金属材料及热处理 教案课件内容部分第六章到第八章.docx

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金属材料及热处理教案课件内容部分第六章到第八章

机械工程材料

第一节工业用钢

钢铁材料又称黑色金属材料，是以铁和碳元素为主要化学成分的一系列金属材料—钢、生铁、铸铁和铸钢的总称。

各行各业都用钢，为了保证钢的质量，国家及有关部门对各种钢作了规格和标准。

GB-国家规定的标准；YB—冶金部规定的标准。

一、钢的分类

根据合金元素含量可分为：

1、非合金钢：

普通质量非合金钢

优质非合金钢

特殊质量非合金钢

2、低合金钢：

普通质量低合金钢

优质低合金钢

特殊质量低合金钢

3、合金钢：

优质合金钢

特殊质量合金钢

二、杂质元素和合金元素在钢钟的影响

钢中基本元素为：

Fe、C；

杂质元素主要有：

Si、Mn、S、P。

1.Si、Mn

在碳钢中ωsi≤0.37%ωmn=0.25%--0.8%对力学性能影响不大。

但作为合金元素，可提高钢的力学性能。

2.S、P

S:

Fe在固态时几乎不溶，液态时溶解大量的S，凝固时FeS析出（熔点1190℃）

当钢加热到1000℃--1200℃进行塑性成型加工时，FeS→熔化→导致钢沿晶界开裂—这种现象叫钢的“热脆”。

P：

Fe在固态、液态时都能溶解P，固态时P全部溶入铁素体中，P能使铁素体的σ↑，但δ↓↓.ak↓↓。

当ωp=0.3%时钢室温下的ak≈0这种现象叫钢的“冷脆”。

S→热脆P→冷脆，是有害元素越少越好，因此衡量钢的质量的主要指标为含S、P量。

3.气体与非金属夹杂物

1）氢脆：

氢分子—大的气压—白点—氢脆

2）氮的时效：

来不及逸出的氮，放置一段时间后，以氮化物的形式析出，使钢变脆。

3）氧以氧化物的形式存在于钢中，形成非金属夹杂物，如SiO2、MnO、Al2O3等，降低钢的塑性、冲击韧性和疲劳强度等。

4、合金元素在钢中的作用

为了提高钢的性能，在炼钢时有意识地向钢中加入一些合金元素，这样获得的钢称为合金钢。

钢中常加合金元素有：

Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Co、B、Re等。

1）对钢的基本相及其性能的影响

（1）渗入铁素体，

总的趋势：

随着合金元素的增加，强度硬度上升，塑性韧性下降。

（2）渗入渗碳体

（a）形成合金渗碳体，如Mn、Cr、Mo、W等。

（b）形成复杂碳化物，如Mn、Cr、Mo、W等。

（c）形成简单碳化物，如Ti、Zr、Nb、V等。

以上三类碳化物比渗碳体稳定性高，熔点和硬度也更高。

如经热处理，使碳化物呈颗粒状，强度硬度上升，而冲击韧性不下降。

3）对热处理的影响

（1）加热温度、加热速度、保温时间及晶粒度的影响。

（2）淬透性提高。

（3）提高回火稳定性，产生二次硬化及回火脆性。

钢在回火时的组织转变主要是马氏体分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程是依靠元素的扩散来完成的。

