工程材料學筆記整理

第第 1 章章 鋼的合金化概論鋼的合金化概論 表 1 15 常用各類合金鋼剛好表示方法 鋼類鋼號舉例表示方法及說明 合金結構鋼 40Cr 20CrMnTi 18Cr2Ni4W 38CrMoAlA 40CrNiMo 碳的質量分數(shù)一般用萬分之幾表示 列于鋼號開頭 主要 合金元素一般用百分之十幾表示 當平均質量分數(shù) 1 0 不標 1 0 用千分之幾表示 低鉻合金 工具鋼中 Cr 含量用千分之幾表示 并在表示含量的數(shù)字前 加 0 塑料模具冠 SM 高速鋼不標碳含量合金元素含量百分之幾表示 第第 2 章章 工程結構鋼 工程結構鋼 力學性能為主 兼顧一定的物理性能 1 工程結構鋼包括工程結構鋼包括碳素結構鋼碳素結構鋼和和低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼 碳素結構鋼分為 Q195 Q215 Q235 Q275 最低強度 四個等級 低合金高強度結構鋼最低屈服強度為 345MPa 2 低合金高強度結構鋼按用途可分為結構鋼 耐腐蝕鋼 低溫用鋼 耐磨鋼 鋼筋鋼 鋼軌剛及其 他專業(yè)用鋼 3 工程機構鋼以工藝性能為主 力學性能為輔 主要性能要求主要性能要求如下 足夠的強度和韌度 良好的焊接性和成型工藝性 良好的耐腐蝕性 4 合金元素通過固溶強化 析出彌散強化 細化晶粒強化和增加珠光體含量這四種強化機制提高這 類鋼的強度 5 所謂優(yōu)良的焊接性優(yōu)良的焊接性是指焊接工藝簡單 焊縫與母材結合牢固強度不低于母材 焊縫熱影響區(qū)保 持足夠的強度和韌性 沒有裂紋及各種缺陷 6 少量少量 Cu 可以非常有效的提高鋼耐大氣腐蝕的能力 7 低合金高強鋼合金元素強化方法低合金高強鋼合金元素強化方法 固溶強化 細晶強化 沉淀強化 7 第第 3 章章 機械制造結構鋼機械制造結構鋼 1 機械零件要求有良好的服役性能機械零件要求有良好的服役性能 如具有足夠高的強度 塑形 韌度 疲勞強度 耐磨性等 2 根據(jù)熱處理強化工藝特點熱處理強化工藝特點分為整體強化態(tài)鋼和表面強化態(tài)鋼 根據(jù)鋼的生產工藝和用途可分為調 質鋼 非調質鋼 低碳馬氏體鋼 超高強度結構鋼 滲碳鋼氮化鋼 彈簧鋼 軸承鋼等 3 機械制造結構鋼主要性能機械制造結構鋼主要性能 具有良好的冷熱加工工藝性 具有良好的力學性能 4 機械零件用鋼的合金化元素機械零件用鋼的合金化元素主要有 Cr Mn Si Ni Mo W V B 等或是單獨加入 或是復合加入 其 中 主加元素為 Cr Mn Si Ni 主加元素的作用主要是提高鋼的淬透性和力學性能 輔加元素有 Mo W V B 能降低鋼的過熱敏感性 消除鋼的回火脆性 進一步提高淬透性等作用 但含量一般都 不高 5 一般機械零件的主要失效形式主要失效形式是變形和斷裂 6 整體強化態(tài)鋼整體強化態(tài)鋼均承受拉 壓 扭等交變應力 大部分是整體受力 其主要失效形式失效形式是疲勞破壞 主要性能指標為 抗拉強度 沖擊吸收能量 KV KU 斷裂韌度等 總體上要求具有良好的總體上要求具有良好的綜綜 合力學性能合力學性能 這些鋼主要制造軸 桿 軸承類零件 如連桿 螺栓 主軸 半軸等 這類鋼主要有 調質鋼 彈簧鋼 軸承鋼 低碳馬氏體鋼 超高強度鋼等 7 調質鋼 調質鋼 結構鋼在淬火高溫回火后具有良好的綜合力學性能 有較高強韌性 適用于這種熱處理的鋼稱為調調 質鋼質鋼 調質鋼含碳量一般是調質鋼含碳量一般是中碳中碳 調質鋼按淬透性分級 低淬透性鋼 中淬透性鋼 高淬透性鋼 