程結構的鋼，稱為結構鋼。合金結構按成分及用途不同分為低合金鋼、合金滲碳鋼、合金調質鋼及合金彈簧鋼。1.低合金鋼含碳量在0.12%～0.20%，S、P不大于0.45%，合金元素總量≤3%，主要加入元素為Si、Mn及少量的Ti、V、Nb、Cu及稀土元素等。如Q355等。低合金鋼具有良好的沖擊韌性及低溫韌性。因此特別適合作寒冷地區(qū)使用的構件，并具有良好的塑性和韌性及焊接性能，易于沖壓成型及制造各種構件及壓力容器等。低合金鋼通常是在熱軋或正火狀態(tài)下使用。2.合金滲碳鋼用于制造表面滲碳零件的鋼稱為合金滲碳鋼。合金滲碳鋼中的含碳量一般為0.1%～0.25%，滲碳鋼中含低碳是為了零件在心部保持良好的塑性和韌性。滲碳鋼中加入的合金元素有Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti、B等，目的是便于滲碳過程的進行，并使零件在滲碳淬火后表面獲得高硬度，耐磨性。如20Cr等。3.合金調質鋼調質（淬火＋回火）狀態(tài)下使用的鋼稱為調質鋼。調質鋼中含中碳（0.3%～0.5%）是為了使鋼經調質處理后獲得足夠的強度和硬度，一定的塑性和韌性即良好的綜合機械性能。調質鋼中加入的合金元素有Ti、Mn、Mo、Cr、Ni、B、W、V等。如40CrMn等。4.合金彈簧鋼彈簧鋼要求高的強度、彈性極限、韌性及疲勞極限；彈簧鋼具有高屈服極限，尤其是要求高的屈強比；彈簧鋼含碳量一般為0.45%～0.75%，加入合金元素V、Cr、Mn、Si是為了提高淬透性，強化鐵素體，提高回火穩(wěn)定性，細化晶粒，由于含有提高回火穩(wěn)定性元素Cr、V，可使彈簧鋼在中溫回火獲得較高的彈性極限及韌性；彈簧鋼常采用淬火+中溫回火的熱處理，組織為回火屈氏體；常對彈簧采用噴丸或表面強化處理，在其表面造成壓應力狀態(tài)以提高彈簧的疲勞強度及表面質量。

汽車板簧5.滾動軸承鋼專門用于制造各種滾動軸承的內、外套圈及滾動體的鋼稱為滾動軸承鋼；滾動軸承鋼要求具有高的抗疲勞性能及高的硬度和耐磨性，良好的韌性和耐腐蝕性。可分為：高碳滾動軸承鋼：鋼中一般含碳量1.0%左右，以保證鋼具有高的硬度和耐磨性。加入合金元素Cr以提高的淬透性，耐磨性及疲勞強度，加入合金元素Si、Mn可起到固溶強化及提高回火穩(wěn)定性的作用。高碳鉻不銹軸承鋼：滲碳軸承鋼：10.2.4合金工具鋼1.量具鋼用來制造測量工具如游標卡尺、塊規(guī)、卡規(guī)、千分尺、樣板等的鋼稱為量具鋼；要求量具應有較高的硬度和耐磨性，故量具鋼中的含碳量通常高達0.90%～1.5%，并含有鉻、鎢、錳等碳化物形成元素以提高鋼的淬透性和保證鋼有足夠的硬度、耐磨性。2.刃具鋼用于制造商各種車刀、銑刀等切削加工刀具的鋼稱為刃具鋼；具的硬度必須高于被切削材料的硬度，故刃具鋼中一般含碳量為0.7%～1.5%以保證鋼有足夠的硬度。常加入的元素有Cr、Si、Mn以提高鋼的淬透性。10.2.5模具鋼按工作條件的不同，模具鋼分為冷作模具鋼和熱模具鋼。冷作模具鋼的熱處理一般為：鍛后退火+淬火+低溫回火，常用的有：CrM2MoV及CrWMn。熱作模具鋼的熱處理一般為：調質或淬火+中溫回火，常用的有：5CrNiMo及3Cr2Mo。10.2.6高速工具鋼高速工具鋼是一種含碳量高（0.7～1.6%），并含有大量W、Cr、Mo、V等高熔點元素的高，因此其它高溫下仍能保持常溫硬度，故其熱硬性好。