新型金属材料

第5章　常用金属材料

5.1　钢铁材料

钢铁是钢和铸铁的总称，是国民经济中应用最广泛的工程材料。

工业用钢按化学成分可分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。由于碳钢容易冶炼，价格低廉，可以满足一般工程机械、机械零件及工具的性能要求。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些金属或非金属元素而得到的多元合金，其目的是显著地改变或提高合金钢的某些特殊要求性能，使钢材能适应人类经济生活及生产领域的各行各业对材料的各种要求，以适应社会发展的需求。

铸铁是w C＞2．11%的铁碳合金。由于铸铁生产简便、成本低廉，而且具有优良的铸造性、切削加工性、减震性及减摩性。因此，铸铁被广泛地用来制作各种机架、箱体、缸套、轮盘等零件。随着球墨铸铁的发展，它已能部分地取代钢材，制造如曲轴、连杆、齿轮等重要零件。

5.1.1　钢

（1）钢的分类

钢的种类很多，为了便于生产、管理、使用和研究，必须对其进行分类，一般常用的分类方法有：

1）按化学成分分

碳素钢：低碳钢（w C＜0．25%）、中碳钢（w C= 0．25%～0．60%）、高碳钢（w C＞0．60%）。

合金钢：低合金钢（w Me＜5%）、中合金钢（w Me= 5%～10%）、高合金钢（w Me＞10%）。

2）按用途分

结构钢：可分为工程结构用钢和机器零件用钢，机器零件用钢又可分为调质钢、渗碳钢、弹簧钢和轴承钢。

工具钢：用于制作各类工具，包括刃具钢、量具钢、模具钢等。

特殊性能钢：可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

3）按质量分

普通质量钢（w S≤0．05%，w P≤0．045%）、优质钢（w S，P≤0．035%）、高级优质钢（w S，P≤0．025%）。

（2）常存杂质元素对钢性能的影响

碳钢中除碳外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等常存杂质元素，它们的存在对钢的性能有较大的影响。

1）锰的影响

锰是炼钢时由生铁和脱氧剂带入钢中的。锰具有很好的脱氧能力，在熔炼过程中能够减少或清除钢中的FeO而大大改善钢的品质。锰能溶解于铁素体和渗碳体中，形成合金铁素体和合金渗碳体，提高钢的强度和硬度。锰还能与硫形成MnS，以消除硫的有害作用，其大部分进入炉渣而被清除，小部分残留钢中成为非金属夹杂物。当锰的质量分数w Mn＜0．8%时对钢的性能影响不显著，因而一般认为锰是有益元素。

2）硅的影响

硅也来源于生铁和脱氧剂。硅的脱氧能力比锰强，也能溶于基体中固溶强化铁素体，从而提高钢的强度、硬度和弹性模量。硅的质量分数w Si＜0．37%时对钢的性能影响也不显著。所以也认为硅是有益元素。

3）硫的影响

硫是由生铁和燃料带入钢中。硫几乎不能溶解于铁素体中，而是以FeS的形态存在。FeS与铁则形成低熔点的共晶体（985℃）而分布于奥氏体的晶界上。当钢材在800～1 200℃进行锻压成形时，容易使钢材沿奥氏体晶界开裂，这种现象称为热脆性。为了尽量减少硫的有害作用，必须在钢中加入锰。锰可以和硫形成高熔点的MnS（1 620℃），在高温下有一定塑性，避免了热脆性，改善钢的热加工性能。因此，硫是有害元素，应根据钢的质量要求，严格控制硫的含量。

4）磷的影响

磷主要来源于生铁，磷可全部溶解于铁素体，使钢的强度、硬度有所提高，但塑性、韧性急剧降低。由于脆化现象在低温时尤为严重，故称为冷脆。此外，磷的存在还使钢的焊接工艺性能变差，因而磷也是有害元素，应严格控制其含量。

（3）合金元素在钢中的作用

1）合金元素对钢中基本相的影响

①形成合金铁素体　大多数合金元素都能溶入铁素体中形成合金铁素体，由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，必然会引起铁素体的晶格发生畸变，产生固溶强化，因而铁素体的强度硬度增高，塑性、韧性有所降低。合金元素对铁素体硬度和韧性的影响如图1．5．1所示。

由图1．5．1可知，锰、硅、镍元素的强化效果最为显著。但当含硅量大于0．6%，含锰量大于1．5%以上时，其韧性下降，而铬、镍在适当的含量范围内（w Cr≤2%，w Ni≤5%），在强化铁素体的同时，仍能保持良好的韧性。对大多数结构钢来说，在退火、正火、调质状态下，铁素体都是钢的主要基本相，故合金元素含量适当时，都可以使钢得到强化而不降低韧性。

②形成合金碳化物　铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛（与碳的亲和力由弱到强）都是在钢中能形成碳化物的元素。形成的碳化物可分为合金渗碳体和特殊碳化物。

锰是弱碳化物形成元素，易溶入渗碳体中，形成合金渗碳体，合金渗碳体的稳定性、硬度比渗碳体略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。

图1．5．1　合金元素对铁素体性能的影响

铬、钼、钨是中强碳化物形成元素，在钢中既能形成合金渗碳体，又能形成特殊碳化物，如Cr7 C3，Mo2 C，WC等。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度，耐磨性及稳定性。

钒、铌、锆、钛是强碳化物形成元素，在钢中一般形成特殊碳化物。如NbC，VC，TiC等，故常在工具钢中加入这类合金元素，以提高工具的强度、硬度及耐磨性，而不降低韧性。

2）合金元素对钢热处理的影响

①细化晶粒　除锰、磷以外，大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒作用，其中尤以强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的影响最为显著。这类合金碳化物（如TiC，VC等）的熔点高，硬度高，且很稳定，不易分解，加热时难以溶入奥氏体中，它们的存在对奥氏体晶粒长大有强烈的阻碍作用。因此，除锰钢外，合金钢加热时不易过热，有利于淬火后获得细马氏体；有利于适当提高加热温度，熔入更多的合金元素，增加钢的淬透性和力学性能。

②提高淬透性　除钴以外，大多数合金元素溶入奥氏体后均能增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，降低了马氏体转变的临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。提高钢淬透性的元素主要有铬、锰、硅、镍、硼。其中有些合金元素甚至使C曲线的形状发生变化，出现了两个鼻尖，如图1．5．2所示。

图1．5．2　合金元素对C曲线的影响

用合金钢制造大截面零件，由于加入合金元素，使淬透性提高，可以保证热处理后整个截面具有比较均匀的组织和性能。对于形状复杂的合金钢零件，可采用冷却能力较弱的淬火介质（如油等）及分级淬火，等温淬火等工艺，从而降低变形和开裂倾向。

③增加残余奥氏体的含量　除铝、钴外，大多数合金元素都能使M s，M f下降，使钢在淬火后，组织中的残余奥氏体量增加、组织应力与变形量减小。但残余奥氏体的增加将引起钢的硬度降低，组织不稳定，也易使工件尺寸产生变化，因此，对于硬度及尺寸稳定性要求较高的刃具、模具、量具，在淬火后一般要进行冷处理或多次回火处理，以促使残余奥氏体的转变。

④提高回火稳定性　合金元素溶入马氏体后，在回火时能延缓马氏体的分解，并使碳化物的形成、析出和聚集长大的速度减缓，提高了钢回火过程中抵抗软化的能力，即提高了回火稳定性。故采用相同温度回火的条件下，合金钢的硬度比碳钢高。

含有强碳化物形成元素的合金钢，在高温回火时，将从马氏体中析出弥散分布的特殊碳化物，并且在回火后部分残余奥氏体转变为马氏体，进一步提高了钢的硬度，从而使钢在高温下保持高的硬度，即红硬性（耐热性）。这时工具钢具有十分重要的意义。

综上所述，合金元素在钢中能提高淬透性，细化晶粒、提高回火抗力等，但这些作用只有经过适当的热处理都能实现。如果热处理工艺使用不当，反而会产生第二类回火脆性（500～650℃），特别是对成分复杂的合金钢，应严格控制其处理工艺，才能充分发挥材料的优越性。

（4）结构钢

在工业生产中，主要用于制造各种机器零件和工程构件的钢种称为结构钢。用于工程结构的主要是普通结构钢，包括碳素钢和低合金结构钢。其硫、磷、杂质较多，塑性、韧性较低，只适用于静载荷作用的工程结构中，一般不进行热处理而直接使用。用于机械零件的钢主要是优质结构钢，包括优质碳素结构钢和优质合金结构钢，对于不主要的零件也可使用普通结构钢。优质结构钢一般需求进行热处理，充分发挥材料力学性能的潜力。

1）碳素结构钢

碳素结构钢牌号表示方法是由代表屈服强度的字母（Q），屈服强度数值、质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）等4个部分组成，例如Q235—A·F。质量等级符号反映了碳素结构钢中有害元素含量（硫、磷含量随A至D而减少）；F，b分别为沸腾钢、半镇静钢，Z，TZ（镇静钢、特殊镇静钢）可省略。Q235是最常用的碳素结构钢，通常以热轧钢板、钢带、型钢、钢管、钢筋等产品形式供应。其组织含铁素体较多，塑性、韧性较好，又具有良好的强度、焊接性、切削加工性。常用来制作桥梁、建筑等框架结构，化工容器外壳，各种车辆，不重要的轴类、螺栓螺母和垫圈，锻件、冲压件、焊接件等。这类钢材虽然含有害杂质较多，但冶炼方法简单、工艺性好，价格低廉，性能上能满足一般工程结构和普通零件的要求，在工业上应用十分广泛。

碳素结构钢的牌号、成分与力学性能见表1．5．1。

2）低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢（w C= 0．1%～0．2%）的基础上加入少量锰、硅等（w Me＜3%）合金元素而制成的工程用钢，通常在热轧、正火状态下使用，产品同时保证力学性能和化学成分。

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度字母（Q）、屈服强度数值、质量等级符号（A，B，C，D，E）3个部分组成，例如Q390A。低合金高强度结构钢屈服点较碳素结构钢提高30%以上，并具有良好的塑性、韧性、焊接性能及较好的耐蚀性。其牌号、成分及性能见表1．5．2。

表1.5.1　碳素结构钢牌号、成分、性能和应用

表1.5.2　常用低合金高强度结构的成分、性能和用途

续表

低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，故推广使用低合金高强度结构钢在经济上具有重大意义。低合金高强度结构钢越来越多地代替了碳素结构钢，特别在桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、石油化工设备、农业机械中应用更为广泛。

3）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢中硫、磷的质量分数w S.P≤0．035%，常用来制作各种较重要的机器零件，通常都要经过热处理后使用。其牌号用两位数字表示钢中平均碳质量分数的万分之几。例如：08，45，60分别表示钢中的w C为0．08%，0．45%，0．60%。

根据钢中含锰量的不同，优质碳素结构钢可分为正常含锰量（w Mn＜0．8%）和较高含锰量（w Mn= 0．7%～1．2%）两种。较高含锰量的钢材在其牌号后面加“Mn”，如45Mn，65Mn。优质碳素结构钢的化学成分、力学性能见表1．5．3。

表1.5.3　优质碳素结构钢的化学成分、力学性能

08钢的碳质量分数很低，其强度低、塑性好，具有较好的焊接性能和压延性能，大多用做薄板、冲压件等。

10～25钢碳的平均质量分数较低，具有良好的塑性，优良的锻造、冲压、焊接性能。通常轧制成薄板或钢带，其中应用最广的是20钢，常用来制作受力不大，而塑性与韧性要求较高的机械零件，如容器、普通的垫圈、螺钉、螺母和冲压件、焊接件等。10～25钢也常用做渗碳用钢。这类钢经渗碳、淬火及低温回火后可用做表面要求耐磨并承受一定冲击载荷的机械零件，如凸轮、齿轮等。

