第三章 常用金属材料
3.1 碳素钢
3.2 合金钢
3.3 铸铁
3.4 有色金属及其合金
3.1 碳素钢
3.1.1 碳钢的分类
3.1.2 碳钢的牌号及其应用
3.1.1 碳钢的分类
3.1.2 碳钢的牌号及其应用
1,普通碳素结构钢
2,优质碳素结构钢
3,碳素工具钢
4,铸钢
1．普通碳素结构钢
? 这类钢主要保证力学性能。
普通碳素结构钢的牌号以
,Q+数字 +字母 +字母,
表示。其中,,Q”字是屈服点, 屈, 字的汉语拼音字
首，数字表示屈服点值。
数字后标注字母 A,B,C,D，表示钢材质量等级不
同，从 A到 D含磷、硫量的依次降低,A级质量最差，
D级质量最好。
若为沸腾钢在钢号后加, F”；半镇静钢在钢号后加
,b”；镇静钢则不加任何字母； TZ表示特种镇静钢。
例如,Q235AF即表示屈服点值为 235MPa的 A级沸腾
钢。表 1.3-1及表 1.3-2列出了普通碳素结构钢的牌号、
力学性能及化学成分。
? 普通碳素结构钢一般在钢厂供应状态下（即热轧
状态）直接使用。
? Q195,Q214钢的含碳量低，焊接性能好，塑性、
韧性好，易于加工，有一定强度，常用于制造普
通铆钉、螺钉、螺母等零件和轧制成薄板、钢筋
等，用于桥梁、建筑、农业机械等结构。
? Q255,Q275钢具有较高的强度，塑性、韧性较好，
可进行焊接，并轧制成工字钢、槽钢、角钢、条
钢和钢板及其它型钢作结构件以及制造简单的机
械的连杆、齿轮、联轴节和销子等零件。
? Q235既有较高的塑性 又有适中的强度，成为一种
应用最广的普通碳素结构钢。即可用作较重要的
建筑构件，又可用于制做一般的机器零件。
2．优质碳素结构钢
? 这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其硫、磷
的含量较低，均控制在 0.01%以下。非金属夹杂物也较
少，质量级别较高。
? 优质碳素结构钢的牌号是 采用两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍 。例如 45钢中平均碳的质量分数 w
C为 0.45%； 08钢表示钢中平均碳的质量分数 w
C为 0.08%。
? 这类钢按含锰量不同，分为普通含锰量（ 0.35-0.8%）
和较高含锰量 (0.7-1.2%)两组。含锰量较高的一组，在
钢号后加, Mn”。若为沸腾钢，则在数字后加, F”，如
08F为含碳量为 0.08％的沸腾钢。 这类钢随钢号的数字
增加，含碳量增加，组织中的珠光体量增加，铁素体
量减少。因此，钢的强度也随之增加，而塑性指标随之降低。
? 优质碳素结构钢一般都要经过热处理以提高力学性能
? 根据碳的含量不同，有不同的用途，主要用于制造机器零件
? 08,08F,10钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成
形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪
器仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等
? 15,20,25钢属低碳钢，也有良好的冷冲压性和
焊接性；常用来做冲压件和焊接件，也可以用来
渗碳，经过渗碳和随后热处理，使得表面硬而耐
磨，心部具有良好的韧性，从而可用于制造表面
要求耐磨并能承受冲击载荷的零件，如齿轮、活塞销、样板等
? 30,35,40,45,50钢属中碳钢，这几种钢经调
质处理（淬火 +高温回火）后，可获得良好的综
合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、
韧性，主要用于制造齿轮、轴类等零件。其中由
于 45钢的强度和塑性配合得好，因此成为机械制
造业中应用最广泛的钢种。例如 40,45钢常用于
制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床齿轮
和其它受力不大的轴类零件
? 55,60,65钢热处理（淬火 +中温回火）后具有高
的弹性极限，常用于制作负荷不大、尺寸较小
（截面尺寸小于 12~15mm）的弹簧，如调压、调
速弹簧、测力弹簧、冷卷弹簧，和钢丝绳等。优
质碳素结构钢的力学性能列于表 1.3-3中
3．碳素工具钢
? 碳素工具钢含碳量为 0.65-1.35％，
Si≤0.35％,Mn≤0.4％，硫、磷的含量是优
质钢的含量范围 (S≤0.03％,P≤0.035％ )。
? 碳素工具钢的牌号以, T+数字 +字母, 表示，
钢号前面的, T”表示碳素工具钢，其后的数
字表示以千分数表示的碳的质量分数。如
Wc=0.8%的碳素工具钢，其钢号为, T8”。
? 如为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加, A”，
例如,,T10A”。
? 碳素工具钢经热处理（淬火 +低温回火）后具有
高硬度，用于制造尺寸较小，要求耐磨性好的量
具、刃具、模具等。这类钢的钢号有 T7,T7A、
T8,T8A,……, T13A，共 8个钢种,16个牌号。
含碳量越高，则碳化物量越多，耐磨性就越高，
但韧性越差。因此受冲击的工具应选用含碳量低
的。一般冲头，凿子要选用 T7,T8等，车刀、钻
头可选用 T10，而精车刀、锉刀则选用 T12,T13之
类。常用碳素工具钢的牌号、成分、热处理和用
途列于表 1.3-4中
4．铸钢
? 有些机械零件。如轧钢机机架、水轮机转子、拖拉机
履带板和重载大型齿轮等，因形状复杂，难以用锻压
等方法成型，用铸铁又无法满足性能要求，此时可采
用铸钢件
? 碳素铸钢的含碳量一般在 0.15~0.60%范围内，含碳量
过高则塑性差，易产生裂纹
? 碳素铸钢的牌号由, 铸钢, 两字的汉语拼音字首
,ZG”加两组数字表示。两组数字 分别表示材料的屈
服强度和抗拉强度；若为焊接性能好的铸钢，则在第
二组数字后加汉字, 焊, 的汉语拼音字首, H,。其
牌号有 ZG200-400,ZG230-450,ZG270-500,ZG310-
570和 ZG340-600。
? 碳素铸钢按质量可分为 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 三级。
? Ⅰ 级为高级质量的铸件，硫、磷含量均不
大于 0.04%；
? Ⅱ 级为优质铸件，硫、磷含量均不大于
0.05%；
? Ⅲ 级为普通质量铸件，硫、磷含量均不大
于 0.06%。质量的级别应标注在铸钢牌号的
后面，但 Ⅲ 级可以省略不注。
? 铸钢的化学成分和力学性能见表 1.3-5。
3.2 合金钢
3.2.1 合金钢的分类
3.2.2 合金元素在钢中的作用
3.2.3 合金结构钢
3.2.4 合金工具钢
3.2.5 特殊性能钢
3.2.1 合金钢的分类
? 1．按合金元素含量分
? 合金钢可分为低合金钢（合金总含量
wE<5%）、中合金钢（合金总含量 wE=5
%~10 %）和高合金钢（合金总含量 wE>10
%）。
? 2．按正火或铸造状态的组织类型分
? 合金钢可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素
体钢、奥氏体钢及莱氏体钢。
? 3．按主要用途分
3.2.2 合金元素在钢中的作用
1.强化铁素体
2.形成合金渗碳体和特殊化合物
3.合金元素对 Fe—Fc3C相图的影响
1.强化铁素体
?钢中与碳亲合力很弱的非碳化物形成元素，如
Si,Mn,Ni,Al,Co等都能溶于铁素体而形
成合金铁素体，引起铁素体晶格畸变，产生固
溶强化，使铁素体的强度硬度提高、但塑性、
韧性则呈下降趋势，如图 3—1所示
（ 2） 形成合金渗碳体和特殊化合物
?钢中与碳亲合力较强的碳化物形成元素, 如 Cr,Mo、
W,V,Nb,Zr,Ti等 (按与碳亲和力由弱到强的顺序
排列 ) 在钢中能形成碳化物；也有少部分溶于铁素体
?合金钢中的碳化物有 合金渗碳体 (如 (Fe,Mn)3C,(Fe，
Cr)3C等 ),合金碳化物 (如 Mn3C,Cr7C,Fe3W3C
等 ),特殊碳化物 (如 WC,MoC,VC,TiC等 )
?合金碳化物的稳定性比合金渗碳体高, 特殊碳化物的
稳定性最高 。 稳定性愈高的碳化物愈难溶入奥氏体,
也不易聚集长大, 而且其溶点和硬度亦愈高 。 随着这
些碳化物数量的增多, 能显著提高钢的强度, 硬度,
热硬性和耐磨性 。
（ 3） 合金元素对 Fe— Fc3C相图的影响
?合金元素加入钢中，使 Fe—Fe3C相图的
相变温度及相变点的位置发生变化。 Ni、
Mn,Co,C,N,Cu等合金元素使 A3线
下降,γ区范围扩大。当其含量足够高时，
可使 γ区域扩大至室温，即在室温下也保
持为奥氏体组织，这类钢又称奥氏体钢，
如Ｍ n13,1Cr18Ni9等均为奥氏体钢。
图 3－ 2是锰对 Fe—Fe3C相图的影响。
? Si,Cr,V,Ti,W,Mo等合金元素使 Ａ 3线
上升，即使 γ区域范围缩小,α区域范围 增
大。当这些元素含量足够高时，可以在室温
与高温下均保持为铁素体组织，这类钢又称
为铁素体钢，如 Cr 17,Cr 25,Cr 28等不锈
钢均属于铁素体钢
? 图 3－ 3为铬对 Fe—Fe3C相图的影响
? 所有的合金元素都使 Fe—Fe3C相图中的Ｓ
点和Ｅ点向左移
? Ｓ点和Ｅ点左移，使共析和共晶成分中的
含碳量减少，原来是亚共析碳钢的可能变
成共析或过共析组织；含碳量 ωc＜ 2.11％的
钢中出现莱氏体，例如高速钢 (ωc＝ 0.7一 0.8
％ )，但在铸态组织中就有莱氏体，故又称
莱氏体钢
3.2.3 合金结构钢
1,合金结构钢的编号
2,普通低合金结构钢
3,渗碳钢
4,调质钢
5,弹簧钢
6,滚动轴承钢
? 合金结构钢按用途可分为工程用钢和机器
用钢两大类
? 工程用钢主要是用于各种工程结构，它们
大都是用普通低合金钢制造。这类钢冶炼
简便、成本低，适用于工程用钢批量大的
特点，这类钢使用时一般不进行热处理。
? 而机器制造用钢一般都经过热处理后使用，
主要是用于制造机器零件，它们大都是合
金结构钢制造。按其用途和热处理持点，
又分为调质钢、渗碳钢、易切钢、弹簧钢、
轴承钢、耐磨钢等
1．合金结构钢的编号
? 我国规定合金结构钢的编号方法为：基本组成为
,两位数字 +元素符号 +数字 +……”,前两位数字
表示平均碳质量分数的万倍（ wC× 10000）；元素
符号后面的数字为该元素平均质量分数的百倍
（ wE× 100），当其 wE<1.5%时，只标出元素符号，
而不标明数字；当平均质量分数 wE≥1.5%,2.5%、
3.5%,4.5%…… 时，相应标注为 2,3,4,5……
如 18Cr2Ni4W表示平均成分为,C0.18%,Cr2%，
Ni4%,wW<.1.5%；若 S,P含量达到高级优质钢时，
则在钢号后加, A”，如 38CrMoAlA。
? 易切削钢在钢号前加, Y”字（, 易, 字声
母），如 Y12,Y40Mn,Y40CrSCa，其含碳
量和合金元素含量均与结构钢编号一样，
如 Y40CrSCa，表示易切削钢的成分为：
wC=0.4%,wCr<1.5%,S,Ca为易切削元素
（ wS=0.05%～ 0.3%），一般情况下
wCa<0.015%。
? 滚动轴承钢的编号是在钢号前加, G”
（, 滚, 字声母），其后数字为平均含 Cr
量，以千倍（ wCr× 1000）表示，平均碳的
质量分数 wC≥1.0%时不标出，如 GCr15、
GCr9等钢中含铬的质量分数 wCr分别为 1.5%
和 0.9%
2．普通低合金结构钢
? 普通低合金结构钢，也称普低钢，又称普通低合
金高强度钢，它是在碳素结构钢的基础上，加入
少量的合金元素发展起来的。普通低合金结构钢
的强度较高，具有较好的韧性和塑性以及良好的焊接性能和耐蚀性。由于强度高，所以 1t普通低
合金钢可代替 1.2~2.0 t普碳钢使用，从而可减轻构
件重量。
? 为得到较好的塑性和焊接性，普通低合金结构钢
大多是低碳钢，含碳量控制在 0.2％以下。普通低
合金结构钢的主加元素是锰，其原因在于锰的资
源丰富，以及锰强化铁素体的效果显著；锰能降
低钢的冷脆温度；另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，从而进一步提高钢的强度
? 常用的普通低合金结构钢按其屈服强度的
高低分为 6个级别,300,350,400,450、
500,550一 650（ MPa）。
? 在 350Mpa级中 16Mn是个典型代表，它发展
最早，用的最多、产量最大。与 300MPa级
的 12Mn钢相比，由于 C和 Mn均稍有增加，
所以强度指标也提高了。在这类钢中，还
有 16Mn的派生钢种,16MnRe,16MnCu等。
Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲
劳强度，降低冷脆转变温度,Cu的主要作
用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于
船舶、车辆、桥梁等大型钢结构
? 对 400MPa级的 15MnV,15MnTi等，其含碳
量与 16Mn相当，但由于加入钒、铌、钛等
元素，能细化晶粒、产生第二相强化，使
屈服强度提高。主要用于大型结构、中压
容器等。
? 对 450MPa级的 15MnVN,14MnVTiRe等，由
于钒、氮、钛等元素起细化晶粒和第二相
强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高
塑、韧性，因此强化效果比 15MnV、
15MnTi还好。
? 300一 450MPa级的普低纲均是在热轧状态下或在热
轧后正火状态下使用。组织为铁素体十少量珠光
体。
? 对 500Mpa级的 18MnMoNb,14MnMoVBRe等，钢
中加入钼和微量硼，推迟奥氏体冷却时珠光体转
变的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，
因此在正火后得到贝氏体组织。广泛用于石油化工、中温高压容器等。
? 对于 14CrMnMoVB，正火后得贝氏体组织，然后
再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性。这种钢适于制造 400～ 500℃ 的锅炉、
高压容器等。
? 常用低合金结构钢的钢号、成分、性能与用途见表 3-6
3．渗碳钢
? 用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。
? （ 1）要求
? 渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机
械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机
上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零
件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。
通常尺寸小、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大、受力大的则采用低碳合金钢。
? （ 2）渗碳钢的成分和钢种
? 常用的渗碳钢钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表 3-7
? 为了满足, 外硬内韧, 的要求，这类钢一般都采
用低碳钢,wC=0.1%~0.25%，经过渗碳后，零件
的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬
火 +低温回火后使用。零件表面组织为回火马氏
体 +碳化物 +少量残留奥氏体，硬度达 58~62HRC，
满足耐磨的要求，而心部的组织是低碳马氏体，
保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。对
于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部
淬不透，仍保持原来的珠光体 +铁素体组织；这
时由于是低碳的，组织中铁素体占比例很大，因
而韧性指标比较高，能满足, 外硬内韧, 的要求。
? 这类钢使用的合金元素为铬、锰、镍、钼、钨、
钛、硼、钒等。
? 按照淬透性大小，可将渗碳钢分为三类：
? 1）低淬透性渗碳钢。典型钢种为 20Cr，这类钢水
淬临界直径 <25mm，渗碳淬火后，心部强韧性较
低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如
活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。
? 2）中淬透性渗碳钢。典型钢种为 20CrMnTi，这类
钢油淬临界直径约为 25~60mm，主要用于制造承
受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、
拖拉机齿轮等零件。
? ⅲ ）高淬透性渗碳钢。典型钢种为 20Cr2Ni4A，这
类钢的油淬临界直径 >100mm，主要用于制造大截
面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲
轴、大模数齿轮等。
? （ 3）渗碳钢的热处理
? 渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直
接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低
温回火。碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经
常采用直接淬火或一次淬火，而后低温回
火；高合金渗碳钢则采用二次淬火和低温
回火处理
4．调质钢
? （ 1）经过调质处理后使用的优质碳素钢和合金结
构钢，统称为调质钢
? 淬火后得到位错与孪晶马氏体的混合组织，以及
残留奥氏体和碳化物。高温回火后，由于马氏体
分解，碳化物弥散析出，残留奥氏体转变，内应
力消除，最终得到回火索氏体组织，综合力学性
能好，用于受力较复杂的重要结构零件，如汽车
后桥半轴、连杆、螺栓以及各种轴类零件
? 对于截面尺寸大的零件，为保证有足够的淬透性，
就要采用合金调质钢。
? （ 2）调质钢的成分特点和钢种
? 调质钢中 wC在 0.30%~0.50%之间，属中碳钢。
含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，
含碳量过低，则影响钢的强度指标，含碳
量过高则韧性显得不足。一般碳素钢的含
碳量偏上限；对于合金调质钢，随合金元
素的增加，含碳量趋于下限。
? 调质钢在机械制造中应用十分广泛，常用
调质钢的钢号、热处理工艺、力学性能及
用途见表 3-8。
? 按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类：
? 1）低淬透性调质钢。典型钢种是 40Cr，这类钢的油淬
临界直径最大为 30~40mm，广泛用于制造一般尺寸的重
要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。 35SiMn,40MnB是
为节约铬而发展的代用钢种。
? 2）中淬透性调质钢。典型钢种是 40CrNi，这类钢的油
淬临界直径最大为 40~60mm，含有较多的合金元素，用
于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆
等。
? 3）高淬透性调质钢。典型钢种是 40CrNiMoA，这类钢
的油淬临界直径最大为 60~100mm，多半为铬镍钢。铬、
镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得优良的综
合力学性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，
如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。
5．弹簧钢
? 弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。要求制造弹簧的材
料具有高的弹性极限（即具有高的屈服点或屈服强比）、
高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。
? 弹簧钢中 wC一般为 0.45%~0.70%。含碳量过高，塑性和韧
性降低，疲劳极限也下降。也加入的合金元素有锰、硅、
铬、矾和钨等。加入硅、锰主要是提高淬透性，同时也提
高屈强比，其中硅的作用更为突出。硅、锰元素的不足之
处是：硅会促使钢材表面在加热时脱碳，锰则使钢易于过
热。因此，重要用途的弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。它
们不仅使钢材有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有
更高的高温强度和韧性。
? 常用弹簧钢的钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表 3-9
6．滚动轴承钢
? 用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢具
有高而均匀的硬度、高的弹性极限和接触
疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的
耐腐蚀能力。
滚动轴承钢的成分特点及钢种
? 滚动轴承钢是一种高碳低铬钢,wC=0.95%~1.0%，
wCr=0.4%~1.65%
? 高碳是为保证有高的淬硬性，同时可形成铬的碳
化物强化相
? 铬的主要作用是增加钢的淬透性，使淬火、回火
后整个截面上获得较均匀的组织
? 铬可形成合金渗碳体 (Fe?Cr)3C，加热时降低过热
敏感性，得到细小的奥氏体组织。溶入奥氏体中
的铬，又可提高马氏体的回火稳定性
? 高碳低铬的滚动轴承钢，其材料成分中需
加入 Si,Mn等元素，进一步提高淬透性，
适量的 Si(wSi=0.4%~0.6%)还能明显地提高钢
的强度和弹性极限
? 滚动轴承钢是高级优质钢，成分中
wS<0.015%,wP<0.025%，最好用电炉冶炼，
并用真空除气
? 常用滚动轴承钢的钢号、热处理工艺、力
学性能及用途见表 3-10
3.2.4 合金工具钢
1,合金工具钢的分类及编号
2,刃具钢
3,模具钢
4,量具钢
1．合金工具钢的分类及编号
?标注方法与合金结构钢相似，基本组成为
