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http://___.docin.com/sundae_meng第1章工程材料各类机电产品,大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过__制成的零件构成的工程材料分金属材料和非金属材料,其中金属材料是工程中应用最广泛的本章主要介绍金属材料的力学性能、__、热处理工艺等基本知识,以及常用金属材料和非金属材料的应用知识1.1金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能,它包括力学性能(强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等)、物理性能(密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等)和化学性能(耐蚀性、抗氧化性等)工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中,适应各种__工艺(如冶炼、铸造、冷热压力__、焊接、切削__、热处理等)应具备的性能金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据1.1.1强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定1.拉伸试样拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类图
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1.1(a)所示为圆柱形拉伸试样在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径,ℓ0为试样的标距长度,根据标距长度和直径之间的关系,试样可分为长试样(ℓ0=10d0)和短试样(ℓ0=5d0)2.拉伸曲线试验时将试样两端夹装在试验机的上下夹头上随后缓慢地增加载荷随着载荷的增加试样逐步变形而伸长直到被拉断为止在试验过程中,试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量Δℓ,并给出了它们之间的关系曲线,故称为拉伸曲线(或拉伸图)拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性图
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1.1b为低碳钢的拉伸曲线由图可见,低碳钢试样在拉伸过程中,可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段图
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1.1拉伸试样与拉伸曲线a拉伸试样b拉伸曲线当载荷不超过Fp时,拉伸曲线OP为一直线,即试样的伸长量与载荷成正比地增加,如果卸除载荷,试样立即恢复到原来的尺寸,即试样处于弹性变形阶段载荷在Fp-Fe间,试样的伸长量与载荷已不再成正比关系,但若卸除载荷,试样仍然恢复到原来的尺寸,故仍处于弹性变形阶段当载荷超过Fe后,试样将进一步伸长,但此时若卸除载荷,弹性变形消失,而有一部分变形却不能消失,即试样不能恢复到原来的长度,称为塑性变形或永久变形当载荷增加到Fs时,试样开始明显的塑性变形,在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段,这种现象称为屈服当载荷继续增加到某一最大值Fb时,试样的局部截面缩小,产生了颈缩现象由于试样局部截面的逐渐减少,故载荷也逐渐降低,当达到拉伸曲线上的k点时,试样就被拉断3.强度强度是指金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力
(1)弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限,用符号σe表示Feσe=————Ao式中Fe——试样产生弹性变形时所承受的最大载荷;Ao——试样原始横截__
(2)屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度,用符号σs表示Fsσs=————Ao式中Fs——试样屈服时的载荷;Ao——试样原始横截__生产中使用的某些金属材料,在拉图
1.
1.2屈服强度测定伸试验中不出现明显的屈服现象,无法确定其屈服点σs所以国标中规定,以试样塑性变形量为试样标距长度的
0.2%时材料承受的应力称为“条件屈服强度”并以符号σ
0.2表示σ
0.2的确定方法如图
1.
1.2所示在拉伸曲线横坐标上截取C点,使OC=
0.2%ℓ0,过C点作OP斜线的平行线,交曲线于S点,则可找出相应的载荷F
0.2从而计算出σ
0.2
(3)抗拉强度(又称强度极限)金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度,用符号σb表示Fbσb=————Ao式中Fb——试样在断裂前的最大载荷;Ao——试样原始横截__脆性材料没有屈服现象,则用σb作为设计依据1.1.2塑性金属材料在载荷作用下,产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性常用的塑性指标有伸长率(δ)和断面收缩率()1.伸长率试样拉断后,标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率,用表示ℓ1ℓ0δ=—————×100%ℓ0式中ℓ0——试样原标距长度mm;ℓl——试样拉断后标距长度mm材料的伸长率随标距长度增加而减少所以,同一材料短试样的伸长率5大于长试样的伸长率102.断面收缩率试样拉断后,标距横截__的缩减量与原横截__的百分比称为断面收缩率,用表示A0A1=——————×100%A0式中A0——试样原横截__mm;A1——试样拉断后最小横截__mm;、是衡量材料塑性变形能力大小的指标,、大,表示材料塑性好,既保证压力__的顺利进行,又保证机件工作时的安全可靠金属材料的塑性好坏,对零件的__和使用都具有重要的实际意义塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺,而且在使用时万一超载,由于塑性变形,能避免突然断裂
1.
1.3硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标它是指金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力,是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标目前生产上应用最广的静负荷压入法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度1.布氏硬度布氏硬度试验原理如图
1.
1.3所示它是用一定直径的钢球或硬质合金球,以相应的实验力压入试样表面,经规定的保持时间后,卸除试验力,用读数显微镜测量试样表面的压痕直径布氏硬度值HBS或HBW是试验力F除以压痕球形表__所得的商,即式中F——压入载荷N;A——压痕表__mm2;d——压痕直径mm;D——淬火钢球或硬质合金球直径mm;布氏硬度值的单位为MPa一般情况下可不标出;压头为淬火钢球时,布氏硬度用符号HBS表示,适用于布氏硬度值在450以下的材料;压头为硬质合金球时,用HBW表示,适用于布氏硬度值在650以下的材料符号HBS或HBW之前为硬度值,符号后面按以下顺序用数值表示试验条件1球体直径;2试验力;3试验力保持时间10~15s不标注例如125HBSl0/1000/30表示用直径10mm淬火钢球在1000×
9.8N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为125;500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在750×
9.8N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500布氏硬度试验是在布氏硬度试验机上进行当F/D2的比值保持一定时,能使同一材料所得的布氏硬度值相同,不同材料的硬度值可以比较试验后用读数显微镜在两个垂直方向测出压痕直径,根据测得的d值查表求出布氏硬度值布氏硬度试验的优点是测出的硬度值准确可靠,因压痕__大,能消除因__不均匀引起的测量误差;布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系b=K·HBS或HBW(低碳钢K=
0.36,合金调质钢K=
0.325;灰铸铁K=
0.1布氏硬度试验的缺点是当用淬火钢球时不能用来测量大于450HBS的材料;用硬质合金球时,亦不宜超过650HBW;压痕大,不适宜测量成品件硬度,也不宜测量薄件硬度;测量速度慢,测得压痕直径后还需计算或查表图
1.
1.3布氏硬度实验原理图图
1.
1.4洛氏硬度实验原理图2.洛氏硬度以顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头以规定的试验力使其压入试样表面,根据压痕的深度确定被测金属的硬度值如图
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1.4所示当载荷和压头一定时,所测得的压痕深度hh3-h1愈大,表示材料硬度愈低,一般来说人们习惯数值越大硬度越高为此,用一个常数K对HRCK为
0.2;HRB,K为
0.26减去h,并规定每
0.002mm深为一个硬度单位,因此,洛氏硬度计算公式是根据所加的载荷和压头不同,洛氏硬度值有三种标度HRA、HRB、HRC,常用HRC,其有效值范围是20-67HRC洛氏硬度是在洛氏硬度试验机上进行,其硬度值可直接从表盘上读出根据国标GB230-83和ISO推荐标准R80规定,洛氏硬度符号HR前面的数字为硬度值,后面的字母表示级数如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60洛氏硬度试验操作简便、迅速,效率高,可以测定软、硬金属的硬度;压痕小,可用于成品检验但压痕小,测量__不均匀的金属硬度时,重复性差,而且不同的硬度级别测得硬度值无法比较3.维氏硬度维氏硬度试验原理与布氏硬度相同,同样是根据压痕单位__上所受的平均载荷计量硬度值,不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136°的正四棱锥体,如图
1.
1.5所示维氏硬度试验是在维氏硬度试验机上进行试验时,根据试样大小、厚薄选用5~120×
9.8N载荷压入试样表面,保持一定时间后去除载荷,用附在试验机上测微计测量压痕对角线长度d然后通过查表或根据下式计算维氏硬度值HV=F/A=
1.8544×
0.102×F/d2MPa式中A——压痕的__mmd——压痕对角线的长度mm;F——试验载荷N根据国标GB4340-84和ISO推荐标准R81规定维氏硬度符号HV前是硬度值,符号HV后附以试验载荷如640HV30/20表示在30×
9.8N作用下保持20s后测得的维氏硬度值为640图
1.
1.5维氏硬度实验原理图维氏硬度的优点是试验时加载小,压痕深度浅,可测量零件表面淬硬层,测量对角线长度d误差小,其缺点是生产率比洛氏硬度试验低,不宜于成批生产检验1.1.4冲击韧性生产中许多机器零件,都是在冲击载荷载荷以很快的速度作用于机件下工作试验表明,载荷速度增加,材料的塑性、韧性下降,脆性增加,易发生突然性破断因此,使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量,而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力,即冲击韧性来衡量目前应用最普遍的是一次摆锤弯曲冲击试验将标准试样放在冲击试验机的两支座上,使试样缺口背向摆锤冲击方向图
1.
1.6,然后把质量为m的摆锤提升到h1高度,摆锤由此高度下落时将试样冲断并升到h2高度因此冲断试样所消耗的功为Ak=mgh1-h2金属的冲击韧性ak就是冲断试样时在缺口处单位__所消耗的功即ak=Ak/AJ/cm2式中ak——冲击韧性J/cm2;A——试样缺口处原始截__cm2;Ak——冲断试样所消耗的功J图
1.
1.6冲击试验原理1-支座2-试样3-指针4-摆锤冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出Ak值的大小,代表了材料的冲击韧性高低材料的冲击韧性值除了取决于材料本身之外,还与环境温度及缺口的状况密切相关所以,冲击韧性除了用来表征材料的韧性大小外,还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度,也用来考查材料对于缺口的敏感性
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1.5疲劳强度许多机械零件是在交变应力作用下工作的,如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度但在长时间运转后也会发生断裂这种现象叫疲劳断裂它与静载荷下的断裂不同,断裂前无明显塑性变形因此具有更大的危险性交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述(图
1.
1.7)疲劳曲线表明,当应力低于某一值时,即使循环次数无穷多也不发生断裂,此应力值称为疲劳强度或疲劳极限光滑试样的对称弯曲疲劳极限用σ-1表示在疲劳强度的测定中,图
1.
1.7钢的疲劳曲线不可能把循环次数作到无穷大,而是规定一定的循环次数作为基数,超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏常用钢材的循环基数为107,有色金属和某些超__度钢的循环基数为108疲劳破断常发生金属材料最薄弱的部位,如热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹;钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中,使疲劳强度下降为了提高疲劳强度__时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理,如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等,使零件表层产生残余的压应力,以抵消零件工作时的一部分拉应力,从而使零件的疲劳强度提高1.2铁碳合金1.2.1金属的晶体结构与结晶1.晶体的基本概念
(1)晶体自然界中的固态物质,虽然外形各异、种类繁多,但都是由原子或分子堆积而成的根据内部原子堆积的情况,通常可以分为晶体和非晶体两大类晶体中的原子或分子,在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性的重复排列;非晶体中的这些质点,则是杂乱无章的堆积在一起无规则可循这就是晶体和非晶体的根本区别晶体有一定的熔点且性能呈各向异性,而非晶体与此相反在自然界中,除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外,包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体
(2)晶格、晶胞、晶格常数图1.2.1晶体结构示意图为了清楚地表明原子在空间的排列规则,可以把原子看成是一个几何质点,把原子之间的相互__与作用假想为几何直线,这样一来晶体结构就可以直接用几何学来讨论了这种用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格图1.2.1b是简单立方晶格的示意图晶体中原子排列规律是具有明显的周期性变化因此在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元,称之为晶胞图1.2.1c是一个简单立方晶格的晶胞示意图晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格因此,晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征在晶体学中,用来描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数包括晶胞的三个棱边a、b、c和三个棱边夹角α、β、γ共六个参数2.常见金属的晶体结构
(1)体心立方晶格体心立方晶胞如图1.2.2(a)(b)所示在晶胞的八个角上各有一个金属原子,构成立方体在立方体的中心还有一个原子,所以叫作体心立方晶格属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等图1.2.2体心立方晶格图1.2.3面心立方晶格
(2)面心立方晶格面心立方晶格如图1.2.3(a)(b)所示在晶胞的八个角上各有一个原子,构成立方体在立方体的六个面的中心各有一个原子,所以叫做面心立方晶格属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和r-铁等
(3)密排六方晶格图1.2.4密排六方晶格密排六方晶格如图1.2.4(a)(b)所示在晶胞的十二个角上各有一个原子,构成六方柱体上下底面中心各有一个原子晶胞内部还有三个原子,所以叫做密排六方晶格属于这类晶格的金属有铍、、锌、α-钛和β-铬等3.金属的实际晶体结构
(1)单晶体与多晶体的概念把晶体看成有原子按一定几何规律作周期性排列而成,即晶体内部的晶格位向是完全一致的,这种晶体称为单晶体,如图1.2.5a所示在工业生产中,只有经过特殊制作才能获得单晶体,如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等而一般的金属材料,即使一块很小的金属中也含有许多颗粒状小晶体,每个小晶体内部的晶格位向是一致的,而每个小晶体彼此间位向却不同,这种外形不规则的颗粒状小晶体通常称为晶粒晶粒与晶粒之间的界面称为晶界显然晶界处的原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡,总是不规则的图1.2.5单晶体与多晶体示意图这种实际上由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体如图1.2.5b所示单晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不相同,即为各向异性而实际金属是多晶体结构,故宏观上看就显示出各向同性的性能
(2)晶体中的缺陷晶体中原子完全为规则排列时,称为理想晶体实际上金属由于多种原因的影响,内部存在着大量的缺陷晶体缺陷的存在对金属的性能有着很大的影响这些晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类1)点缺陷最常见的点缺陷是空位和间隙原子,如图1.2.6所示因为这些点缺陷的存在,会使其周围的晶格发生畸变,引起性能的变化晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中,晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一,这对热处理过程起着重要的作用2)线缺陷晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象这种错排有许多类型,其中比较简单的一种形式就是刃型位错如图1.2.7所示位错密度愈大,塑性变形抗力愈大因此,目前通过塑性变形,提高位错密度,是强化金属的有效途径之一图1.2.6空位和间隙原子示意图图1.2.7刃型位错立体模型3)面缺陷面缺陷即晶界和亚晶界晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层,如图1.2.8所示实验证明,晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的,每个晶粒皆是有许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的,这些小晶块称为亚__亚__之间的边界称为亚晶界亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界,如图1.2.9所示晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度晶粒越细小晶界和亚晶界越多,它对塑性变形的阻碍作用就越大,金属的强度、硬度越高晶界还有耐蚀性低、熔点低,原子扩散速度较快的特点图1.2.8晶界的过渡结构示意图图1.2.9亚晶界结构示意图4.纯金属的结晶
(1)纯金属的冷却曲线和冷却现象金属由液态转变为固态晶体的过程叫做结晶了解金属由液态转变为固态晶体的过程是十分必要的现以纯金属为例说明如下纯金属由液态向固态的冷却过程,可用冷却过程中所测得的温度与时间的关系曲线—冷却转变曲线来表示,这种方法称热分析法所测得的结晶温度称为理论结晶温度(T0)在实际生产中,纯金属自液态冷却时,是有一定冷却速度,有时甚至很大,在这种情况下,纯金属的结晶过程是在T1温度进行的,如图图1.2.10纯金属冷却曲线1.2.10所示T1低于T0,这种现象称为“过冷”理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差△T(T0-T1)称为“过冷度”过冷度并不是一个恒定值,液体金属的冷却速度越大,实际结晶温度T1就越低,即过冷度△T就越大实际金属总是在过冷情况下进行结晶的,所以过冷是金属结晶的一个必要条件
(2)金属的结晶过程液态纯金属在冷却到结晶温度时,其结晶过程是先在液体中产生一批晶核,已形成的晶核不断长大,并继续产生新的晶核,直到全部液体转变成固体为止最后形成由外形不规则的许多小晶体所组成的多晶体(如图1.2.11所示)图1.2.11金属的结晶过程示意图在晶核开始长大的初期,因其内部原子规则排列的特点,其外形也是比较规则的随着晶核长大和晶体棱角的形成,棱角处散热条件优于其它部位,因此优先长大,如图1.2.12所示其生长方式,象树枝状一样,先长出枝干,然后再长出分枝,最后把晶间填满,得到的晶体称为树枝状晶体,简称为枝晶图1.2.12晶核长大示意图