（a）弥散硬化或沉淀硬化

（b）A残向马氏体转变产生的硬化。

（c）回火脆性：

当温度在250~350℃和500~650℃回火时，钢的冲击韧性不但不升高反而下降的现象。

第一类回火脆性（250~350℃）

一旦形成，无法消除。

办法就是避开该温度。

第二类回火脆性（500~650℃）

消除办法：

将工件重新加热至600℃以上，然后快速冷却。

避免办法：

a）保温后快速冷却；

（b）加入Mo0.3%或W1%，缓冷也不会出现回火脆性。

4）合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

（1）使奥氏体区扩大的元素有Mn、Ni、Co、Cu等。

其中Mn13、Ni9的室温组织为单一的奥氏体组织。

（2）使奥氏体区缩小的元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。

其中Cr17的室温组织为单一的铁素体组织。

（3）使S点、E点左移，如W18（W18%、C0.7~0.8%）高速工具钢，铸态组织中有莱氏体组织。

三、常用非合金钢

按照钢的用途和质量可分为：

碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。

1、碳素结构钢

1）化学成分：

ωc=0.09%--0.33%ωMn=0.37%--0.65%ωsi=0.30%

ωs≤0.035--0.05%ωp≤0.035%--0.045%

2）牌号：

由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。

Q235AF

3）组织：

较多的F+较少的P

4）性能：

因为碳低，焊接性能好

5）用途：

适合于扎制成钢板、钢带型钢等。

用于制做不需热处理的焊接、铆接、栓接构件及螺栓螺母等零件

2、优质碳素结构钢

1）化学成分：

Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤0.035%

2）牌号：

两位数字+符号表示数字表示含碳量万分之几，符号如果是F则表示是沸腾钢。

例：

08F15F

3）分类：

（1）低碳钢

（a）化学成分：

WC≤0.25%

（b）组织：

退火状态下，组织为较多的F和较少P

（c）性能：

σ和HBS低，而δ.ak好，焊接性好。

（d）用途：

08F、10F、15F冷变形加工成型件。

机壳、容器。

10~25钢各种标准件、轴套、容器等。

（2）中碳钢

（a）化学成分：

WC=0.30%～0.6%

（b）组织：

F+P，

（c）性能：

σ、HBS比低碳钢略高，而δ、ak略低。

具有良好的综合力学性能，切削加工性好，但焊接性一般。

（d）用途：

用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。

（3）高碳钢

（a）化学成分：

WC>0.60%

（b）组织：

T回（淬火+中温回火）

（c）性能：

在淬火+中温回火后，具有较高的σ和良好弹性也叫弹簧钢。

具有较好的耐磨性和中等硬度。

（d）用途：

主要用于制作弹簧和易磨损的零件。

3、碳素工具钢

1）化学成分：

Wc=0.65%--1.35%

2）牌号：

T+数字表示T—碳数字表示千分含量。

若是特殊质量则数字后面加A。

例：

T8A→0.8%的特殊质量的碳素工具钢

3）组织：

M回（淬火+低温回火处理）

4）性能：

具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。

5）用途：

用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等

四、常用低合金钢

1、化学成分：

C＜0.2%，

∑合金元素＜5%

常加合金元素：

Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。

2、牌号表示方法：

与碳素结构钢基本相同。

3、低合金钢的性能特点

