汽车材料第二单元作者：袁攀才1

潇湘职业学院汽车工程分院

作者：袁攀才

汽

车

材

料第二章

钢

铁

材

料教学要求1.了解金属的晶体结构及钢铁材的组织结构。2.掌握钢铁材料的分类、牌号、成分、性能和用途。3.熟悉常用的热处理方法及应用。第一节金属的晶体结构第一节金属晶体结构

一金属晶体结构：1.晶体与非晶体：凡是内部原子或分子，按照一定几何规律作周期性的重复排列的物质称为晶体。凡是内部原子或分子呈无规律堆积的物质称为非晶体。2.晶体的特点：1）具有规则的外形2）具有固定的熔点3）具有各向异性4）晶体和非晶体差异很大3.金属的晶体类型1）金属的晶格2)常见的晶体类型4.单晶体与多晶体面心立方晶格二、合金的晶体结构钢铁材料合金的基本知识1.合金的基本知识合金：组元：合金系：相：组织由两个或两个以上组元按不同比配制成一系列不同成分的合金称合金系合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称为相用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织组成合金最基本的独立物质称为钽元合金由液态结晶为固态时，一组元溶解在另一组元中形成均匀的固相称为固溶体2.合金的组织固溶体金属化合物混合物三、金属的结晶1.纯金属的结晶过程：在恒温下进行，过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度之间的温度。2.晶粒大小及控制：垫1）金属晶粒越细小，其强度越高，塑性、韧性越好；反之越差。2）细化晶粒的方法：形核率越高，长大速度越慢，则结晶后的晶粒越细a.增加过泠度b.变质处理c.振动处理3.合金的结晶4.金属的同素异构转变

课题二铁碳合金基本组织与性能碳溶于α-Fe中形成的固溶体珠光体由铁素体和渗碳体组成的片层状的混合物用P表示菜氏体Ld奥氏体和渗碳体的混仺物用符号Ld表示碳溶于r-Fe中形成固溶体奥氏体AFe3C铁碳化仺物,晶体结构复杂渗碳体铁素体Fαα二、铁碳合金相图添加文本添加文本添加文本添加文本文本文本文本文本文本文本文本文本1.铁碳合金相图的组成2.Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织（1）其特点：1）共晶点C2）共析点S（2）主要特性线1）液相线ACD线2)固相线AECF线3)GS线4)ES线→三、铁碳合金的分类1.纯铁：Wc≤0.0218％2.钢:0.0218％﹤Wc≤2.11％:1)亚共析钢:0.0218﹤Wc﹤0.77％2)共析钢Wc=0.77％3)过共析钢0.77％﹤Wc≤2.11％3.白囗铸铁:1)亚共晶白口铸铁:2.11％﹤wc﹤0.77％2)共晶白囗铸铁Wc=0.77％3)过共晶白囗铸铁:4.3％﹤wc﹤6.69％四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系：铁碳合金随含碳量的不同，其组织顺序为F→F+P→P→P+Fe3C+Ld→Ld+Fe3C1.其中珠光体和低温莱氏体由铁素体和渗碳体组成.含碳量越高,铁素体数量越少,钢的强度和硬度越高,而塑性、韧性越低四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系：铁碳合金随含碳量的不同，其组织顺序为F→F+P→P→P+Fe3C+Ld→Ld+Fe3C1.其中珠光体和低温莱氏体由铁素体和渗碳体组成.含碳量越高,铁素体数量越少,钢的强度和硬度越高,而塑性、韧性越低课题三碳素钢碳素钢是指碳的质量分数Wc≤2.11％的铁碳合金,具有冶炼方便、加工容易、价格低廉、工艺性能好、力学性能能够满足一般工程和机械制造的使用要求特点一、碳素钢的成分1.锰（Mn）：作为少量常存元素存在时，一般不超过1.00％,有益元素.2.硅（Si）:硅作为杂质一般不应超过0.4％,有益元素.3.硫(S):有害元素,含S量应低于0.05％.4.磷(P):有害元素,含P量应低于0.045％.二、碳素钢的分类1.按含C量分碳素钢的分类:含碳量分低碳素钢：Wc小于0.25中碳素钢：Wc=0.25-0.6高碳素钢：Wc％％﹥0.6％碳素钢的分类:含杂质质量分普通钢：Ws小于等于0.055优质钢：Ws、Wp高级优质钢：Ws、Wp均％≦0.04％≦0.03％碳素钢分类碳素钢分类:按用途分碳素结构钢(中、低)制造工程构件机械零件碳素工具钢(高)制造各种工具碳素钢分类按脱氧程度分沸腾钢镇静钢半镇静钢三碳素钢的牌号和用途1.普通碳素结构钢：（1）.普通碳素结构钢牌号：1）屈服点字母：Q2)屈服点强度数值:单位力MPa3)质量等级符号:A、B、C、D级4)脱氧方法符号:F一沸腾钢、Z一镇静钢、TZ一特殊镇静钢(2)常用普通碳素结构钢牌号、化学成分和力学性能（3）普通碳素结构钢的应用（4）常用普通碳素结构钢在汽车上的应用常用普通碳素结构钢在汽车上的应用牌号应用传动轴中间轴承、发动机支架、后视镜支架、发动机油底壳加强板Q235A机油滤清器法兰、发动机连接板、前钢板弹簧夹箍、后视镜支架Q235AF同步器锥盘、差速器螺栓锁片、驻车制动器操纵杆棘爪和齿板Q235B2.优质碳素结构钢有害杂质及非金属夹杂物的含量较少化学成份控制严格塑性、较韧性好（1）优质碳素结构钢的牌号。45钢Wc=0.45％.Wc﹥0.6％;W=0.9~1.2％Mn(2)常用优质碳素结构钢的牌号、化学成份(3)常用优质碳结构钢的应用08F钢主要用作冷变形钢15、20钢是一般的表面渗碳钢，用于制造轴套、挡块、磨擦片等而磨零件40、45、50钢属于调质钢，主要用于制造齿轮、丝杠、连杆和各种轴类零件65~85钢则属于弹簧钢（4）常用优质碳结构钢汽车上的应用08152035455065Mn汽车外売、油底壳螺栓螺母

