金属材料基础知识及检测方法AAppt课件

.,第一部分金属材料的基本概念,.,金属材料的基本概念,金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。,纯金属,合金,金属材料,.,工程材料与类别,工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。,.,金属材料的分类,金属材料,黑色金属,有色金属,非合金钢,低合金钢,合金钢,铸铁,滑动轴承合金,钛及钛合金,其他非铁合金,铜及铜合金,铝及铝合金,.,钢的分类及编号,一钢的分类（一）按用途划分1结构钢机械零件和工程用钢。2工具钢刃具、模具、量具用钢3特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢。,.,1碳素钢（1）低碳钢C0.25（2）中碳钢0.25C0.6（3）高碳钢C0.62合金钢（1）低合金钢M总5（M总为合金元素总量）（2）中合金钢5M总10（3）高合金钢M总10,（二）按化学成分划分,1普通钢P0.045，S0.0552优质钢P、S均0.0403高级优质钢P0.035，S0.030,（三）按钢的质量划分,.,碳（素）钢分类,1、普通碳素结构钢2、优质碳素结构钢3、碳素工具钢4、铸造碳钢,.,（一）普通碳素结构钢,钢号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个强度级别牌号：Q+数字-质量等级脱氧方法质量分A、B、C、D级，D级S、P含量最低。1“Q”字表示屈服强度之义。Q195表示屈服强度为195Mpa。2.A、B、C、D表示钢材质量等级不同。A表示P、S质量分数最高，D表示P、S质量分数最低。3“F”表示沸腾钢，“b”表示半镇静钢，不标注“F”、“b”者为镇静钢。如：Q235-A.F表示屈服强度235MPa的A级沸腾钢。,.,普通碳素结构钢的牌号、主要成分、力学性能及用途,.,普通碳素结构钢-应用,含碳量较低，一般在0.06%-0.38%范围内；焊接性能、塑性、韧性好；价格低；通常轧制成钢板、钢带、型钢、棒钢等各种型材，用于桥梁、建筑等工程构件和要求不高的机械零件。这类钢主要保证机械性能,.,（二）优质碳素结构钢,钢号:08F,10F,15F,08,10,15,20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85及15Mn,20Mn,25Mn,30Mn,35Mn,40Mn,45Mn,50Mn,55Mn,60Mn,65Mn,70Mn牌号是两位数字，表示钢的平均含碳量，单位是万分之一。如钢号45，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。若钢中锰含量较高，则在钢号后附以符号“Mn”，如45Mn等。含Mn为0.350.6时将Mn标出。专门用钢在钢号后加字母。如20g钢为锅炉用钢优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。,.,（三）碳素工具钢,钢号：T7,T8,T9,T10,T11,T12,T13含碳量：在0.65-1.35%之间，以千分之一表示含碳量，T8钢为C0.8为“碳”字含Mn为0.350.60时将Mn标出。如T8Mn钢。碳素工具钢都是优质钢。钢号后的“A”字表示高级优质钢。如T8A,.,碳素工具钢-应用,碳素工具钢用来制造各种量具、刃具、模具等。T7、T8硬度高、韧性较高，可制造冲头，凿子、锤子等工具。T9、T10、T11硬度更高，韧性适中，制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13硬度很高、韧性较低制作锉刀，刮刀等刃具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。,.,合金钢,1、合金结构钢2、合金工具钢3、特殊性能钢,.,合金结构钢编号规则,钢号由三部分组成：数字+元素+数字钢号前的两位数字表示平均含碳量，以万分之几表示。合金元素以汉字或化学元素符号表示；合金元素后的数字表示含合金元素量（M），以百分之几表示；如果平均M1.5时一般不标明含量数字；如果M1.5、2.5%、3.5%、4.5%时分别标以2、3、4、5如36Mn2Si:平均约0.36%C,1.5-1.8%Mn,0.4-0.7%Si;合金结构钢均是优质钢，若是高级优质钢，在钢号后加以“A”字。例如：38CrMoAlA钢0.38C、含Cr、Mo、Al均1.0。如CrMn钢，平均碳含量约1.3-1.5%;含C56HRC）和高耐磨性；高的组织稳定性，尺寸不发生变化；热处理变形小和较好的加工工艺性。成分特点：(1)高碳含碳量为0.90-1.5%，以保证高硬度和耐磨性；(2)加入合金元素Cr、W、Mn等提高淬透性，减小淬火变形。这些合金元素还可以形成合金渗碳体，提高钢的硬度和耐磨性。量具用钢：量具没有专用钢。一般对于要求高精度、高耐磨性、尺寸稳定、淬火变形小、硬度均匀及尺寸较大的量具，常选用含Cr、W、Mn等元素的低合金工具钢或铬轴承钢；对于高硬度、高表面光洁度及尺寸不大的量具或量具零件，可选用碳素工具钢；要求中等硬度及一定强度和韧性的量具结构件，可选用优质中碳结构钢；尺寸小、形状简单、精度较低的量具，可选用高碳钢或渗碳钢；弹性零件则用弹簧钢,.,铸铁的组织与分类,1.