第三章機(jī)械工程材料

第三章機(jī)械工程材料工業(yè)用鋼鋼鐵材料又稱黑色金屬材料，是以鐵和碳元素為主要化學(xué)成分的一系列金屬材料—鋼、生鐵、鑄鐵和鑄鋼的總稱。各行各業(yè)都用鋼，為了保證鋼的質(zhì)量，國家及有關(guān)部門對各種鋼作了規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)。

GB-國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；YB—冶金部規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。一、鋼的分類根據(jù)合金元素含量可分為：1、非合金鋼：普通質(zhì)量非合金鋼優(yōu)質(zhì)非合金鋼特殊質(zhì)量非合金鋼2、低合金鋼：普通質(zhì)量低合金鋼優(yōu)質(zhì)低合金鋼特殊質(zhì)量低合金鋼3、合金鋼：優(yōu)質(zhì)合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼二、雜質(zhì)元素和合金元素在鋼鐘的影響鋼中基本元素為：Fe、C；雜質(zhì)元素主要有：Si、Mn、S、P。1.Si、Mn在碳鋼中ωsi≤0.37%ωmn=0.25%--0.8%對力學(xué)性能影響不大。但作為合金元素，可提高鋼的力學(xué)性能。2.S、PS:Fe在固態(tài)時(shí)幾乎不溶，液態(tài)時(shí)溶解大量的S，凝固時(shí)FeS析出（熔點(diǎn)1190℃）當(dāng)鋼加熱到1000℃--1200℃進(jìn)行塑性成型加工時(shí)，F(xiàn)eS→熔化→導(dǎo)致鋼沿晶界開裂—這種現(xiàn)象叫鋼的“熱脆”。P：Fe在固態(tài)、液態(tài)時(shí)都能溶解P，固態(tài)時(shí)P全部溶入鐵素體中，P能使鐵素體的σ↑，但δ↓↓.ak↓↓。當(dāng)ωp=0.3%時(shí)鋼室溫下的ak≈0這種現(xiàn)象叫鋼的“冷脆”。S→熱脆P→冷脆，是有害元素越少越好，因此衡量鋼的質(zhì)量的主要指標(biāo)為含S、P量。3.氣體與非金屬夾雜物1）氫脆：氫分子—大的氣壓—白點(diǎn)—?dú)浯?）氮的時(shí)效：來不及逸出的氮，放置一段時(shí)間后，以氮化物的形式析出，使鋼變脆。3）氧以氧化物的形式存在于鋼中，形成非金屬夾雜物，如SiO2、MnO、Al2O3等，降低鋼的塑性、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。4、合金元素在鋼中的作用為了提高鋼的性能，在煉鋼時(shí)有意識地向鋼中加入一些合金元素，這樣獲得的鋼稱為合金鋼。鋼中常加合金元素有：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Co、B、Re等。1）對鋼的基本相及其性能的影響（1）滲入鐵素體，總的趨勢：隨著合金元素的增加，強(qiáng)度硬度上升，塑性韌性下降。（2）滲入滲碳體（a）形成合金滲碳體，如Mn、Cr、Mo、W等。（b）形成復(fù)雜碳化物，如Mn、Cr、Mo、W等。（c）形成簡單碳化物，如Ti、Zr、Nb、V等。以上三類碳化物比滲碳體穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)和硬度也更高。如經(jīng)熱處理，使碳化物呈顆粒狀，強(qiáng)度硬度上升，而沖擊韌性不下降。3）對熱處理的影響（1）加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間及晶粒度的影響。（2）淬透性提高。（3）提高回火穩(wěn)定性，產(chǎn)生二次硬化及回火脆性。鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變主要是馬氏體分解及碳化物形成、析出和聚集的過程，這個過程是依靠元素的擴(kuò)散來完成的。