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1、金 屬 材 料,一、金屬材料包括黑色金屬材料和有色金屬材料。二、黑色金屬是指鐵和碳的合金。如鋼、生鐵、鑄鐵等。 1、鋼和生鐵都是以鐵為基礎(chǔ)，以碳為主要添加元素的合金，統(tǒng)稱為鐵碳合金。 鋼是含碳量在0.04%-2.3%之間的鐵碳合金。為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7% 生鐵是指把鐵礦石放到高爐中冶煉而成的產(chǎn)品，主要用來煉鋼和制造鑄件 。生鐵含碳量大于2 2、把鑄造生鐵放在熔鐵爐中熔煉，即得到鑄鐵（液狀），把液狀鑄鐵澆鑄成鑄件，這種鑄鐵叫鑄鐵件。 三 、有色金屬材料 有色金屬又稱非鐵金屬，指除黑色金屬外的金屬和合金，如銅、錫、鉛、鋅、鋁以及黃銅、青銅、鋁合金和軸承合金等。,1.4.1

2、鋼,1.化學(xué)成分對鋼的力學(xué)性能的影響 1) 錳、硅的影響: 有益元素. Mn和Si在鋼中大部分溶于鐵素體,起強(qiáng)化作用。Mn能減輕S的有害作用。FeSMnMnSFe, MnS高熔點，可以消除硫的熱脆性。 2) 硫的影響:有害元素, FeSFeS，F(xiàn)eS與Fe易形成低熔點的共晶體，可使鋼引起熱脆性。 FeS+Fe共晶體的熔點低（989），對鋼進(jìn)行熱加工（鍛造，軋制）時，加熱溫度常在1000以上，這時晶界上的FeS+Fe共晶熔化，導(dǎo)致熱加工時鋼的開裂。 3) 磷的影響:有害元素。P在鋼中可溶于鐵素體，使鋼強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性減小，易使鋼產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象。 冷脆現(xiàn)象：磷在純鐵中有相當(dāng)大的溶解度它使鋼

3、的脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇升高。溫度降低時金屬材料由韌性狀態(tài)變化為脆性狀態(tài)的溫度區(qū)域叫脆性轉(zhuǎn)變溫度。,2. 鋼的分類,(1)按化學(xué)成分分類: 根據(jù)各種合金元素規(guī)定含量界限值,將鋼分為1）非合金鋼（碳素鋼），見教材27頁2）低合金鋼（合金元素含量小于5%） 3）合金鋼,表1-2 部分合金元素規(guī)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限值 (%),(2)按主要質(zhì)量等級分類,普通質(zhì)量鋼 ：即對生產(chǎn)過程中控制質(zhì)量無特殊規(guī)定的、一般用途的非合金鋼和低合金鋼。 S、P含量見教材p28優(yōu)質(zhì)鋼:即在生產(chǎn)過程中需要按規(guī)定控制質(zhì)量的鋼,并達(dá)到比普通質(zhì)量鋼較高的質(zhì)量要求。3）特殊質(zhì)量鋼：即在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能的鋼,特別是要求嚴(yán)格控制硫、

4、磷等含量和提高純潔度等。,(3) 按使用特性分類,鋼使用特性分類的具體解釋,合金工具鋼：容易淬硬，不易產(chǎn)生變形和裂紋，適于用來制造尺寸大、形狀復(fù)雜的刃具、模具和量具 。工程結(jié)構(gòu)用鋼：工程和建筑結(jié)構(gòu)用的合金鋼 。機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼：制造機(jī)器和機(jī)械零件的合金鋼 。它是在優(yōu)質(zhì)碳紊鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素，用來提高鋼的強(qiáng)度、韌性和淬透性。不銹耐蝕鋼：它是由不銹鋼和耐酸鋼兩大部分組成的。簡言之，能抵抗大氣腐蝕的鋼叫不銹鋼，而能抵抗化學(xué)介質(zhì)(如酸類)腐蝕的鋼叫耐酸鋼。耐熱鋼：在高溫條件下，具有抗氧化性和足夠的高溫強(qiáng)度以及良好的耐熱性能的鋼稱作耐熱鋼。,(1)非合金鋼,1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（p28）

