第5章 金属材料

第5章

金属材料能力目标1.能够确定何种金属材料适合制造汽车零件；2.能够正确解释和区别不同标号金属的性能及用途。1知识目标1.了解铁碳合金基础知识；2.了解金属合金及导致金属性能不同的根本原因；3.了解碳对铁碳合金组织和性能的影响；4.掌握汽车上常用有色金属的性能要求。25.1黑色金属黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳(C)为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。习惯上把含碳量＞2.11%的归类于铁，含碳量＜2.11%的归类于钢。当铁中含C在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C在1.2%~2.5%范围的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。35.1.1铸铁及其分类铸铁是C的质量分数大于2.11%的铁碳合金，并且还含有较多的Si、Mn和一定的S、P等元素。铸铁是一种使用历史悠久的重要工程材料。我国人民在春秋时期已发明了生铁冶炼技术，并用其制造生产工具和生活用具，比西欧各国早两千年。现在，铸铁仍是工程上最常用的金属材料，广泛应用在机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通等行业。4（1）铸铁的石墨化1)Fe-Fe3C和Fe-C双重相图生产实践和科学实验指出，渗碳体是一个亚稳定的相，石墨才是稳定相。因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两个，一个是Fe-Fe3C系相图，另一个是Fe-C系相图。把二者叠合在一起，就得到一个双重相图，如图5-1所示。图中实线表示Fe-Fe3C系相图，部分实线再加上虚线表示Fe-C系相图。5图5-1Fe-Fe3C和Fe-C双重相图62)铸铁冷却和加热时的石墨化过程按Fe-C系相图进行结晶，铸铁冷却时的石墨化过程包括：从液体中析出一次石墨；由共晶反应生成共晶石墨；由奥氏体中析出二次石墨；由共析反应生成共析石墨。73)影响铸铁石墨化的因素①化学成分的影响C，Si，Mn，S，P对石墨化有不同的影响。其中C，Si，P是促进石墨化的元素，Mn和S是阻碍石墨化的元素。在生产实际中，若C，Si的含量过低，则铸铁易出现白口，力学性能与铸造性能都较差；若C，Si的含量过高，则铸铁中石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，力学性能下降。8②冷却速度的影响铸件冷却越缓慢，即过冷度较小，越有利于按照Fe-C相图进行结晶和转变，越有利于石墨化过程充分地进行。当铸件冷却较快，即过冷度增大时，原子扩散能力减弱，利于按照Fe-Fe3C相图进行结晶和转变，不利于石墨化的进行。9（2）铸铁的分类1）按碳存在的形式分类按碳存在的形式可将铸铁分为三类：①灰口铸铁②白口铸铁③麻口铸铁102）按石墨的形态分类铸铁中石墨的形状、大小和分布情况，称为石墨的形态。常见的铸铁石墨形态有20余种，但可归纳为片状、蠕虫状、絮状及球状四大类，如图5-2所示。灰口铸铁又可据此相应分为普通灰口铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁四类。11图5-2铸铁石墨形态123）按化学成分分类按化学成分又可分为两类。①普通铸铁普通铸铁即常规元素的铸铁，如普通灰口铸铁、高强度灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁。②合金铸铁合金铸铁又称为特殊性能铸铁，是向普通灰口铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素，如Cr，Ni，Cu，Al，Pb等制成的铸铁。13（3）灰口铸铁灰口铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占80%以上。我国灰口铸铁的牌号如表5-1所示。“HT”表示“灰口铁”，后面的数字表示最低抗拉强度。141516图5-3三种灰铸铁的显微组织171）影响灰口铸铁组织和性能的因素①化学成分控制化学成分是控制铸件组织和性能的基本方法。生产中主要是控制C，Si含量。C，Si强烈促进石墨化。C，Si含量过低时，铸铁易出现白口组织，力学性能和铸造性能都较低；含量过高时，石墨片过多且粗大甚至在铁液的表面出现石墨飘浮，降低了铸件的性能和质量。因此，灰口铸铁中的C，Si的质量分数一般分别控制在：2.5%~4.0%，1.0%~3.0%。18图5-4铸铁壁厚和C，Si含量对铸件组织的影响192）孕育处理孕育处理就是变质处理，孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。