三一集团常用材料使用手册

三一集团常用材料使用手册三一集团常用材料使用手册 按结构分为四个部分第一章 基本知识 主要介绍我们在设计 选用材料以及参考各种工具书时 可能遇到 的各种指标和术语 第二章 钢铁材料 主要介绍钢铁分类 化学 力学和物理方面的参数 以及工程机械 中的一般用途和热处理制度 第三章 有色金属 主要介绍有色金属相关的术语和分类 化学成分 力学性能 热处 理制度和用途 第四章 材料的选用 本章为重点章节 主要介绍材料的选用原则 设计理论 校核理论 失效形式以及对各种金属的选用方法或举例 本手册的数据各国家标准 机械设计手册 集团高强度钢板数据 企业标准或技术协议等 同时为了结合三一集团的实际 钢材的使 用数据参考了企业标准中的数据 为三一集团研发工程师在材料选 择和零部件设计时提供参考 本手册从层次和结构上 旨在达到以下几个目的1 加深设计人员对 于金属学基础知识的了解 清楚设计中需要考虑的因素 2 清楚掌握三一集团的常用的各种金属材料 尤其是优选钢材和有 色金属 加强设计过程中的优选意识 提高材料的通用率 3 对设计零部件的材料选用以及材料的失效进行分析和指导 在材 料方面确保设计产品的安全和寿命 设计人员在阅读本手册时 可以按照章节顺序进行了解 先掌握各 种材料的基本知识 性能和热处理方法 先进行预先选材 然后根 据第四章的强度理论进行分析和校核 也可先阅读第四章材料选用 内容和举例等 再进行零部件受力分析计算材料的强度 根据使用 环境 零部件功能 再从第 二 三章中对比各种材料相关数据后进行选择 本手册主要编制人员李丰 杨军由于编制时间仓促以及编制手册的 经验不足 有不妥之处请批评指正 第一章基本知识1 1金属学术语以铁碳合金为例 介绍常见的金属学 有关的基本术语 详见表1 表表1铁碳合金的基本组织序号名称说明1晶粒 晶界多晶体物质在 结晶时 由于众多晶核同时生长 互相妨碍 以致不能自由长大 长到互相接触时停止生长 形成的无规则外形的晶体颗粒称为晶粒 晶粒与晶粒之间的分界称为晶界2相 相界在金属或合金中 凡其有 均匀的物理和化学性能成分相同 结构相同并有界面相互隔开的均 匀组成部分 称为相 相与相之闻的界面 称为相界3固溶体组成合金的一种金属元素的晶 体中溶有另一种元素的原子形成的固态相 称为固溶体 固溶体一般有较高的强度 良好的塑性 耐蚀性以及高的电阻和磁 性4金属化合物合金中不同元素的原子相互作用形成的 晶格类型和 性能都完全不同于其组成元索的 具有金属特性的固态相 称为金 属化合物 金属化合物多数具有熔点高 硬而脆的特点 是合金中很重要的强 化相5奥氏体奥氏休是碳和其他元素溶解在 Fe中的固溶体 奥氏体具有面心立方晶格 塑性好 一般在高温下存在6铁素体铁素 体是碳和其他元素溶解在 Fe中的固溶体 铁素体具有体心立方晶格 含碳量极少 其性能与纯铁极为相似 也叫纯铁体7渗碳体渗碳体是铁和碳的化合物 也称碳化三铁 Fe3C 含碳量 c 为6 69 具有复杂的晶格结构 其性能硬而脆 几乎没有塑性8珠光体珠光体是铁素体和渗碳体相间 排列的片层状组织 因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而得名 珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间 强度 硬度适中 并 有良好的塑性和韧性9菜氏体莱氏体是铁碳合金中的一种共晶组织 在高温由奥氏体和渗碳体 在室温由珠光体和渗碳体构成 含碳 C 4 3 性硬而脆 通常仅存在于白口铁中 在某些高碳高合金钢 例如 高速工具钢 C r12型合金工具钢 中 也会出现 但数量较少10索氏体索氏体也称 