材料成型技术1.4ppt课件

1 4金属材料 常用的金属材料包括钢 铸铁 铜及其合金 铝及其合金 粉末冶金材料等 其中以钢和铸铁应用最为广泛 图1 14芜湖长江大桥 1 1 4 1钢 1 化学成分对钢的力学性能的影响 1 杂质元素的影响 1 锰 硅的影响 有益元素 Mn和Si在钢中大部分溶于铁素体 起强化作用 Mn能减轻S的有害作用 FeS Mn MnS Fe2 硫的影响 有害元素 Fe S FeS FeS与Fe易形成低熔点的共晶体 可使钢引起热脆性 3 磷的影响 有害元素 P在钢中可溶于铁素体 使钢强度 硬度增加 塑性 韧性减小 易使钢产生冷脆现象 但P与Cu同时存在 可提高钢的耐蚀性和耐磨性 2 2 合金元素的影响 合金元素 是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素 对钢的力学性能有很大影响 1 对钢的强度的影响 C Si Mn产生固溶强化 使钢的强度提高 C N Cr Al形成碳化物或氮化物 使钢的强度和硬度提高 Nb V Al Ti可细化晶粒 提高钢的强度 2 对钢的韧性的影响 Nb V等元素可细化晶粒 从而也显著提高钢的韧性 C Si Mn一般使钢的韧性降低 3 2 钢的分类 1 按化学成分分类 根据各种合金元素规定含量界限值 将钢分为1 非合金钢 碳素钢 分普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 含碳量小于0 25 为低碳钢 0 25 0 6 为中碳钢 大于0 6 为高碳钢 2 低合金高强度结构钢 3 合金钢 4 表1 2部分合金元素规定质量分数界限值 5 2 按主要质量等级分类 1 普通质量钢 即对生产过程中控制质量无特殊规定的 一般用途的非合金钢和低合金钢 S P含量均小于0 045 2 优质钢 即在生产过程中需要按规定控制质量的钢 并达到比普通质量钢较高的质量要求 S P含量均小于0 040 3 特殊质量钢 即在生产过程中需要严格控制质量和性能的钢 特别是要求严格控制硫 磷等含量和提高纯洁度等 S P含量均小于0 020 6 3 按使用特性分类 可分为 工具钢 工程结构用钢 机械结构用钢 不锈耐蚀钢 耐热钢等 7 1 非合金钢 1 碳素结构钢牌号 例如Q235F Q 表示屈服点 235 表示屈服点值为235MPa F 表示脱氧方法 沸腾钢 用途 碳素结构钢w C 为0 06 0 38 主要用来制造一般工程结构和普通机床零件 通常轧制成各种型材 板材和线材等 3 钢的牌号和应用 8 表1 3碳素结构钢部分牌号 成分与力学性能 9 2 优质碳素结构钢 牌号 是用二位数字表示 这两位数字表示钢中的平均碳的质量分数 万分数 例如45钢表示平均w C 为0 45 的优质碳素结构钢 若为沸腾钢 则在牌号后加 F 符号 如08F 若含锰量较高 则在数字后加 Mn 符号 用途 主要用来制造比较重要的机械零件 如轴 连杆 弹簧等 20钢金相组织示意图 10 表1 4优质碳素钢部分牌号 成份 力学性能及应用举例 11 3 碳素工具钢 牌号 是用规定符号T 碳字的汉语拼音字首 和数字表示 例如T10A 10 表示平均w C 为1 0 A 表示高级优质 用途 用于制造不受冲击 高硬度 耐磨的工具 如锉刀 手锯条 拉丝模等 T12钢的金相组织 图1 15丝锥 12 表1 5碳素工具钢部分牌号 成份 硬度和应用 13 2 低合金高强度结构钢 牌号 例如Q390A Q 表示屈服点 390 表示屈服点值为390MPa A 表示质量等级为A级 用途 低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理 综合力学性能良好 用于桥梁 船舶 车辆 高压容器 管道 建筑物等 14 3 合金钢 1 合金结构钢牌号 例如60Si2Mn 60 表示平均w C 0 6 Si2 表示平均w Si 2 Mn 表示平均w Mn 1 5 用途 合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢 常用来制造重要的零件 如齿轮 轴类 弹簧等 例 渗碳钢 20CrMnTi 调质钢 40CrMn 弹簧钢 60Si2Mn 15 2 