第3章 机械工程材料.ppt

机械工程材料 案例导入 汽车是一种生活中常用的机械产品 用多种材料生产制造出来 以下通过汽车中典型的零件来简单认识一下工程中常用的材料 某汽车主要零件应用材料 案例导入 问题 1 常用工程材料有哪些 2 如何根据零件工作要求选用材料 某汽车主要零件应用材料 机械工程材料 学习目标 熟悉常用金属材料和非金属材料种类 性能 用途与选用 学习重点 难点 机械工程材料 金属材料综合性能好 用量最大 应用范围最广高分子材料质轻 耐腐蚀 常用于化工 机械 航空航天等陶瓷材料复合材料轻 高的比强度 比刚度 结合两种材料的性能优点 用于航空航天等领域 1 按化学组成 2 按用途分 结构材料 利用材料的力学 物理 化学性质 广泛应用于机械制造 工程建设 交通运输等工业部门 功能材料 利用材料的热 光 电 磁等性能 用于电子 激光 通讯 能源和生物工程等高新技术领域 高电强 高硬度 耐腐蚀 绝缘 用于电器 化工 航空航天等 机械工程材料是指机械中常用的材料 机械工程材料 金属材料是目前应用最广泛的材料 常用的金属材料有碳素结构钢 合金钢 铸铁 非铁金属及合金 金属粉末冶金材料 常用金属材料应用案例 3 1金属材料的力学性能 材料使用性能 材料工艺性能 力学性能 强度 塑性韧性等 物理性能 光 热 电 磁等 化学性能 氧化 腐蚀等 加工性能 切削 锻造等 铸造性能 适合铸造与否 焊接性能 容易焊接与否 热处理性能 可热处理强化 3 1金属材料的力学性能 3 1 1金属材料力学性能 比例极限弹性极限屈服点抗拉强度 一 强度和塑性 1 强度 材料抵抗变形和断裂的能力 3 1金属材料的力学性能 2 塑性塑性是指金属材料在给定载荷外力的作用下 产生永久变形而不被破坏的能力 伸长率 试件拉断后 工作段的残余伸长量 l l0 l1与标距长度l0的比值 代表试件拉断后塑性变形程度 称为材料的伸长率 用 表示 即收缩率 试件断口处横截面面积的相对变化率称为截面收缩率 用 表示 即 10 属塑性材料 3 1金属材料的力学性能 二 硬度硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 表征材料软硬程度的力学性能 划痕法硬度值 莫氏硬度 弹性回跳法硬度值 肖氏硬度 压入法硬度值 工业中应用广泛 布氏硬度 HBS 淬火钢球洛氏硬度 HRC 锥角为120 的金刚石圆锥体 维氏硬度 HV 锥面角为136 的金刚石四棱锥体为压头 硬度测试原理 硬度计 3 1金属材料的力学性能 硬度是由硬度计测试出来的 常用的硬度标准有三套 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围 布氏硬度测试原理 洛氏硬度测试原理 维氏硬度测试原理 3 1金属材料的力学性能 1 布氏硬度HB 适用范围 450HBS 650HBW 3 1金属材料的力学性能 2 洛氏硬度HR 操作简便 压痕小 测量范围大 应用最广泛 3 1金属材料的力学性能 3 维氏硬度HV 测量薄板类 HV HBS 适用范围 3 1金属材料的力学性能 硬度是由硬度计测试出来的 常用的硬度标准有三套 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围 3 1金属材料的力学性能 三 韧性 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 3 1金属材料的力学性能 三 韧性 冲击韧性 材料抵抗冲击载荷的能力 是材料强度和塑性的综合表现 指标 冲击吸收功Ak冲击韧度ak ak Ak Fk 应用 评价材料韧性的好坏 与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计 试样断口截面积 3 1金属材料的力学性能 3 1 2金属材料工艺性能1 焊接性能金属的焊接性能又叫可焊性 一般是指两块相同的金属材料或两块不同的金属材料 在局部加热到熔融状态下 能够牢固地焊合在一起的性能 焊接性能好的金属 在焊缝部位不易产生裂纹 气孔 夹渣等缺陷 同时焊接接头具有一定的机械性能 常用焊接形式 3 1金属材料的力学性能 3 1 2金属材料工艺性能2 切削性能切削加工性能是指金属材料在用切削刀具进行加工时 所表现出来的难易程度 它主要用切削速度 加工表面光洁度和刀具耐用度来衡量 通常灰铸铁有良好的切削加工性 钢的硬度在HBWl60 200范围内时 具有良好的切削加工性 常用切削加工方式 3 1金属材料的力学性能 3 1 2金属材料工艺性能3 压力加工性能压力加工性能就是指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 常用压力成型工艺 3 1金属材料的力学性能 3 1 2金属材料工艺性能4 铸造性能铸造性能就是指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 典型铸造件 3 2影响金属材料性能的因素 晶体物体内部的原子 或分子 在三维空间中 按一定规律作有规则排列的固体 所有的金属都是晶体 性质 有固定的熔点 各向异性等 1 金属的晶体结构 3 