模块3工程材料

模块三工程材料,项目一黑色金属材料,金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合金分为两大类型：,黑色金属铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；占工业用材的95。,有色金属除黑色金属以外的所有金属及其合金；仅占工业用材的5。,活动一金属材料的力学性能,是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。,力学性能,外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。,载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。,指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。,强度,金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。,单位:MPa,分：抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。,2.硬度,是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。,硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。,布氏硬度测定-把一定直径的淬火钢球，以规定的载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，然后按公式计算出布氏硬度HB值，或查表求出。,布氏硬度,布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。,简单标注：200230HB或300330HBS,洛氏硬度（HR）,洛氏硬度试验是在洛氏硬度试验机上用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，先施加98N试验力，再施加主试验力，总试验力为588N、980N、1471N三种。,维氏硬度（HV）,维氏硬度试验法是用一种顶角为136的金钢石角锥压头，在载荷p作用下，试样表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d（mm）供以计算硬度值。,维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。,冲击韧性实验,Ak=h1-h2,3.冲击韧性,冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力,4.疲劳强度-1,80%的断裂由疲劳造成,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。,条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。,陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。,铸铁,含碳量在2.116.69的铁碳合金称为铸铁。,铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能以及减震性、耐磨性，铸铁生产工艺简单、成本低，应用广泛。特别是球墨铸铁和合金铸铁的应用，提高了铸铁的机械性能，形成了以铁代钢的趋势。,在汽车上，约5070的金属材料为铸铁。如气缸体、气缸盖、活塞环、变速箱外壳、后桥壳等等。,活动二铁碳合金,碳素钢,碳素钢又称碳钢，通常指含碳量小于2.11的铁碳合金。实际使用的碳钢，其含碳量一般不超过1.4。,在实际生产中使用的碳钢不单纯是铁碳合金，还包含有一些杂质元素，（硅、锰、硫、磷等），它们对碳钢的性能有一定的影响。,碳钢的分类：,1、按含碳量分：低碳钢（含碳量小于或等于0.25）；中碳钢（含碳量为0.250.60）；高碳钢（含碳量大于0.60）。,2、按材质（主要根据硫、磷的含量）分：,普通钢（含硫小于0.055、含磷小于0.045）；优质钢（含硫小于0.040、含磷小于0.040）；高级优质钢（含硫小于0.030、含磷小于0.035）；特级优质钢（含硫小于0.025、含磷小于0.030）。,碳钢的不足：,碳钢淬透性低，不适易形状复杂和尺寸大的工件。只能水冷，易变形开裂，性能不均，,强度和屈强比低,回火稳定性差。,不能满足特殊性能的要求。耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。,活动三合金钢,合金钢的分类,1、按合金元素质量分数总量分类,2按用途分类,（1）低合金钢总量低于5,（2）中合金钢总量510,（3）高合金钢总量大于10,（1）合金结构钢,（2）合金工具钢,（3）特殊钢,（低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢）,（合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢）,（不锈钢、耐热钢、耐磨钢）,是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温、和冷却,以获得所需组织结构与性能的工艺.,常用的热处理方法:,普通热处理:退火、正火、淬火、回火感应加热表面淬火表面淬火火焰加热表面淬表面热处理激光加热表面淬火渗碳化学热处理渗氮碳氮共渗,活动四钢的热处理,热处理,1、退火和正火,退火-将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，后缓冷却的热处理工艺叫做退火。,据处理的目的和要求不同，刚的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等等。,退火的目的:降低硬度,提高塑性.细化晶粒消除内应力,1)完全退火,又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上2030，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）。以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的:通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。由于冷却速度缓慢，还可能消除内应力。应用：主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用。,2)等温退火,是将钢件或毛坯加热到高于Ac的温度保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的：与完全退火相同但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，长可大大缩短退火时间。应用：奥氏体较稳定的合金钢，尤其高合金钢。,3)球化退火,目的:是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化(退火前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度,改善切学加工性能;并为以后的淬火作组织准备.应用：用于过共析钢,如工具钢,滚珠轴承钢等。,4）均匀化退火,将其加热到Ac3以上150-250C，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺。均匀化退火后钢的晶粒很大，因此一般再进行完全退火或正火处理。目的和应用：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。