哈工大金属工艺学补充教材 第四章

1、第四章常用工程材料4.1 钢铁材料在铁碳合金中,碳质量分数小于2.11%的合金称为钢。碳钢冶炼简便,加工容易,价格便宜,而且在一般情况下能满足使用性能的要求,是应用最多的工程金属材料。一、钢的分类按化学成分分类,可分为碳素钢和合金钢两大类;按用途分类,可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类;按质量分类,主要分为普通钢、优质钢和高级优质钢三类。按照脱氧程度可分为镇静钢和沸腾钢等。二、碳素钢碳素钢(简称碳钢的含碳量在1.5%以下,并含有硅、锰、磷、硫等杂质。碳素钢分如下三类:(1碳素结构钢w c<0.38%,而以<0.25%的最为常用,即以低碳钢为主。尽管S、P等有害杂质的含量较高,但性

2、能上扔能满足一般工程结构、建筑结构及一些机件的使用要求,且价格低廉,因此得到了广泛的应用。常见碳素结构钢的牌号用Q+数字表示,其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首,数字表示屈服强度的数值。例如,Q275表示屈服强度为275MPa的碳素结构钢。若牌号后面标注字母A、B、C、D,则表示钢材质量等级不同,即硫、磷含量不同。其中A级钢含硫、磷量最高,D级钢含硫、磷量最低,即A、B、C、D表示钢材质量依次提高。Q235是用途最广的碳素结构钢,属于低碳钢,通常热轧成钢板、型钢、钢管、钢筋等。因其铁素体含量较多,故其塑性、韧性优良。常用来制造建筑构件,车辆,不重要的轴类、螺钉、螺母,冲压件,锻件,焊接件

3、等。(2优质碳素结构钢S、P的含量较低(0.035%,主要用来制造较为重要的机件。牌号用两位数字表示,即是钢中平均含碳量的万分数。例如20钢表示平均含碳量为0.20 %的优质碳素结构钢。08、10、15、20、25等牌号属于低碳钢,其塑性好,易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。其中20钢用途最广,常用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴以及冲压件、焊接件,有时也用于制造渗碳件。30、35、40、45、50、55等牌号属于中碳钢,因钢中珠光体含量增多,其强度和硬度较前提高,淬火后的硬度可显著增高。其中,以45钢最为典型,它不仅强度、硬度较高,且兼有较好的塑性和韧性,即综合性能优良。45钢在机械结构中用途最

4、广,常用来制造轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等。60、65、70、75等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后,不仅强度、硬度提高,且弹性优良,常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。(3碳素工具钢碳素工具钢的含碳量高达0.7%1.35%,大多属于共析和过共析钢,它们淬火后有高的硬度(>60HRC和良好的耐磨性,常用来制造锻工、木工、钳工工具和小型模具。碳素工具钢的牌号是以符号“T”起首,其后面的一位或两位数字表示钢中平均含碳量的千分数。例如,T7表示平均含碳量为0.7%的碳素工具钢(属优质钢。对于S、P含量更低的高级优质碳素工具钢,则在数字后面增加符号“A”表示,如T7A

5、。常用的碳素工具钢为T8、T10、T10A和T12等牌号。其中,T8属于共析钢,在上述牌号中韧性最好,多用于制造承受冲击的工具。如錾子、锻工工具等;T10、T10A硬度较高,且仍有一定韧性,常用来制造钢锯条、小冲模等;T12硬度最高,耐磨性好,但脆性大,适用于制造不承受冲击的耐磨工具,如钢锉、刮刀等。三、合金钢合金钢是为改善钢的某些性能、特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%,或者含锰量大于1.0%,也属于合金钢。1、合金结构钢合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能,特别是热处理性能优良,因此便于制造尺寸较大、形状复杂或要求淬火变形小的零件。合金结构钢的牌号通常是以“数

6、字+元素符号+数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数,元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5%,则不标其含量。高级优质钢在牌号尾部增加符号“A”。例如,16Mn、20Cr、40Mn2、30CrMnSi、38CrMoAlA等。2、合金工具钢合金工具钢主要用来制造刃具、模具和量具。其合金元素的主要作用是增加钢的淬透性、耐磨性及红硬性。与碳素工具钢相比,它适合制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。合金工具钢的牌号与合金结构钢类似,不同的是以一位数字表示平均含碳量的千分数,当含碳量超过1%时,则不标出。如

