金属材料及其加工技术讲稿概论类型

第二章金属材料及其加工技术,第一节金属材料概论第二节金属材料的类型第三节金属材料的铸造加工工艺第四节金属材料的压力加工工艺第五节金属材料的切削加工工艺第六节金属材料的表面处理技术,第一节金属材料概论,一、材料之王金属二、金属材料的特性,什么是金属材料？,金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属材料是金属及其合金的总称。一种金属元素与其他金属元素溶合而成的物质，称为合金。金属还是以合金形式存在的居多，一般来说合金的性能比纯金属的性能要优异。,一、材料之王金属,南京长江大桥，1960年开始修建，1968年通车，是长江上第一座由我国自行设计建造的公路、铁路两用大桥,大庆广播电视塔，全高260米，其中塔身高159米，天线桅杆高101米。是亚洲第三高、我国第二高，黑龙江省第一高的全钢结构广播电视塔。,从古至今，金属材料以其优异的力学性能、优良的成型工艺、多样化的表面处理工艺和独特的外观质量等综合性能，在人类生产生活中扮演着及其重要的角色，我们的衣食住行一时一刻都离不开金属材料。因此，金属材料被人们誉为材料之王，是当之无愧的。,1.优良的综合机械性能（1）较高的强度（承受重载）（2）良好的弹性（弹簧）（3）良好的塑性（冲压成型，轿车车身）（4）良好的韧性（承受冲击载荷）（5）良好的刚度（变形小）（6）较高的硬度（耐磨、刀具）,二、金属材料的特性,2.独特的物理性能密度较大优异的导电性、导热性神奇的磁性特有的光泽优美的音质,二、金属材料的特性,3.特有的热处理性能退火、正火、淬火、回火等4.多样化的表面处理方式喷漆、电镀、氧化、磷化等5.优良的成型工艺性切削加工、铸造、锻造、冲压、焊接等,二、金属材料的特性,6.丰富的人文特性历史悠久（青铜器）色泽炫目（首饰及装饰）高品质的象征现代风范力量的代表,二、金属材料的特性,7.抗氧化、抗腐蚀能力差（每年报废上亿吨，是年产量的几分之一）8.成本高（材料价格和加工成本都较高）9.可持续性差（资源有限，回收成本也较高）,二、金属材料的特性,第二节金属材料的类型,金属材料,有色金属材料,黑色金属材料,纯铁,钢,轻金属材料,重金属材料,铸铁,C0.02%,C2.11%,4.5g/cm3,4.5g/cm3,第二节金属材料的类型,一、钢铁是怎样炼成的二、铸铁三、钢材1.碳钢2.合金钢3.钢材的品种四、有色金属材料1.铝及铝合金2.铜及铜合金3.镁4.铬5.钛,炼铁过程,铁水先在高炉中从矿石中炼出来，这时候的铁水含碳量和杂质都较高，常用来铸成生铁块或直接送到转炉去炼钢，这种铁水也可以进一步冶炼去掉些杂质（包括近一步脱碳）和使铁三碳分解,，石磨状态析出，用作浇铸铸件（铸铁）。,一、钢铁是怎样炼成的,如何炼钢？,铁水进一步冶炼降碳，含碳量进一步降低就成了钢。钢中也常加入其他合金元素，通过冶炼调节钢中的合金元素（包括碳）的比例关系，就炼成了各种型号的钢，这种过程就是炼钢。,铁有哪些种类？,生铁是炼钢原料，碳含量大于2，含硅量不大于1.7%。故硬而脆，断口呈白色。铸造生铁是铸造材料，碳含量大于2.11，硅含量为1.25-3.6%,碳多以石墨状态存在。断口呈灰色。熟铁降碳至小于0.4就成了纯铁，也叫熟铁。熟铁很软。工业纯铁C0.02主要用作磁铁芯,二、铸铁,铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。铸铁主要用于生产各种铸件。如机床的床身、发动机的汽缸体、缸套、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。,1、铸铁的分类（按石墨化程度分类）（1）灰口铸铁：碳主要以石墨形式存在，应用广泛。（2）白口铸铁：碳主要以Fe3C形式存在，很少应用。,2、灰口铸铁的分类：（以石墨形态分类）（1）灰铸铁：（石墨为片状）成分：C：2.54.0%，Si：1.02.5%，少量Mn,S,P等。性能：抗压不抗拉；耐磨、消振性好；牌号：HT+数字表示最低抗拉强度。如：HT150、HT250应用：机床床座，床身、工作台；汽车拖拉机的汽缸、汽缸套等。,（2）球墨铸铁（石墨为球状）成分：C：3.84.0%，Si：2.02.8%性能：良好的抗拉强度，弯曲疲劳强度，塑性、韧性；优异的铸造性。（可热处理或合金化）；应用：汽车拖拉机底盘零件；阀体、阀盖；机油泵齿轮；代替中碳钢制造柴油机、汽油机曲轴、连杆、车床主轴。,QT+数字-数字,球铁,抗拉强度,延伸率,如：QT400-15、QT600-3、QT800-2。,球墨铸铁的牌号,（3）可锻铸铁：成分：C：2.42.8%；Si：1.22.0%；少量Mn,S,P等元素。,应用：形状复杂、承受冲击载荷的薄壁零件。（汽车的前后轮壳，减速器的外壳等）,牌号：KT(Z)+数字-数字,KT铁素体型可锻铸铁，KTZ珠光体型,抗拉强度,延伸率,如KT350-10、KTZ600-3,性能：介于灰铸铁和球墨铸铁之间。,三、钢材,钢,碳钢,合金钢,按含碳量分类：低碳钢、中碳钢、高碳钢,按钢的品质分类：普通碳素钢、优质碳素钢,按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢,台金结构钢：低合金高强度钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金轴承钢,合金工具钢：刃具钢、量具钢、模具钢,特殊用途钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢等,1、碳钢通常把含碳量在0.02%2.11%之间的铁碳合金称为碳素钢。