工程材料与热处理铸铁及有色金属材料

工程材料与热处理铸铁及有色金属材料第1页/共50页2第一节铸铁的概述1定义：铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。工业铸铁含有一定的合金元素和杂质，尤其是S、P较多。2优点：所用设备和工艺简单，容易生产，生产成本低，而且有优良的铸造性能、良好的切削加工性、减振性、耐磨性和低的缺口敏感性等。3缺点：抗拉强度低，韧性和塑性差。第2页/共50页3第一节铸铁的概述4应用：铸铁件被广泛应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防生产等部门。

第3页/共50页4第一节铸铁的概述5铸铁的成分:

主要元素：C%=2.5－4.0Si%=1.0－3.0

其他元素：少量的Mn、S、P

6组织特点:铸铁中的碳主要是以石墨（G）状态存在，而不是渗碳体（Fe3C），所以其室温组织为钢的基体(F、P、F+P)和石墨。铁素体基体F+石墨第4页/共50页5第二节铸铁的石墨化1定义：铸铁中的碳以石墨状态析出的过程。石墨可以从铁液中析出；可以从奥氏体中析出；可以从铁素体中析出；也可以从渗碳体的分解得到：Fe3C3Fe+C。石墨晶体结构石墨的晶体结构第5页/共50页6第二节铸铁的石墨化2石墨化的条件自然界里碳的最稳定形式是石墨，渗碳体在高温下长期加热时会分解成铁和石墨，因此，从热力学讲，形成石墨更稳定。但从动力学讲，析出Fe3C比析出石墨更为容易。当下列条件满足时，有助于石墨化（1）当液态铁碳合金在极其缓慢冷却时；（2）加入促进石墨化元素时，如Si。

第6页/共50页7第二节铸铁的石墨化3铁碳合金双重相图

L+GL+Fe3C铁碳合金实际上存在两种相图，即Fe-Fe3C相图和Fe-G相图。第7页/共50页8第二节铸铁的石墨化4石墨化过程

第一阶段从液态铸铁直接结晶出的初生石墨或在1154℃通过共晶转变而形成共晶石墨；

从奥氏体中析出二次石墨。发生在1154-738℃之间进行。

第二阶段在738℃时通过共析反应而形成的共析石墨。第8页/共50页9第二节铸铁的石墨化5石墨化组织

第9页/共50页10第二节铸铁的石墨化6影响石墨化的因素

铸铁的性能取决于石墨化的程度。实践证明铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素。（1）化学成分

碳和硅是强烈促进石墨化的元素。碳含量越多，越有利于石墨化的形核，促进石墨化。硅的加入，不仅会削弱铁和碳原子间的结合，又可使共晶温度升高和共晶成分含碳量的降低，有利于石墨形成。S是强烈阻止石墨化元素。（2）冷却速度

冷却速度慢，越有利于石墨化，而快冷则阻止石墨化。铸造时冷速与浇注温度，造型材料，铸造方法和铸件壁厚均有关。在实际生产中，满足极其缓慢的冷却速度是不现实的。加入较多硅，在生产条件下可实现石墨化。第10页/共50页11第三节铸铁的分类及其常用铸铁1铸铁的分类

根据石墨化程度和碳在铸铁中的存在形式划分（1）灰口铸铁碳全部或大部分以石墨形式存在于铸铁中，断口呈暗灰色。是工业常用的铸铁。（2）白口铸铁碳除少数溶入铁素体中外，其余的碳全部以渗碳体的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。有较大的硬脆性，故白口铸铁很少应用，主要用作炼钢原料。（3）麻口铸铁碳一部分以石墨状态存在，另一部分以渗碳体存在，断口呈黑白相间的麻点，也有较大硬脆性，很少应用。第11页/共50页12第三节铸铁的分类及其常用铸铁根据铸铁中石墨的形态可划分为：（1）灰口铸铁（简称灰铁）石墨呈片状的铸铁。机械性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，工业上应用最广。（2）可锻铸铁（简称可铁）石墨呈团絮状的铸铁。由白口铸铁经石墨化退火得到，机械性能较灰铁高。（3）球墨铸铁（简称球铁）石墨成球状分布的铸铁。在浇注前经球化处理得到，机械性能比灰铁和可铁高，工艺比可铁简单，还可以通过热处理进一步提高机械性能，应用日益广泛。（4）蠕墨铸铁（简称蠕铁）石墨呈蠕虫状分布的铸铁。物理性能，机械性能，及铸造性能介于灰铁和球铁之间，主要用于汽车行业中薄壁重量轻的各种零件。第12页/共50页13第三节铸铁的分类及其常用铸铁2灰口铸铁

