第一章工程材料基础-机械制造基础.ppt

第1章工程材料基础 1 1金属材料的结构 1 2工程材料的性能 1 3铁碳合金 1 4常用工程材料 返回 1 5钢的热处理 浙江科技学院 材料是人类用来制作各种产品的物质 机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料 高分子材料 陶瓷材料三大类 目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料 因为金属材料来源丰富 而且具有优良的力学性能 物理性能 化学性能和工艺性能 金属材料的特性有 强度较高 塑性较好 导电性高 导热性好 有金属光泽等 高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属 但具有金属材料不具备的某些特性 如耐腐蚀 电绝缘 隔音 减震 耐高温 质轻 来源丰富 价廉 成形加工容易等优点 近年发展较快 材料性能的决定因素 化学成分 内部组织和状态 其中 化学成分 是改变性能的基础 处理 是改变性能的手段 组织 是性能变化的根据 第1节金属材料的结构 1 晶体 其内部原子在空间作有规则的排列 如食盐 金刚石等 纯金属及合金均属于晶体 2 非晶体 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积 如玻璃 沥青等 1 1 1金属的晶体结构 3 晶体结构 指晶体中原子排列的方式 如图1 1a所示 4 晶格 把晶体内的每一个原子看成一个小球 把这些小球用线条连接起来 形成一个空间格架 这种空间格架叫晶格 如图1 1b所示 5 晶胞 晶格的最小几何组成单元 如图1 1c所示 6 晶格常数 晶胞中各棱边的长度 单位为 7 金属中常见的晶体结构 体心立方晶格 晶胞是一个正六方体 立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子 如图1 2a 其原子个数为 如铬 钠等 面心立方晶格 晶胞是一个正六方体 立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子 如图1 2b 其原子个数为 如铝 铜等 密排六方晶格 晶胞是一个正六方柱体 在六方柱体的十二个角上和上 下底面的中心各有一个原子 在上 下底面之间还均匀分布着三个原子如图1 2c 其原子个数为 如镁 锌等 1 1 2合金的晶体结构 1 固溶体合金在固态下溶质原子溶入溶剂 仍保持溶剂晶格 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同 可分为置换固溶体 如黄铜 和间隙固溶体 如铁素体和奥氏体 如图1 3和图1 4所示 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素 通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质 组元是组成合金的最基本的 独立的单元 组元可以是金属 非金属或化合物 如渗碳体 合金的晶体结构大致可归纳为3类 即固溶体 金属化合物和机械混合物 固溶强化 当溶质原子溶解在溶剂晶体中时 溶剂的晶格将发生畸变 晶格常数发生变化 如图1 5所示 原子尺寸相差大 化学性质不同 都使畸变增大 结果合金的强度 硬度和电阻增高 塑性 韧性下降 溶入的溶质原子越多 引起的晶格畸变也越大 这种由于溶质原子的溶入 使基体金属 溶剂 的强度 硬度升高的现象就叫固溶强化 2 金属化合物组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质 它的晶体结构与性能 和原两组元都不同 如渗碳体就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物 一般具有高硬度和高脆性 3 机械混合物由两种或两种以上的组元 固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物 混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体 如铁素体和渗碳体形成珠光体 混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能 及其数量 大小 分布和形态 1 1 3金属的结晶 1 结晶 指金属的原子由近程有序状态 液态 转变成长程有序状态 晶态 的过程 2 纯金属结晶的冷却曲线 金属液非常缓慢的冷却时 记录温度随时间而变化的曲线 如图1 6所示 出现水平线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热 补偿了金属向周围散失的热量 3 过冷 在实际结晶过程中 金属液只有冷却到理论结晶温度 熔点 以下的某个温度时才结晶的现象 理论结晶温度和实际结晶温度之间的温度差叫过冷度 它与冷却速度有关 冷却越快 过冷度越大 反之 图1 6冷却曲线 4 结晶过程 晶体形核和成长过程 如图1 7所示 在液体金属开始结晶时 在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团 成为结晶的核心 即晶核 形核过程 然后原子按一定规律向这些晶核聚集 而不断长大 形成晶粒 成长过程 在晶体长大的同时 新的晶核又继续产生并长大 当全部长大的晶体都互相接触 液态金属完全消失 结晶完成 由于各个晶粒成长时的方向不一 大小不等 在晶粒和晶粒之间形成界面 称为晶界 图1 7结晶过程示意图 