金屬材料導(dǎo)論

1、金屬材料導(dǎo)論1一、金屬材料的主要力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。二、硬度硬度金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力。硬度直接影響到材料的耐磨性和切削加工性。 金屬材料的力學(xué)性能 2 1.布氏硬度HB *布氏硬度法 *用鋼球?yàn)閴侯^：HBS,常用范圍HBS450 布氏硬度壓痕大，硬度值較穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)重復(fù)性好，但較費(fèi)時(shí)，不宜成品檢驗(yàn)。 *用硬質(zhì)合金為壓頭：HBW表示，較少用。 2.洛氏硬度HR *氏硬度的測量。 *HRC應(yīng)用最廣，范圍是20673一、鋼的分類按化學(xué)成分分：碳素鋼、合金鋼兩大類。按用途分：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼三類。按質(zhì)量分：普通鋼，優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼三類

2、。按脫氧程度分：鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼等45合金鋼的編號(hào)我國的合金鋼按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、合金元素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級(jí)別來編號(hào)的。在牌號(hào)之首用數(shù)字標(biāo)明碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為了表明用途，規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼以萬分之一為單位數(shù)字（兩位數(shù)）、工具鋼和特殊性能鋼以千分之一為單位的數(shù)字（一位數(shù)）來表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（與碳鋼編號(hào)相同），而工具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1時(shí)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再標(biāo)出。在碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)字之后，用元素符號(hào)表明鋼中主要合金元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由其后綴的數(shù)字標(biāo)明，平均的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5時(shí)不標(biāo)，平均的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.52.49、2.53.49時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)出2、3、。專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標(biāo)明。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)的末尾加“

3、A”字標(biāo)明。6合金元素在鋼中的作用（1）合金元素與鐵的作用：合金元素加入鋼中，首先溶于鐵形成固溶體，超過溶解度極限與碳形成碳化物，幾乎所有的合金元素（除Pb）外都可溶于鐵，形成合金鐵素體或合金奧氏體。它們?nèi)苡阼F素體會(huì)使鋼的室溫強(qiáng)度提高，這種作用稱為固溶化。鋼中的Ni和Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)會(huì)使 轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫，使鋼的室溫組織為奧氏體，Co、C、N、Cu、也會(huì)使 轉(zhuǎn)變溫度降低，但作用不象Ni和Mn那樣強(qiáng)烈，它們統(tǒng)稱為奧氏體穩(wěn)定元素，Cr、W、Mo、V、Ti、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高到一定程度時(shí)，鋼凝固形成的體心立方結(jié)構(gòu)將從高溫一直保持到室溫，這些合金 元素被稱為鐵素體穩(wěn)定化元素。7合金元素在鋼中的作用

4、（2）合金元素與碳的作用：合金元素按其與鋼中碳的親合力的大小，可分為碳化物形成元素和非碳化物形成兩大類。常用的非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它們不與碳形成碳化物，除了少數(shù)高合金鋼中可形成金屬間化合物外，基本上都溶于鐵素體和奧氏體中。常用的碳化物形成元素有：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。Mn和碳的親合力較弱，少部分溶于滲碳體中，大部分溶于鐵素體和奧氏體中?，F(xiàn)碳的親合力較強(qiáng)的Cr、Mo、W等，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)基本上與鐵形成合金滲碳體；質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)可形成新的合金碳化物，而與碳的親合力很強(qiáng)的元素V、Nb、Zr、Ti等，幾乎都是形成特殊碳化物。此外，總還有一

5、部分強(qiáng)碳化物形成元素會(huì)溶于鐵素體和奧氏體中。81.應(yīng)滿足零件的工作要求 例如：受力狀態(tài)，工作溫度，環(huán)境介質(zhì)等2.應(yīng)能滿足工藝性能要求金屬材料的基本加工方法有鑄造，鍛造，沖壓，焊接，切削加工和熱處理，各種加工工藝對(duì)材料均有其工藝性能要求。例如焊接選用低碳鋼或低碳合金鋼，沖壓件選用低碳沸騰鋼，沖模選用淬透性優(yōu)良的合金工具鋼。零件選材的一般原則93.必須重視材料的經(jīng)濟(jì)性一般說，優(yōu)先選用價(jià)格低的材料，例如優(yōu)先選用碳素鋼或灰鑄鐵，難以滿足要求時(shí)，選用合金鋼，球墨鑄鐵，鑄鋼或其它材料。16Mn比Q235成本略高，但強(qiáng)度高46，可減少用量材料的牌號(hào)應(yīng)符核國家標(biāo)準(zhǔn)，品種少而集中。 10熱處理只改變材料組織性能

