金属材料特性.pptx
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1、1.4 1.4 金金 属属 材材 料料铸铁粉末冶金材料铝及其合金铜及其合金钢金属材料常用的金属材料包括钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、粉末冶金材料等,其中以钢和铸铁应用最为广泛。图1-14 芜湖长江大桥第1页/共69页钢钢1.1.化学成分对钢的力学性能的影响(1 1)杂质元素的影响:1)1)锰、硅的影响:有益元素.Mn Mn和SiSi在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。MnMn能减轻S S的有害作用。FeSFeSMnMnMnSMnSFeFe 2)2)硫的影响:有害元素.Fe FeS SFeSFeS,FeSFeS与FeFe易形成低熔点的共晶体,可使钢引起热脆性。3)3)磷的影响:有害元素.P
2、P在钢中可溶于铁素体,使钢强度、硬度增加,塑性、韧性减小,易使钢产生冷脆现象。但P P与CuCu同时存在,可提高钢的耐蚀性和耐磨性。第2页/共69页 (2)(2)合金元素的影响合金元素的影响合金元素:是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素,对钢的力学性能有很大影响。1)1)对钢的强度的影响:C C、SiSi、MnMn产生固溶强化,使钢的强度提高。C C、N N、CrCr、AlAl形成碳化物或氮化物,使钢的强度和 硬度提高。NbNb、V V、AlAl、TiTi可细化晶粒,提高钢的强度。2 2)对钢的韧性的影响:NbNb、V V等元素可细化晶粒,从而也显著提高钢的韧性。C C、SiSi、MnM
3、n一般使钢的韧性降低。第3页/共69页(1)(1)按化学成分分类:根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为1 1)非合金钢(碳素钢),分普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于0.25%0.25%为低碳钢,0.250.250.6%0.6%为中碳钢,大于0.6%0.6%为高碳钢,。2 2)低合金高强度结构钢,3 3)合金钢。钢的分类化学成分质量等级主要性能使用特性2.2.钢的分类钢的分类第4页/共69页表表1-2 1-2 部分合金元素规定质量分数界限值部分合金元素规定质量分数界限值 (%)(%)合金元素合金元素非合金钢非合金钢低合金钢低合金钢合金钢合金钢CrCr0.300.300.
4、300.500.300.50 0.50 0.50MnMn1.001.001.001.401.001.401.401.40MoMo0.050.050.050.100.050.100.100.10NiNi0.300.300.300.500.300.500.500.50SiSi0.500.500.500.900.500.900.900.90第5页/共69页(2)(2)按主要质量等级分按主要质量等级分类类1)1)普通质量钢:即对生产过程中控制质量无特殊规定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。S S、P P含量均小于0.045%0.045%。2)2)优质钢:即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,并达到比普
5、通质量钢较高的质量要求。S S、P P含量均小于0.040%0.040%。3 3)特殊质量钢:即在生产过程中需要严格控制质量和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。S S、P P含量均小于0.020%0.020%。按质量等级普通质量钢优质钢特殊质量钢第6页/共69页(3)(3)按使用特性分类按使用特性分类可分为:工具钢,工程结构用钢,机械结构用钢,不锈耐蚀钢,耐热钢等。工程结构用钢耐热钢不锈耐蚀钢机械结构用钢工具钢使用特性第7页/共69页(1)(1)非合金钢非合金钢1)1)碳素结构钢牌号:例如 Q235FQ235F “Q Q”表示屈服点,“235235”表示屈服点值为235M
6、Pa,235MPa,“F F”表示脱氧方法(沸腾钢)。碳素结构钢w(C)w(C)为0.06%0.38%0.06%0.38%。用途 :主要用来制造一般工程结构和普通机床零件 ,通常轧制成各种型材、板材和线材等。3.钢的牌号和应用第8页/共69页牌号牌号质量质量等级等级化学成分化学成分(质量分数质量分数,%),%)力学性能力学性能C CMnMnSiSiS SP Pss/MPa/MPabb/MPa/MPa(%)(%)不大于不大于Q195Q1950.060.0.060.12120.250.250.500.500.030.030.0500.0500.00.045451951953153154304303
7、333Q215Q215A A0.090.0.090.15150.250.250.550.550.300.300.0500.0500.00.045452152153353354504503131Q255Q255A A0.180.0.180.28280.400.400.700.700.300.300.0500.0500.00.045452552554104105505502424Q275Q2750.280.0.280.38380.500.500.800.800.350.350.0500.0500.00.045452752754904906306302020表1-3 碳素结构钢部分牌号、成分与力学性
