工程材料8-13章(10课时).ppt

1、第8章 合金钢,为什么要加入合金元素？,1.淬透性低 2.回火抗力低 3.具有回火脆性 4.高温下强度硬度差 5.不能满足特殊性能的要求,碳钢的局限性：,第一节 合金元素在钢中的作用一、合金元素对钢中基本相的影响,2、合金渗碳体及特殊碳化物强化,合金元素形成碳化物，以细小质点分布在基体，起强化作用， 使钢的强度、硬度增大，耐磨性增大，但塑性、韧性下降。,1、铁素体的固溶强化 与碳化物亲和力弱的非金属元素溶于铁素体，形成合金铁素体。 尤其与Fe原子晶格差距大的Si、Mn、Ni对强度、硬度提高显著。,二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,如：1Cr18Ni9Ti中，Ni9%，S点降到室温，室温下

2、为单相奥氏体组织，称奥氏体不锈钢。,锰对奥氏体相区的影响,1、扩大区,Mn、 Ni、 Co、C、N、Cu等是扩大奥氏体相区的元素，使A3线下降。使共析转变向低温低碳方向。,铬对奥氏体相区的影响,2、缩小区,如：1Cr17中，Cr13% ，奥氏体相区消失，高温/室温下为均铁素体组织，称铁素体不锈钢。,Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使Acm、A3线上升，使共析转变向高温低碳方向。,3、对E点和S点位置的影响,所有合金元素均使E和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13） 或共晶组织（如W18Cr4V）,除Co外，所有合金元素均使C曲

3、线右移，提高淬透性。并降低马氏体形成温度，增加A的含量,大多数合金元素会减缓奥氏体化过程,1、对钢加热时奥氏体化的影响,2、对钢淬透性的影响,合金元素使C扩散能力下降，常采用提高加热温度和延长保温时间来促进A的均匀化。,三、合金元素对热处理的影响,3、对回火转变的影响,（1）提高回火稳定性：,淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称回火稳定性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的聚集，保持细小、弥散的状态。,（2）产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后500600回火时，由于析出弥散分布的碳化物粒子使硬度升高的现象。 如：W2C、Mo2C等，高温下非常稳定，不易聚集长大。,相同温度回火，相同

4、含碳量的合金钢的强度硬度比碳钢高,回火硬度相同时，相同含碳量的合金钢比碳钢能承受的回火温度高,第一类回火脆：几乎所有淬火的钢在250350回火出现脆性；,（3）回火脆性不利之处,第二类回火脆：500以上或更高至650回火后缓冷，出现韧性降低的现象。碳钢一般不产生第二类回火脆性。,第三节 合金钢的分类和编号一、合金钢的分类,按用途分类,二、合金钢的编号,（4）表示钢的用途 如滚动轴承：GCr15,两位数字（平均含碳量的万分数）+合金元素符号+该元素百分含量,（1）当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。,（2）当合金元素的平均含量为大于等于1.50、2.50、3.50、4.

5、50、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如：20CrNi3。,（3）高级优质钢 在牌号后加字母A，如60Si2MnA。,1、合金结构钢,一位数字（平均含碳量的千分数）+合金元素符号+该元素百分含量 当C%1%时，C含量不标,2、合金工具钢,1、用途：桥梁、船舶、压力容器、管道,2、性能要求：高强度和韧性；良好的焊接性能；耐蚀性,3、成分特点：低碳0.2%C（韧、塑、焊）+少量合金元素3% 主要合金元素是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,Q345钢综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo，强度

6、高，用于石化中温高压容器,Q235属于什么钢？区别？,4、热处理：出厂后热轧空冷(正火)后使用，无需热处理。(F+P),第四节 合金结构钢一、低合金高强度结构钢,2020/10/25,高压容器,桥梁,船舶,车辆,新进展：,1、低碳贝氏体低合金高强钢,2、低碳S回低合金高强钢,低碳钢加入合金元素，淬火获得低碳M，高温回火，可保证良好的综合性能及焊接性。,低碳钢加入合金元素，正火后获得B下，强度500MPa，塑、韧性好。,二、渗碳钢,低碳，渗碳淬火+低温回火,渗碳炉,1、用途：受冲击载荷的耐磨件，如汽车变速齿轮、凸轮轴、活塞销,2、性能要求：,3、成分特点：,表硬里韧，淬透性好,（1）低碳：0.1

7、-0.25%C； （2）Cr、Mn、Ni：提高淬透性(表层)，强化铁素体(心部) （3）W、Mo、Ti、V：细化晶粒,特点：价格低、淬透性低、心部（P+F）强度低。,应用：较小耐磨件，小轴、活塞销、小齿轮。,活塞销,小齿轮,4、常用钢种及牌号,（1）低淬透性,15，20，20Cr,（2）中淬透性 20CrMnTi,特点：合金元素总量4%，淬透性和力学性能较高。,应用：承受中等冲击载荷的耐磨零件，如变速齿轮、花键套,（3）高淬透性 18Cr2Ni4WA,特点：合金元素总量7.5%，淬透性高，心部强度高,应用：重载和强烈磨损的大型零件，如飞机坦克的大型齿轮、曲轴,变速齿轮,柴油机曲轴,5、热处理和