“一 位数字（或无数字） +元素符号 +数字
+……”,其平均含碳量是用质量分数的千倍
（ wC× 1000）表示，而且，当碳质量 wC≥1.0%
时，钢号中不标出，如 9SiCr钢（成分,C0.9%，
wSi<1.5%,wCr<1.5%）； CrWMn钢
（ wC≥1.0%,wCr,wW, wMn均 <1.5%）。
?高速钢，如 W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等，
它们的碳质量分数均 <1.0%，但不标明
其数字；合金元素含量与合金工具钢
的标注方法相同，如 W18Cr4V钢的成
分为,C0.7%～ 0.8%,W18%,Cr4%，
wC<1.5%。
? 合金工具钢均属于高级优质钢，但钢号后
不加, A”字。
? 属于这一编号方法的钢种还有不锈钢、奥
氏体型和马氏体型耐热钢
2．刃具钢
?根据刃具的工况条件，刃具钢应该具有高
硬度、高耐磨性、高弯曲强度和足够的韧性，
高热稳定性
?用于刃具的材料有碳素工具钢、低合金工
具钢、高速钢、硬质合金等
? （ 1）低合金工具钢
? 为了克服碳素工具钢淬透性差、易变形和
开裂、及热硬性差等缺点。在碳素工具钢
的基础上加入少量的合金元素，一般不超
过 3%~5%（质量分数），就形成了低合金
工具钢。
? 低合金工具钢中 wC=0.75%~1.50%，高的含
碳量可保证钢的高硬度及形成足够的合金
碳化物，提高耐磨性
? 合金元素的作用主要是为了保证钢具有足
够的淬透性
? 钢中常加入的合金元素有硅、锰、铬、钼、
钨、矾等
? 其中硅、锰、铬、钼的主要作用是提高淬
透性；硅、锰、铬可强化铁素体
? 铬、钼、钨、矾查可细化晶粒使钢进一步
强化，提高钢的强度
? 作为碳化物形成元素铬、钼、钨、矾等在
钢中形成合金渗碳体和特殊碳化物，从而
提高钢的硬度和耐磨性
? 常用的低合金工具钢成分、热处理与用途
如表 3-11示
? （ 2）高速钢
? 高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等多种
元素的高合金工具钢
? 钢中加入较多的碳，其作用是既保证它的
淬硬性，又保证淬火后有足够多的碳化物
相。一般碳的质量分数在 1%左右，最高可
达 1.6%。如 W6Mo5Cr4V5SiNbAl钢，
wC=1.56%~1.65%
? 高速钢中一般含有较多数量的钨元素，它
是提高钢热硬性的主要元素，由于世界范
围钨资源的缺少，使人们找到了以 Mo,Co
元素代替 W元素而保持高的热硬性的方法
? Cr元素在钢中的作用：
? Cr的加入可提高钢的淬透性，并能形
成碳化物强化相,Cr在高温下可形成
Cr2O3，能起到保护作用，一般认为 Cr
的质量分数在 4%左右为宜，高于 4%时，
会使马氏体转变温度 Ms下降，淬火后
造成残留奥氏体量增多的不良结果
? V元素在钢中的作用：
? V与 C的亲和力很强，在高速钢中形成
碳化物 VC，它有很高的稳定性，即使
淬火温度在 1260~1280℃ 时，也不会全
部溶于奥氏体中,VC的最高硬度可达
到 83~85HRC，在高温多次回火过程中
VC呈弥散状析出，进一步提高了高速
钢的硬度、强度和耐磨性
? 为了提高高速钢的某些方面的性能，还可
以加入适量的 Al,Co,N等合金元素。
? 常用高速钢的成分、钢号、热处理、力学
性能及用途见表 3-12
? 在我国最常用的高速钢是 W18Cr4V和
W6Mo5Cr4V2，通常简称 18-4-1和 6-5-4-2。
前者的过热敏感性小，磨削性好，但由于
热塑性差，通常适于制造一般高速切削刀
具，如车刀、铣刀、绞刀等；由于后者的
耐磨性、韧性和热塑性较好些，适于制造
耐磨性和韧性很好配合的高速刀具，如丝
锥、齿轮铣刀、插齿刀等
? （ 3）硬质合金
? 硬质合金是把一些高硬度、高熔点的粉末
（ WC,TiC等）和胶结物质（ Co,Ni等）
混合、加压、烧结成形的一种粉末冶金材
料。它虽不是合金工具钢，但是一种常用
的、主要的刃具材料。其特点是：硬度极
高（ 89~91HRA）、热硬性好（切削温度可
达 1000℃ ）、耐磨性好。
? 用硬质合金制作的刀具，切削速度比高速
钢提高 4~5倍
? 由于硬质合金的硬度很高，切削加工困难。
因此形状复杂的刀具，如拉刀、滚刀就不
能用硬质合金来制作。一般硬质合金做成
刀片，镶在刀体上使用。除了用硬质合金
来制作刀具外，还可以制作冷作模具、量
具及耐磨零件等
? 1）钨钴类
? 牌号有 YG3,YG6,YG8等
? YG表示钨钴类硬质合金，后边的数字表示
钴的质量分数（ %）。如 YG8表示 wCo=8%、
wWC=92%的钨钴类硬质合金。
? 2）钨钴钛类
? 牌号有 YT5,YT15,YT30等,YT表示钨钴
钛类硬质合金，后边的数字表示碳化钛的
质量分数。如 YT15表示含 wTic=15%，其余
为 WC和 Co的钨钴钛类硬质合金。
? 钨钴类用于加工脆性材料（如铸铁以及胶木等非
金属材料）。其中含钴量高的，抗弯强度高，韧
性好，而硬度、耐磨性低，适于粗加工
? 钨钴钛类用于加工韧性材料（适于加工各种钢
件），由于 TiC的耐磨性好，热硬性高，所以这类
硬质合金的热硬性好，加工工件的表面质量也好
? 此外，还有如 YW1和 YW2称通用和万能硬质合金，
用来切削不锈钢、耐热合金等难加工的材料，刀
具寿命更长
? 常用硬质合金的牌号、组成和性能如表 3-13所示
3．模具钢
根据模具的工作条件不同, 模具钢一般分为
冷作模具和热作模具钢两大类 。 前者用于制
造冷冲模和冷挤压模等, 工作温度大都接近
室温；后者用于制造热锻模和压铸模等, 工
作时型腔表面温度可高达 600℃ 以上
? （ 1）冷作模具钢
? 对冷作模具钢性能的要求
? 较高的硬度和耐磨性
? 较高的强度和韧性
? 良好的工艺性
? 模具钢钢号表示方法与低合金工具钢相同
?（ 2）冷作模具钢的成分特点和钢
种
?对于尺寸小、形状简单、工作负荷
不大的模具采用碳素工具钢和低合
金工具钢。钢种有 T8A,T10A、
T12A,Cr2,9Mn2V,9SiCr、
CrWMn,Cr6WV等。
? 这类钢的优点是价格便宜，加工性能好，能基本
上满足模具的工作要求。缺点是：这类钢的淬透
性差，热处理变形大，耐磨性较差，使用寿命较
低。对于低合金工具钢，则由于可采用油淬火，
并含有少量的合金元素，淬透性提高了，晶粒细
化了，变形减小了，像 9SiCr,Cr2可用来制造滚丝
模等。
? 制造负荷大、尺寸大、形状复杂的模具用高碳高
铬模具钢。钢号有 Cr12,Cr12MoV等。
? Cr12型钢的化学成分、热处理工艺和用途如表 3-14
? 这类钢中 wC=1.4%~2.3%,wCr=11%~12%
? 含碳量高是为了保证与铬形成碳化物，在
淬火加热时，其中一部分溶于奥氏体中，
以保证马氏体有足够的硬度，而未溶的碳
化物，则起到细化晶粒的作用，在使用状
态下起到提高耐磨性的作用
? 含铬量高，其主要作用是：提高淬透性和
细化晶粒，截面尺寸为 200~300mm时，在
油中可以淬透；形成铬的碳化物，提高钢
的耐磨性。 wCr一般为 12%，过高的含铬量会
使碳化物分布不均
? （ 2）热作模具钢
? 热作模具包括热锻模、热镦模、热挤压模、
精密锻造模等，均属于在受热状态下对金
属进行变形加工的模具，也称为热变形模
具
? 钼和钒的加入，能进一步提高淬透性，细
化晶粒，其中钒可形成 VC，因而可进一步
提高耐磨性和韧性。还可适当降低钢的含
碳量，以减少碳化物的不均匀性，所以
Cr12MoV钢较 Cr12钢的碳化物分布均匀，强
度和韧性高，淬透性高，用于制作截面大、
负荷大的冷冲模、挤压模、滚丝模、冷剪
刀等
? 对热作模具钢的性能要求是：
? 1）综合力学性能好。模具在工作中承受压应力、
张应力、弯曲应力及冲击应力等，还经受强烈的
摩擦，因此必须具有高的强度和韧性，同时还应
有足够的硬度和耐磨性。
? 2）抗热疲劳能力高。模具在工作中反复受到炽热
金属和冷却介质的交替作用，极易产生热疲劳，
因此应具有良好的抗疲劳能力。
? 3）回火稳定性高。工作时模具型腔表面温度可高
达 400600，因此必须具有较高的回火稳定性。
? 4）淬透性高。对尺寸大的模具，为保证其整体的
物理力学性能，要求材料的淬透性高。
? 对于中小尺寸（截面尺寸 ≤300mm）的模具，
一般采用 5CrMnMo
? 对于大尺寸（截面尺寸 >400mm）的模具，
一般采用 5CrNiMo
? 对于压铸模，采用 3Cr2W8V
? 它们化学成分如表 3-15所示
? 热作模具钢的含碳量取中碳范围，
wC=0.5%~0.6%，对于压铸模 wC=0.30%。这
一含碳量可保证淬火后的硬度，同时还有
较好的韧性指标
? 铬、镍、锰、钼的作用是提高淬透性，使
模具表里的硬度趋于一致。铬、钼还有提
高回火稳定性、提高耐磨性的作用；铬、
钨、钼还通过提高共析温度，使模具在反
复加热和冷却过程中不发生相变，来提高
抗热疲劳的能力
4．量具钢
?量具钢是用于制造量具的钢，如卡尺、千分
尺、块规、塞尺等
?对量具钢的主要性能要求如下：
?（ 1）工作部分有高的硬度和耐磨性，以防止
在使用过程中因磨损而失效；组织稳定性高，
热处理变形小，在存放和使用过程中尺寸不变，
以保证高的尺寸精度；
?（ 2）有良好的磨削加工性。
?（ 3）为了满足上述高硬度、高耐磨性的要求，
一般都采用含碳量高的钢，通过淬火得到马氏
体。
? 最常用的量具用钢为碳素工具钢和低合金工具钢
? 碳素工具钢由于采用水淬火，淬透性低，变形大，
因此常用于制作尺寸小、形状简单、精度要求低
的量具。常用的碳素工具钢有 T10A,T12A,50、
55,60等；也可采用低碳钢（如 10,15钢）经渗
碳热处理。
? 低合金工具钢（包括 GCr15等）由于加入了少量的
合金元素，提高了淬透性；又由于采用油淬火，
减小了变形量。合金元素在钢中形成合金渗碳体，
提高了钢的耐磨性。在这类钢中,GCr15用得最多，
这是由于滚动轴承钢本身也比较纯净，钢的耐磨
性和尺寸稳定性都较好
?还可采用低变形钢，如铬锰钢、铬钨
锰钢等。这种钢由于含锰，可使 Ms点
降低，淬火后的残留奥氏体增加，因
而造成钢的淬火变形减少，有低变形
钢之称
3.2.5 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊的物理, 化学性能
的钢, 它的种类很多, 其中最主要的是不锈
钢, 耐热钢, 耐磨钢等
1,不锈钢
2,耐热钢
3,耐磨钢
1．不锈钢
? 不锈钢（又称为不锈耐酸钢）是指能抵抗
大气或酸等化学介质腐蚀的钢
(1) 金属腐蚀的一般概念
? 金属腐蚀通常可分为化学腐蚀和电化学腐
蚀两种类型
? 化学腐蚀是金属在干燥气体或非电解质溶
液中的腐蚀，腐蚀过程不产生电流，钢在
高温下的氧化属于典型的化学腐蚀
? 电化学腐蚀是金属与电解质溶液接触时所
发生的腐蚀，腐蚀过程中有电流产生，钢
在室温下的锈蚀主要属于电化学腐蚀
? 化学腐蚀除了钢的高温氧化外，钢的脱碳、
钢在石油中的腐蚀、氢和含氢气体对普通
碳钢的腐蚀等都属于化学腐蚀
? 大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀，这
类腐蚀是由于金属在电解质中发生了电化
学作用，这种作用是由于形成了原电池
?当两种互相接触的金属放入电解质溶液时，
由于两种金属的电极电位不同，彼此之间
就形成一个微电池，并有电流产生
?电极电位低的金属为阳极，电极电位高的
金属为阴极，阳极的金属将不断被溶解，
而阴极金属就不被腐蚀
?对于同一种合金，由于组成合金的相或组
织不同，也会形成微电池，造成电化学腐
蚀
?例如：
?钢组织中的珠光体，是由铁素体和渗碳体
两相组成的，在电解质溶液中就会形成微
电池，由于铁素体的电极电位低，为阳极，
就被腐蚀。而渗碳体的电极电位高，为阴
极而不被腐蚀，如图 3-4所示
?在观察碳钢的显微组织时，要把抛光的试
样磨面放在硝酸酒精溶液中的浸蚀，使铁
素体腐蚀后，才能在显微镜下观察到珠光
体的组织，就是利用电化学腐蚀的原理实
现的
? 由上述可知，要提高金属的耐电化学腐蚀能力，通常可采取以下措施：
? 1）在合金钢中加入较多数量的 Cr,Ni等合金元素，
尽量使金属在获得均匀的单相组织条件下使用，
这样金属在电解职质溶液中只有一个极，使微电池难以形成。如在钢中加入大于 24%（质量分数）
的 Ni,会使钢在常温下获得单相的奥氏体组织。
? 2）加入合金元素提高金属基体的电极电位，例如
在钢中加入大于 13%（质量分数）的 Cr，则铁素
体的电极电位由 -0.56V提高到 0.2V，从而使金属的
耐腐蚀性能提高。
? 3）加入合金元素，在金属表面形成一层致密的氧
化膜，又称纯化膜，把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐蚀。
? 铬是不锈钢合金化的主要元素。钢中加入铬，提
高电极电位，从而提高钢的耐腐蚀性能。当铬含
量达 n/8原子分数值（ n=1,2,3… ），即达到 1/8、
2/8,3/8,… （也即 12.5%,25%,37.5%,… ）原
子分数时，电极电位呈台阶式跃增，即腐蚀速度
呈台阶式下降，这种现象称为 n/8规律。所以铬钢
中的含铬量只有超过台阶值（如 n=1，换成质量分
数则为 12.5%× 52/55.8=11.7%）时，钢的耐蚀性才
有明显提高。
? 由于 wCr>11.7%，而且绝大部分都溶于固溶体中，
使电极电位跃增，使基体的电化学腐蚀过程变缓。
同时，在金属表面被腐蚀时，形成一层与基体金
属结合牢固的钝化膜，使腐蚀过程受阻，从而提
高钢的耐蚀性
? （ 2）常用不锈钢
? 常用的不锈钢根据其组织特点，可分为马
氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈
钢三种类型
? 常用不锈钢的钢号、成分、热处理工艺及
用途如表 3-16所示
2．耐热钢
?在发动机、化工、航空等部门有很多
零件是在高温下工作，要求具有高和
耐热性的钢称为耐热钢
耐热钢的一般概念
?钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度
两方面的涵义
?金属的高温抗氧化性是指金属在高温下对
氧化作用的抗力；而高温强度是指钢在高
温下承受机械负荷的能力
?所以耐热钢是高温抗氧化性能好、高温强
度高的钢。
1）高温抗氧化性
? 金属的高温抗氧化性，通常主要取决于金
属在高温下与氧接触时，表面能形成致密
且熔点高的氧化膜，以避免金属的进一步
氧化的能力
? 一般碳钢在高温下很容易氧化，这主要是
由于在高温下钢的表面生成疏松多孔的氧
化亚铁 FeO，容易剥落，而且氧原子不断地
通过 FeO扩散，使钢继续氧化。
? 为了提高钢的抗氧化性能，一般是采用合
金化方法，加入铬、硅、铝等元素，使钢
在高温下与氧接触时，在表面形成致密的
高熔点的 Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜，牢
固地附在钢的表面，使钢在高温气体中的
氧化过程难以继续进行
? 如在钢中加 wCr=15%的 Cr，其抗氧化温度可
达 900℃ ；在钢中加 wCr=20%~25%的 Cr，其
抗氧化温度可达 1100℃
? 2）高温强度
? 金属在高温下所表现的力学性能与室温下大不相
同。在室温下的强度值与载荷作用的时间无关，
但金属在高温下，当工作温度大于再结晶温度、
工作应力大于此温度下的弹性极限时，随时间的
延长，金属会发生极其缓慢的塑性变形，这种现
象叫做, 蠕变, 。在高温下，金属的强度是用蠕
变强度和持久强度来表示。蠕变强度是指金属在
一定温度下，一定时间内，产生一定变形量所能
承受的最大应力。而持久强度是指金属在一定温
度下，一定时间内，所能承受的最大断裂应力。
? 为了提高钢的高温强度，通常采用以下几种措施：
? 1）固溶强化。固溶体的热强性首先取决于固溶体自身的
晶体结构，由于面心立方的奥氏体晶体结构比体心立方的
铁素体排列要紧密，因此奥氏体耐热钢的热强性高于铁素
体为基的耐热钢。在钢中加入合金元素，形成单相固溶体，
提高原子结合力，减缓元素的扩散，提高再结晶温度，能
进一步提高热强性。
? 2）析出强化。在固溶体中沉淀析出稳定的碳化物、氮化
物、金属间化合物，也是提高耐热钢热强性的重要途径之
一。如加入铌、钒、钛等，形成 NbC,TiC,VC等，在晶
内弥散析出，阻碍位错的滑移，提高塑变抗力，提高热强
性。
? 3）强化晶界。材料在高温下（大于等强温度 Te），其晶
界强度低于晶内强度，晶界成为薄弱环节。通过加入钼、
锆、钒、硼等晶界吸附元素，降低晶界表面能，使晶界碳
化物趋于稳定，使晶界强化，从而提高钢的热强性。
? （ 2）常用的耐热钢
? 常用耐热钢的钢号、成分、热处理工艺及
使用温度如表 3-17所示
3．耐磨钢
?磨损是机械工程上广泛存在的问题，通常有磨
料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损等
?采用低碳合金钢经渗碳、淬火 +低温回火，可
制造要求“外硬内韧”的耐磨性较高的零件，
如齿轮、销子等
?采用中碳钢和中碳合金钢，经调质和表面淬火
可制造要求强度和耐磨性高的零件，如负荷较
大的轴类、齿轮等
?采用高碳钢和高碳合金钢，经淬火 +低温回火
可制造要求耐磨性更高的零件，如用 GCr15制
作喷油嘴等。
? 习惯上，耐磨钢主要指在冲击载荷作用下发生冲
击硬化的高锰钢，常见的钢号是,ZGMn13。在
耐磨钢的成分中 Mn与 C含量的比值不小于是 10，
它的具体成分为,wC=0.9%~1.4%，
wMn=11.5%~15%,wS≤0.05%,wP≤0.12%,wCr≤1%，
wNi≤1%,wCu≤0.3%
? 此类钢机械加工比较困难，基本上都是铸造成形
后使用。铸造成形后，性能主要表现是硬而脆，
必须在 1050~1100℃ 加热水冷、保持单一均匀的奥
氏体组织、防止碳化物析出，从而使其具有强度、
韧性结合及耐冲击的优良性能。这种处理称作高
锰钢的水韧处理。
? 水韧处理后的高锰钢，受到冲击或磨损时，表面
产生强烈的加工硬化现象，表层硬度、强度急剧
上升，而内部仍为保持高的塑性、韧性的奥氏体
组织，广泛应用于制造要求耐磨、耐冲击的一些
零件。在铁路运输业中，可用高锰钢制造铁道上
的辙尖、辙岔、转辙器及小半径转弯处的轨条。
在建筑、矿山、冶金业中，长期使用高锰钢制造
的挖掘机铲斗，各种碎石机颚板、衬板、磨板。
高锰钢还大量用于挖掘机、拖拉机、坦克车履带
板、主动轮和支承滚轮等。又因高锰钢组织为单
一无磁性奥氏体，也可用于既耐磨又抗磁化的零
件，如吸料器的电磁铁罩
3.3 铸铁
3.3.1 铸钢的石墨化过程及其组织
3.3.2 影响石墨化过程的因素
3.3.3 铸铁的分类
3.3.4 灰口铸铁
3.3.5 球墨铸铁
3.3.6 蠕墨铸铁
3.3.7 可锻铸铁
3.3.8 合金铸铁
? 同钢一样，铸铁也是以 Fe,C元素为主的铁基材料，
其含碳量 Wc >2.11%。铸铁成形只能用铸造方法，
不能用锻或轧制方法。与钢相比，铸铁的强度低、
塑性、韧性差，但具有优良的铸造和切削加工性
能。
? 按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分
为两大类：白口铸铁和灰口铸铁。
? 在白口铸铁中，碳以渗碳体的形式存在；而灰口
铸铁中，渗以游离石墨形式存在。白口铸铁硬且
脆，很少用来制造机械零件，主要用作炼钢的原
料，故通常称它为生铁
3.3.1 铸铁的石墨化过程及其组织
? 铸铁组织中石墨的形成叫做
,石墨化, 过程。
? 在铁碳合金中，碳可能以两种
形式存在，即化合状态的渗碳
体和游离状态的石墨
? 石墨的晶格形式为简单六方，
如图 1.4-5所示。因其面间距较
大，结合力弱，故其结晶形态
易发展成片状，且强度、塑性
和韧性极低，接近于零。
? 铁碳合金中，渗碳体并不是一种稳定的相，
而石墨是一种稳定的相。在铁碳合金结晶
的过程中，因为渗碳体的含碳量较石墨的
含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形
成渗碳体晶核。但在极其缓慢冷却条件下，
或在合金中含有促进石墨化的元素时，在
铁碳合金的结晶过程中，便会直接自液体
或奥氏体中析出石墨相。因此，对铁碳合
金的结晶过程来说，实际存在两种相图，
即亚稳定状态的 Fe-Fe3C相图和稳定的 Fe-G
相图 ( 如图 3-6)
? 铁碳合金按照 Fe-G相图进行结晶，则铸铁
的石墨化过程可分为如下三个阶段：
? 第一阶段：即在 1153时通过共晶反应而形成
石墨
? 第二阶段：即在范围内冷却过程中自奥氏
体中不断析出二次石墨。
? 第三阶段：即在时通过共析反应而形成石
墨
? 一般，铸铁在高温冷却过程中，由于具有
较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶
段的石墨化是较容易进行的，而在较低温
度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的
成分及冷却速度等条件的不同，遭遇被部
分或全部抑制，从而得到三种不同的组织，
即,F+G,F+P+G,P+G
? 铸铁组织与石墨化进行程度之间的关系见
表 3-18
3.3.2 影响石墨化过程的因素
? 1．化学成分的影响
? 铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有
不同影响
? 其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素
? 在一般铸造条件下，铸铁中较高的含碳量是石墨
化的必要条件，而一定的含硅量是石墨化的充分
条件，碳与硅含量越高越易石墨化；若碳、硅含
量过低则易出现白口；如果碳、硅含量过高，将
导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的力学性能下降
? 2．温度及冷却速度的影响
? 铸件的冷却速度对石墨化的影响也很大，
即冷却愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便
愈有利，而快冷则阻止石墨化
? 在铸造时，除了造型材料和铸造工艺影响
冷却速度以外，铸件的壁厚不同也会具有
不同的冷却速度，也会得到不同的组织。
如图 3-7所示
3.3.3 铸铁的分类
?工业上使用的铸铁种类很多,按照石墨的形态
和组织性能,铸铁可分为,
?普通灰铸铁
?球墨铸铁
?蠕墨铸铁
?可锻铸铁
?合金铸铁
3.3.4 灰口铸铁
1．灰口铸铁的化学和组织特征
2,灰口铸铁的牌号, 性能及用途
3,灰铸铁的孕育处理
1．灰口铸铁的化学和组织特征
在生产中，为使铸铁浇注后得到灰口，且不至含
有过多和粗大的片状石墨，通常把铸铁的成分控
制在,wC=2.5%~4.0%,wSi=1.0%~3.0%，
