资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,节 铁碳合金,2.3.1,铁碳合金的基本组织和性能,Pb-Sn,相图简介,组元：通常把组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元在大多数情况下是元素，例如,Pb,和,Sn,；但在所研究的范围内既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也可成为组元，如,Fe,3,C,。,合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，如,Pb-Sn;Fe,-,Fe3C,。,相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。,相平衡：在合金系中，参与结晶或相变过程中的各相之间的相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种平衡。,第,3,节 铁碳合金,2.3.1,铁碳合金的基本组织和性能,AEB,为液相线；,AMENB,为固相线；,A,为,Pb,的熔点；,B,为,Sn,的熔点。,固溶体是以,Pb,为溶剂，以,Sn,为溶质，其溶解度曲线为,FM,；,固溶体是以,Sn,为溶剂，以,Pb,为溶质，其溶解度曲线是,NG,。,第,3,节 铁碳合金,（体心立方晶格）,（面心立方晶格）,（体心立方晶格）,2.3.1,铁碳合金的基本组织和性能,1.,铁的同素异晶转变,金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。,2.,铁素体（,F,）,碳溶于 中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。其显微组织,如图,1-15,，,溶解度（,0.008%0.02%,），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。,图,1-15,铁素体的显微组织,3.,奥氏体（,A,）,碳溶于,中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其显微组织,如图,1-16,，溶解度（,0.77%2.11%,），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。,图,1-16,奥氏体的显微组织,4.,渗碳体（,Fe,3,C,）,铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为,6.69%,，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。,5.,珠光体,P,珠光体,是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织,如图,1-17,，,珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,图,1-17,珠光体的显微组织,图,1-18,莱氏体的显微组织,6.,莱氏体,Ld,莱氏体,在,727,0,C,以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体,Ld,；在,727,0,C,以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体,Ld,。其显微组织,如图,1-18,，,其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。,2.3.2,铁碳合金相图,铁碳合金相图：,表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图,1-19,所示。,钢：,含碳量小于,2.11%,的铁碳合金；,铸铁：,含碳量大于,2.11%,的铁碳合金。,图,1-19,铁碳合金相图,L,L+A,A,F+A,F,F+P,P,P+Fe,3,C,II,P+Fe,3,C,II,+Ld,A+Fe,3,C,II,A+Fe,3,C,II,+Ld,Ld,Ld,L+Fe,3,C,I,Ld+Fe,3,C,I,Ld,+Fe,3,C,I,相图上的特性线和点如下：,2,）,AECF,线（固相线）,。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。,1,）,ACD,线（液相线）,。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。,由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。,3,）,A,点,。纯铁的熔点（,1538,0,C,）。,4,）,D,点,。渗碳体的熔点（,1227,0,C,）。,5,）,C,点,。共晶点，温度,1148,0,C,，成分,4.3%C,。,6,）,ECF,线（共晶线）,。含碳量在,2.11%,6.69%,的铁碳合金，冷却到此线时（,1148,度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。,7,）,ES,线,。是碳在 中的溶解度曲线，,E,点表示在,1148,0,C,时碳在 中的最大溶解度为,2.11%,。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于,0.77%,的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为,A,cm,线,8,）,GS,线,。 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为,A,3,线。