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1、第3章 金 属 材 料,3.1 钢铁材料 3.2 铝及铝合金、镁及镁合金 3.3 铜及铜合金、钛及钛合金,3.1 钢铁材料,3.1.1 碳钢及铁碳合金相图 3.1.2 钢的热处理 3.1.3 合金钢 3.1.4 铸铁,3.1.1 碳钢及铁碳合金相图,1. 碳钢 2. 铁碳合金的组元分析 3. 铁碳相图 4. 铁碳合金的平衡结晶过程及对平衡组织的简介 5.含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,1. 碳钢,(1)碳钢的分类 (2)碳钢的编号、性能及用途,(1)碳钢的分类,1)按碳的含量分类。可分为低碳钢，wC0.25%；中碳钢，wC=0.25%0.60%；高碳钢，wC0.60%。 2)按用途分类。
2、可分为结构钢，用来制造各种金属构件及各种机器零件；工具钢，用来制造各种工具(刃具、模具、量具等)。 3)按冶炼方法分类。可分为工业用钢，可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类，每一类还可按照炉衬材料的不同，分为碱性(用“J”表示)和酸性(用“S”表示)两类；根据炼钢的脱氧程度及浇注方法不同，又可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。 4)按质量等级分类。主要根据钢中所含有害杂质元素S、P的量来分类，可分为： 普通碳素钢，wS0.055%，wP0.045%；优质碳素钢，wS0.045%，wP0.040%；高级优质碳素钢，wS0.030%，wP0.035%。,(2)碳钢的编号、性能及用途,表3-1 碳素结构钢
3、的牌号、化学成分、力学性能及应用(GB/T 7002006),表3-2 铸钢的化学成分和力学性能(GB/T 113522009),表3-3 碳素工具钢的化学成分及性能,2. 铁碳合金的组元分析,(1)铁素体 铁素体是碳溶在-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构，用F或表示。 (2)奥氏体 碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，为面心立方晶格，用A或来表示。 (3)渗碳体 铁与碳形成的稳定化合物Fe3C称为渗碳体。 (4)珠光体 珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物(F+Fe3C)，以P表示，它是共析反应的产物。 (5)莱氏体 莱氏体是奥氏体与渗碳体的机械混合物(A+Fe3C)，以Ld表示。,
4、3. 铁碳相图,图3-1 铁碳相图,表3-4 铁碳相图中各点的含义,4. 铁碳合金的平衡结晶过程及对平衡组织的简介,(1)工业纯铁(wC0.0218%) 工业纯铁的显微组织为铁素体，如图3-2所示。 (2)钢(wC=0.0218%2.11%) 钢的特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而能够进行锻轧。 (3)白口铸铁(wC=2.11%6.69%) 白口铸铁因其断口呈白亮色而得名。,图3-2 工业纯铁的显微组织(200),5.含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,铁碳合金的室温组织是由铁素体和渗碳体两相组成的，其中铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆相。由铁碳相图可知，随着含碳量的不断增加，不
5、仅组织中的渗碳体的数量不断增加，而且渗碳体的形态(组织特征)也随之发生变化，即由分布在铁素体晶界上逐渐改变为分布在铁素体的基体内，更进一步分布在原奥氏体的晶界上，最后当形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。也就是说，不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，这也正是决定它们具有不同性能的原因。,3.1.2 钢的热处理,1. 钢的加热和冷却转变 2. 钢的退火和正火 3. 钢的淬火和回火 4. 钢的表面热处理,图3-9 钢的热处理工艺曲线图,1. 钢的加热和冷却转变,(1)钢的加热转变 大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，目的是为了获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化。 (2)钢的冷却转变
