《机械常识与维修基础（第二版）》 课件 模块五 金属材料

模块五金属材料384课题一金属的性能课题二碳素钢课题三钢的热处理课题四合金钢课题五铸铁课题六有色金属课题七金属的腐蚀及防腐方法课题一金属的性能385学习目标掌握金属材料的物理性能、化学性能和力学性能的概念及其表示符号。386 相关知识一、金属的物理性能金属材料的物理性能有密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。1．密度密度是物体单位体积内所具有的质量，用符号ρ表示，单位是kg/m3。工程上常将密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。金属的密度通常作为选材的依据。如图所示发动机活塞，其用密度较小的铝合金制造是为了减小惯性。387388发动机活塞2．熔点金属材料在缓慢加热的条件下，由固态开始熔化为液态时的温度，称为该金属的熔点，单位为摄氏度（℃）。工业上常用的金属中，锡的熔点最低，为231.9℃；钨的熔点最高，为3410℃。掌握各种金属材料和合金的熔点，对于铸造、焊接以及制备合金等方面都很重要。如图所示为发动机气门，是用熔点高的金属材料制成的。389发动机气门3．导热性导热性是指金属材料传导热量的能力。一般用导热系数来表示金属材料导热性能的优劣，导热系数又称热导率。金属的导热性越差，其加热或冷却时，部件表面和内部的温度差就越大，由此产生的内应力就越大，就越容易发生裂纹。一般来说，导电性好的材料，其导热性也好。银的导热性最好，其次是铜和铝。汽车上的散热器常用导热性好的铜和铝来制造，如图所示。390汽车散热器4．导电性金属材料传导电流的能力称为导电性。衡量金属材料导电能力的指标是电导率，电导率越大，其导电性能就越好。导电性以银最好，其次是铜和铝。汽车上广泛采用纯铜作为导体，如汽车起动机线束。391汽车起动机线束5．热膨胀性金属材料在加热时体积增大的性能称为热膨胀性。一般用线膨胀系数来表示金属材料热膨胀性的大小，单位为1/℃。在生产实践中，必须考虑金属材料热膨胀性所产生的影响。如图所示为转子式发动机，其转子与定子之间要留有足够的间隙，以防止机组启动加热时，因其热膨胀性的差异，发生转子与定子磨损事故。392转子式发动机6．磁性金属材料能导磁的性能称为磁性。根据这种性能的不同，通常将金属材料分为铁磁材料、顺磁材料和逆磁材料三种。铁磁材料有铁、钴、镍等，它们在外磁场中能强烈被磁化。393发电机转子二、金属的化学性能金属材料的化学性能是指在室温或高温条件下抵抗各种化学作用的能力，主要包括耐腐蚀性和抗氧化性。1．耐腐蚀性耐腐蚀性是指金属材料抵抗酸碱化学物质侵蚀的能力。工作在酸、碱、油、水等环境下的零件在选材时要选用耐腐蚀性好的材料。2．抗氧化性高温下金属材料不易被氧化的性能称为抗氧化性。金属零件被氧化会失去正常工作能力，因此，工作在高温环境下的零件在选材时要充分考虑材料的抗氧化性，如汽车发动机排气门。394三、金属的力学性能机械零件或工具在使用过程中往往会受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力，这种能力称为材料的力学性能。金属表现出来的强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等特征就是用来衡量金属材料在外力作用下所表现出的力学性能指标。3951．强度（1）定义材料在静载荷作用下，抵抗永久变形（塑性变形）或断裂的能力称为强度。由于材料承受外力的方式不同，其变形存在多种形式，因此材料的强度又分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗弯强度、抗剪强度等。（2）强度指标材料受外力作用后，导致其内部之间的相互作用力称为内力，其大小和外力相等，方向相反。单位面积上的内力称为应力。材料强度的大小用应力表示。3962．塑性（1）定义塑性是指材料在受到外力作用时，产生永久变形而不发生断裂的能力。在外力作用下产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。在外力作用下发生微小变形即被破坏的材料，称为脆性材料。如图所示，在切削钢件（塑性材料）时，形成的切屑产生了明显的塑性变形，切屑呈带状并发生卷曲；在切削铸铁件（脆性材料）时，切屑呈完全崩碎状态，分离的金属没有产生塑性变形就碎裂了。397398钢件与铸铁件切屑的比较a）切削钢件b）切削铸铁件（2）塑性指标塑性指标是通过拉伸试验获得的，用断后伸长率A和断面收缩率Z来表示。断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面面积最大缩减量与原始横截面面积之比的百分率。A、Z的数值越大，说明材料在破坏前受外力作用所产生的永久性变形越大，表示材料的塑性越好。材料具有塑性才能进行变形加工，塑性好的材料受力时要先发生塑性变形，然后才会断裂，所以制成的零件在使用时也较安全。3993．硬度（1）定义材料表层抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程度的指标。