常用機械工程材料

常用機械工程材料第1頁/共109頁一、教學(xué)目的與要求1.掌握常用金屬材料的種類、牌號、成份、性能及應(yīng)用情況。2.了解常用非金屬材料和復(fù)合材料的特點及應(yīng)用。3.掌握選材的原則及一般方法。二、教學(xué)課時數(shù)1.理論教學(xué)4學(xué)時2.實驗教學(xué)0學(xué)時合計4學(xué)時第2頁/共109頁三、教學(xué)內(nèi)容1.碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬合金的牌號、成份、熱處理、組織、性能、用途。2.硬質(zhì)合金、高溫合金、軸承合金的種類、牌號、性能及用途。3.工程材料選用原則及方法步驟。四、教學(xué)重點與難點1.重點材料的分類與牌號的識別。2.難點合金鋼中合金元素的作用。第3頁/共109頁五、教學(xué)方式1.多媒體授課六、參考書籍1.材料科學(xué)基礎(chǔ)，潘金生，TB3/P146，清華大學(xué)出版社，19982.工程材料及應(yīng)用，周鳳云，TB3/Z768=2，華中科技大學(xué)出版社，20023.金屬工藝學(xué)(上)，鄧文英，TG/D328=4:1，高等教育出版社，20004.先進(jìn)復(fù)合材料手冊，魯云，TB33/L817，機械工業(yè)出版社，2003第4頁/共109頁第一節(jié)工程金屬材料1.黑色金屬含鐵金屬材料，鐵、鐵合金（鋼、鑄鐵和鐵合金）2.有色金屬非鐵金屬材料，黑色金屬材料、特殊合金（硬質(zhì)合金、高溫合金等）除外的金屬材料，鋁合金、銅合金等。第5頁/共109頁1.黑色金屬分類⑴碳素鋼⑵合金鋼⑶鑄鐵第6頁/共109頁2.碳素鋼亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼。⑴常存元素對碳素鋼性能的影響①來源冶煉中礦石、燃料等帶入；加入Mn脫氧等工藝需要加入。②有益元素硅、錳：溶于鐵素體，固溶強化。③有害元素硫：熱脆，幾乎不溶于鐵，形成Fe+Fe固溶體，熔點985℃；磷：冷脆，易偏析，形成低熔點固溶體。第7頁/共109頁⑵碳素鋼的分類①按鋼中的含碳量分類低碳鋼：C≤0.25%中碳鋼：0.25%<C≤0.6%高碳鋼：C>0.6%②按鋼品質(zhì)分類普通碳素鋼：S≤0.055%P≤0.045%優(yōu)質(zhì)碳素鋼：S≤0.040%P≤0.040%高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：S≤0.030%P≤0.035%③按鋼的用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼第8頁/共109頁⑶碳素結(jié)構(gòu)鋼

第9頁/共109頁⑶碳素結(jié)構(gòu)鋼①牌號構(gòu)成碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號是由Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法四部分自左向右順序組成。Q---“屈”字漢語拼音字首A、B、C、D---質(zhì)量等級符號，從左至右，質(zhì)量依次提高F、b、Z、TZ---依次表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼例如Q195、Q235A等。第10頁/共109頁②成份Wc偏低，低于0.38%；Ws、Wp偏高；不保證成份，只保證性能；③性能：硬度低，塑性好，成本低；一般熱加工后直接使用。④用途建筑用工字鋼、角鋼、沖壓鋼板等一般結(jié)構(gòu)件。第11頁/共109頁碳素結(jié)構(gòu)鋼的一些應(yīng)用：第12頁/共109頁⑷優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼第13頁/共109頁⑷優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼①牌號構(gòu)成以萬分之一的含碳量作為牌號。如10等、20鋼等。②成份一般為低碳或中碳。③性能比較軟或綜合機械性能較好，與成份有關(guān)。第14頁/共109頁第15頁/共109頁優(yōu)質(zhì)

碳素

結(jié)構(gòu)