wMn=0.25%~1.0%,wS=0.02%~0.2%，
wP=0.05%~0.5%。具有上述成分范围的铁液在进行
缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。
其断口呈黑灰色。若铁水中的碳、硅含量低，铸
件容易出现白口组织，白口组织往往出现在铸件
的表面层和薄壁处。普通灰口铸铁的组织是由片
状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段
石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织，如图 3-8所示
2．灰口铸铁的牌号、性能及用途
? 从表 3-19可以看出，在同一牌号中，随铸件
壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根
据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须
同时注意到零件的壁厚尺寸。
? 灰口铸铁的性能与碳钢相比，具有如下特点：
? （ 1）力学性能低
? 其抗拉强度和塑性、韧性都远远低于钢。这是由于灰口铸
铁中片状石墨的存在，不仅在其尖端处引起应力集中，而
且破坏了基体的连续性。石墨片的量愈多，尺寸愈大其影
响也愈大。但是，石墨的存在对抗压强度影响不大，其抗
压强度是抗拉强度的 2.5~4倍。所以常用灰口铸铁制造机
床床身、底座等耐压零部件。
? （ 2）耐磨性与减振性好
? 由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰铸铁的减振性优于钢。
? （ 3）工艺性能好
? 由于灰铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，
流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁
铸件。另外，由于石墨使切削加工时易断屑。所以灰铸铁
的可切削加工性优于钢
3．灰铸铁的孕育处理
? 表 3-19中 HT250,HT300,HT350属于较高强度的
孕育铸铁（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过
孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液中加
入了孕育剂（或称变质剂），因此结晶时石墨晶
核数目增多，石墨片尺寸变小，更为均匀地分布
在基体中。所以其显微组织是在细珠光体基体上
分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般
为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，加入量为铁
水总量的 0.4%，当变质剂加入铸铁液内后立即形
成 SiO2的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点
为核心形成细小的片状石墨。
? 铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，
而且塑性和韧性也有所改善。同时，由于
孕育剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的
敏感性显著减少，使各部位都能得到均匀
一致的组织。因而孕育铸铁常用来制造力
学性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸
件
3.3.5 球墨铸铁
在浇注前向铁液中加入一定量的球化剂（如
镁、稀土或稀土镁）和少量的孕育剂（硅铁
和硅钙）进行球化处理和孕育处理，在浇注
后可获得具有球状石墨结晶铸铁，称为球墨
铸铁，简称, 球铁,
1．球墨铸铁的化学成分和组织特征
2,球墨铸铁的牌号, 性能特点及用途
1．球墨铸铁的化学成分和组织特征
? 球墨铸铁的大致化学成分范围是,wC=3.6%~3.9%，
wSi=2.0%~3.0%,wMn=0.3%~0.8%,wP<0.1%，
wS<0.07%,wMg=0.03%~0.08%
? 球墨铸铁的成分特点是：碳当量较高（一般在
4.3~4.6%），含硫量较低。高碳当量是为了使它
得到共晶左右的成分，具有良好的流动性；而低
硫则是因为硫与球化剂（ Mg及 RE）具有很强的亲
和力，会消耗球化剂，从而造成球化不良。由于
球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造
成流动性下降，所以必须严格控制其含量。
? 球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基
体两部分组成。随着成分和冷却速度的不
同球墨铸铁在铸态下的金属基体可分为铁
素体、铁素体 +珠光体、珠光体三种，见图
3-9
2．球墨铸铁的牌号、性能特点及用途
? 在球墨铸铁中，由于球形石墨对金属基截面削弱作用较小，
使得基体比较连续。而且，在拉伸时，应力集中明显减弱，
从而使基体强度利用率可达 70~90%，而在灰口铸铁中基
本的强度利用率仅为 30~50%，故球墨铸铁的强度、塑性
和韧性都超过灰口铸铁，球铁的刚性也比灰口铸铁好。球
墨铸铁不仅具有远远超过灰口铸铁的机械性能，而且同样
也具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性，减摩性，
切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面可
与锻钢相媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优
于表面淬火钢等。但球铁的减振能力比灰铸铁低很多。
? 由于球铁中金属基体是决定球铁力学性能的主要因素，所
以球铁可通过合金化和热处理强化的方法进一步提高它的
力学性能。因此，球铁可以在一定条件下代替铸钢、锻钢
等，用以制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的铸件
3.3.6 蠕墨铸铁
蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是由
铁液经变质处理和孕育处理冷却凝固后所获得的一种铸铁。
通常采用的变质元素（又称蠕化剂）有稀土硅铁镁合金、
稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金或混合稀土等。然后加入
少量的孕育剂（硅铁）以促进石墨化，使铸铁中的石墨具
有介于片状和球状间的形态
1．蠕墨铸铁的化学成分和组织特征
2,蠕墨铸铁的牌号, 性能特点及用途
1．蠕墨铸铁的化学成分和组织特征
? 蠕墨铸铁的化学成分一般为 wC=3.4%~3.6%，
wSi=2.4%~3.0%,wMn=0.4%~0.6%，
wS<0.06%,wP<0.07%。
? 蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨
之间。蠕墨铸铁的石墨形态在光学显微镜
下看起来像片状，但不同于灰铸铁的是其
片较短而厚、头部较圆（形似蠕虫）。所
以可以认为蠕虫状石墨是一种过渡型石墨
2．蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途
蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途如表 3-22
所示。牌号中, RuT”是, 蠕铁, 二字汉语
拼音的大写字头，为蠕墨铸铁代号；在
,RuT”后面的数字表示最低抗拉强度。表
中的, 蠕化率, 为在有代表性的显微视野
内，蠕虫状石墨数目与全部石墨数目的百
分比
3.3.7 可锻铸铁
可锻铸铁中是由白口铸铁在固态下经长时间
石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的
高强度铸铁，又叫马铁。由于可锻铸铁中石
墨呈团絮状，所以明显减轻了石墨对基体金
属的割裂。与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度
和韧性有明显提高。应该指出可锻铸铁不能
用锻造方法制成零件
1,可锻铸铁的化学成分和组织特征
2,可锻铸铁的牌号, 性能特点及用途
1．可锻铸铁的化学成分和组织特征
?可锻铸铁的生产过程是：先铸造成白口铸铁。再
进行“石墨化”退火
?如果铸铁没有完全白口化而出现了片状石墨，则
在随后的退火过程中，则会因为从渗碳体中分解出
的石墨沿片状石墨析出而得不到团絮状石墨。所以
可锻铸铁的碳、硅含量不能太高，以促使铸铁完全
白口化；但碳、硅含量也不能太低，否则使石墨化
退火困难，退火周期增长。可锻铸铁的化学成分大
致为,wC=2.5%~3.2%,wSi=0.6%~1.3%，
wMn=0.4%~0.6%,wP=0.1~0.26%，
wS=0.05%~1.0%
?铁素体基体 +团絮状石墨的可锻铸铁断口呈
黑灰色，俗称黑心可锻铸铁，这种铸铁件
的强度与延性均较灰铸铁的高，非常适合
铸造薄壁零件，是最为常用的一种可锻铸
铁。珠光体基体或珠光体与少量铁素体共
存的基体 +团絮状石墨的可锻铸铁件断口呈
白色俗称白心可锻铸铁，这种可锻铸铁应
用不多
?退火后白口铁中的渗碳体分解为团絮状石
墨，得到铁素体基体 +团絮状石墨或珠光体
（亦或珠光体及少量铁素体）基体 +团絮状
石墨，如图 1.4-10所示
? 可锻铸铁的石墨化退火是将白口铸铁件加
热到 900~980℃ 温度，一般保温 60~80h。炉
冷使其中渗碳体分解，让, 第一阶段石墨
化, 充分进行，形成团絮状石墨。待炉冷
至 770~650℃,再长时间保温，让, 第二阶
段石墨化, 充分进行，这样处理后获得
,黑心可锻铸铁, 。若取消第二阶段的
770~650℃ 长时间保温，只让第一阶段石墨
化充分进行，炉冷后便获得珠光体基体或
珠光体与少量铁素体共存的基体 +团絮状石
墨的, 白心可锻铸铁,
2．可锻铸铁的牌号、性能特点及用途
可锻铸铁的牌号、性能特点及用途见表 3-23。牌号
中的,KT”是“可铁”二字汉语拼音的大写字头，
为可锻铸铁代号，,H”表示“黑心”，,Z”表示珠
光体基体；后面的两组数字分别表示最低抗拉强度
和最低延伸率
? 可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸
铁之间，有较好的耐蚀性，但由于退火时
间长，生产效率极低，使用受到限制，故
一般用于制造形状复杂、承受冲击，并且
壁厚 <25mm的铸件（如汽车、拖拉机的后
桥壳、轮彀等）
? 可锻铸铁亦适用于制造在潮湿空气、炉气
和水等介质中工作的零件，如管接头、阀
门等
3.3.8 合金铸铁
在普通铸铁的基础上加入一定时的合金元素，制成
特殊性能铸铁（合金铸铁）。它与特殊性能钢相比，
熔炼简便，成本较低。缺点是脆性较大，综合力学
性能不如钢。合金铸铁具有一般铸铁不具备的耐高
温、耐腐蚀、抗磨损等特性
1,耐磨铸铁
2,耐热铸铁
3,耐蚀铸铁
1．耐磨铸铁
? 有些零件如机床的导轨、托板，发动机的
缸套，球磨机的衬板、磨球等，要求更高
的耐磨性，一般铸铁满足不了工作条件的
要求，应当选用耐磨铸铁。耐磨铸铁根据
组织可分为下面几类：
? （ 1）耐磨灰铸铁
? 在灰铸铁中加入少量合金元素（如磷、钒、铬、
钼、锑、稀土等）可以使金属基体中珠光体细化，
同时也细化了石墨。由于铸铁的强度和硬度升高，
显微组织得到改善，使得这种灰铸铁具有良好的润滑性和抗咬合、抗擦伤的能力
? 耐磨灰铸铁广泛用于制造机床导轨、气缸套、活塞环、凸轮轴等零件。
? （ 2）中锰球墨铸铁
? 在稀土 ―镁球铁中加入质量分数为 5.0%~9.5%的锰，
控制硅的质量分数在 3.3%~5.0%范围内，其组织为
马氏体 +奥氏体 +渗碳体 +贝氏体 +球墨石墨。具有
较高的冲击韧度和强度，适用于同时承受冲击和
磨损的条件下使用，可代替部分高锰钢和锻钢。
中锰球铁常用于农机具耙片、犁铧、球磨机磨球等零件
2．耐热铸铁
? 普通灰铸铁的耐热性较差，只能在低于
400℃ 左右的温度下工作。耐热铸铁是指在
高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的
铸铁。所谓热生长是指氧化性气氛沿石墨
片边界和裂纹渗入铸铁内部，形成内氧化
以及因渗碳体分解成石墨而引起体积的不
可逆膨胀。结果将使铸件失去精度和产生
显微裂纹。
? 在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使
之在高温下形成一层致密的氧化膜,SiO2、
Al2O3,Cr2O3等，使其内部不再继续氧化。
? 此外，这些元素还会提高铸铁的临界点，
使其在所使用的温度范围内不发生固态相
变，以减少由此造成的体积变化，防止显
微裂纹的产生
? 耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅
铝系及铬系等
? 其中铝系耐热铸铁脆性较大，而铬系耐热
铸铁的价格较贵，所以我国多采用硅系和
硅铝系耐热铸铁
3．耐蚀铸铁
? 在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁
表面形成一层连续致密的保护膜，可有效地提高
铸铁的耐蚀性
? 在铸铁中加入铬、硅、钼、镍、磷等合金元素，
可提高铁素体电极电位，以提高耐蚀性。另外，
通过合金化，还可获得单相金属基体组织，减少
铸铁中的微电池，从而提高其耐蚀性。
? 目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁
（ STSi15RE）、高硅钼铸铁（ STSi15Mo3RE）、
铝铸铁（ STAl5）、铬铸铁（ STCr28）、抗碱球铁
（ STQNiCrRE）等
3.4 有色金属及其合金
3.4.1 铝及其合金
3.4.2 铜及其合金
3.4.3 钛及其合金
3.4.4 滑动轴承合金
3.4.1 铝及其合金
1．纯铝
2．铝合金的分类
3．铝合金的强化
4．形变铝合金
1．纯铝
? 纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为 660℃,具有
面心立方晶格，没有同素异构转变。它的密度小
（只有 2.72g/cm3）；导电性、导热性仅次于银和
铜。纯铝的化学性质活泼，在大气中极易氧化，
在表面形成一层牢固致密的氧化膜，有效隔绝铝
和氧的接触，从而阻止铝表面的进一步氧化，使
它在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。纯铝在低温下，甚至在超低温下都具有良好的塑性（ Ψ=80
％ ）和韧性，这与铝具有面心立方晶格结构有关。铝的强度低（ σb=80～ 100MPa），冷变形加工硬
化后强度可提高到 σb=150～ 250 MPa，但其塑性却
降低到 Ψ=50～ 60﹪
? 纯铝具有许多优良的工艺性能，易于铸造、
易于切削、也易于通过压力加工
? 上述这些特性决定了纯铝适合制造电缆电
线以及要求具有导热和抗大气腐蚀性能而
对强度要求不高的一些用品或器皿。
? 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工
业纯铝
? 纯铝的牌号由 1××× 表示，其中最后两位
数字表示纯铝的纯度为 99.×× ％，如 1A97
表示铝含量为 99.97％
? 高纯铝的牌号有 1A85（原 LG5）,1A90（原
LG2）,1A93（原 LG3）,1A97（原 LG4）
和 1A99（原 LG5
? 工业纯铝的牌号 1070A（原 L1）,1060（原
L2）,1050（原 L3）,1035（原 L4）
2．铝合金的分类
?铝与硅、铜、镁、锰等到合金元素
所组成的铝合金具有较高的强度，
能用于制造承受载荷的机械零件
?铝合金不仅可以通过冷变形加工硬
化的方法提高其强度，还可以通过
热处理 ——“时效硬化, 的方法进
一步提高其强度
?根据铝合金的成分、组织和生产工艺
的特点，可将铝合金分为形变铝合金
和铸造铝合金两类。工业上常用的铝
合金一般具有如图 3-11所示的相图
? 凡位于相图上 D点成分以左的合金，在加热
至高温时能形成单相固溶体组织，其塑性较高，适于压力加工，故称为形变铝合金
? 成分位于 D以右的合金，都有具有共晶组织，
液态流动性较高，多适于铸造而不适于压力加工，所以称为铸造铝合金
? 形变铝合金适于通过压力加工（轧制、挤压、
模锻等）制成半成品或模锻件，铸造铝合金
则适于直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成形件
? 在形变铝合金中，位于 F点以左成分的合金，
在固态始终保持单相，被称为不可热处理
强化的铝合金。成分在 F和 D之间的铝合金，
由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析
出第二相，可通过热处理使合金强度提高，
所以称为可热处理强化铝合金
? 铸造铝合金中按主加合金元素的不同，分为 Al-Si
系,Al-Cu系,Al-Mg系和 Al-Zn系等四种合金
? 铸造铝合金牌号由, 铸造代号 Z+基本元素铝的元
素符号 Al+合金元素符号及其平均质量分数（ %）,
表示。如 ZAlSi12表示含硅 wSi=12%的铸铝合金
? 合金代号用, 铸铝, 二字汉语拼音字首, ZL”后
跟三位数字表示。代号中第一位数表示合金系列，
1为 Al-Si系合金； 2为 Al-Cu系合金； 3为 Al-Mg系合
金； 4为 Al-Zn系合金。第二、三位数表示合金的
顺序号。如 ZL201表示 1号铝铜系铸造铝合金，
ZL107表示 7号铝硅系铸造铝合金。
? 形变铝合金按照性能特点和用途分为防锈
铝、硬铝、超硬铝、锻铝等四种
3．铝合金的强化
? 铝合金的强化方式主要以下几种：
? （ 1）固溶强化
? 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶
格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高
? 根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓
度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度，而
且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。Al-Cu,Al-Mg,Al-Si,Al-Zn,Al-Mn等二元合金
一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的溶解度（见表 1.4-25），因此具有较大的固溶强化效果
? （ 2）时效强化
? 经过固溶处理的过饱和铝合金在室温下或
加热到某一温度后，放一段时间，其强度
和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧
性则降低，这个过程称为时效
? 在室温下进行的时效称为自然时效，在加
热条件下进行的时效称为人工时效。时效
过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象
称为时效强化或时效硬化
? 铝合金的强化是通过固溶强化和时效强化
达到的，尤其是时效强化的效果较为显著。
? 实际生产中进行的时效强化的铝合金，大
多不是二元合金，而是 Al-Cu-Mg系,Al-Mg-
Si系和 Al-Si-Cu-Mg系等
4．形变铝合金
（ 1）防锈铝合金
? 防锈铝合金中主要合金元素是 Mn和 Mg,Mn的主
要作用是提高铝合金的耐蚀能力，并通过固溶强
化作用，提高铝合金的强度。 Mg也具有固溶强化
的作用，并使合金的密度降低
? 防锈铝合金锻造退火后其组织为单相固溶体，故
耐腐蚀能力强，塑性好
? 各类防锈铝合金均不能通过热处理进行强化，但
可通过冷变形加工，利用加工硬化，提高合金的
强度
? （ 2）硬铝合金
? 硬铝合金为 Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的 Mn
? 合金中的 Cu,Mg是为了形成强化相 CuAl2（ θ）相及
CuMgAl2（ S相）
? Mn主要是提高合金的耐蚀性，并有一定的固溶强化作用，
但 Mn的析出倾向小，不参与时效过程。少量的 Ti或 B可细
化晶粒和提高合金强度
? 各种硬铝合金都可以进行时效强化，属于可以热处理强化
的铝合金，亦可进行变形强化。
? 按照所含合金元素的数量不同和热处理强化效果的不同，
可将硬铝合金分为三类：低合金硬铝，合金中 Mg,Cu含
量低；标准硬铝，合金元素含量中等；高合金硬铝，合金元素含量较多
? 在使用或加工硬铝时应注意到硬铝的如下不足之处。一是
耐蚀性差，特别是在海水等环境中；二是固溶处理的加热
温度范围较窄，这对其生产工艺的实现带来了困难
? （ 3）超硬铝合金
? 超硬铝合金为 Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有
少量的 Cr和 Mn
? Zn,Cu,Mg与 Al可以形成固溶体和多种复
杂的第二相，例如 MgZn2,Al2CuMg，
AlMgZnCu等。所以经过固溶处理和人工时
效后，可获得很高的强度和硬度。它是强
度最高的一种铝合金。但这种合金的耐蚀
性较差，高温下软化快。可以用包铝法提
高耐蚀性
? （ 4）锻铝合金
? 锻铝合金为 Al-Mg-Si-Cu系和 Al-Cu-Mg-Ni-Fe
系合金
? 这类铝合金具有良好的热塑性，良好的铸造
性能和锻造性能，并有较高的力学性能。在
这类铝合金中，合金元素的种类众多，但每
种元素的含量都很少，因而具有良好热塑性。
锻造铝合金通常都要进行固溶处理和人工时
效
? （ 5）铸造铝合金
? 铸造铝合金按照主要合金元素的不同，可
分为四类：
? Al-Si铸造铝合金，如 ZL101,ZL105等；
? Al-Cu铸造铝合金，如 ZL201,ZL203等；
? Al-Mg铸造铝合金，如 ZL301,ZL302等；
? Al-Zn铸造铝合金，如 ZL401,ZL402等。
? 各类铸造铝合金的主要牌号、力学性能及
用途见表 1.4-26
? 1） Al-Si铸造铝合金
? Al-Si铸造铝合金通常称为铝硅明，只含硅元
素的 Al-Si二元合金称为简单铝硅明，除硅外
还含有其它合金元素的称为复杂铝硅明
（ Al-Si-Mg-Cu等多元合金）
? 含硅 wSi=11%~13%的简单铝硅明（ ZL102）