,5）去应力退火,为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，去应力退火是将钢件加热至500650，保温，然后随炉冷却，这种处理可以消除约50%80%的内应力，不引起组织变化。,2、正火,钢材或钢件加热到Ac和Acm以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的人处理称为正火。正火与完全退火的主要差别在与冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：,1）作为最终热处理正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。,2）作为预先热处理为球化退火作组织准备,3）改善切削加工性能低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切削加工性能。,3、淬火和回火,淬火：,将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。,(1)淬火温度的选定一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac以上，共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上。,(2)加热时间的确定加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此为保温时间的开始。保温阶段指钢件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间。,(3)淬火冷却介质水、盐水适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。机油和柴油一般用作为合金钢的淬火介质。盐浴、碱浴和硝盐浴常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。,(4)淬火方法,单介质淬火法采用一种介质冷却，操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。双介质淬火能有效的减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。等温淬火大大降低了钢件的内应力，减少变形，适用于处理复杂和精度要求高的小件，如弹簧、螺栓、小齿轮、轴及丝锥等。,3、回火,钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫回火。,根据回火温度的高低，一般将回火分为三种：,（1）低温回火（150-250）,低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件的韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。,（2）中温回火（350-500）,应用主要用于处理各种弹簧及需要高屈服强度的零件。,（3）高温回火（500-650）,高温回火的目的：获得良好的综合机械性能。淬火+高温回火调质处理,4钢的表面热处理,仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理，也叫表面淬火。,种类:有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理，最常用的是前两种。,目的:提高工件表面的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度，而心部具有足够的塑性和韧性。,项目二有色金属,黑色金属(铁、铬、锰及其合金)之外的其它金属如铝、铜、铅、钛等等统称为有色金属。有色金属具有很多优越性能，例如，铜有良好的导电性和低温韧性；铝的相对密度小，耐硝酸腐蚀；铅能防辐射，耐稀硫酸等多种介质的腐蚀。有色金属种类繁多、用途极广。,一、纯铝特性：1、熔点低，比重小。熔点为660密度2.72g/cm32、导电性好，仅次于银、铜、金；导热性好，比铁几乎大三倍。3、面心立方晶格，强度低（b=80-100MPa），塑性好（=80%），可以通过压力加工成各种型材，与其面心立方晶体有关。4、抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。,。,活动一铝及其合金,二、铝合金,（1）变形铝合金变形铝合金按其性能和用途分为：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。,卫星天线（LF2）,（2）铸造铝合金,合金系：AlSiAlCuAlMgAlZn特点：铸造性能好（Al-Cu合金差）用途：制作泵、阀、离心机等,活动二铜及其合金,1、纯铜（紫铜）物理性能：密度为8.93g/cm3，熔点为1083，塑性好，表现出优异的冷、热压力加工性能，导电、导热性能很好。强度低，不能作为结构材料使用。根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。,2、黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。,（1）普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。,（2）、特殊黄铜在普通黄铜基础上加入Si、Mn、Al等元素形成特殊黄铜。特殊黄铜的牌号为：特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,黄铜制品,（3）青铜铜与锌以外的元素组成的合金统称为青铜。特性：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。常用青铜有锡青铜、铝青铜、硅青铜、铅青铜等。,青铜制品,锡青铜：铜与锡的合金锡含量一般为314%锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小。锡青铜具有良好的耐蚀性，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。主要用于耐蚀承载件，如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,（四）白铜以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。常用牌号有B5、B19等。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等。,白铜件,活动三轴承合金,制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。,一、组织性能要求当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。对轴承合金的性能要求：足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷。较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性。较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。,ZSnSb11Cu6合金的显微组织（基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn）,1、锡基轴承合金是以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。典型牌号为ZSnSb11Cu6。,二、常用轴承合金工业上常用的是锡基、铅基轴承合金，又称巴氏合金。,锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过150，价格高。,巴氏合金轴瓦,广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等