5 单晶体 结晶后 每个晶核长成为一个晶体 称为单晶体 6 多晶体 由许多外形不规则 大小不等 排列位向不同的小颗粒晶体组成 在多晶体中 这些小颗粒晶体叫晶粒 晶粒与晶粒之间的界面叫晶界 晶粒的大小影响材料的力学 物理 化学性能 一般情况下 晶粒越细 强度和硬度越高 塑性和韧性越好 因为晶粒越细小 晶界就多 晶界处的晶体排列极不规则 界面犬牙交错 互相咬合 因而加强了金属之间的结合力 7 细晶强化 用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能 金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关 晶核越多 长大速度越慢 晶粒越细 而过冷度越大 产生的晶核越多 晶核多 每个晶核长大受到制约 形成的晶粒就越细小 为了合理地使用和加工金属材料 必须了解其使用性能和工艺性能 第2节工程材料的性能 使用性能 指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能 它决定了金属材料的应用范围 使用的可靠性和寿命 包括力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 指金属材料在冷 热加工过程中应具备的性能 它决定了金属材料的加工方法 包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能和热处理性能 1 2 1金属材料的性能 金属材料的刚度 强度 弹性 塑性是通过拉伸实验来测定的 标准试样如图1 8所示 把试样安装在拉伸试验机上 并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力 试样产生变形 直至断裂 力学性能 机械性能 指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能 金属材料的力学性能主要有 刚度 强度 弹性 塑性 硬度 冲击韧度 断裂韧度和疲劳强度等 1 2 1 1金属材料的力学性能 图1 8圆形拉伸试样 拉伸曲线 以低碳钢为例 其拉伸曲线如图1 9所示 负荷为纵坐标 绝对伸长量为横坐标 图1 9低碳钢拉伸曲线 1 强度 拉伸曲线oe段是直线 金属材料处在弹性变形阶段 应力与应变成正比例关系 服从虎克定律 其比值称弹性模量 是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标 1 弹性极限 金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值 单位MPa 即 2 抗拉强度 当负荷继续增加超过s点后 变形量随着负荷的增加而急剧增加 当负荷超过b点 变形集中在试样的某一部位上 试样在该部位出现缩颈现象 拉伸变形集中在缩颈处 继续施加负荷 试样在k点断裂 材料断裂前所承受的最大应力 即为抗拉强度 强度极限 它也是试样能够保持均匀塑性变形的最大应力 3 屈服点 开始产生屈服现象时的应力称为屈服点 其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力 也即材料抵抗微量塑性变形的能力 条件屈服极限 有些塑性较低的材料没有明显的屈服点 难于确定产生塑性变形的最小应力 故规定当试样产生0 2 的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度 称为条件屈服极限 零件设计时对塑性材料采用屈服强度 脆性材料采用抗拉强度 2 塑性塑性指金属材料在静载荷作用时 在断裂前产生塑性变形的能力 反映材料塑性的力学性能指标有延伸率和断面收缩率 1 延伸率 指试样拉断后其标距长度的相对伸长值 即 2 断面收缩率 指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值 3 硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力 也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标 工程上常用的有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 1 布氏硬度HBS HBW 布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的 用一定直径的钢球或硬质合金球为压头 以相应的实验力压入试样表面 保持规定的时间后 卸除实验力 在试样表面形成压痕 以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值 如图1 10示 图1 10布氏硬度实验原理图 在做布氏试验时 只需测量出d值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值 压头为钢球时 为HBS 适用于布氏硬度450以下的材料 压头为硬质合金球时 为HBW 适用于布氏硬度650以下的材料 优点 测量结果准确 缺点 压痕大 不适合成品检验 2 洛氏硬度 洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据 如图1 11所示 可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出 它是一个相对值 人们规定每0 002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位 