金屬工藝學(xué)培訓(xùn)課件(共74頁).ppt

1、第二章常用工程材料【本章要點】常用工程材料的牌號、成分、性能、用途及熱處理,重點是要抓住其各自的特點,加深理解,記住牌號,學(xué)會選用。一、鋼鐵材料分類鋼鐵材料第一節(jié)工程材料的分類二、非鐵金屬及其合金分類非鐵金屬及其合金三、非金屬材料分類非金屬材料第二節(jié)鋼一、鐵碳合金碳的質(zhì)量分數(shù)wC在0.0218%2.11%范圍內(nèi)的鐵碳合金稱為鋼,在2.11%6.69%范圍內(nèi)的鐵碳合金稱為鑄鐵。1.鐵碳合金的根本組織鋼鐵材料的性能與其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖2-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)a)晶格、晶粒、晶界b)面心立方晶格、晶胞c)體心立方晶格、晶胞Fe3C3Fe+G(石墨)Fe3C的這一分解,在鑄鐵中具有重要的實際意義。(4

2、)珠光體當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)為0.77%的奧氏體冷卻到稍低于727時,在固態(tài)下就會同時析出鐵素體與滲碳體。圖2-2FeFe3C合金狀態(tài)圖2.鐵碳合金狀態(tài)圖狀態(tài)圖是研究鐵碳合金成分、溫度、組織三者之間關(guān)系的圖形,它是研究鋼和鑄鐵組織和性能的根底,是選擇鋼鐵材料的依據(jù),對制訂鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝有著重要的指導(dǎo)意義。表2-1FeFe3C合金狀態(tài)圖的特性點及含義表2-2FeFe3C合金狀態(tài)圖的特性線3.鐵碳合金的分類根據(jù)鐵碳合金狀態(tài)圖可知,不同成分的鐵碳合金,具有不同的組織,從而具有不同的性能。1)共析鋼。wC=0.77%,室溫組織全部是珠光體。2)亞共析鋼。wC0.77%,室溫組織由珠光體與滲碳

3、體組成。(3)白口鑄鐵wC為2.11%6.69%的鐵碳合金。1)共晶白口鑄鐵。wC=4.3%,室溫組織全部是低溫萊氏體。2)亞共晶白口鑄鐵。wC4.3%,室溫組織由板條狀滲碳體與低溫萊氏體組成。二、工業(yè)用鋼1.非合金鋼(碳素鋼)碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11%的鐵碳合金,稱為非合金鋼。2.低合金鋼為提高結(jié)構(gòu)鋼的承載能力,在鐵碳合金中參加少量合金元素而形成的低合金高強度鋼,稱為低合金鋼。3.合金鋼為了滿足某種性能要求,煉鋼時特意參加一定數(shù)量的合金元素如Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等,這種鋼稱為合金鋼。4.分類對種類品種繁多的鋼進行科學(xué)地分類,不僅關(guān)系到鋼產(chǎn)品生產(chǎn)、使用、外貿(mào)、科研、統(tǒng)計等

4、工作,對我們現(xiàn)在學(xué)習(xí)和將來合理選用鋼材也具有重要的意義。三、工業(yè)用鋼的編號方法為便于對鋼鐵及合金產(chǎn)品有關(guān)生產(chǎn)、使用、統(tǒng)計、管理、信息交流等,國家對鋼鐵及合金編號作了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1.非合金鋼非合金鋼(碳素鋼)的編號方法見表2-3。表2-3非合金鋼(碳素鋼)的編號方法(GB/T6991999)表2-3非合金鋼(碳素鋼)的編號方法(GB/T6991999)2.低合金鋼用屈服點“屈的漢語拼音字母的字頭Q、屈服點的數(shù)值及質(zhì)量等級(A、B、C、D、E)三個局部按順序排列,如Q295(A、B)、Q345(A、B、C、D、E)、Q390(A、B、C、D、E)、Q420(A、B、C、D、E)、Q460(C、D、E

5、)。3.合金鋼合金鋼的編號方法見表2-4,具體牌號、成分、性能和用途可參閱國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。表2-4合金鋼的編號方法(GB/T30771999)表2-4合金鋼的編號方法(GB/T30771999)四、非合金鋼的牌號、成分、性能、用途1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和性能見表2-5。表2-5碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分和性能(GB/T133041991引用GB7001988)2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和性能見表2-6。表2-6優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分和性能(GB/T6991999)表2-6優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分和性能(GB/T6991999)3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的用途15

