工程材料与机械制造基础(CH5).ppt

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1、工程材料与机械制造工程材料与机械制造基础基础(CH5)1）磷硫的影响）磷硫的影响 由于磷硫以上的影响，在钢中的含量应严格控制，并以其含量的多少作为评定钢材质量的标准。2）硅锰的影响）硅锰的影响 硅锰都能溶入F体中，使钢的强度、硬度提高，但由于在钢中的含量少，其影响不明显。Mn能与S亲合力大，形成MnS，其熔点高（1620 C），常呈粒状分布在晶内，且具有一定的塑性，可降低FeS的有害作用。2、碳钢的分类、碳钢的分类1）按用途分：结构钢、工具钢2）按含碳量分：低C钢（0.25%)，中C钢（0.25 0.6%)，高C钢（0.6%)。3）按质量分：普通钢、优质钢、高级优质钢3、普通碳素结构钢、普通碳

2、素结构钢GB700-88牌号表示方法有屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号与脱氧方法四部分组成。共5类牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，其中Q195、Q275不分质量等级，既保证力学性能又保证化学成分。Q215、Q235、Q255的A级只保证力学性能，化学成分除S、P、Si外，其它不保证。其它质量等级同时保证力学性能和化学成分。例Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。普通碳钢的牌号、成分、性能与用途见表5-1。4、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢用两位数字表示含C量的万分数。分普通含锰量和较高含锰量（0.71.2%)两种。低C钢用于冲压件、焊接件和渗C件。中

3、C钢用于综合性能要求较高的轴类和齿轮类零件。高C钢用于弹簧、钢丝、钢带等。优质碳素结构钢的牌号、成分、性能与用途见表5-2。5、碳素工具钢、碳素工具钢用“T”表示，后面的数字表示含C量的千分数。T7、T8强度硬度较高，塑性韧性好，常用于受冲击较大的工具（冲头、凿子等）。T9、T10、T11用于高硬度、中等韧性的工具（钻头、丝攻等）。T12、T13用来制造高硬度、高耐磨性而韧性要求不高的工具（量具、锉刀等）。“ZG35”表示表示35号铸钢。号铸钢。“Y20”表示表示20号易切削钢。高号易切削钢。高级优质钢分别在牌号后加级优质钢分别在牌号后加“A”。二、合金钢二、合金钢（一）碳钢性能的局限性（一）

4、碳钢性能的局限性1、不能获得优异的机械性能2、热处理工艺性差3、不具备某些特殊性能（耐热、耐蚀、耐磨等）（二）合金元素在钢中的作用（二）合金元素在钢中的作用1、提高钢的机械性能、提高钢的机械性能1）形成合金铁素体(固溶强化）2）形成合金渗碳体及特殊碳化物（弥散强化）3）细化晶粒（细晶强化）2、改善钢的热处理工艺性、改善钢的热处理工艺性1）提高钢的淬透性2）增加回火抗力及产生二次硬化3、使钢具有某些特殊性能、使钢具有某些特殊性能（三）合金钢的分类（三）合金钢的分类按合金元素含量分按合金元素含量分：低合金钢(10%)。按用途分：按用途分：1）结构钢：）结构钢：普通低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、超高

5、强度钢、弹簧钢2）工具钢：）工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢3）特殊性能钢：）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢除普低钢外，合金钢都是优质或高级优质钢。（四）合金结构钢（四）合金结构钢凡用于制造机械零件及各种工程结构的钢称为结构钢。凡用于制造机械零件及各种工程结构的钢称为结构钢。合金结构钢是在碳素结构钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素所形成的钢。牌号表示方法：数字+元素符号+数字 三部分组成，前面两位数字与碳素结构钢相同，表示含碳量的万分数。元素后面的数字表示该元素含量的平均百分数。1、普通低合金钢、普通低合金钢是一种低碳（0.2%）低合金（3%）以锰为主加元素的钢。主要用于主要用于制造桥梁