7、9Cr2的平均含碳量为0.9%,CrWMn的平均含碳量为1.0%。9SiCr、9Mn2V是常用的低合金刃具钢,主要用来制造丝锥、板牙等切削速度不高的工具和小的模具。W18Cr4V是典型的高速工具钢,其合金元素含量甚高。用这种钢制成的钻头、铣刀或拉刀,在切削温度高达600时,仍可保持高硬度,故可采用较高的切削速度进行切削。铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金,其主要组成元素为铁、碳、硅和一定量的锰,而硫磷等杂质的含量也比普通碳钢要高。根据碳在铸铁中的存在形式及石墨的形态,可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁等五大类。其中碳在白口铸铁中完全以碳化物的形式存在,极硬且脆,难以

8、机械加工,很少使用。在工业中大量应用的是灰口铸铁,因全部或大部分碳以石墨形式存在,断口呈浅灰色,故称为灰口铸铁(灰铁,其产量占铸铁总产量80%以上。一、灰口铸铁普通灰口铸铁的组织由片状石墨和钢的基体组成,其片状石墨形态或直或弯且不连续。钢的基体根据石墨化进程不同可以是铁素体,铁素体+珠光体或珠光体三种。灰铸铁的牌号以其力学性能来表示,以“HT”起首,表示灰铸铁,其后以三位数字表示其最低抗拉强度。例如HT200表示以30mm单个铸出的试棒测出的抗拉强度值大于200MPa(但小于300 MPa。与普通钢材相比,灰铸铁具有如下性能特征:力学性能差;优良的减振性和耐磨性;缺口敏感性小;工艺性能好。二、

9、可锻铸铁可锻铸铁又称马铁,是将白口铸铁经石墨化退火而成的一种铸铁。由于其石墨呈团絮状,大大减轻了对金属基体的割裂作用,故其力学性能比灰铸铁高,抗拉强度得到显著提高,如b一般达到300400MPa,最高可达700 MPa,塑性、韧性也较高,(12%,K30J/cm2,可锻铸铁就是因此而得名,其实它并不能真的用于锻造。可锻铸铁的牌号中,“KTH”和“KTZ”分别表示铁素体基体可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁的代号,代号后的第一组数字表示铸铁的最低抗拉强度,第二组数字表示其最低延伸率。如KTH350-10表示铁素体可锻铸铁,其最低抗拉强度为350MPa,最低延伸率为10%。铁素体可锻铸铁具有较高的塑性和

10、韧性,且铸造性能好,常用于制造形状复杂、承受冲击和振动的薄壁零件,如汽车、拖拉机的后桥壳、轮壳、转向机构及管接头等;珠光体可锻铸铁强度和耐磨性较好,可用于制造曲轴、连杆、凸轮、活塞等强度和耐磨性要求较高的零件。三、球墨铸铁石墨呈球状的即为球墨铸铁,因此对金属基体的割裂作用进一步减轻,基体比较连续,且在拉伸时引起应力集中的效应明显减弱,从而使基体的作用可以从灰铸铁的(3050%提高到(7090%。与灰铸铁相比,球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限,也具有相当良好的塑性、韧性及耐磨性,是力学性能最好的铸铁。另外其刚性也比灰铸铁好,但球铁的减振性比灰铸铁低很多。球墨铸铁的牌号中QT表示“球铁”,

11、后面两组是自的含义与可锻铸铁相同。如QT400-17等。优异的力学性能使球铁可用于制造承载较大,受力复杂的机器零件,如汽车曲轴,机床主轴,蜗轮蜗杆等。4.2 有色金属通常人们将所有的非铁金属及其合金通称为有色金属材料。纯铝的强度和硬度都很低,故一般不宜作结构材料使用。向铝中加入适量的某些合金元素,并进行冷变形加工或热处理,可大大提高其力学性能。根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常将工业用铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。一、变形铝合金变形铝合金包括防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四大类。除防锈铝外,变形铝合金都是可热处理强化的铝合金。根据国标,变形铝合金的牌号采用汉语拼音加顺序号表示,如防锈铝为LF

12、,后跟顺序号(如LF2;而硬铝,超硬铝和锻铝则分别表示为LY、LC和LD,后跟顺序号,如LY12、LC4和LD5等。变形铝合金一般具有较好的塑性和强度,因此可以用来制造结构件和零件,甚至一些受力较大的重要结构,如飞机大梁、起落架等,在航空航天等领域有广泛应用。二、铸造铝合金用来制作铸件的铝合金称为铸造铝合金,其力学性能不如变形铝合金,但铸造性能好。为使合金具有良好的铸造性能和足够的强度,加入合金元素的量比在变形铝合金中的要多,总量约为8%25%。铸造铝合金主要有铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金四类。铝硅合金又称为硅铝明,其流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好,又有足够的强度,所以应

