金属材料及热处理概论.ppt

第5章金属材料及热处理概论,5.1 金属及合金的主要性能 5.2 常用的金属材料和非金属材料 5.3 热处理基本概念,金属材料:黑色金属铸铁:指碳的质量分数超过2%的铁碳合金。钢:指碳的质量分数小于2%的铁碳合金。占全世界的金属材料总产量 的95%。有色金属 占全世界的金属材料总产量 的5%。有色金属材料与钢铁材料相比，其突出的优良性能主要在物理性能和化学性能和力学性能等方面。热处理：是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温、冷却的方法改变金属或合金的内部组织，从而得到所需要性能的一种工艺操作。,5.1金属及合金的主要性能,金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。通常所指金属材料的性能包括以下两个方面：（1）使用性能。使用性能是为了保证零件、工程构件或工具等的正常工作，材料所应具备的性能。包括物理性能(如熔点、导热性、热膨胀性等)、化学性能(如耐腐蚀性、抗氧化性等)、力学性能等。金属材料的使用性能决定了其应用范围、安全可靠性和使用寿命等。,（2）工艺性能。工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能，即材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。,金属及合金的物理、化学性能1.金属材料的物理性能金属材料的本质不发生变化所表现的性能称为物理性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、磁性等。涉及到金属加工的主要物理性能有如下几种。（1）密度及熔点。金属的密度就是单位体积金属的质量；金属的熔点用温度来衡量。不同用途的机器零件，对金属材料的密度和熔点要求也不同。,（2）导热性。金属传导热的性能称为导热性，一般用热导率来衡量金属导热性的好坏，值越大，导热性越好。在热加工时，若金属的导热性很差，在加热或冷却时，尤其以较快的速度加热或冷却时，会在金属中产生较大的温度差而引起较大的热应力，从而导致工件变形甚至产生裂纹。因而对导热性差的材料，应减慢其加热或冷却速度。,（3）热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数表示，其单位是1或1K，即温度每升高1，其单位长度的膨胀量。值越大，金属的尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。,2.金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下抵抗各种腐蚀介质对其化学侵蚀的能力，一般包括耐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。由于金属材料的氧化和腐蚀不仅破坏零件的表面质量，而且还会降低零件的精度，严重的局部腐蚀和应力共同作用，还会使零件产生破坏。因此对处于高温或在腐蚀性介质中的工件，首先要考虑的是它们的化学稳定性。,金属及合金的力学性能及工艺性能1.金属及合金的力学性能金属及合金的机械性能即金属材料的力学性能。所谓力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。1）强度强度是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。,2）疲劳金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷(即大小、方向反复变化的载荷)的作用，在不发生显著变形的情况下而突然断裂的现象称为疲劳。金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次N的应力循环仍不发生断裂时所能承受的最大应力称为疲劳极限。在重复或交变力作用下，循环一定周次后断裂时所能承受的最大应力，叫疲劳强度。此时，N称为材料的疲劳寿命。某些金属材料在重复或交变应力作用下没有明显的疲劳极限，常用疲劳强度表示。,3）塑性塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致破裂的能力。许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一，常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。关于塑性的测定将在后面的力学部分进一步深入研究。,4）韧性韧性是指金属材料在冲击力(动力载荷)的作用下而不破坏的能力。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度的降低以及应力集中程度的加剧而减少。韧性高的材料在断裂前要发生明显的塑性变形，由可见的塑性变形至断裂会经过一段较长的时间，能引起人们注意，一般不会造成严重事故。韧性低的材料脆性大，材料断裂前没有明显的征兆，因而危险性极大。评定材料韧性的力学性能指标是冲击韧度和断裂韧度。