金属材料培训教材.ppt.ppt

1 推车昆山分部qc培训 金属材料 2 金属材料历史 黄金时代 大约在5000多年前 古埃及开罗有名的旅行家里希尔在尼罗河的沙发现了金子 后来在篝火堆发现了白银 篝火灼烧银矿石而得到银 最早的冶炼 青铜时代 在伊朗西部 发现大约公元前7000年使用的小型铜器件 如小针 小珠和小锥等等 大英博物馆里收藏有5000年前苏美尔人铸造的铜牛头和3500年前埃及人制作的铜镜和铜制工具 由于纯铜硬度低 并不太适合于制作生产工具 后来 人们就有意识地在炼制铜矿石时掺入其他矿石 以制成铜的合金来提高工具的硬度 中国商代 3500年前 就开始较大范围的使用青铜器了 铁器时代 大约在公元前2200年 西亚的赫梯人已经会冶炼和使用铁器了 公元前1290年 埃及国王致信赫梯国王要求提供一些铁 赫梯国王回信答应给他提供一把钢剑 但要求用黄金来交换 可见当时铁还是一种贵重的金属 赫梯国王还在信中炫耀说 在我们的国土上 铁和尘土一样平凡 春秋晚期起中国就有炼钢生产了 炼钢生产在中国已有2500多年的历史 铝 1825年丹麦化学家奥斯德发表实验制取铝的经过 1827年 德国化学家武勒重复了奥斯德的实验 并不断改进制取铝的方法 1854年 德国化学家德维尔利用钠代替钾还原氯化铝 制得成锭的金属铝 3 4 推车材料分类 1 一般推车所用到的材料 1 布套 布料类2 车架 钢材 表面涂塑 铝材 表面阳极 3 联接紧固件 钢材 铝材 锌合金等4 塑胶件部件 pp pa abs等5 轮胎 eva发泡 橡胶 金属材料 推车上使用的金属材料 主要为钢材 铝材和其他少量的合金 5 推车材料分类 1 金属材料 以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称 金属材料通常分为黑色金属和有色金属材料 小知识 金属的定义具有良好的导电性和导热性 有一定的强度和塑性 并具有光泽的物质 6 推车材料分类 有色金属 是指除铁 铬 锰以外的所有金属及其合金 通常分为轻金属 重金属 密度大于5 贵金属 半金属 稀有金属和稀土金属等 有色合金的强度和硬度一般比纯金属高 并且电阻大 电阻温度系数小 比如 我们使用的铝合金挤型管子 铝合金零件压铸 镁合金压铸 锌合金压铸零件 铜气嘴 铜套等 黑色金属 又称钢铁材料 包括含铁99 以上的工业纯铁 含碳2 4 的铸铁 含碳小于2 的碳钢 以及各种用途的结构钢 不锈钢 耐热钢 高温合金 精密合金等 广义的黑色金属还包括铬 锰及其合金 比如 我们使用的焊管 冷板 普通螺钉 模具材料等都属于黑色金属 包括不锈钢 7 推车材料分类 8 2 讨论题 假如 我们要做一把厨房用的菜刀 我们应该用具有什么特性的材料 9 材料性能说明 2 金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性 金属材料的性能主要分为四个方面 即 力学性能 化学性能 物理性能 工艺性能 定义 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境 温度 介质 下 承受各种外加载荷 拉伸 压缩 弯曲 扭转 冲击 交变应力等 时所表现出的力学特征 指标 强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度等 10 材料性能说明 强度 金属抵抗塑性变形或者断裂的能力 可分为抗拉强度极限 b 抗弯强度极限 bb 抗压强度极限 bc 等 由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循 所以一般情况下以抗拉强度作为金属强度高低的指标 11 材料性能说明 1 弹性极限 材料在外力作用下将产生变形 但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性变形 金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限 相应于拉伸试验曲线图中的e点 以 e表示 单位为兆帕 mpa 12 材料性能说明 2 屈服强度极限 金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时 虽然应力不再增加或者增加很小 但是试样仍发生明显的塑性变形 这种现象称为屈服 即材料承受外力到一定程度时 其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形 产生屈服时的应力称为屈服强度极限 用 s表示 相应于拉伸试验曲线图中的s点称为屈服点 对于塑性高的材料 在拉伸曲线上会出现明显的屈服点 而对于低塑性材料则没有明显的屈服点 13 材料性能说明 3 强度极限 材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力 fb 一般指拉力作用下的抗拉强度极限 以 b表示 如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限 