洛氏硬度用HRA HRB和HRC来表示 HRC采用顶角为120 的金刚石圆锥体为压头 施加150kgf的外力 主要用于淬火钢等较硬材料的测定 常用硬度值为20 67HRC HRA采用外加载荷为60kgf 用于测量高硬度薄层 常用硬度值为70 85HRA HRB采用直径1 588mm的钢球 100kgf的外加载荷 用于硬度较低的材料 常用硬度值为25 100HRB 优点 测量迅速简便 压痕小 可在成品零件上检测 3 维氏硬度HV 测试的基本原理与布氏硬度相同 但压头采用锥面夹角136 的金刚石正四棱锥体 维氏硬度试验所用载荷小 压痕深度浅 适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度 试验载荷可任意选择 故可测硬度范围宽 工作效率较低 4 疲劳强度 1 交变应力 周期性应力 应力的大小 方向周期性变化 有对称周期性应力和非对称周期性应力 2 疲劳 构件在低于屈服强度的交变应力作用下 经过较长时间工作而发生突然断裂 而无明显的塑性变形的现象 3 疲劳曲线 反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线 如图1 12所示 图1 12疲劳曲线 4 疲劳极限 由图1 12可见 应力愈高 循环次数愈少 反之亦然 当应力低到一定值时 循环次数无穷大 表示材料可经无限次应力循环而不失效 此应力即为疲劳强度 疲劳极限 对称弯曲疲劳极限用表示 无限次当然不是数学上的无穷大 只是一个很大的数而已 对于钢铁材料为107 有色金属材料为108 5 冲击韧度指金属材料抵抗冲击负荷的能力 可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值 如图1 13 1 14所示 冲击韧度值可用下式计算 物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能 如密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性和磁性等 1 2 1 2金属材料的物理和化学性能 化学性能是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能 如材料的耐腐蚀性能 抗氧化性能和化学稳定性能等 1 2 1 3金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力 按工艺方法的不同 可分为铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能和热处理性能 1 铸造性能 指利用金属的可熔性将其熔化后 注入铸型制成铸件的难易程度 包括金属液体的流动性和收缩性 2 锻造性能 指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力 3 焊接性 指材料被焊接的难易性质 4 切削加工性 表示对材料进行切削的难易程度 可用切削抗力的大小 加工表面质量 排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量 5 热处理工艺性 指标有淬硬性 淬透性 淬火变形与淬裂 表面氧化与脱碳 过热与过烧 回火稳定性与脆性 非金属材料的基本性能包括物理性能 力学性能 与水有关和与热有关的性能及耐久性 1 2 2非金属材料的性能 1 2 2 1非金属材料的力学性能 非金属的力学性能包括强度 刚度 韧性 蠕变性 减摩性等 一般高分子材料的塑性 刚度 韧性较钢低 但具减摩性 陶瓷在常温下不具塑性 冲击韧度 断裂韧度 抗拉强度比金属低 1 强度 金属材料一般用拉伸试验测定 而脆性材料如陶瓷和玻璃采用弯曲试验 高聚合物的应力 应变用拉伸试验 强度和变形的概念与金属材料相同 不同处如下 2 变形 除弹性变形 塑性变形 弹性模量外 还有徐变 蠕变 松弛 徐变指材料在恒定载荷的作用下 随时间的延长而变形不断增长的现象 松弛指总的变形不变 但塑性变形增大 弹性变形减小 载荷与应力逐渐降低的现象 1 2 2 2非金属材料的物理性能 1 松散密度 材料在自然状态下包括孔隙或空隙在内的单位体积的质量 即 2 密度 材料在绝对密实状态下单位体积的质量 式中 松散密度 kg m3 材料的质量 kg 材料在自然状态下的体积 m3 3 孔隙 用孔隙率作为衡量指标 即材料内部空隙体积占材料总体积的百分比 4 材料的胀缩 指由于大气中温度 湿度变化或其他介质的作用而导致的材料的膨胀或收缩 1 2 2 3与水有关的性能 水对材料性能有很大影响 特别对强度 抗腐蚀性 耐久性 主要有亲水性 吸水性 耐水性 抗渗性 1 亲水性 材料在空气中与水接触 如果材料分子与水分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力 水就能湿润材料的表面 三相 材料 水 空气 交点处 沿水滴表面的切线与材料表面的夹角叫湿润角 如果为亲水性材料 反之为憎水性材料 2 吸水性 指材料吸收水分的能力 材料吸水达到饱和状态时的含水率叫吸水率 他与孔隙率和孔隙特征有关 3 耐水性 指材料长期在水的作用下 其强度不显著降低的性能 4 抗渗性 指材料抵抗压力水渗透的性能 1 导热性 与金属材料的导热系数相同 1 2 2 4与热有关的性能 2 热容 指材料在加热时能吸收热量 冷却时能放出热量的性质 单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容c J kg