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汽车机械基础汽车机械基础第一章第一章 汽车常用材料汽车常用材料 一、材料科学简介一、材料科学简介二、材料的性能二、材料的性能三、钢的热处理三、钢的热处理四、常用的汽车材料四、常用的汽车材料本本 章章 内内 容容本本 章章 内内 容容学习目的：学习目的：学习目的：学习目的：通过本节的学习具备所必需的汽车所使用的金属材料基本知识。学习要求：学习要求：学习要求：学习要求：掌握金属的力学性能指标及常用数据。掌握钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、工艺特点和应用范围。掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。初步具有选择工程材料的能力。第一讲第一讲 材料科学简介材料科学简介汽车上常用的材料有哪些？1.材料与人类生活材料与人类生活材料是人类生产和生活所必需的物质，人类社材料是人类生产和生活所必需的物质，人类社会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。第一讲第一讲 材料科学简介材料科学简介人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：石器时代石器时代陶器陶器青铜器青铜器铁器铁器钢铁钢铁合成材合成材料料复合材料。复合材料。2.2.材料在的现代科技中的地位材料在的现代科技中的地位 2121世纪三大科技世纪三大科技 信息技术信息技术 生物技术生物技术 材料科学材料科学是其基础是其基础 能源技术能源技术一张纳米光盘将可记录1000部电影超微外观 大体结构纳米人工骨 通常，一辆汽车由约通常，一辆汽车由约3 3万个零部件组装而成。万个零部件组装而成。汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料问题。问题。据统计，汽车上的零部件采用了据统计，汽车上的零部件采用了4 4千余种千余种不不同的材料加工制造。从汽车的同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加设计、选材、加工制造工制造，到汽车的，到汽车的使用、维修和养护使用、维修和养护无一不涉无一不涉及到材料。及到材料。现代汽车要满足现代汽车要满足:安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求。低等要求。材料是首要考虑方面。材料是首要考虑方面。3.3.材料是汽车工业的基础材料是汽车工业的基础3.3.材料是汽车工业的基础材料是汽车工业的基础 汽车材料包括了制造汽车各种零部件用的汽车材料包括了制造汽车各种零部件用的汽车工程材料汽车工程材料，以及汽车在使用过程中使用的，以及汽车在使用过程中使用的燃料和工作液等燃料和工作液等汽车运行材料汽车运行材料。金属材料金属材料（纯金属及合金）黑色金属（黑色金属（钢铁钢铁)有色金属有色金属(Cu、Al、Ti、Mg)有机高分子材料（主要成分、）有机高分子材料（主要成分、）塑料、橡胶、塑料、橡胶、合成纤维等合成纤维等 无机材料无机材料 玻璃、水泥、陶瓷等玻璃、水泥、陶瓷等 非金属材料非金属材料 复合材料复合材料玻璃纤维增强塑料等汽车工程材料的分类汽车工程材料的分类车用汽油车用汽油 燃料燃料 轻柴油轻柴油 其它代用燃料其它代用燃料 发动机油发动机油 车辆齿轮油车辆齿轮油 润滑油润滑油 液力传动油液力传动油 液压油液压油 润滑脂润滑脂 制动液制动液 工作液工作液 减振器液减振器液 发动机冷却液发动机冷却液 制冷剂制冷剂 轮胎轮胎汽汽车车运运行行材材料料汽车运行材料的分类汽车运行材料的分类以现代轿车用材为例，按照重量来换算，以现代轿车用材为例，按照重量来换算，钢材占汽车自重的钢材占汽车自重的55%60%，铸铁占铸铁占12%5%，有色金属占有色金属占6%10%，塑料占塑料占8%12%，橡胶占，橡胶占4%，玻璃占，玻璃占3%，其他材料（油漆、各种液体等）占其他材料（油漆、各种液体等）占12%6%。汽车材料的展望汽车材料的展望v汽车工业发展的方向：汽车轻量化和减少污染。汽车工业发展的方向：汽车轻量化和减少污染。v汽车材料总的发展趋势是：汽车材料总的发展趋势是：结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量有所上升。在性能可靠的条件下，将尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。v材料的性能包括材料的性能包括使用性能使用性能和工艺性能。和工艺性能。v使用性能：使用性能：是指是指零部件在正常使用条件下材料所零部件在正常使用条件下材料所表现出来的性能表现出来的性能。v 主要包括主要包括力学性能力学性能、物理性能和化学性能。、物理性能和化学性能。