机床刀具可以将工件表面的金属切削下来，说明刀具的硬度比其所加工工件的硬度要高。400工件切削（2）硬度的测试方法及指标硬度是在专用的硬度试验机上测得的，如图所示。常用的硬度试验法有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。401常用的硬度试验机a）布氏硬度试验机b）洛氏硬度试验机c）维氏硬度试验机1）布氏硬度。使用一定直径的硬质合金球，以规定试验力压入试样表面，并保持规定时间后卸除试验力，然后通过测量表面压痕直径来计算布氏硬度。布氏硬度值是球面压痕单位面积上所承受的平均压力，用HBW表示，单位为MPa。2）洛氏硬度。洛氏硬度是通过测量压痕深度来确定硬度值，无单位。同一台洛氏硬度试验机，当采用不同的压头和不同的总试验力时，可组成几种不同的洛氏硬度标尺。常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最广，常用来测试淬火钢等较硬材料的硬度。3）维氏硬度。维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相同，但采用正四棱锥金刚石压头进行试验，用符号HV表示，单位为MPa。4024．韧性（1）定义韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不发生破坏的能力。许多机械零件在工作中往往会受到冲击载荷的作用，如活塞销、锻锤杆、冲模、锻模等。制造这类零件必须考虑所用材料的韧性。（2）韧性指标材料的韧性用一次摆锤冲击试验来测定。一次摆锤冲击试验机如图所示，被测材料制成的冲击试样如图所示。403404一次摆锤冲击试验机冲击试样a）U形缺口冲击试样 b）V形缺口冲击试样5．疲劳强度（1）定义金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。（2）疲劳强度指标疲劳强度指标用疲劳极限来衡量，用R-1表示。疲劳极限是指金属材料承受无数次交变载荷而不会发生断裂的最大应力。405四、金属的工艺性能金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下五个方面。1．切削加工性切削加工性反映用切削工具（例如车削、铣削、磨削等）对金属材料进行切削加工的难易程度。406金属的切削加工a）车削 b）磨削 c）铣削2．可锻性可锻性反映金属材料在压力加工过程中成形的难易程度，例如，将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、力学性能有关的临界变形的界限，热变形时金属的流动性、导热性能等。3．可铸性可铸性反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。4074．可焊性可焊性反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、对力学性能的影响等。5．热处理性能热处理性能指金属材料是否适应各种热处理方法的能力。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。408课题二碳素钢409学习目标1．能叙述碳及常存元素对碳素钢的影响。2．能区分碳素钢的分类及常用碳素钢的性能、牌号、用途。410 相关知识纯金属强度和硬度一般都较低，冶炼困难，且价格较高，其应用受到限制，在工业生产中广泛使用的是合金材料。合金是指以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。合金一般包含两种或两种以上的金属或非金属元素。以铁为基础的铁碳合金称为钢铁材料，又称为黑色合金。碳素钢是含碳量大于0.0218%小于2.11%且不含其他合金元素的铁碳合金。由于碳素钢容易冶炼，价格便宜，具有较好的力学性能和优良的工艺性能，可满足一般机械零件的使用要求。因此，在汽车制造、交通运输等部门中应用非常广泛。碳素钢在汽车上的应用如图所示。411412碳素钢在汽车上的应用a）油底壳b）连杆c）变速器齿轮d）曲轴 一、碳素钢中常存元素对其性能的影响实际使用过程中碳素钢并不是单纯的铁碳合金，常含有少量的硅、锰、硫、磷等元素。碳素钢中的这些常存元素对钢的性能具有一定的影响。1．碳（C）的影响碳是决定钢性能的主要元素。如图所示为碳的质量分数对钢力学性能的影响。413碳的质量分数对钢力学性能的影响（1）强度碳的质量分数小于0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度逐渐增强；当含碳量大于0.9%时，钢的强度随含碳量的增加而降低。（2）硬度随着碳的质量分数的增加，钢的硬度一直增强。（3）韧性、塑性随着碳的质量分数的增加，钢的塑性和韧性降低。此外，钢中碳的质量分数对钢的焊接性能、铸造性能、热处理性能都有影响。由此可见，含碳量对钢的性能的影响是合理选用钢材所考虑的主要因素。4142．锰（Mn）的影响锰是钢中的有益元素，是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。