金屬材料培訓(xùn)資料課件

工程材料基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)材料簡(jiǎn)介材料牌號(hào)及命名方法熱處理基礎(chǔ)知識(shí)鑄鐵、鋼、鋁及鋁合金等常用金屬簡(jiǎn)介材料簡(jiǎn)介材料發(fā)展歷史與未來(lái)

材料伴隨著人類文明一路同行，它是衡量人類社會(huì)文明程度的標(biāo)志之一。歷史學(xué)家也根據(jù)人類曾經(jīng)使用過(guò)的材料，將歷史時(shí)代劃分為石器、青銅器和鐵器時(shí)代。有著悠久文明的中國(guó)更是同樣有著悠久的材料制造技術(shù)歷史。殷商時(shí)代已進(jìn)入青銅器時(shí)代，聞名的司母戊大方鼎便是那個(gè)時(shí)期的代表。進(jìn)入現(xiàn)代以后，材料的發(fā)展更是迅猛，50年代主要發(fā)展了金屬材料，60年代以后陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料得到了發(fā)展，80年代以來(lái)，信息材料和能源材料得到了迅速的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，如光電子材料、低維材料、薄膜材料和生物材料不斷受到重視，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，人們可以利用計(jì)算機(jī)從原子、分子的尺度進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，還有可能實(shí)現(xiàn)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出符合一定用途的最佳成分和最佳生產(chǎn)工藝的新型材料。工程材料簡(jiǎn)介黑色金屬鑄鐵鋼有色金屬重有色金屬輕有色金屬貴重有色金屬稀有有色金屬高分子材料陶瓷材料橡膠塑料復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料鑄鐵牌號(hào)中代號(hào)后面的一組數(shù)字，表示抗拉強(qiáng)度代號(hào)后面有兩組數(shù)字時(shí)，第二組數(shù)字代表伸長(zhǎng)率值合金元素含量大于或等于1%時(shí)，用整數(shù)表示合金元素含量小于1%時(shí)，一般不標(biāo)注，只有對(duì)該合金特性有較大影響時(shí)，才予以標(biāo)注碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服點(diǎn)數(shù)值碳素工具鋼碳素工具鋼平均含碳量（用千分之幾表示含錳量高低（含錳低不標(biāo)，含錳高標(biāo)“Mn”品種說(shuō)明（優(yōu)質(zhì)鋼不標(biāo)，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼用“A”表示低合金鋼在低合金鋼的牌號(hào)前面的兩個(gè)數(shù)字表示低合金鋼的名義萬(wàn)分碳含量Mn或Si元素名義百分含量大于等于1%時(shí)，須將元素標(biāo)出，元素代號(hào)后面的1（元素名義百分含量）省略；如果元素名義百分含量大于等于2時(shí)，數(shù)字不省略如果存在其他較重要的元素，該元素代號(hào)需要標(biāo)出來(lái)。無(wú)論元素的百分含量是否超過(guò)1%合金結(jié)構(gòu)鋼在合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)前面的兩個(gè)數(shù)字表示合金結(jié)構(gòu)鋼的名義萬(wàn)分碳含量元素名義百分含量大于等于1%時(shí)，須將元素標(biāo)出，元素代號(hào)后面的1（元素名義百分含量）省略；如果元素名義百分含量大于等于2時(shí)，數(shù)字不省略如果存在其他較重要的元素，該元素代號(hào)需要標(biāo)出來(lái)。無(wú)論元素的百分含量是否超過(guò)1%合金工具鋼平均含碳量（用千分之幾表示元素名義百分含量大于等于1%時(shí)，須將元素標(biāo)出，元素代號(hào)后面的1（元素名義百分含量）省略；如果元素名義百分含量大于等于2時(shí)，數(shù)字不省略碳的名義千分含量鉻的元素代號(hào)鎢的元素代號(hào)鎢的名義百分含量硅的元素代號(hào)鉻的元素代號(hào)鉻的名義百分含量鉬的元素代號(hào)釩的元素代號(hào)含碳量大于1%時(shí)，數(shù)字省略高速工具鋼鎢的元素代號(hào)鎢的名義百分含量鉻的元素代號(hào)鉻的名義百分含量釩的元素代號(hào)鈷的元素代號(hào)鈷的名義百分含量熱處理基礎(chǔ)知識(shí)下面主要給大家介紹一下熱處理的基礎(chǔ)知識(shí)。Fe-C相圖A3線Acm線A1線根據(jù)Fe-C相圖，碳鋼在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中，在PSK線、GS線和ES線上都要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，通常把PSK線稱為A1線，GS線稱為A3線，ES稱為Acm線，而該線上的相變點(diǎn)，相應(yīng)地用A1點(diǎn)、A3點(diǎn)及Acm點(diǎn)來(lái)表示。Fe-C相圖說(shuō)明AC1:鋼加熱時(shí)，開(kāi)始形成奧氏體的溫度；

