机械工程材料及其选用

1,第三章机械材料及其选用,2,本章学习的主要内容：金属材料的力学性能（影响金属材料性能的因素）铁碳合金（钢、钢的热处理、铸铁）有色金属与粉末冶金材料（铝、铜、轴承合金粉末冶金）非金属材料（工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料）机械工程材料的选用,3,【学习目标】掌握金属材料的性能（物理、化学、力学、加工性能）掌握碳素钢、合金钢和铸铁的分类、牌号、性能和用途了解钢的热处理及其目的掌握常用有色金属（铝及铝合金、铜及铜合金）的分类、牌号、性能和用途掌握常用非金属材料的性能、分类和用途【技能目标】初步掌握工程材料的选用方法,4,概述,【学习目的】了解材料与材料科学的发展状况；掌握机械材料的分类；了解材料科学与机械工程的关系；熟悉本章学习的目的、内容,5,材料、能源和信息是现代科学和现代文明的三大支柱。人类社会的发展按材料分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。我们的祖先创造了辉煌的历史原始社会末期，中国最早使用了陶器（用黏土烧制9501165，涂上粗釉）；东汉时期出现瓷器（外表施有釉或彩绘，1280-1400烧制），传至世界各国。汉代，先炼铁后炼钢的技术居世界领先地位。20世纪以来，材料的发展状况高性能金属材料发展的同时，高分子材料、陶瓷材料和复合材料迅速发展，目前正在进入人工合成材料的新时代。,6,7,8,材料是人类用于制作各种产品的物质，是人类生产和生活的物质基础，是人类社全文明水平的标志。机械是由构件组成的，而构件是由材料制成的、没有材料就没有机械机械零件质量好坏和使用寿命的长短都与它的材料直接相关。机械产品是的设计、制造、维修都存在材料的选用问题。,9,材料科学的研究范畴材料科学是研究材料的成分、组织、性能和应用之间的关系及其规律的一门科学；包含四个基本要素：材料的成分组织结构、材料的制备合成与加工工艺、材料的固有性能和材料的使用行为。多数发达国家非常重视材料科学研究1972年，美国国家科学院的白皮书报告，全美科技人员有25%从事材料问题研究，还有25%以某种形式参与材料的研究。1986年科学的美国人杂志在讨论有关材料研究的文章中指出“材料科学的进展决定了经济关键部门增长率的极限范围”。1990年美国总统的科学顾问指出“材料科学在美国是最重要的学科”。,10,材料的分类工程材料是指固体材料领域中与工程（结构、零件、工具）有关的材料，主要应用于机械制造、航空航天、化工、建筑与交通等部门。按其应用领域分为机械工程材料、电子工程材料（如：IC基板绝缘板）、航空材料（制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材料的总称）；机械工程材料是指机械工程中常用的材料；按化学组成的不同分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。,11,12,现代材料种类繁多，在机械工程上常用的材料有：金属材料和非金属材料。为了正确选择和使用材料，我们必须熟悉材料的分类、牌号、性能、应用和热处理等基础知识。（一）金属材料金属材料用量最大、用途最广；分为黑色金属和有色金属。黑色金属：即钢铁材料，占金属材料的95%以上。有色金属：既非铁合金，指除铁基合金以外的所有金属及其合金材料。分为轻金属（铝、镁、钛），重金属（铅、锑），贵金属（金、银、镍、铂）。,13,（二）高分子材料高分子材料又称聚合物，是由相对分子质量很大的大分子组成，其主要原料是石油化工产品；高分子材料重量轻、电绝缘、隔热、耐蚀；按其性能分为塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂。塑料是最重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料；通用塑料占塑料生产的70%左右（聚乙烯是典型代表）。工程塑料指力学性能较高的聚合物。,14,（三）陶瓷材料陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的化合物（主要是氧化物、氮化物、碳化物）；工业上分为三大类：传统陶瓷：由粘土、石英、长石组成，主要成分是天然硅、铝的氧化物及硅酸盐，常作建筑材料。特种陶瓷：主要成分是人工氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等的烧结材料，常作工业上耐热、耐蚀、耐磨等零件。金属陶瓷：金属粉末与陶瓷粉末的烧结材料，常作工具、模具等。陶瓷材料优点：高硬度、高耐磨性、高的抗压强度、高耐热性和耐蚀性。缺点塑性低易脆断且不易加工成形。,15,（四）复合材料金属、高分子、陶瓷材料各有优点，将两种或两种以上的材料微观地组合在一起形成的材料，便是复合材料。各组成材料取长补短，是一种新型的优异材料。按其基体不同可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。树脂基复合材料已处于成熟应用阶段，金属基复合材料和陶瓷基复合材料由于制造工艺复杂，成本高昂，尚处于研制开发阶段。,16,机械工程以自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。人类成为“现代人”的标志是制造工具。石器时代的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。从制造简单工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械，经历了漫长的过程。机械是现代社会进行生产和服务的五大要素（人、资金、能源、材料和机械）之一，并参与能量和材料的生产。任何现代产业和工程领域都需要应用机械，如房屋建筑和道路、桥梁、水利等工程需要工程机械。,17,机械工程是一个极广的概念；总的发展趋势：数字化、智能化、精密化、微型化、生命化和生态化。（要求大型及微型、高速、耐高低温、耐高压、耐恶劣环境影响等方向发展）。材料科学与机械工程优质的机械产品是合理的材料、优良的设计和正确的加工这三者整体配合，而材料是基础。