v工艺性能：工艺性能：是指是指材料在被制成各种零部件的过程材料在被制成各种零部件的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能中，材料适应各种冷、热加工的性能。v 对于金属材料来讲，工艺性能主要包括了对于金属材料来讲，工艺性能主要包括了铸造性能铸造性能、锻造性能锻造性能、焊接性能焊接性能、切削加工性能切削加工性能和和热处理工艺性能热处理工艺性能。第一节第一节 材料的性能材料的性能一、材料的力学性能一、材料的力学性能 u材料的力学性能：材料的力学性能：是指材料在是指材料在外加载荷（静载荷、外加载荷（静载荷、冲击载荷、交变载荷）冲击载荷、交变载荷）作用下所表现出来的性能。作用下所表现出来的性能。包括包括强度强度、塑性塑性、硬度硬度、韧性韧性、疲劳疲劳及及断裂断裂等；等；u力学性能指标力学性能指标：用来表征材料力学性能的各种临界用来表征材料力学性能的各种临界值或规定值。可通过值或规定值。可通过试验测定试验测定。按载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗扭强度、抗弯强度和抗剪强度。各种强度之间有一定的联系，一般以抗拉强度作为金属材料的强度指标。1.1.强度强度（一）（一）材料的力学性能材料的力学性能 载荷的形式 强度强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。v拉伸试验时采用标准试件（图1-1），规定圆截面标准试件的工作长度l（也称标距）与其截面直径d的比例为：v长试件：l=10d；v短试件：l=5d。图1-1拉伸试验的标准试件拉伸试验的标准试件拉伸试验的标准试件 试验时，试件两端装卡在试验机卡头上，施加缓慢增加的拉力，直到把试件拉断为止。（一）（一）材料的力学性能材料的力学性能 在万能材料实验机上做拉伸实验拉伸试验拉伸试验低碳钢拉伸实验低碳钢拉伸实验 拉伸图：拉伸图：“Fl（拉力伸长量）”的曲线图。低碳钢拉伸时的应力应变图应力应变图应力应变图:（F/A）-（l/l）曲线：-曲线曲线即应力应力-应变曲线应变曲线。低碳钢拉伸时的拉伸图 拉伸曲线拉伸曲线拉伸曲线拉伸曲线下图为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐标表示绝对伸长量L，单位为mm。几个变形阶段：（1）Oe弹性变形阶段（2）es屈服阶段（3）sd明显塑性变形阶段（4）db强化阶段（5）bk缩颈阶段弹性变形弹性变形外力解除后能够完全消失的变形。塑性变形塑性变形外力解除后仍保留的变形。（1）弹性模量弹性模量E 表征了材料抵抗弹性变形的表征了材料抵抗弹性变形的能力，也称之为能力，也称之为刚度。刚度。E=/=tan （MPa）式中，式中，为弹性变形阶段的应力，为弹性变形阶段的应力，为相应的应为相应的应变，变，tan为拉伸曲线的斜率。为拉伸曲线的斜率。1.材料的弹性指标材料的弹性指标(2)弹性极限e：指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。e=Fe/A0（MPa）式中，Fe是试样不产生塑性变形时的最大载荷（N）；A0是试样的原始横截面积（mm2）。e表示材料保持弹性变形的最大应力。1.材料的弹性指标材料的弹性指标2.2.材料的强度指标材料的强度指标 （1）屈服点s：表示材料产生屈服时对应的应力。屈服点也称为屈服强度。s=Fs/Ao（MPa）式中，Fs为试样发生屈服变形时的载荷（N），A0为试样原始横截面积（mm2）。（2）抗拉强度b指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。b=Fb/Ao（MPa）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷(N)，Ao是试样的原始横截面积(mm2)。抗拉强度：b，它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。屈强比：s/b，是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值亦不宜过大，适当的比值一般在0.650.75之间。比强度：b/，它表征了材料强度与密度之间的关系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。2.2.材料的强度指标材料的强度指标 塑性塑性是指金属材料在载荷作用下断裂前发生永久变形的能力。塑性指标也是由拉伸试验测得的，常用延伸率和断面收缩率来表示。塑性是材料的一个重要指标，延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。金属材料的塑性好坏，对于零件的使用和加工性能有着十分重要的意义。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件，例如，工业纯铁的可达延伸率50%，断面收缩率可达80%，可以拉制细丝、轧制薄板等。