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si0.37% mn=0.25%-

2、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、 P S: 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）當鋼加熱到1000-1200 進行塑性成型加工時，FeS 熔化導致鋼沿晶界開裂這種現象叫鋼的“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.ak。當p=0.3% 時鋼室溫下的ak0這種現象叫鋼的“冷脆”。S熱脆 P冷脆，是有害元素越少越好，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

3、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、Al2O3等，降低鋼的塑性、沖擊韌性和疲勞強度等。4、合金元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元素，這樣獲得的鋼稱為合金鋼。鋼中常加合金元素有：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：隨著合金元素的增加，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

4、。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，這個過程是依靠元素的擴散來完成的。（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和500650回火時，鋼的沖擊韌性不但不升高反而下降的現象。第一類回火脆性（250350）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

5、）消除辦法：將工件重新加熱至600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、Ni9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，如W18（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： c=

6、0.09%-0.33% Mn=0.37%-0.65% si=0.30% s0.035-0.05% p0.035%-0.045%2）牌號：由代表屈服點的字母、屈服點數值、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% Wsp0.035%2）牌號：兩位數字+符號表示 數字表示含碳量萬分之幾，符號如果是F則表示是沸騰鋼。例：08F 15F3）分

7、類： （1）低碳鋼（a）化學成分：WC0.25%（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低，而.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：、HBS比低碳鋼略高，而、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、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

8、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+數字表示 T碳 數字表示千分含量。若是特殊質量則數字后面加A。例：T8A0.8%的特殊質量的碳素工具鋼3)組織：M回（淬火+低溫回火處理）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： C0.2%，合金元素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

9、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：數字+元素符號+數字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：

10、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、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（ós/ób）；（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

11、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%，但同時必須提高含Cr量。

12、（2）鉻含量大于13%（3）對腐蝕性要求高的不銹鋼，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、耐熱鋼耐熱鋼是制造在高溫下工作的零件或構件。金屬的耐熱性是一個包含高溫抗氧化性和高溫強度兩方面內容的綜合概念。提高鋼的高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高熔點的氧化模，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、B等。3、高錳鋼1）化學成分特點：C=0.901.50%Mn=11

13、14%2）金相組織：奧氏體3）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、Si為主要元素的多元合金。其成分范圍大致為：C:2.4%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的存在形式主要有兩種：1、化合態(tài)32、游離態(tài)石墨（G）：軟而脆，強度<20MPa，塑性幾乎為0的組織。一

14、、 鑄鐵的分類 1、灰口鑄鐵：碳以游離石墨形式存在，根據石墨的形態(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

15、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：

16、機床床身、機架、導軌等。（5）牌號：HT+數字 如：HT200、HT250等。（6）提高灰鑄鐵力學性能的措施1）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

17、）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+數字+數字例：KTH300-06 b300N/mm² 6%珠光體可鍛鑄鐵：只是將KTH中的“H”改成“Z”，其它

18、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+數字+數字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

19、等特殊性能的鑄鐵。這些鑄鐵大多是加入了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v 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）。v 一般認為，鋼的抗拉強度和剛度比大多數非鐵金屬合金高，但輕合金的比重小，它們的比強

20、度和比剛度都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。一、 鋁及鋁合金1、工業(yè)純鋁 1）物理性能 熔點660，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（ób=80100MPa、20HBS）、塑性較高（ä=50%，ö=80%）、冷變形后強度增加不多，但塑性卻急劇下降（ ä= 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

21、過加熱的方法使合金變?yōu)閱蜗?#225;固溶體，其塑性很好。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象。也稱中間退火。 工藝方法：加熱（350450）保溫后空冷。 b）去應力退火：加熱至180300 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。經過時效（自然時效和人工時效）后，強度和

22、硬度才明顯提高，合金被強化。 b）鑄造鋁合金熱處理特點 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

23、用 承受中等強度的冷壓、焊接件及鉚釘等。 （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

24、耐熱鍛造鋁合金。 4）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1083，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（ób=200250MPa），塑性很好（ä=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、

25、銅合金 銅合金分為黃銅、白銅和青銅三類。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、Mn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。 分類：錫青銅、