,金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。不少机器零件如冲床连杆、曲轴等，在工作时要承受冲击载荷，且冲击所引起的变形和应力比静载时大得多，如果仍只用静载荷作用下的抗拉强度来设计计算，就不能保证零件工作时的安全性，因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。目前，工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料的冲击韧度值k。金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状和尺寸的试样(图51(a)为u形缺口冲击试样)，将其安放在冲击试验机上，把具有一定重量G的摆锤提到h1高度后，使摆锤自由下落(见图51(b)。,图5-1冲击试验原理图,冲断试样后，摆锤摆至h2高度，其位能的变化值即为摆锤对试样所做的冲击功，即,AkG(h1-h2),冲击功除以冲击试样缺口处初始截面积即为冲击韧度k，即,式中：k为冲击韧度，单位为J/cm2；Ak为冲击功，单位为J；S为试样缺口处初始截面积，单位为cm2。k值越大，金属材料的冲击韧度越好，对于重要零件，要求k50J/cm2。实践中往往是零件要经过小能量多次重复冲击才被冲断，因此k值一般只作为设计计算的参考。,5）硬度硬度是指金属抵抗硬物体压入其表面的能力。硬度不是一个单纯的物理量，而是反映弹性、强度、塑性等的一个综合性能指标。硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度才能保证使用性能和寿命，因此，硬度是金属材料重要的力学性能之一。,测定金属材料硬度的常用方法有布氏硬度试验和洛氏硬度试验。（1）布氏硬度。布氏硬度用HB表示，是用淬硬小钢球或硬质合金球压入金属表面，以其压痕面积除以加在钢球上的载荷，所得的商即为金属的布氏硬度数值。图5-2所示为布氏硬度试验原理图。,图5-2布氏硬度试验原理图,布氏硬度按下式计算：,式中：HBS(HBW)为用钢球(或硬质合金球)试验时的布氏硬度值；F为试验力，单位为N；S为球面压痕表面积，单位为mm2；D为球体直径，单位为mm；d为压痕平均直径，单位为mm。,从上式中可以看出，当试验力(F)、球体直径(D)一定时，布氏硬度值仅与压痕直径(d)的大小有关。d越小，布氏硬度值越大，也就是硬度越高。相反，d越大，布氏硬度值越小，硬度也越低。通常布氏硬度值不标单位。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径(d)，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。,布氏硬度符号，如硬度机压头为淬火钢球时用HBS表示，适用于硬度较低(HB450)的材料；硬度机压头为硬质合金钢球时用HBW表示，适用于硬度较高(450HB650)的材料。由于布氏硬度压痕较深且面积较大，故不适宜测试太薄的试样和成品零件的硬度。标注布氏硬度时，符号“HBS”或“HBW”之前为硬度值，符号后面用数值按顺序依次表示球体直径、试验力和试验保持时间(1015s不标注)，并用斜线分别隔开。,例如：170HBS103000030，表示用直径10mm的淬火钢球压头在30000N试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值为170；500HBW57500，表示用直径5mm的硬质合金球在7500N试验力作用下保持1015s，测得的布氏硬度值为500。,(2)洛氏硬度。用一定的试验力F，将顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压入被测金属表面，然后根据压痕的深度确定被测金属材料硬度值的方法称为洛氏硬度测试法。图5-3为洛氏硬度试验原理图。一般洛氏硬度机不需要直接测量压痕深度，其值可由刻度盘上的指针指示出来。,图5-3洛氏硬度试验原理图,表5-1常用洛氏硬度的试验条件和应用范围 根据所加试验力的大小和压头类型的不同，洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC三种，他们的测量和应用范围见表：例如：60HRC 表示用C标尺所测得的洛氏硬度值为60。,2.金属及合金的工艺性能工艺性能指金属材料在加工过程中所表现出来的性能，即接受加工难易程度的性能。工艺性能主要有铸造性、切削加工性、焊接性、可锻性、冲压性、顶锻性、冷弯性和热处理工艺性等。在设计机械零件和选择加工方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。,1）铸造性铸造是将熔融金属浇注、压射或吸入铸型腔中，待其凝固后而得到一定形状和性能铸件的方法。衡量铸造性的指标有流动性、收缩性和偏析趋势。（1）流动性。流动性是液态金属充满铸型的能力。流动性越好，液态金属充满铸型的能力越强，容易铸造细、薄、精密的铸件。流动性差，铸型就不易被液态金属充满，铸件就容易造成“缺肉”而成为废品。,（2）收缩性。