2影响金属材料性能的因素 晶体物体内部的原子 或分子 在三维空间中 按一定规律作有规则排列的固体 所有的金属都是晶体 性质 有固定的熔点 各向异性等 1 金属的晶体结构 3 2影响金属材料性能的因素 晶格与晶胞 晶格 用以描述晶体中原子排列规律的点阵格架 晶胞 反映晶格组成的最小几何单元 分析晶体结构常从晶胞入手 3 2影响金属材料性能的因素 三种常见的晶体结构 a 体心立方晶格 晶胞中含 如 铬 Cr 钼 Mo 钨 W 钒 V 9120C以下的铁 Fe 等 原子数n 2个 原子半径 致密度 V原子 V晶胞 K 68 3 2影响金属材料性能的因素 b 面心立方晶格 晶胞中含 如 铝 Al 铜 Cu 镍 Ni 金 Au 1394 9120C的铁 Fe 等 原子数n 4个 原子半径 致密度 V原子 V晶胞 K 74 3 2影响金属材料性能的因素 c 密排六方晶格 晶胞中含 如 镁 Mg 锌 Zn 铍 Be 钛 Ti 等 原子数n 6个 原子半径R a 2 致密度 V原子 V晶胞 K 74 晶体结构与性能 晶格中原子排列方式的不同 将引起性能的变化 实验表明 同为立方晶格时 由于面心晶格的滑移方向多于体心晶格 所以面心立方晶格的金属 Cu A1 塑性最好 具有立方晶格的金属 Cu Al 其塑性优于密排六方晶格的金属 Zn Mg 3 2影响金属材料性能的因素 晶体缺陷 有点缺陷 线缺陷和面缺陷 晶体中原子排列不完整的区域称为晶体缺陷 点缺陷 3 2影响金属材料性能的因素 线缺陷 例如位错 刃型位错 3 2影响金属材料性能的因素 面缺陷 例如晶界 亚晶界 A B C D 实际金属由于生产工艺等多种原因 总是存在缺陷 3 2影响金属材料性能的因素 晶体缺陷对变形抗力的影响 缺陷密度高时 晶格畸变严重 滑移变形时位错移动困难 晶体的变形抗力大 强度高 点缺陷 线缺陷 面缺陷 晶格发生畸变 3 2影响金属材料性能的因素 2 合金的相结构 合金 由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质 纯金属的强度 硬度较低 工程中常用合金来制作力学性能要求高的机械零件和工模具等 合金有固溶体和金属化合物两种相结构 相 合金中 具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分 如 Cu Zn 黄铜 Fe C 碳钢 3 2影响金属材料性能的因素 溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的相结构 a 固溶体 固溶体可分为 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体的力学性能 原子的溶入导致晶格畸变 滑移变形困难 材料的抗力增加 强度与硬度提高 固溶强化 3 2影响金属材料性能的因素 b 金属化合物 渗碳体 Fe3C 晶格 组元相互作用所形成的具有金属特性的化合物结构 如 铁与碳形成的化合物渗碳体 Fe3C 特点 结构复杂 熔点高 硬而脆 对性能的影响 提高合金的硬度 耐磨性 降低塑性和韧性 金属化合物一般不用作合金的基体 通常作为材料强化的第二相 3 2影响金属材料性能的因素 合金中各类结构的组合情况称为合金的组织 包括各组成物的数量 大小 形态 分布及相互间结合状态等 3 合金的组织 a 结晶晶粒 金属结晶时 由同一晶核长大而成的小晶体称为晶粒 结晶 合金中原子作有规则排列的过程 3 2影响金属材料性能的因素 晶粒大小对性能的影响 晶粒愈细 强度愈高晶界多 晶格畸变大 塑性变形抗力也大 晶粒愈细 塑韧性愈好细晶粒的金属 变形均匀 不易开裂破坏 细晶强化 通过细化晶粒而使材料强度提高的方法 3 2影响金属材料性能的因素 合金的二种组织单一固溶体机械混合物固溶体A 基体 固溶体B固溶体 基体 化合物 b 机械混合物 合金中由两相或两相以上组成的多相组织 称为机械混合物 第二相 第二相 机械混合物组织的性能特点 性能决定于组成相的性能 其中与第二相在基体上的分布特征有密切的关系 脆性第二相以连续网状分布在晶界上受力变形时在第二相处将产生严重的应力集中和过早断裂 随着第二相数量的增加 合金的强度和塑性都下降 3 2影响金属材料性能的因素 另外 弥散分布不影响基体相的连续性 对合金的塑性 韧性影响较小 第二相以细粒状弥散分布在基体晶粒内部一方面相界面增多使周围晶格发生畸变 造成滑移抗力增加 更重要的是第二相质点本身成为位错移动的障碍物 3 2影响金属材料性能的因素 必须指出 第二相的分布状况是可以改变的 通过恰当的热处理和热变形加工可以改善第二相的分布状况 从而达到改善性能的目的 例如 对于钢铁 通过适当的锻造和热处理消除网状渗碳体 通过调质热处理方式可以使渗碳体以弥散质点的方式分布 从而获得高强度和高韧性 第二相呈层片状分布在基体相内部随着层片间距的减小 合金的强度增加而塑性有所下降 层片状的第二相对塑性的不利影响比质点状的第二相要大些 3 2影响金属材料性能的因素 铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金 是钢和铸铁的统称 由于钢铁材料具有优良的力学性能和工艺性能 