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第一章 金属材料基础知识
第一节、常用材料比重和合金元素符号
材 料 名 称 灰口铸铁 可锻铸铁 钢材 铸钢 低碳钢(含碳0.1%) 中碳钢(含碳0.4%) 高碳钢(含碳1%) 高速钢(含钨9%) 高速钢(含钨18%) 不锈钢(含铬13%) 紫铜 黄铜 铝合金 锡基轴承合金 铅基轴承合金 铁Fe 铜Cu 铝Al 钛Ti 锌Zn 铅pb 铍Be 稀土RE 钨W 钴Co 钽Ta 比 重 (克/厘米2) 6.8 ~7.2 7.2 ~7.4 7.85 7.8 7.85 7.82 7.81 8.3 8.7 7.75 8.89 8.4 ~8.85 2.67 ~ 2.85 7.34 ~7.75 9.33 ~10.67 7.87 8.9 2.7 4.51 7.14 11.34 1.85 19.3 8.9 16.6 材 料 名 称 YG类硬质合金(钨钴) YT类硬质合金(钨钛钴) 汞Hg 锰Mn 铬Cr 钒V 钼Mo 铌Nb 银Ag 金Au 铂Pt 钾k 钠Na 钙Ca 硼B 硅Si 镁Mg 镍Ni 锡Sn 锑Sb 磷P 硫S 碳C 氮N 氧O 氢H 比 重 (克/厘米2) 14.4 ~14.9 9.5 ~12.4 13.6 7.43 7.19 6.11 10.20 8.57 10.5 19.32 21.45 0.86 0.97 1.55 2.34 2.33 1.74 8.9 7.29 6.68 1.83 2.07 2.25
第二节、钢铁材料
一、铸铁
即生铁。它是指含碳量为2.11—6.69%的铁碳合金。依照室温组织的不同，
可将铸铁分为如下三类：亚共晶铸铁——含碳量＜4.3%； 共晶铸铁——含碳量4.3%；过共晶铸铁——含碳量＞4.3% 。
╭ 灰口铸铁(HT)、球墨铸铁(QT)、可锻铸铁（KT） 按主要性能和使用特性分为： 1、铸铁〈 抗磨铸铁(KmT〉、耐蚀铸铁(ST) 代号用汉语拼音带抗拉强度表示。 ╰ 耐热铸铁(RT) 二、钢
1、碳素结构钢
碳素结构钢的含碳量小于0.38%，而以小于0.25%的最为常用，即以低碳钢为主。这类
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钢尽管硫、磷等有害杂质的含量较高，但性能仍能满足一般工程结构、建筑结构及一些机件的使用要求，且价格低廉，因此在国民经济各个部门得到广泛应用。可供焊接、铆接及栓接构件之用，广泛应用于桥梁、船舶、建筑工程中制作各种静负荷的金属结构件、不需热处理的一般机械零件和普通焊接件，是一种用途非常广泛的工程用钢。
依据GB700-88国标规定，碳素结构钢牌号以屈服点“屈”字的汉语拼音首位字母Q和后面三位数字来表示，如Q215、Q235、Q255等，每个牌号的数字均表示该钢种在厚度小于16mm时的最低屈服点（MPa）。在钢的牌号尾部，可用A、B、C、D表示钢的质量等级。其中A为普通级，B、C、D表示硫、磷含量较低的优等级别。在牌号的最后还可用符号标志其冶炼时的脱氧程度，如对未完全脱氧的沸腾钢标以符号“F”，而对已完全脱氧的镇静钢则表以“Z”或不标符号。低合金高强度结构钢是含少量合金元素（一般含合金总量小于3%）的普通合金钢，它强度较高，加工和焊接工艺性较好，生产成本接近碳素钢，如Q295(12Mn)、Q345(16Mn)。
2、优质碳素结构钢
硫、磷含量较低（≤0.035%），依据GB699-1999，优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，即是钢中平均含碳量的万分数。对于沸腾钢则在尾部增加符号F,如08F，15F等。半镇静钢注“b”，镇静钢一般不注。当钢中锰含量（质量分数）小于0.7%时，称为普通含锰量优质碳素钢；当锰含量在0.7%—1.2%之间时称为较高含锰量优质碳素钢，在尾部标以“Mn”，锰的含量增多，可以提高钢的淬透性。因此，比普通锰含量钢强度较高，韧性和塑性稍低，硬度和耐磨性提高。
根据优质碳素钢含碳量的不同，分为低碳钢、中碳钢、高碳钢：
低碳钢的含碳量（质量分数）≤0.25%，由于含碳量低，因而强度低，硬度低，但塑性、韧性高，可锻性和焊接性好，冷塑性变形能力高。一般不采用热处理，还可作为渗碳钢，用于制造表面渗碳处理的中小机械零件和要求不高的模具。
