材料成形技术课件1.4--金-属-材-料

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1、1.4 金 属 材 料,常用的金属材料包括钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、粉末冶金材料等，其中以钢和铸铁应用最为广泛。,图1-14 芜湖长江大桥,1.4.1 钢,1.化学成分对钢的力学性能的影响 （1）杂质元素的影响： 1) 锰、硅的影响: 有益元素. Mn和Si在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。Mn能减轻S的有害作用。FeSMnMnSFe 2) 硫的影响:有害元素, FeSFeS，FeS与Fe易形成低熔点的共晶体，可使钢引起热脆性。 3) 磷的影响:有害元素，。P在钢中可溶于铁素体，使钢强度、硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生冷脆现象。但P与Cu同时存在，可提高钢的耐蚀性和耐磨性。,(

2、2)合金元素的影响,合金元素：是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素,对钢的力学性能有很大影响。 1) 对钢的强度的影响: C、Si、Mn产生固溶强化，使钢的强度提高。 C、N、Cr、Al形成碳化物或氮化物，使钢的强度和 硬度提高。 Nb、V、Al、Ti可细化晶粒，提高钢的强度。 2）对钢的韧性的影响: Nb、V等元素可细化晶粒,从而也显著提高钢的韧性。 C、Si、Mn一般使钢的韧性降低。,2. 钢的分类,(1)按化学成分分类: 根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为 1）非合金钢（碳素钢），分普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于0.25%为低碳钢，0.250.6%为中

3、碳钢，大于0.6%为高碳钢，。 2）低合金高强度结构钢， 3）合金钢。,表1-2 部分合金元素规定质量分数界限值 (%),(2)按主要质量等级分类,1) 普通质量钢 ：即对生产过程中控制质量无特殊规定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。S、P含量均小于0.045%。 2) 优质钢:即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,并达到比普通质量钢较高的质量要求。S、P含量均小于0.040%。 3）特殊质量钢：即在生产过程中需要严格控制质量和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。S、P含量均小于0.020%。,(3) 按使用特性分类,可分为： 工具钢， 工程结构用钢， 机械结构用钢， 不锈

4、耐蚀钢， 耐热钢等。,(1)非合金钢,1)碳素结构钢 牌号： 例如 Q235F “Q” 表示屈服点， “235” 表示屈服点值为235MPa, “F” 表示脱氧方法（沸腾钢）。 用途 ： 碳素结构钢w(C)为0.06%0.38%。 主要用来制造一般工程结构和普通机床零件， 通常轧制成各种型材、板材和线材等。,3.钢的牌号和应用,表1-3 碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能,2)优质碳素结构钢,牌号： 是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平 均碳的质量分数（万分数）。 例如 45钢 表示平均w(C)为0.45%的优质碳素结构钢。 若为沸腾钢，则在牌号后加“F”符号，如08F。 若含锰量较高，则

5、在数字后加“Mn”符号。 用途： 主要用来制造比较重要的机械零件， 如轴、连杆、弹簧等。 20钢金相组织示意图,表1-4 优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例,3）碳素工具钢,牌号：是用规定符号T（碳字的汉语拼音字首）和数字表示。 例如 T10A “10”表示平均w(C)为1.0%， “A”表示高级优质。 用途: 用于制造不受冲击、 高硬度、耐磨的工具， 如锉刀、手锯条、拉丝模等。 T12钢的金相组织,图1-15 丝锥,表1-5 碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用,(2)低合金高强度结构钢,牌号：例如 Q390A “Q”表示屈服点， “390”表示屈服点值为390MPa， “A”表示

6、质量等级为A 级。 用途： 低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理， 综合力学性能良好， 用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。,(3) 合金钢,1）合金结构钢 牌号： 例如 60Si2Mn, “60”表示平均w(C)=0.6%， “ Si2 ”表示平均w(Si)=2%， “ Mn ”表示平均w(Mn)1.5%。 用途：合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢， 常用来制造重要的零件，如齿轮、轴类、弹簧等。 例：渗碳钢，20CrMnTi； 调质钢，40CrMn； 弹簧钢，60Si2Mn。,2）合金工具钢 牌号： 例1：低合金工具钢: 9SiCr “9” 表示平均w(C)=0.9%， “

