金属材料导论

1、金属材料导论1一、金属材料的主要力学性能：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。二、硬度硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。 金属材料的力学性能 2 1.布氏硬度HB *布氏硬度法 *用钢球为压头：HBS,常用范围HBS450 布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重复性好，但较费时，不宜成品检验。 *用硬质合金为压头：HBW表示，较少用。 2.洛氏硬度HR *氏硬度的测量。 *HRC应用最广，范围是20673一、钢的分类按化学成分分：碳素钢、合金钢两大类。按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。按质量分：普通钢，优质钢和高级优质钢三类

2、。按脱氧程度分：镇静钢，沸腾钢等45合金钢的编号我国的合金钢按碳的质量分数、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。在牌号之首用数字标明碳的质量分数。为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳的质量分数（与碳钢编号相同），而工具钢的碳的质量分数超过1时，碳的质量分数不再标出。在碳的质量分数的数字之后，用元素符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后缀的数字标明，平均的质量分数小于1.5时不标，平均的质量分数为1.52.49、2.53.49时，相应的标出2、3、。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。高级优质钢在钢号的末尾加“

3、A”字标明。6合金元素在钢中的作用（1）合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限与碳形成碳化物，几乎所有的合金元素（除Pb）外都可溶于铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。它们溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固溶化。钢中的Ni和Mn的质量分数较高时会使 转变温度降低到室温，使钢的室温组织为奥氏体，Co、C、N、Cu、也会使 转变温度降低，但作用不象Ni和Mn那样强烈，它们统称为奥氏体稳定元素，Cr、W、Mo、V、Ti、Si的质量分数高到一定程度时，钢凝固形成的体心立方结构将从高温一直保持到室温，这些合金 元素被称为铁素体稳定化元素。7合金元素在钢中的作用

4、（2）合金元素与碳的作用：合金元素按其与钢中碳的亲合力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成两大类。常用的非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它们不与碳形成碳化物，除了少数高合金钢中可形成金属间化合物外，基本上都溶于铁素体和奥氏体中。常用的碳化物形成元素有：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。Mn和碳的亲合力较弱，少部分溶于渗碳体中，大部分溶于铁素体和奥氏体中。现碳的亲合力较强的Cr、Mo、W等，质量分数较低时基本上与铁形成合金渗碳体；质量分数较高时可形成新的合金碳化物，而与碳的亲合力很强的元素V、Nb、Zr、Ti等，几乎都是形成特殊碳化物。此外，总还有一

5、部分强碳化物形成元素会溶于铁素体和奥氏体中。81.应满足零件的工作要求 例如：受力状态，工作温度，环境介质等2.应能满足工艺性能要求金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲压，焊接，切削加工和热处理，各种加工工艺对材料均有其工艺性能要求。例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压件选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良的合金工具钢。零件选材的一般原则93.必须重视材料的经济性一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选用碳素钢或灰铸铁，难以满足要求时，选用合金钢，球墨铸铁，铸钢或其它材料。16Mn比Q235成本略高，但强度高46，可减少用量材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。 10热处理只改变材料组织性能

6、，而不改变其形状和大小。 基本过程为：加热-保温-冷却零件经适当热处理后，可以提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。钢的热处理11热处理方法热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氧共渗其他形变真空其他12退火和正火退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。退火目的一、退火降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）细化晶粒，提高钢的塑性和韧性消除内应力，并为淬火作准备13退火种类： (1)完全退火 方法： 用途：主要用于具有亚共析组织的碳钢、合金钢的铸件、锻件、热轧型材等，有时也用于淬火返修件。注意：

7、“完全”是退火件加热获得完全的奥氏体组织，也就是钢的组织全部进行了重结晶，所以，原来的晶粒组大，组织不匀，有内应力，塑性、韧性差，易裂，变形可以解决,但必须控制退火加热温度,否则晶粒仍粗大。亚共析钢加热到Ac3以上3050-保温- 炉冷14退火和正火是将钢中碳化物球状化的热处理工艺。(2)球化退火用途：主要用于过共析钢，如工具钢、球珠轴承钢等。注意：目的是使渗碳体（或碳化物）球化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火作组织准备。(3)等温退火是将钢件或毛坯加热到Ac3（或Ac1）的温度，保持适当时间后，较快速冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为接近平衡的组织，然后缓慢冷