鋼的

一些

應(yīng)用第16頁/共109頁⑸碳素工具鋼第17頁/共109頁⑸碳素工具鋼①牌號構(gòu)成以T+千分之一的含碳量作為牌號，如T8、T10、T13等。②成份過共析鋼，含碳量一般在0.7%以上。③性能高硬度，耐磨。④用途沖頭、沖模、銼刀、量具等，工作溫度低于200℃的模具。第18頁/共109頁碳素工具鋼的一些應(yīng)用第19頁/共109頁⑹碳素鑄鋼①牌號構(gòu)成鑄鋼的漢語拼音字首“ZG”+屈服強度+抗拉強度，如ZG200－400等。②成份一般為中碳。③性能綜合機械性能較好。④用途用于形狀復(fù)雜、尺寸較大、機械性能要求較高的機座、支撐架等。第20頁/共109頁鑄鋼的一些應(yīng)用外殼軋輥重型機械齒輪

第21頁/共109頁2.合金鋼為何要研究合金鋼？碳鋼綜合機械性能不高，淬透性小，又不具備抗腐、耐熱等特殊性能，故航空及機械重要產(chǎn)品多采用合金鋼制造。第22頁/共109頁⑴合金元素在鋼中的作用①形成合金鐵素體②形成合金碳化物③細(xì)化晶粒④提高鋼的淬透性⑤提高鋼的回火穩(wěn)定性⑥賦于鋼特殊的物理、化學(xué)性能第23頁/共109頁第24頁/共109頁⑵合金鋼的分類①按合金鋼中合金元素含量分類低合金鋼：合金元素總含量小于5％中合金鋼：合金元素總含量5％～10％、高合金鋼：合金元素總含量大于10％②按合金鋼的性能和用途分類合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼第25頁/共109頁⑶合金結(jié)構(gòu)鋼第26頁/共109頁第27頁/共109頁低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的一些應(yīng)用第28頁/共109頁⑶合金結(jié)構(gòu)鋼①牌號構(gòu)成兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字（+A）兩位數(shù)字：萬分之一的含碳量；元素符號+數(shù)字：所含合金元素及其含量，<1.5%,不標(biāo);1.5-2.5%,標(biāo)2；2.5-3.5%,標(biāo)3；依次類推。A:高級優(yōu)質(zhì)鋼。含碳量：<0.25%——滲碳鋼0.25-0.50%——調(diào)質(zhì)鋼0.45-0.70%——彈簧鋼0.95-1.10%——滾動軸承鋼第29頁/共109頁②合金滲碳鋼成份：低碳（0.10-0.25%）、低合金（<1.5%），如20Cr、20CrMnTi、20MnVB。性能：熱處理一般為滲碳+淬火+低溫回火。表面：硬、耐磨；心部：高塑性、韌性。用途：齒輪、凸輪軸。第30頁/共109頁撥叉齒輪凸輪機構(gòu)

合金滲碳鋼的一些應(yīng)用第31頁/共109頁③合金調(diào)質(zhì)鋼成份：中碳（0.25-0.5%）、低合金，如40Cr、30CrMnSi、38CrMoAl、40MnVB。性能：熱處理為淬火+高溫回火。綜合機械性能好，中高強度、韌性配合。用途：齒輪、軸、連桿。第32頁/共109頁合金調(diào)質(zhì)鋼的一些應(yīng)用第33頁/共109頁

④合金彈簧鋼成分：高碳，0.45-0.70%，如50Mn2、55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA等。性能：熱處理為淬火+中溫回火。彈性、韌性好。應(yīng)用：彈簧、軋輥等。第34頁/共109頁合金彈簧鋼的一些應(yīng)用第35頁/共109頁⑤滾動軸承鋼第36頁/共109頁⑤滾動軸承鋼P69表4-6成分：高碳，0.95-1.1%，一般不標(biāo)；高鉻，0.40-1.65%；如GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn等。性能：極高硬度，一定的耐腐蝕能力，良好的尺寸穩(wěn)定性。應(yīng)用：軸承、絲桿、冷沖壓模具。第37頁/共109頁滾動軸承鋼的一些應(yīng)用滾珠滾珠軸承第38頁/共109頁⑷合金工具鋼第39頁/共109頁第40頁/共109頁⑷合金工具鋼①牌號構(gòu)成1位或無數(shù)字+元素+數(shù)字1位數(shù)字：千分之一的含碳量；無數(shù)字：含碳量超過1%；元素+數(shù)字：同合金結(jié)構(gòu)鋼。第41頁/共109頁刃具鋼的一些應(yīng)用銑刀英制模板刀

