機械工程材料

1、第三章 機械工程材料第一節(jié) 工業(yè)用鋼鋼鐵材料又稱黑色金屬材料， 是以鐵和碳元素為主要化學成分的一 系列金屬材料 鋼、生鐵、鑄鐵和鑄鋼的總稱。各行各業(yè)都用鋼，為了保證鋼的質量，國家及有關部門對各種鋼作 了規(guī)格和標準。GB-國家規(guī)定的標準；YB冶金部規(guī)定的標準。一、鋼的分類 根據(jù)合金元素含量可分為：1、非合金鋼：普通質量非合金鋼優(yōu)質非合金鋼 特殊質量非合金鋼2 、低合金鋼： 普通質量低合金鋼 優(yōu)質低合金鋼 特殊質量低合金鋼3、合金鋼：優(yōu)質合金鋼 特殊質量合金鋼二、雜質元素和合金元素在鋼鐘的影響 鋼中基本元素為： Fe 、C； 雜質元素主要有： Si、Mn、 S、P。1. Si、 Mn在碳鋼中3 s

2、i < 0.37%3 mn二0.25%-0.8% 對力學性能影響不大。但作為合金元素，可提高鋼的力學性能。2. S、 PS: Fe在固態(tài)時幾乎不溶，液態(tài)時溶解大量的S,凝固時FeS析出（熔 點 1190 C）當鋼加熱到1000 c -1200 C進行塑性成型加工時，F(xiàn)eS -熔化- 導致鋼沿晶界開裂 這種現(xiàn)象叫鋼的 “熱脆 ”。P: Fe在固態(tài)、液態(tài)時都能溶解P,固態(tài)時P全部溶入鐵素體中，P 能使鐵素體的但SJJ .ak JJ。當3 p=0.3% 時鋼室溫下的ak0這種現(xiàn)象叫鋼的 冷脆” St熱脆 Pt冷脆，是有害兀素越少越好，因此衡量鋼的質量的主 要指標為含S、P量。3. 氣體與非金屬

3、夾雜物1）氫脆：氫分子 大的氣壓 白點氫脆2）氮的時效：來不及逸出的氮，放置一段時間后，以氮化物的形 式析出，使鋼變脆。3 ）氧以氧化物的形式存在于鋼中，形成非金屬夾雜物，如SiO2、MnO、AI2O3等，降低鋼的塑性、沖擊韌性和疲勞強度等。4、合金兀素在鋼中的作用 為了提高鋼的性能，在煉鋼時有意識地向鋼中加入一些合金兀素，這樣獲得的鋼稱為合金鋼。鋼中常加合金兀素有： Mn、 Si、 Cr、 Ni、 Mo、 V、 Ti、 Nb、 Zr、 Co、 B、Re等。1）對鋼的基本相及其性能的影響（1）滲入鐵素體， 總的趨勢：隨著合金兀素的增加，強度硬度上升，塑性韌性下降。（ 2）滲入滲碳體（a）形成合

4、金滲碳體，如 Mn、Cr、Mo、W等。（b）形成復雜碳化物，如Mn、Cr、Mo、W等。（c）形成簡單碳化物，如Ti、Zr、Nb、V等。 以上三類碳化物比滲碳體穩(wěn)定性高，熔點和硬度也更高。如經(jīng)熱處理，使碳化物呈顆粒狀，強度硬度上升，而沖擊韌性不下降。3）對熱處理的影響（ 1）加熱溫度、加熱速度、保溫時間及晶粒度的影響。（ 2）淬透性提高。（ 3）提高回火穩(wěn)定性，產生二次硬化及回火脆性。 鋼在回火時的組織轉變主要是馬氏體分解及碳化物形成、 析出和聚 集的過程，這個過程是依靠兀素的擴散來完成的。（a）彌散硬化或沉淀硬化（b）A殘向馬氏體轉變產生的硬化。（c）回火脆性：當溫度在250350 C和500

