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机械制造林承全严义章主编机械工业出版社2010 7 祝大家学习进步 为学须用毕生力攀高贵在少年时愿知识之泉 经书籍之渠而奔流进你的心田 国家级 十二五 规划教材基于工作过程的项目教材 第2页 项目2工程材料及热处理 第3页 2 1合金钢和非合金钢 钢 是指以铁为主要元素 碳的质量分数Wc 2 11 并含有少量硅 锰 磷 硫等杂质元素的铁碳合金 根据国家标准GB T13304 1991规定 钢按化学成分分为非合金钢 低合金钢 合金钢三类 钢是通过冶炼获得的 其过程如下 1 铁矿石 焦炭 和溶剂等原材料经高炉冶炼得到生铁 2 生铁在高温的炼钢炉中 通过氧化作用降低生铁中的含碳量和杂质含量而炼成钢 非合金钢 是指钢中各元素含量低于规定值的铁碳合金 又称为碳钢 不仅价格低廉 工艺性能好 容易加工 而且能满足一般工程结构和机械零件的使用性能要求 是工业生产中最广泛应用的材料 第4页 2 1合金钢和非合金钢 2 1 1非合金钢中的常存杂质元素及其影响炼钢时有一些杂质元素无法除尽 如锰 硅 硫 磷等 其中硫和磷对钢的韧性影响很大 必须严格控制其含量 根据钢中硫和磷的含量不同 钢可以分为普通优质钢 优质钢 高级优质钢和特级优质钢 第5页 2 1合金钢和非合金钢1 锰的影响锰是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂 锰铁 中带入的 非合金钢中锰的质量分数一般约为0 25 0 80 27 锰的脱氧能力较好 能清除钢中的FeO 降低钢的脆性 与硫化合成MnS 可以减轻硫的有害作用 锰还能溶于铁素体形成置换固溶体 产生固溶强化 提高钢的强度和硬度 锰在钢中是一种有益元素 2 硅的影响硅是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂 硅铁 中带入的 非合金钢中硅的质量分数一般约为0 10 0 35 硅的脱氧能力比锰强 与钢液中的FeO生成炉渣 清除FeO对钢质量的不良影响 也能溶于铁素体中产生固溶强化 提高钢的强度和硬度 硅在钢中也是一种有益元素 第6页 2 1合金钢和非合金钢3 硫的影响硫是在炼铁时由矿石和燃料带进的 它不溶于铁 而是以化合物FeS的形式存在 FeS与Fe形成低熔点共晶体 熔点为985 分布在奥氏体的晶界上 当钢在1000 1250 进行热加工时 由于晶界处共晶体熔化 将导致钢变脆而开裂 这种现象称为热脆 因此 硫在钢中是一种有害元素 必须严格控制 4 磷的影响磷是炼铁时由矿石带进的 在常温下能溶入铁素体 使钢的强度 硬度提高 但使塑性和韧性降低 尤其在低温下会使钢的塑性 韧性急剧下降 导致钢严重变脆 这种现象称为冷脆 在一般钢中 磷是有害元素 应严格控制 硫和磷虽是钢中的有害元素 但适当提高它在钢中的含量 一般Ws 0 08 0 35 Wp 0 05 0 15 并适当提高钢中含锰量 0 6 1 55 使其结合成MnS 可以改善钢的切销性能 降价低工件表面粗糙度 P37 第7页 2 1合金钢和非合金钢钢的分类按化学成分分 非合金 碳素 钢 合金钢两大类 按用途分 结构钢 工具钢和特殊性能钢三类 按质量分 普通钢 优质钢和高级优质钢三类 按脱氧程度分 镇静钢 沸腾钢等 第8页 2 1合金钢和非合金钢 2 1 2非合金钢的分类 编号和用途一 非合金钢的分类非合金钢的种类很多 常按以下方法分类 1 按钢中碳的质量分数分类低碳钢 Wc0 60 第9页 2 1合金钢和非合金钢2 按钢的用途分类碳素结构钢主要用于制作机械零件 工程结构件 一般为低 中碳钢 碳素工具钢主要用于制作刀具 量具和模具 一般属于高碳钢 3 按钢的主要质量等级分类按钢中有害杂质硫 磷含量分为 普通钢 Ws 0 035 0 050 Wp 0 035 0 045 优质钢 Ws Wp均 0 035 高级优质钢 Ws 0 020 0 030 Wp 0 025 0 030 特级优质钢 Ws 0 015 Wp 0 025 此外 钢按冶炼方法不同 可分为转炉钢和电炉钢 钢按冶炼时脱氧程度的不同 可分为沸腾钢 镇静钢 半镇静钢和特殊镇静钢等 第10页 2 1合金钢和非合金钢二 非合金钢的编号 1 碳素结构钢 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 数字后标注的第一个字母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或加字母Z 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 第11页 P29 第12页 2 1合金钢和非合金钢用途钢板 钢筋 型钢等 作桥梁 建筑等构件 第13页 不大于 第14页 屈服点 断后伸长率 第15页 2 1合金钢和非合金钢2 优质碳素结构钢 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WC为0 45 08钢表示钢中平均碳的质量分数WC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 钢的强度硬度也随之增加 而塑性指标随之降低 第16页 特性 与碳素结构钢相比 夹杂物较少 质量较好 力学性能根据碳质量分数不同有较差异 应用 主要用于机械零件 一般都要经过热处理后使用 第17页 2 1合金钢和非合金钢典型优质碳素钢的应用 08F钢 碳质量分数低 塑性好 强度低 轧成薄板 主要用于冷冲压件如家电 汽车和仪表外壳 20钢 冷塑性变形和焊接性好可用于强度要求不高的零件及渗碳零件 例如机罩 焊接容器 