知识点二 常用金属材料《金属加工与实训》四川省（中等职业技术学校对口升学）装备制造类 知识点讲解

四川省装备制造大类对口升学金属加工与实训复习讲义 专题二 常用金属材料 【考纲要求】 （1）了解各类工程材料的定义和分类，并了解工程材料的性能特点； （2）掌握常用工程材料的使用范围； 【知识网络】 图2—1 【知识和技能要点】 考点1 钢铁材料（碳素钢、合金钢、铸铁）（识记） 金属加工中所用的金属材料多种多样，有的重、有的轻、有的硬、有的软、有的脆、有的韧，为了能选用合适的金属材料制造合格的零件，需要了解金属材料的种类及其应用。在金属加工中，人们把金属材料分为钢铁材料（黑色金属）和非铁金属（有色金属），如图2—1所示。在机械制造业中，钢铁是主要的金属材料。钢铁材料也称为铁碳合金材料，通常情况下，碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢（又叫非合金钢、低合金钢、合金钢），简称碳钢。由于碳钢 具有一定的力学性能和良好的工艺性能，且价格低廉，因此碳钢是工业中用量最大的金属材料，在机械制造、建筑及交通运输工业中得到广泛应用。 钢铁是钢和铸铁的统称，又称黑色金属。 钢是以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。 根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。 铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，碳的质量分数为2.11%通常是钢和铸铁的分界线。 一、钢的分类 （1）根据钢中碳的质量分数的多少，可分为低碳钢（Wc<0.25%）、中碳钢（0.25%≤Wc0.60≤%）和高碳钢（Wc>0.60%）。 （2）根据钢中有害杂质硫、磷含量的多少，可分为普通质量钢（Ws≤0.05%,Wp≤0.045%）、优质钢（Ws≤0.035%,Wp≤0.035%）和高级优质钢（Ws≤0.02%,Wp≤0.03%）。 （3）根据钢的用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢。前者主要用于制作各种机器零件和工程结构件，一般属于低碳钢和中碳钢；后者主要用于制作各种量具、刃具和模具等，一般属于高碳钢。 注意：公式符号Wc、Ws、Wp分别代表碳、硫、磷的质量分数，是材料学标准标注方式。 二、碳钢 （1）碳素结构钢。碳素结构钢的牌号是由代表钢材屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成的。 牌号拆解示例： 以Q235AF为例： Q：代表屈服强度（首字母）； 235：代表屈服强度为235MPa； A：代表质量等级为A级； F：代表沸腾钢。（其中F表示沸腾钢、Z表示镇静钢、TZ表示特殊镇静钢） （2）优质碳素结构钢。优质碳素结构钢中磷、硫有害杂质的含量较低，广泛用来制造较重要的机器零件，其牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳的质量分数（万分之几）。例如，45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45%。 中碳钢：综合力学性能较好，可用于制造受力较大的零件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、活塞销等。 高碳钢：有较高的强度、弹性和耐磨性，主要用于制造凸轮、车轮、板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳等。 低碳钢：一般常用的有15钢和20钢。这些低碳优质碳素结构钢经渗碳淬火后，心部强度、韧性不足，因此只能用来制造承受载荷较小、形状简单、不太重要，但要求耐磨的小型零件。 （3）碳素工具钢。碳素工具钢中碳的质量分数一般为0.65%到1.35%之间。根据钢中有害杂质硫、磷的含量，碳素工具钢分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢，其编号是在T（碳）字母后面附以数字，表示钢中碳的质量分数平均为千分之几，碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能等如图2-2所示。 （4）铸钢。铸钢碳的质量分数一般为0.15%～0.60%。在生产中，有些形状复杂的零件很难用锻压方法成形，用铸铁又难以满足性能要求，此时可采用铸钢。铸钢件均需进行热处理。其牌号冠以“铸钢”两字的汉语拼音字首“ZG”，后面有两组数字，第一组表示屈服强度，第二组表示抗拉强度。