常用金属材料及其应用 新型金属材料的应用课件.ppt

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1、金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。,常用金属材料及其应用,一.碳钢二.合金钢三.铸铁四.有色金属及其合金 五.金属材料在工程上的应用,常用金属材料及其应用,金属材料的分类,金属,钢铁,铸铁,钢,白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁,非合金钢（碳钢）,碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、易切削钢、铸钢,合金钢,合金结构钢,低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢、超高强度钢,合金工具钢,量具刃具钢合金模具钢高速钢,冷作模具钢热作模具钢,特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢,非铁金属 铜、铝、钛

2、、锌、，轴承合金，硬质合金,一.碳钢,(一)碳钢的成分和分类(二)碳钢的牌号及用途,(一)碳钢的成分和分类,.成分 w(C)2.11%Mn 脱氧,固溶强化,提高强度和硬度 w(Mn)=0.25%0.8%Si 脱氧,固溶强化,提高强度和硬度 镇静钢w(Si)=0.1%0.4%沸腾钢w(Si)=0.03%0.07%S 热脆(有害)P 冷脆(有害)O、N、H 强度、塑性、韧性,钢中元素的作用,基本元素：Fe、C合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素,非合金钢中的常存元素,1）按C含量分低C钢w(C)0.25%中C钢 0.25%w(C)0.6

3、%高C钢w(C)0.6%2）按质量分（S、P含量）普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。3）按用途分 碳素结构钢、碳素工具钢。,.分类,(二)碳钢的牌号及用途,1碳素结构钢2优质碳素结构钢3碳素工具钢,1碳素结构钢,牌号 如 Q215B，表示 s 215 MPa（厚度 16mm），B级质量。,最新牌号GB/T221-2000,用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,热处理：热轧空冷组织：SF,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,2优质碳素结构钢,牌号 如 45 钢，含C量为 45/10000=0.45%。,(摘自GB/T699-1999),用途,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧

4、等。,热处理：渗碳、淬火、回火等。,上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质50号中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工,汽车曲轴,常用钢号及其应用,08、10钢:强度低,塑性好,具有良好的冲压、拉深及焊接性能,用于制造冷冲压件,如汽车和拖拉机油箱、仪表板、汽缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等.,15、20钢:渗碳,表硬内韧,作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等,3055钢:调质,综合机械性能好,制齿轮连杆轴类等,6070钢,淬火,中回,制造弹性元件,如汽车气门弹簧.,3碳素工具钢,牌号 如 T12A 钢，含C量为 12/1000=1.2%，A表示高级优质，w(S)0.02

5、0%，w(P)0.030%。,(摘自GB/T1298-1986),用途,冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。,热处理：淬火+低温回火组织：回火M 粒状Fe3C+A,4.铸钢,W(c)=0.150.6%应用:结构复杂零件,如曲轴、箱体轴承座.牌号:如ZG340-640,二.合金钢,(一)概论(二)合金结构钢(三)合金工具钢(四)特殊性能钢,二.合金钢,碳钢：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。合金钢：在碳钢中加入某些合金元素,改善组织与性能.(硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、锆),常见的合金元素及作用,与C的亲和力：强 弱,Ti Zr Nb V W

6、 Mo Cr Mn Fe Co Ni Cu Si Al,弱碳化物形成元素,强碳化物形成元素,非碳化物形成元素,合金元素对基本相的影响：,非碳化物形成元素,溶入F,固溶强化,弱碳化物形成元素,形成合金渗碳体,较硬，耐磨，比Fe3C更稳定,强碳化物形成元素,形成特殊碳化物,高熔点，硬，耐磨，最稳定,（一）合金元素在钢中的作用,1合金元素可以提高钢的力学性能,2.合金元素对钢的热处理产生影响,3合金元素对钢的工艺性能产生影响,合金钢的强化机制：合金F 的固溶强化M位错强化细晶强化（F、M晶粒度，P片间距）第二相（沉淀）强化,1合金元素可以提高钢的力学性能,2.合金元素对钢的热处理产生影响 合金元素对

