機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第2章 金屬材料及其應用

機械制造技術(shù)基礎(chǔ)目錄（字號28號）第2章金屬材料及其應用（字號28號）2.1金屬材料的分類（字號24-28號）2.2結(jié)構(gòu)鋼2.3普通鑄鐵第2章金屬材料及其應用閱讀導入材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。青銅器是我國歷史文化的重要組成部分，可以見證我國古代青銅鑄造業(yè)的宏大規(guī)模。極具代表性

司母戊鼎

高133厘米

口長112厘米

口寬79.2厘米

重達832.84公斤

已發(fā)現(xiàn)的中國古代最重的單體青銅禮器第2章

金屬材料及其應用（字號28號）學習目標（字號20-24號）1、通過識記金屬材料及其分類，能夠說明鑄鐵和鋼的性能，應用場合。

2、在鑄鐵和鋼材料中，能夠根據(jù)零件的使用功能及條件，合理選用材料。第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類工程材料四大類金屬材料

陶瓷材料

高分子材料

復合材料金屬材料：指金屬元素或以金屬元素為主要構(gòu)成的具有金屬特性的材料第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類金屬材料分為：1、黑色金屬：鐵及以鐵為基的合金，分為鋼和鑄鐵，F(xiàn)e-C基合金wC<2.1l％為鋼，2.1l%<wC<4%為鑄鐵2、有色金屬：除黑色金屬以外的其他金屬及其合金以主要元素命名，如鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬及其合金具有許多優(yōu)良的特性，在工業(yè)領(lǐng)域尤其是高科技領(lǐng)域占有重要地位第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類2.1.1鋼材的分類1、按化學成份分類

鋼材按化學成份，可分為碳素鋼和合金鋼。

碳素鋼又分為低碳鋼(wC<0.25%)

中碳鋼(0.25%<wC<0.6%)

高碳鋼(0.6%<wC)

合金鋼根據(jù)合金元素總量，分為

低合金鋼(總量小于5%)

中合金鋼

(總含量為5%~10%)

高合金鋼

(總量大于10％)第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類2.1.1鋼材的分類2、按供應態(tài)的顯微組織分類

一般鋼的供應狀態(tài)有退火態(tài)和正火態(tài)兩種。

按正火態(tài)組織，鋼分為珠光體類鋼、貝氏體類鋼、馬氏體類鋼及奧氏體類鋼，也可有過渡型混合組織

按退火態(tài)(即平衡態(tài))組織，鋼分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼3、按冶金質(zhì)量分類

根據(jù)有害雜質(zhì)硫磷含量，鋼分為有

普通質(zhì)量鋼

(wP≤0.045%，wS≤0.05%)

優(yōu)質(zhì)鋼(wP≤0.035%，wS≤0.035%)

高級優(yōu)質(zhì)鋼

(wP≤0.025%，wS≤0.025%)第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類2.1.1鋼材的分類4、按用途分類

根據(jù)用途，鋼分為結(jié)構(gòu)鋼

特殊性能鋼

工具鋼

結(jié)構(gòu)鋼用于制造工程結(jié)構(gòu)和機器零件。

工程構(gòu)件用普通質(zhì)量碳素鋼(普碳鋼)或普通低合金高強度鋼(普低鋼)制造。

機器零件用鋼按其工藝過程和用途，可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼和軸承鋼等。

特殊性能鋼具有特殊的物理化學性能，包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和耐寒鋼等。

工具鋼用于制造加工和測量工具，按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類2.1.2鑄鐵的分類

鑄鐵中的主要元素有Fe、C、Si及Mn，而S、P等雜質(zhì)含量也比普通碳鋼要高。

工業(yè)常用鑄鐵的成份大致是：含C:2.5%~4.0%、含Si:1.0%~3.0%，含Mn:0.5%~1.4%

含P:0.01%~0.5%、含S:0.02%~0.20%

還可加入合金元素，改善和提高鑄鐵的力學及物理化學性能。鑄鐵是人類最早使用的金屬材料之一，成本低廉，生產(chǎn)工藝簡單，具有優(yōu)良的鑄造性能和切削加工性能，還有很高的耐磨減摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，目前仍然是機械制造業(yè)中重要材料之一。在農(nóng)用機械、汽車、拖拉機、機床等行業(yè)中，鑄鐵件約占機器總重量的40%~90%。第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類2.1.2鑄鐵的分類

根據(jù)碳的存在形態(tài)，鑄鐵可分為白口鑄鐵

麻口鑄鐵

灰口鑄鐵

白口鑄鐵斷口呈銀白色，性能硬而脆，很難切削加工，很少用于制造機械零件。

麻口鑄鐵斷口呈黑白相間的麻點，也具有較大的硬脆性，應用很少。

灰口鑄鐵具有良好的加工性、減摩性、減震性等，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。第2章金屬材料及其應用2.1金屬材料的分類2.1.2鑄鐵的分類