8、组织性能,渗碳件的加工工艺路线为： 下料锻造热处理1机加工渗碳热处理2,淬火温度一般为： Ac1+30-50。,正火目的：,表层：M回+合金碳化物+A(少量)；,使用状态下组织：,调整硬度，便于切削加工。,应用举例,以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。,技术要求：渗碳层厚度1.21.6mm，表面碳浓度为1.0%，齿顶硬度5860HRC，心部硬度3045HRC。,锻造正火加工齿轮渗碳淬火+低温回火喷丸磨齿（精磨）,1、工艺路线,2、热处理的作用,（1）正火：为了提高硬度，以利于切削加工。,（2）渗碳：20CrMnTi钢的渗碳温度为920左右，经

9、查手册得知渗碳层厚1.21.6mm时所需渗碳时间为68h。,（3）淬火及低温回火,自渗碳温度预冷到870880直接油淬，再经200低温回火23h。表面层由于碳含量较高，淬火低温回火后基本上为M回，具有很高的硬度和耐磨性，心部为低碳回火马氏体组织，具有高的强度和足够的冲击韧性 。,（4）喷丸：提高表面的疲劳强度,（5）磨齿：提高齿轮精度和表面光洁度，适用于精加工淬火后硬度较高的钢料齿轮。,锻造正火加工齿轮渗碳淬火+低温回火喷丸磨齿（精磨）,视频：渗氮,温度/,时间/t,950970 正火,空冷,920 68h气体渗碳,预冷870880 油冷,20023h回火,三、调质钢,经过调质处理后使用，得到

10、 ，具有良好的综合性能，强韧配合。,调质件（螺杆）,3、成分特点,破碎机主轴,S回,（1） 中碳：0.250.5%C （2） Mn、Si、Cr、Ni：提高淬透性； 强化F （3）防止第二类回火脆性: W、Mo,2、性能要求：良好的综合力学性能,1、用途：机械制造中最广泛的一类钢。如：机床主轴、连杆螺栓、曲轴、汽车半轴等。,中淬透性钢：,4、常用钢种及牌号,低淬透性钢： D 3040mm，40Cr, 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。,D4060mm，35CrMo，用于制造大中型零件。,高淬透性钢：,D 60100mm，用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。,5、热处理和组织性能,调质件的加工工艺路

11、线为： 下料锻造退/正火粗加工调质精加工装配,（1）退/正火：考虑切削性能 （2）调质目的：获得良好综合力学性能 （3）使用状态下的组织为：S回,若表面要求耐磨的零件，可以再进行何种热处理？,表面淬火+低温回火；获得表面M回，心部S回,连杆组件用材：,铜合金,锡基或铅基巴氏合金,40Cr钢,1、连杆螺栓受力分析：,2、连杆螺栓材料：40Cr钢,3、连杆螺栓加工路线：,4、连杆螺栓及其热处理工艺,下料锻造退火（或正火）机加工调质检验硬度加工螺纹装配,新进展：,1、低碳M钢：淬火+低回,2、中碳微合金非调质钢,无需淬火回火，直接控制轧制或锻造，空冷获得F+P， 但冲击韧性较差。,15MnVB代替4

12、0Cr制造连杆螺栓，提高塑韧性的基础上，承载强度提高50%以上。,四、弹簧钢,1、用途：专用钢，弹簧和弹性元件,弹簧主要有螺旋弹簧和板簧两种，它是利用弹性变形来储存能量、缓和振动和冲击的。,2、性能要求,（1）高弹性极限，高屈强比； （2）高疲劳强度；（3）足够的塑性和韧性,3、成分特点,（1）中、高碳： 碳素弹簧钢为0.6-0.9%C；合金弹簧钢为0.5-0.7%C （2）Mn、Si：提高淬透性和屈强比；Cr、V：提高回火稳定性； （3）对杂质要求严格，优质或高级优质钢。,（1）65Mn、60Si2Mn，Si-Mn型，价格便宜，钢淬透性优于65钢，强度较高，用于汽车、拖拉机上的中、小型弹簧。

13、,4、常用钢种和牌号,（2）50CrVA， Cr-V型，高温强度和韧性进一步提高，可在400下承受重载的较大弹簧。,5、热处理及组织特点,（2）冷成型弹簧：冷成型定型处理。 用于8mm弹簧。（自行车刹车弹簧）,（1）热成型弹簧：热卷成型淬火+中温回火； 使用状态下的组织：T回，用于大截面弹簧(8mm),冷卷螺旋压缩弹簧,(250300去应力退火),大型热卷弹簧,1、用途：主要制造滚动轴承内/外圈、滚动体，属于专用结构钢,五、滚动轴承钢,2、性能要求,（1）高的接触疲劳强度，接触应力可高达5000MPa。 （2）高的硬度和耐磨性。HRC62-64 （3）足够的韧性、淬透性和耐蚀性。,圆柱滚子轴承

14、,3、成分特点,（1）高碳：0.951.15%C ； （2）以Cr为主，0.41.65%，主要作用是提高淬透性 千分数 （3）适当加入Mn、Si、V ，改善淬透性基础上不降低韧性 （4）纯度要求极高，严格控制S和P的杂质含量,GCr9 GCr15 GCr9SiMn GCr15SiMn,4、常用钢种和牌号,（1）应用最广的是GCr15，GCr9大量用于中、小型轴承； （2）大型轴承用GCr15SiMn，这类钢还可用于制造模具、量具,5、 热处理和组织特点（过共析钢）,（1）正火+球化退火：消除网状渗碳体， 降低硬度，获得球P，便于切削加工,（2）淬火+低温回火：极细的的M回+均匀分布的碳化物，6