小轴 螺母 垫圈及渗碳齿轮等 45钢 经调质后可获得良好的综合力学性能 中碳钢主要用于受力较大的机械零件 如齿轮 连杆 轴等 65钢 65Mn 钢具有较高的强度 可用于制造各种弹簧 机车轮缘 低速车轮等 第18页 2 1合金钢和非合金钢用途 较重要的零件 如齿轮 轴 连杆 弹簧等 汽车曲轴 第19页 2 1合金钢和非合金钢3 碳素工具钢牌号表示方法 用 碳 字汉语拼音字母字首 T 加上数字表示 数字表示钢平均含碳量的千分数 例如T12钢表示Wc 1 2 的碳素工具钢 如果牌号未尾处写上 A 则表示钢中含硫 磷量较少 为高级优质钢 如末尾处加上 Mn 则表示含锰量较高 第20页 第21页 2 1合金钢和非合金钢特性 碳素工具钢 非合金工具钢 的Wc 0 65 1 35 特点是生产成本低 加工性能优良 强度 硬度较高 耐磨性好 但塑韧性较差 应用 适用于各种手用工具 此类钢一般以退火状态供应市场 使用时再进行适当的热处理 第22页 碳素工具钢的化学成分和性能 淬火后HRC 62 表2 4碳素工具钢的化学成分和性能 淬火后HRC 62 第23页 应用 书上37页表2 3 第24页 用途冲头 凿子 钻头 锉刀 量规等 第25页 2 1合金钢和非合金钢4 铸造碳钢牌号表示方法 用 铸 和 钢 两字汉语拼音字母字首 ZG 后加两组数字表示 第一组数字表示屈服点的最低值 第二组数字表示抗拉强度的最低值 例如ZG200 400 表示 s 200MPa b 400MPa的铸钢 第26页 第27页 2 1合金钢和非合金钢特性 铸钢碳的质量分数一般为0 15 0 6 铸钢的铸造性能比铸铁差 但力学性能比铸铁好应用 铸钢主要用于制造形状复杂 力学性能要求高 而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件 例如汽车的变速箱壳 机车车辆的车钩和联轴器等 第28页 工程用铸造碳钢的牌号 化学成分 力学性能及应用举例 摘自GB T11352 1995 第29页 2 1 3常用合金钢 随着现代工业和科学技术的不断发展 在机械制造中 对工件的强度 硬度 韧性 塑性 耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高 碳钢已不能完全满足这些要求了 原因 1 由碳钢制成的零件尺寸不能太大 否则 因淬透性不够而不能满足对强度与塑性 韧性的要求 加入合金元素可增大淬透性 2 用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求 用合金工具钢 高速钢和硬质合金 3 碳钢不能满足特殊性能的要求 如要求耐热 耐低温 抗腐蚀 有强烈磁性或无磁性等等 只有特种的合金钢才能具有这些性能 第30页 2 1 3常用合金钢1 合金元素对钢中的基本相的影响合金钢中常用的合金元素很多 按照其与碳结合的倾向大小 可分为非碳化物形成元素 Co Ni Si Cu B等 碳化物形成元素 Ti V W Mo Cr Mn等 合金元素在钢中的存在形式有 溶解于钢中的基本相 铁素体 奥氏体和渗碳体 形成特殊碳化物 如VC TiC Cr23C6等 第31页 影响 1 强化铁素体 非碳化物形成元素和大部分的锰基本上都溶解于铁素体 或奥氏体 中而形成合金铁素体 或合金奥氏体 并产生固溶强化的作用 使合金铁素体的强度 硬度升高 塑性和韧性下降 Cr Ni Mn含量少时略有上升 其中 Si Mn Ni的强化作用较大 2 形成碳化物 碳化物形成元素 除锰外 当含量较低时 主要是溶入Fe3C中而形成合金渗碳体 合金元素的溶入大大地提高了渗碳体的稳定性 当一些强碳化物形成元素 如Cr Ti V W Mo等 的含量较高时 它们还会形成新的稳定性较高或很高的特殊碳化物 如Cr23C6 WC VC TiC等 这一类特殊碳化物的特点是高熔点 高硬度 是钢中常用的强化相 随碳化物含量增多 钢的硬度 强度提高 塑性 韧性下降 第32页 2 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 1 对奥氏体相区的影响 合金元素的影响主要表现在扩大或缩小 相区 一些合金元素如Mn Ni 等将扩大 相区使As线下降 P52 而另一些合金元素如Cr Mo V Ti Al 等则缩小 相区并导致As线上升 P53 2 对S E点的影响 扩大或缩小 相区的结果 必然使Fe Fe3C相图中的S点 E点和C点的成分和温度发生变化 几乎所有的合金元素都使铁碳相图中S点 E点左移 其中以强碳化物形成元素的作用最为显著 第33页 3 合金元素对热处理的影响合金元素对热处理相变过程的影响主要在于对奥氏体形成速度和奥氏体晶粒长大的影响 P53 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 最突出的作用是使C曲线向右移 除钴外 增加过冷奥氏体的稳定性 因而 提高了钢的淬透性 常用的元素有 Cr Mn SI NI和B 不利方面 使回火脆倾性增大 但一些元素如W Mn能减弱或防止第二类脆性 第34页 合金元素对回火转变过程的影响表现在三个方面 1 提高钢的回火稳定性这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变 提高了铁素体的再结晶温度 使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度 从而提高了钢对回火软化的抗力 即提高了钢的回火稳定性 2 产生二次硬化一些合金元素加入钢中 在回火时 钢的硬度并不是随回火温度的升高一直降低的 而是在达到某一温度后 硬度开始增加 并随着回火温度的进一步提高 硬度也进一步增大 