6、，而不改變其形狀和大小。 基本過程為：加熱-保溫-冷卻零件經(jīng)適當(dāng)熱處理后，可以提高強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)耐磨性或改善塑性，切削加工性等。鋼的熱處理11熱處理方法熱處理普通熱處理表面熱處理特殊熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理火焰加熱感應(yīng)加熱(高、中、低頻)滲碳氮化碳氧共滲其他形變真空其他12退火和正火退火：將鋼加熱保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中緩慢冷卻。退火目的一、退火降低鋼的硬度，以利于切削等加工（沖冷拉）細(xì)化晶粒，提高鋼的塑性和韌性消除內(nèi)應(yīng)力，并為淬火作準(zhǔn)備13退火種類： (1)完全退火 方法： 用途：主要用于具有亞共析組織的碳鋼、合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材等，有時(shí)也用于淬火返修件。注意：

7、“完全”是退火件加熱獲得完全的奧氏體組織，也就是鋼的組織全部進(jìn)行了重結(jié)晶，所以，原來的晶粒組大，組織不勻，有內(nèi)應(yīng)力，塑性、韌性差，易裂，變形可以解決,但必須控制退火加熱溫度,否則晶粒仍粗大。亞共析鋼加熱到Ac3以上3050-保溫- 爐冷14退火和正火是將鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝。(2)球化退火用途：主要用于過共析鋼，如工具鋼、球珠軸承鋼等。注意：目的是使?jié)B碳體（或碳化物）球化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火作組織準(zhǔn)備。(3)等溫退火是將鋼件或毛坯加熱到Ac3（或Ac1）的溫度，保持適當(dāng)時(shí)間后，較快速冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏胶獾慕M織，然后緩慢冷

8、卻的熱處理工藝。15目的：與完全退火相同，但轉(zhuǎn)變較易控制，能獲得均勻的預(yù)期組織；對(duì)于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，?？纱蟠罂s短退火時(shí)間。(4)擴(kuò)散退火為減少鋼錠、鑄件的化學(xué)成分的不均勻性，將鋼錠、鑄件加熱到略低于始熔溫度的溫度，長時(shí)間保溫并緩慢冷卻的熱處理工藝。(5)去應(yīng)力退火為消除鑄造、鍛造、焊接和機(jī)加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的低溫退火。加熱溫度一般在550600. 16二、正火正火：鋼材或鋼件加熱到Ac3（亞共析鋼）和Acm（過共析鋼）以上3050，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在空氣中均勻冷卻，得到球光體類組織的熱處理。正火目的作為最終熱處理，可以細(xì)化奧氏體晶粒，使組織均勻化；減少亞

9、共析鋼中鐵素體，使球光體含量增多并細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)度、硬度和韌度。作為預(yù)先熱處理，截面較大的合金結(jié)構(gòu)鋼件，在淬火或調(diào)質(zhì)處理前常進(jìn)行正火，以消除帶狀組織等，并獲得細(xì)小而均勻的組織。改善切削加工性能，低碳鋼或低碳合金鋼退火后硬度太低，不便于切削加工，正火可提高其硬度，改善其切削加工性能。17淬火和回火淬火方法：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫后在介質(zhì)中快速冷卻。淬火工藝的實(shí)質(zhì)是奧氏體化后進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。淬火的主要目的把奧氏體化工件淬成馬氏體，以便在適當(dāng)溫度回火后，獲得所需要的力學(xué)性能。但由于受過冷奧氏體穩(wěn)定性、截面尺寸及淬火溫度的影響，一般淬火后工件不一定能獲得全部馬氏體組織，工件內(nèi)