第42頁/共109頁模具鋼的應(yīng)用模具第43頁/共109頁量具鋼的一些應(yīng)用第44頁/共109頁⑸特殊性能鋼

①不銹鋼第45頁/共109頁

①不銹鋼a腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕b不銹鋼分類不銹鋼：大氣耐酸鋼：化學(xué)介質(zhì)統(tǒng)稱為不銹鋼第46頁/共109頁c提高耐蝕性的措施提高基體的電極電位：在鋼中加入一定量的合金元素（如Cr），使鋼的基體的電極電位提高，從而提高其抗電化學(xué)腐蝕的能力；形成單相組織：在鋼中加入一定量的合金元素（如Cr、Ni、Ti等），使鋼形成單相組織，減少電化學(xué)腐蝕的可能性；形成致密的氧化膜：在鋼中加入一定量的合金元素（如Cr等），使鋼表面形成一層致密的氧化膜（又稱鈍化膜，如Cr2O3等），使鋼的基體與外界隔絕，從而使里層金屬不被腐蝕；采用表面防腐的措施：如噴涂、電鍍、發(fā)藍(lán)、涂油膏等，使鋼的基體與大氣或電解質(zhì)溶液隔開；降低鋼的含碳量：減少鋼中合金碳化物的形成。第47頁/共109頁d常用不銹鋼1Cr13、4Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。主要用于汽輪機葉片、水壓機閥門、濃硝酸設(shè)備零件等。第48頁/共109頁不銹鋼的一些應(yīng)用不銹鋼剪刀1Cr18Ni9Ti不銹鋼表帶不銹鋼容器不銹鋼船用螺旋槳第49頁/共109頁②耐熱鋼第50頁/共109頁②耐熱鋼a耐熱含義熱化學(xué)穩(wěn)定性：高溫氧化熱強性：高溫強度b耐熱鋼分類抗氧化鋼（不起皮鋼）：1Cr13Si13、3Cr18Ni25Si2，爐內(nèi)托架等。熱強鋼：15CrMo、4Cr9Si2、1Cr18Ni9Ti，高壓鍋爐的過熱器、化工高壓反應(yīng)器、噴氣發(fā)動機尾噴管等。第51頁/共109頁耐熱鋼的應(yīng)用燃?xì)廨啓C第52頁/共109頁③耐磨鋼a耐磨機理受沖擊作用，產(chǎn)生加工硬化，耐磨；不能壓力加工成形。b應(yīng)用ZGMn13，水韌處理，用于鐵道上的轍岔、轍尖、轉(zhuǎn)轍器、坦克、拖拉機的履帶，碎石機鄂板及挖掘機鏟斗的斗齒等零件。第53頁/共109頁耐磨鋼的一些應(yīng)用履帶鐵軌分道叉