中碳钢的含碳量为0.3%—0.6%，强度、硬度较高，塑性、韧性稍低，热锻、热压性能良好，冷作变形能力较好，切削性能较佳，但焊接性较差，主要用于制造较大负载的机械零件。由于含碳量较高，可采用热处理强化，多属于调质钢（40、45、50钢是最常用的中碳调质钢）。 高碳钢的含碳量在0.6%以上，焊接性能低。因为碳含量高，所以水淬常产生裂纹，一般采用水淬油冷双液淬火，而小尺寸截面零件一般采用油淬为佳。主要应用于耐磨零件及弹簧。 合金结构钢 是在碳素结构钢的基础上加入适量的一种或几种合金元素而形成的，它比碳素结构钢的综合性能要好，如20Mn2、35SiMn、40Cr、20CrMnTi等。
3、工具钢
工具钢分为碳素工具钢、高速工具钢、合金工具钢
碳素工具钢 含碳量在0.65%—1.35%范围内的优质高碳钢，代号用T表示碳素工具钢，后面数字表示含碳量的千分之几（如T10、T12A）等。这类钢由于耐热性能很差（200~250℃），允许的切削速度很低，一般仅适用于尺寸较小、低速的手动切削工具及形状较简单的模具和量具。
合金工具钢 是指含铬、钨、硅、锰、钼、钒等合金元素的低合金钢。合金工具钢有较高的耐热性(300～400℃)，可以允许在较高的切削速度下工作；耐磨性较好，因此可用于截面积较大，要求热处理变形较小，对耐磨性及韧性有一定要求的低速切削工具，如板牙、手用丝锥、铰刀、拉刀等。常用的有：9SiCr、CrWMn等。
高速工具钢 高速工具钢也叫高速钢，是一种加入了较多钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢，含碳量在0.7%—1.65%之间，合金元素在10%—20%范围内，
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较明显的提高了钢的硬度、淬透性、耐磨性及热硬性，在500℃～600℃温度时，仍具有高的硬度，铸造钴基合金在700℃～850℃时的硬度仍无显著变化。
高速钢代号表示方法：含碳量≥1.00%时不予标出，＜1.00%时，数字为千分之几，后面是元素符号，数字是平均含量的百分之几，平均合金含量＜1.5%钢号中仅标明元素，平均合金含量≥1.5%，2.5%、3.5%??23.5%时，相应写成2、3、4??24，如W18Cr4V表示含碳量大于1.00%，含钨18%，含铬4%，含钒小于1.5%。高速钢具有优良的综合性能，是应用较多的一种刀具材料。
按用途不同可分为：通用型高速钢和高性能高速钢。 通用型高速钢的碳(C)含量0.7%～0.9%，是中等热稳定性高速钢，具有一定的硬度（63～66HRC）和耐磨性，高的韧性和强度，良好的塑性和磨削性，广泛用于制造各种复杂刀具，切削硬度在250～280HBW以下的大部分结构钢和铸铁。
高性能高速钢是指在通用型高速钢的成分中再增加一些含碳量、含钒量，有时添加钴、铝等合金元素以提高耐热性和耐磨性的钢种，其热稳定性高，加热到630℃～650℃时仍保持60HRC的硬度，具有更好的力学性能，寿命约为通用型高速钢的1.5～3倍。
按制造方法不同可分为：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。粉末冶金高速钢是用细小的高速钢粉末（直径0.1～0.6mm的球形）在高温（≈1100℃），高压（≈100MPa）下直接压制而成的，完全避免了碳化物偏析。粉末冶金高速钢和熔炼高速钢相比，强度比一般高速钢提高一倍，韧性提高1.5～2倍。硬度提高0.5～1HRC。适合做插齿刀、铣刀等受冲击大的刀具。
按化学成分（主要按含钨量）：含钨12%～18%的钨高速钢（有W18Cr4V——做钻头、铣刀等；W12Cr4V4Mo——做车刀，刨刀；9W18Cr4V2等）；含钨6%～8%的钨钼高速钢：有W6Mo5Cr4V2（耐温高，价格低）；含钨2%和不含钨的钼高速钢。
4、硬质合金
硬质合金是以难溶的金属碳化物（碳化钨WC、碳化钛TiC）为基础，以金属粘结剂（如钴Co）为粘合剂，混合压制成型后烧结而成。
硬质合金可分为碳化钨基和碳（氮）化钛基两大类。我国最常用的碳化钨基硬质合金有：钨钴类（如YG3X、YG6、YG8等）和钨钛钴类（如YT30、YT15、YT5等），近年来，新牌号的硬质合金得到了快速发展。硬质合金也是用的叫普遍的一种刀具材料。