合金工具钢牌号 例1 低合金工具钢 9SiCr 9 表示平均w C 0 9 Si 表示平均w Si 1 5 Cr 表示平均w Cr 1 5 用途 合金工具钢的力学性能优于碳素工具钢 广泛用于制造各种刃具 量具 模具等 如钻头 绞刀 量块和冲模等 图1 16硬质合金冲模 16 例2 高合金工具钢高速钢 W18Cr4V 平均w C 为0 7 0 8 W18 表示平均w W 18 Cr4 表示平均w Cr 4 V 表示平均w V 1 5 用于制作车刀 刨刀 钻头 铣刀等 17 4 铸钢 即在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金 性能特点 铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁 用途 主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的构件 如锻锤机架 齿轮 轧辊等 在各类铸造合金中 铸钢的应用仅次于铸铁 主要分为 铸造碳钢和铸造合金钢 图1 17铸钢件 18 1 铸造碳钢牌号 例如ZG230 450450 b 450MPa 230 s 0 2 230MPa ZG 铸钢 汉语拼音首字母 性能特点 有一定的强度和较好的塑性 韧性 焊接性能良好 切削加工性尚好 用途 作砧座 轴承盖 齿轮等 图1 18各种铸钢件 19 表1 6铸造碳钢部分牌号 成份 力学性能和应用 20 2 铸造合金钢 即为改善性能而添加的合金元素含量超过铸造碳钢范围的铸钢 牌号 例如ZG30MnSi130 W C 为0 3 左右 Si W Si 为0 9 1 4 Mn W Mn 为0 9 1 4 主要特点 耐磨性高 用途 用于受力较大的耐磨零件 如链轮 齿轮 承力支架等 21 1 4 2铸铁 铸铁 在凝固过程中经历共晶转变 用于生产铸件的铁基合金的总称 性能特点 良好的铸造性能 切削加工性能 耐磨性和减震性 且熔炼工艺与设备比较简单 成本低廉 用途 铸铁件占铸件总产量的80 左右 如机床床身 箱体等 铸铁的化学成分 22 1 铁碳合金双重相图 铸铁中 碳的存在形式有渗碳体 Fe3C 和游离状态的石墨 G 两种 铁碳合金实际上存在两种相图 1 Fe Fe3C相图 2 Fe G相图 图1 19铁碳双重相图 23 2 铸铁的石墨化过程 三个过程 第一阶段 高温石墨化阶段 一次结晶析出石墨G 1154 L4 26 A2 08 G 共晶 第二阶段 中间石墨化阶段 二次结晶析出G 1154 738 A G第三阶段 低温石墨化阶段 共析反应析出G 738 A0 68 F G 共析 24 铸铁的组织 铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织 1 珠光体 石墨 2 珠光体 铁素体 石墨 3 铁素体 石墨 25 3 影响铸铁石墨化的因素 影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度 1 化学成分碳和硅分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素 铸铁中碳 硅含量越高 石墨越容易析出 硫强烈阻碍石墨化 且容易增加铸铁的热裂倾向 锰虽然阻碍石墨化 但锰与硫能形成硫化锰 有利于减弱硫的不利影响 而且还能促进珠光体形成 强化基体 故铸铁中必须含一定量的锰 磷是微弱促进石墨化的元素 但会增加铸铁的冷脆性 26 2 冷却速度 1 慢冷 利于石墨析出并长大 形成灰口 2 快冷 石墨来不及析出 碳以Fe3C存在 形成白口 注 要获得所需的组织和性能的铸件 应根据铸件的壁厚 控制铸件中碳和硅的含量 配合以适当的含锰量 并严格控制硫 磷的含量 27 3 变质处理 孕育处理 变质处理 在浇注前向铁水中加入变质剂 孕育剂 如Si Fe Si Ca合金 以增加石墨的结晶核心 促进石墨化 使石墨片细小 均匀 获得高强度铸铁 变质铸铁 孕育铸铁 即经过变质处理后所获得的高强度铸铁 性能特点 强度较高 塑性 韧性得到改善 28 4 铸铁的分类 牌号及应用 按碳的存在形式和石墨形态的不同 可以将铸铁分为白口铸铁 