,共晶：,指合金在一定的条件,(,温度、成分,),下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。,即,10,）,PSK,线（共析线）。,含碳量在,0.02%,6.69%,的铁碳合金，冷却到此线时（,727,0,C,），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即,A,1,线。,9,）,S,点。共析点，,温度,727,0,C,，成分,0.77%,。,共析转变：,指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程。,即：,口诀,纵标温度横成分,六点六线六组织,海平面上三燕飞,两两相加夹组织,海平面：,PSK,线共析线,三燕飞：,1,）雄燕,ACD,2,）雌燕,AECF,、,3,）子燕,GSE,六点,特性点符号,温度,/,c,（,%,）,含义,A,1538,0,熔点：纯铁的熔点,C,1148,4.3,共晶点：发生共晶转变,L4.3,Ld(A2.11%+Fe3C,共晶,),D,1227,6.69,熔点：渗碳体的熔点,E,1148,2.11,碳在,-Fe,中的最大溶解度点,G,912,0,同素异构转变点,S,727,0.77,共析点：发生共析转变,A0.77%,p(F0.0218%+Fe3C,共析,),P,727,0.0218,碳在,-Fe,中的最大溶解度点,Q,室温,0.0008,室温下碳在,-Fe,中的溶解度,六线,主要特性线,（,1,）,AC,线 液体向奥氏体转变的开始线。即：,LA,。,（,2,）,CD,线 液体向渗碳体转变的开始线。即：,LFe3C,。,ACD,线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号,L,表示。,（,3,）,AE,线 液体向奥氏体转变的终了线。,（,4,）,ECF,水平线 共晶线。,AECF,线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。,（,5,）,ES,线 又称,Acm,线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：,LFe3C,。,（,6,）,GS,线 又称,A3,线，,（,7,）,GP,线 奥氏体向铁素体转变的终了线。,（,8,）,PSK,水平线 共析线（,727,），又称,A1,线。,（,9,）,PQ,线 碳在铁素体中的溶解度曲线。,六组织,三个单相：,1,）铁素体,F,2,）奥氏体,A,3,）渗碳体,Fe,3,C,二种机械混合物,1,）珠光体（铁素体和渗碳体）,2,）莱氏体（高温,Ld,奥氏体和渗碳体：低温,Ld,珠光体与渗碳体,）,液相,L,钢中的杂质元素及合金元素,硅：有益元素，使钢硬度、强度、弹性均有提高，但塑性、韧性降低；,锰：有益元素，提高钢材的强度和硬度；,硫：有害杂质元素，钢的热脆性,磷：有害杂质元素，冷脆性；,氧、氢、氮：氧化物严重降低钢的疲劳强度；氢脆；氮与铁素体作用的蓝脆现象。,合金元素在钢中的作用,合金元素对钢中基本相的影响；,合金铁素体的固溶强化和合金碳化物的弥散强化；,合金元素对铁碳合金图的影响；,合金元素一般使,S,点和,E,点左移，,S,点左移，使合金钢共析点的含碳量降低（,W,C,0.77%),。,E,点左移，使,E,点的含碳量小于,2.11%,）。,合金元素对钢热处理的影响,合金钢加热时晶粒一般不易长大，淬透性及回火稳定性显著提高。,2.3.3,铁碳合金的组织转变,工业纯铁,含碳量小于,0.0218%,的铁碳合金，,钢,含碳量在,0.0218%,2.11%,的铁碳合金，,共析钢,含碳量等于,0.77%,，,亚共析钢,含碳量小于,0.77%,，,过共析钢,含碳量位于,0.77%,2.11%,，,白口铸铁,含碳量在,2.11%,6.69%,的铁碳合金,共晶白口铸铁,含碳量等于,4.3%,，,亚共晶白口铸铁,含碳量位于,2.11%4.3%,过共晶白口铸铁,含碳量位于,4.3%,6.69%,图,1-19,铁碳合金相图,F,Ld,L,L+A,A,F+A,F+P,P,P+Fe,3,C,II,P+Fe,3,C,II,+Ld,A+Fe,3,C,II,A+Fe,3,C,II,+Ld,Ld,L+Fe,3,C,I,Ld+Fe,3,C,I,Ld,+Fe,3,C,I,1.,钢的结晶过程,为方便起见，按照铁碳合金的分类，把相图分为钢和白口铁两部分；如图,1-20,为经过简化的钢的铁碳合金相图。下面分析其结晶过程：,1,）共析钢,（如图,I,号合金）的结晶过程,其室温组织为,珠光体,，为层片状组织，具有较高的强度,=800MPa,，硬度,HBS=230,塑性较低,=12%,。,图,1-20,钢的铁碳合金相图,0.77,2.11,C%,2,）亚共析钢,（如图,II,号合金）的结晶过程,其室温组织为,铁素体加珠光体,，其显微组织,如图,1-21a,；其性能介于铁素体和珠光体之间；随含碳量升高，珠光体量增多，故强度硬度增加，塑性韧性下降。,3,）过共析钢,（如图,III,号合金）的结晶过程,其室温组织为,渗碳体加珠光体,，其显微组织,如图,1-21b,；随含碳量升高，渗碳体量增多，故硬度增加，韧性下降。,图,1-20,钢的铁碳合金相图,0.77,2.11,C%,图,1-21a,亚共析钢显微组织,图,1-21b,过共析钢显微组织,铸铁根据含碳量的不同可分为共晶白口铸铁（,4.3%C,）、亚共晶白口铸铁（,4.3%C,）；其简化的铁碳合金相图如图,1-22,所示，下面分别分析其结晶过程。,2.,白口铸铁的结晶过程,图,1-22,生铁的铁碳合金相图,2.11,4.3,6.69,0,C,1,）共晶白口铸铁,（如图,V,）的结晶过程,其室温组织为,莱氏体,。,其室温组织为珠光体加莱氏体。显微组织,如图,1-23a,。,图,1-22,生铁的铁碳合金相图,2.11,4.3,6.69,0,C,2,）亚共晶白口铸铁,（如图,IV,）,的结晶过程,3,）过共晶白口铸铁,（如图,IIV,）的结晶过程,其室温组织为渗碳体加莱氏体。