塑性好的材料在使用中能够保证材料不会因为稍有超载而突然断裂，这样就增加了材料使用的安全性。2.塑性塑性材料的塑性指标材料的塑性指标（1）伸长率伸长率：是指试样拉断后，标距伸长量与原：是指试样拉断后，标距伸长量与原始标距的百分比。即始标距的百分比。即式中，式中，l1是试样断裂后的标距（），是试样断裂后的标距（），l 0是试样的原是试样的原始标距（），同一材料的伸长率与试样尺寸有始标距（），同一材料的伸长率与试样尺寸有关。关。（2）断面收缩率断面收缩率：是指试样拉断后横截面积的缩是指试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比。减量与原始横截面积之比。即即=（A0-A1）/A0 100%式中，式中，A1是试样断裂处的最小横断面积（是试样断裂处的最小横断面积（2），），A0 是试样的原始横截面积是试样的原始横截面积(2)。材料的塑性指标材料的塑性指标 其他某些材料拉伸时的力学性能其他某些材料拉伸时的力学性能灰铸铁拉伸试验灰铸铁拉伸试验图3-12灰铸铁拉伸时的应力应变曲线灰铸铁的-曲线上没有明显的直线部分，但在应力较小时，近似服从胡克定律。曲线上没有屈服阶段和颈缩阶段，拉伸中变形很小时就突然断裂，属于脆性材料脆性材料。强度极限强度极限b是其唯一强度指标。是其唯一强度指标。抗拉强度低，不适于制作承拉构件。塑性材料塑性材料：断裂前有明显的塑性变形，称为塑性断裂，塑性断裂的断口呈“杯锥”状。如低碳钢。脆性材料：脆性材料：在断裂前未发生明显的塑性变形，为脆性断裂，断口是平整的。如铸铁、玻璃等。不同类型的材料，其-曲线有很大差异。反映出其所具有不同的抗拉性能特点。硬度硬度是指材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕是指材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，的能力，是金属材料重要的机械性能之一。是金属材料重要的机械性能之一。硬度值可间接地反映金属的强度及金属在化学成分和热处理工艺上的差异。材料的硬度值，是按一定方法测出的数据，不同方法在不同条件下测量的硬度值，因含意不同，其数据也不同，因此一般不能进行相互比较。3.硬度硬度最常用的硬度试验为布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度洛氏硬度(HR)此外，还有维氏硬度(HV)、肖氏硬度（弹性回跳法）、显微硬度和锤击式布氏硬度等。布氏硬度布氏硬度 测试原理：测试原理：用一定大小的载荷用一定大小的载荷F F，把直径为把直径为D D的钢球压入被测试样表的钢球压入被测试样表面，保持规定时间后卸除载荷，面，保持规定时间后卸除载荷，移去压头，用读数显微镜测出压移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径痕平均直径d d。用载荷。用载荷F F除以压痕除以压痕的表面积所得的商，即为被测材的表面积所得的商，即为被测材料的布氏硬度值料的布氏硬度值。实验测量实验测量d计算计算/查表查表硬度硬度u布氏硬度的布氏硬度的表示方法表示方法规定为：规定为：符号符号HBSHBS和和HBWHBW前面的数值为硬度值，符号后面按以下前面的数值为硬度值，符号后面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径（）、试验载荷顺序表示试验条件：压头球体直径（）、试验载荷（KgfKgf）、试验载荷保持时间（）、试验载荷保持时间（S S）（）（101015S15S不标注）。不标注）。例例200 HBS10/1000/30200 HBS10/1000/30 用用淬火钢球淬火钢球作为压头所测得的布氏硬度用符号作为压头所测得的布氏硬度用符号HBSHBS表示；表示；用用硬质合金球硬质合金球作为压头所测得的布氏硬度用符号作为压头所测得的布氏硬度用符号HBWHBW表示。表示。布氏硬度布氏硬度 测试原理：测试原理：测试原理：测试原理：采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头。如图所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度 我国常用的是我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，试验条件及应三种，试验条件及应用范围见表用范围见表1-2。洛氏硬度值的表示方法洛氏硬度值的表示方法规定为：硬度符号前面注明硬度规定为：硬度符号前面注明硬度值，例如值，例如52HRC、70HRA。许多零件在工作中，往往不是单纯承受静载荷作用，还要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧性。