K 3 耐热性 指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力 4 耐燃性 指材料对火焰和高温的抵抗性能 可分为不燃材料 难燃材料 易燃材料 5 耐火性 指材料长期抵抗高热而不熔化的性能 耐熔性 耐火材料还应不变形 能承载 分为耐火材料 难熔材料 易熔材料 思考题 1 解释下列名词术语 晶体 晶格 过冷 固溶体 化合物 机械混合物 3 何谓硬度 硬度实验方法主要有哪几种 并简单介绍其中一种 4 材料的工艺性能包括哪几种 5 非金属材料与水和热有关的性能主要有 2 试述纯金属的结晶过程 第3节铁碳合金 1 3 1铁碳合金的基本组织和性能 1 铁的同素异晶转变金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶 构 转变 金属的同素异构转变也是一种结晶过程 有一定的转变温度和过冷度 也有晶核的形成和长大两个阶段 故同素异构转变又称为重结晶 铁的同素异构转变如下所示 2 铁素体 F 碳溶于中的固溶体 它保持体心立方晶格结构 其显微组织如图1 15 溶解度 0 008 0 02 故性质接近纯铁 强度 硬度低 塑性 韧性好 3 奥氏体 A 碳溶于中的固溶体 保持面心立方晶格结构 其显微组织如图1 16 溶解度 0 77 2 11 其强度和硬度略高于铁素体 塑性 韧性较好 4 渗碳体 Fe3C 铁和碳组成的金属化合物 复杂斜方晶体结构 含碳量为6 69 其硬度很高 塑性 韧性几乎为零 脆性极大 在一定条件下分解为铁和石墨 6 莱氏体Ld莱氏体在7270C以上 由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物 称为高温莱氏体Ld 在7270C以下 该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物 称为低温莱氏体Ld 其显微组织如图1 18 其力学性能与渗碳体相似 硬度较高 脆性较大 5 珠光体P珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物 其显微组织如图1 17 珠光体强度较高 塑性 韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间 1 3 2铁碳合金相图 铁碳合金相图 表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分 相 组织与温度的关系图 利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律 从而为更好的利用它们 并为制定热处理 压力加工等工艺规程打下基础 在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图 如图1 19所示 钢 含碳量小于2 11 的铁碳合金 铸铁 含碳量大于2 11 的铁碳合金 图1 19铁碳合金相图 L L A A F A F F P P P Fe3CII P Fe3CII Ld A Fe3CII A Fe3CII Ld Ld Ld L Fe3CI Ld Fe3CI Ld Fe3CI 相图上的特性线和点如下 2 AECF线 固相线 当合金冷却到此线时 金属液全部结晶为固相 在此线以下区域为固相 1 ACD线 液相线 当金属液冷却到此线时开始结晶 在此线以上区域为液相 由于图中左上角部分在实用中用处不大 故不予分析 3 A点 纯铁的熔点 15380C 4 D点 渗碳体的熔点 12270C 5 C点 共晶点 温度11480C 成分4 3 C 共晶 指合金在一定的条件 温度 成分 下 由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体 而形成一种特殊的共晶体组织的转变 即 6 ECF线 共晶线 含碳量在2 11 6 69 的铁碳合金 冷却到此线时 1148度 将发生共晶反应 同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体 7 ES线 是碳在中的溶解度曲线 E点表示在11480C时碳在中的最大溶解度为2 11 随着温度降低 溶解度下降 即含碳量大于0 77 的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体 次生渗碳体 常称为Acm线 8 GS线 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线 常称为A3线 10 PSK线 共析线 含碳量在0 02 6 69 的铁碳合金 冷却到此线时 7270C 将发生共析反应 从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体 即A1线 9 S点 共析点 温度7270C 成分0 77 共析转变 指合金在一定条件下 由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程 即 1 3 3铁碳合金的组织转变 工业纯铁含碳量小于0 0218 的铁碳合金 钢含碳量在0 0218 2 11 的铁碳合金 共析钢含碳量等于0 77 亚共析钢含碳量小于0 77 过共析钢含碳量位于0 77 2 11 白口铸铁含碳量在2 11 6 69 的铁碳合金共晶白口铸铁含碳量等于4 3 亚共晶白口铸铁含碳量位于2 11 4 3 过共晶白口铸铁含碳量位于4 3 6 69 1 钢的结晶过程为方便起见 按照铁碳合金的分类 