金属材料与热加工技术.docx

绪论材料的发展：公元前1200年左右，人类进入了铁器时代，开始使用的是铸铁，以后制钢工业迅速发展，称为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为“高分子时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个“材料革命”的新时代。1.金属材料 金属具有正的电阻温度系数，通常有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。包括纯金属和以金属元素为主的合金。在工程领域有把金属及其合金分为两类：（1）黑色金属，即铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；（2）有色金属，黑色金属以外的所有金属及其合金，常见有铝及铝合金，铜及铜合金等。金属材料一般有良好的综合机械性能（强度、塑性和韧性等），是工程领域应用最广的材料。金属材料是当今工程领域应用最广的材料材料的发展2.高分子材料 又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、麻等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）。其主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单元相互连接而成。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。高分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉，在工程材料中应用越来越广。 3.复合材料由两种或两种以上材料组成，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可以有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。按基本材料分类，它可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。复合材料具有极其优异性能，质轻，强度高，韧性好，可制作运动器材，而在航空航天领域更是无可替代。 第一章 金属的主要性能教学目标: .了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；强调各种力学性能指标的生产实际意义；了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。第一节 强度和塑性一、拉伸实验与拉伸曲线拉伸试样1.拉伸试样GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0第一节 强度和塑性pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；op段：比例弹性变形阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长4.应力与应变曲线(1)应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F 载荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始横截面积( mm2)(2)应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: l伸长量(mm ) = l 0原始长度( mm) (3)应力应变曲线（ - 曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同5.不同材料的拉伸曲线二、强度和刚度1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即： E= / 材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10m的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s得的布氏硬度值为120。(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )(5) 锉刀法:一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。六.冲击韧性( notch toughness ):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功A k为:A k = m g H m g h (J)钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取 N = 108八.比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。作业熟悉拉伸曲线掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用第二章 金属的晶体结构第一节金属与合金的晶体结构内容: 金属的晶体结构 合金的晶体结构 实际金属的晶体结构目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青） 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度提高的现象，称为固溶强化。 三、实际金属的晶体结构（一）、金属材料都是多晶体 我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界（二）、晶体的缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类： 点缺陷 线缺陷 面缺陷 1点缺陷空位和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。2.面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域,该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。总结1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。 2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。 3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。第二节 纯金属的结晶凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶(构)转变一、 凝固与结晶的概念1.