（a）彌散硬化或沉淀硬化（b）A殘向馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的硬化。（c）回火脆性：當(dāng)溫度在250~350℃和500~650℃回火時(shí)，鋼的沖擊韌性不但不升高反而下降的現(xiàn)象。第一類回火脆性（250~350℃）一旦形成，無法消除。辦法就是避開該溫度。第二類回火脆性（500~650℃）消除辦法：將工件重新加熱至600℃以上，然后快速冷卻。避免辦法：a）保溫后快速冷卻；（b）加入Mo0.3%或W1%，緩冷也不會出現(xiàn)回火脆性。4）合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（1）使奧氏體區(qū)擴(kuò)大的元素有Mn、Ni、Co、Cu等。其中Mn13、Ni9的室溫組織為單一的奧氏體組織。（2）使奧氏體區(qū)縮小的元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。其中Cr17的室溫組織為單一的鐵素體組織。（3）使S點(diǎn)、E點(diǎn)左移，如W18（W18%、C0.7~0.8%）高速工具鋼，鑄態(tài)組織中有萊氏體組織。三、常用非合金鋼按照鋼的用途和質(zhì)量可分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼。結(jié)構(gòu)鋼1）化學(xué)成分：ωc=0.09%--0.33%ωMn=0.37%--0.65%ωsi=0.30%ωs≤0.035--0.05%ωp≤0.035%--0.045%2）牌號：由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法等四個部分按順序組成。Q235AF3）組織：較多的F+較少的P4）性能：因?yàn)樘嫉?，焊接性能?）用途：適合于扎制成鋼板、鋼帶型鋼等。用于制做不需熱處理的焊接、鉚接、栓接構(gòu)件及螺栓螺母等零件2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1）化學(xué)成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤0.035%2）牌號：兩位數(shù)字+符號表示數(shù)字表示含碳量萬分之幾，符號如果是F則表示是沸騰鋼。例：08F15F3）分類：（3）對腐蝕性要求高的不銹鋼，還要加入一定量的鎳。5）不銹鋼的分類：按基體組織的組成不同分為：（1）鐵素體型（2）奧氏體型（3）奧氏體-鐵素體型（4）馬氏體型等。2、耐熱鋼耐熱鋼是制造在高溫下工作的零件或構(gòu)件。金屬的耐熱性是一個包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩方面內(nèi)容的綜合概念。提高鋼的高溫抗氧化性的主要方法是：在鋼中加入足夠的Cr、Si、Al等合金元素，使鋼在高溫下與氧接觸時(shí)表面形成一層致密的高熔點(diǎn)的氧化模，阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散。提高鋼的高溫強(qiáng)度的方法是：在鋼中加入能提高鋼的再結(jié)晶溫度的合金元素，如W、Mo、V、B等。3、高錳鋼1）化學(xué)成分特點(diǎn)：C=0.90~1.50%Mn=11~14%2）金相組織：奧氏體3）在受強(qiáng)烈撞擊的工礦條件下，工件表層產(chǎn)生加工硬化層，而心部仍保持高韌性。4）典型零件：坦克履帶、挖掘機(jī)鏟齒等常用ZGMn13第二節(jié)鑄鐵鑄鐵是含C量大于2.11~6.69%或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金。工業(yè)上所有的鑄鐵實(shí)際上不是簡單的鐵碳合金，而是以Ｆｅ、Ｃ、Si為主要元素的多元合金。其成分范圍大致為：C:2.4%～4.0%、Si:0.6%～3.3%、Mn:0.2%～1.2%、P:0.02%～1.2%、S:0.02%～0.15%，有時(shí)還加入合金元素生產(chǎn)合金鑄鐵。