（一）材料与产品质量大量事实说明，许多材料及其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。（二）材料与机械设计机械设计涉及广泛的学科领域，其中数学、材料科学、工程力学和工业造型是其重要的支柱，主要包括功能设计、结构设计与材料设计。,18,（三）材料与机械制造机械制造是将材料经济地加工成最终产品的过程。可以分为改形工艺和改性工艺。改形工艺：保证结构形状与尺寸切削成形（如车、铣、刨、磨、钻）流动成形（铸造，塑性成形等）连接成形（焊接、铆接、粘接）改性工艺：保证组织性能，包括材料整体处理工艺（退火、正火、淬火、回火、时效等）和材料表面改性处理工艺。材料的表面改性是近代科学研究的重要内容之一，可以提高材料的疲劳性能、耐磨性、耐蚀性。,19,第一节金属材料的力学性能,【重点掌握】各种机械性能指标（强度、塑性、冲击韧性、硬度HB，HRC，HV；疲劳强度）的物理意义和单位。熟悉有关性能的术语、符号意义及应用场合，并了解其测定方法。【一般要求】材料的韧性、断裂韧性。,20,金属的力学性能：金属在外力的作用下所表现出来的性能.常用的力学性能判据有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等,21,（一）强度和塑性,材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形塑性变形断裂。强度：指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力。弹性变形：外力去除后能够自行恢复的变形。塑性变形：外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形。材料的强度和塑性用拉伸试验测定。,22,强度：是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力。比例极限p=E弹性极限（e）表示材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。,屈服点（s）表示金属开始发生明显塑性变形的抗力,铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用条件屈服点。（r0.2）来表示，产生0.2%残余应变时的应力值。强度极限(抗拉强度b)表示金属受拉时所能承受的最大应力。,23,塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力；由静拉伸得到的塑性指标有：断后伸长率、断面收缩率。断后伸长率（510）断面收缩率和值愈大愈好。金属材料有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件，也是提高零件工作可靠性的重要前提。,24,硬度：表征金属材料软硬程度的一种性能。硬度试验方法：有压入法、回弹法、刻痕法，以压入法最为普遍，它是表示材料抵抗更硬物体压入其内的能力。常见的硬度表示方法有：布氏硬度（HBW、HBS）洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）维氏硬度（HV）,（二）硬度,25,A、布氏硬度压痕单位面积上的试验力；试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球,以相应的试验力P压入试样表面,保持规定的时间后卸载试验力,在试样表面留下球形压痕,如图所示。,26,压头及应用：压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，用于测定硬度HBS450的金属材料,如灰铸铁、有色金属及退火、正火和调质处理的钢材等。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。表示方法示例：硬度表示方法：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。即：硬度值HBS(HBW)压头直径/试验力/试验力保持时间（10-15s不标注）；如120HBS10/1000/30表示用直径为10mm的钢球作压头，在1000kgf(9800N)的试验力下，保持时间为30s后所测得的硬度为120。,27,布氏硬度试验的优缺点：优点：试验使用压头直径较大，在试样表面留下的压痕也较大，测量结果较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不宜测定太薄工件的硬度，也不宜测定成品件的硬度。应用：布氏硬度实用范围常用于测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）硬度。,28,B、洛氏硬度以主试验力下产生的塑性变形压痕深度来度量。试验原理用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，以规定的试验力压入试样表面。试验时先加初载荷，然后加主载荷。压头压入试样表面后卸去主载荷，保持初载荷的情况下，根据试样表面压痕深度确定被测工件的洛氏硬度值。,式中c为常数，对于HRA，HRC，c=0.2；对于HRB，C=0.26,29,常用洛氏硬度的标尺及应用范围根据所用压头种类和所加载货的不同，洛氏硬度分为A、B、C三种标尺，工程上常用HRC洛氏硬度指标，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。,30,洛氏硬度试验优缺点优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品；对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。,缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定三次以上，取其平均值为该材料的硬度值。,31,C、维氏硬度以压痕单位面积上的试验力来度量。试验原理维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如后面图所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。