金属材料及加工工艺学

合金渗碳钢
20Cr、20Mn2B、20MnVB、20CrMnTi、 12Cr2Ni4、20Cr2Ni4A
合金调质钢
45Mn2、40Cr、35CrMo、30CrMnSi、 40MnVB、30CrMnTi
合金弹簧钢 65、65Mn、60Si2Mn、50CrVA
滚动轴承钢 GCr15及GCr15SiMn
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第四节、合金工具钢 合金工具钢与碳素工具钢相比，具有淬透性、耐磨性好、红硬性 高，热处理变形小等优点。按用途分为合金刃具钢、合金模具钢。合 金量具钢。
一、合金刃具钢 性能： 1、高的硬度 刃具的硬度要高于被加工材料的硬度，才能进行切削， 一般切削金属的刃具硬度都在HRC60以上，含碳量在0.8~1.4%范围 内。 2、高的耐磨性 刃具的耐磨性高，才能提高刃具的寿命和使用效率。 3、高的红硬性 刃具在切削所处的高温条件下仍能保持高的硬度。 4、足够的强度和韧性 在各种形式的工作条件下，刃具承受着不同 程度的外力和冲击，因此要求具有一定的强度和韧性，以防止脆性断 裂和崩刃。
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三、塑 性 金属材料在载荷作用下产生变形而不破坏，当载荷去除后，仍能 使其变形保留下来的性能叫做塑性。这种载荷去除后能保留的永久变 形叫做塑性变形。热加工的锻造生产等就是利用了金属材料具有塑性 的特性。 一般说来，大多数钢的塑性都较好，可以采用较大的变形量进行 轧制和锻造。合金钢的塑性较差，在轧制或锻造时，变形量不能选择 的太大，以免引起钢材破裂。铸铁的塑性几乎等于零，所以铸铁不能 进行锻造、轧制等压力加工。金属材料的塑性越好，在外力作用下产 生塑性变形的能力就越大。 金属材料的塑性是通过对试样进行拉伸试验来测定的。它用长度 延伸率δ和断面收缩率ψ这两个指标来表示。
第一节、合金元素在钢中的作用 合金元素在钢在的作用，简要介绍如下：
1、锰（Mn） Mn能提高钢的强度、硬度、淬透性及耐磨性。缺 点是含Mn较高时，有较明显的回火脆性，并有促进晶粒长大的作用， 对过热较为敏感。
2、硅（Si） Si能提高钢的硬度、疲劳极限、耐蚀性及抗氧化性。 Si与Mn配合使用性能较好，一些优质钢，大都是加入以Si、Mn元素为 主的合金钢。
3、铬（Cr） Cr能提高钢的淬透性和强度，具有良好的抗氧化性 和耐磨蚀能力，是不锈钢的主要成分。
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4、镍（Ni） Ni能提高钢的淬透性。镍与铬配合使用，性能良 好，能提高钢的强度、韧性和耐热性。
5、钨（W） W能提高钢的硬度和耐磨性，使钢具有良好热强 性和红硬性。
6、钼（Mo） Mo能增加淬透性及热强性。 7、钒（V） V有较好的细化晶粒的作用，使钢的强度和韧性 同时得到改善，提高钢的耐磨性及回火稳定性。 8、磞（B） B能显著提高淬透性。 9、铝（Al） Al可以细化晶粒，提高钢的抗氧化性能。 10、稀土元素（Re） 稀土元素对冶炼和铸造有良好的作用， 作为微量元素加入钢中，有特殊的效果。如能去除钢中的有害杂质、 细化晶粒等。它还能提高钢的冲击韧性、塑性，改善钢的特殊性能， 如耐热、耐蚀、抗氧化性等。稀土元素是一个族，共有17种元素， 在合金钢中常用的有镧、铈、镨等。 合金钢如不经过热处理，它的机械性能比碳素钢提高不多，只有 经过热处理后，才能显著提高其综合机械性能和特殊性能。
镇静钢——钢液在浇注前经过完全脱氧，凝固时不沸腾，称为镇 静钢。这种钢的钢锭结构致密，质量较高，但成材率较低。
半镇静钢——脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。
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三、按钢的质量分类
碳钢质量的高低，主要是根据钢中杂质S、P的含量来划分， 分为以下三种：
普通碳素钢——钢中S、P含量允许较高，S低于0.055%，P 小于0.045%；
金属从固体状态向液体状态转变时的熔化温度称为熔点。熔点一般用 摄氏温度（℃）表示。每种金属和合金都有自己的熔点。
钢和生铁虽然都是由铁和碳这两种元素组成的合金，但是由于钢和生 铁的含碳量不同，所以它们的熔点也不同。 （三）热膨胀性
热膨胀性是指金属材料受热时，它的体积会增大，冷却时则收缩的一 种性能。
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第二章 碳素钢
第一节、 碳素钢的分类 一、按钢的含碳量分类
低碳钢——含碳量小于0.25%（含碳量小于0.04%时称为工业纯 铁）；
中碳钢——含碳量在0.25~0.60% ； 高碳钢——含碳量大于0.60%。
二、按脱氧方法分类
沸腾钢——在熔炼末期，钢液仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，由于 脱氧不安全，故在钢液中还残留有相当的FeO。在浇注凝固过程中，由 于碳和FeO发生反应，钢液中不断地析出CO而沸腾，故称为沸腾钢。 但是，沸腾钢的成分偏析大，组织不致密，性能不均匀，冲击韧性较 差，所以机械性能要求高的零件，不宜采用沸腾钢制造。
第四节、碳素工具钢 碳素工具钢采用代号T及附在后面的数字来编号，数字表 示钢中的平均含碳量，以0.1%为单位。如T8表示平均含碳量 为0.8%，其钢号写成T8。
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第三章、合金钢
合金钢，就是在钢的基础上，为了获得特定的性能，有目的的加入 一种或多种元素的钢，加入的元素称为合金元素。