6、、船舶、容器等结构。强度高于相同含碳量的碳钢，并有好的塑性与韧性，焊接性及耐蚀性。常在热轧正火状态热轧正火状态下使用。常用牌号、成分、性能及用途见表常用牌号、成分、性能及用途见表5-316Mn2、合金渗碳钢、合金渗碳钢主要用于主要用于制造表面承受强烈磨损，并承受动载荷的零件（如航空发动机中的齿轮、凸轮等齿轮、凸轮等）。这类零件表面要求高硬度、高耐磨性，心部要求较高的韧性和强度。含碳量：含碳量：0.10.25%，主加元素：主加元素：Cr Ni Mn 及少量B，以强化基体和增加钢的淬透性。辅加元素：辅加元素：W Mo V Ti等，起细化晶粒，抑制渗碳时过热的作用。最终热处理：淬火最终热处理：淬火+

7、低温回火。组织：表层、心部？低温回火。组织：表层、心部？常用牌号、成分、热处理、性能及用途见表常用牌号、成分、热处理、性能及用途见表5-4齿轮制造工艺流程见齿轮制造工艺流程见P60 12Cr2Ni4A3、合金调质钢、合金调质钢用于制造承受交变弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力的重要结构件，如飞机起落架、蜗轮轴、连杆、螺栓等。含量0.30.5%，主加元素：主加元素：Mn Si Cr Ni B，以提高钢的淬透性，强化基体。辅加元素：辅加元素：W Mo V Ti等，起细化晶粒与回火稳定性的作用。W Mo 还可防止第类回火脆性。最终热处理：淬火最终热处理：淬火+高温回火。组织？高温回火。组织？常用调质钢

8、和超高强度钢牌号、成分、热处理、性能常用调质钢和超高强度钢牌号、成分、热处理、性能及用途见表及用途见表5-5。如。如35CrMo 40Cr 30CrMnSiNi2A近十几年来，人们在某些场合用低碳M代替调质钢，已取得了良好的使用效果。4、合金弹簧钢、合金弹簧钢用于制造各类弹簧的钢。弹簧是在冲击、震动或交变应力的动载荷下工作，常见的失效方式是疲劳破坏和永久变形。含碳量0.450.8%，主加元素：主加元素：Mn Si Cr，以提高钢的淬透性，强化基体，提高屈强比。辅加元素：辅加元素：W、V 等，以减少脱碳及过热倾向。最终热处理：淬火最终热处理：淬火+中温回火。组织？中温回火。组织？常用牌号、成分、

9、热处理、性能及用途见表常用牌号、成分、热处理、性能及用途见表8-465Mn、60Si2MnA（五）合金工具钢（五）合金工具钢制做刃具、模具和量具的用钢统称为工具钢。与结构钢不同，工具钢除要求高的强度外，大多都要求有高的硬度和耐磨性。牌号表示方法牌号表示方法1、低合金工具钢、低合金工具钢1）用途与性能要求）用途与性能要求主要用于制做低速切削刃具、冷模具及量具等。要求有高的硬度和耐磨性及一定的塑性和韧性。2）成分特点）成分特点含碳量0.851.5%，较高的碳量以形成高碳M及与合金元素形成足够的碳化物，来提高硬度和耐磨性。合金元素主要是碳化物形成元素Mn Cr W V等，以提高淬透性和形成碳化物。3

10、）热处理特点）热处理特点预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火 组织？常用高碳低合金钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见表5-8。这类钢的缺点是热硬性较差。9SiCr 2、高合金工具钢、高合金工具钢1）高速钢（牌号表示特点）高速钢（牌号表示特点）用途与性能要求用途与性能要求主要用于制做切削速度大、切削温度高的刃具。除要求有高的硬度和耐磨性外，还要求有高的热硬性。成分特点成分特点含碳量0.71.5%，较高的碳量以形成高碳M及与合金元素形成足够的碳化物，来提高硬度和耐磨性。合金元素主要是碳化物形成元素 Cr W Mo和V等，以提高淬透性和形成稳定的碳化物、细化晶粒、提高回火抗力及产生二次硬