收缩性是指铸件在冷却凝固时，体积和线性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造，它将使铸件产生缩孔、缩松、变形等缺陷。（3）偏析趋势。偏析趋势是指铸件凝固后出现的化学成分和组织上不均匀的现象，从而导致铸件各部位的力学性能差异。一般说来，合金钢的偏析倾向较大，高碳钢的偏析倾向比低碳钢大。,2）切削加工性金属材料在切削加工时所表现的性能，称为切削加工性。评价金属材料的切削加工性是比较复杂的，它包括切削力、切削热、对刀具的磨损、断屑性能、表面粗糙度等。一般根据材料的韧性和硬度作大致的判断。硬度在170230HBS之间，并有足够脆性的金属材料，有良好的切削加工性。硬度和韧性过高或过低，切削性能均不理想。,3）焊接性用焊接方法将两种相同或不同的金属材料焊合在一起，并能获得优良性能的焊缝称为焊接性。一般来说，导热性过高或过低、热膨胀性大、塑性低或焊接时容易氧化、吸气的金属，其焊接性比较差。低碳钢具有良好的焊接性，中碳钢中等，高碳钢、高合金钢、铸铁和铝合金的焊接性较差。,4）可锻性可锻性是指金属材料在锻造过程中承受塑性变形的性能。如果金属材料的塑性好，易于锻造成形而不发生破裂，就认为其可锻性好。铜、铝的合金在冷态下就具有很好的可锻性；碳钢在加热状态下，可锻性也很好；而青铜的可锻性就差些。至于脆性材料的可锻性就更差，如铸铁几乎不能锻造。,5）冲压性冲压性是指金属经过冲压变形而不产生裂纹等缺陷的性能。检验金属材料冲压性的方法叫杯突试验(也叫艾利克森试验)。试验过程是：用规定的钢球或球形冲头顶压夹紧在压模内的试样，直至试样产生第一个裂纹为止。这时的压入深度叫杯突深度。杯突深度不小于规定时就认为合格。材料能承受的杯突深度越大，则冲压性越好。,6）顶锻性顶锻性是指金属材料承受打铆、镦头等顶锻变形的性能。金属必须具有良好的顶锻性。金属的顶锻性是用顶锻试验测定的，在常温下进行的叫冷顶锻试验；在锻造温度范围内进行的叫热顶锻试验。进行顶锻试验时，应将试样锻短至规定长度(一般为长度的13、12或2/5)，锻后检查试样侧面，如无裂缝、扯破、气泡等即为合格。,7）冷弯性金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂的性能，称为冷弯性。出现裂纹前能承受的弯曲程度越大，则材料的冷弯性越好。弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径d对材料厚度的比值来表示，弯曲角度越大或弯芯直径d对材料厚度的比值越小，则材料的冷弯性就越好。金属材料的弯曲是靠弯曲处附近的塑性变形来实现的，因此，塑性越大，冷弯性也越好。,8）热处理工艺性热处理工艺性是指金属经过热处理后，其组织和性能改变的能力，包括淬硬性、回火脆性、氧化及脱碳趋势等。,3.合金元素对钢性能的影响1）强化铁素体大多数合金元素(除铅外)都能溶于铁素体，形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化作用，使铁素体的强度、硬度提高，塑性和韧性下降。合金元素对铁素体韧性的影响与它们的含量有关，例如，当Si1.00，Mn1.50时，铁素体韧性没有下降，当含量超过此值时，韧性则有下降的趋势；而铬和镍在适当范围内(Cr2.0，Ni5.0）可使铁素体的韧性提高。,2）形成合金碳化物锰、铬、钼、钨、钒、钛等元素与碳能形成碳化物。根据合金元素与碳的亲和力不同，它们在钢中形成的碳化物可分为两类。（1）合金渗碳体。锰、铬、钼、钨等弱、中强碳化物形成元素一般倾向于形成合金渗碳体，合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也略高。（2）特殊化合物。钒、铌、钛等强碳化物形成元素能与碳形成特殊碳化物。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度和耐磨性，而且更稳定，不易分解，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。,3）细化晶粒几乎所有的合金元素都有抑制钢在加热时的奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的目的。强碳化物形成元素钒、铌、钛等形成的碳化物及铝在钢中形成的AlN和Al2O3细小质点，均能强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒。奥氏体碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于-Fe是面心立方晶格结构，它的晶格致密度虽然高于体心立方晶格的-Fe，但由于其晶格间的最大空隙要比-Fe大，故溶碳能力也就大些。在1148时溶碳量最大，可达2.11,随着温度的下降溶碳量逐渐减少，在727时溶碳量为0.77奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为HB170-220，延伸率为40-50，因此奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。