,32,维氏硬度试验原理,维氏硬度压痕,维氏硬度计,33,常用试验力及其适用范围维氏硬度试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在49.03980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7N。HV符号前面的数字为硬度值，后面依次用相应数字注明试验力和试验力保持时间（10-15s不标注）。如640/HV30/20，表示30kgf(294.2N)试验力，保持时间为20s，测得维氏硬度值为640。维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果精确可靠。当试验力小于0.2kgf(1.961N)时，可用于测量金相组织中不同相的硬度。,34,维氏硬度试验优缺点优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；不存在压头变形问题；压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。,35,综述：比较布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度（HBW、HBS）以单位面积上所承受的力表示，试验不适用于测定硬度较高的材料。洛氏硬度HRA、HRB、HRC）以主载荷的压入深度表示，试验虽然可用于测定较软材料和较硬材料，但其硬度值不能计算比较。维氏硬度（HV）以单位面积上所承受的力表示，试验可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。,36,强度、塑性、硬度都是在静载货作用下测量的性能指标，对于在冲击力作用下的零件或工具还必须具有足够的韧性。,（三）韧性和疲劳强度,韧性静载荷与冲击载荷主要取决于载荷的加载速度。韧性材料断裂前吸收变形能量的能力韧度；冲击韧度是材料抗冲击能力的指标之一。冲击值表示，它通过冲击实验来测定。,以很大的速度作用与工件的载荷。如锤杆、冲头、活塞销与连杆、变速齿轮、车刀等,37,疲劳强度许多机械零件，如轴、齿轮、连杆、弹簧、汽轮机叶片等，都是在交变应力作用下工作的。所谓交变应力是指应力的大小、方向随时间作周期性的变化。在交变应力作用下，会使零件在最大工作应力小于抗拉强度值，甚至小于屈服极限的情况下突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。疲劳破坏80%的断裂由疲劳造成；,38,疲劳：承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在s(b）下发生断裂。疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。,条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。,39,陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。测试方法：弯曲疲劳试验钢材：N=107有色金属：N=108影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,40,补充（一）：金属材料的物理性能,材料的物理性能是指材料的密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等性能，它们都是材料固有的属性。（1）密度指材料单位体积的质量。一般将密度小于5103kg/m3的金属称为轻金属,如铝、钛等；密度大于该值的称为重金属。（铁：7.8克/厘米3、铜：8.9克/厘米3、铝：2.7克/厘米3、钛：4.51克/厘米3）。,41,（2）熔点指材料的熔化温度。它一般用摄氏温度()表示。纯金属都有固定的熔点，即熔化过程在恒定的温度下进行，而合金的熔化过程则是在一个温度范围内进行。金属的熔点对于材料的成形和处理工艺十分重要。熔点高的金属称为难熔金属（W、Mo等），常用来生产在火箭、导弹、燃气轮机等方面应用的高温零件；熔点低的金属称为易熔金属（Sn、Pb等），常用来制造印刷铅字、保险丝和防火安全阀等零件。,42,（3）热膨胀性指材料随温度升高而产生体积膨胀的性能。通常用线膨胀系数表示。对精密仪器或精密机械的零件，特别是高精度配合零件，热膨胀系数就是一个尤为重要的性能参数。（如发动机活塞与缸套就要求两种材料的膨胀量尽可能接近，否则将影响密封性）。一般情况下，陶瓷材料的热膨胀系数较低，金属次之，而高分子材料最大。（工程上有时也利用不同材料的膨胀系数的差异制造控制元件，如电热式仪表的双金属片）。,43,（4）导热性材料传导热量的能力称作导热性,一般用导热系数表示。材料的导热系数越大，导热性能越好。一般来说，金属愈纯，其导热性越好，在金属中即使含有少量杂质时，也会显著地影响它的导热能力。因此，合金钢的导热性一般都比碳钢的低。而且在钢中合金元素越多时，导热性能也就越差。导热性对热加工有十分重要的意义。金属材料在加热和冷却过程中，表面和中心，薄壁和厚壁之间会产生一定的温差，导致零件不同部分产生不同的膨胀或收缩，从而产生内应力，引起变形和破坏。所以在生产过程中，对导热性差的金属材料通常采用预热或缓慢加热和缓慢冷却等措施，以防零件的变形和开裂。,44,（5）导电性材料传导电流的能力称为导电性。导电性的高低用电阻率表示，电阻率小，导电性高。导电性最高的金属是银，其次是铜和铝，与纯金属相比，合金的导电性稍差。（6）磁性材料导磁的能力称为磁性。根据金属在磁场中到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，具有较高的磁性，如铁、钴、镍；顺磁性材料（Mn、Cr等）在外磁场中只能微弱地被磁化；抗磁性材料（Cu、Zn等）抵抗外部磁场对材料本身的磁化作用。,45,补充（二）：金属材料的化学性能,材料的化学性能主要化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性及化学稳定性等。