5、650 C回火時，鋼的 沖擊韌性不但不升高反而下降的現(xiàn)象。第一類回火脆性（250350 C） 一旦形成，無法消除。辦法就是避開該溫度。第二類回火脆性（500650 C）消除辦法：將工件重新加熱至600 C以上，然后快速冷卻。避免辦法：a）保溫后快速冷卻；（b）加入Mo0.3%或W1%，緩冷也不會出現(xiàn)回火脆性。4）合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（1）使奧氏體區(qū)擴大的元素有 Mn、Ni、Co、Cu等。其中Mn13、N i 9的室溫組織為單一的奧氏體組織。（2）使奧氏體區(qū)縮小的元素有 Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。其中Cr17 的室溫組織為單一的鐵素體組織。（3）使S點、E點左移，女口 W1

6、8（ W18%、C0.70.8% ）高速工具 鋼，鑄態(tài)組織中有萊氏體組織。三、常用非合金鋼按照鋼的用途和質量可分為：碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、碳素 工具鋼。1 、碳素結構鋼1） 化學成分：3 c=0.09%-0.33%3 Mn=0.37%-0.65%3si=0.30%3 s< 0.035-0.05%3 p< 0.035%-0.045%2）牌號：由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質量等級符號、脫 氧方法等四個部分按順序組成。 Q235AF3）組織：較多的F+較少的P4）性能：因為碳低，焊接性能好5）用途：適合于扎制成鋼板、鋼帶型鋼等。用于制做不需熱處理 的焊接、鉚接、栓接構件及螺栓螺

7、母等零件2、優(yōu)質碳素結構鋼1）化學成分： Wc=0.08%-0.85% Wsi=0.17%-0.37%Wsp <0.035%2）牌號：兩位數(shù)字+符號表示 數(shù)字表示含碳量萬分之幾， 符號如果是F則表示是沸騰鋼。例：08F15F3）分類：（ 1 ）低碳鋼（a）化學成分：WC< 0.25%（b）組織：退火狀態(tài)下，組織為較多的F和較少P（c）性能：。和HBS氐，而S .ak好，焊接性好。（d） 用途：08F、10F、15F冷變形加工成型件。機殼、容器。1025 鋼 各種標準件、軸套、容器等。(2) 中碳鋼(a) 化學成分： WC=0.30% 0.6%(b) 組織：F+P,(c) 性能：八H

8、BS比低碳鋼略高，而3、ak略低。具有良好的綜 合力學性能,切削加工性好,但焊接性一般。(d) 用途：用于制作齒數(shù)、主軸及連桿等重要的機械零件。( 3)高碳鋼(a) 化學成分：WC>0.60%(b) 組織：T回(淬火+中溫回火)(c) 性能：在淬火+中溫回火后，具有較高的。和良好彈性也叫彈 簧鋼。具有較好的耐磨性和中等硬度。(d) 用途：主要用于制作彈簧和易磨損的零件。3、碳素工具鋼1) 化學成分： Wc=0.65%-1.35%2) 牌號： T+ 數(shù)字表示 T 碳 數(shù)字表示千分含量。若是特殊質 量則數(shù)字后面加A。例：T8A-0.8%的特殊質量的碳素工具鋼3) 組織：M回(淬火+低溫回火處

9、理)4) 性能：具有很高的硬度和耐磨性,但淬透性差,熱硬性差。5) 用途：用于制作手動和低速切削的工具和要求不高的量具和模具 等四、常用低合金鋼1、 化學成分：Cv 0.2% , 刀合金元素V 5%常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。2、牌號表示方法： 與碳素結構鋼基本相同。3、低合金鋼的性能特點(a) 具有較高的強度、塑性和沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性。(b) 具有良好的焊接性。(c) 具有較高的抗大氣腐蝕性。五、常用合金結構鋼化學成分特點： C0.150.45%主加合金元素Si、Mn、Cr、Ni等。 附加合金元素：Ti、V、Mo、W、Al等。牌號表示方法：數(shù)字 +元