7、淬火、回火状态下钢的强化作用最显著。合金元素除CO外都能使C曲线右移，提高奥氏体的稳定，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，降低淬火应力，减少了工件的变形和开裂。,3合金元素对钢的工艺性能产生影响 合金元素的加入使钢的铸造、锻造性能、焊接、切削加工性能都不同程度的降低；但可以明显的改善热处理的工艺性能。,.合金钢的分类（按用途分类）合金结构钢 低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢 刃具、模具、量具钢。特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。,（二）合金钢的分类及编号,.合金钢的编号 结构钢 如 60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)1.5%工具钢、

8、特殊性能钢 如 9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均1.5%,而 CrWMn 中，w(C)1.0%专用钢 如，滚动轴承钢 GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高级优质钢 如，20Cr2Ni4A,（二）合金钢的分类及编号,(三)合金结构钢,1低合金结构钢2渗碳钢3调质钢4弹簧钢5滚动轴承钢,1低合金结构钢,成分 w(C)0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能 强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。,(摘自GB/T1591-1994),普通低合金结构钢牌号,Q 345 C,常用低合金钢,1.低合金高强度结构钢2.易切削结构钢.(S,P,Mn)3.低合金高耐

9、候性钢,热处理、组织 热轧空冷，SF,高压容器,桥梁,船舶,车辆,应用,典型普低合金钢应用,Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,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，用于中等压力的容器。,2渗碳钢,成分 w(C)=0.10.25%,韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，Ti细化晶粒性能 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。,2渗碳钢,热处理,组织 表层：回火M+碳化物+A；心部：低C的回火M（+T+F）,应用 耐磨件 20Cr

10、，小轴、活塞销、小齿轮。20CrMnTi，汽车齿轮。18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆。,渗碳 淬火 低温回火,合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,典型合金渗碳钢应用,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4%左 右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,典型合金渗碳钢应用,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4%6%。18Cr

11、2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,现有35x20mm的两根轴。一根为20钢，经920渗碳后直接淬火(水冷)及180回火，表层硬度为58 62HRC；另一根为20CrMnTi钢，经920渗碳后直接淬火(油冷)，-80冷处理及180回火后表层硬度为60 64HRC。问这两根轴的表层和心部的组织(包括晶粒粗细)与性能有何区别?为什么?,3调质钢,成分 w(C)=0.250.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,强化F。Mn、Cr、Ni、B、Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒性能 综合机械性能高,3调质钢,热处理,

12、组织 表层：回火S,应用:轴类、连杆、齿轮 40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。,调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。,应用:,汽车曲轴,圆锥齿轮,4弹簧钢,成分 w(C)=0.450.70%，Si,Mn为主要元素，提高屈强比。性能 e、s、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。,4弹簧钢,（摘自GB/T12221985）,热处理,应用 65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。,热轧弹簧：热成型 淬火+中温回火 喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火 冷成型 去应力

13、 喷丸组织 回火T,5滚动轴承钢,滚动轴承在交变应力作用下工作，各部分之间有强烈摩擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。因此，滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。,5滚动轴承钢,成分 w(C)=0.951.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。性能 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。,（摘自GB/T182542002）,滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,热处理,应用 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。,球化退火+淬火+低温回火冷处理，时效（120140,1020h）：稳定尺寸，去应力。组织 回火M 细碳化物少量A,铬轴承

14、钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火+冷处理(60 80;1h)低温回火 磨削加工 稳定化处理(120 130；5 10h),合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造刃具、模具、量具和其它工具。,(四)合金工具钢,量 具,刃 具,(四)合金工具钢,1合金刃具钢2合金模具钢3量具用钢,1合金刃具钢,（）性能要求高硬度 机加工刀具HRC60 高耐磨性 刀具寿命和生产率组织要求 硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。高的热硬性（红硬性）高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。足够的韧性 以承受冲击载荷,（）低合金刃具钢,成分 w(C)=