（1）耐腐蚀性金属材料抵抗水蒸气、酸、碱等介质的腐蚀能力称为耐腐蚀性。（常见的钢铁生锈、铜生铜绿等都是腐蚀现象）金属材料的耐蚀性是一个很重要的性能，特别是在腐蚀性介质中工作的金属材料需要重点考虑。（如石油化工设备接触腐蚀介质，就要考虑材料的耐腐蚀性）。,46,（2）抗氧化性金属材料在高温下抵抗氧化介质氧化的能力称为抗氧化性。加热时，由于高温促使表面强烈氧化而产生氧化皮，可能造成氧化、脱碳等缺陷。在高温下工作的零件，要求材料具有一定的抗氧化性。（3）化学稳定性化学稳定性是指金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料在高温下的化学稳定性，也称为热稳定性。如工业中的锅炉、汽轮机、喷气发动机等，因为有许多零件在高温下工作，所以要求材料有良好的热稳定性。,47,补充（三）：材料的工艺性能,材料的工艺性能是指在零件的生产制造过程中，为了能顺利地进行成形加工，材料应具备的适应某种加工工艺的能力。它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素。材料的工艺性能好坏，会直接影响零件的制造方法、零件的质量和制造成本。金属材料的工艺性能一般指铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能。,48,铸造性能：流动性、收缩性、偏析锻造性能：塑性、变形抗力焊接性能：焊接性、碳当量切削性能：表面粗糙度、刀具寿命热处理性能：淬透性,铸件,锻件,锻造,49,焊接,车床,切削产品,铸造,铣床,磨床,50,附件一、影响金属材料性能的因数,不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料在不同的条件下其力学性能也是不相同的。这是因为金属材料的力学性能除了与化学成分有关外，还受到内部组织结构的影响。,51,晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。非晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等,金刚石晶体,干冰（co2）晶体,玻璃非晶体,52,晶体结构晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式.晶格假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。晶格常数晶胞的三个棱边的长度a,b,c,53,（一）金属的晶体结构,金属中原子的排列是有规则的，而不是杂乱无章的（晶体属于晶体结构）。几乎所有的金属，大部分的陶瓷以及一些聚合物在其凝固时都要发生结晶；（一）晶体的特征：结构有序；物理性质表现为各向异性；有固定的熔点。非晶体的结构是原子无序排列，没有这些特点。,54,金属在固态时一般都是晶体（其内部原子排列有规律图a）；为了便于理解和描述，晶体中原子排列的情况可用晶格（图b示）来表示；由于晶体中原子的排列具有周期性的特点，通常只从晶体中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元即晶胞来分析晶体中原子排列的规律，如图c；实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。,55,（2）金属中三种常见的晶体结构工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝对多数都具有比较简单的晶体结构；最典型、最常见的金属晶体结构有三种类型，即体心立方、面心立方和密排六方结构，其中体心立方、面心立方属于立方晶系，密排六方属于六方晶系。,56,A、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞图如图示。晶胞的三个棱边长度相等。三个轴间夹角均为90,构成立方体。晶胞的八个角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子，因其晶格常数a=b=c，故通常只用一个常数a即可表示。属于体心立方晶格的金属有-Fe（912以下的纯铁）、Cr（铬）、Mo（钼）、W（钨）、V（钒）等。,点阵模型,57,B、面心立方面心立方晶格的晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90，构成立方体，在立方体六个面的中心也各有一个原子。属于面心立方晶格的金属有-Fe（温度在1394912之间的纯铁）、Cu、Al、Ag、Ni（镍）等。,点阵模型,58,C、密排六方结构密排六方结构的晶胞如图示。晶胞的12个角各有一个原子，构成六方柱体，上下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有3个原子。属于密排六方晶格的金属有Zn、Mg、-Ti等。,点阵模型,59,（3）晶向指数和晶面指数在研究金属晶体的空间结构时，为了便于分析原子在某一平面或某一方向上的分布规律，把晶格中由一系列原子所在的平面，称为晶面；任何两个或多个原子所在的直线所指的方向，称为晶向。晶体中晶面和晶向的空间位向分别用“晶面指数”和“晶向指数”来表示。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面的这种符号叫“晶面指数”，晶向的符号叫“晶向指数”。（表示方法略）,60,（4）晶体的各向异性由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在不同方向上的性能差异，晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要标志之一。例如：体心立方的Fe晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量E便不同。在111方向E=290000MN/m2，在100方向E=135000MN/m2。许多晶体物质如石膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。