在机械工程中成为应用最广泛的金属材料 3 3铁碳合金 一 铁碳合金的基本组织及其性能1 铁素体铁素体是碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号F表示 铁素体溶解碳的能力很小 727 时 达到最大溶碳量0 0218 其强度 硬度低 塑性 韧性好 2 奥氏体奥氏体是碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号A表示 奥氏体是存在于727 以上的高温相 性能与其溶碳量及晶粒大小有关 奥氏体的硬度不高 而塑性 韧性较好 因塑性好便于成形加工 所以生产中钢材大多数要加热至高温奥氏体状态才进行锻压加工 3 3铁碳合金 3 渗碳体渗碳体是铁与碳的金属化合物 用符号Fe2C表示 渗碳体的Wc 6 69 具有复杂的晶格结构 渗碳体硬度很高 脆性很大 塑性和韧性几乎等于零 不能单独使用 4 珠光体铁素体和渗碳体的机械混合物称为珠光体 用符号P表示 珠光体的Wc 0 77 其力学性能介于铁素体和渗碳体之间 强度 硬度较高 具有一定的塑性和韧性 是一种综合力学性能较好的组织 3 3铁碳合金 5 莱氏体莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 用符号Ld表示 莱氏体的性能与渗碳体相似 硬度很高 塑性 韧性极差 3 3铁碳合金 二 铁碳合金状态图及其应用1 铁碳合金状态图铁碳合金状态图是表示在缓慢冷却 加热 条件下 不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织 平衡组织 或状态的一种图形 3 3铁碳合金 铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织的分类 铁碳合金的分类 3 3铁碳合金 2 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响铁碳合金的成分 组织 力学性能等变化规律如图所示 3 3铁碳合金 3 铁碳合金状态图的应用 1 在选材方面的应用 2 在制定工艺规范方面的应用1 在铸造生产上的应用2 在锻压工艺方面的应用3 在热处理方面的应用 3 3铁碳合金 三 钢的热处理方法简介 一 热处理的概念钢的热处理是指将钢在固态下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工艺 常用热处理工艺可分为普通热处理 退火 正火 淬火和回火 和表面热处理 表面淬火和化学热处理 3 3铁碳合金 钢的加热是热处理的第一道工序 图表示了不同成分的钢在加热与冷却时相变临界点的位置 3 3铁碳合金 二 钢的常用热处理方法1 钢的退火与正火退火与正火是钢的基本热处理工艺之一 其目的主要在于消除钢材经热加工所引起的某些缺陷 或者为以后的加工做好准备 故称为预备热处理 1 退火将钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火 退火工艺主要特点是缓慢冷却 退火的主要目的是 1 降低硬度 提高塑性 2 细化晶粒 消除组织缺陷 3 消除内应力 3 3铁碳合金 根据退火工艺与目的不同 退火常分为完全退火 球化退火 等温退火 均匀化退火 去应力退火和再结晶退火等 3 3铁碳合金 2 正火正火是把工件加热到Ac3或Accm以上30 50 然后在空气中冷却的工艺 与退火相比 正火冷却速度稍快 过冷度较大 因此正火后的组织比较细 强度 硬度比退火高一些 生产中常用正火来改善低碳钢的切削加工性能 对于力学性能要求不太高的普通零件 也可考虑采用正火处理作为最终热处理 3 3铁碳合金 2 钢的淬火淬火是将钢件加热到相变点Ac3或Ac1以上30 50 保温一定时间 然后快速冷却 获得马氏体 或贝氏体 组织的热处理工艺 淬火是强化钢铁零件最重要的热处理方法 1 淬火的目的淬火的目的主要是使钢件得到马氏体 或贝氏体 组织 使零件通过适当回火 能获得所需要的使用性能 3 3铁碳合金 2 淬火方法及其应用为了保证钢淬火后得到马氏体 同时又防止产生变形和开裂 应选择合适的淬火方法 常用淬火方法如图所示 图中MS是指马氏体开始转变温度 约为230oC 单液淬火 双液淬火 分级淬火 等温淬火 3 3铁碳合金 3 钢的回火将淬火钢重新加热到A1以下某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 称为回火 它是紧接淬火的热处理工序 1 回火的目的回火的目的是减少内应力 稳定组织 使工件形状 尺寸稳定 调整组织 消除脆性 以获得工件所需要的使用性能 3 3铁碳合金 2 回火的方法及应用1 低温回火 150 250 回火后的硬度一般为58 64HRC 低温回火一般用于表面要求高硬度 高耐磨的工件 如刀具 量具 冷作模具 滚动轴承 渗碳件 表面淬火件等 2 中温回火 350 500 中温回火后的硬度为35 50HRC 中温回火一般用于要求弹性高 有足够韧性的工件 如弹簧 弹性元件及热锻模具等 3 高温回火 500 650 调质 高温回火后的硬度一般为220 330HBS 