显微组织,如图,1-23b,。,图,1-23a,亚共晶白口生铁的 室温组织,图,1-23b,过共晶白口生铁的室温组织,2.3.4,铁碳合金相图的应用,(1),为选材提供成分依据（选材一般原则,P43,）,Fe- Fe3C,相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样，就可以根据零件的工作条件和性能要求来合理的选择材料。例如，桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢（,c,=0.1%0.25%,）；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较好，可选用中碳钢（,c,=0.25%0.65%,）；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、而耐磨性，可选用高碳钢（,c,=0.77%1.44%,）。对于形状复杂的箱体、机器底座等，选用熔点低、流动性好的铸铁材料。,a,）在铸造生产上的应用,由,Fe- Fe3C,相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。,根据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合金的凝固温度范围，判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。,2.3.4,铁碳合金相图的应用,2.3.4,铁碳合金相图的应用,b).,在锻压生产上的应用,钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下,100200,；终锻轧温度为,750850,。对过共析钢，则选择在,PSK,线以上某一温度，以便打碎网状二次渗碳体。,钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围。,2.3.4,铁碳合金相图的应用,c,）,.,在焊接生产上的应用,焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，所以从焊缝到母材各区域的温度是不同的，由,Fe- Fe3C,相图可知，温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致的组织和性能，就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。,d).,在热处理方面的应用,从,Fe- Fe3C,相图知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故。,相图反映了不同成分的合金在缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订热处理工艺的依据。,思考题：,1.,何谓奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体，它们的性能如何？,2.,试简述铁碳合金状态图中,C,点、,S,点、,ECF,线、,PSK,线、,ES,线和,GS,线的物理含义。,3.,试分析含碳,0.4%C,、,0.77%C,、,1.0%C,、,3.0%C,、,4.3%C,和,5.0%C,的合金在极缓慢冷却时组织的转变过程，并指出其室温组织。,第,4,节 常用工程材料,2.4.1,常用工程材料的分类,工程 材料,金属材料,碳素钢,合金钢,碳素结构钢,碳素工具钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁,有色金属：铜合金、铝合金等,非金属材料,高分子材料：塑料、橡胶、复合材料等,陶瓷材料：普通瓷、氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷,钢,2.4.2.1,碳素钢分类,和牌号,1,）按钢的含碳量分类：,低碳钢,中碳钢,高碳钢,2,）按钢的质量分类,：有害杂质硫、磷的含量,普通碳素钢,优质碳素钢,高级优质碳素钢,2.4.2,常用金属材料,1.,分类,3,）,按用途分为：,碳素结构钢：,制造各种机器零件及工程构件，大都是低碳钢、中碳钢，属普通,碳素钢或优质碳素钢。,碳素工具钢：,制造各种刃具、量具和模具等，大都是高碳钢，属优质钢或高级优质钢。,4,）按冶炼时脱氧程度的不同分类,沸腾钢：不脱氧的钢；,镇静钢：完全脱氧钢；,半镇静钢：半脱氧钢。,5,）按金相组织分,亚共析钢、共析钢、过共析钢。,2.,普通碳素结构钢,含碳量在,0.06%0.38%,之间，硫、磷含量较高，在供应状态下使用，不需热处理。常用于一般工程结构及普通零件。其牌号（表示方法）由代表屈服点的字母,Q,、屈服点的数值、质量等级符号,(A,、,B,、,C,、,D),和脱氧方法符号,(F,、,b,、,Z,、,TZ),组成。如,Q235-A,F,，表示其屈服点为,235MPa,，质量等级为,A,级，沸腾钢。,3.,优质碳素结构钢,按化学成分和力学性能供应，杂质含量少，表面质量、组织结构的均匀性较好，需经热处理，用于重要的零件。其牌号采用两位数字来表示，表示该钢号的平均含碳量的万分之几。根据含锰量不同分为普通含锰量（,0.25%0.8%,）和较高含锰量（,0.75%1.2%,）两种，后者加,“,Mn,”,，如,20,钢为含碳,0.2%,，,65Mn,为含碳,0.65%,，较高含锰量。