麻口铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁等类型 29 铸铁中常见的石墨形态 示意图 铸铁中常见的石墨形态 1 片状 2 球状 3 团絮状 4 蠕虫状 30 1 白口铸铁白口铸铁 碳以游离碳化物的形式析出的铸铁 断口呈白色 白口铸铁硬而脆 难以加工 很少用来制造零件 有时利用其硬而耐磨的特点制造某些耐磨零件 如球磨机的衬板 磨球等 2 麻口铸铁麻口铸铁 碳部分以游离碳化物形式析出 部分以石墨形式析出的铸铁 断口呈灰白色相间 图1 21灰口铸铁 图1 20白口铸铁 31 3 灰铸铁 灰铸铁 又称片墨铸铁 碳主要以片状石墨形成或析出的铸铁 1 灰铸铁的性能 力学性能较差 相比碳钢 工艺性能铸造性能良好 切削加工性能良好 不能进行锻造 焊接性和热处理性能也差 其它使用性能耐磨性好 减震性好 缺口敏感性小 32 2 灰铸铁的牌号及应用 牌号 例如HT200 200 抗拉强度 b 200MPa HT 灰铁的汉语拼音首字母 应用 用于制造机座 支架 缝纫机零件 车床床身等 图1 22灰铸铁件 33 表1 7灰铸铁部分牌号 力学性能和应用 34 续上表 35 3 孕育铸铁孕育铸铁 铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁 性能特点 孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小 组织和性能的均匀性很好 应用 适用于制造载荷较大 耐磨性减震性要求较高的重要铸件 特别是厚大铸件 如机床床身 发动机气缸体等 图1 23孕育剂 36 球墨铸铁1 球墨铸铁 铁液经过球化处理和孕育处理 使石墨大部分或全部呈球状的铸铁 2 化学成分 组织 性能 化学成分特点 高碳 硅 低锰 磷 硫 图1 24球墨铸铁 37 组织 F G球 F P G球 P G球 性能 强度较高 塑性 韧性较好 比灰铁 同时具有灰铁的优良性能 3 球墨铸铁的牌号和应用牌号 例如QT600 3 QT 球铁的汉语拼音首字母 600 抗拉强度 b 300Mpa 3 伸长率 3 应用 用于制造汽车曲轴 连杆 蜗轮 齿轮等零件 38 表1 8球墨铸铁部分牌号 力学性能和应用 39 4 常用的球墨铸铁 目前应用最为广泛的是珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁 1 珠光体球墨铸铁指基体主要为珠光体的球墨铸铁 强度 硬度高 耐磨性好 2 铁素体球墨铸铁指基体主要为铁素体的球墨铸铁 抗拉强度比珠光体球铁低 但塑性 韧性较高 力学性能优于可锻铸铁 图1 25珠光体球墨铸铁 图1 26铁素体球墨铸铁 图1 27混合基体球墨铸铁 40 5 可锻铸铁 可锻铸铁 又称马铁或玛钢 是白口铸铁通过石墨化退火处理 改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁 可锻铸铁中的碳主要以团絮状石墨存在 图1 28可锻铸铁 41 1 化学成分 W C 2 4 2 8 W Si 1 2 2 0 W Mn 0 4 1 2 W S 0 1 W P 0 2 2 性能特点 灰铸铁相比不仅有较高的强度 而且有较高的塑性和韧性 可锻铸铁因此得名 实际上它仍然是不可锻造的 3 可锻铸铁的生产 先浇注成白口铸件 再经石墨化退火获得 42 4 牌号及应用 黑心可锻铸铁牌号 例KTH350 10组织 F G团絮性能 塑性 韧性较好 强度不高 应用 用于受冲击 振动及扭转负荷的零件 如曲轴 连杆 齿轮 传动链条等 珠光体可锻铸铁牌号 例KTZ650 02组织 P G团絮性能 强度 硬度高 塑性 韧性比黑心可锻铸铁差 应用 制作曲轴 连杆 齿轮 传动链条等 43 表1 9可锻铸铁部分牌号 力学性能及应用 44 6 蠕墨铸铁 1 蠕墨铸铁 金相组织中石墨形态主要为蠕虫状石墨的铸铁 它是向一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂 如镁钛合金等 和孕育剂而获得的 2 性能特点 强度比灰铸铁高 有一定的韧性和较高的耐磨性 壁厚敏感性比灰铁小得多 减震性比球铁高 低于灰铁 工艺性良好 铸造性能接近灰铁 切削加工性能接近球铁 