锰有很好的脱氧能力，还可以与硫形成MnS，从而消除硫的有害作用。锰作为杂质其质量分数一般不应超过0.8%。3．硅（Si）的影响硅也是钢中的有益元素，它是作为脱氧剂而进入钢中的，硅的脱氧能力比锰强，能提高钢的强度。硅作为杂质其质量分数一般不应超过0.4%。4154．硫（S）的影响硫是钢中的有害元素，常以FeS的形式存在，FeS与Fe形成共晶体，熔点为985℃，分布在晶界，当钢材在1000～1200℃进行压力加工时，共晶体熔化，使钢材变脆，这种现象称为热脆。为了避免热脆，钢中平均硫的质量分数必须严格控制，通常应小于0.05%。5．磷（P）的影响磷也是钢中的有害元素，它使钢在低温时变脆，这种现象称为冷脆。因此，钢中平均磷的质量分数通常应小于0.045%。416二、碳素钢的分类417碳素钢的分类三、碳素钢的牌号表示方法、含义及其在汽车上的应用418碳素钢的牌号表示、含义及其在汽车上的应用419碳素钢的牌号表示、含义及其在汽车上的应用课题三钢的热处理420学习目标1．了解钢热处理的目的、分类和应用。2．掌握钢热处理的基本方法。421 相关知识一、热处理的目的热处理是将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。热处理工艺过程可用以温度—时间为坐标的曲线图表示。如图所示为热处理工艺曲线。通过热处理不仅可以提高和改善钢的使用性能和工艺性能，而且能充分发挥材料的性能潜力，延长零件的使用寿命，提高产品的质量和经济效益。因此，热处理工艺在机械制造业中应用极为广泛。422热处理工艺曲线二、热处理的分类钢的常用热处理方法如图所示。热处理能使钢的性能发生变化的根本原因是铁具有同素异构转变的特性，从而使钢在加热和冷却过程中，发生组织和结构上的变化。423热处理的分类三、热处理的基本方法机械零件一般的加工工艺顺序为：铸造或锻造→退火或正火→机械粗加工→淬火+回火（或表面热处理）→机械精加工。从机械零件一般的加工工艺顺序可以看出，退火和正火通常安排在机械粗加工之前进行，作为预先热处理，其作用是消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，改善材料的切削性能，为随后的切削加工以及热处理（淬火+回火）做好准备。对于某些不太重要的工件，正火也可作为最终热处理工序。4241．退火退火是指将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。2．正火正火是指将钢加热到一定温度，保温适当的时间后，在空气中冷却的工艺方法。正火的冷却速度比退火快，正火后得到的组织比较细，强度、硬度比退火钢高。通常金属材料最适合切削加工的硬度在170～230HBW。因此，作为预备热处理，对欲进行切削加工的钢件，应尽量使其硬度处于这一硬度范围内。4253．淬火和回火当机械零件完成机械粗加工后，要满足其使用性能就必须再提高它们的强度、硬度并保持一定的韧性，以承受工作时受到的强烈挤压、摩擦和冲击。为此在粗加工后，精加工之前，还要对它们进行淬火和回火。（1）淬火将钢件加热到一定温度以上的适当温度，经保温后快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火的目的是获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。（2）回火回火是指将淬火后的钢重新加热到一定温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。4264．调质处理生产中把淬火及高温回火相结合的热处理工艺称为“调质”，由于调质处理后工件可获得良好的综合力学性能，不仅强度较高，而且有较好的塑性和韧性，这就为零件在工作中承受各种载荷提供了有利条件。因此，重要的受力复杂的结构零件一般均采用调质处理。4275．表面淬火和化学热处理在机械设备中，有许多零件是在冲击载荷、扭转载荷及摩擦条件下工作的，如汽车的变速齿轮等，它们要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部要具有足够的塑性和韧性。这一要求如果仅从选材方面去解决是十分困难的，若用高碳钢，硬度高，但心部韧性不足；相反，若用低碳钢，心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨。为了满足上述要求，实际生产中一般先通过选材和常规热处理满足心部的力学性能，然后再通过表面热处理的方法强化零件表面的力学性能，以达到零件“外硬内韧”的性能要求。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。428429汽车变速齿轮（1）表面淬火表面淬火是一种仅对工件表层进行淬火的热处理工艺，它不改变钢的表层化学成分，但改变表层组织。（2）化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。与其他热处理相比，化学热处理不仅改变了钢的组织，而且表层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。430课题四合金钢431学习目标1．