,61,（二）合金的晶体结构,（1）合金的基本概念合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特征的材料。组元组元就是组成合金最基本的、能够独立存在的物质。例如，铁与碳是铁碳合金的组元。组元可以是化学元素，也可以是稳定的化合物。相金属或合金中具有相同化学成分，相同结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分。,62,相变金属或合金的一种相在一定条件下转变为另一种相，称之为相变。相图表明合金系中各种相之间关系与平衡条件的一种简图，也称为平衡图或状态图。金相组织用肉眼、放大镜或显微镜观察到的材料内部的形态结构。组织的含义包括“相”的种类、形状、大小及各相的相对数量和分布。,63,（2）合金的相结构A、固溶体指合金的组元在固态下相互溶解而形成的一种成分均匀的新晶体。合金中晶格形式被保留的组元称为溶剂，溶入固溶体中失去其原有晶格类型的组元是溶质。固溶体主要特征：晶格仍保持溶剂组元的晶格,64,65,B、金属化合物组成合金的组元相互作用，形成的具有金属特性的化合物相。金属化合物是合金元素原子间按一定整数比形成的具有金属性质的一种新相。具有不同于任一组元的复杂的晶格类型,其组成一般可用分子式来表示。金属化合物一般具有较高的熔点、硬度和脆性，但塑性、韧性极差。当合金中存在金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。因此，金属化合物一般不直接用作合金机体，通常用来作为各类合金的重要强化项。,66,C、机械混合物纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相，由两个或两个以上基本相组成的多相组织称为机械混合物。机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。,67,第二节：铁碳合金,【学习目标】熟悉碳钢的牌号、分类、性能及用途，掌握低合金钢及合金钢的分类、牌号、性能和用途.熟悉灰口铸铁的类型、牌号及应用。掌握钢的热处理的种类、概念、常用的热处理方法及应用范围。,68,（一）钢铁材料,金属材料分类：黑色金属：铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金），其中钢铁占了95有色金属：除黑色金属以外的所有金属及其合金。,现代金属材料种类繁多。常用的金属材料有碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属和硬质合金等。为了正确选择和使用材料，必须了解各种金属材料的分类、牌号、性能、用途和热处理等有关的基础知识。,69,钢铁材料是钢和铸铁的统称。根据国家标准GB/T13304-19910.6%B、按钢的质量分类:碳素钢:Ws0.055%，Wp0.045%优质碳素钢:Ws、Wp0.040%高级优质碳素钢:Ws0.030%，Wp0.035%,79,C、按钢的用途分类碳素结构钢：用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种工具。一般为高碳钢。D、按冶炼方法分类镇静钢：是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不发生碳氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢。沸腾钢：是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模后发生碳氧反应，析出大量的CO气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。,80,钢中常存元素对钢性能的影响C、Si、Mn、P、S是任何钢中都有的基本元素，称为常存元素。碳：能提高钢的性能，形成的碳化物是重要的增强相。硅：溶入铁素体中，有强化作用。锰：能减少钢中的FeO，减轻S的有害作用，有一定的强化作用，能形成合金渗碳体。硫：以FeS的形式存在，与Fe形成低熔点的共晶体，引起钢的热脆。磷：易析出化合物Fe3P，引起钢的冷脆。,81,杂质元素对钢性能的影响有益元素Si有很强的固溶强化作用,能脱氧。Mn脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。有害元素P有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。,82,（2）钢的编号,例：Q235-AF,83,优质碳素结构钢用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。如果是高级优质钢，在牌号后面加“A”表示。如果是沸腾钢则加“F”。含Mn较高时，后面加“Mn”。例如：45钢表示平均含碳量为0.45。优质碳素结构钢根据含碳量又可分为低碳钢（含碳量在0.25以下）、中碳钢（含碳量为0.250.55）和高碳钢（含碳量为0.550.85）。,84,碳素工具钢,碳素铸钢,例如：T12、T12A,85,（2）合金钢合金结构钢合金结构钢的牌号采用“二位数字加元素符号加数字”表示。前面二位数字表示钢的平均碳含量的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，后面数字表示该元素平均含量的质量分数。当合金元素含量小于1.5时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，则相应地在元素符号后面标注2、3、4等。例如60Si2Mn，表示平均含碳量为0.6；含硅量约为2，含锰量小于1.5。,86,合金工具钢合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均碳含量（C）的千分数，当碳含量大于或等于1.00时则不予标出。如9SiCr，其中平均碳含量（C）为0.9，Si、Cr的含量都小于1.5。特殊专用钢为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。