(3)晶粒大小与金属力学性能的关系在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性生产中,细化晶粒的方法如下1)增加过冷度结晶时增加过冷度ΔT会使结晶后晶粒变细增加过冷度,就是要提高金属凝固的冷却转变速度实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度但是,对大型铸件,很难获得大的过冷度,而且太大的冷却速度,又增加了铸件变形与开裂的倾向因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒2)变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质(变质剂),在液相中起附加晶核的作用,使形核率增加,晶粒显著细化如往钢液中加入钛、锆、铝等3)附加振动金属结晶时,利用机械振动、超声波振动,电磁振动等方法,既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化,又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用,以增大形核率1.2.2合金的晶体结构合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质例如碳钢是铁和碳组成的合金组成合金的最基本的、__的物质称为组元,简称为元一般的说,组元就是组成合金的元素例如铜和锌就是黄铜的组元有时稳定的化合物也可以看作组元,例如铁碳合金中的Fe3C就可以看作组元通常,由两个组元组成的合金称为二元合金,由三个组元组成的合金称为三元合金相是指合金中成分、结构均相同的组成部分,相与相之间具有明显的界面通常把合金中相的晶体结构称为相结构,而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为__所以合金中的各种相是组成合金的基本单元,而合金__则是合金中各种相的综和体一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分,更取决于它的显微__通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下而改变其显微__,从而达到调整金属材料力学性能的目的根据构成合金的各组元之间相互作用的不同,固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类1.固溶体合金在固态下,组元间仍能互相溶解而形成的均匀相,称为固溶体形成固溶体后,晶格保持不变的组元称溶剂,晶格消失的组元称溶质固溶体的晶格类型与溶剂组元相同根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同,可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种
(1)置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体,称为置换固溶体,如图1.2.13a所示置换固溶体可分为有限固溶体和图1.2.13固溶体的两种类型无限固溶体两类形成置换固溶体时,溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者晶格类型、原子直径的差别和它们在周期表中的相互位置
(2)间隙固溶体溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体,如图1.2.1__所示由于晶格间隙通常都很小,所以都是有原子半径较小的非金属元素(如碳、氮、氢、硼、氧等)溶入过渡族金属中,形成间隙固溶体间隙固溶体对溶质溶解都是有限的,所以都是有限固溶体
(3)固溶体的性能由于溶质原子的溶入,固溶体发生晶格畸变,变形抗力增大,使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化它是强化金属材料的重要途径之一2.金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相,其晶格类型和性能不同于其中任一组元,又因它具有一定的金属性质,故称金属化合物如碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn等金属化合物大致可分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物金属化合物具有复杂的晶体结构,熔点较高,硬度高,而脆性大当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时,将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高,这一现象称为弥散强化因此金属化合物在合金中常作为强化相存在它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相1.2.3铁碳合金相图1.纯铁纯铁的熔点为1538℃纯铁的冷却转变曲线如图1.2.14所示液态纯铁在1538℃时结晶为具有体心立方晶格的-Fe,继续冷却到1394℃由体心立方晶格的-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe再冷却到912℃又由面心立方晶格的γ-Fe转变为体心立方晶格的-Fe,先后发生两次晶格类型的转变金属在固态下由于温度的改变而发生晶格类型转变的现象,称为同素异构转变同素异构转变有热效应产生,故在冷却曲线上,可看到在1394℃和912℃处出现平台纯铁在770℃时发生磁性转变在770℃以下的-Fe呈铁磁性,在770℃以上-Fe的磁性消失770℃称为居里点,用A2表示工业纯铁虽然塑性好,但强度低,所以很少用它制造机械零件在工业上应用最广的是铁碳合金2.铁碳合金基本相铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶;在固态时根据碳的质量分数不同,图1.2.14纯铁的冷却曲线碳可以溶解在铁中形成固溶体,也可以与铁形成化合物,或者形成固溶体与化合物组成的机械混合物因此,铁碳合金在固态下有以下几种基本相
(1)铁素体碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,常用符号F表示铁素体仍保持-Fe的体心立方晶格,碳溶于-Fe的晶格间隙中由于体心立方晶格原子间的空隙较小,碳在-Fe中的溶解度也较小,在727℃时,溶碳能力为最大c=
0.0218%,随着温度降低,-Fe中的碳的质量分数逐渐减少,在室温时降到
0.0008%铁素体的力学性能与工业纯铁相似,即塑性、韧性较好,强度、硬度较低图1.2.15为铁素体的显微__
(2)奥氏体碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号A表示奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格由于面心立方晶格间隙较大,故奥氏体的溶碳能力较强在___8℃时溶碳能力为最大c=
2.11%,随着温度下降,γ-Fe中的碳的质量分数逐渐减少,在727℃时碳的质量分数为
0.77%奥氏体是一个硬度较低塑性较高的相,适用于锻造是绝大多数钢热成形所要求加热到奥氏体状态
(3)渗碳体铁与碳形成的金属化合物Fe3C称为渗碳体,用Fe3C表示渗碳体中的c=
6.69%,熔点为1227℃,是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物渗碳体的硬图1.2.15铁素体的显微__度很高,但塑性和韧性几乎等于零渗碳体是钢中主要强化相,在铁碳合金中存在形式有粒状、球状、网状和细片状其形状、数量、大小及分布对钢的性能图1.2.16Fe-Fe3C相图有很大的影响渗碳体是一种亚稳定相,在一定的条件下会分解,形成石墨状的自由碳和铁Fe3C→3Fe十C石墨,这一过程对铸铁具有重要的意义3.铁碳合金相图分析碳的质量分数>
6.69%的铁碳合金脆性极大,没有使用价值另外,Fe3C中的碳的质量分数为
6.69%,是个稳定的金属化合物,可以作为一个组元,因此研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图,如图1.2.16所示
(1)铁碳合金相图分析相图中的AC和CD线为液相线,AE和ECF线为固相线相图中有四个单相区液相区L、奥氏体区A、铁素体区F、渗碳体区Fe3CFe-Fe3C相图主要特征点及含义见表1.2.1所示表1.2.1Fe-Fe3C相图中特征点符号温度/℃碳的含量c100说明A15380纯铁的熔点C___
84.3共晶点D
12276.69渗碳体熔点E___
82.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F___
86.69渗碳体的成分G9120-Fe、γ-Fe同素异构转变点K
7276.69渗碳体的成分P
7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S
7270.77共析点Q室温
0.0008碳在-Fe中的溶解度相图由共晶、共析转变组成1)c=
2.11~
6.69%的铁碳合金,缓冷至1148℃ECF共晶线都发生共晶转变Lc→AE十Fe3C转变的产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物,称为莱氏体Ld2)c>
0.0218%的铁碳合金,缓冷至727℃PSK共析线都发生共析转变As→Fp十Fe3C转变的产物是铁素体和渗碳体的机械混合物,称为珠光体P共析温度以A1表示铁碳合金中还有三条重要的特性线1)ES线它是碳在奥氏体中溶解度曲线在1148℃时,奥氏体中碳的质量分数为
2.11%,而在727℃时,奥氏体中碳的质量分数为
0.77%故凡是碳的质量分数>
0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃时,都会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体,称为二次渗碳体Fe3CIIES线又称Acm线2)PQ线它是碳在铁素体中的溶解度曲线在727℃时,铁素体中的碳的质量分数为
0.0218%,而在室温时,铁素体中碳的质量分数为
0.0008%故一般铁碳合金由727℃冷至室温时,将由铁素体中析出渗碳体,称为三次渗碳体Fe3CIII在碳的质量分数较高的合金中,因其数量极少可忽略不计3)GS线它是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线,通常称为A3线
(2)铁碳合金的分类按其碳的质量分数和显微__的不同,铁碳合金相图中的合金可分成工业纯铁、钢和白口铸铁三大类1工业纯铁c<
0.0218%2钢
0.0218%<c<
2.11%钢又分为:
①亚共析钢
0.0218%<c<
0.77%;
②共析钢c=
0.77%;
③过共析钢
0.77%<c<
2.11%3白口铸铁
2.11%<c<
6.69%白口铸铁又分为
①亚共晶白口铸铁
2.11%<c<
4.3%;
②共晶白口铸铁:c=
4.3%;
③过共晶白口铸铁:
4.3%<c<
6.69%4.典型铁碳合金的结晶过程及其__下面以图1.2.
17、图1.2.21所示的几种典型的铁碳合金为例,分析其平衡结晶过程
(1)共析钢c=
0.77%图1.2.17钢部分的典型铁碳合金的结晶过程分析示意图图1.2.17中合金Ⅰ,1点温度以上为L,在1~2点温度之间从L中不断结晶出A,缓冷至2点以下全部为A,2~3点之间为A冷却,缓冷至3点时A发生共析转变(As→P)生成P该合金的室温__为P,其冷却曲线和平衡结晶过程如图1.2.17所示,显微__如图1.2.18所示
(2)亚共析钢(
0.0218%<c<
0.77%)图1.2.17中合金Ⅱ,1点温度以上为L,在1~2点温度之间从L中不断结晶出A,冷至2点以下全部为A,2~3点之间为A冷却,3~4点之间A不断转变成F,缓冷至4点时,剩余的A成分为c=
0.77%,发生共析反应(As→P)生成P该合金的室温平衡__为F十P,其冷却曲线和平衡结晶过程如图1.2.17所示,显微__如图1.2.19所示
(3)过共析钢
0.77%<c<
2.11%)图1.2.17中合金Ⅲ,1点温度以上为L,在1~2点温度间从L中不断结晶出A,2~3点为A冷却,3~4点间从A中不断析出沿A晶界分布,呈网状的Fe3CII,缓冷至4时,剩余的A成分为c=
0.77%,发生共析转变(As→P)生成P该合图1.2.18共析钢的显微__图1.2.19亚共析钢的显微__图1.2.20过共析钢的显微__金室温平衡__为P十Fe3CII,其冷却曲线及平衡结晶过程如图1.2.17所示,显微__如图1.2.20所示4共晶白口铸铁c=
4.3%图1.2.21中合金Ⅳ,1点温度以上为L,缓冷至1点温度(1148℃)时,L发生共晶转变Lc→AE十Fe3C生成莱氏体Ld,在1~2点之间时,Ld中A的碳的质量分数沿ES线逐渐减少而不断析出Fe3CII当缓冷至2点时,共晶A成分降图1.2.22白口铸铁部分的典型铁碳合金的结晶过程分析示意图图1.2.22共晶白口铸铁显微__图1.2.23亚共晶白口铸铁显微__为wc=
0.77%,发生共析转变(As→P)生成P该合金的室温平衡__是由P和Fe3C组成的共晶体,加少量Fe3CII称为低温莱氏体或变态莱氏体L′d其冷却曲线及平衡结晶过如图1.2.21所示,显微__如图1.2.22所示5亚共晶白口铸铁
2.11%<c<
4.3%=图1.2.21中合金Ⅴ,1点温度以上为L,在1~2点间不断自L中结晶出A,温度降至2点时,剩余L相的成分达到共晶成分,发生共晶转变Lc→AE十Fe3C形成莱氏体,冷却2点以下,自初晶A和共晶A中析出Fe3CII,所以A中的碳的质量分数沿ES线降低当温度达到3点时,A成分为wc=
0.77%,发生共析转变(As→P)生成P该合金的室温平衡__为P十Fe3CII+L′d,其冷却曲线及平衡结晶过程如图1.2.21所示显微__如图1.2.23所示6过共晶白口铸铁
4.3%<c<
6.69%=图1.2.21中合金Ⅵ,1点温度以图1.2.24过共晶白口铸铁显微__上为L,在1~2点间不断自L中结晶出Fe3C,温度降至2点时,剩余L相的成分达到共晶成分,发生共晶转变Lc→AE十Fe3C生成Ld,在2~3点中,共晶A中析出Fe3CII,到3点时A成分为wc=77%发生共析转变(As→P)生成P,此合金的室温平衡__为Fe3C十L′d其冷却曲线及平衡结晶过程如图1.2.21所示,其显微__如图1.2.24所示5.碳的质量分数对铁碳合金__、性能的影响
(1)碳的质量分数对平衡__的影响由Fe-Fe3C相图可知随着碳的质量分数的增加,铁碳合金显微__发生如下变化F→F十Fe3CIII→F十P→P→P+Fe3CII→P十Fe3CII十L′d→L′d→L′d十Fe3C从图中看出,当碳的质量分数增加时,不仅__中Fe3C相对量增加,而且Fe3C大小、形态和分布也随之发生变化,即由分布在F晶界上如Fe3CIII,变为分布在F的基体内如P,进而分布在原A的晶界上如Fe3CII,最后形成L′d时,Fe3C已作为基体出现,即碳的质量分数不同的铁碳合金具有不同的__,因此它们具有不同的性能
(2)碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对钢的力学性能影响如图1.2.25所示由于硬度对__形态不敏感所以钢中碳的质量分数增加,高硬度的Fe3C增加,低硬度的F减少,故钢的硬度呈直线增加,而塑性、韧性不断下降又由于强度对__形态很敏感在亚共析钢中,随着碳的质量分数增加强度高的P增加,强度低的F减少,因此强度随碳的质量分数的增加而升高当碳的质量分数为
0.77%时,钢的__全部为P,P的__越细密,则强度越高但当碳的质量分数为
0.77<c<
0.9%时,由于强度很低的、少量的、一般未连成网状的Fe3CII沿晶界出现,所以合金的强度增加变慢;当c>
0.9%时Fe3CII数量增加且呈网状分布在晶界处,导致钢的强度明显下降
(3)碳的质量分数对工艺性能的影响1)切削__性金属的切削__性能是指其经切削__成工件的难易程度低碳钢中F较多,塑性图1.2.25碳的质量分数对钢的力学性能影响好,切削__时产生切削热大,易粘刀,不易断屑,表面粗糙度差,故切削__性差高碳钢中Fe3C多,刀具磨损严重,故切削__性也差中碳钢中F和Fe3C的比例适当,切削__性较好在高碳钢Fe3C呈球状时,可改善切削__性2)可锻性金属可锻性是指金属压力__时,能改变形状而不产生裂纹的性能当钢加热到高温得到单相A__时,可锻性好低碳钢中铁素体多可锻性好,随着碳的质量分数增加金属可锻性下降白口铸铁无论在高温或低温,因__是以硬而脆的Fe3C为基体,所以不能锻造3)铸造性能合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离距离越大,合金的铸造性能越差低碳钢的液相线与固相线距离很小,则有较好的铸造性能,但其液相线温度较高,使钢液过热度较小,流动性较差随着碳的质量分数增加,钢的结晶温度间隔增大,铸造性能变差共晶成分附近的铸铁,不仅液相线与固相线的距离最小,而且液相线温度也最低,其流动性好,铸造性能好4)可焊性随着钢中的碳的质量分数增加,钢的塑性下降,可焊性下降所以,为了保证获得__焊接接头,应优先选用低碳钢碳的质量分数<
0.25%的钢)6.铁碳合金相图的应用1)选材料方面的应用根据铁碳合金成分、__、性能之间的变化规律,可以根据零件的服役的条件来选择材料如要求有良好的焊接性能和冲压性能的机件,应选用__中铁素体较多、塑性好的低碳钢c<
0.25%制造,如冲压件、桥梁、船舶和各种建筑结构;对于一些要求具有综合力学性能强度、硬度和塑性、韧性都较高的机器构件,如齿轮、传动轴等应选用中碳钢c=
0.25%~
0.6%制造;高碳钢c>
0.6%主要用来制造弹性零件及要求高硬度、高耐磨性的工具、磨具、量具等;对于形状复杂的箱体、机座等可选用铸造性能好的铸铁来制造2)制定热__工艺方面的应用在铸造生产方面,根据Fe-Fe3C相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度浇注温度一般在液相以上150℃左右另外,从相图中还可看出接近共晶成分的铁碳合金,熔点低、结晶温度间隔小,因此它们的流动性好,分散缩孔少,可得到__致密的铸件所以,铸造生产中,接近共晶成分的铸铁得到较广泛的应用在锻造生产方面,钢处于单相奥氏体时,塑性好,变形抗力小,便于锻造成型因此,钢材的热轧、锻造时要将钢加热到单相奥氏体区一般碳钢的始锻温度为1250℃~1150℃,而终锻温度在800℃左右在焊接方面,可根据Fe-Fe3C相图分析低碳钢焊接接头的__变化情况各种热处理方法的加热温度的选择也需参考Fe-Fe3C相图,这将在后续章节详细讨论必须指出,铁碳合金相图___明快速加热和冷却时铁碳合金__的变化规律相图中各相的相变温度都是在所谓的平衡(即非常缓慢地加热和冷却)条件下得到的另外,通常使用的铁碳合金中,除含铁、碳两元素外,尚有其他多种杂质或合金元素,这些元素对相图将有影响,应予以考虑1.2.4碳素钢、铸铁1.碳素钢
(1)碳素钢分类按碳的质量分数又可分为低碳钢c<
0.25%);中碳钢c=
0.25%~
0.60%;高碳钢c>
0.60%按钢的冶金质量和钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数分普通质量钢s=
0.035%~
0.050%,p=
0.035%~
0.045%;__钢s、p均≤
0.035%;高级__钢s=
0.020%~
0.030%,p=
0.025%~
0.030%按用途分类结构钢、工具钢
(2)钢的编号1碳素结构钢碳素结构钢牌号表示方法由代表屈服点屈字的汉语拼音字母、屈服极限数值、质量等级符号及脱氧方法符号四个部分按顺序组成牌号中Q表示“屈”;A、B、C、D表示质量等级,它反映了碳素钢结构中有害杂质(S、P)质量分数的多少,(C、D)级硫、磷质量分数最低、质量好,可作重要焊接结构件例如Q235AF,即表示屈服点为235N/mm
2、A等级质量的沸腾钢F、b、Z、TZ依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢,一般情况下符号Z与TZ在牌号表示中可省略2__碳素结构钢其牌号用两位数字表示,两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍例如45钢,表示平均c=
0.45%;08钢表示平均c=
0.08%__碳素结构钢按锰的质量分数不同,分为普通锰钢Mn=
0.25%~
0.80%与较高锰的钢Mn=
0.70%~
1.20%两组较高锰的__碳素结构钢牌号数字后加“Mn”,如45Mn3碳素工具钢其牌号冠以“T”“T”为“碳”字的汉语拼音首位字母,后面的数字表示平均碳的质量分数的千倍碳素工具钢分__和高级__两类若为高级__钢,则在数字后面加“A”字例如T8A钢,表示平均c=
0.8%的高级__碳素工具钢对含较高锰的Mn=
0.40%~
0.60%的碳素工具钢,则在数字后加“Mn”,如T8Mn、T8MnA等4铸造碳钢其牌号用“ZG”代表铸钢二字汉语拼音首位字母,后面第一组数字为屈服强度单位N/mm2,第二组数字为抗拉强度单位N/mm2例如ZG200-400,表示屈服强度σs或σ
0.2≥200N/mm2,抗拉强度σb≥400N/mm2的铸造碳钢件
(3)碳素结构钢碳素结构钢的硫、磷含量较多,但由于冶炼容易,工艺性好,__便宜,在力学性能上一般能满足普通机械零件及工程结构件的要求,因此用量很大,约占钢材总量的70%表1.2.2为碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应其中牌号Q195与Q275碳素结构钢是不分质量等级的,出厂时既保证力学性能,又保证化学成分而Q
215、Q
235、Q255牌号的碳素结构钢,当质量等级为“A”、“B”级时,只保证力学性能,化学成分可根据需方要求作适当调整;而Q235的“C”、“D”级,则力学性能和化学成分都应保证D级(s≤
0.035%,p≤
0.035%)质量等级最高,达到了碳素结构钢的__级Q195钢的碳的质量分数很低,塑性好常用作螺钉、螺母及各种薄板,也可用来代替__碳素结构钢08或10钢,制造冲压件、焊接结构件Q275钢强度较高,可代替30钢、40钢用于制造较重要的某些零件,以降低原材料成本
(4)__碳素结构钢__碳素结构钢S、P含量较低,非金属夹杂物也较少,因此机械性能比碳素结构钢优良,被广泛用于制造机械产品中较重要的结构钢零件,为了充分发挥其性能潜力,一般都是在热处理后使用__碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途见表1.2.308F、10F钢的碳的质量分数低,塑性好,焊接性能好,主要用于制造冲压件和焊接件
15、
20、25钢属于渗碳钢,这类钢强度较低,但塑性和韧性较高,焊接性能及冷冲压性能较好可以制造各种受力不大,但要求高韧性的零件;此外还可用作冷冲压件和焊接件渗碳钢经渗碳、淬火十低温回火后,表面硬度可达60HRC以上,耐磨性好,而心部具有一定的强度和韧性,可用来制作要求表面耐磨并能承受冲击载荷的零件
30、
35、
40、45,
50、55钢属于调质钢,经淬火十高温回火后,具有良好的综合力学性能,主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件,如轴类零件,这类钢在机械制造中应用最广泛,其中以45钢更为突出
60、65,70钢属于弹簧钢,经淬火十中温回火后可获得高的弹性极限、高的屈强比,主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件__碳素结构钢中较高锰的一组牌号15Mn~70Mn,其性能和用途与普通锰的一组对应牌号相同,但其淬透性略高5碳素工具钢这类钢的碳的质量分数为c=
0.65%~
1.35%,分__碳素工具钢与高级__碳素工具钢两类牌号后加“A”的属高级__s≤0.020%,p≤0.030%;对平炉冶炼的钢,s≤0.025%这类钢的牌号、成分及用途列表1.2.4表1.2.4碳素工具钢的牌号、化学成分及用途牌号化学成分Me×100退火状态HBS不大于试样淬火
①HRC不小于用途举例CSiMnT7T7A
0.65~
0.74≤
0.35≤
0.40187800~820℃水62承受冲击,韧性较好、硬度适当的工具,如扁铲、手钳、大锤、旋具、木工工具T8T8A
0.75~
0.84≤
0.35≤
0.40187780~800℃水62承受冲击,要求较高硬度的工具,如冲头、压缩空气工具、木工工具T8MnT8MnA
0.80~
0.90≤
0.