特点1)成分C2.11%的铁碳合金称为铸铁，特点是含有较高的C和Si，同时也含有一定的Mn、P、S等杂质元素。常用铸铁的成分为：2.54.0%C，1.03.0%Si，0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。为提高铸铁性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金铸铁。2)组织铸铁中C、Si含量较高，C大部分、甚至全部以游离状态石墨（G）形式存在。2)性能铸铁的缺点是由于石墨的存在，使它的强度、塑性及韧性较差，不能锻造。优点是其接近共晶成分，具有良好的铸造性；由于游离态石墨存在，使铸铁具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，许多重要的机械零件能够用球墨铸铁来代替合金钢。,.,一、铸铁的石墨化1.铸铁的石墨化、G为六方晶格。基面上原子以共价键结合，基面之间原子以范氏键结合，因此铸铁的强度、塑性及韧性极低。、从热力学讲，G为稳定态，而Fe3C为亚稳态。在冷却速度非常缓慢或加入石墨化元素，可促使碳按石墨转变。但是，当冷却速度较快时，由于成分起伏及结构起伏（L、A和Fe3C的成分更接近）的原因，也可析出渗碳体。2、石墨化的途径、从液态中直接结晶出或从奥氏体中直接析出。、也可以先结晶出渗碳体，再由渗碳体在一定条件下分解而得到（Fe3C3Fe+C）高温时，石墨化过程进行比较完全；低温时，若冷却速度较快，石墨化过程将部分或全部被抑制。3、影响石墨化的因素影响石墨化的因素主要是铸铁的成分和冷却速度。1）成分：合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强，向右阻碍程度加强。,.,C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE=C%+1/3Si%，一般CE4%，接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的铸造和力学性能，控制其含量。2)冷却速度冷速越快，不利于铸铁的石墨化，这主要取决于浇注温度、铸型材料的导热能力及铸件壁厚等因素。冷速过快，第二阶段石墨化难以充分进行。二、铸铁的组织与性能的关系1、铸铁的力学性能主要取决于基体的组织和石墨的形态、数量、大小以及分布状态。1)数量：G破坏基体连续性，减小承载面积，是应力集中和裂纹源，故G越多，抗拉强度、塑性及韧性越低；2)大小：越粗，局部承载面积越小，越细，应力集中越大，均使性能下降，故有适合尺寸（长度0.030.25mm）；3)分布：越均匀，性能越好；（4）由片状至球状，强度、塑性及韧性均提高。2.基体F基体塑性和韧性好，P基体强度、硬度及耐磨性高。,.,常用铸铁简介,1、根据铸铁中石墨形态的不同，还可以将铸铁分为：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。导入新课：一、灰铸铁1、灰铸铁的成分与组织1）、成分：含C量：2.7%3.6%、含Si量：1.0%2.2%、S0.15%、P0.3%。2）、组织：由金属基体和在基体中分布的片状石墨组成。（铁素体灰铸铁、铁素体珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁）2、灰铸铁的性能和孕育处理1）、性能：良好的切削加工性能、铸造性能、耐磨性、减震性、以及低的缺口敏感性。2）、孕育处理：在浇注前往铁水中投入少量的硅铁、硅钙合金等作为孕育剂，使铁水内产生大量均匀分布的晶核，使石墨及基体组织得到细化。,.,3、灰铸铁的牌号及用途1）、HT（灰铁）+三位数字（表示最小抗拉强度数值）。二、可锻铸铁俗称马钢、玛钢。是白口铸铁通过石墨化退火，使渗碳体分解成团絮状的石墨而获得的。1、可锻铸铁的组织与性能1）、生产过程：首先铸造成白口铸铁件，然后进行长时间的石墨化退火。2）、根据退火的工艺不同，可形成：铁素体基体的可锻铸铁、铁素体珠光体基体的可锻铸铁、珠光体可锻铸铁。3）、成分：C：2%2.8%、Si:1.2%1.8%、Mn：0.4%0.6%、P0.1%、S0.25%.2、可锻铸铁的牌号及用途1）、由三个字母及两组数字组成。KT（可铁）第三个字母表示可锻铸铁的类别：H表示黑心可锻铸铁，Z表示珠光体可锻铸铁。后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和断后伸长率。三、球墨铸铁铁水在浇注前经球化处理，使析出的石墨大部分或全部呈球状的铸铁。（加入球化剂:如纯镁、镁合金、稀土镁合金）,.,1、球墨铸铁的组织与性能1）、成分：C：3.6%3.9%、Si：2.0%2.8%、Mn：0.6%0.8%、S0.07%、PV临，但V冷过快工件体积收缩，组织转变剧烈内应力工件易变形、开裂。淬火介质的选择很重要。2）、由C曲线可知，要获得M-无需在整个冷却过程中都快关键在C曲线鼻尖附近快冷。在高温段650550冷却速度要足够快，而低温段300以下要足够慢。