AC3：亞共析鋼加熱時(shí)，所有鐵素體均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度；

Ar1：鋼高溫奧氏體化后冷卻時(shí)，奧氏體分解為鐵素體和珠光體的溫度；

Acm：過(guò)共析鋼在平衡狀態(tài)下，奧氏體和滲碳體或碳化物共存的最高溫度，即過(guò)共析鋼的上臨界點(diǎn)。

根據(jù)Fe-C相圖，碳鋼在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中，在PSK線、GS線和ES線上都要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，通常把PSK線稱為A1線，GS線稱為A3線，ES稱為Acm線，而該線上的相變點(diǎn)，相應(yīng)地用A1點(diǎn)、A3點(diǎn)及Acm點(diǎn)來(lái)表示。

A1、A3和Acm都是平衡狀態(tài)下的相變點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼的加熱和冷卻速度都比較快，故其相變點(diǎn)在加熱時(shí)要高于平衡相變點(diǎn)，冷卻時(shí)要低于平衡相變點(diǎn)，且加熱和冷卻速度越大，其相變點(diǎn)偏離平衡相變點(diǎn)也越多。通常將實(shí)際加熱時(shí)的各相變點(diǎn)溫度用Ac1、Ac3和Accm表示，冷卻時(shí)的各相變點(diǎn)溫度用Ar1、Ar3和Arcm表示。注意，實(shí)際的相變臨界溫度不是固定的，一般手冊(cè)中給出的數(shù)據(jù)僅供參考。鐵碳合金典型金相組織

奧氏體(austenite)

奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體，常用符號(hào)A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大，在727℃時(shí)溶碳為ωc＝0.77％,1148℃時(shí)可溶碳2.11％。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩(wěn)定存在的組織。奧氏體塑性好，是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)所要求的組織。奧氏體是沒(méi)有磁性的。

鐵素體(ferrite)

碳溶于α-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，以符號(hào)F表示，具有體心立方點(diǎn)陣。由于α-Fe是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，它的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727℃時(shí)溶碳量最大，可達(dá)0.0218％,隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在600％時(shí)溶碳量約為0.0057％，在室溫時(shí)溶碳量幾乎等于零。因此其性能幾乎和純鐵相同，鐵素體的顯微組織與純鐵相同，呈明亮的多邊形晶粒組織，有時(shí)由于各晶粒位向不同，受腐蝕程度略有差異，因而稍顯明暗不同。鐵素體在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。

珠光體（pearlite）珠光體是奧氏體(奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。簡(jiǎn)言之珠光體就是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物，也稱片狀珠光體。用符號(hào)P表示，含碳量為ωc＝0.77％。在珠光體中鐵素體占88%,滲碳體占12%,由于鐵素體的數(shù)量大大多于滲碳體,所以鐵素體層片要比滲碳體厚得多.在球化退火條件下,珠光體中的滲碳休也可呈粒狀,這樣的珠光體稱為粒狀珠光體.

滲碳體（cementite）分子式：Fe3C。鐵和碳形成的化合物。鋼中的碳化鐵（Fe3C）相。具有正交晶體結(jié)構(gòu)，其晶格為復(fù)雜的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韌性幾乎為零，脆性很大，延伸率接近于零。滲碳體的含碳量為ωc＝6.69％，熔點(diǎn)1227℃。熱力學(xué)穩(wěn)定性不高，在一定條件下，會(huì)發(fā)生分解，形成石墨。在230℃以下，具有一定的磁性。滲碳體內(nèi)經(jīng)常固溶有其他元素。在碳鋼中，一部分鐵為錳所置換；在合金鋼中鐵為鉻、鎢、鉬等元素所置換，形成合金滲碳體。在鐵碳合金中有不同形態(tài)的滲碳體，滲碳體在鋼和鑄鐵中一般呈片狀、球狀或網(wǎng)狀。其數(shù)量、形態(tài)與分布對(duì)鐵碳合金的性能有直接影響，可作為鐵碳合金的重要強(qiáng)化相。

