[工学]第4讲金属材料01

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1、第四章 常用金属材料 1. 教学要求： 本讲是课程的重点，要求掌握： 钢和铸铁的分类，牌号表示，各类钢的性能特点，热处理特点及应用。 铝及其合金，铜及其合金，滑动轴承合金的分类，性能特点及其应用； 能根据零件的性能要求，合理选择相应的金属材料. 2. 教学时数： 7,4 . 1.工业用钢概述 碳钢（含碳量 2.11 FeC合金) 钢 合金钢（碳钢+合金元素熔炼而成的钢） 4.1.1. 钢中杂质,合金元素（Metal elements,Me）: 为改善性能而有目的加入的化学元素。,杂质：不是人为加入和期望而存在于钢铁中的元素或化合物 钢中常见的杂质有锰、硅、（硫、磷 等。,1. 硫的影响 S以F

2、eS的形式存在于钢中，FeS与Fe形成（Fe+FeS）共晶，其熔点仅985， 在锻造过程（加热温度在10501200）（ Fe+FeS）共晶熔化而产生热裂（称为热脆性），因此， 钢中含硫量均0.05,2. 磷的影响： 因此，钢中含磷量均0.045。,磷 在钢中能溶于铁素体，固溶强化效果很强，而使塑韧性急剧降低，,在冷塑性变形（如板冲压）产生脆裂（冷脆性）,钢中含磷量均0.045,4，1，2. 合金元素 改善钢的力学性能,图、合金元素对钢的力学性能的影响,合金元素在钢中的分布形式： 碳化物形成元素 非碳化物形成元素 Ti.V.W.Mo.Cr.Mn. Si.Al.Ni.B 作用,26 Fe 3d6

3、4S,形成合金碳化物,形成合金 铁素体,合金钢强化的原因： a.固溶强化 b.第二相强化 c. 细化晶化（碳化物阻碍奥氏体晶粒长大） 提高强度和韧性,4.1.3. 钢的分类及牌号表示 1.分类： 2.牌号表示： （1）结构钢 a. 碳钢 以“钢中平均含碳量的万倍”编号 例： 0.40C的钢， 牌号为 40钢 b.合金结构钢 “钢中平均含碳量的万倍 + Me符号及含量的百倍 + ” Me含量的标注： 1.5 不标出， 1.52.4标2，,（2）工具钢和不锈钢 a、碳素工具钢 T+钢中平均含碳量的千倍（高级优质+A) 例：T12 b、合金工具钢和不锈钢 钢中平均含碳量的千倍+Me符号及含量的百倍+

4、 其中， 钢中含碳量1.0不标含碳量， 高速钢（10Me的高合金钢且Cr：4）不标含碳量。,例：9SiCr CrWMn. W18Cr4V（高速钢，4Cr） 4Cr13（不锈钢，含Cr量13）。 Summary 钢号前有两个位数为结构钢，如 40Cr， 一个位数和没有数的， 13Cr是工具钢，如 9SiCr,CrWMn,W18Cr4V. 13Cr是不锈钢 2Cr13,1Cr18Ni9,4.2 结构钢 4.2.1.工程结构钢 1、性能特点： 强度低 主要用于静载 塑性高 便于成型，C和Me含量越低，塑性越高 焊接性好便于施焊，C和Me含量越低，可焊性越高。 2、成分特点： 低碳，低合金含量 (1)

5、普通结构钢 牌号： Q+钢的屈服极限（MPa）+质量等级（A-D） Q195 Q275（共五种）,(2)低合金结构钢 低合金结构钢普通结构钢(Q235)+Me（3.0 常用 Me：Mn、V、Ti。 合金元素的作用： 强化铁素体，细化晶粒，增加碳化物相对量。 因此，低合金结构钢的强度比Q235高40至一倍。 3、主要应用 框架结构，建筑结构，压力容器等 使用状态：不热处理或正火，或去应力退火，对特殊要求的零件可进行淬火。,4.2.2 优质结构钢： 1,渗碳钢 (1)性能特点（以齿轮为例） 通过渗碳-淬火实现 c.高冲击韧性 d.高淬透性 *表层高硬度，高耐磨性,心部高韧性,(1)成分特点 低碳，