奥氏体存在于727以上的高温范围内。,4）提高钢的淬透性除钴外，所有的合金元素溶于奥氏体后，均可增加过冷奥氏体的稳定性，从而减小淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。珠光体性能介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好。其抗拉强度为750 900MPa,180 280HBS,伸长率为20 25%,冲击功为24 32J.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好。合金元素加入后可提高钢的淬透性，在淬火条件相同的条件下，合金钢可获得较深的淬硬层，能使大截面的零件获得均匀一致的组织，从而得到较好的力学性能。常用的提高淬透性的合金元素有钼、锰、铬、镍和硼等。,5）提高钢的回火稳定性淬火钢在回火时抵抗软化的能力，称为钢的回火稳定性。合金钢在回火过程中，由于合金元素的阻碍作用，使马氏体（硬度高）不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集长大，而保持较大的弥散度，所以钢在回火过程中硬度下降较慢。合金钢可在更高的温度下回火，以充分消除内应力，而使韧性更好。高的回火稳定性使钢在较高温度下仍能保持高硬度和高耐磨性。如高速切削时，刀具温度很高，刀具材料的回火稳定性高，就可以提高刀具的使用寿命。,5.2常用的金属材料和非金属材料,碳素钢通常将含碳量在0.022.11的铁碳合金称为碳钢，又称碳素钢。碳钢的冶炼较简便，价格低廉，在工业上使用极为广泛。实际使用的碳钢，其含碳量一般不超过1.4，而且除了铁和碳这两种元素外，由于冶炼过程的原因，还含有少量的硫、磷、锰、硅等常存杂质元素。,1.常存杂质元素对碳钢性能的影响1）硫的影响有害的一面：由于硫元素的存在，当钢材加热到10001200进行锻造或轧制时，导致钢材沿晶界开裂，这种现象称为热脆。此外，硫对钢的焊接性也有不良作用，它会使焊缝容易产生热裂。在焊接过程中，硫易于氧化生成SO2气体，使焊缝中产生气孔和疏松。有利的一面：但含硫量较多的钢，可与锰形成较多的MnS，在高温下具有一定塑性，从而避免了热脆性。在切削加工中，MnS能起断屑的作用，可改善钢的切削加工性，这是硫有利的一面。,2）磷的影响 磷有强烈的固溶强化作用，即使少量的磷都能使钢的强度和硬度显著提高，但使塑性和韧性大大下降。这种脆化现象在低温时更严重，故称为冷脆。一般认为钢中的磷是有害杂质，要严格控制其含量。,3）锰的影响锰有较好的脱氧能力，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性。同时，锰能取代FeS中的铁而与硫形成高熔点的MnS，以防止硫在钢中所产生的热脆性。锰既能溶入铁素体中，又能溶入渗碳体中，使钢的强度与硬度得到提高。因此，锰是有益杂质。4）硅的影响在钢中，硅大多溶入铁素体中，使铁素体强度和硬度得到提高。因此，硅也是有益杂质。,2.碳钢的分类碳钢的分类方法很多，下面介绍几种常用的分类法。（1）按钢中的含碳量分类：低碳钢，含碳量0.25；中碳钢，含碳量在0.250.60；高碳钢，含碳量0.60。,（2）按钢的质量分类：普通碳素钢，钢中硫的含量0.050，磷的含量0.045；优质碳素钢，钢中硫、磷的含量约0.040；高级优质碳素钢，钢中硫的含量0.030，磷的含量0.035。,（3）按钢的用途分类：碳素结构钢，用于制造各种工程结构件和机械零件的碳素钢，大多数为低碳钢和中碳钢；碳素工具钢，用于制造各种刃具、模具和量具的碳素钢，大多数为高碳钢。（4）按冶炼方法和设备的不同，碳钢可分为平炉钢和转炉钢两类，每一类还可根据炉衬材料的不同，分为酸性钢和碱性钢两种。（5）按钢液脱氧程度的不同，碳钢又可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,3.碳素结构钢碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大，在性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用普遍。,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。质量等级符号用字母A、B、C、D表示，其中A级的硫磷含量最高，D级的硫磷含量最低。脱氧方法符号用F、b、Z、TZ表示，F是沸腾钢，b是半镇静钢，Z是镇静钢，TZ是特殊镇静钢。Z与TZ符号在钢号组成表示方法中都予以省略。例如，Q235-AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。碳素结构钢按屈服点高低分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个不同强度级别的牌号。,Q195、Q215：具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低。适用于制造地脚螺栓、犁铧、烟筒、屋面板、铆钉、低碳钢丝、薄板、焊管、拉杆、吊钩、支架、焊接结构。