第二章_工程材料概述2012

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1、第二章 工程材料概述,本章主要内容2.1 金属材料2.2 陶瓷材料2.3 高聚物材料2.4 复合材料的概念与分类,第二章 工程材料概述,工程材料(Engineering Materials): 是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制造零件和工具的材料，即解决不同工程用途所需要的材料，与工程有关的材料均可称为工程材料。,工程材料的分类,1. 按照化学成分类,工程材料的分类,2. 按照用途分类 结构材料(机械零件、工程构件)、工具材料(量具、刃具、模具)、功能材料(磁性材料、超导材料等)3. 按照服役领域分类 机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料

2、4. 按照使用性能及效应分类 阻尼材料，磁性材料，耐磨材料，耐腐蚀材料，高温材料， 记忆合金,2.1 金属材料,2.1.1 金属材料概述 2.1.2 钢铁 2.1.3 有色金属及合金 2.1.4 新型金属材料简介,2.1.1 金属材料概述,1、金属材料的分类,金属材料,黑色金属(铁、锰、铬及其合金和钢铁)(Ferrous Metal),有色金属(非铁金属及合金)(Nonferrous Metal),常见金属及晶格形式,2.1.2 钢铁,铁碳合金的基本组织、结构和性能特点,奥氏体（Austenite）：,1、钢铁中的物相,奥氏体晶体结构,奥氏体显微组织,铁素体（ferrite）：,1、钢铁中的物

3、相,铁素体显微组织,铁素体晶体结构,渗碳体（Cementite）：,1、钢铁中的物相,渗碳体晶体结构,渗碳体显微组织,珠光体P,3800,索氏体S 8000,屈氏体T 8000,1、钢铁中的物相,珠光体（Pearite）：,马氏体（Martensite）：钢骤冷时形成质地很脆很硬的组织，体心四方结构(BCT)；分为片状（孪晶马氏体）和板条状马氏体组织和混合 马氏体,1、钢铁中的物相,板条马氏体,片状马氏体,1、钢铁中的物相,贝氏体（bainite）：过冷奥氏体的中温转变产物（50-550）；按照组织形态不同分为无碳化物贝氏体、上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体及柱状贝氏体,1、钢铁中的物相,无碳化

4、物贝氏体,800 1000,贝氏体B：,1、钢铁中的物相,羽毛状贝氏体,1300 5000,贝氏体B：,1、钢铁中的物相,低碳钢中的下贝氏体,高碳钢中的下贝氏体,贝氏体B：,1、钢铁中的物相,粒状贝氏体,贝氏体B：,1、钢铁中的物相,柱状贝氏体,光学显微组织500 电子显微组织5000,莱氏体（Ledeburite）：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，分为高温莱氏体(1148727)，用符号“Ld”表示，组织由奥氏体和珠光体组成；低温莱氏体或称变态莱氏体(727以下)，用符号“Ld”表示，组织由渗碳体和珠光体组成,1、钢铁中的物相,莱氏体显微组织,熟铁含碳量小于0.04，具有较好的韧性和塑性，

5、可以通过延展或拉伸的方法制造铁板或铁丝，也可通过锻打和冲压成型方法制备各种生产和生活用具；生铁(铸铁)含碳量高于2.11，它硬而脆，有较高的强度不易变形，可通过铸造成型的方法来制造各种器件；钢含碳量在0.04-2.11之间，既有一定的韧性和塑性，又有较高的强度和硬度，广泛用于建造机床、内燃机、铁路、火车等,2、钢铁的分类(根据含碳量不同),钢是含碳量在0.04%-2.11%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：,钢的分类,按化学成分分类,钢的分类,分类,原则,碳素钢(碳钢),合金

6、钢,低碳钢：wC0.25%,中碳钢：wC0.250.60%,高碳钢：wC0.60%,低合金钢：合金元素总含量5%,中合金钢：合金元素总含量510%,高合金钢：合金元素总含量10%,按品质分类,钢的分类,分类,原则,普通钢:P0.045% S0.050%,特级优质钢:P0.025% S0.015%,优质钢:P0.035% S0.035%,高级优质钢:P0.035% S0.030%,按成形方法分类,钢的分类,分类,原则,铸钢,冷拉钢,锻钢,热轧钢,冷拔钢,按金相组织分类,钢的分类,分类,原则,退火状态:a.亚共析钢(铁素体+珠光体)b.共析钢(珠光体)c.过共析钢(珠光体+渗碳体)d.莱氏体钢(珠

7、光体+渗碳体),无相变或部分发生相变,正火状态:a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢,按用途分类,钢的分类,分类,原则,建筑及工程用钢:普通碳素结构钢、低合金结构钢、钢筋钢,特殊性能钢:耐酸钢、耐热钢、电 热合金钢、耐磨钢、低温用钢、电工用钢,结构钢:机械制造用钢、弹簧钢、轴承钢,工具钢:碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢,专业用钢:桥梁、船钢、锅炉、压力容器、农机用钢等,按冶炼方法分类,钢的分类,分类,原则,按炉种分:a.平炉钢 (酸性、碱性平炉钢)b.转炉钢(酸性、碱性转炉钢或 底吹、侧吹、顶吹转炉钢)c. 电炉钢(电弧炉、电渣炉、感应炉、真空自耗炉、电子束炉钢),按脱氧