15、165HRC,（3）精密轴承：冷处理+低回，稳定尺寸,工具钢是用于制造刃具、模具和量具的钢种。,刃具钢：制造车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具 模具钢：制造冲压、模锻、挤压、压铸等模具 量具钢：制造样板、直尺、塞规、块规等,第五节 合金工具钢,牌号命名： 数字（表示平均含碳量）+合金元素符号+该元素百分含量数字 当：C%1%时，C含量不标； C%1%时，用千分之几标出；,CrMn： 9SiCr：,工具钢的共性： 1、高硬度高耐磨 2、热稳定性和热硬性 3、淬透性,（1）高硬度：HRC60 （2）高耐磨性：靠析出细小均匀硬碳化物来达到 （3）高热硬性：高温下保持高硬度的能力 （4）足够的韧性：以防止

16、冲击载荷下的脆断和崩刃,一、合金刃具钢,1、用途：制造各种车刀、铣刀、锉刀、丝锥、板牙、钻头等,3、成分特点：,（1）低合金刃具钢： 高C：0.9-1.1%，加入Cr、Mn、 Si 、W、V， （2）高速钢W18Cr4V： C%：0.70-1.5%C ，合金元素含量高， W、Mo高热硬性（600）、V高耐磨性,2、性能要求：,主要取决于含碳量。,由碳素工具钢 T9 基础上+少量合金元素形成 性能： HRC60，使用温度250 300 热处理：球化退火（+ 机加工）+ （淬火 + 低温回火） 最终组织：回火M + 碳化物 + 少量A ,4、常用钢种及牌号,丝锥,板牙,低合金工具钢 9SiCr,9

17、SiCr圆板牙的生产工艺路线：,板牙,锻造球化退火机械加工淬火+低温回火磨平面开槽开口,高速钢W18Cr4V,又名：风钢；小尺寸空冷；大尺寸油淬+空冷，即可获得M,（5）回火后的组织：M回+碳化物+少量A ,（1）锻造：,（2）球化退火：,（3）分段淬火：导热性差；淬火温度高：元素充分融入A,（4）回火：常用560三次回火 析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。 尽量使A更多地转变为M，消除内应力和稳定组织。,打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。,降低硬度便于切加工,加工与热处理： 下料锻造退火机加工（淬火+回火）喷砂磨削成品,高速钢铸态组织,W18Cr4V钢的退火组织,W18Cr

18、4V钢的淬火组织,二、模具钢,用途：用于制造冲压模、锻模、挤压模、压铸模等的钢。 分为冷作模具钢和热作模具钢。,1、冷作模具钢,（2）性能要求：工作时承受很大压力、冲击和摩擦；高硬度； 高耐磨性；足够的韧性和抗疲劳性；热处理变形小,常用钢种：Cr12MoV,（3）成分：,（1）用途：用于低温状态下的冷冲模、冷镦模、冷挤压模等,高碳(1.02.0%C)，形成足够的碳化物，并溶入A； Cr：形成极硬的碳化物，提高淬透性； Mo、V：改善淬透性、提高回火稳定性、细晶作用。,冷作模具的热处理（和高速钢类似）,使用状态下的组织: M回+颗粒状碳化物+A(少量),Cr12MoV的工艺路线：下料锻造球退机加

19、工淬火+回火精磨,（4）常用钢号：,（2）性能要求：,2、热作模具钢,5CrMnMo（中小型热锻模具）；5CrNiMo（大型热锻模具） 使用状态下的组织: S回/T回,（3）成分：,中碳：0.30.6%C； Cr，Mn、Ni： 提高淬透性和强度 W，Mo，V：提高回火稳定性、产生二次硬化，提高抗热疲劳性,热硬性和耐磨性；抗氧化性；热强性和韧性；耐热疲劳性。,（1）用途：受热条件下制作热锻模、热挤压模等,热作模具的热处理,锻造后退火,消除锻造应力； 降低硬度，利于切削加工； 为随后的淬火作组织准备。,淬火及回火,预冷,油淬,回火托氏体+回火索氏体,5CrMnMo的淬火及回火工艺,降低淬火应力减少

20、变形,防止开裂,三、量具钢,块规,电子卡尺,1、用途：制造各种量具用钢 如：游标卡尺、螺旋测微器、块规、塞规等,2、性能要求 量具在使用过程不能因磨损或尺寸不稳定影响测量。 （1） 高硬度和耐磨性；（2） 高的尺寸稳定性。,3、成分特点： 高碳（0.9%1.5%）+ Cr、W、Mn,5、热处理特点 （1） 尽量降低温度淬火，减少A； （2）淬火后 +（-70-80 ）冷处理 + 低温回火 （3）长时间低温时效处理，以消除内应力。,4、牌号：CrWMn,CrWMn块规退火后的热处理工艺 P165图8-23,在大气和一般介质中具有耐蚀性能的钢。,特殊的物理、化学和力学性能的钢。,1、用途及性能：

