金属工艺学第五章2,3

1、1 第二节第二节 铸铁铸铁 本节重点本节重点 铸铁的分类，牌号，性能。铸铁的分类，牌号，性能。 2 第二节第二节 主要内容主要内容 概述概述 常用铸铁常用铸铁 3 一、一、 概述概述 1 1、在铁碳合金中，碳存在形式：在铁碳合金中，碳存在形式： 固溶体；固溶体； 化合物态的渗碳体化合物态的渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)亚稳相；亚稳相； 游离态石墨游离态石墨（G G）稳定相。稳定相。 4 2.2.铸铁的分类铸铁的分类 灰口铸铁灰口铸铁： 普通灰铸铁：普通灰铸铁： 片状；片状； 可锻铸铁：可锻铸铁： 团絮状；团絮状； 蠕墨铸铁：蠕墨铸铁： 蠕虫状；蠕虫状； 球墨铸铁：球墨铸铁： 球状；球状； 按

2、照碳的存在形式可分为：按照碳的存在形式可分为： 麻口铸铁：麻口铸铁： 白口铸铁：白口铸铁： 5 复线铁碳合金相图复线铁碳合金相图 铸铁组织中石铸铁组织中石 墨的形成过程。墨的形成过程。 3 3、铸铁的石墨化、铸铁的石墨化 铸铁石墨化的过程铸铁石墨化的过程 铁碳合金相图铁碳合金相图 复线相图复线相图 6 铸铁的石墨化的影响因素铸铁的石墨化的影响因素 1)1)冷却速度冷却速度 化学成分相同时，冷却速度越慢越有利于化学成分相同时，冷却速度越慢越有利于 石墨化，得到灰铸铁。石墨化，得到灰铸铁。 2)2)化学成分化学成分 碳和硅有利于石墨化。碳和硅有利于石墨化。 磷能促进石墨化，作用较弱；磷能促进石墨化

3、，作用较弱； 硫和锰阻碍石墨化。硫和锰阻碍石墨化。 7 二、常用铸铁二、常用铸铁 灰铸铁灰铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 特殊性能铸铁特殊性能铸铁 8 力学性能力学性能 a a）缺点：抗拉强度、塑性、韧性低。）缺点：抗拉强度、塑性、韧性低。 b b）优点：灰铸铁的减振性、缺口敏感性低、耐磨性、）优点：灰铸铁的减振性、缺口敏感性低、耐磨性、 抗压性好。抗压性好。 1 1、灰铸铁、灰铸铁 即普通灰铸铁即普通灰铸铁 显微组织显微组织 基体组织：基体组织：F F、P P、F+P GF+P G：片状石墨：片状石墨 用途：用途： 如：机床床身、机架、导轨等。如：机床床身、机架、

4、导轨等。 9 10 牌号：牌号：HT + HT + 数字（数字（表示最低抗拉强度表示最低抗拉强度 ） 如：如：HT200HT200、HT250HT250等。等。 提高灰铸铁力学性能的措施提高灰铸铁力学性能的措施 1 1）改变石墨形态：）改变石墨形态：片状片状 蠕虫状、团絮状、球状，蠕虫状、团絮状、球状， 或减少石墨数量，并均匀分布或减少石墨数量，并均匀分布 2 2）强化基体：）强化基体：合金化或热处理改变基体组织。合金化或热处理改变基体组织。 热处理：热处理： 去应力退火；去应力退火； 表面淬火表面淬火 ： 11 2 2、可锻铸铁（又称玛钢）、可锻铸铁（又称玛钢） 显微组织：显微组织： 基体组

5、织：基体组织：F F、P P； G G ：团絮状石墨：团絮状石墨 牌号：牌号： 黑心（铁素体）可锻铸铁：黑心（铁素体）可锻铸铁：KTH+KTH+数字数字- -数字数字 珠光体可锻铸铁：珠光体可锻铸铁：KTZ+KTZ+数字数字- -数字数字 性能：性能： 除强度高于灰铸铁外，突出特点是冲击韧除强度高于灰铸铁外，突出特点是冲击韧 度和耐腐蚀性好。度和耐腐蚀性好。 用途：用途： 制造形状复杂，承受冲击和振动的薄壁零件。制造形状复杂，承受冲击和振动的薄壁零件。 例：建筑用扣件、管接头等。例：建筑用扣件、管接头等。 12 13 3 3、球墨铸铁、球墨铸铁 用途：用途： 强度要求较高，形状复杂的中型零件。