10、素符號 +數(shù)字1 、合金滲碳鋼1）化學成分特點：wc=0.100.25% 主加合金元素： Cr、 Mn 輔加合金元素：Ni、B、W、Mo、V、Ti等。2）金相組織：表層為高碳回火馬氏體 心部為低碳馬氏體或珠光體 + 鐵素體3）典型零件：變速箱齒輪、齒輪等常用的20CrMnTi鋼。2、合金調質鋼1）化學成分特點：wc=0.250.55%主加合金元素： Mn、 Cr、 Si、 Ni 輔加合金元素： V、 Mo、 Ti、 W2）調質后的金相組織：回火索氏體3）典型零件：受沖擊載荷較大的齒輪常用 40Cr、40CrMnMo等3、彈簧鋼1）化學成分：WC=0.450.70% 常加合金元素： Si、 Mn

11、、 Cr 輔加合金元素：W、Mo、V、B等。2） 金相組織：回火托氏體3）性能特點：（a）較高的彈性極限；（b）屈強比高（cb）;（c）疲勞強度高；（d）足夠的沖擊韌性；（ e ）良好的表面質量。4）典型零件：汽車減振彈簧常用 55Si2Mn六、特殊性能鋼1 、不銹鋼在腐蝕性介質（如水、海水、酸、堿等）中具有抗腐蝕性能的鋼， 稱為不銹鋼。1）金屬有兩種基本腐蝕形式： 化學腐蝕和電化學腐蝕。2）提高金屬耐腐蝕性的一般途徑：（1）提高金屬的電極電位；（2）使金屬在常溫下成為單一組織，避免形成原電池；（3）使金屬表面形成致密的保護模（即金屬的鈍化），阻止腐蝕 介質繼續(xù)向金屬內部侵蝕。3）提高耐腐蝕性

12、的措施：（a）在鋼中加入一定量（ 13% ）的鉻。鉻的作用： 一是在金屬表面形成一層富鉻的氧化物保護模； 二是提高其電極電位。（b）在鋼中加入一定量（ 9% ）的鎳，使鋼在室溫下成為單一奧 使體組織。4）不銹鋼的化學成分特點：（ 1 ）含碳量低。大多數(shù) C=0.10.2% ，而且腐蝕性要求越高，含 碳量越低，只有制造刃具和滾動軸承的不銹鋼 C=0.850.95% ，但同 時必須提咼含Cr量。（ 2）鉻含量大于 13%（ 3）對腐蝕性要求咼的不銹鋼，還要加入一定量的鎳。5）不銹鋼的分類： 按基體組織的組成不同分為：（ 1 ）鐵素體型（ 2）奧氏體型（3）奧氏體 -鐵素體型（ 4 ）馬氏體型等。2

13、、耐熱鋼 耐熱鋼是制造在咼溫下工作的零件或構件。 金屬的耐熱性是一個包含咼溫抗氧化性和咼溫強度兩方面內容的 綜合概念。提咼鋼的咼溫抗氧化性的主要方法是：在鋼中加入足夠的Cr、Si、Al等合金元素，使鋼在高溫下與氧接觸 時表面形成一層致密的咼熔點的氧化模，阻止氧向內擴散。提高鋼的高溫強度的方法是：在鋼中加入能提高鋼的再結晶溫度的合金元素，如 W、Mo、V、 B3、1)2)3)高錳鋼化學成分特點：C=0.901.50%Mn=1114%金相組織：奧氏體在受強烈撞擊的工礦條件下，工件表層產生加工硬化層，而心 部仍保持高韌性。4) 典型零件：坦克履帶、挖掘機鏟齒等常用 ZGMn13第二節(jié) 鑄 鐵鑄鐵是含

14、C量大于2.116.69%或者組織中具有共晶組織的鐵碳合 金。工業(yè)上所有的鑄鐵實際上不是簡單的鐵碳合金，而是以Fc、C、Si為主要元素的多元合金。其成分范圍大致為：C24%4.0%、Si:0.6% 3.3%、Mn:0.2%1.2%、P:0.02%1.2%、S:0.02%0.15%, 有時還加入合金元素生產合金鑄鐵。鑄鐵中C勺存在形式主要有兩種：1、化合態(tài)一Fc 3C2、游離態(tài)一石墨(G):軟而脆，強度20MPa塑性幾乎為0的組 織。一、鑄鐵的分類1、灰口鑄鐵：碳以游離石墨形式存在,根據(jù)石墨的形態(tài)不同又分 為,普通灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵2、白口鑄鐵：碳以化合態(tài)滲碳體形式存在3、麻口

