汽车机械基础教学全套课件高职汽车类项目13黑色金属

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1、,学习目标： 1.了解铁碳合金相图的含义和应用； 2.掌握碳素钢、合金钢、铸铁的分类、牌号、性 能和应用； 3.了解金属材料热处理的工艺和方法。,能力目标： 能够掌握汽车上常用黑色金属的性能、牌号及用途。,素质目标： 勤于思考、善于学习讨论和交流；具有运用标准、规 范、手册、图册等有关技术资料的能力。,金属材料是目前汽车上应用最广的工程材料。通常把金属材料分为两大类：黑色金属和有色金属。 黑色金属是指钢铁材料，有色金属是指除钢铁材料以外的其他所有金属材料，如铝、铜、镁及其合金。 钢铁材料在我国汽车工业中仍占主流地位。其特点是价格低廉，比强度高，便于加工，因而得到广泛的应用。主要用于制造车架、车

2、轴、车身、齿轮、发动机曲轴、缸体、罩板、外壳等零件。,一、 金属及合金的构造与结晶,在外界条件固定时，材料的性能取决于其化学成分与材料内部的组织结构。材料的化学成分不同，性能当然不同；然而化学成分相同的材料，通过热处理改变其组织结构，性能也会差别很大。所以，首先应该了解金属及合金的组织结构。 材料在使用状态下通常都是固态 。固态物质按原子（或分子）排列的特点可分为晶体与非晶体。,（1）纯金属的构造与结晶,晶体,非晶体,固态物质按其内部微粒的构成，可分为晶体与非晶体两类。 1）晶体：微粒呈规则排列的固态物质。几乎所有金属，大部分陶瓷凝固时都要发生结晶 。 晶体的特点是：a 结构有序；b 物理性质

3、表现为各向异性； c有固定的熔点。 2）非晶体：微粒呈无规则排列的固态物质。如玻璃、塑料等。 非晶体材料的特点是：a 结构无序；b 物理性质表现为各向同 性；c 没有固定熔点；d 导热率和热膨 胀性小；e 塑性形变大；,（2）晶体的基本概念,晶格：为便于研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格 。 晶胞：组成晶格的最小几何单元称为晶胞 。,晶体结构示意,简单立方晶体 （a） 晶体结构 （b） 晶格 （c） 晶胞,3.常见金属的晶格类型,(1)体心立方晶格,体心立方晶胞 （a）模型； （b）晶胞； （c）晶胞原子数

4、,体心立方晶格的晶胞如图所示，形状是立方体，在晶胞的8个 节点上各有一个原子，晶胞中心也有一个原子。属于这类晶格 的金属有-Fe、Cr（铬)、V(钒)、W(钨)、Mo(钼) 等。,面心立方晶胞如图所示，形状也是一个立方体，原子位于立 方体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格的金属有 -Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。,面心立方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数,(2)面心立方晶格,典型晶体结构示意,某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。 下面以铁为例子来说明同素异晶转变

5、： 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。,(3)同素异晶转变,凝固： 物质由液态转变为固态的过程。 结晶： 晶体材料的凝固过程称为结晶。 通常把金属从液态转变为固态的过程称为一次结晶，而金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。,4.金属的结晶,（1）金属结晶过程,从微观的角度看，金属结晶是由晶核的形成和长大这两个基本过程组成。 1）晶核的形成 液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体称为晶核，它的形成有两种方式。 a）自发形核 b）非自发形核 2）晶核的长大 晶核形成后，随后便是长大。晶核长大的实质

6、，就是原子由液体向固体表面的转移。,金属结晶示意图,树枝状结晶图示,金属的树枝晶,（2）晶粒度,晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的指标。 晶粒大小对金属性能的影响 一般来说，金属的晶粒越细，常温下强度硬度越高,塑性韧性越大。所以细化金属晶粒是提高其常温性能的最佳手段之一。,（3）晶粒大小的控制,过冷度的影响,二、 合金的构造与结晶,纯金属具有良好的物理和化学性能，但机械性能很差，价格昂贵，种类有限。为了满足各种机器零件对不同性能的要求，因此出现了合金。合金是由两种或两种以上的金属元素或由金属与非金属元素构成的具有金属特性的物质。钢和生铁就是铁和碳的合金；黄铜就是铜和锌的合金。,1.合金的构造 分为