鑄鐵中C的存在形式主要有兩種：1、化合態(tài)—Ｆｅ3Ｃ2、游離態(tài)—石墨（G）：軟而脆，強(qiáng)度<20MPa，塑性幾乎為0的組織。鑄鐵的分類1、灰口鑄鐵：碳以游離石墨形式存在，根據(jù)石墨的形態(tài)不同又分為，普通灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵2、白口鑄鐵：碳以化合態(tài)滲碳體形式存在3、麻口鑄鐵：碳一部分以滲碳體形式存在，另一部分以石墨形式存在。二、常用鑄鐵1、普通灰鑄鐵碳主要以石墨形式存在的鑄鐵，斷口呈灰色。（1）灰鑄鐵的顯微組織（a）基體組織：F、P、F+P（b）C：片狀石墨（2）力學(xué)性能（a）缺點(diǎn)：力學(xué)性能低。雖然基體中溶入了Mn、Si，強(qiáng)化了基體，但由于石墨的縮減作用和切割作用，卻使灰鑄鐵的力學(xué)性能大大降低。（b）優(yōu)點(diǎn)：灰鑄鐵的減振性、耐磨性、導(dǎo)熱性好，缺口敏感性低。（3）鑄鐵的石墨化條件和石墨化過程1）石墨化條件（a）含有足夠的促進(jìn)石墨化的元素，如Si、Al等。（b）冷卻速度足夠緩慢。2）石墨化過程一次石墨化：從鐵液中直接結(jié)晶出共晶石墨化：共晶反應(yīng)中析出二次石墨化：從奧氏體中析出共析石墨化：共析反應(yīng)中析出（3）影響灰鑄鐵組織形成的主要因素1）化學(xué)成分的影響：C：越高，產(chǎn)生的石墨越多。Si：強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。S：強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，使鑄鐵流動性降低，收縮率增大。Mn：阻礙石墨化，但有除S作用，并促進(jìn)珠光體生成。P：對石墨化影響不大，但會增大脆性。2）冷卻速度的影響：慢冷—灰口鑄鐵；快冷—麻口甚至白口鑄鐵。（4）用途：用來制做各種主要承受應(yīng)力，并要求減振性、耐磨性好及缺口的敏感性低的機(jī)械零件。如：機(jī)床床身、機(jī)架、導(dǎo)軌等。（5）牌號：HT+數(shù)字如：HT200、HT250等。（6）提高灰鑄鐵力學(xué)性能的措施1）改變石墨形態(tài)；2）強(qiáng)化基體。2、蠕墨鑄鐵（1）顯微組織：鑄鐵中的石墨大部分呈蠕蟲狀。特征：石墨片短而厚，長度與厚度之比為2—10，且頭部較圓，呈蠕蟲狀。（2）性能：1）力學(xué)性能高于灰鑄鐵。2）具有良好的熱導(dǎo)性。（3）用途：制做各種要求強(qiáng)度、硬度較好和導(dǎo)熱率較高的鑄件，如重型機(jī)床床身、箱體及內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋、活塞環(huán)等。（4）牌號：RuT+數(shù)字3、可鍛鑄鐵（又稱瑪鋼）（1）概念：將白口鑄鐵通過固態(tài)石墨化處理（包括有或無脫碳過程），得到的具有團(tuán)絮狀石墨的鐵碳合金。（2）分類：1）黑心（鐵素體）可鍛鑄鐵與珠光體可鍛鑄鐵2）白心可鍛鑄鐵（3）組織：1）：鐵素體可鍛鑄鐵：F+G（團(tuán)絮狀）2）：珠光體可鍛鑄鐵：P+G（團(tuán)絮狀）（4）性能：1）：鐵素體可鍛鑄鐵：具有一定的強(qiáng)度和較高的韌性。2）：珠光體可鍛鑄鐵：強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好。（5）用途：鐵素體可鍛鑄鐵：用于制造承受沖擊和振動的零件。例：彈簧鋼板支座、機(jī)床上用的把手、農(nóng)機(jī)零件和建筑用扣件等。珠光體可鍛鑄鐵：用于制造鑄造曲軸、凸輪軸、連桿及齒輪重要零件。（6）牌號：鐵素體可鍛鑄鐵（黑心可鍛鑄鐵）KTH+數(shù)字+數(shù)字例：KTH300-06бb≥300N/mm2δ≥6%珠光體可鍛鑄鐵：只是將KTH中的“H”改成“Z”，其它不變。4、球墨鑄鐵用球化劑對鐵液進(jìn)行處理，使石墨大部或全部呈球狀的鐵碳合金。