6、、20、25鋼屬于滲碳鋼。此類鋼強度、硬度較低,但塑性和韌性較高,焊接性及冷沖壓性好,可以制造各種受力不大,要求高韌性的零件及冷沖壓件和焊接件。例如,經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火處理,外表硬度可以有很大程度地提高,耐磨性好,并且心部仍具有一定的強度和韌性,可用來制作一些要求外表耐磨并能承受沖擊載荷的零件。械零件,如軸、連桿、螺栓等結(jié)構(gòu)零件。其中最有代表性的是45鋼。60、65、70屬于彈簧鋼,經(jīng)淬火加中溫回火可獲得高的非比例伸長應(yīng)力p0.01,俗稱彈性極限,主要用于制造彈簧、彈簧夾頭等彈性零件。4.碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、性能和用途見表2-7。30、35、40、45、50、55鋼屬于調(diào)

7、質(zhì)鋼,經(jīng)淬火加高溫回火,具有良好的綜合力學(xué)性能。主要用于要求強度、塑性和韌性較高的機表2-7碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、性能和用途(GB12981986)表2-7碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、性能和用途(GB12981986)五、鋼中常存雜質(zhì)元素及合金元素對鋼性能的影響鋼中由原料、燃料和脫氧劑帶入的難以除盡的元素稱為雜質(zhì)。1.雜質(zhì)元素對鋼性能的影響鋼中常存的雜質(zhì)元素有硅、錳、硫、磷等。Mn+SMnS形成的MnS熔點為1600使鋼在高溫下具有良好的壓力加工性能。S+FeFeS而FeS的熔點為1190,又可以和Fe形成低熔點的共晶體(985)分布在鋼的晶界上。2.合金元素對鋼性能的影響簡介(1)合金

8、元素與鐵的作用一局部元素如Mn、Ni、Co、N、B等可以溶入鐵素體形成合金鐵素體而使鋼的性能得到強化。六、各類牌號合金鋼的用途簡介1.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼按用途不同可分工程結(jié)構(gòu)用鋼和機械制造用鋼兩大類。Q345(16Mn)可減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、并且經(jīng)久耐用、可靠。在同樣的承載條件下,Q345至少可使結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量減輕20%,是應(yīng)用最廣泛的一種低合金結(jié)構(gòu)鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼還有Q295、Q390、Q420、Q460等。(2)合金滲碳鋼合金滲碳鋼適于制造在高速、重載、強烈沖擊及劇烈磨損條件下工作的機械零件。1)55Si2Mn用于直徑為2025mm的彈簧,工作溫度低于230。2)60Si2MnA用于直徑為2

9、530mm的彈簧,工作溫度低于230。3)50CrVA用于直徑為3050mm的彈簧,工作溫度低于210。4)55SiMnMoV用于直徑小于75mm的彈簧,重型汽車、越野汽車大截面板簧。5)60Si2CrVA用于直徑小于50mm的彈簧,工作溫度低于250。(6)滾動軸承鋼滾動軸承鋼具有高且均勻的硬度、耐磨性、耐壓強度以及疲勞極限,碳的質(zhì)量分數(shù)較高在0.95%1.15%之間,同時對P、S及非金屬夾雜物含量、纖維組織中碳化物的分布狀況要求嚴(yán)格控制。1)GCr9用于制造直徑小于?20mm的滾球、滾柱及滾針。2)GCr15用于壁厚小于20mm、外徑小于?250mm的套圈;直徑為?25?50mm的鋼球;直

10、徑小于?22mm的滾子。3)GCr15SiMn用于壁厚大于12mm、外徑大于?250mm的套圈;直徑大于?50mm的鋼球;直徑大于?22mm的滾子。4)GSiMnMoV(RE)代替GCr15SiMn鋼制造汽車、拖拉機、軋鋼機上的大型軸承。2.合金工具鋼(1)合金刃具鋼合金刃具鋼由一般刃具鋼和高速鋼組成。1)低合金刃具鋼。在工作中承受很大的切削力、摩擦熱、切削熱的作用,要求具備高硬度(60HRC)、高耐磨性、高熱硬性,此外還必須具有足夠的強度與韌性,以防脆斷或崩刃。9Mn2V用于制造冷加工模具、各種變形量小的量規(guī)、樣板、絲錐、板牙、鉸刀、磨床主軸、車床絲杠等。9SiMn常用于制造板牙、絲錐、鉸刀