常用单位为兆帕 mpa 由于屈服阶段以后 要想将试样继续拉长 必须不断的加力 随着拉伸变形越大 试样的变形抗力也增大 这种现象称为形变强化 也称为加工硬化 所以从s点到b点这个阶段 称为强化阶段 注 抗拉强度表示材料在拉伸载荷下的最大均匀变形的抗力 作为机械零件设计和选材的只要依据之一 14 材料性能说明 2 4 缩颈阶段 当拉力达到最大值 fb 时 试样的直径发生局部的收缩 称为 缩颈 试样变形所需的力开始变小 直到断裂 这个阶段称为缩颈阶段 但是 工程上使用的金属材料 多数没有明细的屈服现象 对于低塑性的材料 不仅没有屈服现象 而且也不产生 缩颈 比如 球墨铸铁等 15 材料性能说明 2 塑性 材料在断裂前产生永久变形的能力称为塑性 塑性指标也是通过拉伸实验测得的 常用金属材料拉伸时最大的相对塑性变形 伸长率和断面收缩率 来表示 1 伸长率 试样拉断后 标距伸长与原始标距的百分比称为伸长率 用符号 表示 l1 l0 l0 100 提示 同一个材料的试样长短不同 测得的伸长率是不同的 长短试样分别用符号 10和 5表示 2 断面收缩率 试样拉断后 缩颈处截面积的最大缩减量与原始截面积的百分比为断面收缩率 用符号 表示 s0 s1 s0 100 总结 金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大 表示材料的塑性越好 塑性好的材料可以发生大量的塑性变形而不破坏可以加工成复制的零件 16 材料性能说明 2 硬度 料在抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕和划痕的能力称为硬度 硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标 机械行业用到的刀具 模具 量具 以及设备上的零件等 都应具备足够的硬度 才能保证使用的性能和寿命 与拉伸试验相比 硬度试验简便易行 硬度值可以间接的反应金属的强度以及金属在化学成分 金相组织和热处理工艺的差异 并且和抗拉强度件具有转换关系 因此硬度试验应用十分广泛 常用的硬度指标有 1 布氏硬度hb2 洛氏硬度hr3 维氏硬度hv 17 材料性能说明 2 布氏硬度 hb 用淬硬小钢球压入金属表面 保持一定时间待变形稳定后卸载 以其压痕面积除以加在钢球上的载荷 其中hbs表示钢球 hbw表示硬质合金球 18 材料性能说明 2 3 维氏硬度 hv 用49 03 980 7n 分为6级 的载荷 将顶角为136度的金刚石四方锥体压入金属的表面 经一定时间后卸载 以其压痕表面积除载荷所得之商 适用范围 测量薄板类 19 材料性能说明 2 洛氏硬度计 洛氏硬度 hr hrb 是采用100kg载荷和直径1 58mm淬硬的钢球 求得的硬度 用于硬度较低的材料 如退火钢 铸铁等 hrc 是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度 用于硬度很高的材料 如淬火钢等 hra 是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度 用于硬度极高的材料 如硬质合金等 20 材料性能说明 韧性 抵抗冲击载荷作用而不被破快的能力称为韧性 符号 ak 通常用一次摆块冲击弯曲试验来测定金属材料的韧性 冲击试验是利用能量守恒原理 试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击前后的势能差 1 先算出冲击吸收的能量ak 大写 一般试验机上可以直接读出 ak gh1 gh2单位 焦耳2 冲击吸收功除以试样缺口处的截面积 得到冲击韧度 符号用ak 小写 ak ak s0 21 材料性能说明 疲劳强度 在循环应力的作用下 虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点 但经过较长时间的工作而突然产生裂纹或完全断裂的过程称为疲劳 抵抗疲劳的能力就时疲劳强度 疲劳破坏的共同特征 1 断裂时没有明显的宏观塑性变形 没有预兆 突然的破坏 2 引起疲劳的力很低 常常低于材料的屈服点 3 疲劳宏观断口由两部分组成 光滑部分 疲劳裂纹的策源地及扩展区 和毛糙部分 最后断裂区 工程上用的疲劳强度 是指在一定的循环基数下不发生断裂的最大应力 通常规定钢铁材料的循环基数取百万次 有色金属取千万次 实际厂大部分零件的损坏均是由疲劳造成的 材料存在气孔 微裂纹 夹杂物等缺陷 材料表面划痕 局部应力集中等因素 均可加快疲劳断裂 减小表面粗糙度值和进行表面淬火 喷丸处理 表面滚压等方法均可提高材料的疲劳强度 22 材料性能说明 物理性能 1 密度 比重 在实际应用中 除了根据密度计算金属零件的重量外 很重要的一点是考虑金属的比强度 强度 b与密度 之比 来帮助选材 以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗 密度 