金屬材料及熱處理知識 第2版 課件 第5-9章 非合金鋼（碳素鋼）-其他常用工程材料

金屬材料及熱處理知識第2版第一章金屬材料的性能第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第三章鐵碳合金相圖第四章鋼的熱處理第五章非合金鋼（碳素鋼）第六章低合金鋼與合金鋼第七章鑄鐵第八章非鐵金屬(有色金屬)第九章其他常用工程材料第五章非合金鋼（碳素鋼）第一節(jié)雜質(zhì)元素對碳素鋼性能的影響一、錳的影響二、硅的影晌三、硫的影響四、磷的影響第二節(jié)碳素鋼的分類一、按鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類（1）低碳鋼??(C)<0.25%。（2）中碳鋼0.25%≤??(C)≤0.60%。（3）高碳鋼??(C）>0.60%。二、按主要質(zhì)量等級分類（1）普通質(zhì)量碳素鋼[??(S）≥0.045%，??(P）≥0.045%

]指生產(chǎn)過程中不需要特別控制質(zhì)量的所有碳素鋼，主要有一般用途的碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素鋼筋鋼、鐵道用鋼等。（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼（硫與磷含量比普通質(zhì)量碳素鋼少）指除普通質(zhì)量碳素鋼和特殊質(zhì)量碳素鋼以外的碳素鋼，在生產(chǎn)過程中需要特別控制質(zhì)量，如控制晶粒度，降低硫與磷含量，改善表面質(zhì)量或增加工藝控制等。（3）特殊質(zhì)量碳素鋼[??(S）≤0.020%，??(P）≤0.020%]

特殊質(zhì)量碳素鋼是指在生產(chǎn)過程中需要第二節(jié)碳素鋼的分類特別嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能的碳素鋼，如控制淬透性和純潔度，主要包括保證淬透性的碳素鋼、航空和兵器等專用的碳素鋼、碳素彈簧鋼、碳素工具鋼等。三、按鋼的用途分類（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件，一般屬于低、中碳鋼。（2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具，一般屬于高碳鋼。第三節(jié)常用的碳素鋼一、碳素結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié)常用的碳素鋼二、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼三、碳素工具鋼第三節(jié)常用的碳素鋼第三節(jié)常用的碳素鋼第三節(jié)常用的碳素鋼第三節(jié)常用的碳素鋼四、鑄造碳鋼第三節(jié)常用的碳素鋼第六章低合金鋼與合金鋼第一節(jié)合金元素對鋼的影響一、合金元素對鋼力學(xué)性能的影響1.合金元素溶于鐵素體、奧氏體，起固溶強(qiáng)化作用2.合金元素形成碳化物，起第二相強(qiáng)化、硬化作用3.合金元素使珠光體增加，起強(qiáng)化合全結(jié)構(gòu)鋼的作用第一節(jié)合金元素對鋼的影響第一節(jié)合金元素對鋼的影響二、合金元素對鋼工藝性能的影響1.對熱處理性能的影響（1）對加熱過程中奧氏體化的影響合金鋼奧氏體化的過程與碳素鋼一樣，遵循著奧氏體晶核形成并長大、殘余碳化物溶解及成分?jǐn)U散均勻這一規(guī)律。（2）對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響除Co外，所有溶于奧氏體中的合金元素，都使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增大，使等溫轉(zhuǎn)變圖右移，馬氏體臨界冷卻速度減小，淬透性提高，從而使合金鋼在較小的冷卻速度下即能淬成馬氏體組織，可滅小淬火變形。第一節(jié)合金元素對鋼的影響（3）對回火轉(zhuǎn)變的影響合金元素使淬火鋼回火時馬氏體不易分解，即提高了鋼的耐回火性，這就使得在相同溫度下回火時，合金鋼的強(qiáng)度和硬度比相同碳含量的非合金鋼高。2.對焊接性能的影響3.對可鍛性的影響第二節(jié)低合金鋼、合金鋼的分類與牌號一、分類（1）低合金鋼低合金鋼是指合金元素的種類和含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的鋼。