细珠光体 属珠光体类组织 是奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合 体 其层片比珠光体细 仅在高倍显微镜下才能辨别出来 硬度 强度和冲击韧性都较珠光体为高11托氏体托氏体也称极细珠 光体 也属珠光体类组织 由奥氏体在低于索氏体形成温度分解而 成的铁素体和渗碳体的混合体 其层片比索三一集团材料使用手册7 氏体更细 只有在电子显微镜下才能辨别出来 其强度和硬度均高于索氏体12贝氏体贝氏体是过饱和铁素体和渗碳 体的混合物 又分为上贝氏体和下贝氏体 下贝氏休性能优于上贝氏体13马氏体马氏体通常是指碳在 Fe中的过饱和固溶体 钢中马氏体的硬度随含碳量的增加而提高 高碳马氏体硬度高而脆 低碳马氏体则有较高的韧性 但无论含碳多少 马氏体都是奥氏体转变产物中硬度最高的14带状 碳化物含铬滚动轴承钢钢锭中的结晶偏析在热加工变形中延伸而成 的碳化物富集带 叫带状碳化物 带状碳化物严重时会造成轴承零件淬火 回火后硬度 组织不均匀 等缺陷15网状碳化物过剩碳化物在晶界边界上析出所形成的网络 即通常所称的碳化物不均匀度 网状碳化物增加钢的脆性 降低韧 性16带状组织经热加工后的低碳结构钢显微组织中 铁素体和珠光 体沿加工方向平行成层分布的条带组织 即通称的带状组织 带状组织使钢的力学性能呈各向异性 顺加工方向的性能提高 垂 直加工方向的韧性 塑性降低17脱碳热加工或热处理时 钢材表面 由于受炉气作用 失去全部或部分碳量 称为脱碳 标准中规定的脱碳层有全脱碳层和总脱碳层 全脱碳层十部分脱碳层 两种 钢材表面脱碳会大大降低表面硬度和耐磨性 并使轴承钢和弹簧钢 的疲劳极限降低1 2金属材料的性能金属材料的性能包括物理 化学 力学 工艺等性能 相对而言 金属材料的力学和工艺性能直接影响产品的生产工艺和 产品质量等 因此机械制造行业较为关注 1 2 1力学性能金属材料力学性能的定义和特点见表2 表表2常见力学性能名词及含义名称符号单位含义强度强度指金属在 外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力抗拉强度R m MPa金属试样拉伸时 在拉断前所承受的最大负荷与试样原横截面面 积之比称为抗拉强度 R m F m S0式中F m 试样拉断前的最大负荷S0 试样原横断面积抗弯强度R mbMPa试样在位于两支承中间的集中负荷作用下 使其折断时 折断 面所承受的最大应力 对圆形试样R mb 38dFL 方形试样R mb 23bhFL式中F 试样所受最大集中载荷三一集团材料使用手册8L 两支承点间的跨距 d 圆试样截面外径B 举行截面试样宽度 h 矩形截面试样高度抗压强度R mcMPa材料在压力作用下不发生碎 裂所能承受的最大正应力 R mc F mc S0抗剪强度R MPa试样剪断前 所承受的最大负荷下的受剪截面 具有的平均剪应力 双剪R 2F S0 双剪R F S0式中F 剪切时的最大负荷S0 受剪部位的原横断面积抗扭强度 mMPa指相应最大扭矩的切应力 m 3M b 4W p 钢材 m M b W p 铸铁 式中M b 扭转力矩 W p 扭转时试样截面的极端面系数屈服强度当金属试样在拉伸过程中 负荷不再增加 而试样仍继续发生变形时的应力 分为上屈服强度和下屈服强度下R eLMPa在屈服期间 不计初始瞬时效应时的最低应力值上R eHMPa试样发生屈服而力首次下降前的最高应力值规定非比例延伸强 度R p MPa非比例延伸率等于引申计标距规定百分率时的应力 持久强度t MPa金属材料在高温条件下 经过规定时间发生断裂 时的应力称为持久强度 通常所指的持久强度 