1、主要内容,绪论1.1 金属材料的力学性能1.2 铁碳合金基本成分、组织与性能1.3 钢的热处理1.4 碳素钢1.5 合金钢1.6 铸铁1.7 有色金属1.8 硬质合金和超硬刀具材料,第0章 绪论,绪 论,一、机械制造1.定义：将制造资源（物料、能源、设备工具、资金技术、信息和人力），通过制造过程，转化为可供人们使用或利用的工业品或生活消费品的过程。用机械设备制造制造机械：大部分构件都是金属零件,第0章 绪论,绪 论,2.机械制造业在国民经济中的地位 向国民经济的各行各业提供先进的机械装备 ，是国民经济发展的重要基础和有力支柱，其规模和水平是反映国家经济实力和科学技术水平的重要标志。(详) 3.
2、三大技术基础课机械制图：工程界语言机械设计基础：图为什么这样画？机械制造基础：将蓝图变为机器设备,第0章 绪论,二、机械制造技术发展趋势,1.纵深方向：效率：随着刀具材料发展，切削速度不断提高精度：随着机床改进发展，加工精度不断提高2.综合方向：机械制造与设计一体化、机械制造与微电子一体化、机械制造与管理一体化如：CAD/CAE/CAM一体化软件、成组技术、数控技术、柔性技术,第0章 绪论,第0章 绪论,二、机械制造技术发展趋势,3.我国机械制造业 规模宏大、门类齐全、阶段性差距 2008年GDP达29万亿，位世界第四。 2009年GDP达33.5万亿，位世界第三。 4.课程的特点、内容及安排
3、 特点：实践性强、内容多、灵活性大 内容：包括机械制造过程大部分内容,第1章 机械工程材料,1.1 金属材料的力学性能,力学性能：金属材料在各种不同形式的载荷作用下所表现出来的特性，也称机械性能。1.强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗剪强度等。抗拉强度：是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。,第1章 机械工程材料,图1-2 低碳钢的力-伸长曲线,试样： l0=10d0,第1章 机械工程材料,图1-2 低碳钢的力-伸长曲线,弹性变
4、形,塑性变形,均匀变形,缩颈,断裂,第1章 机械工程材料,强度与塑性指标,强度指标弹性极限：eFeS0 屈服强度 ：sFsS0 抗拉强度 ：bFbS0 塑性指标伸长率： 断面收缩率：,20退火钢:250N/mm2420N/mm227%58%,第1章 机械工程材料,硬度,硬度：指金属表面上局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗压痕划伤的能力。,布氏硬度: 布氏硬度的符号是：当压头是淬火钢球时，用HBS表示，适合布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球时，用HBW表示，适合布氏硬度值在450650的材料。,第1章 机械工程材料,布氏硬度,表示方法：150HBS10/10000/30500H
5、BW5/7500特点： 布氏硬度压痕面积较大，能较真实的反映材料的平均性能，测量精度较高，常用来测量灰铸铁、有色金属及硬度较小（HBS450、HBW650）的钢材。但因压痕较大，一般布氏硬度不适宜检验成品或薄件。,第1章 机械工程材料,洛氏硬度,当材料的硬度较高或试样的过小时，需要用洛氏硬度计进行硬度测试。表示为：58HRC 洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值；测试硬度值范围较大；而且压痕直径小，可测量成品或薄工件。,第1章 机械工程材料,维氏硬度,维氏硬度测定原理,原理基本上和布氏硬度相同，压头为锥面夹角为1360的金刚石正四棱锥体 表示方法：640HV300/20
6、,第1章 机械工程材料,维氏硬度,维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。而且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径的比例关系的约束，也不存在压头变形问题。但是其硬度值需要测量压痕对角线，然后经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不适宜用于成批零件的常规检验。,第1章 机械工程材料,韧性,韧性：指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。它主要反映金属抵抗冲击抗力而不断裂的能力。 金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度,第1章 机械工程材料,韧性,冲击吸收功：AK=mg(H1-H2