直至达到峰值 这种现象称为回火过程的二次硬化 第35页 回火二次硬化现象与合金钢回火时析出物的性质有关 当回火温度低于约450 时 钢中析出渗碳体 在450 以上渗碳体溶解 钢中开始沉淀析出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C VC等 使钢的硬度开始升高 而在550 600 左右沉淀析出过程完成 钢的硬度达到峰值 3 不利方面 使回火脆倾性增大 但一些元素如W Mn能减弱或防止第二类脆性 第36页 2 1 4低合金高强度结构钢 低合金钢是一类可焊接的低碳低合金结构钢 1 低合金高强度结构钢的成分和性能特点成分特点 在低碳钢 Wc 0 2 的基础上加入少量的锰 硅 钛 钒 铌等合金元素而制成的钢 主要是Mn元素 含量为0 8 1 7 性能特点 强度高 韧性好 塑性 焊接性 冷成形性好 冷脆转变温度低 耐蚀性好 成本低 第37页 2 常用的低低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出10 30 代替碳素结构钢 可大大减轻机件或结构件的重量 例 南京长江大桥的桥梁采用Q345比用Q235节省钢材15 以上 广泛用于船舶 车辆 桥梁 压力容器等工程结构件及低温下工作的构件等 牌号方法与碳素结构钢基本相同 使用前不需要经过热处理 第38页 3 机械结构用合金钢合金钢是合金钢中用途最广 用量最大的一类钢 常用于制造重要的机械零件 大多数需要经过热处理后才能使用 根据热处理特点可分为 合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢等常用合金结构钢牌号表示 合金渗碳钢 1 用途及性能要求用途 汽车发动机 变速箱中的齿轮 内燃机凸轮 活塞销等机械零件 性能要求 零件表面高的硬度 高的耐磨性和耐疲劳性能 心部高的韧性和足够的强度 2 成分 性能和热处理特点成分 性能 Wc 0 12 0 25 以保证零件心部有良好的塑性和韧性 加入Cr 主要合金元素 Mn Ni B等以提高钢的淬透性 使回火后有较高强度和韧性 少量Ti V W Mo可以细化晶粒 在渗碳层获得均匀细小的耐磨碳化物 热处理 渗碳后淬火 低温回火 其处理后特点 35 第40页 3 常用合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 如20Cr 20MnV 中淬透性合金渗碳钢 如20CrMnTi 应用最广泛 高淬透性合金渗碳钢 如18Cr2Ni4WA 三类 第41页 合金调质钢 1 用途及性能要求用途 汽车 机床等机器中重要的零件 性能要求 良好的综合力学性能 2 成分 性能和热处理特点成分 性能 Wc 0 25 0 50 保证良好的综合力学性能 加入Cr Mn Si Ni B等提高淬透性 强化铁素体 细化晶粒 提高耐回火性等 热处理调质处理 获得高强度 搞韧性的综合力学性能 3 常用合金调质钢低淬透性合金调质钢 如40Cr 最常用中淬透性合金调质钢 如35CrMo 38CrMoAl 高淬透性合金调质钢 如40CrNiMo 40CrMnMo 合金弹簧钢 1 用途及性能要求用途 机械和仪表中各种弹性元件 如汽车 坦克等的减震板簧和螺旋弹簧 钟表发条等 性能要求 高的弹性极限和屈强比 较高的疲劳强度 足够的塑性和韧性 2 成分 性能和热处理特点成分 性能 Wc 0 45 0 7 保证高的弹性极限 加入Mn Si Cr提高钢的淬透性 Mo W V B减少脱碳和过热倾向 提高弹性极限耐热性和耐回火性 热处理特点 冷成形弹簧 去应力退火或淬火加中温回火 热成形弹簧 淬火 中温回火 第44页 3 常用合金弹簧钢硅锰系合金弹簧钢 如60Si2Mn广泛用于汽车 拖拉机上的饿板簧 螺旋弹簧 硅铬系合金弹簧钢铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢 如50CrVA 第45页 常用弹簧钢及具体应用举例65 65Mn 60Si2Mn 50CrVA 其中 60Si2Mn最常用 滚动轴承钢1 用途及性能要求用途 制造各种滚动轴承的元件 如滚珠 滚柱和内外套圈等 还可以制作模具和量具性能要求 很高的强度 硬度 耐磨性 很高的接触疲劳强度 一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力 2 成分 性能和热处理特点成分 性能 Wc 0 95 1 15 保证高硬度 高耐磨性 Wc 0 4 1 65 提高淬透性 增加回火稳定性 加入Cr Si Mn Mo V等合金元素 提高钢的淬透性 耐磨性和接触疲劳强度 热处理 预备热处理球化退火和最终热处理淬火与低温回火 3 常用轴承钢高碳铬轴承钢 GCr15应用最广 和无铬轴承钢 第47页 第48页 应用举例GCr15 中小型轴承 冷冲模 量具 丝锥 第49页 2 合金工具钢与合金结构钢基本相同 含碳量表示有区别 Wc 1 时 牌号前以千分数表示 Wc 1 时 牌号前不标数字 合金元素表示方法与结构钢相同 高速工具钢不标含碳量 主要用来制造刃具 模具 和量具 合金元素的主要作用是增加钢的淬透性 耐磨性及红硬性 与碳素钢相比 它适于制造形状复杂 尺寸较大 切削速度较高或工作温度较高的工具和模具 合金工具钢按用途分类 37 第50页 量具 刃具 第51页 1 量具刃具钢主要制造形状复杂 截面尺寸较大的低速切削刃具和机械制造过程中控制加工精度的测量工具卡尺 块规 样板等 成分 Wc 0 9 1 5 加入少量合金Ge Si Mn W等可以 a 提高淬透性 b 高耐磨性c 足够的强度和一定的韧性保证刃具不断裂或崩刃热处理 预备热处理球化退火 最终热处理淬火 