（2）合金鋼合金鋼是指合金元素的種類和含量高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的鋼。二、鋼號表示方法（1）碳含量數(shù)字當(dāng)碳含量數(shù)字為兩位數(shù)時，表示鋼中平均碳含量的萬分?jǐn)?shù)；當(dāng)碳含量數(shù)字為一位數(shù)時，表示鋼中平均碳含量的千分?jǐn)?shù)。（2）合金元素符號與含量數(shù)字表示該合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)。（3）當(dāng)采用漢語拼音字母表示產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表產(chǎn)品名稱的漢語拼音中選取第一個字母，加在牌號首或尾部，如GCr15（G表示滾動軸承）、SM3Cr3Mo(SM表示塑料模具）。第三節(jié)低合金鋼一、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼1.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分2.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能及用途二、易切削結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié)低合金鋼第三節(jié)低合金鋼第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼一、合金滲碳鋼1.化學(xué)成分2.常用的合金滲碳鋼3.熱處理及性能第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼二、合金調(diào)質(zhì)鋼1.化學(xué)成分2.常用的合金調(diào)質(zhì)鋼3.熱處理及性能三、合金彈簧鋼第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼1.化學(xué)成分2.常用合金彈簧鋼3.熱處理第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼四、高碳鉻軸承鋼第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼1.化學(xué)成分2.牌號表示方法及常用鋼號第四節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼3.熱處理五、高錳耐磨鋼第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼一、合金工具鋼1.量具刃具鋼（1）量具刀具鋼的化學(xué)成分量具刃具鋼具有高碳成分，??(C）=0.75%~1.45%，以保證高的硬度和耐磨性。（2）常用合金刃具鋼9SiCr是應(yīng)用廣泛的刃具鋼，用于制作要求變形小的各種薄刃低速切削刃具，如板牙、絲錐、鉸刀等。（3）常用量具鋼量具材料應(yīng)根據(jù)其精度要求來選擇。（4）熱處理量具刃具鋼的預(yù)備熱處理為球化退火，最終熱處理為淬火+低溫回火，熱處理后硬度達(dá)60~65HIRC。第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼2.冷作模具鋼（1）化學(xué)成分冷作模具鋼一般具有高的碳含量，??(C）=1.0%~2.0%，以獲得高硬度和高耐磨性；加入合金元素Cr、Mo、W、V等，以提高耐磨性、淬透性和耐回火性。（2）常用的冷作模具鋼Cr12型鋼包括Cr12、Cr12MoV等。（3）熱處理Cr12型鋼屬于萊氏體鋼，加工前應(yīng)進(jìn)行反復(fù)鍛打并退火。3.熱作模具鋼（1）化學(xué)成分熱作模具鋼為中碳成分，??(C）=0.3%~0.6%，以獲得綜合力學(xué)性能。（2）常用熱作模具鋼5CrMnMo和5CrNiMo是最常用的熱作模具鋼。（3）熱處理熱鍛模壞料鍛造后需進(jìn)行退火，以消除鍛造應(yīng)力，降低硬度，利于切削加工；最終熱處理為淬火、高溫（或中溫）回火，回火后獲得均勻的回火素氏體或回火托氏體，硬度約為40HRC。第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼4.