7、),冲击韧度：K=AK/S,40Cr钢为500J/cm2,第1章 机械工程材料,1.2 铁碳合金成分、组织、性能关系,铁碳合金是以铁和碳为主要组成元素的合金，是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金在不同温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。,第1章 机械工程材料,1.2.1 铁碳合金的基本组织,1.合金的基本概念合金：是由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本的、独立的物质。由两个组元的合金称为二元合金。相：在金属或合金中，凡是成分相同、结构相同，具有相同的物理和化学性能，并与该系统其它部分有界面分开的物质部分。,第1
8、章 机械工程材料,1.2.1 合金的相结构,.合金的基本组织（）固溶体：一个组元的原子均匀地溶入另一个组元的晶格中所形成的晶体。固溶强化：溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象,第1章 机械工程材料,固溶体的类型,a）置换固溶体 b）间隙固溶体,第1章 机械工程材料,固溶强化,有点、线、面缺陷，缺陷引起晶格畸变，造成金属强化,a）间隙固溶体 b）置换固溶体,第1章 机械工程材料,金属晶体的常见类型,）体心立方晶格：晶胞是一个立方体，在立方晶胞的八个顶点和中心各有一个原子。）面心立方晶格：晶胞是一个立方体，在立方晶胞的八个顶点和六个面的中心各有一个原子。）密排六方晶格：晶胞是六棱柱体，在棱柱体的
9、十二个棱角上，上下两个面的中心各有一个原子，此外在柱体中间还有三个原子。,第1章 机械工程材料,金属晶体的常见类型,）体心立方晶格,）面心立方晶格,）密排六方晶格,第1章 机械工程材料,1.2.1 合金的相结构,（2）金属化合物：合金组元间相互作用而形成的一种具有金属特性的新相，其晶格类型和性能完全不同于组成它的任一组元，一般可用分子式表示其组成。（3）机械混合物：在工业合金中，除了少数为单相固溶体组织外，大多数是由几种固溶体，或固溶体与金属化合物组成的组织。这种由几个相组成的组织称为机械混合物。,第1章 机械工程材料,3 铁碳合金的基本组织,1.铁素体F：碳溶于-Fe的间隙固溶体,Wc=0.
10、0008-0.0218%，（50-80HBS 伸长率30-50%）（体心）2.奥氏体A：碳溶于-Fe的间隙固溶体, Wc=0.77-2.11%（ 170-220HBS 伸长率40-50% ）（面心） 3.渗碳体Fe3C：金属化合物，很硬、很脆（800HBW）4.珠光体P： F+ Fe3C机械混合物（也称为共析体）。 (180HBS)5.莱氏体Ld： A + Fe3C机械混合物，与Fe3C相似,第1章 机械工程材料,3 铁碳合金的基本组织,图1-9 铁素体的显微组织,图1-10 奥氏体的显微组织,第1章 机械工程材料,3 铁碳合金的基本组织,图1-11 珠光体的显微组织,图1-12 低温莱氏体的
11、显微组织,第1章 机械工程材料,1.2.2 Fe-Fe3C平衡图,铁碳合金平衡图：在极其缓慢的加热或冷却条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形。是表示铁碳合金的成分、温度和组织三者关系之间在平衡条件下相互关系的图形是认识铁碳合金性能正确选用钢铁材料制定铁碳合金的热加工工艺（如热处理、铸造、锻造）的重要依据。,第1章 机械工程材料,简化后的Fe-Fe3C平衡图,第1章 机械工程材料,Fe-Fe3C平衡图的主要特性点,第1章 机械工程材料,ACD线液相线。AECF线固相线。ECF线共晶线。共晶转变是指一定成分的液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变。GS线A3线ES线Acm
12、线PSK线共析线，又称A1线共析转变是指一定成分的固溶体在恒温下同时结晶出两个新固相的转变,（2）Fe-Fe3C平衡图的主要特性线,第1章 机械工程材料,（1）工业纯铁。 Wc=0.0008%（2）钢。共析钢、亚共析钢、过共析钢。低碳钢： Wc0.25%中碳钢： 0.25% Wc0.6%高碳钢：Wc0.6%（3）白口铁 。亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁。,2.铁碳合金的分类,第1章 机械工程材料,（1）钢的结晶过程 钢在AC线以上为液相。AE线以下，GS和ES线以上，钢的组织为单相奥氏体。（2）钢的组织转变共析钢的组织转变。亚共析钢的组织转变。过共析钢的组织转变。,3.钢的结晶过程和组