与声速c的乘积 和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等 2 熔点 金属由固态转变成液态时的温度 对金属材料的熔炼 热加工有直接影响 并与材料的高温性能有很大关系 3 热膨胀性 随着温度变化 材料的体积也发生变化 膨胀或收缩 的现象称为热膨胀 多用线膨胀系数衡量 亦即温度变化1 时 材料长度的增减量与其0 时的长度之比 热膨胀性与材料的比热有关 在实际应用中还要考虑比容 材料受温度等外界影响时 单位重量的材料其容积的增减 即容积与质量之比 特别是对于在高温环境下工作 或者在冷 热交替环境中工作的金属零件 必须考虑其膨胀性能的影响 4 磁性 能吸引铁磁性物体的性质即为磁性 它反映在导磁率 磁滞损耗 剩余磁感应强度 矫顽磁力等参数上 从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁 软磁与硬磁材料 5 电学性能 主要考虑其电导率 在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响 23 材料性能说明 金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能 主要有以下四个方面 1 切削加工性能 反映用切削工具 例如车削 铣削 刨削 磨削等 对金属材料进行切削加工的难易程度 2 可锻性 反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度 例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低 表现为塑性变形抗力的大小 允许热压力加工的温度范围大小 热胀冷缩特性以及与显微组织 机械性能有关的临界变形的界限 热变形时金属的流动性 导热性能等 3 可铸性 反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度 表现为熔化状态时的流动性 吸气性 氧化性 熔点 铸件显微组织的均匀性 致密性 以及冷缩率等 4 可焊性 反映金属材料在局部快速加热 使结合部位迅速熔化或半熔化 需加压 从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度 表现为熔点 熔化时的吸气性 氧化性 导热性 热胀冷缩特性 塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性 对机械性能的影响等 热处理工艺性能 反应金属材料热处理工艺的难易程度 主要表现为 淬透性 淬火变形或开裂趋势 氧化及脱碳趋势 过热及过烧敏感趋势等 24 材料性能说明 2 化学性能 金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能 1 耐腐蚀性 在常温下抵抗氧 水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏的能力 2 抗氧化性 在加热时抵抗氧化作用的能力 化学稳定性 以上两种性能的总称 25 黑色金属 钢和铁都是主要由铁和碳两种元素组成的合金 其区别只是含碳量的多少 理论上将含碳量2 11 以下的合金称为钢 以上称为生铁 冶炼流程 1 铁矿石 焦炭 熔剂 经过高炉熔炼 铁还原 去除杂质和溶碳 得到生铁水 冷却得到铁锭 成为炼钢和铸造的原材料 2 将高炉中炼出的铁水 或者铁锭与废钢进行切割后 投入钢炉中 进行融化 然后向炉内吹氧或加入脱氧剂 比如硅铁和锰铁 将铁水中多余的碳氧化掉 产生二氧化碳 对脱氧后的钢水进行成分控制后 这就是普通的碳素钢 经过连铸 就形成了钢锭 合金钢的生产还要在钢水中加入合金元素 并且要在保护气氛中进行熔炼 防止过分氧化 1 根据炼钢钢炉的不同 可以分为 1 转炉钢 2 平炉钢 3 电炉钢 按浇注前脱氧程度分 1沸腾钢 2镇静钢 3半镇静钢 按化学成分分为 1碳素钢2合金钢 26 黑色金属 碳素钢 含碳量小于2 11 而不含有特意加入合金元素的钢铁 称为碳素钢 简称碳钢 其中分为 碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢和铸造碳钢四种 碳素钢的分类方法很多 常用的方法有以下几种 一 按钢的含碳量分类 1 低碳钢 含碳量wc 0 25 2 中碳钢 含碳量wc 0 25 0 60 3 高碳钢 含碳量wc 0 60 二 按钢的品质分 1 普通钢钢中含杂质元素较多 含硫量一般 o 05 含磷量wp 0 045 2 优质钢钢中含杂质元素较少 含硫及磷量一般均 0 035 3 高级优质钢钢中含杂质元素极少 含硫及磷量一般 o 030 一般牌号后面都加上 a 或者汉字 高 以便识别 4 特级质量钢 含硫量一般 o 015 含磷量wp 0 025 三 按钢的用途分 1 结构钢 主要用于制造何种机械零件和工程结构件 其含碳量一般都小于0 7 2 工具钢 主要用于制造各种刀具 