金属工艺学讲义

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活塞销( 20Cr )
3．合金调质钢：包括40Cr、40CrMnVB、35CrMo 等中碳合金钢，经调制处理后使用，具有良好的 综合力学性能，主要用于重要机械零件。
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4．合金弹簧钢：包括55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA 等碳含量在0.5%～0.7%、以Si、Mn为主加元素的 中高碳合金钢。
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（3）钢种、牌号
一般工程用铸造碳钢的牌号有：ZG200-400、
ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640；
焊接结构用碳素铸钢的牌号表示方法与一般
工程用铸造碳钢的牌号基本相同，所不同的是需
要在数字后面加注字母“H”，如ZG200-400H、
ZG230-450H、ZG275-485H等.
致密，成分不均匀，性能较差； （2）镇静钢（Z）：脱氧完全的钢，组织致密、
成分较均匀，性能较好。优质钢和高优质钢多为 镇静钢； （3）半镇静钢（D）：脱氧程度介于沸腾钢和 镇静钢之间。
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3.2.2碳素结构钢
1）用途 适用于一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒
钢等，可供焊接、铆接、栓接构件使用。
第三章 金属材料
学习目标 重点难点 主要内容 本章小结 思考与练习
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学习目标
了解杂质元素及合金元素在钢中的作用； 钢铁材料的生产过程。
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学习目标
能够对普通机床及常用矿井设备零件材 料进行性能分析；
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重点难点
1 掌握钢铁材料及非材料的分类、牌号和用途；
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一般是按合金钢在空冷（正火）后的不同组 织而分为珠光体钢、贝氏体钢、奥氏体钢和碳 化物等。
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3.3.2合金结构钢
合金结构钢的牌号编写方法是采用“二位数
字+合金元素符号+数字”。前面的 “二位数字”
表示合金结构钢的平均碳的质量分数的万分只之
几；后面的“数字”表示所含合金元素的平均质
量分数的百分之几。例如，60Si2Mn表示
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1．按合金元素含量分类： （1）低合金钢，钢中合金元素总含量为
WMe≤5%； （2）中合金刚，钢中合金元素总含量为
WMe≤5%～10%； （3）高合金刚，钢中合金元素总含量为WMe＞
10% 2．按合金元素种类分类
根据主加合金元素，分别称为铬钢、锰钢、 铬镍钢、铬钼钢、硅锰刚、铬镍锰钢、硅锰钼矾 钢等。
高速钢的W(C)=0.7～1.5%，但在高速钢的牌号 中不标出碳的质量分数值，如W18Cr4V钢。
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1．量具刃具钢 常用的制作量具及刃具用的合金工
具钢是9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、 Cr2钢和9Mn2V钢等，主要用来制造淬火 变形小、精度高的低速切削工具（冷剪 切刀、板牙、丝锥、铰刀、搓丝板、拉 刀、圆锯）、冷冲模、量具（量规、精 密丝杠）和耐磨零件。
杂质元素有硅、锰、硫、磷等，还有熔炼中夹杂 进入的氧、氢、氮等气体元素
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（1）硅和锰：硅和锰是炼钢后期在脱氧和合 金化时，加入钢液而残留在钢中的，是有益元素。 当硅和锰的含量不多时，对钢的性能影响不大。
（2）磷和硫：是钢中的有害元素，磷会形成 硬脆化合物Fe2P,造成“冷淬”；硫与铁生成FeS， 并形成Fe-FeS二元低熔点共晶体，造成“热淬”。
（3）氧、氢和氮：这三种气体元素也是钢中 有害气体。在高温时融入钢液，冷却时来不及逸 出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑 性、韧度和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂 纹、淬断，是必须严格控制的有害元素。
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（二）合金元素在钢中的作用
1．强化，合金元素对合金钢其有效的强化作
用；
2．稳定组织、细化晶粒；
高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料（焦炭）
和熔剂（石灰石）。
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（1）熔铁的基本过程
炼铁的基本过程包括燃料的燃烧、铁的还原
和增碳、杂质的混入、造渣等。
（2）高炉产品
高炉冶炼出的铁不是纯铁，而是含有碳、硅、