对于承受冲击载荷的零件，如汽车发动机中的活塞、曲轴、减震弹簧，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。4.冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性（a）（b）图3.5冲击试验示意图1-摆锤；2-机架；3-试样；4-刻度盘；5-指针冲击韧度的测定方法，如图所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功Ak，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。5.疲劳疲劳在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。疲劳试验 疲劳曲线 疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。疲劳失效原因分析:由于材料表面或内部存在有划痕、尖角、夹杂等缺陷，这些有缺陷部位的局部应力大于屈服点，会产生局部变形引起微裂纹，成为疲劳源，随着应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件承载的横截面大大减少，以至于不能承受载荷而突然断裂。为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。铸造性能：铸造性能：流动性、收缩性、偏析流动性、收缩性、偏析热处理性能：热处理性能：淬透性淬透性锻造性能：锻造性能：塑性、变形抗力塑性、变形抗力焊接性能：焊接性能：焊接性焊接性切削性能：切削性能：表面粗糙度、刀具寿命表面粗糙度、刀具寿命二、材料的工艺性能二、材料的工艺性能 是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工的是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工的性能。包括性能。包括:铸造是将熔化的金属或合金，注入铸型型腔内以获得相应铸件铸造是将熔化的金属或合金，注入铸型型腔内以获得相应铸件的工艺方法。的工艺方法。金属的铸造性能金属的铸造性能，是指能否将金属材料用铸造方法制成优良铸，是指能否将金属材料用铸造方法制成优良铸件的性能。件的性能。衡量铸造性能的主要指标有衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向流动性、收缩性和偏析倾向。熔融金属的流动能力称为熔融金属的流动能力称为流动性流动性，它主要受金属化学成分和浇，它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属易充满铸型，从而获得外形完整、注温度等的影响。流动性好的金属易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。尺寸精确、轮廓清晰的铸件。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩收缩性性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析偏析。偏。偏析严重时能使铸件各部分的机械性能有很大的差异，降低了铸件的质析严重时能使铸件各部分的机械性能有很大的差异，降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。量。这对大型铸件的危害更大。铸造性能铸造性能锻造性能锻造性能 锻造性能又称塑性加工性能锻造性能又称塑性加工性能，它是指利用材料的可塑性，它是指利用材料的可塑性，借助外力的作用产生变形从而获得所需形状、尺寸和一借助外力的作用产生变形从而获得所需形状、尺寸和一定组织性能的零件，通常用材料的塑性（塑性变形能力）定组织性能的零件，通常用材料的塑性（塑性变形能力）和强度（塑性变形抗力）及形变强化能力来综合衡量。和强度（塑性变形抗力）及形变强化能力来综合衡量。金属材料一般具有良好的塑性，故可通过各种塑性加工金属材料一般具有良好的塑性，故可通过各种塑性加工方法制成所需形状、尺寸的零件，这是金属材料应用最方法制成所需形状、尺寸的零件，这是金属材料应用最广泛的重要原因。广泛的重要原因。焊接性能焊接性能v焊接是将两部分金属，通过加热或加压借助焊接是将两部分金属，通过加热或加压借助原子间的结合力，使它们牢固地连接成整体原子间的结合力，使它们牢固地连接成整体的工艺方法。可分为熔化焊、压力焊、钎焊的工艺方法。可分为熔化焊、压力焊、钎焊三种三种。v所谓焊接性能，是指能否将金属用一定的焊所谓焊接性能，是指能否将金属用一定的焊接方法，焊成优良接头的性能。它可以通过接方法，焊成优良接头的性能。它可以通过焊接试验来评定，其主要标准是产生裂缝的焊接试验来评定，其主要标准是产生裂缝的可能性和裂纹的多少，以及有无气孔产生。可能性和裂纹的多少，以及有无气孔产生。