6、强度要求较高，形状复杂的中型零件。 如小型柴油机的曲轴、凸轮轴、连杆等。如小型柴油机的曲轴、凸轮轴、连杆等。 显微组织：显微组织： 基体：基体：F F，P P，P PF F； G G；呈球状，；呈球状， 牌号：牌号：QT+QT+数字数字数字数字 性能：性能： 兼有灰铸铁的铸造性能和钢的力学性能。兼有灰铸铁的铸造性能和钢的力学性能。 强度和硬度与钢接近，弹性和塑性比钢稍低。强度和硬度与钢接近，弹性和塑性比钢稍低。 14 15 4 4、蠕墨铸铁、蠕墨铸铁 显微组织：显微组织： 基体：基体：F F，P P G G：蠕虫状石墨：蠕虫状石墨 牌号：牌号：RuTRuT + + 数字数字 性能：性能： 1

7、1）强度接近于球墨铸铁，韧性、耐磨性较高。）强度接近于球墨铸铁，韧性、耐磨性较高。 2 2）具有良好的热导性。）具有良好的热导性。 用途：用途： 如重型机床床身、箱体及内燃机的气缸盖、活如重型机床床身、箱体及内燃机的气缸盖、活 塞环等。塞环等。 16 第三节第三节 有色金属及其他材料有色金属及其他材料 本节重点：本节重点： 了解铝、铜及合金的牌号了解铝、铜及合金的牌号 17 工业纯铝工业纯铝 一、铝及铝合金一、铝及铝合金 铝合金铝合金 18 1 1）性能）性能 密度小，导电、导热性好，在大气中耐腐蚀。密度小，导电、导热性好，在大气中耐腐蚀。 1 1、工业纯铝、工业纯铝( (在地球中的储量居首位

8、在地球中的储量居首位) ) 2 2）应用）应用 不受力的结构件，如电线，电缆；不受力的结构件，如电线，电缆； 要求导热、抗大气腐蚀、强度不高的用品要求导热、抗大气腐蚀、强度不高的用品 和器皿。和器皿。 塑性较高（塑性较高（A=45%A=45%，Z=80%Z=80%）。）。 19 2 2、铝合金分类、铝合金分类 变形铝合金变形铝合金 铸造铝合金铸造铝合金 按成分和工艺性能分按成分和工艺性能分 20 飞机主起落架飞机主起落架 （超硬铝合金）（超硬铝合金） 21 活塞活塞( (裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金) ) 22 铸铸造造铝铝 镁镁合金合金 鼓风机用密封件鼓风机用密封件 铸铸造造铝铝 锌锌合金合

9、金 23 纯铜纯铜 二、铜及铜合金二、铜及铜合金 铜合金铜合金 24 应用：应用： 制造电线、电缆、电刷、铜管、散热器、冷凝器。制造电线、电缆、电刷、铜管、散热器、冷凝器。 1 1、纯铜、纯铜 导磁性材料，导电性和导热性良好，在大气和淡水导磁性材料，导电性和导热性良好，在大气和淡水 中耐腐蚀；抗拉强度不高，塑性很好；中耐腐蚀；抗拉强度不高，塑性很好； 只能通过加工硬化和合金化强化只能通过加工硬化和合金化强化, ,面心立方晶格。面心立方晶格。 25 2 2、铜合金、铜合金 分类：分类： 普通黄铜：铜锌合金；普通黄铜：铜锌合金；H62 H62 特殊黄铜：除锌，还加特殊黄铜：除锌，还加PbPb、Sn

10、Sn、MnMn等。等。 HMn58HMn582 2 （MnMn主元素，主元素，5858含铜含铜5858， 2 2含含Mn2Mn2） 1 1）黄铜）黄铜是工业上应用最为广泛的铜合金。是工业上应用最为广泛的铜合金。 特点：特点： a a）具有良好的力学性能、加工成形性、导电性和导热性；）具有良好的力学性能、加工成形性、导电性和导热性； b b）色泽美丽、价格较低。）色泽美丽、价格较低。 26 法兰阀法兰阀闸阀闸阀 冷凝器管冷凝器管 v弹壳黄铜弹壳黄铜 - H70- H70 v日用黄铜日用黄铜 - H62- H62 常用的黄铜应用常用的黄铜应用 v金奖黄铜金奖黄铜 - H90- H90 27 应用：