350.40~
0.60187780~800℃水62同T8,但淬透性较大,可制断面较大的工具T9T9A
0.85~
0.94≤
0.35≤
0.40192760~780℃水62韧性中等,硬度高的工具,如冲头、木工工具,凿岩工具T10T10A
0.95~
1.04≤
0.35≤
0.40197760~780℃水62不受剧烈冲击、高硬度耐磨的工具,如车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条、小型冷冲模T11T11A
1.05~
1.14≤
0.35≤
0.40207760~780℃水62不受剧烈冲击,高硬度耐磨的工具,如车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条T12T12A
1.15~
1.24≤
0.35≤
0.40207760~780℃水62不受冲击,要求高硬度高耐磨的工具,如锉刀、刮刀、精车刀、丝锥、量具T13T13A
1.25~
1.35≤
0.35≤
0.40217760~780℃水62同T12,要求更耐磨的工具,如刮刀、剃刀
①淬火后硬度不是指用途举例中各种工具的硬度,而是指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度此类钢在机械__前一般进行球化退火,__为铁素体基体十细小均匀分布的粒状渗碳体,硬度≤217HBS作为刃具,最终热处理为淬火十低温回火,__为回火马氏体十粒状渗碳体十少量残余奥氏体其硬度可达60~65HRC,耐磨性和__性都较好,__又便宜,生产上得到广泛应用碳素工具钢的缺点是红硬性差,当刃部温度高于250℃时,其硬度和耐磨性会显著降低此外,钢的淬透性也低,并容易产生淬火变形和开裂因此,碳素工具钢大多用于制造刃部受热程度较低的手用工具和低速、小进给量的机用工具,亦可制作尺寸较小的模具和量具
(6)铸造碳钢铸造碳钢一般用于制造形状复杂、机械性能要求比铸铁高的零件,例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等,这种机件,用锻造方法难以生产,用铸铁又无法满足性能要求,只能用碳钢采用铸造方法生产铸造碳钢中碳的质量分数一般为c=
0.15%~
0.60%碳的质量分数过高则塑性差,易产生裂纹一般工程用铸造碳钢件的牌号、成分和力学性能见表1.2.5铸造碳钢的特性及用途举例表1.2.5一般工程用铸造碳钢件的牌号、成分和力学性能牌号主要化学成分ωMe×100室温力学性能≥CSiMnPSσs或σ
0.2/N·mm-2σb/N·mm-2δ×100ψ×100AKV/JZG200~
4000.
200.
500.
800.04200400254047ZG230~
4500.
300.
500.
900.04230450223235ZG270~
5000.
400.
500.
900.04270500182527ZG310~
5700.
500.
600.
900.04310570152124ZG340~
6400.
600.
600.
900.043406401018161ZG200-400有良好的塑性、韧性和焊接性能用于制作承受载荷不大,要求韧性的各种机械零件,如机座、变速箱壳等2ZG230-450有一定的强度和较好的塑性、韧性,焊接性能良好,切削__性尚可用于制作承受载荷不大,要求韧性的各种机械零件,如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体、犁柱等3ZG270-500有较高的强度和较好的塑性,铸造性能良好,焊接性能尚好,切削__性佳,用途广泛,用于制作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、缸体等4ZG310-570强度和切削__性良好,塑性和韧性较低,用于制作承受载荷较高的各种机械零件,如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等5ZG340-640有高的强度、硬度和耐磨性,切削__性中等,焊接性能较差,流动性好,裂纹敏感性较大,可用制作齿轮、棘轮等2.铸铁铸铁是ωc≥
2.11%的铁碳合金,合金中含有较多的硅、锰等元素,使碳在铸铁中大多数以石墨形式存在铸铁具有优良的铸造性能、切削__性、减摩性与消震性和低的缺口敏感性,而且熔炼铸铁的工艺与设备简单、成本低目前,铸铁仍然是工业生产中最重要工程材料之一根据铸铁中石墨形态铸铁可分为灰口铸铁(石墨以片状形式存在)、球墨铸铁(石墨以球状形式存在)、蠕墨铸铁(石墨以蠕虫状形式存在)、可锻铸铁(石墨以团絮状形式存在)
(1)灰口铸铁灰口铸铁化学成分的—般范围是ωc=
2.5%~
4.0%,ωSi=
1.0%~
2.2%,ωMn=
0.5%~
1.3%,ωs≤
0.15%,ωp≤
0.3%灰口铸铁__由金属基体和片状石墨两部分组成的其基体可分为珠光体、珠光体十铁素体、铁素体三种1)灰口铸铁的性能灰口铸铁的力学性能主要取决于基体__和石墨存在形式,灰口铸铁中含有比钢更多的硅、锰等元素,这些元素可溶于铁素体而使基体强化,因此,其基体的强度与硬度不低于相应的钢但由于片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,所以铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低石墨片的越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低灰口铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性,由于石墨存在对其影响不大,故灰口铸铁的抗压强度较好为了提高灰铸铁的力学性能,生产上常采用孕育处理它是在浇注前往铁液中加入少量孕育剂硅铁或硅钙合金,使铁液在凝固时产生大量的人工晶核,从而获得细晶粒珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨的__经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁孕育铸铁具有较高的强度和硬度,具有断面缺口敏感性小的特点,因此孕育铸铁常作为力学性能要求较高,且断面尺寸变化大的大型铸件如机床床身等灰口铸铁具有良好铸造性能、切削__性、减摩性和消震性,铸铁对缺口的敏感性较低2)灰铸铁的牌号和应用灰铸铁的牌号、力学性能和应用举例见表1.2.6其中HT表示“灰铁”二字的汉语拼音的字首,后面三位数字表示最小抗拉强度值
(2)球墨铸铁球墨铸铁的化学成分与灰铸铁相比,其特点是碳、硅的质量分数高,而锰的质量分数较低,对硫和磷的限制较严,并含有一定量的稀土镁一般ωc=
3.6%~
4.0%,ωSi=
2.0%~
3.2%锰有去硫、脱氧的作用,并可稳定和细化珠光体对珠光体基体时ωMn=
0.5%~
0.7%,对铁素体基体时ωMn<
0.6%硫、磷都是有害元素,一般ωs<
0.07%,ωp=<
0.1%球墨铸铁的__是在钢的基体上分布着球状石墨球墨铸铁在铸态下,其基体是有不同数量铁素体、珠光体、甚至有渗碳体同时存在的混合__,故生产中需经不同热处理以获得不同的__生产中常有铁素体球墨铸铁、珠光体十铁素表1.2.6灰铸铁的牌号、力学性能及用途(摘自GB9439-88)牌号铸件级别铸件壁厚/mm铸件最小抗拉强度σbN·mm-2适用范围及举例HT100铁素体灰铸铁
2.5~10130低载荷和不重要零件,如盖、外罩、手轮、支架、重锤等10~2010020~309030~5080HT150珠光体+铁素体灰铸铁
2.5~10175承受中等应力(抗弯应力小于100N/mm2)的零件,如支柱、底座、齿轮箱、工作台、刀架、端盖、阀体、管路附件及一般无工作条件要求的零件10~2014520~3013030~50120HT200珠光体灰铸铁
2.5~10220承受较大应力(抗弯应力小于300N/mm2)和较重要零件,如汽缸体、齿轮、机座、飞轮、床身、缸套、活塞、刹车轮、联轴器、齿轮箱、轴承座、液压缸等10~2019520~3017030~50160HT
2504.0~1027010~2024020~3022030~50200HT300孕育铸铁10~20290承受高弯曲应力(小于500N/mm2)及抗拉应力的重要零件,如齿轮、凸轮、车床卡盘、剪床和压力机的机身、床身、高压油压缸、滑阀壳体等20~3025030~50230HT35010~2034020~3029030~50260体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和下贝氏体球墨铸铁1)球墨铸铁的性能由于球墨铸铁中石墨呈球状,对金属基体的割裂作用较小,使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度高于其它铸铁,球墨铸铁有一个突出优点是其屈强比较高,因此对于承受静载荷的零件,可用球墨铸铁代替铸钢球墨铸铁的力学性能比灰口铸铁高,而成本却接近于灰口铸铁,并保留了灰口铸铁的优良铸造性能、切削__性、减摩性和缺口不敏感等性能因此它可代替部分钢作较重要的零件,对实现以铁代钢,以铸代锻起重要的作用,具有较大的经济效益2)球墨铸铁的牌号和应用我国国家标准中列了八个球墨铸铁的牌号见表1.2.7牌号由QT与两组数字组成,其中QT表示“球铁”二字汉__的字首,第一组数字代表最低抗拉强度值,第二组数字代表最低伸长率表1.2.7球墨铸铁的牌号、力学性能及用途(摘自GB1348-88)牌号基体__力学性能用途举例σbN•mm-2σ
0.2N•mm-2δ×100HBS不小于QT400~18铁素体40025018130~180承受冲击、振动的零件,如汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳、减速器壳、拨叉、农机具零件,中低压阀门,上、下水及输气管道、压缩机上高低压气缸,电机机壳,齿轮箱,飞轮壳等QT400~15铁素体40025015130~180QT400~10铁素体45031010160~210QT500~07铁素体+珠光体5003207170~230机器座架、传动轴、飞轮、电动机架、内燃机的机油泵齿轮、铁路机车车辆轴瓦等QT600~03珠光体+铁素体6003703190~270载荷大、受力复杂的零件,如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴、汽缸套,部分磨床、铣床、车床的主轴、轧钢机轧辊、大齿轮,小型水轮机主轴,气缸体,桥式起重机大小滚轮等QT700~02珠光体7004202225~305QT800~02珠光体或回火__8004802245~335QT900~02贝氏体或回火马氏体9006002280~360__度齿轮,如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮,内燃机曲轴,凸轮轴等
(3)可锻铸铁可锻铸铁又俗称为马铁可锻铸铁实际上是不能锻造的__是钢的基体上分布着团絮状的石墨,有铁素体可锻铸铁黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两种1)可锻铸铁的牌号、性能和应用表1.2.8列出我国常用可锻铸铁的牌号、性能及用途其牌号由“KTH”或“KTZ”与两组数字表示其中“KT”表示“可锻”二字的汉语拼音字首;“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的汉语拼音的字首;牌号后边第一组数字表示最小抗拉强度值;第二组数字表示最小伸长率可锻铸铁的力学性能优于灰口铸铁,并接近于同类基体的球墨铸铁但与球表1.2.8可锻铸铁的牌号、力学性能及用途(摘自GB9440-88)种类牌号试样直径/mm力学性能用途举例σbN•mm-2σ
0.2N•mm-2δ*100HBS不小于黑心可锻铸铁KTH300—0612或153006不大于150弯头、三通管件、中低压阀门等KTH330—083308扳手、犁刀、犁柱、车轮壳等KTH350—1035020010汽车、拖拉机前后轮壳、减速器壳、转向节壳、制动器及铁道零件等KTH370—1237012珠光体可锻铸铁KTZ450—0612或154502706150~200载荷较高和耐磨损零件,如曲轴、凸轮轴,连杆、齿轮、活塞环、轴套、耙片、万向接头、棘轮、扳手、传动链条等KTZ550—045503404180~250KTZ650—026504302210~260KTZ700—027005302240~290墨铸铁相比,具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点故生产中,常用可锻铸铁制作一些截面较薄而形状较复杂、工作时受震动而强度、韧性要求较高的零件,因为这些零件若用灰铸铁制造,则不能满足力学性能要求;若用铸钢制造,则因其铸造性能较差,质量不易保证
(4)蠕墨铸铁蠕墨铸铁是上世纪70年代发展起来的一种新型铸铁,因其石墨很象蠕虫而命名蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体__的灰铸铁和球墨铸铁之间,它的抗拉强度、屈服点、伸长率、疲劳强度均优于灰铸铁,接近于铁素体球墨铸铁;而铸造性能、减震能力、导热性、切削__性均优于球墨铸铁,与灰铸铁相近蠕墨铸铁是将蠕化剂(稀土镁钛合金、稀土镁钙合金、镁钙合金等),置于浇包内的一侧另一侧冲入铁液,蠕化剂熔化而成的蠕墨铸铁的牌号由RuT与一组数字表示其中RuT表示“蠕铁”二字汉语拼音的字首,后面三位数字表示其最小抗拉强度值见表1.2.9蠕墨铸铁主要用于制造气缸盖、气缸套、钢锭模、液压件等零件表1.2.9蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途牌号力学性能用途举例σb/N•mm-2σ
0.2/N•mm-2δ*100HBS不小于RuT2602601953121~195增压器废气进汽壳体气车底盘零件等RuT
3003002401.5140~217排气管、变速箱体、汽缸盖、液压件、纺织机零件、钢锭模等RuT
3403402701.0170~249重型机床件,大型齿轮箱体、盖、座、飞轮、起重机卷筒等RuT
3803803000.75193~274活塞环、汽缸套、制动盘、钢珠研磨盘、吸淤泵体等RuT
4204203350.75200~2801.3钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却,以改变其内部__,从而获得所需要性能的一种工艺方法热处理的目的是显著提高钢的力学性能,发挥钢材的潜力,提高工件的使用性能和寿命还可以作为消除毛坯(如铸件、锻件等)中缺陷,改善其工艺性能,为后续工序作__准备随着工业和科学技术的发展,热处理作为改善和强化金属材料、提高产品质量、节省材料和提高经济效益等方面将发挥更大的作用钢的热处理种类很多,根据加热和冷却方法不同,大致分类如下退火正火普通热处理淬火回火热处理火焰加热表面淬火感应加热(高频、中频、低频)表面热处理渗碳氮化化学热处理碳氮共渗其它1.3.1钢在加热时的__转变在Fe-Fe3C相图中,共析钢加热超过PSK线(A1)时,其__完全转变为奥氏体亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线(A3)和ES线(Acm)以上才能全部转变为奥氏体相图中的平衡临界点A
1、图1.3.1加热冷却时Fe-Fe3C相图中各临界点的位置A
3、Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的但在实际生产中,加热和冷却并不是极其缓慢的加热转变在平衡临界点以上进行,冷却转变在平衡临界点以下进行加热和冷却速度越大,其偏离平衡临界点也越大为了区别于平衡临界点,通常将实际加热时各临界点标为Ac
1、Ac
3、Accm;实际冷却时各临界点标为Ar
1、Ar
3、Arcm,如图1.3.1所示由Fe-Fe3C相图可知,任何成分的碳钢加热到相变点Ac1以上都会发生珠光体向奥氏体转变,通常把这种转变过程称为奥氏体化1.奥氏体的形成共析钢加热到Ac1以上由珠光体全部转变为奥氏体,这一转变可表示为P(F+Fe3C)→A
0.0218%ωc
6.69%ωc
0.77%ωc体心立方晶格复杂晶格面心立方晶格珠光体向奥氏体转变是由碳质量分数、晶格均不同的两相混合物转变成为另一种晶格单相固溶体的过程,因此,转变过程中必须进行碳原子和铁原子的扩散,才能进行碳的重新分布和铁的晶格改组,即发生相变奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的,其转变过程分为三个阶段,如图1.3.2所示第一阶段是奥氏体的形核与长大,第二阶段是剩余渗碳体的溶解,第三阶段是奥氏体成分均匀化图1.3.2珠光体向奥氏体转变过程示意图亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析碳钢基本相同,不同处在于亚共析碳钢、过共析碳钢在Ac1稍上温度时,还分别有铁素体、二次渗碳体未变化所以,它们的完全奥氏体化温度应分别为Ac
3、Accm以上2.奥氏体晶粒的长大及影响因素钢在加热时,奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能加热时奥氏体晶粒细小,冷却后__也细小;反之,__则粗大钢材晶粒细化,即能有效的提__度,又能明显提高塑性和韧性,这是其它强化方法所不及的因此,在选用材料和热处理工艺上,如何获得细的奥氏体晶粒,对工件使用性能和质量都具有重要意义
(1)奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种量度图1.3.3表示这两种钢随温度升高时,奥氏体晶粒长大倾向示意图由图可见,细晶粒钢在930~950℃以下加热,晶粒长大倾向小,便于热处理图1.3.3奥氏体晶粒长大倾向示意图
(2)影响奥氏体晶粒度的因素1)加热温度和保温时间在加热转变中,珠光体刚转变为奥氏体时的晶粒度,称为奥氏体起始晶粒度奥氏体起始晶粒是很细小的,随加热温度升高,奥氏体晶粒逐渐长大,晶界总__减少而系统的能量降低所以,在高温下保温时间越长,越有利于晶界总__减少而导致晶粒粗大2)钢的成分对于亚共析钢随奥氏体中碳的质量分数增加时,奥氏体晶粒的长大倾向也增大但对于过共析钢部分碳以渗碳体的形式存在,当奥氏体晶界上存在未溶的剩余渗碳体时,有阻碍晶粒长大的作用钢中加入能形成稳定碳化物元素,如钨、钛、钒、铌等时,钢中能形成高熔点化合物,并存在于奥氏体晶界上,有阻碍奥氏体晶粒长大的作用,故在一定温度下晶粒不易长大当只有温度超过一定值时,高熔点化合物溶入奥氏体后,奥氏体才突然长大锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素,必须严格控制热处理时加热温度,以免晶粒长大而导致工件的性能下降1.3.2钢在冷却时的__转变冷却过程是热处理的关键工序,它决定着钢热处理后的__与性能在实际生产中,钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种一种是等温冷却,另一种是连续冷却1.过冷奥氏体的等温转变奥氏体在临界温度以上是一稳定相,能够__存在而不转变一旦冷却到临界温度以下,则处于热力学的不稳定状态,称为“过冷奥氏体”,它总是要转变为稳定的新相过冷奥氏体等温转变反映了过冷奥氏体在等温冷却时__转变的规律
(1)过冷奥氏体的等温转变曲线从图1.3.4可见由于曲线形状颇似字母“C”故也称为“C曲线图”由过冷奥氏体开始转变点连接起来的曲线称为等温转变开始线;由转变终了点连接起来的曲线称为等温转变终了线图中A1以下转变开始以左的区域是过冷奥氏体区;A1以下,转变终了线以右和Ms点以上的区域为转变产物区;在转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体和转图1.3.4共析碳钢C曲线及转变产物变产物共存区Ms线和Mf线是马氏体转变开始线和终了线过冷奥氏体在各个温度下的等温转变并非瞬间就开始的,而是经过一段“孕育期”(即转变开始线与纵坐标的水平距离)孕育期的长短反映了过冷奥氏体稳定性的大小,孕育期最短处,过冷奥氏体最不稳定,转变最快,这里被称为C曲线图的“鼻端”在靠近A1和Ms线的温度,孕育期较长,过冷奥氏体稳定性较大,转变速度也较慢共析碳钢的奥氏体在A1温度以下不同温度范围内会发生三种不同类型的转变,即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变