13、织转变,第1章 机械工程材料,共析钢的组织转变,第1章 机械工程材料,亚共析钢的组织转变,26,第1章 机械工程材料,过共析钢的组织转变,第1章 机械工程材料,1.2.4 Fe-Fe3C平衡图,图2-10 过共析钢室温下的平衡组织（a）硝酸酒精侵蚀；（b）苦味酸钠侵蚀,第1章 机械工程材料,1.2.3 钢的成分、组织、性能之间的关系,亚共析钢：F+P；共析钢：P；过共析钢：P+Fe3C,第1章 机械工程材料,1.3 钢的热处理,钢的热处理：是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件使用性能，延长使用寿命；改
14、善材料的加工工艺性能。,第1章 机械工程材料,1.3 钢的热处理,根据热处理的目的要求和工艺方法不同，钢的热处理分类如下：,第1章 机械工程材料,1.3 钢的热处理,热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的，因此，热处理工艺过程可用“温度时间”为坐标的曲线图形表示，图1-17，此曲线称热处理工艺曲线。,图1-17 热处理工艺曲线,第1章 机械工程材料,1.3.1 钢在加热时的组织转变,平衡状态下：共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到临界温度A1、A3、Acm线就能获得单相奥氏体。实际生产中：加热速度比较快，相变的临界温度要高些，分别用Ac1、Ac3、Acc
15、m表示。实际生产中：冷却速度也比较快，相变的临界温度要低些，分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。,第1章 机械工程材料,1.3.1 钢在加热及冷却时的组织转变,1.钢在加热时组织转变热处理加热的目的是使组织全部或大部分转变为细小的奥氏体晶粒。奥氏体的形成: 形核、长大。,第1章 机械工程材料,2 钢在冷却时的组织转变,加热得到的奥氏体，在冷却过程中会发生组织转变(1)过冷奥氏体的等温转变等温转变：将高温奥氏体迅速冷却到低于A1以下的某一温度，并保持恒温，让过冷奥氏体在此温度完成其转变的过程。过冷奥氏体在不同的温度进行等温转变，将获得不同的组织和性能。奥氏体等温转变曲线：全面表示过冷奥氏体的等温
16、转变温度与转变产物之间关系的图形。,第1章 机械工程材料,1.3.2 钢在冷却时的组织转变,第1章 机械工程材料,在A1550范围内的转变为高温转变，转变产物为片状珠光体。等温转变温度不同，珠光体中铁素体与渗碳体的片层间距不同。其中在A1650范围内等温转变得到粗片状珠光体，片层间距0.4，硬度约20HRC；在650600范围内等温转变得细片珠光体，称为索氏体，S表示，片层间距0.20.4，硬度约30HRC；在600550范围内等温转变得到极细片状珠光体，称为托氏体，T表示，片间距0.2，硬度约40HRC。,1）过冷奥氏体的高温转变产物,第1章 机械工程材料,在550Ms范围内的转变为中温转变
17、，转变产物为贝氏体，由铁素体和非片层状碳化物组成。在550350范围内得到的是上贝氏体，用B上表示，其显微组织为羽毛状，硬度约45HRC,强度和韧性都不高，生产上很少使用。在350Ms范围内得到的是下贝氏体，用B下表示，其显微组织为针状，比上贝氏体具有较高的强度和硬度（约55HRC），同时塑性和韧性也较好。,2）过冷奥氏体的中温转变产物,第1章 机械工程材料,图2-16 贝氏体的组织示意图,（a）上贝氏体7500；（b）下贝氏体7500,（b）针状,（a）羽毛状,第1章 机械工程材料,奥氏体快速过冷到Ms点以下转变产物为马氏体。用M表示。多数情况下，钢的强化就是通过淬火以获得马氏体来实现的。马
18、氏体：由于温度低，碳原子已失去扩散能力，原来溶解在奥氏体中的碳便全部保留在-Fe中，形成碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体性能的主要特点是高硬度，且随马氏体含碳量增加，硬度也随之升高，脆性增大。马氏体的组织形态主要有板条状(Wc0.2%）和片状（针状， Wc1% ）两种，如图2-17所示。,3）过冷奥氏体的低温转变产物,第1章 机械工程材料,马氏体形态,（b）针状马氏体,（a）板条状马氏体,第1章 机械工程材料,在实际生产中，除了极少数采用等温转变外，奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的。实验表明，按不同冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体的转变产物接近于其冷却曲线与C曲线相交温度范围所发生的
19、等温转变产物。所以，过冷奥氏体的连续冷却转变产物可用C曲线定性分析而确定。,（2）过冷奥氏体的连续冷却转变,第1章 机械工程材料,连续冷却转变产物定性分析,第1章 机械工程材料,v1相当于缓慢冷却（如随炉冷却），与C曲线的交点位置靠近A1，可以确定所得组织为珠光体。v2相当于在空气中冷却，所得组织为索氏体。v3相当于在油中冷却，冷却到室温后得到的是托氏体与马氏体的混合物，硬度为50HRC。vk与C曲线相切，它是所有的奥氏体冷却到Ms以下全部转变为马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度。v4、v5相当于在水中冷却，所得组织为马氏体，硬度在60HRC以上（高碳马氏体）。,（2）过冷奥氏体的连续冷却
