第6章 超精密加工材料ppt课件.ppt

第6章 超精密加工材料,6.1 概述,6.1.1 超精密加工对材料的基本要求,化学成分：应准确、质地均匀、无杂质；10-210-3数量级物理力学性能：稳定、一致，无外部和内部微观缺陷；（拉伸强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等）应达到10-510-6数量级。加工工艺性能：冶炼、铸造、轧碾、热处理等工艺过程要严格控制。,6.1.2 超精密加工材料的分类,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能.工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,6.2 工程材料方面诸因素对切削加工性的影响,6.2.1 物理、化学性能对切削加工性的影响,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,静拉伸试验,（1）硬度和强度,硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 （布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）强度材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。（屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度）金属材料的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，故其切削加工性越差。并不是材料的硬度越低，越好加工。有些金属的硬度虽低，但是塑性很高，不好加工。硬度适中的钢材较好加工。适当提高材料的硬度，有利于获得较好的加工表面质量。,（2） 塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：,断面收缩率：,伸长率：,通常材料的塑性越高，越难加工。,（3）冲击韧性（是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力）,材料的韧性越高，则切削时消耗能量越多，切削力和切削温度较高，不易断屑，故切削加工性较差。,冲击功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。冲击吸收功的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。,（5）导热性,被加工材料的导热系数越大，则由切屑带走的热量越多，有利于降低切削区的温度，故切削加工性较好。,（6）其他物理力学性能,线膨胀系数大的材料，加工时热胀冷缩，工件尺寸变化很大，故不易控制精度。弹性模量小的材料，在已加工表面形成过程中弹性恢复大，易与刀具后面发生强烈摩擦。,（7）材料的化学性质,切削镁合金时，粉末状的碎屑易于氧化发生燃烧。切削钛合金时，高温下易从大气中吸收氧、氮、形成硬而脆的化合物，使切屑成为短碎片，切削力和切削热都集中在刃口附近，从而加速了刀具的磨损。,6.2.2 化学成分对切削加工性的影响,碳：含碳量为0.350.45的中碳钢，切削加工性较好。猛：增加含锰量，则钢的硬度、强度较高，韧性下降。一般含锰量在0.71.0时加工性较好。硅：当含硅量小于1时，钢在提高硬度的同时塑性下降很少，对切削加工性略有不利。当在钢中形成硬质夹杂物SiO2时，使刀具磨损加剧。铬：铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物。当含铬量小于0.5时，对切削加工性的影响很小。含铬量进一步加多，则钢的硬度、强度提高，切削加工性有所下降。镍：镍能在铁素体中固溶，使钢的硬度和韧性均有所提高，导热系数降低，使切削加工性变差。当含镍量大于8后，形成了奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性更差了。：,钼：钼能形成碳化物，能提高钢的硬度，降低塑性。含钼量在0.150.4范围内，切削加工性略有改善。大于0.5后，切削加工性降低。钒：钒能形成碳化物，并能使钢的组织细密，提高硬度，降低塑性。当含量增多后使切削加工性变差，含量少时对切削加工性略有好处。铅：铅在钢中不固溶，而呈单相微粒均匀分布，破坏了铁素体的连续性，还有润滑作用，能减轻刀具磨损，使切屑容易折断，有效改善了切削加工性。硫：硫在钢中常以FeS形式存在，使钢具有热脆性。但能与钢中的锰化合成非金属夹杂物MnS，呈微粒均匀分布，MnS的塑性好，且有润滑作用，破坏了铁素体的连续性而降低了钢的塑性，故能减小钢的加工变形，提高已加工表面质量，改善断屑，减小刀具磨损，从而使切削加工性得到显著提高。,磷：它存在于铁素体的固溶体内。钢中含磷量增加，使强度、硬度提高，塑性、韧性降低。当含磷量达到0.25时，强度、硬度略有提高，伸长率降低不多，但冲击值显著下降，使钢变脆。故含磷量如控制在0.15以下，可通过“加工脆性”而使钢的切削加工性改善。当含磷量大于0.2时，脆性过大而使切削加工性变劣。氧：钢中还有微量的氧，能与其他合金元素化合成硬质夹杂物，如SiO2、Al2O3、TiO2等，对刀具具有强烈擦伤作用，使刀具磨损加剧，降低了切削加工性。氮：在钢中会形成硬而脆的氮化物，使切削加工性变差。,6.2.3 热处理状态和金相组织对切削加工性的影响,铁素体：碳溶解于Fe中所形成的固溶体为铁素体。铁素体中含碳量很少，故其性能接近于纯铁，是一种很软而有很韧的组织。切削铁素体时，刀具产生冷焊磨损，而且容易产生积屑瘤，使加工表面质量恶化，故铁素体的加工性并不好。通过热处理（正火）或冷作变形，提高其硬度，降低其韧性，可使其切削加工性得到改善。渗碳体：碳与铁互相作用形成的化合物Fe3C称为渗碳体。渗碳体硬度很高，塑性极低，强度也很低。钢中渗碳体含量较多，则刀具被擦伤和磨钝很严重，使切削加工性恶化。通过球化退火，使网状、片状的渗碳体变为小而圆的球形组织混在软基体中，使切削变容易，改善了钢的切削加工性。,钢的金相组织有：铁素体、渗碳体、珠光体、索氏体、托氏体、马氏体、奥氏体等,珠光体：由铁素体和渗碳体组成的共析物称为珠光体。通过热处理（退火、调质），可将层片状珠光体转变为球状珠光体。由于珠光体的硬度、强度和塑性都适中，当钢中珠光体和铁素体数量相近时，其切削加工性良好。索氏体和托氏体：是铁素体和渗碳体的混合物，不过比珠光体要细得多。索氏体是细珠光体组织，硬度和强度比一般珠光体高，而塑性有所降低，托氏体是最细的珠光体组织，硬度和强度进一步提高，塑性进一步降低。马氏体：碳在Fe中的过饱和固溶体称马氏体，是奥氏体组织以极快的速度冷却时形成的。马氏体呈针形分布，具有很高的硬度和抗拉强度，但塑性和韧性很低。切削加工性差。奥氏体：碳在Fe中的固溶体称为奥氏体。奥氏体的硬度并不高，但塑性和韧性很高，切削时变形、加工硬化以及与刀面之间的冷焊很严重，切削加工性较差。,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,6.3 超精密加工常用金属材料,6.3.1 钢,（1）概述,1） 钢的分类及编号,一、钢的分类1、按化学成分分,2、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按用途分,二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 (表示平均含碳量的万分之几) 和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢平均含碳量为万分之四十五(即0.45%) 的优质碳素结构钢。,钢带,*说明： 含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。, 对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。,钢管,3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,4、工具钢 碳素工具钢T + 数字T表示“碳素工具钢” ；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明: 碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,丝锥,锉刀, 合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。,* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).* 含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。,铣刀,5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。* 铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。,6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶片, 当1.0%平均含碳量0.1%时, 用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%） 当0.1%含碳量上限 0.03%时, 以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当0.03%含碳量上限0.01%时（超低碳）, 以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）, 当含碳量上限0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。