35～50钢碳的平均质量分数较高，属于中碳钢，常作为调质用钢。这类钢中珠光体含量较多，经调质处理后具有强度与韧性良好配合的综合力学性能。其中应用最广的是45钢，常用来制作承受较大交变载荷与冲击载荷的机械零件，如齿轮、连杆、丝杠、主轴、键、重要的螺栓螺母等。

55～70钢主要用做弹簧钢。这类钢经淬火及中温回火后，弹性极限明显提高，并且具有较高的强度、硬度及一定的韧性，常用来制作各种弹性好、强度较高的弹簧、弹簧垫圈、钢丝绳、轧辊以及受力不大的耐磨件等。

4）合金结构钢

合金结构都是优质钢，它是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。合金结构钢的牌号表示方法由“数字+元素符号+数字”三部分组成。前面两位数表示平均碳质量分数的万分之几，合金元素以化学元素符号表示；元素符号后面的数字表示该合金元素质量分数的百分之几，当其平均质量分数小于1．5%时，元素符号后面不标数字；当其平均质量分数≥1．5%，≥2．5%，≥3．5%，…时，则在元素符号后相应标出2，3，4，…如25Cr2Ni4W表示平均w C= 0．25%，w Cr= 2%，w Ni= 4%，w W＜1．5%的合金结构钢。

合金结构钢根据含有碳和合金元素的不同，可分为渗碳钢、调质钢，弹簧钢和滚动轴承钢。

①渗碳钢　一般渗碳钢的w C= 0．10%～0．20%，以保证心部有足够的韧性；加入合金元素铬、锰、硼、镍等主要用于增加渗碳后钢材的淬透性；而合金元素钛、钒等可形成碳化物、细化晶粒，提高钢的耐磨性。渗碳钢按其淬透性高低可分为三大类：

低淬透性钢常用牌号有15Cr，20Cr，20MnB，20Mn2等，其水淬临界淬透直径为20～35 mm。这类钢淬透性低，经渗碳、淬火和低温回火后心部强度较低，强度与韧性配合较差，只可制作受力不太大，强度不太高的耐磨零件，如柴油机凸轮轴、活塞销、滑块和小齿轮等。

中淬透性钢常用牌号有20CrTiMn，20SiMnVB，12CrNi3A，20CrMnMo等，其油淬临界淬透直径为25～60 mm。这类钢淬透性和力学性能都较高，可用做承受中等动载荷且具有足够韧性的耐磨件，如汽车、拖拉机的重要齿轮、齿轮轴、花键轴套、凸轮盘等。

高淬透性钢常用牌号有12CrNi3A，20Cr2Ni4，18Cr2Ni4WA等，其油淬临界淬透直径为100 mm以上。这类钢淬透性高，即使空冷也能形成马氏体。其经渗碳淬火后，心部强度很高，而且强度与韧性配合很好，主要用于制造承受重载荷和强烈磨损的大型零件，如大功率柴油机曲轴、连杆等。

渗碳钢最终热处理为渗碳后的“淬火+低温回火”。表层组织为“回火马氏体+碳化物+残余奥氏体”，硬度可达60～62 HRC；淬透时的心部组织为低碳回火马氏体，硬度为40～ 48 HRC，未淬透时为“回火马氏体+托氏体+铁素体”，硬度为25～40 HRC。典型渗碳钢的牌号、成分、热处理和性能见表1．5．4。

②调质钢　通常调质钢的w C= 0．25%～0．50%，钢材中碳的质量分数过低不易淬硬和淬透，过高则韧性不足。加入元素铬、锰、硼、镍等主要用于增加钢的淬透性，少量的钨、钼可防止第二类回火脆性。调质钢常用牌号有：40Cr，40MnB，38CrMoAlA等。调质钢主要用于要求高强度和良好塑性与韧性配合的重要零件。例如机床主轴、曲轴、连杆、齿轮等。

调质钢按其淬透性高低可分为3大类：

低淬透性调质钢常用牌号有40Cr，40CrV，40MnB，40MnVB等，其油淬临界淬透直径为30～40 mm。其中，40Cr是最常用的合金调质钢，具有较好的力学性能及工艺性能，调质后强度比碳钢高，但淬透性不太高。多用于尺寸较小的较重要零件，如普通机床主轴、变速齿轮、汽车、拖拉机连杆螺栓、传动轮等。

中淬透性调质钢常用牌号有40CrMn，40CrNi，35CrMo等，其油淬临界淬透直径为40～60 mm。由于调质后淬透性好，可用于制造尺寸较大、负荷较重的调质零件，如截面较大的曲轴、连杆等。

高淬透性调质钢常用牌号有40CrMnMo，37CrNi3，25Cr2Ni4W等，其油淬临界淬透直径为60～100 mm。由于调质后淬透性高，综合力学性能好，可用于制造大截面、承受更大载荷的重要调质零件，如大型轴类零件、齿轮等。

调质钢经调质处理后得到回火索氏体组织，可提高其综合力学性能。对于表面要求高硬度及耐磨性的零件，在调质处理以后，还可进行表面淬火或氮化处理。典型调质钢的牌号成分、热处理和性能见表1．5．4。

③弹簧钢　合金弹簧钢的质量分数一般为w C= 0．5%～0．7%，加入元素硅、锰、铬，目的是提高钢的淬透性、强化铁素体，此外，硅还能显著提高钢的弹性极限；加入元素钒、钼，目的是细化晶粒、增加回火稳定性。弹簧钢零件大多是在冲击、振动及变动载荷下工作，因此要求弹簧钢具有高的弹性极限、疲劳极限及冲击韧度。其中最典型的弹簧钢有65Mn和60Si2Mn。65Mn可制作各种小尺寸的圆弹簧、扁弹簧；60Si2Mn的性能比65Mn的性能好，适用于截面尺寸较大，承受负荷较重的弹簧，如拖拉机、汽车上的螺旋弹簧和减震弹簧；55SiMnMoV，55SiMnMoVNb，55SiMnVB是在硅、锰基础上再加入少量的钼、钒、铌、硼等元素，使其具有更好的性能，用来制造截面尺寸大、承受重载荷的大弹簧，如大吨位载重汽车的板簧等。根据弹簧的尺寸不同，可将其分为热成型弹簧（线径或厚度大于10 mm）和冷成型弹簧（线径或厚度小于8～10mm）两大类。热成型弹簧由于尺寸较大，通常可在淬火加热时成型，利用余热进行淬火加中温回火后使用。弹簧热处理后可采用喷丸处理进行表面强化，以进一步提高弹簧的疲劳极限及使用寿命。冷成型弹簧尺寸较小，常用冷拉弹簧钢丝冷卷成型，由于产生加工硬化，屈服强度大大提高，故不必再进行淬火，只要200～300℃进行一次去应力及稳定尺寸的处理即可使用。

典型弹簧钢的牌号、成分、性能、热处理和用途见表1．5．5。

表1.5.5　典型弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、性能和用途

④滚动轴承钢　滚动轴承钢的碳的质量分数为w C= 0．95%～1．15%，对硫、磷和杂质要求很严，以保证淬火后有足够的硬度及耐磨性；加入合金元素铬（w Cr= 0．5%～1．65%）是为了提高钢的淬透性，并形成碳化物，提高钢的耐磨性；滚动轴承钢是用来制造滚动轴承中的滚柱、滚珠、滚针和套圈的一种专用钢。这类钢应具有高的硬度和耐磨性，高的接触疲劳强度及足够的韧性，同时对大气和润滑介质有一定的耐蚀能力。滚动轴承钢的牌号表示为字母“G”+铬元素符号（Cr）+数字，数字表示平均铬质量分数的千分之几，碳质量分数不予标出。若再含其他元素时，表示方法同合金结构钢。例如，GCr15钢，表示铬的平均质量分数w Cr= 1．5%的滚动轴承钢。

GCr15钢是滚动轴承钢的典型钢种，可制造中小型轴承；在大型轴承中，还需加入硅、锰，以进一步提高淬透性，它可提高钢的强度和弹性极限，但不降低韧性，如GCr15SiMn。

滚动轴承钢铸造后均需经过球化退火处理，以改善切削加工性能。最终热处理为“淬火+低温回火”，得到“马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体”，硬度为62～62 HRC。对于精密零件应进行- 60～- 80℃的冷处理，以减少残余奥氏体量，稳定尺寸。

典型轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途见表1．5．6。

（5）工具钢

在机械制造业中，用于制造刃具、模具、量具的钢称为工具钢。由于使用性能要求，工具钢均属优质钢和高级优质钢。工具钢按用途则分为刃具钢、模具钢和量具钢，如按化学成分分类也可分为碳素工具钢、低合金工具钢、中合金工具钢和高合金工具钢。其主要性能要求有：

①高硬度和高耐磨性　工具的硬度必须大于被加工金属材料的硬度，才能对材料进行加工。一般要求刀具硬度大于60 HRC，故工具钢的碳质量分数为w C= 0．6%～1．3%。热作模具（高温下使用的模具）的硬度可低一些，一般为30～50 HRC。通常刀具硬度越高，其耐磨性越好，高耐磨性刀具可延长其使用寿命和提高生产率，而耐磨性的好坏取决于形成碳化物的性质、数量、大小和分布。

表1.5.6　典型轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途

②高的热硬性（红硬性）　高速切削的刃具应具有在高温下保持高硬度的能力，即为热硬性。刀具在切削金属时要产生切削热，切削部分温度有时高达600℃以上，要求刀具在高温下仍能保持足够高的硬度，以维持正常的切削。

③足够的韧性和强度　刀具要有足够的韧性和强度，以承受刀具在切削加工过程中的弯曲、扭转、冲击、震动等载荷，避免脆性断裂和崩刃。

④对其他性能的要求　由于热作模具是在反复受热、冷却条件下进行工作的，所以其他性能要求侧重于较高的综合力学性能和抗热疲劳能力。对于尺寸大的模具，还要求具有良好的淬透性和导热性。

1）碳素工具钢

碳素工具钢主要用来制造各种刀具、量具和模具。碳素工具钢的牌号用“T”加数字表示。该数字表示钢中平均碳质量分数的千分之几。例如：T8钢，表示碳的平均质量分数为0．8%的碳素工具钢。若是高级优质钢，还需在牌号末尾加代号“A”来表示，如T12A。碳素工具钢都是w C=0．7%～1．4%的优质碳钢或高级优质钢，其含碳量越高，则硬度和耐磨性越好，但韧性越差。

碳素工具钢的应用范围如下：

T7，T8钢用于制造硬度中等、韧性较高、承受冲击负荷的工具，如冲头、凿子、锤子、锻工工具等。

T9，T10，T11钢用于制造硬度较高、韧性适中的工具，如钻头、丝锥、锯条、小冲模等。

T12，T13钢用于制造高硬度、高耐磨性、韧性要求较低的工具，如量具、锉刀、刮刀等。

2）合金工具钢

合金工具钢牌号表示方法是当w C＜1%时，则牌号前的数字表示平均碳质量分数的千分之几，但其平均w C＞1%时，碳的质量分数不标出。合金元素的表示方法与合金结构钢相同。例如，9Mn2V钢表示碳的质量分数为0．90%，锰的质量分数为1．70%～2．0%，钒的质量分数小于1．5%。由于合金工具钢都属于高级优质钢，故不再在牌号后标出“A”字。合金工具钢按其用途不同，可分为以下几种：