性能：可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件。,重点讲授：（1）碳素结构钢：Q195、Q215等（2）优质碳素结构钢：30、45号钢等（3）碳素工具钢：T10等,（1）碳素结构钢牌号表示方法：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。举例：Q235AF表示屈服强度为235MPaA级沸腾钢。,用途用于桥梁、建筑、各种型钢、条钢和铆钉、螺钉、螺母等。,(2)优质碳素结构钢牌号:用两位数字表示。其中两位数字表示平均含碳量的万分数。举例：45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。,用途广泛用于制造机器零件，故又称机械制造用钢。如08钢（WC=0.08%）、10钢（WC=0.1%）用于制作冲压成形的机器外壳、容器、罩子等；45钢（WC=0.45%）制作轴、齿轮、连杆等。,(3)碳素工具钢牌号用“T+数字+字母”表示，其中，“T”表示碳的汉语拼音字头，数字表示平均含碳量的千分数。例如T8，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”，如“碳8锰”或“T8Mn”；若在钢号后面加“A”，则表示为高级优质碳素工具钢。如T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。,用途制造各种量具、刃具等。如T7钢（WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；T10钢（WC=1%）用于制作钻头、手用钢锯条、简单冷作模具等；T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。,2.合金钢为了改善钢的性能，在钢中加入一种或数种合金元素的钢叫做合金钢。合金元素：Cr(铬)、Mn（锰）、Ni（镍）、Si（硅）、B（硼）、W（钨）、Mo（钼）、V(钒)、Ti（钛）、Zr（锆）和Re（铼）等。,合金元素在钢中的作用1）与铁作用：固溶于铁素体中，固溶强化，力学性能。2）与碳作用：固溶于铁素体；形成碳化物，HB（硬度）、b（强度极限）总的看来：在碳钢的基础上，加入些合金元素，提高淬透性，提高综合力学性能，满足使用要求。,分类：（1）合金结构钢：低合金高强度钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢（2）合金工具钢：刃具钢、磨具钢、量具钢（3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢等。,（1）合金结构钢低合金高强度钢这类钢是在普通碳素结构钢(0.2%C)基础上加入少量合金元素Mn，V，Ti等发展起来的，所以叫做低合金结构钢，又称低合金高强度钢。新钢号的表示形式如Q345，旧钢号的低合金高强度结构钢的牌号也可以采用“两位数字+元素符号+数字”表示，如16Mn。用途主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。性能高强度；高韧性；良好的焊接性能和冷成型性能；低的冷脆转变温度；良好的耐蚀性。常用牌号常见的有Q295（09Mn2）、Q345，Q390，Q420，Q460。,北京08“鸟巢”用钢材名为:Q460EZ235为我国目前的顶级建筑用钢。据08工程指挥部专家候兆欣说：E指-40度的冲击韧性指标。（在国标中E代表特级）Z235表明鸟巢用钢是顶级的。据称用Q460EZ235钢建造的鸟巢工程具有抗八级强震之能力。,（1）合金结构钢渗碳钢指经过渗碳处理的合金结构钢。用途主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。性能表面渗碳层硬度高；心部具有高的韧性和足够高的强度；有良好的热处理工艺性能。常用牌号20CrMnTi、20CrMo、20Cr,（1）合金结构钢调质钢经过调质处理的合金结构钢。用途合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。性能调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。常用牌号40Cr、40MnB、35CrMo等,（1）合金结构钢弹簧钢用途合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。性能高的弹性极限高的疲劳强度足够的塑性和韧性。常用牌号65，65Mn，小尺寸的沙发弹簧60Si2Mn大尺寸的汽车板簧,（1）合金结构钢滚动轴承钢用途主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。性能高的接触疲劳强度高的硬度和耐磨性足够的韧性和淬透性。