10.2.7特殊性能鋼具有特殊的物理及化學性能并用來制造特殊條件下工作零件的鋼稱為特殊性能鋼；不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。1.不銹鋼在空氣或某些化學介質中具有抵抗銹蝕能力的鋼稱為不銹鋼。不銹鋼的主要合金元素是鉻。其含量一般不低于13%。不銹鋼的化學成分具有低碳、高鉻的特點，由于鉻是碳化物形成元素，因此在鋼中形成一部分含鉻的碳化物會使鋼的耐蝕性下降，故不銹鋼中含碳量較低，一般為0.1%～0.15%，含鉻量為12～14%。2.耐熱鋼金屬材料在高溫下抗氧化并具有一定高溫強度的性能統(tǒng)稱為耐熱性，具有耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。在耐熱鋼中加入Cr、Si、Al等元素，在零件表面形成致密的氧化（保持）膜而提高鋼的抗氧化性，加入Mo、W、Ti、V這些碳化物形成元素以形成穩(wěn)定的碳化物，產生彌散強化作用，而且能提高鋼的再結晶溫度，以保證鋼在高溫下的強度。3.耐磨鋼耐磨鋼一般是指沖擊載荷下發(fā)生沖擊硬化的高錳鋼。由于其難以切削加工，因此常采用鑄造的方法獲得零件，如鑄鋼錳13，記為ZGMn13，其含碳量1.0%～1.3%，含錳量為13%。高錳鋼在使用過程中受到強烈的沖擊和撞擊以及摩擦力的作用，表面因塑性變形而產生加工硬化現(xiàn)象，使硬度大大提高而產生的較高耐磨性。10.2.8粉末冶金與硬質合金將幾種金屬粉末或金屬與非金屬粉末均勻混合壓制成型，然后經高溫燒結而成的冶金制品的工藝方法，稱為粉末冶金法。硬質合金是用一些難熔的化合物粉末用粉末冶金法制取的工具材料.它具有硬度高(HRA86～93，相當于HRC69～81)，熱硬性好（工作溫度可高達900～1000℃）。良好的耐磨、耐蝕性及膨脹系數(shù)小等特點。10.3鑄鐵10.3.1鑄鐵的分類10.3.2灰鑄鐵10.3.3可鍛鑄鐵10.3.4球墨鑄鐵10.3.5蠕墨鑄鐵10.3.6合金鑄鐵10.3.1鑄鐵的分類鑄鐵是含碳量大于2.11%、并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的鐵碳合金。在鑄鐵中，碳以兩種形式存在，一是化合狀態(tài)的滲碳體；一是自由狀態(tài)的石墨（用符號G表示）。白口鑄鐵：碳主要以滲碳體形式存在，其斷口呈白亮色；灰鑄鐵：碳大部分或全部以片狀石墨形式存在，斷口呈暗灰色；球墨鑄鐵：碳大部分或全部以球狀石墨形式存在；可鍛鑄鐵：碳主要以團絮狀石墨形式存在；蠕墨鑄鐵：碳大部分或全部以蠕蟲狀石墨形式存在。10.3.2灰鑄鐵灰鑄鐵的牌號用“HT”（即“灰鐵”二字的漢語拼音首寫字母）及后面一組數(shù)字組成。數(shù)字表示其最低抗拉強度，單位為MPa。如HT200表示最低抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵等。特點：優(yōu)良的鑄造性能良好的減摩性和耐磨性良好的切削加工性良好的減振性和低的缺口敏感性10.3.3可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種石墨呈團絮狀的高強度鑄鐵。它有較高的強度和一下的塑性、韌性。牌號中的字母“KTH”表示黑心可鍛鑄鐵；“KTZ”表示珠光體可鍛鑄鐵。字母后面的兩組數(shù)字分別代表可鍛鑄鐵的最低抗拉強度和延伸率。如KTZ450-06表示珠光體可鍛鑄鐵，其最低抗拉強度為450MPa，最低延伸率為6%。