,汽轮机叶片,7、铸钢ZG + 两位数字ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几, 如ZG25.,（2） 结构钢,对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.,铜陵长江公路大桥,是超精密加工使用最多的材料，主要用于制造各种精密机械、精密仪器的轴、齿轮、弹簧和连接件等重要零件。,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。2、成分特点 低碳：0.2%C. 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,1）、低合金高强度结构钢,3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、使用状态下组织：F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。,5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.,南京长江大桥,制造渗碳零件的钢种。 1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。,2）、渗碳钢,2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V,渗碳淬火后的表层组织,3、热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火,正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为 Ac1+30-50。 4、使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,5、常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,调质件（螺杆）,调质后使用的钢种。 1、性能要求 良好的综合力学性能. 良好的淬透性。,3）、调质钢,2、成分特点 中碳：0.30.5%C 合金元素作用： 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒: Ti、V 防止第二类回火脆性: W、Mo,3、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,回火索氏体,调质处理车间,柴油机凸轮轴,4、常用钢号及用途低淬透性钢： D0油3040mm, 常用 45、40Cr, 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢： D0油4060mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。,高淬透性钢：D0油60mm, 常用40CrNiMo, 用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。,单缸汽车曲轴,制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。 高的s，s/b； 高的-1；足够的韧性 高的淬透性。,4）、弹簧钢,2、成分特点 中高碳：碳素弹簧钢为0.60.9%C合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr提高s/b：Si 细化晶粒：V,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔 冷成型定型处理(250300)。用于10mm),4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法: 防止表面脱碳；, 避免表面缺陷； 进行喷丸处理，使表 面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。,载荷(频率达数万次/分)和摩擦。 高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性.,5）、滚动轴承钢,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求轴承工作时, 承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变,2、成分特点 高碳：0.951.10%C 合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性,Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,会因A增加而使硬度和稳定性下降。,3 、热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢。 热处理： 球化退火+淬火+低温回火 组织：,M回+颗粒状碳化物+A(少量)淬火后进行冷处理(-60 -80), 可以减少A、稳定尺寸.,轴承生产车间,4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等.,向心球轴承,按用途分为:刃具钢模具钢量具钢,（3）工具钢,用来制造各种切削刀具的钢种。,一、刃具钢,切削加工, 性能要求1、高硬度 (HRC60),主要取决于含碳量。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。,切削加工的基本形式, 碳素工具钢共有七个牌号：T7T13 1、成分特点：,高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。,2、热处理及组织 热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的： 降低硬度, 便于加工; 为淬火作组织准备。 使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量),3、用途由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。, 低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成. 1、成分特点： 高碳：0.751.5%C 合金元素作用, 提高淬透性: Cr、Mn、Si提高耐回火性：Si 提高耐磨性、细化晶粒: W、V,2、热处理及组织同碳素工具钢, 只是淬火介质为油(碳素工具钢为水).使用状态下的组织为: M回+颗粒状碳化物+ A (少量) 3、常用钢号及用途应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等., 高速钢（俗称风钢） 制造高速切削刃具用钢.1、性能特点: 高热硬性(600)、高淬透性 2、成分特点 高碳: 0.701.5%C 合金元素作用提高淬透性：Cr,提高热硬性、耐磨性: W、Mo、V,高速钢形材,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削,高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。, 退火目的：降低硬度，便于切削加工；为淬火作组织准备。退火后的组织： S+颗粒状碳化物, 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物，使其均匀地分布于基体中。,W18Cr4V钢的退火组织, 淬火目的: 获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200)。,淬火后组织： M+未溶碳化物(10%)+A (20%),回火时的组织变化： 析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。 碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。, 回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定组织。常用560三次回火.,高速钢硬度与回火温度关系,W18Cr4V钢热处理工艺示意图,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,4、使用状态下组织 M回+颗粒状碳化物+A（少量）,不同状态下W18Cr4V的组织,5、常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,汽车冲压模具,用以制造冷热模具的钢种. 冷作模具钢制造金属冷成型模具钢种.1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。 良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）,二、模具钢,2、常用钢种 小尺寸、形状简单、受力不大的模具, 可用碳素工具钢和低合金工具钢制造. 截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造., 成分特点: 高碳(1.42.3%C); 高铬(11.513%Cr)合金元素作用： Cr 提高淬透性； Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒。, 加工及热处理: Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火, 目的同高速钢。最终热处理为: 淬火+低温回火使用状态下的组织: M回+颗粒状碳化物+A(少量), 常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。