13、用最广,约占铸造铝合金总产量的50%以上。适用于形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件,如内燃机汽缸体、化油器、仪表外壳等。铸造铝合金的代号用“铸铝”的汉语拼音字首“ZL”及其后面的3位数字组成。其中第一位数字表示合金类别(1-铝硅合金;2-铝铜合金;3-铝镁合金;4-铝锌合金,后两位数字表示合金顺序号。常用的铸造铝合金有ZL102,ZL201等。纯铜又称紫铜,其导电性、导热性、耐蚀性及塑性均优,但强度、硬度低,且价格贵,不宜作结构材料。工业纯铜有T1、T2、T3、T4四个牌号。“T”为铜的汉语拼音字首,其后的数字越大,纯度越低。纯铜主要用于制作电导体及配制合金。一、黄铜以锌为主要合金元素的铜

14、合金称为黄铜。按照化学成分,黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。普通黄铜是铜锌二元合金。普通黄铜其锌含量小于50%,牌号以“H”加数字表示,数字代表铜的百分含量。如H62表示含Cu62%和Zn38%的普通黄铜,若为铸造黄铜,则在其牌号前加“Z”,如ZH62。在复杂黄铜中,除主加元素Zn外,还加入Pb、Sn、Al、Si、Mn、Ni等主要的辅加元素,形成铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜、镍黄铜等。其牌号以“H+主要辅加元素的化学符号+铜含量及主要辅加元素的含量”表示。如HMn58-2表示含Cu58%和Mn2%,其余为Zn的特殊黄铜。若材料为铸造黄铜,其牌号前加“Z”,如ZHMn58-2。二、白铜以

15、镍为主要合金元素(含量低于50%的铜合金称为白铜。在固态下,铜与镍无限固溶,工业白铜的组织为单相固溶体。按成分可将白铜分为简单白铜和特殊白铜。简单白铜即铜镍二元合金,其牌号以“B+数字”表示,后面的数字表示镍的含量,如B30表示含Ni30%的白铜合金;特殊白铜是在简单白铜的基础上加入了Fe、Zn、Mn、Al等辅助合金元素的铜合金,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Ni5%、Fe1%白铜合金。白铜有较好的强度和优良的塑性,能进行冷、热变形。冷变形能提高强度和硬度;抗蚀性很好;电阻率较高。常用来制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰

16、含量高的锰白铜可制作热电偶丝。三、青铜青铜原指铜锡合金,现在则是指以除Zn和Ni以外的其他元素为主要合金元素的铜合金。工业用量最大的为锡青铜和铝青铜,强度最高的为铍青铜。其牌号为“Q+主要辅加元素符号+主要辅加元素的百分含量”(若后面还有数字,则为其他辅加元素的百分含量。青铜也可分为压力加工青铜(以青铜加工产品的形式供应和铸造青铜两类。若为铸造青铜,则在牌号前再加“Z”。(1锡青铜 以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜。QSn6.5-0.1在一般铸造状态下, 锡质量分数低于6%的锡青铜能获得单相组织,塑性良好,容易冷、热变形。锡质量分数大于6%时, 组织中出现极硬和脆的相, 不能塑性变形。锡青

17、铜的铸造收缩率很小,可铸造形状复杂的零件。但铸件易生成分散缩孔,使密度降低,在高压下容易渗漏。锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用,主要制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件,以及抗蚀、抗磁零件等。(2铝青铜以铝为主要合金元素的铜合金称铝青铜。QA110-3-1.5铝青铜的耐蚀性优良,在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性,均比黄铜和锡青铜高。铝青铜的耐磨性亦比黄铜和锡青铜好。主要用于制造齿轮、轴套、蜗轮等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件,以及弹簧和其它高耐蚀性弹性元件。第八章非金属材料成形8.1 陶瓷材料及成形陶瓷材料是各种无机非金属材料的通称。通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶

18、瓷三大类。工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷也叫传统陶瓷,其主要原料是粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O、石英(SiO2和长石(K2O·Al2O3·6SiO2等天然硅酸盐类矿物制成的。因此,传统的陶瓷材料是指硅酸盐类材料。其特点是坚硬而脆性较大,绝缘性和耐蚀性极好;制造工艺简单、成本低廉,用量大。普通陶瓷通常分为日用陶瓷和工业陶瓷两大类。特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷,包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类,如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的是高温陶瓷,包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。