低温回火 第52页 最常用 第53页 2 合金模具钢分类 热作模具钢 工作温度为600 以上 冷作模具钢 工作温度为200 300 以下 1 热作模具钢 Wc 0 3 0 6 用于制作高温金属成形的模具 如热锻模 热挤压模 5CrMnMo5CrNiMo 性能要求 高温下具有高硬度 强度 韧性和高耐磨性 良好的的热疲劳抗力 防止龟裂 高的淬透性和导热性 38 热处理方式 38 第54页 2 冷作模钢 性能要求高的硬度 62HRC 高的耐磨性 足够高的韧性与疲劳抗力 热处理变形小 化学成分特点高碳1 2 合金元素 Cr Mo W V 典型牌号低合金刃具钢9Mn2 CrWMn以及Cr12型钢广泛用于制造各类冷作模具 Cr12MoV可作为冷镦模 冷冲模 热处理 38 汽车冲压模具 第55页 高速钢 W18Cr4V 化学成分特点 第56页 应用举例 9SiCr淬透性好 适用于做丝锥 板牙 钻头 铰刀等 W18Cr4V用于制作高速切削工具 如车刀 铣刀 钻头等刀具 第57页 应用 各种热煅模 热挤压模和压铸模等 曲轴模具 汽车四缸压铸模 第58页 2 1 5特殊性能钢分类 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 1 不锈钢指在大气 水 酸 碱和盐溶液或其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的合金钢的总称 常用的不锈钢 按组织分 马氏体型不锈钢铁素体型不锈钢奥氏体型不锈钢 第59页 按成份分 马氏体不锈钢铬不锈钢铁素体不锈钢铬镍不锈钢 Wcr 18 20 Ni 8 12 牌号 与合金结构钢基本相同 含碳量标为0 Wc 0 08 和00 Wc 0 03 第60页 2 耐热钢 1 定义 在高温下具有抗氧化性 热化学稳定性 和高温强度 热强性 的特殊钢 热化学稳定性指钢在高温下对各类介质化学腐蚀的抗力 热强性指钢在高温下的强度性能 2 性能要求 抗氧化性 热稳定性 Cr Si Al 高温强度 热强性 Ti V Mu 蠕变强度 持久强度 第61页 钢种 热化学稳定钢 3Cr18Ni25Si 热强钢 Cr12型 Cr13型 1Cr18Ni9Ti 1cr17等 第62页 耐热钢的用途 第63页 3 耐磨钢 定义 在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢 第64页 性能要求 高耐磨性 韧性 化学成分特点 高碳Wc 1 1 3 高锰WMn 11 14 室温组织 过饱和单相奥氏体 第65页 高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件 如拖拉机的履带板 球磨机的衬板 破碎机的牙板 挖掘机的铲齿和铁路的道岔等 第66页 2 2铸铁和非铁合金 同钢一样 铸铁也是以Fe C元素为主的铁基材料 但是其还含有较多的Si Mn S P等元素 其含碳量Wc 2 11 一般Wc为2 5 4 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 减振性 减摩性好 且价格低 所以 依然得到了普遍的应用 第67页 2 2 1铸铁的石墨化 定义 铸铁组织中石墨的形成叫做 石墨化 过程 C存在形式 在铁碳合金中 碳主要以两种形式存在 即化合状态的渗碳体和游离状态的石墨 少量溶于A和F 石墨结构 晶格形式为简单六方 如图所示 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 第68页 1 铁碳合金双重相图渗碳体是亚稳定相 石墨是稳定相 通常在铁碳合金相图中析出渗碳体 但在极缓慢冷却或含有促进石墨形成的元素Si等时 就直接析出石墨相 而不再析出渗碳体 所以 铁碳合金的结晶过程 实际上存在两种相图 2 铸铁冷却和加热时的石墨化过程按Fe C系相图进行结晶 Fe Fe3C G相图Fe3C 亚稳定相G 稳定相 第69页 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 第70页 降温时石墨化过程 按Fe G相图结晶 转变G结晶 过共晶成分L L GI 液体中析出石墨 共晶转变L4 26 A2 08 G 共晶 1154 G析出 A A GII 1154 738 共析转变A0 68 F G 共析 738 第71页 3 影响铸铁石墨化的因素 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 第72页 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 第73页 2 2 2常用铸铁 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 灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁 第74页 1 灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现的铸铁 2 可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁 3 球墨铸铁碳主要以球状石墨形式出现的铸铁 4 蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁 第75页 1 灰铸铁 1 灰铸铁的组织灰铸铁组织由钢的基体和片状石墨两部分组成的 在金相显微镜下观察 灰铸铁的石墨呈片状 其基体可分为珠光体 珠光体十铁素体 铁素体三种 2 灰铸铁的性能主要指力学性能 