,2.4.2.2,合金钢分类和牌号,1.,分类,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,建筑及工程用钢或构件用钢,机器制造用钢,渗碳钢,调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢,刃具钢,模具钢,量具钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,磁钢,1,）按用途分,:,2,）按合金元素含量（质量分数）分：,3,）按所含合金元素种类分为：,铬钢、锰钢、镍钢、铬锰钢、硅锰钢等。,4,）按金相组织分为：,珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。,低合金钢（合金元素总含量,10%,）,2,.,合金,结构,钢,1,）低合金结构钢。,Q+,+,质量等级符号，如,Q345C,；,Q,表示屈服点的,“,屈,”,，,345,表示屈服点数值，,C,表示质量等级，有,A,、,B,、,C,、,D,、,E,五个等级。,2,）,合金结构钢,。,数字,+,化学元素符号,+,数字,，前面数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，后面数字表示该合金元素的平均含量，以百分之几表示，但低于,1.5%,时不标。若为高级优质钢在最后加,“,A,”,字，,如,60Si2Mn,，,滚动轴承钢，,GCr15SiMn,。,4,.,特殊性能钢,特殊性能钢,牌号为,数字,+,化学元素符号,+,数字,。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分之几表示，但当平均含碳量小于等于,0.03%,时标为,00,，小于等于,0.08%,时标为,0,，,如,2Cr13,。,3.,合金工具钢,合金工具钢牌号为,数字,+,化学元素符号,+,数字。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分之几表示，但高于,1.0%,时不标，高速钢例外，其低于,1.0%,时也不标，其余同合金结构钢，如,5CrMnMo,。,1.,铸铁,铸铁,含碳量大于,2.11%,的铁碳合金，一般含碳量,2.5%4.0%,，含有较多的硅、锰、硫、磷等杂质。,根据碳在铸铁中的存在形态可分为：,1,）白口铸铁。,即生铁,碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。特点是硬和脆，难以加工，但耐磨。一般不直接用来制造机器零件，常用作炼钢原料或制造可锻铸铁件。,2,）灰铸铁。,碳主要以自由状态的片状石墨形态存在，如图,1-24,，断口为暗灰色。强度低，塑性差，但易切削，减摩消振性好，且铸造性能好，应用最广泛。,图,1-24,片状石墨,2.4.2.3,铸铁和铸钢,3,）可锻铸铁。,碳主要以团絮状石墨形态存在，如图,1-25,，因而有较高的塑性和韧性。用于受冲击和振动的薄壁小件。可锻铸铁由白口铸铁经高温退火处理获得。,图,1-25,团絮状石墨,4,）球墨铸铁。,铁液在浇注前经球化处理，碳大部分或全部以自由状态的球状石墨存在，如图,1-26,，有时出现少量团絮状。强度、塑性均高于可锻铸铁，抗拉强度甚至高于碳钢。,图,1-26,球状石墨,2.,铸钢,1,）铸钢件。,将钢液直接铸成零件毛坯，以后不再进行锻造的钢件。常用于要求较高而复杂的零件。,2,）含碳量。,铸造碳钢的含碳量在,0.20%0.60%,之间，含碳量太高则塑性差，易冷裂，硫、磷含量在,0.040%,以下。,3,）牌号。,“,ZG+,两组数字,”,表示，数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值。如,ZG200-400,。,2.4.2.4,有色金属,纯铜的性能特点：,具有很高的导电导热性，仅次于银；化学稳定性高，抗大气腐蚀性好，无磁性，塑性好，但强度低。,工业生产中通常称铁和铁基合金为黑色金属，而把铁和铁基合金以外的金属称为有色金属。,1.,铜及铜合金,铜及其合金是人类应用最早的金属，目前工业上使用的主要有工业纯铜、黄铜、青铜。,1,）工业纯铜。,纯铜呈玫瑰红色，因表面经常形成一层紫红色的氧化物，俗称,紫铜，电解铜,。其熔点为,1083,0,C,，密度为,8.96g/cm,3,，为面心立方晶格。,牌号,：,工业纯铜,牌,号为,T+,顺序号，,共有,T1,T2, T3,T4,；,序号越大，纯度越低。,2,）黄铜。 黄铜,以锌为主要合金元素的铜基合金。它具有良好的力学性能、加工成形性、导电性和导热性，价格较低，是重有色金属中应用最广的金属材料。可分为普通和特殊黄铜两类，按加工方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜,。,压力加工普通黄铜,：也叫二元黄铜，是,Cu-Zn,二元合金。根据含锌量分为（小于,39%,）单相（ ）黄铜、（,39%-45%,）双相（ ）黄铜； 相是锌溶于铜中的固溶体，溶解度随温度的下降而增大，为面心立方晶格，塑性好，可冷热加工。 相是以电子化合物,CuZn,为基的固溶体，室温下较脆，但加热到,450,0,C,以上时，塑性良好。其性能随锌含量,增加，起初强度塑性提高，而后由于出现了 相，强度继续升高，但塑性下降，直至全部为 相时，强度塑性急剧下降，如图,1-27,所示。其牌号为,H+,铜的名义质量分数，如,H62,。而,H70,、,H68,又称为三七黄铜，因强度高，塑性好常用来制作枪弹壳和炮弹筒，有“弹壳黄铜”之称。,压力加工特殊黄铜,：在铜锌二元合金的基础上加入其它合金元素组成的多元合金。常加入硅、铅、铝、锰等，称为硅黄铜、铅黄铜，铝黄铜。铅能改善切削加工性能，提高耐磨性，故铅黄铜用于钟表零件，硅能显著提高黄铜的机械性能、耐蚀性，具良好铸造性能，用于船舶及化工零件。其牌号为,H+,主加元素符号,+,铜及各合金元素的名义质量分数，如,HPb59-1,。,图,1-27,黄铜的机械性能与含锌量的关系,铸造黄铜：,采用铸造方法来生产的黄铜。其代号为,ZCu,+,合金元素,1,的化学符号及其名义质量分数,+,合金元素,2,级其名义质量分数,+,，如,ZCuZn38,（,ZH62),ZCuZn40Pb2(ZHPb59-1),。