铸造后几乎全部是共晶组织。因此，这种
合金流动性好，铸件发生热裂倾向小，适
用于铸造复杂形状的零件
? Al-Si铸造铝合金还有耐腐蚀性能高，膨胀系
数低，焊接性优良。
? 该合金的不足之处是铸造时吸气性高，结晶时产
生大量分散缩孔，使铸件的致密度下降。 Al-Si合
金组织中的共晶硅呈粗大的针状，严重降低了合
金的塑性。采用变质处理可使合金的金相组织明
显细化，提高其强度和塑性。简单铝硅明不能进
行淬火时效强化，因而仅适合制造形状复杂但强
度要求不高的铸件。
? 为了提高铝硅明的强度，可向合金中加入 Mg,Cu
等合金元素，以形成 CuAl2（ θ相）,MgSi（ β相）、
Al2CuMg（ S相）等强度相。此类复杂铝硅明除可
进行变质处理外，还可进行淬火时效提高铝硅明
的强度。这类合金在制造形状复杂、性能要求高
和高温下工作的零件和重载荷的大铸件中得到广
泛应用。
? 2） Al-Cu铸造铝合金
? Al-Cu合金的强度较高，耐热性好，但铸造
性能不好，其中只有少量共晶体，有热裂
和疏松倾向，耐蚀性较差
? ZL201的室温强度高，塑性比较好，可制作
在 300℃ 以下工作的零件,ZL202塑性较低，
多用于高温下不受冲击的零件。 ZL203经淬
火时效后，强度较高，可做结构材料铸造
受中等载荷和形状较简单的零件
? 3） Al-Mg铸造铝合金
? Al-Mg合金（ ZL301,ZL302）强度高，密度
小（约为 2.55g/m3），耐蚀性好，但铸造性
能不好，没有共晶体，耐热性低。 Al-Mg合
金可进行时效处理，通常采用自然时效。
此类合金多用于制作承受冲击载荷、耐海
水腐蚀、外形不太复杂便于铸造的零件。
? 4） Al-Zn铸造铝合金
? Al-Zn合金（ ZL401,ZL402）价格便宜，铸
造性能优良，经变质处理和时效处理后强度
较高，但耐蚀性差，热裂倾向大
? 铸造铝合金的铸件，由于形状较复杂，组织
粗糙，化合物粗大，并有严重的偏析，因此
它的热处理与变形铝合金相比，淬火温度应
高一些，加热保温时间要
3.4.2 铜及其合金
? 1．纯铜
? 2．黄铜
? 3．青铜
1．纯铜
? 纯铜呈玫瑰红色，比重 8.9。其熔点为
1083℃,在固态时具有面心立方晶格结构，
无同素异构，表面形成氧化膜后，呈紫红
色，故常称为紫铜。纯铜具有优良的导电、
导热性，其导电性在各种元素中仅次于银，
故纯铜主要用作导电材料
? （ 1）铜是逆磁性物质，用纯铜制作的各种
仪器和机件不受外磁场的干扰，故纯铜适合
制作磁导仪器、定向仪器和防磁器械等
? （ 2）纯铜具有极好的塑性，容易冷、热成
形，故纯铜制品大多经压力加工制成
? （ 3）纯铜的化学性能比较稳定，在大气、
水、水蒸汽、热水中基本上不遭受腐蚀
? 工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜
的导电能力下降
? 铅和铋能与铜形成熔点很低的共晶体（ Cu+Pb）和 (Cu+Bi)，
共晶温度分别为 326℃ 和 270℃,分布在铜的晶界上。进行
热加工时（温度为 820~860℃ ），因共晶体溶化，破坏晶
界的结合，使铜发生脆性断裂（热裂）
? 硫、氧与铜也形成共晶体（ Cu+Cu2S）和 (Cu+Cu2O)，共
晶温度分别为 1067℃ 和 1065℃,因共晶温度高，它们不引
起热脆性。但由于 Cu2S,Cu2O都是脆性化合物，在冷加工
时易产生破裂，这种现象称为冷脆
? 根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种,T1,T2,T3、
T4。, T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。工
业纯铜的牌号、成分及主要用途见表 3-27
? 纯铜除工业纯外，还有一类叫无氧铜，其
含氧量极低，氧的质量分数不大于 0.003%。
牌号有 TU1,TU2，主要用来制作电真空器
件及高导电性铜线。这种导线能抵抗氢的
作用，不发生氢脆现象。纯铜的强度低，
不宜直接用作结构材料
2．黄铜
? 以锌为唯一或主要合金元素的铜合金称为
黄铜
? 黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性、良好的
变形加工性能和铸造性能，在工业中有很
好的应用价值。按化学成分的不同，黄铜
可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。表 3-28是
常用黄铜的牌号、成分、性能和用途。
? （ 1）普通黄铜
? 普通黄铜是铜 -锌二元合金。图 3-13是 Cu-Zn
合金相图。
? 从图中可以看出,Cu-Zn系具有六种相，但工业中
应用的黄铜的含锌量一般不超过 47%，所以在黄铜
中只有单相（ α）和两相（ α+β）状态
? α相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度随温度的下
降而增加，在 456℃ 时溶解度为最大（约含有 39%
锌）,456℃ 以下，溶解度又减小。 α相具有面心立
方晶格，塑性很好，适于进行冷、热加工，并有
优良的铸造、焊接和镀锡的能力。高温时,CuZn
（ β相）中的铜、锌原子处于无序状态，当合金缓
冷至 456℃ ~468℃ 时 β相会转变为有序状态称 β′ 相，
具有体心立方晶格，高温时 β相具有极好的塑性，
适于热加工，低温时 β′ 相比较脆，故不适于冷加工。
? 黄铜的含锌量对其力学
性能有很大的影响。当
黄铜处于单相 α状态
（ wZn≤30%~32%）时，
随着含锌量的增加，强
度和延伸率都升高，当
wZn>32%后，因组织中出
现 β′ 相，塑性开始下降，
而强度继续升高，在
wZn=45%附近达到最大值。
当 wZn更高时，黄铜的组
织全部为 β′ 相，强度与塑
性急剧下降。
? 普通黄铜根据其组织不同可分为单相黄铜和双相
黄铜，单相黄铜的组织为 α，塑性很好，可进行冷、
热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管
材及形状复杂的深冲零件
? 常用的单相黄铜代号有 H80,H70,H68等,,H”
为黄铜的汉语拼音字首，数字表示铜的平均质量
分数（ %）
? 常用双相黄铜的代号有 H62,H59等，双相黄铜的
组织为 α+β′ 。由于室温 β′ 相很脆，冷变形性能差，
而高温 β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。
通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制
造各种零件。
? （ 2）特殊黄铜
? 为了获得更高的强度、耐蚀性和某些良好的工艺
性能，在铜锌合金中加入铅、锡、铝、铁、硅、
锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。
? 特殊黄铜的编号方法是：, H+主加元素符号 +铜
的平均质量分数 +主加元素的平均质量分数, 。
特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品
供应）和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在编号前
加, Z”。例如,HSn70-1表示成分为
wCu=69.0~71.0%,wSn=1.0~1.5%，余为 Zn的锡黄铜；
ZHPb59-1表示成分为 wCu=57.0~61.0%，
wPb=0.8~1.9%，余为 Zn的铅黄铜。
? ① 铅黄铜 铅能改善黄铜的切削加工性能，
并能提高合金的耐磨性。铅对黄铜的强度
影响不大，略微降低塑性。压力加工铅黄
铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐
磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可
以制作轴瓦和衬套。
? ② 锡黄铜 锡可显著提高黄铜在海洋大气和
海水中的耐蚀性，锡能使黄铜的强度有所
提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海
船零件。
? ③ 铝黄铜 铝能显著提高黄铜的强度和硬度，但
使合金的塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性
的氧化膜，因而使黄铜在大气中的耐蚀性得以改
善。铝黄铜可制作海船零件及其机器的耐蚀零件。
铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，可得到高强
度、高耐蚀性的特殊黄铜，常用于制作大型蜗杆、
海船用螺旋桨等需要高强度、高耐蚀性的重要零
件
? ④ 铁黄铜 铁能提高黄铜的强度，并使黄铜具有
高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的耐蚀
性，因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐
蚀的零件
? ⑤ 硅黄铜 硅能显著提高黄铜的力学性能、耐磨
性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能
进行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工机械零件。
? ⑥ 锰黄铜 锰能提高黄铜的强度，不降低塑性，
也能提高在海水中及过热蒸汽中的耐蚀性。合金
的耐热性和承受冷热压力加工的性能也很好。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件
? ⑦ 镍黄铜 镍可增大锌在铜中的溶解度，全面提
高合金的力学性能和工艺性能，降低应力腐蚀开
裂倾向。镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶
粒，镍可提高黄铜在大气、海水中的抗蚀性，镍
黄铜的热加工性能良好，在造船工业、电动机制造工业中广泛应用
3．青铜
? 青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合
金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等元
素组成的合金也叫青铜
? 青铜实际上包含 锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜
? 青铜也可分为压力加工青铜（以青铜加工产品供应）和铸造青铜两类
? 青铜的编号规则是：, Q+主加元素符号 +主加元
素的质量分数（ %） (+其它元素的质量分数
（ %） )”,,Q”为, 青, 的汉语拼音字头。如
QSn4-3表示成分为 wSn=4%,wZn=3%、其余为铜
的锡青铜。铸造青铜的编号前加, Z”
? （ 1）锡青铜
? 锡青铜是我国历史上使用最早的有色合金，也是
最常用的有色合金之一
? 它的力学性能与含锡量有关，生产上应用的锡青铜的 w
Sn一般为 3%~14%
? 当 wSn＞ 20%时，由于出现过多的 δ相，使合金变得
很脆，强度也显著下降
? 当 wSn≤5%~6%时,Sn溶于 Cu中，形成面心立方晶
格的 α固溶体，它是 Cu-Sn合金中最基本的相组成
物，随着 α固溶体中含锡量的增加，合金的强度和
塑性都增加
? 当 wSn≥5%~6%时，组织中出现硬而脆的 δ相（以复
杂立方结构的电子化合物 Cu31Sn8为基的固溶体），
虽然强度继续升高，但塑性却会下降
? wSn＜ 5%的锡青铜适宜于冷加工使用
? 含锡 wSn=5%~7%的锡青铜适宜于热加工
? 大于 10%的锡青铜中一般含有少量 Zn,Pb、
P,Ni等元素。 Zn能提高锡青铜的力学性能
和流动性。 Pb能改善青铜的耐磨性能和切
削加工性能，却要降低力学性能。 Ni能细
化青铜的晶粒，提高力学性能和耐蚀性。 P
能提高青铜的韧性、硬度、耐磨性和流动
性
? （ 2）铝青铜
? 以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜
? 铝青铜的强度比黄铜和锡青铜高，工业中应用的
铝青铜含铝量一般为 5~11%
? 当 wAl＜ 5%时，合金强度很低
? 当 wAl≤5%~7%时，合金的塑性很好，适于冷加工
? 当 wAl＞ 7%~8%时，合金的塑性急剧降低
? 在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性
也比黄铜和锡青铜好。此外，还耐磨损。铝青铜
与上述介绍的铜合金有明显不同的是铝青铜可通
过热处理进行强化。铝青铜有良好的铸造性能。
它的体积收缩率比锡青铜大，铸件内容易产生难
溶的氧化铝。难于钎焊，在过热蒸汽中不稳定
? （ 3）铍青铜
? 以铍为基本合金元素的铜合金称为铍青铜
? 铍青铜经热处理强化后的抗拉强度可高达
1250~1500MPa，硬度可达到 50~400HBS，
远远超过任何铜合金，可与高强度合金钢
媲美
? 铍青铜中铍元素的含量 wBe在 1.7%~2.5%之间，
铍溶于铜中形成 α固溶体，铍在铜中的最大
溶解度为 2.7%，在室温时的溶解度为 0.2%，
因此铍青铜可以经过固溶处理和人工时效
得到很高的强度和硬度
? 铍青铜具有很高的弹性极限、疲劳强度、
耐磨性和耐蚀性，导电性、导热性极好，
而且耐热、无磁性，受冲击时不发生火花。
因此铍青铜常用来制造各种重要弹性元件，
耐磨零件（如钟表齿轮，高温、高压、高
速下的轴承）及防爆工具等。在工艺性方
面，它承受冷、热压力加工的能力很强，
铸造性能亦很好。但铍是稀有金属，价格
昂贵，在使用上受到限制。
? 表 3-29是各种青铜的牌号、成分、性能和主
要用途
3.4.3 钛及其合金
钛具有密度小、比强度高、耐热性好及优异
的耐腐蚀性能。因此钛及钛合金不仅在航空、
导弹、航天及舰艇等方面得到广泛的应用，
而且在海洋工程、机械工程、生物工程和化
学工程中的应用也越来越广泛。
1,纯钛
2,钛合金
1．纯钛
? 钛是一种银白色金属，其熔点为 1680℃ ；相
对密度为 4.54g/cm3，比铝大，但比铁小
? 钛有很好的强度，约为铝的 6倍，所以钛的
比强度在结构材料中是很高的
? 钛的热膨胀系数较小，使它在高温工作条
件下或热加工过程中产生的热应力小
? 钛的导热性差，只有铁的 1/5，加上钛的摩
擦系数大（ μ=0.2），使切削、磨削加工困
难
? 钛的弹性模量较低，屈强比高，这使得钛和
钛合金冷变形成形时的回弹量大，不易成形
和校直
? 在 550℃ 以下的空气中，钛表面很容易形成
致密的氧化膜，使它在氧化性介质中的耐蚀
性比大多数不锈钢好，但加热到 600℃ 以上
时氧化膜就失去了保护作用
? 钛在硫酸、盐酸、硝酸和氢氧化钠等碱溶液
中，在湿气及海水中具有优良的稳定性。但
钛不能抵抗氢氟酸的浸蚀作用
? 固态下，钛有两种同素异构结构，转变温度为
882.5℃,在 882.5℃ 以下的稳定结构为密排六方晶
格，称为 α-Ti；在 882.5℃ 以上直到熔点为体心立方
晶格，称为 β-Ti。
? 钛中常见的杂质有 Fe,Si,N,O,C,H等元素。
工业纯钛按杂质含量不同可分为三个等级，即 TA1、
TA2,TA3。其中, T”为, 钛, 的汉语拼音字头，
数字为顺序号，数字越大则杂质越多
? 工业纯钛的棒材和板材具有较高的强度，可制作
在 500℃ 以下工作有耐蚀要求，且强度要求不高的
零件
? 纯钛的牌号、成分与力学性能见表 1.4-所示
2．钛合金
? 在钛中加入合金元素能显著提高纯钛的强
度。如工业纯钛的 σb约为 350~700MPa，而
钛合金的 σb可达 1200MPa
? 钛合金根据使用状态的组织可分为三类,α
钛合金,β钛合金,α+β钛合金。牌号分别以
TA,TB,TC加上编号表示
? （ 1） α钛合金
? 在钛中加入铝、碳、氮、氧、硼等元素形成 α固溶
体，并使 α?β同素异构转变温度上升，称为 α稳定
化元素。从而使钛合金的组织全部为 α固溶体单项
组织，具有很好的强度、韧性及塑性。在冷态也
能加工成某种半成品，如板材、棒材等
? 在高温下组织稳定，抗氧化能力较强，热强性较
好。在高温（ 500~600℃ ）时的强度性能在三类钛
合金中较高
? 在室温中强度一般低于 β和 α+β钛合金
? α钛合金是单相合金，不能进行热处理强化
? 代表性的合金有 TA5,TA6,TA7。
? （ 2） β钛合金
? 在合金中加入铁、钼、镁、铬、锰、钒等元素使
合金的组织主要为 β固溶体
? 全 β钛合金由于是体心立方结构，合金具有良好的
塑性，为了利用这一特点，发展了一种介稳定的 β
相钛合金。此合金在淬火状态为全 β组织，便于进
行加工成形。 β钛合金可进行热处理强化。通过淬
火与时效能获得 β相中弥散分布细小 α相组织，进
一步提高 β钛合金的强度
? 因为这类合金密度较大，耐热性差及抗氧化性能
低。生产工艺复杂，在工业上很少使用。
? （ 3） α+β钛合金
? 当钛中同时加入稳定 α相和 β相的元素时，可
获得（ α+β）的双相组织
? （ α+β）钛合金兼有 α和 β钛合金两者的优点，
耐热性和塑性都比较好，可进行热处理强
化，且生产比较简单，是应用最广的一类
钛合金
? 部分钛合金的牌号、成分、力学性能及用
途见表 3-31
3.4.4 滑动轴承合金
1．对滑动轴承合金的性能及组织的要求
2．常用轴承合金介绍
1．对滑动轴承合金的性能及组织的要求
? 滑动轴承合金是指用于制造滑动轴承轴瓦
及内衬的材料
? 滑动轴承在工作时，将在轴和轴颈之间产
生强烈的摩擦。对轴承合金要求它在工作
温度下具有足够的抗压强度和疲劳强度、
良好的耐磨性和足够的塑性及韧性，其次
还要求它具有良好的耐蚀性、导热性和较
小的膨胀系数，与轴之间摩擦系数小，能
保持住润滑油
? 为了满足上述要求，轴承合金的理想组织是
在软的基体上分布着硬质点如图 3-15所示；
或者在硬基体上分布着软质点。
? 当机器运转时，软基体被磨损而凹陷，硬质
点就凸出于基体上，减小轴与轴瓦之间的摩
擦系数。凹下去的坑可以存储润滑油，同时
使外来硬物能嵌入基体中，使轴颈不被擦伤。
软基体能承受冲击和振动，并使轴与轴瓦很
好地磨合
? 同样，采取硬基体上分布软质点的组织，也
达到上述目的。同软基体硬质点的组织相比，
硬基体软质点组织具有较好的承载能力，而
磨合能力较差
? 最能满足上述要求的轴承合金是以锡或铅
为基的合金，一般称为, 巴氏合金,
? 其编号方法为：, ZCh+基本元素符号 +主
加元素符号 +主加元素的质量分数（ %） +
辅助元素的质量分数（ %）,,其中, Z”、
,Ch”分别是, 铸, 和, 承, 的汉语拼音字
首
? 例如,ZChSnSb11-6表示 wSb=11.0%、
wCu=6%的锡基轴承合金
? 常用的轴承合金除巴氏合金外还有铝基和
铜基轴承合金
? 巴氏合金的牌号、性能及用途见表 3-32所示
2．常用轴承合金介绍
? (1) 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）
? 锡基轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合
金。它是以锡、锑为基础，并加入少量其它元素
的合金。常用的牌号有 ZChSnSb11-6,ZChSnSb8-4、
ZChSnSb4-4等。
? 锡基轴承合金膨胀系数小、磨合性良好，抗咬合
性、嵌藏性和耐蚀性、导热性、浇注性能也很好。
锡基轴承合金的缺点是疲劳强度较低，工作温度
也较低（一般不大于 150℃ ），价格高
? (2) 铅基轴承合金（铅基巴氏合金）
? 铅基轴承合金是以 Pb-Sb为基的合金，但二
元 Pb-Sb合金有密度偏析，同时锑颗粒太硬，
基体又太软，只适用于速度低、负荷小的
次要轴承
? 为改善其性能，要在合金中加入其它合金
元素，如 Sn,Cu,Cd,As等
? 常用的铅基轴承合金为 ZChPbSn16-16-1.8，
其中 wSn=15%~17%,wSb=15%~17%、
wCu=1.5%~2.0%及余量的 Pb。
? 铅基轴承合金的硬度、强度、韧性都比锡基
轴承合金较低，但摩擦系数较大，价格便宜，
铸造性能好。常用于制造承受中、低载荷的
轴承，但其工作温度不能超过 120℃ 。
? 铅基、锡基巴氏合金的强度都较低，为了提
高巴氏合金的疲劳强度、承压能力和使用寿
命，常把它镶铸在钢的轴瓦（一般用 08钢冲
压成形）上，形成薄而均匀的内衬，才能发
挥作用。这种工艺称为挂衬。这种结构的轴
承称为, 双金属轴承,
? (3) 铝基轴承合金
? 铝基轴承合金是以铝为基本元素，锑或锡
等为主加元素的轴承合金，它具有密度小、
导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好的优点
? 它原料丰富，价格便宜，广泛用在高速高
负荷条件下工作的轴承
? 按化学成分将铝基轴承合金分为铝锡系
（ Al-20%Sn-1%Cu）、铝锑系（ Al-4% Sb-
0.5%Mg）和铝石墨系（ Al-8Si合金基体
+3%~6%石墨）三类
? 铝锡系轴承合金是一种既有高疲劳强度，又
有适当硬度、耐热性和耐磨性良好等优点轴
承合金，在轧制成成品后，经退火热处理，
使锡球化，获得在较硬的 Al基体上弥散要布
着较软的球状锡的显微组织
? 适用于制造高速、重载条件下工作的轴承。
? 铝锑系轴承合金适用于载荷不超过 2000MPa、
滑动线速度不大于 10m/s工作条件下的轴承
? 铝石墨系轴承合金具有优良的自润滑作用和
减震作用以及耐高温性能，适用于制造活塞
和机床主轴的轴承
? 铝基轴承合金的缺点是膨胀较大，抗咬合性
低于巴氏合金
? 为此，常采用较大的轴承间隙，并采取降低
轴与轴承表面的粗糙度值和镀锡的办法来改
善综合性，以减小启动时发生咬合的危险性
? (4) 铜基轴承合金
? 铜基轴承合金是以铅为基本合金元素的铜基
合金。它属铅青铜类，因其性能适于制造轴
承，故又称其为铜基轴承合金。
? 由于铅不溶于铜，所以铅青铜在室温时的组
织是在硬基体铜上均匀分布着软的铅颗粒，
极有利于保持润滑油膜，使合金具有优良的
耐磨性。此外，铅青铜比巴氏合金更能耐疲
劳、抗冲击，承载能力也更强。所以铜基轴
承合金可用作高速、高载下的发动机轴承和
其它高速重载轴承
? (5) 粉末冶金减摩材料
? 粉末冶金减摩材料在纺织机械、汽车、冶
金、矿山机械等方面已获得广泛应用。粉
末冶金减摩材料包括铁石墨和铜石墨多孔
含油轴承和金属塑料减摩材料。
? 粉末冶金多孔含油轴承与巴氏合金、铜基
合金相比，具有减摩性能好、寿命高、成
本低、效率高等优点，特别是它具有自润
滑性，轴承孔隙中所贮润滑油，足够其在
整个有效工作期间消耗。因此特别适用于
制氧机、纺纱机等场合应用的轴承。