性能主要取决于基体组织及石墨的形态 数量 大小和分布 石墨力学性能极低 因此 灰铸铁抗拉强度 塑性 韧性比钢低 第76页 3 灰铸铁的孕育处理 为了提高灰铸铁的力学性能 生产上常采用孕育处理 它是在浇注前往铁液中加入少量孕育剂 硅铁或硅钙合金 使铁液在凝固时产生大量的人工晶核 从而获得细晶粒珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨的组织 经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁 孕育铸铁具有较高的强度和硬度 各部分界面上具有断面缺口敏感性小的特点 因此孕育铸铁常用于力学性能要求较高 且断面尺寸变化大的大型铸件 如机床床身等 第77页 4 灰铸铁的牌号和应用灰铸铁牌号的表示方法 HT 表示 灰铁 拼音的字首 三位数字 表示最小抗拉强度值 例如 HT100 HT200 HT300等 抗拉强度 100 200 300MPa 第78页 常用灰铸铁的应用 HT100低载荷和不重要零件 如盖 外罩 手轮 支架 重锤等HT150承受中等应力 抗弯应力小于100MPa 的零件 如支柱 底座 齿轮箱 工作台 刀架 端盖 阀体 管路附件及一般无工作条件要求的零件HT200 HT250承受较大应力 抗弯应力小于300MPa 和较重要零件 如汽缸体 齿轮 机座 飞轮 床身 缸套 活塞 刹车轮 联轴器 齿轮箱 轴承座 液压缸等HT300 HT350承受高弯曲应力 小于500MPa 及抗拉应力的重要零件 如齿轮 凸轮 车床卡盘 剪床和压力机的机身 床身 高压油压缸 滑阀壳体等 第79页 5 灰铸铁的热处理 1 去应力退火 2 消除白口 降低硬度退火 3 表面淬火 第80页 2 球墨铸铁 铁液经球化处理和孕育处理 使石墨呈球状的铸铁称为球墨铸铁 它是在浇注前 往铁水中加入一定量球化剂 稀土镁合金等 和孕育剂 硅铁或硅钙合金 使铸铁中的石墨呈球状析出 第81页 1 球墨铸铁的组织球墨铸铁的组织是在钢的基体上分布着球状石墨 生产中常有铁素体球墨铸铁 珠光体 铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁和下贝氏体球墨铸铁 金相组织见书图2 4 第82页 2 球墨铸铁的性能 由于球墨铸铁中石墨呈球状 对金属基体的割裂作用较小 使球墨铸铁的强度与钢接近 屈强 0 2 比钢高 塑性和韧性有改善 但依然低于钢 球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高 而成本却接近于灰铸铁 并保留了灰铸铁的优良铸造性能 切削加工性 减摩性和缺口不敏感等性能 因此它可代替部分钢作较重要的零件 对实现以铁代钢 以铸代锻起重要的作用 具有较大的经济效益 第83页 3 球墨铸铁的牌号的表示方法 牌号由QT与两组数字组成 其中QT表示 球铁 二字汉语音的字首 第一组数字代表最低抗拉强度值 第二组数字代表最低伸长率 例如 QT400 18 QT500 07 QT600 03 QT700 02等 43 第84页 4 球墨铸铁的应用 可代替铸钢 锻钢制作受力复杂 性能要求高的重要零件 在机械制造中得到广泛应用 了解 QT400 18 QT400 15 QT400 10承受冲击 振动的零件 如汽车 拖拉机的轮毂 驱动桥壳 差速器壳 拨叉 农机具零件 中低压阀门 上 下水及输气管道 压缩机上高低压气缸 电机机壳 齿轮箱 飞轮壳等QT500 07机器座架 传动轴 飞轮 电动机架 内燃机的机油泵齿轮 铁路机车车辆轴瓦等QT600 03 QT700 02 QT800 02载荷大 受力复杂的零件 如汽车 拖拉机的曲轴 连杆 凸轮轴 汽缸套 部分磨床 铣床 轧钢机轧辊 大齿轮 小型水轮机主轴 气缸体 桥式起重机大小滚轮等QT900 02高强度齿轮 如汽车后桥螺旋锥齿轮 大减速器齿轮 内燃机曲轴 凸轮轴等 第85页 5 热处理退火正火调质处理等温淬火 第86页 3 可锻铸铁 可锻铸铁又俗称为马铁 是将白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁 1 可锻铸铁的组织组织是钢的基体上分布着团絮状的石墨 有铁素体可锻铸铁 黑心可锻铸铁 和珠光体可锻铸铁两种 2 可锻铸铁的性能可锻铸铁强度 韧性比灰铸铁高很多 第87页 3 可锻铸铁牌号的表示方法 其牌号由 KTH 或 KTZ 与两组数字表示 其中 KT 表示 可锻 二字的汉语拼音字首 H 和 Z 分别表示 黑 和 珠 的汉语拼音的字首 牌号后边第一组数字表示最小抗拉强度值 第二组数字表示最小伸长率 例如 KTH300 06 KTH330 08 KTZ550 04 KTZ650 02等 44 4 可锻铸铁的应用主要用于制作形状复杂 要求强度和韧性较高的薄壁铸件 第88页 4 蠕墨铸铁组织 蠕墨铸铁基体组织有F F P P三种 性能 蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间 但与球墨铸铁相比 具有较好铸造型 良好导热性 较低热膨胀系数 牌号的表示方法例如 RuT260 RuT300 RuT340 RuT380等5 合金铸铁 了解 蠕墨铸铁因其石墨很象蠕虫而命名 蠕墨铸铁的牌号由RuT与一组数字表示 其中RuT表示 蠕铁 二字汉语拼音的字首 后面三位数字表示其最小抗拉强度值 第89页 6 非铁合金与粉末合金 概念 工程上通常将钢铁材料以外的金属或合金 统称为非铁金属或非铁合金 物理 化学和力学性能优良 工业中应用广泛 第90页 2 2 3铝及铝合金 1 工业纯铝物理特性 银白色 密度 2 7g cm3 熔点660oC 面心立方晶格 无同素异晶转变 