,3,）青铜,。,除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜。工业上常用的有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。一般都有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性。分为,压力加工青铜和铸造青铜,两类。前者的代号为,Q+,第一个主加元素的化学符号及其名义质量分数,-,数字（其它合金元素的名义质量分数），如,QSn4-3,表示含锡,4%,，含锌,3%,，后者的代号为,ZCu,+,合金元素,1,的化学符号及其名义质量分数,+,合金元素,2,及其名义质量分数,+,如,ZCuSn10Zn2.,锡青铜：,以锡为主要添加元素的铜基合金。耐蚀、耐磨、强度高、弹性好，常用牌号有,QSn4-3,等，用于弹簧、轴瓦、衬套等耐磨零件。,铝青铜：,以铝为主要合金元素的铜基合金。它有良好的力学性能，耐蚀、耐磨，有良好的铸造性能，受冲击无火花。常用牌号有,QAl9-4,，,QAl5,等，用于轴套、齿轮、蜗轮、管路配件等。,铍青铜：,以铍为主要合金元素的铜基合金。有很高的强度、硬度疲劳极限和弹性极限，耐蚀、耐热、无磁性、导电导热性好，受冲击无火花，冷热加工，铸造性能均好。常用牌号有,Qbe2,，主要用于制作高级精密的弹性元件，如弹簧、膜片。特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条，高速高温高压下的轴承、衬套。,2.,铝及铝合金,1,）工业纯铝。,其熔点为,660.37,0,C,，密度为,2.7g/cm,3,，为面心立方晶格，呈银白色。强度（,=80,100MPa,）和硬度,(20HBS),很低，塑性,(=80%),很高，有良好的导热导电性。工业纯铝为,L1-L7,，其顺序数越大，纯度越低。,2,）,铝合金,。,由于纯铝的强度低，不宜作承力结构材料，向纯铝中加入适量的硅、铜、镁、锌、锰等元素，通过固溶强化，沉淀硬化及组织强化，而得到的高强度合金。,铝合金的分类：,根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图,1-28,所示，在,D,点以左的合金，在加热到,DF,线以上时，得到单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，故称形变铝合金；成分在,F,点以左的合金，冷却时组织不随温度变化，故不能热处理强化，因而称为热处理不能强化铝合金；在,D,点以右为铸造铝合金。,形变铝合金：,在加热时能形成单相的固溶体，塑性很好，适于冷热压力加工的铝合金。又可分为：热处理不能强化的铝合金和热处理能强化的铝合金。,图,1-28,铝合金状态图的一般类型,铸造铝合金：,含有低熔点的共晶体，液态流动性较高，适于铸造的铝合金。它具有良好的力学性能，抗蚀性及良好的工艺性能。而且生产工艺较为简便，成本较低。用途较广。其合金代号为,ZL+,三位数字，第一位为合金系，,1,位铝硅系，,2,位铝铜系，,3,位铝镁系，,4,位铝锌系，后两位为顺序号。,2.4.3,非金属材料,通常认为除金属材料以外的材料都是非金属材料，主要有高分子材料、陶瓷材料,。,1.,塑料,塑料,以有机合成树脂为主，加入适量的添加剂，在一定温度和压力作用下加工成形的玻璃态高分子材料。,塑料的组成：,合成树脂和某些添加剂。,树脂：,它是低分子化合物经聚合反应形成的高分子化合物，是塑料的主要成分。其种类、性质、含量等对塑料的性能起决定作用。塑料多以树脂来命名。,添加剂：,是在塑料中，有目的加入的某些固态物质，以弥补树脂自身性能的不足。,1,）填料，为增加塑料的强度而加入的，如木粉、高岭土、石墨等。,2,）增塑剂，使大分子链的距离拉开，降低分子间的作用力，增加柔顺性，如甲酸酯类化合物。,3,）固化剂，在高聚物中生成横跨链，使分子交联，树脂由线型结构变成体型结构，如乙二胺。,4,）稳定剂，又称防老化剂，一般加入量在千分之几，防止过早老化的作用，如硬脂酸钙。,5,）其它，按性能要求加入一定量的润滑剂、染料、发泡剂、阻燃剂等。,塑料的分类,：,1,）按热性能分为热塑性塑料和热固性塑料。,热塑性塑料,：加热软化，可熔成粘稠状的液体，冷却时硬化成所需的形状。再加热时又重新软化。如聚氯乙烯，聚酰胺等。,热固性塑料,：树脂受热先软化，继续加热又硬固化，大分子由线型结构变成体型网状结构，固化后加热则不再软化。如酚醛塑料。,2,）按应用范围分：通用塑料、工程塑料、特种塑料。,2.,橡胶,橡胶,是指在很宽的温度范围（,-50150,0,C,），均处于高弹态，在很小的力作用下可发生很大的弹性变形，外力去除后能瞬间恢复原来的状态的经过硫化，并加入了配合剂的高分子材料。,橡胶的组成：,生产中把未经硫化的天然胶与合成胶称为生胶，硫化后的胶称为橡胶。为提高橡胶制品的性能，常添加各种配合剂。,1,）硫化剂。,使生胶分子相互交联成为网状结构，天然橡胶中常加硫磺，合成橡胶则还要加入过氧化物及金属氧化物。,2,）促进剂。,常选用有机化合物，以缩短硫化时间，降低硫化温度。,3,）软化剂。,常选用硬脂酸，精制蜡、凡士林等，增加橡胶的塑性，改善粘附力，降低硬度和提高耐寒性。,4,）补强剂。,常选用碳黑、白碳黑，以提高强度，硬度，增强耐磨性。,橡胶的分类：,按来源分为天然橡胶和合成橡胶两大类。,常用橡胶有：,天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶。,特种橡胶有：,聚胺脂橡胶、硅橡胶等。,3.,陶瓷,陶瓷,是陶器和瓷器的总称，发展到近代泛指全部硅酸盐材料，而现代则扩展到所有无机非金属材料。它与金属材料，高分子材料构成三大固体材料。,陶瓷,是由金属元素和非金属元素的化合物构成的多晶材料，其显微组织是由晶相、玻璃相、气相组成的。