图1 29蠕墨铸铁 45 5 蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁基本相同 铁液成分 高碳 硅 低锰 磷 硫 蠕化处理 蠕化剂 国外 镁合金 国内 稀土镁钛 稀土镁钙合金等 采用冲入法 加入量 为铁液质量的1 2 孕育处理 加孕育剂 注 蠕虫状石墨是一种过渡形式 生产中需严格控制蠕化剂 46 7 合金铸铁 合金铸铁 常规元素硅 锰高于普通铸铁规定含量或含有其它合金元素 具有较高力学性能或某些特殊性能的铸铁 性能特点 具有更高的力学性能 还具有某些特殊性能 如耐热 耐磨 耐蚀等 应用 例如在孕育铸铁中加入质量分数为0 4 0 6 的磷或同时加入少量的铜 钛等元素 就可以得到高磷耐磨铸铁 可用来制造轴承 活塞环 机床导轨等零件 图1 30耐热合金铸铁模具 47 1 4 3非铁金属材料 钢铁材料以外的金属材料 统称为非铁金属材料 如铜 铝 铅等及其合金 性能特点 密度小 色泽鲜艳 导电 耐热 耐蚀或良好的加工性能等 因而成为现代工业中不可缺少的材料 图1 31中国古代铜的冶炼 48 铜及其合金 阴极铜又称纯铜 外观呈紫色 熔点为1083 具有良好的导电性 导热性 耐蚀性及塑性 铜合金即以铜为基的合金 按化学成分不同可分为黄铜 青铜及白铜三类 49 黄铜 u Zn合金或以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜 按化学成分的不同 黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类 普通黄铜铜锌二元合金 其中多数通过压力加工制成型材 成为普通变形黄铜 当平均w Zn 32 时 塑性最好 强度最高 是工业上应用较多的铜合金 普通铸造黄铜不但具有优良的力学性能和铸造性能 而且切削加工性能好 也可以焊接 图1 32黄铜 50 特殊黄铜在普通黄铜中加入其它元素所组成的多元合金称为特殊黄铜 常加入的元素有铅 锡 硅 铝 铁等 相应地称这些特殊黄铜为铅黄铜 锡黄铜等等 合金元素加入黄铜后 主要是提高黄铜的特殊性能和改善其工艺性能 如加入Sn Al Mn Si可提高耐蚀性及减少黄铜应力腐蚀开裂的倾向 加Si可改善铸造性能 加Pb则改善切削加工性能 51 2 青铜 青铜原指Cu Sn合金 是人类应用最早的一种合金 但工业上习惯称含有Al Si Pb Mn Be等的铜基合金为青铜 青铜包括有锡青铜 铝青铜 铍青铜等 图1 33青铜工艺品 52 3 白铜 白铜 以镍为主加合金元素的铜合金 主要有普通白铜 铝白铜和锰白铜等 白铜耐蚀性好 电阻率高 多用来制造船舶仪器零件 化工机械零件和医疗器械 图1 34白铜管 53 2 铝及铝合金 铝是地壳中储量最丰富的元素之一 约占全部金属的三分之一 特点 铝的比重轻 是铜的1 3倍 属于轻金属 熔点是660 铝的导电性和导热性都很好 仅次于银和铜 因此 铝被广泛用于制造导电材料和热传导器件 图1 35铝为基的二元合金的共晶相图 54 1 纯铝特点 质量轻 溶点低 具有良好的塑性 耐蚀性 导热性和导电性 且价格相对低廉 但其强度和硬度均低 因此用于制造电线 电缆 耐蚀器具和生活用以及配制各种铝合金 2 铝合金以铝为基的合金 强度高于纯铝 用于制造承受载荷的结构零件 主加元素 如铜 锰 硅 镁 锌等 一般起强化作用 附加元素 如铬 铁 锆等 用于细化铝合金晶粒和改善热处理性能 图1 36铝合金扳状抛物面天线 55 根据铝合金的成分和工艺特点 可以将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类 1 变形铝合金加热时能形成单相固溶体组织 塑性较好 宜于进行压力加工的铝合金 2 铸造铝合金以铝为基的铸造合金 其力学性能不如变形铝合金 但铸造性能好 适于制造形状复杂的铸件 图1 37工业铝合金型材 图1 38铸造铝合金金相组织 56 1 4 4粉末冶金材料 粉末冶金材料 用粉末冶金方法制造的材料 即制取金属粉末并通过成形和烧结由金属粉末与 或不与 非金属粉末添加剂的混合物制成的材料 图1 39粉末冶金制品 57 1 粉末冶金材料的应用粉末冶金材料的应用十分广泛 1 机械制造中常用