如GCr15为滚珠轴承钢,“G”为“滚”的汉语拼音字首。还应注意在滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。如GCr15SiMn,表示铬含量为1.5，硅、锰含量均小于1.5的滚珠轴承钢。合金结构钢若为高级优质钢，则在钢号后面加“A”，如38CrMoAlA。,87,（3）钢分类及应用A、碳素钢,、普通碳素结构钢大部分用作钢结构，少量用于机器零件。通常以热轧状态供应，一般不经热处理强化。可进行锻造、焊接等热加工。常用的牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。、优质碳素结构钢用于较重要的机械零件，一般都要进行热处理。含锰量较高的优质碳素结构钢，用来制造尺寸稍大或强度要求略高的零件。常用的牌号：08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70。,88,、碳素铸钢用于难以用压力加工方法成形的零件。常用的牌号：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640。、碳素工具钢碳素工具钢的含碳量（Wc）一般在0.651.35，可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。碳素工具钢的预备热处理一般为球化退火，降低硬度以便于切削加工，并为淬火作组织准备。成本低，冷热加工工艺性好，在手用工具和机用低速切削工具上有较广泛的应用。常用牌号：T7、T8、T10、T8A、T10A、T12、T13。,89,B、合金结构钢,、低合金高强度结构钢强度高，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。一般低合金钢的屈服强度在300MPa以上，同时该类钢有足够的塑性、韧性和良好的焊接性能。这类钢一般在热轧、空冷状态下使用，不需要专门的热处理。为了改善焊接区性能，可进行正火。常用牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q450。Q420(15MnVN)是具有代表性的中等强度级别的钢种，广泛用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。,90,、渗碳钢一般渗碳钢都是低碳钢，渗碳后的钢件，经淬火和低温回火后，表面硬度可达5864HRC，具有高的耐磨性，而心部具有较高的强度和韧性。主用于制造要求高耐磨性，并承受动载荷的零件，如汽车的变速齿轮、内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。渗碳钢分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。碳素渗碳钢15、20钢经渗碳后，用于制造承载较低、形状简单、不太重要而要求耐磨的小型零件。合金渗碳钢按淬透性大小分为三类:低淬透性合金渗碳钢（如20Mn2、15Cr、20Cr、20MnV）,中淬透性合金渗碳钢（如20CrMnTi、20Mn2B、12CrNi3、20CrMnMo、20MnVB）和高淬透性合金渗碳钢（如12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA）。,91,、调质钢调质钢一般为中碳钢或中碳合金钢，主要用于承受较大变动载荷或各种复合应力的零件。如汽车、拖拉机、机床和其它机器上各种重要零件：齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等。调质钢锻造毛坯应进行预备热处理，以降低硬度，便于切削加工。预备热处理一般采用正火或退火。碳素调质钢一般是中碳钢，如35、40、45钢或40Mn、50Mn等，其中以45钢应用最广，适宜制造载荷较低、小而简单的调质工件。合金调质钢按淬透性分为三类：低淬透性调质钢；中淬透性调质钢；高淬透性调质钢。,92,、弹簧钢弹簧钢主要制造各种弹簧和弹性元件。常用的弹簧材料是碳素钢或合金钢。弹簧钢一般采用淬火加中温回火处理，以获得回火托氏体组织。常用的碳素弹簧钢有65、85、65Mn；合金弹簧钢有55Si2MnB、60Si2Mn、50CrVA、60Si2CrVA、30W4Cr2VA。、滚动轴承钢滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈等，也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。代表性的GCr15，用于制造中、小型轴承，也可制造冷冲模、量具、丝锥等。GCr15SiMn，用于制造大型轴承。对于承受很大冲击载荷的轴承，常用渗碳轴承钢制造，如G20Cr2Ni4钢等。对于要求耐蚀的不锈轴承，常采用9Cr18钢，但其磨削性和热导性差。,93,C、合金工具钢,（1）刃具钢低合金刃具钢最高工作温度不超过300。主要热处理：加工前退火、机加工后淬火和低温回火。典型钢种是9SiCr，广泛用于制造各种低速切削的刃具如板牙、丝锥等，也常用作冷冲模。为改善刃具的切削效率和提高耐用度，生产上经常采用表面强化处理。表面强化处理主要有化学热处理和表面涂层处理两大类。前者包括蒸气处理、气体软氮化、离子氮化、氧氮化、多元共渗等；后者处理方法很多，发展也很快，如PVD、CVD、激光重熔等，主要是在金属表面形成耐磨的碳化钛、氧化钛等覆层。,94,、高速钢高速钢的加工、热处理工艺复杂；常用的高速钢钨系W18Cr4V钢是应用最广泛的高速工具钢，具有较高的热硬性，过热和脱碳倾向小，但碳化物较粗大，韧性较差。钨钼系W6Mo5Cr4V2钢用钼代替了部分钨。钼的碳化物细小，韧性较好，耐磨性也较好，但热硬性稍差，过热与脱碳倾向较大。,95,（2）模具钢模具钢分为冷模具钢和热模具钢。冷模具钢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。热模具钢用于制造各种热锻模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600以上。