21、化工管道、阀门、医疗手术器械、防锈刃具、装潢材料，主要为耐蚀性，兼有高硬度和高耐磨性。,3、成分特点：,（1）低碳：碳高，则降低耐蚀性。 （2）Cr：提高基体电极电位，减小电极电位差；是提高耐蚀性的主要元素,2、性能要求：耐蚀,第六节 特殊性能钢,一、不锈钢,304不锈钢,消防栓,化工管道的腐蚀,（1）铁素体不锈钢：典型钢号如1Cr17等。,3、常用不锈钢,成分：低碳高铬; 无奥氏体铁素体相变，含碳低无法热处理，不适合做受力件。 组织：单相铁素体 性能特点：耐酸蚀，做化工容器；抗氧化能力强，塑性好。,（2）马氏体不锈钢：主要是Cr13型不锈钢，钢号为1Cr13-4Cr13随含碳量提高，强度、硬

22、度提高，耐蚀性下降。,1Cr13、2Cr13的热处理：淬火+高温回火；使用状态下的组织: S回 具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等。 3Cr13、 4Cr13的热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。 具有。用于夹持器械或较高耐磨性的外科刃具。,（3）奥氏体不锈钢：低碳高铬,性能特点：具有良好的耐蚀性和冷加工性，和焊接性能。,热处理：固溶处理(加热到1100使碳化物溶解到A后水冷)，组织为单相奥氏体。 常用钢种：1Cr18Ni9，广泛用于化工设备及管道。,这类钢的组织由奥氏体和铁素体两相组成，其晶间腐蚀和应力腐蚀倾向小，强韧性和可焊

23、性较好，可用于制造化工、化肥设备及管道，海水冷却的热交换设备等。,（4）双相不锈钢：典型钢号0Cr26Ni5Mo2,第9章 铸 铁,第一节 铸铁的石墨化,第二节 铸铁的分类,第三节 灰铸铁,第四节 可锻铸铁,第五节 球墨铸铁,第六节 合金铸铁,亚共析钢,过共析钢,过共晶白口铁,亚共晶白口铁,铸铁的特点： 历史上使用较早，最便宜的金属材料之一； 接近共晶成分，熔点低，流动性好，铸造性能极好； G的孔洞效应使减震性耐磨性好；G对切削加工性好；,成分：含碳量2.11%4%的铁碳合金，组织中有莱氏体。 与钢的主要不同：含有较高的C、Si、P、S等杂质也较多。,组织：碳以石墨（G）的形式存在，强度、塑性

24、、韧性几乎为零。 组织为钢的基体(F、P、F+P)上分布着不同形态的石墨。,1、图中实线表示亚稳定的Fe-Fe3C相图,2、图中虚线表示稳定的平衡Fe-G相图,二者主要区别,第一节 铸铁的石墨化,2、铸铁中石墨化过程,（1）由渗碳体加热时分解得到,Fe3C属于亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C3Fe+C（G）,阶段 1154时通过共晶反应形成石墨 LCAE+G 阶段 738 时共析反应 AS FP+G,砂型铸造条件下铸铁壁厚 化学成分与铸铁组织关系,化学成分和冷却速度的影响,碳和硅是强烈促进石墨化的元素。,问：为何生产中有些铸件的边缘附近常常很硬，不容易加工？,冷却速度慢，有利于原子的扩

25、散，对石墨化有利。 快冷时原子来不及扩散，结晶将按 Fe-Fe3C相图进行, 不利于石墨化。,第二节 铸铁分类,（1）灰铸铁：石墨化过程充分进行，碳主要以石墨形式存在，断口呈灰暗色。,一、按碳的存在形式（石墨化程度）,（2）白口铸铁：、石墨化过程全部被抑制按Fe-Fe3C相图进行结晶，碳以Fe3C形式存在，断口呈银白色。,（3）麻口铸铁： 石墨化过程部分进行，碳以石墨和Fe3C两种形式存在，断口黑白相间构成麻点。,铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例）,按第II阶段石墨化程度不同，可以得到三种不同的组织，都称之为灰铸铁： F+G、P+G 、F+P+G,a、灰口铸铁：G呈片状 b、

26、可锻铸铁： G呈团絮状 c、球墨铸铁： G呈球状,二、按石墨形态分,b,a,c,第三节 普通灰铸铁,一 、灰铸铁的成分和组织,根据第II阶段石墨化进行的程度不同，可分为： 铁素体 灰口铸铁 铁素体 + 珠光体 灰口铸铁 珠光体 灰口铸铁,1、组织：片状石墨 + 金属基体组成,灰铸铁齿轮箱,Fe-C-Si：碳当量 CE%=C%+1/3Si%,碳当量范围：2.54.0%C，1.03.0%Si，共晶,铁素体为基体的灰口铸铁,G呈片状 暗灰色,铁素体 基体 白色,珠光体为基体的灰口铸铁,铁素体 + 珠光体为基体的灰口铸铁,铸铁与铸钢的强度比较,（4）切削性能好石墨使车屑容易脆断，不粘刀。,（1）力学性

27、能低,2、灰口铸铁的性能,（3）铸造性能好流动性好, 成分接近于共晶，收缩率小。,石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。,（2）耐磨性、消振性好石墨本身有润滑、吸收振动的作用。,3.灰口铸铁的牌号,HT100 HT150 HT200 HT300,用途：汽车、拖拉机的气缸、气缸套，机床床身及 承受压力、振动的零件等。,二、灰铸铁的孕育处理,1、孕育铸铁：浇筑前向铁液加入少量孕育剂，形成细小分布的石墨，减小石墨对组织的割裂，这种称为孕育铸铁。,2、应用：孕育铸铁用来制造力学性能要求高，截面尺寸变化较大的大型铸件，如重型机床的机身、液压件、齿轮等。,三、灰铸铁的热处理