鑄鐵、鋼、鋁及鋁合金等常用金屬簡(jiǎn)介下面主要給大家介紹一下常用的幾種金屬材料。鑄鐵——灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄鐵與碳鋼相比較，其化學(xué)成分除了較高的C、Si含量外（C2.5%-4.0%、Si1.0%-3.0%），還含有較高的雜質(zhì)元素Mn、P、S。由于鑄鐵中的碳主要以石墨（G）形式存在的，所以鑄鐵的組織是由金屬基體和石墨所組成的。鑄鐵的組織特點(diǎn)，可以看成是在鋼的基體上分布著不同形狀的石墨。鑄鐵的機(jī)械性能主要取決于基體組織及石墨的數(shù)量、形狀、大小、分布。石墨的機(jī)械性能很低，硬度僅為HB3-5，抗拉強(qiáng)度約為20Mn/m2，延伸率接近于零。而珠光體的抗拉強(qiáng)度為800-1000MN/m2，鐵素體的抗拉強(qiáng)度為350-400MN/m2。石墨與基體相比，其強(qiáng)度和塑性小得多，故分布于金屬基體的石墨可視為空洞。由于石墨的存在減少了鑄件有效承載面積，且使受力時(shí)石墨尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，已造成脆性斷裂。因此鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性要比碳鋼低。雖然鑄鐵的機(jī)械性能不如鋼，但由于石墨的存在，卻賦予了鑄鐵許多鋼所不及的性能，如良好的耐磨性，高消振性、低缺口敏感性以及優(yōu)良的切削加工性能。另外鑄鐵鑄造時(shí)收縮率小，其鑄造性能優(yōu)于鋼。一）灰鑄鐵灰口鑄鐵中的碳主要以片狀石墨存在，斷口成灰色，灰口鑄鐵具有良好的鑄造性能和切削加工性能，且價(jià)格低廉，制造方便，因而應(yīng)用比較廣泛。缸體和缸蓋都是使用灰口鑄鐵灰鑄鐵組織是由金屬基體和片狀石墨所組成，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)磷共晶?；诣T鐵的質(zhì)量主要決定于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其次是基體組織?；诣T鐵的石墨分布形狀分為六種：A、B、C、D、E、F。A型最常見(jiàn)，且此類鑄鐵的性能也較好，B型由于石墨聚集分布，強(qiáng)度有所下降，C型使鑄鐵性能顯著惡化。D型由于石墨密集分布，有損于鑄鐵的力學(xué)性能，E型由于石墨分布更明顯的方向性，F(xiàn)型屬于正常的合格組織。灰鐵的石墨長(zhǎng)度也分為八級(jí)。一般說(shuō)來(lái)，鑄鐵的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度隨著石墨的長(zhǎng)度增大而下降。。二）球墨鑄鐵球墨鑄鐵是一種在鑄態(tài)下石墨呈球狀結(jié)晶的鑄鐵。球墨鑄鐵是通過(guò)在澆注前往鐵水中加入一定量的球化劑以及孕育劑，而使石墨結(jié)晶為球狀。由于石墨呈球狀，因而對(duì)于基體的削弱和造成應(yīng)力集中的程度都較小，使球墨鑄鐵具有很高的強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的塑性和韌性。球鐵是使用廣泛的材料之一，大部分凸輪軸、主軸承蓋、風(fēng)扇支架等都是由球鐵鑄造而成的。球墨鑄鐵按基體組織不同，分為鐵素體基體球鐵；珠光體基體球鐵；珠光體+鐵素體基體球鐵和貝氏體基體球鐵四類：退火處理后的球墨鑄鐵基體為鐵素體，它使球墨鑄鐵具有高的韌性；正火組織有兩種，當(dāng)880-920度高溫正火時(shí)，可得到珠光體+少量牛眼狀分布的鐵素體球鐵，當(dāng)840-860度中溫不完全奧氏體化正火，正火后得到珠光體家塊狀忒素體球墨鑄鐵；淬火后高溫回火得到回火索氏體為基體的球墨鑄鐵；等溫淬火后得到貝氏體為基體的球墨鑄鐵。球鐵的好壞由石墨大小、球化等級(jí)、珠光體級(jí)別、珠光體粗細(xì)、珠光體數(shù)量、分散分布鐵素體數(shù)量等評(píng)定。