20、转变,第1章 机械工程材料,1.3.2 钢的退火、正火、淬火、回火,退火和正火：经常作为预备热处理，安排在锻造或铸造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，改善切削加工性能，并影响随后淬火时的变形、开裂倾向以及最终的组织与性能；淬火与回火：是紧密相连的两个工艺过程，只有相互配合才能收到良好的热处理效果。一般淬火与回火常作为最终热处理。实例：锻造正火粗加工淬火精加工,第1章 机械工程材料,退火：把钢加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 （炉冷）退火是属于半成品热处理，也称预备热处理。工艺路线：锻造退火粗加工淬火、回火精加工检验。对于一些要求不很高的工件（如冷
21、冲模模板、手轮、床身等），退火也作为最终热处理。,1退火,第1章 机械工程材料,完全退火：Wc0.77%，消应力、降硬度球化退火：Wc0.77%，消应力、降硬度去应力退火：铸造或锻造后消应力再结晶退火：冲压件回复,1退火,第1章 机械工程材料,图2-19 各种退火和正火的加热温度范围,第1章 机械工程材料,正火:将钢加热到Ac3+或Accm以上（3050），保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是调整硬度细化晶粒、消除网状渗碳体，为淬火、球化退火作好组织准备。工艺路线：锻造正火粗加工由于正火的冷却速度比退火快，正火钢件的强度、硬度比退火钢件高，对于一些性能要求不高的零件，正火可作为最终热处
22、理。,2正火,第1章 机械工程材料,正火:Wc0.45%退火:Wc0.45%,正火与退火的选用,第1章 机械工程材料,淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，获得高硬度马氏体为主的不稳定组织的热处理工艺。主要目的：提高零件的机械性能。例如，提高工具、轴承的硬度和耐磨性；提高弹簧的弹性极限；提高轴类零件的综合力学性能等。改善某些特殊钢的性能。例如，提高不锈钢的耐蚀性；提高高锰钢的耐磨性,3淬火,第1章 机械工程材料,碳素钢的淬火加热温度范围,第1章 机械工程材料,淬火冷却,冷却介质：碳素钢用水；合金钢用油。淬火方法：,1-单液淬火；2-双液淬火；先水后
23、油3-马氏体分级淬火；4-贝氏体等温淬火,第1章 机械工程材料,钢的淬透性与淬硬性,淬透性：钢淬火时能够获得淬硬层深度能力 钢号 水 油 45 10-18 6-8 60 20-25 9-15 40Cr 20-36 12-24 一般碳钢淬透性较低，合金钢较高。淬硬性：仅与含碳量有关，含碳量越高，淬硬性越好。,第1章 机械工程材料,回火：将淬火后的钢，再加热到Ac1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的：降低或消除淬火内应力，提高材料的塑性，提高尺寸稳定性，获得所需的使用性能。,4回火,第1章 机械工程材料,钢的强度、硬度下降，塑性、韧性升高,（1）淬火钢在回火时组织性能的变化,
24、第1章 机械工程材料,1）低温回火（回火温度250）。组织为回火马氏体。保持淬火后高硬度、高耐磨性。用于工模具。2）中温回火（回火温度250500）。组织为回火托氏体。有高的弹性极限、屈服强度和一定的韧性。用于中等硬度、弹性元件。3）高温回火（回火温度500600）。组织为回火索氏体。具有良好的综合力学性能，即有较高的强度和良好的韧性。调质处理：淬火+高温回火的复合热处理工艺。应用：要求有良好综合力学性能的各种重要零件。,（2）回火的种类及应用,第1章 机械工程材料,1.3.3 钢的表面淬火和化学热处理,在冲击载荷及表面剧烈磨擦条件下工作的机械零件，如齿轮、曲轴和模具的导柱、导套等，这类零件表
25、面应具有高的硬度和耐磨性，而心部应具有足够的塑性及韧性。要达到这样的要求，一般需要在合理选材的基础上，采用表面热处理。表面淬火:只改变组织结构而不改变化学成分的热处理。化学热处理:改变化学成分的同时又改变组织结构的热处理。,第1章 机械工程材料,表面淬火：是将钢件的表面层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。（1）感应加热表面淬火原理：趋肤效应分类：高频、中频、工频（2）火焰加热表面淬火方法：氧气乙炔加热适合工件：中碳或中碳合金钢，先正火或调质再表面淬火，再低温回火,1表面淬火,第1章 机械工程材料,第1章 机械工程材料,第1章 机械工程材料,（1）感应加热表面淬火,第1章 机