10.3.4球墨鑄鐵通過對鐵水進行球化處理和孕育處理而制得。即在鐵水澆注前，向鐵水中加入一定量的球化劑和少量的孕育劑，促使石墨呈球狀析出。球墨鑄鐵的牌號用“QT”（即“球鐵”二字漢語拼音首寫字母）加二組數(shù)字表示。第一組數(shù)字表示該球墨鑄鐵最低抗拉強度，單位是MPa；第二組數(shù)字表示該材料的最低延伸率（δ5）。如QT450-10表示最低抗拉強度為450MPa，最低延伸率為10%的球墨鑄鐵。10.3.5蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵的強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性、較高的耐磨性，同時又具有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導熱性。蠕墨鑄鐵是用高碳、低硫、磷的鐵水加入適量的蠕化劑經蠕化處理而制得，其方法和程序與球墨鑄鐵基本相同。蠕化劑目前主要采用鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。牌號中的字母“RuT”表示蠕墨鑄鐵，數(shù)字表示蠕墨鑄鐵的最低抗拉強度。進氣管排氣管10.3.6合金鑄鐵向灰鑄鐵或球墨鑄鐵中加入某些合金元素，可生產出具有某些特殊性能的合金鑄鐵，例如耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐蝕鑄鐵等。1.耐磨鑄鐵根據(jù)工作條件不同，大致分為兩類：一類是在無潤滑干磨擦條件下工作的抗磨鑄鐵；另一類是在潤滑條件下工作的減摩鑄鐵。2.耐熱鑄鐵的耐熱性是指在鑄鐵中加入了A1、Si、Cr等元素。提高它在高溫下的抗氧化和抗生長的能力。3.生產中主要通過向鑄鐵中加入Si、A1、Ni、Cr等合金元素，在鑄鐵表面形成保護膜或使基體電極電位升高來提高鑄鐵的耐蝕性。10.4有色金屬及其合金10.4.1鋁及其合金10.4.2銅及其合金10.4.3滑動軸承合金10.4.1鋁及其合金1.工業(yè)純鋁工業(yè)上使用的純鋁呈銀灰白色，相對密度為2.72g/cm3（約為鋼的1/3），熔點為660℃，具有良好的導電、導熱性，其導電性僅次于銀、銅、金而居第四位。工業(yè)純鋁編號采用“鋁”字的漢語拼音道寫字母加序號表示。如L1、L2、L3、L4……，L1為1號純鋁，序號越大鋁的純度越低。含雜質元素越多，塑性及導電導熱性越差。2.鋁合金鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。形變鋁合金分為防銹鋁（LF）、硬鋁（LY）、超硬鋁（LC）、鍛鋁合金（LD）等。其編號表示為：“LF5”代表序號為5的防銹鋁合金，其成份和性能可查有關手冊（不能從序號上直接反應出來）。汽缸頭鑄造鋁合金有：（1）鋁硅合金又稱硅鋁明，這類合金流動性極好，且鑄造焊收縮率及線膨脹系數(shù)小，并具有良好的抗蝕性及焊接性。（2）鋁銅系合金有較好的耐高溫強度，但鑄造性能差，其主要用作高強度或高溫下工作的汽車、摩托車、內燃機的活塞及內燃機氣缸蓋等。（3）鋁鎂系合金具有良好的耐蝕性，強度高，密度小，多用于制造在腐蝕性介質中工作的鑄件等。（4）鋁鋅系合金具有良好的鑄造性和較高的強度，但耐蝕性差，熱裂傾向大，常用于工作溫度小于200℃的汽車、拖拉機及飛機的復雜零件的制造。10.4.2銅及其合金1.純銅純銅是用電解的方法制造出