锰、硫、磷等杂质元素的合金，称为生铁。
生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不
同需要，生铁可分为两类：铸造生铁和炼钢生铁。
主要内容
第一节 钢铁材料的生产 第二节 非合金钢 第三节 合金钢 第四节 铸铁 第五节 非钢铁材料
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第一节 钢铁材料的生产
一、炼铁； 二、炼钢；
三、钢铁生产； 四、杂质元素及合金元素在钢中的作用。
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3.1.1 炼铁
生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和 铸件生产的主要原材料。
Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作 构件用。
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3.2.3 优质碳素结构钢
优质碳素结构钢对硫、磷控制较严，用于制作较重要
的机械零件；
08F 塑性好，可制造冷冲压零件；
10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及 焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；
3．提高淬透性；
4．提高抗氧化性和耐腐蚀能力。
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第二节 非合金钢
一、碳钢的分类； 二、碳素结构钢；
三、优质碳素结构钢； 四、碳素工具钢； 五、铸钢。
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3.2.1 碳钢的分类
定义：非合金钢即碳钢，是指含碳量在2.1%
以下的铁碳合金。
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（一）按碳的含量分类：
（1）低碳钢：Wc=0.08%～0.25%，塑性好，多 用作冲压、焊接和渗碳工作。
改善切削加工性，为后面淬火做组织准备。
最终热处理是淬火十低温回火。淬火温度为
780°C，回水温度为180°C，组织为回火马氏体
十粒状渗碳体十少量残留奥氏体。
手锤
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（3）性能特点
锻造及切削加工性好，价格最便宜 ；
用来制造截面较小、形状简单、切削速度低
的工具，用来加工低硬度材料。
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（三）按用途分类 （1）碳素结构钢：主要用于建筑、桥梁等工
程结构和各种机械零件； （2）碳素工具钢：主要用于各类刀具、量具
和模具如丝锥、板牙、锯条等； （3）专用钢：包括锅炉钢、船用钢、易切钢
等。
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（四）按钢液脱氧程度分类： （1）沸腾钢（F）：脱氧不完全的钢，组织不
35、40、45、50钢 经热处理后，可获得良好的综合 机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；
60、65钢 主要用来制造弹簧。
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3.2.4碳素工具钢
锉刀
（1）化学成分特点
碳的质量分数为0.65％
~1.35％；
耐磨性增加，而韧性下降
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（2）热处理特点
预备热处理为球化退火，目的是降低硬度，
和型材
（二）管材
通过成型辊把带钢弯成管行，再通过焊接滚
焊接成有缝管材；也可先用斜轧穿孔机在实心管
坯上穿孔，然后用一种特殊的方法轧制所需尺寸
的管材，通常称为无缝管材。
（三）线材
直径在6mm以下的线材多采用拉丝机生产。
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3.1.4杂质元素及合金元素在钢中的作用
（一）碳钢中常存杂质元素及其作用 碳钢中除铁以外的主要元素是碳。其它常存的
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5．滚动轴承钢：滚 动轴承是用于制造滚 动轴承的滚动体和内、
外套圈的专用结构钢。
滚珠轴承
滚针轴承
滚柱轴承
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3.3.3 合金工具钢
（1）用途：合金工具钢主要用于制造重 要的刃具、量具和模具，根据不同的使用 要求，分为量具刃具钢、耐冲击工具钢， 热作模具钢、冷作模具钢和高速工具钢等 类别。
刃
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具
（2）牌号：
当合金工具钢中W(C)＜1.0%时，牌号前的“数 字”以千分之几(一位数)表示；
当合金工具钢中W(C)≥1%时，牌号前不标出碳 的质量分数的数字。例如，9Mn2V表示W(C)=0.9%， W(Mn)=2%、W(V)＜1.5%的合金工具钢；CrWMn表示 钢中W(C)≥1.0%、W(Cr)＜1.5%、W(W)＜1.5%、 W(Mn)＜1.5%的合金工具钢；
4CrW2Si钢、5CrW2Si钢、6CrW2Si钢等。此类钢一
般需要经过淬火加中温回火后使用。