模具和量具 其含碳量一般都大于0 7 27 黑色金属 碳素钢的牌号及用途 一 碳素结构钢钢 碳素钢的一种 含碳量约0 05 0 70 个别可高达0 90 可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类 前者含杂质较多 价格低廉 用于对性能要求不高的地方 它的含碳量多数在0 30 以下 含锰量不超过0 80 强度较低 但塑性 韧性 冷变形性能好 除少数情况外 一般不作热处理 直接使用 多制成条钢 异型钢材 钢板等 用途很多 用量很大 主要用于铁道 桥梁 各类建筑工程 制造承受静载荷的各种金属构件及不重要不需要热处理的机械零件和一般焊接件 牌号一般由代表屈服点的拼音字母 q 屈服点数值 质量等级和脱氧放肆构成 比如 q235af 代表屈服点为235的a级沸腾钢 我厂使用牌号如下表 28 黑色金属 碳素钢的牌号及用途 二 优质碳素结构钢钢质纯净 杂质少 力学性能好 可经热处理后使用 根据含锰量分为普通含锰量 小于0 80 和较高含锰量 0 80 1 20 两组 含碳量在0 25 以下 多不经热处理直接使用 或经渗碳 碳氮共渗等处理 制造中小齿轮 轴类 活塞销等 含碳量在0 25 0 60 典型钢号有40 45 40mn 45mn等 多经调质处理 制造各种机械零件及紧固件等 含碳量超过0 60 如65 70 85 65mn 70mn等 多作为弹簧钢使用 我厂常使用的牌号有以下几种 29 黑色金属 碳素钢的牌号及用途 三 碳素工具钢 用于制作刃具 模具和量具的碳素钢 与合金工具钢相比 其加工性良好 价格低廉 使用范围广泛 所以它在工具生产中用量较大 由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性 故工具钢含碳量都在0 65 以上 都是优质钢和高级优质钢 牌号以汉字 碳 或者其汉语拼音字母头 t 后面标以阿拉伯数字表示 其中数字表示为钢中含碳量的千分之几 例如t8 碳8 表示含碳量0 8 的碳素工具钢 若是高级优质碳素结构钢 则在牌号后面标以字母a 或汉字 高 牌号如下 t7 t8 t8mn t9 t10 t11 t12 t13 我厂所使用的钢材和零件 以及模具上使用的钢材 都没有使用碳素工具钢 30 黑色金属 碳素钢的牌号及用途 四 铸造碳钢 一般用于制造形状复杂 力学性能要求较高的机械零件 由于形状复杂 很难用锻造和机械加工的方法制造 由于力学性能要求较高 有不能用铸铁来铸造 铸造碳钢的含碳量一般在 0 2 0 6 之间 广泛应用于制造重型机械的某些零件 如轧钢机机架 水压机横梁 锻锤砧座等 在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕 侧架 车轮和车钩等 铸造碳钢的牌号用铸钢的汉语拼音字母 zg 后面加两组数字组成 第一组表示屈服强度值 第二组表示抗拉强度值 例如 zg270 500 主要牌号如下 zg200 400 zg230 450 zg270 500 zg310 570 zg340 640 我厂现在极少使用此类材料 主要用在buzz气弹簧座和弹簧托 其他暂时没有 31 黑色金属 合金钢 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金 根据添加元素的不同 并采取适当的加工工艺 可获得高强度 高韧性 耐磨 耐腐蚀 耐低温 耐高温 无磁性等特殊性能 合金钢种类很多 通常按合金元素含量多少分为低合金钢 含量 5 中合金钢 含量5 10 高合金钢 含量 10 按质量分为优质合金钢 特质合金钢 按特性和用途又分为合金结构钢 不锈钢 耐酸钢 耐磨钢 耐热钢 合金工具钢 滚动轴承钢 合金弹簧钢和特殊性能钢 如软磁钢 永磁钢 无磁钢 等 我国的合金钢牌号采用碳含量 合金元素的种类机含量和质量级别来编号 合金结构钢 两位数字 碳含量万分之几 元素符号 主要合金元素 数字 合金的含量的百分之几 小于1 5 不标 比如 40cr 60si2mn 合金工具钢 一位数字 碳含量千分之几 大于1 不标 元素符号 主要合金元素 数字 合金的含量的百分之几 小于1 5 不标 比如 9crsi 60si2mn 其主要类型见下表 32 黑色金属 33 黑色金属 颜色 碳钢的流线多是亮白色 合金钢和铸钢是橙色和红色 高速钢的流线接近暗红色 形状 碳钢的流线为直线状 高速钢的流线程断续状或波纹状 长短 在相同压力下 含炭量越多流线越短 碳钢有节花 随含炭量增加 节花更多 高速钢一般没有节花 但含钼高速钢稍有节花 而含钨高速钢见不到节花 并流线断续状明显 低碳钢火束长 呈草黄微红色 流线中等 节点清晰 节花不多中碳钢火花颜色黄亮稍明 线流数量较多 节点清晰 挺直 节花较多 高碳钢火花颜色橙红带微暗 流线较短 挺直 节花多 比较密集 含钨高速钢火花色泽赤橙 近暗红色 流线较长又稀少并有断续状流线 火束尾花呈狐花 几乎无节花爆裂 含钼高速钢火花色泽呈安橙红色 火束较短 流线细 有少量节花爆裂 钢材的火花鉴别 34 