19、氧化物陶瓷熔点大多2000以上, 强度随温度的升高而降低,在1000以下时一直保持较高强度,随温度变化不大。氧化铝制造耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等。氧化锆制造冶炼坩埚和1800以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。碳化物陶瓷具有很高的熔点、很高的硬度和耐磨性,缺点是耐高温氧化能力差(约9001000、脆性极大。主要用途是作耐火材料(碳化硅、磨料,有时用于超硬质工具材料(碳化硼。硼化物陶瓷具有高硬度, 较好的耐化学浸蚀能力,熔点18002500,使用温度1400,用于高温轴承、内燃机喷嘴,各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体,硬度高而摩擦

20、系数低,有自润滑作用,是优良的耐磨减摩材料;氮化硅的耐热温度比氧化铝低,而抗氧化温度高于碳化物和硼化物, 1200以下具有较高的机械性能和化学稳定性,且热膨胀系数小、抗热冲击,可做优良的高温结构材料,耐各种无机酸(氢氟酸除外和碱溶液浸蚀,是优良的耐腐蚀材料。大块工程陶瓷材料的生产制作一般都使用粉末烧结方法,生产过程要经历三个阶段,即制粉,成形和烧结。1.制粉陶瓷粉末制备的方法主要是机械研磨法和化学法。(1机械研磨法:选择所需组分配料后,用机械粉碎法粉碎并混合后,焙烧反应得到所需物相,再用球磨法将粉料细化,而得到所需原料。(2化学法:通过化学反应过程(液相、气相或固相反应使组分均匀混合,且粉料粒

21、度均匀,纯度高,还可得到微米、亚微米及纳米级的超细粉料。其中液相法主要用于氧化物粉体制备;而气相法主要用于非氧化物陶瓷粉料制备。2.成形将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成品。包括可塑法(如传统陶瓷,注浆法(如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷和压制法(如特种陶瓷和金属陶瓷等。(1可塑法:是将粉料与一定水份或塑化剂混合均匀,使之成为具有良好的塑性的料团,再用手工或机械成形。可塑成形方法有滚压成形、塑压成形、注塑成形和轧膜成形等几种类型。滚压成形时,盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在旋转的同时,逐渐靠近石膏模型,并对泥料进行滚压成形。滚压

22、成形坯体致密均匀、强度较高。滚压机可以和其它设备配合组成流水线,生产率高。(2注浆法:是将粉料配制成胶状浆料注入模具中成形,还可分为注浆成形和热压注浆成形。注浆成形是指将具有流动性的液态泥浆注入多孔模型内(模型为石膏模、多孔树脂模等,借助于模型的毛细吸水能力,泥浆脱水、硬化,经脱模获得一定形状的坯体的过程。注浆法成形的适应性强,能得到各种结构、形状的坯体。热压注浆成形是将含有石蜡的浆料在一定温度和压力下注入金属模具中,待坯体冷却凝固后再脱模的成形方法。其制品的尺寸精确,结构紧密,表面光洁。广泛应用于制造形状复杂、尺寸精度要求高的工业陶瓷制品。如电容器瓷件、氧化物陶瓷、金属陶瓷等。3. ABS

23、塑料 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。具有"硬、韧、刚" 的特性， 综合机械性能良好，同时尺寸稳定，容易电镀和易于成形，耐热性较好，在40 的低温 下仍有一定的机械强度。可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、 仪表壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳等。近来在汽车零件上的应用发展很快，如作挡泥板、 扶手、热空气调节导管，以及小轿车车身等。作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。 （2）热固性塑料 1. 酚醛塑料(PF 由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂,再加入添 加剂而制得的高聚物。 一般为热固性塑料。 酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度, 耐磨

24、性好， 绝缘性良好, 耐热性较高， 耐蚀性优良。 缺点是性脆， 不耐碱。 酚醛塑料广泛用于制作插头、 开关、电话机、仪表盒、汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、化 工用耐酸泵日用用具等。 2. 环氧塑料(EP 为环氧树脂加入固化剂后形成的热固性塑料。环氧塑料强度较高， 韧性较好；尺寸稳定性高和耐久性好；具有优良的绝缘性能；耐热、耐寒；化学稳定性很高； 成形工艺性能好。缺点是有某些毒性。环氧塑料是很好的胶粘剂，对各种材料(金属及非金 属都有很强的胶粘能力。环氧塑料用于制作塑料模具、印刷线路板，灌封电器元件，配制 飞机漆、油船漆、罐头涂料。 四、工程塑料成形方法 工程塑料的成形方法已达 40 多种，如注射成形、挤出成形、压制成形、吹塑成形、压 延成形等，其中以注射和挤出成形