,陶瓷生产工艺特点：,先成形，后烧结。如传统陶瓷选用天然原料，粘土，高岭土等，经粉碎，成形，干燥，烧结而成。,常用工业陶瓷的分类：,1,）普通陶瓷,。,粘土类陶瓷，以高岭土、长石、石英为原料制成，产量大，应用广，如日用陶瓷、瓷器，建筑业等。,2,）氧化铝陶瓷。,以,Al,2,O,3,位主要成分的陶瓷，也称高铝陶瓷。其熔点高，耐高温，并有较高的强度、硬度及耐磨性，但脆性大。用于制造耐高温材料、刀具材料和电绝缘材料。,3,）碳化硅陶瓷。,以碳化硅为主要成分的陶瓷。具有优异的高温强度，良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性及抗蠕变性。主要用于制造热电偶套管、炉管、火箭喷嘴、高温轴承、热交换器、砂轮、磨料等。,4,）氮化硅陶瓷。,以氮化硅为主要成分的陶瓷。稳定性极强，除氢氟酸外，能耐各种酸、碱的腐蚀，具有良好的耐磨性，摩擦系数和热膨胀系数小，具有自润滑性。用于制造耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘及切削刀具等。,2024/9/16,60,铸铁,铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于,2.11,的铁碳合金称为钢，含碳量大于,2.11,的称为铸铁。,铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。,2024/9/16,61,性能：（与钢相比）,强度、塑性低（石墨对基体有割裂作用）,抗压强度不低,减震性好（机器运动时，有减震性好）,耐磨性好（碳含量高，硬度高，石墨：软，可作为润滑剂）,加工性好,成本低,铸铁,2024/9/16,62,灰口铸铁：碳以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色,可锻铸铁：团絮状石墨，塑性很低，不能锻造，只有钢能锻造，铸铁不能锻造，经过两个生产过程制得的，首先制得白口铁铸件，然后再经石墨化退火而最终制得可锻铸铁,球墨铸铁：球状石墨,白口铸铁：一般液体铁水冷却下来，发生石墨化，变成石墨，若冷的太快，变不成石墨，而是作为渗碳体保存下来，白口铸铁很硬，没有用，要避免出现,合金铸铁：在铸铁中加入数量不等的合金元素，从而改善铸铁的物理、化学和力学性能，如耐磨性、耐蚀性和耐热性,根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态，可将铸铁分类,：,2024/9/16,63,常用铸铁,（,其中灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之）,片状石墨,铸铁的性能，但片状石墨对基体的分割作用，和引起应力集中效应，故其抗拉强度远,低于钢，其强度、塑性低。铸造性能好,(,灰铸铁含碳量高，熔点比钢低,),，成本最低,（冷却下来后直接就可得到）,牌号：,HT250,（,HT,：灰铁的汉语拼音首字母，,250,代表抗拉强度值）,成分（,HT250,）,：碳含量：,2.9,3.5,，硅含量：,1.4,2.1,锰含量：,0.7,1.1,， 硫含量,0.15,，磷含量,0.12,常用热处理 去应力退火：加工前进行，人工时效处理,高温退火：降低硬度，使渗碳体分解成铁和石墨,表面淬火：提高表面耐磨性,灰口铸铁：,制动盘（,HT250,，,190-230HBS,）,2024/9/16,64,牌号,HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,HT350,性能,强度,切削加工性,表面粗糙度,耐热疲劳性,高温强度,减震性,弹行模量,对缺口敏感程度,耐磨性,铸造工艺性,2024/9/16,65,液体铁水经过球化处理，石墨呈球状分布于基体中,性能：强度、塑性高（与灰口铸铁相比）,牌号：,QT500,7,（,QT,：球铁的汉语拼音首字母，,500,代表最低抗拉强度值，,7,代表最低延伸率值）,成分（,QT500,7,）： 碳含量：,3.6,3.8,，硅含量：,2.5,2.9,锰含量,0.6%,， 硫含量,0.025,，磷含量,0.08,热处理,退火：降低应力，表面白口铸铁消除，变成灰口铸铁或球墨,正火：得到以珠光体为主的基体组织,淬火回火：得到回火马氏体、回火托氏体 或回火索氏体组织,球墨铸铁：,卡钳（,QT600-3,，,190-240HBS,）,支架（,QT500-7,，,180-240HBS,）,2024/9/16,66,牌号,QT400-18,QT400-15,QT450-10,QT500-7,QT600-3,QT700-2,性能,抗拉强度,伸长率,弹行模量,硬度,冲击韧度,减震性,疲劳极限,热疲劳抗力,耐磨性,可加工性,2024/9/16,67,钢,钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。,钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛,。,2024/9/16,68,钢的分类及牌号,按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢,a,、,碳素钢（简称碳钢，由于钢碳钢具有较好的力学性能和工艺性能，并且产量大，价格较低，使它成为机械工程上应用最广泛的金属材料）,按碳含量的多少分为,低碳钢：,Wc0.3,中碳钢：,Wc,0.3,0.6,高碳钢：,Wc,0.6,2024/9/16,69,低碳钢：塑性、韧性好，大型支架结构、桥梁,中碳钢：综合机械性能好，受力复杂的机器零件,高碳钢：硬度高，工具、耐磨零件,碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低,a,、,碳素钢,2024/9/16,70,b,、,合金钢,由于现代工业和科学技术的不断发展，对力学性能和物理、化学性能提出了更高的要求，碳钢虽然经过热处理，也不能满足要求，从而就发展了合金钢，合金钢就是为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢的基础上，特意的加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。