如牌号ZG310-570表示屈服强度为310MPa，抗拉强度为570MPa的工程铸钢。常用的铸钢有ZG200-400、ZG230-450等。 三、低合金钢的分类、牌号及用途 1.低合金钢的分类 按主要质量等级，低合金钢可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合 金钢。 按主要性能及使用特性，低合金钢可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金专业用钢。 2.低合金钢的牌号及用途 （1）低合金高强度结构钢的牌号及用途。牌号由代表屈服强度的汉语拼音首位字母、屈服强度数字、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序组成。例如，Q390A表示屈服强度大于等于390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。Q295HP表示焊接气瓶用钢、Q345R表示压力容器用钢、Q390g表示锅炉用钢、Q420q表示桥梁用钢、06TiL表示汽车用低合金钢、20MnSi表示低合金钢筋钢、20MnK表示矿用低合金钢等。 低合金高强度结构钢与非合金钢相比具有较高的强度、韧性、耐腐蚀性及良好的焊接性，广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、高压容器、输油输气管线、建筑钢结构等。 （2）低合金耐候钢的牌号及用途。 ①焊接结构用耐候钢的牌号由“Q+数字+NH”组成，其中“Q”是“屈”字汉语拼音首字母，数字表示最低屈服强度数值，字母“NH”是“耐候”两个字的拼音首字母，牌号后缀质量等级代号（C、D、E）。 例如，Q355NHC表示屈服强度大于355MPa，质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。此类耐候钢适用于桥梁、建筑及其他要求耐候性的钢结构。 ②高耐候性结构钢的牌号由“Q+数字+GNH”组成。与焊接结构用耐候钢不同的是“GNH”为“高耐候”三字汉语拼音首字母。如Q345GNHL钢。此类耐候钢适用于机车车辆、建筑、塔架和其他一些要求高耐候性的钢结构。 四、合金钢的分类、牌号及用途 1.合金钢的分类 ①按主要质量等级，合金钢可分为优质合金钢和特殊质量合金钢。 ②按主要性能及使用特性，合金钢可分为工程结构用合金钢（如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等），机械结构用合金钢（如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等），不锈、耐蚀和耐热钢（如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等），工具钢（如合金工具钢、高速工具钢），轴承钢（如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等），特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢，其他，如铁道用合金钢等。 2.合金钢的牌号 我国合金钢的牌号是按照合金钢中平均碳的质量分数和合金元素种类（元素符号）及其质量分数来编制的。一般牌号的首部是表示其平均碳的质量分数的数字，数字含义与优质碳素结构钢是一致的。对于结构钢，数字表示平均碳的质量分数的万分之几；对于工具钢，数字表示碳的质量分数千分之几。当合金钢中某合金元素（Me）的质量分数小于1.5%，牌号中只标出合金元素符号，不标明其含量；当合金元素的质量分数为大于1.5%，小于2.5%时，在该合金元素后面相应地用整数“2”表示其平均质量分数；当合金元素的质量分数为大于2.5%，小于3.5%时，在该合金元素后面相应地用整数“3”表示其平均质量分数，以此类推。 ①合金结构钢的牌号。例如，60Si2Mn表示，，%的合金结构钢；09Mn2表示，%的合金结构钢。 ②合金工具钢的牌号。当钢中时，牌号前数字以千分之几（一位数）表示；当时，为了避免与合金结构钢混淆，牌号前不标数字。例如，9Mn2V表示，，%的合金工具钢；CrWMn表示钢中，%，%，的合金工具钢；高速工具钢牌号不标出碳的质量分数，如W18Cr4V钢。 ③滚动轴承钢的牌号。滚动轴承钢牌号前面冠以拼音字母 “G”，其后为铬元素符号Gr，铬的质量分数以千分之几表示，其余合金元素与合金结构钢牌号的规定相同。例如，GCr15SiMn表示滚动轴承钢。 ④不锈钢和耐热钢的牌号。