15、鑄鐵：碳一部分以滲碳體形式存在,另一部分以石墨形式 存在。二、常用鑄鐵1 、普通灰鑄鐵 碳主要以石墨形式存在的鑄鐵,斷口呈灰色。( 1)灰鑄鐵的顯微組織(a)基體組織：F、P、F+P(b) C:片狀石墨( 2)力學性能(a) 缺點：力學性能低。雖然基體中溶入了 Mn Si，強化了基體, 但由于石墨的縮減作用和切割作用，卻使灰鑄鐵的力學性能大大降低。(b) 優(yōu)點：灰鑄鐵的減振性、耐磨性、導熱性好，缺口敏感性低。 ( 3)鑄鐵的石墨化條件和石墨化過程1)石墨化條件(a) 含有足夠的促進石墨化的元素，如 Si、Al等。(b) 冷卻速度足夠緩慢。2) 石墨化過程 一次石墨化：從鐵液中直接結晶出 共晶石

16、墨化：共晶反應中析出 二次石墨化：從奧氏體中析出 共析石墨化：共析反應中析出( 3)影響灰鑄鐵組織形成的主要因素1) 化學成分的影響：C:越高，產生的石墨越多。Si ：強烈促進石墨化的元素。S:強烈阻礙石墨化的元素，使鑄鐵流動性降低，收縮率增大。Mn阻礙石墨化，但有除S作用，并促進珠光體生成。P:對石墨化影響不大，但會增大脆性。2) 冷卻速度的影響：慢冷灰口鑄鐵；快冷麻口甚至白口鑄鐵。( 4)用途:用來制做各種主要承受應力，并要求減振性、耐磨性好及 缺口的敏感性低的機械零件。如:機床床身、機架、導軌等。( 5)牌號:HT+數(shù)字女口： HT200 HT25(等。( 6)提高灰鑄鐵力學性能的措施1

17、) 改變石墨形態(tài)；2) 強化基體。2、蠕墨鑄鐵( 1)顯微組織: 鑄鐵中的石墨大部分呈蠕蟲狀。 特征:石墨片短而厚，長度與厚度之比為 210，且頭部較圓，呈蠕蟲狀。（2）性能：1）力學性能高于灰鑄鐵。2）具有良好的熱導性。（3）用途：制做各種要求強度、硬度較好和導熱率較高的鑄件，如重 型機床床身、箱體及內燃機的氣缸蓋、活塞環(huán)等。（4）牌號：RuT+數(shù)字3、可鍛鑄鐵（又稱瑪鋼）（1）概念：將白口鑄鐵通過固態(tài)石墨化處理（包括有或無脫碳過程）， 得到的具有團絮狀石墨的鐵碳合金。（2）分類： 1）黑心（鐵素體）可鍛鑄鐵與珠光體可鍛鑄鐵 2）白心可鍛鑄鐵（3）組織：1）:鐵素體可鍛鑄鐵：F+ G （團絮

18、狀）2）:珠光體可鍛鑄鐵：P+ G （團絮狀）（ 4）性能：1 ）：鐵素體可鍛鑄鐵：具有一定的強度和較高的韌性。 2）：珠光體可鍛鑄鐵：強度高、硬度高、耐磨性好。（ 5）用途：? 鐵素體可鍛鑄鐵：用于制造承受沖擊和振動的零件。例：彈簧鋼板支 座、機床上用的把手、農機零件和建筑用扣件等。? 珠光體可鍛鑄鐵： 用于制造鑄造曲軸、 凸輪軸、連桿及齒輪重要零件 （ 6）牌號：? 鐵素體可鍛鑄鐵（黑心可鍛鑄鐵）KTH數(shù)字+數(shù)字例：KTH300-066 b>300N/mm2 S >6%珠光體可鍛鑄鐵：只是將KTF中的“J改成“Z”，其它不變。4、球墨鑄鐵 用球化劑對鐵液進行處理，使石墨大部或全