塑料模具鋼（1）塑料模具的性能要求塑料模具所受的應(yīng)力和磨損較小，主要失效形式為模具表面質(zhì)量下降，因此應(yīng)具備以下性能：良好的加工性能，較高的頸硬硬度(28~35HRC)，便于進(jìn)行切削加工或電火花加工，易于蝕刻各種圖案、文字和符號；良好的拋光性，模具拋光后表面達(dá)到高鏡面度（一般Ra為0.1~0.012wm）；較高的硬度（熱處理后硬度應(yīng)超過45~55HIRC)，良好的耐磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性；熱處理變形?。ūＷC精度），良好的焊接性（便于進(jìn)行模具焊補(bǔ)）等。（2）塑料模具鋼的牌號、性能及用途由于塑料模具對力學(xué)性能的要求不高，因此材料選擇有較大的機(jī)動性。第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼二、高速工具鋼（1）化學(xué)成分高速工具鋼是一種高碳高合金工具鋼，??(C）=0.70%~1.60%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，其中W、Mo、V是提高熱硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，可顯著提高鋼的硬度及耐磨性，Cr可提高鋼的淬透性。（2）常用的高速工具鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4v2和W9Mo3Cr4V為較常用的高速工具鋼，這三種鋼的產(chǎn)量占目前我國生產(chǎn)和使用的高速工具鋼的95%以上。（3）高速鋼的熱處理高速鋼屬于萊氏體鋼，鑄態(tài)組織中有粗大魚骨狀的合金碳化物，這種碳化物便而脆，若不消除這種碳化物的不均勻性，制成刀具后將出現(xiàn)早期損壞，使刀具易出現(xiàn)“崩刃”，故必須用反復(fù)鍛打的方法將其擊碎，使碳化物細(xì)化并均勻分布在基體上。第五節(jié)合金工具鋼與高速工具鋼第六節(jié)不銹鋼和耐熱鋼一、不銹鋼1.不銹鋼的化學(xué)成分2.常用不銹鋼及其熱處理（1）馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼的常用牌號有12Cr13、30Cr13等，因碳含量較高，故具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但耐蝕性稍差，用于力學(xué)性能要求較高、耐蝕性能要求一般的一些零件上，如彈簧、汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥等。（2）鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼的常用牌號有10C117等，加熱時沒有組織轉(zhuǎn)變，為單相鐵素體組織，故不能用熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用。（3）與氏體不銹鋼與氏體不銹鋼的常用牌號有12Cr18Ni9、06Cr19Ni10N等。第六節(jié)不銹鋼和耐熱鋼第六節(jié)不銹鋼和耐熱鋼二、耐熱鋼與高溫合金1．耐熱鋼與高溫合金的性能要求（1）具有抗氧化性是指在高溫介質(zhì)中能抵抗氧化或腐蝕的能力。（2）具有熱強(qiáng)性是指金屬在高溫下具有較高的強(qiáng)度，不至于產(chǎn)生過量的塑性變形或斷裂。（3）具有高溫抗蠕變性高溫蠕變是指在高溫下使用的材料，當(dāng)溫度T≥(0.3-0.5）Tm

（Tm為熔點，單位為K）時，即使所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，材料隨加載時間的延長也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。（4）其他性能高溫下使用的材料應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性，較小的熱膨脹性，良好的鑄造性、可鍛性、焊按性等。2.耐熱鋼與高溫合金的分類（1）耐熱鋼的分類耐熱鋼的使用溫度可達(dá)到700~850°C。第六節(jié)不銹鋼和耐熱鋼（2）高溫合金的分類高溫合金的使用溫度可達(dá)到600~1200°C，其開發(fā)與應(yīng)用始于現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展。第六節(jié)不銹鋼和耐熱鋼第六節(jié)不銹鋼和耐熱鋼第七章鑄鐵第一節(jié)鑄鐵的基市知識一、鑄鐵的分類1.白口鑄鐵2．灰鑄鐵3.麻口鑄鐵（1）灰鑄鐵碳主要以片狀石墨形式存在的鑄鐵。（2）球墨鑄鐵碳主要以球狀石墨形式存在的鑄鐵。