不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当%时，推荐取两位小数；当%时，推荐取3位小数。例如，10Cr17Mn9Ni4N钢、022Cr17Ni7N钢等。 3.合金钢的用途 ①高锰耐磨钢常用于制造坦克和拖拉机的履带板、球磨机衬板、挖掘机铲齿、破碎机牙板、铁路道岔等。常用的高锰耐磨钢牌号有：、、、和等。 ②合金渗碳钢常用于制造渗碳零件。如轴、活塞销、汽车用齿轮等重要零件，要求表面具有高硬度（）和高耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性。常用的合金渗碳钢牌号有：、、、等。 ③合金调质钢是在中碳钢（、、、、钢）的基础上加入一种或数种合金元素，以提高淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的钢。常用来制造负荷较大的重要零件，如机床主轴、发动机轴、车轴、连杆及传动齿轮等。常用合金调质钢的牌号有：、、、、等。 ④合金弹簧钢可用来制造截面面积较大、屈服强度较高的重要弹簧。常用合金弹簧钢牌号有：、、、、等。 ⑤滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承中的钢球、钢柱、钢针及套圈（内圈和外圈），也可用来制造高耐磨性的量具、模具、低合金刀具等。常用的滚动轴承钢牌号有：、、等。 ⑥合金工具钢用于制作重要的刃具、量具、耐冲击工具和模具。常用于制作刃具、量具的合金工具钢有：、、、、钢等，一般需要淬火加低温回火后使用，热处理后变形小，具有高硬度和高耐磨性。常用的制作耐冲击工具的合金工具有：4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si钢等。此类工具不仅具有高硬度和高耐磨性，且具有良好的冲击韧性。一般需淬火加中温回火后使用。常用的制作冷作模具的合金工具有：Cr12MoV、Cr12、9Mn2V、CrWMn钢等。此类模具具有高硬度和高耐磨性，且具有一定的冲击韧性和抗疲劳性。一般需要淬火加低温回火后使用。常用的制作热作模具的合金工具有：5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V、8Cr3钢等。此类模具不仅具有高硬度、较好的韧性和耐磨性，而且具有较好的抗热疲劳性能。一般需要调质处理或淬火加中温回火后使用。常用的高速工具有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V2Co8钢等。 ⑦不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬的质量分数至少为10.5%，碳的质量分数最大不超过1.2%的钢。常用的不锈钢主要是铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。 ⑧耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢。钢的耐热性包括钢在高温下具有抗氧化性（热稳定性）和高温热强性（蠕变强度）两个方面。例如，26Cr18Mn12Si2N、22Cr20Mn10Ni2Si2N钢等用于制造各种加热炉内结构件、渗碳炉构件、加热炉传送带料盘、燃气轮机的燃烧室等。 ⑨特殊物理性能钢是指具有特殊磁性、电性、弹性、膨胀性等物理性能的钢，包括：永磁钢、软磁钢、无磁钢、高电阻钢及其合金。 永磁钢（硬磁钢）是指钢材被磁化后，除去外磁场后仍然具有较高剩磁的钢材。永磁钢主要用于制造无线电及通信器材中的永久磁铁装置以及仪表中的马蹄形磁铁。 软磁钢（硅钢片）是指钢材容易被反复磁化，并在外磁场除去后磁性基本消失的钢材。软磁钢常用于制作电动机的转子与定子、变压器、继电器等。 无磁钢是指在电磁场作用下，不引起磁感或不被磁化的钢材。无磁钢常用于制作电机绑扎钢丝绳和护环，变压器的盖板，电动仪表壳等。 五、铸铁的分类、牌号及用途 铸铁是碳的质量分数，在凝固过程中经共晶转变，含有较高硅元素及杂质元素的铁基合金的总称。铸铁具有良好的铸造性能、耐磨性、减磨性、减振性和切削加工性。铸铁由于强度低，塑性和韧性较差，不能进行锻造、轧制、拉丝等成形加工。常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等。 1.铸铁的分类 ①白口铸铁。碳主要以游离渗碳体形式出现的铸铁，由于断口呈银白色，故称为白口铸铁。 ②灰铸铁。灰铸铁中的碳大部分以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色，常用来制造机器的底座、支架、工作台、减速箱箱体、阀体等。