,合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理,2024/9/16,71,a,、结构钢：大型结构和机器零件,b,、工具钢：工具、模具、量具,c,、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢,2,、按用途分,大平垫（,1Cr13,）,2024/9/16,72,a,、普通钢,b,、优质钢,c,、高级优质钢,3,、按质量分,分类方法比较多，按习惯叫即可，如,45,钢可被称为中碳钢、结构钢、优质钢,按,S,、,P,的含量分的，,S,、,P,含量越多，脆性越大，质量也就越差高级优质钢：,S,、,P,去的特别好,2024/9/16,73,4,、牌号,普通碳素结构钢：用,Q,数字（屈服强度数值）表示,优质碳素结构钢：用钢中平均碳含量分数的两位数字表示，单位为万分之几，也就是说用碳含量万分之几表示,碳素工具钢：,T,数字，在钢号前加,T,（碳的汉语拼音字头），数字：钢号用平均碳含量的千分数的数字表示（千分之几）,T8,表示平均碳含量为,0.8,（千分之八）的碳素工具钢，高级优质则在钢号后加,A,，如,T10A,2024/9/16,74,合金结构钢：数字元素数字表示,4,、牌号,如：,60Si2Mn,（,60,：碳含量的万分之几，即,0.6,；,Si,、,Mn,：合金元素；,2,：表示前边合金元素的平均质量分数，当含量,1.5%,时，是四舍五入后的数字，当,1.5,时，数字省略）,合金工具钢：数字合金元素数字,如：,9CrSi(9,：碳含量的千分之几即,0.9,，当碳含量,1,时，此数字省略；,Cr,、,Si,含量都小于,1.5,),滚动轴承钢：,GCr,数字（,G,：滚；数字：,Cr,质量分数的千分之几）,2024/9/16,75,4,、牌号,数字：碳含量以千分之几表示，当碳质量分数,0.03,及,0.08,时，分别以,00,及,0,表示,特殊性能钢：数字合金元素数字,铸钢：,ZG,数字数字,（前边数字表示屈服强度值，后边数字表示抗拉强度值） 如：,ZG270-500,2024/9/16,76,结构钢,普通结构钢,普通碳素结构钢,1,、,普通碳素结构钢：碳含量是在,0.06,0.38,，杂质比较多，但价格便宜，成本低，适用于要求不高的机械零件和工程构件,如压板（,Q235A,30,）、推动板（,Q235A,）,普通低合金结构钢,2024/9/16,77,2,、普通合金结构钢,普通结构钢,a,、成分特点：低碳（,C,0.2,）、低合金、,Mn,（以,Mn,为主加元素，因为锰的资源丰富，,强化铁素体的效果明显，能降低钢的冷脆温度，另外，加锰后还使组织中的珠光体含量,增加，以而进一步提高强度）,b,、典型钢号：,16Mn,（,16,：万分之几，,Mn,含量,1.5,，数字省略）碳含量很低，只有,0.16,c,、性能：,塑性、韧性号（低碳）,强度高（与没加合金元素的低碳钢相比，高,30,50,，但不要与,45,钢相比）,焊接性好（焊接最麻烦的是断裂，应力大，但是塑性、韧性好的材料不易开裂）,大型结构、桥梁（不易断裂，有以上特点，价格也低，工艺很成熟）,2024/9/16,78,优质结构钢,硫、磷含量较低，非金属夹杂物也较少，强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好，常用于制造较重要的零件,如齿轮,(Q235A,45),，支点圆柱（,45,40Cr,）,应用最广泛的是,45,钢（也被称为外能钢），经调质处理后，可获得良好的综合力学性能,1,、优质碳素结构钢,2024/9/16,79,优质结构钢,2,、渗碳钢,成分特点：低碳（碳含量很低，属于低碳钢）,作用：强化提高淬透性,性能：心部韧性好，表面硬度特别高,应用：受冲击同时要表面高硬度、高耐磨性的零件,压力臂（,20CrMnTi,），大滚针副托架（,15CrMo,）,2024/9/16,80,优质结构钢,3,、调质钢,淬火高温回火,后获得综合机械性能，即强度与韧性的配合,应用：受力复杂的重要零件，最普通的调质钢为,35,，,40,，,45,，但由于热处理后变形大，实际都加合金元素，随,合金量,增加强度增加 ，顺序为,40,40Cr,40CrNi,40CrNiMo,为提高某些部位耐磨性，通常要局部高频淬火或表面氮化；需提高表面疲劳抗力，有时要进行喷丸处理,主轴（,40Cr,，,260-300HBS,表面离子氮化）,长导套（,45,，,260-300HBS,，高频淬火）,2024/9/16,81,优质结构钢,3,、调质钢,35CrMo,，调质后，具有高的静强度、冲击韧度和较高的疲劳强度,42CrMo,，与,35CrMo,性能相近，强度和淬透性更好,调整六方头（,35CrMo,，淬火,50-55,）,转向节（,42CrMo,与,40Cr,）,2024/9/16,82,优质结构钢,4,、弹簧钢,碳含量：,0.6,0.9,最普通弹簧钢是,Mn,系列和,Cr,系列,Mn,系列选择原则,65Mn,60Si2Mn,55SiMnMoVNb,Cr,系列选择原则,50,Cr,Mn,50CrV,50CrMnV,淬火中温回火 ，获得高弹性和高韧性，通常需要进行喷丸处理获,得表面压应力,弹簧有大有小，制作方式也不一样，主要有两种：冷成型和热成型,2024/9/16,83,优质结构钢,弹簧钢的特性,基准座挡圈（,65Mn,），回位弹簧、波形弹簧（,60Si2Mn,）,大小扭簧（,60Si2Mn ,70,）,高碳钢如,65,，,70,，,85,，经热处理和冷拔硬化后，可得较高强度和适当韧性塑性，淬透性差只适用较小尺寸弹簧,65Mn,，热处理后，综合性能优于碳钢,60Si2Mn,，,Si,与,Mn,提高弹性极限、屈强比、淬透性和抗松弛稳定性,2024/9/16,84,优质结构钢,4,、,滚动轴承钢,有高而均匀的硬度、提高耐磨性,有高的接触疲劳强度和弹性极限,滚针（,GCr15,）,2024/9/16,85,铜合金,-,铜锌合金，并含有少量的,锰、,铝、镍,特点,：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,青铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-,含锡青铜、不含锡青铜,轴套，衬套（,巴氏合金）,有色金属,2024/9/16,86,高分子材料,复合材料,陶瓷,-,塑料、橡胶、合成纤维,。