根據(jù)石墨的形態(tài)，灰口鑄鐵又可分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和可鍛鑄鐵四類。

灰鑄鐵中石墨呈片狀，力學性能不高，但生產(chǎn)工藝簡單、成本低，應用廣泛。

球墨鑄鐵中石墨呈球狀，力學性能高于灰鑄鐵。

蠕墨鑄鐵中石墨呈蠕蟲狀，力學性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。

可鍛鑄鐵中石墨呈團絮狀，力學性能接近球墨鑄鐵。

另外，凡具有耐熱、耐蝕、耐磨等性能的鑄鐵又稱為特殊性能鑄鐵。第2章金屬材料及其應用2.2結(jié)構(gòu)鋼2.2.1工程構(gòu)件用鋼1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

(普碳鋼)

普碳鋼產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的70%~80%，大部分用于工程構(gòu)件

根據(jù)國家標準GB/T700-2006，普碳鋼分為Q195、Q215、Q235及Q275共四個鋼級

質(zhì)量等級分為A、B

C、D級

脫氧方法符號：F（沸騰鋼）Z（鎮(zhèn)靜鋼）TZ（特殊鎮(zhèn)靜鋼）第2章金屬材料及其應用2.2.1工程構(gòu)件用鋼1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

(普碳鋼)

第2章金屬材料及其應用2.2.1工程構(gòu)件用鋼2、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼(普低鋼)

普低鋼又稱低合金高強度鋼，低碳低合金元素鋼種，適應大型工程結(jié)構(gòu)，如大型橋梁，壓力容器及船舶等，可減輕結(jié)構(gòu)重量，提高可靠性并節(jié)約材料。

在GB/T1591-2018中，普低鋼分為Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690共八個鋼級

交貨狀態(tài)代號：熱軋（無代號）、正火（N）、熱機械軋制（M）

質(zhì)量等級分為B、C、D、E、F級。第2章金屬材料及其應用2.2.1工程構(gòu)件用鋼2、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼(普低鋼)

第2章金屬材料及其應用2.2結(jié)構(gòu)鋼2.2.1工程構(gòu)件用鋼2.2.2機器零件用鋼1、滲碳鋼

滲碳鋼是指由其制造的零件在滲碳處理后而使用的結(jié)構(gòu)鋼。滲碳鋼零件要有較高的強度和可靠性，還常受到較大的表面磨擦和沖擊作用，

其性能要求為：1)有一定的強度和塑性，以抵抗拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形；2)表面有較高的硬度和耐磨性，以抵抗磨損及表面接觸疲勞；3)有較高的韌性，以承受沖擊作用；4)受循環(huán)載荷作用時，有好的抗疲勞性能。

第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼1、滲碳鋼某載重汽車變速箱中間軸的三檔齒輪，材料：20CrMnTi工藝路線：下料→鍛造→正火→切削加工齒形→滲碳(930℃)→

預冷淬火(880℃)→低溫回火(200℃)→磨削精加工→裝配第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼1、滲碳鋼第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼2、調(diào)質(zhì)鋼

指由其制造的零件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)而使用的結(jié)構(gòu)鋼

其性能要求：1)高的屈服強度及疲勞極限；2)良好的韌性塑性；3)局部表面有一定耐磨性；4)較好的淬透性。調(diào)質(zhì)處理后組織為回火索氏體，既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合機械性能。

許多機器設(shè)備的重要零件使用調(diào)質(zhì)鋼制造，如機床主軸、汽車拖拉機后橋半軸、曲軸、連桿、高強螺拴等。第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼2、調(diào)質(zhì)鋼第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼2、調(diào)質(zhì)鋼車床主軸工作時，受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應力，偶爾有沖擊作用，花鍵等部分常有磕碰或相對滑動，故屬于多階梯中小尺寸中速中載有滾動軸承的工作軸，材料：45鋼或40Cr鋼其工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→銑鍵槽→局部感應淬火→磨削精加工→裝配。第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼3、彈簧鋼

制造彈簧或類似彈簧性能零件的鋼

主要用于間斷吸收沖擊能量，緩和機械振動及沖擊作用和周期性貯存能量，如汽車疊板彈簧、儀表彈簧、汽閥彈簧等。

主要失效形式為疲勞斷裂或因塑性變形而失去彈性

性能要求為：1)高的屈服強度，疲勞強度和高的屈強比；2)一定的塑性和韌性；3)保證組織性能均勻，淬透性好；4)在高溫或腐蝕介質(zhì)下工作時，應有好的環(huán)境穩(wěn)定性。

加工方法分為熱成型(成形后強化)和冷成型(強化后成形)第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼3、彈簧鋼