破碎機顎板挖掘機斗齒第54頁/共109頁④低溫用鋼a提高低溫性能措施低碳，一般含碳量﹤0.20%；添加合金元素Mn、Ni用以提高低溫韌性；添加合金元素V、Ti、Nb、Al細(xì)化晶粒進(jìn)一步改善低溫韌性；嚴(yán)格控制損害韌性的元素P、Si的含量；使材料盡量形成面心立方晶格結(jié)構(gòu)。b應(yīng)用常用的低溫用鋼有10Ni4、13Ni5、15Mn26Al4等，廣泛用于鋼鐵冶金、化工、冷凍設(shè)備、海洋工程等。第55頁/共109頁3.鑄鐵⑴鑄鐵成分含碳量高，大于2.11%，一般在2.5-4.0%；雜質(zhì)多，Si、Mn、S、P。⑵碳在鑄鐵中的存在形式間隙原子滲碳體石墨第56頁/共109頁石墨結(jié)構(gòu)第57頁/共109頁⑶鑄鐵的組織石墨：片狀、團絮狀、球狀、蠕蟲狀。基體：鐵素體、珠光體、鐵素體+珠光體。第58頁/共109頁⑷石墨化液相中結(jié)晶出石墨；奧氏體中析出石墨；滲碳體分解形成石墨。⑸鑄鐵的性能（與鋼比較）抗拉強度、塑性、韌性低，硬度、抗壓強度相近；優(yōu)良的鑄造性接近共晶成分；良好的切削加工性易于斷屑，潤滑作用；優(yōu)良的耐磨性與減震性潤滑和儲油，吸能。第59頁/共109頁⑹鑄鐵分類按碳的存在形式分類：白口鑄鐵：滲碳體灰口鑄鐵：石墨麻口鑄鐵：滲碳體+石墨第60頁/共109頁按石墨的形態(tài)分類：普通灰口鑄鐵：片狀，HT100、HT150、HT200、HT250，主要用于制造汽車、拖拉機的汽缸、汽缸蓋、剎車帶、摩擦片，以及機床的床身、底座、支柱等耐壓、耐磨件。第61頁/共109頁第62頁/共109頁第63頁/共109頁普通灰鑄鐵的應(yīng)用第64頁/共109頁可鍛鑄鐵：團絮狀，KTH300-06、KTH350-10、KTZ550-04、KTZ700-02，多用于制造一些截面較薄，而且形狀復(fù)雜、工作時受震動，強度、韌性要求稍高的小型零件，但不能用于鍛壓加工。第65頁/共109頁第66頁/共109頁可鍛鑄鐵的顯微組織

第67頁/共109頁第68頁/共109頁球墨鑄鐵：球狀，QT400-15、QT500-07、QT700-02，珠光體球墨鑄鐵用來制造汽車、拖拉機曲軸、連桿、凸輪軸、齒輪等；鐵素體球墨鑄鐵可用來制造受壓閥門、機器底座、汽車的后橋殼等。第69頁/共109頁第70頁/共109頁球墨鑄鐵的顯微組織第71頁/共109頁第72頁/共109頁球墨鑄鐵的應(yīng)用球墨鑄鐵管道接口

第73頁/共109頁特殊性能鑄鐵加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，可獲得耐磨鑄鐵；加入Al、Si、Cr等合金元素，可獲得耐熱鑄鐵。第74頁/共109頁二、有色金屬1.鋁及鋁合金⑴純鋁①性能密度為2.7g/cm3，熔點為660℃，面心立方晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性均很高，耐蝕性好，塑性好，但強度較低（80-110MPa）。②牌號鑄造鋁：Z+AL+數(shù)字組成；變形鋁：1ⅹⅹⅹ，2ⅹⅹⅹ，3ⅹⅹⅹ等第75頁/共109頁①變形鋁合金

第76頁/共109頁第77頁/共109頁①變形鋁合金防銹鋁合金油箱、油管、鉚釘、制冷裝置結(jié)構(gòu)件以及日用器皿等，5A05。硬鋁合金飛機隔框、翼肋、鉚釘、螺旋槳、蒙皮等結(jié)構(gòu)件,2A01、2A11。超硬鋁合金飛機的大梁、框架、起落架等,7A04。鍛鋁合金離心式壓氣機的葉輪、飛機操縱系統(tǒng)中的搖臂等,2A50、2A70。第78頁/共109頁變形鋁合金的一些應(yīng)用第79頁/共109頁變形鋁合金的一些應(yīng)用第80頁/共109頁②鑄造鋁合金ZL+1位數(shù)+2位數(shù)：前1位數(shù)表示合金系，1-鋁硅系，2-鋁銅系，3-鋁鎂系，4-鋁鋅系；后2位數(shù)表示成分。第81頁/共109頁第82頁/共109頁鑄造鋁合金的一些應(yīng)用