铝的性能特点 密度小 导电及导热性能好 抗大气腐蚀性好 塑性高 强度低 无磁性 无打击火花 加工工艺性好等 熔点低 可铸造各种形状的零件 表面在大气中与O2生成Al2O3薄膜 耐蚀性良好 第91页 纯铝按其纯度分为高纯铝 工业高纯铝和工业纯铝纯铝牌号 由1 表示 其中最后两位数字表示纯铝的纯度为99 如1097表示铝含量为99 97 2 2 3铝及铝合金 第92页 2 铝合金的分类及热处理特点 1 铝合金的分类按成分和工艺特点不同分类 变形铝合金和铸造铝合金 D F 铸造铝合金 变形铝合金 Al WMe 温度 L L 2 2 3铝及铝合金 第93页 铝合金的分类 变形铝合金 铸造铝合金 不能热处理强化的铝合金 防锈铝合金 能热处理强化的铝合金 硬铝 超硬铝 锻铝合金 第94页 1 变形铝合金根据主要性能特点和用途 变形铝合金又可分为防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金和锻铝合金等 其中后三类是可以热处理强化的铝合金 2 2 3铝及铝合金 第95页 常用变形铝合金的代号 成分 力学性能 了解 2 2 3铝及铝合金 第96页 防锈铝合金 LF 防锈铝合金成分 主要是AL Mn系和Al Mg系合金 合金元素锰和镁的主要作用是产生固溶强化 并使合金保持较高的耐蚀性 但这类合金对时效强化效果较弱 一般只能用冷变形来提高强度 防锈铝的工艺特点是塑性及焊接性能好 常用拉延法制造各种高耐蚀性的薄板容器 如油箱等 防锈蒙皮以及受力小 质轻 耐蚀的制品与结构件 如管道 窗框 灯具等 防锈铝的典型牌号有3A21 5A05 LF21等 2 2 3铝及铝合金 第97页 硬铝合金 LY 硬铝合金成分 是Al Cu Mg系合金 是一种应用较广的可热处理强化的铝合金 硬铝合金热处理及性能 热处理工艺 固溶处理 这类合金通过淬火时效 可显著提高强度 强度可达420MPa 其强度与高强度钢 一般指强度为1000 1200MPa的钢 相近 故名硬铝 硬铝的耐蚀性远比纯铝差 更不耐海水腐蚀 尤其是硬铝中的铜会导致其抗蚀性剧烈下降 对硬铝板材可以采用表面包一层纯铝或覆铝 以增加其耐蚀性 但在热处理后强度稍低 第98页 Al Cu Mg通过时效强化提铝合金强度 但耐蚀性不高 牌号 2A01 2A11 应用 航空工业 第99页 超硬铝合金 LC 超硬铝属于Al Cu Mg Zn系合金 并有少量的铬和锰 在铝合金中 超硬铝时效强化效果最好 强度最高 可达到600MPa 其比强度已相当于超高强度钢 一般指强度大于1400MPa的钢 故名超硬铝 典型牌号 2A05 0A07 应用 制造外形复杂的锻件和模锻件 飞机主起落架为超硬铝 第100页 锻铝 LD 锻铝合金成分 Al Cu Mg Si系 因锻铝的自然时效速率较慢 强化效果较低 故一般均采用固溶处理 淬火 和人工时效来强化 锻铝合金性能 具有良好的热塑性和锻造性能 力学性能与硬铝相近 但热塑性及耐蚀性较高 更适于锻造 故名锻铝 由于其热塑性好 所以锻铝主要用作航空及仪表工业中各种形状复杂 要求比强度较高的锻件或模锻件 如各种叶轮 框架 支杆等 第101页 压气机叶片 第102页 2 铸造铝合金铸造铝合金力学性能不如变形铝合金 但其铸造性能好 可进行各种成型铸造 生产形状复杂的零件 根据主加合金元素的不同 铸造铝合金的种类很多 主要有铝 硅系 铝 铜系 铝 镁系及铝 锌系四种 其中以铝硅系应用最广泛 铸造铝合金牌号由 ZAl 后跟合金元素符号及合金元素含量百分数组成 若牌号后面加 A 表示优质 第103页 2 2 3铝及铝合金 铸造铝合金的代号用 铸 铝 两字的汉语拼音的字首 ZL 及三位数字表示 第一位数字表示合金类别 1为铝 硅系 2为铝 铜系 3为铝 镁系 4为铝 锌系 第二位 第三位数字为合金顺序号 序号不同者 化学成分也不同 例如 ZL102表示2号铝 硅系铸造铝合金 若优质合金在代号后面加 A 常用的铸造铝合金的代号 牌号 成分 力学性能及用途可查表和手册 第104页 最常用的铸造铝合金 铝硅铸造合金又称硅铝明 是四种铸造铝合金中铸造性能最好的 具有中等强度和良好的耐蚀性 因而应用最广泛 共晶成分 wSi 11 7 及其附近的硅铝合金 如ZAlSi12 具有优良的铸造性能 故常用的铝 硅合金 如ZL102等 的硅含量为wSi 10 13 铸造缓冷后的组织主要为共晶体 固溶体 Si晶体 其中硅晶体呈粗大针状 是硬脆相 会严重降低合金的力学性能 第105页 常用铸造铝合金的代号 性能和用途 了解 第106页 1 铸造铝 硅合金 ZL101 ZL111 活塞 裙部为铝硅合金 ZL102合金铸造组织 化染 55 第107页 2 铸造铝 铜合金 ZL201 ZL203 有较高的强度 塑性及耐热性 但铸造性能和耐蚀性较差 铝铜合金铸造组织 化染 210 汽缸头 第108页 3 铸造铝 镁合金 ZL301 ZL302 有较高的强度 韧性及耐蚀性 但铸造性能和耐热性较差 铝镁合金铸造组织 化染 150 鼓风机用密封件 ZL102 及抗空架件 ZL301 第109页 4 铸造铝 锌合金 ZL401 ZL402 具有良好的铸造性 经变质处理和时效处理后 强度高 但耐蚀性差 大型空压机活塞 ZL401 第110页 2 2 3铜及铜合金 1 Cu及Cu合金的特点熔点1083 密度8 9g cm3 紫红色含铜量高于99 5 导电导热性仅次于Ag 耐大气 水腐蚀 切削性好 塑性好 可冷 热成形 铸Cu合金的铸造性能好 第111页 2 纯铜的分类 工业纯铜T1 T4序号越大 纯度越低 根据杂质的含量 无氧铜TU2 补充 纯铜管 第112页 补充 纯铜除工业纯铜外 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 