8、能第9页/共69页2)2)优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号:是用二位数字表示,这两位数字表示钢中的平均碳的质量分数(万分数)。例如45钢:表示平均w(C)为0.45%的优质碳素结构钢。若为沸腾钢,则在牌号后加“F”符号,如08F。若含锰量较高,则在数字后加“Mn”符号。用途:主要用来制造比较重要的机械零件,如轴、连杆、弹簧等。第10页/共69页牌牌号号化学成分化学成分(质量分数,(质量分数,%)力学性能(不小于)力学性能(不小于)应用举例应用举例C CSiSiMnMn s s/MPMPa a b b/MPMPa a(%)(%)(%)(%)HBSHBS(热热轧)轧)08F0.050.110.03
9、0.250.502951753560131要求冷成形性和焊要求冷成形性和焊接性良好的零件,接性良好的零件,如冲压件、焊接件如冲压件、焊接件等。等。200.170.230.170.370.350.654102452555156同上,且用于要求同上,且用于要求内韧外硬的渗碳件。内韧外硬的渗碳件。600.570.650.170.370.500.806754001535255经淬火和中温回火经淬火和中温回火具有较高弹性的各具有较高弹性的各类弹簧等。类弹簧等。表1-4 优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例第11页/共69页3 3)碳素工具钢)碳素工具钢 牌号:是用规定符号T T(碳字的汉语拼音字
10、首)和数字表示。例如 T10AT10A “1010”表示平均w(C)w(C)为0.10%0.10%,“A A”表示高级优质。用途:用于制造不受冲击、高硬度、耐磨的工具,如锉刀、手锯条、拉丝模等。图1-15丝锥第12页/共69页牌号牌号化学成分(质量分数,化学成分(质量分数,%)试样淬火试样淬火HRCHRC(不(不小于)小于)应用举例应用举例C CSiSiMnMnT8T80.750.750.840.840.350.350.400.40(780780800800,水淬)水淬)6262承受冲击,要求较高硬承受冲击,要求较高硬度的工具。如压缩空气度的工具。如压缩空气工具等。工具等。T9AT9A0.85
11、0.850.940.940.400.40(760760780,780,水淬)水淬)6262韧性中等,硬度高的工韧性中等,硬度高的工具。如冲头、木工工具,具。如冲头、木工工具,凿岩工具。凿岩工具。T10T100.950.951.041.04不受剧烈冲击、高硬度、不受剧烈冲击、高硬度、耐磨的工具。如冲头、耐磨的工具。如冲头、手锯条等。手锯条等。T12AT12A1.151.151.241.24不受冲击、要求高硬度、不受冲击、要求高硬度、高耐磨的工具。如锉刀、高耐磨的工具。如锉刀、量具等。量具等。表1-5 碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用第13页/共69页(2)(2)低合金高强度结构钢低合金高强度
12、结构钢牌号:例如 Q390AQ390A “Q Q”表示屈服点,“390390”表示屈服点值为390MPa390MPa,“A A”表示质量等级为A A 级。用途:低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理,综合力学性能良好,用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。第14页/共69页(3)(3)合金钢合金钢1 1)合金结构钢 牌号:例如 60Si2Mn60Si2Mn,“6060”表示平均w(C)=0.6%w(C)=0.6%,“Si2 Si2”表示平均w(Si)=2%w(Si)=2%,“Mn Mn”表示平均w(Mn)1.5%w(Mn)1.5%。用途:合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢,常用来
13、制造重要的零件,如齿轮、轴类、弹簧等。例:渗碳钢,20CrMnTi20CrMnTi;调质钢,40CrMn40CrMn;弹簧钢,60Si2Mn60Si2Mn。第15页/共69页2 2)合金工具钢牌号:例1 1:低合金工具钢:9SiCr9SiCr “9 9”表示平均w(C)=0.9%w(C)=0.9%,“SiSi”表示平均w(Si)1.5%w(Si)1.5%,“CrCr”表示平均 w(Cr)1.5%w(Cr)1.5%。用途:合金工具钢的力学性能 优于碳素工具钢,广泛用于制造各种刃具、量具、模具等。如钻头、绞刀、量块和冲模等。图1-16 硬质合金冲模第16页/共69页例例1:高合金工具钢:高合金工具