6、0.150.20C保证零件心部高韧性 Cr、Mo、W、V、Ti形成合金碳化物，保证渗碳过程细化晶粒 Cr、Mn、Ni、B提高淬透性。 (2)常用钢：20（一般要求),20MnVB(代用钢） 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等 ,（3）应用：齿轮、凸轮、活塞销等。 渗碳零件的工艺流程： 毛坯锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火精加工,2、调质钢 （1）性能特点 具有高的综合力学性能 a 高强度以抵抗扭转和弯曲变 b 高韧性以抵抗振动和冲击 （2） 成分特点 中碳：0.250.5C Si、Mn、Cr、Ni、B提高淬透性 Cr、V细化晶粒 （3）常用钢 一般要求 40，45，40Cr 较高要

7、求 35CrMo 42CrMo 40CrNi 40CrNiMo 无Cr,Ni代用钢: 40MnB 40MnVB 42Mn2V,（4）热处理特点 调质 组织：回火索氏体 硬度 HRC25-32 调质钢加工工艺流程： a、轴杆类零件：如连杆，曲轴，连杆螺栓等 锻造正火机加工调质 -精加工检验 组织：回火索氏体（HRC25-32）,b、齿轮，轴颈等要求表面耐磨零件 锻造-正火-机加工-调质-精加工-表面淬火+低温回火-检验 组织： 表层：回火马氏体（HRC54-58） 心部：回火索氏体（HRC25-32）,3、弹簧钢 （1）性能特点 高弹性极限，高疲劳极限 （2）成分特点： 中高碳 0.50.7（合

8、金钢）， 0.60.9（碳钢） Si强化铁素体，提高弹性极限 Si、Mn提高淬透性 Cr、Mo、W提高高温强度（高温弹簧所必须） （3）常用钢： 65，75，65Mn, 55Si2Mn, 60Si2Mn. 高温弹簧钢 50CrMo, 50CrV,（4）热处理特点： 淬火+中温回火。 组织：回火托氏体（HRC40-50） （5）应用： 弹性元件，要求高韧性、高耐磨性的零件、工具，如铲刀，刀剪等。,4、滚动轴承钢 (1)成分和性能特点： 高硬度，高耐磨性高碳0.95-1.10C 高耐蚀性0.4-1.65Cr 高接触疲劳强度严格控制有害元素和非金属夹杂物。 (2)常用牌号： GCr15(G +含 C

9、r量的千倍) GCr15SiMn(Si、Mn提高淬透性，用于大型轴承),(3) 应用： 滚动轴承、刀具、模具、量具 工艺路线 锻造(1)球化退火机加工(2)淬火+低温回火精加工 组织与性能 (1)球状珠光体 (2) 回火马氏体+碳化物 180220HBS HRC6064,5、易切削钢 高切削性能的特征：切削抗力小，排屑（断屑）容易，刀具寿命长，工件表面粗糙度低。 牌号表示： Y+平均含碳的万倍 如Y20 Y40Ca 成分特点： 含硫量高，0.10.3S ， 形成MnS润滑刀具，易断屑 应用：切削量大的工件，如标准件 例，南汽用 Y53Ca 制造连杆,4.3工具钢 4.3.1.工具钢的特点（除热

10、作模具钢外） 1、性能特点 高硬度，高耐磨性 HRC60 碳化物越多，越细，分布越均匀，硬度、耐磨性越高 因此，工具钢均高碳， 0.71.3C 高碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V等 高热硬性 热硬性：工具钢经适当热处理后，在达到红热温度时仍能保持高硬度的特性 . 如加入Mo、W、V、Co可提高钢的热硬性, 一定强韧性：细化晶粒 高的淬透性：如加入Cr、Mn、Si。 2、成分特点： 三高： 含碳量高（0.7C，热作模具钢0.30.6C除外） 合金元素含量高 纯度高 S、P均0.030.02 均属高级优质钢。,3、锻造及热处理特点 工具生产工艺流程； 锻造球化退火机加工淬火+低温回火 精加工 （