(2)过冷奥氏体等温转变产物的__与性能1)珠光体转变——高温转变[(A1~550)℃]在(A1~550)℃温度区间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型__,都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物奥氏体向珠光体转变是一种扩散型相变,它通过铁、碳原子的扩散和晶格改组来实现高温转变区虽然转变产物都是珠光体,但由于过冷度不同,铁素体和渗碳体的片层间距也不同转变温度越低,即过冷度越大,片间距越小,其塑性变形抗力越大,强度、硬度越高根据片间距的大小,将珠光体分为以下三种
①珠光体过冷奥氏体在(A1~650)℃之间等温转变,形成粗片状(片间距d
0.4um)珠光体,一般在光学显微镜下放大500倍才能分辨出片层状特征,其硬度大约在170~230HBS左右,以符号“P”表示
②索氏体过冷奥氏体在(650~600)℃之间等温转变为细片状(d=
0.2~
0.4um)珠光体,称为索氏体,以符号“S”表示它要在高倍(1000倍以上)显微镜下才能分辨出片层状特征,硬度大约(25~35)HRC左右
③屈氏体过冷奥氏体在(600~550)℃之间等温转变为极细片状(d
0.2um)珠光体,称为屈氏体,以符号“T”表示它只能在电子显微镜下放大2000倍以上才能分辨出片层状结构,硬度为(35~40)HRC左右上述珠光体、索氏体、屈氏体三种__,在形态上只有厚薄片之分,并无本质区别,统称为珠光体型__2)贝氏体转变——中温转变(550℃~Ms)共析成分的奥氏体过冷到C曲线“鼻端”到Ms线的区域,即(550~230)℃的温度范围,将发生奥氏体向贝氏体转变贝氏体以符号B表示贝氏体是由过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物奥氏体向贝氏体转变时,由于转变温度低,即过冷度较大,此时铁原子已不能扩散,碳原子也只能进行短距离扩散,结果一部分碳以渗碳体或碳化物的形式析出,一部分仍留在铁素体中,形成过饱和铁素体,即得到贝氏体贝氏体转变属于半扩散型转变,又称中温转变常见的贝氏体__形态有以下两种
①上贝氏体(B上)过冷奥氏体在(550~350)℃范围内的转变产物,在显微镜下呈羽毛状,称为上贝氏体(B上)它是由过饱和铁素体和渗碳体组成其硬度约为(40~45)HRC,但强度低、塑性差、脆性大,生产上很少采用
②下贝氏体(B下)过冷奥氏体在350℃~Ms温度范围内的转变产物为下贝氏体,在显微镜下呈暗黑色针状或竹叶状,称为下贝氏体(B下)它是由过饱和铁素体和碳化物组成下贝氏体具有高的强度和硬度(45~55)HRC,好的塑性、韧性生产中常采用等温淬火获得__韧性的下贝氏体__3)马氏体转变——低温转变(Ms)奥氏体被迅速冷却至Ms温度以下便发生马氏体转变马氏体以符号M表示应指出,马氏体转变不属于等温转变,而是在极快的连续冷却过程中形成详细内容将在过冷奥氏体连续冷却转变中介绍
(3)亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前,首先析出先共析相铁素体,所以在C曲线上还有一条铁素体析出线,如图1.3.5所示过共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前,首先析出先共析相二次渗碳体,所以C曲线上还有一条二次渗碳体析出线,如图1.3.6所示2.过冷奥氏体的连续冷却转变
(1)连续冷却转变曲线在实际生产中,过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的,这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线,图1.3.7即为共析碳钢连续冷却转变曲线,没有图1.3.5亚共析碳钢等温转变曲线图1.3.6过共析碳钢等温转变曲线出现贝氏体转变区,即共析碳钢连续冷却时得不到贝氏体__连续冷却转变的__和性能取决于冷却速度采用炉冷或空冷时,转变可以在高温区完成,得到的__为珠光体和索氏体采用油冷时,过冷奥氏体在高温下只有一部分转变为屈氏体,另一部分却要冷却到Ms点以下转变为马氏体__,即可得到屈氏体和马氏体的混合__采用水冷时,因冷却速度很快,冷却曲线不能与转变开始线相交,不形成珠光体__,过冷到Ms点以下转变成为马氏体__VK是奥氏体全部过冷到Ms点以下转变为马氏体的最小冷却速度,通常叫作临界淬火冷却速度图1.3.7共析碳钢连续冷却转变曲线图1.3.8应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中转变
(2)过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中应用过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难,目前生产中,还常应用过冷奥氏体等温转变曲线来近似地分析过冷奥氏体在连续冷却中的转变图1.3.8是在共析碳钢的等温转变曲线上估计连续冷却时__转变的情况V1冷却速度相当于炉冷,与等温冷却C曲线约交于700~650℃附近,可以判断是发生珠光体转变,最终__为珠光体,其硬度170~230HBS;V2冷却速度相当于空冷,大约在650~600℃发生__转变,可判断其转变产物是索氏体,25~35HRC硬度;V3冷却速度相当于油中淬火,一部分奥氏体转变为屈氏体,其余奥氏体在Ms点以下转变为马氏体,最终产物为屈氏体和马氏体,其硬度为45~47HRC左右V4冷却速度相当于水中淬火,冷却至Ms点以下转变为马氏体,其硬度为60~65HRC3.马氏体转变当转变温度在Ms和Mf之间时,即有马氏体__转变马氏体的转变过冷度极大,转变温度很低,铁原子和碳原子的扩散被抑制,奥氏体向马氏体转变时只有发生γ-Fe向α-Fe的晶格改组,而没有碳原子的扩散因此,这种转变也称非扩散型转变马氏体的碳质量分数就是转变前奥氏体中的碳质量分数,则马氏体实质上是碳在α-Fe中的过饱和固溶体
(1)马氏体的__形态马氏体的__形态因其碳的质量分数不同而异通常有两种基本形态即片状马氏体与板条状马氏体当奥氏体中ωc
0.2%,则形成板条状马氏体(低碳马氏体)当ωc
1.0%,则为片状马氏体(高碳马氏体)
(2)马氏体的性能马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数随着马氏体中碳的质量分数增加,其强度与硬度也随之增加马氏体强化的主要原因是由于过饱和碳原子引起的晶格畸变,即固溶强化马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低板条马氏体塑性、韧性相当好,是一种强韧性优良的__一般钢中,马氏体转变是在不断降温中(Ms–Mf)进行的,而且转变具有不完全性特点,转变后总有部分残余奥氏体存在钢的碳的质量分数越高,Ms、Mf温度越低,淬火后残余奥氏体(AR)越多随着碳的质量分数或合金元素(除Co外)增加,马氏体转变点不断降低,碳的质量分数大于
0.5%的碳钢和许多合金钢的Mf都在室温以下如果将淬火工件冷到室温后,又随即放到零下温度的冷却介质中冷却(如干冰+酒精、液态氧等),残余奥氏体将继续向马氏体转变,这种热处理工艺称冷处理冷处理可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的1.3.3钢的退火与正火常用热处理工艺可分为两类预先热处理和最终热处理预先热处理是消除坯料、半成品中的某些缺陷,为后续的冷__和最终热处理作__准备最终热处理是使工件获得所要求的性能退火与正火主要用于钢的预先热处理,其目的是为了消除和改善前一道工序(铸、锻、焊)所造成的某些__缺陷及内应力,也为随后的切削__及热处理做好__和性能上准备退火与正火除经常作预先热处理工序外,对一般铸件、焊接件以及一些性能要求不高的工件,也可作最终热处理1.钢的退火根据钢的成分、退火工艺与目的不同,退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等
(1)完全退火完全退火首先是把亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃,保温一段时间,随炉缓慢冷却随炉或埋入干砂、石灰中,以获得接__衡__的热处理工艺图1.3.9各种退火与正火温度的工艺示意图完全退火主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件等其目的是细化晶粒,消除内应力,降低硬度,改善切削__性能等
(2)球化退火球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺一般球化退火是把过共析钢加热到Ac1以上10~20℃,保温一定时间后缓慢冷却到600℃以下出炉空冷的一种热处理工艺球化退火主要用于过共析成分的碳钢和合金工具钢加热温度只使部分渗碳体溶解到奥氏体中,在随后的缓慢冷却过程中形成在铁素体基体上分布球状渗碳体的__,这种__称为球化体球状珠光体球化退火的目的是使二次渗碳体及珠光体中片状渗碳体球状化,从而降低硬度,改善切削__性,并为淬火作好__准备若钢原始__中存在严重渗碳体网时,应采用正火将其消除后再进行球化退火
(3)等温退火对于奥氏体比较稳定的钢,完全退火全过程所需的时间长达数十小时,为缩短整个退火周期可采用等温退火其目的与完全退火、等温球化退火相同但等温退火能得更均匀的__与硬度,而且显著缩短生产周期,主要用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢
(4)均匀化退火合金铸锭在结晶过程中,往往易于形成较严重的枝晶偏析为了消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析,使成分均匀化,改善性能,需要进行均匀化退火均匀化退火是把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150~200℃,保温10~15h后缓慢冷却的热处理工艺由于加热温度高、时间长,会引起奥氏体晶粒的严重粗化因此一般还需要进行一次完全退火或正火
(5)去应力退火去应力退火是为了去除锻件、焊件、铸件及机__工件中内存的残余应力而进行的退火去应力退火将工件缓慢加热到Acl以下100~200℃,保温一定时间后随炉慢冷至200℃,再出炉冷却去应力退火是一种无相变的退火2.钢的正火将钢材或钢件加热到Ac1或Accm以上30~50℃,保温一定的时间,出炉后在空气中冷却的热处理工艺称为正火正火与退火的主要区别是正火的冷却速度较快,过冷度较大,因此正火后所获得的__比较细,强度和硬度比退火高一些正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺在生产中应用如下
(1)对于要求不高的结构零件,可作最终热处理正火可细化晶粒,正火后__的力学性能较高而大型或复杂零件淬火时,可能有开裂危险,所以正火可作为普通结构零件或大型、复杂零件的最终热处理
(2)改善低碳钢的切削__性正火能减少低碳钢中先共析相铁素体,提高珠光体的量和细化晶粒所以能提高低碳钢的硬度,改善其切削__性
(3)作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理对于性能要求较高的中碳结构钢,正火可消除由于热__造成的__缺陷,且硬度还在160~230HBS范围内,具有良好切削__性,并能减少工件在淬火时的变形与开裂,提高工件质量为此,正火常作为较重要工件的预先热处理.
(4)消除过共析钢中二次渗碳体网正火可消除过共析钢中二次渗碳体网,为球化退火作__准备1.3.4钢的淬火淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上(30~50)℃,保温一定时间,然后以大于淬火临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体__的热处理工艺淬火的目的是为了得到马氏体__再经回火后,使工件获得良好的使用性能,以充分发挥材料的潜力1.钢的淬火工艺
(1)淬火加热温度的选择碳素钢的淬火加热温度由Fe-Fe3C相图来确定,如图1.3.10所示亚共析钢淬火加热温度为Ac3以上30~50℃,因为在这一温度范围内可获得全部细小的奥氏体晶粒,淬火后得到均匀细小的马氏体若淬火温度高,则引起奥氏体晶粒粗图1.3.10碳钢的淬火加热温度范围大淬火后将得到粗大的马氏体__,会降低钢的性能若淬火加热温度过低,则淬火__中有铁素体出现,使钢出现软点,使淬火硬度不足共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1以上30~50℃,此时的__为奥氏体或奥氏体加渗碳体颗粒,淬火后获得细小马氏体和球状渗碳体,由于有高硬度的渗碳体和马氏体存在,能保证得到最高的硬度和耐磨性如果加热温度超过Accm,将导致渗碳体消失,奥氏体晶粒粗大,淬火后残余奥氏体量增加,硬度和耐磨性都会降低,同时还会引起严重的淬火变形,甚至开裂对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素如钛、铌、锆等)的合金钢,淬火温度可以高一些,以加速其碳化物的溶解,获得较好的淬火效果而对促进奥氏体长大元素(如锰等含量较高的合金钢,淬火加热温度则应低一些,以防止晶粒粗大
(2)淬火冷却介质目前常用的淬火介质有水、油和盐浴水是最便宜而且在650~550℃范围内具有很大的冷却能力;但在300~200℃时也能很快冷却,所以容易引起工件的变形与开裂,这是水的最大缺点,但目前仍是碳钢的最常用淬火介质油也是最常用的淬火介质,生产上多用各种矿物油油的优点是在300~200℃范围内冷却能力低,这有利于减少工件的变形其缺点是在650~550℃范围内冷却能力也低,不适用于碳钢,所以油一般只用作合金钢的淬火介质为了减少工件淬火时变形,可采用盐浴作为淬火介质,如熔化的NaNO3,KNO3等主要用于贝氏体等温淬火、马氏体分级淬火其特点是沸点高,冷却能力介于水与油之间,常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件为了寻求较理想的淬火介质,已发展新型淬火介质有聚醚水溶液、聚乙烯醇水溶液等2.淬火方法常用淬火方法有
(1)单介质淬火将淬火加热后钢件在一种冷却介质中冷却,如图1.3.11曲线
①所示例如碳钢在水中淬火;合金钢或尺寸很小的碳钢工件在油中淬火单介质淬火操作简单,易实现机械化、自动化,应用广泛缺点是水淬容易变形或开图1.3.11常用淬火方法示意图裂;油淬大型零件容易产生硬度不足现象
①-单介质淬火
②-双介质淬火
③-马氏体
(2)双介质淬火分级淬火
④-贝氏体等温淬火将淬火加热后钢件先淬入一种冷却能力较强的介质中,在钢件还未到达该淬火介质温度前即取出,马上再淬入另一种冷却能力较弱介质中冷却例如先水后油的双介质淬火法,如图1.3.11曲线
②所示双介质淬火法的目的是使过冷奥氏体在缓慢冷却条件下转变成马氏体,减少热应力与相变应力,从而减少变形、防止开裂这种工艺的缺点是不易掌握从一种淬火介质转入另一种淬火介质的时间,要求有熟练的操作技艺它主要用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件
(3)马氏体分级淬火将淬火加热后的钢件,迅速淬入温度稍高或稍低于Ms点的硝盐浴或碱浴中冷却,在介质中短时间停留,待钢中内外层达到介质温度后取出空冷,以获得马氏体__这种工艺特点是在钢件内外温度基本一致时,使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体,从而减少变形,如图1.3.11曲线
③所示这种工艺的缺点是由于钢中在盐浴和碱浴中冷却能力不足,只适用尺寸较小的零件
(4)贝氏体等温淬火将淬火加热后的钢件迅速淬入温度稍高于Ms点的硝盐浴或碱浴中,保持足够长时间,直至过冷奥氏体完全转变为下贝氏体,然后在空气中冷却,如图1.3.11曲线
④所示下贝氏体的硬度略低于马氏体,但综合力学性能较好,因此在生产中被广泛应用,如一般弹簧、螺栓、小齿轮、轴、丝锥等的热处理
(5)局部淬火对于有些工件,如果只是局部要求高硬度,可将工件整体加热后进行局部淬火为了避免工件其它部分产生变形和开裂,也可局部进行加热淬火冷却1.3.5钢的回火将淬火钢重新加热到Acl点以下的某一温度,保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火一般淬火件必须经过回火才能使用1.回火的目的
(1)获得工件所要求的力学性能工件淬火后得到马氏体__硬度高、脆性大,为了满足各种工件的性能要求,可以通过回火调整硬度、强度、塑性和韧性
(2)稳定工件尺寸淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定__,它们具有自发地向稳定__转变的趋势,因而将引起工件的形状与尺寸的改变通过回火使淬火__转变为稳定__,从而保证在使用过程中不再发生形状与尺寸的改变
(3)降低脆性,消除或减少内应力工件在淬火后存在很大内应力,如不及时通过回火消除会引起工件进一步的变形与开裂2.淬火钢在回火时__的转变钢经淬火后,获得马氏体与残余奥氏体是亚稳定相在回火加热、保温中,都会向稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相__转变根据碳钢回火时发生的过程和形成__,一般回火分为四个转变
(1)马氏体分解淬火钢在100℃以下,内部__的变化并不明显,硬度基本上也不下降当回火温度大于100℃时,马氏体开始分解,马氏体中碳以ε-碳化物(Fe
2.4C)形式析出,使马氏体中碳的过饱和度降低,晶格畸变度减弱,内应力有所下降,析出ε碳化物不是一个平衡相,而是向Fe3C转变的过渡相这一转变的回火__是由过饱和α固溶体与ε碳化物所组成,这种__称为回火马氏体马氏体这一分解过程一直进行到约350℃马氏体中碳的质量分数越多,析出碳化物越多对于ωc≤
0.2%的低碳马氏体,在这一阶段不析出碳化物,只发生碳原子在位错附近的偏聚
(2)残余奥氏体的转变回火温度达到200~300℃时,马氏体继续分解,残余奥氏体也开始发生转变,转变为下贝氏体下贝氏体与回火马氏体相似,这一转变后的主要__仍为回火马氏体,此时硬度没有明显下降,但淬火内应力进一步减少
(3)碳化物的转变回火温度在250~450℃时,因碳原子的扩散能力增大,碳过饱和α固溶体转变为铁素体,同时ε碳化物亚稳定相也转变为稳定的细粒状渗碳体,淬火内应力基本消除,硬度有所降低,塑性和韧性得到提高,此时__由保持马氏体形态的铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成,称为回火屈氏体
(4)渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶回火温度大于450℃时,渗碳体颗粒将逐渐聚集长大,随着回火温度升到600℃时,铁素体发生再结晶,使铁素体完全失去原来的板条状或片状,而成为多边形晶粒,此时__由多边形铁素体和粒状渗碳体组成,称为回火索氏体回火碳钢硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而降低3.回火种类与应用根据对工件力学性能要求不同,按其回火温度范围,可将回火分为三种
(1)低温回火淬火钢件在250℃以下回火称低温回火回火后__为回火马氏体,基本上保持淬火钢的高硬度和高耐磨性,淬火内应力有所降低主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承,渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件回火后硬度为58~64HRC
(2)中温回火淬火钢件在350~500℃之间回火称为中温回火回火后__为回火屈氏体具有高的屈强比,高的弹性极限和一定的韧性,淬火内应力基本消除常用于各种弹簧和模具热处理,回火后硬度一般为35~50HRC
