工程材料及机械性能精编版

《工程材料及机械性能精编版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料及机械性能精编版（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、工程材料及机械性能,2015.04.07,材料是人类社会发展的三大支柱（信息、能源、材料）之一。而材料是前两者的基础。,凡与工程有关的材料均为工程材料。根据使用的性能分为功能材料和结构材料。 材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。 使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命，金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据，外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。,本课程内容 一、工程材料 金属（钢铁、有色金属） 聚合物 陶瓷 复合材料 二、材料的力学性能 静载荷下拉伸、压缩、扭转、弯曲 动载荷下冲击、疲劳 高温

2、力学性能,学习方法 课堂学习+自学（网络、书籍、实践） 本课程40个学时，理论课34+实验6 旷课5次或迟到10次没有考试资格 总成绩=试卷成绩（80%）+平时成绩（20%）,第一章 工程材料,1.1 概述 工程材料是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。 根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料；金属材料又可分为黑色金属（钢铁）材料和有色金属材料 根据材料的性能特征，分成结构材料和功能材料 应用最广的是黑色金属,1.2 碳钢及合金钢 1.2.1 碳钢及分类 铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90.0%以上。 碳的质

3、量分数小于2.11的铁碳合金，实际生产中使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素,表1-1 杂质元素对钢的影响,二、碳钢的分类（GB/T700-2006),三、碳钢的牌号 C（首）船用钢； G（首）滚动轴承钢，G（尾）锅炉用钢 Q（首）屈服强度，q（尾）桥梁用钢 R（尾）压力容器用钢 ZG铸钢,碳素结构钢,优质碳素钢,碳素工具钢,1.2.2碳钢的合金化基础 合金元素：改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而加入在一定含量的化学元素。 常存或残存元素：非特意加入的元素 低合金钢 合金钢 高合金钢 常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫

4、、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。,一、合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种： (1) 与铁形成固溶体，如硅、铜、铝、钴等。 (2) 部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。这一类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。 (3) 不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂物，如Al2O3、AlN、FeOAl2O3、SiO2MxOy 、TiN 、MnS等。 (4) 一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSi、FeCr(相)、Ni3Ti、Fe2W等。 (5) 有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。,二、合金元素在钢中的作用,1、合金元素对钢中基本相的影响 (1) 非碳

5、化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。溶入铁素体，固溶强化 当wSi0.6、wMn1.5时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而Cr、Ni比较特殊，当wCr2、wNi5时铁素体的强度和韧性都有所提高。,(2) 中强碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W等。置换渗碳体中的铁原子。稳定性略为提高，硬度也较高 (3) 强碳化物形成元素：W、Ti、Zr、Nb、V。含量较高(wMe5%)时，才倾向于形成合金碳化物。具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。,按合金元素与C元素的亲和能力： Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe,2.合金元素对Fe

6、-Fe3C相图的影响,奥氏体元素,当含有B、Nb、Ta、Zr时，不使区封闭，只使区缩小 但Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奥氏体相区缩小，超过此元素的质量分数，则钢中没有相变，所以室温能获得单相的铁素体组织-铁素体元素 合金元素与Fe相互作用的理论的实际意义：为了保证钢具有良好的耐腐蚀性，需要在室温下获得单一相组织（奥氏体相或铁素体相），可以通过控制钢中合金元素的种类和含量。,3.合金元素对钢热处理的影响 镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥氏体化加热温度提高，保温时间延长。 除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒

7、长大，淬火后获得细小马氏体组织。 2) 合金元素对钢冷却转变的影响 除了Co以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度地阻碍了铁、碳原子的扩散，使奥氏体稳定性提高，C曲线右移；强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，溶入奥氏体后，使C曲线出现两个“鼻尖”，形成珠光体和贝氏体两个转变区,合金元素使C曲线右移，增加了马氏体临界冷却速度，使钢的淬透性提高。多种元素同时加入，对钢淬透性的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的钢，多采用“多元少量”的合金化原则，如Cr-Ni、Cr-Mn、Cr-Si、Si-Mn等多组元合金钢。 Co、Al外，大多数合金元素使Ms点、Mf 点下移 ，使钢在淬火后

8、残余奥氏体量增多,3) 合金元素对回火转变的影响 (1) 提高淬火钢的回火稳定性 与碳钢相比，在相同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧性较高。 (2) 产生二次硬化 淬火合金钢在500600 温度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。 (3)回火脆性,1.2.3 结构钢 一、低合金结构钢（HSLA） 在碳素结构钢的基础上加入少量（wMe3）合金元素 一般为wC =0.10.2，一般以少量的锰为主加元素(wMn=0.81.7)，Si的质量分数较碳素结构钢高(wSi0.55)。 为改善钢的性能，各牌号A、B

9、级钢可加入V、Ti、Nb等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬度、冲击韧度。Cu、P提高钢对大气的抗蚀能力，有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害杂质，改善杂质物形状的分布,二、合金结构钢 合金元素通常为wMe1.5、2.5、3.5时，则在元素符号后相应标出2、3、4。 如18Cr2Ni4WA 用于各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承,1、渗碳钢 高硬度、耐磨性、抗疲劳性，同时要求承受较高载荷、特别是冲击载荷 如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、发动机上的凸轮和活塞销等。 低碳合金钢渗碳，加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性，改善渗碳层的强度和塑、韧性，Cr含量小于2，Ni含量小于4.5，M

