常用机械工程材料PPT课件

1、第三章第三章 常用机械工程材料常用机械工程材料 一、教学目的与要求 1. 掌握常用金属材料的种类、牌号、成份、性能及应用情况。 2. 了解常用非金属材料和复合材料的特点及应用。 3. 掌握选材的原则及一般方法。 二、教学课时数 1. 理论教学 4学时 2. 实验教学 0学时 合 计 4学时 三、教学内容 1. 碳钢、合金钢、铸铁、有色金属合金的牌号、成份、热处理、组织、 性能、用途。 2. 硬质合金、高温合金、轴承合金的种类、牌号、性能及用途。 3. 工程材料选用原则及方法步骤。 四、教学重点与难点 1. 重点 材料的分类与牌号的识别。 2.难点 合金钢中合金元素的作用。 五、教学方式 1.

2、多媒体授课 六、参考书籍 1. 材料科学基础，潘金生，TB3 / P146，清华大学出版社，1998 2. 工程材料及应用，周凤云，TB3 / Z768=2，华中科技大学出版社， 2002 3. 金属工艺学(上)，邓文英，TG / D328=4:1，高等教育出版社， 2000 4. 先进复合材料手册，鲁云，TB33 / L817，机械工业出版社， 2003 第一节 工程金属材料 1. 黑色金属 含铁金属材料，铁、铁合金（钢、铸铁和铁合金） 2. 有色金属 非铁金属材料，黑色金属材料、特殊合金（硬质合金、 高温合金等）除外的金属材料，铝合金、铜合金等。 1. 黑色金属分类 碳素钢 合金钢 铸铁

3、2. 碳素钢 亚共析钢、共析钢和过共析钢。 常存元素对碳素钢性能的影响 来源 冶炼中矿石、燃料等带入；加入Mn脱氧等工艺需要加入。 有益元素 硅、锰：溶于铁素体，固溶强化。 有害元素 硫：热脆，几乎不溶于铁，形成Fe+Fe固溶体，熔点985； 磷：冷脆，易偏析，形成低熔点固溶体。 碳素钢的分类 按钢中的含碳量分类 低碳钢：C0.25% 中碳钢：0.25%0.6% 按钢品质分类 普通碳素钢：S0.055% P0.045% 优质碳素钢：S0.040% P0.040% 高级优质碳素钢：S0.030% P0.035% 按钢的用途分类 碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 铸造碳钢 碳素结构钢 碳素结

4、构钢 牌号构成 碳素结构钢的牌号是由Q、屈服点数值、质量等级符号、 脱氧方法四部分自左向右顺序组成。 Q-“屈”字汉语拼音字首 A、B、C、D-质量等级符号，从左至右，质量依次提 高 F、b、Z、TZ-依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、 特殊镇静钢 例如Q195、Q235A等。 成份 Wc偏低，低于0.38%； Ws、Wp偏高； 不保证成份，只保证性能； 性能： 硬度低，塑性好，成本低； 一般热加工后直接使用。 用途 建筑用工字钢、角钢、冲压钢板等一般结构件。 碳素结构钢碳素结构钢 的一些应用：的一些应用： 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢 牌号构成 以万分之一的含碳量作为牌号。如10等、20钢

5、等。 成份 一般为低碳或中碳。 性能 比较软或综合机械性能较好，与成份有关。 优质优质 碳素碳素 结构结构 钢的钢的 一些一些 应用应用 碳素工具钢 碳素工具钢 牌号构成 以T+千分之一的含碳量作为牌号，如T8、T10、T13等。 成份 过共析钢，含碳量一般在0.7%以上。 性能 高硬度，耐磨。 用途 冲头、冲模、锉刀、量具等，工作温度低于200的模具。 碳素工具钢的一些应用碳素工具钢的一些应用 碳素铸钢 牌号构成 铸钢的汉语拼音字首“ZG”+屈服强度+抗拉强度，如ZG200 400等。 成份 一般为中碳。 性能 综合机械性能较好。 用途 用于形状复杂、尺寸较大、机械性能要求较高的机座、支撑架