8、却的热处理工艺。15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，常可大大缩短退火时间。(4)扩散退火为减少钢锭、铸件的化学成分的不均匀性，将钢锭、铸件加热到略低于始熔温度的温度，长时间保温并缓慢冷却的热处理工艺。(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。加热温度一般在550600. 16二、正火正火：钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Acm（过共析钢）以上3050，保温适当时间后，在空气中均匀冷却，得到球光体类组织的热处理。正火目的作为最终热处理，可以细化奥氏体晶粒，使组织均匀化；减少亚

9、共析钢中铁素体，使球光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧度。作为预先热处理，截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前常进行正火，以消除带状组织等，并获得细小而均匀的组织。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。17淬火和回火淬火方法：将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在介质中快速冷却。淬火工艺的实质是奥氏体化后进行马氏体转变。淬火的主要目的把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。但由于受过冷奥氏体稳定性、截面尺寸及淬火温度的影响，一般淬火后工件不一定能获得全部马氏体组织，工件内

10、部还可能 有贝氏体、珠光体型组织存在。一、淬火18快速冷却 发生马氏体转变。 由于过冷度很大，铁碳原子都不能进行扩散， 仅能发生Fe向Fe的同素异晶转变， 而形成含碳过饱和的固溶体马氏体M。 (碳在铁中溶解度和温度有关)19二、回火回火方法：将淬火后的钢在A1以下温度加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程。回火的主要目的回火过程不仅要保证组织转变，而且要消除应力，故应该有足够的保温时间，一般为12小时。注意：回火温度是决定回火组织和性能的最重要因素，在选择回火温度时，应避开低温回火脆性温度区（300左右）。20回火分为低温、中温和高温回火。低温回火在150250之间进行，回火后组织为回火马氏

11、体。其目的是降低淬火应力，使其具有一定的韧性，并保持高的硬度；中温回火在350500之间进行，回火后组织为回火屈氏体。中温回火具有高的弹性极限，并有足够的韧性；高温回火在500650之间进行，回火后组织为回火索氏体。习惯上把淬火加高温回火的双重处理称为调质处理。调质处理后工件具有高的塑性和韧性，强度也较高，即具有高的综合力学性能。21表面淬火和化学热处理目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着 原来的塑性、韧性。(退火、正火或调质 状态的组织)目前生产中常用感应加热，其次是火焰加热。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。 淬火后深度和电流频率有关，频率低 深度大些。常用于中碳钢、中碳低合金

12、钢、高碳工具钢、铸铁等，硬度可比普通淬火高23HRC一、表面淬火221、渗碳 向低碳钢或低碳合金钢渗入碳原子的过程。 加热到900950，长期保温-渗碳 渗碳后要淬火和低温回火 主要用于承受较大冲击载荷和严重磨损的零件，硬度HRC5864左右2、氮化（渗氮） 向钢表层渗氮原子，以提高硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等。 氮化后不需淬火，氮化生产周期长，不能承受冲击。二、化学热处理23非铁金属及其合金铝及其合金的特点：（1）密度低、比强度高（2）优良的物理、化学性能（3）加工性能良好1、纯铝分类：纯铝中含有Fe、Si、Zn等杂质，使其性能有所下降。纯铝按纯度可分为3类。（1）高纯铝：纯度99.93

13、99.99，主要用于科学研究及制作电容器。（2）工业高纯铝：纯度为98.8599.9，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金原料。（3）工业纯铝：纯度为98.099.0，主要用于制作电缆、电线、器皿及配置合金。一、铝及其合金242、铝合金铝中加入合金元素后，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能，许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理大幅度改善性能。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。铝合金分类 根据成分和制造工艺，分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金等4种。（1）防锈铝合金 主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高抗蚀能力，