11、应用： 海水或蒸汽中使用的精密仪器、仪表，低温海水或蒸汽中使用的精密仪器、仪表，低温 热电偶、热电偶补偿导线等。热电偶、热电偶补偿导线等。 2 2）白铜）白铜 特点：特点： 具有很高的耐蚀性，优良的冷、热加工性，具有很高的耐蚀性，优良的冷、热加工性， 组织呈单相，不能热处理强化。组织呈单相，不能热处理强化。 分类：分类： 简单白铜：铜镍二元合金。简单白铜：铜镍二元合金。B5B5（NiNi质量分数为质量分数为5 5） 特殊白铜：除镍外，加入特殊白铜：除镍外，加入ZnZn、MnMn、FeFe等等 B B特殊元素符号特殊元素符号NiNi的质量分数特殊元素的质量分数的质量分数特殊元素的质量分数 BMn

12、3-12BMn3-12表示镍含量约为表示镍含量约为3%3%，锰含量约为，锰含量约为12% 12% 28 （1 1）锡青铜）锡青铜 锡为主加元素，锡为主加元素， 特点：随着含锡量特点：随着含锡量，塑性，塑性，强度，强度， 有一定的耐腐蚀性。有一定的耐腐蚀性。 应用：制造轴承、衬套及化工机械。应用：制造轴承、衬套及化工机械。 3 3、青铜、青铜 指除黄铜、白铜之外的所有铜合金。指除黄铜、白铜之外的所有铜合金。 （2 2）铝青铜）铝青铜 铝为主铝为主加元素加元素， 特点：良好的强度，耐蚀性、耐磨性好。特点：良好的强度，耐蚀性、耐磨性好。 铸造性好。铸造性好。 应用：制造齿轮、轴套、蜗轮等高强度抗磨零

13、件，应用：制造齿轮、轴套、蜗轮等高强度抗磨零件， 弹簧和其它高耐蚀性弹性元件。弹簧和其它高耐蚀性弹性元件。 29 （3 3）铍青铜）铍青铜 铍为主加元素铍为主加元素； 特点：特点： a a）能热处理强化，力学性能好，耐蚀、耐磨、无磁性，）能热处理强化，力学性能好，耐蚀、耐磨、无磁性， 导电和导热性好。导电和导热性好。 b b）受冲击无火花。）受冲击无火花。 c c）冷热加工性能好，铸造性能也好。）冷热加工性能好，铸造性能也好。 应用：应用： a a）弹性零件、耐磨零件。）弹性零件、耐磨零件。 b b）高速、高温、高压零件。）高速、高温、高压零件。 c c）防爆合金，如炼油厂、煤气站常用的防爆工

14、具。）防爆合金，如炼油厂、煤气站常用的防爆工具。 30 本章小结本章小结 1、合金元素在钢中的作用。、合金元素在钢中的作用。 2、工业用钢、工业用钢 1）分类）分类 结构钢：碳素结构钢，低合金结构钢；结构钢：碳素结构钢，低合金结构钢； 合金结构钢：合金结构钢： 工具钢：碳素工具钢，合金工具钢。工具钢：碳素工具钢，合金工具钢。 特殊性能钢：不锈钢，耐热钢，耐磨钢。特殊性能钢：不锈钢，耐热钢，耐磨钢。 2）以结构钢为重点，掌握钢的典型钢号。）以结构钢为重点，掌握钢的典型钢号。 从牌号从牌号类别类别碳及合金的含量碳及合金的含量主要性主要性 能，常用热处理工艺等。能，常用热处理工艺等。 31 3、铸铁

15、、铸铁 铸铁的组织、性能、分类、牌号；铸铁的组织、性能、分类、牌号； 4、有色金属及其合金、有色金属及其合金 铜、铝合金分类铜、铝合金分类 32 第四节第四节 零件的失效零件的失效 与材料的选用原则与材料的选用原则 33 二、机械零件选材原则二、机械零件选材原则 三、典型零件的选材三、典型零件的选材 机械工程材料的合理选用机械工程材料的合理选用 一、失效的形式和分析一、失效的形式和分析 34 一、失效的形式和分析一、失效的形式和分析 常温下过量变形失效常温下过量变形失效 断裂失效断裂失效 表面磨损失效表面磨损失效 高温下零件的失效高温下零件的失效 35 二、机械零件选材原则二、机械零件选材原则

16、 1、使用性能原则：保证零件在使用过程中良好的工作能力；、使用性能原则：保证零件在使用过程中良好的工作能力； 2、工艺性能原则：保证零件便于加工制造；、工艺性能原则：保证零件便于加工制造； 3、经济性原则、经济性原则：保证零件的总成本尽可能低。保证零件的总成本尽可能低。 36 三、典型工件的选材三、典型工件的选材 1 1、齿轮选材、齿轮选材 1 1）工作条件：）工作条件： 齿根齿根交变弯曲应力；交变弯曲应力； 齿部齿部冲击载荷；冲击载荷； 齿面齿面压应力及摩擦力。压应力及摩擦力。 2 2）失效形式：）失效形式： 疲劳断裂，齿面磨损，齿面接触疲劳破坏，疲劳断裂，齿面磨损，齿面接触疲劳破坏， 过载

17、断裂。过载断裂。 37 材料：材料： 合金渗碳钢合金渗碳钢20Cr 20Cr 或或20CrMnTi20CrMnTi； 汽车齿轮汽车齿轮 受力较大，冲击频繁；需受力较大，冲击频繁；需 要具备耐磨性、疲劳强度、要具备耐磨性、疲劳强度、 冲击韧性等。冲击韧性等。 机床齿轮机床齿轮 传递动力不大，转速传递动力不大，转速 中等，工作平稳，无中等，工作平稳，无 强烈冲击。强烈冲击。 材料：材料： 一般：一般： 中碳钢中碳钢(45(45钢钢) )； 合金调质钢合金调质钢(40Cr(40Cr钢钢) )； 低速齿轮：低速齿轮： HT250HT250、HT350HT350、 QT500-5QT500-5、 QT6

18、00-2QT600-2等。等。 38 下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工 表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨 正火正火锻造组织均匀化锻造组织均匀化+方便切削加工方便切削加工 调质调质处理处理较高的综合力学性能较高的综合力学性能+改善齿心的强韧改善齿心的强韧 性性+能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。 表面淬火表面淬火提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。 低温回火低温回火消除淬火应力。消除淬火应力。 机床齿轮的机床齿轮的加工工艺路线加工工艺路线： 39 下料下料锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳

19、 淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工 渗碳淬火处理渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐可使齿面具有高硬度、高耐 磨性和高的疲劳性能，心部保持良好的强韧性磨性和高的疲劳性能，心部保持良好的强韧性 喷丸喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度作为进一步强化手段，可使齿面硬度 提高提高13HRC，增加表层残余压应力，进而提，增加表层残余压应力，进而提 高疲劳极限。高疲劳极限。 汽车齿轮汽车齿轮工艺路线工艺路线为：为： 40 2 2、轴类选材、轴类选材 1 1）工作条件：）工作条件： 受交变弯曲和扭转应力；局部（轴颈等受交变弯曲和扭转应力；局部（轴颈等 处）存在摩擦和磨损；受冲击载荷；处）存

20、在摩擦和磨损；受冲击载荷； 2 2）失效方式：）失效方式： 疲劳断裂，表面过度磨损，大载荷或冲击载荷疲劳断裂，表面过度磨损，大载荷或冲击载荷 引起的过量变形、断裂。引起的过量变形、断裂。 41 材料：材料： 一般：一般：4545钢或钢或40Cr40Cr钢；钢； 机床主轴：机床主轴： 受弯曲和扭转复合应力，载荷和转速不高，冲受弯曲和扭转复合应力，载荷和转速不高，冲 击载荷不大；击载荷不大； 局部（轴颈或花键处）：较高硬度和耐磨性。局部（轴颈或花键处）：较高硬度和耐磨性。 42 4545钢钢( (或或40Cr40Cr钢钢) )机床主轴的加工路线为：机床主轴的加工路线为： 下料下料锻造锻造正火正火粗