19、部呈球狀的鐵碳合金。 球墨鑄鐵具有接近灰鑄鐵的鑄造性能，又具有接近鑄鋼的力學性 能，具有廣泛的應用前景。? 鐵素體球墨鑄鐵：高韌性。? 珠光體球墨鑄鐵：高強度。? 貝氏體球墨鑄鐵 ：耐磨。? 奧氏體 - 貝氏體球墨鑄鐵：耐磨。? 馬氏體 - 奧氏體球墨鑄鐵：抗磨。性能：1）強度、塑性、韌性大大高于灰鑄鐵，接近鑄鋼。2）具有良好的減振性、耐磨性和低的缺口敏感性。 用途： 用于制作強度、韌性、耐磨性等要求較高的零件。如：柴油機、汽 車及拖拉機的曲軸、凸輪軸、中壓閥門、壓縮機的曲軸、連桿等。牌號： QT數(shù)字+數(shù)字5、特殊性能鑄鐵 特殊性能鑄鐵一般是指具有耐磨、耐熱和耐腐蝕等特殊性能的鑄 鐵。這些鑄鐵

20、大多是加入了 Si、Mn、Al、Cr、Mo、W、Cu、V、B、Ti 、 Re等合金元素的合金鑄鐵。? 耐磨鑄鐵：高磷鑄鐵、釩鈦鑄鐵等。? 抗磨鑄鐵：白口鑄鐵、中錳抗磨鑄鐵、冷硬鑄鐵等。?耐熱鑄鐵：通常加入Si、Al、Cr等合金元素，其作用一是在鑄鐵表面 形成一層致密的氧化模，保護內部不被繼續(xù)氧化；二是使基體形成單 一的鐵素體組織，防止鑄鐵的生長。? 耐蝕鑄鐵：原理與不銹鋼相同。第三節(jié) 有色金屬及其合金元素周期表中除鐵以外的金屬均稱非鐵合金，其中比重小于4.5 的非鐵合金稱為輕金屬（如鋁、鎂、鈦等）。 一般認為，鋼的抗拉強度和剛度比大多數(shù)非鐵金屬合金高， 但輕合金的比重小，它們的比強度和比剛度都

21、比低碳鋼和低 合金鋼高，所以輕合金在飛行器上得到廣泛應用。、 鋁及鋁合金1、工業(yè)純鋁1 ）物理性能 熔點660C，密度2.7g/cm3 ,具有良好的導電性（相當于銅的 60%）和導熱性。在大氣中抗蝕性較高。2 ）力學性能 強度硬度低（6 b=80100MPa20HBS、塑性較 高（?=50%， ?=80%）、冷變形后強度增加不多， 但塑性卻急劇下降 （ ?=25%），因此鋁不易作受力的結構材料。2、鋁合金 通過加入硅、銅、鎂、鋅、錳等合金元素，使鋁得到固溶強化、 沉淀強化及組織強化，從而得到高強度的鋁合金。1 ）鋁合金的分類（1）形變鋁合金可以通過加熱的方法使合金變?yōu)閱蜗郺固溶體，其塑性很好。

22、形變鋁合金又可分為不能熱處理強化的和能熱處理 強化的兩種。（ 2）鑄造鋁合金能夠通過熱處理來提高強度和硬度。大多數(shù)鑄造鋁合金也可以熱處理強化。2）鋁合金的熱處理（ 1 ）退火a ）變形鋁合金主要進行再結晶退火，以消除冷壓后產生的加工 硬化現(xiàn)象。也稱中間退火。工藝方法：加熱（350450C）保溫后空冷。b ）去應力退火：加熱至180300 C保溫后空冷。（2）熱處理強化的基本工藝及特點a ）鋁合金的強化熱處理的方法是淬火加時效處理。 淬火（加熱到單相區(qū)保溫后快速冷卻） 后，強度和硬度增加不多， 塑性卻大大提高。經(jīng)過時效（自然時效和人工時效）后，強度和硬度才明顯提高， 合金被強化。b ）鑄造鋁合金