把相图分为钢和白口铁两部分 如图1 20为经过简化的钢的铁碳合金相图 下面分析其结晶过程 1 共析钢 如图I号合金 的结晶过程 其室温组织为珠光体 为层片状组织 具有较高的强度 800MPa 硬度HBS 230 塑性较低 12 2 亚共析钢 如图II号合金 的结晶过程 其室温组织为铁素体加珠光体 其显微组织如图1 21a 其性能介于铁素体和珠光体之间 随含碳量升高 珠光体量增多 故强度硬度增加 塑性韧性下降 3 过共析钢 如图III号合金 的结晶过程 其室温组织为渗碳体加珠光体 其显微组织如图1 21b 随含碳量升高 渗碳体量增多 故硬度增加 韧性下降 铸铁根据含碳量的不同可分为共晶白口铸铁 4 3 C 亚共晶白口铸铁 4 3 C 其简化的铁碳合金相图如图1 22所示 下面分别分析其结晶过程 2 白口铸铁的结晶过程 1 共晶白口铸铁 如图V 的结晶过程 其室温组织为莱氏体 其室温组织为珠光体加莱氏体 显微组织如图1 23a 2 亚共晶白口铸铁 如图IV 的结晶过程 3 过共晶白口铸铁 如图IIV 的结晶过程 其室温组织为渗碳体加莱氏体 显微组织如图1 23b 1 3 4铁碳合金相图的应用 1 在铸造中的应用 根据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度 可确定合金的浇注温度 知道合金的凝固温度范围 判断流动性以及缩孔 缩松的倾向 共晶成分的合金 结晶温度较低 偏析较小 流动性好 因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分 2 在锻造中的应用 钢中有奥氏体组织时 塑性好 变形是抗力低 便于塑性变形 故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围 3 在热处理中的应用 相图反映了不同成分的合金在缓慢加热或冷却时 所发生的组织转变温度 是制订热处理工艺的依据 思考题 1 何谓奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体 莱氏体 它们的性能如何 2 试简述铁碳合金状态图中C点 S点 ECF线 PSK线 ES线和GS线的物理含义 3 试分析含碳0 4 C 0 77 C 1 0 C 3 0 C 4 3 C和5 0 C的合金在极缓慢冷却时组织的转变过程 并指出其室温组织 第4节常用工程材料 1 4 1常用工程材料的分类 钢 1 4 2 1碳素钢分类和牌号 1 按钢的含碳量分类 低碳钢中碳钢高碳钢 2 按钢的质量分类 有害杂质硫 磷的含量普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢 1 4 2常用金属材料 1 分类 3 按用途分为 碳素结构钢 制造各种机器零件及工程构件 大都是低碳钢 中碳钢 属普通碳素钢或优质碳素钢 碳素工具钢 制造各种刃具 量具和模具等 大都是高碳钢 属优质钢或高级优质钢 4 按冶炼时脱氧程度的不同分类沸腾钢 不脱氧的钢 镇静钢 完全脱氧钢 半镇静钢 半脱氧钢 5 按金相组织分亚共析钢 共析钢 过共析钢 2 普通碳素结构钢含碳量在0 06 0 38 之间 硫 磷含量较高 在供应状态下使用 不需热处理 常用于一般工程结构及普通零件 其牌号 表示方法 由代表屈服点的字母Q 屈服点的数值 质量等级符号 A B C D 和脱氧方法符号 F b Z TZ 组成 如Q235 A F 表示其屈服点为235MPa 质量等级为A级 沸腾钢 3 优质碳素结构钢按化学成分和力学性能供应 杂质含量少 表面质量 组织结构的均匀性较好 需经热处理 用于重要的零件 其牌号采用两位数字来表示 表示该钢号的平均含碳量的万分之几 根据含锰量不同分为普通含锰量 0 25 0 8 和较高含锰量 0 75 1 2 两种 后者加 Mn 如20钢为含碳0 2 65Mn为含碳0 65 较高含锰量 1 4 2 2合金钢分类和牌号 1 分类 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 建筑及工程用钢或构件用钢 机器制造用钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 刃具钢 模具钢 量具钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 磁钢 1 按用途分 2 按合金元素含量 质量分数 分 3 按所含合金元素种类分为 铬钢 锰钢 镍钢 铬锰钢 硅锰钢等 4 按金相组织分为 珠光体钢 马氏体钢 贝氏体钢 奥氏体钢 2 合金结构钢 1 低合金结构钢 Q 质量等级符号 如Q345C Q表示屈服点的 屈 345表示屈服点数值 C表示质量等级 有A B C D E五个等级 2 合金结构钢 数字 化学元素符号 数字 前面数字表示钢的平均含碳量 以万分之几表示 后面数字表示该合金元素的平均含量 以百分之几表示 但低于1 5 时不标 若为高级优质钢在最后加 A 字 如60Si2Mn 滚动轴承钢 GCr15SiMn 4 特殊性能钢特殊性能钢牌号为数字 化学元素符号 数字 前面数字表示钢的平均含碳量 以千分之几表示 但当平均含碳量小于等于0 03 时标为00 小于等于0 08 时标为0 如2Cr13 3 合金工具钢合金工具钢牌号为数字 化学元素符号 数字 前面数字表示钢的平均含碳量 以千分之几表示 但高于1 0 时不标 高速钢例外 其低于1 0 时也不标 其余同合金结构钢 如5CrMnMo 1 铸铁铸铁含碳量大于2 11 的铁碳合金 一般含碳量2 5 4 0 含有较多的硅 锰 硫 