（3）可鍛鑄鐵碳主要以團(tuán)絮狀石墨形式存在的鑄鐵。（4）蠕墨鑄鐵碳主要以蠕蟲狀石墨形式存在的鑄鐵。二、鑄鐵的石墨化及影響因素1石墨化過程第一節(jié)鑄鐵的基市知識2.影響石墨化的因素（1）化學(xué)成分的影響C和Si對鑄鐵的石墨化起決定性作用。（2）冷卻速度的影響緩慢冷卻時碳原子擴(kuò)散充分，易形成穩(wěn)定的石墨，即有利于石墨化。第二節(jié)灰鑄鐵一、灰鑄鐵的組織和性能1.力學(xué)性能第二節(jié)灰鑄鐵2.其他性能（1）良好的鑄造性能灰鑄鐵鑄造成型時，不僅流動性好，而且還因為在凝固過程中析出比體積較大的石墨，減小凝固收縮，容易獲得優(yōu)良的鑄件，表現(xiàn)出良好的鑄造性能。（2）良好的減振性石墨對鑄鐵件承受振動能起緩沖作用，減弱晶粒間振動能的傳遞，并將振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，所以灰鑄鐵具有良好的減振性。（3）良好的耐磨性能石墨本身也是一種良好的潤滑劑，脫落在摩擦面上的石墨可起潤滑作用，因而灰鑄鐵具有良好的耐磨性能。（4）良好的切削加工性能在進(jìn)行切削加工時，石墨起著減摩、斷屑的作用;由于石墨脫落形成顯微四穴，起儲存切削液的作用，可減輕刀具磨損，故灰鑄鐵的可加工性能良好。（5）低的缺口敏感性片狀石墨相當(dāng)于許多微小缺口，從而降低了鑄件對缺口的敏感性，因此表面加工質(zhì)量不高或組織缺陷對鑄鐵疲勞強(qiáng)度的不利影響要比對鋼的影響小得多。第二節(jié)灰鑄鐵二、灰鑄鐵的孕育處理三、灰鑄鐵的熱處理1.去應(yīng)力退火2.石墨化退火3.表面淬火四、灰鑄鐵的牌號、性能及用途第三節(jié)球墨鑄鐵一、球墨鑄鐵的生產(chǎn)特點二、球墨鑄鐵的組織和性能第三節(jié)球墨鑄鐵三、球墨鑄鐵的熱處理1.退火（1）低溫退火適用于鑄鐵原妤組織為“鐵素體＋珠光體＋石墨”的情況。（2）高溫退火適用于鑄鐵原組織中既有珠光體叉有自由滲碳體的情況。2.正火（1）低溫正火將鑄件加熱到820~860°C，保溫1~4h，使基體組織部分奧氏體化，然后出爐空冷，獲得以鐵素體-珠光體為基體組織的球墨鑄鐵，鑄件塑性與韌性較好，但強(qiáng)度較低。（2）高溫正火將鑄件加熱到880~950°C，保溫1~3h，使基體組織全部奧氏體化，然后出爐空冷，獲得以珠光體為基體組織的球墨鑄鐵。3.調(diào)質(zhì)處理4.等溫淬火第三節(jié)球墨鑄鐵四、球墨鑄鐵的牌號及用途第四節(jié)可鍛鑄鐵一、可鍛鑄鐵的生產(chǎn)特點第四節(jié)可鍛鑄鐵第四節(jié)可鍛鑄鐵二、可鍛鑄鐵的組織和性能三、可鍛鑄鐵的牌號及用途第五節(jié)蠕墨鑄鐵—、蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)特點二、蠕墨鑄鐵的組織和性能三、蠕墨鑄鐵的牌號及用途第五節(jié)蠕墨鑄鐵第六節(jié)合金鑄鐵一、抗磨鑄鐵1.減摩鑄鐵2.抗磨白口鑄鐵二、耐熱鑄鐵三、耐蝕鑄鐵第六節(jié)合金鑄鐵第六節(jié)合金鑄鐵第八章非鐵金屬（有色金屬）第一節(jié)鋁及鋁合金一、純鋁二、鋁合金的分類和熱處理1．鋁合金的分類第一節(jié)鋁及鋁合金2.鋁合金的熱處理第一節(jié)鋁及鋁合金三、變形鋁合金1）第一位數(shù)字表示鋁及其合金的組別，用1，2，3，…，9依次表示純鋁以及以銅、錳、硅、鎂、鎂和硅、鋅、其他元素為主要合金元素的鋁合金及備用組。第一節(jié)鋁及鋁合金2）第二位數(shù)字或字母表示原始純鋁或鋁合金的改型情況。3）第三、第四位數(shù)字表示同一組中的不同鋁合金，純鋁則表示鋁的最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)中小數(shù)點后面的兩位數(shù)字。1.防銹鋁2.硬鋁3.超硬鋁4.鍛鋁第一節(jié)鋁及鋁合金第一節(jié)鋁及鋁合金四、鑄造鋁合金1.鑄造鋁合金2.鑄造鋁硅合金第一節(jié)鋁及鋁合金第一節(jié)鋁及鋁合金第二節(jié)銅及銅合金一、純銅二、銅合金的分類三、黃銅1.普通黃銅2.特殊黃銅第二節(jié)銅及銅合金第二節(jié)銅及銅合金四、青銅第三節(jié)鈦及鈦合金一、純鈦第三節(jié)鈦及鈦合金二、鈦合金1.??型鈦合金2.??型鈦合金3.??+??型鈦合金第三節(jié)鈦及鈦合金第四節(jié)滑動軸承合金一、滑動軸承的性能和組織1.滑動軸承的性能2.滑動軸承的組織二、常用滑動軸承合金1.錫基與鉛基軸承合金（1）錫基軸承合金錫基軸承合金是以錫為基體，加入銻、銅等元素組成的合金。（2）鉛基軸承合金鉛基軸承合金是以鉛為基體，加入銻、錫、銅等合金元素組成的合金。