黑色金属 推车事业部钢铁材料产品上的使用情况 35 热处理 钢材的热处理 热处理是将固态金属或合金采取适当的方式加热 保温和冷却 以获得所需要的组织结构和性能的工艺 大体可分为整体热处理 表面热处理和化学热处理三大类 原理 金属在加热和冷却时 内部会发生组织改变 金属在高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相 法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论 一些金属 在固态下随温度或压力的改变 还会发生晶体结构变化 即由一种晶格转变为另一种晶格的变化 称为同素异构转变 以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图 为现代热处理工艺初步奠定了理论基础 36 热处理 退火是将工件加热到适当温度 根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间 然后进行缓慢冷却 目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态 获得良好的工艺性能和使用性能 或者为进一步淬火作组织准备 正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却 正火的效果同退火相似 只是得到的组织更细 常用于改善材料的切削性能 也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理 淬火是将工件加热保温后 在水 油或其他无机盐 有机水溶液等淬冷介质中快速冷却 淬火后钢件变硬 但同时变脆 为了降低钢件的脆性 将淬火后的钢件在高于室温而低于650 的某一适当温度进行长时间的保温 再进行冷却 这种工艺称为回火 为了获得一定的强度和韧性 把淬火和高温回火结合起来的工艺 称为调质 某些合金淬火形成过饱和固溶体后 将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间 以提高合金的硬度 强度或电性磁性等 这样的热处理工艺称为时效处理 整体热处理 37 热处理 只加热工件表层 以改变其表层力学性能的金属热处理工艺 为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部 使用的热源须具有高的能量密度 即在单位面积的工件上给予较大的热能 使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温 表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理 常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰 感应电流 激光和电子束等 表面热处理 化学热处理 通过改变工件表层化学成分 组织和性能的金属热处理工艺 化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分 化学热处理是将工件放在含碳 氮或其他合金元素的介质 气体 液体 固体 中加热 保温较长时间 从而使工件表层渗入碳 氮 硼和铬等元素 渗入元素后 有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火 化学热处理的主要方法有渗碳 渗氮 渗金属 38 铝合金 一 铝合金定义和分类 1 铝合金是金属物质 其铝的含量超过任何其它元素并符合下述任一条 a 其他元素至少有一种元素的含量或铁加硅的含量超过下表规定的界限值 b 所有其它元素的总含量超过1 0 注 其它元素系指cr gu mg mn n1 zn 2 如果铬和锰含量都不超过0 05 铜含量允许为 0 1 0 20 2 根据用途不同和其它元素含量的的不同 分为 铸造铝合金 压铸铝合金及变形铝合金 铸造铝合金 有铝硅合金 zalsi7mg 铝铜合金 zalcu5mn 铝镁合金 zalmg6mg 铝锌合金 zalzn6mg 压铸铝合金 yzalsi12 yzalsi9cu4变形铝合金 工业纯铝 1060 防锈铝 5a02 硬铝 2a11 超硬铝 7a04 39 铝合金 3 变形铝合金 根据其元素含量的不同分为以下几种 美国的标法 40 铝合金 二 铝合金的工艺性能和热处理 1 固溶处理 合金加热到固溶温度 使可溶组分充分进入固溶体中的处理 2 脱溶 当温度降低 固溶体成为过饱和状态 在一定条件下超过平衡融入量的可溶组分就析出 这种现象称为脱溶3 自然时效 在室温下 通过过饱和固溶体中可溶组分自发的脱溶 使合金强化的处理 4 人工时效 在高于室温以上 通过过饱和固溶体中可溶组分的脱溶 使合金强化的热处理 我们公司俗称t6 5 淬火 合金加热到固溶温度 使可溶组分充分进入固溶体中 然后以足够大的速度冷却 使可溶组分来不及析出 而得到室温下的过饱和固溶体的处理 我们公司俗称t4 6