磷等杂质 根据碳在铸铁中的存在形态可分为 1 白口铸铁 即生铁 碳除少量溶于铁素体外 绝大部分以渗碳体形式存在 其断口呈银白色 特点是硬和脆 难以加工 但耐磨 一般不直接用来制造机器零件 常用作炼钢原料或制造可锻铸铁件 2 灰铸铁 碳主要以自由状态的片状石墨形态存在 如图1 24 断口为暗灰色 强度低 塑性差 但易切削 减摩消振性好 且铸造性能好 应用最广泛 图1 24片状石墨 1 4 2 3铸铁和铸钢 3 可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形态存在 如图1 25 因而有较高的塑性和韧性 用于受冲击和振动的薄壁小件 可锻铸铁由白口铸铁经高温退火处理获得 图1 25团絮状石墨 4 球墨铸铁 铁液在浇注前经球化处理 碳大部分或全部以自由状态的球状石墨存在 如图1 26 有时出现少量团絮状 强度 塑性均高于可锻铸铁 抗拉强度甚至高于碳钢 图1 26球状石墨 2 铸钢 1 铸钢件 将钢液直接铸成零件毛坯 以后不再进行锻造的钢件 常用于要求较高而复杂的零件 2 含碳量 铸造碳钢的含碳量在0 20 0 60 之间 含碳量太高则塑性差 易冷裂 硫 磷含量在0 040 以下 3 牌号 ZG 两组数字 表示 数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值 如ZG200 400 1 4 2 4有色金属 纯铜的性能特点 具有很高的导电导热性 仅次于银 化学稳定性高 抗大气腐蚀性好 无磁性 塑性好 但强度低 工业生产中通常称铁和铁基合金为黑色金属 而把铁和铁基合金以外的金属称为有色金属 1 铜及铜合金 铜及其合金是人类应用最早的金属 目前工业上使用的主要有工业纯铜 黄铜 青铜 1 工业纯铜 纯铜呈玫瑰红色 因表面经常形成一层紫红色的氧化物 俗称紫铜 电解铜 其熔点为10830C 密度为8 96g cm3 为面心立方晶格 牌号 工业纯铜牌号为T 顺序号 共有T1 T2 T3 T4 序号越大 纯度越低 2 黄铜 黄铜以锌为主要合金元素的铜基合金 它具有良好的力学性能 加工成形性 导电性和导热性 价格较低 是重有色金属中应用最广的金属材料 可分为普通和特殊黄铜两类 按加工方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜 压力加工普通黄铜 也叫二元黄铜 是Cu Zn二元合金 根据含锌量分为 小于39 单相 黄铜 39 45 双相 黄铜 相是锌溶于铜中的固溶体 溶解度随温度的下降而增大 为面心立方晶格 塑性好 可冷热加工 相是以电子化合物CuZn为基的固溶体 室温下较脆 但加热到4500C以上时 塑性良好 其性能随锌含量 压力加工特殊黄铜 在铜锌二元合金的基础上加入其它合金元素组成的多元合金 常加入硅 铅 铝 锰等 称为硅黄铜 铅黄铜 铝黄铜 铅能改善切削加工性能 提高耐磨性 故铅黄铜用于钟表零件 硅能显著提高黄铜的机械性能 耐蚀性 具良好铸造性能 用于船舶及化工零件 其牌号为 增加 起初强度塑性提高 而后由于出现了相 强度继续升高 但塑性下降 直至全部为相时 强度塑性急剧下降 如图1 27所示 其牌号为H 铜的名义质量分数 如H62 而H70 H68又称为三七黄铜 因强度高 塑性好常用来制作枪弹壳和炮弹筒 有 弹壳黄铜 之称 图1 27黄铜的机械性能与含锌量的关系 H 主加元素符号 铜及各合金元素的名义质量分数 如HPb59 1 铸造黄铜 采用铸造方法来生产的黄铜 其代号为ZCu 合金元素1的化学符号及其名义质量分数 合金元素2级其名义质量分数 如ZCuZn38 ZH62 ZCuZn40Pb2 ZHPb59 1 3 青铜青铜 除黄铜 白铜以外的铜合金均称为青铜 工业上常用的有锡青铜 铝青铜 铍青铜等 一般都有高的耐蚀性 较高的导电导热性及良好的切削加工性 分为压力加工青铜和铸造青铜两类 前者的代号为Q 第一个主加元素的化学符号及其名义质量分数 数字 其它合金元素的名义质量分数 如QSn4 3表示含锡4 含锌3 后者的代号为ZCu 合金元素1的化学符号及其名义质量分数 合金元素2及其名义质量分数 如ZCuSn10Zn2 锡青铜 以锡为主要添加元素的铜基合金 耐蚀 耐磨 强度高 弹性好 常用牌号有QSn4 3等 用于弹簧 轴瓦 衬套等耐磨零件 铝青铜 以铝为主要合金元素的铜基合金 它有良好的力学性能 耐蚀 耐磨 有良好的铸造性能 受冲击无火花 常用牌号有QAl9 4 QAl5等 用于轴套 齿轮 蜗轮 管路配件等 铍青铜 以铍为主要合金元素的铜基合金 有很高的强度 硬度疲劳极限和弹性极限 耐蚀 耐热 无磁性 导电导热性好 受冲击无火花 冷热加工 铸造性能均好 常用牌号有Qbe2 主要用于制作高级精密的弹性元件 如弹簧 膜片 特殊要求的耐磨零件 如钟表的齿轮和发条 高速高温高压下的轴承 衬套 2 铝及铝合金 1 工业纯铝 其熔点为660 370C 密度为2 7g cm3 为面心立方晶格 呈银白色 强度 80 100MPa 和硬度 20HBS 很低 塑性 80 很高 有良好的导热导电性 工业纯铝为L1 L7 其顺序数越大 纯度越低 2 铝合金 由于纯铝的强度低 不宜作承力结构材料 向纯铝中加入适量的硅 铜 镁 锌 锰等元素 通过固溶强化 沉淀硬化及组织强化 而得到的高强度合金 铝合金的分类 根据铝合金的成分以及生产工艺特点 铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金 铝合金的一般类型相图如图1 28所示 在D点以左的合金 在加热到DF线以上时 得到单相固溶体组织 塑性好 适于压力加工 故称形变铝合金 