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1、单元1认识各种常见 金属材料,1.1认识金属材料的机械性能,1.1.1工程材料的分类（1）工程材料的定义（2）工程材料的种类1）金属材料2）非金属材料,1.1.2工程材料的机械性能,机械设计中，材料的选择是按结构材料的力学性能即机械性能来进行选择的。 材料的力学性能（机械性能）：即材料抵抗外力的能力。其主要表现为：在静载荷下，动载荷下，特殊状态载荷下的力学性能。,一，静载时材料的机械（力学)性能,（一）弹性和刚度 弹性：在应力、应变图上，如加载后应力不超过 ，卸载后试样即可完全恢复原状，这种不产生永久变形的性能，称为弹性。,（二）强度强度：外力作用下，材料抵抗变形与断 裂的能力。衡量强度的指标
2、为： 屈服强度 ，抗拉强度,（三）塑性 塑性：产生塑性变形但不断裂的性能称为塑性。塑性大小，用伸长率 ，断面收缩率 表示： 注： ， 的值愈大，材料塑性愈好。 需承受各种变形加工与冲击载荷的零件应具 有一定的塑性 。,二，硬度-静载时材料的局部机械（力学）性能指标 硬度： 是指金属表面抵抗其它硬物压入的能力，是材料对局部塑性变形的抗力。随着被测材料的种类，软硬程度、厚薄尺寸的不同，工程上常用的硬度指标有： 布氏硬度HB，洛氏硬度HRC，肖氏硬度HV，维氏硬度HS等，各种硬度指标的值之间，可以换算。,（一）布氏硬度HB 定义：见图12，以3000kgf的压力P，将直径为D的淬火钢球压入金属材料表
3、面，得到压痕直径为d，则载荷p与压痕面积的比值，即为布氏硬度HB值。 实际上由HB的表达式可知，测得压痕直径d的数值，即可求出布氏硬度值。 注： 太薄、太硬（ HB450）的材料不易采用布氏硬度。,（二）洛氏硬度 洛氏硬度，随测试时使用的压头及施加压力的不同，分为HRA、HRB、HRC等三种硬度指标，最常用的为HRC。 HRC P=150kgf 金刚石锥头（顶角 ）用压痕深h 值标定,压痕越深，硬度越低。 HRA P=60kgf 金刚石锥头（顶角 ）用压痕深h 值标定,压痕越深，硬度越低。 注：HRC，HRA用于渗碳层，表面淬火层，硬质合 金材料的硬度表示。,1.2 钢铁材料,工业用钢按化学成
4、分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,第一节钢中的杂质及合金元素,1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用。,一、杂质元素对性能的影响,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。, 强化铁素体； 增加钢液流动性。 3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.045%以下.,2、Si：0.5%时
5、为杂质，是有益元素。作用为：,合金晶界的低熔点硫化物共晶,Mn可消除硫的有害作用,FeS + Mn Fe + MnS，MnS熔点高(1600)。4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.,5、气体元素 N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。 O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源., H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引
6、起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。, 对钢中基本相的影响1、溶于铁素体, 起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,二、合金元素在钢中的作用,对铁素体冲击韧性影响,2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为： Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。, Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。,钢中碳化物, W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳
7、定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。, 对Fe - Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响 Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降，A4点上升。,当Mn13%或Ni9%时，S点降到0以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。,锰对奥氏体相区的影响, Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升，A4点下降。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.,铬对奥氏体相区的影响,2、对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E
8、点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。, 对钢中相变过程的影响1、对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。 对奥氏体晶粒长大倾向的影响：,碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。Mn、P促进长大。,2、对过冷奥氏体转变的影响对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。, 对Ms、Mf点的影响：除Co、 Al外,所有元素都 使Ms、Mf点下降。,合金元素对钢淬透性的影响,淬火碳钢 回火 时的 硬
9、度变化,3、对回火转变的影响 提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。,当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。, 产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。 防止第二类回火脆性加W、Mo可防止第二类回火脆性。,高速钢,第二节 钢的分类及编号,一、钢的分类1、按化学成分分,2、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准
10、，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按冶炼方法分,沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发,镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。,半镇静钢：介于前两者之间。,生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。,按脱氧程度分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法
11、符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢牌号用两
12、位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。,钢带,*说明： 含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。, 对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。,钢管,3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相
13、应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,4、工具钢 碳素工具钢T + 数字T表示“碳素工具钢” ；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,丝锥,锉刀, 合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1
14、.00%时，不标含碳量。,* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).* 含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。,铣刀,5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。* 铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。,6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶
15、片, 当1.0%平均含碳量0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%） 当0.1%含碳量上限 0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当0.03%含碳量上限0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）, 当含碳量上限0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。,汽轮机叶片,* 珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量0.08%时，以“0”表示，如0Cr18.当含碳量0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10.,7、铸钢ZG + 两位数字ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几, 如ZG25.,第三节 结构钢,