目前常用的合金元素有硅（Si＞0.4%）、锰（Mn＞0.8%）、铬 （Cr）镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铝 （Al）、磞（B）及稀土元素（Re）等。
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第二节、碳素结构钢 碳素结构钢在使用中主要用来承受载荷，要求有较高的强度、塑 性和韧性。按照钢的质量，一般将碳素结构钢分成普通碳素结构钢和优 质碳素结构钢两种。
一、普通碳素结构钢
甲类 普通碳素结构钢 乙类
特类 在生产实际中，还在普通碳素结构钢的基础上发展了一些专用钢。 普通碳素结构钢的价格比较便宜，在能够满足性能要求的情况下，应优 先采用。 （一）甲类钢（即A类钢）
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二、化学性能 化学性能，主要是指金属材料在室温或高温条件下抵抗氧气和腐 蚀性介质对其化学侵蚀的能力。金属材料的化学性能一般包括耐腐蚀 性、抗氧化性和化学稳定性等。
第二节、金属的机械性能及其试验 金属材料的机械性能，包括强度、弹性。塑性、硬度、韧性、疲 劳强度等。 金属材料由于受到外力作用而产生的形状称为变形。材料受到的 外力称为载荷（或称负荷、负载）。载荷因其作用性质的不同，可以 分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。 1、静载荷 是指大小不变或变动很慢的载荷。 2、冲击载荷 是指突然增加的载荷。 3、交变载荷 是指大小或方向作周期性变换的载荷。 材料受载荷作用后的变形，可以分为拉伸、压缩、剪切、扭转和弯 曲等。图1-1为金属材料在不同载荷作用下的变形。图1-2为铆钉受剪 切载荷的情况。
这类钢按机械性能供应。其钢号A0，A1，A2，A3·······A7，数字越大，其 屈服强度（σb）和抗拉强度（δb）越大，而延伸率（δ）越小。 可用来制作铆钉、螺钉、螺母、轴套、轴承垫等。
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（二）乙类钢Leabharlann 这类钢按化学成分供应，其钢号为B0、B1、B2、B3······B7，
数字越大，其含碳量越高。 这类钢轧制成槽钢、角钢、扁钢、带钢、棒钢、钢丝等种类。
一、普通含锰量的优质碳素结构钢 含碳量小于0.25%的优质碳素结构钢，含锰量在 0.35~0.6%的范围内；含碳量大于0.25%的优质碳素结构钢， 含锰量在0.50~0.80%的范围内。
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优质碳素结构钢的平均含碳量用两位数字表示，以0.01% 为单位。例如20号钢，表示平均含碳量为0.20%的钢，读作 20号钢。钢号写成20号。
四、拉 伸 试 验 拉伸试验是将一定形状和尺寸的标准式样（图1-3），安放在拉 伸试验机上，然后施加缓慢递增的轴向拉力（即力由零开始，缓慢、 均匀地增加到某一数值），随着载荷增加，试样逐渐产生伸长变形， 直到拉断为止。
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第二节、金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料加工的性能，包括铸造性、锻压性、焊接性、切 削加工性。热处理性等。 （一）铸造性 金属能否用铸造方法制成优良铸件的性能，包括金属的液态流动性，冷 却时的收缩率的偏析倾向等。 （二）锻压性 金属能否用锻压方法制成优良锻压件的性能。锻压件一般与材料的塑性 及其塑性变形抗力有关。 （三）焊接性 金属是否容易用一定的焊接方法焊成优良接头的性能。焊接性好的金属 能获得无裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有一定的机械性能。 （四）切削加工性 金属材料是否易被刀具切削的性能，称为切削加工性。切削加工性能好 的金属，刀具磨损小，切削用量大，表面光洁度好。 （五）热处理工艺性 主要是指金属材料在热处理中的可淬硬性和获得淬透层深度的能力（即 淬透性）
（三）特类钢 它是根据用户提出的要求供应的，既要保证化学成分，又
要保证机械性能。实际生产中很少用这类钢。其钢号为C2、C3、 C4、C5等。
第三节、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是按化学成分和机械性能供应的。钢中 的硫、磷及非金属夹杂物的含量较少，表面质量、组织结构的 均匀性能较好，常用于需要经过热处理的各种较重要的机械结 构零件。
例如： 40Cr（或40铬）含有0.40%C；其Cr元素含量为0.8~1.10%，
因小于1.5%，所以只标元素，不标含量。 60Si2Mn（或60硅2锰）表示含有0.60%C；Si元素约为2%；
Mn元素少于1.5%，所以只标锰的元素符号，不标含量。
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含硫、磷较低的高级优质合金钢，则在钢号最后加符号A或高字。 如20Cr2Ni4A。
合金工具钢的编号与合金结构钢的区别，仅在于平均含碳量≥1% 时不予标出，小于1%时以千分之几表示，即采用“一位数字+元素 符号+数字”的表示方法。如9Mn2V，表示含有0.9%C、约2%Mn、 ＜1.5%V。
特殊用途钢的编号方法基本上与合金工具钢相同。如2Cr13，表 示含有0.20%C、13%Cr的不锈钢，其含碳量≤0.12%，但在钢中不 表示出来。
优质碳素钢——钢中S、P含量允许较低，S低于0.045%， P小于0.040%；
高级优质碳素钢——钢中所含S、P杂质很低，S含量应小 于0.03%，P应小于0.035%。