,-,强度高、弹性模量大、质量轻。,非金属材料,-,强度高、弹性模量大、质量轻。,塑料,-,塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝,热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,2024/9/16,87,橡胶,-,橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带,等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,螺杆防尘罩（,DF 6454,）,非金属材料,2024/9/16,88,非金属材料,复合材料,克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。,刹车片（,M432A),2024/9/16,89,陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；,目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。,陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。,由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为,21,世纪是,“,第二个石器时代,”,。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。,非金属材料,陶瓷材料,2.4.5,工程材料的选择与应用,概述,材料的选择与应用是机械设计与制造过程中最重要的基础环节，自始至终影响着整个设计过程。,大量事实说明，在设计与加工过程中的许多材料及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。,2.4.5,工程材料的选择与应用,概述,材料的选择与应用是机械设计与制造过程中最重要的基础环节，自始至终影响着整个设计过程。,大量事实说明，在设计与加工过程中的许多材料及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。,2.4.5,工程材料的选择与应用,失效分析,导致零件失效的主要原因示意,2.4.5,工程材料的选择与应用,失效分析,零件失效的主要形式,2.4.5,工程材料的选择与应用,失效分析,一些常用零件的服役条件、主要失效方式和主要性能指标,2.4.5,工程材料的选择与应用,选材原则,选材的一般步骤,2.4.5,工程材料的选择与应用,选材原则,使用性能选材原则,工艺性能选材原则,经济性能选材原则,技术经济评价指标,2.4.5,工程材料的选择与应用,典型零件选材概述,机架、箱体类零件选材,特点：,形状不规则、结构比较复杂,受力较大，要求高强度、高韧性、甚至高压高温的（如汽轮机机壳）须选用铸钢,受力不很大且主要为静载荷的，可选铸铁,受力不大，要求自重轻或导热好的，可选铸铝,受力很小，要求自重轻的，可选工程塑料,受力较大，但形状简单的，可采取型钢焊接,铸件（包括铸铁和铸钢）毛坯，多需进行去应力退火及表面淬火（导轨）以满足性能要求,2.4.5,工程材料的选择与应用,典型零件选材概述,齿轮类零件选材,锻钢，包括：,低碳及低碳合金渗碳钢，高速、大冲击、中,/,重载,中碳及中碳合金钢，调质,+,表面淬火，中低速、小冲击、轻,/,中载,中碳渗氮钢，调质渗氮、变形微小，高精度高速,铸钢：大尺寸（,500,以上）、形状复杂者,铸铁：低速、轻载无冲击者,2.4.5,工程材料的选择与应用,典型零件选材概述,轴类零件选材,锻钢：优质中碳或中碳合金调质钢为主体,35,、,40,、,45,、,50,（,45,最常见）具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛,Q235,、,Q255,、,Q275,等普通碳钢也可用,对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选,40CR,、,40MNVB,等合金钢,若受强烈冲击可低碳钢渗碳；冲击小但要求耐磨可用高碳钢（,GCr15,、,9Mn2V,等）,铸钢：大尺寸、形状复杂者,铸铁：球铁,QT700-2,和,HT350,可代替钢作为曲轴材料,2.4.5,工程材料的选择与应用,典型零件选材概述,以刚度为主要要求的、轻载的非重要轴：选用碳钢（如,45,）、铸铁（如,QT700-2,）、甚至,Q275,。正火或调质即可。需耐磨处可表面淬火,以耐磨性为主要要求的轴，选较高含碳量的材料（如,65Mn,、,9Mn2V,）或低碳钢（如,20Cr,、,20CrMnTi,）渗碳；高精度要求者，可选,38CrMoAlA,渗氮,主要受弯曲或扭转载荷的轴，心部承受应力较小无须大的淬透性，,45,、,40Cr,即可；拉,-,压载荷尤其大尺寸复杂形状者，得高的淬透性，如,40CrNiMo,主要受明显、强烈冲击载荷的轴，低碳钢渗碳,
展开阅读全文