調質鋼中合金元素作用調質鋼中合金元素作用 Mn 淬透性 易使鋼有過熱傾向 回火脆性傾向 Cr 提高淬透性 提高回火穩(wěn)定性 有回火脆性傾向 Ni 非碳化物形成元素 韌度 Ni Cr 復合加入 提高淬透性作用很大 也有回火脆性 Mo 進一步提高淬透性 回火穩(wěn)定性 細化晶粒 有效消除回火脆性傾向 V 碳化物形成元素 細化晶粒 溶入奧氏體會提高淬透性 降低過熱敏感性 復合熱處理綜合強化復合熱處理綜合強化也得到了許多應用 即熱處理強化 表面處理及形變強化結合起來 8 彈簧鋼彈簧鋼 1 彈簧的主要作用是儲能減震主要作用是儲能減震 它一般是在動負荷下工作 即在沖擊 振動或長期均勻的周 期改變應力的條件下工作 它起到緩和沖擊力 使與它配合的零部件不受到沖擊而早期破壞 2 要求彈簧鋼要求彈簧鋼具有高的彈性極限以及彈性減退抗力好 較高的屈強比 高的疲勞強度和足夠 的塑性和韌度 對淬火強化處理的彈簧鋼還應有做夠的淬透性 較好的冶金質量和組織均勻性 要 求嚴格控制材料內部缺陷 3 常用彈簧材料常用彈簧材料是碳素鋼和低合金彈簧鋼 碳素鋼含碳量在 0 60 1 05 高碳高碳 低合金彈 簧鋼 0 40 0 74 常加入 Si Mn Cr V 等合金元素 Cr 和 Mn 主要是提高淬透性 Si 提高彈性 極限 V 提高淬透性和細化晶粒 4 彈簧在熱成型后 進行淬火及回火強化處理淬火及回火強化處理 5 彈簧鋼常用熱處理工藝熱處理工藝是淬火和中溫回火淬火和中溫回火 得到回火托氏體 9 滾動軸承鋼滾動軸承鋼 1 在各種載荷作用下 運行一段時間后將產生解除疲勞破壞 即在軸承套圈和滾體表面出現(xiàn) 小塊剝落 形成麻點 使噪聲和振動增大 磨損加劇 工作溫度不斷上升 最后導致軸承破壞失效 2 軸承鋼性能要求軸承鋼性能要求 1 高而均勻的硬度和耐磨性 2 高的接觸疲勞強度 3 高的彈性極限和一定的韌度 4 尺寸穩(wěn)定性好 5 一定的耐蝕性 6 良好的冷熱加工工藝性 3 對軸承鋼的質量要求是純凈和組織均勻 4 非金屬夾雜物根據(jù)化學成分主要有氧化物 硫化物 硅酸鹽三種 5 軸承鋼球化退火的主要目的是為最終淬火處理做好組織準備 6 軸承鋼淬火后應及時進行回火 一般為淬火 低溫回火 精密為淬火 冷處理 低溫回火 10 合金滲碳鋼 低碳 淬火合金滲碳鋼 低碳 淬火 低溫回火 表硬里韌 低溫回火 表硬里韌 1 表面具有高硬度 高耐磨性 高接觸疲勞抗力 芯部具有良好的綜合力學性能 2 滲碳鋼含碳量 0 12 0 25 低碳低碳 常用合金化元素 Mn Cr Ni W V Ti Mo Mn Cr Ni 的 主要作用是提高淬透性 3 滲碳鋼按淬透性大小分類低淬透性鋼 中淬透性鋼 高淬透性鋼 4 20Cr 20CrV 制造受力較輕的零件 如活塞銷 20CrMnTi 高速中載受沖擊力和 磨損的重要零件 20Cr2Ni4A 18Cr2Ni4WA 高速柴油機 航空發(fā)動機曲軸 齒輪 20 用 于制造軸套 不重要的小齒輪 12Cr2Ni4 高負荷齒輪 蝸輪蝸桿 5 減少殘留奧氏體方法 淬火后冷處理和淬火前高溫回火減少殘留奧氏體方法 淬火后冷處理和淬火前高溫回火 11 氮化鋼 調質 滲氮 高溫回火 氮化鋼 調質 滲氮 高溫回火 含碳低 1 工作載荷不大 基本無沖擊力 有摩擦 比齒輪等磨損輕 受交變疲勞應力 要求能保 持高精度 12 耐磨鋼耐磨鋼 1 高錳鑄鋼高錳鑄鋼化學成分特點是高碳高錳 鑄件使用高碳高錳 鑄件使用 2 ZGMn13 力學性能差 耐磨性低不宜直接使用 經固溶處理 水韌處理 后顯微組織為 單相奧氏體 3 水韌處理注意水韌處理注意 1 