①量具刃具钢　量具刃具钢主要用于制造各种形状较为复杂的低速切削工具（如丝锥、板牙、铰刀等）和精密量具，因此，要求具有高的硬度、耐磨性、红硬性及一定的韧性。

量具刃具钢的碳的质量分数较高（w C= 0．75%～1．50%），以保证获得高硬度及足够的碳化物，从而提高钢的耐磨性；主加元素Cr，Si，Mn等，可提高钢的淬透性，并可强化基体，提高强度。其中Si能提高钢的回火稳定性，附加元素W，V可形成碳化物，提高钢的耐磨性及红硬性。例如9SiCr是一种应用较广的低合金工具钢，在低铬工具钢的基础上加入1．2%～1．6%的硅，使材料具有更高的淬透性和回火稳定性，其热硬性可达250～300℃。

量具刃具钢锻造后需进行球化退火，目的是为了便于加工和为最终热处理做好组织上的准备，加工后的最终热处理为“淬火+低温回火”，组织为“回火马氏体+碳化物+残余奥氏体”，硬度为60 HRC以上，耐磨性好，能满足使用要求。

②热作模具钢　热作模具钢主要用于制作金属在热态下成型的模具，故要求有高硬度和高耐磨性，较好的强度和韧性，即使在400～600℃也要保持这些性能，故要求有很好的回火稳定性及良好的抗热疲劳损坏的能力。

热作模具钢分为热锻模钢（5CrNiMo，5CrMnMo）和热铸模钢（3Cr2W8V），热锻模钢w C= 0．5%～0．6%，热铸模钢w C= 0．3%。由于Mn在改善韧性方面比Ni差，故5CrNiMo适于制造中小型热锻模，5CrMnMo适于制造大型热锻模。

热作模具钢铸态碳化物分布不均匀，必须反复锻造。锻后应进行球化退火处理，以降低内应力、改善切削加工性能。最终热处理为“淬火+中温（高温）回火”，组织为回火托氏体（回火索氏体），以保证淬火后既有较高的硬度，又有较好的韧性。

③冷作模具钢　冷作模具钢主要用于制作金属在冷态下成型的模具，如冷冲模、冷镦模、冷挤压模、冷拉丝模和搓丝板等，故要求具有高的硬度及耐磨性，足够的强度和韧性，并要求热处理变形小。

冷作模具钢常用钢种为：碳素工具钢（T10A）和低合金的冷作模具钢（CrWMn，9Mn2V），高碳高铬模具钢（Cr12，Cr12MoV），高碳中铬模具钢（Cr5MoV）等。T10A，CrWMn，9Mn2V等都可以制造尺寸较小的轻载模具，Cr12，Cr12MoV用于制作截面尺寸大、形状复杂或要求精度、耐磨性高、热处理变形小的模具。而铁碳合金的冷挤压模具由于受力剧烈，对强度、硬度和耐磨性的要求更高，须采用高速钢制造。

④高速工具钢　高速工具钢是属于高合金钢，主要用来制作各种高速切削刃具，如齿轮铣刀、钻头、拉刀等，故要求具有高的硬度、耐磨性、淬透性和高的红硬性及一定的韧性。当切削温度高达500℃时，其硬度无明显下降。

高速工具钢的w C= 0．75%～1．60%，并含有10%以上的钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素及钴。高速钢的牌号也按合金工具钢的方法表示。但在高速钢号中，不论含碳量多少都不标注，例如高速钢典型牌号W18Cr4V，碳的质量分数w C= 0．70%～0．80%，钢号前不标数字。

高速工具钢铸态下碳化物分布不均匀，故必须反复进行锻造。锻后应进行退火处理以改善其切削加工性能。高速钢的优点只有在正确的淬火及回火后才能充分发挥出来，其淬火温度比一般合金工具钢要高得多（1 200～1 280℃），由于淬火后有较多的残余奥氏体，为了减少残余奥氏体量，要进行多次高温回火。故其最终热处理为“淬火+多次高温回火”，组织为“回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体”，硬度高达62 HRC以上。高速工具钢制成的钻头、车刀、铣刀、拉刀在切削温度高达500℃左右时，仍能保持一定的硬度和耐磨性。

高速工具钢常用的牌号有W18Cr4V，W18Cr4V2Co8，W6Mo5Cr4V2，W9Mo3Cr4V等。

典型碳素工具钢的合金工具钢的牌号、成分、热处理及用途见表1．5．7。

（6）特殊用途钢

特殊用途钢是指具有特殊物理、化学性能的高合金钢。它主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

1）不锈钢

不锈钢是指能抵抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢。

金属的腐蚀通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型，化学腐蚀是金属在外界介质中直接发生化学反应而引起的腐蚀，而电化学腐蚀是金属和周围介质之间产生电化学作用引起的腐蚀，大多数金属的腐蚀属于电化学腐蚀。提高钢耐蚀性的主要方法有：①钢中加入合金元素、如铬、镍、硅等，使钢的基体电极电位提高；②钢中加入合金元素，使钢在室温下获得单相组织；③钢中加入铬、硅、铝等合金元素，使钢的表面形成一层氧化膜，以保证内部不受腐蚀。铬是不锈钢中获得耐蚀性的最基本元素，铬可提高基体电极电位；在氧化性介质中，铬能使钢表面生成致密的氧化膜；铬还可扩大钢的铁素体相区，使钢形成铁素体单相组织。但钢中的碳易与铬等合金元素形成碳化物，出现贫铬区，从而降低钢的耐蚀性，故不锈钢中的碳的质量分数越低，其耐蚀性越好。

根据不锈钢室温下显微组织的不同，常用的不锈钢可分为以下3种：

①马氏体型不锈钢　马氏体型不锈钢w C= 0．1%～1．4%，w Cr= 12%～14%。这类钢的淬透性高，“油淬+空冷”即能得到马氏体组织，具有较高的强度、硬度及耐磨性，主要用于力学性能要求较高，耐蚀性要求较低工件，如汽轮机叶片、水压机阀及硬而耐磨的医疗工具、量具、轴承等。其主要牌号有1Cr13，2Cr13，3Cr13等。

②铁素体型不锈钢　铁素体型不锈钢w C＜0．12%，w Cr= 12%～30%，空冷后的组织为单相铁素体。铁素体型不锈钢具有高的耐蚀性、良好的塑性、但强度较低，主要用于有较高耐腐蚀性要求、而强度要求不高的化工设备容器、管道等。铁素体不锈钢通常在退火状态下使用。它与马氏体不锈钢均属铬不锈钢，主要牌号有1Cr17等。

③奥氏体型不锈钢　奥氏体型不锈钢w Cr= 17%～19%，w Ni= 8%～10%。这类钢在退火后组织为“奥氏体+碳化物”，为了获得单相奥氏体，提高钢的耐蚀性，使钢软化，应采用固溶处理，即将钢加热到1 100℃，使碳化物溶入奥氏体，水淬快冷至室温。奥氏体型不锈钢属镍铬不锈钢，典型的钢种为18-8型不锈钢，具有优良的耐蚀性，还具有良好的塑性、韧性、焊接性，但切削加工性较差。主要用于耐蚀性要求较高及冷变形成形后需要焊接的轻载零件。这类钢不能热处理强化，主要通过冷加工硬化来提高强度。常用的牌号有0Cr18Ni9，1Cr18Ni9 和1Cr18Ni9Ti。

2）耐热钢

耐热钢是指在高温下具有高的化学稳定性和热强性的特殊钢。化学稳定性是在高温下抵抗各种介质化学腐蚀的能力，最主要的是抗氧化性。热强性是指材料抗蠕变的能力。为了提高钢的高温抗氧化能力，主要加入铬、硅、铝等元素。它们与氧的结合能力比铁强，能在钢的表面形成一层致密的氧化膜，保护内部金属免被氧化。为了提高高温强度，主要加入高熔点元素钨、钼、钒等，增加钢的抗蠕变能力。

15CrMo，12CrMoV钢因其碳的质量分数较低，合金元素含量少，主要用于300～500℃条件下工作的锅炉、石油热裂装置、气阀等零件。4Cr9Si2，4Cr10Si2Mo钢属中碳高合金耐热钢，常用来制造受高温废气腐蚀及承受冲击、磨损的排气阀等零件（故又称阀门钢）。1Cr18Ni9Ti，4Cr14Ni14W2Mo钢，因其含有较多铬、镍元素，是一种广泛应用的热强钢，通常在锅炉、汽轮机方面应用较多。

3）耐磨钢

耐磨钢是在强烈冲击载荷下和易产生严重磨损条件下工作的，具有良好的韧性和耐磨性的钢材。高锰钢是一种典型的耐磨钢。其w C= 1．0%～1．3%，w Mn= 11%～14%。由于其含锰量较高，M s点显著降低，属奥氏体钢。其常用牌号为ZGMn13-1（2，3，4），其中1，2，3，4表示品种代号，适用范围分别为低冲击件、普通件、复杂件、高冲击件。

高锰钢要进行水韧处理，即将高锰钢加热到1 000～1 100℃后进行水淬，得到的是单相奥氏体组织。此时的硬度并不高但当它在外力作用下产生强烈摩擦或冲击时，工件表层的奥氏体迅速产生塑性变形而引起加工硬化，并发生马氏体转变，从而使表层的硬度显著提高、耐磨性增强。而心部仍保持为高塑性、高韧性的奥氏体状态。

高锰钢不能采用压力加工和切削加工成形，通常都是直接铸造成零件，经淬火后使用。主要用于严重摩擦和强烈撞击条件下工作的零件，如用做坦克及拖拉机的履带，挖掘机铲齿，推土机挡板和铁路道岔等。

5.1.2　铸铁

在铁碳合金中，碳的质量分数大于2．11%的合金称为铸铁。同时根据碳在铸铁中存在形式的不同，又可分为白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。

白口铸铁中的碳（珠光体以外）以渗碳体的形式存在，断口呈白色。由于渗碳体的存在使白口铸铁非常硬脆，切削加工困难，工业上很少直接用它来制造机械零件。有时可以通过对成分和冷却条件的控制，获得表层为白口铸铁的冷硬铸铁，用于制造车轮、轧辊等表面要求耐磨的零件。

灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁中的碳（珠光体除外）以石墨的形式存在，断口呈灰色。灰铸铁的石墨的形态是片状石墨；可锻铸铁的石墨的形态是团絮状石墨；球墨铸铁的石墨的形态是球状石墨。

（1）铸铁的石墨化

铸铁的性能取决于铸铁的石墨化程度。如石墨化不充分，易产生白口组织；反之石墨量过多，则形成粗大片状石墨，导致铸铁的力学性能过低。影响铸铁石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。

1）化学成分

灰口铸铁除了含碳外，还有硅、锰、硫、磷，它们对石墨化形成有很大的影响。碳是形成石墨的元素，同时也是强烈促进石墨化的元素。含碳量越高，析多的石墨越多、越粗大，同时导致基体组织中铁素体增多，珠光体减少。

硅是强烈促进石墨化的元素。随着含硅量增多，石墨量增多。当含硅量小于0．5%时，即使很高的含碳量，也不能形成石墨，只能得到白口铸铁。硅还可提高铸铁的流动性、降低收缩率。