23、熱處理特點與相變鋁合金相比， 淬火加熱溫度更高， 保溫時間更長， 但淬火、 時效后的強化效果不如形變鋁合金明顯。原因是鑄造組織粗大。有的鑄造鋁合金經(jīng)過淬火處理后不需時效或不完全時效處理即 可提高塑性和強度。這是因為淬火加熱使粗大的化合物溶解，增加了 固溶強化效果使成分均勻，從而改善了性能。3）形變鋁合金 形變鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金、鍛鋁合金等。（ 1 ）防銹鋁合金防銹鋁合金是鋁 -錳或鋁-鎂系組成的形變鋁合金。特點 耐腐蝕性能好，拋光性好，能長時間保持光亮的表面， 具有高的塑性和焊接性，不能熱處理強化，強度低，只有通過冷加工進行加工硬化。應用 承受中等強度的冷壓、焊接件及鉚

24、釘?shù)取?（2）硬鋁硬鋁又稱杜拉鋁，是含有銅、鎂、錳等元素的形變鋁合金。 特點：具有高的強度和硬度（YL12合金的強度為470MPa，可以 熱處理強化，但耐腐蝕性能較差。（3）超硬鋁 超硬鋁是在硬鋁型鋁 -銅-鎂系合金基礎上在加入 46%的鋅，形成 鋁- 鋅-鎂- 銅系高強度合金。超硬鋁可作各種結構件。（ 4 ）鍛鋁 鍛鋁合金除要求有一定的力學性能和抗蝕性外，還要求在熱態(tài)下 具有高的塑性，以便用來鍛造各種鍛件或沖壓件。鍛鋁大多含有銅、鎂、硅等元素。鍛后經(jīng)淬火加時效處理其強度 隨含銅量的增加而升高，但熱塑性和抗蝕性則降低。在鍛造鋁合金中加入鐵和鎳，可提高合金的使用溫度，稱為耐熱 鍛造鋁合金。4 ）

25、鑄造鋁合金 鑄造鋁合金是指直接用來澆注各種形狀機械零件的鋁合金。其合 金元素含量一般高于形變鋁合金。特點：合金流動性好，塑性差，經(jīng)變質處理和熱處理后可提高力 學性能。分類：鋁 - 硅系合金（又稱硅鋁明）、鋁 -銅系合金、鋁 - 鋅系合 金、鋁 - 鎂系合金等。二、 銅及銅合金1 、純銅純銅又稱紫銅，熔點1083C，密度8.9g/cm3，呈面心立方晶格。 特點：a ）具有優(yōu)良的導電性和導熱性；b ）在許多介質中的化學穩(wěn)定性很高，大氣中耐腐蝕；c ）抗拉強度不高（6 b=200250MPa，塑性很好（？=4550% 冷加工可大大提高銅的強度和硬度，但塑性和導電性降低。2、銅合金 銅合金分為黃銅、白

26、銅和青銅三類。1 ）黃銅以鋅為主加合金元素的銅基合金稱為黃銅。當黃銅中還含有除鋅 以外的其它合金元素（Pb Sn、Mr等）時屬于特殊黃銅。特點：a ）具有良好的力學性能、加工成型性、導電性和導熱性； b ）色澤美麗、價格較低。黃銅分普通黃銅和特殊黃銅兩大類。按生產工藝特點又分為變形 黃銅和鑄造黃銅。黃銅是重有色金屬中應用最為廣泛的金屬材料。2）白銅 以鎳為主要合金元素的銅基合金稱為白銅。再加入其它合金元素（如Zn、Mn Fe等）時稱為復雜白銅。特點：具有很高的耐蝕性，優(yōu)良的冷、熱加工性。 應用：廣泛用于制造精密儀器、儀表、化工機械及醫(yī)療器械中的 關鍵零件。3）青銅 除黃銅、白銅以外的銅合金均稱青銅。