切削加工性能切削加工性能 材料进行各种切削加工（如车、铣、刨、钻、镗等）时的材料进行各种切削加工（如车、铣、刨、钻、镗等）时的难易程度称为切削加工性能。切削是一种复杂的表面层难易程度称为切削加工性能。切削是一种复杂的表面层现象，牵涉到摩擦及高速弹性变形、塑性变形和断裂等现象，牵涉到摩擦及高速弹性变形、塑性变形和断裂等过程，因此切削的难易程度与许多因素有关。评定材料过程，因此切削的难易程度与许多因素有关。评定材料的切削加工性能也是比较复杂的，一般用材料被切削的的切削加工性能也是比较复杂的，一般用材料被切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿命等几方面来衡难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿命等几方面来衡量。量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。一般认织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。一般认为金属材料具有适当的硬度（为金属材料具有适当的硬度（170230HBS）和足）和足够的脆性时较易切削。够的脆性时较易切削。金属的热处理性能是指金属能否通过热处理工艺来改善金属的热处理性能是指金属能否通过热处理工艺来改善或提高金属的力学性能。或提高金属的力学性能。热处理性能热处理性能 热处理是改变材料性能的主要手段。在热处理过程中，热处理是改变材料性能的主要手段。在热处理过程中，材料的成分、组织、结构发生变化从而引起了成分结构敏材料的成分、组织、结构发生变化从而引起了成分结构敏感性参数的改变。感性参数的改变。第二讲第二讲 汽车常用材料汽车常用材料 v碳素钢v合金钢v铸铁v有色金属及合金v非金属材料v复合材料铸铁铸铁碳的质量分数大于2.11、小于6.67的铁碳合金为铸铁。钢铁材料 以铁、碳为基础的铁碳合金。碳素钢碳素钢碳的质量分数(含碳量)小于2.11的铁碳合金称为碳素钢。一、碳钢一、碳钢(1)按按碳的质量分数碳的质量分数分分低碳钢低碳钢W(C)0.25%中碳钢中碳钢 0.25%W(C)0.6%高碳钢高碳钢W(C)0.6%(2)按按钢的质量钢的质量分（分（S、P含量）含量）普通碳素钢普通碳素钢 Ws 0.055%，Wp 0.045%优质碳素钢优质碳素钢 Ws、Wp 0.040%高级优质碳素钢高级优质碳素钢 Ws 0.030%，Wp 0.035%1.1.碳钢的分类碳钢的分类(3)按按钢的用途钢的用途分分碳素结构钢碳素结构钢：用于制造各种机械零件、工程构件。一：用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。般为低、中碳钢。碳素工具钢碳素工具钢：用于制造各种工具。一般为高碳钢。：用于制造各种工具。一般为高碳钢。(4)按按冶炼方法冶炼方法分分 镇静钢：是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱镇静钢：是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不发生碳氧，注入模子后，钢液不发生碳氧反应而处于镇静状态，氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢（故称镇静钢（Z）。）。沸腾钢：是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，沸腾钢：是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模后发生碳钢液氧含量较高，注入锭模后发生碳氧反应，析出大量的氧反应，析出大量的CO气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢（气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢（F）。）。1.1.碳钢的分类碳钢的分类1.1.碳钢的分类碳钢的分类杂质元素对钢性能的影响1.有益元素Si有很强的固溶强化作用,能脱氧。Mn脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。2.有害元素:P有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。2.2.碳钢的牌号及用途碳钢的牌号及用途碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢 （1）普通碳素结构钢）普通碳素结构钢 有害杂质硫、磷和非金属夹杂物较多，同等情况下塑性、有害杂质硫、磷和非金属夹杂物较多，同等情况下塑性、韧性较低；但冶炼容易、工艺性好且价格便宜，能满足一般韧性较低；但冶炼容易、工艺性好且价格便宜，能满足一般工程构件和普通零件的性能要求，因此应用广泛。