10、n小于2，B含量范围0.0010.004，等；添加少量的V、W、Mo、Ti细化晶粒，抑制渗碳时晶粒长大，V含量低于0.5，W小于1.2，Mo低于0.6，Ti低于0.15。,热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）+渗碳+淬火+低温回火 渗碳 930，68h，渗碳后表层碳的质量分数0.851.05，平衡组织为过共析组织PFe3C，中心仍然为亚共析组织PF。 淬火 直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是决定于钢中合金元素的量和对构件性能的要求。多数合金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火，再低温回火。对于要求高的渗碳零件和晶粒易长大的渗碳钢件要在渗碳后进行一次淬火或二次淬火，然后在低温回火。 低温回火 180

11、200，12h。热处理后组织为M回点状碳化物少量A残，硬度5860HRC。 中心组织 M低或FS（小件）；M低FP或S（大件），硬度3045HRC。,常用渗碳钢： 低淬透性渗碳钢，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等 中淬透性渗碳钢，20CrMnTi、20CrMnMo等 高淬透性渗碳钢，18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A,2、调质钢 重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，如机床车轴、汽车半轴、变速箱花键轴等承受弯曲和扭转应力 化学成分 WC0.25%0.5%，以0.4%居多 合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B 增大钢的淬透性，高而均匀的综合力学性能 V 细化晶粒，提高

12、综合力学性能；Mo和W 减轻或抑制第二类回火脆性；Al加速合金调质钢的氮化过程。Ti、Cr等这些元素可以形成强碳化物，高温时阻止A晶粒长大和回火时M分解、碳化物聚集长大缓慢,常用调质钢：,低淬透性合金调质钢：45、40Cr、45MnV等 中淬透性合金调质钢：40CrMn、35CrMo等 高淬透性合金调质钢：40CrNiMoA等,热处理工艺 一般选用淬火高温回火，合金调质钢多用油冷淬火 调质钢一般热处理工序安排： 锻造 热处理（退火或正火） 粗加工 调质 精加工 热处理 磨削 如：40Cr做拖拉机连杆螺栓,3、合金弹簧钢 专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，用于制造各种机械和仪表中的弹簧，如汽车、拖

13、拉机、坦克、机车车辆的减振弹簧和螺旋弹簧，大炮缓冲弹簧，钟表发条等 性能要求： 具有较高的弹性极限和强度 具有较高的疲劳强度和屈强比 具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷 具有耐热性和耐腐蚀性,化学成分：碳含量：WC0.45%0.7%；主加元素是Mn、Si Cr、W、V等元素Mn、Si元素带来的缺点，提高回火稳定性 常见弹簧钢 65Mn，淬透性比碳素弹簧钢好，但有过热倾向。用于制造截面尺寸小于15mm的中、小型低应力弹簧钢。如小尺寸扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条等。 60Si2MnA 钢的淬透性增加，还可以加强F，可用于截面尺寸为2530mm的工件，在油中即可淬透。用于制造板状弹簧和螺旋弹簧，还

14、可以在250以下工作的耐热弹簧。 50CrVA 淬透性比60Si2MnA还好，用于制备50mm的弹簧钢丝制作的弹簧，油冷即可,热处理工艺：冷成形弹簧的热处理 当弹簧直径或板簧厚度小于810mm时，常采用冷拉弹簧钢丝或弹簧钢带冷卷成形。钢号有T8、T9A、65Mn和60Si2Mn等。其成形前后的热处理方法： 退火状态供应的弹簧钢丝，冷拔到预订尺寸 加热到900950，使之A化，然后迅速转入500550铅浴处理，得到细小片状的索氏体，提高冷变形能力和表面光洁度。然后再经过多次拉拔得到所需尺寸 冷卷成形 去应力退火或定形处理：200250油浴处理1030min。左右是消除冷卷成形所产生的应力，并使弹

15、簧定形。 热成形弹簧，主要用于大型弹簧和形状复杂的的弹簧。它们一般有热轧钢丝和钢板制成，所用钢材主要有60Mn、60Si2Mn、55Si2Mn和55SiMnMoV等。 热处理：淬火中温回火。淬火温度830850，具体加热温度决定于各钢的Ac3。回火温度420550，具体温度决定于钢的种类和要求。若要求高弹性，则应采用较低回火温度；若需要高韧性，则进行高温回火。,作业 1、工程材料的定义？分类？ 2、碳钢的分类及牌号中字母、数字的意义？ 3、合金元素对钢的作用体现在哪些方面？ 4、低合金钢的用途？ 5、合金钢与低合金钢的差别？,4、滚动轴承钢：,用于制造各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体的专

16、用钢 1、性能要求：具有较高的淬透性,具有高而且均匀的硬度和耐磨性 具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度 具有良好的耐腐蚀性（润滑介质条件下）,2、化学成分： w(C) = 0.951.10%， 合金元素Cr：0.41.65%，提高淬透性和回火稳定性； Si（0.450.75%）、Mn（0.951.25%）、V：进一步提高淬透性、强度、耐磨性和回火稳定性 P、S0.025%，减少夹杂物，提高疲劳寿命,常用轴承钢： 铬轴承钢GCr9、GCr15、GCr9SiMn、GCr15SiMn 其它轴承钢GCr15SiMn、GSiMnV,热处理： 球化退火 ，降低硬度，得到均匀细粒珠光体，硬度207229HB 淬火（820840）+低温回火（温度150160，保温23h）（61-65）HRC 磨削加工后，再在120130下时效510h,5、非调质钢 定义：在中碳钢中添加微量合金元素（V、Ti、Nb、N等），产生强化相质点和细化晶粒来改善和提高钢的综合力学性能，可不用再调质处理。 特点：强度高（b8501000MPa）、 抗疲劳特性和耐磨性