3.1 碳素钢
3.2 合金钢
3.3 铸铁
3.4 有色金属及其合金
3.1 碳素钢
3.1.1 碳钢的分类
3.1.2 碳钢的牌号及其应用
3.1.1 碳钢的分类
3.1.2 碳钢的牌号及其应用
1,普通碳素结构钢
2,优质碳素结构钢
3,碳素工具钢
4,铸钢
1．普通碳素结构钢
? 这类钢主要保证力学性能。
普通碳素结构钢的牌号以
,Q+数字 +字母 +字母,
表示。其中,,Q”字是屈服点, 屈, 字的汉语拼音字
首，数字表示屈服点值。
数字后标注字母 A,B,C,D，表示钢材质量等级不
同，从 A到 D含磷、硫量的依次降低,A级质量最差，
D级质量最好。
若为沸腾钢在钢号后加, F”；半镇静钢在钢号后加
,b”；镇静钢则不加任何字母； TZ表示特种镇静钢。
例如,Q235AF即表示屈服点值为 235MPa的 A级沸腾
钢。表 1.3-1及表 1.3-2列出了普通碳素结构钢的牌号、
力学性能及化学成分。
? 普通碳素结构钢一般在钢厂供应状态下（即热轧
状态）直接使用。
? Q195,Q214钢的含碳量低，焊接性能好，塑性、
韧性好，易于加工，有一定强度，常用于制造普
通铆钉、螺钉、螺母等零件和轧制成薄板、钢筋
等，用于桥梁、建筑、农业机械等结构。
? Q255,Q275钢具有较高的强度，塑性、韧性较好，
可进行焊接，并轧制成工字钢、槽钢、角钢、条
钢和钢板及其它型钢作结构件以及制造简单的机
械的连杆、齿轮、联轴节和销子等零件。
? Q235既有较高的塑性 又有适中的强度，成为一种
应用最广的普通碳素结构钢。即可用作较重要的
建筑构件，又可用于制做一般的机器零件。
2．优质碳素结构钢
? 这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其硫、磷
的含量较低，均控制在 0.01%以下。非金属夹杂物也较
少，质量级别较高。
? 优质碳素结构钢的牌号是 采用两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍 。例如 45钢中平均碳的质量分数 w
C为 0.45%； 08钢表示钢中平均碳的质量分数 w
C为 0.08%。
? 这类钢按含锰量不同，分为普通含锰量（ 0.35-0.8%）
和较高含锰量 (0.7-1.2%)两组。含锰量较高的一组，在
钢号后加, Mn”。若为沸腾钢，则在数字后加, F”，如
08F为含碳量为 0.08％的沸腾钢。 这类钢随钢号的数字
增加，含碳量增加，组织中的珠光体量增加，铁素体
量减少。因此，钢的强度也随之增加，而塑性指标随之降低。
? 优质碳素结构钢一般都要经过热处理以提高力学性能
? 根据碳的含量不同，有不同的用途，主要用于制造机器零件
? 08,08F,10钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成
形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪
器仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等
? 15,20,25钢属低碳钢，也有良好的冷冲压性和
焊接性；常用来做冲压件和焊接件，也可以用来
渗碳，经过渗碳和随后热处理，使得表面硬而耐
磨，心部具有良好的韧性，从而可用于制造表面
要求耐磨并能承受冲击载荷的零件，如齿轮、活塞销、样板等
? 30,35,40,45,50钢属中碳钢，这几种钢经调
质处理（淬火 +高温回火）后，可获得良好的综
合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、
韧性，主要用于制造齿轮、轴类等零件。其中由
于 45钢的强度和塑性配合得好，因此成为机械制
造业中应用最广泛的钢种。例如 40,45钢常用于
制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床齿轮
和其它受力不大的轴类零件
? 55,60,65钢热处理（淬火 +中温回火）后具有高
的弹性极限，常用于制作负荷不大、尺寸较小
（截面尺寸小于 12~15mm）的弹簧，如调压、调
速弹簧、测力弹簧、冷卷弹簧，和钢丝绳等。优
质碳素结构钢的力学性能列于表 1.3-3中
3．碳素工具钢
? 碳素工具钢含碳量为 0.65-1.35％，
Si≤0.35％,Mn≤0.4％，硫、磷的含量是优
质钢的含量范围 (S≤0.03％,P≤0.035％ )。
? 碳素工具钢的牌号以, T+数字 +字母, 表示，
钢号前面的, T”表示碳素工具钢，其后的数
字表示以千分数表示的碳的质量分数。如
Wc=0.8%的碳素工具钢，其钢号为, T8”。
? 如为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加, A”，
例如,,T10A”。
? 碳素工具钢经热处理（淬火 +低温回火）后具有
高硬度，用于制造尺寸较小，要求耐磨性好的量
具、刃具、模具等。这类钢的钢号有 T7,T7A、
T8,T8A,……, T13A，共 8个钢种,16个牌号。
含碳量越高，则碳化物量越多，耐磨性就越高，
但韧性越差。因此受冲击的工具应选用含碳量低
的。一般冲头，凿子要选用 T7,T8等，车刀、钻
头可选用 T10，而精车刀、锉刀则选用 T12,T13之
类。常用碳素工具钢的牌号、成分、热处理和用
途列于表 1.3-4中
4．铸钢
? 有些机械零件。如轧钢机机架、水轮机转子、拖拉机
履带板和重载大型齿轮等，因形状复杂，难以用锻压
等方法成型，用铸铁又无法满足性能要求，此时可采
用铸钢件
? 碳素铸钢的含碳量一般在 0.15~0.60%范围内，含碳量
过高则塑性差，易产生裂纹
? 碳素铸钢的牌号由, 铸钢, 两字的汉语拼音字首
,ZG”加两组数字表示。两组数字 分别表示材料的屈
服强度和抗拉强度；若为焊接性能好的铸钢，则在第
二组数字后加汉字, 焊, 的汉语拼音字首, H,。其
牌号有 ZG200-400,ZG230-450,ZG270-500,ZG310-
570和 ZG340-600。
? 碳素铸钢按质量可分为 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 三级。
? Ⅰ 级为高级质量的铸件，硫、磷含量均不
大于 0.04%；
? Ⅱ 级为优质铸件，硫、磷含量均不大于
0.05%；
? Ⅲ 级为普通质量铸件，硫、磷含量均不大
于 0.06%。质量的级别应标注在铸钢牌号的
后面，但 Ⅲ 级可以省略不注。
? 铸钢的化学成分和力学性能见表 1.3-5。
3.2 合金钢
3.2.1 合金钢的分类
3.2.2 合金元素在钢中的作用
3.2.3 合金结构钢
3.2.4 合金工具钢
3.2.5 特殊性能钢
3.2.1 合金钢的分类
? 1．按合金元素含量分
? 合金钢可分为低合金钢（合金总含量
wE<5%）、中合金钢（合金总含量 wE=5
%~10 %）和高合金钢（合金总含量 wE>10
%）。
? 2．按正火或铸造状态的组织类型分
? 合金钢可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素
体钢、奥氏体钢及莱氏体钢。
? 3．按主要用途分
3.2.2 合金元素在钢中的作用
1.强化铁素体
2.形成合金渗碳体和特殊化合物
3.合金元素对 Fe—Fc3C相图的影响
1.强化铁素体
?钢中与碳亲合力很弱的非碳化物形成元素，如
Si,Mn,Ni,Al,Co等都能溶于铁素体而形
成合金铁素体，引起铁素体晶格畸变，产生固
溶强化，使铁素体的强度硬度提高、但塑性、
韧性则呈下降趋势，如图 3—1所示
（ 2） 形成合金渗碳体和特殊化合物
?钢中与碳亲合力较强的碳化物形成元素, 如 Cr,Mo、
W,V,Nb,Zr,Ti等 (按与碳亲和力由弱到强的顺序
排列 ) 在钢中能形成碳化物；也有少部分溶于铁素体
?合金钢中的碳化物有 合金渗碳体 (如 (Fe,Mn)3C,(Fe，
Cr)3C等 ),合金碳化物 (如 Mn3C,Cr7C,Fe3W3C
等 ),特殊碳化物 (如 WC,MoC,VC,TiC等 )
?合金碳化物的稳定性比合金渗碳体高, 特殊碳化物的
稳定性最高 。 稳定性愈高的碳化物愈难溶入奥氏体,
也不易聚集长大, 而且其溶点和硬度亦愈高 。 随着这
些碳化物数量的增多, 能显著提高钢的强度, 硬度,
热硬性和耐磨性 。
（ 3） 合金元素对 Fe— Fc3C相图的影响
?合金元素加入钢中，使 Fe—Fe3C相图的
相变温度及相变点的位置发生变化。 Ni、
Mn,Co,C,N,Cu等合金元素使 A3线
下降,γ区范围扩大。当其含量足够高时，
可使 γ区域扩大至室温，即在室温下也保
持为奥氏体组织，这类钢又称奥氏体钢，
如Ｍ n13,1Cr18Ni9等均为奥氏体钢。
图 3－ 2是锰对 Fe—Fe3C相图的影响。
? Si,Cr,V,Ti,W,Mo等合金元素使 Ａ 3线
上升，即使 γ区域范围缩小,α区域范围 增
大。当这些元素含量足够高时，可以在室温
与高温下均保持为铁素体组织，这类钢又称
为铁素体钢，如 Cr 17,Cr 25,Cr 28等不锈
钢均属于铁素体钢
? 图 3－ 3为铬对 Fe—Fe3C相图的影响
? 所有的合金元素都使 Fe—Fe3C相图中的Ｓ
点和Ｅ点向左移
? Ｓ点和Ｅ点左移，使共析和共晶成分中的
含碳量减少，原来是亚共析碳钢的可能变
成共析或过共析组织；含碳量 ωc＜ 2.11％的
钢中出现莱氏体，例如高速钢 (ωc＝ 0.7一 0.8
％ )，但在铸态组织中就有莱氏体，故又称
莱氏体钢
3.2.3 合金结构钢
1,合金结构钢的编号
2,普通低合金结构钢
3,渗碳钢
4,调质钢
5,弹簧钢
6,滚动轴承钢
? 合金结构钢按用途可分为工程用钢和机器
用钢两大类
? 工程用钢主要是用于各种工程结构，它们
大都是用普通低合金钢制造。这类钢冶炼
简便、成本低，适用于工程用钢批量大的
特点，这类钢使用时一般不进行热处理。
? 而机器制造用钢一般都经过热处理后使用，
主要是用于制造机器零件，它们大都是合
金结构钢制造。按其用途和热处理持点，
又分为调质钢、渗碳钢、易切钢、弹簧钢、
轴承钢、耐磨钢等
1．合金结构钢的编号
? 我国规定合金结构钢的编号方法为：基本组成为
,两位数字 +元素符号 +数字 +……”,前两位数字
表示平均碳质量分数的万倍（ wC× 10000）；元素
符号后面的数字为该元素平均质量分数的百倍
（ wE× 100），当其 wE<1.5%时，只标出元素符号，
而不标明数字；当平均质量分数 wE≥1.5%,2.5%、
3.5%,4.5%…… 时，相应标注为 2,3,4,5……
如 18Cr2Ni4W表示平均成分为,C0.18%,Cr2%，
Ni4%,wW<.1.5%；若 S,P含量达到高级优质钢时，
则在钢号后加, A”，如 38CrMoAlA。
? 易切削钢在钢号前加, Y”字（, 易, 字声
母），如 Y12,Y40Mn,Y40CrSCa，其含碳
量和合金元素含量均与结构钢编号一样，
如 Y40CrSCa，表示易切削钢的成分为：
wC=0.4%,wCr<1.5%,S,Ca为易切削元素
（ wS=0.05%～ 0.3%），一般情况下
wCa<0.015%。
? 滚动轴承钢的编号是在钢号前加, G”
（, 滚, 字声母），其后数字为平均含 Cr
量，以千倍（ wCr× 1000）表示，平均碳的
质量分数 wC≥1.0%时不标出，如 GCr15、
GCr9等钢中含铬的质量分数 wCr分别为 1.5%
和 0.9%
2．普通低合金结构钢
? 普通低合金结构钢，也称普低钢，又称普通低合
金高强度钢，它是在碳素结构钢的基础上，加入
少量的合金元素发展起来的。普通低合金结构钢
的强度较高，具有较好的韧性和塑性以及良好的焊接性能和耐蚀性。由于强度高，所以 1t普通低
合金钢可代替 1.2~2.0 t普碳钢使用，从而可减轻构
件重量。
? 为得到较好的塑性和焊接性，普通低合金结构钢
大多是低碳钢，含碳量控制在 0.2％以下。普通低
合金结构钢的主加元素是锰，其原因在于锰的资
源丰富，以及锰强化铁素体的效果显著；锰能降
低钢的冷脆温度；另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，从而进一步提高钢的强度
? 常用的普通低合金结构钢按其屈服强度的
高低分为 6个级别,300,350,400,450、
500,550一 650（ MPa）。
? 在 350Mpa级中 16Mn是个典型代表，它发展
最早，用的最多、产量最大。与 300MPa级
的 12Mn钢相比，由于 C和 Mn均稍有增加，
所以强度指标也提高了。在这类钢中，还
有 16Mn的派生钢种,16MnRe,16MnCu等。
Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲
劳强度，降低冷脆转变温度,Cu的主要作
用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于
船舶、车辆、桥梁等大型钢结构
? 对 400MPa级的 15MnV,15MnTi等，其含碳
量与 16Mn相当，但由于加入钒、铌、钛等
元素，能细化晶粒、产生第二相强化，使
屈服强度提高。主要用于大型结构、中压
容器等。
? 对 450MPa级的 15MnVN,14MnVTiRe等，由
于钒、氮、钛等元素起细化晶粒和第二相
强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高
塑、韧性，因此强化效果比 15MnV、
15MnTi还好。
? 300一 450MPa级的普低纲均是在热轧状态下或在热
轧后正火状态下使用。组织为铁素体十少量珠光
体。
? 对 500Mpa级的 18MnMoNb,14MnMoVBRe等，钢
中加入钼和微量硼，推迟奥氏体冷却时珠光体转
变的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，
因此在正火后得到贝氏体组织。广泛用于石油化工、中温高压容器等。
? 对于 14CrMnMoVB，正火后得贝氏体组织，然后
再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性。这种钢适于制造 400～ 500℃ 的锅炉、
高压容器等。
? 常用低合金结构钢的钢号、成分、性能与用途见表 3-6
3．渗碳钢
? 用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。
? （ 1）要求
? 渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机
械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机
上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零
件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。
通常尺寸小、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大、受力大的则采用低碳合金钢。
? （ 2）渗碳钢的成分和钢种
? 常用的渗碳钢钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表 3-7
? 为了满足, 外硬内韧, 的要求，这类钢一般都采
用低碳钢,wC=0.1%~0.25%，经过渗碳后，零件
的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬
火 +低温回火后使用。零件表面组织为回火马氏
体 +碳化物 +少量残留奥氏体，硬度达 58~62HRC，
满足耐磨的要求，而心部的组织是低碳马氏体，
保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。对
于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部
淬不透，仍保持原来的珠光体 +铁素体组织；这
时由于是低碳的，组织中铁素体占比例很大，因
而韧性指标比较高，能满足, 外硬内韧, 的要求。
? 这类钢使用的合金元素为铬、锰、镍、钼、钨、
钛、硼、钒等。
? 按照淬透性大小，可将渗碳钢分为三类：
? 1）低淬透性渗碳钢。典型钢种为 20Cr，这类钢水
淬临界直径 <25mm，渗碳淬火后，心部强韧性较
低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如
活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。
? 2）中淬透性渗碳钢。典型钢种为 20CrMnTi，这类
钢油淬临界直径约为 25~60mm，主要用于制造承
受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、
拖拉机齿轮等零件。
? ⅲ ）高淬透性渗碳钢。典型钢种为 20Cr2Ni4A，这
类钢的油淬临界直径 >100mm，主要用于制造大截
面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲
轴、大模数齿轮等。
? （ 3）渗碳钢的热处理
? 渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直
接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低
温回火。碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经
常采用直接淬火或一次淬火，而后低温回
火；高合金渗碳钢则采用二次淬火和低温
回火处理
4．调质钢
? （ 1）经过调质处理后使用的优质碳素钢和合金结
构钢，统称为调质钢
? 淬火后得到位错与孪晶马氏体的混合组织，以及
残留奥氏体和碳化物。高温回火后，由于马氏体
分解，碳化物弥散析出，残留奥氏体转变，内应
力消除，最终得到回火索氏体组织，综合力学性
能好，用于受力较复杂的重要结构零件，如汽车
后桥半轴、连杆、螺栓以及各种轴类零件
? 对于截面尺寸大的零件，为保证有足够的淬透性，
就要采用合金调质钢。
? （ 2）调质钢的成分特点和钢种
? 调质钢中 wC在 0.30%~0.50%之间，属中碳钢。
含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，
含碳量过低，则影响钢的强度指标，含碳
量过高则韧性显得不足。一般碳素钢的含
碳量偏上限；对于合金调质钢，随合金元
素的增加，含碳量趋于下限。
? 调质钢在机械制造中应用十分广泛，常用
调质钢的钢号、热处理工艺、力学性能及
用途见表 3-8。
? 按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类：
? 1）低淬透性调质钢。典型钢种是 40Cr，这类钢的油淬
临界直径最大为 30~40mm，广泛用于制造一般尺寸的重
要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。 35SiMn,40MnB是
为节约铬而发展的代用钢种。
? 2）中淬透性调质钢。典型钢种是 40CrNi，这类钢的油
淬临界直径最大为 40~60mm，含有较多的合金元素，用
于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆
等。
? 3）高淬透性调质钢。典型钢种是 40CrNiMoA，这类钢
的油淬临界直径最大为 60~100mm，多半为铬镍钢。铬、
镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得优良的综
合力学性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，
如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。
5．弹簧钢
? 弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。要求制造弹簧的材
料具有高的弹性极限（即具有高的屈服点或屈服强比）、
高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。
? 弹簧钢中 wC一般为 0.45%~0.70%。含碳量过高，塑性和韧
性降低，疲劳极限也下降。也加入的合金元素有锰、硅、
铬、矾和钨等。加入硅、锰主要是提高淬透性，同时也提
高屈强比，其中硅的作用更为突出。硅、锰元素的不足之
处是：硅会促使钢材表面在加热时脱碳，锰则使钢易于过
热。因此，重要用途的弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。它
们不仅使钢材有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有
更高的高温强度和韧性。
? 常用弹簧钢的钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表 3-9
6．滚动轴承钢
? 用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢具
有高而均匀的硬度、高的弹性极限和接触
疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的
耐腐蚀能力。
滚动轴承钢的成分特点及钢种
? 滚动轴承钢是一种高碳低铬钢,wC=0.95%~1.0%，
wCr=0.4%~1.65%
? 高碳是为保证有高的淬硬性，同时可形成铬的碳
化物强化相
? 铬的主要作用是增加钢的淬透性，使淬火、回火
后整个截面上获得较均匀的组织
? 铬可形成合金渗碳体 (Fe?Cr)3C，加热时降低过热
敏感性，得到细小的奥氏体组织。溶入奥氏体中
的铬，又可提高马氏体的回火稳定性
? 高碳低铬的滚动轴承钢，其材料成分中需
加入 Si,Mn等元素，进一步提高淬透性，
适量的 Si(wSi=0.4%~0.6%)还能明显地提高钢
的强度和弹性极限
? 滚动轴承钢是高级优质钢，成分中
wS<0.015%,wP<0.025%，最好用电炉冶炼，
并用真空除气
? 常用滚动轴承钢的钢号、热处理工艺、力
学性能及用途见表 3-10
3.2.4 合金工具钢
1,合金工具钢的分类及编号
2,刃具钢
3,模具钢
4,量具钢
1．合金工具钢的分类及编号
?标注方法与合金结构钢相似，基本组成为