緊固件選用的材料一般為碳素結(jié)構(gòu)鋼或者合金結(jié)構(gòu)鋼，多采用調(diào)質(zhì)處理，一般選用中碳鋼，采用淬火后高溫回火進(jìn)行熱處理，金相組織為回火索氏體，從而使得緊固件具有較好強(qiáng)度和韌性綜合性能。曲軸采用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)于曲軸主軸頸和連桿軸頸部位一般會(huì)進(jìn)行感應(yīng)淬火處理，主軸頸和連桿軸頸表面獲得馬氏體組織，使得主軸頸和連桿軸頸表面具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。挺桿體一般采用鑄鐵，而一部分電控發(fā)動(dòng)機(jī)的挺桿體采用碳素結(jié)構(gòu)鋼作材料，采用了滲碳+淬火的熱處理工藝，使得挺桿體具有一層耐磨的表面層。連桿采用的材料也是合金結(jié)構(gòu)鋼，連桿采用鍛造而成，未經(jīng)過(guò)淬火等熱處理工藝，其金相組織為正火態(tài)的組織，即為珠光體+鐵素體?；钊N采用的合金結(jié)構(gòu)鋼，先表面滲碳，然后進(jìn)行淬火，表面獲得強(qiáng)度較高的馬氏體。氣閥彈簧采用的合金結(jié)構(gòu)鋼，采用淬火+回火，其金相組織為回火馬氏體。齒輪一般采用合金結(jié)構(gòu)鋼，不同的材料不同的齒輪熱處理工藝不同，對(duì)于有先滲碳然后淬火的熱處理工藝，有采用硬氮化處理（氣體滲氮，滲氮后不進(jìn)行熱處理）的，有采用軟氮化處理（工件在560±10度進(jìn)行的氮碳共滲）的。還有其他一些零件，這里就不一一介紹了。鋼簡(jiǎn)單介紹一下鋁及鋁合金。鑄鋁也應(yīng)用較多的材料之一。油底殼夾緊板和齒輪室都是鑄鋁件，都是Al-Si合金。以下圖為Al-Si合金二元相圖，結(jié)合此相圖為大家介紹一下鋁合金。1）合金元素低于最大溶解度D時(shí)，合金加熱后可成為單相α固溶體，塑性好，便于加工，故稱“變形鋁合金”。2）合金元素量大于D點(diǎn)后，由于出現(xiàn)共晶組織，其塑性差，但流動(dòng)性好，適宜于鑄造，故稱為“鑄造鋁合金”。但有些合金，特別是某些耐熱鋁合金，它的成分已超過(guò)最大的溶解度D，但仍能進(jìn)行鍛造加工，仍屬于“變形鋁合金”。3）在變形鋁合金中，按成分還可分為“熱處理可強(qiáng)化鋁合金”和“熱處理不可強(qiáng)化鋁合金”。按照合金性質(zhì)和用途，“變形鋁合金”可以分為防銹鋁合金、硬鋁合金、鍛鋁合金和超鋁合金，分別標(biāo)為“LF”“LY”“LD”“LC”鋁及鋁合金鋁合金的熱處理1）退火把合金加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后在爐中和空氣中緩慢冷卻。退火又分為三類：擴(kuò)散退火，消除合金鑄件的程分偏析及非平衡共晶組織，提高塑性。通常是加熱到固相線下10-30度，長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后空冷或爐冷。再結(jié)晶退火，經(jīng)過(guò)變形和合金，加熱到再結(jié)晶溫度以上，然后空冷，以消除加工硬化，改善塑性。低溫退火，在再結(jié)晶溫度以下保溫空冷，以改善塑性，同時(shí)保留一定的加工硬化效果。此類退火溫度一般為180-300度。2）固溶強(qiáng)化把合金加熱到溶解度曲線以上，保溫一定時(shí)間，然后勻速冷卻，得到過(guò)飽和固溶體組織，以便于隨后通過(guò)時(shí)效來(lái)提高強(qiáng)度。3）時(shí)效上述的固溶處理所得到的過(guò)飽和固溶體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，所以，固溶處理后在一定溫度下，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，過(guò)飽和固溶體逐漸析出硬化相，使合金硬度、強(qiáng)度升高，即為時(shí)效。室溫下析出的現(xiàn)象為自然時(shí)效，加熱到一定溫度保溫時(shí)析出為人工時(shí)效。4）回歸自然時(shí)效后的合金在200-250度下短期保溫