Q235：具有良好的塑性、韧性、焊接性能、冷冲压性能和冷弯性能，以及一定的强度，广泛应用于一般要求的零件和焊接结构，如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。,Q255：具有较好的强度、塑性和韧性以及较好的焊接性能和冷、热压力加工性能，用于制造要求强度不太高的零件，如螺栓、键、摇杆、轴、拉杆和钢结构用各种型钢、钢板等。Q275：具有较高的强度，较好的塑性和切削加工性能，一定的焊接性能，小型零件可以淬火强化，用于制造要求强度较高的零件，如齿轮、轴、链轮、键、螺栓、螺母、农机用型钢、输送链和链节。,4.优质碳素结构钢优质碳素结构钢是钢中所含硫、磷及非金属夹杂物量较少，常用来制造重要的机械零件，使用前一般都要经过热处理来改善力学性能。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数，例如，45表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢；08表示平均含碳量为0.08的优质碳素结构钢。,优质碳素结构钢根据钢中含锰量的不同，分为普通含锰量钢(Mn0.35%080)和较高含锰量钢(Mn0.7 1.2)两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”。例如，10F是平均含碳量为0.10的优质碳素结构钢，沸腾钢；20G是平均含碳量为0.20的优质碳素结构钢，锅炉用钢。,优质碳素结构钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越高，钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越低。根据含碳量的不同，分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。低碳结构钢有良好的塑性和韧性，常经表面热处理制造成表面硬而耐磨、心部有良好韧性的零件。如汽车壳体。中碳钢结构性能适中，经过调质热处理后有较高的综合力学性能，常用来制造一些尺寸较小的调质零件。如小轴、齿轮等。高碳钢有较高的强度和硬度，常用来制造弹簧和要求耐磨的零件，也大量用来拉制高强钢丝和制造钢丝绳。,5.碳素工具钢由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.701.30范围内，都是优质钢或高级优质钢。碳素工具钢简称碳工钢，碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母头“T”及后面的阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳量的千分数，例如，T8表示平均含碳量为0.80的碳素工具钢。,若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以A，如T12A表示平均含碳量为1.2的高级优质碳素工具钢。不同牌号的工具钢用于制造不同使用要求的各类工具。牌号数字越大，含碳量越高，钢在热处理后的硬度和耐磨性越好，但韧性越差。,碳素工具钢缺点：碳素工具钢的主要缺点是淬透性差，当工具直径或厚度大于15mm时，由于淬硬层太薄而不能使用，碳素工具钢需要用水淬，形状较复杂的工具易于淬火变形，开裂危险性大；碳素工具钢回火稳定性小，热硬性低，刃部受热至200250时其硬度和耐磨性已迅速下降，因此当刀具性能要求较高时，就必须采用合金工具钢。,合金钢1.合金钢的分类合金钢的种类繁多，分类方法有多种，常见的分类方法有：（1）按其合金元素总含量的多少分类：低合金钢，合金元素总含量5.0；中合金钢，合金元素总含量为5.010.0；高合金钢，合金元素总含量10.0。,（2）按用途分类：合金结构钢，用于制造各种机械零件和工程结构件；合金工具钢，用于制造各种工具；特殊性能钢，是指具有一些特殊性能的钢。,2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢指含有锰及钒、铌、钛等少量合金元素，用于工程和一般结构的钢种。依靠这些元素的作用，使其强度比碳素结构钢高30150，并在保持低碳的条件下，获得不同的强度等级。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)三个部分按顺序排列组成，如Q390A为屈服点390MPa的A级低合金高强度结构钢。,3.合金结构钢除了低合金高强度结构钢外，其他合金结构钢的编号采用“数字+化学元素+数字”的表示方法。前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示。例如，平均含碳量为0.25%，则以25表示。合金元素直接用化学元素符号(或汉字)表示，后面的数字表示前面合金元素的平均含量的百分之几。当合金元素的含量小于1.5时，编号中只表明合金元素的符号，其后的数字一般不标出。如果平均含量等于或大于1.5，2.5，3.5，则相应以2，3，4，表示。