常用的孕育剂有两种，一种为硅类合金，例如，最常用的是Si的质量分数为75%的硅铁合金、Si的质量分数为60%~65%和Ca的质量分数为25%~35%的硅钙合金等，后者石墨化能力比前者高1.5~2倍，但价格较贵。20①使铁液内同时生成大量均匀分布的非自发晶核，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁的强度；②避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。表5-2所列的HT200或HT250以上的灰铸铁均属孕育铸铁。21223）灰铸铁的热处理①消除内应力退火一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身、柴油机汽缸体等，为了防止变形和开裂，须进行消除内应力退火（又称为人工时效）。工艺规定是：加热到温度500~550℃，加热速度为60~120℃/h。温度不宜过高，以免发生共析渗碳体的球化和石墨化。23②消除铸件白口、降低硬度的退火灰口铸铁件表层和薄壁处产生的白口组织难以切削加工，需要退火降低其硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称为高温退火。工艺是：加热到850~900℃，保温2~5h，然后随炉冷却，冷至250~400℃后出炉在自然环境中冷却。退火铸件的硬度可下降20~40HBS。243）表面淬火有些铸件如机床导轨、缸体内壁等，当需要提高硬度和耐磨性时，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火、火焰表面淬火等。淬火后表面硬度可达50~55HRC。25（4）球墨铸铁1）球墨铸铁的成分和球化处理球墨铸铁的成分要求比较严格，一般范围是：C的质量分数为3.6%~3.9%，Si的质量分数为2.0%~2.8%，Mn的质量分数为0.6%~0.8%，S的质量分数小于0.07%，P的质量分数小于0.1%。与灰口铸铁相比，它的碳含量较高，一般为过共晶成分，通常CE在4.5%~4.7%范围内变动，以利于石墨球化。262）球墨铸铁的牌号、组织和性能我国球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数字表示最低抗拉强度和伸长率，如表5-2所列。由表中数据可知，球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。其突出的特点是屈强比（σ0.2/σb）高，为0.7~0.8，而钢一般只有0.3~0.5。在一般的机械设计中，材料的许用应力根据σ0.2来确定，因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻。2728图5-5三种球墨铸铁的显微组织29(5）可锻铸铁可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经过可锻化（石墨化）退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。其大致成分范围为：C的质量分数为2.4%~2.7%，Si的质量分数为1.4%~1.8%，Mn的质量分数为0.5%~0.7%，P的质量分数为0.008%，S的质量分数为0.025%；同时为缩短石墨化退火周期，还往往向铸铁中加入B，Al，Bi等孕育剂（可缩短一半多时间）。3031图5-6可锻铸铁的石墨化退火工艺曲线32图5-7可锻铸铁的显微组织33（6）蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近几十年来迅速发展起来的新型铸铁材料，它是在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂，凝固结晶后铸铁中的石墨形态介于片状与球状之间，形似蠕虫状。通常变质剂和蠕化剂为稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金或混合稀土。蠕墨铸铁的化学成分与球墨铸铁相似，即要求高碳、高硅、低磷并含有一定量的镁和稀土，一般成分范围是：C的质量分数为3.5%~3.9%，Si的质量分数为2.1%~2.8%，Mn的质量分数为0.4%~0.8%，P和S的质量分数均小于0.1%。3435（7）特殊性能铸铁1）耐热铸铁普通灰口铸铁的耐热性较差，只能在低于400℃左右的温度下工作。研究表明，铸铁在高温下的损坏形式，主要是在反复加热与冷却过程中相变和氧化引起铸铁的生长和微裂纹的形成、扩展以致失效；其中铸铁的生长是指其在反复加热与冷却时产生的不可逆体积增大现象，这主要是由于氧化性气体沿石墨边界或裂纹渗入内部产生内氧化，或铸铁中的渗碳体高温分解为密度小体积大的石墨和铸铁基体的其他组织转变引起的。