第5章 金屬材料

第5章

金屬材料能力目標1.能夠確定何種金屬材料適合制造汽車零件；2.能夠正確解釋和區(qū)別不同標號金屬的性能及用途。1知識目標1.了解鐵碳合金基礎(chǔ)知識；2.了解金屬合金及導致金屬性能不同的根本原因；3.了解碳對鐵碳合金組織和性能的影響；4.掌握汽車上常用有色金屬的性能要求。25.1黑色金屬黑色金屬：如生鐵、鐵合金、鑄鐵、鋼、合金鋼等。鋼和生鐵都是以鐵為基礎(chǔ)，以碳(C)為主要添加元素的合金，統(tǒng)稱為鐵碳合金。習慣上把含碳量＞2.11%的歸類于鐵，含碳量＜2.11%的歸類于鋼。當鐵中含C在0.03%~1.2%范圍時則為鋼，含C在1.2%~2.5%范圍的鐵缺乏實用性，一般不進行工業(yè)生產(chǎn)。35.1.1鑄鐵及其分類鑄鐵是C的質(zhì)量分數(shù)大于2.11%的鐵碳合金，并且還含有較多的Si、Mn和一定的S、P等元素。鑄鐵是一種使用歷史悠久的重要工程材料。我國人民在春秋時期已發(fā)明了生鐵冶煉技術(shù)，并用其制造生產(chǎn)工具和生活用具，比西歐各國早兩千年?，F(xiàn)在，鑄鐵仍是工程上最常用的金屬材料，廣泛應用在機械制造、冶金、礦山、石油化工、交通等行業(yè)。4（1）鑄鐵的石墨化1)Fe-Fe3C和Fe-C雙重相圖生產(chǎn)實踐和科學實驗指出，滲碳體是一個亞穩(wěn)定的相，石墨才是穩(wěn)定相。因此描述鐵碳合金組織轉(zhuǎn)變的相圖實際上有兩個，一個是Fe-Fe3C系相圖，另一個是Fe-C系相圖。把二者疊合在一起，就得到一個雙重相圖，如圖5-1所示。圖中實線表示Fe-Fe3C系相圖，部分實線再加上虛線表示Fe-C系相圖。5圖5-1Fe-Fe3C和Fe-C雙重相圖62)鑄鐵冷卻和加熱時的石墨化過程按Fe-C系相圖進行結(jié)晶，鑄鐵冷卻時的石墨化過程包括：從液體中析出一次石墨；由共晶反應生成共晶石墨；由奧氏體中析出二次石墨；由共析反應生成共析石墨。73)影響鑄鐵石墨化的因素①化學成分的影響C，Si，Mn，S，P對石墨化有不同的影響。其中C，Si，P是促進石墨化的元素，Mn和S是阻礙石墨化的元素。在生產(chǎn)實際中，若C，Si的含量過低，則鑄鐵易出現(xiàn)白口，力學性能與鑄造性能都較差；若C，Si的含量過高，則鑄鐵中石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量多，力學性能下降。8②冷卻速度的影響鑄件冷卻越緩慢，即過冷度較小，越有利于按照Fe-C相圖進行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，越有利于石墨化過程充分地進行。當鑄件冷卻較快，即過冷度增大時，原子擴散能力減弱，利于按照Fe-Fe3C相圖進行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，不利于石墨化的進行。9（2）鑄鐵的分類1）按碳存在的形式分類按碳存在的形式可將鑄鐵分為三類：①灰口鑄鐵②白口鑄鐵③麻口鑄鐵102）按石墨的形態(tài)分類鑄鐵中石墨的形狀、大小和分布情況，稱為石墨的形態(tài)。常見的鑄鐵石墨形態(tài)有20余種，但可歸納為片狀、蠕蟲狀、絮狀及球狀四大類，如圖5-2所示?；铱阼T鐵又可據(jù)此相應分為普通灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵及球墨鑄鐵四類。11圖5-2鑄鐵石墨形態(tài)123）按化學成分分類按化學成分又可分為兩類。①普通鑄鐵普通鑄鐵即常規(guī)元素的鑄鐵，如普通灰口鑄鐵、高強度灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵。②合金鑄鐵合金鑄鐵又稱為特殊性能鑄鐵，是向普通灰口鑄鐵或球墨鑄鐵中加入一定量的合金元素，如Cr，Ni，Cu，Al，Pb等制成的鑄鐵。13（3）灰口鑄鐵灰口鑄鐵是價格便宜、應用最廣泛的鑄鐵材料。在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵占80%以上。我國灰口鑄鐵的牌號如表5-1所示?！癏T”表示“灰口鐵”，后面的數(shù)字表示最低抗拉強度。141516圖5-3三種灰鑄鐵的顯微組織171）影響灰口鑄鐵組織和性能的因素①化學成分控制化學成分是控制鑄件組織和性能的基本方法。生產(chǎn)中主要是控制C，Si含量。C，Si強烈促進石墨化。C，Si含量過低時，鑄鐵易出現(xiàn)白口組織，力學性能和鑄造性能都較低；含量過高時，石墨片過多且粗大甚至在鐵液的表面出現(xiàn)石墨飄浮，降低了鑄件的性能和質(zhì)量。因此，灰口鑄鐵中的C，Si的質(zhì)量分數(shù)一般分別控制在：2.5%~4.0%，1.0%~3.0%。18圖5-4鑄鐵壁厚和C，Si含量對鑄件組織的影響192）孕育處理孕育處理就是變質(zhì)處理，孕育處理后的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。常用的孕育劑有兩種，一種為硅類合金，例如，最常用的是Si的質(zhì)量分數(shù)為75%的硅鐵合金、Si的質(zhì)量分數(shù)為60%~65%和Ca的質(zhì)量分數(shù)為25%~35%的硅鈣合金等，后者石墨化能力比前者高1.5~2倍，但價格較貴。20①使鐵液內(nèi)同時生成大量均勻分布的非自發(fā)晶核，以獲得細小均勻的石墨片，并細化基體組織，提高鑄鐵的強度；②避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織，提高斷面組織的均勻性。表5-2所列的HT200或HT250以上的灰鑄鐵均屬孕育鑄鐵。21223）灰鑄鐵的熱處理①消除內(nèi)應力退火一些形狀復雜和尺寸穩(wěn)定性要求較高的重要鑄件，如機床床身、柴油機汽缸體等，為了防止變形和開裂，須進行消除內(nèi)應力退火（又稱為人工時效）。工藝規(guī)定是：加熱到溫度500~550℃，加熱速度為60~120℃/h。溫度不宜過高，以免發(fā)生共析滲碳體的球化和石墨化。23②消除鑄件白口、降低硬度的退火灰口鑄鐵件表層和薄壁處產(chǎn)生的白口組織難以切削加工，需要退火降低其硬度。退火在共析溫度以上進行，使?jié)B碳體分解成石墨，所以又稱為高溫退火。工藝是：加熱到850~900℃，保溫2~5h，然后隨爐冷卻，冷至250~400℃后出爐在自然環(huán)境中冷卻。退火鑄件的硬度可下降20~40HBS。243）表面淬火有些鑄件如機床導軌、缸體內(nèi)壁等，當需要提高硬度和耐磨性時，可進行表面淬火處理，如高頻表面淬火、火焰表面淬火等。淬火后表面硬度可達50~55HRC。25（4）球墨鑄鐵1）球墨鑄鐵的成分和球化處理球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，一般范圍是：C的質(zhì)量分數(shù)為3.6%~3.9%，Si的質(zhì)量分數(shù)為2.0%~2.8%，Mn的質(zhì)量分數(shù)為0.6%~0.8%，S的質(zhì)量分數(shù)小于0.07%，P的質(zhì)量分數(shù)小于0.1%。與灰口鑄鐵相比，它的碳含量較高，一般為過共晶成分，通常CE在4.5%~4.7%范圍內(nèi)變動，以利于石墨球化。