3 金 属 材 料
3.1 内 容 提 要  本章主要介绍碳钢、合金钢的分类方法、成分和主要应用。着重介绍各类合金钢的牌号、成分特点、热处理工艺、组织、性能和应用。还介绍铸铁、有色金属的牌号、成分、热处理工艺、组织、性能及其应用。   
1. 碳钢
 (1)  普通碳素结构钢： 这类钢主要保证机械性能。一般情况下，在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。
牌号和用途:Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定的强度。通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等。
 (2)  优质碳素结构钢： 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件，使用前一般都要经过热处理。
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。
35、40、45、50、60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。
 (3)  碳素工具钢： 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。
T7、T8硬度高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。
T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。
T12、T13硬度高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。
碳素工具钢使用前都要进行热处理。
2. 合金钢
合金钢分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三类。
低合金结构钢 16Mn、15MnVN。主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。一般在热轧空冷状态下使用。
调质钢 40Cr、40MnB、38CrSi、40CrNiMo。用于制造齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。调质钢的热处理是淬火加高温回火。某些零件，除了要求有良好的综合机械性能外，还要求工作表面有较好的耐磨性，可在调质后进行感应加热表面淬火或进行专门的化学热处理，如氮化等。
渗碳钢 20Cr、20MnVB、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA。主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。渗碳之后可以先正火，以消除过热组织，然后再进行淬火、低温回火。
弹簧钢 65Mn、50CrV、60Si2Mn。主要用于制造各种弹簧和弹性元件。热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450～550℃）回火。冷成形弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。进行消除应力的低温（200～300℃）退火。
轴承钢 GCr9、GCr15、GCr15SiMn。主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。热处理工艺一般是淬火和低温回火。
低合金刃具钢 9SiCr、CrWMn。制造低速度切削刀具，如丝锥、板牙等。热处理工艺是淬火和低温回火。
高速钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。热处理工艺是淬火+三次回火。加热温度非常高，一般为1220～1280℃. 550～570℃回火三次，高速钢回火后的组织为回火马氏体、细粒状碳化物及少量残余奥氏体。具有高的强度、硬度和热硬性。
冷模具钢 Cr12MoV。用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模。冷模具钢可以用刃具钢制造，如9Mn2V、9SiCr、CrWMn 、W18Cr4V等。
热模具钢 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V。制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，热处理为淬火后高温（550℃左右）回火。
不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9Ti。制造汽轮机叶片、化工设备、容器和管道、食品工厂设备。
3.  铸钢和铸铁
铸钢主要用于制造形状复杂、需要一定强度、塑性和韧性的零部件。 
铸铁是碳质量分数大于2.11%铁碳合金。铸铁中石墨形态、基体组织对铸铁的性能有很大的影响。灰口铸铁分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁几类。可通过加入合金元素和热处理来改善其性能。 
4.  铝合金、铜合金
铝合金、铜合金有特殊的机械性能和理化性能。
常用铝合金有： 5A05(LF5)、2A11(LY11)、7A04(LC4)、ZL102等。
常用铜合金有： H80、H62、QSn6.5-0.1、QAl9-4、QBe2等。
锡基轴承合金： ZChSnSb11-6. 
本章是工程材料课程的重点章。着重掌握各类合金钢的牌号、成分特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。
熟悉铸铁、铝合金、铜合金的牌号、成分、热处理工艺、组织及其应用。
一般了解其他有色金属性能的特点和应用。3. 2 习  题1. 解释名词  热硬性、石墨化、孕育（变质）处理、球化处理、石墨化退火、固溶处理、时效  
2.  填空题
 (1)  20是（  ）钢，可制造（  ) .  
 (2)  T12是（  ）钢，可制造（  ) .     
 (3)  按钢中合金元素含量，可将合金钢分为（  ) ,  (  ）和（  ）几类。
 (4)  Q345(16Mn)是（  ）钢，可制造（  ) . 
 (5)  20CrMnTi是（  ）钢，Cr, Mn的主要作用是（  ) , Ti的主要作用是（  ) 。热处理工艺是（  ) . 
 (6)  40Cr是（  ）钢，可制造（  ) . 
 (7)  60Si2Mn是（  ）钢，可制造（  ) .  
 (8)  GCr15是可制造（  ）钢，可制造（  ) .   
 (9)  9SiCr是（  ）钢，可制造（  ) . 
 (10)  CrWMn是（  ）钢，可制造（  ) .  
 (11)  Cr12MoV是（  ）钢，可制造（  ) .  
 (12)  5CrMnMo是（  ）钢，可制造（  ) .     
 (13)  W18Cr4V是（  ）钢，碳质量分数是（  ) , W的主要作用是（  ) 、Cr的主要作用是（  ) , V的主要作用是（  ) 。热处理工艺是（  ) ，最后组织是（  ) . 