溫度在以上 一定保溫時間下使碳化物全部溶入奧氏體 2 高錳鋼導熱性差 熱膨脹系數(shù)大 鑄件尺寸大 所以要緩慢加熱避免裂紋 3 鑄件出爐至入水時間盡量縮短 避免碳化物析出 水冷 4 高錳鋼冷作硬化本質是通過大的形變在奧氏體基體中產生大量層錯 形變欒晶 馬氏體和 馬氏體 成為位錯運動的障礙 能承受強有力沖擊不破裂 廣泛用于承受大沖擊載荷強 烈磨損工況下的零件 襯板 磨球坦克履帶 13 材料選擇基本原則材料選擇基本原則 1 材料的使用性能要求 2 材料的工藝性能 3 經濟性 4 其他因素 尺寸 外形特點 14 選擇零件材料思路選擇零件材料思路 1 分析零件的工作條件 盡寸形狀和應力狀態(tài) 科學合理地確定零件的技術要求 2 通過分析或實驗 結合同類零件失效分析結果 找出零件實際工作時的失效抗力指標作 為選材依據(jù) 3 根據(jù)主要力學性能選擇 4 考慮鋼種是否滿足次要失效抗力指標的工藝性和可能采用的工藝措施 5 審查所選鋼種是否滿足所有工藝性基本要求和組織生產可能性 進一步考察材料經濟性 和成本 第第 4 章章 工模具鋼 高碳 工模具鋼 高碳 1 工模具鋼工模具鋼 用來制造刃具 模具 量具等各種工具的鋼稱為工模具鋼 2 按用途分為刃具鋼 模具鋼 量具鋼三大類 刃具鋼可分為碳素 低合金工具鋼和高速鋼三大類 模具鋼按工作溫度可分為冷作模具鋼 熱作模具鋼和塑料模具鋼 量具鋼用來制作量規(guī) 卡尺 樣板等 用來測量工件尺寸和形狀 3 工具鋼性能特點 耐磨 熱穩(wěn)定性 足夠強度與韌度 4 工具鋼基本性能 強度和塑形 韌度 硬度及耐磨 淬透性 熱穩(wěn)定性 鋼在較高溫度下仍保持一定強度的性質 變形開裂傾向大 5 含碳量高含碳量高 形成足夠碳化物保證高耐磨性 6 一般要求碳化物呈球狀 細小均勻分布碳化物呈球狀 細小均勻分布 7 成分組織 一般含 0 6 1 3 C M 足夠數(shù)量 K M 硬度高 切斷抗力較高 耐磨性好 Cr W Mo V 等 淬透性 耐磨性和熱穩(wěn)定性 Mn Si 輔助加入 淬透性 回火穩(wěn)定性 第二相 K 球狀 細小 均勻分布 4 2 碳素鋼及低合金刃具鋼 碳素工具鋼碳素工具鋼 1 含碳量 0 65 1 35 高碳高碳 不完全淬火 低溫回火 鋼號從 T7 到 T13 做低速切削的刃具和簡單冷沖模 淬透性低 斷面尺寸 15mm 的工具 T7 有較好的塑韌性 宜做受沖擊的刃具 如鑿子等 T8 易過熱 制造形狀簡單的木工工具等 T10 T12 耐磨性較好 強度高 但韌度低 制造不受沖擊或沖擊較小形狀簡單的工具 如車刀 銑 刀等 二 低合金工具鋼 采用球化退火二 低合金工具鋼 采用球化退火 不完全淬火不完全淬火 低回 低回 合金元素作用 Cr 1 左右 細化 K 均勻分布 Mn 主要是提高淬透性 Si 提高低溫回火穩(wěn)定性 還可強化鐵素體 降低切削加工性 增大脫碳敏感性 不單獨加 w 在 Cr 含量較高的鋼易固溶于特殊碳化物 含量過多會形成碳化物 且使碳化物分布不均 623C M 勻 惡化性能 V 降低過熱敏感性 細化晶粒 提高回火穩(wěn)定性 9sic Si Cr 淬透性 D 油60HRC K 細小 均勻 不容易崩刃 分級淬火或等溫淬火處理 變形較小 Si 使鋼的脫碳傾向增大 適于制作形狀較復雜 變形要求小的工件 特別是薄刃工具 如絲錐 扳牙 鉸刀等 CrWMn Cr W Mn 復合加入 淬透性 D 油 50 70mn AR 在 18 20 淬火后變形 含 Cr W 的碳化物較多且穩(wěn)定 晶粒細小 高硬度 高耐磨性 回火穩(wěn)定性較好 