机械制造技术基础hfut第2(34)章机械工程材料基础课件

第3节铁碳合金,2.3.1铁碳合金的基本组织和性能,Pb-Sn相图简介组元：通常把组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元在大多数情况下是元素，例如Pb和Sn；但在所研究的范围内既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也可成为组元，如Fe3C。合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，如Pb-Sn;Fe-Fe3C。相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相平衡：在合金系中，参与结晶或相变过程中的各相之间的相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种平衡。,第3节铁碳合金,2.3.1铁碳合金的基本组织和性能,AEB为液相线；AMENB为固相线；A为Pb的熔点；B为Sn的熔点。固溶体是以Pb为溶剂，以Sn为溶质，其溶解度曲线为FM；固溶体是以Sn为溶剂，以Pb为溶质，其溶解度曲线是NG。,第3节铁碳合金,2.3.1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。,图1-15铁素体的显微组织,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。,图1-16奥氏体的显微组织,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。,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。,图1-17珠光体的显微组织,图1-18莱氏体的显微组织,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。,2.3.2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。,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。,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,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：,口诀,纵标温度横成分六点六线六组织海平面上三燕飞两两相加夹组织海平面：PSK线共析线三燕飞：1）雄燕ACD2）雌燕AECF、3）子燕GSE,六点,六线,主要特性线（1）AC线液体向奥氏体转变的开始线。即：LA。（2）CD线液体向渗碳体转变的开始线。即：LFe3C。ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。（3）AE线液体向奥氏体转变的终了线。（4）ECF水平线共晶线。AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5）ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：LFe3C。（6）GS线又称A3线，（7）GP线奥氏体向铁素体转变的终了线。（8）PSK水平线共析线（727），又称A1线。（9）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。,六组织,三个单相：1）铁素体F2）奥氏体A3）渗碳体Fe3C二种机械混合物1）珠光体（铁素体和渗碳体）2）莱氏体（高温Ld奥氏体和渗碳体：低温Ld珠光体与渗碳体）液相L,钢中的杂质元素及合金元素,硅：有益元素，使钢硬度、强度、弹性均有提高，但塑性、韧性降低；锰：有益元素，提高钢材的强度和硬度；硫：有害杂质元素，钢的热脆性磷：有害杂质元素，冷脆性；氧、氢、氮：氧化物严重降低钢的疲劳强度；氢脆；氮与铁素体作用的蓝脆现象。,合金元素在钢中的作用,合金元素对钢中基本相的影响；合金铁素体的固溶强化和合金碳化物的弥散强化；合金元素对铁碳合金图的影响；合金元素一般使S点和E点左移，S点左移，使合金钢共析点的含碳量降低（WC0.6,2020/5/8,69,低碳钢：塑性、韧性好，大型支架结构、桥梁中碳钢：综合机械性能好，受力复杂的机器零件高碳钢：硬度高，工具、耐磨零件,碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低,a、碳素钢,2020/5/8,70,b、合金钢,由于现代工业和科学技术的不断发展，对力学性能和物理、化学性能提出了更高的要求，碳钢虽然经过热处理，也不能满足要求，从而就发展了合金钢，合金钢就是为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢的基础上，特意的加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。,合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理,2020/5/8,71,a、结构钢：大型结构和机器零件b、工具钢：工具、模具、量具c、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢,2、按用途分,大平垫（1Cr13）,2020/5/8,72,a、普通钢b、优质钢c、高级优质钢,3、按质量分,分类方法比较多，按习惯叫即可，如45钢可被称为中碳钢、结构钢、优质钢,按S、P的含量分的，S、P含量越多，脆性越大，质量也就越差高级优质钢：S、P去的特别好,2020/5/8,73,4、牌号,普通碳素结构钢：用Q数字（屈服强度数值）表示,优质碳素结构钢：用钢中平均碳含量分数的两位数字表示，单位为万分之几，也就是说用碳含量万分之几表示,碳素工具钢：T数字，在钢号前加T（碳的汉语拼音字头），数字：钢号用平均碳含量的千分数的数字表示（千分之几）,T8表示平均碳含量为0.8（千分之八）的碳素工具钢，高级优质则在钢号后加A，如T10A,2020/5/8,74,合金结构钢：数字元素数字表示,4、牌号,如：60Si2Mn（60：碳含量的万分之几，即0.6；Si、Mn：合金元素；2：表示前边合金元素的平均质量分数，当含量1.5%时，是四舍五入后的数字，当1.5时，数字