通常将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理 调质处理广泛用于汽车 拖拉机 机床等重要的结构零件 如连杆 螺栓 齿轮及轴类 3 3铁碳合金 4 钢的表面热处理表面热处理又分为两类 一类是只改变表面组织而不改变表面化学成分的热处理 称为表面淬火 另一类是同时改变表面化学成分及组织的热处理 称为化学热处理 1 钢的表面淬火表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度 而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法 它是通过快速加热 使钢件表面层很快达到淬火温度 在热量来不及传到中心就立即迅速冷却 实现表面淬火 常用的表面淬火有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火 3 3铁碳合金 1 感应加热表面淬火依靠感应电流的热效应 使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度 然后立即冷却 达到表面淬火目的 生产效率高 易实现机械化和自动化 适宜批量生产 3 3铁碳合金 2 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是应用氧 乙炔或其它可燃气的火焰 对工件表面进行加热 然后快冷的淬火工艺 火焰加热表面淬火的操作简便 不需要特殊设备 成本低 适用于大型 异型 单件或小批量工件的表面淬火 3 3铁碳合金 2 钢的化学热处理化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入钢的表层 以改变工件表层的化学成分 组织和性能的热处理工艺 化学热处理不仅改变了钢件表层的组织 而且表层的化学成分也发生了变化 在制造业中 最常用的化学热处理有渗碳 渗氮和碳氮共渗 3 3铁碳合金 1 钢的渗碳渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温 使碳原子渗入表层的热处理工艺 其目的是为了增加工件表面碳的质量分数 经淬火 低温回火后 工件表层具有高硬度 58 64HRC 和高耐磨性 心部具有高的塑性 韧性和足够强度 以满足某些机械零件的需要 如汽车发动机的变速齿轮 变速轴 活塞销等 3 3铁碳合金 2 钢的渗氮渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 渗氮又叫氮化 其目的是提高工件表层的硬度 耐磨性 红硬性 疲劳强度和抗蚀性 渗氮主要适用于表面要求耐磨 耐高温 耐腐蚀的精密零件 如精密齿轮 精密机床主轴 气缸套 阀门等 3 钢的碳氮共渗碳氮共渗是碳 氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺 这种工艺是渗碳与渗氮的综合 兼有二者的优点 3 3铁碳合金 三 钢的淬透性与淬硬性1 钢的淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度 钢的淬透性往往与钢有成分有关 如含有合金元素 Co除外 的钢 其淬透性会比普通碳钢好 钢的淬透性好则热处理后 由表及里均可得到较高的力学性能 因此 对于承受较大负荷的结构零件 都应选用淬透性较好的钢 此外 对于淬透性好的钢 在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质 以减小淬火应力 从而减少工件淬火时的变形和开裂倾向 3 3铁碳合金 2 钢的淬硬性钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力 淬硬性的高低主要取决于钢中含碳量 淬硬性与淬透性是两个不同的概念 如碳素工具钢淬火后的硬度虽然很高 淬硬性好 但淬透性却很低 而某些低碳成分的合金钢 淬火后的硬度虽然不高 但淬透性却很好 各种钢的淬透性 淬硬性可从有关手册中查出 3 3铁碳合金 四 工业用钢 钢的分类 钢是含碳量在3 11 以下 并含有其它元素的铁碳合金 按化学成分分类 碳素钢 指在碳素钢的基础上加入合金元素而得到的钢种 合金钢 指含碳量小于3 11 的铁碳合金 3 3铁碳合金 结构钢 用于制造工程构件和机器零件 如桥梁 船舶 建筑和齿轮 轴 连杆等零件 工具钢 用于制造各种刃具 量具 模具 如锯条 油标卡尺 冷作模具等 特殊性能钢 主要有不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 按质量分类 普通钢 Ws 0 035 Wp 0 035 优质钢 Ws 0 030 Wp 0 030 高级优质钢 Ws 0 02 Wp 0 03 硫磷杂质含量越少 钢的质量越高 3 3铁碳合金 按用途分类 一 结构钢 1 普通质量结构钢 直接保证力学性能 通常不经过热处理 在供应状态下用 用途 碳结钢用于一般工程结构及普通零件 如各种型材和螺栓 螺母等 低合金结构钢用于在大气和海洋中工作的结构件 如桥梁 建筑 压力容器等 