灰铸铁的牌号由 “HT+数字”组成。其中“HT”表示“灰铁”，数字表示其最低抗拉强度的值。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。灰铸铁的牌号、铸件壁厚、力学性能及用途可查机械材料手册。 ③球墨铸铁我国球墨铸铁的牌号中的“QT”是“球铁”两字汉语拼音的第一个字母，后面数字分别是单铸试块的抗拉强度和伸长率。球墨铸铁因其力学性能接近于钢，铸造和其他一些性能优于钢，因此在机械行业中已得到了广泛地应用，在部分场合已成功地取代了铸钢件或锻钢件，用来制造一些受力较大、受冲击和耐磨损的铸件。 ④可锻铸铁。可锻铸铁是一种历史悠久的铸铁材料。它是由一定化学成分的铁水浇注成白口坯件，经高温退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。与灰铸铁相比，可锻铸铁具有较高的力学性能，尤其是塑性和韧性较好。但必须指出，可锻铸铁实际上是不能锻造的。可锻铸铁主要用于薄壁、复杂小型零件的生产，铸造时容易获得全白口的坯件。由于它生产周期长，需要连续退火设备，因此在使用上受到一定限制，有些可锻铸铁零件被球墨铸铁代替。 ⑤蠕墨铸铁。蠕墨铸铁是20世纪70年代发展起来的一种新型铸铁，因其石墨很像蠕虫而得名。蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间，它的抗拉强度、延伸率、疲劳强度均优于灰铸铁，铸造性能、减振性能、切削加工性均优于球墨铸铁。 蠕墨铸铁主要用于制造气缸盖、气缸套、钢锭模、液压件等零件。 【知识和技能要点】 考点2 非铁金属（又叫有色金属及其合金）（识记） 常用的非铁金属有铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、滑动轴承合金、硬质合金等。 一、铝及铝合金的分类、牌号及用途 纯铝有良好的导电性、导热性和塑性，但强度低，主要用来制造导电零件。在纯铝中加入硅、铜、镁、锰等合金元素，即可制成机械性能较高的铝合金。铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金，后者又可分为硬铝、锻铝和防锈铝等。铝合金广泛用于制造轻质零件。 1.变形铝合金的牌号和用途 表2—3所示 2.铸造铝合金的牌号和用途 铸造铝合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系合金等。例如，ZAlSi12，表示 ，的铸造铝合金。铸造铝合金主要用于制作质量轻、导热性好、耐腐蚀的汽缸体、箱体、活塞、框架、壳体等零件。 二、铜及铜合金的分类、牌号及用途 纯铜又叫紫铜，具有良好的导电性、导热性和塑性，熔点较高，但强度低，多用来制造导电零件。铜与锌的合金叫黄铜。黄铜有较好的机械性能和抗蚀性，用来制造螺钉、管接头和冲压件等。铜与除锌镍以外的元素所构成的合金统称青铜。青铜分为锡青铜和无锡青铜。锡青铜有良好的耐磨性和抗蚀性，用来制造轴承、蜗轮等耐磨性要求高的零件。无锡青铜是锡青铜的代用品，价格低廉，而且强度较高。如图2-4所示 图2—4 三、钛及钛合金的分类、牌号及用途 1.纯钛的牌号和用途。工业纯钛（加工钛）的牌号用“TA+顺序号”表示，有TA1、TA2、TA3、TA4四个等级牌号，顺序号越大，杂质含量越多。纯钛在航空部门用于制造飞机骨架、蒙皮、发动机部件；在化工部门用于制造热交换器、泵体、搅拌器等；制造海水净化装置及舰船零部件。 2.加工钛合金按其使用组织状态的不同，可分为α型钛合金、β型钛合金和（α+β）型钛合金。α+β型钛合金可以适应各种不同的用途，是目前应用最广泛的一种钛合金。 例如，α+β型钛合金（TC4）一般用于制造使用温度在400℃以下和低温下工作的结构零件，如火箭发动机外壳、航空发动机压气机叶片、火箭和导弹的液氢燃料箱部件等。 四、滑动轴承合金的分类、牌号 滑动轴承合金是用于制造滑动轴承中内衬或轴瓦的铸造合金。 1.滑动轴承合金的分类和牌号。滑动轴承合金有锡基、铅基、铜基、铝基等。 滑动轴承合金牌号由字母“Z＋基体金属元素符号＋主添加合金元素的化学符号＋数字＋辅添加合金元素的化学符号＋数字”组成。其中“Z”是“铸”字汉语拼音首字母。例如，ZSnSb11Cu6表示平均锑的质量分数为11%、铜的质量分数为6%、其余锡的质量分数为83%的锡基滑动轴承合金。 2.滑动轴承合金的用途。①锡基滑动轴承合金（锡基巴氏合金）常用于制造重要滑动轴承，如制造汽轮机、发动机、压缩机等高速滑动轴承。常用的锡基滑动轴承合金有ZSnSb8Cu4、ZSnSb11Cu6、ZSnSb4Cu4等。 ②铅基滑动轴承合金（铅基巴氏合金）适用于中等负荷的低速轴承，如汽车、拖拉机、轮船的曲轴滑动轴承，电动机、空压机、减速器的滑动轴承等。常用的铅基滑动轴承合金有ZPbSb16Sn16Cu2、ZPbSb15Sn10等。 ③铜基滑动轴承合金（锡青铜和铅青铜）广泛用于制造高速、重载荷下工作的发动机滑动轴承，如航空发动机、大功率汽轮机、柴油机等高速机器的主动轴承和连杆滑动轴承，如锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜等均可作为滑动轴承材料。 ④铝基滑动轴承合金广泛用于高速重载汽车、拖拉机及柴油机滑动轴承。常用的铝基滑动轴承合金有铝锑镁合金和铝锡合金，如高锡铝基滑动轴承合金ZAlSn6Cu1Ni1。 五、硬质合金的分类、牌号和用途 1.硬质合金性能特点。硬质合金是由作为主要组元的一种或几种难熔金属碳化物和金属黏结剂组成的烧结材料。硬质合金的硬度高（最高可达92HRA），高于高速钢（63～70HRC）；热硬性高，在800～1000℃时，硬度可保持在60HRC以上，远高于高速钢（500～650℃）；耐磨性好，比高速钢要高15～20倍。硬质合金的抗压强度高（比高速钢高，可达6000MPa），但抗弯强度低（只有高速钢的1/3～1/2）；冲击吸收能量K较低，仅为1.6～4.8J，为淬火钢的30%～50%；线膨胀系数小，导热性差。 2.硬质合金的分类、代号和用途。硬质合金按用途范围不同，可分为切削加工用硬质合金，地质、矿山工具用硬质合金，耐磨零件用硬质合金。切削加工用硬质合金包括长切屑加工用硬质合金、长切屑或短切屑加工用硬质合金、短切屑加工用硬质合金。其代号分别用英文字母P、M、K 表示，并在其后缀以两位数组10、20、30等构成组别号，如P20、M30、K10。根据需要还可在两个组别号之间插入一个中间代号，以中间数字15、25、35 等表示；如果需要再细分时，则可在组代号后加一位阿拉伯数字 1、2、3 等或英文字母作为细分号，并用小数点“”隔开，以区别组别中的不同代号。 在机械制造中，硬质合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具及耐磨零件。 【练习题】 一、单项选择题 1.下列属于黑色金属的有（ ）。 A.钢 B.铝 C.黄铜 D.铁 2.Q235—AF中的235是指（ ）。 A.序号 B.屈服硬度 C.抗拉硬度 D.最大硬度 3.普通黄铜是由（ ）两种金属元素组成的合金。 A.铜、锌 B.铜、镍 C.铜、硅 D.锌、镍 4.牌号GCr15中Cr的质量分数为（ ）。 A.15% B.1.5% C.0.015% D.0.15% 5.铸铁碳的质量分数为。（ ） A.大于2.11% B.0.25% C.0.60% D.小于2.11% 二、判断题 1.有色金属是应用最广、用量最大的金属材料。（ ） 2.渗碳主要用于中碳钢和低碳合金钢。（ ） 3.ZG310—570表示屈服强度为310MPa，抗拉强度为570MPa的工程铸钢。（ ） 4.高碳钢的质量优于中碳钢，中碳钢的质量优于低碳钢。（ ） 5.40Cr是常用的合金调制钢之一。（ ） 三、多选题 1.以石墨形式存在的铸铁有（ ）。 A.白口铸铁 B.灰铸铁 C.球墨铸铁 D.可锻铸铁 E.蠕墨铸铁 2.为下列零件正确选材：机床主轴（ ）；汽车与拖拉机的变速齿轮（ ）；拖拉机履带板（ ）。 A.20CrMnTi B.40Cr C.ZGMn13-3 D.GCr15 E.60Si2MnA 3.下列属于合金工具钢的是（ ）。 A.9SiCr B.W18Cr4V C.45Cr D.5CrW2Si E.10Cr17 4.铜合金按化学成分可分为（ ）。 A.黄铜 B.白铜 C.青铜 D.紫铜 5.在机械制造中，硬质合金主要用于制造（ ）。 A.切削刀具 B.量具 C.冷作模具 D.耐磨零件 四、填空题 1.非合金钢按钢中碳的质量分数可分为 、 、 三类。 2.T12A按用途分类，属于 钢，按碳的质量分数分类，属于 钢，按主要质量等级分类，属于 钢。 3.模具分为 作模具和 作模具，3Cr2W8V钢属于 模具。 4.常用合金铸铁有 铸铁、 铸铁、 铸铁等。 5.特殊物理性能钢包括 钢、 钢、 钢、 钢等。 【答案】 一、单项选择题 1——5 ABABA 二、判断题 1——5 XX√X√ 三、多项选择题 1.BCDE 2.ABC 3.ABD 4.ABC 5.ABCD 四、填空题 1.低碳钢 中碳钢 高碳钢 2.碳素工具 高碳 高级优质碳素工具 3.冷 热 热作 4.耐热 耐磨 耐蚀 5.永磁 软磁 无磁 特殊弹簧 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $