金属材料及热处理教案

机械制造与自动化工程学院材料教研室王萌萌绪论金属的概论一．讲述金属的发展过程古代近代现在未来学习《金属材料与热处理》的方法认真做好课堂笔记理论联系实际按时完成作业，有不懂的问题及时问老师。三．《金属材料与热处理》的内容及重点和难点学习材料的两种性能（力学和工艺）金属的结构与结晶（微观角度看材料的性能）铁碳合金相图的纵向和横向分析碳素钢和铸铁的分类和用途几种有色金属的性能和用途几种非金属的介绍四．小结五．作业金属材料基础知识由于中学的时候我们已经学习了金属的物理和化学性能，所以现在我们主要是介绍金属的另外两种性能------力学性能和工艺性能。基本概念：载荷：金属材料在加工使用过程中所受的外力。静载荷：是指大小不变或变动很慢的载荷。冲击载荷：是指载荷突然增加的增荷。疲劳载荷：是指所经受的周期性或周期性的动载荷。§1～1金属材料的性能1、金属的力学性能基本概念：何谓力学性能？金属在外力的作用下所表现出来的性能就是金属的力学性能。（它包括：强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度五个方面）强度：材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。（一般来说用屈服点和抗拉强度来衡量它的大小即σs和σb来表示）σs是材料抵抗变形的应力值；σb是材料抵抗断裂的应力值。例如要想看一个材料的强度的高低只要看这两个值的大小，它们和材料的强度是成正比的。塑性：材料断裂前产生永久变形的能力。（一般来说用伸长率断面收缩率来衡量它的大小即δ和ψ来表示）δ=伸长量\原长×百分百ψ=截面收缩量\原截面×百分百例如要看材料的塑性的好坏只要看两个值的大小，它们与之也是成正比的。3．硬度：材料抵抗硬物压入和产生划痕的能力。（一般来说用布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度三参数来衡量其大小即HBS、HRC、HV）HBS：是应用最广泛的HRC：是最快的HV：是最精确的4．韧性：材料抵抗冲击载荷的作用而不被破坏的能力。（一般来说用冲击韧性值来衡量它的大小即αk来表示）。也是与韧性成正比的。5．疲劳强度：材料抵抗周期载荷的作用而在低于一般的载荷的作用下易于破坏的一种能力。（一般来说用疲劳强度衡量它的大小即σ-1来表示）也就是说其值是衡量材料疲劳的指标。2、金属的工艺性能基本概念：何谓金属的工艺性能呢？概念即是指材料在不同的加工方法的作用下所表现出来的性能。（它的内容包括有铸造性能、锻造性能、切削性能、焊接性能等四种性能）铸造性能对材料的要求：流动性好要求材料的流动性要好，否则在加工的时候容易出成型不好等缺陷。收缩性小要求材料的收缩性要小，否则在加工的过程中易出现开裂和应力分布不均等缺陷。偏析少要求材料偏析性小是因为如果严重的话易使加工的难度增加，使加工成本提高。2．锻造性能结合力学性能做介绍3．切削加工性能针对数控和模具专业的特点来介绍4．焊接性能理论联系实际：例举说明铸铁和低碳钢的焊接性来说明§1~2金属结构与结晶世界上的物质大部分是由晶体和非晶体组成的，而中学时学习这两个概念的区别是有无固定熔点来定义的，目前我们在金材料的角度上来定义它们。1、金属的晶体结构基本概念：晶体与非晶体晶体：表示的是原子呈有序和有规则排列的物质。（各向异性）非晶体：表示是原子呈无序的杂乱无章的排列形式的物质。（各向同性）晶体的结构的概念（基本概念：）晶格：表示原子在晶体中排列的有规律的空间格架。晶胞：能够完整地反映晶格特征的最小几何单元。晶面：金属晶体中通过原子中心的平面。晶向：通过原子中心的直线，可代表晶格空间的一定方向。金属晶格的类型体心立方晶格（9个原子）面心立方晶格（14个原子）密排六方晶格（17个原子）金属的晶体结构的缺陷空位和间隙原子（使晶格产生变形）位错（晶格发生畸变）塑性变形晶界和亚晶界（原子排列不规则，处于不稳定状态）2、纯金属结晶了解材料的结晶过程及规律对于控制材料的内部组织和性能十分重要。纯金属的冷却曲线及过冷度基本概念：过冷度：理论结晶温度和实际结晶的温度之差。纯金属的结晶过程晶核晶体晶粒单晶体多晶体晶粒的大小对力学性能的影响细晶粒金属具有较高的强度和韧性，因此为了提高金属的力学性能则必须控制晶粒的大小，可以采用以下几种常用的细化晶粒的办法。增加过冷度（适用于中小型铸件）变质处理（钢中加入钛、硼、铝等铸件中加入硅铁等）振动处理（采用机械振动、超声波振动和电磁振动等）3、金属的同素异构转变基本概念：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象叫同素异构转变。如：纯铁的冷却过程1538度(结晶δ-Fe)1394度(γ-Fe)（体心立方晶格）（面心立方晶格）912度(β-Fe)（密排六方晶格）同素异构转变的特点固态相变是需要较大的过冷度的，则体积变化时造成较大的内应力，以致于淬火时引起应力导致工件变形和开裂，因此要控制冷却速度，可以改变同素异构后的晶粒的大小，从而改变金属的性能。作业布置：1、6、9小结：本章节主要是从金属的微观的角度加以理解，也就是要让学生通过对本章节的学习明白金属的晶体结构的特点。情况反馈：作业情况反应学生对于金属的微观结构已有一定的认识§1～3铁碳合金的基本组织与铁碳相图1、合金的组织金属由于相互的结合方式不同可以把组织分为以下三种（固溶体、化合物、混合物）固溶体：就是溶质原子通过一定的方式溶入溶剂原子中（分为间隙固溶体和置换固溶体）金属化合物：就是通过化合的方法而形成的组织。混合物：就是通过一定的方式混合而成的组织。2、铁碳合金相图一、铁碳合金有五大基体组织：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）、莱氏体（Ld）1、铁素体（F）：概念：就是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。性能：塑性、韧性很好，强度硬度低。产生温度：727℃2、奥氏体（A）：概念：就是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。性能：塑性、韧性好，强度硬度一般。产生温度：727℃～912℃3、渗碳体（Fe3C）：概念：就是含碳量为6.69%的碳与铁形成的金属化合物。性能：塑性、韧性差，强度硬度很高。产生温度：1227℃4、珠光体（P）：概念：就是铁素体与渗碳体所形成的混合物。性能：塑性、韧性较好，强度硬度较高。产生温度：1148℃5、莱氏体（Ld）：概念：就是铁素体与渗碳体所形成的具有一定特点的混合物。性能：塑性、韧性差，强度硬度很高。产生温度：1148二、要掌握的点：A：纯铁的熔点（1538℃）D：渗碳体的熔点（1227℃）G：纯铁的同素异构转变点（912℃）S：共析点（727℃）E：奥氏体的最大溶解度（1148℃）C：共晶点（1148℃）三、要掌握的线：PSK：共析线、A1线ACD：液相线ECF：共晶线AECF：固相线GS：A3线ES：Accm线四、要掌握的区：GPQ：铁素体区DFK：渗碳体区SN：珠光体区ACD以上：液相区CM：莱氏体区AECF以下：固相区AGSE；奥氏体区五、共析反应：就是固相由一种组织共同结晶出两种组织的过程。共析转变式：A727℃F+Fe3C共晶转变式：L1148℃A+Fe3C理论联系实际：问：含碳量为0.45%的钢从1200℃冷却到室温的组织和性能的变化？问：随着含碳量的增加钢的组织和性能的变化？七、钢和铸铁的区分：C：0.0218～2.11%（钢）0.0218～0.77%——亚共析钢0.77%——共析钢0.77～2.11%——过共析钢C:2.11～6.69%（铸铁）2.11～4.3%——亚共晶白口铸铁4.3%——共晶白口铸铁4.3～6.69%——过共晶白口铸铁作业布置：课后题全做小结：本章是本学期的重点，因此将用大篇幅进行讲解，其中铁碳合金相图中的点、线、区要结合‘理论联系实际’的题进行学习，达到活学活用的效果。情况反馈：根据上课的提问以及作业的情况反应出学生对本章的内容基本掌握。第二章钢的热处理原理教学内容：1．概述2．钢在加热时的组织转变3．钢在冷却时的组织转变4．钢的普通热处理工艺5．钢的表面热处理工艺6．机械制造过程中的热处理2~1概述1、热处理的定义：T保温加热T0临界温度冷却T热处理就是将金属材料加热到一定的温度，保温一定时间，然后以一定的方式冷却的工艺。2、热处理的主要目的:改变钢的性能。3、热处理的应用范围:整个机械制造和加工业。4、热处理的分类普通退火;正火;热处理淬火;回火热处理感应加热淬火表面表面淬火火焰加热淬火热处理化学热处理渗碳;渗氮;碳氮共渗;2~2钢在加热时的组织转变转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一、转变温度二、奥氏体的形成三、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一)奥氏体晶粒度:1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下,随温度升高,晶粒长大的程度。钢的本质晶粒度示意图：二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1、奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2、粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。2~3钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变钢在热处理时的冷却方式T保温加热临界温度等温冷却连续冷却二.过冷奥氏体的等温冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线)TA1 T二)共析碳钢TTT曲线的分析A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。三)转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;BB上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状350～230℃:B下;50～60HRC;BB下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。2)转变特点：在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。3.加热温度和保温时间的影响:加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。三.过冷奥氏体的连续冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线(略)第三章钢的热处理工艺3~1钢的退火与正火一般零件生产的工艺路线:毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一.钢的退火一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后随炉冷却。二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三）工艺参数：名称温度(°C)完全退火Ac3+30～50球化退火Ac1+30～50去应力退火500～600扩散退火Ac3+150～250二.钢的正火一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。二)目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三)工艺参数：名称温度(°C)亚共析钢Ac3+30～50共析钢Ac1+30～50过共析钢Accm+30～50四)热处理后的组织:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)应用范围:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。3~2钢的淬火一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。三)工艺参数:名称温度(°C)亚共析钢Ac3+30～50共析钢Ac1+30～50过共析钢Ac1+30～50常用的淬火冷却介质名称最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050钢的淬硬性1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。钢的淬透性1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度VK的大小,VK越大,钢的淬透性越小。工件淬硬层与冷却速度的关系3.淬硬性与淬透性之间的关系：钢种淬硬性淬透性20#低小T10A高小18Cr2Ni4WA低大Cr12MoV高大4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透钢未淬透钢淬透钢3~3钢的回火一)定义:把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。二)目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。三)工艺参数名称温度(℃)组织用途低温回火150～250M回=α0.3%C+ε耐磨件中温回火350～500T回=F针+Fe3C粒弹簧等高温回火500～650S回=F多+Fe3C球调质件高温软化650～A1P回=F多+Fe3C粒高合金钢淬火+高温回火=调质处理3~4钢的表面热处理工艺工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。表面淬火化学热处理一.表面淬火一)定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。二)工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。三)表面淬火用钢：选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法：感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*感应电流---涡流*集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图2)工艺要求:*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。二.化学热处理一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。二)化学热处理的基本过程:1.分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2COCO2+〔C〕2.吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。三)化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。四)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮、共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。1.钢的渗碳1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。4)方法:固体、气体、液体渗碳。固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱气体渗碳法示意图5)工艺:加热温度为900～950℃;渗碳时间一般为3～9小时;6)渗碳后的组织:表面中心1%CP+Fe3CⅡ0.2%CF+P少表面中心零件PP+F7)渗碳后的热处理工艺T渗碳加热淬火方案1方案2t8)热处理后的组织钢种表层组织心部组织低碳钢M回+Fe3C+A残F+P低碳合金钢M回+Cm+A残低碳M回+F9)常用的钢种:15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。2.钢的渗氮1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢。4)方法:气体渗氮。5)工艺:加热温度500～600℃;保温时间0.3～0.5mm/20～50h。6)热处理特点:渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。心部:S回。8)常用的钢种:35CrMo、18CrNiW、38CrMoAlA(氮化王牌钢)等。渗碳与渗氮的工艺特点名称处理温度(℃)处理时间(h)处理后是否需要热处理渗碳900～9503～9需要渗氮500～60020～50不需要3.钢的碳氮共渗---氰化处理1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)方法:固体碳氮共渗、气体碳氮共渗（高温、中温、低温）、液体碳氮共渗4)工艺:名称低温碳氮共渗中温碳氮共渗温度500~600800~860时间1~61~8作用以渗氮为主以渗碳为主渗层0.1~0.4mm0.5~0.8mm热处理不需要淬火+低温回火性能HRC54~63HRC53~60材料合金工具钢合金结构钢小结:本章讲述了关于钢在加热时的组织转变、钢在冷却时的组织转变、钢的普通热处理工艺、钢的表面热处理工艺、机械制造过程中的热处理等几个问题作业：课后习题情况反馈：第四章有色金属及合金的热处理§4.1固溶处理固溶处理是为了溶解基体内碳化物、γ’相等以得到均匀的过饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和γ’等强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约在980~1250℃之间，主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。高温固溶处理时，各种析出相都逐步溶解，同时晶粒长大；低温固溶处理时，不仅有主要强化相的溶解，而且可能有某些相的析出。对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常为空气中冷却。不锈钢固溶热处理碳在奥氏体不锈钢中的溶解度与温度有很大影响。奥氏体不锈钢在经400℃～850℃的温度范围内时，会有高铬碳化物析出，当铬含量降至耐腐蚀性界限之下，此时存在晶界贫铬，会产生晶间腐蚀，严重时能变成粉末。所以有晶间腐蚀倾向的奥氏体不锈钢应进行固溶热处理或稳定化处理。固溶热处理：将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态。这种热处理方法为固溶热处理。固溶热处理中的快速冷却似乎象普通钢的淬火，但此时的‘淬火’与普通钢的淬火是不同的，前者是软化处理，后者是淬硬。后者为获得不同的硬度所采取的加热温度也不一样，但没到1100℃。淬火钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3或Ac1以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下进行马氏体转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。淬火能使钢强化的根本原因是相变，即奥氏体组织通过相变而成为马氏体组织。§4.2合金的时效处理时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺固溶处理与时效处理的区别固溶热处理将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺时效处理可分为自然时效和人工时效两种自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底.根据合金本性和用途确定采用何种时效方法。高温下工作的铝合金适宜用人工时效，室温下工作的铝合金有些采用自然时效，有些必须人工时效。从合金强化相上来分析，含有S相和CuAl2等相的合金，一般采用自然时效，而需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时，就需要采用人工时效来强化。比如LY11和LY12，40度以下自然时效可以得到高的强度和耐蚀性，对于150度以上工作的LY12和125-250度工作的LY6铆钉用合金则需要人时效。含有主要强化相为MgSi，MgZn2的T相的合金，只有采用人工时效强化，才能达到它的最高强度。对于一般铝合金，自然时效时，屈服强度稍低而耐蚀性较好，采用人时效时，合金屈服强度较高而伸长率和耐蚀性都降低。对于铝－锌－镁－铜系合金入LC4则相反，当采用人工时效时，合金耐蚀性比自然时效好。第五章钢的合金化处理§5.1合金元素与铁的相互作用一）杂质和气体的影响1.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。2.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)。3.气体元素:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。二)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A。2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成特殊碳化物TiC、VC。1.溶于基体中形成合金F或合金A1.溶于基体中形成合金F或合金A2.与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。3.单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。§5.2合金元素对钢的热处理的影响加热时对奥氏体形成的影响；对过冷奥氏体转变的影响；对回火转变的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。3.合金元素对回火转变的影响回火抗力的增加二次硬化的产生产生回火脆性W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。Cr-Ni钢的回火脆性示意图二.合金元素在钢中的作用1.主加元素:对提高钢的性能起主要作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素:配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。§5.3合金元素与钢的强韧化合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大奥氏体区、缩小奥氏体区、改变共晶点和共析点的参数1.扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。Mn元素对奥氏体区的影响2.缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。Cr元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。合金元素对S点成分的影响合金元素对A1线的影响§5.4钢的分类及编号1.碳素结构钢:牌号（略）2.优质碳素结构钢*45---Wc=45%00较高锰质量分数的优质碳素结构钢*45Mn---Wc=45%00;WMn=0.7%～1.0%3.碳素工具钢4.铸造碳钢第六章合金结构钢普通低合金钢、合金渗碳钢、合金调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、易切削钢6~1普通低合金钢1.化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内；辅加合金元素:V、Ti、Nb、B2．牌号（略）3．应用：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器6~2碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求:表硬里韧2.对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3.渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180～200℃)低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线6~3碳素调质钢及合金调质钢1.对调质钢的性能要求:既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求:中碳3.调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500～650℃)4.合金调质钢的牌号（略）40Cr、40Mn、40MnB、35CrMo、38CrMoAlA、25Cr2Ni4WA5．典型合金调质钢种介绍低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%。40Cr、40MnB等。中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线6~4.碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450～550℃)4.合金弹簧钢的牌号（略）65、65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA、50CrMnA、55SiMnMoVNb5.冷成形弹簧生产工艺特点用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有：T组织冷成型+200～300℃去应力退火。60、75、85、65Mn。T回组织冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA6~5.滚动轴承钢1.性能要求:高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;2.化学成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%；辅加Si、Mn。优质钢材。3.热处理特点:球化退火+淬火+低温回火4.滚动轴承钢的牌号（略）5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造球化退火机加工淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)低温回火磨削加工稳定化处理(120～130℃；5～10h)六.易切削钢1.用途:适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。2.性能要求:降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改屑性能,提高切削速度。3.化学成分特点:S:Ws=0.08～0.3%；Pb:WPb=0.15～0.25%Ca:微量4.易切削钢的牌号（略）5.易切削钢的热处理工艺特点低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20)渗碳或淬火成低碳马氏体。中碳易切削钢(Y40)调质及表面淬火。第七章工具钢§7.1刃具钢一.碳素刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。2.化学成分特点:高碳。3.热处理特点:淬火+低温回火4.组织:M回+Fe3C+A残5.用途:用于低速、低温(＜200℃）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。二.合金刃具钢种类:低合金刃具钢;高速钢。牌号:（略）1.低合金刃具钢1）性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300℃。2）化学成分特点：*高碳*加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。3）热处理特点：球化退火淬火+低温回火9SiCr钢板牙热处理工艺曲线2.高速钢(high–speedsteel)高速钢---锋钢、风钢;18–4–1钢(1)性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性(2)化学成分特点:高碳0.7～1.5%:保证高硬度钨18%:退火状态下形成M6C碳化物,在560℃左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性钼5%:1%Mo的作用等同于2%W。铬4%:形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。钒1.5%:形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。(3)W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570℃回火磨削加工铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:S+粒状Cm淬火:1280℃;淬火后的组织:M+Cm+A残(20～25%)三次570℃回火淬火后A残约20～25%。第一次回火后A残约剩15～18%。第二次回火后A残约剩3～5%。第三次回火后A残约剩1～2%。回火后的组织:M回+Cm+A残(1～2%)组织硬度为65HRC以上。§7.2磨具钢热作模钢:工作温度为600℃以上。冷作模钢:工作温度为200～300℃。一)热作模钢(hotdiesteel)1.性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;2.化学成分特点:中碳0.3～0.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。3.热处理特点:*热锻模钢:5CrMnMo热处理工艺:淬火+550℃回火热处理后的组织:S回或T回热处理特点:*热压模钢:3Cr2W8V热处理工艺:淬火+600℃三次回火热处理后的组织:M回+Cm粒状二)冷作模钢(colddiesteel)1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。3.热处理特点:*一次硬化法:淬火+低温回火(950～1000℃)(150～180℃)*二次硬化法:淬火+三次回火(1100～1000℃)(510～520℃)热处理后的组织:M回+Cm+A残牌号:Cr12、Cr12MoV§7.3量具钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;2.化学成分特点:高碳0.9～1.5%;合金元素:Cr,Mn、W。3.热处理特点:淬火冷处理(-70～-80℃)低温回火时效处理(120～130℃,几十小时)4.热处理后的组织:M回+Cm5.牌号:CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr、T12A、60等。第八章不锈钢与耐热钢§8.1不锈钢一.不锈钢(stainlesssteel)1.定义：在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。2.内涵：在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀:金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2)电化学腐蚀:金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。3．金属的防腐措施：1)覆盖层保护:涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。3)提高金属的电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。4)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大γ区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大α区,可在室温获得铁素体钢。5)减少与消除钢中的各种不均匀现象:偏析、应力、组织等。6)牺牲阳极保护阴极镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块4.化学成分特点:*低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。5.常用的不锈钢:*马氏体型不锈钢*铁素体型不锈钢*奥氏体型不锈钢1)马氏体型不锈钢---Cr13型钢化学成分特点:Wc=0.1～0.4%WCr=13%热处理特点:正火后的组体是马氏体。牌号:1Cr13～4Cr13用途:医疗器械2)铁素体型不锈钢化学成分特点:Wc=0.1%左右WCr=17%热处理特点:不能进行热处理强化。牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。2)铁素体型不锈钢化学成分特点:Wc=0.1%左右WCr=17%热处理特点:不能进行热处理强化。牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。3)奥氏体型不锈钢---18–8型钢化学成分特点:Wc=0.08～0.14%WCr=17～19%WNi=8～11%Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。热处理特点:固溶处理;稳定化处理;消除应力退火。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti用途:化工容器、管道等。§8.2耐热钢1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。2.性能要求：抗氧化性(热稳定性)、高温强度(热强性)蠕变强度、持久强度3.提高钢的耐热性的途径:加入合金元素Cr、Si、Al等,在钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性的途径:1)固溶强化:加入W、Mo、Nb、Ti、V等元素强化基体;提高再结晶温度。2)弥散强化:加入Nb、V、Ti等元素形成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错的滑移,提高塑变抗力。5.钢种及用途抗氧化钢(不起皮钢):奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等,工作温度850℃。热强钢：珠光体型16Mo，工作温度600℃；马氏体型1Cr13，工作温度600℃；奥氏体型18-8型，工作温度850℃。第九章铸铁教学内容：1.铸铁的石墨化；2.工业常用铸铁；灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁教学目的：掌握常用铸铁的性能特点；掌握铸铁的牌号；了解铸铁的应用；§9.1铸铁的分类及石墨化铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。9.1铸铁的分类1．白口铸铁2．麻口铸铁3．灰口铸铁（1）灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；（2）可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；（3）球墨铸铁碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；（4）蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。9.2铸铁的石墨化铸铁中石墨的形成过程称为铸铁的石墨化。影响铸铁石墨化的因素较多，其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。1．化学成分的影响碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素；磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱；硫是强烈阻碍石墨化的元素2．冷却速度的影响冷却速度快，铸铁容易产生白口铸铁组织；冷却速度慢，碳原子扩散充分，有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。§9.2灰铸铁1．灰铸铁的化学成分、组织和性能（1）化学成分灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%～4．0%，wSi=1.0%～2．5%，wMn=O．5%～1.4%，wS≤O.15%，wP≤0.3%。(2)组织由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)—珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。（3）性能力学性能石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能优良的性能：①良好的铸造性能②良好的减震性③较低的缺口敏感性④良好的切削加工性⑤良好的减摩性⑥良好的抗压性能类别牌号用途举例铁素体灰铸铁HTl00低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等铁索体—珠光体灰铸铁HT150承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件珠光体灰铸铁HT200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等HT250孕育铸铁HT300床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等HT350§9.3可锻铸铁可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。1．可锻铸铁的化学成分、组织和性能1）可锻铸铁的化学成分是:wC=2.2%～2.8%，wSi=1.0%～1.8%，wMn=0.3%～0.8%，wS≤0.2%，wP≤0.1%。2）可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。3)性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。类别牌号应用举例黑心可锻铸铁KTH300-06KTH330-08KTH350—10KTH370—12汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管接头，铁道扣板和农具等珠光体可锻铸铁KTZ550-04KTZ700-02曲轴，连杆，齿轮，凸轮轴，播臂，活塞环等§9.4球墨铸铁球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。1．球墨铸铁的化学成分、组织和性能（1）球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%～3.9%，wSi=2.0%～2.8%，wMn=0.6%～0.8%，wS<0.04%，wP≤0.1%,wMg=0.03%～0.05%（2）组织球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)+球状石墨(G)，铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，珠光体(P)+球状石墨(G)，下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。为铁素体球墨铸铁的显微组织。（3）性能球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。基体类型牌号用途举例铁素体QT400-15QT400-10阀体，汽车、内燃机车零件，机床零件，减谴器壳铁素体+珠光体QT500-7机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦珠光体QT700-2QT800-2柴油机曲轴、凸轮轴．汽缸体、缸套，活塞环，部分磨床、铣床、车床的主轴等下贝氏体QT900-2汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速齿轮．柴油机凸轮轴知识窗1．耐磨铸铁耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。根据工作条件的不同，分为以下两类：(1)抗磨铸铁在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件，如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，应具有均匀的高硬度和必要的韧性。①白口铸铁白口铸铁生产简便，价格低廉，但脆性大，适用于冲击载荷不大的犁铧等抗磨铸件和清理抛丸机中的铁丸等。②冷硬铸铁在造型时，在铸件要求抗磨的部位作成金属型，其余部位用砂型，并适当调整化学成分(如降低含硅量)，使其要求抗磨处得到白口组织，而其余部位韧性较好，可承受一定的冲击。生产中采用此类“激冷”方法获得的抗磨铸铁称为冷硬铸铁，主要用于制造轧辊、车轮、凸轮轴等。③高铬白口铸铁向白口铸铁中加入少量的铬、钼、钨、钒、硼等元素，使之形成合金渗碳体，可提高其抗磨性，但韧性改善不多。高铬白口铸铁合金元素含量高，价格昂贵，但用其制造的零件比高锰钢提高寿命几倍甚至十几倍，最终经济效益十分显著。④中锰耐磨球墨铸铁含有wMn=5%～9．5%，wSi=3.3%～5%的中锰耐磨球墨铸铁，铸态组织为马氏体、奥氏体、碳化物和球状石墨，具有较高的耐磨性和较好的强度与韧性，不需贵重合金元素，可用冲天炉熔炼，成本低，可代替高锰钢或锻钢制造受冲击的一些抗磨零件。中锰耐磨球墨铸铁适用于制造犁铧、粉碎机锤头、球磨机磨球、衬板等。(2)减摩铸铁在润滑条件下工作的零件，如机床导轨、汽缸套、活塞环、轴承等，其组织应为软基体上分布硬质点(强化相)。软基体磨损后形成沟槽，起储油和润滑作用，硬质点起支承作用。常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金高磷铸铁。在孕育铸铁中加入磷(wP=0.4%～0.6%)，磷在铸铁中以磷共晶形式存在，呈断续网状分布，形成坚硬骨架，能大大提高铸铁的耐磨性，这种铸铁称为普通高磷铸铁。在普通高磷铸铁基础上加入适量的铬、钼、钨、铜、钒、钛等元素，以细化组织，增加珠光体含量，形成高硬度的碳化和氮化物，提高铸铁的韧性、强度和耐磨性，这种铸铁称为合金高磷铸铁，可制作发动机缸套、机床导轨等零件。2．耐热铸铁耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。“生长”是指由于氧化性气体沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化，以及因Fe3C分解而发生的石墨化引起铸件体积膨胀。向铸铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸件表面形成一层致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜，能明显提高高温下的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。常用的耐热铸铁有中硅铸铁、高铬铸铁、镍铬硅铸铁等，主要用于制造加热炉附件，如炉底板、送链构件、换热器等。3．耐蚀铸铁耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铗。在铸铁中加入铬、硅、铝、钼、铜、镍等合金元素，可使铸件表面形成一层致密的保护膜，还可提高铁索体的电位，增加铸铁的耐蚀能力。耐蚀铸铁种类很多，应用较广的是高硅(wSi＝10%～18%)铸铁，其组织为：含硅铁素体+石墨+Fe3Si2。高硅铸铁广泛用于制造化工、石油、化纤、冶金等工业设备。小结：1．铸铁分类：白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁;2．影响石墨化的因素：化学成分和冷却速度;3．灰铸铁的孕育处理：在浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），改变铁水的结晶条件，从而得到细小均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织。目的是提高灰铸铁的强度;4．常用铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁）的牌号、组织特征及用途作业：课后习题第十章有色金属及合金教学内容：概述铝及铝合金铜及铜合金滑动轴承合金硬质合金概述1.定义:除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属。2.性能特点:具有独特的性能。3.分类重金属(密度＞3.5);Cu、Ni等。轻金属(密度＜3.5);Al、Mg等。贵重金属;Au、Ag、Pt等。稀有金属;W、Ti、Ra、Nb等。半金属;Si、Te、B等。§10.1铝及铝合金一.铝的性能特点：密度小;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高;强度低;无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。二.纯铝的分类：高纯铝L01～04、工业高纯铝L0、L00、工业纯铝L1～5三.铝合金的热处理退火(anneal)、时效强化(ageingstrengthening)、回归(regression)1．时效强化：在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象。2．种类：自然时效、人工时效自然时效曲线人工时效曲线四．常用的铝合金形变铝合金、铸造铝合金一)形变铝合金(deformationaluminumalloy)1.防锈铝合金(LF):Al–Mn通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好)。例如:LF21。Al–Mg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝轻)。例如:LF2、LF6等。2.硬铝合金(LY):Al–Cu–Mg通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。LY1、LY11、LY12。3.超硬铝合金(LC):Al–Zn–Mg–Cu通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。LC4、LC9。4.锻铝合金(LD):Al–Mg–Si–Cu具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。LD5、LD6、LD10。二)铸造铝合金(castaluminumalloy)

铸造铝–硅合金、铸造铝–铜合金、铸造铝–镁合金、铸造铝–锌合金1.铸造铝–硅合金(ZL101～ZL111):2.铸造铝–铜合金(ZL201～ZL203):有较高的强度、塑性及耐热性,但铸造性能和耐蚀性较差。3.铸造铝–镁合金(ZL301、ZL302):有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸造性能和耐热性较差。4.铸造铝–锌合金(ZL401、ZL402):具有良好的铸造性,经变质处理和时效处理后,强度高,但耐蚀性差§10.2铜及铜合金一.铜的性能特点：密度大;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高;强度低;无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。二.纯铜的分类：工业纯铜T1～T4、无氧铜TU2三.铜合金的分类：黄铜:Cu–Zn、白铜:Cu–Ni、青铜:除黄铜和白铜外的所有铜合金。黄铜(brass)：普通黄铜(commonbrass)、特殊黄铜(specialbrass):在黄铜中加入Al、Fe、Si、Cr、Ni、Sn、Mn等元素所形成的合金。1、黄铜的自裂与脱锌:自裂---应力腐蚀:黄铜在塑性变形后产生较大应力,在潮湿空气中或在微量氨的气份中发生应力腐蚀。含锌量越高,应力腐蚀倾向越大。2、脱锌---锌的电极电位远低于铜,所以在盐水中黄铜极易发生电化学腐蚀。3、黄铜的热处理:去应力退火:在200～300℃左右退火,提高塑性和弹性极限,消除应力腐蚀。再结晶退火:在500～700℃左右退火,消除加工硬化,恢复塑性。青铜(bronze)普通青铜(锡青铜)(tinbronze)；特殊青铜(无锡青铜)(tin–freebronze)性能要求:1.在工作温度下,应具有足够的抗压强度、疲劳强度和高的耐磨性。2.具有足够的塑性与韧性。3.具有较小的摩擦系数。4.具有良好的磨合性。5.具有良好的抗蚀性。6.具有良好的导热性。7.具有较小的膨胀系数。8.具有良好的抗咬合性。§10.3硬质合金硬质合金是一种重要的刀具材料和模具材料，对工业的发展和社会的进步有着举足轻重的作用。但硬质合金是脆性材料，其硬度和强度之间存在着矛盾:硬度高则强度偏低，而强度高则硬度偏低。红硬性(热硬性)就是材料在高温下具有高强度和高硬度的性能。应用：硬质合金的应用越来越广泛了，除了刀具还有模具、电子产品等。小结:本章讲述了关于铝及铝合金、铜及铜合金、滑动轴承合金、硬质合金的性能及用途。作业：课后习题第十一章非金属材料§11.1高分子材料非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料11.1高分子材料高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子质量(分子量)很大的化合物，其分子量一般在5000以上。1）高分子化合物包括有机高分子化合物和无机高分子化合物两类。有机高分子化合物又分为天然的和合成的。2）机械工程中使用的高分子材料主要是人工合成的有机高分子聚合物（简称高聚物），例如塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶接剂等。3）高聚物是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的高分子材料聚合反应1.加聚反应由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应.例如乙烯加聚成聚乙烯；单体为两种或两种以上的则为共加聚，例如ABS工程塑料就是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成的。2.缩聚反应是由一种或多种单体相互作用而连接成高聚物的反应,这种反应同时析出新的低分子副产物。酚醛树脂(电木)、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂等都是缩聚反应产物。11.1.1塑料1．