杠杆、风扇叶片齿轮、半轴螺栓锥形套曲轴、锁销、分离叉离合丛动盘弹簧牌号3.碳素工具钢碳素工具钢的平均碳的质量分数Wc=0.7~1.3％,属于高碳素钢,以保证淬火以后有足够的硬度和耐磨性.主要用于造刀具、量具和模具要S、P等杂质的含量特别低,经精炼的优质钢(1)碳素工具钢的牌号:T+数字（2）常用碳素工具钢的牌号和成分（3）常用碳素工具钢性能和用途常用碳素工具钢的牌号和化学成分T7MnPSiSC0.65-0.741≦0.40≦0.35≦0.0300.035≥~T8、T8Mn、T9、T10、T11T12、T13只是C含量不同，其中T8MnMn在0.40-0.60之间4.铸钢（铸造碳素钢）（1）铸钢的牌号：ZG和两组数字组成,前一组数字表示铸件的屈服强度的最底值,后一组数字表示铸件的抗拉强度的最底值（2）常用铸钢的成分、力学性能（3）常用铸钢在汽车上的应用常用铸钢在汽车上的应用机油管法兰、化油器活接头、车门限制器的限制块ZG270-500进排气歧管压板、风扇过渡法兰、前减振器下支架、变速叉、起动爪ZG310-570齿轮、棘轮ZG340-640课题四钢的热处理工艺简介一、热处理的基础知识热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法，是强化金属材料，提高产品质量和使用寿命的主要途径之一。1.热处理的概念：对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。2.热处理的工艺过程：加热保温冷却二、钢在加热和冷却时的组织转变1.钢在加热和冷却时的相变温度加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点冷却时钢的转变温度要低于平衡状态下的临界点升高和降低的幅度随加热和冷却的速度增加而增大2.钢加热时奥氏体的形成3.奥氏体冷却时的组织转变三、常用热处理方法1.退火：把工件加热到适当的温度，保温一定时间后随炉降温而缓慢冷却的热处理方法。完全退火球化退火去应力退火2.正火：将钢件加热到转变为完全奥氏体，保温一定时间后，在空气中冷却得到细片状珠光体组织的热处理工艺。正火的主要应用范围：一般结构件的最终热处理改善亚共析钢的切削加工性能消除或减少共析钢中二次渗碳体组织，为球化退火做准备对某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时可用正火代替淬火、回火处理3.淬火是将工件加热到Ac1或Ac3以上30~50℃并保温一定的时间,然后快冷以获得马氏体组织.淬火三要素:加热温度、保温时间和冷却速度（介质：水、油）常用淬火方法单液淬火。将奥氏体的工件浸入到一种淬火冷却介质中连续冷却到室温的淬火工艺双液淬火。将奥氏体的工件浸入冷却能力较强的介质中，冷却到适当温度，再立即转入另一种冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火工艺分级淬火。将奥氏体的工件浸入温度稍高于Ms点附近的盐浴中并保温适当时间待工件内外层都达到介质温度后出炉空冷以获得马氏体组织的淬火工艺等温淬火。将奥氏体的工件浸入温度在Ms点的盐浴或碱浴中并保持足够时间，使其发生下贝氏体转变后取出空冷的淬火工艺回火：是将淬火后的钢加热到奧氏体转变温度以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。可以分为：1.低温回火（150~250℃）2.中温回火(350~500℃)3.高温回火(500~650℃)表面淬火:(外硬内韧)火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火、激光淬火化学热处理钢的化学热处理、概念将金属制件放在特定的活性介质中，加热保温使一种或几种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织，以达到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工艺。注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。2、目的获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。3、分类以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。4、作用：强化表面：表面硬度，耐磨性，疲劳极限，多次冲击韧性的提高。如渗碳、渗氮等。保护工件表面：提高工件的物理化学性能，耐高温，耐腐蚀。如渗氮等。5、特点：最有效地改善钢件表面的化学成分，组织和性能，而且这种改善是由表面向心部逐渐过渡，渗层与基体的结合是牢固的。不受工件外形的限制，表面都可以获得分布均匀的渗层和淬硬层。经化学热处理后的工件大部分具有变形小，精度高，尺寸稳定性好等特点。大部分化学热处理，在提高表面机械性能的同时还可以提高表面的耐腐蚀性，抗氧化，减磨，抗咬合，耐热等。基本原理一、化学热处理的基本过程通过界面反应渗剂分解，产生被渗元素的活性原子；活性原子被表面吸附；活性原子由工件表面向内部扩散。例如：渗碳时：CH4＝2H2+[C]渗氮时：2NH3=3H2＋2[N]1、渗剂分解渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠界面反应钢的化学热处理1、渗剂分解渗剂例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。酸钠钢的化学热处理界面反应钢的化学热处理化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有：1）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，2）置换反应：渗金属时，3）还原反应：如渗金属时，钢的化学热处理2、吸附过程及影响因素固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理吸附和化学吸附两类。1）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。2）化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接触时二者以高速发生反应形成化学键，即发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。钢的化学热处理