15、0.9 1.5%，合金元素5%。性能 HRC60，使用温度200 300。,（摘自GB/T12992000）,热处理 球化退火（+机加工）+淬火+低温回火,最终组织 回火M+合金碳化物+少量A 应用 如9SiCr，做板牙、丝锥等。,（）高速钢,成分 w(C)=0.7 1.2%，合金元素10%。性能高硬度、耐磨性 VC等弥散硬化高热硬性 600 时HRC62，W2C等提高热硬性。高淬透性 尺寸不大时可空冷淬火，Cr 等元素提高淬透性。,热处理,（锻造+）球化退火（+机加工）淬火+回火锻造目的 成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。,淬火，1280 增加A、M中合金含量，提高热硬性。,淬火组

16、织（左图）：M+碳化物+A,最终组织（右图）：回火M+粒状碳化物+少量 A,回火，560，三次 W2C、VC弥散硬化，二次淬火基本消除A。,应用 高速车刀、钻头、铣刀等。,2合金模具钢,（）冷模具钢 冷冲、冷镦、冷挤压模等。,性能 高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。,应用小型模具 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等。大型模具 Cr12、Cr12MoV 等，热处理变形小。,最终热处理 淬火+低温回火最终组织 回火M+碳化物+少量 A,（）热模具钢 热锻、热挤压、压铸模等。,性能 耐热性、热疲劳抗力高。,应用 中小型模具 5CrMnMo 等。大型模具 3Cr2W8V等，淬透性好。,最终热处

17、理 淬火+高温回火最终组织 回火T 或 回火S,3量具用钢 卡尺、千分尺、塞规等,性能 高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。,应用:简单量具 T10A、T12A 等。高精度量具 GCr15、CrWMn 等。,最终热处理 淬火+（-70-80）冷处理+低温回火+时效处理时效处理：120130，保温几几十小时，使M、A 稳定，消除内应力。最终组织 回火M+碳化物+少量A,(五)特殊性能钢,1不锈钢2耐热钢3耐磨钢,1.不锈钢,钢的抗腐蚀措施形成单相组织。加入Cr，降低两相的电极电位差。加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。,常用不锈钢F 型 如 1Cr17，化工设备、食品工业。M 型 如 1Cr

18、13 用于汽轮机叶片；3Cr13 做手术器具及刀具。A 型 如 1Cr18Ni9Ti 用于化工、食品、医疗行业。,不锈钢的成分、热处理、性能,.耐热钢,抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力热强性：热强性是指钢在高温下的强度,用途：锅炉、燃气轮机等,燃烧室排气系.,耐 热 钢 的 用 途,.耐磨钢ZGMn13,热处理：10001100，保温，水冷A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。,用途：履带、铁道岔道、挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等 代表牌号Mn13,耐 磨 钢 的 用 途,1.铸铁的性能特点2.常用铸铁,三、铸铁,(一

19、)铸铁的性能特点,成分 w(C)=2.54.0%，w(Si)=1.03.0%.,（）铸铁的石墨化 C 的同素异构体：石墨G（简单六方晶格）,组织 钢基体+石墨（C）,石墨的形态(形状数目大小及分布)决定铸铁组织与性能,石墨化过程 按Fe-G 相图结晶、转变,G结晶：过共晶成分 L L+GI共晶转变 L4.26 A2.08+G（共晶）(1154)G析出：AA+GII(1154738)共析转变 A0.68F+G（共析）(738),影响石墨化的因素:化学成分C、Si 促进石墨化冷却速度冷速慢有利石墨化,（）铸铁的组织和分类,（）铸铁的组织和分类,灰口铸铁的组织 钢基体+G,（）铸铁的性能,力学性能强

20、度、塑韧性比钢低。G的强度、韧性极低，减小钢基体的有效截面，并引起应力集中。,耐磨性好 石墨有利于润滑、储油。,三种石墨形态,其它性能,缺口敏感性低 表面粗糙对疲劳极限的影响不明显消震性好（是钢的十倍）G 组织松软铸造性好 接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。切削加工性好 G 使切屑易断，还可润滑刀具。,应用 如，机床床身、发动机缸体、齿轮、曲轴。,(二)常用铸铁,灰铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁,1.灰铸铁,牌号 如HT100，表示 b100MPa（直径30mm）。组织 钢基体（F、F+P、P）+片状G,性能 与其它铸铁相比，力学性能差，其它性能好。,孕育铸铁 浇注前在