硫是严重阻碍石墨化的元素。它的存在使铸铁的白口倾向增大，同时它使铸铁流动性变差，并使铸铁具有热脆性，因而硫属于有害元素。

锰本身是阻碍石墨化的元素。但少量的锰可以与硫反应，生成MnS，大部分形成熔渣而排出，降低了硫的有害作用。锰还可以提高基体组织的力学性能，属有益元素。

磷对石墨化影响不显著。磷可提高铸铁流动性，但磷增加了铸铁的冷脆性，一般来说，磷也是有害元素。

2）冷却速度

铸铁的冷却速度越慢，越有利于碳原子析出和扩散，有利于石墨化的进行。生产中，铸件的冷却速度主要取决于铸型散热条件与壁厚。在同样的铸型条件下，铸件的壁厚越大，冷却速度越慢，容易形成铁素体基体和粗大的石墨片，而铸铁的力学性能较差。图1．5．3为砂型铸造时，铸件壁厚和碳、硅含量对铸铁组织的影响。

图1．5．3　铸铁壁厚和碳、硅质量分数对铸铁组织的影响

（2）灰铸铁

1）灰铸铁的化学成分及组织

灰铸铁的化学成分大致为：w C= 2．5%～4．0%，w Si= 1．0%～2．5%，w Mn= 0．5%～1．3%，w S≤0．3%，w P≤0．15%。它的组织是在钢的基体上分布着片状石墨。根据化学成分和冷却条件的不同，灰铸铁可有3种不同的组织：“F+石墨”、“F+ P+石墨”、“P+石墨”，其中以P为基体的灰铸铁强度较高。

2）灰铸铁的性能

①力学性能　由于石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，灰铸铁如同在钢中嵌入了大量的微裂纹，使基体割裂，并在片状石墨的尖角处引起应力集中，受载后易形成脆性断裂。因此，灰铸铁的抗拉强度比钢低得多，只利用了基体组织30%～50%的性能，而且塑性、韧性也很差（δ≈0）。灰铸铁的强度、塑性及韧性与其所含石墨的数量、大小和分布密切相关。石墨数量越多，越粗大，分布越不均匀，对基体的割裂作用就越严重，灰铸铁的强度、塑性及韧性也越差。

铸铁的抗压强度、硬度及耐磨性主要取决于基体。故灰铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多，可接近于钢，同时珠光体基体的灰铸铁具有较高的硬度和耐磨性。

②其他性能　灰铸铁的成分接近共晶成分，故灰铸铁的流动性好、收缩小，产生缺陷的倾向小，是铸造性能最好的一种材料。因此，在铸造生产中往往不需采取任何特殊工艺措施即可获得合格的铸件。灰铸铁属于脆性材料，不能锻造和冲压。同时，焊接时产生裂纹倾向大，并在焊接区常出现白口组织，难以切削加工，故焊接性也很差。石墨的存在使灰铸铁具备了一些其他的优良性能。如良好的减摩性、减震性，良好的切削加工性及低的缺口敏感性等。

3）灰铸铁的孕育处理

为了提高灰铸铁的力学性能，就必须降低碳硅含量，以达到减少石墨数量，缩小石墨大小，减轻其割裂基体的作用。但碳硅含量较少的铁水，不容易形成石墨，而形成白口铸铁。生产中常采用孕育处理（又称变质处理）的方法，即在出铁水时加入少量硅质量分数为75%的硅铁合金作为孕育剂，增加外来晶核，强制使铸铁石墨化以获得细晶粒的珠光体基体和细片状的石墨。孕育处理后的灰铸铁称为“孕育铸铁”或“变质铸铁”。经孕育处理的铸铁，其强度、硬度比普通灰铸铁明显提高，并在厚大截面上具有均匀的组织和性能，故常用做力学性能要求较高的厚大铸件。

4）灰铸铁的热处理

热处理只能改变铸铁的基体，不能改变片状石墨的有害作用，因此，通过热处理提高灰铸铁的力学性能效果不大。灰铸铁常用的热处理为去应力退火和软化退火。

①去应力退火　去应力退火（人工时效）的目的是降低铸件内应力，防止加工后的变形。常用的去应力退火方法是将铸件加热至500～600℃，经较长时间保温后缓慢冷却到150～200℃出炉空冷。

②软化退火　软化退火（石墨化退火）的目的是使铸件中部分白口组织的渗碳体继续分解成石墨，从而改善其切削加工性能。软化退火的方法是将铸件加热至850～900℃，保温2～5 h，然后炉冷至400～500℃后取出空冷。

5）灰铸铁的牌号、性能及用途

灰铸铁的牌号是用字母“HT”再加上一组数字来表示的，其后的数字表示铸铁的最低抗拉强度。例如HT150，表示最低抗拉强度为150 MPa的灰铸铁。灰铸铁的牌号、力学性能及其用途见表1．5．8。

表1.5.8　灰铸铁的牌号、力学性及其用途

续表

（3）球墨铸铁

1）球墨铸铁的生产

球墨铸铁是在浇注前，向给定成分的铁水中加入适量的球化剂和孕育剂，进行球化处理和孕育处理，获得具有球状石墨的铸铁，如图1．5．4所示。

图1．5．4　基体不同的球墨铸铁

球化处理常以稀土镁作为球化剂。球化剂是阻止石墨化的元素，容易铸件使产生白口组织，必须在铁水中加入硅的质量分数为75%的硅铁作为孕育剂进行孕育处理。孕育处理可使铸铁石墨细小、均匀，从而提高球墨铸铁的力学性能。球化和孕育处理一般采用冲入法，即将球化剂和孕育剂预先放在铁水包底，然后冲入铁水进行处理。球墨铸铁经球化处理后应立即进行浇注，否则，球化效果会在短期内迅速衰退。

2）球墨铸铁的化学成分、组织和性能

球墨铸铁的化学成分为w C= 3．6%～4．0%，w Si= 2．0%～3．2%，w P≤0．1%，w S≤0．07%。球墨铸铁的碳、硅含量较高，以降低白口倾向，保证球化效果。硫、磷含量较低，以降低其有害作用。因为S与球化剂中的Mg反应生成MgS夹渣，增加球化剂的消耗，降低球化效果；P易形成磷共晶，割裂基体，使球墨铸铁韧性明显降低，同时还加大形成疏松的倾向。球墨铸铁基体组织有铁素体、珠光体和“铁素体+珠光体”等。

由于球墨铸铁石墨呈球状，它对基体的割裂程度大大减轻，其力学性能比其他铸铁高，可发挥基体组织70%～90%的性能。球墨铸铁的铸造性能、减震性、减摩性、切削加工性等优于铸钢。但球墨铸铁的过冷倾向大，易产生白口；也易出现浇不足、冷隔及缩孔、缩松等缺陷。因此球墨铸铁的熔炼及铸造工艺要求比灰铸铁高。

3）球墨铸铁的热处理

①退火　球墨铸铁退火的目的是消除内应力，消除白口，并使珠光体中的渗碳体分解，获得铁素体基体，具有较高的塑性和韧性。退火加热温度为720～760℃。当铸态组织中有白口时，退火加热温度为900～950℃，促使渗碳体分解。保温后随炉冷至600℃出炉空冷。

②正火　球墨铸铁的正火可分为高温正火和低温正火两种。球墨铸铁经高温正火后可获得珠光体，组织细化，强度、硬度及耐磨性较高。正火加热温度为880～920℃完全奥氏体化后出炉空冷。球墨铸铁经低温正火后可获得“珠光体+铁素体基体”，塑性和韧性较高，但强度较高温正火差。正火加热温度为840～860℃部分奥氏体化后出炉空冷。球墨铸铁正火后都应进行一次去应力退火，其加热温度为550～600℃，消除因正火而产生的应力。

③调质　球墨铸铁经调质处理后的获得回火索氏体基体，具有良好的综合力学性能，常用做柴油机曲轴、连杆等重要结构件。淬火加热温度为860～880℃，在油中淬火后硬度为58～60HRC，并及时回火，回火加热温度为550～600℃，出炉空冷。

④等温淬火　球墨铸铁经等温淬火后可获得下贝氏体基体，具有高的硬度、耐磨性及一定的韧性。等温淬火适用于截面尺寸较小的零件。加热温度为840～950℃，保温后在250～350℃硝盐中等温，完成下贝氏体转变后出炉空冷。

4）球墨铸铁的牌号及用途

球墨铸铁的牌号由“QT”和两组数字组成，两组数字分别表示材料的最低抗拉强度和最低伸长率。球墨铸铁的牌号、力学性能及其用途见表1．5．9。

表1.5.9　球墨铸铁的牌号、力学性能及其用途

（4）可锻铸铁

1）可锻铸铁的生产方法

可锻铸铁的化学成分为w C= 2．2%～2．8%，w Si= 0．8%～1．4%。可锻铸铁的石墨呈团絮状，根据基体组织的不同可分为黑心可锻铸铁（又称铁素体可锻铸铁）、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁3种，其中白心可锻铸铁国内应用不多，本书从略。可锻铸铁的显微组织如图1．5．5所示。

图1．5．5　基体不同的可锻铸铁

可锻铸铁的制取方法是：先浇注成白口铸铁，然后进行长时间的高温石墨化退火。白口铸铁内必须没有片状石墨，否则在退火时从渗碳体片中分解出来的石墨将沿着原来的石墨结晶而得不到团絮状石墨。可锻铸铁仅用于薄壁件，一般壁厚不超过25 mm。

可锻铸铁的退火工艺如图1．5．6所示。经第一阶段石墨化（900～960℃保温15 h后直接空冷）可得到珠光体基体的可锻铸铁。若在冷却到770～720℃再进行第二阶段石墨化（即缓冷或等温一段时间后空冷），则可得到铁素体基体的可锻铸铁。

图1．5．6　可锻铸铁的退火工艺曲线

2）可锻铸铁的牌号、性能及用途

可锻铸铁的牌号由3个字母和两组数字组成。其中，“KT”表示可锻铸铁，第3个字母H（Z）表示黑心（珠光体）可锻铸铁，两组数字分别表示材料的最低抗拉强度和最低伸长率。

由于可锻铸铁的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用比片状石墨小得多，可发挥基体组织50%～70%的性能。与灰铸铁相比，其强度显著提高，同时具有一定的塑性和韧性，因而称为可锻铸铁。实际上，可锻铸铁并不能锻造。

由于基体组织的不同，珠光体可锻铸铁的强度、硬度和耐磨性较高，而黑心可锻铸铁具有较高的塑性。

可锻铸铁的力学性能较灰铸铁高，铸造性能较球墨铸铁好，因此得到广泛应用。可锻铸铁的牌号、力学性能及其用途见表1．5．10。

（5）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是在给定成分的铁水中加入适量的蠕化剂，从而得到蠕虫状石墨的铸铁。它的化学成分一般为w C= 3．5%～3．9%，w Si= 2．1%～2．8%，w Mn= 0．4%～0．8%，w S＜0．1%，w P＜0．1%。

表1.5.10　可锻铸铁的牌号、力学性能及其用途

蠕化剂有镁钛合金和稀土镁钛合金等。

蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状，其石墨片短而粗，头部较圆。

蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，其强度、韧性、疲劳强度等均优于灰铸铁，而铸造性能、切削加工性、导热性均优于球墨铸铁，主要用于制造强度、抗热疲劳性能要求较高，形状复杂的零件。如内燃机的汽缸盖、电动机的外壳、机座、钢锭模、阀体等。

蠕墨铸铁的牌号由“RuT”和3位数字表示。RuT为“蠕铁”两字汉语拼音的首位字母，后面3位数字表示其最低抗拉强度。如“RuT300”表示最低抗拉强度为300 MPa的蠕墨铸铁。