6、等。 铸钢的铸钢的 一些应一些应 用用 外 壳 轧辊 重型机 械齿轮 2. 合金钢 为何要研究合金钢？ 碳钢综合机械性能不高，淬透性小，又不具备抗腐、耐热等特殊 性能，故航空及机械重要产品多采用合金钢制造。 合金元素在钢中的作用 形成合金铁素体 形成合金碳化物 细化晶粒 提高钢的淬透性 提高钢的回火稳定性 赋于钢特殊的物理、化学性能 合金钢的分类 按合金钢中合金元素含量分类 低合金钢：合金元素总含量小于5 中合金钢：合金元素总含量510、 高合金钢：合金元素总含量大于10 按合金钢的性能和用途分类 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 合金结构钢 低合金低合金 高强度高强度 结构钢结构钢 的一些

7、的一些 应用应用 合金结构钢 牌号构成 两位数字+元素符号+数字（+A） 两位数字：万分之一的含碳量； 元素符号+数字：所含合金元素及其含量， 1.5%,不标; 1.5-2.5%,标2； 2.5-3.5%,标3； 依次类推。 A:高级优质钢。 含碳量： 0.25%渗碳钢 0.25-0.50%调质钢 0.45-0.70%弹簧钢 0.95-1.10%滚动轴承钢 合金渗碳钢 成份： 低碳（0.10-0.25%）、低合金（1.5%）， 如 20Cr、20CrMnTi、20MnVB。 性能： 热处理一般为渗碳+淬火+低温回火。 表面：硬、耐磨； 心部：高塑性、韧性。 用途： 齿轮、凸轮轴。 拨叉拨叉齿轮

8、 凸轮机构 合金渗碳钢的一 些应用 合金调质钢 成份： 中碳（0.25-0.5%）、低合金， 如40Cr、30CrMnSi、38CrMoAl、40MnVB。 性能： 热处理为淬火+高温回火。 综合机械性能好，中高强度、韧性配合。 用途： 齿轮、轴、连杆。 合金调质钢的一些应用合金调质钢的一些应用 合金弹簧钢 成分： 高碳，0.45-0.70%， 如50Mn2、55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA等。 性能： 热处理为淬火+中温回火。 弹性、韧性好。 应用： 弹簧、轧辊等。 合金弹簧钢的一些应用合金弹簧钢的一些应用 滚动轴承钢 滚动轴承钢 P69表4-6 成分： 高碳，0.95-1.1%

9、，一般不标； 高铬，0.40-1.65%； 如GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn等。 性能： 极高硬度，一定的耐腐蚀能力，良好的尺寸稳定性。 应用： 轴承、丝杆、冷冲压模具。 滚动轴承钢的一些应用滚动轴承钢的一些应用 滚珠滚珠轴承 合金工具钢 合金工具钢 牌号构成 1位或无数字+元素+数字 1位数字：千分之一的含碳量； 无数字：含碳量超过1%； 元素+数字：同合金结构钢。 刃具钢的一些应用刃具钢的一些应用 铣刀 英制模板刀 模具钢的应用模具钢的应用 模 具 量具钢的一些应用量具钢的一些应用 特殊 性能 钢 不锈 钢 不锈钢 a 腐蚀 化学腐蚀 电化学腐蚀 b 不锈钢分类

10、 不锈钢：大气 耐酸钢：化学介质 统称为不锈钢 c 提高耐蚀性的措施 提高基体的电极电位：在钢中加入一定量的合金元素（如Cr），使钢的基体 的电极电位提高，从而提高其抗电化学腐蚀的能力； 形成单相组织：在钢中加入一定量的合金元素（如Cr、Ni、Ti等），使钢形 成单相组织，减少电化学腐蚀的可能性； 形成致密的氧化膜：在钢中加入一定量的合金元素（如Cr等），使钢表面形 成一层致密的氧化膜（又称钝化膜，如Cr2O3等），使钢的基体与外界隔绝， 从而使里层金属不被腐蚀； 采用表面防腐的措施：如喷涂、电镀、发蓝、涂油膏等，使钢的基体与大气 或电解质溶液隔开； 降低钢的含碳量：减少钢中合金碳化物的形成。

11、 d 常用不锈钢 1Cr13、4Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。 主要用于汽轮机叶片、水压机阀门、浓硝酸设备零件等。 不锈钢的一些应用不锈钢的一些应用 不锈钢剪刀 1Cr18Ni9Ti不锈钢表带 不锈钢容器 不锈钢船用螺旋桨 耐热钢 耐热钢 a 耐热含义 热化学稳定性：高温氧化 热强性：高温强度 b 耐热钢分类 抗氧化钢（不起皮钢）：1Cr13Si13、 3Cr18Ni25Si2，炉内托架等。 热强钢：15CrMo、4Cr9Si2、1Cr18Ni9Ti，高压锅炉的过热 器、化工高压反应器、喷气发动机尾喷管等。 耐热钢的应用耐热钢的应用 燃气轮机 耐磨钢 a 耐磨