26、械工程材料,化学热处理：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面层，以改变表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理过程。阶段：分解、吸收和扩散三部分组成适合工件：低碳或低碳合金钢，先渗碳，再淬火，再低温回火。,（2）化学热处理,第1章 机械工程材料,第1章 机械工程材料,渗碳：为了增加工件表面层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入其表面的化学热处理工艺。设备：密封的井式渗碳炉条件：加热到900950，并向炉内滴入气体渗碳剂（如煤油或甲醇+丙酮）。原理：丙酮CH3COCH32C+CO+3H2,1）渗碳,第1章 机械工程材
27、料,化学热处理原理,图1-28 气体渗碳法示意图,第1章 机械工程材料,渗氮：在一定温度下（一般在Ac1以下温度）使活性氮原子渗入工件表面层的化学热处理工艺，称为渗氮。工艺：将工件置于密封渗氮炉内，加热到500-550，通入液NH3，分解N原子渗入工件表面原理：2NH33H2+2N 典型工件：38CrMoAl,2）渗氮,第1章 机械工程材料,1.4 碳素钢,碳素钢简称碳钢，是指含碳量小于2.11%并含少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。目前工业上使用的钢铁材料中，由于碳钢冶炼方便，加工容易，价格低廉，并且通过改变碳的含量和采取相应的热处理，可以满足许多工业上所要求的性能，故在机械制造、建筑
28、、交通运输中应用极为广泛，占钢材总量的80%。,第1章 机械工程材料,1.4.1 碳素钢的分类,（1）按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢（2）按质量分类： 普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢（3）按钢水脱氧程度分类镇静钢：脱氧较完全，成分和性能较均匀，组织致密，应用广泛。 用Z表示 沸腾钢：脱氧不完全，成分不均匀，但成本较低。用F表示半镇静钢b：脱氧程度介于以上两种钢之间。用b表示,第1章 机械工程材料,1.4.2 碳素钢的牌号、性能和用途,1碳素结构钢性能：碳素结构钢中所含有害杂质硫、磷及非金属夹杂物较多，力学性能不高，但价格便宜，工艺性能良好，所以大量用于金属结构件和不重要的机械零件。
29、一般在供应状态下使用。牌号：Q（屈强）+屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号.典型牌号Q235-AF，普通螺钉其中：质量等级分A、B、C、D四级，所含硫、磷逐渐减少；脱氧方法符号Z、b、F。,第1章 机械工程材料,性能：优质碳素结构钢中所含有害杂质元素少，力学性能较好，故广泛用于制造较重要的机械零件。分类：普通锰含量钢（0.35%0.8%）和较高锰含量钢（0.7%1.2%）两组。典型牌号：08F：冷冲压件20：活塞销、导套、导柱45：轴、齿轮、连杆65Mn：弹簧,2优质碳素结构钢,第1章 机械工程材料,第1章 机械工程材料,性能：碳素工具钢具有高的硬度、耐磨性，主要用来制造工具、刀具、模具、
30、量具。分类：优质和高级优质（加A）典型牌号：T7：錾子、榔头T8：剪刀、木工工具T10、T10A：手锯条T12：锉刀,3碳素工具钢,第1章 机械工程材料,性能：有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻造方法成型；因为力学性能要求较高，铸铁无法满足，故采用铸钢件。典型牌号：ZG310-570,4碳素铸钢,第1章 机械工程材料,1.5 合金钢,碳钢缺点具体体现在：淬透性低。对于直径大于20mm25mm的零件，即使水淬也难淬透，不适合制造性能要求高的大型构件。力学性能比合金钢低。如20号钢的强度b410Mpa，而16Mn仅加入少量的Mn，b520Mpa。不具备特殊
31、性能。如耐高温、耐腐蚀、高硬度、高耐磨性。,第1章 机械工程材料,1.5 合金钢,合金钢优点：淬透性好、综合力学性能好、热硬性好、热处理后变形小等优点，能保证大尺寸零件的性能，同时获得较高的精度。缺点：由于生产和加工工艺较复杂，合金钢价格较贵。,第1章 机械工程材料,1.5.1 合金元素在钢中的作用,合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体和碳化物，也可以相互之间形成金属间的化合物，从而改变钢的组织和性能，它们在钢中的作用主要有以下几点。 1.形成合金铁素体2.形成合金碳化物3.提高共析温度并使S、E点左移4.细化晶粒5.提高淬透性6.提高回火稳定性7.使钢获得特殊性能,第1章 机械工程材料,1.