（6）合金铸铁

在铸铁中加入一定量的合金元素，制成合金铸铁，使铸铁件具有某些特殊的使用性能。常用的合金铸铁有：

1）耐磨铸铁

将铸铁中磷的质量分数提高到w P= 0．4%～0．6%，同时加入铬、锰、铜、钒、钛、钨等合金元素，构成高磷耐磨铸铁。其中磷形成磷共晶，构成铸铁基体中坚硬的骨架，使铸铁的耐磨性大大提高。而其他合金元素不仅强化和细化了基体组织，而且还形成较硬的碳化物质点，从而进一步提高了铸铁的力学性能和耐磨性。

除高磷耐磨铸铁外，还有铬、钼、铜耐磨铸铁，钒、钛耐磨铸铁，硼耐磨铸铁及中锰球墨耐磨铸铁等。耐磨铸铁常用做机床导轨、汽车发动机缸套、活塞环、轴套、球墨机的磨球等零件。

2）耐热铸铁

在铸铁中加入一定量的铝、硅、铬等元素，可使铸铁表面形成致密的氧化膜，如Al2 O3，SiO2，Cr2O3等，保护铸铁内部不再被继续氧化，同时还提高了铸铁组织的相变温度，阻止渗碳体的分解，从而使这类铸铁能够耐高温（700～1 200℃）。耐热铸铁一般用来制造加热炉底板、炉门、钢锭模及压铸模等零件。

3）耐蚀铸铁

耐蚀铸铁中加入的合金元素主要有硅、铝、铬、镍、钙等，其作用是在铸铁表面形保护膜并提高铸铁基体的电极电位。根据铸铁所接触的腐蚀介质的不同，耐蚀铸铁有许多种类可供选择，常用于制造化工设备中的管道、阀门、泵类、反应釜等。

5.2　有色金属及其合金

在工业生产中，有色金属是指铁碳合金以外的金属，通常常用的有色金属材料有铝、铜、镁、锌、钛等金属极其合金。与铁碳合金相比，有色金属具有许多特殊的物理、化学和力学性能，因而成为现代工业中不可缺少的材料。

5.2.1　铝及铝合金

铝及铝合金是工业上应用最为广泛的重要有色金属。这与铝所具有的性能特点有关，铝的质量分数不低于99．00%时为纯铝。纯铝的密度较小（约为2．7 g／cm3），仅为铜、铁的1／3；熔点为660℃；具有面心立方晶格；无同素异晶转变；纯铝具有良好的导电性、导热性；铝能与空气中的氧生成致密的氧化膜，防止铝进一步氧化，具有良好的抗蚀性；纯铝的强度低，塑性好，具有良好的塑性加工性能，并可在变形过程中加工硬化。工业中常用于配制铝合金或制作强度要求不高但具有导热、耐大气腐蚀的器皿。

（1）工业纯铝

工业纯铝分铸造纯铝及变形铝两种。铸造纯铝牌号由“Z”和铝的化学元素符号及表明铝纯度百分含量的数字组成，如：ZAl99．5表示w Al= 99．5%的铸造纯铝。变形铝采用4位字符牌号命名，即用“1×××”表示。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面两位数字。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，则表示为原始纯铝，若为其他字母，则表示为原始纯铝的改型。如：1A30表示w Al= 99．30%的原始纯铝。

（2）铝合金

纯铝的强度低，不能用做承受载荷的结构件。生产中常在纯铝中加入合金元素制成铝的合金，不仅保存了铝的原始密度小、耐腐蚀、导热好的性能，在具有塑性好的基础上大大提高了固溶强化和热处理强化的特点。根据铝合金的成分及加工成形特点，常用的铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

1）变形铝合金

变形铝合金采用4位字符牌号命名，牌号用2×××～8×××系列表示。牌号的第一位数字是依主要合金元素Cu，Mn，Si，Mg，Mg+ Si，Zn及其他元素的顺序来表示变形铝合金的组别。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，则表示为原始纯铝，若为其他字母，则表示为原始纯铝的改型。牌号的最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。例如：2A11表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。

变形铝合金加热后可获得单相固溶体组织，塑性好，可以通过压力加工成形。其热处理特点与钢不同，铝合金淬火后硬度并不高，必须放置一段时间后，其强度、硬度才显著提高，这种现象称为时效强化。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下（100～200℃）进行的时效称为人工时效。由于铝合金淬火后硬度较低，故可在淬火后，时效前进行冷加工。“淬火+时效处理”是这类铝合金强化的主要途径。

变形铝合金按性能和用途的不同，又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。

①防锈铝合金　防锈铝主要为Al-Mn，Al-Mg合金，Mn，Mg的主要作用是产生固溶强化和提高耐蚀性。防锈铝合金不能用热处理强化，但可通过冷变形产生的加工硬化来提高强度。防锈铝具有很好的塑性、耐蚀性及焊接性，主要用于受力不大，经冲压或焊接制成的结构件，如各种容器、油箱、导管、线材及窗框、灯具等。

②硬铝合金　硬铝主要为Al-Cu-Mg合金，加入Cu，Mg是产生固溶强化作用，有的硬铝还加入少量锰是为了提高耐蚀性，也有一定固溶强化作用。硬铝经淬火加自然时效后具有较高的强度和硬度，在航空工业中获得了广泛的应用，如作飞机构架、螺旋桨、叶片等。但硬铝的耐蚀性较差，通常可在硬铝板表面包覆一层纯铝，以增加其耐蚀性。

③超硬铝合金　超硬铝是在硬铝的基础上加入锌元素后所组成的合金。超硬铝经淬火加人工时效后具有很高的强度，常用做飞机上主要受力部件，如大梁、桁架、翼肋、起落架和活塞等。超硬铝的耐蚀性也较差，通常也要包覆纯铝。

④锻铝合金　锻铝是在硬铝的基础上加入硅元素后所组成的合金。锻铝经淬火加人工时效后强度可与硬铝媲美，并具有良好的锻造性能。生产中常将其制成棒材或模锻件。

几种常用变形铝合金的牌号、化学成分、性能及用途见表1．5．11。

表1.5.11　几种变型铝合金的牌号、化学成分、性能及用途

续表

2）铸造铝合金

根据组成元素的不同，常用的铸造铝合金主要有Al-Si系，Al-Cu系，Al-Mg系，Al-Zn系4种。铸造铝合金的代号用“ZL”加3位数字表示。其中第一位数字表示合金的类别（1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系），后二位数字为合金顺序号，表示不同化学成分的铸造铝合金。铸造铝合金中以Al-Si系合金应用最广。Al-Si系合金通常采用变质处理（即在液态合金中加入一定的钠盐等作为变质剂）来达到细化晶粒、提高力学性能的目的。对于承受较大载荷的铝合金可再加入Cu，Mg，Zn等元素，以形成CuAl2，Mg2 Si等强化相，经淬火与时效处理后取得更为明显的强化效果。

铸造铝合金的牌号由“Z”和基体金属元素铝的化学元素符号、主要合金化学元素符号，以及表明合金化学元素名义质量分数的数字组成。牌号后面加“A”表示优质。

几种常用铸造铝合金的代号（牌号）、化学成分、力学性能及用途见表1．5．12。

表1.5.12　几种常用铸造铝合金的代号（牌号）、力学性能及用途

续表

5.2.2　铜及铜合金

铜是一种重要的有色金属，纯铜表面氧化后呈紫色，被称为紫铜，其密度为8．96 g／cm3；熔点为1 083℃；具有面心立方晶格；无同素异晶转变；纯铜具有优良的导电性、导热性及良好的耐蚀性。纯铜的强度、硬度不高、塑性很好，具有良好的塑性加工性能，并可在变形过程中加工硬化。工业中常用于配制铜合金或制作各种导电、导热材料及防磁器材。

工业纯铜分为未加工产品和加工产品两种。未加工产品代号有Cu-1、Cu-2两种。加工产品的代号有T1，T2，T3三种。代号中数字越大，纯度越低。

工业中常用的铜合金有黄铜和青铜两类。根据其加工条件的不同，又可分为加工铜合金和铸造铜合金两大类。

（1）加工铜合金

加工铜合金的牌号由数字和汉字组成，生产中常以代号替代牌号。

普通加工黄铜的代号用“H”+铜质量分数表示。如H70表示w Cu= 70%，w Zn= 30%的普通加工黄铜。

特殊加工黄铜的代号用“H”+主加元素化学符号+铜及各合金元素的质量分数表示。如HPb59-1表示w Cu= 59%、w Pb= 1%、余量为锌的特殊加工黄铜。

加工青铜的代号用“Q”+主加元素化学符号及质量分数+其他合金元素质量分数表示。如QSn4-3表示w Sn= 4%，w Mn= 3%，余量为铜的压力加工锡青铜。

（2）铸造铜合金

铸造铜合金的牌号用“Z”+铜元素化学符号+主加元素化学符号及质量分数+其他合金元素化学符号及质量分数表示。如ZCuSn10P1表示w Sn= 10%，w P= 1%，余量为铜的铸造锡青铜。

1）黄铜

黄铜是以锌为主要合金元素的铜-锌合金。按其成分不同，可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。

①普通黄铜　普通黄铜是铜与锌组成的二元合金。当锌的质量分数小于32%时，锌能全部溶入铜中形成单相α固溶体（又称α黄铜或单相黄铜）。随着含锌量的增加，由于产生固溶强化，黄铜的强度、硬度提高，同时还具有良好的塑性，故适宜于冷变形加工。当锌的质量分数为32%～45%时，合金为α+β′两相组织（又称双相黄铜），其中β′相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，由于β′相的出现，在强度继续升高的同时，塑性有所下降，故适宜于热变形加工。当锌的质量分数大于45%以后，因组织中全部为脆性的β′相，致使黄铜的强度和塑性都急剧下降，在生产中已无实用价值。黄铜的力学性能与含锌量的关系如图1．5．7所示。

图1．5．7　黄铜的力学性能与锌的质量分数的关系

普通黄铜的耐蚀性优于钢铁材料。但锌的质量分数大于7%（尤其是含锌20%）并经冷变形加工后的黄铜，因制品内有残余应力，在潮湿大气或海水中，特别是在含有氨的介质中，易产生应力腐蚀现象。故在使用前应采用低温去应力退火（250～300℃，1～3 h）消除应力。

②特殊黄铜　为了进一步提高黄铜的力学性能和工艺性能，常在普通黄铜的基础上加入铜、铝、硅等元素组成铅黄铜、铝黄铜、硅黄铜等。其中铅的加入可以改善切削加工性和耐磨性；硅的加入可以改善铸造性能，并对提高强度和耐蚀性有利；铝的加入在提高强度、硬度、耐蚀性的同时，还可以降低黄铜的应力腐蚀倾向。

常用黄铜的力学性能及用途见表1．5．13。

表1.5.13　常用黄铜的力学性能及用途

2）青铜

青铜是以除锌、镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金。按其成分不同，可分为锡青铜、特殊青铜两类。

①锡青铜　锡青铜是指锡与铜组成的二元合金。当锡的质量分数小于5%～6%时，锡能完全溶于铜中形成单相α固溶体，具有良好的塑性，适宜于冷变形加工。当锡质量分数大于6%时，组织为α+δ，其中δ相是以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，合金的塑性下降，脆性增加。含Sn量低于8%的锡青铜塑性好，适用于压力加工，而含Sn量大于10%的锡青铜，由于其塑性差适用于铸造成形。锡青铜铸造时的突出优点是：自液态冷凝后的体积收缩很小（＜1%），但其流动性较差，偏析倾向较大，易形成分散的缩孔，铸件致密度较差。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的耐蚀性优于黄铜，故主要用做形状较为复杂、耐蚀性好、致密度要求不高的铸件。