第四節(jié)滑動軸承合金第四節(jié)滑動軸承合金第四節(jié)滑動軸承合金2.銅基軸承合金3.鋁基軸承合金第四節(jié)滑動軸承合金第九章其他常用工程材料第一節(jié)非金屬材料一、高分子材料1.塑料的組成2.塑料的分類第一節(jié)非金屬材料3.塑料的性能及應(yīng)用（1）物理性能和化學(xué)性能塑料的密度小，重量輕，一般塑料的密度僅為鋼密度的1/4~1/7，在塑料中加入發(fā)泡劑后，泡沫塑料的密度僅為0.02~0.2g/cm°；具有良好的電絕緣性；塑料的耐熱性能不如金屬，遇熱易老化、分解，所以大多數(shù)塑料只能在100°C以下使用;塑料的導(dǎo)熱性差，熱導(dǎo)率僅為金屬的1/500~1/600；塑料的線脹系數(shù)大，一般為鋼的了~10倍，因此，塑料零件的尺寸不穩(wěn)定。（2）力學(xué)性能塑料的強(qiáng)度、剛度和韌性都較差，其強(qiáng)度僅為30~150MPa，但塑料的比強(qiáng)度較高；塑料的剛度僅為鋼剛度的1/10；塑料具有良好的減摩性和耐磨性，這是因為許多塑料的摩擦因數(shù)低，如聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯等都具有小的摩擦因數(shù)，同時塑料具有自潤滑性，因此，工程上用這類塑料來制造軸承、軸套、討套、絲杠螺母等摩擦和磨損件。第一節(jié)非金屬材料第一節(jié)非金屬材料第一節(jié)非金屬材料二、陶瓷材料1.陶瓷的性能特,點（1）力學(xué)性能陶瓷是各類材料中剛度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上，因此陶瓷作為超硬耐磨材料特別適宜。第一節(jié)非金屬材料（2）熱性能陶瓷材料一般具有高的熔點（大多在2000°C以上），且在高溫下具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性，所以陶瓷可以制作耐火磚、耐火泥、耐火涂料等，剛玉（Al203）還能制成耐高溫的甘場；陶瓷的導(dǎo)熱性低于金屬材料，所以陶瓷還是良好的隔熱材料；陶瓷的線賬系數(shù)比金屬低，因此當(dāng)溫度發(fā)生變化時，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。（3）電性能大多數(shù)陶瓷具有良好的電絕緣性，因此大量用于制作各種電壓(1~110kV）的絕緣器件。鐵電陶瓷（鈦酸鋇BaTi03）具有較高的介電常數(shù)，可用于制作電容器；鐵電陶瓷在外電場的作用下，還能改變形狀，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（具有壓電材料的特性），可制作擴(kuò)音機(jī)、電唱機(jī)、超聲波儀、聲吶、醫(yī)療用聲譜儀等；少數(shù)陶瓷還具有半導(dǎo)體的特性，可制作整流器。（4）化學(xué)性能陶瓷在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的耐蝕能力。2.常用工業(yè)陶瓷及應(yīng)用第一節(jié)非金屬材料第一節(jié)非金屬材料（1）工具陶瓷能用于制作工模具的陶瓷很多，典型的有硬質(zhì)合金、氮化硼、金剛石、氧化鋁等。第一節(jié)非金屬材料第一節(jié)非金屬材料（2）結(jié)構(gòu)陶瓷這類陶瓷主要用于燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動機(jī)的高溫零件。1）氧化鋁陶瓷：主要組成物為Al203（剛玉），一般剛玉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于45%。2）氛化硅陶汽：主要組成物是Si3N4。3）碳化硅陶瓷：主要組成物是SiC。第二節(jié)復(fù)合材料一、復(fù)合材料的分類二、復(fù)合材料的性能特點第二節(jié)復(fù)合材料三、常用復(fù)合材料1.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（1）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料此材料是指以樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料。（2）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維是將各種纖維在隔絕的空氣中經(jīng)