球墨鑄鐵具有接近灰鑄鐵的鑄造性能，又具有接近鑄鋼的力學(xué)性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。鐵素體球墨鑄鐵：高韌性。珠光體球墨鑄鐵：高強(qiáng)度。貝氏體球墨鑄鐵：耐磨。奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵：耐磨。馬氏體-奧氏體球墨鑄鐵：抗磨。性能：1）強(qiáng)度、塑性、韌性大大高于灰鑄鐵，接近鑄鋼。2）具有良好的減振性、耐磨性和低的缺口敏感性。用途：用于制作強(qiáng)度、韌性、耐磨性等要求較高的零件。如：柴油機(jī)、汽車及拖拉機(jī)的曲軸、凸輪軸、中壓閥門、壓縮機(jī)的曲軸、連桿等。牌號：QT+數(shù)字+數(shù)字5、特殊性能鑄鐵特殊性能鑄鐵一般是指具有耐磨、耐熱和耐腐蝕等特殊性能的鑄鐵。這些鑄鐵大多是加入了Si、Mn、Al、Cr、Mo、W、Cu、V、B、Ti、Re等合金元素的合金鑄鐵。耐磨鑄鐵：高磷鑄鐵、釩鈦鑄鐵等。抗磨鑄鐵：白口鑄鐵、中錳抗磨鑄鐵、冷硬鑄鐵等。耐熱鑄鐵：通常加入Si、Al、Cr等合金元素，其作用一是在鑄鐵表面形成一層致密的氧化模，保護(hù)內(nèi)部不被繼續(xù)氧化；二是使基體形成單一的鐵素體組織，防止鑄鐵的生長。耐蝕鑄鐵：原理與不銹鋼相同。第三節(jié)有色金屬及其合金元素周期表中除鐵以外的金屬均稱非鐵合金，其中比重小于4.5的非鐵合金稱為輕金屬（如鋁、鎂、鈦等）。一般認(rèn)為，鋼的抗拉強(qiáng)度和剛度比大多數(shù)非鐵金屬合金高，但輕合金的比重小，它們的比強(qiáng)度和比剛度都比低碳鋼和低合金鋼高，所以輕合金在飛行器上得到廣泛應(yīng)用。一、鋁及鋁合金1、工業(yè)純鋁1）物理性能熔點(diǎn)660℃，密度2.7g/cm3,具有良好的導(dǎo)電性（相當(dāng)于銅的60%）和導(dǎo)熱性。在大氣中抗蝕性較高。2）力學(xué)性能強(qiáng)度硬度低（ób=80~100MPa、20HBS）、塑性較高（?=50%，?=80%）、冷變形后強(qiáng)度增加不多，但塑性卻急劇下降（?=2~5%），因此鋁不易作受力的結(jié)構(gòu)材料。2、鋁合金通過加入硅、銅、鎂、鋅、錳等合金元素，使鋁得到固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化及組織強(qiáng)化，從而得到高強(qiáng)1）鋁合金的分類（1）形變鋁合金可以通過加熱的方法使合金變?yōu)閱蜗啜⒐倘荏w，其塑性很好。形變鋁合金又可分為不能熱處理強(qiáng)化的和能熱處理強(qiáng)化的兩種。（2）鑄造鋁合金能夠通過熱處理來提高強(qiáng)度和硬度。大多數(shù)鑄造鋁合金也可以熱處理強(qiáng)化。2）鋁合金的熱處理（1）退火a）變形鋁合金主要進(jìn)行再結(jié)晶退火，以消除冷壓后產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象。也稱中間退火。工藝方法：加熱（350~450℃）保溫后空冷。b）去應(yīng)力退火：加熱至180~300℃保溫后空冷。（2）熱處理強(qiáng)化的基本工藝及特點(diǎn)a）鋁合金的強(qiáng)化熱處理的方法是淬火加時(shí)效處理。淬火（加熱到單相區(qū)保溫后快速冷卻）后，強(qiáng)度和硬度增加不多，塑性卻大大提高。經(jīng)過時(shí)效（自然時(shí)效和人工時(shí)效）后，強(qiáng)度和硬度才明顯提高，合金被強(qiáng)化。b）鑄造鋁合金熱處理特點(diǎn)與相變鋁合金相比，淬火加熱溫度更高，保溫時(shí)間更長，但淬火、時(shí)效后的強(qiáng)化效果不如形變鋁合金明顯。原因是鑄造組織粗大。有的鑄造鋁合金經(jīng)過淬火處理后不需時(shí)效或不完全時(shí)效處理即可提高塑性和強(qiáng)度。這是因?yàn)榇慊鸺訜崾勾执蟮幕衔锶芙猓黾恿斯倘軓?qiáng)化效果使成分均勻，從而改善了性能。