常用冷作模具钢：Cr12、Cr12MoV；热作模具钢：5CrNiMo、5CrMnMo、6SiMnV、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1。,96,（3）量具钢量具钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规和塞规等。量具钢在使用过程中主要受磨损，要求材料有高的硬度（不小于56HRC）和耐磨性，高的尺寸稳定性。量具钢的热处理关键在于保证量具的尺寸稳定性。量具钢没有专用钢。对尺寸小、形状简单、精度较低的量具，用高碳钢制造；复杂的较精密的量具一般用低合金刃具钢制造；含Cr、W、Mn的刃具钢淬透性较高，淬火变形很小，可用于精度要求高，并且形状复杂的量规及块规；GCr15耐磨性、尺寸稳定性较好，多用于制造高精度块规、螺旋塞头、千分尺。在腐蚀介质中工作的量具，则可用不锈钢9Cr18、4Cr13制造。,97,D、特殊性能钢,（1）不锈钢1)金属腐蚀的概念在钢中加入Cr、Ni、Si等元素，提高金属的电极电位，可有效地提高耐蚀性。2)按组织不同，不锈钢可分为四种：马氏体型不锈钢，典型钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等。铁素体型不锈钢。奥氏体型不锈钢，常用的是1Cr18Ni9Ti。奥氏体铁素体双相不锈钢。,98,（2）耐热钢耐热钢主要用于石油化工的高温反应设备和加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、汽车和船舶的内燃机、飞机的喷气发动机以及热交换器等设备。耐热钢按组织不同可分为三种：珠光体型耐热钢：其工作温度在450600范围内，按含碳量及应用特点可分为：低碳耐热钢和中碳耐热钢。前者主要用于制造锅炉、钢管等。后者用来制造耐热紧固件、汽轮机转子、叶轮等承受载荷较大的耐热零件。马氏体型耐热钢：其工作温度在550750范围内。常用于制作汽车发动机、柴油机的排气阀等。奥氏体型耐热钢：一般工作温度在600700范围内。常用于制造一些比较重要的零件，如燃气轮机轮盘和叶片发动机气阀、喷气发动机的某些零件等。,99,（3）耐磨钢耐磨钢主要用于承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带板、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉、防弹板等。高锰钢能很好地满足这些要求，它是重要的耐磨钢。其牌号主要有ZGMn13-1到ZGMn13-5。高锰钢室温为奥氏体组织，当在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层产生强烈的形变硬化，并且还发生马氏体转变，使硬度显著提高，心部则仍保持为原来的高韧性状态。除高锰钢外，还有其它种类的马氏体中低合金耐磨钢。,100,（二）钢的热处理,【任务导航】钢的性能有时候不能达到要求，你知道怎样才能使其性能变得更好呢？钢的热处理是指采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保湿和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理是改善钢材性能的重要工艺措施，它不仅可提高机械零件的使用性能，还可以改善钢材的工艺性能。热处理在机械制造中占有十分重要的地位。,101,（1）热处理的分类,102,热处理的目的：消除前工序产生的缺陷，为后工序的顺利进行创造条件；发挥材料的潜力，赋予工件所需的最终使用性能。,热处理工艺曲线,热处理的方法虽然很多，但任何热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段组成，只是工艺要素（温度、时间）上有区别。热处理工艺通常用温度时间为坐标的工艺曲线来表示（如图）。,103,（1）钢的常见热处理方法A、钢的退火与正火,退火与正火是钢的基本热处理工艺之一，其目的主要在于消除钢材经热加工所引起的某些缺陷，或者为以后的加工做好准备，故称为预热处理。退火将钢件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。主要特点：缓慢冷却。,104,退火的主要目的（性能变化）：降低硬度，提高塑性（以利于切削加工或继续冷变形）；细化晶粒，消除组织缺陷（改善钢的性能，并为最终热处理作组织准备）；消除内应力（稳定工作尺寸，防止变形与开裂）。退火工艺的应用：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以及改善机械零件毛坯的切削加工性能；性能要求不高的机械零件的最终热处理。,105,退火的分类（根据工艺与目的不同分）：完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等。完全退火用于亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊接件等；球化退火用于过共析碳钢和合金工具钢、轴承钢管；等温退火的应用同完全退火和球化退火；去应力退火用于铸件锻压件、焊件、切削加工件等；均匀化退火用于质量要求高的合金钢铸锭、构件卯锻坯等。,106,正火将钢件加热到Ac3(或Accm)以上3050，保温、空冷的热处理工艺称为正火。正火与退火相比：正火冷却速度较快，因此正火后的组织比较细小，强度、硬度比退火后要略高。主要应用范围：作为低、中碳钢和低合金结构钢消除应力，细化组织，改善切削加工性和淬火前的预备热处理；对于力学性能要求不太高的普通结构零件，正火也可代替调质处理作为最终热处理使用。,107,正火的应用与退火一样，一般作为预备热处理，被安排在毛坯生产之后，粗加工（或半精加工）之前。对合金调质钢，正火获得均匀而细密的组织，为调质处理(淬火加高温回火）作好组织淮备。对过共析钢，正火可消除网状渗碳体，为球化退火作好组织准备；对低碳钢或低碳合金钢，正火可细化晶粒，提高硬度，改善其切削加工性（适宜的切屑加工硬度为170230HBS）；对性能要求不高的零件，以及一些大型或形状复杂的零件，淬火容易开裂时也可用正火作为最终热处理。,退火和正火的选择：防止内应力，导致变形和裂纹，采用退火。