11、化等。热处理特点热处理特点预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+560 C三次回火2）高碳高铬冷模具钢（）高碳高铬冷模具钢（Cr12型）型）常用高碳高合金钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见表5-9。Cr12MoV(六六)不锈钢不锈钢能抵抗大气腐蚀的钢称不锈钢。1、金属的腐蚀及抗蚀途径、金属的腐蚀及抗蚀途径金属表面受到外部介质作用而逐渐破坏的现象叫腐蚀。分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀化学腐蚀：金属与周围介质发生纯化学作用而产生的腐蚀。腐蚀过程无电流产生，多发生在金属表面，速度较慢。电化学腐蚀：电化学腐蚀：金属与电介质溶液接触时发生的腐蚀。腐蚀过程中伴随电流的产生，速度较快。发生电化学腐蚀的

12、条件：发生电化学腐蚀的条件：1）有两种或两相金属（存在电极电位差）2）有电介质溶液存在3）三者相互接触，形成微电池。防止金属腐蚀的方法：防止金属腐蚀的方法：（1）表面保护：发兰、喷漆、电镀等。（2）合金化：在金属中加入合金元素，使其本身的抗蚀性提高。1）形成钝化膜2）提高基体相的电极电位3）获得单相组织2、奥氏体不锈钢、奥氏体不锈钢典型钢种是18-8型。钢号前的数字表示平均含碳量的千分数，合金元素仍以百分数表示。当含碳量0.03%时，在钢号前加“00”，含碳量0.08%时加“0”。1）成分特点）成分特点碳含量控制在0.1%、甚至0.03%以下，以便抑制形成多量的铬碳化物，减少微电池腐蚀。主加元

13、素是铬、镍及微量的钛、铌等。2）热处理特点）热处理特点固溶处理。3）晶间腐蚀）晶间腐蚀在600 C工作时，从A体晶界析出Cr23C6碳化物，造成晶界附近基体贫铬，当贫铬区含铬量低于11%时，电位显著下降，造成晶间腐蚀。使钢的强度和塑性急剧下降。防止晶间腐蚀的方法：防止晶间腐蚀的方法：1）降低钢的含碳量，以便尽可能少的形成Cr23C6，所以奥氏体不锈钢是低碳或超低碳钢。2）在钢中加入强碳化物形成元素钛、铌，使钢中的碳优先形成TiC或NbC，而不形成Cr23C6。常用常用A体不锈钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见体不锈钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见表表5-12。3、马氏体不绣钢、马氏体不绣

14、钢-Cr 13型和型和Cr 17型型1）用途和性能要求）用途和性能要求主要用于一定强度、硬度和韧性相配合的耐蚀结构件及350 C 以下工作的不锈弹性件。2）成分特点）成分特点A、高的含Cr量：提高基体电极电位和形成表面钝化膜。B、低的含碳量：0.10.4%，使钢淬火回火后具有较高的强度、硬度。为不使耐蚀性下降，相应提高含Cr量。3、热处理特点、热处理特点淬火淬火+回火（高温或低温）回火（高温或低温）1Cr 13和2 Cr 13进行高温回火，得到回火S，具有较高的强度、韧性及高的抗蚀性。3Cr 13和4 Cr 13进行低温回火，得到回火M，具有高的硬度、耐磨性及较高的抗蚀性。常用常用M体不锈钢的

15、牌号、成分、热处理、性能与用途体不锈钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见表见表5-11。（七）铸铁（七）铸铁含碳量大于2.11%不能进行锻打的铁碳合金称为铸铁。根据碳的存在形态铸铁可分为：1、白口铸铁、白口铸铁碳全部以Fe3C形式存在，断口呈白色，硬而脆，不能进行切削加工。工业上很少用于制造机器零件，主要用于炼钢原料。但轧辊、犁铧等要求表面高硬度高耐磨性又在无润滑的干摩擦条件下工作的机器零件，常用急冷的方法在灰口铸铁表面获得一层白口铸铁层。2、灰口铸铁、灰口铸铁碳全部或大部分以单质状态的片状石墨形态存在，断口呈深灰色。1）石墨化及影响因素）石墨化及影响因素石墨化：碳以石墨形式析出的过程。其影响