36①合金化在铸铁中加入Si，Al，Cr等合金元素，可使铸铁表面形成一层致密的稳定性很高的氧化膜，阻止氧化气氛渗入铸铁内部产生内氧化；通过合金化获得单相铁素体或奥氏体基体，使其在工作温度范围内不发生相变，从而减少因相变而引起的铸铁生长和微裂纹。37②经过球化处理或变质处理，石墨转变成球状和蠕虫状，提高铸铁金属基体的连续性，减少氧化气氛渗入铸铁内部的可能性，有利于防止铸铁内氧化和生长。382）耐蚀铸铁提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化。在铸铁中加入Si，Al，Cr等合金元素，能在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜；在铸铁中加入Cr，Si，Mo，Cu，Ni，P等合金元素，可提高铁素体的电极电位；另外，通过合金化还可以获得单相金属基体组织，减少铸铁中的腐蚀微电池。上述方法都可用以提高铸铁的耐蚀性，同时还保持了铸铁的一定的力学性能，因此广泛用于制造化工管道、阀门、泵、反应器及存储器等。393）耐磨铸铁①耐磨灰铸铁在灰口铸铁中加入少量合金元素如P，V，Cr，Mo，Sb，稀土等，可以增加金属基体中珠光体数量，且使珠光体细化；同时也细化了石墨，使铸铁的强度和硬度升高，大大提高了铸铁的耐磨性。耐磨灰口铸铁如磷铜钛铸铁、磷钒钛铸铁，铬钼铜铸铁、稀土磷铸铁、锑铸铁等，具有良好的润滑性和抗咬合、抗擦伤的能力，可广泛用于制造要求高耐磨的机床导轨、汽缸套、活塞环、凸轮轴等零件。40②抗磨白口铸铁控制化学成分（如加入Cr，Mo，V等促进白口化元素）和增加铸件冷却速度，可以使铸件获得没有游离石墨而只有珠光体、渗碳体和碳化物组成的组织，这种白口组织具有高硬度和高耐磨性。例如，Cr的质量分数大于12%的高铬白口铸铁，经热处理后基体可为高强度的马氏体；再加上高硬度的铬碳化合物的存在，因而具有优异的抗磨损性能。抗磨白口铸铁广泛应用于制造犁铧、杂质泵叶轮、泵体、各种磨煤机、矿石破碎机、水泥球磨机、抛丸机的衬板、磨球、叶片等零件。41③冷硬铸铁（激冷铸铁）冷硬铸铁实质上是一种加入少量B，Cr，Mo，Te等元素的低合金铸铁经表面激冷处理（工艺中用冷的金属铸模成形即可）获得的，其表面有一定深度的白口层，而心部仍为正常铸铁组织。如冶金轧辊、发动机凸轮、气门摇臂及挺杆等零件，要求表面应具有高硬度和耐磨性而心部应具有一定的韧度的零件，就可以采用冷硬铸铁制造。42④中锰抗磨球墨铸铁是一种Mn的质量分数4.5%~9.5%的抗磨合金铸铁。当Mn的质量分数在5%~7%时，基体部分主要为马氏体；当Mn的质量分数增加到7%~9%时，基体部分主要为奥氏体；同时组织中还存在有复合型的碳化物（Fe，Mn）3C。435.1.2碳素钢及其应用（1）普通碳素结构钢按GB700—88的规定，碳素结构钢的牌号以钢材的最低屈服强度表示。这类钢虽然含有有害杂质及非金属夹杂物较多，但其冶炼方法简单、工艺性好、价格低廉，而且在性能上也能满足一般工程结构件及普通零件的要求，因此，用量很大，约占钢材总量的80%。444546(2)优质碳素结构钢1）优质碳素结构钢的编号及成分特点优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示钢中C的质量分数，以万分之几表示。例如，“40钢”表示平均C的质量分数为0.40%的优质碳素结构钢。不足两位数时，前面补0。从10钢开始，以数字“5”为变化幅度上升一个钢号。474849502)优质碳素结构钢的热处理及应用08钢、10钢的含碳量很低，其强度低而塑性好，具有较好的焊接性能和压延性能，通常轧制成薄板或钢带。主要用于制造冷冲压零件，如各种仪表板、容器及垫圈等零件。15钢、20钢、25钢也具有较好的焊接性和压延性能，常用于制造受力不大、韧度较高的结构件和零件，如焊接容器、制造螺母、螺钉等，以及制造强度要求不太高的渗碳零件，如凸轮、齿轮等。渗碳零件的热处理一般是在渗碳后再进行一次淬火（840~920℃）及低温回火。51（3）碳素工具钢在机械制造业中，用于制造各种刃具、模具及量具的钢称为工具钢。由于工具要求高硬度和高耐磨性且多数刃具还要求热硬性，所以工具钢的含碳量均较高。工具钢通常采用淬火+低温回火的热处理工艺，以保证高硬度和耐磨性。碳素工具钢的C的质量分数为0.65%~1.35%。根据其S，P的含量不同，碳素工具钢又可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。521)碳素工具钢的编号及成分特点碳素工具钢的钢号以“碳”字汉语拼音字头“T”表示，其后面加上顺序数字，数字表示钢的C的平均质量分数，以千分之几表示，如为高级优质碳素工具钢，则在数字后再加“A”字。如T8钢表示C的质量分数平均为0.8%的优质碳素工具钢。T12A钢表示C的质量分数平均为1.2%的高级优质碳素工具钢。5354552)碳素工具钢的热处理与应用工具钢的毛坯一般为锻造成形，再由毛坯机加工成工具产品。碳素工具钢锻造后，因硬度高，不易进行切削加工，有较大应力，组织又不符合淬火要求，故应进行球化退火，以改善切削加工性，并为最后淬火作组织准备，退火后的组织应为球状珠光体，其硬度一般小于217HBS。