14、并起固溶强化作用。 Mg也有固溶强化作用，同时降低密度。 （2）硬铝合金 属于Al-Cu-Mg系合金，另含有少量Mn。Cu、Mg与Al可形成起强化作用的金属化合物， Mn主要提高抗蚀性，并起到一定的固溶强化作用，少量Ti、B可细化晶粒，提高合金强度。（3）超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量Cr。（4）锻铝合金为Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。 25铸造铝合金有Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等4种合金系。用于形状复杂的零件，如飞机、仪器零件、抽水机外壳等。这类合金铸造性能好，但强度和塑性较差，一般要在铸件浇铸前向合金液中加入一定量的变质剂，以细化合金组织，提

15、高合金强度和塑性，这种处理也称为变质处理。注意：铸造合金的铸件形状一般较复杂，组织较粗大，并有严重的偏析，因此与形变铝合金热处理相比，固溶处理温度要高些，保温时间要长些，使粗大析出物尽量溶解，并使固溶体成分均匀化，加热后一般用水冷却，多采用人工时效。26二、铜及其合金铜及其合金的特点：（1）优异的物理、化学性能（2）加工性能良好（3）某些特殊力学性能（4）色泽美观1、纯铜呈紫红色，常称为紫铜，主要用于制作电导体及配置合金。2、铜合金 铜中加入合金元素，可获得较高的强度同时保持纯铜的某些优良性能。一般分为黄铜、青铜和白铜三大类。27（1）黄铜：以Zn为主要合金元素的铜合金，按化学成分，黄铜分为普

16、通黄铜和复杂黄铜2种。普通黄铜是铜锌二元合金。其力学性能随Cu的质量分数变化。黄铜不仅有良好的变形加工性能，而且有良好的铸造性能，黄铜的耐蚀性比较好，与纯铜接近，超过铁、碳钢以及许多合金钢复杂黄铜是为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入Al、Fe、Si、Mn、Ni等元素，形成复杂黄铜。（2）青铜：原指铜锡合金，但工业上习惯统称含Al、Si、Pb、Be、Mn等的铜基合金为青铜，所以青铜实际包括锡青铜、铝青铜、铍青铜等。（3）白铜：以Ni为主要合金元素的铜合金。固态铜和镍无限互溶，因此工业白铜的组织为单相固溶体。28钛及钛合金钛及钛合金具有密度较低、比强度高、耐腐蚀以及低温韧

17、性良好等优点，而且资源丰富，所以有着广泛的应用前景。但加工条件复杂，成本较高，在很大程度上限制了它们的使用。一、纯钛钛的密度低，熔点高，线膨胀系数小，导热性差。纯钛塑性好、强度低，容易加工成形，可制成细丝和薄片。钛在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定。钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢的抗氧化能力。二、钛合金铝、硼、钼、钒等合金元素溶入-Ti中，形成固溶体，溶入-Ti中形成固溶体，根据使用状态的组织，钛合金可分为3类：钛合金、 钛合金和（ ）钛合金。29（1）钛合金钛中加入铝、硼等稳定元素获得钛合金。 钛合金的室温强度低于钛合金和（ ）钛合金的室温强度，

18、但高温（500600）强度比它们高，并且组织稳定，抗氧化和抗蠕变性好，焊接性能好很好。 钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火。主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。（2）钛合金钛中加入一些元素如钼、铬、钒等得到钛合金。钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并且可通过淬火和时效进行强化。在时效状态下，合金的组织为相和弥散分布的细小相粒子。适用于制造压气机叶片。轴、轮盘等重载回转件，以及飞机构件等。（3）（ ）钛合金（ ）钛合金塑性好，容易锻造。压延和冲压，并可通过固溶处理和时效强化。热处理后强度可提高50100。主要用于火箭、导弹的液氢燃料罐等部件。30镁及镁合金一、纯镁纯镁为银白色金属，熔点651，沸点1105，密度为1749kg/m3,相当于铝的2/3，是最轻的工程金属。抗蚀性很差。当温度升高时，镁能被剧烈氧化以至