成分在F点以左的合金 冷却时组织不随温度变化 故不能热处理强化 因而称为热处理不能强化铝合金 在D点以右为铸造铝合金 形变铝合金 在加热时能形成单相的固溶体 塑性很好 适于冷热压力加工的铝合金 又可分为 热处理不能强化的铝合金和热处理能强化的铝合金 图1 28铝合金状态图的一般类型 铸造铝合金 含有低熔点的共晶体 液态流动性较高 适于铸造的铝合金 它具有良好的力学性能 抗蚀性及良好的工艺性能 而且生产工艺较为简便 成本较低 用途较广 其合金代号为ZL 三位数字 第一位为合金系 1位铝硅系 2位铝铜系 3位铝镁系 4位铝锌系 后两位为顺序号 1 4 3非金属材料 通常认为除金属材料以外的材料都是非金属材料 主要有高分子材料 陶瓷材料 1 塑料塑料以有机合成树脂为主 加入适量的添加剂 在一定温度和压力作用下加工成形的玻璃态高分子材料 塑料的组成 合成树脂和某些添加剂 树脂 它是低分子化合物经聚合反应形成的高分子化合物 是塑料的主要成分 其种类 性质 含量等对塑料的性能起决定作用 塑料多以树脂来命名 添加剂 是在塑料中 有目的加入的某些固态物质 以弥补树脂自身性能的不足 1 填料 为增加塑料的强度而加入的 如木粉 高岭土 石墨等 2 增塑剂 使大分子链的距离拉开 降低分子间的作用力 增加柔顺性 如甲酸酯类化合物 3 固化剂 在高聚物中生成横跨链 使分子交联 树脂由线型结构变成体型结构 如乙二胺 4 稳定剂 又称防老化剂 一般加入量在千分之几 防止过早老化的作用 如硬脂酸钙 5 其它 按性能要求加入一定量的润滑剂 染料 发泡剂 阻燃剂等 塑料的分类 1 按热性能分为热塑性塑料和热固性塑料 热塑性塑料 加热软化 可熔成粘稠状的液体 冷却时硬化成所需的形状 再加热时又重新软化 如聚氯乙烯 聚酰胺等 热固性塑料 树脂受热先软化 继续加热又硬固化 大分子由线型结构变成体型网状结构 固化后加热则不再软化 如酚醛塑料 2 按应用范围分 通用塑料 工程塑料 特种塑料 2 橡胶橡胶是指在很宽的温度范围 50 1500C 均处于高弹态 在很小的力作用下可发生很大的弹性变形 外力去除后能瞬间恢复原来的状态的经过硫化 并加入了配合剂的高分子材料 橡胶的组成 生产中把未经硫化的天然胶与合成胶称为生胶 硫化后的胶称为橡胶 为提高橡胶制品的性能 常添加各种配合剂 1 硫化剂 使生胶分子相互交联成为网状结构 天然橡胶中常加硫磺 合成橡胶则还要加入过氧化物及金属氧化物 2 促进剂 常选用有机化合物 以缩短硫化时间 降低硫化温度 3 软化剂 常选用硬脂酸 精制蜡 凡士林等 增加橡胶的塑性 改善粘附力 降低硬度和提高耐寒性 4 补强剂 常选用碳黑 白碳黑 以提高强度 硬度 增强耐磨性 橡胶的分类 按来源分为天然橡胶和合成橡胶两大类 常用橡胶有 天然橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 特种橡胶有 聚胺脂橡胶 硅橡胶等 3 陶瓷陶瓷是陶器和瓷器的总称 发展到近代泛指全部硅酸盐材料 而现代则扩展到所有无机非金属材料 它与金属材料 高分子材料构成三大固体材料 陶瓷是由金属元素和非金属元素的化合物构成的多晶材料 其显微组织是由晶相 玻璃相 气相组成的 陶瓷生产工艺特点 先成形 后烧结 如传统陶瓷选用天然原料 粘土 高岭土等 经粉碎 成形 干燥 烧结而成 常用工业陶瓷的分类 1 普通陶瓷 粘土类陶瓷 以高岭土 长石 石英为原料制成 产量大 应用广 如日用陶瓷 瓷器 建筑业等 2 氧化铝陶瓷 以Al2O3位主要成分的陶瓷 也称高铝陶瓷 其熔点高 耐高温 并有较高的强度 硬度及耐磨性 但脆性大 用于制造耐高温材料 刀具材料和电绝缘材料 3 碳化硅陶瓷 以碳化硅为主要成分的陶瓷 具有优异的高温强度 良好的热稳定性 耐磨性 耐蚀性及抗蠕变性 主要用于制造热电偶套管 炉管 火箭喷嘴 高温轴承 热交换器 砂轮 磨料等 4 氮化硅陶瓷 以氮化硅为主要成分的陶瓷 稳定性极强 除氢氟酸外 能耐各种酸 碱的腐蚀 具有良好的耐磨性 摩擦系数和热膨胀系数小 具有自润滑性 用于制造耐磨 耐腐蚀 耐高温 绝缘及切削刀具等 第5节钢的热处理 热处理 将固态金属或合金在一定介质中加热 保温和冷却 以改变其整体或表面组织 从而获得所需性能的工艺方法 热处理的三个阶段 加热 保温 冷却 如图1 29所示是最基本的热处理工艺曲线 1 加热和冷却时的转变温度 要使钢的组织发生变化 必须加热到相变温度以上 相变温度可由相图来确定 但在实际加热和冷却时 合金有过冷和过热现象 如图1 30所示 加热时实际相变温度偏高 冷却时偏低 加热和冷却速度越快 偏离越严重 常用 表时加热时偏离的相变温度 用 表示冷却时偏离的相变温度 图1 30加热 冷却 时相变温度 1 5 1热处理过程中的组织转变 2 钢在加热时的组织转变 奥氏体化 为使热处理获得所需的性能 将钢加热到临界温度以上 使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程 奥氏体的形成 以共析钢为例 共析钢的组织室温时为珠光体 F Fe3C 当加热到以上时 珠光体转变为奥氏体 其过程如下 2 奥氏体晶核长大 通过原子扩散 使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改组为面心立方晶格 1 奥氏体晶核形成 首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核 因为相界面的原子排列紊乱 晶体缺陷较多 易于形核 3 残余渗碳体的溶解 铁素体先消失 渗碳体继续向奥氏体溶解完 4 奥氏体均匀化 残余渗碳体溶解完后 碳的浓度并不均匀 