, 热作模具钢制造使加热金属或液态金属成型模具钢种.1、性能要求 高温下良好的综合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性。,2、常用钢种 热锻模钢 5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模.成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。使用状态下的组织: S回, 压铸模钢典型钢号是3Cr2W8V, 为过共析钢.中碳(0.30.4%C), 合金元素作用同高速钢。W、Cr提高抗热疲劳性能.淬火+回火后组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量),汽车四缸压铸模,制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,三、量具钢,1、性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。 高硬度和耐磨性。 高的尺寸稳定性。 足够的韧性。,渐开线花键环规、塞规,矩形花键环规、塞规,2、量具用钢 低碳钢渗碳、 中碳钢表面淬火 碳素工具钢、低合金工具钢 两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。, 滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具. 不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。,3、量具钢的热处理特点 淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。, 下限温度淬火及冷处理。目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。,量规,化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。,在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 金属的腐蚀金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。,（4） 不锈钢, 不锈钢中合金元素的作用1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜., Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。 提高基体电极电位(n/8规律)3、Ni：获得单相奥氏体组织。 4、Mo：耐有机酸腐蚀。5、Ti, Nb: 防止奥氏体钢晶间腐蚀.,晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大.它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。加 Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物, 避免晶界贫Cr。,晶间腐蚀破坏, 常用不锈钢1、马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr134Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降. 1Cr13、2Cr13热处理: 淬火+高温回火使用状态下的组织: S回,不锈钢棒,1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。,用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等., 3Cr13、4Cr13热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。具有较高强度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。,医疗器械,不锈钢刀,2、奥氏体不锈钢主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。 性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及,可焊性。高的塑韧性，无磁性。 热处理：采用固溶处理。即加热到1100使碳化物溶解后水冷。组织为单相奥氏体。,不锈钢带, 常用钢种为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti广泛用于化工设备及管道., 应力腐蚀奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含Cl的介质中发生，裂纹为树枝状.,6.3.2 铸铁,铸铁是含碳量大于 2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点,是应用最广泛的材料之一。,例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造.,铸铁曲轴,（1）、铸铁的特点及分类,工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。1、铸铁的组织特点钢的基体+G（石墨）基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种., 耐磨性能好 由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好 由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好 由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. 切削性能好 由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀.,2、铸铁的性能特点 力学性能低 由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。,铸铁与铸钢的强度比较,3、铸铁的分类与牌号表示方法,铸铁的分类与牌号表示方法（续）,（2） 常用铸铁,一、灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。1、组织,灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。,灰铸铁齿轮箱,灰 铸铁 的显 微组 织,常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁.,2、热处理热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁强度只有碳钢的3050%,热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有： 消除内应力退火(人工时效) 消除白口组织退火 表面淬火,3、用途制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,二、可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口 铸铁，是由白口铸铁 经石墨化退火获得的。1、组织： 基体(F、P)团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。2、性能：强度为碳钢的00%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻,可锻铸铁的显微组织,3、用途用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。,三、 球墨铸铁石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到. 1、组织：基体（F、F+P、P）+ 球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的.球化剂为镁、稀土和稀土镁。,为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。 常用孕育剂为硅铁和硅钙合金.,球墨铸铁的显微组织,2、性能与热处理强度是碳钢的7090%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2 /b)高，约为0.70.8，而钢一般只有0.30.5.,球墨铸铁可进行各种热处理，如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等.,球墨铸铁的热处理特点是： 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; 淬透性比碳钢高; 奥氏体中碳含量可控。,3、用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。,四、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁.蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的.蠕化剂为稀土硅铁镁合金、,稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。