3）常用淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。其中碳钢适用冷却介质-一般为“水”；合金钢-“油”。4、淬火方法：1）、单液淬火法2）、双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。3）、马氏体分级淬火；4）、贝氏体等温淬火。5、钢的淬透性、淬硬性1)、淬透性、指在规定条件下，钢淬火冷却时所获M组织深度的能力。、用不同的钢制成相同形状、尺寸工件，在同样的淬火条件下，淬透性好的钢获M深度较深；淬透性差的钢获M深度较浅。,.,、淬透性与钢的V临有关；当钢的V临越低钢的淬透性越好。钢的淬透性越好，淬火回火后截面组织均匀、综合力学性能好。钢的淬透性越好在冷却时可用较缓和冷却介质，变形开裂。淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。2）淬硬性：指钢淬火后所能达到的最高硬度的能力。、淬硬性主要取决于：钢中的含碳量。C%，钢淬硬性。、淬硬性与淬透性是两个完全不同的概念。6、淬火缺陷：1）.氧化与脱碳2）.过热和过烧3）.变形与开裂4）.硬度不足5）.软点,.,热处理的基础方法,一、回火1、概念：将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。2、回火目的：1）消除内应力；2）获得所需要的力学性能；3）稳定组织和尺寸。3、淬火钢在回火时组织与性能的变化1）马氏体分解；2）残余奥氏体分解3）渗碳体的形成4）渗碳体的聚集长大。其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性提高。,.,4、回火的分类及应用。1）淬火钢回火的组织转变过程是由非平衡组织平衡组织转变，依靠原子扩散而进行的，原子扩散速度取决于温度，温度越高，扩散速度愈高。决定钢回火后的组织、性能的主因素是：回火温度。2）回火温度根据工件要求的力学性能来选择。3）回火种类有：、低温回火：（150-250）-获回火M工件性能：保持高硬度(58-64HRC)和耐磨性，一定的韧性（钢的淬火应力、脆性）。中温回火:（350-500）-获回火T工件性能：高弹性极限、S和适当韧性，硬度可达：35-50HRC。主用于：弹性零件、热锻模具等。高温回火：（500-650）-获回火S工件性能：良好的综合力学性能(足够强度、高韧性,硬度15-36HRC)。广泛用于：受力构件。如：螺栓、连杆、齿轮、曲轴等。注：1、淬火+高温回火称为“调质”处理。,.,钢的表面热处理,概述：在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这类零件要进行表面热处理常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。一、表面淬火对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。1、火焰加热表面淬火、工艺：应用氧乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行快速加热并随后冷却。、特点：淬硬层深度一般为2mm6mm。加热温度及淬硬层不易控制，易产生过热和加热不均匀现象，淬火质量不稳定。,.,2、感应加热表面淬火.工艺：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件的表面受到局部加热，并进行快速冷却。.加热速度快；淬火质量好；淬硬层深度易于控制。二.化学热处理1.化学热处理的过程：分解吸收扩散2.钢的渗碳.工艺:将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层。.目的：提高钢件表层的含碳量。.渗碳后的工件需经淬火及低温回火。3.碳氮共渗.工艺:将钢件置于渗碳-氮介质中加热并保温，使碳、氮原子渗入工件表层。.目的：提高钢件表层的含碳-氮量。.碳氮共渗后的工件需经淬火及低温回火。4.渗氮、氮碳共渗、合金元素共渗等其它化学热处理。,.,.,第二部分,一.金属材料性能简介二.我公司理化仪器设备简介三.我公司零件早期失效分析范例,.,强度与塑性,强度（单位MPa）：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。通常用断后伸长率和断面收缩率来衡量。,一检测方法及相关物理量,.,1.金属材料的拉伸实验,低碳钢的应力-应变曲线,拉伸试验机,.,硬度：表征材料软硬程度的一种性能。,硬度,.,布氏硬度HBW,P,压头材料为淬火钢和硬质合金,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面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10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,.,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成