11、、搓絲板、冷沖模、冷軋輥等。CrWMn用于制造淬火后變形小的長鉸刀、絲錐、拉力、絲杠、冷沖模具等。2)高速鋼。高速鋼特點是高碳高合金,碳的質(zhì)量分數(shù)在0.7%1.5%之間,合金元素總量10%,一般包括W、Cr、V等能夠形成碳化物的合金元素。具有高硬度、高耐磨性和高強度,熱硬性較高。高速鋼有鎢系、鎢鉬系、超硬系。鎢系。1)冷作模具鋼。冷作模具鋼主要用于制作各種使金屬成型的模具,包括冷沖模、冷擠壓模、拉絲模、冷鐓模等。對于尺寸大或耐磨性要求很高、要求淬火變形小的模具,須采用高碳高鉻合金模具鋼,如Cr12、Cr12MoV鋼。2)熱作模具鋼熱作模具包括熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模三類,均為高溫成型模具。熱作

12、模具鋼的化學(xué)成分與合金調(diào)質(zhì)鋼相似,一般碳的質(zhì)量分數(shù)0.5%,個別可達0.6%0.7%,并含有Cr、Mn、Ni、Si等合金元素,屬于亞共析鋼。常用的熱作模具鋼有:中型和小型鍛模用鋼,如5CrMnMo和5SiMnMoV。(1)不銹鋼不銹鋼是指在大氣或其他介質(zhì)中不易銹蝕的鋼,有鐵素體型不銹鋼(1Cr17、1Cr17Mo、1Cr25Ti)、奧氏體型不銹鋼(鉻的質(zhì)量分數(shù)18%,鎳的質(zhì)量分數(shù)8%,簡稱188型)、馬氏體型不銹鋼(Cr13型)和奧氏體-鐵素體型不銹鋼等。3.特殊性能鋼ZGMn13是常用的耐磨鋼,其碳的質(zhì)量分數(shù)為1.0%1.3%,錳的質(zhì)量分數(shù)為11%14%。高含錳量使鋼件熱處理后可獲得單相奧氏

13、體組織,此時的塑性和韌性很高,硬度不高(170220HBW),但當(dāng)鋼件受到強烈沖擊、強大壓力與劇烈摩擦作用時,其外表因塑性變形產(chǎn)生顯著的加工硬化,硬度提高至50HRC以上,從而獲得高耐磨性。由于此鋼極易加工硬化,這使得切削加工困難,因此多采用鑄造方法成型。七、鋼材1.鋼材的分類按加工方法分類2.鋼材的具體類別、品種、用途鋼材的類別、品種和用途見表2-8。表2-8鋼材的類別、品種和用途表2-8鋼材的類別、品種和用途第三節(jié)鑄鐵鑄鐵是碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11%(通常wC為2.8%3.5%)的鐵碳合金。一、鑄鐵的分類1.按碳存在的形式分類(1)白口鑄鐵碳全部以Fe3C形式存在,只有微量碳溶于鐵素體中,

14、因斷口呈銀白色而得此名。2.按石墨的形態(tài)分類鑄鐵中石墨的形成過程稱為石墨化。二、灰鑄鐵灰鑄鐵通常是指具有片狀石墨的鑄鐵,它在機械制造業(yè)中占有重要地位,其產(chǎn)量占有各類鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。1.灰鑄鐵的組織灰鑄鐵的顯微組織是由金屬基體與片狀石墨所組成,如圖2-3所示,相當(dāng)于在鋼的基體上嵌入了大量的石墨片。2.灰鑄鐵的性能(1)力學(xué)性能由于灰鑄鐵是以鋼為基體,其間分布的石墨就相當(dāng)于鋼基體上的孔洞和裂紋,粗大的片狀石墨嚴(yán)重地割裂了基體,破壞了基體的連續(xù)性,并且石墨片的尖角處會導(dǎo)致應(yīng)力集中,所以灰鑄鐵的抗拉強度、疲勞強度較低,通常b約為120250MPa,塑性和韌性接近于零。3.灰鑄鐵的熱處理片狀石墨