凝固 物质由液态转变成固态的过程。二、 结晶的现象与规律一）.结晶的一般过程1.纯金属结晶时的冷却曲线2. 过冷现象与过冷度过冷现象 过冷度 T = T0 T1过冷是结晶的必要条件。 2.金属结晶的结构条件二).结晶的一般规律1.晶核的形成在一定的过冷度下,当F体F表时,晶核就形成。晶核形成的形式: *自发形核 T = 200 *非自发形核 T = 202.晶核的长大方式树枝状2.晶核的长大方式树枝状3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素v 过冷度的影响1)过冷度的影响三）细化晶粒的途径v 1）提高冷却速度第三节 金属的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变反应式:纯铁的冷却曲线第四节 二元合金相图合金 ( alloy )组元 ( 元 ) ( element ) 相 ( phase )显微组织 ( microscopic structure )一.基础知识 1.合金系 ( alloy series ) 2.平衡组织 ( statenchyma ) 3.相图 ( phase diagram ) 二.相图的建立热 分 析 法二.相图的建立100%A2.共晶相图相图与合金物理、力学性能之间的关系合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系第三章 铁碳合金相图纯铁的同素异晶转变Fe C 相图的基础知识。形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性能。Fe - Fe3C 相图的建立与分析。碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。Fe - Fe3C 相图的应用。第一节 Fe - C相图的基础知识1.纯铁的的同素异晶转变纯铁的冷却曲线2.Fe- C相图第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性能一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )二.基本组织1.铁素体 ( F ) 碳溶于Fe中的间隙固溶体。 2.奥氏体 ( A )碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体组织金相图3. 渗碳体 ( Fe3C )铁与碳形成的金属化合物。 渗碳体组织金相图4.珠光体 ( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。第 三 节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析一.Fe - Fe3C 相图的建立Fe - Fe3C 相图 Fe - Fe3C 相图二. Fe - Fe3C 相图的分析五个重要的成份点: P、S、E、C、K。四条重要的线: EF、ES、GS、FK。两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度: 1148 、727 。三.典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁 ( ingot iron )共析钢 ( eutectoid steel )亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )过共析钢 ( hypereutectoid steel )共晶白口铁 ( eutectoid white iron )亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )1.工业纯铁 ( Wc 0.0218% )2. 共析钢 ( Wc = 0.77% ) 共析钢组织金相图3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% ) 亚共析钢组织金相图4.过共析钢 ( Wc = 1.2% ) 过共析钢组织金相图5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% ) 共晶白口铁组织金相图6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% ) 亚共晶白口铁组织金相图7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% ) 过共晶白口铁组织金相图第四节 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响 碳的质量分数对平衡组织的影响。碳的质量分数对力学性能的影响。碳的质量分数对工艺性能的影响。一.碳的质量分数对平衡组织的影响二.碳的质量分数对 力学性能的影响三.碳的质量分数对工艺性能的影响对铸造性能的影响。对锻造性能的影响。对焊接性能的影响。对切削加工性能的影响。 第五节 Fe - Fe3C 相图的应用一.选择材料方面的应用二.制定热加工工艺方面的应用钢铁的冶炼1.炼铁的冶金反应特点: 2.炼钢的冶金反应特点:3.镇静钢 ( killed steel )钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧 ,Wo = 0.01%左右, 成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。 第四章 钢的热处理概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理 第一节 概述 第二节 钢在加热时的组织转变转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一.转变温度三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响 钢的本质晶粒度示意图二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 第三节 钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一.钢在热处理时的冷却方式二.过冷奥氏体的等温冷却转变 共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图三) 转变产物的组织与性能 珠 光 体 形 貌 像 索 氏 体 形 貌 像 屈 氏 体 形 貌 像三) 转变产物的组织与性能 上贝氏体组织金相图三) 转变产物的组织与性能 下贝氏体组织金相图三) 转变产物的组织与性能 低碳板条状马氏体组织金相图 高碳针片状马氏体组织金相图 亚共析钢的TTT曲线 过共析钢的TTT曲线 四) 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素三.