10、部還可能 有貝氏體、珠光體型組織存在。一、淬火18快速冷卻 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。 由于過冷度很大，鐵碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散， 僅能發(fā)生Fe向Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變， 而形成含碳過飽和的固溶體馬氏體M。 (碳在鐵中溶解度和溫度有關(guān))19二、回火回火方法：將淬火后的鋼在A1以下溫度加熱，使之轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的回火組織的工藝過程。回火的主要目的回火過程不僅要保證組織轉(zhuǎn)變，而且要消除應(yīng)力，故應(yīng)該有足夠的保溫時(shí)間，一般為12小時(shí)。注意：回火溫度是決定回火組織和性能的最重要因素，在選擇回火溫度時(shí)，應(yīng)避開低溫回火脆性溫度區(qū)（300左右）。20回火分為低溫、中溫和高溫回火。低溫回火在150250之間進(jìn)行，回火后組織為回火馬氏

11、體。其目的是降低淬火應(yīng)力，使其具有一定的韌性，并保持高的硬度；中溫回火在350500之間進(jìn)行，回火后組織為回火屈氏體。中溫回火具有高的彈性極限，并有足夠的韌性；高溫回火在500650之間進(jìn)行，回火后組織為回火索氏體。習(xí)慣上把淬火加高溫回火的雙重處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理后工件具有高的塑性和韌性，強(qiáng)度也較高，即具有高的綜合力學(xué)性能。21表面淬火和化學(xué)熱處理目的：表層有較高硬度、耐磨性，而心部保持著 原來的塑性、韌性。(退火、正火或調(diào)質(zhì) 狀態(tài)的組織)目前生產(chǎn)中常用感應(yīng)加熱，其次是火焰加熱。通常：淬火前正火或調(diào)質(zhì)，淬火后低溫回火。 淬火后深度和電流頻率有關(guān)，頻率低 深度大些。常用于中碳鋼、中碳低合金

12、鋼、高碳工具鋼、鑄鐵等，硬度可比普通淬火高23HRC一、表面淬火221、滲碳 向低碳鋼或低碳合金鋼滲入碳原子的過程。 加熱到900950，長期保溫-滲碳 滲碳后要淬火和低溫回火 主要用于承受較大沖擊載荷和嚴(yán)重磨損的零件，硬度HRC5864左右2、氮化（滲氮） 向鋼表層滲氮原子，以提高硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性等。 氮化后不需淬火，氮化生產(chǎn)周期長，不能承受沖擊。二、化學(xué)熱處理23非鐵金屬及其合金鋁及其合金的特點(diǎn)：（1）密度低、比強(qiáng)度高（2）優(yōu)良的物理、化學(xué)性能（3）加工性能良好1、純鋁分類：純鋁中含有Fe、Si、Zn等雜質(zhì)，使其性能有所下降。純鋁按純度可分為3類。（1）高純鋁：純度99.93

13、99.99，主要用于科學(xué)研究及制作電容器。（2）工業(yè)高純鋁：純度為98.8599.9，用于制作鋁箔、包鋁及冶煉鋁合金原料。（3）工業(yè)純鋁：純度為98.099.0，主要用于制作電纜、電線、器皿及配置合金。一、鋁及其合金242、鋁合金鋁中加入合金元素后，可獲得較高的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能，許多鋁合金不僅可通過冷變形提高強(qiáng)度，而且可用熱處理大幅度改善性能。鋁合金可用于制造承受較大載荷的機(jī)器零件和構(gòu)件。鋁合金分類 根據(jù)成分和制造工藝，分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。形變鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金及鍛鋁合金等4種。（1）防銹鋁合金 主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高抗蝕能力，

14、并起固溶強(qiáng)化作用。 Mg也有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)降低密度。 （2）硬鋁合金 屬于Al-Cu-Mg系合金，另含有少量Mn。Cu、Mg與Al可形成起強(qiáng)化作用的金屬化合物， Mn主要提高抗蝕性，并起到一定的固溶強(qiáng)化作用，少量Ti、B可細(xì)化晶粒，提高合金強(qiáng)度。（3）超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量Cr。（4）鍛鋁合金為Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。 25鑄造鋁合金有Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等4種合金系。用于形狀復(fù)雜的零件，如飛機(jī)、儀器零件、抽水機(jī)外殼等。這類合金鑄造性能好，但強(qiáng)度和塑性較差，一般要在鑄件澆鑄前向合金液中加入一定量的變質(zhì)劑，以細(xì)化合金組織，提