12、机理 受冲击作用，产生加工硬化，耐磨；不能压力加工成形。 b 应用 ZGMn13，水韧处理，用于铁道上的辙岔、辙尖、转辙器、坦克、 拖拉机的履带，碎石机鄂板及挖掘机铲斗的斗齿等零件。 耐磨钢的一些应用耐磨钢的一些应用 履带 铁轨分道叉 破碎机 颚板挖掘机斗齿 低温用钢 a 提高低温性能措施 低碳，一般含碳量0.20%； 添加合金元素Mn、Ni用以提高低温韧性； 添加合金元素V、Ti、Nb、Al细化晶粒进一步改善低温韧性； 严格控制损害韧性的元素P、Si的含量； 使材料尽量形成面心立方晶格结构。 b 应用 常用的低温用钢有10Ni4、13Ni5、15Mn26Al4等，广泛用于 钢铁冶金、化工、冷

13、冻设备、海洋工程等。 3.铸铁 铸铁成分 含碳量高，大于2.11%，一般在2.5-4.0%； 杂质多，Si、Mn、S、P。 碳在铸铁中的存在形式 间隙原子 渗碳体 石墨 石墨 结构 铸铁的组织 石墨：片状、团絮状、球状、蠕虫状。 基体：铁素体、珠光体、铁素体+珠光体。 石墨化 液相中结晶出石墨； 奥氏体中析出石墨； 渗碳体分解形成石墨。 铸铁的性能（与钢比较） 抗拉强度、塑性、韧性低，硬度、抗压强度相近； 优良的铸造性 接近共晶成分； 良好的切削加工性 易于断屑，润滑作用； 优良的耐磨性与减震性 润滑和储油，吸能。 铸铁分类 按碳的存在形式分类： 白口铸铁：渗碳体 灰口铸铁：石墨 麻口铸铁：渗

14、碳体+石墨 按石墨的形态分类： 普通灰口铸铁： 片状， HT100、HT150、HT200、HT250， 主要用于制造汽车、拖拉机的汽缸、汽缸盖、刹车带、摩擦片， 以及机床的床身、底座、支柱等耐压、耐磨件。 普通灰铸铁的应用普通灰铸铁的应用 可锻铸铁： 团絮状， KTH300-06、KTH350-10、KTZ550-04、KTZ700-02， 多用于制造一些截面较薄，而且形状复杂、工作时受震动，强度、 韧性要求稍高的小型零件，但不能用于锻压加工。 可锻铸铁的显微组织可锻铸铁的显微组织 球墨铸铁： 球状， QT400-15、QT500-07、QT700-02， 珠光体球墨铸铁用来制造汽车、拖拉机

15、曲轴、连杆、凸轮轴、 齿轮等； 铁素体球墨铸铁可用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥 壳等。 球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织 球墨铸铁的应用球墨铸铁的应用 球墨铸铁管道接口 特殊性能铸铁特殊性能铸铁 加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，可获得耐磨铸铁； 加入Al、Si、Cr等合金元素，可获得耐热铸铁。 二、有色金属 1.铝及铝合金 纯铝 性能 密度为2.7g/cm3，熔点为660，面心立方晶体结构，导电性、 导热性均很高，耐蚀性好，塑性好，但强度较低（80-110 MPa）。 牌号 铸造铝：Z+AL+数字组成； 变形铝：1，2，3等 变形铝合金 变形铝合金 防锈铝合金 油箱、油管、铆钉

16、、制冷装置结构件以及日用器皿等， 5A05。 硬铝合金 飞机隔框、翼肋、铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件,2A01、 2A11。 超硬铝合金 飞机的大梁、框架、起落架等,7A04。 锻铝合金 离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等,2A50、 2A70。 变形铝合金的一些应用变形铝合金的一些应用 变形铝合金的一些应用变形铝合金的一些应用 铸造铝合金 ZL+1位数+2位数： 前1位数表示合金系，1-铝硅系，2-铝铜系，3-铝镁系，4-铝锌 系； 后2位数表示成分。 铸造铝合金的一些应用铸造铝合金的一些应用 铝合金发动机缸体和缸盖 2. 铜及铜合金 纯铜 性能 密度为8.9g/cm3，熔点为1083