塑料的组成塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。添加剂的种类较多，常用的主要有以下几种：（1）填料填料可使塑料具有所要求的性能，且能降低成本。用木屑、纸屑，石棉纤维、玻璃纤维等有机材料作填料，可增加塑料强度，例如酚醛树脂中加入木屑即是俗称的电木。用高岭土、滑石粉、氧化铝、石墨、铁粉、铜粉和铝粉等无机物为填料，可使塑料具有较高的耐热性、导热性、耐磨性、耐蚀性等。（2）增塑剂增塑剂用以增加树脂的可塑性、柔软性、流动性，降低脆性。常用的增塑剂有磷酸酯类化合物、甲酸酯类化合物和氯化石蜡等。（3）稳定剂(防老化剂)稳定剂可增加塑料对光、热、氧等老化作用的抵抗力，延长塑料的寿命。常用的稳定剂有硬脂酸盐、环氧化合物等。（4）润滑剂加入少量润滑剂可改善塑料成形时的流动性和脱模性，使制品表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸等。除上述添加剂外，还有固化剂、发泡剂、抗静电剂、稀释剂、阻燃剂、着色剂等。2.塑料的特性(1)质轻、比强度高塑料的密度为0.9～2.2g／cm3，只有钢铁的1／8～1／4。泡沫塑料的密度约0．01g／cm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。(2)化学稳定性好塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。(3)优异的电绝缘性塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。(4)减摩、耐磨性好塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。(5)消声和吸振性好塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。(6)成形加工性好塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。(7)耐热性差多数塑料只能在100℃左右使用，少数品种可在200℃左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1／500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。3．常用塑料(1)热塑性塑料①聚乙烯(PE)按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低压聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。②聚氯乙烯(PVC)分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯强度较高，绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在－15～60℃温度范围使用，用于化工耐蚀的结构材料，如输油管、容器、离心泵、阀门管件等，用途很广。软质聚氯乙烯强度低于硬质聚氯乙烯，伸长率大，绝缘性较好，在－15～60℃的温度范围使用。用于电线、电缆的绝缘包皮，农用薄膜，工业包装等。因其有毒，不能包装食品。③聚丙烯(PP)密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、硬度、刚性、耐热性均高于低压聚乙烯，可在120℃以下长期工作。绝缘性好，且不受湿度影响，无毒无味，但低温脆性大，不耐磨，易老化，用于一般机械零件，如齿轮、耐蚀件（如泵叶轮、化工管道、容器）；绝缘件；电视机、收音机、电扇、电机罩等壳体；生活用具，医疗器械，食品和药品包装等。④聚酰胺(PA)俗称尼龙或锦纶。强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性、成形性好，摩擦系数小，无毒无味，可在100℃以下使用。蠕变值大，导热性差，吸水性高，成形收缩率大。常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。用于制造耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、机床导轨、齿轮、螺母及一些小型零件。也可用于制作高压耐油密封圈，或喷涂在金属表面作防腐、耐磨涂层，应用较广。⑤聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)俗称有机玻璃透光性、着色性、绝缘性、耐蚀性好，在自然条件下老化发展缓慢，可在－60～100℃使用。不耐磨，脆性大，易溶于有机溶剂中，硬度不高，表面易擦伤。用于航空、仪器、仪表、汽车中的透明件和装饰件，如飞机窗、灯罩、电视和雷达屏幕，油标、油杯、设备标牌等。⑥ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。综合力学性能好，尺寸稳定性、绝缘性、耐水和耐油性、耐磨性好，长期使用易起层。用于制造齿轮，叶轮，轴承，把手，管道，贮槽内衬，仪表盘，轿车车身，汽车挡泥板，电话机、电视机、电机、仪表的壳体，应用较广。⑦聚甲醛(POM)耐磨性、尺寸稳定性、着色性、减摩性，绝缘性好，可在零下40℃～100℃长期使用。加热易分解，成形收缩率大。用于制造减摩、耐磨件及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、绝缘件，化工容器，仪表外壳，表盘等，可代替尼龙和有色金属。⑧聚四氟乙烯(F-4)也称塑料王有极强的耐蚀性，可抗王水腐蚀，绝缘性、自润滑性好，不吸水，摩擦系数小，可在－195～250℃使用，但价格较高。用于耐蚀、减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架，化工用反应器、管道等。⑨聚碳酸脂(PC)强度高，韧性、尺寸稳定性、透明性好，可在－60～120℃长期使用。耐疲劳性不如尼龙和聚甲醛。用于制造齿轮、蜗轮、凸轮，电气仪表零件，大型灯罩，防护玻璃，飞机挡风罩，高级绝缘材料，用途很广。⑩聚砜(PSF)强度、硬度、成形温度高，抗蠕变、尺寸稳定性、绝缘性好，可在－100～150℃长期使用。不耐有机溶剂和紫外线。用于制造耐热件，绝缘件，减摩、耐磨件，高强度件，如凸轮，精密齿轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩，汽车护板，电子器件等。(2)热固性塑料①酚醛塑料(PF)俗称电木强度、硬度、绝缘性、耐蚀性、尺寸稳定性好，工作温度＞100℃，脆性大，耐光性差，只能模压成形，价格低。用于制造仪表外壳，灯头、灯座、插座，电器绝缘板，耐酸泵，刹车片，电器开关，水润滑轴承等。②氨基塑料俗称电玉颜色鲜艳，半透明如玉，绝缘性好，长期使用温度＜80℃，耐水性差。用于制造装饰件、绝缘件，如开关、插头、旋钮、把手、灯座、钟表外壳等。③环氧塑料(EP)俗称万能胶强度、韧性、绝缘性、化学稳定性好，能防水、防潮、防霉，可在—80～155℃长期使用，成形工艺简便，成形后收缩率小，粘结力强。用于制造塑料模具、仪表和电器零件、电子元件及线圈及用于涂覆、包封和修复机件。11.1.2橡胶1．橡胶的组成与性能橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。橡胶具有弹性大（最高伸长率可达800％～1000％，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性