32、5.2 合金钢的分类和牌号表示方法,1.合金钢的分类（1）按用途分：1）合金结构钢 2）合金工具钢 3）特殊性能钢 （2）按合金元素的含量分 1）低合金钢：5% 2）中合金钢：5 % 10% 3）高合金钢:10%,第1章 机械工程材料,1.5.2 合金钢的分类和牌号表示方法,2.合金钢的牌号表示方法用“数字+合金元素符号+数字”表示如60Si2Mn表示WC为0.57%0.65%、WSi为1.5%2.0%、WMn小于1.5%的钢。,第1章 机械工程材料,1.5.3 合金钢的性能和用途,1.合金结构钢低合金结构钢：16Mn，正火，重要建筑桥梁结构 合金渗碳钢：20CrMnTi，渗碳淬火，齿轮 合金
33、调质钢：40Cr，调质，重要轴合金弹簧钢：60Si2Mn，淬火+中回，汽车板簧 滚动轴承钢：GCr15，淬火+低回，轴承内外圈,第1章 机械工程材料,第1章 机械工程材料,（1）合金刃具钢1）低合金工具钢 9SiCr：淬火+低回，丝锥、板牙、铰刀CrWMn：淬火+低回，长丝锥、拉刀2）高速钢：W18Cr4V，淬火+回火，整体刀具,2.合金工具钢,第1章 机械工程材料,（2）合金模具钢1）冷作模具钢：Cr12、Cr12MoV，淬火+低回，冷冲模具2）热作模具钢： 5CrMnMo，淬火+高温（中温）回火，热锻模 3Cr2W8V，淬火+回火，热挤压模、压铸模3）塑料模具钢：45、40Cr、T8、5C
34、rMnMo CrWMn、2Cr13,2.合金工具钢,第1章 机械工程材料,要求：高硬度、高耐磨、尺寸稳定尺寸小、低精度：T10A、T12A，塞规、样板精度较高：9SiCr、CrWMn，环规、螺纹塞规高精度量规：GCr15,3.合金量具钢,第1章 机械工程材料,（1）不锈钢1）铬不锈钢（铁素体不锈钢、马氏体不锈钢）1Cr13、2Cr13：气轮机叶片、家用物品3Cr13：医疗器械、弹簧、阀门7Cr17：刃具、量具、滚动轴承2）铬镍不锈钢（奥氏体不锈钢）1Cr18Ni9Ti：耐蚀性更好,固溶处理(2）耐磨钢:ZGMn13，拖拉机履带,4.特殊钢,第1章 机械工程材料,1.6 铸铁,铸铁:含碳量大于2
35、.11%（一般为2.5%5%）并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。根据碳的存在形式及石墨形态不同，铸铁可分为白口铸铁:碳全部以渗碳体形式存在，其断口呈银白色很少直接使用，主要用作炼钢或生产铸铁的原料。灰口铸铁:基体+片状G可锻铸铁:基体+团絮状G球墨铸铁:基体+球状G碳大部或全部以石墨形式分布在金属基体上。,第1章 机械工程材料,1.6.1 铸铁的石墨化,铸铁的石墨化：铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程。石墨来源：铸铁中的石墨可由液体或奥氏体中析出，也可由渗碳体分解得到。影响：化学成分的影响：C、Si、P、S、Mn冷却速度的影响：慢有利于G,第1章 机械工程材料,1.6.2 灰铸铁,灰铸
36、铁：碳大部或全部以片状石墨形式出现的铸铁，因断口呈灰色。生产工艺简单，价格低廉，工业应用最广。1.组织特点：金属基体+片状石墨根据基体组织不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁：组织是铁素体+片状石墨铁素体-珠光体灰口铸铁：铁素体+珠光体+片状G珠光体灰口铸铁：组织是珠光体+片状石墨,第1章 机械工程材料,1.6.2 灰铸铁,a）铁素体基体,b）铁素体-珠光体基体,c）珠光体基体,第1章 机械工程材料,1.6.2 灰铸铁,2.性能特点抗拉强度低，塑性、韧性很差。但石墨对铸铁的抗压强度和硬度影响不大，石墨的存在，也使灰铸铁获得良好的耐磨性、抗震性、切削加工性和铸造性能，缺口敏感性也较低。3.常用热