262）球墨鑄鐵的牌號、組織和性能我國球墨鑄鐵牌號用“QT”標明，其后兩組數(shù)字表示最低抗拉強度和伸長率，如表5-2所列。由表中數(shù)據(jù)可知，球墨鑄鐵的抗拉強度遠遠超過灰口鑄鐵，而與鋼相當。其突出的特點是屈強比（σ0.2/σb）高，為0.7~0.8，而鋼一般只有0.3~0.5。在一般的機械設(shè)計中，材料的許用應力根據(jù)σ0.2來確定，因此對于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，重量更輕。2728圖5-5三種球墨鑄鐵的顯微組織29(5）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)過可鍛化（石墨化）退火而獲得的具有團絮狀石墨的鑄鐵。其大致成分范圍為：C的質(zhì)量分數(shù)為2.4%~2.7%，Si的質(zhì)量分數(shù)為1.4%~1.8%，Mn的質(zhì)量分數(shù)為0.5%~0.7%，P的質(zhì)量分數(shù)為0.008%，S的質(zhì)量分數(shù)為0.025%；同時為縮短石墨化退火周期，還往往向鑄鐵中加入B，Al，Bi等孕育劑（可縮短一半多時間）。3031圖5-6可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝曲線32圖5-7可鍛鑄鐵的顯微組織33（6）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，它是在一定成分的鐵液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。通常變質(zhì)劑和蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金或混合稀土。蠕墨鑄鐵的化學成分與球墨鑄鐵相似，即要求高碳、高硅、低磷并含有一定量的鎂和稀土，一般成分范圍是：C的質(zhì)量分數(shù)為3.5%~3.9%，Si的質(zhì)量分數(shù)為2.1%~2.8%，Mn的質(zhì)量分數(shù)為0.4%~0.8%，P和S的質(zhì)量分數(shù)均小于0.1%。3435（7）特殊性能鑄鐵1）耐熱鑄鐵普通灰口鑄鐵的耐熱性較差，只能在低于400℃左右的溫度下工作。研究表明，鑄鐵在高溫下的損壞形式，主要是在反復加熱與冷卻過程中相變和氧化引起鑄鐵的生長和微裂紋的形成、擴展以致失效；其中鑄鐵的生長是指其在反復加熱與冷卻時產(chǎn)生的不可逆體積增大現(xiàn)象，這主要是由于氧化性氣體沿石墨邊界或裂紋滲入內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)氧化，或鑄鐵中的滲碳體高溫分解為密度小體積大的石墨和鑄鐵基體的其他組織轉(zhuǎn)變引起的。36①合金化在鑄鐵中加入Si，Al，Cr等合金元素，可使鑄鐵表面形成一層致密的穩(wěn)定性很高的氧化膜，阻止氧化氣氛滲入鑄鐵內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)氧化；通過合金化獲得單相鐵素體或奧氏體基體，使其在工作溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變，從而減少因相變而引起的鑄鐵生長和微裂紋。37②經(jīng)過球化處理或變質(zhì)處理，石墨轉(zhuǎn)變成球狀和蠕蟲狀，提高鑄鐵金屬基體的連續(xù)性，減少氧化氣氛滲入鑄鐵內(nèi)部的可能性，有利于防止鑄鐵內(nèi)氧化和生長。382）耐蝕鑄鐵提高鑄鐵耐蝕性的主要途徑是合金化。