是在一定的温度下 试样经103h后的断裂强 度 蠕变强度MPa金属材料在高于一定温度下受到应力作用 即使应力小 于屈服强度 试样也会随着时间的增长而缓慢地产生塑性变形 弹性金属在外力作用下产生变形 当外力取消后又恢复到原来的形 状和大小的一种特性弹性模量E GPa在弹性范围内 金属拉伸试验时 外力和变形成比例增长 即应 力与应变成正比例关系时 这个比例系数就称为弹性模量 也叫正 弹性模数切变模量G GPa金属在弹性范围内 当进行扭转试验时 外力和变形成比例地增 长 即应力与应变成正比例关系时 这个比例系数就称为切变模量弹性极限 e MPa金属能保持弹性变形的最大应力 称为弹性极限比例极限 pMPa 在弹性变形阶段 金属材料所承受的和应变能保持正比的大应力 称为比例极限0p p S F 式中F p 规定比例极限负荷 N S0 试样原横截面积塑性塑性指金属材料在外力作用下 产生永久变形 而不破裂的能力伸长率 金属材料在拉伸时 试样拉断后 其标距 部分所增加的长度与原时间应变量温度 三一集团材料使用手册9 标距长度的百分比 5和 10是标距分别为5倍和10倍直径时的伸长率断面收缩率 金 属试样拉断后 其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始截面积的百 分比 称为断面收缩率泊松比 对于各向同性的材料 泊松比表示 试样在单向拉伸时 横向相对收缩量与轴向相对伸长量之比 E 2G 1韧性所谓韧性是指金属材料在冲击力 动力载荷 的作用下而不破 坏的能力冲击韧度 KU KV J cm2冲击韧度是评定金属材料于动 载荷下受冲击抗力的力学性能指标 通常都是以大能量的一次冲击 值 KU KV 作为标准的 它是采用一定尺寸和形状的标准试样 在摆锤式一次冲击试脸机上 来进行试验 试验结果 以冲断试样上所消耗的功 A KU A KV 与断面处横截面积 S 之比值大小来衡量 冲击吸收功A KU A KVJ由于 K值的大小 不仅取决于材料本身 同时还随试样尺寸 形状的改变及试验温度的不同而变化 因而 K值只是一个相对指标 标 目前国际上许多国家直接采用冲击功A K作为冲击韧度的指标 KU A KU S KV A KV S S 缺口处横断面积疲劳金属材料在极限强度以下 长期承受交变负荷 即大小 方向反复变化的载荷 的作用 在不发生显著塑性变形 的情况下而突然断裂的现象疲劳极限 N MPa金属材料受重复或交变应力作用时 应力振幅的极限值 在这个 值以下 被测试样能承受无限次的应力周期变化 一般称经过周次N的应力循环仍不发生断裂时所能承受的最大应力为 疲劳极限 疲劳强度S MPa金属材料受重复或交变应力作用时 在指定寿命下 使试样失效 的应力水平 一般称循环周次N后断裂时所能承受的最大应力为疲劳强度 此时N为疲劳寿命 某些金属没有明显疲劳极限 常用疲劳强度表示硬度硬度是指金属 抵抗更硬物体压入其表面的能力 硬度不是一个单纯的物理量 而是反映弹性 强度 塑性等的一个 综合性能指标各种硬度的测量范围为HS 100 HBW 500 HV 1300数 值范围HRA 80 88 HRB 85 95 HRC 20 70 布氏硬度HBW HBS取消 材料抵抗通过硬质合金球压头施加 试验力所产生永久压痕变形的度量单位 HBW 0 102 试验力 N 永久压痕表面积mrn2 假设压痕保持球形不 变 其表面积是根据平均压痕直径和球的直径计算的洛氏硬度HRA HRBHRC HRD材料抵抗通过硬质合金或钢球压头 或对应某一标尺的金刚石圆 锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位 HR N