蠕墨铸铁的组织： 基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状G,蠕墨铸铁中的石墨,蠕墨铸铁的显微组织,蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。,蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。,6.3.3 有色金属及其合金,在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。,有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其,具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能,耐蚀性能及高的比强度 (强度/密度)等, 已成为现代工业中不可缺少的金属材料.,（1） 铝及铝合金,一、铝及铝合金性能特点 纯铝具有银白色金属光泽, 密度小(2.72 ), 熔点低(660.4), 导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形.具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,铝合金制造的机翼,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.,铝合金分类示意图,二、铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。,三、铝合金的热处理,并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理 + 时效。固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现,峰值，超过峰值时间,析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,四、铝合金的牌号、性能及用途,1、变形铝合金 变形铝及铝合金牌号表示方法 根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号, 常用变形铝合金 防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是,卫星天线（LF2）,提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,汽化器(热交换管为LF21),常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ）, 其密度比,纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。, 硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等., 超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金.热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞机大梁、起落架等.,飞机主起落架, 锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),高比强铝合金机翼,2、铸造铝合金 包括：Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号 Al-Si系铸造铝合金,又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明.,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。,活塞(裙部为铝硅合金),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。, Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,汽缸头,常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。, Al-Mg系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1),等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件,如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301), Al-Zn系铸造铝合金这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,（2） 铜及铜合金,一、铜及铜合金性能特点纯铜呈紫红色，故又称紫铜,具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。塑性好. 纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。,热轧铜合金,铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性.铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。,二、黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。,1、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为：H (黄) + 表示铜平均百分含量的数字，如H68。,从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+ 两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。,普通黄铜的显微组织,单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、 H 68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好, 强度高.常用牌号有H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。,2、特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。 加工特殊黄铜的牌号为：H(黄)+主加元素符号(Zn除外)+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量, 如HPb59-1. 特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等.主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。,三、青铜除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。,青铜制品,1、锡青铜是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为314%。 锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。,常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,2、铝青铜以铝为主加元素的铜合金，铝含量为511%。强度、硬度、耐,磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等.主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等.,大型水力发电设备中的抗磨环,3、铍青铜以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格,铍青铜制品,较贵。常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等 。用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.,合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。 普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量。常用牌号有 B5、B19 等。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等.,白铜件,四、白铜以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。普通白铜是Cu-Ni 二元,特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。常用牌号如BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。,用于制造精密机械、仪表零件及医疗器械等。,6.3.4 精密合金,（1）弹性合金,弹性合金包括高弹性合金和恒弹性合金，高弹性合金具有高的弹性模量和强度，较好的耐蚀性。恒弹性合金的特点是在一定温度范围内，弹性模量变化很小。弹性合金是精密仪器、精密机械制造工业中不可缺少的重要材料，主要用于制造仪器、仪表、精密机械中的弹性元件膜片、膜盒、游丝，它们的质量关系到仪器仪表的精度、稳定性和使用寿命。,（2）膨胀合金,（3）热双金属,膨胀合金在一定温度范围内有一定的膨胀系数或低的、与玻璃相近的膨胀系数，主要用于要求尺寸稳定的各种仪器、仪表零件，如精密的线纹尺等。,热双金属是由