(3)高温回火淬火钢件在500~650℃回火称为高温回火回火后__为回火索氏体,具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能因此,广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件,如连杆、齿轮、轴类、__度螺栓等回火后硬度一般为200~330HBS生产中常把淬火+高温回火热处理工艺称为调质处理调质处理后的力学性能(强度、韧性)比相同硬度的正火好,这是因为前者的渗碳体呈粒状,后者为片状调质一般作为最终热处理,但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理调质后的硬度不高,便于切削__,并能获得较低得表面粗糙度值除了以上三种常用回火方法外,某些精密的工件,为了保持淬火后的硬度及尺寸的稳定性,常进行低温(100℃~150℃)长时间(10h~50h)保温的回火,称为时效处理1.3.6钢的表面淬火表面淬火是通过快速加热使钢表层奥氏体化,而不等热量传至中心,立即进行淬火冷却,仅使表面层获得硬而耐磨的马氏体__,而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的__表面淬火不改变零件表面化学成分,只是通过表面快速加热淬火,改变表面层的__来达到强化表面的目的许多机械零件,如轴、齿轮、凸轮等,要求表面硬而耐磨,有高的疲劳强度,而心部要求有足够的塑性、韧性,采用表面淬火,使钢表面得到强化,能满足上述要求碳的质量分数在
0.4%~
0.5%的__碳素结构钢是最适宜于表面淬火这是由于中碳钢经过预先热处理(正火或调质)以后再进行表面淬火处理,即可以保持心部原有良好的综合力学性能,又可使表面具有高硬度和耐磨性表面淬火后,—般需进行低温回火,以减少淬火应力和降低脆性表面淬火方法很多,目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火,其次是火焰加热表面淬火1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件表面所产生的热效应,使表面加热并进行快速冷却的淬火工艺感应表面加热淬火法的原理,如图1.3.12所示当感应圈中通入交变电流时,产生交变磁场,于是在工件中便产生同频率的感应电流由于钢本身具有电阻,因而集中于工件表面的电流,可使表层迅速加热到淬火温度,而心部温度仍接近室温,随后立即喷水合金钢浸油快速冷却,使工件表面淬硬所用电流频率主要有三种一种是高频感应加热,常用频率为200~300kHz,淬硬层为0.5~2mm,适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸的轴类零件第二种是中频感应加热,常用频率为2500~3000Hz淬硬层深度为2~10mm,适用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮等第三种是工频感应加热,电流颇率为50Hz,硬化层深度可达10~20mm;适用于大尺寸的零件,如轮辊,火车车轮等此外还有超音频感应加热,它是上世纪60年代后发展起来的,频率为30~40KHZ适用于硬化层略深于高频,且要求硬化层沿表面均匀分布的零件;例如中、小模数齿轮、链轮、轴、机床导轨等感应加热速度极快,加热淬火有如下特点第一,表面性能好,硬度比普通淬火高2HRC~3HRC,疲劳强度较高,一般工件可提高20%~30%;第二,工件表面质量高,不易氧化脱碳,淬火变形小;第三;淬硬层深度易于控制,操作易于实现机械化、自动化,生产率高对于表面淬火零件的技术要求,在设计图纸上应图1.3.12感应加热表面淬火示意图标明淬硬层硬度与深度、淬硬部位,有的还应提出对金相__及限制变形的要求2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是以高温火焰作为加热源的一种表面淬火方法常用火焰为乙炔一氧火焰最高温度为3200℃或煤气一氧火焰最高温度为2400℃高温火焰将钢件表面迅速加热到淬火温度,随即喷水快冷使表面淬硬火焰加热表面淬硬层通常为2~8mm火焰加热表面淬火设备简单,方法易行,但火焰加热温度不易控制,零件表面易过热,淬火质量不够稳定火焰淬火尤其适宜处理特大或特小件、异型工件等,如大齿轮、轧辊、顶尖、凹槽、小孔等3.电接触加热表面淬火电接触加热的原理如图1.3.13所示,当工业电流经调压器降压后,电流通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路,利用滚轮与工件之间的高接触电阻实现快速加热,滚轮移去后,由于基体金属吸热,表面自激冷淬火电接触表面淬火可显著提高工件表面的耐磨性和抗擦伤能力设备及工艺简单易行,硬化层薄,一般为
0.15~
0.35mm适用于表面形状简单的零件,目前广泛用于机床导轨、汽缸套等表面淬火图1.3.13电接触加热的原理图1.3.14气体渗碳法示意图4.激光加热表面淬火激光加热表面淬火是70年代发展起来的一种新型的高能密度的表面强化方法这种表面淬火方法是用激光束扫描工件表面,使工件表面迅速加热到钢的临界点以上,而当激光束离开工件表面时,由于基体金属的大量吸热,使表面获得急速冷却而自淬火,故无需冷却介质激光淬火硬化层深度与宽度一般为深度<
0.75mm,宽度小于1.2mm激光淬火后表层可获得极细的马氏体__,硬度高且耐磨性好激光淬火能对形状复杂,特别是某些部位用其它表面淬火方法极难处理的(如拐角、沟槽、盲孔底部或深孔工件1.3.7钢的化学热处理化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中加热和保温,使介质中一种或几种活性原子渗入工件表面,以改变表面层的化学成分和__,使表面层具有不同于心部的性能的一种热处理工艺化学热处理的种类和方法很多,最常见的有渗碳、氮化、碳氮共渗等1.钢的渗碳将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原于渗入表层的化学热处理工艺,称为渗碳渗碳的目的是提高工件表面的硬度和耐磨性,同时保持心部的良好韧性常用渗碳材料是碳的质量分数一般为ωc=
0.1~
0.25%的低碳钢和低碳合金钢,经过渗碳后,再进行淬火与低温回火,可在零件的表层和心部分别得到高碳和低碳的__一些重要零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等,它们都是在循环载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件下工作的因此要求此类零件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳强度;心部具有较高的强度和韧性常用渗碳温度为900~950℃,渗碳层厚度一般为
0.5~
2.5mm低碳钢零件渗碳后,表面层碳的质量分数ωc=
0.85~
1.05%低碳钢渗碳缓冷后的__,表层为珠光体+网状二次渗碳体,心部为铁索体+少量珠光体,两者之间为过渡区,愈靠近表面层铁素体愈少对渗碳件,在设计图纸上应标明渗碳淬火、回火后的硬度表面和心部,渗碳的部位全部或局部及渗层深度等对重要的渗碳件还应提出对金相__的要求当工件上某些部位不要求渗碳时,也应在图纸上标明,并采用镀铜或其它方法防止该部位渗碳,或留出__余量,渗碳后再切削除去工件经渗碳后都应进行淬火+低温回火最终表面为细小片状回火马氏体及少量渗碳体,硬度可达58~64HRC,耐磨性很好;心部的__决定于钢的淬透性,普遍低碳钢如
15、20钢,心部__为铁素体和珠光体,低碳合金钢如20CrMnTi心部__为回火低碳马氏体淬透件,具有较__度和韧性2.钢的氮化氮化是在一定温度一般在Ac1以下,使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺,也称渗氮氮化的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件,如镗床主轴、精密传动齿轮;在循环载荷下要求高疲劳强度的零件,如高速柴油机曲轴;以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件,如阀门、发动机气缸以及热作模具等
(1)气体氮化气体氮化是向密闭的渗氮炉中通入氨气,利用氨气受热分解来提供活性氮原子氮化温度一般为550~570℃,因此氮化件变形很小,比渗碳件变形小得多,同样也比表面淬火件变形小应用最广泛的氮化用钢是38CrMoAl钢,钢中Cr、Mo、A1等合金元素在氮化过程中形成高度弥散、硬度极高的稳定化合物,如CrN、MoN、A1N等氮化后工件表面硬度可高达950~1200HV相当于68~72HRC,具有很高的耐磨性,因此钢氮化后,不需要进行淬火处理结构钢氮化前,宜先进行调质处理,获得回火索氏体__,以提高心部的性能,同时也为了减少氮化中的变形由于氮化层很薄,一般不超过
0.6~
0.7mm,因此氮化往往是__工艺路线中最后一道工序,氮化后至多再进行精磨工件上不需要氮化部分可用镀锡等保护对氮化工件,在设计图纸上应标明氮化层表面硬度、厚度、氮化区域、心部硬度重要工件还应提出心部硬度、金相__及氮化层脆性级别等具体要求气体氮化的主要缺点是生产周期长,例如要得到
0.3~
0.5mm的渗层,需要20~50小时,因此成本高此外氮化层较脆,不能承受冲击,在使用上受到一定限制目前国内外,针对上述缺点,发展了新的氮化工艺,如离子氮化等
(2)离子氮化离于氮化是放工件在低于一个大气压的真空容器内,通入氨气或氮、氢混合气体,以真空容器为阳极,工件为阴极,在两极间加直流高压,迫使电离后的氮正离子高速冲击工件阴极,使其渗入工件表面,并向内扩散形成氮化层离子氮化的优点是氮化时间短,仅为气体氮化的1/2~l/3,易于控制操作,氮化层质量好,脆性低些,此外,省电、省气、无公害缺点是工件形状复杂或截面相差悬殊时,由于温度均匀性不够,很难达到同一硬度和渗层深度3.钢的碳氮共渗与氮碳共渗
(1)气体碳氮共渗在一定温度下同时将碳氮渗入工件表层奥氏体中,并以渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗由于共渗温度(850~880℃)较高,它是以渗碳为主的碳氮共渗过程,因此处理后要进行淬火和低温回火处理共渗深度一般为
0.3~
0.8mm,共渗层表面__由细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物,以及少量的残余奥氏体组成表面硬度可达58~64HRC气体碳氮共渗所用的钢,大多为低碳钢或中碳钢和合金钢如20CrMnTi、40Cr等气体碳氮共渗与渗碳相比,具有处理温度低且便于直接淬火,故变形小,共渗速度快、时间短、生产效率高,耐磨性高等优点主要用于汽车和机床齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类等零件的热处理
(2)气体氮碳共渗软氮化工件表面渗入氮和碳,并以渗氮为主的化学热处理,称为氮碳共渗常用的共渗温度为560~570℃,由于共渗温度较低,共渗l~3小时,渗层可达
0.01~
0.02mm,又称低温碳氮共渗与气体氮化相比,渗层硬度较低,脆性较低,故又称软氮化氮碳共渗具有处理温度低,时间短,工件变形小的特点,而且不受钢种限制;碳钢、合金钢及粉末冶金材料均可进行氮碳共渗处理,达到提高耐磨性、抗咬合、疲劳强度和耐蚀性的目的由于共渗层很薄、不宜在重载下工作,目前软氮化广泛应用于模具、量具、刃具以及耐磨、承受弯曲疲劳的结构件1.3.8热处理的技术条件和结构工艺性1.热处理技术条件的标注热处理零件在图纸上应注明热处理的技术条件,其内容包括最终热处理方法及热处理应达到的力学性能指标等标定的硬度值允许有一个波动范围,一般布氏硬度波动范围在30~40个单位,洛氏硬度波动范围在5个单位左右例如,调质220~250HBS,淬火回火40~45HRC常见的热处理工艺代号及技术条件的标注方法如表1.3.1所列2.热处理零件的结构工艺性热处理零件的结构工艺性,是指在设计热处理零件,特别是淬火件时,一方面要满足热处理零件的使用性能要求,另一方面应考虑热处理工艺对零件结构的要求,不然会使热处理操作困难、增加淬火变形、开裂,使零件报废因此设计人员需考虑热处理零件的结构工艺性,尽量考虑以下原则表1.3.1热处理技术条件要求的表示方法名称代号说明退火ThTh退火正火ZZ正火固溶处理RR固溶处理调质TT215调质200~230HBS淬火CC42淬火42~47HRC感应淬火GG48感应淬火48~52HRCG
0.8-48感应淬火深度
0.8~
1.6,48~52HRC调质感应淬火T-GT235-G48调质220~250HBS感应淬火48~52HRC火焰淬火HH42火焰淬火42~48HRCH
1.6-42火焰淬火深度
1.6~
3.6,42~48HRC渗碳、淬火S-CS
0.8-C58渗碳淬火深度
0.8~
1.2,58~63HRC渗碳、感应淬火S-GS
1.0-G58渗碳感应淬火深度
1.0~
2.0,58~63HRC碳氮共渗、淬火Td-CTd
0.5-C5碳氮共渗淬火深度
0.5~
0.8,58~63HRC渗氮DD
0.3-850渗氮深度
0.25~
0.4,≥850HV调质、渗氮T-DT265-D
0.3-850调质250~280HBS,渗氮深度
0.25~
0.4,≥850HV氮碳共渗DtDt480氮碳共渗≥480HV
(1)避免尖角零件的尖角是淬火应力集中的地方,往往成为淬火开裂的起点因此,一般应尽量将尖角设计成圆角、倒角,以避免淬火开裂,如图1.3.15所示图1.3.15避免尖角、棱角的设计
(2)避免厚薄悬殊的截面厚薄悬殊的零件淬火冷却时,由于冷却不均匀造成的变形、开裂倾向较大为了避免厚薄悬殊造成淬火变形或开裂,可在零件太薄处加厚,或采用开工艺孔、变不通孔为通孔等方法如图1.3.
16、图1.3.17所示
(3)采用封闭、对称结构开口或不对称结构的零件在淬火时应力分布亦不均匀,容易引起变形,应改为封闭或对称结构图1.3.16开工艺孔示意图图1.3.17不通孔为通孔示意图图1.3.18a所示的零件,中间单面有一槽,淬火将发生较大变形(如图中虚线所示)改成图1.3.18b,对使用无影响,却减少了淬火变形图1.3.19所示是槽形零件,淬图1.3.18零件对称实例火前留筋形成封闭,热处理后切开或去掉图1.3.19槽形零件淬火前留筋图1.3.20硅钢片冲模
(4)采用组合结构某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件,在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构图1.3.20a所示是山字形硅钢片冲模,如果将其做成整体,热处理后要变形(如虚线所示)若把整体改为四块组合件,如图1.3.20b所示,热处理变形可不考虑,将单块磨削后钳工装配组合即可
1.4合金钢
1.
4.1合金钢的分类与编号1.合金钢的分类按合金元素总的质量分数分为低合金钢Me<5%、中合金钢Me=5%~10%、高合金钢Me>10%;按钢中主要合金元素种类不同,又可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、铬锰钢等;按用途分合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢;按正火后__分铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢等2.合金钢的编号方法
(1)低合金__度结构钢其牌号由代表屈服点的汉语拼音字母(Q)、屈服极限数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)三个部分按顺序排列例如Q390A,表示屈服强度σs=390N/mm
2、质量等级A的低合金__度结构钢
(2)合金结构钢其牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部分组成前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万倍,元素符号表示钢中所含的合金元素,元素符号后面数字表示该元素的平均质量分数的百倍合金元素的平均质量分数Me<
1.5%时,一般只标明元素而不标明数值;当平均质量分数≥
1.5%、≥
2.5%、≥
3.5%,…时,则在合金元素后面相应地标出2,3,4,…例如40Cr,其平均碳的质量分数c=
0.4%,平均铬的质量分数Cr<
1.5%如果是高级__钢,则在牌号的末尾加“A”例如38CrMoAlA钢,则属于高级__合金结构钢
(3)滚动轴承钢在牌号前面加“G”“滚”字汉语拼音的首位字母,后面数字表示铬的质量分数的千倍,其碳的质量分数不标出例如__r15钢,就是平均铬的质量分数Cr=
1.5%的滚动轴承钢铬轴承钢中若含有除铬外的其它合金元素时,这些元素的表示方法同一般的合金结构钢滚动轴承钢都是高级__钢,但牌号后不加“A”
(4)合金工具钢这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于当c<1%时,用一位数字表示碳的质量分数的千倍;当碳的质量分数≥1%时,则不予标出例如Cr12MoV钢,其平均碳的质量分数为c=
1.45%~
1.70%,所以不标出;Cr的平均质量分数为12%,Mo和V的质量分数都是小于
1.5%又如9SiCr钢,其平均c=
0.9%,平均Cr均<
1.5%不过高速工具钢例外,其平均碳的质量分数无论多少均不标出因合金工具钢及高速工具钢都是高级__钢,所以它的牌号后面也不必再标“A”
(5)不锈钢与耐热钢这类钢牌号前面数字表示碳质量分数的千倍例如3Crl3钢,表示平均c=
0.3%,平均Cr=13%当碳的质量分数c≤
0.03%及c≤
0.08%时,则在牌号前面分别冠以“00”及“0”表示,例如00Cr17Ni14Mo2,0Cr19Ni9钢等1.4.2合金元素在钢中的作用在冶炼钢的过程中有目的地加入一些元素,这些元素称为合金元素常用的合金元素有锰Mn>1%、硅Si>
0.5%、铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、铝、钴、硼、稀土(RE)等钢中加入合金元素改变钢的__结构和力学性能,同时也改变钢的相变点和合金状态图合金元素在钢中的作用十分复杂,本节主要分析合金元素对钢中基本相、铁碳合金相图和热处理影响1.合金元素在钢中存在形式1强化铁素体绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中,形成合金铁素体合金元素溶入铁素体后,引起铁素体晶格畸变,另外合金元素还易分布在晶体缺陷处,使位错__困难,从而提高了钢的塑性变形抗力,产生固溶强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、韧性都有下降趋势硅、锰能显著提高铁素体强度、硬度,但当si>
0.6%、Mn>
1.5%时,将降低其韧性而铬、镍这两个元素,在适量范围内Cr≤2%,Ni≤5%,不但可提高铁素体的硬度,而且能提高其韧性为此,在合金结构钢中,为了获得良好强化效果,对铬、镍、硅和锰等合金元素要控制在一定含量范围内2形成合金碳化物钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素;铬、钼、钨为中强碳化物形成元素;锰为弱碳化物形成元素钢中形成的合金碳化物的类型主要有合金渗碳体和特殊碳化物合金渗碳体较渗碳体略为稳定,硬度也较高,是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式特殊碳化物是与渗碳体晶格完全不同的合金碳化物特殊碳化物特别是间隙相碳化物,比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性,并且更为稳定,不易分解合金碳化物的种类、性能和在钢中分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响钢中加入合金元素后,对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响1改变了奥氏体区的范围铜、锰、镍等这类合金元素使A
3、A1温度下降,GS线向左____,随着锰、镍含量的增大,会使相图中奥氏体区一直延展到室温下因此,它在室温的平衡__是稳定的单相奥氏体,这种钢称奥氏体钢,如图
1.