h S式中N和S为给定的洛氏硬度标尺常数 三一集团材料使用手册10 1 2 2工艺性能1 2 2 1工艺性能分类工艺性能系指金属材料在加工 过程中所表现出来的性能 即接受加工难易程度的性能 工艺性能主要有铸造性 切削加工性 焊接性 可锻性 冲压性 热处理工艺性等 金属材料的工艺性能见表3所示 HRE HRFHRG HRHHRK HRNHRT h mm 为在施加并卸除主试验力后初试验力下的压痕深度增量 维氏硬度HV MPa用夹角a为136 的金刚石四棱锥压头 压人试件 以单位压痕面 积上所受载荷表示材料的硬度22228544 1sin2dFdFHV 式中F 载荷 N d 压痕对角线的长度 mm 减摩 耐磨性摩擦系数 相互接触的物体 当相对移动时就会引起摩擦 引起摩擦的阻力称为摩擦力 根据摩擦定律 通常把摩擦力 F摩 与施加在摩部位上的垂直载荷 F P 的比值 称为摩擦系数 磨耗量W Vg cm3试样在规定试验条件下经过一定时间或一定距离摩擦之后 以试 样被磨去的重量 g 或体积 cm3 之量 称为磨耗量 磨损量 以磨去 重量表示者称为重量磨耗W 用磨去体积表示者称为体积磨耗V 相对耐磨系数 在模拟耐磨试验机上 采用65Mn 52 53 HRC作为标 准试样 在相同条件下 标准试样的绝对磨耗量与被测定材料的绝 对磨耗量之比 称为被测材料的相对耐磨系数三一集团材料使用手 册11表表3金属材料的工艺性能定义名称含义铸造性金属材料的铸造 性是指金属熔化成液态后 在铸造成型时的一种特性 衡量铸造性的指标有流动性 收缩率和偏析趋势 1 流动性 液态金属充满铸型的能力 流动性愈好 液态金属充满铸型的能力越强 容易铸造细 薄 精 密的铸件 流动性差 铸型不易被液态金属充满 铸件容易造成 缺肉 而成 废品 2 收缩性 铸件在冷却凝固时 体积和线尺寸收缩的程度 收缩不利于金属铸造 它使得铸件产生缩孔 缩松 变形等缺陷 3 偏析趋势 铸件凝固后 化学成分和组织上分布不均匀的现象 从而导致铸件 各部位的性能差异 一般来说合金钢的偏析倾向较大 高碳钢的偏析倾向比低碳钢大 因此这些钢铸造后通过热处理 扩散退火 来消除偏析 切削加工性金属材料在切削加工时 表现出的加工难易或顺畅与否 的性能 切削加工性的优劣反映出金属材料经过切削加工后得到合乎要求的 工件的难易程度 切削加工性与多种因素相关 如材料的组织 成 分 杂质 硬度 强度 塑性 韧性 导热性 金属加工硬化程度 及热处理等 评价金属材料的加工性时通常包括切削力 切削热 对刀具的磨损 断屑性能 表面粗糙度等 一般根据材料的硬度和韧性作大致的判断 硬度在 170 230 HBS之间 并有足够脆性的金属材料 具有良好的切削加工性 硬度和韧性过高或过低 切削性均不理想 金属材料的切削加工性通常用切削率或切削加工系数来相对表示 一般来说 有色金属比黑色金属材料的切削加工性好 铸铁比刚的 切削加工性好 中碳钢比低碳钢的切削加工性好 焊接性用焊接方法将金属材料焊合在一起 并能获得优良性能的焊 缝成为焊接性能 评定焊接性优劣的方法是在采用一定的焊接方法 材料 参数 结 构型式的条件下 一般根据焊接时产生裂纹的敏感性和焊缝的力学 性能来判断 如碳当量的计算 抗裂试验 焊缝缺陷检查 焊缝力学性能检验等 方法 一般来说 导热性过高或过低 热膨胀性大 塑性低或焊接时容易 氧化 吸气的金属 其焊接性比较差 低碳钢具有良好的焊接性 中碳钢中等 高碳钢 高合金钢 铸铁 和铝合金的焊接性较差 可锻性可锻性是金属材料在锻造过程中承受塑性变形的性能 如果金属材料的可塑性好 易于锻造成形而不发生破裂 就认为可 锻性好 铜 铝的合金在常温下就具有很好的可锻性 碳钢在加热状态下 