“一 位数字（或无数字） +元素符号 +数字
+……”,其平均含碳量是用质量分数的千倍
（ wC× 1000）表示，而且，当碳质量 wC≥1.0%
时，钢号中不标出，如 9SiCr钢（成分,C0.9%，
wSi<1.5%,wCr<1.5%）； CrWMn钢
（ wC≥1.0%,wCr,wW, wMn均 <1.5%）。
?高速钢，如 W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等，
它们的碳质量分数均 <1.0%，但不标明
其数字；合金元素含量与合金工具钢
的标注方法相同，如 W18Cr4V钢的成
分为,C0.7%～ 0.8%,W18%,Cr4%，
wC<1.5%。
? 合金工具钢均属于高级优质钢，但钢号后
不加, A”字。
? 属于这一编号方法的钢种还有不锈钢、奥
氏体型和马氏体型耐热钢
2．刃具钢
?根据刃具的工况条件，刃具钢应该具有高
硬度、高耐磨性、高弯曲强度和足够的韧性，
高热稳定性
?用于刃具的材料有碳素工具钢、低合金工
具钢、高速钢、硬质合金等
? （ 1）低合金工具钢
? 为了克服碳素工具钢淬透性差、易变形和
开裂、及热硬性差等缺点。在碳素工具钢
的基础上加入少量的合金元素，一般不超
过 3%~5%（质量分数），就形成了低合金
工具钢。
? 低合金工具钢中 wC=0.75%~1.50%，高的含
碳量可保证钢的高硬度及形成足够的合金
碳化物，提高耐磨性
? 合金元素的作用主要是为了保证钢具有足
够的淬透性
? 钢中常加入的合金元素有硅、锰、铬、钼、
钨、矾等
? 其中硅、锰、铬、钼的主要作用是提高淬
透性；硅、锰、铬可强化铁素体
? 铬、钼、钨、矾查可细化晶粒使钢进一步
强化，提高钢的强度
? 作为碳化物形成元素铬、钼、钨、矾等在
钢中形成合金渗碳体和特殊碳化物，从而
提高钢的硬度和耐磨性
? 常用的低合金工具钢成分、热处理与用途
如表 3-11示
? （ 2）高速钢
? 高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等多种
元素的高合金工具钢
? 钢中加入较多的碳，其作用是既保证它的
淬硬性，又保证淬火后有足够多的碳化物
相。一般碳的质量分数在 1%左右，最高可
达 1.6%。如 W6Mo5Cr4V5SiNbAl钢，
wC=1.56%~1.65%
? 高速钢中一般含有较多数量的钨元素，它
是提高钢热硬性的主要元素，由于世界范
围钨资源的缺少，使人们找到了以 Mo,Co
元素代替 W元素而保持高的热硬性的方法
? Cr元素在钢中的作用：
? Cr的加入可提高钢的淬透性，并能形
成碳化物强化相,Cr在高温下可形成
Cr2O3，能起到保护作用，一般认为 Cr
的质量分数在 4%左右为宜，高于 4%时，
会使马氏体转变温度 Ms下降，淬火后
造成残留奥氏体量增多的不良结果
? V元素在钢中的作用：
? V与 C的亲和力很强，在高速钢中形成
碳化物 VC，它有很高的稳定性，即使
淬火温度在 1260~1280℃ 时，也不会全
部溶于奥氏体中,VC的最高硬度可达
到 83~85HRC，在高温多次回火过程中
VC呈弥散状析出，进一步提高了高速
钢的硬度、强度和耐磨性
? 为了提高高速钢的某些方面的性能，还可
以加入适量的 Al,Co,N等合金元素。
? 常用高速钢的成分、钢号、热处理、力学
性能及用途见表 3-12
? 在我国最常用的高速钢是 W18Cr4V和
W6Mo5Cr4V2，通常简称 18-4-1和 6-5-4-2。
前者的过热敏感性小，磨削性好，但由于
热塑性差，通常适于制造一般高速切削刀
具，如车刀、铣刀、绞刀等；由于后者的
耐磨性、韧性和热塑性较好些，适于制造
耐磨性和韧性很好配合的高速刀具，如丝
锥、齿轮铣刀、插齿刀等
? （ 3）硬质合金
? 硬质合金是把一些高硬度、高熔点的粉末
（ WC,TiC等）和胶结物质（ Co,Ni等）
混合、加压、烧结成形的一种粉末冶金材
料。它虽不是合金工具钢，但是一种常用
的、主要的刃具材料。其特点是：硬度极
高（ 89~91HRA）、热硬性好（切削温度可
达 1000℃ ）、耐磨性好。
? 用硬质合金制作的刀具，切削速度比高速
钢提高 4~5倍
? 由于硬质合金的硬度很高，切削加工困难。
因此形状复杂的刀具，如拉刀、滚刀就不
能用硬质合金来制作。一般硬质合金做成
刀片，镶在刀体上使用。除了用硬质合金
来制作刀具外，还可以制作冷作模具、量
具及耐磨零件等
? 1）钨钴类
? 牌号有 YG3,YG6,YG8等
? YG表示钨钴类硬质合金，后边的数字表示
钴的质量分数（ %）。如 YG8表示 wCo=8%、
wWC=92%的钨钴类硬质合金。
? 2）钨钴钛类
? 牌号有 YT5,YT15,YT30等,YT表示钨钴
钛类硬质合金，后边的数字表示碳化钛的
质量分数。如 YT15表示含 wTic=15%，其余
为 WC和 Co的钨钴钛类硬质合金。
? 钨钴类用于加工脆性材料（如铸铁以及胶木等非
金属材料）。其中含钴量高的，抗弯强度高，韧
性好，而硬度、耐磨性低，适于粗加工
? 钨钴钛类用于加工韧性材料（适于加工各种钢
件），由于 TiC的耐磨性好，热硬性高，所以这类
硬质合金的热硬性好，加工工件的表面质量也好
? 此外，还有如 YW1和 YW2称通用和万能硬质合金，
用来切削不锈钢、耐热合金等难加工的材料，刀
具寿命更长
? 常用硬质合金的牌号、组成和性能如表 3-13所示
3．模具钢
根据模具的工作条件不同, 模具钢一般分为
冷作模具和热作模具钢两大类 。 前者用于制
造冷冲模和冷挤压模等, 工作温度大都接近
室温；后者用于制造热锻模和压铸模等, 工
作时型腔表面温度可高达 600℃ 以上
? （ 1）冷作模具钢
? 对冷作模具钢性能的要求
? 较高的硬度和耐磨性
? 较高的强度和韧性
? 良好的工艺性
? 模具钢钢号表示方法与低合金工具钢相同
?（ 2）冷作模具钢的成分特点和钢
种
?对于尺寸小、形状简单、工作负荷
不大的模具采用碳素工具钢和低合
金工具钢。钢种有 T8A,T10A、
T12A,Cr2,9Mn2V,9SiCr、
CrWMn,Cr6WV等。
? 这类钢的优点是价格便宜，加工性能好，能基本
上满足模具的工作要求。缺点是：这类钢的淬透
性差，热处理变形大，耐磨性较差，使用寿命较
低。对于低合金工具钢，则由于可采用油淬火，
并含有少量的合金元素，淬透性提高了，晶粒细
化了，变形减小了，像 9SiCr,Cr2可用来制造滚丝
模等。
? 制造负荷大、尺寸大、形状复杂的模具用高碳高
铬模具钢。钢号有 Cr12,Cr12MoV等。
? Cr12型钢的化学成分、热处理工艺和用途如表 3-14
? 这类钢中 wC=1.4%~2.3%,wCr=11%~12%
? 含碳量高是为了保证与铬形成碳化物，在
淬火加热时，其中一部分溶于奥氏体中，
以保证马氏体有足够的硬度，而未溶的碳
化物，则起到细化晶粒的作用，在使用状
态下起到提高耐磨性的作用
? 含铬量高，其主要作用是：提高淬透性和
细化晶粒，截面尺寸为 200~300mm时，在
油中可以淬透；形成铬的碳化物，提高钢
的耐磨性。 wCr一般为 12%，过高的含铬量会
使碳化物分布不均
? （ 2）热作模具钢
? 热作模具包括热锻模、热镦模、热挤压模、
精密锻造模等，均属于在受热状态下对金
属进行变形加工的模具，也称为热变形模
具
? 钼和钒的加入，能进一步提高淬透性，细
化晶粒，其中钒可形成 VC，因而可进一步
提高耐磨性和韧性。还可适当降低钢的含
碳量，以减少碳化物的不均匀性，所以
Cr12MoV钢较 Cr12钢的碳化物分布均匀，强
度和韧性高，淬透性高，用于制作截面大、
负荷大的冷冲模、挤压模、滚丝模、冷剪
刀等
? 对热作模具钢的性能要求是：
? 1）综合力学性能好。模具在工作中承受压应力、
张应力、弯曲应力及冲击应力等，还经受强烈的
摩擦，因此必须具有高的强度和韧性，同时还应
有足够的硬度和耐磨性。
? 2）抗热疲劳能力高。模具在工作中反复受到炽热
金属和冷却介质的交替作用，极易产生热疲劳，
因此应具有良好的抗疲劳能力。
? 3）回火稳定性高。工作时模具型腔表面温度可高
达 400600，因此必须具有较高的回火稳定性。
? 4）淬透性高。对尺寸大的模具，为保证其整体的
物理力学性能，要求材料的淬透性高。
? 对于中小尺寸（截面尺寸 ≤300mm）的模具，
一般采用 5CrMnMo
? 对于大尺寸（截面尺寸 >400mm）的模具，
一般采用 5CrNiMo
? 对于压铸模，采用 3Cr2W8V
? 它们化学成分如表 3-15所示
? 热作模具钢的含碳量取中碳范围，
wC=0.5%~0.6%，对于压铸模 wC=0.30%。这
一含碳量可保证淬火后的硬度，同时还有
较好的韧性指标
? 铬、镍、锰、钼的作用是提高淬透性，使
模具表里的硬度趋于一致。铬、钼还有提
高回火稳定性、提高耐磨性的作用；铬、
钨、钼还通过提高共析温度，使模具在反
复加热和冷却过程中不发生相变，来提高
抗热疲劳的能力
4．量具钢
?量具钢是用于制造量具的钢，如卡尺、千分
尺、块规、塞尺等
?对量具钢的主要性能要求如下：
?（ 1）工作部分有高的硬度和耐磨性，以防止
在使用过程中因磨损而失效；组织稳定性高，
热处理变形小，在存放和使用过程中尺寸不变，
以保证高的尺寸精度；
?（ 2）有良好的磨削加工性。
?（ 3）为了满足上述高硬度、高耐磨性的要求，
一般都采用含碳量高的钢，通过淬火得到马氏
体。
? 最常用的量具用钢为碳素工具钢和低合金工具钢
? 碳素工具钢由于采用水淬火，淬透性低，变形大，
因此常用于制作尺寸小、形状简单、精度要求低
的量具。常用的碳素工具钢有 T10A,T12A,50、
55,60等；也可采用低碳钢（如 10,15钢）经渗
碳热处理。
? 低合金工具钢（包括 GCr15等）由于加入了少量的
合金元素，提高了淬透性；又由于采用油淬火，
减小了变形量。合金元素在钢中形成合金渗碳体，
提高了钢的耐磨性。在这类钢中,GCr15用得最多，
这是由于滚动轴承钢本身也比较纯净，钢的耐磨
性和尺寸稳定性都较好
?还可采用低变形钢，如铬锰钢、铬钨
锰钢等。这种钢由于含锰，可使 Ms点
降低，淬火后的残留奥氏体增加，因
而造成钢的淬火变形减少，有低变形
钢之称
3.2.5 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊的物理, 化学性能
的钢, 它的种类很多, 其中最主要的是不锈
钢, 耐热钢, 耐磨钢等
1,不锈钢
2,耐热钢
3,耐磨钢
1．不锈钢
? 不锈钢（又称为不锈耐酸钢）是指能抵抗
大气或酸等化学介质腐蚀的钢
(1) 金属腐蚀的一般概念
? 金属腐蚀通常可分为化学腐蚀和电化学腐
蚀两种类型
? 化学腐蚀是金属在干燥气体或非电解质溶
液中的腐蚀，腐蚀过程不产生电流，钢在
高温下的氧化属于典型的化学腐蚀
? 电化学腐蚀是金属与电解质溶液接触时所
发生的腐蚀，腐蚀过程中有电流产生，钢
在室温下的锈蚀主要属于电化学腐蚀
? 化学腐蚀除了钢的高温氧化外，钢的脱碳、
钢在石油中的腐蚀、氢和含氢气体对普通
碳钢的腐蚀等都属于化学腐蚀
? 大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀，这
类腐蚀是由于金属在电解质中发生了电化
学作用，这种作用是由于形成了原电池
?当两种互相接触的金属放入电解质溶液时，
由于两种金属的电极电位不同，彼此之间
就形成一个微电池，并有电流产生
?电极电位低的金属为阳极，电极电位高的
金属为阴极，阳极的金属将不断被溶解，
而阴极金属就不被腐蚀
?对于同一种合金，由于组成合金的相或组
织不同，也会形成微电池，造成电化学腐
蚀
?例如：
?钢组织中的珠光体，是由铁素体和渗碳体
两相组成的，在电解质溶液中就会形成微
电池，由于铁素体的电极电位低，为阳极，
就被腐蚀。而渗碳体的电极电位高，为阴
极而不被腐蚀，如图 3-4所示
?在观察碳钢的显微组织时，要把抛光的试
样磨面放在硝酸酒精溶液中的浸蚀，使铁
素体腐蚀后，才能在显微镜下观察到珠光
体的组织，就是利用电化学腐蚀的原理实
现的
? 由上述可知，要提高金属的耐电化学腐蚀能力，通常可采取以下措施：
? 1）在合金钢中加入较多数量的 Cr,Ni等合金元素，
尽量使金属在获得均匀的单相组织条件下使用，
这样金属在电解职质溶液中只有一个极，使微电池难以形成。如在钢中加入大于 24%（质量分数）
的 Ni,会使钢在常温下获得单相的奥氏体组织。
? 2）加入合金元素提高金属基体的电极电位，例如
在钢中加入大于 13%（质量分数）的 Cr，则铁素
体的电极电位由 -0.56V提高到 0.2V，从而使金属的
耐腐蚀性能提高。
? 3）加入合金元素，在金属表面形成一层致密的氧
化膜，又称纯化膜，把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐蚀。
? 铬是不锈钢合金化的主要元素。钢中加入铬，提
高电极电位，从而提高钢的耐腐蚀性能。当铬含
量达 n/8原子分数值（ n=1,2,3… ），即达到 1/8、
2/8,3/8,… （也即 12.5%,25%,37.5%,… ）原
子分数时，电极电位呈台阶式跃增，即腐蚀速度
呈台阶式下降，这种现象称为 n/8规律。所以铬钢
中的含铬量只有超过台阶值（如 n=1，换成质量分
数则为 12.5%× 52/55.8=11.7%）时，钢的耐蚀性才
有明显提高。
? 由于 wCr>11.7%，而且绝大部分都溶于固溶体中，
使电极电位跃增，使基体的电化学腐蚀过程变缓。
同时，在金属表面被腐蚀时，形成一层与基体金
属结合牢固的钝化膜，使腐蚀过程受阻，从而提
高钢的耐蚀性
? （ 2）常用不锈钢
? 常用的不锈钢根据其组织特点，可分为马
氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈
钢三种类型
? 常用不锈钢的钢号、成分、热处理工艺及
用途如表 3-16所示
2．耐热钢
?在发动机、化工、航空等部门有很多
零件是在高温下工作，要求具有高和
耐热性的钢称为耐热钢
耐热钢的一般概念
?钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度
两方面的涵义
?金属的高温抗氧化性是指金属在高温下对
氧化作用的抗力；而高温强度是指钢在高
温下承受机械负荷的能力
?所以耐热钢是高温抗氧化性能好、高温强
度高的钢。
1）高温抗氧化性
? 金属的高温抗氧化性，通常主要取决于金
属在高温下与氧接触时，表面能形成致密
且熔点高的氧化膜，以避免金属的进一步
氧化的能力
? 一般碳钢在高温下很容易氧化，这主要是
由于在高温下钢的表面生成疏松多孔的氧
化亚铁 FeO，容易剥落，而且氧原子不断地
通过 FeO扩散，使钢继续氧化。
? 为了提高钢的抗氧化性能，一般是采用合
金化方法，加入铬、硅、铝等元素，使钢
在高温下与氧接触时，在表面形成致密的
高熔点的 Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜，牢
固地附在钢的表面，使钢在高温气体中的
氧化过程难以继续进行
? 如在钢中加 wCr=15%的 Cr，其抗氧化温度可
达 900℃ ；在钢中加 wCr=20%~25%的 Cr，其
抗氧化温度可达 1100℃
? 2）高温强度
? 金属在高温下所表现的力学性能与室温下大不相
同。在室温下的强度值与载荷作用的时间无关，
但金属在高温下，当工作温度大于再结晶温度、
工作应力大于此温度下的弹性极限时，随时间的
延长，金属会发生极其缓慢的塑性变形，这种现
象叫做, 蠕变, 。在高温下，金属的强度是用蠕
变强度和持久强度来表示。蠕变强度是指金属在
一定温度下，一定时间内，产生一定变形量所能
承受的最大应力。而持久强度是指金属在一定温
度下，一定时间内，所能承受的最大断裂应力。
? 为了提高钢的高温强度，通常采用以下几种措施：
? 1）固溶强化。固溶体的热强性首先取决于固溶体自身的
晶体结构，由于面心立方的奥氏体晶体结构比体心立方的
铁素体排列要紧密，因此奥氏体耐热钢的热强性高于铁素
体为基的耐热钢。在钢中加入合金元素，形成单相固溶体，
提高原子结合力，减缓元素的扩散，提高再结晶温度，能
进一步提高热强性。
? 2）析出强化。在固溶体中沉淀析出稳定的碳化物、氮化
物、金属间化合物，也是提高耐热钢热强性的重要途径之
一。如加入铌、钒、钛等，形成 NbC,TiC,VC等，在晶
内弥散析出，阻碍位错的滑移，提高塑变抗力，提高热强
性。
? 3）强化晶界。材料在高温下（大于等强温度 Te），其晶
界强度低于晶内强度，晶界成为薄弱环节。通过加入钼、
锆、钒、硼等晶界吸附元素，降低晶界表面能，使晶界碳
化物趋于稳定，使晶界强化，从而提高钢的热强性。
? （ 2）常用的耐热钢
? 常用耐热钢的钢号、成分、热处理工艺及
使用温度如表 3-17所示
3．耐磨钢
?磨损是机械工程上广泛存在的问题，通常有磨
料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损等
?采用低碳合金钢经渗碳、淬火 +低温回火，可
制造要求“外硬内韧”的耐磨性较高的零件，
如齿轮、销子等
?采用中碳钢和中碳合金钢，经调质和表面淬火
可制造要求强度和耐磨性高的零件，如负荷较
大的轴类、齿轮等
?采用高碳钢和高碳合金钢，经淬火 +低温回火
可制造要求耐磨性更高的零件，如用 GCr15制
作喷油嘴等。
? 习惯上，耐磨钢主要指在冲击载荷作用下发生冲
击硬化的高锰钢，常见的钢号是,ZGMn13。在
耐磨钢的成分中 Mn与 C含量的比值不小于是 10，
它的具体成分为,wC=0.9%~1.4%，
wMn=11.5%~15%,wS≤0.05%,wP≤0.12%,wCr≤1%，
wNi≤1%,wCu≤0.3%
? 此类钢机械加工比较困难，基本上都是铸造成形
后使用。铸造成形后，性能主要表现是硬而脆，
必须在 1050~1100℃ 加热水冷、保持单一均匀的奥
氏体组织、防止碳化物析出，从而使其具有强度、
韧性结合及耐冲击的优良性能。这种处理称作高
锰钢的水韧处理。
? 水韧处理后的高锰钢，受到冲击或磨损时，表面
产生强烈的加工硬化现象，表层硬度、强度急剧
上升，而内部仍为保持高的塑性、韧性的奥氏体
组织，广泛应用于制造要求耐磨、耐冲击的一些
零件。在铁路运输业中，可用高锰钢制造铁道上
的辙尖、辙岔、转辙器及小半径转弯处的轨条。
在建筑、矿山、冶金业中，长期使用高锰钢制造
的挖掘机铲斗，各种碎石机颚板、衬板、磨板。
高锰钢还大量用于挖掘机、拖拉机、坦克车履带
板、主动轮和支承滚轮等。又因高锰钢组织为单
一无磁性奥氏体，也可用于既耐磨又抗磁化的零
件，如吸料器的电磁铁罩
3.3 铸铁
3.3.1 铸钢的石墨化过程及其组织
3.3.2 影响石墨化过程的因素
3.3.3 铸铁的分类
3.3.4 灰口铸铁
3.3.5 球墨铸铁
3.3.6 蠕墨铸铁
3.3.7 可锻铸铁
3.3.8 合金铸铁
? 同钢一样，铸铁也是以 Fe,C元素为主的铁基材料，
其含碳量 Wc >2.11%。铸铁成形只能用铸造方法，
不能用锻或轧制方法。与钢相比，铸铁的强度低、
塑性、韧性差，但具有优良的铸造和切削加工性
能。
? 按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分
为两大类：白口铸铁和灰口铸铁。
? 在白口铸铁中，碳以渗碳体的形式存在；而灰口
铸铁中，渗以游离石墨形式存在。白口铸铁硬且
脆，很少用来制造机械零件，主要用作炼钢的原
料，故通常称它为生铁
3.3.1 铸铁的石墨化过程及其组织
? 铸铁组织中石墨的形成叫做
,石墨化, 过程。
? 在铁碳合金中，碳可能以两种
形式存在，即化合状态的渗碳
体和游离状态的石墨
? 石墨的晶格形式为简单六方，
如图 1.4-5所示。因其面间距较
大，结合力弱，故其结晶形态
易发展成片状，且强度、塑性
和韧性极低，接近于零。
? 铁碳合金中，渗碳体并不是一种稳定的相，
而石墨是一种稳定的相。在铁碳合金结晶
的过程中，因为渗碳体的含碳量较石墨的
含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形
成渗碳体晶核。但在极其缓慢冷却条件下，
或在合金中含有促进石墨化的元素时，在
铁碳合金的结晶过程中，便会直接自液体
或奥氏体中析出石墨相。因此，对铁碳合
金的结晶过程来说，实际存在两种相图，
即亚稳定状态的 Fe-Fe3C相图和稳定的 Fe-G
相图 ( 如图 3-6)
? 铁碳合金按照 Fe-G相图进行结晶，则铸铁
的石墨化过程可分为如下三个阶段：
? 第一阶段：即在 1153时通过共晶反应而形成
石墨
? 第二阶段：即在范围内冷却过程中自奥氏
体中不断析出二次石墨。
? 第三阶段：即在时通过共析反应而形成石
墨
? 一般，铸铁在高温冷却过程中，由于具有
较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶
段的石墨化是较容易进行的，而在较低温
度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的
成分及冷却速度等条件的不同，遭遇被部
分或全部抑制，从而得到三种不同的组织，
即,F+G,F+P+G,P+G
? 铸铁组织与石墨化进行程度之间的关系见
表 3-18
3.3.2 影响石墨化过程的因素
? 1．化学成分的影响
? 铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有
不同影响
? 其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素
? 在一般铸造条件下，铸铁中较高的含碳量是石墨
化的必要条件，而一定的含硅量是石墨化的充分
条件，碳与硅含量越高越易石墨化；若碳、硅含
量过低则易出现白口；如果碳、硅含量过高，将
导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的力学性能下降
? 2．温度及冷却速度的影响
? 铸件的冷却速度对石墨化的影响也很大，
即冷却愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便
愈有利，而快冷则阻止石墨化
? 在铸造时，除了造型材料和铸造工艺影响
冷却速度以外，铸件的壁厚不同也会具有
不同的冷却速度，也会得到不同的组织。
如图 3-7所示
3.3.3 铸铁的分类
?工业上使用的铸铁种类很多,按照石墨的形态
和组织性能,铸铁可分为,
?普通灰铸铁
?球墨铸铁
?蠕墨铸铁
?可锻铸铁
?合金铸铁
3.3.4 灰口铸铁
1．灰口铸铁的化学和组织特征
2,灰口铸铁的牌号, 性能及用途
3,灰铸铁的孕育处理
1．灰口铸铁的化学和组织特征
在生产中，为使铸铁浇注后得到灰口，且不至含
有过多和粗大的片状石墨，通常把铸铁的成分控
制在,wC=2.5%~4.0%,wSi=1.0%~3.0%，