8、程度和浇注方法分:a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢,综合分类,钢的分类,分类,原则,普通钢:碳素结构钢、低合金结构钢 、定用途的普通结构钢,优质钢:结构钢、工具钢 、特殊性能钢,3、碳钢(Carbon Steel),（1）碳钢的成分和分类（2）碳钢的牌号及用途,（1） 碳钢的成分和分类,成分 - w(C) 2.11%和含有少量硅、锰、硫、磷以微量的气体元素Mn、Si 固溶强化S 热脆P 冷脆 O、N、H 强度、塑性、韧性,（1）碳钢的成分和分类,分类 a. 按C含量分低C钢w(C) 0.3%中C钢 0.3% w(C) 0.6%高C钢w(C) 0.6%b. 按质量分(S、P含

9、量)- 普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢c. 按用途分 - 碳素结构钢、碳素工具钢,（2） 碳钢的牌号及用途, 普通碳素钢 优质碳素钢 碳素工具钢, 普通碳素钢,A、牌号a. Q，代表屈服强度；b. 屈服强度值，MPa；c. 质量等级符号(A、B、C、D)，按A、B、C、D 顺序依次增高d. 脱氧方法符号(F、b、TZ)，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢例如Q235-A、F，表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢, 普通碳素钢,B、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, 优质碳素结构钢,A、牌号用两位数字表示：即钢中平均含碳量的万分之几例如

10、45钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢,优质碳素钢的化学成分和性能, 优质碳素结构钢,B、用途较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等,汽车曲轴,热处理：渗碳、淬火、回火等, 碳素工具钢,A、牌号用T和数字表示:数字表示钢的平均含碳量的千分之几，高级优质，在数字后面加A 例如T12钢，平均含碳量为1.2的碳素工具钢;T8A钢，平均含碳量为0.8的高级优质碳素工具钢,碳素工具钢的化学成分和性能, 碳素工具钢,B 、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、合金钢(Alloy Steel),（1）概述（2）合金结构钢（3）合金工具

11、钢（4）特殊性能钢,（1） 概述,合金钢 为了改善和提高钢的性能，在碳钢的基础上加入其它合金元素，如硅、锰、铬、镍、钨、钒、钛等,合金钢的分类a. 按用途分类 ：合金结构钢、合金工具钢、特种性能钢(特殊钢)b. 按化学成分分类：锰钢、铬钢、铬镍钢等c. 按合金元素的质量分数分类：低合金钢，合金元素的质量分数小于5；中合金钢，合金元素的质量分数为510；高合金钢，合金元素的质量分数大于10d. 按热处理后显微组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、铁素体钢等,（1） 概述,合金钢的编号数字(碳平均质量分数的万分之几)+合金元素+数字(合金元素的近似质量分数,百分之几表示)结构钢-60Si2Mn,w(C)=

12、0.6%,w(Si)=2%,w(Mn)1.5%工具钢、特殊性能钢-9SiCr,w(C)=0.09%,w(Si)、w(Cr)1.5%专用钢-滚动轴承钢GCr15,w(C)=1.0%,w(Cr)=15%高级优质钢-20Cr2Ni4A,（1） 概述,（2） 合金结构钢,低合金结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢, 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、冷成形性能好热处理、组织：热轧空冷，SF, 低合金结构钢,高压容器,桥梁,船舶,车辆, 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,细化晶粒性能：渗层硬度高,耐磨

13、,抗接触疲劳;心部韧性高、强度大热处理：渗碳 淬火 低温回火组织：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，小轴、活塞销、小齿轮 20CrMnTi，汽车齿轮18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆, 渗碳钢, 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性能：综合机械性能高热处理：调质,可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)组织：表层：回火S,应用： 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,汽车曲轴, 调质钢, 弹簧钢,

14、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、冲击热处理：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 喷丸组织：回火T,应用：65Mn、60Si2Mn：汽车、拖拉机、机车的板簧和螺旋弹簧,汽车板簧,火车螺旋弹簧, 弹簧钢, 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、淬透性好热处理：球化退火 + 淬火 + 低温回火冷处理,时效(120140,1020h)：稳定尺寸,去除应力组织：回火M 细碳化物

15、少量A,应用：GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥, 滚动轴承钢,（3）合金工具钢,合金刃具钢合金模具钢量具用钢, 合金刃具钢,a. 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,b. 低合金刃具钢成分w(C) = 0.91.5 %,合金元素5 % 性能HRC60,使用温度200300 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, 合金刃具钢,c. 高速钢成分：w(C) = 0.71.2 %,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,