在原来渗碳体的地方碳含量高 铁素体处低 保温一定时间 碳原子扩散 得到均匀的奥氏体组织 亚共析钢和过共析钢 加热到时 只有珠光体转变为奥氏体 随着加热温度升高 铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体转变 到加热温度超过或时 才全部转变成奥氏体 珠光体组织比较细密 形成奥氏体的晶核较多 因而珠光体刚转变成奥氏体时 其晶粒比较细小 但若升高温度或保温时间过长 晶粒将长大 3 钢在冷却时的组织转变 热处理工艺中常用的冷却方式 连续冷却 等温冷却 钢经奥氏体化后 冷却条件不同 转变产物的组织结构 性能均不同 1 连续冷却 将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却 使其在临界点以下变温连续转变 2 等温冷却 将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度 进行保温 使过冷奥氏体在该温度下恒温转变 注 过冷奥氏体 冷却至A1以下尚未转变的奥氏体 是暂时存在的 处于不稳定状态的奥氏体 下面以共析钢为例 分析奥氏体在不同温度下冷却时的组织转变 奥氏体等温转变图 将不同等温转变过程中奥氏体转变开始和终结时间 标注在温度时间坐标系中 分别连接开始转变点和终结点 所得的图即为等温转变图 共析钢的等温转变图如图1 31所示 A1为奥氏体转变的临界温度 此线以上为奥氏体稳定区 左边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变开始线 其左方为过冷奥氏体区 右边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变终结线 其右方为转变产物区 中间为转变区 下方的两条水平线分别为马氏体 图1 31共析钢等温转变图 依据等温转变图 奥氏体的转变过程如下 转变开始线 Ms 2300C 和终结线 Mf 500C 由图可知 过冷奥氏体等温转变的孕育期不同 以转变开始线与纵坐标的距离来表示 孕育期越长 过冷奥氏越稳定 C曲线鼻尖部位 约5500C 转变最快 图3 3共析钢等温转变图 1 高温转变 珠光体转变 在A1线至5500C 转变产物为铁素体与渗碳体片层相间的珠光体型组织 其中在A1 6500C为粗片状珠光体 硬度在17 23HRC 6500C 6000C为较细片状珠光体 亦称索氏体 硬度在23 32HRC 6000C 5500C为极细片状珠光体 亦称托氏体 硬度在33 40HRC 层片越细 强度 硬度越高 塑性韧性越好 2 中温转变 贝氏体转变 在5500C Ms温度范围内 得到过量碳浓度的铁素体和微小的渗碳体混合物 在5500C 3500C 得到羽毛状的上贝氏体 硬度较高40 45HRC 强度较低 塑性韧性较差 在3500C Ms 得到黑色针状的下贝氏体 硬度高45 55HRC 强度较高 塑性韧性较好 图1 31共析钢等温转变图 马氏体可分为片状马氏体和板条状马氏体 含碳量C 1 0 的为片状 其硬度高 脆性大 含碳量C 0 2 的为板条状马氏体 其强度 韧性较好 含碳量0 2 C 1 0 的为片状马氏体和板条状马氏体的复合组织 图1 31共析钢等温转变图 3 低温转变 马氏体转变 在Ms以下 得到碳在中的过饱和固溶体 即马氏体 马氏体转变速度极快 瞬间完成 马氏体量随温度下降而增加 但总有一部分奥氏体残留下来 称为残余奥氏体 它将降低钢的硬度 影响零件形状 尺寸的稳定性 1 5 2钢的热处理工艺 钢的热处理可分为普通热处理 如退火 正火 淬火 回火等 和表面热处理 1 退火退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺 退火的目的 1 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形加工 2 消除钢中的残余内应力 以防工件变形和开裂 3 改善组织 细化晶粒 改变钢的性能或为以后热处理做准备 退火的分类 各种退火 正火加热温度及工艺曲线如图1 32所示 图1 32退火正火工艺规范示意图 1 完全退火 加热到Ac3以上20 300C 保温 缓冷至6000C以下 再空冷 得到接近平衡状态组织 主要用于亚共析钢和共析钢的锻件 轧件 铸件 使晶粒细化 组织均匀和消除残余应力 提高钢件的性能 过共析钢不宜完全退火 因析出网状渗碳体 降低钢的力学性能 2 球化退火 使钢中的碳化物呈球状而进行的退火 将工件加热到Ac1以上20 300C 保温 然后缓慢冷却 主要用于过共析钢 使钢中二次渗碳 体和珠光体中的片状渗碳体球状化 以降低硬度提高韧性 改善切削加工性能 图1 32退火正火工艺规范示意图 3 去应力退火 为消除形变加工 锻造 焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火 铸钢件的温度为600 6500C 铸铁件为500 550 保温后在炉内缓慢冷却 组织不发生变化 只消除内应力 减少变形 稳定尺寸 4 扩散退火 均匀化退火 将钢加热到略低于固相线温度 长时间保温 随炉冷却 使化学成分和组织均匀化 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件或锻件 2 正火正火是将工件加热到Ac3 亚共析钢 或Accm 过共析钢 以上30 500C 保温适当时间 在自由流通的空气中冷却 得到珠光体类组织的热处理工艺 正火主要应用于 1 对不太重要的零件 可细化晶粒 组织均匀 提高机械性能 作为最终热处理 2 对低