分碳素结构钢和低合金结构钢 性能 好的塑性韧性及焊接性能 低合金结构钢性能更好 鸟巢 Q460 3 3铁碳合金 2 优质结构钢 保证化学成分和力学性能 常用热处理改善性能 0808F1010F可冷轧成薄板 用于仪器仪表外壳 汽车车身等404550用于承载零件 如齿轮 轴 连杆等6065主要用于弹簧类零件 优质碳素结构钢典型牌号及应用 塑性韧性好 冷成型性和焊接性能好 综合性能好 弹性极限高 特殊情况 轴承钢G 高级优质钢A 数字 合金元素符号 数字 45Mn240Cr 3 3铁碳合金 1 渗碳钢 通常经过渗碳 淬火回火后使用 常用牌号 2020CrMnTi20CrMn20MnTiB等最终热处理 渗碳 淬火 低温回火组织 表面 高碳回火马氏体 碳化物58 64HRC心部 铁素体 低碳回火马氏体40 48HRC性能 表硬心韧 应用 同时承受冲击 摩擦的零件 如汽车 机床齿轮 内燃机的凸轮轴等 成分 低碳 Wc 0 12 0 25 常加元素Cr Ni Mn B微量元素V Ti W Mo 3 3铁碳合金 2 调质钢 通常经过调质处理后使用 常用牌号 4540Cr40MnB35CrMo38CrMoAlA热处理 调质处理 获得回火索氏体组织25 35HRC 应用 承受较大载荷的零件 如机床主轴 发动机曲轴 连杆螺栓 传动齿轮等 性能 良好的综合性能 即高强度 好的塑性韧性 成分 中碳 Wc 0 25 0 50 多数0 4 合金元素 Mn Cr Si Ni B Mo W等 3 3铁碳合金 成分 Wc0 45 0 70 多数0 6 合金元素及作用 Si Mn Cr V Nb Mo W 常用牌号 606560Si2Mn50CrVA最终热处理 淬火 中温回火 获得回火屈氏体组织38 45HRC性能 具有高的弹性极限 高的疲劳强度和足够的塑性韧性 应用 用于制造弹性零件 如汽车 火车的板弹簧 螺旋弹簧等 4 轴承钢 用于制造滚动轴承及量具 冲模等耐磨件 两大类 高碳铬轴承钢GCr15 GCr15SiMn 含Cr1 5 高碳无铬轴承钢GMnMoVREGSiMnMoV 3 弹簧钢 最终热处理 淬火 低温回火 获得回火马氏体 细粒碳化物组织61 65HRC性能 高的接触疲劳强度 高的硬度 耐磨性及一定的韧性 3 3铁碳合金 3 铸造碳钢 ZG200 400表示其屈服点为200MPa 其抗拉强度为400MPa 通过铸造生产获取零件毛坯所用的碳素钢 性能 与铸铁相比有较高的强度 塑性和韧性 成分 Wc0 15 0 6 牌号 常用牌号 ZG200 400 ZG270 500 最终热处理 正火或调质 应用 结构形状复杂 尺寸较大 力学性能要求高的铸件 3 3铁碳合金 二 工具钢 合金工具钢 数字 合金元素符号 数字 含碳量的千分数 限一位 合金元素平均质量的百分数 说明 Wc 1 时 不标数字 高速钢例外 分为碳素工具钢 低合金工具钢 高合金工具钢 按用途分为刃具钢 模具钢和量具钢 牌号表示 碳素工具钢 T 数字 A 含碳量的千分数 高级优质钢 例 T10A 例 9SiCr Cr12 3 3铁碳合金 1 刃具钢性能要求为 高硬度 高的耐磨性 高的热硬性 在高温下保持高硬度的能力 足够的强度和韧性 1 碳素工具钢成分含碳量wc0 65 1 35 淬火后有足够高的硬度热处理预备热处理为球化退火最终热处理是淬火 低温回火组织回火马氏体 粒状渗碳体60 64HRC 性能价格低 工艺性好 但淬透性差 热硬性差 3 3铁碳合金 常用牌号T7 T8 T9 T10 T11 T13用途 形状简单的手工具 2 低合金工具钢成分wc0 9 1 1 合金元素为Cr Mn Si W V合金元素的作用是提高淬透性 提高回火稳定性 提高硬度和耐磨性 细化晶粒 降低过热敏感性 牌号典型代表为9SiCr CrWMn热处理球化退火 淬火 低温回火 组织回火马氏体 粒状碳化物60 65HRC用途 形状复杂的低速刃具及冷作模具 量具 3 3铁碳合金 3 高速钢成分wc0 7 1 6 加入的合金元素为W Mo Cr V 热处理锻造后球化退火 最终热处理为淬火 多次回火 组织回火马氏体 粒状碳化物63 66HRC性能特点热硬性高钢种 牌号钨系W18Cr4V钨钼系W6Mo5Cr4V2用于切削速度较高 载荷较大 形状复杂的刃具 3 3铁碳合金 淬火温度的选择 最佳的淬火温度为1280 高速钢通常采用550 570 多次回火的方式 特殊碳化物W2C或Mo2C呈细小弥散状从马氏体中析出 从而提高了钢的硬度 即 弥散强化 另外 在此温度范围内 碳化物会从残余奥氏体中析出 即 二次淬火 由于以上原因 在回火时便出现了硬度回升的 二次硬化 现象 经三次回火后 其组织为回火马氏体 少量碳化物 未溶碳化物 3 3铁碳合金 2 模具钢分为冷作模具钢 热作模具钢和塑料模具钢等 1 冷作模具钢 实际温度不超过200 3000C 失效及性能要求磨损 崩刃或疲劳断裂等 性能要求应具有高硬度 高耐磨性 足够的韧性和疲劳抗力 成分wc为1 3 3 3 主加元素为Cr 辅加元素为Mo V 铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定性 形成铬的碳化物 提高耐磨性 钼和钒的作用是细化奥氏体晶粒 提高耐磨性 