常用牌号用“G+Cr+铬含量(不标含碳量)”，其中，“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位。如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。,（2）合金工具钢刃具钢用途主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。性能高硬度；高耐磨性；高热硬性。热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）；足够的塑性和韧性。常用牌号1）低合金工具钢。9SiCr，CrWMn，9Mn2V。最高工作温度不超过300。2）高速钢（俗称风钢、白钢）。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,（2）合金工具钢模具钢（冷作）用途冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200300。性能高硬度，一般为58HRC62HRC;高耐磨性;足够的韧性和疲劳抗力;热处理变形小。常用牌号9SiCr，9Mn2V，Cr12,Cr12MoV,冷作模具,（2）合金工具钢模具钢（热作）用途热模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600以上。性能高的热硬性和高温耐磨性；高的抗氧化性能；高的热强性和足够的韧性；高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏；由于热模具一般较大，所以还要求热模具钢有高的淬透性和导热性。常用牌号5CrNiMo、5CrMnMo等,（2）合金工具钢量具用钢用途量具用钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。性能高硬度和耐磨性;高的尺寸稳定性;足够的韧性。常用牌号低合金工具钢。用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具，如GCr15钢。不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具，如9Cr18、4Cr13。,（3）特殊性能钢钢不锈钢是指在大气和一般介质中具有很高耐腐蚀性的钢种。用途不锈钢在石油、化工、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。常用牌号马氏体不锈钢-1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13；铁素体型不锈钢-1Cr17、1Cr17Ti奥氏体型不锈钢-1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti。,不锈钢船用螺旋桨,不锈钢剪刀,1Cr18Ni9Ti不锈钢表带,不锈钢容器,（3）特殊性能钢钢耐热钢是指在高温下不发生氧化并具有一定强度的钢。用途用于制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中的零部件。性能抗氧化性。抗氧化性是指金属在高温下的抗氧化能力，热强性。热强性是指钢在高温下的强度。常用牌号珠光体耐热钢-15CrMo和12CrMoV。马氏体耐热钢-1Cr11MoV、1Cr12WMoV、1Cr13、2Cr13奥氏体耐热钢-1Cr18Ni9Ti,（3）特殊性能钢钢耐磨钢用途耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机鄂板和铁轨分道叉等。性能要求对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。高锰钢是目前最主要的耐磨钢。常用牌号由于耐磨钢零件经常是铸造成型后就使用，其牌号最前面是“ZG”，表示铸钢，紧随其后是元素符号，然后是该元素的平均质量分数，以百分之一计。如ZGMn13，表示含锰平均为13Mn的铸造高锰钢。,履带,铁道岔道,钢材由钢坯或钢锭加工而成的产品。通常分为型钢、钢板、钢管、钢丝等4大类。可采用轧制、挤压、拉拔、焊接、冷弯等工艺加工，广泛用于各工业部门。,3.钢材的品种,型钢按截面形状可分为圆钢、方钢、扁纲、六角钢、角钢、工字钢、槽钢和异形钢等。,钢板按厚度分为薄钢板(厚度小于mm)、厚钢板(厚度4一60mm)和特厚钢板厚度大于60mm)。汽车、洗衣机、电冰箱外壳等由钢板冲压而成。覆层钢板：镀锌钢板镀锡钢板镀铝钢板有机涂层钢板花纹钢板不锈钢板,钢管中空的棒状钢材，截面多为圆形，也有方形、矩形和异形。按生成方法分为无缝钢管和焊缝钢管。无缝纲管采用热乳、冷轧、挤压、冷拔等方法生产，由于截面封闭无焊缝，具有较高的承载压力，适合作高强度钢管、特殊钢管和厚壁钢管。焊缝纲管用钢板或钢带卷曲成筒状焊接而成，表面质量好，尺寸精度高，生成效率高，成本低。按焊缝形状可分为直缝焊管和螺旋缝焊管。焊缝钢管广泛用来输送流体和制造机械构件,钢丝用不同质量的热轧盘条冷拔拉制而成的线状钢材。按化学成分分为低碳、中碳、高碳钢丝和低合金、中合金、高合金钢丝;按表面状态分为抛光、磨光、酸洗、氧化处理和镀层钢丝等;按用途分为普通钢丝、结构钢丝、弹簧钢丝、不锈钢丝、电工钢丝、钢绳钢丝等。