淬火加热温度要根据钢种来确定，同时也要考虑性能要求，工件形状、大小及冷却介质等。56（4）铸钢一些形状复杂、综合力学性能要求较高的大型零件，由于在工艺上难于用锻造方法成形，在性能上又不能用力学性能低的铸铁制造，因而需要采用铸钢件。目前铸钢在重型机械制造、运输机械、国防工业等部门应用较多，如轧钢机机架、水压机横梁与汽缸、机车车架、铁道车辆转向架中的摇枕、汽车与拖拉机齿轮拨叉、起重行车车轮、大型齿轮等。57585.1.3合金结构钢（1）合金结构钢的分类与编号（2）合金渗碳钢1)性能特点和用途2)化学成分特点3)热处理特点和组织性能①渗碳前的热处理②渗碳后的热处理59（3）合金调质钢1）性能特点及用途2）调质钢的化学成分3）热处理特点和组织性能①调质处理前的热处理②调质处理60图5-840Cr钢的回火温度与力学性能的关系61(4)合金弹簧钢1）性能特点及用途2）化学成分特点3）热处理特点及组织性能①热成形弹簧②冷成形弹簧62（5）滚动轴承钢1）性能特点及用途2）化学成分特点滚动轴承钢的C的质量分数为0.95%~1.10%，这样高的含碳量是为了保证轴承钢具有高的硬度和耐磨性。3）热处理特点及组织性能滚动轴承钢的预先热处理主要为球化退火，其目的是为了获得球状珠光体组织，使锻造后钢的硬度降低（<210HBS），改善切削加工性，并为淬火作好组织上的准备。635.1.4其他常用合金结构钢（1）低合金结构钢1）性能特点及用途2）化学成分特点3）热处理特点与组织性能（2）易切削合金结构钢64655.1.5合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上中入少量合金元素（Si，Mn，Cr，W，V等）制成的，由于合金元素的加入，提高了材料的热硬性，改善了热处理性能。合金工具钢常用来制造各种量具、模具或切削刀具等。6667685.1.6特殊性能钢(1)易切削钢易切削钢是在钢中加入一种或几种合金元素，利用其本身或与其他元素形成的对切削加工有利的夹杂物来改善钢材的切削性能。在易切削钢中加入的合金元素主要有硫、铅、磷、钙等。6970（2）不锈钢1）铁素体不锈钢2）马氏体不锈钢3）奥氏体不锈钢（3）耐热钢1）抗氧化钢2）热强钢7172735.2有色金属及其合金除钢铁材料以外的其他金属材料统称为有色金属，如铝、铜、锌、铅、镁、钛等。有色金属具有黑色金属所不具备的许多特殊的物理和化学性能，又有一定的力学性能和较好的工艺性能，所以也是不可缺少的工程材料，但有色金属产量少、价格高，应节约使用。各种有色金属纯金属的力学性能都较差，所以工程上使用的多为有色金属合金。745.2.1铝及铝合金工业纯铝的纯度为wAl=98%~99.7%，见表5-17。密度较小，约为2.7kg/m3，仅为钢铁密度的1/3左右。熔点为660℃，结晶后具有面心立方晶格，无同素异构转变，故铝合金的热处理原理与钢不同。具有良好的导电性和导热性，仅次于银、铜、金而居第四位，其导电能力为铜的62%。7576(2)变形铝合金根据国标（GB/T3190—1996、GB/T16474—1996），变形铝合金有不能用热处理强化合金和能用热处理强化合金两类。铝合金的热处理方法是淬火（固溶）+时效处理。即通过淬火而得到过饱和固溶体，再通过时效处理而使组织、性能稳定。这是铝合金的主要强化手段，在其他有色金属中也有广泛应用。777879(3)铸造铝合金对于共晶成分附近的铝合金，因其组织中存在低熔点共晶体，故流动性好，塑性相对较差，只适于铸造，故称为铸造铝合金。它的牌号按铸造有色金属合金牌号的表示方法。此外也可用代号表示，代号由字母“ZL”及其后的三位数字组成：“ZL”表示铸铝，ZL后面的第一个数字1，2，3，4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列，后面第二、第三两个数字表示顺序号。8081825.2.2铜及铜合金铜及铜合金是历史上应用最早的金属，具有良好的耐蚀性和导电、导热性能，铜合金还有较高的力学性能，目前工业上使用的铜及铜合金主要有工业纯铜、黄铜、青铜和白铜（铜镍合金）等。(1)工业纯铜纯铜因其是用电解法获得的，故也称电解铜。工业纯铜的纯度为wCu=99.5%~99.95%，其牌号、成分、力学性能及用途见表5-20。8384(2)黄铜黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，按成分和应用的不同，又可分为普通黄铜、特殊黄铜和铸造黄铜。1）普通黄铜2）特殊黄铜3）铸造黄铜8586(3)青铜1）锡青铜2）特殊青铜①铝青铜具有可与钢相比的强度，高的韧性和疲劳强度，耐蚀、耐磨，受冲击时不产生火花，铸造生产的零件致密性好。②铍青铜是wBe=1.7%~2.5%的铜合金。因为铍在铜中的固溶度随温度下降而急剧降低，所以铍青铜可以通过淬火加时效的方法进行强化，具有很高的强度和硬度（σb可达120