省略）,合金工具钢：数字合金元素数字,如：9CrSi(9：碳含量的千分之几即0.9，当碳含量1时，此数字省略；Cr、Si含量都小于1.5),滚动轴承钢：GCr数字（G：滚；数字：Cr质量分数的千分之几）,2020/5/8,75,4、牌号,数字：碳含量以千分之几表示，当碳质量分数0.03及0.08时，分别以00及0表示,特殊性能钢：数字合金元素数字,铸钢：ZG数字数字,（前边数字表示屈服强度值，后边数字表示抗拉强度值）如：ZG270-500,2020/5/8,76,结构钢,普通结构钢,普通碳素结构钢,1、普通碳素结构钢：碳含量是在0.060.38，杂质比较多，但价格便宜，成本低，适用于要求不高的机械零件和工程构件如压板（Q235A30）、推动板（Q235A）,普通低合金结构钢,2020/5/8,77,2、普通合金结构钢,普通结构钢,a、成分特点：低碳（C0.2）、低合金、Mn（以Mn为主加元素，因为锰的资源丰富，强化铁素体的效果明显，能降低钢的冷脆温度，另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，以而进一步提高强度）b、典型钢号：16Mn（16：万分之几，Mn含量1.5，数字省略）碳含量很低，只有0.16c、性能：塑性、韧性号（低碳）强度高（与没加合金元素的低碳钢相比，高3050，但不要与45钢相比）焊接性好（焊接最麻烦的是断裂，应力大，但是塑性、韧性好的材料不易开裂）大型结构、桥梁（不易断裂，有以上特点，价格也低，工艺很成熟）,2020/5/8,78,优质结构钢,硫、磷含量较低，非金属夹杂物也较少，强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好，常用于制造较重要的零件,如齿轮(Q235A45)，支点圆柱（4540Cr）,应用最广泛的是45钢（也被称为外能钢），经调质处理后，可获得良好的综合力学性能,1、优质碳素结构钢,2020/5/8,79,优质结构钢,2、渗碳钢,成分特点：低碳（碳含量很低，属于低碳钢）,作用：强化提高淬透性,性能：心部韧性好，表面硬度特别高,应用：受冲击同时要表面高硬度、高耐磨性的零件,压力臂（20CrMnTi），大滚针副托架（15CrMo）,2020/5/8,80,优质结构钢,3、调质钢,淬火高温回火后获得综合机械性能，即强度与韧性的配合,应用：受力复杂的重要零件，最普通的调质钢为35，40，45，但由于热处理后变形大，实际都加合金元素，随合金量增加强度增加，顺序为4040Cr40CrNi40CrNiMo,为提高某些部位耐磨性，通常要局部高频淬火或表面氮化；需提高表面疲劳抗力，有时要进行喷丸处理,主轴（40Cr，260-300HBS,表面离子氮化）长导套（45，260-300HBS，高频淬火）,2020/5/8,81,优质结构钢,3、调质钢,35CrMo，调质后，具有高的静强度、冲击韧度和较高的疲劳强度,42CrMo，与35CrMo性能相近，强度和淬透性更好,调整六方头（35CrMo，淬火50-55）转向节（42CrMo与40Cr）,2020/5/8,82,优质结构钢,4、弹簧钢,碳含量：0.60.9,最普通弹簧钢是Mn系列和Cr系列Mn系列选择原则65Mn60Si2Mn55SiMnMoVNbCr系列选择原则50CrMn50CrV50CrMnV,淬火中温回火，获得高弹性和高韧性，通常需要进行喷丸处理获得表面压应力,弹簧有大有小，制作方式也不一样，主要有两种：冷成型和热成型,2020/5/8,83,优质结构钢,弹簧钢的特性,基准座挡圈（65Mn），回位弹簧、波形弹簧（60Si2Mn）大小扭簧（60Si2Mn70）,高碳钢如65，70，85，经热处理和冷拔硬化后，可得较高强度和适当韧性塑性，淬透性差只适用较小尺寸弹簧,65Mn，热处理后，综合性能优于碳钢,60Si2Mn，Si与Mn提高弹性极限、屈强比、淬透性和抗松弛稳定性,2020/5/8,84,优质结构钢,4、滚动轴承钢,有高而均匀的硬度、提高耐磨性,有高的接触疲劳强度和弹性极限,滚针（GCr15）,2020/5/8,85,铜合金,-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,青铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-含锡青铜、不含锡青铜,轴套，衬套（巴氏合金）,有色金属,2020/5/8,86,高分子材料,复合材料,陶瓷,-塑料、橡胶、合成纤维。,-强度高、弹性模量大、质量轻。,非金属材料,-强度高、弹性模量大、质量轻。,塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,2020/5/8,87,橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,螺杆防尘罩（DF6454）,非金属材料,2020/5/8,88,非金属材料,复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。,刹车片（M432A),2020/5/8,89,陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。,非金属材料,陶瓷材料,2.4.5工程材料的选择与应用,概述材料的选择与应用是机械设计与制造过程中最重要的基础环节，自始至终影响着整个设计过程。大量事实说明，在设计与加工过程中的许多材料及工艺问题是我国机械产品功能差、质量低、寿命短的主要原因之一。,2.4.5工程材料的选择与应用,概述材料的选择与应用是机械设计与制造过程中最重要的基础环节，自始至终影响着整个设计过程。大量事实说明，在设计与加工过程中的许多材料及工艺问题是我国机械产品功能差、质量低、寿命短的主要原因之一。,2.4.5工程材料的选择与应用失效分析,导致零件失效的主要原因示意,2.4.5工程材料的选择与应用失效分析,零件失效的主要形式,2.4.5工程材料的选择与应用失效分析,一些常用零件的服役条件、主要失效方式和主要性能指标,2.4.5工程材料的选择与应用选材原则,选材的一般步骤,2.4.5工程材料的选择与应用选材原则,使用性能选材原则工艺性能选材原则经济性能选材原则技术经济评价指标,2.4.5工程材料的选择与应用典型零件选材概述,机架、箱体类零件选材特点：形状不规则、结构比较复杂受力较大，要求高强度、高韧性、甚至高压高温的（如汽轮机机壳）须选用铸钢受力不很大且主要为静载荷的，可选铸铁受力不大，要求自重轻或导热好的，可