21、加工粗加工 调质调质半半 精加工精加工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨 成品成品 43 3 3、弹簧选材、弹簧选材 1 1）工作条件）工作条件 承受弯曲应力或扭转应力，承受交变应力和冲击载荷的作用承受弯曲应力或扭转应力，承受交变应力和冲击载荷的作用 2 2）失效形式：）失效形式： 塑性变形、疲劳断裂、脆性断裂。塑性变形、疲劳断裂、脆性断裂。 汽车板簧汽车板簧 缓冲和吸振，需要高的屈服强度和疲劳强度缓冲和吸振，需要高的屈服强度和疲劳强度 材料：材料： 轻型汽车：轻型汽车：65Mn65Mn、60Si2CrA60Si2CrA 44 高速切削用的刃具高速切削用的刃具 4 4、刃具选材、刃具选材

22、 1 1）工作条件：）工作条件： 弯曲应力，扭转应力，冲击与振动。弯曲应力，扭转应力，冲击与振动。 2 2）失效形式）失效形式 磨损，断裂，刃部软化。磨损，断裂，刃部软化。 手锯锯条、锉刀、手锯锯条、锉刀、 木工用刨刀木工用刨刀 手用刃具手用刃具 车刀、铣刀、车刀、铣刀、 钻头钻头 高速钢高速钢 等；等； 碳素工具钢碳素工具钢 丝锥、板牙丝锥、板牙9SiCr9SiCr； 45 工程材料部分知识小结工程材料部分知识小结 第第13章：基本理论基础章：基本理论基础 第第4 4章：强化材料的途径章：强化材料的途径热处理热处理 以钢的热处理原理与工艺为重点。以钢的热处理原理与工艺为重点。 第第5 5章：

23、常用机械工程材料介绍章：常用机械工程材料介绍 以钢材为重点。以钢材为重点。 在前五章知识的基础上，学会合理选材。在前五章知识的基础上，学会合理选材。 46 为典型零件选择为典型零件选择 材料和热处理方式材料和热处理方式 47 1 1、锉刀、锉刀 热处理：预先热处理正火热处理：预先热处理正火+ +球化退火球化退火 最终热处理淬火最终热处理淬火+ +低温回火低温回火 要求：高硬度、高耐磨性要求：高硬度、高耐磨性 选材：含碳量较高的钢。选材：含碳量较高的钢。 牌号：如牌号：如T12T12，wcwc=1.2%=1.2% 碳素工具钢碳素工具钢 48 2 2、手锯、手锯 热处理：预先热处理正火热处理：预先

24、热处理正火+ +球化退火球化退火 最终热处理淬火最终热处理淬火+ +低温回火低温回火 要求：高硬度、高耐磨性要求：高硬度、高耐磨性 选材：含碳量较高的钢。选材：含碳量较高的钢。 牌号：牌号：T10 T10 ，wcwc=1.0%=1.0% 碳素工具钢碳素工具钢 49 3 3、沙发弹簧、沙发弹簧 热处理：最终热处理淬火热处理：最终热处理淬火+ +中温回火中温回火 要求：高弹性、疲劳强度要求：高弹性、疲劳强度 牌号：牌号：65Mn65Mn 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 50 4 4、机床主轴、丝杠、机床主轴、丝杠 热处理：最终热处理淬火热处理：最终热处理淬火+ +高温回火高温回火 要求：力学性能好要

25、求：力学性能好 选材：价格经济的碳素钢选材：价格经济的碳素钢 牌号：牌号：4545 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 51 5 5、机床传动齿轮、机床传动齿轮 热处理：调质热处理：调质+ +齿面高频淬火齿面高频淬火+ +低温回火低温回火 要求：要求： 耐摩擦、一定的抗冲击能力，与汽车、拖耐摩擦、一定的抗冲击能力，与汽车、拖 拉机的变速齿轮相比，工作时相对比较平拉机的变速齿轮相比，工作时相对比较平 稳，传递的动力相对较小稳，传递的动力相对较小 选材：整体力学性能好，齿面耐磨选材：整体力学性能好，齿面耐磨 牌号：牌号：4545 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 52 6 6、拖拉机变速箱齿轮、拖拉机变速箱齿轮 热处理：渗碳热处理：渗碳+ +齿面高频淬火齿面高频淬火+ +低温回火低温回火 要求：耐摩擦、抗冲击，属受重载的齿轮要求：耐摩擦、抗冲击，属受重载的齿轮 选材：齿面耐磨、高硬，心部韧性和强度选材：齿面耐磨、高