鋁合金發(fā)動機缸體和缸蓋第83頁/共109頁2.銅及銅合金⑴純銅①性能密度為8.9g/cm3，熔點為1083℃，呈面心立方晶體結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能（僅次于銀），較高的塑性和耐蝕性，但強度、硬度較低，不能通過熱處理強化，常通過添加合金元素來改善其性能。②牌號工業(yè)純銅按其雜質(zhì)含量的不同分為四種：T1、T2、T3、T4,編號越大，純度越低。

第84頁/共109頁⑵銅合金①黃銅

普通黃銅：銅鋅二元合金，H+數(shù)字，H70、H62等，數(shù)字表示銅含量，其余為鋅。

特殊黃銅：銅鋅二元合金加上其他合金元素，H+主加元素符號（鋅除外）+銅含量的百分?jǐn)?shù)+主加元素含量的百分?jǐn)?shù)，HPb59-1、ZCuAl10Fe3Mn2。第85頁/共109頁第86頁/共109頁黃銅的一些應(yīng)用第87頁/共109頁②青銅普通青銅：普通青銅是以錫為主加元素的銅合金，Q+主加元素符號+主加元素平均含量的百分?jǐn)?shù)+其他合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)，如QSn10-1表示含錫量為10%，其他合金元素含量為1%的錫青銅。特殊青銅：特殊青銅是不含錫的青銅合金,表示方法與普通青銅類似，如QAl9-4表示主加元素鋁含量為9%左右，含其他元素平均含量為4%的鋁青銅。第88頁/共109頁第89頁/共109頁③白銅普通白銅：以鎳為主添加元素的銅合金，B+主加元素的平均含量百分?jǐn)?shù)，如B19表示19%Ni。特殊白銅：除Cu、Ni外，還含有其它合金元素的銅合金，B+除Ni以外的主加元素符號+鎳平均含量的百分?jǐn)?shù)+主加元素平均含量的百分?jǐn)?shù),如BZn15-20表示含15%Ni、20%Zn。第90頁/共109頁三、其它金屬材料1.硬質(zhì)合金⑴定義硬質(zhì)合金是以一種或幾種難熔、高硬度的金屬碳化物（如WC、TiC等）粉末為主要成分，以鐵族元素（常用鈷、鎳）作粘結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金方法生產(chǎn)的一種多相組合材料，是重要的刀具材料。第91頁/共109頁⑵性能特點①硬度高，耐磨性好；②強度高；③耐腐蝕，抗氧化性能好；④線膨脹系數(shù)小，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能與鐵相近；⑤適用于制造高速、強力切削刀具，切削速度可為高速鋼的4-10倍，壽命較長；⑥塑性和沖擊韌性差，難以承受塑性變形。第92頁/共109頁⑶硬質(zhì)合金的分類、牌號與用途①鎢鈷類硬質(zhì)合金主要化學(xué)成分是碳化鎢及鈷，牌號用YG+鈷的平均百分含量數(shù)字，如YG6表示平均含鈷6%的鎢鈷類硬質(zhì)合金。②鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金主要成分是碳化鈦、碳化鎢及鈷，牌號用YT+碳化鈦的平均含量，如YT14表示平均含碳化鈦14%的鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。第93頁/共109頁③通用硬質(zhì)合金是以碳化鉭或碳化鈮取代鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金中一部分碳化鈦而形成的，牌號有YW1、YW2，其中“YW”是“硬鎢”的漢語拼音字首，也被稱作“萬能硬質(zhì)合金”。第94頁/共109頁2.高溫合金⑴定義高溫合金是以高熔點金屬Ni（1455℃）、Co（1480℃）、Nb（2415℃）、Mo（2620℃）等為基體，加入一定量的其它元素所構(gòu)成的﹑在高溫（700℃以上）下使用的金屬材料。第95頁/共109頁⑵性能特點①具有較高的熱穩(wěn)定性。在高溫條件下，高溫合金具有較高的抗氧化、抗腐蝕、抗沖刷的能力，工作溫度可達(dá)700-1100℃。②具有較高的熱強性。③比強度和彈性模量高