（2）影响渗层深度的因素：渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。20MnSi930℃渗碳10h后硬度钢的化学热处理1)渗层深度与扩散时间的关系说明渗层深度δ与时间t呈抛物线关系；即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。钢的化学热处理2）渗层深度与温度的关系

渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的影响，远比时间的影响强。3）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。钢的化学热处理3、化学热处理的扩散过程扩散指金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增加，形成浓度差，发生迁移现象。（1）纯扩散与反应扩散纯扩散指渗入元素原子在母相金属中形成固溶体,在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。纯扩散常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过固溶度极限而形成新相的过程。钢的化学热处理（3）扩散层的组织结构扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件来确定。加速化学热处理过程的途径1、物理催渗法概念：是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等。基本方法：A)高温化学热处理；B)高压或负压化学热处理；C)高频化学热处理；D)采用弹性振荡加速。钢的渗碳一、渗碳的概述概念：向钢件表面渗入碳原子（元素）的工艺。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部保持良好的塑性与韧性。20MnSi930℃渗碳10h后硬度分类：按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。渗碳的材料

含碳量为0.1－0.25％的低碳钢或合金钢。如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。一、渗碳方法1、固体渗碳（1）概念：将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中，在一定温度下加热保温进行渗碳的工艺。（2）固体渗碳剂组成主要由两类物质组成:提供活性碳原子的供碳剂（木炭、焦炭）催渗剂，如碳酸钡，碳酸钠（3）渗碳工艺渗碳温度：900～930℃；（含Ti、V、W、Mo的钢，950～980℃）。保温时间:每小时渗0.1mm;生产中常用试棒来检验渗碳效果，渗碳时间应通过试验进行修正。（4）特点优点：不需专门设备，工艺简单，适宜单件或小批量生产。缺点：加热时间长，生产率低，劳动条件差，渗碳层深度以及质量不易控制零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱固体渗碳示意图2、液体渗碳（1）概念：工件在一定温度下的含碳活性盐浴中加热保温进行渗碳的工艺。（2）特点：优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后直接淬火；缺点：多数盐浴