另外因为它硬度高，耐磨性好，常做冷精锻凹模，寿命可以达到几十万件甚至上百万件。但是硬质合金的韧性比工具钢差得多, 基本上不能承受拉应力，因此在做凹模时,给硬质合金模芯加上预应力圈，让硬质合金模芯内表面处于压应力状态，这样在工作时可以抵消拉应力。
硬质合金的性能特点： 1、硬度比高速钢高很多。（达到HRA88～91或HRC76～79，比高速钢HRC63～66高）。 2、抗弯强度只相当高速钢的1/2～1/3。(高速钢3000～4000MPa，硬质合金1000多MPa) 3、韧性比高速钢低得多（高速钢抗拉强度1500～2400MPa，硬质合金＜800MPa）。 4、热物理性能：硬质合金的热导率是高速钢的2～3倍。
5、耐热性比高速钢高很多。硬质合金在800～1000℃时尚可进行切削，在高温下有良好的抗塑性变形的能力。
6、抗粘结性高于高速钢，抗粘结磨损能力强。（高速钢粘结温度575℃，钨钴类粘结温度625～750℃，钨钛钴类775～850℃）。 7、化学稳定性：氧化温度高于高速钢。
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第三节、金属材料的力学性能
金属材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。
1、强度：强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力，强度有多种判据，工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。
(1)、屈服点 它是指拉伸试样产生屈服现象时的应力。它可按下式计算：
Fs Fs——试样发生屈服时所承受的最大载荷，(N)； ζs= ── (MPa)
Ao Ao——试样原始截面积，(mm) 2 (2)、抗拉强度 指金属材料在拉断前所承受的最大应力，以ζb表示。
它可以下式表示： Fb Fb——试样在拉断前所承受的最大载荷，(N)； ζb= ── （MPa） Ao
由于机器零件或构件工作时，通常不允许发生塑性变形，因此多以屈服点ζs作为强度设计的依据。对于脆性材料，因断裂前基本不发生塑性形变，故无屈服点可言，在强度计算时，则以ζb为依据。
常用钢材的力学性能 力 学 性 能 材 料 抗剪强度 抗拉强度 屈服点 伸长率 弹性模量 材料名称 牌 号 的状态 3η/MPa ζb/MPa ζS/MPa 186 216 253 255 275 177 196 186 206 225 225 245 275 294 314 333 353 373 402 422 E10（%） E/10MPa 18 ~22 28 ~33 26 ~31 21 ~25 19 ~23 15 ~19 28 32 32 32 30 29 28 26 26 25 24 22 20 18 16 14 13 11 186 194 198 196 206 198 197 197 209 200 216 204 206 Q195、(A0) Q195F、(A1) 普通碳素钢 Q215、(A2) Q235、(A3) Q255、(A4) Q275、(A5) 05 05F 08F 08 10F 10 15F 15 优质碳素钢 20F 20 25 30 35 40 45 50 60 70 已退火的 未经退火的 255 ~373 255 ~314 265 ~333 304 ~373 333 ~412 392 ~490 196 206 ~294 216 ~304 255 ~353 216 ~333 255 ~333 245 ~363 265 ~373 275 ~383 275 ~392 314 ~432 353 ~471 392 ~511 412 ~530 432 ~549 432 ~569 539 588 314 ~461 314 ~392 333 ~412 432 ~461 481 ~511 569 ~608 225 255 ~373 275 ~383 324 ~441 275 ~412 294 ~432 314 ~451 333 ~471 333 ~471 353 ~500 392 ~539 441 ~588 490 ~637 511 ~657 539 ~686 539 ~716 ≥686 ≥745 第4页共73页