工程构件和普通零件的性能要求，因此应用广泛。一般用于一般用于受力不大、制造要求不高的机械零件受力不大、制造要求不高的机械零件（如螺钉、螺母）和厂（如螺钉、螺母）和厂房、桥梁、船舶等建造结构件。房、桥梁、船舶等建造结构件。普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音第一个字普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音第一个字母母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。如：部分按顺序组成。如：Q235AF表示屈服点为表示屈服点为235MPa的的A级沸腾钢。级沸腾钢。用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。多边型角钢多边型角钢螺钉、铆钉螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢钢筋、螺纹钢建筑构件建筑构件钢桥梁钢桥梁（2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢 有害杂质硫、磷和非金属夹杂物较少，品质较高，塑有害杂质硫、磷和非金属夹杂物较少，品质较高，塑性、韧性比（普通）碳素钢好。主要用于制造较重要性、韧性比（普通）碳素钢好。主要用于制造较重要的机械零件。的机械零件。优质结构钢的牌号用两位数字表示，两位数字表示优质结构钢的牌号用两位数字表示，两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。如该钢的平均含碳量的万分数。如45钢表示平均含碳量钢表示平均含碳量为为0.45的优质碳素结构钢。若含锰量较高，数字后面的优质碳素结构钢。若含锰量较高，数字后面应加应加“Mn”，以示区别。如：，以示区别。如：60Mn。用途用途较重要的零件，如齿较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。轮、轴、连杆、弹簧等。热处理：热处理：渗碳、淬火、回火等。渗碳、淬火、回火等。上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质5050号中碳号中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工频淬火后再精加工 汽车曲轴汽车曲轴常用钢号及其应用常用钢号及其应用08 08、10 10钢钢:强度低强度低,塑性好塑性好,具有良好的冲压具有良好的冲压、拉深及拉深及焊接性能焊接性能,用于制造冷冲压件用于制造冷冲压件,如汽车和拖拉机油箱如汽车和拖拉机油箱、仪仪表板表板、汽缸盖衬垫汽缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等曲轴止推片等.15 15、2020钢钢:渗碳渗碳,表硬内韧表硬内韧,作凸轮、小齿轮、摩擦片、作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等活塞销、摇臂等30553055钢钢:调质调质,综合机械性能好综合机械性能好,制齿轮、连杆、轴类等制齿轮、连杆、轴类等60706070钢钢,淬火淬火,中回中回,制造弹性元件制造弹性元件,如汽车气门弹簧如汽车气门弹簧.（3）碳素工具钢的牌号、性能及用途）碳素工具钢的牌号、性能及用途 碳素工具钢的牌号由汉字碳素工具钢的牌号由汉字“碳碳”的汉语拼音第一个字母的汉语拼音第一个字母“T”加上阿拉伯数字组成，其数字表示钢中平均含碳量的加上阿拉伯数字组成，其数字表示钢中平均含碳量的千分数。千分数。如：如：T8钢表示平均含碳量为钢表示平均含碳量为0.8的碳素工具钢。的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则应在牌号后面标以字母若为高级优质碳素工具钢，则应在牌号后面标以字母A，如，如T12A钢表示平均含碳量为钢表示平均含碳量为1.2的高级优质碳素工具钢。的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢的含碳量在碳素工具钢的含碳量在0.70以上，硬度高，耐磨性好，以上，硬度高，耐磨性好，碳素工具钢都是优质钢或高级优质钢。碳素工具钢主要用于碳素工具钢都是优质钢或高级优质钢。碳素工具钢主要用于制造刀具、模具和量具。制造刀具、模具和量具。用途用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。螺纹量规螺纹量规热处理热处理：淬火：淬火+低温回火低温回火 合金钢合金钢 在碳钢的基础上加入有益的其他元素形成的钢，称为合金钢。常用的合金元素有：铬(Cr)、镍(Ni)、硅(si）、铝(Al)、硼(B)、钨(w)、钼(Mo)、钛(Ti)及稀土元素Re等。