6、 冷却过程是钢的热处理的关键工序之一，它决定着钢热处理后的组织和性能。,图3-10 共析钢连续冷却转变图,2. 钢的退火和正火,(1)钢的退火 将钢加热到一定的温度，保温适当的时间，然后缓慢冷却的一种热处理工艺，称为退火。 (2)钢的正火 所谓正火是把钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上5070，保温一定时间(一般加热温度较退火高一些，而保温时间短一些)，然后从炉中取出在空气中冷却。 (3)退火与正火的选择,3. 钢的淬火和回火,(1)钢的淬火 所谓淬火，是把钢加热到临界点以上，保温一定时间，然后急冷，从而得到马氏体组织的工艺过程。 (2)钢的回火 回火就是把淬火后的工件加热到
7、低于A1的某一温度，并在此温度下保持一定的时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温。,4. 钢的表面热处理,(1)钢的表面淬火 钢的表面淬火是将工件的表面层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。 (2)钢的化学热处理 为了使工件表面获得某些特殊的力学、物理或化学性能，仅采用表面淬火是很难实现的，只有改变工件表面层的化学成分，即通过化学热处理的方法，才能满足对表面性能的多种要求。,3.1.3 合金钢,1. 合金钢的分类及牌号 2. 合金元素在钢中的作用 3. 合金结构钢 4. 合金工具钢 5. 特殊性能钢,1. 合金钢的分类及牌号,(1)合金钢的分类 1)按合金元素含量多少分类。
8、低合金钢(合金元素总质量分数小于5%)；中合金钢(合金元素总质量分数为5%10%)；高合金钢(合金元素总质量分数大于10%)。 2)按用途分类。合金结构钢，用于制造机械零件和工程结构的钢；合金工具钢，用于制造各种加工工具的钢；特殊性能钢，具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,3)按金相组织分类。按退火状态组织分类，可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢；按正火组织分类，可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢，但由于空冷的速度随钢材尺寸大小而不同，所以这种分类方法不是绝对的；按加热及冷却时有无相变和室温时的金相组织分类，可分为铁素体钢(加热和冷却时始终保持铁素体
9、组织)、奥氏体钢(加热和冷却时始终保持奥氏体组织)、复相钢(如半铁素体钢或半奥氏体钢)。 4)按质量分类。根据钢中所含杂质的多少，工业用钢通常分为：普通钢，wS0.05%,wP0.055%；优质钢，结构钢的wS0.045%、wP0.040%，工具钢的wS0.030%、wP0.035%；高级优质钢，钢中wS0.020%，wP0.030%，合金钢一般都属于这类钢。,(2)合金钢的牌号表示方法 合金结构钢的编号采用两位数字(碳含量)+元素符号(或汉字)+数字来表示。前面两位数字表示钢的平均碳的质量分数的万分之几，元素符号(或汉字)表明钢中含有的主要合金元素，其后面的数字则表明该元素的含量。凡合金元素
10、的质量分数小于1.5%时不标数，如果平均质量分数为1.5%2.5%、2.5%3.5%时，则相应地标以2、3。例如，40Cr为合金结构钢，平均碳的质量分数为0.40%，主要合金元素为铬，其质量分数在1.5%以下；60Si2Mn为合金结构钢，平均碳的质量分数为0.60%，主要合金元素为质量分数小于1.5%的锰和1.5%2.5%的硅。,2. 合金元素在钢中的作用,(1)合金元素对钢的影响 所有合金元素都可以或多或少地溶入铁中形成固溶体。 (2)合金元素对碳的影响 根据合金元素在钢中与碳的作用，可将合金元素分为两大类：非碳化物形成元素和碳化物形成元素。 (3)合金元素对铁碳相图的影响 合金元素对碳钢的
11、重要影响是改变其临界点的温度和含碳量，使合金钢和铸铁的热处理制度不同于碳钢。 (4)合金元素对钢加热转变的影响 合金钢加热时，奥氏体化的过程与碳钢相同，即包括奥氏体的形成、残留碳化物的溶解、奥氏体的均匀化和奥氏休的晶粒长大四个阶段。,图3-11 铁与合金元素组成的二元相图的四种类型 a)封闭相区 b)缩小相区 c)开启相区 d)扩大相区 L液相 、固溶体 c化合物,表3-5 常用合金元素对相区的影响,3. 合金结构钢,(1)普通低合金钢 普通低合金钢是在普通碳素钢的基础上加入少量合金元素(总的质量分数不超过3%5%)，在满足塑性、韧性及工艺性能要求的条件下使钢具有更高的强度和其他性能。 (2)