28、,铸铁的性能主要取决于石墨的形状，热处理只对基体有影响，对提高力学性能效果不大。,1、去应力退火： 消除冷却过程中的内应力（时效）,2、石墨化退火： 消除白口组织，使局部Fe3CG，降低硬度,汽缸套,目的：消除铸件的内应力、改善切削加工性和表面磨损性能。,第三节 可 锻 铸 铁,可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火得到的一种具有团絮状G的铸铁。（不可锻造，可进行少量的塑性变形）,团絮状G减轻了对金属基体的割裂作用和应力集中,用于制造管类零件和农机具等大批量的薄壁零件。,首先： 浇注成纯白口铸铁 其次： 石墨化退火,F+团絮G,900980,Fe3CA+G,770,650,AF+G,720,P

29、F+G,P+团絮G,温度,时间,AG,一 、可锻铸铁的组织与性能,抑制II阶段,I和II阶段都进行,KTH,KTZ,名为可锻，实不可锻！,可锻铸铁的牌号、力学性能和用途P179表9-3,KTH300-06 等 KTZ450-06等,（F+团絮状G）黑心可锻铸铁；（P+团絮状G）白心可锻铸铁,可锻铸铁由于石墨呈团絮状，对基体的割裂作用比片状石墨小，所以比灰铸铁强度高，还具有一定的塑性和较高的韧性。,二、可锻铸铁的分类,铁素体为基体可锻铸铁,G呈团絮状 暗灰色,珠光体为基体可锻铸铁,G呈团絮状 暗灰色,一、球墨铸铁的成分,高的碳当量：3.63.6%C，2.22.7%Si,高碳：获得共晶成分；流动性

30、好； 高硅：球化剂是稳定碳化物的元素，避免出现白口； 低硫：避免消耗过多的球化剂； 孕育剂：降低白口倾向,第四节 球墨铸铁,铁水中加入球化剂使石墨球化，再加入少量孕育剂促进石墨化，具有良好的力学性能，铸造性能好，成本低，生产方便。,稀土镁,二、球墨铸铁的组织和性能,组织：F+G球、F+P+G球、P+G球三种,铸铁曲轴,性能：石墨呈球状，极大减轻了对基体的割裂作用，强度和塑性超过一般铸铁，接近铸钢。用于承受重载荷、受力复杂、力学性能要求较高的零件，如曲轴、连杆、轧辊、缸套、活塞、阀门等。,核燃料贮存运输容器(QT350-22),F+G球,F+P+G球,P+G球,（1）高温退火：分解渗碳体和P。

31、退火工艺：加热到900950 ，保温25h后，随 炉缓冷至600 出炉空冷。,（2）低温退火：无渗碳体时使用。 退火工艺： 加热到720760 ，保温36h后， 随炉缓冷至600 出炉空冷,四、球墨铸铁的热处理,1、退火,热处理特点：改变基体组织和性能，可以像钢那样热处理,目的：改善切削性，消除铸造应力， 使Fe3C和P分解，获得F基体+球G铸铁,高温正火工艺曲线,低温正火工艺曲线,组织：F+P+G,组织：细P+G,球墨铸铁的正火工艺曲线,2、正火 目的：得到珠光体基体，以提高球墨铸铁的强度，硬度和耐磨性,3、调质处理,目的：对要求综合力学性能较高的零件，如连杆、曲轴等。,4、等温淬火,等温淬

32、火工艺：加热温度840-900 ，保温一定时间，250-300 盐浴炉中等温30-90分钟后空冷。,组织：,目的：使形状复杂、热处理易变形、开裂的零件，具有良好的综合力学性能，如齿轮、轴承套等。,S回+球G,组织：,调质工艺：加热温度860-900 ，油或水中淬火，回火温度550-620 ，空冷。,B下+球G,下贝氏体+球状石墨,铸铁的分类与牌号表示方法,铸铁的分类与牌号表示方法,第六节 合金铸铁,白口铸铁表层灰口铸铁心部（强度好） 激冷铸铁、高磷铸铁、高铬耐磨铸铁等,向铸铁中加入合金元素而具有殊物理和化学性能的铸铁。,一 、耐磨铸铁,三、耐蚀铸铁,加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等合金元素，

33、形成保护膜，减少电位差，改善铸铁组织,二、耐热铸铁,向铸铁中加入Si、Al、Cr等合金元素，在铸件表面形成一层致密的氧化膜，从而使铸件不被继续氧化,第十章 有色金属及其合金,第一节 铝及其合金,第二节 铜及其合金,第五节 轴承合金,第四节 钛及其合金,工业上通常把铁及其合金称为黑色金属，其他非铁金属及其合金称为有色金属。,第一节 铝及其合金,一、工业纯铝,1、 密度小，仅为铜或铁的1/3；,3、 强度、硬度低，b=80100MPa、20HBS， 塑性极高，50，80， 通过冷、热加工性，可制成各种型材。,2、 具有良好的导电性、导热性。,4、较好的抗大气腐蚀性，生成三氧化二铝,工业纯铝具有银白