,四、有色金属及其合金,（1）定义:除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属。（2）分类：重金属(密度4.5);Cu（铜）、Ni（镍）等。轻金属(密度4.5);Al（铝）、Mg（镁）等。贵重金属;Au金、Ag银、Pt铂等。稀有金属;W钨、Ti钛、Ra镭、Nb铌等。半金属;Si（硅）、Te碲（di）、B硼等。,1.铝及铝合金铝及铝合金是工业用量最大有色金属，由于其优良特性，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的应用。,铝及铝合金有以下特点：,密度小、比强度高纯铝的密度为2.7g/cm3,仅为铁的1/3。铝合金的密度与纯铝相近。铝合金（强化后）的强度与低合金高强钢的强度相近，铝合金比强度比一般高强钢高得多。有优良的物理、化学性能铝的导电性好，仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64%。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，铝及铝合金磁化率极低，接近于非铁磁性材料。加工性能良好铝及铝合金(退火)的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。超高强铝合金成形后可通过热处理获得很高的强度。铸铝合金的铸造性能极好。,铝合金的分类,铝合金,变形铝合金,铸造铝合金,不能热处理强化铝合金（防锈铝合金）,能热处理强化铝合金,铝,纯铝,硬铝合金,锻铝合金,超硬铝合金,飞机用座椅轨道及航空零件,铝合金型材,铝合金散热器,2.铜及铜合金,铜及铜合金具有下列性能：优异的物理、化学性能纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。良好的加工性能。塑性很好，容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能。具有某些特殊机械性能例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分黄铜)，高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)。色泽美观,铜及铜合金的分类,铜合金,轴承合金,黄铜,锡青铜,铜,纯铜(紫铜),铝青铜,白铜,铍青铜,普通黄铜,特殊黄铜,青铜,特殊青铜,（1）纯铜,纯铜呈紫红色，常称紫铜，铜的含量在99.9%以上。工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。纯铜用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低,不宜作结构材料。,（2）黄铜（铜锌合金）,以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两种。,普通黄铜：铜和锌二元合金。用字母H表示，如H62,表示含铜量约为62%，含锌量约为38%。型号有：H96H90H85H70H68H65H63H62H59特殊黄铜：在铜锌合金中加入其他元素（如锡、镍、锰、铅、硅、铝、铁等）的合金，表示方法是在H后面加除锌外的主要加入元素的符号及含量。如：HNi65-5表示铜含量约为：65%，镍含量约为5%，其余量为锌含量。,（3）白铜（铜镍合金）,以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜（在固态下，铜与镍无限固溶）。也分为普通白铜和特殊白铜。普通白铜：铜和镍的二元合金（即二元白铜）表示方法是用字母B加镍的含量表示，如：B5表示镍含量为约5%，其余约为铜含量。型号有：B0.6B19B25B30特殊白铜：即三元以上的白铜，加入的元素主要有铁、锰、锌、铝。表示方法是加第二个主要元素符号及铜含量以外的成分数字组表示。如BMn3-12表示镍含量约为3%，锰含量约为12%。,性能：有较好的强度和优良的塑性，能进行冷、热变形。冷变形能提高强度和硬度；抗蚀性很好；电阻率较高。用途：制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械、乐器、饰品等。,（4）青铜（铜锡合金）,青铜原指铜锡合金，常用的锡青铜中含锡在10以下，铸造和机械性能好，曾用作制造大炮，故称炮铜。加工青铜代号表示方法是：Q+第一主加元素的化学符号及含量)+其他合金元素含量。例如，QAl5表示Al=5%，余量为铜的加工铝青铜。铸造青铜的牌号表示方法相同，它是“Z”+铜元素化学符号+主加元素的化学符号及含量+其他合金元素化学符号及含量。例如，ZCuZn38表示Zn=38%，余量为铜的铸造普通黄铜；ZCuSn10P1表示Sn=10%，p=1%，余量为铜的铸造锡青铜。,（4）青铜（铜锡合金）,由于锡的价格较高，现在已经出现了多种无锡青铜，如硅青铜、铝青铜等，可作为锡青铜的代替品。现在的青铜定义是除以锌（黄铜）和镍（白铜）铜合金以外的其他铜基合金。这些主要合金有铝、硅、铅、铍、锰等。,青铜品种多，应用广,铜在工业设计中的应用,电子、电工器材雕塑与工艺品日用品水管乐器电