4.1a所示铝、铬、钼、钨、钒、硅、钛等,这类合金元素使A3和A1温度升高,GS线向左上方__,如图
1.
4.1b所示随着钢中这类元素含量的增大,可使相图中奥氏体区消失,此时,钢在室温下的平衡__是单相的铁素体,这种钢称为铁素图
1.
4.1合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响体钢2改变Fe-Fe3C相图S、E点位置大多数合金元素均能使S点、E点左移共析钢中碳的质量分数就不是c=
0.77%,而是c<
0.77%出现共晶__的最低碳的质量分数不再是c=
2.11%,而是c<
2.11%例如,含c=
0.4%的碳钢原属亚共析钢,当加入Cr=12%后就成了共析钢又如含c=
0.7%~
0.8%的高速钢,由于大量合金元素的加入,在铸态__中却出现合金莱氏体,这种钢称为莱氏体钢3.合金元素对钢的热处理影响1合金元素对钢加热时转变影响由于合金元素的扩散速度很缓慢,因此对于合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间,以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化,从而充分发挥合金元素的作用当合金元素形成碳化物,这些特殊碳化物在高温下比较稳定,不易溶于奥氏体,并以细小质点的形式弥散地分布在奥氏体晶界上,机械地阻碍奥氏体晶粒长大因此,使得钢在高温下较长时间的加热仍能保持细晶粒__,这是合金钢的一个重要特点2合金元素对钢冷却转变的影响1合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响除钴外,大多数合金元素溶入奥氏体后降低原子扩散速度,使奥氏体稳定性增加,从而使C曲线右移含有这类元素的低合金钢,其C曲线形状与碳钢相似,只有一个鼻尖,如图
1.
4.2a所示当碳化物形成元素溶入奥氏体后,由于它们对推迟珠光体转变与贝氏体转变的作用不同,使C曲线出现两个鼻尖,曲线分解成珠光体和贝氏体两个转变区,而两区之间,过冷奥氏体有很大的稳定性,如图
1.
4.2b所示由于合金元素使C曲线右移,故降低了钢的马氏体临界冷却速度,增大了钢的淬透性2合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响除钴、铝外,大多数合金元素溶入奥氏体后,使马氏体转变温度Ms和Mf降低,其中铬、镍、锰作用较强Ms图
1.
4.2合金元素对C曲线的影响越低,则淬火后钢中残余奥氏体的数量就越多a非碳化物形成元素 b碳化物形成元素3合金元素对淬火钢回火转变的影响钢在回火时抵抗硬度下降的能力,称回火稳定性淬火时溶于马氏体的合金元素,回火时有阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大的作用使回火硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样碳的质量分数的碳钢要高,回火时间也长而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高一些含有钨、钼、钒的合金钢,经高温奥氏体充分均匀化并淬火后,在500~600℃回火时会从马氏体中析出特殊碳化物,析出的碳化物高度弥散分布在马氏体基体上,使钢的硬度反而有所提高,这就形成了二次硬化二次硬化实质是一种弥散硬化另外,由于特殊碳化物的析出,使残余奥氏体中碳及合金元素浓度降低,提高了Ms温度,故在随后冷却时就会有部分残余奥氏体转变为马氏体,这也是在回火时钢的硬度提高而产生二次硬化的原因二次硬化现象对需要较高红硬性的工具钢如高速钢具有重要意义
1.
4.3合金结构钢1.低合金__度结构钢低合金__度结构钢是结合我国资源条件发展起来的钢种它是低碳结构钢,合金元素总量在3%以下,以Mn为主要元素和碳素结构钢相比有较__度,足够的塑性、韧性,良好的焊接工艺性能,较好的耐腐蚀性和低的冷脆转变温度为保证有良好的塑性与韧性,良好的焊接性能和冷成形性能,低合金__度结构钢中碳的质量分数一般均较低,大多数为c=
0.16%~
0.20%合金元素的主要作用是加入锰(为主加元素)、硅、铬、镍元素为强化铁素体;加入钒、铌、钛、铝等元素为细化铁素体晶粒;合金元素使S点左移,增加珠光体数量;加入碳化物形成元素钒、铌、钛及氮化物形成元素铝,使细小化合物从固溶体中析出,产生弥散强化作用低合金__度结构钢可按屈服极限分
295、
345、
390、
420、460N/mm2五个强度等级,其中295–390N/mm2级的应用最广它们的牌号、化学成分、力学性能及用途见表
1.
4.
1、表
1.
4.2低合金__度结构钢大多数是在热轧、正火状态下使用,其__为铁素体十少量珠光体对Q
420、Q460的C、D、E级钢也可先淬成低碳马氏体,然后进行高温回火以获得低碳回火索氏体__,从而获得良好的力学性能其中Q345钢的应用最广泛我国的南京长江大桥、内燃机车机体、万吨巨轮及压力容器、载重汽车大梁等都采用Q345钢制造2.合金渗碳钢合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件例如,制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性,心部具有较高的强度和足够韧性的零件合金渗碳钢中碳的质量分数一般在c=
0.10%~
0.25%之间,以保证渗碳零件心部具有良好的塑性和韧性碳素渗碳钢的淬透性低,热处理对心部的性能改变不大,加入合金元素可提高钢的淬透性,改善心部性能常用的合金元素有铬、镍、锰和硼等,其中以镍的作用最好为了细化晶粒,还加入少量阻止奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素,如钛、钒、钼等,它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解,有效地抑制渗碳时的过热现象为了保证渗碳零件表面得到高硬度和高耐磨性,大多数合金渗碳钢采用渗碳后淬火+低温回火渗碳后的钢种,表层碳的质量分数为
0.85%~
1.05%,经淬火和低温回火后,表层__由合金渗碳体、回火马氏体及少量残余奥氏体组成,硬度可达58~64HRC,而心部的__与钢的淬透性及零件的截面有关当全部淬透时是低碳回火马氏体,硬度可达40~48HRC,未淬透的情况下是珠光体+铁素体或低碳回火马氏体加少量铁素体的混合__,硬度约为25~40HRC下面以20CrMnTi钢制造的汽车变速齿轮为例,说明其生产工艺路线和热处理工艺方法热处理技术要求渗碳层厚度
1.2mm~
1.6mm,表层碳的质量分数为c=
1.0%,齿顶硬度58~60HRC,心部硬度30~45HRC合金渗碳钢可按淬透性分为低淬透性、中淬透性及高淬透性钢三类主要牌号、成分、热处理、力学性能和用途列于表
1.
4.33.合金调质钢合金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢,其基本性能是具有良好的综合力学性能合金调质钢广泛用于制造一些重要零件,如机床的主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等合金调质钢碳的质量分数一般在c=0.25%~0.50%之间碳的质量分数过低不易淬硬,回火后达不到所需要的强度;如果碳的质量分数过高,则零件韧性较差合金调质钢的主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等,以增加淬透性、强化铁素体;钼、钨的主要作用是防止或减轻第二类回火脆性,并增加回火稳定性;钒、钛的作用是细化晶粒合金调质钢在锻造后为了改善切削__性能应采用完全退火作为预先热处理最终热处理采用淬火后进行500~650℃的高温回火,以获得回火索氏体,使钢件具有高的综合力学性能合金调质钢常按淬透性大小分为三类,其主要牌号、成份、热处理、力学性能和用途见表
1.
4.44.合金弹簧钢弹簧是机器、车辆和仪表及生活中的重要零件,主要在冲击、振动、周期性扭转和弯曲等交变应力下工作,弹簧工作时不允许产生塑性变形,因此要求制造弹簧的材料具有较高的强度合金弹簧钢的碳的质量分数一般为c=0.5%~0.7%,碳的质量分数过高时,塑性和韧性差,疲劳强度下降常加入以硅、锰为主的合金元素,提高钢的淬透性和强化铁素体根据弹簧尺寸的不同,成形与热处理方法也有不同1热成形弹簧钢弹簧丝直径或弹簧钢板厚度大于10~15mm的螺旋弹簧或板弹簧,采用热态成形,成形后利用余热进行淬火,然后中温回火350~500℃处理,得到回火屈氏体,具有高的弹性极限、高的屈强比,硬度一般为42~48HRC弹簧经热处理后,一般还要进行喷丸处理,使表面强化,并在表面产生残余应力,以提高其疲劳强度2冷成形弹簧钢对于钢丝直径小于8~10mm的弹簧,常用冷拉弹簧钢丝冷卷成形钢丝在冷拔过程中,首先将盘条坯料加热至奥氏体__后Ac3以上80~100℃,再在500~550℃的铅浴或盐浴中等温转变获得索氏体__,然后经多次冷拔,得到均匀的所需直径和具有冷变形强化效果的钢丝冷拉钢丝在拉制过程中已被强化,所以在冷卷成型后,不必再作淬火处理,只须在200~300℃进行一次去应力退火,以消除在冷拉、冷卷过程中产生的应力并稳定弹簧尺寸常用合金弹簧钢的牌号60Si2Mn、60Si2CrVA和50CrVA合金弹簧钢主要用于制造各种弹性元件,如在汽车、拖拉机、坦克、机车车辆上制作减震板弹簧和螺旋弹簧,大炮的缓冲弹簧,钟表的发条等5.滚动轴承钢滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚珠、滚柱、滚针的专用钢,也可做其它用途,如形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件一般的轴承用钢是高碳低铬钢,其碳的质量分数为c=
0.95%~
1.15%,属过共析钢,目的是保证轴承具有高的强度、硬度和足够碳化物,以提高耐磨性铬的含量为Cr=
0.4%~
1.65%,铬的作用主要是提高淬透性,使__均匀,并增加回火稳定性铬与碳作用形成的Fe、Cr3C合金渗碳体,能提高钢的硬度及耐磨性,铬还提高钢的回火稳定性滚动轴承钢的纯度要求极高,硫、磷含量限制极严s<
0.020%,p<
0.027%因硫、磷形成非金属夹杂物,降低接触疲劳抗力,故它是一种高级__钢但在牌号后不加“A”字滚动轴承钢的热处理包括预先热处理球化退火和最终热处理淬火+低温回火球化退火目的是获得粒状珠光体__,以降低锻造后钢的硬度,有利于切削__,并为淬火作好__上准备淬火与低温回火是决定轴承钢最终性能的重要热处理工序,淬火温度应严格控制在840±10℃的范围内,回火温度一般为150~160℃轴承钢淬火、回火后的__为极细回火马氏体和分布均匀的细小碳化物以及少量的残余奥氏体,回火后硬度为6l~65HRC对于精密轴承,由于低温回火不能完全消除残余应力和残余奥氏体因此为了稳定尺寸,可在淬火后立即进行冷处理-60~-80℃,以减少残余奥氏体量,然后再进行低温回火和磨削__,最后再进行一次稳定尺寸的稳定化处理在120~130℃保温10~20h综上所述,铬轴承钢制造轴承生产工艺路线一般如下下料→锻造→球化退火→机械__→淬火+低温回火→磨削__→成品常用滚动轴承钢的牌号、成分、热处理和主要用途见表
1.
4.5表
1.
4.5常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途牌号化学成分wMe×100热处理用途举例CCrMnSiSP淬火温度/℃回火温度/℃回火后硬度(HRC)__r
91.00~
1.
100.90~
1.
200.25~
0.
450.15~
0.35≤
0.020≤
0.027810~830150~17062~66直径10~20mm的滚珠、滚柱及滚针__r
150.95~
1.
051.40~
1.
650.25~
0.
450.15~
0.35≤
0.020≤
0.027825~845150~17062~66壁厚12mm、外径250mm的套圈,直径为15~50mm的钢球__r15-SiMn
0.95~
1.
051.40~
1.
650.95~
1.
250.45~
0.75≤
0.020≤
0.027820~840150~170≥62壁厚≥12mm、外径250mm的套圈,直径50mm的钢球
1.
4.4合金工具钢合金工具钢按用途分为合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢1.合金刃具钢刃具钢是用来制造各种切削刀具的钢,如车刀、铣刀、钻头等,提出如下的性能要求高的硬度、高耐磨性、高的红硬性(红硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力)、一定的韧性和塑性1低合金刃具钢为了保证高硬度和耐磨性,低合金刃具钢的碳的质量分数为c=
0.75%~
1.45%,加入的合金元素硅、铬、锰可提高钢的淬透性;硅、铬还可以提高钢的回火稳定性,使其一般在300℃以下回火后硬度仍保持60HRC以上,从而保证一定的红硬性钨在钢中可形成较稳定的特殊碳化物,基本上不溶于奥氏体,能使钢的奥氏体晶粒保持细小,增加淬火后钢的硬度,同时还提高钢的耐磨性及红硬性常用低合金刃具钢的牌号、成分、热处理及用途见表
1.
4.6刃具毛坯经锻造后的预先热处理为球化退火,最终热处理采用淬火+低温回火,__为细回火马氏体十粒状合金碳化物十少量残余奥氏体,硬度一般为60HRC表
1.
4.6常用低合金刃具钢的牌号、成分、热处理及用途牌号化学成分wMe×100试样淬火退火状态HBS不小于用途举例CSiMnCr其它淬火温度/℃HBC不小于Cr
061..30~
1.45≤
0.40≤
0.
400.50~
0.70--780~810水64241~187锉刀、刮刀、刻刀、刀片、剃刀、外科医疗刀具Cr
20..95~
1.10≤
0.40≤
0.
401.30~
1.65--830~860油62229~179车刀、插刀、铰刀、冷轧辊等9SiCr
0.85~
0.
951.20~
1.
600.30~
0.
600.95~
1.25---830~860油62241~197丝锥、板牙、钻头、铰刀、齿轮铣刀、小型拉刀、冷冲模等8MnSi
0.75~
0.
850.30~
1.
600.80~
1.10-----800~820油60≤229多用作木工凿子、锯条或其它工具9Cr
20..85~
0.95≤
0.40≤
0.
401.30~
1.70--820~850油62217~179尺寸较大的铰刀、车刀等刃具、冷轧辊、冷冲模与冲头、木工工具等W
1.05~
1.25≤
0.40≤
0.
40.010~
0.30W
0.80~
1.20800~830水62229~187低速切削硬金属刃具,如麻花钻、车刀和特殊切削工具2高速钢高速钢是一个红硬性、耐磨性较高的高合金工具钢,它的红硬性高达600℃,可以进行高速切削,故称之高速钢高速钢具有高的强度、硬度、耐磨性及淬透性高速钢的成分特点是含有较高的碳和大量形成碳化物的元素钨、钼、铬、钒、钴、铝等,碳的质量分数为c=
0.70%~
1.60%,合金元素总量Me>10%碳的质量分数高的原因在于通过碳与合金元素作用形成足够数量的合金碳化物,同时还能保证有一定数量的碳溶于高温奥氏体中,以使淬火后获得高碳马氏体,保证高硬度和高耐磨性以及良好的红硬性钨、钼是提高红硬性的主要元素在高速钢退火状态下主要以各种特殊碳化物的形式存在在淬火加热时,一部分碳化物溶入奥氏体,淬火后形成含有大量钨、钼的马氏体__,这种合金马氏体__具有很高的回火稳定性在560℃左右回火时,会析出弥散的特殊碳化物W2C、Mo2C,造成二次硬化未溶的碳化物则能阻止加热时奥氏体晶粒长大,使淬火后得到的马氏体晶粒非常细小隐针马氏体在淬火加热时,铬的碳化物几乎全部溶入奥氏体中,增加奥氏体的稳定性,从而明显提高钢的淬透性,使高速工具钢在空冷条件下也能形成马氏体__但铬的含量过高,会使Ms点下降,残余奥氏体量增加,降低钢的硬度并增加回火次数,所以铬的含量在高速钢中为Cr≈4%由于高速工具钢含有大量合金元素,故铸态__出现莱氏体,属于莱氏体钢其__晶碳化物呈鱼骨状且分布很不均匀,造成强度及韧性下降这些碳化物不能用热处理来消除,必须通过高温轧制及反复锻造将其击碎,并使碳化物呈小块状均匀分布在基体上因此,高速工具钢锻造的目的不仅仅在于成形,更重要的是打碎莱氏体中粗大的碳化物因高速工具钢的奥氏体稳定性很好,经锻造后空冷,也会发生马氏体转变为了改善其切削__性能,消除残余内应力,并为最终热处理作__准备,必须进行退火通常采用等温球化退火即在830~880℃范围内保温后,较快地冷却到720~760℃范围内等温,退火后__为索氏体及粒状碳化物,硬度为207~255HBS高速钢的红硬性主要决定于马氏体中合金元素的含量,即加热时溶入奥氏体中的合金元素量对W18Cr4V钢,随着加热温度升高,溶入奥氏体中的合金元素量增加,为了使钨、钼、钒元素尽可能多地溶入奥氏体,提高钢的红硬性,其淬火温度应高(为1270~1280℃)但加热温度过高时,奥氏体晶粒粗大,剩余碳化物聚集,使钢性能变坏,故高速工具钢的淬火加热温度一般不超过1300℃高速工具钢的淬火方法常用油淬空冷的双介质淬火法或马氏体分级淬火法淬火后的__是隐针马氏体、粒状碳化物及20%~25%的残余奥氏体为了消除淬火应力,减少残余奥氏体量,稳定__,提高力学性能指标,则淬火后必须进行回火在560℃左右回火过程中,由马氏体中析出高度弥散的钨、钒的碳化物,使钢的硬度明显提高;同时残余奥氏体中也析出碳化物,使其碳和合金元素含量降低,Ms点上升,在回火冷却过程中残余奥氏体转变成马氏体使硬度提高达到64~66HRC,形成“二次硬化”由于W18Cr4V钢在淬火状态约有20%~25%的残余奥氏体,一次回火难于全部消除,经三次回火后即可使残余奥氏体减至最低量第一次回火1h降到10%左右,第二次回火后降到3%~5%,第三次回火后降到最低量1%~2%高速钢正常淬火、回火后__为极细小的回火马氏体十较多的粒状碳化物及少量残余奥氏体,其硬度为63~66HRC常用高速工具钢我国常用的高速工具钢有三类,见表
1.