在鑄鐵中加入Si，Al，Cr等合金元素，能在鑄鐵表面形成一層連續(xù)致密的保護膜；在鑄鐵中加入Cr，Si，Mo，Cu，Ni，P等合金元素，可提高鐵素體的電極電位；另外，通過合金化還可以獲得單相金屬基體組織，減少鑄鐵中的腐蝕微電池。上述方法都可用以提高鑄鐵的耐蝕性，同時還保持了鑄鐵的一定的力學性能，因此廣泛用于制造化工管道、閥門、泵、反應器及存儲器等。393）耐磨鑄鐵①耐磨灰鑄鐵在灰口鑄鐵中加入少量合金元素如P，V，Cr，Mo，Sb，稀土等，可以增加金屬基體中珠光體數(shù)量，且使珠光體細化；同時也細化了石墨，使鑄鐵的強度和硬度升高，大大提高了鑄鐵的耐磨性。耐磨灰口鑄鐵如磷銅鈦鑄鐵、磷釩鈦鑄鐵，鉻鉬銅鑄鐵、稀土磷鑄鐵、銻鑄鐵等，具有良好的潤滑性和抗咬合、抗擦傷的能力，可廣泛用于制造要求高耐磨的機床導軌、汽缸套、活塞環(huán)、凸輪軸等零件。40②抗磨白口鑄鐵控制化學成分（如加入Cr，Mo，V等促進白口化元素）和增加鑄件冷卻速度，可以使鑄件獲得沒有游離石墨而只有珠光體、滲碳體和碳化物組成的組織，這種白口組織具有高硬度和高耐磨性。例如，Cr的質(zhì)量分數(shù)大于12%的高鉻白口鑄鐵，經(jīng)熱處理后基體可為高強度的馬氏體；再加上高硬度的鉻碳化合物的存在，因而具有優(yōu)異的抗磨損性能?？鼓グ卓阼T鐵廣泛應用于制造犁鏵、雜質(zhì)泵葉輪、泵體、各種磨煤機、礦石破碎機、水泥球磨機、拋丸機的襯板、磨球、葉片等零件。41③冷硬鑄鐵（激冷鑄鐵）冷硬鑄鐵實質(zhì)上是一種加入少量B，Cr，Mo，Te等元素的低合金鑄鐵經(jīng)表面激冷處理（工藝中用冷的金屬鑄模成形即可）獲得的，其表面有一定深度的白口層，而心部仍為正常鑄鐵組織。如冶金軋輥、發(fā)動機凸輪、氣門搖臂及挺桿等零件，要求表面應具有高硬度和耐磨性而心部應具有一定的韌度的零件，就可以采用冷硬鑄鐵制造。42④中錳抗磨球墨鑄鐵是一種Mn的質(zhì)量分數(shù)4.5%~9.5%的抗磨合金鑄鐵。當Mn的質(zhì)量分數(shù)在5%~7%時，基體部分主要為馬氏體；當Mn的質(zhì)量分數(shù)增加到7%~9%時，基體部分主要為奧氏體；同時組織中還存在有復合型的碳化物（Fe，Mn）3C。435.1.2碳素鋼及其應用（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按GB700—88的規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以鋼材的最低屈服強度表示。這類鋼雖然含有有害雜質(zhì)及非金屬夾雜物較多，但其冶煉方法簡單、工藝性好、價格低廉，而且在性能上也能滿足一般工程結(jié)構(gòu)件及普通零件的要求，因此，用量很大，約占鋼材總量的80%。444546(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的編號及成分特點優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號是用兩位數(shù)字表示鋼中C的質(zhì)量分數(shù)，以萬分之幾表示。例如，“40鋼”表示平均C的質(zhì)量分數(shù)為0.40%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。不足兩位數(shù)時，前面補0。從10鋼開始，以數(shù)字“5”為變化幅度上升一個鋼號。474849502)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的熱處理及應用08鋼、10鋼的含碳量很低，其強度低而塑性好，具有較好的焊接性能和壓延性能，通常軋制成薄板或鋼帶。