wMn=0.25%~1.0%,wS=0.02%~0.2%，
wP=0.05%~0.5%。具有上述成分范围的铁液在进行
缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。
其断口呈黑灰色。若铁水中的碳、硅含量低，铸
件容易出现白口组织，白口组织往往出现在铸件
的表面层和薄壁处。普通灰口铸铁的组织是由片
状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段
石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织，如图 3-8所示
2．灰口铸铁的牌号、性能及用途
? 从表 3-19可以看出，在同一牌号中，随铸件
壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根
据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须
同时注意到零件的壁厚尺寸。
? 灰口铸铁的性能与碳钢相比，具有如下特点：
? （ 1）力学性能低
? 其抗拉强度和塑性、韧性都远远低于钢。这是由于灰口铸
铁中片状石墨的存在，不仅在其尖端处引起应力集中，而
且破坏了基体的连续性。石墨片的量愈多，尺寸愈大其影
响也愈大。但是，石墨的存在对抗压强度影响不大，其抗
压强度是抗拉强度的 2.5~4倍。所以常用灰口铸铁制造机
床床身、底座等耐压零部件。
? （ 2）耐磨性与减振性好
? 由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰铸铁的减振性优于钢。
? （ 3）工艺性能好
? 由于灰铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，
流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁
铸件。另外，由于石墨使切削加工时易断屑。所以灰铸铁
的可切削加工性优于钢
3．灰铸铁的孕育处理
? 表 3-19中 HT250,HT300,HT350属于较高强度的
孕育铸铁（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过
孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液中加
入了孕育剂（或称变质剂），因此结晶时石墨晶
核数目增多，石墨片尺寸变小，更为均匀地分布
在基体中。所以其显微组织是在细珠光体基体上
分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般
为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，加入量为铁
水总量的 0.4%，当变质剂加入铸铁液内后立即形
成 SiO2的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点
为核心形成细小的片状石墨。
? 铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，
而且塑性和韧性也有所改善。同时，由于
孕育剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的
敏感性显著减少，使各部位都能得到均匀
一致的组织。因而孕育铸铁常用来制造力
学性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸
件
3.3.5 球墨铸铁
在浇注前向铁液中加入一定量的球化剂（如
镁、稀土或稀土镁）和少量的孕育剂（硅铁
和硅钙）进行球化处理和孕育处理，在浇注
后可获得具有球状石墨结晶铸铁，称为球墨
铸铁，简称, 球铁,
1．球墨铸铁的化学成分和组织特征
2,球墨铸铁的牌号, 性能特点及用途
1．球墨铸铁的化学成分和组织特征
? 球墨铸铁的大致化学成分范围是,wC=3.6%~3.9%，
wSi=2.0%~3.0%,wMn=0.3%~0.8%,wP<0.1%，
wS<0.07%,wMg=0.03%~0.08%
? 球墨铸铁的成分特点是：碳当量较高（一般在
4.3~4.6%），含硫量较低。高碳当量是为了使它
得到共晶左右的成分，具有良好的流动性；而低
硫则是因为硫与球化剂（ Mg及 RE）具有很强的亲
和力，会消耗球化剂，从而造成球化不良。由于
球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造
成流动性下降，所以必须严格控制其含量。
? 球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基
体两部分组成。随着成分和冷却速度的不
同球墨铸铁在铸态下的金属基体可分为铁
素体、铁素体 +珠光体、珠光体三种，见图
3-9
2．球墨铸铁的牌号、性能特点及用途
? 在球墨铸铁中，由于球形石墨对金属基截面削弱作用较小，
使得基体比较连续。而且，在拉伸时，应力集中明显减弱，
从而使基体强度利用率可达 70~90%，而在灰口铸铁中基
本的强度利用率仅为 30~50%，故球墨铸铁的强度、塑性
和韧性都超过灰口铸铁，球铁的刚性也比灰口铸铁好。球
墨铸铁不仅具有远远超过灰口铸铁的机械性能，而且同样
也具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性，减摩性，
切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面可
与锻钢相媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优
于表面淬火钢等。但球铁的减振能力比灰铸铁低很多。
? 由于球铁中金属基体是决定球铁力学性能的主要因素，所
以球铁可通过合金化和热处理强化的方法进一步提高它的
力学性能。因此，球铁可以在一定条件下代替铸钢、锻钢
等，用以制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的铸件
3.3.6 蠕墨铸铁
蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是由
铁液经变质处理和孕育处理冷却凝固后所获得的一种铸铁。
通常采用的变质元素（又称蠕化剂）有稀土硅铁镁合金、
稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金或混合稀土等。然后加入
少量的孕育剂（硅铁）以促进石墨化，使铸铁中的石墨具
有介于片状和球状间的形态
1．蠕墨铸铁的化学成分和组织特征
2,蠕墨铸铁的牌号, 性能特点及用途
1．蠕墨铸铁的化学成分和组织特征
? 蠕墨铸铁的化学成分一般为 wC=3.4%~3.6%，
wSi=2.4%~3.0%,wMn=0.4%~0.6%，
wS<0.06%,wP<0.07%。
? 蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨
之间。蠕墨铸铁的石墨形态在光学显微镜
下看起来像片状，但不同于灰铸铁的是其
片较短而厚、头部较圆（形似蠕虫）。所
以可以认为蠕虫状石墨是一种过渡型石墨
2．蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途
蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途如表 3-22
所示。牌号中, RuT”是, 蠕铁, 二字汉语
拼音的大写字头，为蠕墨铸铁代号；在
,RuT”后面的数字表示最低抗拉强度。表
中的, 蠕化率, 为在有代表性的显微视野
内，蠕虫状石墨数目与全部石墨数目的百
分比
3.3.7 可锻铸铁
可锻铸铁中是由白口铸铁在固态下经长时间
石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的
高强度铸铁，又叫马铁。由于可锻铸铁中石
墨呈团絮状，所以明显减轻了石墨对基体金
属的割裂。与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度
和韧性有明显提高。应该指出可锻铸铁不能
用锻造方法制成零件
1,可锻铸铁的化学成分和组织特征
2,可锻铸铁的牌号, 性能特点及用途
1．可锻铸铁的化学成分和组织特征
?可锻铸铁的生产过程是：先铸造成白口铸铁。再
进行“石墨化”退火
?如果铸铁没有完全白口化而出现了片状石墨，则
在随后的退火过程中，则会因为从渗碳体中分解出
的石墨沿片状石墨析出而得不到团絮状石墨。所以
可锻铸铁的碳、硅含量不能太高，以促使铸铁完全
白口化；但碳、硅含量也不能太低，否则使石墨化
退火困难，退火周期增长。可锻铸铁的化学成分大
致为,wC=2.5%~3.2%,wSi=0.6%~1.3%，
wMn=0.4%~0.6%,wP=0.1~0.26%，
wS=0.05%~1.0%
?铁素体基体 +团絮状石墨的可锻铸铁断口呈
黑灰色，俗称黑心可锻铸铁，这种铸铁件
的强度与延性均较灰铸铁的高，非常适合
铸造薄壁零件，是最为常用的一种可锻铸
铁。珠光体基体或珠光体与少量铁素体共
存的基体 +团絮状石墨的可锻铸铁件断口呈
白色俗称白心可锻铸铁，这种可锻铸铁应
用不多
?退火后白口铁中的渗碳体分解为团絮状石
墨，得到铁素体基体 +团絮状石墨或珠光体
（亦或珠光体及少量铁素体）基体 +团絮状
石墨，如图 1.4-10所示
? 可锻铸铁的石墨化退火是将白口铸铁件加
热到 900~980℃ 温度，一般保温 60~80h。炉
冷使其中渗碳体分解，让, 第一阶段石墨
化, 充分进行，形成团絮状石墨。待炉冷
至 770~650℃,再长时间保温，让, 第二阶
段石墨化, 充分进行，这样处理后获得
,黑心可锻铸铁, 。若取消第二阶段的
770~650℃ 长时间保温，只让第一阶段石墨
化充分进行，炉冷后便获得珠光体基体或
珠光体与少量铁素体共存的基体 +团絮状石
墨的, 白心可锻铸铁,
2．可锻铸铁的牌号、性能特点及用途
可锻铸铁的牌号、性能特点及用途见表 3-23。牌号
中的,KT”是“可铁”二字汉语拼音的大写字头，
为可锻铸铁代号，,H”表示“黑心”，,Z”表示珠
光体基体；后面的两组数字分别表示最低抗拉强度
和最低延伸率
? 可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸
铁之间，有较好的耐蚀性，但由于退火时
间长，生产效率极低，使用受到限制，故
一般用于制造形状复杂、承受冲击，并且
壁厚 <25mm的铸件（如汽车、拖拉机的后
桥壳、轮彀等）
? 可锻铸铁亦适用于制造在潮湿空气、炉气
和水等介质中工作的零件，如管接头、阀
门等
3.3.8 合金铸铁
在普通铸铁的基础上加入一定时的合金元素，制成
特殊性能铸铁（合金铸铁）。它与特殊性能钢相比，
熔炼简便，成本较低。缺点是脆性较大，综合力学
性能不如钢。合金铸铁具有一般铸铁不具备的耐高
温、耐腐蚀、抗磨损等特性
1,耐磨铸铁
2,耐热铸铁
3,耐蚀铸铁
1．耐磨铸铁
? 有些零件如机床的导轨、托板，发动机的
缸套，球磨机的衬板、磨球等，要求更高
的耐磨性，一般铸铁满足不了工作条件的
要求，应当选用耐磨铸铁。耐磨铸铁根据
组织可分为下面几类：
? （ 1）耐磨灰铸铁
? 在灰铸铁中加入少量合金元素（如磷、钒、铬、
钼、锑、稀土等）可以使金属基体中珠光体细化，
同时也细化了石墨。由于铸铁的强度和硬度升高，
显微组织得到改善，使得这种灰铸铁具有良好的润滑性和抗咬合、抗擦伤的能力
? 耐磨灰铸铁广泛用于制造机床导轨、气缸套、活塞环、凸轮轴等零件。
? （ 2）中锰球墨铸铁
? 在稀土 ―镁球铁中加入质量分数为 5.0%~9.5%的锰，
控制硅的质量分数在 3.3%~5.0%范围内，其组织为
马氏体 +奥氏体 +渗碳体 +贝氏体 +球墨石墨。具有
较高的冲击韧度和强度，适用于同时承受冲击和
磨损的条件下使用，可代替部分高锰钢和锻钢。
中锰球铁常用于农机具耙片、犁铧、球磨机磨球等零件
2．耐热铸铁
? 普通灰铸铁的耐热性较差，只能在低于
400℃ 左右的温度下工作。耐热铸铁是指在
高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的
铸铁。所谓热生长是指氧化性气氛沿石墨
片边界和裂纹渗入铸铁内部，形成内氧化
以及因渗碳体分解成石墨而引起体积的不
可逆膨胀。结果将使铸件失去精度和产生
显微裂纹。
? 在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使
之在高温下形成一层致密的氧化膜,SiO2、
Al2O3,Cr2O3等，使其内部不再继续氧化。
? 此外，这些元素还会提高铸铁的临界点，
使其在所使用的温度范围内不发生固态相
变，以减少由此造成的体积变化，防止显
微裂纹的产生
? 耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅
铝系及铬系等
? 其中铝系耐热铸铁脆性较大，而铬系耐热
铸铁的价格较贵，所以我国多采用硅系和
硅铝系耐热铸铁
3．耐蚀铸铁
? 在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁
表面形成一层连续致密的保护膜，可有效地提高
铸铁的耐蚀性
? 在铸铁中加入铬、硅、钼、镍、磷等合金元素，
可提高铁素体电极电位，以提高耐蚀性。另外，
通过合金化，还可获得单相金属基体组织，减少
铸铁中的微电池，从而提高其耐蚀性。
? 目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁
（ STSi15RE）、高硅钼铸铁（ STSi15Mo3RE）、
铝铸铁（ STAl5）、铬铸铁（ STCr28）、抗碱球铁
（ STQNiCrRE）等
3.4 有色金属及其合金
3.4.1 铝及其合金
3.4.2 铜及其合金
3.4.3 钛及其合金
3.4.4 滑动轴承合金
3.4.1 铝及其合金
1．纯铝
2．铝合金的分类
3．铝合金的强化
4．形变铝合金
1．纯铝
? 纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为 660℃,具有
面心立方晶格，没有同素异构转变。它的密度小
（只有 2.72g/cm3）；导电性、导热性仅次于银和
铜。纯铝的化学性质活泼，在大气中极易氧化，
在表面形成一层牢固致密的氧化膜，有效隔绝铝
和氧的接触，从而阻止铝表面的进一步氧化，使
它在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。纯铝在低温下，甚至在超低温下都具有良好的塑性（ Ψ=80
％ ）和韧性，这与铝具有面心立方晶格结构有关。铝的强度低（ σb=80～ 100MPa），冷变形加工硬
化后强度可提高到 σb=150～ 250 MPa，但其塑性却
降低到 Ψ=50～ 60﹪
? 纯铝具有许多优良的工艺性能，易于铸造、
易于切削、也易于通过压力加工
? 上述这些特性决定了纯铝适合制造电缆电
线以及要求具有导热和抗大气腐蚀性能而
对强度要求不高的一些用品或器皿。
? 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工
业纯铝
? 纯铝的牌号由 1××× 表示，其中最后两位
数字表示纯铝的纯度为 99.×× ％，如 1A97
表示铝含量为 99.97％
? 高纯铝的牌号有 1A85（原 LG5）,1A90（原
LG2）,1A93（原 LG3）,1A97（原 LG4）
和 1A99（原 LG5
? 工业纯铝的牌号 1070A（原 L1）,1060（原
L2）,1050（原 L3）,1035（原 L4）
2．铝合金的分类
?铝与硅、铜、镁、锰等到合金元素
所组成的铝合金具有较高的强度，
能用于制造承受载荷的机械零件
?铝合金不仅可以通过冷变形加工硬
化的方法提高其强度，还可以通过
热处理 ——“时效硬化, 的方法进
一步提高其强度
?根据铝合金的成分、组织和生产工艺
的特点，可将铝合金分为形变铝合金
和铸造铝合金两类。工业上常用的铝
合金一般具有如图 3-11所示的相图
? 凡位于相图上 D点成分以左的合金，在加热
至高温时能形成单相固溶体组织，其塑性较高，适于压力加工，故称为形变铝合金
? 成分位于 D以右的合金，都有具有共晶组织，
液态流动性较高，多适于铸造而不适于压力加工，所以称为铸造铝合金
? 形变铝合金适于通过压力加工（轧制、挤压、
模锻等）制成半成品或模锻件，铸造铝合金
则适于直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成形件
? 在形变铝合金中，位于 F点以左成分的合金，
在固态始终保持单相，被称为不可热处理
强化的铝合金。成分在 F和 D之间的铝合金，
由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析
出第二相，可通过热处理使合金强度提高，
所以称为可热处理强化铝合金
? 铸造铝合金中按主加合金元素的不同，分为 Al-Si
系,Al-Cu系,Al-Mg系和 Al-Zn系等四种合金
? 铸造铝合金牌号由, 铸造代号 Z+基本元素铝的元
素符号 Al+合金元素符号及其平均质量分数（ %）,
表示。如 ZAlSi12表示含硅 wSi=12%的铸铝合金
? 合金代号用, 铸铝, 二字汉语拼音字首, ZL”后
跟三位数字表示。代号中第一位数表示合金系列，
1为 Al-Si系合金； 2为 Al-Cu系合金； 3为 Al-Mg系合
金； 4为 Al-Zn系合金。第二、三位数表示合金的
顺序号。如 ZL201表示 1号铝铜系铸造铝合金，
ZL107表示 7号铝硅系铸造铝合金。
? 形变铝合金按照性能特点和用途分为防锈
铝、硬铝、超硬铝、锻铝等四种
3．铝合金的强化
? 铝合金的强化方式主要以下几种：
? （ 1）固溶强化
? 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶
格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高
? 根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓
度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度，而
且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。Al-Cu,Al-Mg,Al-Si,Al-Zn,Al-Mn等二元合金
一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的溶解度（见表 1.4-25），因此具有较大的固溶强化效果
? （ 2）时效强化
? 经过固溶处理的过饱和铝合金在室温下或
加热到某一温度后，放一段时间，其强度
和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧
性则降低，这个过程称为时效
? 在室温下进行的时效称为自然时效，在加
热条件下进行的时效称为人工时效。时效
过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象
称为时效强化或时效硬化
? 铝合金的强化是通过固溶强化和时效强化
达到的，尤其是时效强化的效果较为显著。
? 实际生产中进行的时效强化的铝合金，大
多不是二元合金，而是 Al-Cu-Mg系,Al-Mg-
Si系和 Al-Si-Cu-Mg系等
4．形变铝合金
（ 1）防锈铝合金
? 防锈铝合金中主要合金元素是 Mn和 Mg,Mn的主
要作用是提高铝合金的耐蚀能力，并通过固溶强
化作用，提高铝合金的强度。 Mg也具有固溶强化
的作用，并使合金的密度降低
? 防锈铝合金锻造退火后其组织为单相固溶体，故
耐腐蚀能力强，塑性好
? 各类防锈铝合金均不能通过热处理进行强化，但
可通过冷变形加工，利用加工硬化，提高合金的
强度
? （ 2）硬铝合金
? 硬铝合金为 Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的 Mn
? 合金中的 Cu,Mg是为了形成强化相 CuAl2（ θ）相及
CuMgAl2（ S相）
? Mn主要是提高合金的耐蚀性，并有一定的固溶强化作用，
但 Mn的析出倾向小，不参与时效过程。少量的 Ti或 B可细
化晶粒和提高合金强度
? 各种硬铝合金都可以进行时效强化，属于可以热处理强化
的铝合金，亦可进行变形强化。
? 按照所含合金元素的数量不同和热处理强化效果的不同，
可将硬铝合金分为三类：低合金硬铝，合金中 Mg,Cu含
量低；标准硬铝，合金元素含量中等；高合金硬铝，合金元素含量较多
? 在使用或加工硬铝时应注意到硬铝的如下不足之处。一是
耐蚀性差，特别是在海水等环境中；二是固溶处理的加热
温度范围较窄，这对其生产工艺的实现带来了困难
? （ 3）超硬铝合金
? 超硬铝合金为 Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有
少量的 Cr和 Mn
? Zn,Cu,Mg与 Al可以形成固溶体和多种复
杂的第二相，例如 MgZn2,Al2CuMg，
AlMgZnCu等。所以经过固溶处理和人工时
效后，可获得很高的强度和硬度。它是强
度最高的一种铝合金。但这种合金的耐蚀
性较差，高温下软化快。可以用包铝法提
高耐蚀性
? （ 4）锻铝合金
? 锻铝合金为 Al-Mg-Si-Cu系和 Al-Cu-Mg-Ni-Fe
系合金
? 这类铝合金具有良好的热塑性，良好的铸造
性能和锻造性能，并有较高的力学性能。在
这类铝合金中，合金元素的种类众多，但每
种元素的含量都很少，因而具有良好热塑性。
锻造铝合金通常都要进行固溶处理和人工时
效
? （ 5）铸造铝合金
? 铸造铝合金按照主要合金元素的不同，可
分为四类：
? Al-Si铸造铝合金，如 ZL101,ZL105等；
? Al-Cu铸造铝合金，如 ZL201,ZL203等；
? Al-Mg铸造铝合金，如 ZL301,ZL302等；
? Al-Zn铸造铝合金，如 ZL401,ZL402等。
? 各类铸造铝合金的主要牌号、力学性能及
用途见表 1.4-26
? 1） Al-Si铸造铝合金
? Al-Si铸造铝合金通常称为铝硅明，只含硅元
素的 Al-Si二元合金称为简单铝硅明，除硅外
还含有其它合金元素的称为复杂铝硅明
（ Al-Si-Mg-Cu等多元合金）
? 含硅 wSi=11%~13%的简单铝硅明（ ZL102）