第113页 3 铜合金 1 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 第114页 普通黄铜 commonbrass 第115页 1 黄铜的牌号 Z H90 第116页 2 常用的黄铜 金奖黄铜 H90 弹壳黄铜 H70 H68 日用黄铜 H62 H59 黄铜含锌量一般 32 冷凝器管 第117页 3 特殊黄铜 specialbrass 定义 在黄铜中加入Al Fe Si Cr Ni Sn Mn等元素所形成的合金 牌号 HAl59 3 第118页 常用的特殊黄铜 海军黄铜 HSn62 1 易切削黄铜 HPb59 1 可用于制造各种结构零件 如销 螺钉 螺母 衬套 热圈等 比普通黄铜具有更高的强度 硬度 抗腐蚀性能 第119页 4 青铜 bronze 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包括在青铜之类 叫无锡青铜 因此 青铜可以分为 普通青铜 锡青铜 tinbronze 特殊青铜 无锡青铜 tin freebronze 第120页 按生产方法锡青铜分为压力加工锡青铜Sn青铜 如QSn4 3 含4 Sn 3 Zn 其余为Cu做轴承 弹簧等 Al青铜 如QAl10 3 1 5 做耐蚀 抗磨的齿轮 轴套等 Be青铜 如QBe2 做弹簧 高速轴承等 铸造锡青铜 如Sn青铜ZCuSn10Zn2 主要用于制造阀 泵壳 齿轮 蜗轮等零件 第121页 无锡青铜指不含锡的青铜 常用的有铝青铜 铍青铜 铅青铜 锰青铜 硅青铜等 其中最常用的为铝青铜 其强度高 耐磨性性好 具有冲击时不产生火花的特点 铸造时 由于其铸造性好 可获得致密的铸件 铝青铜典型牌号ZCuAl9Mn2 常用于制造齿轮 摩擦片 蜗轮等要求高强度 高耐磨性的零件 第122页 白铜 了解 白铜成分 是以Ni为主要合金元素的合金 Ni和Cu在固态下能完全互溶 所以各类铜镍合金均为 单相固溶体 具有很好的冷热加工性能 不能进行热处理强化 只能用固溶强化和加工硬化来提高强度 白铜性能 具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性 精密仪器仪表 化工机械及医疗器械中的关键材料 第123页 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 一 轴承合金定义 用于制造轴瓦和轴衬的合金称为轴承合金 性能要求 在工作温度下 应具有足够的抗压强度 疲劳强度和高的耐磨性 具有足够的塑性与韧性 具有良好的磨合性及较小的摩擦系数 具有良好的导热性和抗蚀性 较小的膨胀系数 具有良好的抗咬合性有良好的工艺性 原料来源广且价格低廉 第124页 各类型轴瓦 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第125页 组织要求 为满足上述性能要求 轴承合金的组织应该是在软基体上均匀分布硬相质点组织的材料 48 或硬基体上分布软基体 第126页 硬基体上分布软质点组织特征图 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第127页 最常用的合金是锡基或铅基 巴氏合金 其牌号为 ZCH 轴承的汉语拼音 后附以基本元素和主加元素的化学符号 并标明主加元素和辅加元素的含量 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第128页 轴承合金应用 内燃机轴瓦 巴氏合金轴瓦 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第129页 二 粉末冶金材料 1 粉末冶金粉末冶金法与金属熔炼法都是生产工程材料的基本方法之一 但两种方法有根本的不同 粉末冶金法不用熔炼和浇注 而只需配料 混合 压制 烧结等过程 是一种特殊的冶金工艺 同时 使用粉末冶金法可使压制品达到或极接近零件的形状 尺寸和表面粗糙度 从而实现无切削或少切削加工 使生产率和材料利用率显著提高 故粉末冶金法是经济的加工方法 粉末治金的生产工艺过程为 粉末制取 粉末混合 成型 烧结 后处理 成品 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第130页 2 硬质合金硬质合金是以碳化钨 WC 或碳化钨与碳化钛 TiC 等高熔点 高硬度的碳化物为基体 并加入钴或镍作为粘结剂的一种粉末冶金材料 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第131页 硬质合金的性能特点 1 硬度高 红硬性好 耐磨性好 在常温下 硬质合金的硬度可达86 93HRA 相当于69 81HRC 红硬性可达900 1000 作为切削刀具使用时 其切削速度 耐磨性与寿命都比高速钢刀具有显著提高 2 抗压强度高 硬质合金的抗压强度可达6000MPa 但抗弯强度较低 只有高速钢的1 3 1 2左右 硬质合金的弹性模量很高 约为高速钢的2 3倍 3 良好的耐蚀性和抗氧化性 硬质合金具有良好的抗大气 酸 碱腐蚀能力和抗氧化性 4 韧性很差 硬质合金的韧性小 约为淬火钢的30 50 这是硬质合金的一个缺点 2 2 4轴承合金 粉末冶金与硬质合金 第132页 2 2 5非金属材料 自学 本项目内容繁杂 不易记忆 所以在学习中要善于总结 将类别 组织 性能 应用作为一条线来学习 最好自己动手 将本章内容列表总结学习 并且在学习中 注意回顾钢铁材料的组织和性能 分析两者的异同 第133页 