7、Si”表示平均w (Si) 1.5% ， “Cr”表示平均 w(Cr)1.5%。 用途：合金工具钢的力学性能 优于碳素工具钢， 广泛用于制造各种刃具、量具、模具等。 如钻头、绞刀、量块和冲模等。,图1-16 硬质合金冲模,例2：高合金工具钢 高速钢：W18Cr4V,平均w(C)为0.70.8%， “W18”表示平均 w(W)=18%， “Cr4”表示平均w(Cr)=4%， “V”表示平均w(V) 1.5%。 用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。,(4)铸钢,即在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金。 性能特点：铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁， 用途：主要用于制造承受重载荷及冲击载

8、荷的构件。 如锻锤机架、齿轮、轧辊等。 在各类铸造合金中， 铸钢的应用仅次于铸铁。 主要分为：铸造碳钢和 铸造合金钢。,图1-17 铸钢件,1)铸造碳钢 牌号：例如 ZG230450 450b450MPa； 230s（0.2）230MPa； ZG “铸钢”汉语拼音首字母。 性能特点： 有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，切削加工性尚好。 用途： 作砧座、轴承盖、齿轮等。,图1-18 各种铸钢件,表1-6 铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用,2)铸造合金钢,即为改善性能而添加的合金元素含量 超过铸造碳钢范围的铸钢。,牌号： 例如 ZG30MnSi1 30 W（C）为0.3%左右。

9、Si W（Si ）为0.91.4% Mn W（Mn）为0.91.4% 主要特点：耐磨性高。 用途：用于受力较大的耐磨零件， 如链轮、齿轮、承力支架等。,1.4.2 铸 铁,铸铁：在凝固过程中经历共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。 性能特点： 良好的铸造性能、切削 加工性能、耐磨性和减震 性，且熔炼工艺与设备比 较简单，成本低廉。 用途： 铸铁件占铸件总产量的80%左右。 如机床床身、箱体等。,铸铁的 化学成分,1.铁碳合金双重相图,铸铁中，碳的存在 形式有渗碳体（Fe3C） 和游离状态的石墨（G）两种。 铁碳合金实际上存在两种相图： （1）FeFe3C相图， （2）FeG相图。,图1-1

10、9 铁碳双重相图,2.铸铁的石墨化过程(三个过程),第一阶段：高温石墨化阶段， “一次结晶析出石墨G” 1154：L4.26 A2.08+G(共晶),第二阶段：中间石墨化阶段， “二次结晶析出G” 1154-738：A G 第三阶段：低温石墨化阶段， “共析反应析出G” 738：A0.68 F+G(共析),铸铁的组织： 铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织： （1）珠光体+石墨， （2）珠光体+铁素体+石墨， （3）铁素体+石墨。,3.影响铸铁石墨化的因素,影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。 （1）化学成分 碳和硅 分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素， 铸铁中碳、硅含量

11、越高，石墨越容易析出。 硫 强烈阻碍石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向， 锰 虽然阻碍石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利 于减弱硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成， 强化基体，故铸铁中必须含一定量的锰。 磷 是微弱促进石墨化的元素， 但会增加铸铁的冷脆性。,（2)冷却速度,1）慢冷：利于石墨析出并长大，形成灰口， 2）快冷：石墨来不及析出， 碳以Fe3C存在，形成白口。 注： 要获得所需的组织和性能的铸件，应根据铸件的壁厚，控制铸件中碳和硅的含量，配合以适当的含锰量，并严格控制硫、磷的含量。,（3）变质处理（孕育处理）,变质处理：在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育剂），如SiFe、SiCa合金，