热处理通过轧制将网状共晶碳化物打碎 常用热处理 淬火 低温回火 3 3铁碳合金 牌号Cr12 Cr12MoV 7Cr7Mo3VSi 新钢种 2 热作模具钢 型腔表面温度可达6000C 失效及性能要求 磨损 塌陷 崩裂及龟裂等 性能要求1 高的热硬性和高温耐磨性 2 高的抗氧化能力 高的热强性和足够高的韧性 3 高的热疲劳抗力 组织回火马氏体 少量碳化物58 62HRC 成分wc0 3 0 6 保证足够的强度和韧性 主加元素为Cr Ni Mn Si等 辅加元素为Mo W V 合金元素的作用是提高淬透性 提高回火稳定性 防止第二类回火脆性 产生二次硬化 阻止奥氏体晶粒的长大 3 3铁碳合金 牌号5CrMnMo 5CrNiMo 热处理淬火 高温回火 得到回火索氏体组织40HRC 3 量具钢性能 高的硬度和耐磨性 高的尺寸稳定性 热处理变形小 成分高碳 Wc0 9 1 5 提高淬透性的元素 Cr W Mn 等 3 塑料模具钢 牌号一般注塑模4Cr5MoSiV 热固性塑料模9MnVCr127CrSiMnMoV 3 3铁碳合金 热处理淬火 低温回火稳定处理导致量具尺寸变化的因素 残余奥氏体转变成马氏体 引起体积膨胀 马氏体分解 体积收缩 残余应力的变化和重新分布 使弹性变形部分转变为塑性变形 1 冷处理的目的是使残余奥氏体转变为马氏体 减少残余奥氏体量 2 时效处理的目的是消除残余应力 稳定马氏体和残余奥氏体 可选钢种 牌号 20 20Cr T12A GCr15 CrWMn Cr12 3 3铁碳合金 三 特殊性能钢用于制造在特殊环境 腐蚀 高温等 下具有特殊性能的构件和零件的钢材 称特殊性能钢 1 不锈钢不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称 是在大气或腐性环境中具有高度化学稳定性 抵抗腐蚀的一类钢 金属腐蚀及防止 1 化学腐蚀金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀 防止措施是加入Si Cr Al等能形成致密保护膜的合金元素 2 电化学腐蚀是指金属在腐蚀介质中由于形成原电池 阳极失去电子而腐蚀 防止方法 使金属具有均匀的单相组织 减少原电池形成的可能性 减少两极的电极电位差 提高阳极的电极电位 表面形成致密的 稳定的保护膜 减少甚至阻断腐蚀电流 3 3铁碳合金 常用不锈钢 1 奥氏体型wc 0 25 Wcr 16 WNi 7 热处理方式为固溶处理 850 950 加热 水冷 得单相奥氏体组织 再加稳定化退火 850 950 加热 空冷 以避免晶间腐蚀的产生 1Cr18Ni9Ti耐蚀性很好 优良的塑性 韧性和焊接性 缺点是强度低 2 铁素体型wc 0 35 Wcr 12 30 具有较好的塑性 强度不高 对硝酸 磷酸有较高的耐蚀性 0Cr131Cr17Cr25 3 马氏体型wc 1 2 Wcr 11 20 典型的为Cr13型 热处理方式 1Cr13 2Cr13为淬火 高温回火 作为结构件使用 3Cr13 4Cr13 9Cr18为淬火 低温回火 具有高硬度 高耐磨性 成分不锈钢的wc为0 08 0 95 主加元素为Cr Cr Ni 辅加元素为Ti Nb Mo Cu Mn N 3 3铁碳合金 2 耐热钢耐热钢的工作条件在300 以上的温度下长期工作 失效方式 剧烈氧化 强度急剧下降而破坏 性能要求是 高的抗氧化性 高的高温力学性能 组织稳定性高 膨胀系数小 导热性好 提高钢的抗氧化性和热强性的途径加入Cr Si Al 通过形成致密稳定的合金氧化膜层 降低甚至阻止氧化膜的扩散 通过固溶强化 第二相强化 粗化晶粒提高金属的热强性 3 3铁碳合金 常用耐热钢 1 铁素体型耐热钢如0Cr13Al 2Cr25N等 用来制造受力不大的炉用零件和热交换器 燃气机燃烧室 锅炉吊钩 加热炉底板等 2 珠光体型耐热钢常用牌号是15CrMo和12CrMoV 工作温度低于600 的构件 一般在正火 高温回火 高于使用温度100 150 状态下使用 3 马氏体型耐热钢常用钢种为Cr12 Cr13型 多用于制造600 以下受力较大的零件 如汽轮机叶片等 一般在淬火 高温回火状态下使用 4 奥氏体型耐热钢常用的钢种是1Cr18Ni9Ti 工作温度可达750 800 常用来制作一些比较重要的零件如燃气轮轮盘和叶片等 一般进行固溶处理或固溶 时效处理 3 3铁碳合金 3 耐磨钢失效方式和性能要求失效方式为磨损 主要要求是有很高的耐磨性和韧性 成分特点wc为0 9 1 5 WMn11 14 另外还有WSi0 3 0 8 高锰的目的是与碳配合保证完全获得奥氏体组织 提高钢的加工硬化速率 硅是为了改善钢的流动性 起固溶强化作用 提高钢的加工硬化能力 牌号为ZGMn13 也称为高锰钢 性能特点有很高的韧性 在受到强烈的冲击载荷和强大的压力下 表面会迅速产生加工硬化 使表面层硬度 耐磨性显著提高 而心部仍保持为原来的高韧性状态 适合于制造履带板 铲斗齿 防弹板等 3 3铁碳合金 五 铸铁 铸铁是指的铁 碳和硅组成的合金 与碳钢不同 铸铁的碳 硅含量较高 杂质元素锰 硫 磷较多 铸铁加合金元素后可以得到合金铸铁 铸铁有优良的铸造性能 切削加工性能 减摩性及减振性 成本低廉 