15、對灰鑄鐵基體的破壞程度是影響灰鑄鐵力學(xué)性能的決定因素,而熱處理不能改變石墨的形態(tài)及其分布情況。(1)灰鑄鐵的牌號灰鑄鐵的牌號以“灰鐵的漢語拼音字首“HT后加三位數(shù)字來表示。1)鐵素體基體灰鑄鐵牌號為HT100,適用于制造載荷很小的不重要件或薄件,例如防護罩、支架、重錘、小手柄等。2)鐵素體-珠光體基體灰鑄鐵牌號為HT150,用于承受中等載荷的零件,如機座、箱體、床身、閥體、法蘭、泵體等。4.灰鑄鐵的牌號及用途飛輪、活塞、齒輪箱、中等壓力閥體、聯(lián)軸器等。4)孕育鑄鐵牌號為HT300、HT350,用于承受高載荷、耐磨和高氣密性等重要零件,如重型機床的床身、機座、活塞環(huán)、機架等。(3)灰鑄鐵牌號的選

16、擇在實際生產(chǎn)中選擇灰鑄鐵牌號時要考慮鑄件的壁厚,因為灰鑄鐵的性能與其壁厚有關(guān)。3)珠光體基體灰鑄鐵牌號為HT200、HT250,用于承受較大載荷和要求一定的氣密性或耐蝕性等較重要零件,如氣缸、機床床身、表2-9灰鑄鐵的類別、牌號、性能及用途表2-9灰鑄鐵的類別、牌號、性能及用途三、球墨鑄鐵球墨鑄鐵是澆注前向鐵液中參加球化劑(如金屬鎂、稀土鎂合金)進行球化處理而獲得呈球狀形態(tài)石墨的一種鑄鐵。1.球墨鑄鐵的組織球墨鑄鐵件的顯微組織是在鋼的根底上分布著球狀形態(tài)的石墨,如圖2-4所示。2.球墨鑄鐵的性能(1)力學(xué)性能由于球墨鑄鐵中的石墨呈球形,其外表積遠小于片狀石墨,大大地減少了石墨對基體的破壞作用和

17、引起應(yīng)力集中的傾向,所以球墨鑄鐵的力學(xué)性能遠遠地超過灰鑄鐵,可與鋼媲美。3.球墨鑄鐵的熱處理由于球狀石墨對基體的割裂傾向很小,球墨鑄鐵基體的利用率可到達80%90%,所以球墨鑄鐵可利用熱處理工藝來改善基體的組織,從而提高鑄件的力學(xué)性能。4.球墨鑄鐵的牌號球墨鑄鐵的牌號是以“球鐵兩字的漢語拼音字首“QT后加兩組數(shù)字來表示。四、可鍛鑄鐵白口鑄鐵件經(jīng)過高溫下長時間的石墨化退火或氧化脫碳處理后,獲得團絮狀形態(tài)石墨的鑄鐵稱為可鍛鑄鐵。1.可鍛鑄鐵的組織室溫下可鍛鑄鐵件的顯微組織是在鋼的基體上分布著團絮狀形態(tài)的石墨,如圖2-5所示。2.可鍛鑄鐵的性能由于可鍛鑄鐵中的石墨呈團絮狀,大大地減輕了對基體的割裂作

18、用,且化學(xué)成分呈低碳低硅的特點,所以可鍛鑄鐵件具有較高的強度(b一般在300400MPa,最高可達700MPa)和韌性(aK30J/cm2)、塑性。3.可鍛鑄鐵的牌號及用途(1)可鍛鑄鐵的牌號可鑄鑄鐵分為黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵,黑心可鍛鑄鐵的牌號以“可鐵黑三字的漢語拼音字首“KTH與兩組數(shù)字來表示,兩組數(shù)字分別表示試樣的抗拉強度和斷后伸長率的最小值,例如,KTH35010表示b350MPa,10%的黑心可鍛鑄鐵;珠光體可鍛鑄鐵的牌號以“可鐵珠三字的漢語拼音字首“KTZ來表示,例如,KTZ55004表示b550MPa,4%的黑心可鍛鑄鐵。五、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是澆注前向鐵液中參加蠕化劑(如稀

19、土鎂鈦、稀土鎂鈣、鎂鈦合金),再加孕育劑進行蠕化處理而獲得呈蠕蟲狀形態(tài)石墨的一種鑄鐵。1.蠕墨鑄鐵的性能蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能介于基體相同的灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間,其抗拉強度比灰鑄鐵高,有一定的塑性和韌性,但其強度和韌性不如球墨鑄鐵,原因是其石墨呈短片狀,片端鈍而圓。2.蠕墨鑄鐵的用途及牌號因蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱性、耐熱性好及力學(xué)性能較高,故常用制造承受熱疲勞的零件,這是灰鑄鐵和球墨鑄鐵所不及的,如大型柴油機氣缸蓋等,用蠕墨鑄鐵代替孕育鑄鐵可提高強度又可節(jié)約材料。第四節(jié)非鐵金屬及其合金鋼鐵材料通常稱為黑色金屬,非鐵金屬材料那么稱為有色金屬。一、鋁及其合金1.純鋁純鋁是一種質(zhì)輕的銀色金屬材料,其熔點為66