②特殊青铜　为了进一步提高青铜的力学性能和工艺性能，常在铜中加入铝、硅、铅、铍等元素为主组成的铝青铜、硅青铜、铅青铜、铍青铜等各种青铜。铝青铜的强度、硬度、耐蚀性高于锡青铜，并具有较高的耐热性；铍青铜不仅具有高的强度、硬度与弹性极限，同时还具有抗磁与受冲击时不产生火花等特性。常用青铜的力学性能及用途见表1.5.14。

表1.5.14　常用青铜的力学性能及用途

5.2.3　轴承合金

轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。当轴承支撑轴进行工作时，轴瓦表面要承受一定的交变载荷，并与轴之间发生强烈的摩擦。为了确保机器正常、平稳、无噪声运行，减少轴瓦对轴颈的磨损，轴承合金应具备一定的强度和疲劳抗力，以承受较高的交变载荷；足够的塑性和韧性，以抵抗冲击和震动并保证与轴的良好配合；较小的摩擦系数和良好的磨合能力，并能储油；良好的导热性、抗蚀性和低的膨胀系数，以防温升导致与轴的咬合；同时还应具有良好的耐蚀性和铸造性能。

为了满足以上性能要求，轴承合金的组织特点应该是软硬兼有；或者是在软基体上均匀分布着硬质点；或者是在硬基体上均匀分布着软质点。当轴承工作时，软组织很快被磨凹，凸出的硬组织便起支撑轴的作用。这样，既减小了轴与瓦的接触面，凹下的空间又可储存润滑油，保证轴承有良好的润滑条件和低的摩擦系数，减轻轴的磨损。此外，偶然进入的外来硬物也能被压入软组织内，不致擦伤轴颈。

工业上应用最广的轴承合金是锡基和铅基轴承合金（又称为巴氏合金）。其编号为“ZCh+基本元素+主加元素+主加元素含量+辅加元素含量”，编号中“Z”、“Ch”为“铸”和“承”字的汉语拼音字首和第一个音节。

（1）锡基轴承合金

锡基轴承合金是Sn-Sb-Cu系合金，又称锡基巴氏合金。合金组织为α+β，其中软基体是Sb溶于Sn中的α固溶体；硬质点是以SnSb为基的β固溶体。由于β相密度较液相小，故在结晶时易浮在液体上方，随后结晶的α相将沉在下面，而导致“比重偏析”。为此，在合金中加入一定量的Cu，Cu和Sn形成的高熔点化合物Cu3 Sn（或Cu6 Sn5），在结晶时最先析出（如图6．20中白色星状或放射状物），阻止β相上浮，减轻比重偏析；同时，也起到硬质点作用，进一步提高合金的强度和耐磨性。

锡基轴承合金膨胀系数和摩擦系数小，并具有良好的导热性、抗蚀性和工艺性，适于制造重要的轴承，如汽轮机、涡轮机、内燃机等高速轴瓦，工作温度小于150℃。

（2）铅基轴承合金

铅基轴承合金是Pb-Sb-Sn-Cu系合金，又称铅基巴氏合金。合金组织为（α+β）+β。其中，（α+β）共晶体为软基体，β相方块状物SnSb和针状物Cu2 Sb构成硬质点。合金中加入Sn，Cu能强化基体，形成硬质点，Cu还能防止比重偏析。

铅基轴承合金的性能略低于锡基轴承合金，但由于价格便宜，故常用做低速、低载荷的轴瓦材料，工作温度不超过120℃。

（3）其他轴承合金

除了巴氏合金以外，还有铜基、铝基轴承合金，它们的特点是承载力高、密度较小、导热性和疲劳强度好，工作温度较高，价格便宜。因此，也广泛用做汽车、拖拉机、内燃机车等一般工业轴承。

一些常用轴承合金的牌号、成分、性能及用途见表1．5．15。

表1.5.15　几种轴承合金的代号、成分、性能及用途

续表

5.2.4　粉末冶金材料

粉末冶金是一种将金属、合金、金属化合物或非金属粉末作为原料，混匀压制成型后，经高温烧结而制成合金材料的工艺。该合金材料称为粉末冶金材料。

粉末冶金法制取的合金压制品形状、尺寸可达到或接近零件要求，是一种少、无切削的加工方法，从而大大提高了生产率和材料利用率；粉末冶金工艺和设备简单，操作方便；粉末成分可任意调节，可制成任意成分的金属和合金构件；可制作常规加工方法难以加工的高熔点金属、超硬材料、脆性材料等，可制得耐高温、承受高速的构件；可制得多孔性构件，是利用其孔隙可用做储油、过滤、吸震等特殊用途的构件。

硬质合金是以碳化钨或碳化钨与碳化钛等高熔点、高硬度的碳化物为基，并加入钴作为黏结剂的一种粉末冶金材料。

硬质合金不能进行锻造及切削加工，也不需要进行热处理，其硬度很高（可达86～93HRC），且具有很高的耐热性，故用硬质合金制成的刀具比高速钢刀具具有更高的切削速度。在切削加工过程中，切削温度高达1 000℃时硬质合金刀具仍具有较好的刀具切削性能。切削速度比高速钢高5～10倍。常用的硬质合金按其成分可分为3类：钨钴类硬质合金，钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金，详见金属切削加工中刀具材料一节。

常用的烧结减摩材料为多孔轴承材料，主要用于制造滑动轴承。这类零件经粉末冶金压制成型烧结后浸入润滑油中，其孔隙可吸附大量的润滑油，从而达到减摩及润滑作用。常用于制造纺织机械、家用电器等轴承。也可用于其他轴承。

除此以外，粉末冶金法常用于制造特殊性能金属材料，如结构材料、摩擦材料及电磁性能材料等。

5.3　新型金属材料

（1）光导纤维（光纤）

光导纤维是用于传输光信息的光学纤维，以光为载波、以光纤为传输介质的光纤通信信息容量大、质量轻、占有空间小、传输损耗低、抗电磁干扰好、保密性强等优点成为现代通信的主要手段。典型的光纤是由折射率高的纤芯和低折射率的外包层组成，已经使用和开发的光导纤维有：石英光纤、塑料光纤、硫属化合物光纤、卤化物晶体光纤、氟化物光纤等。

光纤通信可应用于计算机网络通信，传输信息和图像；传输高强度激光，进行医学手术和机械焊接与切割；制作光纤传感器，用于遥感和遥控技术。

（2）形状记忆合金

形状记忆是指在具有初始形状的制品变形后，通过加热等处理手段又恢复到变形前初始形状的功能。材料在高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若再回加热到高温，材料恢复高温下的形状，但重新冷却下来后材料不能恢复低温形状，称为单程记忆效应；若低温下仍能恢复低温形状，就是双程记忆效应。

目前较成熟的形状记忆合金有Ti-Ni合金与Cu-Zn-Al合金。这两种合金的应用领域很广，包括各种管接头、电路的连接、自控系统的驱动器以及热机能量转换材料等。

（3）减震合金

减震合金就是利用材料本身具有大的衰减能力去消除震动或噪声的发生源，而且具有较高结构强度的金属材料。利用减震合金减震的主要优点是消除震动、防止噪声和增加机器疲劳寿命。目前工业中使用的减震合金有复合型、强磁性型、位错型和双晶型四类，见表1．5．16。

表1.5.16　减震合金的分类

注：有“*”者也是形状记忆合金。

减震合金可广泛用于汽车车身，发动机传动部件等汽车部件；冲压机、各式齿轮等机械部件；船舶用发动机的旋转部件；空调用防噪声罩等。

（4）功能梯度材料

功能梯度材料就是逐渐地连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部组织及功能呈连续、平稳变化的非均质材料。如高速发动机不仅要耐高温，且要承受很大的温度梯度；生物材料要求具有强韧性和相容性等。为解决这类问题，研究开发了功能梯度材料（FGM）。

金属-陶瓷构成的热应力缓和功能材料可较好解决上述热应力缓和问题，通常在高温侧壁用耐热好的陶瓷材料，低温侧壁用导热和强度好的金属材料。从陶瓷侧过渡到金属侧的过程，其耐热性逐渐降低，力学性能缓慢升高。热应力在材料的两端均很小，其峰值在材料中部，因而具有缓和热应力的功能。

功能梯度材料在宇航、原子能、医学及生物工程上有望得到广泛应用，而且其电磁特性和光学功能亦有广泛的应用前景。

（5）智能材料

智能材料（或称机敏材料）具有能根据环境条件变化而调整或改变其自身结构及功能的自适应性的材料。智能材料的特点是：①具有传感功能特性，可识别并探测出外界刺激的强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学或核辐射等；②具有驱动特性及响应环境变化的功能；③以设定的优化方式选择和控制响应；④反应灵敏、适当；⑤外部刺激条件消除后，能迅速回复到原始状态。因此，智能材料应具备传感、驱动和控制3个基本要素，能通过自身的感知，作出判断，发出指令，执行和完成动作，实现自检测、自诊断、自控、自校正、自修复及自适应等多种功能。通常，一种单一的材料要具有多种功能特性是很困难的，因而往往要由多种材料组元复合，因此，智能材料事实上是复杂体系材料的多功能复合及仿生设计。

（6）超导材料

某些物质达到临界温度T c以下时，电阻急剧消失的物质称为超导体。这种现象只有在温度、磁场和其中流过的电流密度达到其相应的临界值以下时才能发生，其临界值越高，超导体的价值越大。虽然目前许多超导材料的T c还太低，但近十多年来已取得了许多突破，1975年，T c从4．2 K提高到23．2 K，1988年又提高到120 K。高T c超导块状材料已取得很大进展，最高T c已达到127．5 K，电流密度在105 A／cm2左右。

目前使用的超导材料有Ti-Nb，La-Ba-Cu-O，Re-Ba-Cu-O，Ba-Ca-Cu-O等。超导材料的应用前景广阔。如在电力系统方面，利用超导输电可大大降低目前高达7%左右的输电损耗；超导磁体（磁场强、损耗小、重量轻）用于发电机，使发电效率提高50%～60%；在运输方面，已制成超导磁悬浮列车；在探测、监视及计算机制造方面，超导隧道效应已得到成功的应用。

（7）纳米材料

纳米微粒尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使它具有不同于常规固体的新特性。原来是良导体的金属，当尺寸到几纳米或十几纳米时电阻大大下降，甚至可能导电；原是铁磁性的粒子可能变成超顺磁性，矫顽力为0；常规固体在一定的条件下物理性能是稳定的，在纳米态下，颗粒尺寸对性能产生强烈的影响。纳米材料体系的尺度通常定为1～100 nm。

纳米微粒磁性材料方面的典型应用是磁流体和磁记录材料，磁密封和磁液扬声器是磁流体的典型应用，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量；用纳米材料制作超微粒传感器具有敏感性高，超小型、低能耗和多功能等特点；在生物和医学上，为利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色，以及利用纳米微粒磁液特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等方面提供了新的研究方向和途径。此外，纳米微粒在催化、电子、光学等方面亦有广阔的应用前景。

纳米固体材料是纳米粒度的晶粒或微粒凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维。利用纳米微粒的特性，人们可以将常理根本不相溶的两种元素合成制备出新型的材料和原子排列状态完全不同的两种或多种物质的复合材料。例如铁铝、银铁和铜铁合金等纳米材料研制成功；把金属的纳米颗粒放入常规陶瓷中可大改善材料的力学性质；纳米Al2 O3弥散到透明的玻璃中既不影响透明度，又提高了高温冲击性能；8 nm的纳米铁粒子分散到钇铝石榴石或钇镓石榴石中形成的新型磁制冷材料使制冷温度达到20 K。