4.7W18Cr4V是钨系高速工具钢,其热硬性较高,过热敏感性较小,磨削性好,但碳化物较粗大,热塑性差,热__废品率较高W18Cr4V钢适用于制造一般的高速切削刃具,但不适合作薄刃的刃具表
1.
4.7常用高速工具钢的牌号、成分、热处理、硬度及热硬性种类牌号化学成分wMe×100热处理红硬性HRCCCrWMoV其它淬火温度/℃回火温度/℃回火后硬度(HRC)钨系W18Cr4V
0.70~
0.
803.80~
4.
4017.50~
19.00≤
0.
301.00~
1.401270~1285550~
5706361.5~62钨钼系__6Mo5Cr4V
20.95~
1.
053.80~
4.
405.50~
6.
754.50~
5.
501.75~
2.201190~1210540~56065---W6Mo5Cr4V
20.80~
0.
903.80~
4.
405.50~
6.
754.50~
5.
501.75~
2.201210~1230540~5606460~61W6Mo5Cr4V
31.00~
1.
103.75~
4.
505.00~
6.
754.75~
5.
502.80~
3.301200~1240540~5606464W9Mo3Cr4V
0.77~
0.
853.80~
4.
408.50~
9.
502.70~
3.
301.30~
1.701210~1230540~56064--超硬系W18Cr4V2Co
80.75~
0.
853.75~
5.
0017.50~
19.
000.50~
1.
251.80~
2.40Co:
7.00~
9.501270~1290540~5606564W6Mo5Cr4V2Al
1.05~
1.
203.80~
4.
405.50~
6.
754.50~
5.
501.75~
2.20Al:
0.80~
1.201230~1240540~56065652.合金模具钢根据工作条件的不同,模具钢又可分为冷作模具钢和热作模具钢
(1)冷作模具钢冷作模具钢用于制造在室温下使金属变形的模具,如冷冲模、冷镦、拉丝、冷挤压模等它们在工作时承受高的压力、摩擦与冲击,因此冷作模具要求具有高的硬度和耐磨性、较__度、足够韧性和良好的工艺性常用来制作冷作模具的合金工具钢中有一部分为低合金工具钢如CrWMn、9CrWMn、9Mn2V以及列在表
1.
4.6中的9SiCr、Cr
2、9Cr2等对尺寸比较大、工作载荷较重的冷作模具应采用淬透性比较高的低合金工具钢制造对于尺寸不很大但形状复杂的冷冲模,为减少变形也应使用此类钢制造对于要求热处理变形小的大型冷作模具采用高碳高铬模具钢Crl
2、Crl2MoVCrl2型钢中主要的碳化物是Cr、Fe7C3,这些碳化物在高温加热淬火时大量溶于奥氏体,增加钢的淬透性Cr12型钢缺点是碳化物多而且分布不均匀,残余奥氏体含量也高,强度、韧性大为降低在Cr12钢基础上加入钼、钒后,除了可以进一步提高钢的回火稳定性,增加淬透性外,还能细化晶粒,改善韧性所以Cr12MoV钢性能优于Cr12钢含有钼、钒的高碳高铬钢在500℃左右回火后产生二次硬化因此具有高的硬度和耐磨性冷作模具用合金工具钢的化学成分、热处理及硬度见表
1.
4.8
(2)热作模具钢热作模具钢是用来制作加热的固态金属或液态金属在压力下成形的模具前者称为热锻模或热挤压模,后者称为压铸模由于模具承受载荷很大,要求强度高模具在工作时往往还承受很大冲击,所以要求韧性好,即要求综合力学性能好,同时又要求有良好的淬透性和抗热疲劳性常用热作模具钢的牌号、化学成分、热处理及硬度见表
1.
4.91热锻模具钢包括锤锻模用钢以及热挤压、热镦模及精锻模用钢一般碳的质量分数为c=
0.4%~
0.6%,以保证淬火及中、高温回火后具有足够的强度与韧性热锻模经锻造后需进行退火,以消除锻造内应力,均匀__,降低硬度,改表
1.
4.9常用热作模具钢的牌号、化学成分、热处理及硬度牌号化学成分ωMe×100交货状态HBS试样淬火CSiMnCrWMoV其它淬火温度/℃,冷却介质HRC≥5CrM__o
0.50~
0.
600.25~
0.
601.20~
1.
600.60~
0.90—
0.15~
0.30——241~197820~850油605CrNiMo
0.50~
0.60≤
0.
400.50~
0.
800.50~
0.80—
0.15~
0.30—
1.40~
1.80241~197830~860油603Cr2W8V
0.30~
0.40≤
0.40≤
0.
402.20~
2.
707.50~
9.00—
0.20~
0.50—255~2071075~1125油605Cr4Mo3SiMnVAl
0.47~
0.
570.80~
1.
100.80~
1.
103.80~
4.30—
2.80~
3.
400.80~
1.
200.30~
0.70≤2551090~1120油604CrMnSiMoV
0.35~
0.
450.80~
1.
100.80~
1.
101.30~
1.50—
0.40~
0.
600.20~
0.40—241~197870~930油604Cr5MoSiV
0.33~
0.
430.80~
1.
200.20~
0.
504.75~
5.50—
1.10~
1.
600.30~
0.60—≤235790预热,1000(盐浴)或1010(炉控气氛)加热,保温5~15min空冷,550回火4Cr5MoSiVl
0.32~
0.
450.80~
1.
200.
200.
504.75~
5.50—
1.10~
1.
750.80~
1.20—≤235善切削__性能__后通过淬火、中温回火,得到主要是回火屈氏体的__,硬度一般为40~50HRC来满足使用要求常用的热锻模具钢牌号是5CrNiMo、5CrM__o5CrNiMo钢具有良好韧性、强度、耐磨性和淬透性5CrNiMo钢是___用的大型锤锻模用钢,适于制造形状复杂的、受冲击载荷重的大型及特大型的锻模5CrM__o钢以锰代镍,适于制造中型锻模热作模具钢中的4CrMnSiMoV钢具有良好的淬透性,故尺寸较大的模具空冷也可得到马氏体__,并具有较好的回火稳定性和良好的力学性能,其抗热疲劳性及较高温度下的强度和韧性接近5CrNiMo钢,因此在大型锤锻模和水压机锻造用模上,4CrMnSiMoV钢可以代替5CrNiMo钢铬系热模具钢4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1,可用于制作尺寸不大的热锻模、热挤压模具、高速精锻模具、锻造压力机模具等5Cr4Mo3SiMnVA1为冷热兼用的模具钢,可用其制作压力机热压冲头及凹模,寿命较高2压铸模钢压铸模工作时与炽热金属接触时间较长,要求有较高的耐热疲劳性,较高的导热性,良好的耐磨性和必要的高温力学性能此外,还需要具有抗高温金属液的腐蚀和金属液的冲刷能力常用压铸模钢是3Cr2W8V钢,具有高的热硬性、高的抗热疲劳性这种钢在600~650℃下强度可达σb=1000~1200N/mm2,淬透性也较好近些年来,铝镁合金压铸模用钢还可用铬系热模具钢4Cr5MoSiV及4Cr5MoSiVl,其中用4Cr5MoSiVl钢制作的铝合金压铸模具,寿命要高于3Cr2W8V钢3.合金量具钢量具钢是用于制造游标卡尺、千分尺、量块、塞规等测量工件尺寸的工具用钢量具在使用过程中与工件接触,受到磨损与碰撞,因此要求工作部分应有高硬度58~64HRC、高耐磨性,高的尺寸稳定性和足够的韧性合金工具钢9Mn2V、CrWMn以及__rl5钢,由于淬透性好,用油淬造成的内应力比水淬的碳钢小,低温回火后残余内应力也较小;同时合金元素使马氏体分解温度提高,因而使__稳定性提高,故在使用过程中尺寸变化倾向较碳素工具钢小因此要求高精度和形状复杂的量具,常用合金工具钢制造量具的最终热处理主要是淬火、低温回火,以获得高硬度和高耐磨性对于高精度的量具,为保证尺寸稳定,在淬火与回火之间进行一次冷处理-70~-80℃,以消除淬火后__中的大部分残余奥氏体对精度要求特别高的量具,在淬火、回火后还需进行时效处理时效温度一般为120~130℃,时效时间24~36h,以进一步稳定__,消除内应力量具在精磨后还要进行8h左右的时效处理,以消除精磨中产生的内应力
1.
4.5特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢其种类较多,常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢和耐磨钢1.不锈钢在腐蚀性介质中具有抗腐蚀能力的钢,一般称为不锈钢
(1)金属腐蚀腐蚀通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型化学腐蚀指金属与周围介质发生纯化学作用的腐蚀,在腐蚀过程中没有微电流产生例如钢的高温氧化、脱碳等电化学腐蚀指金属在大气、海水及酸、碱、盐类溶液中产生的腐蚀,在腐蚀过程中有微电流产生在这两种腐蚀中,危害最大的是电化学腐蚀大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀为了提高钢的抗电化学腐蚀能力,主要采取以下措施1提高基体电极电位例如当Cr>
11.7%,使绝大多数铬都溶于固溶体中,使基体电极电位由-
0.56V跃增为+
0.20V,从而提高抗电化学腐蚀的能力2减少原电池形成的可能性使金属在室温下只有均匀单相__例铁素体钢、奥氏体钢3形成钝化膜在钢中加入大量合金元素,使金属表面形成一层致密的氧化膜如Cr2O3等,使钢与周围介质隔绝,提高抗腐蚀能力
(2)常用不锈钢目前常用的不锈钢,按其__状态主要分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢三大类,其牌号、成分、热处理及用途见表
1.
4.101马氏体不锈钢常用马氏体不锈钢碳的质量分数为c=
0.1%~
0.4%,铬的含量为Cr=
11.50%~
14.00%,属铬不锈钢,通常指Crl3型不锈钢淬火后能得到马氏体,故称为马氏体不锈钢它随着钢中碳的质量分数的增加,钢的强度、硬度、耐磨性提高,但耐蚀性下降为了提高耐蚀性,不锈钢的碳的质量分数一般c≤0.4%碳的质量分数较低的lCrl3和2Crl3钢,具有良好的抗大气、海水、蒸汽等介质腐蚀的能力,塑性、韧性很好适用于制造在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的结构零件,如汽轮机叶片、各种阀、机泵等这两种钢常用热处理方法为淬火后高温回火,得到回火索氏体__碳的质量分数较高的3Crl
3、7Crl7钢,经淬火后低温回火,得到回火马氏体和少量碳化物,硬度可达50HRC左右用于制造医疗手术工具、量具、弹簧、轴承及弱腐蚀条件下工作而要求高硬度的耐蚀零件2)铁素体不锈钢典型牌号有1Crl
7、lCrl7Mo等常用的铁素体不锈钢中,c≤
0.12%,Cr=12%~13%,这类钢从高温到室温,其__均为单相铁素体__,所以在退火和正火状态下使用,不能利用热处理来强化其耐蚀性、塑性、焊接性均优于马氏体不锈钢,但强度比马氏体不锈钢低,主要用于制造耐蚀零件,广泛用于硝酸和氮肥工业中3奥氏体不锈钢这类钢一般铬的含量为Cr=17%~19%,Ni=8%~11%,故简称18-8型不锈钢其典型牌号有0Crl9Ni
9、lCrl8Ni
9、0Crl8NillTi、00Crl7Nil4Mo2钢等这类钢中碳的质量分数不能过高,否则易在晶间析出碳化物Cr、Fe23C6引起晶间腐蚀,使钢中铬量降低产生贫铬区,故其碳的质量分数一般控制在c=
0.10%左右,有时甚至控制在
0.03%左右有晶间腐蚀的钢,稍受力即沿晶界开裂或粉碎这类钢在退火状态下呈现奥氏体和少量碳化物__,碳化物的存在,对钢的耐腐蚀性有很大损伤,故采用固溶处理方法来消除固溶处理是把钢加热到1100℃左右,使碳化物溶解在高温下所得到的奥氏体中,然后水淬快冷至室温,即获得单相奥氏体__,提高钢的耐蚀性由于铬镍不锈钢中铬、镍的含量高,且为单相__,故其耐蚀性高它不仅能抵抗大气、海水、燃气的腐蚀,而且能抗酸的腐蚀,抗氧化温度可达850℃,具有一定的耐热性铬镍不锈钢没有磁性,故用它制造电器、仪表零件,不受周围磁场及地球磁场的影响又由于塑性很好,可以顺利进行冷、热压力__2.耐热钢耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的综合性能高温抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的抗力;而高温强度是指钢在高温下承受机械载荷的能力,即热强性因此,耐热钢既要求高温抗氧化性能好,又要求高温强度高在钢中加入铬、硅、铝等合金元素,它们与氧亲和力大,优先被氧化,形成一层致密、完整、高熔点的氧化膜Cr2O
3、Fe2SiO
4、A12O3,牢固覆盖于钢的表面,可将金属与外界的高温氧化性气体隔绝,从而避免进一步被氧化钢铁材料在高温下除氧化外其强度也大大下降,这是由于随温度升高,金属原子间结合力减弱,特别当工作温度接近材料再结晶温度时,也会缓慢地发生塑性变形,且变形量随时间的延长而增大,最后导致金属破坏,这种现象称为蠕变为了提高钢的高温强度,在钢中加入铬、钼、锰、铌等元素,可提高钢的再结晶温度在钢中加入钛、铌、钒、钨、钼以及铝、硼、氮等元素,形成弥散相来提高高温强度常用耐热钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途见表
1.
4.11常用的耐热钢,按正火状态下的__不同主要有珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢三类其中15CrMo钢是典型的锅炉用钢,可用于制造在500℃以下__工作的零件,此钢虽然耐热性不高,但其工艺性能如可焊性、压力__性和切削__性等和物理性能如导热性和膨胀系数等都较好4Cr9Si
2、4Cr10Si2Mo钢适用于650℃以下受动载荷的部件,如汽车发动机、柴油机的排气阀,故此两种钢又称为气阀钢也可用作900℃以下的加热炉构件,如料盘、炉底板等1Cr
13、0Cr18Ni11Ti钢既是不锈钢又是良好的热强钢1Cr13钢在450℃左右和0Cr18Ni11Ti钢在600℃左右都具有足够的热强性0Cr18Ni11Ti钢的抗氧化能力可达850℃,是一种应用广泛的耐热钢,可用来制造高压锅炉的过热器、化工高压反应器等3.耐磨钢耐磨钢是指在冲击和磨损条件下使用的高锰钢高锰钢的主要成分是c=
0.9%~
1.5%,Mn=11%~14%经热处理后得到单相奥氏体__,由于高锰钢极易冷变形强化,使切削__困难,故基本上是铸造成形后使用高锰钢铸件的牌号,前面的“ZG”是代表“铸钢”二字汉语拼音字首,其后是化学元素符号“Mn”,随后数字“13”表示平均锰的质量分数的百倍即平均Mn=13%,最后的一位数字
1、
2、
3、4表示顺序号如ZGMnl3-1,表示l号铸造高锰钢其碳的质量分数最高c=
1.00%~
1.50%;而4号铸造高锰钢ZGMnl3-4,碳的质量分数低c=
0.90%~
1.20%高锰钢铸件的牌号、化学成分、力学性能及用途见表
1.
4.12高锰钢由于铸态__是奥氏体十碳化物,而碳化物的存在要沿奥氏体晶界析出,降低了钢的韧性与耐磨性,所以必须进行水韧处理所谓“水韧处理”,是将高锰钢铸件加热到1000~l100℃,使碳化物全部溶解到奥氏体中,然后在水中急冷,防止碳化物析出,获得均匀的、单一的过饱和单相奥氏体__这时其强度、硬表
1.
4.12高锰钢铸件的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途牌号化学成分ωMe×100热处理(水韧处理)力学性能用途举例CSiMnSP淬火温度/℃冷却介质σb/N·mm-2δ5×100AK/JHBS不小于不大于ZGMn13-
11.00~
1.
500.30~
1.
0011.00~
14.00≤
0.050≤
0.0901060~1100水63720—229用于结构简单、要求以耐磨为主的低冲击铸件,如衬板、齿板、辊套、铲齿等ZGMn13-
21.00~
1.
400.30~
1.
0011.00~
14.00≤
0.050≤
0.0901060~1100水63720118229ZGMn13-
30.90~
1.
300.30~
0.
8011.00~
14.00≤
0.050≤
0.0801060~1100水68625118229用于结构复杂、要求以韧性为主的高冲击铸件,如覆带板等ZGMn13-
40.90~
1.
200.30~
0.