缩短生产周期短，尽量采用正火。,108,B、钢的淬火,淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的方式冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的：与回火配合，赋予工件最终的使用性能；钢件被淬透，整个截面上的性能均匀一致；材料能力得到充分发挥。淬火低温回火：高硬度、高耐磨性；淬火中温回火：高弹性；淬火高温回火：良好的综合力学性能。加热保温时间的影响因素钢件的材料、有效厚度、加热介质、装炉方式、装炉量等具体情况而定。,109,、淬火介质理想淬火介质：过冷奥氏体在C曲线的鼻尖处（550左右）需要快冷，而在650以上或400以下并不需要快冷。淬火介质种类：水、水溶性的盐类和碱类、矿物油。冷却能力：盐（碱）水清水矿物油、淬火方法无论哪种淬火介质都不能使工件获得理想的淬火冷却速度，为了使工件既淬成马氏体又防止变形和开裂，除选择合适的淬火介质外，还必须采取正确的淬火方法。,110,单介质淬火法：浸入某一种淬火介质中连续冷却到室温的热处理。双介质淬火法：先水后油、先水后空气。分级淬火法：把加热好的钢件先放入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，保持一定的时间，使钢件内外的温度达到均匀一致，然后取出钢件在空气中冷却，使之转变为马氏体组织。等温淬火法：等温淬火法是将钢件加热奥氏体化后，随即快冷到贝氏体转变温度区间(260400)等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。局部淬火：对有些工件如果只是局部要求高硬度，可对工件全部加热后进行局部淬火，为了避免工件的其他部分产生变形和开裂，也可进行局部加热淬火。,111,、钢的淬透性淬透现象：截面冷却速度不一致，钢件中心部分低于临界冷却速度，没有得到马氏体的现象。淬透性：钢在规定条件下淬火时获得淬硬深度的能力。影响淬透性的因素钢的化学成分（碳钢中含碳量越接近于共析成分，钢的淬透性越好。合金钢中绝大多数合金元素溶于奥氏体后，都能提高钢的淬透性）；奥氏体化温度及保温时间（适当提高钢的奥氏体化温度或延长保温时间，提高钢的淬透性）。、淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。影响因素：钢中含碳量愈高，则其淬硬性越好。,112,113,114,C、钢的回火,回火：将淬火钢件重新加热到A1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火紧接着淬火后进行，除等温淬火外，其他淬火零件都必须及时回火。（1）回火的目的降低脆性，减少或消除内应力，防止工件的变形和开裂。稳定组织，调整硬度，获得工艺所要求的力学性能。稳定工件尺寸，满足各种工件的使用性能要求。改善某些合金钢的切削性能。,115,（2）淬火钢回火时的性能变化在回火过程中，随着淬火钢的组织变化，钢的力学性能也会发生相应的变化。随着回火温度的升高，钢的强度和硬度下降，而塑性和韧性提高。（3）回火的分类与应用低温回火（150250）硬度一般为5864HRC。目的：降低工件内应力，减少脆性，保持淬火后的高硬度和高耐磨性。应用：表面要求高硬度、高耐磨的工件，如：刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、表面渗碳淬火件等。,116,中温回火（350500）硬度一般为3550HRC。目的：获得高的弹性极限和屈服点，并保持一定的韧性。应用：要求弹性高，有足够韧性的工件。如：弹簧、弹性零件及热锻模具等。高温回火（500650）硬度一般为220330HBS。通常把淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理（即淬火+高温回火）。目的：获得强度高、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。应用：各种重要的结构零件，如螺栓、连杆、齿轮及轴类等。,117,此外还有：软化回火：温度640680；降低某些合金的硬度，以便于切削加工；时效处理：温度100150（1015h）；主要用于某些精密量具及零件，为了保持淬火后的高硬度和尺寸稳定性而进行的长时间的回火（也称尺寸稳定处理）。回火通常不在250350进行，因在这范围回火时容易产生低温回火的脆性。,118,D、钢的表面热处理,在生产中有些零件，如齿轮、花键轴、机床导轨、活塞销等表面要求高的硬度和耐磨性，而心部却要求有一定的强度和足够的韧性。采用一般的淬火、回火工艺无法达到这种要求，这时需要进行表面热处理。表面热处理：仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺。分为：表面淬火和化学热处理应用：某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如主轴、齿轮、曲轴等，某些工作表面要承受较高的应力，要求工件的表面层具有高的硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部具有足够的塑性和韧性。,119,、钢的表面淬火,表面淬火：将工件的表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺方法称为。性能：工件经表面淬火后，表层得到马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为淬火前的组织，具有足够的强度和韧性。分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火,120,A、感应加热表面淬火感应加热表面淬火：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面迅速加热并进行快速冷却的淬火工艺。,基本原理：将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热（几秒钟内即可升温8001000度，心