是最重要的铸件用材料 3 3铁碳合金 3 3铁碳合金 铸铁的分类 按石墨化程度分类 1 灰口铸铁 碳主要以石墨形式存在 应用广泛 2 白口铸铁 碳主要以Fe3C形式存在 很少应用 3 麻口铸铁 碳部分以石墨 部分以Fe3C形式存在 少用 灰口铸铁分类 以石墨形态分类 1 灰铸铁 石墨为片状 组织 钢的基体 F F P P G 片 破坏了基体的连贯性能 抗压不抗拉 耐磨 消振性好 缺口敏感性低 牌号 HT 数字 表示最低抗拉强度 应用 机床床座 床身 工作台 汽车拖拉机的汽缸 汽缸套等 3 3铁碳合金 2 球墨铸铁 石墨为球状 组织 钢基 F F P P G 球 基体的连贯性好性能 良好的抗拉强度 弯曲疲劳强度 塑性 韧性 优异的铸造性 可切削加工性 可热处理或合金化 牌号 QT 数字 数字 球铁 最低抗拉强度 应用 F G 汽车拖拉机底盘零件 阀体 阀盖 F P G 机油泵齿轮 P G 代替中碳钢制造内燃机曲轴 车床主轴 3 3铁碳合金 断后伸长率 3 3铁碳合金 3 可锻铸铁 石墨为团絮状 不可锻造 制备 不同于其它几类铸铁 将亚共晶白口铸铁进行石墨化退火 Fe3C在固态下分解形成团絮状石墨 9000C 9800C保温15小时左右 组织 钢基 F P G 团絮 性能 介于灰铸铁和球墨铸铁之间 相对于片状石墨 团絮状石墨对基体的切割作用小 牌号 KT H Z 数字 数字 最低抗拉强度 断后伸长率 应用 形状复杂 承受一定冲击载荷的薄壁零件 汽车的前后轮壳 给水管件等 3 3铁碳合金 4 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状和球状 少量 组织 钢基 F F P P G 蠕虫状 球状 性能 蠕虫状石墨长宽比小 尖端圆钝对基体切割作用小 抗拉强度 塑性 疲劳强度 灰铸铁导热性 铸造性 可切削性 球墨铸铁牌号 RuT 数字 最低抗拉强度 应用 热循环载荷条件下的钢锭模 柴油机汽缸 气缸盖 排气管 刹车件等 3 3铁碳合金 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金钢铁材料虽然有很好的性能 但是还有很多金属制品不是选用钢材而是选用了有色金属 小到钥匙大到飞机有色金属在实际生活和工程中随处可见 本节就要介绍常用有色金属的相关性能和应用 有色金属应用案例 3 4有色金属和粉末冶金材料 1 工业纯铝工业纯铝的密度小 2 7g cm3 大约是铁的1 3 熔点低 660 铝的强度 硬度低 b 80 100Mpa 但塑性好 50 能承受各种冷 热加工 铝是面心立方结构 故具有很高的塑性 易于加工 可制成各种型材 板材 抗腐蚀性能好 但是纯铝的强度很低 故不宜作结构材料 通过长期的生产实践和科学实验 人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝 这就得到了一系列的铝合金 工业纯铝主要用于熔制铝合金 制造电线 电缆以及要求具有导热 抗蚀而对强度要求不高的一些用品和器皿等 工业纯铝的牌号有1060 1035 1200等 编号越大 纯度越低 2 铝合金铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料 在航空 航天 汽车 机械制造 船舶及化学工业中已大量应用 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度 导热性好等优良性能 若经过冷加工或热处理 还可进一步提高其强度 这样使得其 比强度 强度与比重的比值 胜过很多合金钢 成为理想的结构材料 采用铝合金代替钢板材料的焊接 结构重量可减轻50 以上 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类 3 4有色金属和粉末冶金材料 1 变形铝合金变形铝合金在加热时能形成单相固溶体组织 塑性好 能进行各种压力加工 变形铝根据性能特征可分为下列四类 它们的牌号 成分 性能及用途见表3 17 1 防锈铝有Al Mn和Al Mg两系 其特点是耐蚀性好 塑性的焊接性能良好 均不能进行热处理方法强化 只能用冷变形强化 3 4有色金属和粉末冶金材料 2 硬铝主要有Al Cu Mg系 铜和镁元素的加入可形成强化相 这类合金能进行热处理强化 经淬火时效 强化相均匀弥散分布 能显著提高其强度和硬度 这类铝合金主要性能特点是强度大 硬度高 3 超硬铝是Al Cu Mg Zn系合金 与硬铝合金相比 超硬铝合金时效中能产生更多的强化相 强化效果更显著 所以其强度 硬度更高 4 锻铝锻铝合金多为Al Cu Mg Si系 这类合金在加热状态下有良好的塑性和较好的耐热性 具有良好的锻造性 进行淬火时效后有较高的强度 其强度和硬度可与硬铝合金相媲美 3 4有色金属和粉末冶金材料 2 铸造铝合金具有良好的铸造性能 但塑性较低 不能承受压力加工 按其主加合金元素的不同 铸造铝合金可分为Al Si系 Al Cu等 Al Mg系 Al Zn系四种 铸造铝合金多用于制造质量轻 耐腐蚀 形状复杂 要求有一定力学性能的铸件生产 常用铸造铝合金中以铝硅铸造铝合金应用最广泛 