7、三大类：固溶体、金属化合物、机械混合物。,（1）固溶体 固溶体是以一种金属元素的晶格为溶剂，其他元素的原子为溶质，溶质原子溶入溶剂晶格而形成的均匀固体。,（2）金属化合物 构成合金的元素相互化合而生成的新物质。它的晶格类型和性能完全不同于组成它的任一元素的晶格和性能。它具有一定的化学成分及新的晶格。 金属化合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,（3）机械混合物 两种或两种以上的金属晶体相互混合而生成的组织。它可以由纯金属、固溶体、金属化合物等晶体相互任意混合而成。钢中的珠光体就是由固溶体和金属化合物组成的机械混合物。,2.合金

8、的结晶,合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核和晶核长大的过程。但是合金的结晶过程中经常会发生固相转变，即由一种固相转变为另一种固相。因此，合金的结晶过程有两个相变点。在大多数情况下，合金结晶时往往形成两种不同的固相组成的多相组织。,1.铁碳合金的基本组织 纯铁有良好的塑性，但强度较低，一般不用其制造机械零件。在纯铁中加入少量碳，强度和硬度便可得到提高，因为铁和碳互相结合，形成了合金组织。 在固态铁碳合金中，铁和碳的结合方式有两种：一种是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体；另一种是铁和碳原子按一定比例相互化合形成化合物。铁碳合金中的基本组织有铁素体F、奥氏体A、渗碳体Fe3C三种。,铁碳合金是工业上

9、应用最广泛的金属材料，它是以铁和碳为基本组元组成的合金。不同成分的铁碳合金在不同温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。铁碳合金状态图是研究铁碳合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形。,二、 铁碳合金相图,(1)铁素体,铁素体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”表示，呈体心立方晶格。碳在-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，在727时达到最大溶解度0.0218%,碳的强化作很小。 铁素体的机械性能近似纯铁,特点是塑性、韧性好而强度、硬度低。,2.奥氏体,奥氏体是碳溶于-Fe中的固溶体，用符号“A”表示，呈面心立方晶格。 碳在-Fe中的溶解度要比在-Fe中大，在727时为0.

10、77%，在1148时溶解度最大，可达2.11%。 由于-Fe通常在高温条件下存在,所以在一般情况下奥氏体也只能在高温下存在。 奥氏体具有一定的强度和硬度，高的塑性（=40%-50%）。生产中将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工，就是利用了奥氏体塑性好的特点。,3.渗碳体,渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它的含碳量为6.69，熔点为1227，其力学性能特点是硬度高（HB800），脆性大，塑性极差(0)，性能与铁素体相差很大。 渗碳体在钢中主要起强化作用，其数量、形状、大小及其分布状况对铁碳合金性能有很大影响。,二、铁碳合金相图,为全面了解合金成分、

11、组织、性能变化的规律，对合金系中不同成分的合金进行实验，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，并绘制成图形，这种表示在平衡条件下合金成分、温度、组织状态三者之间关系的图形称为合金相图，又称合金状态图。铁碳合金相图是表示铁碳合金的成分、温度、组织之间关系的图形。,1.铁碳合金相图,铁碳合金相图分析,简化后的Fe-Fe3C相图可看作由两个简单组元组成的典型二元相图，图中纵坐标表示温度，横坐标表示成分。 左端原点Wc=0%，即纯铁；右端点Wc=6.69%，即Fe3C。 横坐标上任何一个固定的成分均代表一种铁碳合金。例如S点，表示Wc=0.77%（WFe=99.23%）的铁碳合金。,2.铁碳合