第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼3、彈簧鋼(1)熱成型彈簧

一般用于大中型或形狀復雜的彈簧，熱成型后再淬火和中溫回火。

汽車板簧可采用：60Si2MnA

主要工藝路線為：扁鋼剪斷→加熱→壓彎成型→淬火→中溫回火→噴丸第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼3、彈簧鋼(2)冷成型彈簧

對小型彈簧一般在熱處理強化后冷拔或冷卷成形主要工藝路線：繞制成型→去應力退火→噴丸→發(fā)藍第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼4、滾動軸承鋼

主要用于制造滾動軸承內(nèi)圈、外圈及滾動體

高速運轉(zhuǎn)的滾動軸承，實際受載面積很小，有很高的集中交變載荷作用；接觸部位有滾動摩擦和滑動摩擦，

性能要求：1)高而均勻的表面硬度至61~65HRC，以提高耐磨性；2)良好的組織和尺寸穩(wěn)定性，尤其對精密軸承；3)高的彈性極限和接觸疲勞強度；4)韌性和淬透性；5)一定的耐蝕性。

第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼4、滾動軸承鋼

第2章金屬材料及其應用2.2.2機器零件用鋼4、滾動軸承鋼GCrl5鋼的工藝路線為：鍛造→正火+球化退火→粗加工→淬火+冷處理→低溫回火→磨削→去應力回火。

鍛造組織為索氏體+少量粒狀二次滲碳體，硬度為255~340HB。

正火可細化組織并消除鍛造缺陷；

球化退火降低硬度至210HB以下，便于切削加工，也為最終熱處理做組織準備(球狀珠光體)。

GCrl5淬火溫度嚴格控制為840℃±l0℃，油淬后，立即于-60℃~-80℃低溫冷處理；再150℃~160℃低溫回火，時間為2h~3h，得到回火馬氏體和細小彌散碳化物，可消除內(nèi)應力，提高韌性，穩(wěn)定組織和尺寸。

磨削后進行120℃~150℃、2h~3h的時效，進一步穩(wěn)定尺寸并消除磨削應力。

第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.1灰鑄鐵灰鑄鐵的成分大致為：wC=2.5~4.0%，wSi=1.0~3.0%，

wMn=0.25~1.0%，wS=0.02~0.20%，wP=0.05~0.50%。

牌號中“HT”表示“灰鐵”第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.1灰鑄鐵特點：1)機械性能低。

灰鑄鐵的抗拉強度低，是因組織中的低性能石墨，相當于布滿于材料內(nèi)的孔洞或裂紋，在受載時對基體有很強的分割和應力集中效應，大大降低了強度和塑性。2)優(yōu)良的耐磨性和消震性。

鑄鐵中的石墨因其層狀結(jié)構(gòu)而有潤滑作用，而石墨磨損后留下的空隙有利于貯油，從而使灰鐵的耐磨性好；同樣石墨的存在使灰鐵的有較好的消震性。3)工藝性能好。

灰鑄鐵的成分接近于相圖中的共晶成分點，熔點較低，使材料在鑄造時流動性好，分散縮孔少，能制造復雜形狀的零件；而石墨的潤滑效應有利于材料的切削加工。第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.1灰鑄鐵主要制造：機床床身殼體箱體支架第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.2可鍛鑄鐵由白口鐵經(jīng)過可鍛化(石墨化)退火而獲得的具有團絮狀石墨的鑄鐵成分范圍為：wC=2.4%~2.7%，wSi=1.4%~1.8%，wMn=0.5%~0.7%wP<0.008%，wS<0.025%為縮短石墨化退火周期加入B、Al、Bi等孕育劑第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.2可鍛鑄鐵組織特點為：石墨化工藝不同，可鍛鑄鐵的組織狀態(tài)就不同。性能特點為：可鍛鑄鐵的機械性能比灰鑄鐵高，強度、塑性和韌性都有明顯提高，是由于團絮狀石墨對基體的割裂作用較片狀石墨大大減輕。鐵素體可鍛鑄鐵（KTH）：具有較高的塑性和韌性，且鑄造性能好，常用于制造形狀復雜的薄截面零件，其工作時易受沖擊和振動，如汽車、拖拉機的后橋殼、輪殼、轉(zhuǎn)向機構(gòu)及管接頭等珠光體可鍛鑄鐵（KTZ）：強度和耐磨性較好，可用于制造曲軸、連桿、凸輪、活塞等強度和耐磨性要求較高的零件白心可鍛鑄鐵（KTB）：在機械制造中很少使用第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.2可鍛鑄鐵第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.3球墨鑄鐵石墨呈球狀的鑄鐵，簡稱球鐵比普通灰鑄鐵具有高得多的強度、塑性和韌性，同時較好地保留了普通灰鑄鐵具有耐磨、消震、減磨、易切削、好的鑄造性能和對缺口不敏感等特性比可鍛鑄鐵的力學性能高，且產(chǎn)生工藝簡單，周期短，不受鑄件尺寸限制。此外，球鐵可進行各種熱處理改變金屬基體的組織，能使力學性能大大提高，所以球鐵是最重要的鑄造金屬材料。球鐵通過液體鐵水經(jīng)球化處理及孕育處理后結(jié)晶而獲得。常用球化劑有鎂、稀土或稀土鎂；孕育劑常用的是硅鐵和硅鈣。第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.3球墨鑄鐵化學成分為：wC=3.8%~4.0%，wSi=2.0%~2.8%，wMn=0.6%~0.8%wMg=0.03%~0.08%，wP<0.1%，wS<0.04%