15、高合金強(qiáng)度和塑性，這種處理也稱為變質(zhì)處理。注意：鑄造合金的鑄件形狀一般較復(fù)雜，組織較粗大，并有嚴(yán)重的偏析，因此與形變鋁合金熱處理相比，固溶處理溫度要高些，保溫時(shí)間要長些，使粗大析出物盡量溶解，并使固溶體成分均勻化，加熱后一般用水冷卻，多采用人工時(shí)效。26二、銅及其合金銅及其合金的特點(diǎn)：（1）優(yōu)異的物理、化學(xué)性能（2）加工性能良好（3）某些特殊力學(xué)性能（4）色澤美觀1、純銅呈紫紅色，常稱為紫銅，主要用于制作電導(dǎo)體及配置合金。2、銅合金 銅中加入合金元素，可獲得較高的強(qiáng)度同時(shí)保持純銅的某些優(yōu)良性能。一般分為黃銅、青銅和白銅三大類。27（1）黃銅：以Zn為主要合金元素的銅合金，按化學(xué)成分，黃銅分為普

16、通黃銅和復(fù)雜黃銅2種。普通黃銅是銅鋅二元合金。其力學(xué)性能隨Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。黃銅不僅有良好的變形加工性能，而且有良好的鑄造性能，黃銅的耐蝕性比較好，與純銅接近，超過鐵、碳鋼以及許多合金鋼復(fù)雜黃銅是為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入Al、Fe、Si、Mn、Ni等元素，形成復(fù)雜黃銅。（2）青銅：原指銅錫合金，但工業(yè)上習(xí)慣統(tǒng)稱含Al、Si、Pb、Be、Mn等的銅基合金為青銅，所以青銅實(shí)際包括錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。（3）白銅：以Ni為主要合金元素的銅合金。固態(tài)銅和鎳無限互溶，因此工業(yè)白銅的組織為單相固溶體。28鈦及鈦合金鈦及鈦合金具有密度較低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕以及低溫韌

17、性良好等優(yōu)點(diǎn)，而且資源豐富，所以有著廣泛的應(yīng)用前景。但加工條件復(fù)雜，成本較高，在很大程度上限制了它們的使用。一、純鈦鈦的密度低，熔點(diǎn)高，線膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性差。純鈦塑性好、強(qiáng)度低，容易加工成形，可制成細(xì)絲和薄片。鈦在大氣和海水中有優(yōu)良的耐蝕性，在硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等介質(zhì)中都很穩(wěn)定。鈦的抗氧化能力優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼的抗氧化能力。二、鈦合金鋁、硼、鉬、釩等合金元素溶入-Ti中，形成固溶體，溶入-Ti中形成固溶體，根據(jù)使用狀態(tài)的組織，鈦合金可分為3類：鈦合金、 鈦合金和（ ）鈦合金。29（1）鈦合金鈦中加入鋁、硼等穩(wěn)定元素獲得鈦合金。 鈦合金的室溫強(qiáng)度低于鈦合金和（ ）鈦合金的室溫強(qiáng)度，

18、但高溫（500600）強(qiáng)度比它們高，并且組織穩(wěn)定，抗氧化和抗蠕變性好，焊接性能好很好。 鈦合金不能淬火強(qiáng)化，主要依靠固溶強(qiáng)化，熱處理只進(jìn)行退火。主要用于制造導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的渦輪機(jī)匣等。（2）鈦合金鈦中加入一些元素如鉬、鉻、釩等得到鈦合金。鈦合金有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的沖壓性能，并且可通過淬火和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。在時(shí)效狀態(tài)下，合金的組織為相和彌散分布的細(xì)小相粒子。適用于制造壓氣機(jī)葉片。軸、輪盤等重載回轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)構(gòu)件等。（3）（ ）鈦合金（ ）鈦合金塑性好，容易鍛造。壓延和沖壓，并可通過固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化。熱處理后強(qiáng)度可提高50100。主要用于火箭、導(dǎo)彈的液氫燃料罐等部件。30鎂及鎂合金一、純鎂純鎂為銀白色金屬，熔點(diǎn)651，沸點(diǎn)1105，密度為1749kg/m3,相當(dāng)于鋁的2/3，是最輕的工程金屬?？刮g性很差。當(dāng)溫度升高時(shí)，鎂能被劇烈氧化以至