（a）具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。

（b）具有良好的焊接性。

（c）具有较高的抗大气腐蚀性。

五、常用合金结构钢

化学成分特点：

C0.15~0.45%

主加合金元素Si、Mn、Cr、Ni等。

附加合金元素：

Ti、V、Mo、W、Al等。

牌号表示方法：

数字+元素符号+数字

1、合金渗碳钢

1）化学成分特点：

wc=0.10~0.25%

主加合金元素：

Cr、Mn

辅加合金元素：

Ni、B、W、Mo、V、Ti等。

2）金相组织：

表层为高碳回火马氏体

心部为低碳马氏体或珠光体+铁素体

3）典型零件：

变速箱齿轮、齿轮等常用的20CrMnTi钢。

2、合金调质钢

1）化学成分特点：

wc=0.25~0.55%

主加合金元素：

Mn、Cr、Si、Ni

辅加合金元素：

V、Mo、Ti、W

2）调质后的金相组织：

回火索氏体

3）典型零件：

受冲击载荷较大的齿轮常用40Cr、40CrMnMo等

3、弹簧钢

1）化学成分：

WC=0.45~0.70%

常加合金元素：

Si、Mn、Cr

辅加合金元素：

W、Mo、V、B等。

2）金相组织：

回火托氏体

3）性能特点：

（a）较高的弹性极限；

（b）屈强比高（ós/ób）；

（c）疲劳强度高；

（d）足够的冲击韧性；

（e）良好的表面质量。

4）典型零件：

汽车减振弹簧常用55Si2Mn

六、特殊性能钢

1、不锈钢

在腐蚀性介质（如水、海水、酸、碱等）中具有抗腐蚀性能的钢，称为不锈钢。

1）金属有两种基本腐蚀形式：

化学腐蚀和电化学腐蚀。

2）提高金属耐腐蚀性的一般途径：

（1）提高金属的电极电位；

（2）使金属在常温下成为单一组织，避免形成原电池；

（3）使金属表面形成致密的保护模（即金属的钝化），阻止腐蚀介质继续向金属内部侵蚀。

3）提高耐腐蚀性的措施：

（a）在钢中加入一定量（＞13%）的铬。

铬的作用：

一是在金属表面形成一层富铬的氧化物保护模；

二是提高其电极电位。

（b）在钢中加入一定量（＞9%）的镍，使钢在室温下成为单一奥使体组织。

4）不锈钢的化学成分特点：

（1）含碳量低。

大多数C=0.1~0.2%，而且腐蚀性要求越高，含碳量越低，只有制造刃具和滚动轴承的不锈钢C=0.85~0.95%，但同时必须提高含Cr量。

（2）铬含量大于13%

（3）对腐蚀性要求高的不锈钢，还要加入一定量的镍。

5）不锈钢的分类：

按基体组织的组成不同分为：

（1）铁素体型

（2）奥氏体型

（3）奥氏体-铁素体型

（4）马氏体型等。

2、耐热钢

耐热钢是制造在高温下工作的零件或构件。

金属的耐热性是一个包含高温抗氧化性和高温强度两方面内容的综合概念。

提高钢的高温抗氧化性的主要方法是：

在钢中加入足够的Cr、Si、Al等合金元素，使钢在高温下与氧接触时表面形成一层致密的高熔点的氧化模，阻止氧向内扩散。

提高钢的高温强度的方法是：

在钢中加入能提高钢的再结晶温度的合金元素，如W、Mo、V、B等。

3、高锰钢

1）化学成分特点：

C=0.90~1.50%

Mn=11~14%

2）金相组织：

奥氏体

3）在受强烈撞击的工矿条件下，工件表层产生加工硬化层，而心部仍保持高韧性。

4）典型零件：

坦克履带、挖掘机铲齿等常用ZGMn13

第二节铸铁

铸铁是含C量大于2.11~6.69%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。

工业上所有的铸铁实际上不是简单的铁碳合金，而是以Ｆｅ、Ｃ、Si为主要元素的多元合金。

其成分范围大致为：

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%，有时还加入合金元素生产合金铸铁。

铸铁中C的存在形式主要有两种：

1、化合态—Ｆｅ3Ｃ

2、游离态—石墨（G）：

软而脆，强度<20MPa，塑性几乎为0的组织。

一、铸铁的分类

1、灰口铸铁：

碳以游离石墨形式存在，根据石墨的形态不同又分为，普通灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁

2、白口铸铁：

碳以化合态渗碳体形式存在

3、麻口铸铁：

碳一部分以渗碳体形式存在，另一部分以石墨形式存在。

二、常用铸铁

1、普通灰铸铁

碳主要以石墨形式存在的铸铁，断口呈灰色。

（1）灰铸铁的显微组织

（a）基体组织：

F、P、F+P

（b）C：

片状石墨

（2）力学性能

（a）缺点：

力学性能低。

虽然基体中溶入了Mn、Si，强化了基体，但由于石墨的缩减作用和切割作用，却使灰铸铁的力学性能大大降低。

（b）优点：

灰铸铁的减振性、耐磨性、导热性好，缺口敏感性低。

（3）铸铁的石墨化条件和石墨化过程

1）石墨化条件

（a）含有足够的促进石墨化的元素，如Si、Al等。

（b）冷却速度足够缓慢。

2）石墨化过程

一次石墨化：

从铁液中直接结晶出

共晶石墨化：

共晶反应中析出

二次石墨化：

从奥氏体中析出

共析石墨化：

共析反应中析出

（3）影响灰铸铁组织形成的主要因素

1）化学成分的影响：

C：

越高，产生的石墨越多。

Si：

强烈促进石墨化的元素。

S：

强烈阻碍石墨化的元素，使铸铁流动性降低，收缩率增大。

Mn：

阻碍石墨化，但有除S作用，并促进珠光体生成。

P：

对石墨化影响不大，但会增大脆性。

2）冷却速度的影响：

慢冷—灰口铸铁；快冷—麻口甚至白口铸铁。

（4）用途：

用来制做各种主要承受应力，并要求减振性、耐磨性好及缺口的敏感性低的机械零件。

如：

机床床身、机架、导轨等。

（5）牌号：

HT+数字如：

HT200、HT250等。

（6）提高灰铸铁力学性能的措施

1）改变石墨形态；

2）强化基体。

2、蠕墨铸铁

（1）显微组织：

铸铁中的石墨大部分呈蠕虫状。

特征：

石墨片短而厚，长度与厚度之比为2—10，且头部较圆，呈蠕虫状。

（2）性能：

1）力学性能高于灰铸铁。

2）具有良好的热导性。

（3）用途：

制做各种要求强度、硬度较好和导热率较高的铸件，如重型机床床身、箱体及内燃机的气缸盖、活塞环等。

（4）牌号：

RuT+数字

3、可锻铸铁（又称玛钢）

（1）概念：

将白口铸铁通过固态石墨化处理（包括有或无脱碳过程），得到的具有团絮状石墨的铁碳合金。

（2）分类：

1）黑心（铁素体）可锻铸铁与珠光体可锻铸铁

2）白心可锻铸铁

（3）组织：

1）：

铁素体可锻铸铁：

F+G（团絮状）

2）：

珠光体可锻铸铁：

P+G（团絮状）

（4）性能：

1）：

铁素体可锻铸铁：

具有一定的强度和较高的韧性。

2）：

珠光体可锻铸铁：

强度高、硬度高、耐磨性好。

（5）用途：

•铁素体可锻铸铁：

用于制造承受冲击和振动的零件。

例：

弹簧钢板支座、机床上用的把手、农机零件和建筑用扣件等。

•珠光体可锻铸铁：

用于制造铸造曲轴、凸轮轴、连杆及齿轮重要零件。

（6）牌号：

•铁素体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）

KTH+数字+数字

例：

KTH300-06бb≥300N/mm²δ≥6%

珠光体可锻铸铁：

只是将KTH中的“H”改成“Z”，其它不变。

4、球墨铸铁

用球化剂对铁液进行处理，使石墨大部或全部呈球状的铁碳合金。

球墨铸铁具有接近灰铸铁的铸造性能，又具有接近铸钢的力学性能，具有广泛的应用前景。

•铁素体球墨铸铁：

高韧性。

•珠光体球墨铸铁：

高强度。

•贝氏体球墨铸铁：

耐磨。

•奥氏体-贝氏体球墨铸铁：

耐磨。

•马氏体-奥氏体球墨铸铁：

抗磨。

性能：

1）强度、塑性、韧性大大高于灰铸铁，接近铸钢。

2）具有良好的减振性、耐磨性和低的缺口敏感性。

用途：

用于制作强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件。

如：

柴油机、汽车及拖拉机的曲轴、凸轮轴、中压阀门、压缩机的曲轴、连杆等。

牌号：

QT+数字+数字

5、特殊性能铸铁

特殊性能铸铁一般是指具有耐磨、耐热和耐腐蚀等特殊性能的铸铁。

这些铸铁大多是加入了Si、Mn、Al、Cr、Mo、W、Cu、V、B、Ti、Re等合金元素的合金铸铁。

•耐磨铸铁：

高磷铸铁、钒钛铸铁等。

•抗磨铸铁：

白口铸铁、中锰抗磨铸铁、冷硬铸铁等。

•耐热铸铁：

通常加入Si、Al、Cr等合金元素，其作用一是在铸铁表面形成一层致密的氧化模，保护内部不被继续氧化；二是使基体形成单一的铁素体组织，防止铸铁的生长。

•耐蚀铸铁：

原理与不锈钢相同。

第三节有色金属及其合金

v元素周期表中除铁以外的金属均称非铁合金，其中比重小于4.5的非铁合金称为轻金属（如铝、镁、钛等）。

v一般认为，钢的抗拉强度和刚度比大多数非铁金属合金高，但轻合金的比重小，它们的比强度和比刚度都比低碳钢和低合金钢高，所以轻合金在飞行器上得到广泛应用。

一、铝及铝合金

1、工业纯铝

1）物理性能熔点660℃，密度2.7g/cm3,具有良好的导电性（相当于铜的60%）和导热性。

在大气中抗蚀性较高。

2）力学性能强度硬度低（ób=80~100MPa、20HBS）、塑性较高（ä=50%，ö=80%）、冷变形后强度增加不多，但塑性却急剧下降（ä=2~5%），因此铝不易作受力的结构材料。

2、铝合金

通过加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，使铝得到固溶强化、沉淀强化及组织强化，从而得到高强度的铝合金。