化学成分：C%=2.5－4.0Si%=1.0－2.5Mn%=0.5－1.4微量S、P获得方法：将上述成分的铁水缓慢冷却即可获得。显微组织：片状石墨＋基体组织（F、F+P、P)牌号：字母“HT”+数字（最小抗拉强度）例：HT200表示灰铁，抗拉强度为200MPa应用：成本低，价格低廉，应用广泛。主要应用机床床身、齿轮箱、叶轮等。第13页/共50页14第三节铸铁的分类及其常用铸铁

灰口铸铁显微组织铁素体灰口铸铁铁素体加珠光体灰口铸铁珠光体灰口铸铁第14页/共50页15第三节铸铁的分类及其常用铸铁

灰口铸铁应用机床床身气缸体第15页/共50页16第三节铸铁的分类及其常用铸铁3可锻铸铁（实际上不可锻）

石墨呈团絮状的铸铁称为可锻铸铁。具有较高的强度，并有一定的塑性和韧性，其机械性能比灰口铁高。化学成分：C%=2.4－2.8Si%=1.2－2.0Mn%=0.4－1.2微量SP获得方法：上述成分的铁水快冷得到白口铁，然后重新加热到900－1000度长时间保温（15小时）缓慢冷却。

显微组织：团絮状石墨＋基体（F、P）牌号：字母（KTH或KTZ）＋数字（最低抗拉强度）＋数字（最低延伸率）例：KTH350-10基体为FKTZ550-04基体为P应用：汽车轮壳、后桥壳、制动器等。第16页/共50页17第三节铸铁的分类及其常用铸铁

可锻铸铁显微组织黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁第17页/共50页18第三节铸铁的分类及其常用铸铁4球墨铸铁

具有球状石墨的铸铁称为球墨铸铁。其强度、塑性和韧性都比灰口铁高。塑性、韧性比可锻铸铁好。化学成分：C%=3.8－4.0Si%=2.0－2.8Mn%<0.7微量S、P获得方法：上述成分的铁水中加入球化剂（MgCa)

再加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，缓慢冷却获得球墨铸铁。显微组织：球状石墨＋基体（FF+PP)牌号：字母“QT”＋数字（最低抗拉强度）＋数字（最低延伸率）例：QT500-7表示球墨铸铁，最低抗拉强度500MPa最低延伸率7％应用：发动机曲轴、机床主轴、轻负荷齿轮等。

第18页/共50页19第三节铸铁的分类及其常用铸铁

球墨铸铁显微组织铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁第19页/共50页20第三节铸铁的分类及其常用铸铁5蠕墨铸铁

石墨呈蠕虫状分布的铸铁。物理性能，机械性能，及铸造性能介于灰铁和球铁之间。化学成分：C%=3.4－3.6Si%=2.4－3.0Mn%=0.4-0.6

微量S、P获得方法：上述成分的铁水经变质处理和孕育处理随之冷却凝固后所获得的一种铸铁。显微组织：蠕虫状石墨＋基体（FF+PP)牌号：字母“RuT”＋数字（最低抗拉强度）例：RuT340表示蠕墨铸铁，最低抗拉强度340MPa应用：重型机床床身、机座、排气管等。

第20页/共50页21第三节铸铁的分类及其常用铸铁

蠕墨铸铁显微组织第21页/共50页22第四节铝及其合金

通常把铁及其合金（钢、铸铁）称为黑色金属材料，而把非铁金属及其合金称为有色金属材料。与黑色金属相比，有色金属具有许多优良特性，例如铝、镁、钛及其合金具有密度小，比强度高的特点，在飞机，汽车制造等工业中应用十分广泛；又如银、铜、铝及其合金的导电性导热性好，是电器，仪表工业不可缺少的材料。虽然有色金属使用量少，在机械制造业中仅占4.5%左右，但它是现代工业中不可缺少的材料。第22页/共50页23

1铝及铝合金铝具有特殊的化学、物理特性，是当今工业上常用的金属之一，不仅重量轻，质地坚，而且具有良好的延展性、导电性、导热性、耐热性和耐核辐射性，是国家经济发展的重要基础原材料。铝是一种轻金属，密度仅是铁的三分一左右，约为2.7kg/m3，熔点660度。纯净的铝是银白色的，因在空气中易与氧气化合，在表面生成一种致密的氧化物膜（Al2O3），所以通常略显银灰色。而其薄膜又使铝不易被腐蚀。但铝不耐酸、碱、盐的腐蚀。纯铝较软，在300℃左右失去抗拉强度。经处理过的铝合金，质轻而较坚韧。铝合金是以铝为基加入其他合金元素（铜、硅、镁、锌、锰、镍等）而组成的合金。铝合金质轻、强度高，比强度值接近或超过钢，具有优良的导电、导热和抗蚀性，易加工、耐冲压，并且可阳极氧化成各种颜色。第四节铝及其合金第23页/共50页24