主要用于制造冷沖壓零件，如各種儀表板、容器及墊圈等零件。15鋼、20鋼、25鋼也具有較好的焊接性和壓延性能，常用于制造受力不大、韌度較高的結(jié)構(gòu)件和零件，如焊接容器、制造螺母、螺釘?shù)?，以及制造強度要求不太高的滲碳零件，如凸輪、齒輪等。滲碳零件的熱處理一般是在滲碳后再進行一次淬火（840~920℃）及低溫回火。51（3）碳素工具鋼在機械制造業(yè)中，用于制造各種刃具、模具及量具的鋼稱為工具鋼。由于工具要求高硬度和高耐磨性且多數(shù)刃具還要求熱硬性，所以工具鋼的含碳量均較高。工具鋼通常采用淬火+低溫回火的熱處理工藝，以保證高硬度和耐磨性。碳素工具鋼的C的質(zhì)量分數(shù)為0.65%~1.35%。根據(jù)其S，P的含量不同，碳素工具鋼又可分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼兩類。521)碳素工具鋼的編號及成分特點碳素工具鋼的鋼號以“碳”字漢語拼音字頭“T”表示，其后面加上順序數(shù)字，數(shù)字表示鋼的C的平均質(zhì)量分數(shù)，以千分之幾表示，如為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在數(shù)字后再加“A”字。如T8鋼表示C的質(zhì)量分數(shù)平均為0.8%的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。T12A鋼表示C的質(zhì)量分數(shù)平均為1.2%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。5354552)碳素工具鋼的熱處理與應用工具鋼的毛坯一般為鍛造成形，再由毛坯機加工成工具產(chǎn)品。碳素工具鋼鍛造后，因硬度高，不易進行切削加工，有較大應力，組織又不符合淬火要求，故應進行球化退火，以改善切削加工性，并為最后淬火作組織準備，退火后的組織應為球狀珠光體，其硬度一般小于217HBS。淬火加熱溫度要根據(jù)鋼種來確定，同時也要考慮性能要求，工件形狀、大小及冷卻介質(zhì)等。56（4）鑄鋼一些形狀復雜、綜合力學性能要求較高的大型零件，由于在工藝上難于用鍛造方法成形，在性能上又不能用力學性能低的鑄鐵制造，因而需要采用鑄鋼件。目前鑄鋼在重型機械制造、運輸機械、國防工業(yè)等部門應用較多，如軋鋼機機架、水壓機橫梁與汽缸、機車車架、鐵道車輛轉(zhuǎn)向架中的搖枕、汽車與拖拉機齒輪撥叉、起重行車車輪、大型齒輪等。57585.1.3合金結(jié)構(gòu)鋼（1）合金結(jié)構(gòu)鋼的分類與編號（2）合金滲碳鋼1)性能特點和用途2)化學成分特點3)熱處理特點和組織性能①滲碳前的熱處理②滲碳后的熱處理59（3）合金調(diào)質(zhì)鋼1）性能特點及用途2）調(diào)質(zhì)鋼的化學成分3）熱處理特點和組織性能①調(diào)質(zhì)處理前的熱處理②調(diào)質(zhì)處理60圖5-840Cr鋼的回火溫度與力學性能的關(guān)系61(4)合金彈簧鋼1）性能特點及用途2）化學成分特點3）熱處理特點及組織性能①熱成形彈簧②冷成形彈簧62（5）滾動軸承鋼1）性能特點及用途2）化學成分特點滾動軸承鋼的C的質(zhì)量分數(shù)為0.95%~1.10%，這樣高的含碳量是為了保證軸承鋼具有高的硬度和耐磨性。3）熱處理特點及組織性能滾動軸承鋼的預先熱處理主要為球化退火，其目的是為了獲得球狀珠光體組織，使鍛造后鋼的硬度降低（<210HBS），改善切削加工性，并為淬火作好組織上的準備。