5、牌號： 例如 Q235F “Q” 表示屈服點， “235” 表示屈服點值為235MPa, “F” 表示脫氧方法（沸騰鋼）。 用途 ： 碳素結(jié)構(gòu)鋼w(C)為0.06%0.38%。 主要用來制造一般工程結(jié)構(gòu)和普通機(jī)床零件， 通常軋制成各種型材、板材和線材等。,3.鋼的牌號和應(yīng)用,表1-3 碳素結(jié)構(gòu)鋼部分牌號、成分與力學(xué)性能,2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,牌號： 是用二位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中的平 均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（萬分?jǐn)?shù)）。例如 45鋼 表示平均w(C)為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 若為沸騰鋼，則在牌號后加“F”符號，如08F。 若含錳量較高，則在數(shù)字后加“Mn”符號。用途： 主要用來制造比較重要的機(jī)

6、械零件， 如軸、連桿、彈簧等。20鋼金相組織示意圖,表1-4 優(yōu)質(zhì)碳素鋼部分牌號、成份、力學(xué)性能及應(yīng)用舉例,3）碳素工具鋼,牌號：是用規(guī)定符號T（碳字的漢語拼音字首）和數(shù)字表示（數(shù)字表示含碳量的千分之幾）。 例如 T10A “10”表示平均w(C)為1%， “A”表示高級優(yōu)質(zhì)。用途: 用于制造不受沖擊、 高硬度、耐磨的工具，如銼刀、手鋸條、拉絲模等。T12鋼的金相組織,圖1-15 絲錐,表1-5 碳素工具鋼部分牌號、成份、硬度和應(yīng)用,(2)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,牌號：例如 Q390A “Q”表示屈服點， “390”表示屈服點值為390MPa， “A”表示質(zhì)量等級為A 級。用途： 低合金高強(qiáng)度高強(qiáng)

7、度結(jié)構(gòu)鋼一般不用熱處理， 綜合力學(xué)性能良好，用于橋梁、船舶、車輛、高壓容器、管道、建筑物等。,(3) 合金鋼,1）合金結(jié)構(gòu)鋼 牌號： 例如 60Si2Mn, “60”表示平均w(C)=0.6%， “ Si2 ”表示平均w(Si)=2%， “ Mn ”表示平均w(Mn)1.5%。 用途：合金結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼， 常用來制造重要的零件，如齒輪、軸類、彈簧等。例：滲碳鋼，20CrMnTi； 調(diào)質(zhì)鋼，40CrMn； 彈簧鋼，60Si2Mn。,2）合金工具鋼牌號：例1：低合金工具鋼: 9SiCr “9” 表示平均w(C)=0.9%， “Si”表示平均w (Si) 1.5% ， “Cr”表

8、示平均 w(Cr)1.5%。用途：合金工具鋼的力學(xué)性能 優(yōu)于碳素工具鋼， 廣泛用于制造各種刃具、量具、模具等。如鉆頭、絞刀、量塊和沖模等。,圖1-16 硬質(zhì)合金沖模,(4)鑄鋼,將熔煉好的鋼液直接鑄成零件毛坯，不再進(jìn)行鍛造的鋼件稱鑄鋼件。 性能特點：鑄鋼的綜合性能和焊接性能均優(yōu)于鑄鐵，用途：主要用于制造承受重載荷及沖擊載荷的構(gòu)件。 如鍛錘機(jī)架、齒輪、軋輥等。 在各類鑄造合金中，鑄鋼的應(yīng)用僅次于鑄鐵。主要分為：鑄造碳鋼和 鑄造合金鋼。,圖1-17 鑄鋼件,1)鑄造碳鋼牌號：例如 ZG230450 450b450MPa； 230s（0.2）230MPa； ZG “鑄鋼”漢語拼音首字母。性能特點：

9、有一定的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性，焊接性能良好，切削加工性尚好。用途： 作砧座、軸承蓋、齒輪等。,圖1-18 各種鑄鋼件,表1-6 鑄造碳鋼部分牌號、成份、力學(xué)性能和應(yīng)用,2)鑄造合金鋼,即為改善性能而添加的合金元素含量 超過鑄造碳鋼范圍的鑄鋼。,牌號： 例如 ZG30MnSi1 30 W（C）為0.3%左右。 Si W（Si ）為0.91.4% Mn W（Mn）為0.91.4%主要特點：耐磨性高。用途：用于受力較大的耐磨零件， 如鏈輪、齒輪、承力支架等。,1.4.2 鑄 鐵,鑄鐵：含碳量為2.5%4.0%的鐵碳合金。性能特點： 良好的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性和減震性，且熔煉工藝與設(shè)備比較