了解合金钢的分类。2．熟悉合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢等的牌号、性能及其在汽车上的应用。3．掌握常用合金钢的牌号、性能。432 相关知识汽车上的一些重要零件工作条件比较复杂，为了保证汽车零件的可靠性，一些重要零件大都采用合金钢制造。合金钢是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一些合金元素的钢。合金钢中除了硅、锰、硫、磷外，常用的合金元素还包括铬、镍、钨、钼、钒、硼、铝、钛及稀土元素。433一、合金钢的分类434合金钢的分类二、合金钢的牌号1．合金结构钢合金结构钢的牌号采用两位数字（碳质量分数的万分数）+元素符号（或汉字）+数字表示。前面两位数字表示钢的平均碳质量分数的万分数；元素符号（或汉字）表示钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示该合金元素的平均质量分数。合金元素平均质量分数小于1.5%时不标，平均质量分数为1.5%～2.5%，2.5%～3.5%…时，则相应地标以2，3…2．合金工具钢合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量大于或等于1.0%时，则不予标出。4353．特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法相同，如不锈钢2Cr13表示平均碳质量分数为0.20%，平均铬质量分数为13%。当平均碳质量分数为0.03%～0.10%时，用0表示，碳质量分数小于等于0.03%时，用00表示。4．高速钢碳质量分数均不标出，如W18Cr4V钢的平均碳质量分数为0.7%～0.8%。5．对于一些特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，且不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。6．各种高级优质合金钢在牌号的最后标上“A”，如38CrMoAlA，表示平均碳质量分数为0.38%的高级优质合金结构钢。436三、合金钢的性能及其在汽车上的应用437合金钢的性能及其在汽车上的应用438合金钢的性能及其在汽车上的应用439合金钢的性能及其在汽车上的应用440合金钢的性能及其在汽车上的应用441合金钢的性能及其在汽车上的应用课题五铸铁442学习目标1．了解铸铁在汽车上的应用。2．掌握铸铁的分类以及各种铸铁的牌号、性能和应用。443 相关知识铸铁是碳质量分数大于2.11%的铁碳合金，其碳质量分数一般为2.11%～4%，除碳外，铸铁还含有硅、锰、硫、磷等元素。铸铁在汽车上的应用非常广泛，约占汽车所用金属材料的50%，汽车发动机曲轴、气缸体、连杆、凸轮轴、中重型载货汽车后桥外壳、轿车转向节等均是用铸铁制造的。444一、铸铁的分类445铸铁的分类二、铸铁的牌号、性能和应用446铸铁的牌号、性能和应用447铸铁的牌号、性能和应用448铸铁的牌号、性能和应用449铸铁的牌号、性能和应用课题六有色金属450学习目标1．掌握铝及铝合金、铜及铜合金的牌号、性能和应用。2．了解硬质合金、轴承合金的牌号、性能和应用。451 相关知识除黑色金属（铁碳合金）以外的其他金属统称为有色金属。有色金属具有特殊的性能，可以满足机件的工作需要。汽车上常用的有色金属有铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金、硬质合金等。一、铝及铝合金铝及铝合金的分类、牌号、性能及应用见下表。452453铝及铝合金的分类、牌号、性能及应用 二、铜及铜合金铜及铜合金在汽车上的应用也非常广泛，如铜气缸垫、铜散热器、铜黄油嘴、铜基摩擦片等。汽车上使用的铜主要是纯铜、黄铜和青铜。铜及铜合金的分类、牌号、性能及应用见下表。454铜及铜合金的分类、牌号、性能及应用455铜及铜合金的分类、牌号、性能及应用456铜及铜合金的分类、牌号、性能及应用三、轴承合金用于制造滑动轴承的材料称为轴承合金。轴承在汽车上的应用非常广泛，如发动机中的曲轴轴承、连杆轴承、凸轮轴轴承等。轴承的工作条件非常恶劣，不但要承受交变载荷，还要承受高速摩擦、高温等。因此，轴承合金必须满足以下要求：良好的耐磨性和减摩性；有一定的抗压强度和硬度，有足够的疲劳强度和承载能力；塑性和冲击韧度良好；具有良好的抗咬合性；良好的顺应性；好的嵌镶性；要有良好的导热性、耐腐蚀性和小的热膨胀系数。457轴承合金的组织主要有两类：软相基体上均匀分布着硬相质点，或硬相基体上均匀分布着软相质点。常用轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金和铝基轴承合金。458滑动轴承1．锡基轴承合金锡基轴承合金中锡质量分数为80%～90%，锑质量分数为3%～16%，铜质量分数为1.5%～10%，其组织为在软基体（α固溶体）上分布着硬质点β相（以化合物SnSb为基的固溶体）。加入铜可以防止密度偏析。2．铅基轴承合金铅基轴承合金是一种以铅和锑为基的轴承合金，其室温组织为软基体α固溶体