11、1）锻造 目的：成型，细化碳化细（打碎） 要求：低合金工具钢：锻造比（Y）4 高合金工具钢：Y6。 *锻造比 镦粗 Y = 拔长 Y=,（2）球化退火 目 的： 消除应力，降低硬度，改善切削性能，并为淬火作好组织准备。 工 艺： Ac1+2030保温 A12030等温 组 织: 球状珠光体 硬 度 200250HBS。,（3）淬火+回火 a.淬火+低温回火(180200回火)， 组织:回火马氏体+碳化物+A， b.淬火+高温回火（510550回火）： 组织:回火马氏体+碳化物+A， 有二次硬化现象,具有更高硬度 ，高耐磨性，尤其有高的热硬性。 常用于高速钢，高铬模具钢制造的刀具、 大型冷作模具

12、等。,4.3.2.常用工具钢 1、碳素工具钢：T7T13。用于工作温度250的工具 2、低合金工具钢：9SiCr, 9Mn2V, CrWMn 用于工作温度350的工具 3、高速钢：W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 用于工作温度550的工具 .,4、冷作模具钢：Cr12 Cr12MoV 等 用于制造大型模具。 5、热作模具钢：5CrNiMo 5CrMnMo 用于制造热锻模3Cr2W8V用于制造压铸模具.,热作模具钢的热处理 淬火+中温（或高温） 组织：回火托氏体（或回火索氏体） 性能 具有良好的综合力学性能,4.4 特殊性能钢 -具有特殊理化性能的钢 4.4.1不锈钢 1、金属腐蚀的概念

13、化学腐蚀 金属腐蚀 电化学腐蚀 组成微电池 实验得出：两电池电位差越大，微电池数目越多，金属腐蚀速度越快。,金属腐蚀 示意图,2、金属抗腐蚀的途径 (1) 获得单相组织降低碳含量，减少形成碳化物，尽量消除微电池。 (2) 提高阳极的电极电位，缩小两电极电位差。加入13Cr阳极的电极电位可由-0.56V提高到0.12V。 因此，不锈钢含铬量均13。 (3) 形成致密保护性氧化膜,如Al2O3 Cr2O3,3、常用不锈钢 （1）马氏体型（Cr13型）不锈钢 1Cr13. 2Cr13. 代替结构钢 热处理：1050油淬 + 600780回火 组织：回火索氏体。 3Cr13. 4Cr13.代替工具钢

14、热处理：1050油淬 + 200300回火。 组织：回火马氏体 HRC 50左右。 应用：工具，弹簧，轴承，医疗器械,（2）奥氏体不锈钢 （ CrNi不锈钢 188型） 18Cr钝化 9Ni扩大奥氏体区 空冷室温组织：单相奥氏体 a.常用钢 OCr18Ni9 1Cr18Ni9 OCr18Ni9Ti （加Ti抑制（Fe,Cr）4C的析出 b.热处理： 固溶处理：10501150水冷，抑制碳化物析出 消除应力回火：冷加工后 300350回火，减小应力腐蚀倾向。,（3）铁素体不锈钢 加入 1730Cr. Cr缩小奥氏体区，钝化，含Cr量越高，耐蚀性越高。 常用钢： Cr17-Cr30型. 主要应用于

15、食品机械，化工机械,4.4.2 耐热钢 1.金属在高温服役的性能 （1）严重氧化烧损 钢在高于570 形成FeO .致密度低。 抗氧化措施 添加Si. Cr. Al. 形成致密的SiO2. Cr2O3. Al2O3 保护性氧化膜。,（2)降低强度与蠕变 温度升高，金属内部原子扩散能力增强， 结合力下降，表现出强度下降， 蠕变（Creep.）： 工作应力一定时工件形状缓慢地发变化（伸长或变形）的现象。 原因: 高温下金属的屈服应力工作应力（图） 措施 添加Cr. Mo. W. V. 形成碳化物，提高高温强度,2.热强钢： （1）珠光体型热强钢（工作温度500) 12CrMo. 12Cr1MoV.正火、用于管道、容器等 35CrMo. 25Cr2MoV.调质、用于紧固件、轴 类、叶轮等。 （2）马氏体型热强钢（工作温度600） Cr13型基础上添加