如果为高级优质钢，则在钢号后面加“高”或“A”字。例如：40Cr表示C=0.4，Cr1.5；60Si2Mn表示C=0.60，Si=2.0，Mn1.5。,结构钢中的滚动轴承钢比较例外，在钢号前冠以“G”(“滚”字的汉语拼音第一个字母大写)，合金元素铬后的数字表示铬的平均含量，但以千分之几表示，其含碳量不标出，这种特殊情况需要区别开来，例如：GCr15表示C=0.951.05，Cr=1.5。,4.合金工具钢当合金工具钢中的平均含碳量大于或等于1.0时，不标出数字；平均含碳量小于1.0时，以千分之几标出数字。例如：CrW5表示平均含碳量大于1.0，不标出，Cr1.5，W=5.0；9Mn2V表示平均含碳量为0.90，要标出，Mn=2，V1.5。,5.特殊用途钢在特殊用途钢中，耐热钢、不锈钢牌号表示方法和合金工具钢基本相同，钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18表示C=0.9，Cr=18。但对于含碳量小于0.03或0.08%，在钢号前分别冠以“00”或“0”，如00Cr18Ni10，0Cr18等。,铸铁铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料，其碳的质量分数在2.11以上，实际生产中的铸铁含碳量一般在4.0%6.5之间，铸铁材料基本上以铸件形式应用，但近年来，铸铁板材、棒材的应用也日见增多。,与钢相比:优点:铸铁成本低，铸造性能良好，体积收缩不明显，而且在力学性能、可加工性、耐磨性、耐蚀性、热导率和减振性能之间有良好的配合，也具有强度。缺点:缺点是冲击、韧性值较低，均质性较差，缺乏塑性变形能力，焊接性差。,1.铸铁的分类（1）按碳的析出状态和断口颜色分为灰铸铁、白口铸铁、麻口铸铁。（2）按化学成分分为普通铸铁和合金铸铁。（3）按生产方法和组织性能分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁及特种性能铸铁。,2.铸铁的性能包括：抗拉强度、屈服强度、伸长率、弹性模量、疲劳极限、布氏硬度值、冲击韧性、密度、热导率、线胀系数及电阻率。各种铸铁由于其化学成分、生产方法及组织性能的不同，其性能也不相同。铸铁中的碳以两种形式存在，即化合物状态的渗碳体和自由状态的石墨。石墨的强度、硬度极低，塑性、韧性几乎为零。当铸铁在极其缓慢的冷却条件下结晶，或在铸铁中含有促进石墨形成元素时，碳便会以稳定的石墨相析出，而不再析出渗碳体。碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。,化学元素对铸铁性能的影响因素主要是：（1）碳和硅。碳和硅是铸铁中的两个主要元素，能促进石墨化，石墨碳越多，铸铁越软，因此，往往通过控制两者的含量来保证一定的组织和性能。（2）锰。锰可阻止石墨化过程，抵消硫的有害影响，因此，铸铁中含有适量的锰是有益的。（3）硫。硫是一种有害元素，它能强烈地阻止石墨的形成，降低铸铁的流动性，应尽量降低硫的含量。（4）磷。磷对石墨化无明显影响，含量较高时，可增加铁水的流动性，提高耐磨性，但高磷铁的缺点是质硬性脆。,3.铸铁的牌号表示方法各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成，当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别，同一名称铸铁，需要细分时，取其细分特点的汉语拼音第一个大写正体字母，排列在后面。例如：QT400-17中，QT为球墨铸铁代号，400为抗拉强度(MPa)，17为伸长率()。,4.灰铸铁灰铸铁的组织实际上是在钢的基体上分布了大量的片状石墨。在各类铸件总量中，灰铸铁占80以上，这是由于灰铸铁的铸造性能、切削加工性、耐磨性能和消振性等都优于其他铸铁，且生产方便，成品率高，成本低。灰铸铁的牌号由“灰铁”两字的汉语拼音字首“HT”及后面一组数字组成。数字表示的是最低抗拉强度，例如，HT300表示最低抗拉强度为300MPa。,灰铸铁共有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350、HT400七种牌号。验收灰铸铁时，各牌号的灰铸铁其抗拉强度应在n(n+100)MPa的范围内。,5.球墨铸铁球墨铸铁是指其中的碳以球状石墨存在的铸铁。球墨铸铁是通过将灰铸铁原材料熔化后经球化处理后得到的.球化处理是在铁水浇铸前加入少量的球化剂及孕育剂，使石墨以球状析出。球墨铸铁与灰铸铁相比，它的碳、硅含量较高，以利于石墨球化。,球墨铸铁牌号用“球铁”二字的汉语拼音字首“QT”表示，字母后面有两组数字，前面一组数字表示该铸铁的最低抗拉强度，后面一组数字表示最低延伸率。例如：QT400-15中，QT表示球墨铸铁，400表示最低抗拉强度为400MPa，15表示最低延伸率为15。可用它部分代替钢来制造一些复杂的，且强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件。如柴油机曲轴、凸轮轴、减速箱齿轮、机床主轴及轧钢机轧辊等。,6.可锻铸铁（俗称玛钢、马铁）它是白口铸铁通过石墨化退火，使渗碳体分解而获得团絮状石墨的铸铁。