过冷奥氏体的连续冷却转变 一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图 第四节 钢的普通热处理工艺一.钢的退火二.钢的正火三.钢的淬火四.钢的回火 回火马氏体组织金相图 第五节 钢的表面热处理工艺表面淬火化学热处理一.表面淬火1.感应加热表面淬火2.火焰加热表面淬火2)火焰加热表面淬火的特点:二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )1.钢的渗碳 ( Carburize of steel ) 固体渗碳法示意图 气体渗碳法示意图7) 渗碳后的热处理工艺8) 热处理后的组织2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel ) 渗碳与渗氮的工艺特点3.钢的碳氮共渗-氰化处理 ( Carbonitriding of steel ) 第五章 工业用钢钢的基础知识结构钢工具钢特殊性能钢 第一节 钢的基础知识一）杂质和气体的影响2.有害元素: P 有很强的固溶强化作用,低温 韧性差 ( 冷脆 )。3.气体元素:二)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A1.溶于基体中形成合金F或合金A2.与碳作用形成合金碳化物 3.单独形成特殊碳化物 三)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数1.扩大奥氏体区的合金元素 Mn 元素对奥氏体区的影响2.缩小奥氏体区的合金元素 Cr 元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和共析点参数的元素 合金元素对 S 点成分的影响合金元素对A1线的影响四)合金元素对钢的热处理的影响加热时对奥氏体形成的影响对过冷奥氏体转变的影响对回火转变的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响3.合金元素对回火转变的影响 W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。 Cr-Ni 钢的回火脆性示意图 防止第二类回火脆性的产生的方法:二.合金元素在钢中的作用三、碳素钢的编号及用途2.优质碳素结构钢3.碳素工具钢4.铸造碳钢 第二节 合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel )普通低合金钢合金渗碳钢 合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢一.普通低合金钢 ( common low alloyed steel )一.普通低合金钢一.普通低合金钢二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢4.合金渗碳钢的牌号5.典型合金渗碳钢种介绍5.典型合金渗碳钢种介绍 20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线三.碳素调质钢及合金调质钢4.合金调质钢的牌号5.典型合金调质钢种介绍5.典型合金调质钢种介绍 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢4.合金弹簧钢的牌号5.冷成形弹簧生产工艺特点五.滚动轴承钢 ( bearing steel )五.滚动轴承钢 ( bearing steel )五.滚动轴承钢 ( bearing steel )4.滚动轴承钢的牌号5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线 六.易切削钢( fee cutting steel )4.易切削钢的牌号5.易切削钢的热处理工艺特点 第三节 合金工具钢合金刃具钢 ( alloy cutting steel )合金模具钢 ( alloy die steel )合金量具钢( alloy measuring steel )一.碳素刃具钢一.碳素刃具钢二.合金刃具钢种类 : 低合金刃具钢 ; 高速钢。牌号 :1.低合金刃具钢 9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线2.高速钢 ( high speed steel )(3) W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V钢的热处理过程示意图 W18Cr4V钢淬火组织 W18Cr4V淬火+ 一次回火组织 W18Cr4V淬火+ 三次回火组织三.合金模具钢( alloy die steel )一) 热作模钢 ( hot die steel )二) 冷作模钢 ( cold die steel )四.合金量具钢 CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺 第四节 特殊性能钢不锈钢 ( stainless steel )耐热钢 ( heat resistant steel )耐磨钢 ( wear resistant steel ) 一.不锈钢 ( stainless steel ) 电化学腐蚀过程示意图 珠光体电化学腐蚀示意图1)马氏体型不锈钢 - Cr13型钢 1Cr13金相组织图2)铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢的用途3)奥氏体型不锈钢-18 8型钢 1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图二.耐热钢耐 热 钢 的 用 途三.耐磨钢( wear-resistant steel )三.耐磨钢 高锰钢铸态组织 高锰钢水韧淬火组织金相图高锰钢水韧淬火+回火组织金相图本章的作业 第六章 铸铁1.铸铁的石墨化；2.工业常用铸铁；灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁3.知识窗；4.学习指导6.1 铸铁的分类及石墨化铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。 6.1.1 铸铁的分类1白口铸铁 2麻口铸铁3灰口铸铁（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。 6.1.2铸铁的石墨化铸铁中石墨的形成过程称为铸铁的石墨化。影响铸铁石墨化的因素较多，其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。