机械基础第2章机械工程材料课件1

1、第2章 机械工程材料21常见工程材料的分类、标识及应用1、铁素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。 性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。 性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、 轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。3、渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属化合物。 性能-硬度高，脆性大。4、珠光体（ P ）：F与Fe3C组成的机械混合物。 性能-力学性能介于两者之间。5、莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械混合物。 性能-硬度高，塑性差。铁碳合金的相铁碳相图分析关于铁碳合金状态图 1、概念：表示铁碳合金

2、在不同成分和温度下 的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。 2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。 铁碳合金状态图铁碳相图分析1、相图的坐标纵坐标：代表温度。横坐标：代表含碳量。2、几个概念 纯铁 钢 铸铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 3、特性点 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 912 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大

3、溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度 4、特性线 ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。 AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。 GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。 ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。 ECF：共晶线，含C量2.11 % -6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。 PSK：共析线，含C量在0.0218 % -6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。铁碳相图的应用1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳

4、量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、叛断切削加性能： 低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺： 在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产： 由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。高炉工业用钢电弧炉 工业用钢钢的分类与编号钢碳素钢合金钢1、按含碳量分低碳钢

5、 0.0218 % C 0.25%中碳钢 0.25 % C 0.6%高碳钢 0.6% C1%时不标出；当Wc1%前面数字表示含碳量的千倍。 如：9SiCr, Cr12,5CrMnMo等。 但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。如:W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2一、合金结构钢1、普通低合金结构钢 低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。 在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。船舶桥梁2、合金渗碳钢 含碳量为0.1%-0.2%,以保障心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，

6、提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。 （常用渗碳钢） 主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。 以20Cr、20CrTiMn为最广。 变速齿轮拨叉3、合金调质钢 含碳量为0.25%-0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。 曲轴 连杆 （常用调质钢） 4、合金弹簧钢 它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%-0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。 合金弹簧钢是一种专

7、用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 拉力弹簧 离合器弹簧 （常用弹簧钢） 5、滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。 碳质量分数一般为0.95%-1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素 ，铬含量为0.40%-1.65%。高碳低铬。如：GCr15(滚珠轴承钢) 二、合金工具钢 合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。1、合金刃具钢 用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。 性能：（1）高硬度，60HRC以上；（2）高的耐磨性；（3）高热硬性 ；（4）足

8、够的塑性和韧性 。铣刀 英制模板刀合金工具钢的种类及牌号 (1) 低合金刃具钢 (2) 高速钢 最高工作温度不超过300 。 高碳：碳质量分数为0.9%-1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。 Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性； W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。 高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600 时，其硬度无明显下降。 高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右， 加入Cr、W、Mo、V等合金元素： Cr 提高淬透性。 W、Mo 保证高的热硬性。 V 提高耐磨性，细化晶粒。 （如：9SiCr

9、、9Mn2V）（如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 ）常用合金刃具钢和高速钢 2、合金量具钢 用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。性能要求：(1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。螺纹规 游标卡尺 千分尺 3、合金模具钢合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。 冷作模具钢 用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200 300 。热作模具钢如：9Mn2V、CrWMn 用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达60

10、0 以上。如：5CrMnMo、5CrNiMo 性能要求： 高硬度，5862 HRC; 高耐磨性; 足够的韧性和疲劳抗力量具用钢的选用举例 量 具 钢 号 平样板或卡板 10、20或50、55、60、60Mn、65Mn 一般量规与块规 T10A、T12A、9SiCr 高精度量规与块规 Cr（刃具钢）、CrMn、GCr15 高精度且形状复杂的量规与块规 CrWMn(低变形钢) 抗蚀量具 4Cr13, 9Cr18(不锈钢) 三、特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等.1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。 不锈钢在石油化工、国防工业和一