“QT”代表球鐵二字的漢語拼音字頭，后面的數(shù)字代表最低抗拉強度值和伸長率值

QT800-2曲軸第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.3球墨鑄鐵第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.4蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是近幾十年來迅速發(fā)展起來的新型鑄鐵材料，是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑，凝固結(jié)晶后鑄鐵中的石墨形態(tài)介于片狀與球狀之間，形似蠕蟲狀。蠕墨鑄鐵的化學成分與球鐵相似，要求高碳、高硅、低磷并含有一定量的鎂和稀土一般成分是：wC=3.5%~3.9%wSi=2.1%~2.8%wMn=0.4%~0.8%wP<0.1%，wS<0.1%第2章金屬材料及其應用2.3灰口鑄鐵2.3.3球墨鑄鐵性能特點為：蠕鐵的力學性能介于基體組織相同的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵和球鐵之間。當成分一定時，蠕墨鑄鐵的強度、韌性、疲勞極限和耐磨性等都優(yōu)于灰鑄鐵，對斷面的敏感性也較??；但蠕蟲狀石墨是互相連接的，使塑性和韌性比球鐵低，強度接近球鐵。此外，蠕鐵還有優(yōu)良的抗熱疲勞性能、鑄造性能、減震能力以及導熱性能接近于灰鑄鐵，但優(yōu)于球鐵。蠕墨鑄鐵廣泛用來制造柴油機缸蓋、氣缸套、機座、電機殼、機床床身、鋼錠模、液壓閥等零件。第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.1基本原則1.使用性原則

選用的材料能保證零件在使用條件下工作，并有預期的壽命2．工藝性原則

選用的材料能保證順利地加工成合格的零件3.經(jīng)濟性原則

材料有良好的經(jīng)濟性，能帶來較好的經(jīng)濟效益第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.2材料的合理使用1.鑄鐵與鋼

鑄鐵具有許多優(yōu)良性能，但力學性能不如鋼。

鑄鐵的耐磨性優(yōu)于鋼，氣缸體、活塞環(huán)、箱體、泵體、機床床身及導軌可采用HT150、HT200鑄鐵制造。

一般低碳鋼零件，壁厚在5mm以上都可用鐵素體球墨鑄鐵代替

如車輪輪輻、離合器蓋體、支架等第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.2材料的合理使用2.碳素鋼、低合金鋼和合金鋼碳素鋼一般能滿足使用性能要求，且價格便宜，所以應用最廣泛。低合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等，與一般質(zhì)量碳素鋼相比，可大大減輕結(jié)構(gòu)重量，保證使用可靠。對于制造重要工程結(jié)構(gòu)和機器零件應選用合金鋼。第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.2材料的合理使用2.碳素鋼、低合金鋼和合金鋼滲碳鋼主要用于制造汽車拖拉機、內(nèi)燃機車中的變速齒輪等機器零件。調(diào)質(zhì)鋼由于能承受多種和較復雜的工作載荷，具有高的綜合力學性能大多用于制造汽車、機床和其他機器上的各種重要零件如主軸、齒輪、連桿等。第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.2材料的合理使用2.碳素鋼、低合金鋼和合金鋼下列情況，可不用合金鋼而采用碳素鋼1)小截面零件，因易淬透無需用合金鋼2)在退火或正火狀態(tài)使用的中碳合金鋼，因合金元素未發(fā)揮作用，故只要用碳素鋼也可滿足使用要求3)對承受純彎曲或純扭轉(zhuǎn)的零件，表面應力最大，心部應力最小。這樣的零件不要求整個截面淬透,僅要求表層淬硬獲得細針狀馬氏體，故選用非合金鋼也可滿足使用要求第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.2材料的合理使用3.非金屬材料工程塑料和復合材料在機械、電氣、化工、儀表航空工業(yè)方面逐漸取代部分金屬材料復合材料，由于其具有比強度大、自潤滑性好、化學穩(wěn)定性高等優(yōu)良的綜合性能，正在用來制造高強度的機械零件第2章金屬材料及其應用2.4金屬材料的選用2.4.3典型零件的選材1.齒輪類零件的選材齒輪

用于傳遞功率、調(diào)節(jié)速度