12、以增加石墨的结晶核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高强度铸铁。 变质铸铁（孕育铸铁） 即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。 性能特点：强度较高，塑性、韧性得到改善。,4.铸铁的分类、牌号及应用,按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以 将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨 铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等类型。,铸铁中常见的石墨形态（示意图）,铸铁中常见的石墨形态 (1) 片状 （2）球状 （3）团絮状 （4）蠕虫状,(1)白口铸铁 白口铸铁：碳以游离碳化物的形式析出的铸铁，断口呈白色。白口铸铁硬而脆，难以加工，很少用来制造零件，有时利用其硬而耐磨的特点制造某些耐磨零件，如球磨机的衬板、磨

13、球等。 （2）麻口铸铁 麻口铸铁：碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出的铸铁，断口呈灰白色相间。,图1-21 灰口铸铁,图1-20 白口铸铁,（3）灰铸铁,灰铸铁：又称片墨铸铁， 碳主要以片状石墨形成或析出的铸铁。 1)灰铸铁的性能 力学性能较差（相比碳钢）。 工艺性能 铸造性能良好，切削加工性能良好， 不能进行锻造，焊接性和热处理性能也差。 其它使用性能 耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。,2)灰铸铁的牌号及应用,牌号：例如 HT200 “200”： 抗拉强度b200MPa， “HT”： 灰铁的汉语拼音首字母。 应用： 用于制造机座、支架、 缝纫机零件、车床床身等。,图1-22 灰

14、铸铁件,表1-7 灰铸铁部分牌号、力学性能和应用,续上表：,3）孕育铸铁 孕育铸铁：铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁。 性能特点：孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小， 组织和性能的均匀性很好， 应用：适用于制造载荷较大、耐磨性减震性要求较高的 重要铸件，特别是厚大铸件。如机床床身、发动 机气缸体等。,图1-23 孕育剂,（）球墨铸铁 1) 球墨铸铁：铁液经过球化处理和孕育处理，使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。 2) 化学成分、组织、性能： 化学成分特点： 高碳、硅，低锰、磷、硫。,图1-24 球墨铸铁,组织：FG球， FPG球， PG球。 性能：强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁）， 同时具有灰铁

15、的优良性能。 3）球墨铸铁的牌号和应用 牌号：例如 QT6003 “QT” 球铁的汉语拼音首字母， “600” 抗拉强度b300Mpa， “3” 伸长率3%。 应用：用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。,表1-8 球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用,4）常用的球墨铸铁,目前应用最为广泛的是珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。 （1）珠光体球墨铸铁 指基体主要为珠光体的球墨铸铁，强度、硬度高,耐磨性好。 （2）铁素体球墨铸铁 指基体主要为铁素体的球墨铸铁，抗拉强度比珠光体球铁低，但塑性、韧性较高，力学性能优于可锻铸铁。,图1-25 珠光体球墨铸铁,图1-26 铁素体球墨铸铁,图1-27 混合基体

16、球墨铸铁,（5） 可锻铸铁,可锻铸铁： 又称马铁或玛钢。 是白口铸铁通过石墨化退火处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。 可锻铸铁中的碳主要以团絮状石墨存在。,图1-28 可锻铸铁,1）化学成分： W(C)：2.42.8%，W(Si)：1.22.0%， W(Mn)：0.41.2%，W(S) 0.1%， W(P) 0.2%。 2）性能特点： 灰铸铁相比不仅有较高的强度，而且有较高的塑性和韧性。 可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是不可锻造的。 3）可锻铸铁的生产: 先浇注成白口铸件，再经石墨化退火获得。,4）牌号及应用 黑心可锻铸铁 牌号：例 KTH35010 组织：F+G团絮 性能：塑性、韧性较好，强度不高， 应用：用于受冲击、振动及扭转负荷的零件。 如曲轴、连杆、齿轮、传动链条等。 珠光体可锻铸铁 牌号：例 KTZ65002 组织：P+G团絮 性能：强度