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金 机械工业出版社 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金 机械工业出版社 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金 机械工业出版社 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金 机械工业出版社 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金 机械工业出版社 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 1铝和铝合金 3 4 2铜及铜合金1 工业纯铜铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金 纯铜呈紫红色 又称紫铜 纯铜密度为8 96 熔点为1083 具有优良的导电性和导热性 抗蚀性好 塑性好 能承受各种冷压力加工 但强度低 工业纯铜一般被加工成棒 线 板 管等型材 用于制造电线 电缆 电器零件及熔制铜合金等 2 铜合金按照化学成分不同 铜合金可分为黄铜 青铜和白铜三类 常用的是黄铜和青铜 白铜是以镍为主要合金元素的铜合金 一般很少应用 1 黄铜黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金 黄铜又分为普通黄铜 又称简单黄铜 和特殊黄铜 又称复杂黄铜 3 4有色金属和粉末冶金材料 1 普通黄铜 以锌和铜组成的合金 普通黄铜的牌号用 H 数字 表示 H表示黄铜 数字表示铜的质量分数 如H68表示铜的质量分数为Wcu 68 其余为锌 普通黄铜的力学性能 工艺性和耐蚀性都较好 应用较为广泛 2 特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入铅 锡 铝 锰 硅等合金元素构成特殊黄铜 其目的是为了改善黄铜的某些性能 如加入铅可以改善切削加工性 加入铝 锡能提高耐蚀性 加入锰 硅能提高强度和耐蚀性等 常用的特殊黄铜有铅黄铜 铝黄铜 锰黄铜 硅黄铜等 3 4有色金属和粉末冶金材料 2 青铜青铜是除黄铜 白铜以外的铜合金 它又分为普通青铜 锡青铜 和特殊青铜两种 1 锡青铜锡青铜是以锡为主要合金元素的铜合金 它最主要的特点是具有良好的力学性能 耐蚀性和减摩性 较多地用于轴承 蜗轮 丝杆螺母等零件的制造 2 特殊青铜加入其它元素代替锡的青铜 称为特殊青铜 又称为无锡青铜 铝青铜 以铝为主要合金元素的铜基合金称为铝青铜 铝青铜主要用于在海水或高温下工作的零件和高强度耐磨零件 是各种青铜中应用最广泛的一种 铍青铜 以铍为主要合金元素的铜合金称为铍青铜 主要用于制造各种精密仪器 仪表中的重要弹性元件 特殊要求的耐磨元件 电接触器及防爆工具等 3 4有色金属和粉末冶金材料 铅青铜 主要用于高速高负荷的大型轴瓦 衬套等 硅青铜 主要用于航空工业和长距离架空的电话线和输电线等 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 3轴承合金轴承合金又称轴瓦合金 用于制造滑动轴承的材料 轴承合金的组织是在软相基体上均匀分布着硬相质点 或硬相基体上均匀分布着软相质点 轴承合金具有如下性能 良好的耐磨性能和减磨性能 有一定的抗压强度和硬度 有足够的疲劳强度和承载能力 塑性和冲击韧性良好 具有良好的抗咬合性 良好的顺应性 好的嵌镶性 要有良好的导热性 耐蚀性和小的热膨胀系数 用于各类轴承材料 图2 36滑动轴承图2 37汽车轴承 3 4有色金属和粉末冶金材料 3 4 4粉末冶金材料粉末冶金是一种用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料 经压制成型和烧结获取金属材料或零件的生产方法1 硬质合金简介硬质合金是将一些难熔金属的碳化物 如碳化钨 碳化钛 碳化钽等 的粉末和起粘结作用的金属钴粉经混合 加压成型 再经烧结而制成的一种粉末冶金制品 硬质合金具有高硬度 69 81HBC 高耐热性 可达900 1000 高耐磨性和较高抗压强度 用它制造刀具 其切削速度比高速钢高4 7倍 寿命提高5 8倍 硬质合金通常制成一定规格的刀片 装夹或镶焊在刀体上使用 目前常用的硬质合金有下列几种 1 钨钴类硬质合金 其牌号用 YG 数字 表示 数字表示钴的百分含量 钨钴类硬质合金适用于制作切削铸铁 青铜等脆性材料的刀具 2 钨钴钛硬质合金 其牌号用 YT 数字 表示 数字表示碳化钛的百分含量 主要用于切削韧性材料 如钢材 的刀具 3 通用硬质合金 其牌号用 YW 数字 表示 数字表示合金的序号 如YW1 YW2等 通用硬质合金兼有上述两类硬质合金的优点 应用广泛 硬质合金除用作各种刀具外 还广泛用于制造量具 模具及耐磨零件 3 4有色金属和粉末冶金材料 2 含油轴承材料含油轴承材料是利用粉末冶金材料的多孔性 经浸油后 它具有很好的自润滑性 当轴承工作时 由于磨擦发热使孔隙中的润滑油被挤出至工作表面 起润