250 回火 硬度才 60HRC W 使碳化物易形成網狀 適于制作要求變形小 耐磨性高的工件 如拉刀等也可做量具及形狀復雜的高精度沖模 高速鋼熱處理特點 高淬高回高速鋼熱處理特點 高淬高回 一 高速鋼中合金元素的作用一 高速鋼中合金元素的作用 一般高速鋼含 0 7 1 65 C 形成足夠數(shù)量的碳化物 淬火回火之后硬熱硬性都提高 保證馬氏體中固 溶碳量 C 過高影響 a AR 增多 b 碳量的提高使固相線降低 晶界熔化溫度降低 淬火溫度 A 中 Me 紅硬性 c 韌性低 W 造成紅硬性的主要元素 退火時主要以型碳化物存在CM6 強烈阻礙回火時馬氏體中碳原子析出 提高回火穩(wěn)定性 在 600 回火時 仍為過飽和固溶體 具有 高的紅硬性 回火時在馬氏體中彌散析出 W2C 造成二次硬化 具有高的紅硬性和耐磨性 部分 M6C 型碳化物未溶入奧氏體 強烈阻止奧氏體晶粒長大 保證淬火加熱采用 1220 1310 的高溫 使足夠數(shù)量的碳化物溶入奧 氏體 保證高的紅硬性 提高耐磨性 W 熱導率 鋼導熱性差 W 和 Mo 相似 1 Mo 可取代 1 5 2 0 W V 顯著個紅硬性 硬度和耐磨性 細化晶粒 過熱敏感性 以 VC 存在 Cr 加熱時全溶 保證鋼淬透性 4 Cr 改善抗氧化能力 切削能力 Co 可顯著個紅硬性 有 5 8 和 12 三個級別 但鋼的韌性 鋼脫碳傾向 二 高速鋼中的碳化物二 高速鋼中的碳化物 1 碳化物的類型碳化物的類型 在所有的高速鋼中 除鈷高速鋼以外 退火狀態(tài)下都含有 三種碳化物 在含CM6MCCM 623 W Mo 較少的高速鋼中還有型碳化物 在淬火狀態(tài)下 只有 回火狀態(tài)有 37C MMCCM和 6 M2C MC 析出 淬火態(tài) 加熱時 K 溶解順序為 M2C3 M23C6 型在 100 左右溶解完 M6C 型在 1200 時比分溶解 MC 型比較穩(wěn)定 在 1200 時 開始少量溶解 回火態(tài) 主要為等碳化物 CMMCCM 26 冷作模具鋼冷作模具鋼 金屬在冷態(tài)下變形所用的模具鋼 1 特點 工作溫度不高 模具主要承受高的壓力和沖擊力 金屬之間有強烈摩擦 2 要求 具有高硬度和耐磨性 也要有一定韌性 3 高鉻鋼是含 Cr12 左右的高碳亞共晶萊氏體鋼 Cr12MoV 具有高的淬透性 用于制造大尺寸 形 狀復雜 承受載荷較大的模具 冷作模具王牌 4 一次硬化法采用較低溫度淬火和低溫回火 淬火溫度低 晶粒細小 強韌性好 二次硬化法采用高的淬火溫度 進行多次高溫回火 熱作模具鋼熱作模具鋼 用于制造使加熱金屬或液態(tài)金屬后會獲得所需形狀的模具 1 特點 受熱時間長 沖擊力大 2 要求 高的抗熱塑性變形能力 高韌度 高抗熱疲勞性和良好的抗熱燒蝕性 第第 5 章章 不銹鋼不銹鋼 1 鋼電化學腐蝕形式 均勻腐蝕 晶界腐蝕 點腐蝕 應力腐蝕 腐蝕磨損 2 不銹鋼分類 馬氏體不銹鋼 鐵素體不銹鋼 奧氏體不銹鋼 考牌號加應用 3 定律定律 固溶體中的 Cr 量達到 12 5 原子比 1 8 時 鐵固溶體電極電位有一個突然升高 8 n 當 Cr 量提高到 25 2 8 時 點位有一次突然提高 這種現(xiàn)象稱為 tammann 定律 也稱二元合 金固溶體點位的定律 8 n 4 晶間腐蝕晶間腐蝕 不銹鋼在腐蝕介質作用下 在晶粒之間產生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐蝕 5 固溶處理固溶處理 把鋼加熱到 ES 線以上 才有可能使碳化物溶解 