可锻性也很好 而青铜的可锻性就差些 脆性材料的可锻性更差 如铸铁 几乎不能锻造 冲压性冲压性是金属经过冲压变形而不产生裂纹等缺陷的性能 许多金属产品的制造都要经过冲压工艺 如汽车壳体 骨架 为保证制品的质量和工业的书你来进行 用于冲压的金属板 带等 必须具有合格的冲压性能 检验金属材料冲压件的方法叫杯突试验 也叫艾利克森试验 试验过程是用规定的钢球或球形冲头顶压加紧在压模内的试样 直 至试样产生第一个三一集团材料使用手册12裂纹为止 这是的压入深度叫杯突深度 杯突深度不小于规定时就认为合格 材料能承受的被突深度愈大 则冲压性能越好 顶锻性金属材料承受打铆 镦头等顶锻变形的性能 金属的顶锻性是用顶锻试验测定的 在常温下进行的是冷顶锻试验 在锻造温度范围内进行的叫热顶锻 试验 进行顶锻试验时 应将试验锻短至规定的长度 一般为长度的1 3 1 2或2 5 锻后检查试样侧面 如无裂缝 扯破 气泡等则认为 合格 冷弯性金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂的性能 出现裂纹前能承受的弯曲程度越大 则材料的冷弯性越好 弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径d对材料厚度a的比值来表示 弯曲角度越大或弯芯直径对材料厚度的比值d a越小 则材料的冷弯 性越好 金属材料的弯曲是靠弯曲处附近的塑性变形来实现的 因此塑性越 好 冷弯性越好 冷弯试验的弯曲程度分为 1 弯到一定角度 外角120 90 等 2 绕着弯芯弯到两面平行 180 弯芯直径d等于试验厚度a的1 2 相等 两倍 三倍等 3 弯到两面接触 弯曲180 弯芯直径d 0 热处理工艺性金属或 合金在固定温度范围内 通过一定的加热 保温和冷却方法 以改 变金属或合金的内部组织或成分分布或应力分布等 从而得到所需 性能的一种工艺操作 热处理工艺性就是指金属经过热处理后 其组织和性能改变的能力 包括淬硬性 淬透性 回火脆性 氧化及脱碳的趋势等 淬硬性 钢在正常淬火条件下 将合金加热至临界温度以上 所形成马氏体 组织能达到的最大硬度 淬硬性主要取决于钢中的含碳量 固溶在奥氏体中的碳原子含量愈 多 淬火后的硬度值越高 淬透性 钢在淬火时 能够得到一定的淬硬层深度的能力 也可以简单地理 解为钢在淬火时形成马氏体能力的特性 淬透性愈好 形成马氏体的能力越强 淬硬层的深度就愈深 表面 和心部的性能差别就越小 回火脆性 淬火钢在250 400 第一类 500 600 第二类 回火时 其冲击韧度显著下降的现象 回火时快速冷却 可减少第二类回火脆性 尺寸较大的钢件很难做到快速冷却 可通过合金化或适当的热处理 规范来加以防止 即在钢中加入钨或钼 与碳形成合金 4 氧化及脱碳趋势 钢件在加热时 炉内的氧气 水蒸气等与钢件表面发生化学反应而 生产氧化铁皮的现象称为氧化 钢件表面由于氧化 其含碳量比内部降低的现象称为脱碳 氧化使钢材表面粗糙不平 脱碳不见降低表面硬度和耐磨性 而且容易发生淬火裂纹 应采取保护性措施 如把钢件放在惰性或还原性气体中加热或在熔 盐内加热 防止氧化及脱碳现象产生 1 2 2 2切削加工性能根据材料的切削加工难易程度 可以将常用金 属材料分为4类 即很容易加工材料 易加工材料 普通材料和难加 工材料 具体的划分方式见表4所示 三一集团材料使用手册13表表4金属材料的切削加工性分级和代表材 料可加工性级别各种材料的加工性质代表性材料1很容易加工的材料 一般有色金属材料镁合金铸造铝合金 锻铝及防锈铝铅黄铜 铅青 铜 QSn4 4 4 ZQSn6 6 