16、因素：A、化学成分、化学成分：碳和硅是促进石墨化元素。碳和硅是促进石墨化元素。因为硅与铁的结合力强，削弱了铁与碳的结合，并使共晶点左移。锰与硫是阻碍石墨化元素。锰与硫是阻碍石墨化元素。S是强烈阻碍石墨化元素是强烈阻碍石墨化元素。当锰较少时，S以（FeS+Fe）低熔点（985C）的共晶体出现，并常分布在晶界，使铸铁产生热脆，并阻碍碳原子的扩散，增加Fe与C的结合，因此S是有害元素。锰可抵消S的有害作用，因Mn与S亲合力大，形成MnS，可置换出FeS中的铁，因MnS 熔点高（1620 C）、比重小，易上浮进入渣中排除。磷对石墨化影响不明磷对石墨化影响不明显，显，但P过多易使铸铁产生冷脆。B、冷却速

17、度、冷却速度冷却速度慢易形成石墨。所以厚件比薄件易石墨化、铸件的心部比表层易石墨化。2）灰口铸铁的组织）灰口铸铁的组织钢的基体+石墨片。包括：F+G片，F+P+G片，P+G片3）灰口铸铁的性能）灰口铸铁的性能A、机械性能：抗拉强度、弹性模量比钢低，塑性与韧、机械性能：抗拉强度、弹性模量比钢低，塑性与韧性接近于零，属脆性材料。性接近于零，属脆性材料。机械性能低的原因是由于石墨片割裂了钢基体的结果。因为：石墨的b20MPa，0，HBS=3。因此，可将灰口铸铁视为布满裂纹的钢。减少了有效承载的截面积，同时，石墨片边缘处形成缺口，造成应力集中，在外力远小于材料的强度极限时，就在局部应力集中处破坏，形成

18、脆性断裂。但是，灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小，可达600800MPa。所以铸铁常用来作承受压应力的零件（机床底座、床身等）。B、工艺性能：工艺性能：不能锻压，焊接性很差，但铸造性能好，切削加工性能好。C、减振性好：减振性好：由于石墨割裂了基体，对机械振动起缓冲作用，阻止振动能量的传播，减振性好。所以灰口铸铁常用来作支架、机床床身等零件。D、减摩性好减摩性好：磨擦面上的石墨构成了大量的细小凹坑，能储存润滑油，使磨擦副内的油膜易于保持。同时，石墨本身是良好的固体润滑剂。适于做导轨等减摩件。E、缺口敏感性小缺口敏感性小4）灰口铸铁的牌号）灰口铸铁的牌号由于冷却速度对铸铁的性能影响很大，相同成分

19、不同壁厚的强度差别很大，所以，灰口铸铁不像钢那样按成分编号，只能按强度编号。按照GB9439-88铸铁牌号表示方法，灰口铸铁以“HT”加3位数字表示，“HT”表示灰铁，后面的数字表示最低抗拉强度（Mpa）。共有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个牌号。3、球墨铸铁、球墨铸铁碳全部或大部分以单质状态的球状石墨存在。1）球墨铸铁的组织）球墨铸铁的组织球墨铸铁是铁水浇注前加少量球化剂和墨化剂，经球化处理和孕育处理制成。球化剂（稀土镁）的作用是使石墨呈球状。墨化剂（硅铁合金）的作用是促使石墨化，防止出现白口。组织：钢的基体+球状石墨：F+G球 F+P+G球 P+G

20、球。2）球墨铸铁的性能）球墨铸铁的性能由于石墨呈球状，对基体的割裂作用及切口作用大大减小，基体的作用得到充分发挥（7090%），使球铁的抗拉强度不仅高于其它铸铁，甚至比碳钢还高。因此，对承受静载荷或冲击不大的零件，用球铁代钢是完全可以的。球铁的塑性韧性低于钢，但高于其它铸铁。球铁的铸造性能好，成本低，有好的减振性、减磨性、切削加工性等。3）球墨铸铁的牌号）球墨铸铁的牌号以“QT”后面加两组数字表示。“QT”表示球墨铸铁，第一组数字表示最低抗拉强度（Mpa)，第二组数字表示最低延伸率。3、可锻铸铁、可锻铸铁可锻铸铁是用低碳低硅铁水，先浇铸成白口铸铁，再经高温长时间石墨化退火得到。1）可锻铸铁的组