 (14)  1Cr13是（  ）钢，可制造（  ) . 
 (15)  0Cr18Ni9Ti是（  ）钢，Cr的主要作用是（  ) , Ni的主要作用是（  ) , Ti的主要作用是（  ) .  
 (16)  灰口铸铁中碳主要以（  ）的形式存在，可用来制造（  ) . 
 (17)  球墨铸铁中石墨的形态为（  ) ，可用来制造（  ) .  
 (18)  蠕墨铸铁中石墨的形态为（  ) ，可用来制造（  ) . 
 (19)  影响石墨化的主要因素是（  ）和（  ) . 
 (20)  球墨铸铁的强度、塑性和韧性均较普通灰口铸铁高，这是因为（  ) .  
 (21)  HT200牌号中“HT”表示（  ) ，数字“200”表示（  ) . 
 (22)  生产球墨铸铁选用（  ）作为球化剂。
3.  是非题
 (1)  T8钢比T12和40钢有更好的淬透性和淬硬性。  ( )  
 (2)  调质钢的合金化主要是考虑提高其热硬性。  ( )  
 (3)  高速钢需要反复锻造是因为硬度高不易成形。  ( ) 
 (4)  T8钢与20MnVB相比，淬硬性和淬透性都较低。  ( ) 
 (5)  W18Cr4V高速钢采用很高温度淬火，其目的是使碳化物尽可能多地溶入奥氏体中，从而提高钢的热硬性。  ( )  
 (6)  奥氏体不锈钢只能采用加工硬化提高强度。 ( )  
 (7)  奥氏体不锈钢的热处理工艺是淬火后低温回火处理。  ( ) 
 (8)  铸铁可以经过热处理改变基体组织和石墨形态。  ( ) 
 (9)  可锻铸铁在高温时可以进行锻造加工。  ( ) 
 (10)  石墨化的第三阶段不易进行。  ( )  
 (11)  可以通过球化退火使普通灰口铸铁变成球墨铸铁。  ( ) 
 (12)  球墨铸铁可通过调质处理和等温淬火工艺提高其机械性能。  ( )  
4. 综合分析题
 (1)  说出Q235A、15、45、65、T8、T12等钢的钢类、碳质量分数，各举出一个应用实例。
  (2)  为什么低合金高强钢用锰作为主要的合金元素？
 (3)  试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。
 (4)  有两种高强螺栓，一种直径为10mm，另一种直径为30mm，都要求有较高的综合机械性能： σb≥800MPa, ak≥600kJ/m2。试问应选择什么材料及热处理工艺？
 (5)  为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素？为什么要进行中温回火？    
 (6)  轴承钢为什么要用铬钢？为什么对非金属夹杂限制特别严格？   
  (7)  简述高速钢的成分、热处理和性能特点，并分析合金元素的作用。   
 (8)  W18Cr4V钢的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+ (30～50) ℃的常规方法来确定其淬火加热温度，最终热处理后能否达到高速切削刀具所要求的性能？为什么？其实际淬火温度是多少？
 (9)  不锈钢的固溶处理与稳定化处理的目的各是什么？
 (10)  试分析20CrMnTi钢和1Cr18Ni9Ti钢中Ti的作用。 
 (11)  试分析合金元素Cr分别在40Cr、GCr15、CrWMn、1Cr13、1Cr18Ni9Ti、4Cr9Si2等钢中的作用。 
 (12)  试就下列四个钢号： 20CrMnTi、65、T8、40Cr讨论如下问题：
① 在加热温度相同的情况下，比较其淬透性和淬硬性，并说明理由；     
② 各种钢的用途、热处理工艺、最终的组织。
 (13)  试画出经正常淬火后的W18Cr14V钢在回火时的回火温度与硬度的关系曲线。     
  (14)  要使球墨铸铁的基本组织为铁素体、珠光体或下贝氏体，工艺上应如何控制？   
  (15)  有一灰口铸铁铸件，经检查发现石墨化不完全，尚有渗碳体存在，试分析其原因，并提出使这一铸件完全石墨化的方法。    
 (16)  试述石墨形态对铸铁性能的影响。
 (17)  试比较各类铸铁之间性能的优劣顺序，与钢相比较铸铁性能有什么优缺点？  
 (18)  为什么一般机器的支架、机床的床身常用灰口铸铁制造？ 
 (19)  铝硅合金为什么要采用变质处理？  
 (20)  指出下列铜合金的类别、用途：
H80、H62、HPb63-3、HNi65-5、QSn6.5-0.1、QBe2. 
 (21)  钛合金有哪些性能特点？举例说明它们的用途。