37、处理热处理仅限于消除内应力退火、表面淬火处理,第1章 机械工程材料,1.6.2 灰铸铁,4.牌号、性能及用途,第1章 机械工程材料,1.6.3 可锻铸铁,可锻铸铁:又称马铁，它是用具有一定含碳、硅的白口铸铁，经过石墨化退火获得。（1）组织特点:在钢基体上分布着团絮状石墨。分类：黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁。（2）性能特点 因为团絮状石墨对基体的割裂作用小，也减轻应力集中现象，所以可锻铸铁的强度、塑性、韧性等机械性能均比灰铸铁好。但可锻铸铁并不可以锻造。,第1章 机械工程材料,1.6.3 可锻铸铁,（3）牌号及用途可锻铸铁的牌号是以可锻铸铁的汉语拼音字头“KT” 并以H、Z、B为种类标志写于“KT
38、”后，分别表示黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。 牌号举例： KTH300-06、KTZ550-04、KTB350-04由于可锻铸铁生产周期长，工艺复杂，成本高，不少可锻铸铁零件已逐渐被球墨铸铁所替代。,第1章 机械工程材料,1.6.4 球墨铸铁,球墨铸铁：采用普通灰口铸铁的原料熔化后经球化处理获得的。过程：球化处理是在铁水出炉后浇铸前，向铁水中加入适量球化剂和墨化剂，促进碳呈球状石墨析出。常用的球化剂有镁、镁合金、稀土镁合金。常用的墨化剂（孕育剂）有硅铁、硅钙合金等。（1）组织特点：钢基体+球状石墨。球墨铸铁可分为铁素体球墨铸铁、铁素体珠光
39、体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。,第1章 机械工程材料,1.6.4 球墨铸铁,（2）性能特点球墨铸铁有良好的机械性能，其强度、塑性、韧性等大大超过灰口铸铁，优于可锻铸铁，并且接近于相应组织的钢。可以通过合金化及热处理（退火、正火、调质、等温淬火）来改善与提高它的性能，可焊性也较好。典型应用：发动机曲轴、连杆、凸轮轴和机床主轴、蜗轮、蜗杆等。,第1章 机械工程材料,1.6.4 球墨铸铁,（4）牌号及用途 球墨铸铁的牌号用字母QT和两位数字组成，第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低伸长率。如： QT600-3,第1章 机械工程材料,1.7 有色金属,钢铁材料通常称为黑色金属。黑色金属以外的各
40、种纯金属及合金，称为有色金属，亦称非铁金属。,第1章 机械工程材料,1.7.1 铝及铝合金,1.纯铝纯铝的熔点为657，密度为2.72g/cm3。具有良好的导电、导热和耐蚀性。纯铝强度低、硬度低（b：80MPa100MPa，20HBS），塑性很好（=30%50%，=80%）。可制成丝、线、箔、片、棒、管和带等。铝的导电和导热性能良好，仅次于银、铜、金而居第四位。工业纯铝的代号为L1、L2、L7，数字表示编号，编号越大，纯度越低。通常用来制造导线、电缆及生活用品，或作为生产铝合金的原材料。,第1章 机械工程材料,1.7.1 铝及铝合金,2.铝合金的分类形变铝合金：加热时能形成单相固溶体组织，塑性
41、好，宜于压力加工。铸造铝合金：熔点低，流动性好，适于铸造成形。（1）常用形变铝合金防锈铝：LF5，制作铆钉、油箱硬铝：LY11-cz，中等强度结构件超硬铝：LC4飞机大梁、起落架等高强度件锻铝：LD5，中等强度结构件，可锻造,第1章 机械工程材料,1.7.1 铝及铝合金,2）铸造铝合金铸造铝合金分为AlSi系、AlCu系、AlMg系、AlZn系四种。牌号：用字母Z+铝的元素符号+主要合金元素的化学符号+数字表示。数字表示元素的平均含量。铝硅铸造合金：ZLSi12其它铸造铝合金：铝铜合金：ZAlCu5Mn，内燃机汽缸头铝镁合金：ZAlMg10，舰船配件铝锌合金：ZAlZn11Si7，汽车、飞机复