17、，呈面心立方晶体结构，具 有良好的导电、导热性能（仅次于银），较高的塑性和耐蚀性，但 强度、硬度较低，不能通过热处理强化，常通过添加合金元素来改 善其性能。 牌号 工业纯铜按其杂质含量的不同分为四种：T1、T2、T3、T4,编号 越大，纯度越低。 铜合金 黄铜 普通黄铜：铜锌二元合金，H+数字，H70、H62等，数字表示 铜含量，其余为锌。 特殊黄铜：铜锌二元合金加上其他合金元素，H+主加元素符号 （锌除外）+铜含量的百分数+主加元素含量的百分数，HPb59-1、 ZCuAl10Fe3Mn2。 黄铜的一些应用黄铜的一些应用 青铜 普通青铜：普通青铜是以锡为主加元素的铜合金，Q+主加元素符号 +

18、主加元素平均含量的百分数+其他合金元素平均含量的百分数， 如QSn10-1表示含锡量为10%，其他合金元素含量为1%的锡青铜。 特殊青铜：特殊青铜是不含锡的青铜合金,表示方法与普通青铜类似， 如QAl9-4表示主加元素铝含量为9%左右，含其他元素平均含量为 4%的铝青铜。 白铜 普通白铜：以镍为主添加元素的铜合金，B+主加元素的平均含量百 分数，如B19表示19%Ni。 特殊白铜：除Cu、Ni外，还含有其它合金元素的铜合金，B+除Ni以 外的主加元素符号+镍平均含量的百分数+主加元素平均含量的百分 数,如BZn15-20表示含15%Ni、20%Zn。 三、其它金属材料 1. 硬质合金 定义 硬

19、质合金是以一种或几种难熔、高硬度的金属碳化物（如WC、 TiC等）粉末为主要成分，以铁族元素（常用钴、镍）作粘结剂，经 粉末冶金方法生产的一种多相组合材料，是重要的刀具材料。 性能特点 硬度高，耐磨性好； 强度高； 耐腐蚀，抗氧化性能好； 线膨胀系数小，导电、导热性能与铁相近； 适用于制造高速、强力切削刀具，切削速度可为高速钢的4-10倍， 寿命较长； 塑性和冲击韧性差，难以承受塑性变形。 硬质合金的分类、牌号与用途 钨钴类硬质合金 主要化学成分是碳化钨及钴， 牌号用YG+钴的平均百分含量数字， 如YG6表示平均含钴6%的钨钴类硬质合金。 钨钛钴类硬质合金 主要成分是碳化钛、碳化钨及钴， 牌号

20、用YT+碳化钛的平均含量， 如YT14表示平均含碳化钛14%的钨钛钴类硬质合金。 通用硬质合金 是以碳化钽或碳化铌取代钨钴钛类硬质合金中一部分碳化钛而形 成的， 牌号有YW1、YW2，其中“YW”是“硬钨”的汉语拼音字首， 也被称作“万能硬质合金”。 2. 高温合金 定义 高温合金是以高熔点金属Ni（1455）、Co（1480）、Nb （2415）、Mo（2620）等为基体，加入一定量的其它元素所 构成的在高温（700以上）下使用的金属材料。 性能特点 具有较高的热稳定性。在高温条件下，高温合金具有较高的抗氧 化、抗腐蚀、抗冲刷的能力，工作温度可达700-1100。 具有较高的热强性。 比强度

21、和弹性模量高，热膨胀系数小，导热系数大。 具有良好的工艺性能。 分类、牌号与用途 变形高温合金 牌号表示方法是“GH”加四位数字， 第一位数字表示分类号， 后面三位数字则表示化学成分， 如GH2302表示一种时效强化型铁基变形高温合金。 铸造高温合金 铸造高温合金的表示方法是“K”加三位数字， 第一位数字表示分类号（同变形高温合金）， 后两位数字表示化学成分。 如K417表示镍基时效强化型的铸造高温合金。 铸造高温合金高温强度高，适宜于铸造精度高、形状复杂的零件， 所以该类高温合金常用于叶片的生产。 3. 轴承合金 性能要求 具有良好的减磨性 良好的减磨性是指：. 摩擦系数小；. 磨合 性好-轴与轴承的吻合性好；. 抗咬合性好-摩擦条件不良时， 轴承材料不易与轴粘结或焊合。 具有足够的强度和硬度，以承受颈部较大的单位压力。 具有足够的塑性和韧性及高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载 荷，并抵抗冲击和振动。 具有良好的耐蚀性、导热性以及较小的膨胀系数，防止摩擦