钢的热处理钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热 保温和冷却 以获得所需组织结构与性能的一种工艺 热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织以改善性能 而不改变其形状和尺寸 钢的热处理方法 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 2 3钢的热处理工艺 第134页 第135页 第136页 2 3 1钢在加热时的组织转变利用相Fe Fe3C相图为基础研究钢在加热和冷却时的相变规律 在 e F 3C相图中 A1 A3和Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的相变温度 是平衡临界点 在实际生产中 加热和冷却不可能极缓慢 因此不可能在平衡临界点进行组织转变 加热转变在平衡临界点以上进行 冷却转变在平衡临界点以下进行 由图所示 实际加热时各临界点的位置分别为图中的Ac1 Ac3 Accm线 而实际冷却时各临界点的位置分别为Ar1 Ar2和Arcm 2 3钢的热处理工艺 第137页 第138页 钢加热过程中相的变化 加热到Ac1点以上 PA加热到Ac3和Acm点以上 P全部转换成A 热处理加热的主要目的 获得A 这种热转变过程也可以称为A化 第139页 奥氏体晶粒大小对随后冷却时的转变及转变产物的性能有重要影响 珠光体刚转变为奥氏体时 大量的晶核造就了细小的晶粒 但随温度的升高和保温时间的延长 奥氏体晶粒会自发的长大 奥氏体晶粒越粗大 冷却时转变产物的组织也愈粗大 冷却后钢的力学性能就愈差 特别表现为冲击韧度明显降低 2 3钢的热处理工艺 第140页 淬火时希望得到细小的奥氏体晶粒 热处理生产中需要严格控制奥氏体的晶粒度 同时 奥氏体晶粒的大小是评定加热使两的指标之一 控制奥氏体晶粒大小方法 加热温度的控制 保温时间的控制 加热速度的控制 加热温度相同的情况下 加热速度越快 保温时间越短 得到的奥氏体晶粒越小 所以生产中利用快速加热 短时保温来获得细小的奥氏体晶粒 2 3钢的热处理工艺 第141页 2 1 1钢在冷却时的组织转变 冷却是热处理的关键工序 其冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能 第142页 1 过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变的动力学曲线 过冷奥氏体转变产物与时间的关系 由于曲线形状象字母C 其也可以称为C曲线 过冷奥氏体在不同温度下的等温转变 将使钢的组织与性能发生明显的变化 通过曲线反映 共析碳钢过冷奥氏体在Ar1线以下不同的温度会发生3种不同的转变 即珠光体转变 贝氏体转变和马氏体转变 2 3钢的热处理工艺 第143页 马氏体在金相观察中 二维 通常表现为针状 中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织 高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一 2 3钢的热处理工艺 第144页 贝氏体 贝氏体转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间 在贝氏体转变温度偏高区域转变产物叫上贝氏体 upbai nite 其外观形貌似羽毛状 也称羽毛状贝氏体 冲击韧性较差 生产上应力求避免 在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫下贝氏体 其冲击韧性较好 为提高韧性 生产上应通过热处理控制获得下贝氏体 2 3钢的热处理工艺 第145页 第146页 二 共析碳钢TTT曲线的分析 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A向产物转变开始线 A向产物转变终止线 A 产物区 产物区 A1 550 高温转变区 扩散型转变 P转变区 550 230 中温转变区 半扩散型转变 贝氏体 B 转变区 230 50 低温转变区 非扩散型转变 马氏体 M 转变区 第147页 2 过冷奥氏体的连续冷却转变实际热处理生产中 过冷A的转变大多是在连续冷却过程中进行的 如钢退火时的炉冷 正火时的空冷 淬火时的水冷 第148页 2 过冷奥氏体的连续冷却转变由图可以看出 共析碳钢的连续冷却转变过程中 只有珠光体和马氏体的转变 没有贝氏体的转变 珠光体转变区包括Ps Pf和K线 Ps Pf表示A P的转变开始线和终止线 K为A P终止线 表示冷却曲线碰到K线时 过冷奥氏体立即停止向珠光体的转变 剩余一部分一直冷却到Ms线以下发生马氏体转变 马氏临界冷却速度 过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度 称为马氏体临界冷却速度 用vk表示 钢在淬火时的冷却速度应大于vk 第149页 2 3 2钢的退火和正火 第150页 预备热处理 退火 正火 最终热处理 淬火 回火 一般零件生产的工艺路线 2 3 2钢的退火和正火 第151页 退火目的 降低或调整硬度 利于切削加工 消除或降低残余应力 以防变形 开裂 细化晶粒 改善组织 提高力学性能 并为最终的热处理做好组织准备 2 3 2钢的退火和正火 第152页 退火种类 完全退火把钢加热到完全奥氏体化 保温后随之缓慢冷却的退火工艺 适用于含碳量小于0 8 的碳素工具钢 45号钢完全退火时的加热温度为840 860 2 3 2钢的退火和正火 第153页 球化退火适用于含碳量 0 8 的碳素工具钢 加热温度760 780 合