42、杂配件,第1章 机械工程材料,1.7.2 铜及铜合金,1.纯铜俗称紫铜，熔点为1083，密度为8.9g/cm3，具有良好的导电、导热性能，其导电、导热性仅次于银而位居第二。优良的抗蚀性。铜无磁性，塑性高（=50%），但强度较低，b=200240MPa，不能通过热处理强化，只能采用冷加工进行形变强化，但一般不宜直接作为结构材料使用。纯铜主要用作导线、铜管、电极、防磁器材等。工业纯铜的代号为T1、T2、T3、T4，数字代表序号，序号越大，纯度越低。,第1章 机械工程材料,1.7.2 铜及铜合金,2.黄铜：是以锌作为主要合金元素的铜合金。按化学成分，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。普通黄铜：H62
43、，用于导电、耐蚀、防磁结构件，如：螺钉、螺母、垫圈特殊黄铜：HPb59-1，WCu=59%，WPb=1%用作蜗轮、齿轮、轴,第1章 机械工程材料,1.7.2 铜及铜合金,3.白铜：是以Ni为主要合金元素（含量低于50%）的铜合金。简单白铜：其牌号以“B+数字”表示，数字表示镍的含量，如B30表示含镍30%的白铜合金；特殊白铜：在简单白铜的基础上加入了Fe、Zn、Mn、Al等的铜合金，其牌号以“B+主要辅加元素符号+镍的百分含量+主要辅加元素含量”表示，如BFe5-1，表示含镍5%、铁1%的白铜合金。,第1章 机械工程材料,1.7.2 铜及铜合金,4.青铜青铜：是指黄铜、白铜以外的铜合金。铜锡合
44、金称为锡青铜，其它青铜称为特殊青铜。青铜的牌号为“Q+主加元素符号+主加元素的百分含量” 。例如QSn4-3表示含锡4%，含锌3%的压力加工青铜。青铜合金中，工业用量最大的为锡青铜和铝青铜，强度最高的为铍青铜。铸造青铜：ZQSn6-6-3、ZQSn10-1，用于蜗轮等耐蚀、耐磨重要零件。,第1章 机械工程材料,1.8 硬质合金和超硬刀具材料,1.8.1 硬质合金硬质合金是用一种或几种难熔的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）与金属粘结剂（Co、Ni、Mo等）在高压下成形并在高温下烧结而成的粉末冶金材料。硬质合金是制造金属切削刀具的重要材料。1.特点：（1）硬度高 （2）热硬性好（3）
45、耐磨性好，刀具寿命长（4）抗压强度高缺点是抗弯强度低（仅为高速钢的1/31/2），韧性差、脆性大、抗冲击性差。,第1章 机械工程材料,1.8 硬质合金和超硬刀具材料,2硬质合金的分类和牌号硬质合金的种类很多，目前常用的可分为以下三类：1）钨钴类硬质合金YG8：加工脆性材料，如铸铁2）钨钛钴类硬质合金YT14：加工塑性材料，如钢3）通用硬质合金YW1：具有较好的综合切削性能，既可加工铸铁、有色金属，也可加工钢，尤其适合于加工不锈钢、耐热钢、高速钢、高锰钢等难加工材料，所以通用类硬质合金又称“万能硬质合金”。,第1章 机械工程材料,1.8.2 超硬刀具材料,1金刚石优点：金刚石有极高的硬度，是自然界中最硬的材料，其显微硬度可达10000HV（700多HRC），因而有极高的耐磨性。金刚石导热性优越，散热快。金刚石刃具能长期保持刃口的锋利，切下很薄的切屑，这对于精密加工有重要的意义。缺点：脆性很大，且在高温下（一般小于700）与铁有很大的亲和力，刀具会很快磨损，因此金刚石刀具不能用于切削含铁的金属，只能用在有色金属和非金属材料上。,第1章 机械工程材料,