因其具有一定的塑性变形的能力，故得名可锻铸铁，实际上可锻铸铁并不能锻造。可锻铸铁牌号是用“可铁”两字的汉语拼音字首“KT”表示。如果是黑心可锻铸铁，在KT后面用H表示；如果是白心可锻铸铁，在KT后面用B表示；如果是珠光体可锻铸铁，在KT后面用Z表示。然后再加两组数字，第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率。例如，KTH300-06中，KT表示可锻铸铁，H表示黑心可锻铸铁，300表示最低抗拉强度为300MPa，06表示最低延伸率为6。,7.蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近代发展起来的一种新型结构材料。它是在高碳、低硫、低磷的铁水中加入蛹化剂，经蛹化处理后，使石墨变为蠕虫状的高强度铸铁。这种铸铁的性能介于优质灰铸铁和球墨铸铁之间。抗拉强度和疲劳强度相当于铁素体球墨铸铁，减振性、导热性、耐磨性、切削加工性和铸造性能近似于灰铸铁。蠕墨铸铁已用于制造复杂的大型构件及高强度耐压件，例如，如用于生产汽缸盖及排气管等铸件。,有色金属合金1.铝及其合金1）纯铝铝是目前工业中用量最大的有色金属。铝的相对密度小，仅为2.7，大约是钢或铁的1/3，其熔点为660，在冷却过程中无同素异构转变。优点：铝的导电、导热性好，仅次于银、铜和金，且价格较低，资源丰富。铝在空气中有良好的抗蚀性，由于铝与氧亲和力强，在大气中铝极易在表面生成一层致密的A12O3膜，阻止了铝的进一步氧化。铝强度低、塑性好，具有良好的塑性加工性能和焊接性能。,表示方法：工业纯铝分铸造纯铝和变形铝两种。铸造纯铝：牌号由“Z”和铝的化学元素符号及表示铝纯度百分含量的数字组成，如ZAl99.5表示Al99.5的铸造纯铝。变形铝：采用4位字符牌号命名，即用“1”表示。牌号的最后两位数字表示铝百分含量中小数点后面的两位数字。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，则表示原始纯铝，若为其他字母，则表示为原始纯铝的改型，如1A30表示Al99.30的原始纯铝。,2）铝合金在铝中加入一定量的其他元素以制成具有较高强度的铝合金。铝合金可根据其成分和工艺特点分为：变形铝合金：具有较高的强度和良好的塑性，可通过压力加工制作各种半成品，可以焊接，主要用于各类型材和结构件，如发动机机架、飞机大梁等。铸造铝合金：,铸造铝合金包括：铝镁、铝锌、铝硅、铝铜等合金。它们有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性低，不宜进行压力加工。目前，应用最广的是硅铝合金。表示方法：铸造铝合金的代号用“铸铝”的汉语拼音字首“ZL”和3位数字表示，其中，第一位数字为合金的类别(1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系)，后二位数字为合金顺序号，顺序号不同，其化学成分也不同，牌号后面加“A”表示优质。,2.铜及其合金1）纯铜纯铜又称为紫铜，相对密度为8.96，熔点为1083，具有良好的导电性、导热性和抗大气腐蚀性，是抗磁性金属，广泛用作电工导体、传热体及防磁器械等。纯铜强度低、塑性好、焊接性能良好，可进行冷变形强化，但塑性下降显著。表示方法：工业纯铜的代号有T1、T2、T3、T4四个牌号，“T”为铜的汉语拼音字首，其后的数字愈大，纯度愈低。,2）黄铜黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合金。表示方法：通常把铜锌二元合金称为普通黄铜，用“黄”字汉语拼音字首“H”表示，其后附以数字表示平均含铜量，如H70表示平均含铜量为70%的普通黄铜。在普通黄铜基上加入其他元素的铜合金称为特殊黄铜，仍以“H”表示，后跟其他添加元素的化学符号和平均成分。,3.轴承合金轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。轴承合金应具备一系列性能要求：一定的强度和疲劳抗力，以承受较高的交变载荷；足够的塑性和韧性，以抵抗冲击和震动并保证与轴的良好配合；较小的摩擦系数和良好的磨合能力，并能储油；良好的导热性、抗蚀性和低的膨胀系数，以防升温导致与轴的咬合。,为了满足以上性能要求，轴承合金的组织特点应该是软硬兼有；或者是在软基体上均匀分布着硬质点；或者是在硬基体上均匀分布着软质点。当轴承工作时，软组织很快被磨凹，凸出的硬组织便起支撑轴的作用。这样，既减小了轴与轴瓦的接触面，凹下的空间又可储存润滑油，保证轴承有良好的润滑条件和低的摩擦系数，减轻轴的磨损。,表示方法：工业上应用最广的轴承合金是锡基和铅基轴承合金(又称为巴氏合金)，其编号为“ZCh+基本元素+主加元素+主加元素含量+辅加元素含量”，编号中“Z”、“Ch”为“铸”和“承”字的汉语拼音字首和第一个音节。,非金属材料1.有机高分子材料1）塑料塑料的主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂等。合成树脂为各种单体通过聚合反应合成的高聚物。