20、0,密度為2.7g/cm3,具有優(yōu)良的物理性能、化學(xué)性能,尤其是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性僅次于銀、銅和金。2.鋁合金鋁參加硅、銅、鎂、錳等元素形成鋁合金,一般具有類似的共晶狀態(tài)圖,如圖2-7所示。圖2-7鋁合金相圖3.鋁合金的熱處理(1)固溶處理用形成固溶體的方法來提高金屬的強度,稱固溶強化。4.常用變形鋁合金防銹鋁防銹鋁是Al-Mn、Al-Mg系合金。5.鑄造鋁合金鑄造鋁合金主要是用來制作鑄件的鋁合金,具有良好的鑄造性能,并存有適量的共晶組織。二、銅及其合金1.純銅純銅外表形成氧化膜后呈紫色,故又稱為紫銅。2.加工黃銅以鋅為主要添加元素的銅合金稱為黃銅,適于形變加工的黃銅稱為加工黃銅,僅含鋅元素的加工

21、黃銅,稱為普通加工黃銅。3.加工青銅青銅是指黃銅、白銅(銅鎳合金)以外的其他銅合金。4.鑄造銅合金適于鑄造成形的銅合金稱為鑄造銅合金。三、鑄造軸承合金鑄造軸承合金是指用于制造滑動軸承、軸瓦及其內(nèi)襯的合金。第五節(jié)非金屬材料現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中,非金屬材料已經(jīng)成為廣泛使用的工程材料,常用的非金屬材料有塑料、橡膠、陶瓷等。一、塑料塑料是由樹脂和其他添加劑組成。1.塑料的主要組成(1)樹脂樹脂是塑料的主要成分,其對塑料性能起決定性作用。1)填料。填料在塑料中的作用有兩種,一是減少樹脂含量,降低成本,起增量的作用;二是不僅降低塑料本錢而且使塑料性能得到明顯改善,既起增量作用又起改性作用。常用的填料有木粉、滑石

22、粉、玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維、棉布等。2)增塑劑。增塑劑主要的作用是增加塑料的可塑性、柔韌性、流動性。一般在樹脂中均參加適量增塑劑。常用的增塑劑有甲酸酯類等。3)穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑在塑料中的作用是抑制防止塑料在光、熱或其他條件下性能發(fā)生有害變化而參加的物質(zhì)。常用的有硬脂酸鋇等。4)潤滑劑。潤滑劑主要的作用是防止塑料在成型過程中發(fā)生粘模,提高制品外表學(xué)亮度并改善其流動性。常用的有硬酯酸、石蠟等。5)著色劑。參加目的是起裝飾美觀作用,同時提高塑料的耐熱、耐光性。常用的為顏料和染料。添加劑還有發(fā)泡劑、固化劑、耐氧化劑、抗靜電劑、阻燃劑等多種。2.塑料的分類塑料品種繁多,分類方法也較多,現(xiàn)介紹兩種常用分

23、類方法。1)熱塑性塑料在一定溫度范圍內(nèi)能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化成型的塑料稱為熱塑性塑料。這類塑料在成型過程中只有物理變化而無化學(xué)變化,如聚乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺等。2)熱固性塑料在一定溫度和壓力等條件下,冷卻而固化,固化后成為不熔的塑料稱為熱固性塑料。這類塑料成型過程中既有化學(xué)變化又有物理變化,如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。(2)按塑料的用途及性能分類1)通用塑料。通用塑料是指用途廣、產(chǎn)量大、價格低的常用塑料。常見的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料等。2)工程塑料。工程塑料是指可以代替金屬作為結(jié)構(gòu)材料的塑料。通用塑料經(jīng)改性和增強,可制成工程塑料,如聚碳酸酯、ABS、聚酰胺等。3)增強塑料。增強塑料是指參加相應(yīng)的填料而獲得一定特殊性能的塑料。這些特殊性能包括耐熱性、電絕緣性、耐蝕性等,如氟塑料、玻璃鋼等。3.塑料的使用性能塑料的使用性能包括力學(xué)性能、熱性