1）铝合金的分类

（1）形变铝合金可以通过加热的方法使合金变为单相á固溶体，其塑性很好。

形变铝合金又可分为不能热处理强化的和能热处理强化的两种。

（2）铸造铝合金能够通过热处理来提高强度和硬度。

大多数铸造铝合金也可以热处理强化。

2）铝合金的热处理

（1）退火

a）变形铝合金主要进行再结晶退火，以消除冷压后产生的加工硬化现象。

也称中间退火。

工艺方法：

加热（350~450℃）保温后空冷。

b）去应力退火：

加热至180~300℃保温后空冷。

（2）热处理强化的基本工艺及特点

a）铝合金的强化热处理的方法是淬火加时效处理。

淬火（加热到单相区保温后快速冷却）后，强度和硬度增加不多，塑性却大大提高。

经过时效（自然时效和人工时效）后，强度和硬度才明显提高，合金被强化。

b）铸造铝合金热处理特点

与相变铝合金相比，淬火加热温度更高，保温时间更长，但淬火、时效后的强化效果不如形变铝合金明显。

原因是铸造组织粗大。

有的铸造铝合金经过淬火处理后不需时效或不完全时效处理即可提高塑性和强度。

这是因为淬火加热使粗大的化合物溶解，增加了固溶强化效果使成分均匀，从而改善了性能。

3）形变铝合金

形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金等。

（1）防锈铝合金

防锈铝合金是铝-锰或铝-镁系组成的形变铝合金。

特点耐腐蚀性能好，抛光性好，能长时间保持光亮的表面，具有高的塑性和焊接性，不能热处理强化，强度低，只有通过冷加工进行加工硬化。

应用承受中等强度的冷压、焊接件及铆钉等。

（2）硬铝

硬铝又称杜拉铝，是含有铜、镁、锰等元素的形变铝合金。

特点：

具有高的强度和硬度（YL12合金的强度为470MPa），可以热处理强化，但耐腐蚀性能较差。

（3）超硬铝

超硬铝是在硬铝型铝-铜-镁系合金基础上在加入4~6%的锌，形成铝-锌-镁-铜系高强度合金。

超硬铝可作各种结构件。

（4）锻铝

锻铝合金除要求有一定的力学性能和抗蚀性外，还要求在热态下具有高的塑性，以便用来锻造各种锻件或冲压件。

锻铝大多含有铜、镁、硅等元素。

锻后经淬火加时效处理其强度随含铜量的增加而升高，但热塑性和抗蚀性则降低。

在锻造铝合金中加入铁和镍，可提高合金的使用温度，称为耐热锻造铝合金。

4）铸造铝合金

铸造铝合金是指直接用来浇注各种形状机械零件的铝合金。

其合金元素含量一般高于形变铝合金。

特点：

合金流动性好，塑性差，经变质处理和热处理后可提高力学性能。

分类：

铝-硅系合金（又称硅铝明）、铝-铜系合金、铝-锌系合金、铝-镁系合金等。

二、铜及铜合金

1、纯铜

纯铜又称紫铜，熔点1083℃，密度8.9g/cm3，呈面心立方晶格。

特点：

a）具有优良的导电性和导热性；

b）在许多介质中的化学稳定性很高，大气中耐腐蚀；

c）抗拉强度不高（ób=200~250MPa），塑性很好（ä=45~50%）。

冷加工可大大提高铜的强度和硬度，但塑性和导电性降低。

2、铜合金