（8）非晶态材料

非晶金属和合金作为一种新型金属材料，具有许多优良特性，在原子结构上是典型的玻璃态，故又称为金属玻璃。

非晶态金属及合金的重要特性是具有高的强度和硬度。例如非晶合金Fe80 B20抗拉强度达3 530 MPa，Fe30 P13 C7抗拉强度达3 040 MPa，而超高强度钢（晶态）的抗拉强度仅为1 800～2 000 MPa。非晶态合金伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，许多淬火态的金属玻璃薄带可以反复弯曲，即使弯曲180°也不会断裂。非晶合金磁性材料具有高磁导率、高磁感、低铁损和低矫顽力，且无磁各向异性。非晶合金具有很强的抗腐蚀性，其主要原因是能迅速形成致密、均匀、稳定的高纯度钝化膜。故非晶态金属应用前景广阔，是材料科学瞩目的新领域。

5.4　金属材料及成型工艺的选用

机械零件所用材料的选用及其成性工艺的选择极大地影响到产品的质量、生产率和经济性（即成本和效益）。在进行机械零件设计时，要像重视结构设计一样，严肃认真地对待材料及其成性工艺的选用。如单纯靠查机械设计手册或仅靠经验法或类比法来确定材料与工艺的选用，往往会事倍功半或带来不良后果。在进行金属材料及其成性工艺的选择时一般遵循下列4条基本原则：①使用性能足够的原则；②工艺性能良好的原则；③经济性合理的原则；④结构、材料、成形工艺相适应的原则。

5.4.1　使用性能足够的原则

使用性能是保证零件完成规定功能的条件。制造机器零件所用的材料首先必须满足使用性能的要求，这是选材的基本出发点，只有满足使用要求的零件才有实际价值。使用性能主要指零件在使用状态下材料应具有的力学性能、物理性能和化学性能。对于机器零件和工程构件，最重要的是力学性能。

零件的工作条件主要体现在受力状况、环境状况和特殊要求上。分析零件受力状况时，首先要分析确定零件所承受载荷的类型（动载、静载、循环载荷或单调载荷）、载荷大小及载荷的形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转等）、载荷的特点（均布载荷、集中载荷等）。分析零件工作的环境状况时，主要是确定工作温度特性、介质腐蚀情况和磨损条件等。特殊要求主要是对导电性、磁性、热膨胀、比重、外观等的要求。

零件的工作条件不同，使用性能要求也不一样，所选材料也不尽相同，应进行具体问题具体分析。按受力状况、环境条件及零件类型来确定所选的材料类别及强化方法举例见表1．5．17。

表1.5.17　受力状况、环境条件与材料选用

续表

零件不同的失效形式，可揭示原设计不同弱点。对失效零件进行失效分析，根据分析的结果，找出抵抗失效的主要性能指标，有针对性地修正原设计的选材及成形工艺，以便保证零件的工作效能和抵抗失效的能力。例如，零件因过量变形而失效，表明材料刚性或屈服强度不足，应选用弹性模量高或屈服极限高的材料。如果是因零件表面磨损而失效，则应选用硬度高、耐磨性好的材料。表1．5．18列出一些失效形式与选材关系。

表1.5.18　失效形式与选材

5.4.2　工艺性能良好的原则

在选用材料和确定工艺时，还应该考虑将原材料加工成毛坯和优质零件的难易程度，也就是材料对加工工艺的适应能力。所选材料的工艺性能否适应具体成形工艺过程，将对零件的质量、生产率及生产成本有重要的影响。

在确定所选用材料的同时，应根据零件材质、结构及技术要求，确定所需要的成形方法、机械加工工艺、热处理及表面改性方法及工艺，并按工艺顺序编制成零件加工工艺路线。有的零件加工工序简单，例如道路的雨水井盖只要求铸造性良好就行了。有些零件（如机床主轴）需要毛坯成形工艺、切削加工工艺、热处理等多种工序，选材时应考虑材料的几种工艺性能。有的零件还可能不是采用单一的成形工艺，例如锻焊的复合成形，则还应考虑两种成形工艺性能是否同时良好。

表1．5．19列出了几种金属材料各种工艺性能的比较。可供选材和确定成形工艺时参考。

表1.5.19　工艺性与选材

铸造成形的几种金属材料中，以灰铸铁的铸造性能最好，其流动性好、收缩率小、偏析倾向小，产生应力、变形和裂纹可能性小，容易形成合格铸件。球墨铸铁流动性稍差、体收缩大而线收缩小、白口倾向小，易形成集中缩孔，常用于性能要求较高的厚大铸件生产。可锻铸铁流动性较差、收缩较大、石墨化退火时间长，常用于性能要求较高的薄壁铸件生产。球墨铸铁和可锻铸铁需采取一定的工艺措施才能得到合格铸件。铸钢铸造性能差，其流动性差、收缩大、铸造内应力大，裂纹倾向大，生产时必须采用严格的工艺措施。有色金属的铸造性能良好，故在生产中得到广泛的应用，但关键问题是吸气和氧化，所以在熔炼和浇铸过程中要注意防止氧化和去气处理。

金属材料的锻造性以低碳钢最好，低合金钢和中碳钢其次，高碳钢和高合金钢锻造性差。铜、铝合金的一般锻造性较好，但合金元素较多的铝合金因塑性较差，锻造性较差。铸铁不能锻造。衡量锻造性优劣的指标是材料的塑性和变形时的变形抗力及锻造温度范围、抗氧化性和热裂倾向等，故塑性好的材料尽量用拉应力变形，而塑性差的材料用压应力变形。

金属的焊接性以低碳钢、低合金钢为最好，中碳钢其次，高碳钢和高合金钢焊接性差。有色金属焊接性较差，一般采用氩弧焊焊接。铸铁基本上很少进行焊接。所以焊接主要对象是低碳钢和低合金钢，含碳量和合金元素越多，焊接性越差。

材料的切削加工性能也是选材的重要指标，一般以相对切削加工性指标KV表示，即以45钢的切削难易程度为1，其他金属相对于它的切削难易程度的比值确定，见表1．5．20。数值越大，越易加工。

表1.5.20　常用金属切削加工性能比较

5.4.3　经济性合理的原则

人们在生产活动中总是追求好的产品质量、优良的使用性能、较长的市场寿命，同时又要追求最低的经济成本和最高的生产利润。在这方面，材料和加工工艺的选择无疑起着重要的作用。材料选择的经济性不仅仅是指材料的价格，还包括加工费用、管理费用和附加费用等，它是一个综合性技术经济指标。采用便宜的材料及价格低廉的成形工艺，将总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力，始终是设计工作的重要任务。

（1）材料的价格

材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，在许多工业部门中可占产品价格的30%～70%，在满足性能和工艺要求的条件下，所选零件材料的价格应该尽量低。表1．5．21为我国常用金属材料的相对价格大致比值（由于市场变化，表中比值仅供参考）。

表1.5.21　我国常用金属材料的相对价格

（2）加工费用

在各种热处理改性工艺中，以退火工艺加工费相对价格为1时，则调质处理为2．5，高频淬火为5，渗碳为6，渗氮为38。例如，在确定一个轴类零件热处理工艺时，当耐磨性能满足要求的情况下，采用调质后高频淬火比调质后渗氮处理要便宜得多。

对于耐腐蚀件而言，采用碳素钢进行表面涂层工艺代替不锈钢，则成本可降低很多。

对于形状复杂的零件如果能采用铸造焊接结构，可比整体锻件，机械加工成形更为方便。制造内腔较大的零件时，采用铸造或旋压加工成形均比采用实心锻件经实心切削加工制造内腔要便宜。

当大批量生产时，选用毛坯件和加工零件尽量用少切削、无切削的生产方法，例如，压力铸造制作毛坯；冷镦、搓丝加工螺栓；板料冲压等。

（3）材料的选用

球墨铸铁有较高的强度，良好的抗震性能，在使用条件满足情况下，可作曲轴使用，从而做到“以铁代钢”，有良好的经济效益。

对引进产品进行国产化研究时，在成分相当，性能相近的情况下，可考虑用相近的国内材料代用。

在淬透性满足要求的情况下，优先选用碳素钢。碳钢与合金钢相比，主要是合金钢的淬透性大，允许制作较大截面的零件。在避开回火脆性使用的情况下，合金钢有较好的韧性。但当制造截面不大的零件时，为了降低钢材的成本消耗。

（4）成组选材，减少品种便于管理

在机械设计时，在使用性能满足的情况下，应尽量减少材料的品种，减少采购手续，便于管理。例如选用普通碳素结构钢时，在满足性能要求情况下，工厂大多选用Q235。而且尽量选型材，代替锻、轧材，可减少加工程序。

5.4.4　材料、成形工艺、零件结构相适应的原则

上述材料与成形工艺选择的三个原则是互相制约，互相关联的。由于各种因素影响的原因，在分别根据使用性能、工艺性能、经济性选择材料后，往往并不协调一致而出现矛盾，此时，应在保证使用性能的前提下，兼顾其他因素。实际上对于零件材料与工艺的选用是否合理是根据使用性、工艺性和经济性综合平衡的结果。

材料的选用在遵循使用性、工艺性及经济性原则的同时，材料与成形工艺之间还有一个相适应性的问题。材料的性能除与化学成分有关外，还与热处理工艺、成形工艺和使用环境有关。当材料选定以后，由于采用不同的工艺方法，最后材料的性能可能不再是手册中查得的指标了。因而材料及工艺的选用要同时进行综合分析考虑的。

材料的选用，还与零件的结构特点有关，材料与成形工艺要根据零件设计来确定，同样零件结构设计必须符合零件结构工艺性的要求，某些结构难以加工时，还应考虑结构的优化问题。

另外，当零件的质量较大、形状简单、加工比较容易时，原材料的价格在总成本中占有较大的比例；零件质量小、形状复杂、尺寸精度高、加工复杂时，原材料的价格在总成本中占有比例相应减小，而加工费用、管理费用加大。例如，有些要求高强度、高硬度或特殊工作条件下的零件，碳钢不能满足要求时只能选用合金钢。合金钢价格高，锻压、切削加工费用高，导致总成本提高。但合金钢性能好、强度高，在等强度的情况下可选择较小的截面尺寸，减少价格成本；而且通过热处理，其硬度、耐磨性等综合力学性能高，磨损小，使用寿命更长，使用成本下降，提高了价格成本比。总之，选材时应综合评价产品质量、产量、总成本与价格等经济因素，追求最佳结合点。

材料及工艺的选用是一个复杂的问题，应该在综合分析比较几种方案的基础上，得出最佳方案。对于与成熟产品同类的产品或简单零件可以根据前人的经验，大多采用经验类比法来处理材料工艺选用问题。但在设计、制造新产品或重要零件时，要严格进行设计计算、实验分析、小量试制等步骤，根据试验结果，修改设计，并优化选择材料和成形工艺。

5.4.5　成形工艺的选用

零件的成形加工方法有多种途径，应考虑的因素也很多。对于形状简单的零件如螺钉、螺栓等，需考虑的因素较少，可直接采用普通碳素钢。小的螺栓可以冷镦的方法，大螺栓以热顶锻法，使螺栓头成形。但对于形状较复杂的零件，增加了成形和加工方法选择的复杂性。如生产一个小齿轮，可以从棒料切削制成，也可以采用小余量锻造齿坯，还可用粉末冶金制造，究竟选择哪一种，应综合分析这些成形工艺和方法的特点，同时还应注意比较相对的经济效益。表1．5．22为常用毛坯类型及其制品的比较。