34、色金属光泽，熔点低(660), 具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,二、铝合金,1、比强度高（强度与密度之比）,2、加工性能良好,3、具有优良的物理、化学性能,在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素就成了铝合金。,4、具有较高的强度，可作为承受较大载荷的结构材料。,美F-117隐形战斗机(所用材料大部分是铝合金),高比强度的铝合金机翼,铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。,二、铝合金的分类,2、铸造铝合金：合金熔融后直接铸成形态复杂或薄壁件，良好的铸造流动性。Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn,1、变形铝合金：合金熔融铸锭后，可在冷态或热态下通过压力加工(轧制、

35、挤压)制成半成品和模锻件，良好的塑性变形能力。,铝合金分类示意图,K,在室温下进行的时效称自然时效；在某一温度下进行的时效称人工时效。,固溶处理：将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 时效强化：过饱和的固溶体有自发析出第二相、使强度、硬度明显提高的现象。,三、铝合金的强化,提高铝合金强度的基本途径：固溶强化+时效强化。 再配合热处理和其他措施，可进一步改善铝合金的强度和韧性。,四、铸造铝合金,Al-Si系合金 : ZAlSi12（ZL102） ZAlSi5Cu1Mg（ZL105）,Al-Cu系合金: ZAlCu5Mn（ZL201） ZAlCu4（ZL203）,

36、Al-Mg系合金 : ZAlMg10（ZL301）,Al-Zn系合金 : ZAlZn11Si7（ZL401）,性能、用途和热处理见P189表10-2,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF +序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号,五、变形铝合金,根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。 表10-1,1、防锈铝合金（LF） Al-Mn、Al-Mg系 3A21 、 5A05 单相固溶体，采用固溶强化，强度、塑性、焊接性良好。加入元素提高电位，耐腐蚀性好；主要用于制造各

37、种耐蚀性薄板、焊接件、容器（如油箱）及一些受力小的构件。,卫星天线（LF2）,汽化器(热交换管为LF21,2、 硬铝合金（LY） Al-Cu-Mg系2A11、2A12 采用淬火+自然或人工时效(析出CuAl2、 CuMgAl2)，故其强度、硬度高，比强度高， 可在150以下工作，但塑性低、韧性差；耐蚀性差。常用来制造飞机大梁、螺旋桨、蒙皮、高强度结构零件等 。,飞机翼梁(腹板为硬铝合金),的大梁,3、 超硬铝合金（LC） Al-Mg-Zn-Cu系7A04 淬火+人工时效(析出CuAl2、CuMgAl2、MgZn2、Al2Mg3Zn3 ) 增加Zn后，强度、硬度更高，比强度相当于超高强度钢，但抗

38、蚀性差，对应力腐蚀敏感。 用于工作温度不超过120-130的主要受力构件，如飞机大梁、桁架、起落架等。,4、 锻造铝合金（LD） （1）Al-Mg-Si-Cu、Al-Cu-Mg-Ni-Fe系6A02、2A50、 2A14 采用淬火+人工时效 (析出强化相分别为： Mg2Si、Al9FeNi) 具有良好的热塑性、铸造性和锻造性及较高力学性； （2）Al-Mg-Si-Cu系普通锻铝合金可用于制作离心压缩机 叶轮、导风轮等； Al-Cu-Mg-Ni-Fe系耐热锻铝 ；合金适于制作工作在150225 的叶轮、叶片等。,压气机叶片,第二节 铜及铜合金,1、纯铜又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，

39、无磁性。 2、纯铜具有优良的导电性和导热性 3、塑性好、压力加工制品。 4、化学稳定性高，能抗大气、冷热水、含硫的酸和气体的腐蚀。 5、具有明显加工硬化现象,热轧铜合金,主要用途：电工元件、导线和配制铜合金等,一、铜及铜合金性能特点,铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。分为黄铜、青铜、白铜三大类。,二、黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。,1、普通黄铜 铜+锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为： H (黄) + 表示铜平均百分含量的数字，如H68。,黄铜有 和+

40、两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。,（1）单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、H68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。 （2）两相黄铜热塑性好，强度高，常用牌号有H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。,汽车机油泵衬套,2、特殊黄铜 （1）在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。 （2）加工特殊黄铜的牌号为： H(黄)+主加元素符号(Zn除外)+铜百分含量+主加元素平均百分含量, 如HPb59-1. （3）特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,（1）普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗

41、腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。 （2）普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。 （3）常用牌号有B5、B19等 。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械，仪表零件及冷凝器，蒸馏器，热交换器等.,三、白铜 以镍为主要合金元素的铜合金称白铜，分普通白铜和特殊白铜。,白铜山水墨盒,清代白铜暖壶,白铜手炉,宋代白铜钱,特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。 其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。 常用牌号如BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。 用于制造精密机械、仪表零件及 医疗器械等。,（1）除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜

42、。 （2）常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 （3）加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号+其平均百分含量+其他元素平均百分含量 如QSn4-3（含4%Sn、3%Zn）,青铜制品,四、青铜,第四节 钛及钛合金,（1）比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好，导热差,美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造,一、工业纯钛,（2）具有发生同素异构转变： 由BCC的-Ti转变为HCP的-Ti,（3）牌号： TA1、TA2、TA3,纯钛主要用于 350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,合金元素加入-Ti形成固溶体；合金元素加入-Ti形

43、成固溶体。,按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示 。,钛合金泵,二、钛合金,主加元素为铝、硼等。 不能热处理强化，通常在退火状态下使用，组织为单相固溶体.,1、钛合金,强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越.,常用牌号有TA5、TA7等 主要用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。,-Ti合金组织,加入合金元素钼、铬、钒等。 经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。,2、钛合金,这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接，应用受到限