21、织）可锻铸铁的组织依石墨化工艺不同分为：F+G团絮，P+G团絮两种。2）可锻铸铁的性能）可锻铸铁的性能由于石墨呈团絮状，降低了对基体的割裂作用，使强度显著提高，最高可达700 Mpa。尤其可贵的是塑性和韧性比灰口铸铁显著提高（12%，ak30J/cm2)，“可铁”由此得名。但仍不能锻造。常用来做一些受力复杂、尺寸较小、承受一定冲击载荷的薄壁件。3）可锻铸铁的牌号可锻铸铁的牌号以“KT”加两组数字表示。“KT”表示可锻铸铁，后面的数字与球铁相同。（八）高温合金（八）高温合金1、高温合金的性能要求、高温合金的性能要求具有高的抗氧化性、抗蚀性及高的热强度。高温下金属抵抗氧化或气体腐蚀的能力称为热稳定

22、性。高温下抵抗塑性变形和断裂的能力称热强度。2、提高高温性能的途径、提高高温性能的途径1）热稳定性（抗氧化抗气体腐蚀性）热稳定性（抗氧化抗气体腐蚀性）加入合金元素铬、铝、硅形成致密氧化膜或提高基体电极电位。2）热强性）热强性选用高熔点金属作合金的基体晶界强化弥散强化利用铸造组织3、高温合金的分类与编号、高温合金的分类与编号1）按基体金属分为：铁基、铁-镍基、镍基和钴基等。2）按生产工艺分：变形高温合金和铸造高温合金。变形高温合金牌号以“GH”加序号表示。铸造高温合金以“K”加序号表示。3）按高温性能、成型特点及用途分：热强度变形高温合金：热强度变形高温合金：热强度高，主要用于高温下承受大载荷及

23、复杂应力下工作的零件。航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等锻件。GH36（铁基），GH49（镍基）热稳定变形高温合金：热稳定变形高温合金：热稳定性很高，强度不高，但塑性很好。主要用于受力不大而工作温度很高的零件。如燃烧室的火焰筒等。GH140（铁基），GH39（镍基）热强铸造高温合金：热强铸造高温合金：热强性很高，塑性低，焊接性差。精密铸造成零件，如涡轮导向叶片，K1、K3等。（九）铝及铝合金（九）铝及铝合金1、工业纯铝的性能及应用、工业纯铝的性能及应用1）比重小（2.7），大约是铜的1/3。2）导电性及导热性好。3）抗大气腐蚀性好。4）塑性好（=80%）。5）强度低（b=80100MPa）。工业纯铝

24、只适合作电线、电缆及要求耐热、耐蚀而对强度要求不高的用品。不适合于做机器零件。2、铝合金的分类及热处理、铝合金的分类及热处理1）铝合金分为：形变铝合金、铸造铝合金）铝合金分为：形变铝合金、铸造铝合金2）铝合金的热处理）铝合金的热处理淬火和时效淬火和时效将固溶处理的铝合金在室温下放置45天后，其强度明显提高的现象叫时效强化。人工时效和自然时效人工时效和自然时效3、形变铝合金、形变铝合金1）防锈铝合金（LF）Al-Mg变形强化，时效硬化效果弱，耐蚀性好，强度低。冷变形强化冷变形强化2）硬铝合金（LY）Al-Cu-Mg，可时效强化，比强度较高，但耐蚀性差。3）超硬铝合金（LC）Al-Cu-Mg-Zn