14、钢高速钢:高速钢:W18Cr4V平均w(C)为0.70.8%,“W18”表示平均 w(W)=18%,“Cr4”表示平均w(Cr)=4%,“V”表示平均w(V)1.5%。用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。第17页/共69页(4)(4)铸钢铸钢 即在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金。性能特点:铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁,用途:主要用于制造承受 重载荷及冲击载荷的构件。如锻锤机架、齿轮、轧辊等。在各类铸造合金中,铸钢的应用仅次于铸铁。主要分为:铸造碳钢和 铸造合金钢。图1-17 铸钢件第18页/共69页1)1)铸造碳钢牌号:例如 ZG230450 450b450MPa;230
15、s(0.2)230MPa;ZG “铸钢”汉语拼音首字母。性能特点:有一定的强度和较好的塑性、韧性,焊接性能良好,切削加工性尚好。用途:作砧座、轴承盖、齿轮等。图1-18 各种铸钢件第19页/共69页牌号牌号化学成分(质量化学成分(质量分数,分数,%)力学性能(最小值)力学性能(最小值)主要特点及应用主要特点及应用C CSiSiMnMn s s(0.20.2)/MPa/MPa b b/MPa/MPa(%)(%)ZG2004000.200.500.8020040025塑性、韧性较好,强度、塑性、韧性较好,强度、硬度较低,焊接性良好,硬度较低,焊接性良好,但铸造性能差,用于受力但铸造性能差,用于受力
16、不大,韧性要求较高的零不大,韧性要求较高的零件。如机座、机架等。件。如机座、机架等。ZG3406400.600.600.9034064010强度、硬度较高,塑性、强度、硬度较高,塑性、韧性较差,焊接性和铸造韧性较差,焊接性和铸造性能均差,用于受力较大性能均差,用于受力较大的耐磨零件。如齿轮、棘的耐磨零件。如齿轮、棘轮、车轮等。轮、车轮等。表1-6 铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用第20页/共69页2)2)铸造合金钢铸造合金钢 即为改善性能而添加的合金元素含量超过铸造碳钢范围的铸钢。牌号:例如 ZG30MnSi1 30 W(C)为0.3%左右。Si W(Si)为0.91.4%Mn W(Mn
17、)为0.91.4%主要特点:耐磨性高。用途:用于受力较大的耐磨零件,如链轮、齿轮、承力支架等。第21页/共69页铸铸 铁铁铸铁:在凝固过程中经历共晶转变,用于生产铸件的铁基合金的总称。性能特点:良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减震性,且熔炼工艺与设备比较简单,成本低廉。用途:铸铁件占铸件总产量的80%80%左右。如机床床身、箱体等。w(Si)1.0%3.0%w(Mn)0.5%1.3%w(P)0.3%w(S)0.15%w(C)2.5%4.0%铸铁的化学成分第22页/共69页1.1.铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图铸铁中,碳的存在 形式有渗碳体(FeFe3 3C C)和游离状态的石墨(G G
18、)两种。铁碳合金实际上存在两种相图:(1 1)FeFeFeFe3 3C C相图,(2 2)FeFeG G相图。图1-19 铁碳双重相图 第23页/共69页二、铁碳合金相图图4-13简化后的Fe-相图第24页/共69页1.Fe-相图中的特性点表4-3Fe-相图中的特性点第25页/共69页2.Fe-相图中的特性线(1)ACD线(2)ECF线(3)GS线(4)GP线(5)ES线(6)PSK线 (7)PQ线第26页/共69页表4-4Fe-相图中的特性线第27页/共69页3.Fe-相图中的各区域组织表4-5 Fe-相图中的各区域组织第28页/共69页4.铁碳合金的分类表4-6铁碳合金的分类第29页/共6
19、9页2.2.2.2.铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程(三个过程三个过程三个过程三个过程)第一阶段:高温石墨化阶段,“一次结晶析出石墨G”1154:L4.26 A2.08+G(共晶)第二阶段:中间石墨化阶段,“二次结晶析出G”1154-738:A G第三阶段:低温石墨化阶段,“共析反应析出G”738:A0.68 F+G(共析)第30页/共69页 铸铁的组织:铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织:(1 1)珠光体+石墨,(2 2)珠光体+铁素体+石墨,(3 3)铁素体+石墨。铁素体+石墨铁素体+珠光体+石墨珠光体+石墨铸铁组织第31页/共69页3.3.影响
20、铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。(1 1)化学成分 碳和硅 分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素,铸铁中碳、硅含量越高,石墨越容易析出。硫强烈阻碍石墨化,且容易增加铸铁的热裂倾向,锰虽然阻碍石墨化,但锰与硫能形成硫化锰,有利于减弱硫的不利影响,而且还能促进珠光体形成,强化基体,故铸铁中必须含一定量的锰。磷是微弱促进石墨化的元素,但会增加铸铁的冷脆性。第32页/共69页(2)2)冷却速度冷却速度1 1)慢冷:利于石墨析出并长大,形成灰口,2 2)快冷:石墨来不及析出,碳以FeFe3 3C C存在,形成白口。注:要获得所需的组织和性能的铸件,应根据
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