11、些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。 根据不锈钢室温下组织的不同,常用的不锈钢可分三种:马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 马氏体型不锈钢 如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀 含碳为0.1%-0.4%,含铬为12%-13%.主要用于力学性能要求不高,耐蚀性要求较低的零件.如:铁素体型不锈钢 这类钢的铬质量分数为17%30%，碳质量分数低于0.15%.主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如容器和管道等。 奥氏体型不锈钢 这类不锈钢属铬镍不锈钢,碳含量很低（约

12、0.1%），耐蚀性很好。 如：1Cr17、1Cr17Ti等如： 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9等2、耐磨钢 （就是高锰钢 如:ZGMn13） 履带 铁轨分道叉 破碎机颚板挖掘机斗齿铸 铁 引言:1、何为铸铁？ 铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。 箱体启动阀2、铸铁分几类？根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：（1）白口铸铁（2）灰口铸铁（3）麻口铸铁C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。 性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如

13、轧辊、犁铧等）。 C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。 C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑白色。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。性能：脆性大，很少使用。根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为：普通灰铸铁：石墨呈片状可锻铸铁：石墨呈团絮状蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状球墨铸铁：石墨呈球状3、灰口铸铁的种类普通灰铸铁一、灰铸铁的组织 灰铸铁有铁素体、珠光体、(铁素体+珠光体)+石墨三种基本组织。 F+片状石墨（F+P）+片状石墨P+片状石墨 由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。灰铸铁具有非

14、常优良的铸造性能。二、灰铸铁的性能与应用 但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构，如机座、机床床身、轴承等。叶轮 发动机飞轮 三、灰铸铁的牌号HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。四、灰铸铁的热处理如：HT150，HT200，HT250 热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分布，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和平共处目的是：1、消除内应力退火：2、高温退火：消除白口组织3、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 可锻铸铁一、生产方法： 先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行高温石墨化退火,使渗碳体分解得到团絮状石墨。二、可锻铸铁的组织可锻铸铁

15、有铁素体和珠光体两种基体。 三、可锻铸铁的牌号四、可锻铸铁的性能及应用 可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁不可锻。 铁素体可锻铸铁以“KT”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。 如：KT350-10、KTZ600-3可锻铸铁的牌号和机械性能 球墨铸铁一、生产方法： 在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨,得到球墨铸铁.二、球墨铸铁的组织三、球墨铸铁的牌号四、球墨铸铁的和机械性能 用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。QT420-10、QT600-2、QT800-2如:机械性能牌号基体bMPa0.

16、2MPa5%akkJ/m2HB应 用 举 例QT400-17铁素体40025017600179 汽车、拖拉机床底盘零件；16-64大气压阀门的阀体、阀盖QT420-10铁素体42027010300207QT500-5铁素体+球光体5003505147241 机油泵齿轮QT600-2球光体60042022297302 柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套QT700-2球光体70049022297302QT800-2球光体80056022417321六、球墨铸铁调质和正火后的组织性能 机械性能 热处理工艺 显微组织 b MPa 5 % ak kJ/m2 HB 调质:

17、 980退火后,900油淬+ 580回火 回火索氏体+石墨 8001000 1.72.7 260320 240340 正火: 980退火后, 900正火+ 580去应力退火 珠光体+5%铁素体 +石墨 700 2.5 100 317321 五、球墨铸铁的应用 具有与钢相近的力学性能，可代替钢和合金钢使用。球墨铸铁管道接口 蠕墨铸铁 一、生产方法： 在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。 二、蠕墨铸铁的组织 蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。呈蠕虫状。 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且

18、有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。 三、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用 蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。 RuT300、RuT420 如： 蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。 牌号：性能：应用：排气管 进气管 特殊性能铸铁 在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。 1、耐磨铸铁（加铬） 2、耐热铸铁 （Al、Si、Cr ） 扇形扩散器托架 衬板弯管石墨呈片状石墨呈团絮状石墨呈球状石墨呈蠕虫状何为石墨？ 石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为35HBS，伸长率近于零。 铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨对基体产生割裂作用。 因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。 但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如铸造性能、减振性和减摩性等。铸铁的石墨化铸铁组织的类型取决于石墨化的程度。（1）铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化