25、，时效强化效果大，比强度更高。4）锻铝合金（LD）Al-Cu-Mg-Si，可时效强化，热塑性及耐蚀性较高，更适合于锻造。常用变形铝合金牌号、性能和用途见表5-224、铸造铝合金（、铸造铝合金（ZL）1）Al-Si系合金（系合金（ZL105、ZL108）这类合金铸造性能、焊接性能好，比重小，抗蚀性和耐热性好。加入镁、铜、锰等形成强化相可提高强度。常用于制造内燃机活塞、汽缸体及各种形状复杂的铝铸件。2)Al-Cu系合金（系合金（ZL201）这类合金耐热性好、强度高。3)Al-Mg系合金：系合金：具有高强度和高的耐蚀性，但是耐热性和铸造性能差。4)Al-Zn系合金系合金：具有自淬火性，铸造成型后可人

26、工时效。强度较高，内应力小，尺寸稳定。（十）钛及钛合金（十）钛及钛合金1、工业纯钛的性能、工业纯钛的性能钛的熔点：1667 C，比重4.5g/cm3，约是铁的一半。固态下有同素异构转变，882.5 C 以下为-Ti，HCP。882.5 C 以上为-Ti，BCC。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似，具有较高的强度和较好的塑性。在航天航空工业中是一种很有发展前途的金属材料。常用来制造350 C以下的飞机构件。2、钛合金的分类、钛合金的分类按退火组织可分为三类：按退火组织可分为三类：1）型钛合金TA表示。2）型钛合金TB。3）（+）型钛合金TC表示。3、钛及钛合金的主要特点、钛及钛合金的主要特点1）比强

27、度高：工业纯钛强度达350700MPa，钛合金达1200MPa，和调质钢接近，但是钛的比重约是钢的一半，这是钛合金用于航空材料的重要原因。2）热强性高：使用温度达500600 C。3）低温韧性好：在-253 C 时仍具有良好的韧性，是唯一能在超低温下工作的金属材料。4）抗蚀性高：抗蚀性与不锈钢相当，甚至超过不锈钢。主要缺点主要缺点1）切削加工性差。导热性差，摩擦系数大，容易升温、粘刀，降低刀具寿命，影响表面光洁度。2）热加工工艺性差。加热到600C以上时，易吸收气体使性能变脆，只能在真空中或保护气氛中进行。3）冷压加工性差。4）硬度低，耐磨性差。应用最广泛的（+）型钛合金Ti-6Al-4V，制

28、造工作温度低于400C各种飞机构件和发动机零件。化工工业及海水用泵、阀，管道、换热器等。第七章第七章 零件的选材及工艺路线分析零件的选材及工艺路线分析本章重点：本章重点：零件的选材，热处理技术要求的确定。一、零件的失效形式一、零件的失效形式过量变形、断裂和表面损伤三种。研究失效的目的在于找出零件损坏的原因，以便提出相应的改进措施。二、选材的基本步骤二、选材的基本步骤分析零件工作条件分析失效形式结合力学计算确定零件的机械性能指标选择材料决定热处理方法三、选材的基本原则三、选材的基本原则1、满足使用性能要求、满足使用性能要求2、有良好的工艺性能、有良好的工艺性能3、合理的经济性、合理的经济性四、零

29、件选材与热处理方案的选择四、零件选材与热处理方案的选择1）对要求综合机械性能好的零件，如中小轴类、花键轴、连杆等，可选中碳钢或中碳合金钢，采用调质处理。也可选用低碳钢或低碳合金钢淬火+低温回火。2）对要求弹性高的零件。可选用弹簧钢，采用去应力退火和淬火+中温回火。3）对要求耐磨性的零件，采用整体淬火、表面淬火、化学热处理等。A、对要求高硬度、高耐磨性的模具、量具等，选用碳素工具钢或合金工具钢，淬火+低温回火B、工作载荷小，冲击不大，轴颈要求耐磨的主轴，可选中碳钢或调质钢，轴颈部位采用高频表面淬火。C、工作载荷大，磨损及冲击严重的轴及齿轮，一般选合金渗碳钢，渗碳、淬火+低温回火D、高精度主轴、重载、形状复杂、要求变形小的齿轮，可选氮化钢，采用调质，氮化处理。