3）形變鋁合金形變鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金、鍛鋁合金等。（1）防銹鋁合金防銹鋁合金是鋁-錳或鋁-鎂系組成的形變鋁合金。特點(diǎn)耐腐蝕性能好，拋光性好，能長時(shí)間保持光亮的表面，具有高的塑性和焊接性，不能熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度低，只有通過冷加工進(jìn)行加工硬化。應(yīng)用承受中等強(qiáng)度的冷壓、焊接件及鉚釘?shù)取＃?）硬鋁硬鋁又稱杜拉鋁，是含有銅、鎂、錳等元素的形變鋁合金。特點(diǎn)：具有高的強(qiáng)度和硬度（YL12合金的強(qiáng)度為470MPa），可以熱處理強(qiáng)化，但耐腐蝕性能較差。（3）超硬鋁超硬鋁是在硬鋁型鋁-銅-鎂系合金基礎(chǔ)上在加入4~6%的鋅，形成鋁-鋅-鎂-銅系高強(qiáng)度合金。超硬鋁可作各種結(jié)構(gòu)件。（4）鍛鋁鍛鋁合金除要求有一定的力學(xué)性能和抗蝕性外，還要求在熱態(tài)下具有高的塑性，以便用來鍛造各種鍛件或沖壓件。鍛鋁大多含有銅、鎂、硅等元素。鍛后經(jīng)淬火加時(shí)效處理其強(qiáng)度隨含銅量的增加而升高，但熱塑性和抗蝕性則降低。在鍛造鋁合金中加入鐵和鎳，可提高合金的使用溫度，稱為耐熱鍛造鋁合金。4）鑄造鋁合金鑄造鋁合金是指直接用來澆注各種形狀機(jī)械零件的鋁合金。其合金元素含量一般高于形變鋁合金。特點(diǎn)：合金流動性好，塑性差，經(jīng)變質(zhì)處理和熱處理后可提高力學(xué)性能。分類：鋁-硅系合金（又稱硅鋁明）、鋁-銅系合金、鋁-鋅系合金、鋁-鎂系合金等。二、銅及銅合金1、純銅純銅又稱紫銅，熔點(diǎn)1083℃，密度8.9g/cm3，呈面心立方晶格。特點(diǎn)：a）具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；b）在許多介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性很高，大氣中耐腐蝕；c）抗拉強(qiáng)度不高（ób=200~250MPa），塑性很好（?=45~50%）。冷加工可大大提高銅的強(qiáng)度和硬度，但塑性和導(dǎo)電性降低。2、銅合金銅合金分為黃銅、白銅和青銅三類。1）黃銅以鋅為主加合金元素的銅基合金稱為黃銅。當(dāng)黃銅中還含有除鋅以外的其它合金元素（Pb、Sn、Mn等）時(shí)屬于特殊黃銅。特點(diǎn)：a）具有良好的力學(xué)性能、加工成型性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；b）色澤美麗、價(jià)格較低。黃銅分普通黃銅和特殊黃銅兩大類。按生產(chǎn)工藝特點(diǎn)又分為變形黃銅和鑄造黃銅。黃銅是重有色金屬中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。2）白銅以鎳為主要合金元素的銅基合金稱為白銅。再加入其它合金元素（如Zn、Mn、Fe等）時(shí)稱為復(fù)雜白銅。特點(diǎn)：具有很高的耐蝕性，優(yōu)良的冷、熱加工性。應(yīng)用：廣泛用于制造精密儀器、儀表、化工機(jī)械及醫(yī)療器械中的關(guān)鍵零件。3）青銅除黃銅、白銅以外的銅合金均稱青銅。分類：錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。（1）錫青銅以錫為主加合金元素，特點(diǎn)是耐蝕、耐磨、強(qiáng)度高、塑性好。（2）鋁青銅以鋁為主加合金元素，特點(diǎn)是具有良好的力學(xué)性能，耐蝕性和耐磨性好，并能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。（3）鈹青銅以鈹為主加合金元素的銅基合金稱為鈹青銅。特點(diǎn)：a）能通過熱處理強(qiáng)化，有很高的強(qiáng)度、硬度、疲勞極限和彈性