二、合金钢二、合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢 类型：碳钢碳钢：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。合金结构钢的牌号合金结构钢的牌号由两位数字元素符号（或汉由两位数字元素符号（或汉字）数字三个部分组成。前两位数字表示该钢的平字）数字三个部分组成。前两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数；元素符号（或汉字）表示钢中含均含碳量的万分数；元素符号（或汉字）表示钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示合金元素的含量。有的主要合金元素，后面的数字表示合金元素的含量。合金元素含量小于合金元素含量小于1.5时不标时不标。如：如：40Cr钢表示平均含碳量为钢表示平均含碳量为0.40，主要合金，主要合金元素为元素为Cr，其含量在，其含量在1.5以下的合金结构钢；以下的合金结构钢；60Si2Mn钢表示平均含碳量为钢表示平均含碳量为0.60，主要合金元素，主要合金元素为为Si、Mn，其平均含量分别为，其平均含量分别为2、1.5的合金结的合金结构钢。构钢。1 1低合金结构钢低合金结构钢钢号钢号旧钢号旧钢号主主 要要 化化 学学 成成 分分，%机械性能机械性能CMnSi，s，MPab，MPa5，%Q29509MnNb12Mn0.160.801.500.5529557023Q34516Mn16MnRe0.180.201.001.600.553456302122Q39016MnNb15MnTi0.201.001.600.553906501920Q42014MnVTiRe15MnVN0.201.001.700.554206801819Q46014MnMoV18MnMoNb0.201.001.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度（厚度(直径直径)16mm，AKV 34J）成分成分 w(C)w(C)0.2%0.2%，主加元素主加元素MnMn，附加附加V V、TiTi、NbNb。性能性能 强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。(摘自摘自GB/T1591-1994)GB/T1591-1994)高压容器高压容器桥梁桥梁船舶船舶车辆车辆应用应用2 2合金合金调质钢调质钢成分成分 w(C)=0.25w(C)=0.250.50%0.50%，合金元素消除回火脆性合金元素消除回火脆性。MnMn、CrCr、NiNi、B B、SiSi用来提高淬透性，用来提高淬透性，MoMo、W W可抑制可抑制第二类回火脆性，第二类回火脆性，TiTi、V V细化晶粒。细化晶粒。性能性能 综合机械性能高综合机械性能高调质钢的牌号（摘自调质钢的牌号（摘自GB/T3077GB/T307719991999）淬淬透透性性钢号钢号主主 要要 成成 分分,%淬火淬火回火回火CMnSiCr低低450.420.500.500.800.170.37830840水水580640空空40Cr0.370.450.500.80Cr0.81.10850油油500水，油水，油中中高高35CrMo0.320.400.400.70Cr0.81.10850油油550水，油水，油38CrMoAlA0.350.42Al0.71.1Cr1.351.65940水，油水，油640水，油水，油40CrMnMo0.370.450.901.20Cr0.91.20850油油600水，油水，油机械性能机械性能 bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.370.441.101.400.200.40850油油500水，油水，油9807854798078547980835639808357198078563热处理热处理应用应用:轴类、连杆、齿轮轴类、连杆、齿轮 4040CrCr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。3535CrMoCrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。较大截面零件，如曲轴、连杆。4040CrNiMoCrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。调质，可附加表面淬火或化学热处理调质，可附加表面淬火或化学热处理。应用应用:汽车曲轴汽车曲轴圆圆锥锥齿齿轮轮3 3合金合金渗碳钢渗碳钢成分成分 w(C)=0.1w(C)=0.10.25%,0.25%,韧性好。合金元韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。细化晶粒。Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，Ti细化晶粒性能性能 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。部韧性高、强度大。3 3合金合金渗碳钢渗碳钢渗渗C钢的牌号（摘自钢的牌号（摘自GB/T3077-1999GB/T3077-1999）（渗（渗C C:930:930，回火：回火：200 200）主主 要要 化化 学学 成成 分分,%预备处理预备处理淬火淬火,CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00880 800水水,油油880水水,油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30850 油油880 870 油油钢号钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950 850空空 880 780油油机械性能机械性能bMPasMPa83535785540 05909301080735835118011808351080aKU2J475547557863热处理应用应用 耐磨件耐磨件 2020CrCr，小轴、活塞销、小齿小轴、活塞销、小齿轮。轮。2020CrMnTiCrMnTi，汽车齿轮。汽车齿轮。1818Cr2Ni4WACr2Ni4WA，如曲轴、连杆。如曲轴、连杆。渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火低温回火4 4合金合金弹簧钢弹簧钢成分成分 w(C)=0.450.70%，Si,Mn为主要元素，提为主要元素，提高屈强比。高屈强比。性能性能 屈强比和疲劳抗力高，塑性大屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。耐震动、冲击。4 4合金合金弹簧钢弹簧钢钢号钢号主主 要要 成成 分分,%淬火淬火 油油 回回火火机械性能机械性能 CMnSi,CrbMPasMPa10%akkJ/m2650.620.700.500.800.170.37840油油50010008009450850.820.900.500.800.170.37820油油48011501000660065Mn0.620.700.901.200.170.37830油油5401000800880060Si2Mn0.560.640.600.901.502.00870油油48013001200580050CrVA0.460.540.500.80Cr0.81.10850油油5001300115059800（摘自（摘自GB/T12221985）汽车板簧汽车板簧火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧应用应用 6565MnMn、60Si2Mn60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧弹簧丝弹簧丝合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素制成的。合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造刃具、模具、量具和其它工具。合金工具钢合金工具钢 合金刃具钢合金刃具钢：主要用来制造金属切削刀具。：主要用来制造金属切削刀具。合金模具钢合金模具钢：主要用来制造各种金属成形用的模具。：主要用来制造各种金属成形用的模具。合金量具钢合金量具钢：量具用来测量工件尺寸的工具（如游标卡：量具用来测量工件尺寸的工具（如游标卡尺、量规。尺、量规。量量 具具刃刃 具具模模 具具合金工具钢的牌号合金工具钢的牌号由数字元素符号（或汉字）数字三由数字元素符号（或汉字）数字三个部分组成。前面的数字表示该钢的平均含碳量的千分数个部分组成。前面的数字表示该钢的平均含碳量的千分数（当含碳量（当含碳量1时，则不予标出）；元素符号（或汉字）时，则不予标出）；元素符号（或汉字）表示钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示合金元素表示钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示合金元素的含量。合金元素含量小于的含量。合金元素含量小于1.5时不标时不标。如：。如：9SiCr钢表钢表示平均含碳量为示平均含碳量为0.9，主要合金元素为，主要合金元素为Si、Cr，其含量，其含量均在均在1.5以下的合金工具钢；以下的合金工具钢；Cr12MoV钢表示平均含碳钢表示平均含碳量量1，主要合金元素为，主要合金元素为Cr，其平均含量分别为，其平均含量分别为12合金合金元素元素Mo、V，其平均含量均，其平均含量均1.5的合金工具钢。的合金工具钢。1 1不锈钢不锈钢2 2耐热钢耐热钢3 3耐磨钢耐磨钢三三 特殊性能钢特殊性能钢耐耐 热