表1.5.22　常用毛坯类型及其制品的比较

续表

生产批量对于材料及其成形工艺的选择极为重要，特别是对于后者。一般的规律是，在单件、小批量生产情况下，铸件选用手工砂型铸造成形，锻件采用自由锻或胎模锻成形方法，焊接件则以手工或半自动的焊接方法为主，薄板零件则采用手工钣金、钳工成形的方法。在大批量生产的条件下，则分别采用机器造型、模锻、埋弧自动焊及板料冲压等成形方法。

另外，在各种成形工艺之间的选择上也要考虑生产批量的影响。例如，机床床身，一般情况下都采用铸造成形，但在单件生产的条件下，经济上往往并不合算；若采用焊接件，则可大大降低生产成本，缩短生产周期，只是焊接件的减震性、耐磨性不如铸件。又如齿轮，从棒材切削制造100个的总成本可能是有利的。当数量增加至10 000个以上时，使用锻造齿坏，能获得显著经济效益。

为保证所设计零件的质量要求，并顺利完成切削加工，必须合理确定材料预备热处理及最终热处理工艺方法及其在工艺流程中的位置。对于不同钢材，可选用的热处理工艺及其流程见表1．5．23。

表1.5.23　不同钢种热处理工艺的选用

续表

5.4.6　典型零件的材料及成形工艺选择

（1）轴类零件

1）轴类零件工作条件及对性能的一般要求

轴类零件是机械工业中重要的基础零件之一。一切作回转运动的零件都装在轴上，大多数轴的工作条件为：传递扭矩，同时还承受一定的交变、弯曲应力；轴颈承受较大的摩擦；大多承受一定的过载或冲击载荷。

在特殊条件下工作的轴，还应有特殊的性能要求。如在高温下工作的轴，则要求有高的蠕变变形抗力；在腐蚀性介质环境中轴，则要求轴用材料具有耐腐蚀性。

基于以上要求，轴类零件选材时主要考虑强度，同时兼顾材料的冲击韧度和表面耐磨性。选择较高的强度既可保证承载能力、防止变形失效，又可保证抗疲劳性能。良好的塑性和韧性是为了防止过载和冲击断裂。

2）选材

一般轴类零件（例如普通机床主轴）常用45号钢，经正火、调质及部分表面淬火等热处理，得到所要求的力学性能，如强度、硬度、韧性和耐磨性等。

中等精度而转速较高的轴类零件，可选用40Cr等合金结构钢，经调质和表面淬火后，具有较高的综合力学性能。精度较高的轴，可选用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等材料，经过调质和表面淬火后，具有更高的耐磨性和耐疲劳性能。

高转速、重载荷条件下工作的轴，可选用20CrMnTi，20Mn2B，20Cr等低碳合金钢，经过渗碳淬火后，表面具有很高的硬度，心部则具有较高的强度和韧性，但热处理变形较大。

高精度、高转速的轴（如坐标镗床和高精度磨床的主轴），可选用38CrMoAl氮化钢，经过调质和表面氮化后，具有很高的心部强度和表面硬度，优良的耐磨性和耐疲劳性，而且热处理变形很小。

3）成形工艺选择

与锻造成形的钢轴相比，球墨铸铁有良好的减震性，切削加工性及低的缺口敏感性；此外，它的力学性能较高，疲劳强度与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢，经过热处理后，还可使其强度、硬度或韧性有所提高。因此，对于主要考虑刚度的轴以及主要承受静载荷的轴，如曲轴、凸轮轴等，可采用铸造成形的球墨铸铁来制造。目前部分负载较重但冲击不大的锻造成形的轴已被铸造成形的轴所代替，既满足了使用性能的要求，又降低了零件的生产成本，取得了良好的经济效益。铸造成形的轴最大的不足之处就在于球墨铸铁在承受过载或大的冲击载荷时，易产生脆断。

以球墨铸铁铸造成形的轴的热处理主要采用正火处理。为提高轴的力学性能也可采用调质或正火后进行表面淬火、贝氏体等温淬火等工艺。球墨铸铁轴和锻钢轴一样均可经氮碳共渗处理，使疲劳极限和耐磨性大幅度提高。与锻钢轴相比所不同的是所得氮碳共渗层较浅，硬度较高。

对于以强度要求为主的轴特别是在运转中伴随有冲击载荷的轴，大多采用锻造成形。锻造成形的轴常用材料为中碳钢或中碳合金调质钢。这类材料的锻造性能较好，锻造后配合适当的热处理，可获得良好的综合力学性能、高的疲劳强度以及耐磨性，从而有效地提高轴的抵抗变形、断裂及磨损的能力。

（2）齿轮类零件

齿轮主要是用来传递扭矩和改变传动方向，有的齿轮仅起分度定位作用。各类齿轮的转速可以相差很大，齿轮的大小和工作环境也有很大差别。作为齿轮的材料具有以下主要性能：①高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度；②齿面有高的硬度和耐磨性；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。

一些低速、低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，可用HT250，HT350，QT600-3，QT700-2等制造。例如，汽车发动机上的凸轮、齿轮，用铸造成形法制造毛坯，硬度为170～229 HB。

对于较为重要的齿轮，一般都用钢制造。其中传递功率大、接触应力大、运转速度高而又受较大冲击载荷的齿轮，通常选择低碳钢或低碳合金钢，如20Cr，20CrMnTi等制造，并经渗碳及渗碳后热处理，最终表面硬度要求为56～62 HRC，心部硬度为30～40 HRC，渗碳层深度可在0．9～1．22 mm间选择。属于这类齿轮的一般有精密机床的主轴传动齿轮、走刀齿轮和变速箱的高速齿轮。

对于小功率齿轮，通常选择中碳钢，并经表面淬火和低温回火，最终表面硬度要求为52～58 HRC或45～50 HRC，心部硬度为28～35 HRC。属于这类齿轮的通常是机床的变速齿轮。其中硬度较低的，用于转速较低的齿轮；硬度较高的，用于运转速度较高的齿轮。对于高速齿轮，一般选择中碳钢或中碳合金钢，在调质后进行高频淬火处理。

应当指出，在满足齿轮工作要求的前提下，齿轮材料的选择和随后的表面强化热处理工艺是可改变的。机床齿轮表面强化热处理，高频加热淬火、渗碳淬火以外，还可选用55TiD，60TiD等低透性钢并进行高频加热淬火，以代替部分低碳钢或低碳合金钢的渗碳处理。

由于齿轮的尺寸和类型不同，所采用的成形方法也是不一样的，小型不重要及受力不大的齿轮可用圆钢直接作为毛坯，对于中小型重要受力齿轮采用锻造的方法制作齿轮坯；中大型齿轮，特别是有轮辐结构的应采用铸钢、球铁为毛坯。另外，带轮、飞轮、手轮类受力不大或以承压为主的轮类零件应采用灰铸铁。

（3）机架、箱体类零件

各种机床的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、内燃机的缸体等，都可视为机架、箱体类零件。

机架、箱体类零件的特点是：形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，质量从几千克至数十吨，工作条件也相差很大。其中一般的基础零件，如机身、底座等，主要起支承和连接机床各部件的作用，属于非运动的零件，以承受压应力和弯曲力为主，为保证工作的稳定性，应有较好的刚度和减震性。工作台和导轨等零件，则要求有较好的耐磨性。而箱体类零件一般受力不大，但要求有良好的刚度和密封性。以上零件在多数情况选用灰铸铁进行铸造成形。少数重型机械，如轧钢机、大型锻压机械的机身，可选用中碳铸钢件或合金铸钢件，个别特大型的还可采用铸钢-焊接联合结构。

一些受力较大、要求高强度、高韧性，甚至在高温下工作的零件，如汽轮机机壳，应选用铸钢。

一些受力不大，而且主要是承受静压力、不受冲击的箱体件可选用灰铸铁，如果零件在工作时与其他零件要发生相对运动，其间有摩擦、磨损发生，则应选用珠光体基体的灰铸铁。

受力不大，要求自重轻，或要求导热好，这时可选用铸造铝合金。受力较大，但形状简单，可选用型钢焊接而成。

如选用铸钢，为了消除粗晶组织、偏析及铸造应力，对铸钢应进行完全退火或扩散退火；对铸铁件一般要进行去应力退火；对铝合金应根据成分不同，进行退火或固溶热处理和时效等处理。

复习思考题

1．金属的力学性能，通常用哪几个指标来衡量？

2．σ0．2的意义是什么？

3．硬度与抗拉强度之间有没有一定关系？为什么？

4．说出布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的适用范围。

5．什么叫作同素异构转变？纯铁在不同温度下的晶格如何变化？

6．金属晶粒的大小对机械性能有何影响？

7．解释下列名词：

晶体　非晶体　组元　相　组织　固溶体　金属化合物　机械混合物　固溶强化

8．常见的金属晶格类型有哪几种？

9．实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对金属的力学性能有何影响？

10．什么叫作过冷度？影响过冷度的主要因素是什么？

11．金属晶粒大小对力学性能有何影响？影响晶粒大小的因素有哪些？如何获得细小的晶粒？

12．已知A组元（熔点657℃）与B组元（熔点1 430℃）在液态时无限互溶，固态时互不相溶。在577℃时含12．6% B的合金发生共晶转变。现在要求：

①作出A-B合金相图；

②分析含质量分数为5% B，12.6% B，60% B等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物。

13．有形状、尺寸相同的两个Cu-Ni合金铸件，一个含质量分数为90% Ni，另一个含质量分数为50% Ni，浇注后自然冷却，问哪一个铸件的偏析较严重？

14．什么叫作铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？它们各有什么特点？

15．共晶体是什么？共析体又是什么？

16．钢和铁在组织上有什么主要区别？

17．A1，A3和A cm各表示什么意义？

18．试描述在缓慢冷却的条件下，液态的0．3%碳素钢从开始凝固到室温之间的组织变化。

19．什么是退火？什么是正火？两者的特点和用途有什么不同？

20．在热处理过程中，为什么加热后要有一段保温时间？在什么情况下可以不要保温？

21．扳手、锯条、弹簧和轴各应进行哪种热处理为合适？

22．说明下列现象产生的原因：

①在1 100℃，0．4% C钢能进行锻造，4．0% C的铸铁不能锻造；

②钳工锯T8，T10等钢料比锯10，20号钢费力，锯条容易磨损。

23．钢材的切削加工性与含碳量有何关系？含碳量多少时切削加工性最好？

24．指出20，Q235，T8，60属于哪一类钢，并说出它们的含碳量是多少？

25．9SiCr，16Mn，1Cr18Ni9Ti，W18Cr4V，GCr15中的含碳量和含合金元素量是多少？

26．常用的钢铁材料有哪些分类方法？如何分类？

27．钢中杂质元素如何影响钢的性能？

28．简述合金元素对钢的性能有哪些影响。

29．说明碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢、碳素工具钢、量具刃具钢、热作模具钢、冷作模具钢的成分、性能有哪些区别？举例说明它们的牌号及用途。

30．特殊用途钢一般分成哪几种？如何能达到各自的性能？

31．防腐蚀的途径有哪几种？

32．常用不锈钢有哪几种，举例说明。加入的合金元素起何作用？

33．铸铁有哪几类？其石墨形态、性能和应用有何不同？牌号如何表示？

34．什么叫作石墨化？影响石墨化的因素有哪些？

35．变形铝合金和铸造铝合金分哪几类？其成分有哪些区别？牌号如何表示？

36．加工铜合金和铸造铜合金如何分类？牌号如何表示？

37．轴承合金起什么作用？为什么？

38．新型材料有哪些？各有何特点？

39．材料及成形工艺选用有哪些原则？为什么要有这些原则？举例说明。

40．轴类零件、齿轮类零件、箱体、机架类零件如何选择材料和加工工艺？