12、金分类,根据铁碳合金相图，铁碳合金按含碳量和室温组织不同，可分为三类： 工业纯铁、钢和白口铸铁。 1)工业纯铁：成分在P点左面，是含碳量小于0.02%的铁碳合金，其组织全部由铁素体构成，工业上应用较少； 2)钢：成分在P点与E点之间，是含碳量为0.02-2.11%的铁碳合金。根据室温下组织的不同，可以S点为界分为： 共析钢：碳含量0.77%，组织全部由珠光体构成； 亚共析钢：碳含量0.02-0.77%，组织由铁素体和珠光体构成； 过共析钢：碳含量0.77-2.11%，组织由二次渗出碳体和珠光体构成； 3）白口铸铁：成分在E点和F点之间，是含碳量为2.11-6.69%的铁碳合金；,由铁碳合金相图

13、可以明显看出，纯铁、钢和铸铁之所以性能不同，是因为含碳量不同，从而冷却后的组织不同。随着碳含量的增加，铁素体量相对减少，渗碳体量相对增加。 如需要塑性、韧性高的材料，则可选用含碳量较低的钢种；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，可选用含碳量适中的钢种；如需要硬度高、耐磨性好的材料，则应选用含碳量高的钢种。,3.铁碳合金相图的应用,三、碳素钢,一、碳素钢的分类 1.按含碳量分： 低碳钢（C%0.25%） 中碳钢（C%=0.25%0.60%） 高碳钢（C%0.6%） 2.按质量分 分普通碳素结构钢（S%0.05%，P%0.045%） 优质碳素结构钢 （S%、P%0.035%） 3.按用途分 碳素结构

14、钢用于制造各种机械零件、工程构件，一般为低、中碳钢。 碳素工具钢主要用于制作各种刃具、量具、模具，一般为高碳钢。,二、碳素结构钢的牌号、性能及主要用途,1.普通碳素结构钢: Q 235 A F,牌号：Q+屈服点数值。 例如： Q195,Q215 ,Q235 ,Q255 ,Q 275共5类。 用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。,45 - Wc = 45%00,08、10 、15 、25 、35 、45 、55 、65,2. 优质碳素结构钢,牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的 万倍。 例如： 08F，20，45，60等。,用途：用作各种较重要的机器零件 如：齿轮、主轴等。,3.碳素

15、工具钢牌号,T 12 A,碳素工具钢 牌号：用“T”加数字表示，该数字表示钢中平均含 碳量的千倍。 如： T8， T9等。 T8：表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。 用途：用来制作各种刀具、量具和模 具。,四、 合金钢 碳素钢的冶炼、加工简单，价格便宜，并且通过热处理可以得到不同的性能来满足工业生产上的各种需要。但是碳素钢的淬透性差，缺乏良好的综合性能及一些特殊性能，如耐热、耐蚀性、高磁性等。因此，随着现代工业和科学技术的发展，人们在机械制造中广泛应用合金钢。,合金钢是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能,炼钢时有目的地加入一些合金元素所形成的钢称为合金钢。,1、合金元素对钢性能的影响,

16、（1）提高了钢的力学性能,（2）提高了钢的淬透性,（3）使钢具有某些特殊性能,钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细 化了晶粒，也提高了塑性与韧性。,铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。,铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。,一、 合金结构钢的分类及编号,1. 合金结构钢的分类 （1）按化学成分分类 按合金元素的含量可分为： 低合金钢（合金元素含量5%） 中合金钢（合金元素含量介于5%10%） 高合金钢（合金元素含量10%） （2）按质量分 优质钢 （S%、P%0.035%） 高级优质钢 （S%、P%0.025%）在钢号后加A 特级优质钢 （含S%0.015%、含P%0.025% ）钢号后加E （3）按用途分 合金结构钢用于制造各种机械零件、工程构件。 合金工具钢主要用于制作各种刃具、量具、模具的钢