21、铁水中加 Si-Fe，Si-Ca等孕育剂,使P细化、G细而均匀，强度、塑韧性明显提高。,热处理:,去应力退火 500550，防止机加工、使用时变形或开裂。,高温退火 850900,表面、薄壁等白口处CmG,硬度,切削加工性,表面淬火 提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。应用 如，机床床身、导轨，汽缸体。,如：HT200适用于汽车的气缸体、气缸盖、刹车轮等。HT300、HT350等适用于大型发动机的气缸体、气缸盖、气缸套、油缸、泵体、阀体等。,气缸垫,气缸盖,气缸盖罩,衬垫,安装火花塞,（）球墨铸铁在铁水浇注前加球化剂（稀土Mg）使G球化,牌号 如 QT700-2，表示 b700，2。,组织 钢

22、基体（F、F+P、P、回火S、下B)+球状G,性能 强度、塑韧性明显优于灰铸铁。（球状G 对基体的割裂作用小）,（）球墨铸铁,热处理,退火 去应力退火，500 600。低温退火，720760，PG+F，塑韧性、切削加工性高温退火，900950，P,CmG+F，塑韧性、切削加工性 正火 P%，细化组织，强度、耐磨性低温正火，840860，P+F+G，塑韧性较好。高温正火，880920，P+G+少量F，强度较高。,调质 850900油淬+550600回火回火S+G 等温淬火 840900+300等温下B+G调质、等温淬火后综合机械性能好，但仅适于小尺寸零件。,应用,替代部分铸钢、锻钢件，如曲轴、连

23、杆、轧辊、汽车后桥等。,桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组,（）蠕墨铸铁在铁水浇注前加蠕化剂而得,牌号 如 RuT420，表示 b420。组织 钢基体+蠕虫状G,性能 强度、塑韧性优于灰铸铁。,应用 高压热交换器、汽缸盖、液压阀等。,（）蠕墨铸铁在铁水浇注前加蠕化剂而得,牌号 如 RuT420，表示 b420。组织 钢基体+蠕虫状G,性能 强度、塑韧性优于灰铸铁。,应用 高压热交换器、汽缸盖、液压阀等。,（）可锻铸铁 白口铸铁 经长时间石墨化退火（900960）而得,牌号 如 KT300-6，表示 b300，6。组织 钢基体+团絮状G,性能 强度、塑韧性优于HT，低于QT。,（）可锻铸铁,应用 管接头

24、、低压阀门、汽车、拖拉机薄壳零件等。,（）合金铸铁,耐磨铸铁:在铸铁中加入P、Cu、Ti、Mn、Mo等合金元素，可大大提高铸铁的耐磨性。减摩铸铁 P灰铸铁（F 为软基体，Cm为硬质点，G润滑、储油）抗磨铸铁 白口铸铁表层灰口铸铁心部（强度好）加入合金元素，以提高强度、韧性、耐磨性。,应用 汽车气缸套筒、排气门座圈、活塞环等零件。,活塞连杆组,气环,油环,活塞销,活塞,连杆,连杆螺栓,连杆轴瓦,连杆盖,在铸铁中加入硅、铝、铬等元素，使铸铁表层形成一层致密的保护膜（如Al2O3、SiO2、Cr2O3），具高温抗氧化性。应用 汽车发动机排气门。,(6)耐热铸铁：,小结,重点要求1.合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；2.合金结构钢的成分，热处理及组织，性能及用途。.工具钢的性能，成分，热处理目的和方法，组织；4.灰铸铁 和 球墨铸铁 的成分，组织，性能特点，牌号及用途,一般要求.特殊性能钢；.时效处理、热硬性等概念。,The End,