44、制。,钛合金牌号TB1 主要用于350以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。,加入的合金元素有铝、钒、 钼 铬等。 可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,钛合金列管式换热器,3、+型钛合金,+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为+时效析出的针状。,+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.,第五节 轴承合金,制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件，由轴承体

45、和轴瓦两部分组成。,当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。,（1）软的基体上分布着硬的质点；较好的磨合能力 （2）硬的基体上分布着软的质点；较大的承载能力,（1）足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷. （2）较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，防止轴与轴瓦之间胶合。 （3）较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。,为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是：,对轴承合金的性能要求：,一、性能要求和组织特点,1、锡基轴承合金,二、常用轴承合金 工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。,典型牌号为ZSnSb11

46、Cu6。 (基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn),ZSnSb11Cu6合金的显微组织,是以锡锑合金为主并加入少量铜等元素组成的合金。 软基体+硬质点组织,巴氏合金轴瓦,广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。,是以铅锑为主、加入锡、铜等元素的合金. 软基体+硬质点型轴承合金,2、铅基轴承合金,典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2,(+)共晶基体+方块状SnSb+针状Cu3Sn,较便宜，常用于低速、低载条件下工作的设备，如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,3、铜基轴承合金 以Pb为主加合金元素的铜基合金，硬基体+软质点型轴承合金,第十一章 高分子材料第一节高分子材料的

47、合成与生产,一、高分子材料合成 1加聚反应 2缩聚反应 二高分子材料制品的生产 （一）塑料配制：混合、捏合、塑炼。 （二）塑料的成形加工：挤出、压延、模压、压注、吹塑、浇铸、冷塑、发泡、其他。 （三）高分子材料的分类和形状：1粒、粉、片状 2纤维 3薄膜 4胶粘剂 5涂料 6泡沫,1热力学曲线与力学状态： （1）线形无定形高聚物受恒力作用时变形量与温度的关系曲线,第二节 高分子材料的性能特点一 线形无定形高聚物的三种力学性态,（2）三种力学状态 玻璃态 Tg 结构 温度较低，分子动能小，整个分子链或链段的运动被“冻结”，只有比链段更小的结构部分（链节、侧基、原子等）在其平衡位置附近作小范围的振

48、动。 力学响应 受外力作用，链段进行立即的微量伸缩和微小的键角变化。外力去除，变形消失（普弹性）。变形量小，弹性模量较高，符合虎克定律，高聚物较刚硬，能保持要求的几何尺寸。 塑料 室温处于玻璃态结构材料（使用温度 TbTg ， Tg应尽量高）,高弹态（橡胶态） TgTf 结构 温度升高到Tg以上，分子动能增大，结构内空隙增多，链段的自由旋转成为可能，分子链的柔顺性大大增加，但尚不能发生大分子链整体的运动。 力学响应 受力时可表现出很高的弹性（变形量很大），由于链段运动与时间有关，其弹性变形也表现出明显的时间依赖性。变形量很大，弹性模量显著降低，变形可回复，高聚物较柔软而极富弹性。 分子量越大，

49、链段越多，柔顺性越好，高弹态的范围越宽。当分子量小到一定程度时，高弹性消失 橡胶 室温处于高弹态棗弹性体（使用温度TgTf ，温度区间应较宽）,粘流态 结构 温度超过Tf时，分子运动大大增加，可能实现整个分子链的运动。由于分子链的多分散性，高弹态-粘流态有一个极宽的区域。分子链越长，分子链间的滑动越大，粘度越高，Tf也越高 力学响应 受力时极易发生链间的相对滑动，产生很大的不可逆的流动变形-粘性流动。变形迅速发展，弹性模量进一步降低，变形不可逆，高聚物开始产生粘性流动。高聚物成型加工通常在粘流态下进行。 流动树脂 室温处于粘流态-胶粘剂 （Tb脆化温度，Tg玻璃化温度，Tf软化温度，Td化学分

50、解温度）,第三节 常用高分子材料及其应用一、概述,主要成分 高分子化合物（分子量大，一般在103107） 天然高分子材料 松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。 人工合成高分子材料 塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。 高聚物结构特点 由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。 分类 塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂。,性能特点,低强度b100MPa 高弹性 如橡胶的弹性变形率为1001000%，金属一般为1% ； 低弹性模量 塑料和橡胶分别为金属的 1/10 和 1/1000 高耐磨性 比金属好，如汽车外轮胎。 高绝缘性 低耐热性 低导热性 是

51、金属的1/100 1/1000 高热膨胀性 约为金属的 310 倍 高耐腐蚀性 耐酸、碱等。 老化 受氧、光、热、机械力等长时间作用后，性能逐渐恶化。,第二节、工程塑料,组 成 合成树脂 高分子化合物，如聚乙烯、酚醛塑料等。 添加剂 填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。 分类 热塑性塑料 加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。加工成型简便，机械性能较好；耐热性和刚性较差。如聚乙烯。 热固性塑料 受热固化后，不会再受热软化。机械性能差；耐热性和刚性较好。如酚醛树脂、环氧树脂。,常用工程塑料,有机玻璃（PMMA) 密度仅玻璃的一半，b=4250MPa ，比普通玻璃高718倍。用于