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3．热作模具钢
热作模具主要是指热锻模、压铸模、热挤压
模等。
常用的制作热作模具的合金工具钢有：
5CrNiMo钢、5CrMnMo钢、3Cr2W8V钢、8Cr3钢等。
此类钢一般需要调质处理或淬火加中温回火后使
制作量具及刃具用的合金工具钢的 热处理工艺是：锻造后进行球化退火， 加工零件后进行淬火，淬火冷却介质一 般用油或盐浴进行马氏体分级淬火或贝 氏体等温淬火，淬火后再进行低温回火
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量具
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2．耐冲击工具钢
耐冲击工具主要是指风动工具、金属冷剪刀
片、铆钉冲头、冲孔冲头等。
常用的制作耐冲击工具的合金工具钢有：
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3.按主要用途分类： （1）合金结构钢：用于强度、塑性和韧度要
求较高的建筑工程结构和各种机械零件。 （2）合金工具钢：用于硬度、耐磨性和热硬
性等要求高的各种刀具、工具和模具。 （3）特殊性能钢：包括要求特殊物理、化学
或力学性能的各种不锈钢、耐热钢、耐磨钢、 磁钢、超强钢等。 4.按金相组织分类：
金属工生铁中含有较多的杂质，使得生铁的
性能常常不能满足加工和使用的需要。炼钢的本
质是利用氧化的办法清除生铁中的硅、锰、硫、
磷等杂质和过量的碳，使化学成分达到标准规定
的要求，从而改善其性能。
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（一）炼钢的基本过程
1．氧化过程
2
（二）炼钢方法如表所示：
1．转炉炼钢法
（2）中碳钢：Wc=0.25%～0.60%，强度和韧度 均较高，热处理后有良好的的综合力学性能，多 用于要求良好强韧度的各种重要结构零件。
（3）高碳钢：Wc=0.60%～1.40%，硬度较高， 多用作工具、模具和量具等工件。
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（二）按质量分类（质量划分主要按有害杂质元素 硫和磷的含量来划分） （1）普通钢：钢中S≤0.050%，P≤0.045%； （2）优质钢：钢中S≤0.035%，P≤0.035%； （3）高级优质钢：钢中S≤0.030% P≤0.030%；
（4）钢种、牌号与用途
T7、T8：硬度较高、韧性较高，可制造冲头
等工具。
T10：硬度高，韧性适中，可制造丝锥、手锯 条等刃具及冷作模具等。
T12：硬度很高，韧性较低，可制作锉刀、刮
刀等刃具及量规、样套等量具。
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3.2.5 铸钢
（1）化学成分特点
铸钢是含碳量Wc=0.15%～0.60%铸造碳钢，其
牌号为ZG后面加两组数字组成，第一组数字代表
屈服点的最低值，第二组数字代表抗拉强度的最
低值。例如，ZG200-400表示屈服点≥200MPa，抗
拉强度≥400MPa的一般工程用铸造碳钢。
（2）用途
铸钢一般用作形状较复杂而难于锻压成型， 但对强度、韧度要求较高的工件，如齿轮拔叉、 大型齿轮、压力机械基座等。
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第三节 合金钢
一、合金钢的分类； 二、合金结构钢；
三、合金工具钢； 四、特殊性能钢；
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3.3.1合金钢的分类
定义： 在碳素钢的基础上，为了改善钢的组
织和性能，在冶炼时有意加入某些元素所获得的
钢种，叫合金钢。
常用的合金元素有：Si(>0.4%)、Mn(>0.8%)、
Cr、Mo、W、V、Ti、Co、Al、Ni等
W(C)=0.60%、W(Si)=2%、W(Mn)＜1.5%的合金结构
钢。
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1．低合金结构钢：一 般是在低碳钢的基础上加 入少量合金元素 （WMe≤3%）而形成的合 金钢。广泛用于桥梁、造 船、建筑、石油、化工、 铁道等部门。
万吨远洋轮
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2．合金渗碳钢：包 括20Cr、20CrMnTi、 20MnVB等低碳合金钢。
2
炼钢方法 热 源 主要原料
主要特点
氧气转炉 电弧炉
氧化反应的 化学热
电能
生铁、废 钢
冶炼速度快，生产率高，成本 低。钢的品种较多，质量较好，适
合于大量生产
炉料通用性大，炉内气氛可以
废钢
控制，脱氧良好，能冶炼难熔合金
钢。钢的质量优良，品种多样
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3.1.3 钢铁生产
（一）板材和型材
生产中。将钢锭通过一系列轧机扎制成板材
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2）成分特点和钢种 普通碳素结构钢平均碳的质量分数为0.06％～
0.38％ 。
Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一 定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可 用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、 螺帽、铆钉等。
Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。