铝合金根据成型处理工艺的特点分为变形铝合金和铸造铝合金。2铝合金的分类第四节铝及其合金第24页/共50页25

变形铝合金又称可压力加工铝合金，塑性良好。可通过轧制、挤压、拨制、锻造等冷、热加工制成板、棒管和型材等产品，是优良的轻型材料。按性能和特点，可分为防绣铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。广泛用作工程结构材料、工业造型材料和建筑装潢材料等。铸造铝合金按主要合金元素可分为铝－硅系、铝－铜系、铝－镁系和铝－锌系合金，具有良好的铸造性能和一定的力学性能，但塑性差，不能进行塑性加工。多采用砂型、金属型、熔模壳型的铸造方法，生产各种形状复杂，承载不大，重量较轻且有一定耐蚀、耐热要求的铸件。常见铝合金品种有铝合金型材、铝合金装饰板、铝箔、铝塑复合膜和真空镀铝膜。第四节铝及其合金第25页/共50页263产品中常用的铝材

铝合金坯锭加工成铝合金型材第四节铝及其合金第26页/共50页27

铝合金花纹板铝合金波纹板第四节铝及其合金第27页/共50页28

铝箔是金属箔中用量最大且用途最广的一种包装材料，它采用压延方法压制而成，它不但对氧气、光线和水蒸汽具有高阻隔性，而且具有艳丽的金属光泽，可印刷美丽的图案，广泛用于各种商品的包装。铝箔的主要包装性能是防潮性、保香性、遮光性和反射性。第四节铝及其合金第28页/共50页29

铝塑复合膜：通常铝箔较少单独用于包装，因为铝箔很柔软，不适宜高速包装。对铝箔进行树脂涂布或把铝箔与其它塑料进行复合，能使铝箔机械强度增加，并具有热封性能，从而适应现代包装机的高速自动包装。第四节铝及其合金第29页/共50页30

真空镀铝膜：将铝蒸气分子连续沉积在被涂基材上而形成的一种复合膜。第四节铝及其合金第30页/共50页31

变形铝合金第四节铝及其合金第31页/共50页32

铸造铝合金第四节铝及其合金第32页/共50页33

铸造铝合金第四节铝及其合金第33页/共50页341纯铜纯铜是一种坚韧、柔软、富有延展性的紫红色而有光泽的金属，1克的铜可以拉成3000米长的细丝，或压成10多平方米几乎透明的铜箔。纯铜的导电性和导热性很高，仅次于银，但铜比银要便宜得多。铜在干燥空气中安定，可保持金属光泽。但在潮湿空气中，表面会生成一层铜绿（碱式碳酸铜，分子式：Cu2(OH)2CO3），保护内层的铜不再被氧化。一般用在制冷、工艺品制作和电工等方面。紫铜第五节铜及其合金

第34页/共50页35

紫铜板紫铜电线第五节铜及其合金

第35页/共50页36纯紫铜散热器

第五节铜及其合金

第36页/共50页372铜合金铜合金是以铜为基加入一定量的其它合金元素(锌、锡、硅、铝、镍等)而组合的合金。按化学组成分为黄铜、青铜、白铜；按加工方法分为变形铜合金和铸造铜合金。变形铜合金具有良好的塑性，可利用压力加工成型，制成板、带、管、棒和线材；铸造铜合金塑性差，不能利用压力加工。但铸造性能好，广泛用于生产强度高，致密性能好的铸件。铸造铜合金在工艺美术方面也有广泛应用，多用于铸造仿古铜器。第五节铜及其合金

第37页/共50页38铜可用于制造多种合金，铜的重要合金有以下几种：黄铜

黄铜是铜与锌的合金，因色黄而得名。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好，可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。黄铜敲起来声音好听，因此锣、钹、铃、号等乐器都是用黄铜制做的。青铜

原指铜与锡合金，因色青而得名。但是工业上习惯把除黄铜、白铜以外的其它铜合金统称青铜。青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件以及各种板材、管材、棒材等。青铜还有一个反常的特性——“热缩冷胀”，用来铸造塑像，冷却后膨胀，可以使眉目更清楚。白铜白铜是铜与镍的合金，其色泽和银一样，银光闪闪，不易生锈。常用于制造硬币、电器、仪表和装饰品。第五节铜及其合金

第38页/共50页39

黄铜接头黄铜管第五节铜及其合金

第39页/共50页40黄铜钹黄铜号第五节铜及其合金

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黄铜蝉耳环黄铜猴锁

第五节铜及其合金

第41页/共50页42

锡青铜第五节铜及其合金

第42页/共50页43铝青铜第五节铜及其合金第43页/共50页44

白铜第五节铜及其合金

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1滑动轴承合金

用于制造滑动轴承及其内衬的合金。其性能要求(1)要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲劳强度。(2)足够的塑性和韧性。(3)低的摩擦系数(4)良好的导热性和小的膨胀系数。第六节滑动轴承合金

第45页/共50页46理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油并形成连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴颈的实际接触