3等2易加工的材料铸铁灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁易切削钢易切 结构钢Y12 179HB 229HB 易切结构钢Y 15 Y 20 Y 30 Y40Mn易切不锈钢1Cr14Se 1Cr17Se3较易切削钢正火热轧的 30 35中碳钢 170HB 217HB 冷作硬化的 20 25 15Mn 20Mn 25Mn 30Mn正火或调质的20Cr 170HB 212HB 易切不锈钢1Cr14S4普通材料一般钢铁材料正火或热轧的 40 45 50及55中碳钢 179HB 229HB 冷作硬化的低碳钢 08 10 15退火的40Cr 45Cr 174HB 229HB 退火的碳素工具钢铁素体不锈钢及铁素体耐热钢5稍难切削 材料热轧高碳钢 65 70 75 80 85钢热轧低碳钢 20 25钢马氏体不锈钢1Cr 13 2Cr 13 3Cr13Mo 1Cr17Ni26难加工材料较难切削材料调质的60Mn马氏 体不锈钢4Cr 13 9Cr18铝青铜 锆青铜及锰青铜热轧低碳钢 08 10 15钢7难切削材料奥氏体不锈钢和耐热钢正火的锰硅弹簧钢纯铜 银钨 钼高速钢三一集团材料使用手册14超高强度钢8很难切削材 料高温合金 钛合金耐低温的高合金钢1 2 2 3焊接性制造企业使用 大量的焊接件 材料的焊接性能直接影响着金属产品的质量 因此了解各种金属材料的可焊接性以及焊接的方式 对于设计 工 艺和制造人员来说都有重要意义 下面对各种金属的材料焊接性如表5所示 其中表中字母A表示通常 采用 B表示有时采用 C表示很少采用 D表示不采用 表表5各种金属材料的焊接难易程度金属及其合金焊条电弧焊埋弧焊 CO2气体保护焊惰性气体保护焊电渣焊电子束焊气焊气压焊点缝焊闪 光对焊铝热焊钎焊铸铁灰铸铁B D D B B C A D D D B C可锻铸铁B D D B B C A D D D B C合金铸铁B D D B B C A D D D A C铸钢碳素钢A A A B A B A B B A A B高锰钢B B B B A B A D B B B B纯铁A A A C A A A A A A A A碳素钢低碳钢A A A C A A A A A A A A中碳钢A A A B B A A A A A A B高碳钢A B B B B A A A D A A B工具钢B B B B A A A D B B B含铜钢A A A B A A A A A B B低合金钢镍钢A A A BB A B A A A BB镍铜钢A A A B A B A A A BB锰钼钢AAA B A BB AA BB碳素钼钢AAA B A BB A BB镍铬钢AAA B A B A D A BB铬钼钢AAA BBA BA D A BB镍铬钼钢BA BBBA BA D BBB镍钼钢BBBA BA BB D BBB铬钢A BABABA D ABB铬钒钢AAABABAD ABB锰钢AAABBABB D ABB不锈钢铬钢 马氏体 AABA CAAB C B D C铬钢 铁素体 AABACAABAAD C铬镍钢 奥氏体 AAAACAAAAAD B三一集团材料使用手册15耐热合金AAAAD ABBAAD C高镍合金AAAAD ABBAAD B轻金属纯铝B D D AD AB CAAD B非热处理铝合金B D D AD AB CAAD B可热处理铝合金B D D B D AB CAAD C纯镁D D D AD B D CAAD B镁合金DDD AD B C CAAD C纯钛DDD AD ADDADD C 钛合金DDDADADDADDD其他钛合金DDD BDADD BDDD铜合金纯铜B CBAD BB C C C