10、簡單，成本低廉。用途：鑄鐵件占鑄件總產(chǎn)量的80%左右。如機(jī)床床身、箱體等。,鑄鐵的化學(xué)成分,1.鐵碳合金雙重相圖,鑄鐵中，碳的存在 形式有滲碳體（Fe3C） 和游離狀態(tài)的石墨（G）兩種。 鐵碳合金實際上存在兩種相圖：（1）FeFe3C相圖，（2）FeG相圖。,圖1-19 鐵碳雙重相圖,2.鑄鐵的石墨化過程(三個過程),第一階段：高溫石墨化階段， “一次結(jié)晶析出石墨G”1154：L4.26 A2.08+G(共晶),第二階段：中間石墨化階段， “二次結(jié)晶析出G”1154-738：A G第三階段：低溫石墨化階段， “共析反應(yīng)析出G”738：A0.68 F+G(共析),鑄鐵的組織： 鑄鐵按石墨化程度的

11、不同可獲得三種不同基體的組織：（1）珠光體+石墨，（2）珠光體+鐵素體+石墨，（3）鐵素體+石墨。,3.影響鑄鐵石墨化的因素,影響鑄鐵石墨化的因素主要有化學(xué)成分和冷卻速度。（1）化學(xué)成分 碳和硅 分別是形成石墨和強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素， 鑄鐵中碳、硅含量越高，石墨越容易析出。 硫 強(qiáng)烈阻礙石墨化，且容易增加鑄鐵的熱裂傾向， 錳 雖然阻礙石墨化，但錳與硫能形成硫化錳，有利 于減弱硫的不利影響，而且還能促進(jìn)珠光體形成， 強(qiáng)化基體，故鑄鐵中必須含一定量的錳。 磷 是微弱促進(jìn)石墨化的元素， 但會增加鑄鐵的冷脆性。,（2)冷卻速度,1）慢冷：利于石墨析出并長大，形成灰口，2）快冷：石墨來不及析出， 碳以F

12、e3C存在，形成白口。 注： 要獲得所需的組織和性能的鑄件，應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚，控制鑄件中碳和硅的含量，配合以適當(dāng)?shù)暮i量，并嚴(yán)格控制硫、磷的含量。,（3）變質(zhì)處理（孕育處理）,變質(zhì)處理：在澆注前向鐵水中加入變質(zhì)劑（孕育劑），如SiFe、SiCa合金，以增加石墨的結(jié)晶核心，促進(jìn)石墨化，使石墨片細(xì)小、均勻，獲得高強(qiáng)度鑄鐵。變質(zhì)鑄鐵（孕育鑄鐵） 即經(jīng)過變質(zhì)處理后所獲得的高強(qiáng)度鑄鐵。性能特點：強(qiáng)度較高，塑性、韌性得到改善。,4.鑄鐵的分類、牌號及應(yīng)用,按碳的存在形式和石墨形態(tài)的不同，可以將鑄鐵分為白口鑄鐵、麻口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵等類型。,鑄鐵中常見的石墨形態(tài)（示意圖）,鑄鐵中常

13、見的石墨形態(tài) (1) 片狀（2）球狀（3）團(tuán)絮狀（4）蠕蟲狀,(1)白口鑄鐵 白口鑄鐵：碳以游離碳化物的形式析出的鑄鐵，斷口呈白色。白口鑄鐵硬而脆，難以加工，很少用來制造零件，有時利用其硬而耐磨的特點制造某些耐磨零件，如球磨機(jī)的襯板、磨球等。（2）麻口鑄鐵 麻口鑄鐵：碳部分以游離碳化物形式析出，部分以石墨形式析出的鑄鐵，斷口呈灰白色相間。,圖1-21 灰口鑄鐵,圖1-20 白口鑄鐵,（3）灰鑄鐵,灰鑄鐵：又稱片墨鑄鐵， 碳主要以片狀石墨形式存在的鑄鐵。1)灰鑄鐵的性能 力學(xué)性能較差（相比碳鋼）。 工藝性能 鑄造性能良好，切削加工性能良好， 不能進(jìn)行鍛造，焊接性和熱處理性能也差。 其它使用性能