635.1.4其他常用合金結(jié)構(gòu)鋼（1）低合金結(jié)構(gòu)鋼1）性能特點及用途2）化學成分特點3）熱處理特點與組織性能（2）易切削合金結(jié)構(gòu)鋼64655.1.5合金工具鋼合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上中入少量合金元素（Si，Mn，Cr，W，V等）制成的，由于合金元素的加入，提高了材料的熱硬性，改善了熱處理性能。合金工具鋼常用來制造各種量具、模具或切削刀具等。6667685.1.6特殊性能鋼(1)易切削鋼易切削鋼是在鋼中加入一種或幾種合金元素，利用其本身或與其他元素形成的對切削加工有利的夾雜物來改善鋼材的切削性能。在易切削鋼中加入的合金元素主要有硫、鉛、磷、鈣等。6970（2）不銹鋼1）鐵素體不銹鋼2）馬氏體不銹鋼3）奧氏體不銹鋼（3）耐熱鋼1）抗氧化鋼2）熱強鋼7172735.2有色金屬及其合金除鋼鐵材料以外的其他金屬材料統(tǒng)稱為有色金屬，如鋁、銅、鋅、鉛、鎂、鈦等。有色金屬具有黑色金屬所不具備的許多特殊的物理和化學性能，又有一定的力學性能和較好的工藝性能，所以也是不可缺少的工程材料，但有色金屬產(chǎn)量少、價格高，應節(jié)約使用。各種有色金屬純金屬的力學性能都較差，所以工程上使用的多為有色金屬合金。745.2.1鋁及鋁合金工業(yè)純鋁的純度為wAl=98%~99.7%，見表5-17。密度較小，約為2.7kg/m3，僅為鋼鐵密度的1/3左右。熔點為660℃，結(jié)晶后具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，故鋁合金的熱處理原理與鋼不同。具有良好的導電性和導熱性，僅次于銀、銅、金而居第四位，其導電能力為銅的62%。7576(2)變形鋁合金根據(jù)國標（GB/T3190—1996、GB/T16474—1996），變形鋁合金有不能用熱處理強化合金和能用熱處理強化合金兩類。鋁合金的熱處理方法是淬火（固溶）+時效處理。即通過淬火而得到過飽和固溶體，再通過時效處理而使組織、性能穩(wěn)定。這是鋁合金的主要強化手段，在其他有色金屬中也有廣泛應用。777879(3)鑄造鋁合金對于共晶成分附近的鋁合金，因其組織中存在低熔點共晶體，故流動性好，塑性相對較差，只適于鑄造，故稱為鑄造鋁合金。它的牌號按鑄造有色金屬合金牌號的表示方法。此外也可用代號表示，代號由字母“ZL”及其后的三位數(shù)字組成：“ZL”表示鑄鋁，ZL后面的第一個數(shù)字1，2，3，4分別表示鋁硅、鋁銅、鋁鎂、鋁鋅系列，后面第二、第三兩個數(shù)字表示順序號。8081825.2.2銅及銅合金銅及銅合金是歷史上應用最早的金屬，具有良好的耐蝕性和導電、導熱性能，銅合金還有較高的力學性能，目前工業(yè)上使用的銅及銅合金主要有工業(yè)純銅、黃銅、青銅和白銅（銅鎳合金）等。(1)工業(yè)純銅純銅因其是用電解法獲得的，故也稱電解銅。工業(yè)純銅的純度為wCu=99.5%~99.95%，其牌號、成分、力學性能及用途見表5-20。8384(2)黃銅黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金，按成分和應用的不同，又可分為普通黃銅、特殊黃銅和鑄造黃銅。1）普通黃銅2）特殊黃銅3）鑄造黃銅8586(3)青銅1）錫青銅2）特殊青銅①鋁青銅具有可與鋼相比的強度，高的韌性和疲勞強度，耐蝕、耐磨，受沖擊時不產(chǎn)生火花，鑄造生產(chǎn)的零件致密性好。②鈹青銅是wBe=1.7%~2.5%的銅合金。因為鈹在銅中的固溶度隨溫度下降而急劇降低，所以鈹青銅可以通過淬火加時效的方法進行強化，具有很高的強度和硬度（σb可達120