6 穩(wěn)定化處理穩(wěn)定化處理 也可稱穩(wěn)定化退火 穩(wěn)定化處理為使工件在長期服役的條件下形狀和尺寸變化能 夠保持在規(guī)定范圍內的熱處理 7 敏化處理敏化處理 Cr Ni 不銹鋼中 如果在 450 800 范圍工作 或在該溫度時效處理 也會得到同樣 效果 這種時效處理考察不銹鋼晶間腐蝕的敏感性 所以又稱不銹鋼的敏化處理 表 5 1 典型鐵素體不銹鋼棒的熱處理與性能 表 5 2 常用馬氏體不銹鋼的熱處理與性能 第第 6 章章 耐熱鋼耐熱鋼 1 耐熱鋼耐熱鋼 通常把在高溫條件下工作的鋼成為耐熱鋼 兩個基本性能 良好高溫強度 塑性 高溫化學穩(wěn)定性好 根據(jù)不同服役條件分 熱強鋼 抗氧化鋼 2 鋼的熱強性指標鋼的熱強性指標 蠕變極限 持久強度 高溫疲勞性能 持久壽命 3 強化途徑 強化途徑 基體強化 原子結合力 熔點 晶界強化 凈化雜質 填充空位 彌散強化 第二向細小 彌散 均布 工藝措施 熱處理 第第 7 章章 超高強度結構鋼超高強度結構鋼 第第 8 章章 鑄鐵鑄鐵 1 鑄鐵鑄鐵是指碳的質量分數(shù)在 2 11 以上或組織中具有共晶組織的鐵碳合金 是以鐵 碳 硅為主 要組成元素并含有較多錳 硫 磷等雜質元素的多元合金 2 石墨化石墨化 鑄鐵中碳原子析出和形成石墨的過程 3 影響鑄態(tài)組織的因素影響鑄態(tài)組織的因素 化學成分的影響 化學成分的影響 Si 1 使共晶點共析點含碳量隨 Si 含量增加而減少 2 使共晶和共析轉變在一個溫度范圍內進行 3 提高了共晶和共析溫度 冷卻速度的影響 冷卻速度的影響 鑄件過冷度越小 冷速越慢 越有利于石墨化過程充分進行 越容易得到粗大石墨 4 孕育處理孕育處理 把孕育劑加入到鐵液中去 以改變鐵液的冶金狀態(tài) 從而改善鑄鐵組織的性能 5 球石墨與片石墨的區(qū)別球石墨與片石墨的區(qū)別 球石墨對基體的縮減 切割作用大大減小 球墨鑄鐵基體的利用率 70 90 片石墨減少了金屬基體受負荷的有效面積 石墨的縮減作用 使基體利用率只有 30 50 6 球化處理球化處理 鑄鐵澆注時 加入一定球化劑進行孕育處理 獲得很多非自發(fā)晶核 獲得細小均勻 分布的球狀鑄鐵 第第 2 篇篇 有色金屬合金有色金屬合金 有色金屬強化方式 變形 固溶 時效 過剩相有色金屬強化方式 變形 固溶 時效 過剩相 第第 9 章章 鋁合金鋁合金 1 特點 密度小 優(yōu)良導電性 導熱性 良好耐蝕性 優(yōu)良的塑形和加工性能 2 鋁合金時效處理過程 鋁合金時效處理過程 1 形成銅原子富集區(qū)形成銅原子富集區(qū) 2 銅原子富集區(qū)有序化銅原子富集區(qū)有序化 3 形成過渡相形成過渡相 4 形成穩(wěn)定的形成穩(wěn)定的 3 按合金中所含主要元素成分可分為 四位數(shù)字體牌號 工業(yè)純鋁 1XXX 系 Al Cu 合金 2XXX 系 Al Mn 合金 3XXX 系 Al Si 合金 4XXX 系 Al Mg 合金 5XXX 系 Al Mg Si 合金 6XXX 系 Al Zn Mg Cu 合金 7XXX 系 Al 其它合金元素 8XXX 系 及備用合金組 9XXX 系 這三種方法各有特點 有事互相交叉 相互補充 在工業(yè)生產中 國際上慣用第三種分類方法 即合金中所含主要元素成分的 4 位數(shù)碼法分 類 這種分類方法較本質的反應合金的基本性能 也便于編碼 記憶和計算機管理 4 表表 9 2 典型變形鋁合金牌號及意思 只記舊牌號 典型變形鋁合金牌號及意思 只記舊牌號