铜合金分为黄铜、白铜和青铜三类。

1）黄铜

以锌为主加合金元素的铜基合金称为黄铜。

当黄铜中还含有除锌以外的其它合金元素（Pb、Sn、Mn等）时属于特殊黄铜。

特点：

a）具有良好的力学性能、加工成型性、导电性和导热性；

b）色泽美丽、价格较低。

黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两大类。

按生产工艺特点又分为变形黄铜和铸造黄铜。

黄铜是重有色金属中应用最为广泛的金属材料。

2）白铜

以镍为主要合金元素的铜基合金称为白铜。

再加入其它合金元素（如Zn、Mn、Fe等）时称为复杂白铜。

特点：

具有很高的耐蚀性，优良的冷、热加工性。

应用：

广泛用于制造精密仪器、仪表、化工机械及医疗器械中的关键零件。

3）青铜

除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜。

分类：

锡青铜、铝青铜、铍青铜等。

（1）锡青铜以锡为主加合金元素，特点是耐蚀、耐磨、强度高、塑性好。

（2）铝青铜以铝为主加合金元素，特点是具有良好的力学性能，耐蚀性和耐磨性好，并能进行热处理强化。

（3）铍青铜

以铍为主加合金元素的铜基合金称为铍青铜。

特点：

a）能通过热处理强化，有很高的强度、硬度、疲劳极限和弹性极限，而且耐蚀、耐磨、无磁性，导电和导热性好。

b）受冲击无火化。

c）冷热加工性能好，铸造性能也好。

应用：

a）高级精密弹性零件及特殊要求的耐磨零件。

b）高速、高温、高压零件。

c）防爆合金，如炼油厂常用的防爆工具。

三、钛及钛合金

1、钛及其合金的性能

纯钛的密度4.5g/cm3，熔点1660℃，

钛及其合金的性能特点：

a）抗蚀能力强，尤其是抗海水及其蒸气腐蚀能力比铝合金、不锈钢和镍合金还高。

b）在各种浓度的硝酸和铬酸中以及稀硫酸、苛性碱溶液中的稳定性好。

c）焊接性好，低温韧性好，强度低，塑性好。

易于冷压力加工。

d）突出缺点是工艺性差。

切削加工性很差，冷变形易开裂，在热加工时易吸收氢、氧、氮碳等杂质，导致塑性和冲击韧性降低，为热加工（铸、锻、焊、热处理）带来不少麻烦。

2、分类及特性

钛合金按其退火后的组织可分为三个类型，即α型、β型和α+β型。

1）α型钛合金

α型钛合金所含的合金元素主要为铝和锡，单相，不能热处理强化。

特点：

室温强度不高，但温度在400℃以下时的性能较好，组织稳定，焊接性能好，焊缝韧性高。

应用：

通常用于制造350℃以下经冲压或焊接成型的零件。

2）β型钛合金

β型钛合金能热处理强化，焊接性及压力加工性均好，但性能不稳定，冶炼工艺也较复杂，所以目前不常用。

3）α+β型钛合金

α+β型钛合金的力学性能变化范围宽，可适应各种不同的用途。

可进行热处理强化。

特点：

与α型钛合金相比，工艺性较好，便于压力成型，但焊接性差。

高温下具有较大的热强度。

应用：

TC4（Ti-6Al-4V）用途最广，用量占现有钛合金的一半。

常用来制造400℃下长期工作的零件。