52、透明件，装饰件，绝缘件。 聚氯乙烯（PVC） b = 3060 MPa ，使用温度-1555。硬PVC 耐油、耐蚀，用于化工管道，电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软PVC 富有弹性，用作非食品包装薄膜。 聚丙烯 PP 刚性大, 重量轻，耐热（-35121 ），绝缘性优越。用于机械零件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳等。 ABS塑料 硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮，泵叶轮, 轴承等, 电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。 聚酰胺（PA, 尼龙） 耐磨, 减摩性及韧性好。耐蚀, 无毒。用于耐磨, 耐蚀的承载转动零件（齿轮, 轴承, 螺钉和螺母等小型零件）。 酚醛树脂（

53、PF） 如热固性酚醛树脂（胶木）, 耐磨、性脆；绝缘性好（不小于10KV）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪表盒；汽车刹车片, 内燃机曲轴皮带轮, 齿轮, 耐酸泵等；日用非食物器皿。,第三节、橡胶,第四节、胶黏剂,高弹性，变形量1001000%；弹性模数低，仅1MN /m 。 天然橡胶 耐油和耐溶剂性差，易老化，不耐高温。 合成橡胶 如，丁苯橡胶、氯丁橡胶。 用途 轮胎，工业、生活及医疗用品。 特种橡胶 耐高、低温，耐酸、碱、油，辐射等的橡胶。,粘性的树脂或橡胶 + 添加剂，代替传统的焊、铆及螺纹连接。,第十二章 先进材料第一节 概述,先进材料是高科技的基础,功能材料是指具有特殊的

54、电、磁、光、热、声、力、化学性能和生物性能及其转化的功能，用以实现对信息和能量的感受、计测、显示控制和转化为主要目的的非结构性高新材料。,功能材料简介,1、电功能材料 1）导电材料 （1）膜（薄膜或厚膜）导体 布线材料 （2）导电高分子材料 （3）超导电材料 2）电阻材料 （1）精密电阻材料 （2）膜电阻材料 a）薄膜电阻材料 b）厚膜电阻材料,3.电接点材料 （1）强电接点材料 （2）弱电接点材料 （3）复合接点材料,2、磁功能材料 1）软磁材料（磁导率高） （1）铁镍合金软磁材料（亦称坡 莫合金） （2）铁钴合金软磁材料 （3）非晶及微晶软磁材料 2）硬磁材料（不易退磁 ） （1）Al-N

55、i-Co系 硬磁合金材料 （2）硬磁铁氧气 （3）稀土硬磁材料 （4）铁铬钴系硬磁合金材料,3）信息磁材料 （1）磁记录材料 （2）磁泡材料 （3）磁光材料 （4）特殊功能磁性材料 a）微波磁材料 b）磁电材料,3、热功能材料,热功能材料是指利用材料的热 力学性能及其热效应来实现某种 功能的一类材料 1）膨胀材料 2）形状记忆材料 3）测温材料 4）隔热材料,4、光功能材料,1）固体激光器材料 2）信息显示材料 （1）主动式显示用发光材料 （2）被动式显示用发光材料 3）光纤材料,1）贮氢材料 2）传感器用敏感材料 3）隐形功能材料 4）智能材料 5）功能梯度材料 6）能源材料 7）力学、声学

56、功能材料,5、其它功能材料,第二节 纳米材料,概述 纳米，是一个长度单位，单位符号是nm（10-9m)。 纳米科学技术是20世纪80年代末诞生并蓬勃发展的一种高新技术。它的内容是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子，而创造新物质。,一、纳米材料的特性,当颗粒尺寸进入纳米数量级时，其本身和由它构成的固体主要具有三个方面的效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特殊性质。,三个效应 小尺寸效应 当超微粒子的尺寸小到纳米数量级时，其声、光、电、磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。如磁有序转为磁无序、超导相转为正常相、声子谱发生改变等。, 表面与界面效应 随纳米微粒尺寸减小，比表面积

57、增大，三维纳米材料中界面占的体积分数增加。如当粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，界面体积分数为50%，而粒径为2nm时，则比表面积增加到450 m2/g，体积分数增加到80%。此时已不能把界面简单地把它看作是一种缺陷，它已成为纳米固体的基本组分之一，并对纳米材料的性能起着举足轻重的作用。 量子尺寸效应 随粒子尺寸减小，能级间距增大，从而导致磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性显著不同。,第三节 复合材料,在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。 例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。 通常高强度材料的密度也高，增大

58、强度或刚度则会降低材料的韧性。,玻璃纤维增强风机叶片,复合材料是由两种或两 种以上化学性质或组织结 构不同的材料组合而成的 材料。,复合材料船体,复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。,复合材料既保持组成材料各自 的最佳特性，又具有组合后的新特性。,（一）复合材料的性能特点,1、比强度和比刚度高 其中纤维 增强复合材料的最高。 2、良好的抗疲劳性能 碳纤维增 强材料-1可达b的7080%。因纤维对 疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 3、破损安全性好 4、优良的高温性能。 5、减震性好复合材料中的大量界 面对振动有反射吸收作用，不易共振。 6、成形工艺简单 7、耐磨性好,(二)复合材料的种类,1、按基体材料分 (1)金属基复合材料 (2)高分子基复合材料 (3)陶瓷基复合材料。 2、按增强材料分 (1) 纤维增强复合材料 (2)叠层复合材料