1化学成分的影响碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素；磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱；硫是强烈阻碍石墨化的元素2冷却速度的影响冷却速度快，铸铁容易产生白口铸铁组织；冷却速度慢，碳原子扩散充分，有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。 6.2.1 灰口铸铁1灰铸铁的化学成分、组织和性能（1）化学成分灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5% 40%，wSi=1.0% 25%，wMn=O5% 1.4%，wSO.15%，wP0.3%。(2)组织由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。 6.2.1 灰口铸铁（3）性能力学性能石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能 优良的性能：良好的铸造性能 良好的减震性较低的缺口敏感性良好的切削加工性良好的减摩性良好的抗压性能6.2.1 灰口铸铁6.2.2 球墨铸铁球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。 6.2.2 球墨铸铁1球墨铸铁的化学成分、组织和性能球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%3.9%，wSi=2.0%2.8%，wMn=0.6%0.8%，wS0.04%，wP0.1%, wMg=0.03%0.05%（2）组织 球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)+球状石墨(G)，铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，珠光体(P)+球状石墨(G)，下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。为铁素体球墨铸铁的显微组织。6.2.2 球墨铸铁（3）性能球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。6.2.2 球墨铸铁6.2.4 可锻铸铁 可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。6.2.4 可锻铸铁1可锻铸铁的化学成分、组织和性能1）可锻铸铁的化学成分是: wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，wMn=0.3%0.8%，wS0.2%，wP0.1%。 2）可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。 3)性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。 6.2.4 可锻铸铁知识窗1耐磨铸铁耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。根据工作条件的不同，分为以下两类：(1)抗磨铸铁 在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件，如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，应具有均匀的高硬度和必要的韧性。白口铸铁 白口铸铁生产简便，价格低廉，但脆性大，适用于冲击载荷不大的犁铧等抗磨铸件和清理抛丸机中的铁丸等。知识窗冷硬铸铁 在造型时，在铸件要求抗磨的部位作成金属型，其余部位用砂型，并适当调整化学成分(如降低含硅量)，使其要求抗磨处得到白口组织，而其余部位韧性较好，可承受一定的冲击。生产中采用此类“激冷”方法获得的抗磨铸铁称为冷硬铸铁，主要用于制造轧辊、车轮、凸轮轴等。高铬白口铸铁 向白口铸铁中加入少量的铬、钼、钨、钒、硼等元素，使之形成合金渗碳体，可提高其抗磨性，但韧性改善不多。高铬白口铸铁合金元素含量高，价格昂贵，但用其制造的零件比高锰钢提高寿命几倍甚至十几倍，最终经济效益十分显著。知识窗中锰耐磨球墨铸铁 含有wMn=5%95%，wSi=3.3%5%的中锰耐磨球墨铸铁，铸态组织为马氏体、奥氏体、碳化物和球状石墨，具有较高的耐磨性和较好的强度与韧性，不需贵重合金元素，可用冲天炉熔炼，成本低，可代替高锰钢或锻钢制造受冲击的一些抗磨零件。中锰耐磨球墨铸铁适用于制造犁铧、粉碎机锤头、球磨机磨球、衬板等。知识窗(2)减摩铸铁 在润滑条件下工作的零件，如机床导轨、汽缸套、活塞环、轴承等，其组织应为软基体上分布硬质点(强化相)。软基体磨损后形成沟槽，起储油和润滑作用，硬质点起支承作用。常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金高磷铸铁。在孕育铸铁中加入磷(wP=0.4%0.6%)，磷在铸铁中以磷共晶形式存在，呈断续网状分布，形成坚硬骨架，能大大提高铸铁的耐磨性，这种铸铁称为普通高磷铸铁。在普通高磷铸铁基础上加入适量的铬、钼、钨、铜、钒、钛等元素，以细化组织，增加珠光体含量，形成高硬度的碳化和氮化物，提高铸铁的韧性、强度和耐磨性，这种铸铁称为合金高磷铸铁，可制作发动机缸套、机床导轨等零件。知识窗2耐热铸铁耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。“生长”是指由于氧化性气体沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化，以及因Fe3C分解而发生的石墨化引起铸件体积膨胀。向铸铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸件表面形成一层致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜，能明显提高高温下的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。常用的耐热铸铁有中硅铸铁、高铬铸铁、镍铬硅铸铁等，主要用于制造加热炉附件，如炉底板、送链构件、换热器等。知识窗3耐蚀铸铁耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铗。在铸铁中加入铬、硅、铝、钼、铜、镍等合金元素，可使铸件表面形成一层致密的保护膜，还可提高铁索体的电位，增加铸铁的耐蚀能力。耐蚀铸铁种类很多，应用较广的是高硅(wSi10%18%)铸铁，其组织为：含硅铁素体+石墨+Fe3Si2。高硅铸铁广泛用于制造化工、石油、化纤、冶金等工业设备。学习指导本章基本要求： 本章主要介绍铸铁的分类、组织、性能和应用等内容。