12、弹簧钢 弹簧钢是指专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。 (3)渗碳钢 渗碳钢是指可经受渗碳淬火使表面硬度和耐磨性提高而心部保持适当强度和韧性的钢。 (4)滚动轴承钢 滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和内外套圈，通常在淬火状态下使用。,4. 合金工具钢,(1)工具钢的分类 工具钢可以分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三大类。 (2)刃具钢 刃具钢主要是指制作车刀、铣刀、钻头等切削刃具的钢种。 (3)模具钢 模具是机械、汽车拖拉机、仪表、无线电、电机电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。 (4)量具钢 量具是机械加工工业中的测量工具，如量块、塞尺等。,5. 特殊性能钢,(1)不锈钢 在自然
13、环境或一定工业介质中具有耐蚀性的一类钢称为不锈钢。 (2)耐热钢 在高温下工作的钢称为耐热钢。 (3)耐磨钢 耐磨钢是指具有高耐磨性的钢种。,图3-12 锰对Fe-C相图相区的影响,3.1.4 铸铁,1. 概论 2. 灰铸铁 3. 可锻铸铁 4. 球墨铸铁 5. 特殊性能铸铁,1. 概论,(1) 灰铸铁 碳全部或者大部分以片状石墨形态析出，凝固后断口呈暗灰色。 (2) 球墨铸铁 碳全部或者大部分以球状石墨形态存在，通过球化剂与铁液反应后凝固而得。 (3) 蠕墨铸铁 碳全部或者大部分以蠕虫状石墨形态存在，通过蠕化剂与铁液反应而获得。 (4) 可锻铸铁 碳全部或者大部分以游离团絮状石墨形态存在，与
14、灰铸铁相比，有较好的塑性和韧性，因此得名，实际上可锻铸铁并不可锻造。 (5) 白口铸铁 碳全部或者大部分以化合态Fe3C形式存在。 (6) 冷硬铸铁 铸件表面一定深度全是白口组织，心部是灰口组织。,2. 灰铸铁,1)石墨片破坏了基体的完整性，因而在切削过程中切屑易脆断。 2)石墨的组织松软，能吸收振动。 3)石墨本身就是良好的润滑剂，所以灰铸铁具有优良的耐磨性。 4)灰铸铁对表面缺口及缺陷不敏感。,图3-13 钼对Fe-C相图相区的影响,3. 可锻铸铁,图3-16 可锻铸铁的基体组织 a)珠光体基体 b)铁素体基体,4. 球墨铸铁,图3-17 球墨铸铁的基体组织 a)珠光体基体 b)铁素体基体
15、,5. 特殊性能铸铁,(1)耐磨铸铁 耐磨铸铁的主要加入元素是磷和锰，为了进一步提高铸铁的力学性能，还常加入铜、铬、铅、钛等。 (2)耐热铸铁 普通灰铸铁加热后，其强度、硬度下降，温度再高则铸铁表面将发生氧化，还会产生不能复原的体积胀大，这一现象称为生长。 (3)耐蚀铸铁 铸铁在酸、碱、盐以及其他介质，如大气、海水等的作用下会发生腐蚀，造成铸件损坏。,3.2 铝及铝合金、镁及镁合金,3.2.1 铝及铝合金 3.2.2 镁及镁合金,3.2.1 铝及铝合金,1. 铝及铝合金的性能特点 2. 铝合金的分类 3. 铝合金的强化 4. 变形铝合金 5. 铸造铝合金,1. 铝及铝合金的性能特点,(1)高纯
16、铝 纯度为99.93%99.99%，主要用于科学研究及制作电容器等。 (2)工业高纯铝 纯度为98.85%99.90%。 (3)工业纯铝 纯度为98.0%99.0%，可制作电线、电缆、器皿及配制合金。,图3-18 面心立方晶胞示意图 a)刚球模型 b)质点模型 c)晶胞中的原子数示意图,按照成形方式不同，铝合金通常分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金具有良好的塑性和压力加工性能，可以采用锻造、轧制、挤压等压力加工方法制成各种板材、带材、棒材、管材、线材等各种型材。铸造铝合金具有良好的铸造性能，可直接浇铸成铝合金铸件。,2. 铝合金的分类,图3-19 铝合金相图的一般模型,3. 铝合金的强化,(1)固溶强化 合金元素加入铝中形成固溶体，造成晶格畸变，增加位错运动的阻力而提高强度。 (2)时效强化(弥散强化或沉淀强化) 时效强化是铝合金强化的一种重要手段。 (3)细晶强化 铸造铝合金在浇注时，通过加入变质剂使组织细化，既能提高强度，又能改善