14、耐磨性好，減震性好，缺口敏感性小。,2)灰鑄鐵的牌號及應(yīng)用,牌號：例如 HT200 “200”： 抗拉強(qiáng)度b200MPa， “HT”： 灰鐵的漢語拼音首字母。應(yīng)用： 用于制造機(jī)座、支架、 縫紉機(jī)零件、車床床身等。,圖1-22 灰鑄鐵件,表1-7 灰鑄鐵部分牌號、力學(xué)性能和應(yīng)用,續(xù)上表：,3）孕育鑄鐵孕育鑄鐵：鐵液經(jīng)孕育處理后獲得的亞共晶灰鑄鐵。 性能特點：孕育鑄鐵性能對壁厚的敏感性很小， 組織和性能的均勻性很好， 應(yīng)用：適用于制造載荷較大、耐磨性減震性要求較高的 重要鑄件，特別是厚大鑄件。如機(jī)床床身、發(fā)動 機(jī)氣缸體等。,圖1-23 孕育劑,（）球墨鑄鐵1) 球墨鑄鐵：鐵液經(jīng)過球化處理和孕育處理

15、，使石墨大部分或全部呈球狀的鑄鐵。2) 化學(xué)成分、組織、性能： 化學(xué)成分特點： 高碳、硅，低錳、磷、硫。,圖1-24 球墨鑄鐵,性能：強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好（比灰鐵）， 同時具有灰鐵的優(yōu)良性能。3）球墨鑄鐵的牌號和應(yīng)用牌號：例如 QT6003 “QT” 球鐵的漢語拼音首字母， “600” 抗拉強(qiáng)度b300Mpa， “3” 伸長率3%。應(yīng)用：用于制造汽車曲軸、連桿、蝸輪、齒輪等零件。,表1-8 球墨鑄鐵部分牌號、力學(xué)性能和應(yīng)用,4）常用的球墨鑄鐵,目前應(yīng)用最為廣泛的是珠光體球墨鑄鐵和鐵素體球墨鑄鐵。（1）珠光體球墨鑄鐵 指基體主要為珠光體的球墨鑄鐵，強(qiáng)度、硬度高,耐磨性好。（2）鐵素體球墨鑄鐵

16、 指基體主要為鐵素體的球墨鑄鐵，抗拉強(qiáng)度比珠光體球鐵低，但塑性、韌性較高，力學(xué)性能優(yōu)于可鍛鑄鐵。,圖1-25珠光體球墨鑄鐵,圖1-26鐵素體球墨鑄鐵,圖1-27混合基體球墨鑄鐵,（5） 可鍛鑄鐵,可鍛鑄鐵： 又稱馬鐵。 是白口鑄鐵通過石墨化退火處理，改變其金相組織或成分而獲得的有較高韌性的鑄鐵。 可鍛鑄鐵中的碳主要以團(tuán)絮狀石墨存在。,圖1-28 可鍛鑄鐵,1）化學(xué)成分： W(C)：2.42.8%，W(Si)：1.22.0%， W(Mn)：0.41.2%，W(S) 0.1%， W(P) 0.2%。2）性能特點： 灰鑄鐵相比不僅有較高的強(qiáng)度，而且有較高的塑性和韌性。 可鍛鑄鐵因此得名，實際上它仍然是不可鍛造的。3）可鍛鑄鐵的生產(chǎn): 先澆注成白口鑄件，再經(jīng)石墨化退火獲得。,4）牌號及應(yīng)用P31,表1-9 可鍛鑄鐵部分牌號、力學(xué)性能及應(yīng)用,（6） 蠕墨鑄鐵,1） 蠕墨鑄鐵：金相組織中石墨形態(tài)主要為蠕蟲狀石墨的鑄鐵，它是向一定成分的鐵液中加入適量的蠕化劑（如鎂鈦合金等）和孕育劑而獲得的。 2）性能特點： 強(qiáng)度比灰鑄鐵高， 有一定的韌性和較高的耐磨性， 壁厚敏感性比灰鐵小得多， 減震性比球鐵高，低