铸造后几乎全部是共晶组织。因此，这种
合金流动性好，铸件发生热裂倾向小，适
用于铸造复杂形状的零件
? Al-Si铸造铝合金还有耐腐蚀性能高，膨胀系
数低，焊接性优良。
? 该合金的不足之处是铸造时吸气性高，结晶时产
生大量分散缩孔，使铸件的致密度下降。 Al-Si合
金组织中的共晶硅呈粗大的针状，严重降低了合
金的塑性。采用变质处理可使合金的金相组织明
显细化，提高其强度和塑性。简单铝硅明不能进
行淬火时效强化，因而仅适合制造形状复杂但强
度要求不高的铸件。
? 为了提高铝硅明的强度，可向合金中加入 Mg,Cu
等合金元素，以形成 CuAl2（ θ相）,MgSi（ β相）、
Al2CuMg（ S相）等强度相。此类复杂铝硅明除可
进行变质处理外，还可进行淬火时效提高铝硅明
的强度。这类合金在制造形状复杂、性能要求高
和高温下工作的零件和重载荷的大铸件中得到广
泛应用。
? 2） Al-Cu铸造铝合金
? Al-Cu合金的强度较高，耐热性好，但铸造
性能不好，其中只有少量共晶体，有热裂
和疏松倾向，耐蚀性较差
? ZL201的室温强度高，塑性比较好，可制作
在 300℃ 以下工作的零件,ZL202塑性较低，
多用于高温下不受冲击的零件。 ZL203经淬
火时效后，强度较高，可做结构材料铸造
受中等载荷和形状较简单的零件
? 3） Al-Mg铸造铝合金
? Al-Mg合金（ ZL301,ZL302）强度高，密度
小（约为 2.55g/m3），耐蚀性好，但铸造性
能不好，没有共晶体，耐热性低。 Al-Mg合
金可进行时效处理，通常采用自然时效。
此类合金多用于制作承受冲击载荷、耐海
水腐蚀、外形不太复杂便于铸造的零件。
? 4） Al-Zn铸造铝合金
? Al-Zn合金（ ZL401,ZL402）价格便宜，铸
造性能优良，经变质处理和时效处理后强度
较高，但耐蚀性差，热裂倾向大
? 铸造铝合金的铸件，由于形状较复杂，组织
粗糙，化合物粗大，并有严重的偏析，因此
它的热处理与变形铝合金相比，淬火温度应
高一些，加热保温时间要
3.4.2 铜及其合金
? 1．纯铜
? 2．黄铜
? 3．青铜
1．纯铜
? 纯铜呈玫瑰红色，比重 8.9。其熔点为
1083℃,在固态时具有面心立方晶格结构，
无同素异构，表面形成氧化膜后，呈紫红
色，故常称为紫铜。纯铜具有优良的导电、
导热性，其导电性在各种元素中仅次于银，
故纯铜主要用作导电材料
? （ 1）铜是逆磁性物质，用纯铜制作的各种
仪器和机件不受外磁场的干扰，故纯铜适合
制作磁导仪器、定向仪器和防磁器械等
? （ 2）纯铜具有极好的塑性，容易冷、热成
形，故纯铜制品大多经压力加工制成
? （ 3）纯铜的化学性能比较稳定，在大气、
水、水蒸汽、热水中基本上不遭受腐蚀
? 工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜
的导电能力下降
? 铅和铋能与铜形成熔点很低的共晶体（ Cu+Pb）和 (Cu+Bi)，
共晶温度分别为 326℃ 和 270℃,分布在铜的晶界上。进行
热加工时（温度为 820~860℃ ），因共晶体溶化，破坏晶
界的结合，使铜发生脆性断裂（热裂）
? 硫、氧与铜也形成共晶体（ Cu+Cu2S）和 (Cu+Cu2O)，共
晶温度分别为 1067℃ 和 1065℃,因共晶温度高，它们不引
起热脆性。但由于 Cu2S,Cu2O都是脆性化合物，在冷加工
时易产生破裂，这种现象称为冷脆
? 根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种,T1,T2,T3、
T4。, T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。工
业纯铜的牌号、成分及主要用途见表 3-27
? 纯铜除工业纯外，还有一类叫无氧铜，其
含氧量极低，氧的质量分数不大于 0.003%。
牌号有 TU1,TU2，主要用来制作电真空器
件及高导电性铜线。这种导线能抵抗氢的
作用，不发生氢脆现象。纯铜的强度低，
不宜直接用作结构材料
2．黄铜
? 以锌为唯一或主要合金元素的铜合金称为
黄铜
? 黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性、良好的
变形加工性能和铸造性能，在工业中有很
好的应用价值。按化学成分的不同，黄铜
可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。表 3-28是
常用黄铜的牌号、成分、性能和用途。
? （ 1）普通黄铜
? 普通黄铜是铜 -锌二元合金。图 3-13是 Cu-Zn
合金相图。
? 从图中可以看出,Cu-Zn系具有六种相，但工业中
应用的黄铜的含锌量一般不超过 47%，所以在黄铜
中只有单相（ α）和两相（ α+β）状态
? α相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度随温度的下
降而增加，在 456℃ 时溶解度为最大（约含有 39%
锌）,456℃ 以下，溶解度又减小。 α相具有面心立
方晶格，塑性很好，适于进行冷、热加工，并有
优良的铸造、焊接和镀锡的能力。高温时,CuZn
（ β相）中的铜、锌原子处于无序状态，当合金缓
冷至 456℃ ~468℃ 时 β相会转变为有序状态称 β′ 相，
具有体心立方晶格，高温时 β相具有极好的塑性，
适于热加工，低温时 β′ 相比较脆，故不适于冷加工。
? 黄铜的含锌量对其力学
性能有很大的影响。当
黄铜处于单相 α状态
（ wZn≤30%~32%）时，
随着含锌量的增加，强
度和延伸率都升高，当
wZn>32%后，因组织中出
现 β′ 相，塑性开始下降，
而强度继续升高，在
wZn=45%附近达到最大值。
当 wZn更高时，黄铜的组
织全部为 β′ 相，强度与塑
性急剧下降。
? 普通黄铜根据其组织不同可分为单相黄铜和双相
黄铜，单相黄铜的组织为 α，塑性很好，可进行冷、
热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管
材及形状复杂的深冲零件
? 常用的单相黄铜代号有 H80,H70,H68等,,H”
为黄铜的汉语拼音字首，数字表示铜的平均质量
分数（ %）
? 常用双相黄铜的代号有 H62,H59等，双相黄铜的
组织为 α+β′ 。由于室温 β′ 相很脆，冷变形性能差，
而高温 β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。
通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制
造各种零件。
? （ 2）特殊黄铜
? 为了获得更高的强度、耐蚀性和某些良好的工艺
性能，在铜锌合金中加入铅、锡、铝、铁、硅、
锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。
? 特殊黄铜的编号方法是：, H+主加元素符号 +铜
的平均质量分数 +主加元素的平均质量分数, 。
特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品
供应）和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在编号前
加, Z”。例如,HSn70-1表示成分为
wCu=69.0~71.0%,wSn=1.0~1.5%，余为 Zn的锡黄铜；
ZHPb59-1表示成分为 wCu=57.0~61.0%，
wPb=0.8~1.9%，余为 Zn的铅黄铜。
? ① 铅黄铜 铅能改善黄铜的切削加工性能，
并能提高合金的耐磨性。铅对黄铜的强度
影响不大，略微降低塑性。压力加工铅黄
铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐
磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可
以制作轴瓦和衬套。
? ② 锡黄铜 锡可显著提高黄铜在海洋大气和
海水中的耐蚀性，锡能使黄铜的强度有所
提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海
船零件。
? ③ 铝黄铜 铝能显著提高黄铜的强度和硬度，但
使合金的塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性
的氧化膜，因而使黄铜在大气中的耐蚀性得以改
善。铝黄铜可制作海船零件及其机器的耐蚀零件。
铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，可得到高强
度、高耐蚀性的特殊黄铜，常用于制作大型蜗杆、
海船用螺旋桨等需要高强度、高耐蚀性的重要零
件
? ④ 铁黄铜 铁能提高黄铜的强度，并使黄铜具有
高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的耐蚀
性，因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐
蚀的零件
? ⑤ 硅黄铜 硅能显著提高黄铜的力学性能、耐磨
性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能
进行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工机械零件。
? ⑥ 锰黄铜 锰能提高黄铜的强度，不降低塑性，
也能提高在海水中及过热蒸汽中的耐蚀性。合金
的耐热性和承受冷热压力加工的性能也很好。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件
? ⑦ 镍黄铜 镍可增大锌在铜中的溶解度，全面提
高合金的力学性能和工艺性能，降低应力腐蚀开
裂倾向。镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶
粒，镍可提高黄铜在大气、海水中的抗蚀性，镍
黄铜的热加工性能良好，在造船工业、电动机制造工业中广泛应用
3．青铜
? 青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合
金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等元
素组成的合金也叫青铜
? 青铜实际上包含 锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜
? 青铜也可分为压力加工青铜（以青铜加工产品供应）和铸造青铜两类
? 青铜的编号规则是：, Q+主加元素符号 +主加元
素的质量分数（ %） (+其它元素的质量分数
（ %） )”,,Q”为, 青, 的汉语拼音字头。如
QSn4-3表示成分为 wSn=4%,wZn=3%、其余为铜
的锡青铜。铸造青铜的编号前加, Z”
? （ 1）锡青铜
? 锡青铜是我国历史上使用最早的有色合金，也是
最常用的有色合金之一
? 它的力学性能与含锡量有关，生产上应用的锡青铜的 w
Sn一般为 3%~14%
? 当 wSn＞ 20%时，由于出现过多的 δ相，使合金变得
很脆，强度也显著下降
? 当 wSn≤5%~6%时,Sn溶于 Cu中，形成面心立方晶
格的 α固溶体，它是 Cu-Sn合金中最基本的相组成
物，随着 α固溶体中含锡量的增加，合金的强度和
塑性都增加
? 当 wSn≥5%~6%时，组织中出现硬而脆的 δ相（以复
杂立方结构的电子化合物 Cu31Sn8为基的固溶体），
虽然强度继续升高，但塑性却会下降
? wSn＜ 5%的锡青铜适宜于冷加工使用
? 含锡 wSn=5%~7%的锡青铜适宜于热加工
? 大于 10%的锡青铜中一般含有少量 Zn,Pb、
P,Ni等元素。 Zn能提高锡青铜的力学性能
和流动性。 Pb能改善青铜的耐磨性能和切
削加工性能，却要降低力学性能。 Ni能细
化青铜的晶粒，提高力学性能和耐蚀性。 P
能提高青铜的韧性、硬度、耐磨性和流动
性
? （ 2）铝青铜
? 以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜
? 铝青铜的强度比黄铜和锡青铜高，工业中应用的
铝青铜含铝量一般为 5~11%
? 当 wAl＜ 5%时，合金强度很低
? 当 wAl≤5%~7%时，合金的塑性很好，适于冷加工
? 当 wAl＞ 7%~8%时，合金的塑性急剧降低
? 在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性
也比黄铜和锡青铜好。此外，还耐磨损。铝青铜
与上述介绍的铜合金有明显不同的是铝青铜可通
过热处理进行强化。铝青铜有良好的铸造性能。
它的体积收缩率比锡青铜大，铸件内容易产生难
溶的氧化铝。难于钎焊，在过热蒸汽中不稳定
? （ 3）铍青铜
? 以铍为基本合金元素的铜合金称为铍青铜
? 铍青铜经热处理强化后的抗拉强度可高达
1250~1500MPa，硬度可达到 50~400HBS，
远远超过任何铜合金，可与高强度合金钢
媲美
? 铍青铜中铍元素的含量 wBe在 1.7%~2.5%之间，
铍溶于铜中形成 α固溶体，铍在铜中的最大
溶解度为 2.7%，在室温时的溶解度为 0.2%，
因此铍青铜可以经过固溶处理和人工时效
得到很高的强度和硬度
? 铍青铜具有很高的弹性极限、疲劳强度、
耐磨性和耐蚀性，导电性、导热性极好，
而且耐热、无磁性，受冲击时不发生火花。
因此铍青铜常用来制造各种重要弹性元件，
耐磨零件（如钟表齿轮，高温、高压、高
速下的轴承）及防爆工具等。在工艺性方
面，它承受冷、热压力加工的能力很强，
铸造性能亦很好。但铍是稀有金属，价格
昂贵，在使用上受到限制。
? 表 3-29是各种青铜的牌号、成分、性能和主
要用途
3.4.3 钛及其合金
钛具有密度小、比强度高、耐热性好及优异
的耐腐蚀性能。因此钛及钛合金不仅在航空、
导弹、航天及舰艇等方面得到广泛的应用，
而且在海洋工程、机械工程、生物工程和化
学工程中的应用也越来越广泛。
1,纯钛
2,钛合金
1．纯钛
? 钛是一种银白色金属，其熔点为 1680℃ ；相
对密度为 4.54g/cm3，比铝大，但比铁小
? 钛有很好的强度，约为铝的 6倍，所以钛的
比强度在结构材料中是很高的
? 钛的热膨胀系数较小，使它在高温工作条
件下或热加工过程中产生的热应力小
? 钛的导热性差，只有铁的 1/5，加上钛的摩
擦系数大（ μ=0.2），使切削、磨削加工困
难
? 钛的弹性模量较低，屈强比高，这使得钛和
钛合金冷变形成形时的回弹量大，不易成形
和校直
? 在 550℃ 以下的空气中，钛表面很容易形成
致密的氧化膜，使它在氧化性介质中的耐蚀
性比大多数不锈钢好，但加热到 600℃ 以上
时氧化膜就失去了保护作用
? 钛在硫酸、盐酸、硝酸和氢氧化钠等碱溶液
中，在湿气及海水中具有优良的稳定性。但
钛不能抵抗氢氟酸的浸蚀作用
? 固态下，钛有两种同素异构结构，转变温度为
882.5℃,在 882.5℃ 以下的稳定结构为密排六方晶
格，称为 α-Ti；在 882.5℃ 以上直到熔点为体心立方
晶格，称为 β-Ti。
? 钛中常见的杂质有 Fe,Si,N,O,C,H等元素。
工业纯钛按杂质含量不同可分为三个等级，即 TA1、
TA2,TA3。其中, T”为, 钛, 的汉语拼音字头，
数字为顺序号，数字越大则杂质越多
? 工业纯钛的棒材和板材具有较高的强度，可制作
在 500℃ 以下工作有耐蚀要求，且强度要求不高的
零件
? 纯钛的牌号、成分与力学性能见表 1.4-所示
2．钛合金
? 在钛中加入合金元素能显著提高纯钛的强
度。如工业纯钛的 σb约为 350~700MPa，而
钛合金的 σb可达 1200MPa
? 钛合金根据使用状态的组织可分为三类,α
钛合金,β钛合金,α+β钛合金。牌号分别以
TA,TB,TC加上编号表示
? （ 1） α钛合金
? 在钛中加入铝、碳、氮、氧、硼等元素形成 α固溶
体，并使 α?β同素异构转变温度上升，称为 α稳定
化元素。从而使钛合金的组织全部为 α固溶体单项
组织，具有很好的强度、韧性及塑性。在冷态也
能加工成某种半成品，如板材、棒材等
? 在高温下组织稳定，抗氧化能力较强，热强性较
好。在高温（ 500~600℃ ）时的强度性能在三类钛
合金中较高
? 在室温中强度一般低于 β和 α+β钛合金
? α钛合金是单相合金，不能进行热处理强化
? 代表性的合金有 TA5,TA6,TA7。
? （ 2） β钛合金
? 在合金中加入铁、钼、镁、铬、锰、钒等元素使
合金的组织主要为 β固溶体
? 全 β钛合金由于是体心立方结构，合金具有良好的
塑性，为了利用这一特点，发展了一种介稳定的 β
相钛合金。此合金在淬火状态为全 β组织，便于进
行加工成形。 β钛合金可进行热处理强化。通过淬
火与时效能获得 β相中弥散分布细小 α相组织，进
一步提高 β钛合金的强度
? 因为这类合金密度较大，耐热性差及抗氧化性能
低。生产工艺复杂，在工业上很少使用。
? （ 3） α+β钛合金
? 当钛中同时加入稳定 α相和 β相的元素时，可
获得（ α+β）的双相组织
? （ α+β）钛合金兼有 α和 β钛合金两者的优点，
耐热性和塑性都比较好，可进行热处理强
化，且生产比较简单，是应用最广的一类
钛合金
? 部分钛合金的牌号、成分、力学性能及用
途见表 3-31
3.4.4 滑动轴承合金
1．对滑动轴承合金的性能及组织的要求
2．常用轴承合金介绍
1．对滑动轴承合金的性能及组织的要求
? 滑动轴承合金是指用于制造滑动轴承轴瓦
及内衬的材料
? 滑动轴承在工作时，将在轴和轴颈之间产
生强烈的摩擦。对轴承合金要求它在工作
温度下具有足够的抗压强度和疲劳强度、
良好的耐磨性和足够的塑性及韧性，其次
还要求它具有良好的耐蚀性、导热性和较
小的膨胀系数，与轴之间摩擦系数小，能
保持住润滑油
? 为了满足上述要求，轴承合金的理想组织是
在软的基体上分布着硬质点如图 3-15所示；
或者在硬基体上分布着软质点。
? 当机器运转时，软基体被磨损而凹陷，硬质
点就凸出于基体上，减小轴与轴瓦之间的摩
擦系数。凹下去的坑可以存储润滑油，同时
使外来硬物能嵌入基体中，使轴颈不被擦伤。
软基体能承受冲击和振动，并使轴与轴瓦很
好地磨合
? 同样，采取硬基体上分布软质点的组织，也
达到上述目的。同软基体硬质点的组织相比，
硬基体软质点组织具有较好的承载能力，而
磨合能力较差
? 最能满足上述要求的轴承合金是以锡或铅
为基的合金，一般称为, 巴氏合金,
? 其编号方法为：, ZCh+基本元素符号 +主
加元素符号 +主加元素的质量分数（ %） +
辅助元素的质量分数（ %）,,其中, Z”、
,Ch”分别是, 铸, 和, 承, 的汉语拼音字
首
? 例如,ZChSnSb11-6表示 wSb=11.0%、
wCu=6%的锡基轴承合金
? 常用的轴承合金除巴氏合金外还有铝基和
铜基轴承合金
? 巴氏合金的牌号、性能及用途见表 3-32所示
2．常用轴承合金介绍
? (1) 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）
? 锡基轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合
金。它是以锡、锑为基础，并加入少量其它元素
的合金。常用的牌号有 ZChSnSb11-6,ZChSnSb8-4、
ZChSnSb4-4等。
? 锡基轴承合金膨胀系数小、磨合性良好，抗咬合
性、嵌藏性和耐蚀性、导热性、浇注性能也很好。
锡基轴承合金的缺点是疲劳强度较低，工作温度
也较低（一般不大于 150℃ ），价格高
? (2) 铅基轴承合金（铅基巴氏合金）
? 铅基轴承合金是以 Pb-Sb为基的合金，但二
元 Pb-Sb合金有密度偏析，同时锑颗粒太硬，
基体又太软，只适用于速度低、负荷小的
次要轴承
? 为改善其性能，要在合金中加入其它合金
元素，如 Sn,Cu,Cd,As等
? 常用的铅基轴承合金为 ZChPbSn16-16-1.8，
其中 wSn=15%~17%,wSb=15%~17%、
wCu=1.5%~2.0%及余量的 Pb。
? 铅基轴承合金的硬度、强度、韧性都比锡基
轴承合金较低，但摩擦系数较大，价格便宜，
铸造性能好。常用于制造承受中、低载荷的
轴承，但其工作温度不能超过 120℃ 。
? 铅基、锡基巴氏合金的强度都较低，为了提
高巴氏合金的疲劳强度、承压能力和使用寿
命，常把它镶铸在钢的轴瓦（一般用 08钢冲
压成形）上，形成薄而均匀的内衬，才能发
挥作用。这种工艺称为挂衬。这种结构的轴
承称为, 双金属轴承,
? (3) 铝基轴承合金
? 铝基轴承合金是以铝为基本元素，锑或锡
等为主加元素的轴承合金，它具有密度小、
导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好的优点
? 它原料丰富，价格便宜，广泛用在高速高
负荷条件下工作的轴承
? 按化学成分将铝基轴承合金分为铝锡系
（ Al-20%Sn-1%Cu）、铝锑系（ Al-4% Sb-
0.5%Mg）和铝石墨系（ Al-8Si合金基体
+3%~6%石墨）三类
? 铝锡系轴承合金是一种既有高疲劳强度，又
有适当硬度、耐热性和耐磨性良好等优点轴
承合金，在轧制成成品后，经退火热处理，
使锡球化，获得在较硬的 Al基体上弥散要布
着较软的球状锡的显微组织
? 适用于制造高速、重载条件下工作的轴承。
? 铝锑系轴承合金适用于载荷不超过 2000MPa、
滑动线速度不大于 10m/s工作条件下的轴承
? 铝石墨系轴承合金具有优良的自润滑作用和
减震作用以及耐高温性能，适用于制造活塞
和机床主轴的轴承
? 铝基轴承合金的缺点是膨胀较大，抗咬合性
低于巴氏合金
? 为此，常采用较大的轴承间隙，并采取降低
轴与轴承表面的粗糙度值和镀锡的办法来改
善综合性，以减小启动时发生咬合的危险性
? (4) 铜基轴承合金
? 铜基轴承合金是以铅为基本合金元素的铜基
合金。它属铅青铜类，因其性能适于制造轴
承，故又称其为铜基轴承合金。
? 由于铅不溶于铜，所以铅青铜在室温时的组
织是在硬基体铜上均匀分布着软的铅颗粒，
极有利于保持润滑油膜，使合金具有优良的
耐磨性。此外，铅青铜比巴氏合金更能耐疲
劳、抗冲击，承载能力也更强。所以铜基轴
承合金可用作高速、高载下的发动机轴承和
其它高速重载轴承
? (5) 粉末冶金减摩材料
? 粉末冶金减摩材料在纺织机械、汽车、冶
金、矿山机械等方面已获得广泛应用。粉
末冶金减摩材料包括铁石墨和铜石墨多孔
含油轴承和金属塑料减摩材料。
? 粉末冶金多孔含油轴承与巴氏合金、铜基
合金相比，具有减摩性能好、寿命高、成
本低、效率高等优点，特别是它具有自润
滑性，轴承孔隙中所贮润滑油，足够其在
整个有效工作期间消耗。因此特别适用于
制氧机、纺纱机等场合应用的轴承。