通过本章的学习，要求学生掌握铸铁的分类；学生要理解铸铁的组织与性能的关系，特别要理解铸铁中的石墨对铸铁性能的影响；学生要熟悉常用铸铁的牌号、性能特点及应用范围。本章学习要点： 1铸铁分类：白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁 2影响石墨化的因素：化学成分和冷却速度 3灰铸铁的孕育处理：在浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），改变铁水的结晶条件，从而得到细小均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织。目的是提高灰铸铁的强度。 4常用铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁）的牌号、组织特征及用途。学习方法建议： 1.牢固记忆铸铁的分类和各种铸铁的牌号。 2.各种铸铁的性能特点和用途等内容不能死记硬背，要注意对铸铁组织、性能、用途三者关系的理解。 3学习过程中，要注意各种铸铁的组织、性能、用途的比较和对比，加深对各种铸铁的印象，以便在生产实践中正确使用铸铁材料。 第七章 非铁金属及其合金概述铝及铝合金铜及铜合金滑动轴承合金 第一节 概述 第二节 铝及铝合金三.铝合金的分类四.铝合金的热处理退火 ( anneal )时效强化 ( ageing strengthening ) 回归 ( regression )一) 退火二) 时效强化 含4%Cu的铝合金自然时效曲线含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线 Al Cu 合金部分相图三) 回归 ( regression )五.常用的铝合金形变铝合金 铸造铝合金 一) 形变铝合金 ( deformation aluminum alloy )二) 铸造铝合金 ( cast aluminum alloy )铸造铝 硅合金铸造铝 铜合金铸造铝 镁合金铸造铝 锌合金 第三节 铜及铜合金 纯铜组织金相图一.黄铜 ( brass )普通黄铜 ( common brass )特殊黄铜 ( special brass )一) 普通黄铜 ( common brass )1.黄铜的牌号2.常用的黄铜二) 特殊黄铜 ( special brass )3.常用的特殊黄铜 H62 1 海军黄铜金相组织图 硅黄铜铸造组织金相图 铅黄铜退火组织金相图 锰黄铜铸造组织金相图二.青铜 ( bronze )普通青铜 ( 锡青铜 ) ( tin bronze ) 特殊青铜 ( 无锡青铜 ) ( tin free bronze ) 青铜牌号的表示方法一) 锡青铜 ( tin bronze ) 锡青铜铸造组织金相图二) 特殊青铜 ( 无锡青铜 )( tin free bronze )第四节 滑动轴承合金( bearing alloy ) 锡基轴承合金组织金相图 铅基轴承合金组织金相图第八章 常用非金属材料非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料 学习要点：1高分子材料（高聚物）是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的。聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。2塑料主要由合成树脂和添加剂组成。3常用塑料及其在生产中的用途。4工业陶瓷的特点及用途。5复合材料的特点及分类。8.1 高分子材料高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子质量(分子量)很大的化合物，其分子量一般在5000以上 。高分子化合物包括有机高分子化合物和无机高分子化合物两类。有机高分子化合物又分为天然的和合成的。机械工程中使用的高分子材料主要是人工合成的有机高分子聚合物（简称高聚物），例如塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶接剂等。高聚物是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的高分子材料聚合反应1.加聚反应 由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应. 例如乙烯加聚成聚乙烯；单体为两种或两种以上的则为共加聚，例如ABS工程塑料就是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成的。 2.缩聚反应 是由一种或多种单体相互作用而连接成高聚物的反应 ,这种反应同时析出新的低分子副产物。 酚醛树脂(电木)、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂等都是缩聚反应产物。 8.1.1 塑料1塑料的组成 塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。添加剂的种类较多，常用的主要有以下几种：（1）填料 填料可使塑料具有所要求的性能，且能降低成本。用木屑、纸屑，石棉纤维、玻璃纤维等有机材料作填料，可增加塑料强度，例如酚醛树脂中加入木屑即是俗称的电木。用高岭土、滑石粉、氧化铝、石墨、铁粉、铜粉和铝粉等无机物为填料，可使塑料具有较高的耐热性、导热性、耐磨性、耐蚀性等。（2）增塑剂 增塑剂用以增加树脂的可塑性、柔软性、流动性，降低脆性。常用的增塑剂有磷酸酯类化合物、甲酸酯类化合物和氯化石蜡等。（3）稳定剂(防老化剂) 稳定剂可增加塑料对光、热、氧等老化作用的抵抗力，延长塑料的寿命。常用的稳定剂有硬脂酸盐、环氧化合物等。（4）润滑剂 加入少量润滑剂可改善塑料成形时的流动性和脱模性，使制品表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸等。除上述添加剂外，还有固化剂、发泡剂、抗静电剂、稀释剂、阻燃剂、着色剂等。2.塑料的特性 (1)质轻、比强度高 塑料的密度为0.92.2gcm3，只有钢铁的1814。泡沫塑料的密度约001gcm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。(2)化学稳定性好 塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。(3)优异的电绝缘性 塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。(4)减摩、耐磨性好 塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。 (5)消声和吸振性好 塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。 (6)成形加工性好 塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。 (7)耐热性差 多数塑料只能在100左右使用，少数品种可在200左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。 3常用塑料(1)热塑性塑料 聚乙烯(PE) 按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低压聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。 聚氯乙烯(PVC) 分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯强度较高，绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在1560温度范围使用，用于化工耐蚀的结构材料，如输油管、容器、离心泵、阀门管件等，用途很广。软质聚氯乙烯强度低于硬质聚氯乙烯，伸长率大，绝缘性较好，在1560的温度范围使用。用于电线、电缆的绝缘包皮，农用薄膜，工业包装等。因其有毒，不能包装食品。聚丙烯(PP) 密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、硬度、刚性、耐热性均高于低压聚乙烯，可在120以下长期工作。绝缘性好，且不受湿度影响，无毒无味，但低温脆性大，不耐磨，易老化，用于一般机械零件，如齿轮、耐蚀件（如泵叶轮、化工管道、容器）；绝缘件；电视机、收音机、电扇、电机罩等壳体；生活用具，医疗器械，食品和药品包装等。聚酰胺(PA) 俗称尼龙或锦纶。强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性、成形性好，摩擦系数小，无毒无味，可在100以下使用。蠕变值大，导热性差，吸水性高，成形收缩率大。常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。用于制造耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、机床导轨、齿轮、螺母及一些小型零件。也可用于制作高压耐油密封圈，或喷涂在金属表面作防腐、耐磨涂层，应用较广。聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA) 俗称有机玻璃 透光性、着色性、绝缘性、耐蚀性好，在自然条件下老化发展缓慢，可在60100使用。不耐磨，脆性大，易溶于有机溶剂中，硬度不高，表面易擦伤。用于航空、仪器、仪表、汽车中的透明件和装饰件，如飞机窗、灯罩、电视和雷达屏幕，油标、油杯、设备标牌等。ABS塑料 是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。综合力学性能好，尺寸稳定性、绝缘性、耐水和耐油性、耐磨性好，长期使用易起层。用于制造齿轮，叶轮，轴承，把手，管道，贮槽内衬，仪表盘，轿车车身，汽车挡泥板，电话机、电视机、电机、仪表的壳体，应用较广。聚甲醛(POM) 耐磨性、尺寸稳定性、着色性、减摩性，绝缘性好，可在零下40100长期使用。加热易分解，成形收缩率大。用于制造减摩、耐磨件及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、绝缘件，化工容器，仪表外壳，表盘等，可代替尼龙和有色金属。 聚四氟乙烯(F-4) 也称塑料王 有极强的耐蚀性，可抗王水腐蚀，绝缘性、自润滑性好，不吸水，摩擦系数小，可在195250使用，但价格较高。用于耐蚀、减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架，化工用反应器、管道等。聚碳酸脂(PC) 强度高，韧性、尺寸稳定性、透明性好，可在60120长期使用。耐疲劳性不如尼龙和聚甲醛。用于制造齿轮、蜗轮、凸轮，电气仪表零件，大型灯罩，防护玻璃，飞机挡风罩，高级绝缘材料，用途很广。 聚砜(PSF) 强度、硬度、成形温度高，抗蠕变、尺寸稳定性、绝缘性好，可在100150长期使用。不耐有机溶剂和紫外线。用于制造耐热件，绝缘件，减摩、耐磨件，高强度件，如凸轮，精密齿轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩，汽车护板，电子器件等。 (2)热固性塑料酚醛塑料(PF) 俗称电木 强度、硬度、绝缘性、耐蚀性、尺寸稳定性好，工作温度100，脆性大，耐光性差，只能模压成形，价格低。用于制造仪表外壳，灯头、灯座、插座，电器绝缘板，耐酸泵，刹车片，电器开关，水润滑轴承等。氨基塑料 俗称电玉 颜色鲜艳，半透明如玉，绝缘性好，长期使用温度80，耐水性差。用于制造装饰件、绝缘件，如开关、插头、旋钮、把手、灯座、钟表外壳等。环氧塑料(EP) 俗称万能胶 强度、韧性、绝缘性、化学稳定性好，能防水、防潮、防霉，可在80155长期使用，成形工艺简便，成形后收缩率小，粘结力强。用于制造塑料模具、仪表和电器零件、电子元件及线圈及用于涂覆、包封和修复机件。 8.1.2 橡胶 1橡胶的组成与性能 橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。 橡胶具有弹性大（最高伸长率可达8001000，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。 2常用橡胶 8.2 陶瓷材料8.2.1 陶瓷的分类与性能1陶瓷的分类按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷；按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。 8.2.2 常用工业陶瓷 1普通陶瓷 质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、成本低，加工成形性好。强度低，使用温度为1200。广泛用于电气、化工、建筑和纺织行业。例如：受力不大，在酸、碱中工作的容器、反应塔、管道；绝缘件；要求光洁、耐磨、低速、受力小的导纱零件。 2氧化铝陶瓷 主要成分是A12O3。强度比普通陶瓷高26倍，硬度高(仅低于金刚石)；耐高温（陶瓷可在1600时长期使用，空气中使用温度最高为1980），高温蠕变小；耐酸、碱和化学药品腐蚀，绝缘性好。脆性大，不能承受冲击。用于制作高温容器(如坩埚)，内燃机火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件(如拉丝模)；化工、石油用泵的密封环；高温轴承；纺织机用高速导纱零件等。 3氮化硅陶瓷这类陶瓷化学稳定性好，除氢氟酸外，可耐无机酸(盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和碱液腐蚀；抗熔融非铁金属侵蚀，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好；绝缘性；热