树脂在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，它决定了塑料的基本属性，并起到粘结剂的作用。其他添加剂是为了弥补或改进塑料的某些性能，例如，填料(木粉、碎布、纤维等)主要起增强和改善性能作用，其用量可达2050%。,塑料的相对密度一般只有1.02.0，大约为钢的1/6，铝的1/2。优点：大多数塑料有良好的抗蚀能力，具有良好的电绝缘性，大部分塑料摩擦系数低，有自润滑能力，大部分塑料都可以直接采用注塑或挤压成形工艺，无需切削，所以可提高生产率，降低成本。缺点：强度、硬度较低，耐热性差，易老化，易蠕变等。,2）橡胶橡胶与塑料的不同之处是橡胶在室温下处于高弹态。工业橡胶的主要成分是生胶。生胶具有很高的弹性。但生胶分子链间的相互作用力很弱，强度低，易产生永久变形。此外，生胶的稳定性差，如会发粘、变硬、溶于某些溶剂等。因此，工业橡胶中还必须加入各种配合剂。,橡胶的性能特点：一是高弹性能，即受外力作用而发生的变形是可逆弹性变形，外力去除后，只需要千分之一秒便可恢复到原来的状态；二是强度，即经硫化处理和炭黑增强后，其抗拉强度达2535MPa，并具有良好的耐磨性。,2.陶瓷材料陶瓷是各种无机非金属材料的通称，是现代工业中很有发展前途的一类材料。传统陶瓷(亦称普通陶瓷)是以天然的硅酸盐矿物质（高岭土、长石、石英等）为原料配制成的。传统陶瓷质地坚硬，并具有良好的抗氧化性、耐蚀性、绝缘性、耐高温、成本低、生产工艺简单。,新型陶瓷(亦称特种陶瓷)是以化工原料（氧化物、氮化物、碳化物等）经配料、成型、烧结而成。可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。它们的用途非常广，如：A、氧化铝陶瓷可制作内燃机火花塞等；B、氮化硼陶瓷可用来制作金属切削刀具；C、碳化硅陶瓷可用来火箭喷嘴、高温电炉零件等。,3.复合材料由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的材料称为复合材料。它不仅具有各组成材料的优点，而且还可获得单一材料不具备的优越的综合性能。如钢筋混凝土、轮胎。复合材料依照增强相的性质和形态，可分为：1）纤维增强复合材料 2）层合复合材料 3）颗粒复合材料,1）纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维及制品为增强剂，以树脂为粘结剂而制成的，俗称玻璃钢。以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为粘结剂制成的热塑性玻璃钢。优点：具有较高的力学、介电、耐热和抗老化性能，工艺性能也好。此类复合材料达到或超过了某些金属的强度，应用：可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体、叶片等零件。,2）层合复合材料层合复合材料是由两层或两层以上不同性质的材料结合而成，达到增强的目的。优点：层合复合材料比单一塑料承载能力提高20倍，导热系数提高50倍，热膨胀系数降低75%，从而改善了尺寸的稳定性。应用：常用作无油润滑轴承，此外还可制作机床导轨、衬套、垫片等。,3）颗粒复合材料颗粒复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内而制成的，颗粒起增强作用。,5.3热处理基本概念,热处理的重要意义钢的热处理是指将钢在固态下进行不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺。它是改善钢材加工性能、提高产品质量、降低成本、延长使用寿命、充分发挥材料潜力的重要手段。在汽车、拖拉机工业中，有7080的零件要进行热处理。,热处理的目的：改善钢的性能，如强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、耐蚀性、加工性能等。1、预先热处理：是安排在铸、锻或焊件毛坯之后，切削加工之前进行的热处理。其工艺位置为锻坯预先热处理切削加工。主要作用：是改善工件毛坯的组织和切削加工性能，以及为最终热处理作组织准备。常用方法：退火、正火，对某些高合金钢零件也可能是淬火+高温回火(调质)。,图5-4热处理工艺曲线,钢的热处理工艺及分类1.钢热处理的组织转变（热处理的基本原理）1）钢加热时的组织转变与保温加热是热处理的第一道工序。对钢加热的目的一般是使钢奥氏体化。奥氏体虽然是钢在高温状态时的组织，但其晶粒大小、成分及其均匀程度对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，了解钢在加热时组织结构的变化规律，是对钢进行正确热处理的先决条件。,如图5-5所示，A1、A3、Acm是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象，在加热时高于而在冷却时低于临界点。为了便于区别，通常把加热时的各临界点分别用Ac1、Ac3、Accm来表示，冷却时的各临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm来表示。,图5-5钢在加热和冷却时