8011.00~
14.00≤
0.050≤
0.0701060~1100水73535118229注牌号、化学成分、热处理、力学性能摘自GB5680-85《高锰钢铸件技术条件》度并不高,而塑性、韧性却很好σb≥637~735N/mm2,δ5≥20%~35%,硬度≤229HBS,Ak≥118J但是,当工作时受到强烈的冲击或较大压力时,则表面因塑性变形会产生强烈的冷变形强化,从而使表面层硬度提高到500~550HBW,因而获得高的耐磨性,而心部仍然保持着原来奥氏体所具有的高的塑性与韧性,能承受冲击当表面磨损后,新露出的表面又可在冲击和磨损条件下获得新的硬化层因此,这种钢具有很高耐磨性和抗冲击能力但要指出,这种钢只有在强烈冲击和磨损下工作才显示出高的耐磨性,而在一般机器工作条件下高锰钢并不耐磨高锰钢被用来制造在高压力,强冲击和剧烈摩擦条件下工作的抗磨零件,如坦克和矿山拖拉机履带板,破碎机颚板、挖掘机铲齿、铁道道岔及球磨机衬板等
1.
5.有色金属
1.
5.1铝及铝合金1.工业纯铝纯铝为面心立方晶格,无同素异构转变,呈银白色塑性好80%、强度低b=80~100MPa,一般不能作为结构材料使用,可经冷塑性变形使其强化铝的密度较小约
2.7×103Kg/m3,仅为铜的三分之一;熔点660℃;磁化率低,接近非磁材料;导电导热性好,仅次于银、铜、金而居第四位铝在大气中其表面易生成一层致密的Al2O2薄膜而阻止进一步的氧化,故抗大气腐蚀能力较强根据上述特点,纯铝主要用于制作电线、电缆,配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求不高的器具纯铝中含有铁、硅等杂质,随着杂质含量的增加,其导电性、导热性、抗大气腐蚀性及塑性将下降工业纯铝分未加压力__产品(铝锭)和压力__产品(铝材)两种按GB1196-88规定,铝锭的牌号有A
199.
7、A
199.
6、A
199.
5、A
199、A198五种铝的质量分数不低于
99.0%的铝材为纯铝,按GB/T16474-1996规定,铝材的牌号有1070A、
1060、1050A、
1035、1200等(即化学成分近似于旧牌号L
1、L
2、L
3、L
4、L5),牌号中数字越大,表示杂质的含量越高2.铝合金分类由于纯铝的强度低,向铝中加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素制成铝合金,具有较高的强度,并且还可用变形或热处理方法,进一步提高其强度故铝合金可作为结构材料制造承受一定载荷的结构零件根据铝合金的成分及工艺特点,可分为变形铝合金和铸造铝合金两类铝合金相图的一般类型如图
1.
5.1所示,凡位于D左边的合金,在加热时能形成单相固溶体__,这类合金塑性较高,适于压力__,故称为变形铝合金合金成分位于D以右合金,都具有低熔点共晶__,流动性好,塑性低,适于铸造而不适于压力__,故称为铸造铝合金对于形变铝合金来说,位于F点左边的合金,其固溶体的成分不随温度的变化而变化,故图
1.
5.1铝合金相图的一般类型不能用热处理强化,称为不能热处理强化的铝合金成分在F与D点之间的合金,其固溶体成分随温度的变化而改变,可用热处理来强化,故称为能热处理强化的铝合金3.铝合金的热处理当铝合金加热到α相区,保温后在水中快速冷却,其强度和硬度并没有明显升高,而塑性却得到改善,这种热处理称为固溶热处理由于固溶热处理后获得的过饱和固溶体是不稳定的,有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向如在室温放置相当长的时间,强度和硬度会明显升高,而塑性明显下降固溶处理后铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象,称为时效强化或沉淀硬化在室温下进行的时效为自然时效,在加热条件下进行的时效为人工时效在不同温度下进行人工时效时,其效果也不同,时效温度愈高,时效速度愈快,但其强化效果愈低铝合金之所以产生时效强化,是由于铝合金在淬火时抑制了过饱和固溶体的分解过程这种过饱和固溶体极不稳定,必然要分解在室温与加热条件下都可以分解,只是加热条件下的分解进行得更快而已4.变形铝合金常用变形铝合金的牌号、成分、力学性能见表
1.
5.1变形铝合金按其主要性能特点可分为防锈铝、硬铝、超硬铝与锻铝等通常__成各种规格的型材(板、带、线、管等)产品供应变形铝合牌号用(GB/T16474—1996规定)2×××~8×××系列表示牌号第一位数字表示组别,按铜、锰、硅、镁、镁和硅、锌,其它元素的顺序来确定合金组别;牌号第二位的字母表示原始合金的改型情况,如果牌号第二位的字表-
1.
5.1常用变形铝合金的牌号、成分、力学性能(摘自GB/T16474-1996)新牌]号旧牌号化学成分ωMe×100直径及板厚mm供应状态试样状态力学性能CuMgMnZn其它σb/N﹒mm-2δ10×1005A05LF
50.
104.8~
5.
50.30~
0.
600.20—φ≤200B,RB,R265153A21LF
210.20—
1.0~
1.6——所有B,RB,R167202A01LY
12.2~
3.
00.20~
0.
500.
200.10Ti
0.15——BM,B,CZ——2A11LY
113.8~
4.
80.40~
0.
800.40~
0.
800.30Ti
0.
152.5~
4.0YM,CZ23537312152A12LY
123.8~
4.
91.2~
1.
80.30~
0.
900.30Ti
0.
152.5~
4.0YM,CZ≤2164561487A04LC
41.4~
2.
01.8~
2.
80.20~
0.
605.0~
7.0Cr
0.10~
0.
250.50~
4.0YM
245102.5~
4.0YCS4907φ20~100B,RB,CS54962A12LD
20.20~
0.
60.45~
0.90或Cr
0.15~
0.35__Si
0.5~
1.2Ti
0.15φ20~150R,B,CZB,CS30482A50LD
51.8~
2.
60.40~
0.
80.40~
0.
800.30Si
0.7~
1.2Ti
0.15φ20~150R,B,CZB,CS38210母是A,表示为原始合金,如果是B~Y的其它字母,则表示为原始合金的改型合金;牌号的最后两位数字没有特殊意义,仅用来区分同一组中不同的铝合金防锈铝合金属于热处理不能强化的铝合金,常采用冷变形方法提高其强度主要有A1-Mn、A1-Mg合金这类铝合金具有适中的强度、优良的塑性和良好的焊接性,并具有很好的抗蚀性,故称为防锈铝合金,常用于制造油罐、各式容器,防锈蒙皮等常用牌号有5A05等其它两类都属于热处理能强化的铝合金,其中硬铝属于A1-Cu-Mg系,超硬铝属于Al-Cu-Mg-Zn系硬铝和超硬铝在固溶处理后,可进行人工时效或自然时效,时效后强度很高,其中超硬铝的强化作用最为强烈这两类铝合金的耐蚀性较差,为了提高铝合金的耐蚀性,常采用包铝法(即包一层纯铝)牌号2A01硬铝有很好的塑性,大量用于制造铆钉飞机上常用铆钉的硬铝牌号为2A10它比2A01铜的含量稍高,镁的含量低,塑性好,且孕育期长,又有较高的抗剪强度牌号2A11硬铝既有相当高的硬度又有足够的塑性,在仪器、仪表及飞机制造成中获得广泛的应用牌号为7A04超硬铝,多用于制造飞机上受力大的结构零件,如起落、大梁等锻铝合金大多是A1-Mg-Si-Cu系,含合金元素较少,有良好的热塑性和耐蚀性,适于用压力__来制造各种零件,有较高的机械性能一般锻造后再经固溶处理和时效处理常用牌号2A
50、2A70等5.铸造铝合金铸造铝合金中有一定数量的共晶__,故具有良好的铸造性能,但塑性差,常采用变质处理和热处理的办法提高其机械性能铸造铝合金可分为A1-Si系、A1-Cu系、A1-Mg系和A1-Zn系四大类,其牌号、成分、机械性能及用途见表
1.
5.2铸造铝合金代号用“ZL”(铸铝)及三位数字表示第一位数字表示合金类别(如1表示铝-硅系,2表示铝-铜系,3表示铝-镁系,4表示铝-锌系等);后两位数字为顺序号,顺序号不同,化学成分不同
(1)Al-Si系合金A1-Si系铸造铝合金又称硅铝明,是铸造铝合金中应用最广泛的一类这种合金流动性好,熔点低,热裂倾向小,耐蚀性和耐热性好,易气焊,但粗大的硅晶体严重降低合金的机械性能因此生产中常采用“变质处理”提高合金的机械性能,即在浇注前往合金溶液中加入2/3NaF十1/3NaCl混合物的变质剂加入量为合金重量的2~3%,变质剂中钠能促进硅形核,并阻碍其晶体长大因此合金的性能显著提高ZLl02经变质处理,其机械性能由b=140MPa提高到b=180MPa,=3%提高到=8%为提高硅铝明的强度,常加入能产生时效强化的Cu、Mg、Mn等合金元素制成特殊硅铝明,这类合金除变质处理外,还可固溶时效处理,进一步强化合金
(2)其它铸造铝合金A1-Cu铸造铝合金耐热性好,但由于其铸造性能不好,有热裂和疏松倾向,耐蚀性差,比强度低于一般__硅铝明,故有被其它铸造铝合金取代的趋势常用牌号有ZL
201、ZL202A1-Mg铸造铝合金耐蚀性好,强度高,密度小为
2.55×103kg/m3,但其铸造性能差,耐热性低,熔铸工艺复杂,时效强化效果小,常用牌号有ZL301,ZL302A1-Zn铸造铝合金铸造性能好,铸态下可自然时效,是一种铸态下__度合金,__是铝合金中最便宜的,但耐蚀性差,热裂倾向大,有应力腐蚀断裂倾向,密度大常用牌号有ZL40l、ZL
4021.
5.2铜及铜合金1.工业纯铜铜是贵重有色金属,是人类应用最早和最广的一种有色金属,其全世界产量仅次于钢和铝工业纯铜又称紫铜,密度为
8.96×103kg/m3,熔点为l083℃纯铜具有良好的导电、导热性,其晶体结构为面心立方晶格,因而塑性好,容易进行冷热__同时纯铜有较高的耐蚀性,在大气、海水中及不少酸类中皆能耐蚀但其强度低,强度经冷变形后可以提高,但塑性显著下降工业纯铜按杂质含量可分为T
1、T
2、T
3、T4四种“T”为铜的汉语拼音字头,其数字越大,纯度越低如T1的Cu=
99.95%,而T4的Cu=
99.50%,余为杂质含量纯铜一般不作结构材料使用,主要用于制造电线、电缆、导热零件及配制铜合金2.黄铜黄铜是以锌为主要合金元素的铜锌合金按化学成分分为普通黄铜和特殊黄铜两类普通黄铜由铜与锌组成的二元合金它的色泽美观,对海水和大气腐蚀有很好的抗力当Cu32%时为单相黄铜,单相黄铜塑性好,适宜于冷、热压力__;当Cu≥32%后,组成双相黄铜,适宜于热压力__黄铜的代号用“H”(黄)汉语拼音+数字表示,数字表示铜的平均质量分数H80色泽好,可以用来制造装饰品,故有“金色黄铜”之称H70强度高、塑性好,可用深冲压的方法制造弹壳、散热器、垫片等零件,故有“弹壳黄铜”之称H
62、H59,它们具有较高的强度与耐蚀性,且__便宜,主要用于热压、热轧零件为改善黄铜的某些性能,常加入少量A
1、Mn、Sn、Si、Pb、Ni等合金元素,形成特殊黄铜特殊黄铜的代号是在“H”之后标以主加元素的化学符号,并在其后标以铜及合金元素的质量分数例HPb59-1表示Cu=59%、Pb=1%,量为Zn的铝黄铜3.青铜青铜原指人类历史上应用最早的一种Cu-Sn合金但逐渐地把除锌以外的其它元素的铜基合金,也称为青铜所以青铜包含有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜和铅青铜等青铜的代号为“Q青+主加元素符号及其质量分数+其它元素符号及质量分数”铸造青铜则在代号(牌号)前加“ZCu”1)锡青铜以Sn为主加入元素的铜合金,我国古代遗留下来的钟、鼎、镜、剑等就是用这种合金制成的,至今已有几千年的历史,仍完好无损锡青铜铸造时,流动性差,易产生分散缩孔及铸件致密性不高等缺陷,但它在凝固时体积收缩小,不会在铸件某处形成集中缩孔,故适用于铸造对外形尺寸要求较严格的零件锡青铜的耐腐蚀性比纯铜和黄铜都高,特别是在大气、海水等环境中抗磨性能也高,多用于制造轴瓦、轴套等耐磨零件常用锡青铜牌号有QSn4-
3、QSn
6.5-
0.
1、ZCuSn10P12)铝青铜铝青铜是以铝为主加元素的铜合金,它不仅__低廉,且强度、耐磨性、耐蚀性及耐热性比黄铜和锡青铜都高,还可进行热处理淬火、回火强化当含A1量小于5%时,强度很低,塑性高;当含A1量达到12%时,塑性已很差,__困难故实际应用的铝青铜的Al一般在5~10%之间当Al=5~7%时,塑性最好,适于冷变形__当Al=10%左右时,常用于铸造常用铝青铜牌号有QAl7铝青铜在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的抗蚀性因此铝青铜是无锡青铜中应用最广的一种,也是锡青铜的重要代用品,缺点是其焊接性能较差铸造铝青铜常用来制造强度及耐磨性要求较高的摩擦零件,如齿轮、轴套、蜗轮等3)铍青铜铍青铜的含Be量很低,约Be=
1.7~
2.5%,Be在Cu中的溶解度随温度而变化,故它是唯一可以固溶时效强化的铜合金,经固溶处理及人工时效后,其性能可达σb=1200MPa,δ=2~4%,330~400HBS铍青铜还有较高的耐蚀性和导电、导热性,无磁性此外,有良好的工艺性,可进行冷、热__及铸造成型通常制作弹性元件及钟表、仪表、罗盘仪器中的零件,电焊机电极等1.5.3钛及其合金钛及其合金具有质量轻、比强度高、良好的耐蚀性钛及其合金还有很高的耐热性,实际应用的热强钛合金工作温度可达400℃~500℃,因而钛及其合金已成为__、__、机械工程、化工、冶金工业中不可缺少的材料但由于钛在高温中异常活泼,熔点高,熔炼、浇注工艺复杂且__昂贵,成本较高,因此使用受到一定限制1.纯钛纯钛是灰白色轻金属,密度为
4.54g/cm3,熔点为1668℃,固态下有同素异晶转变,在
882.5℃以下为α-Ti(密排六方晶格),
882.5℃以上为β-Ti(体心立方晶格)纯钛的牌号为TA
0、TA
1、TA
2、TA3TA0为高纯钛,仅在科学研究中应用,其余三种均含有一定量的杂质,称工业纯钛纯钛焊接性能好、低温韧性好、强度低、塑性好,易于冷压力__2.钛合金钛合金可分为三类α钛合金、β钛合金和(α+β)钛合金我国的钛合金牌号是以TA、TB、TC后面附加顺序号表示,常用的钛合金牌号、化学成分、力学性能,见表
1.
5.3
(1)α钛合金由于α钛合金的__全部为α固溶体,因此__稳定,抗氧化性和抗蠕变性好,焊接性能也很好室温强度低于β钛合金和(α+β)钛合金但高温(500℃~600℃)强度比后两种钛合金高α钛合金不能热处理强化,主要是固溶强化来提高其强度表
1.
5.3常用的钛合金牌号、化学成分、力学性能类型合金牌号化学成分状态室温化学性能,不小于高温化学性能σb/Mpaδ×100ψ×100αk/J·cm-2试验温度/℃瞬时强度σ/Mpa持久强度σ/Mpaα钛合金TA4TA5TA6TA7TA8Ti-3AlTi-4Al-
0.005BTi-5AlTi-5Al-
2.5SnTi-5Al-
2.5Sn-3Cu-
1.5Zr退火4507007008001000251510101050402727258060303020~30——350350500——430500700——400450500β合钛金TB1TB2Ti-3Al-8Mo-11CrTi-5Mo-5V-3Cr-3Al淬火+时效1300140057—101515——————α+β钛合金TC1TC2TC4TC6TC9TC10Ti-2Al-
1.5MnTi-3Al-
1.5MnTi-6Al-4VTi-6Al-
1.5Cr-
2.5Mo-
0.5Fe-
0.3SiTi-
6.5Al-
3.5Mo-
2.5Sn-
0.3SiTi-6Al-6V-2Sn-
0.5Cu-
0.5Fe退火600700950950___0115015121010912303030232530454040303040350350400450500400350430530600850850350400580550620800TA7是常用的α钛合金,该合金有较高的室温温度、高温强度和优良的抗氧化性及耐蚀性,并具有很好的低温性能,适宜制作使用温度不超过500℃的零件如导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等
(2)β钛合金β钛合金具有较高的强度,优良的冲压性,但耐热性差,抗氧化性能低当温度超过700℃时,合金很容易受大气中的杂质气体污染它的生产工艺复杂,且性能不太稳定,因而限制了它的使用β钛合金可进行热处理强化,一般可用于淬火和时效强化TB1是应用最广泛的β钛合金,淬火后容易得到介稳定的单相β__,这时该合金具有良好的冷成形性能该合金使用温度在350℃以下,多用于制造飞机结构件和紧固件
(3)α+β钛合金α+β钛合金室温__为α+β,它兼有α钛合金和β钛合金两者的优点,强度高、塑性好,耐热性高,耐蚀性和冷热__性及低温性能都很好,并可以通过淬火和时效进行强化,是钛合金中应用最广的合金TC4是用途最广的合金,退火状态具有较高的强度和良好的塑性(σb=950MPa,δ=10%),经淬火和时效处理后其强度可提高至1190MPa该合金还具有较高的抗蠕变能力、低温韧度及良好的耐蚀性,因此常用于制造400℃以下和低温下工作的零件如飞机发动机压气机盘和叶片,压力容器等
1.
5.4滑动轴承合金1.对轴承合金的性能要求轴承合金是指制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金当轴承支撑着轴进行工作时,由于轴的旋转,使轴和轴瓦之间产生强烈的摩擦,因轴__较贵,更换困难,为了减少轴承对轴颈的磨损,确保机器的正常运转,轴承合金应具有以下性能
(1)具有足够的强度和硬度,以承受较高的周期性载荷;
(2)塑性和韧性好以保证轴承与轴的配合良好,并耐冲击和振动;
(3)与轴之间有良好的磨合能力及较小的摩擦系数,并能保留润滑油,减少磨损;
(4)有良好的导热性和抗蚀性;
(5)有良好的工艺性,容易制造且__低廉为了满足上述要求,轴承合金的__应该是在软的基体上分布着硬的质点,当轴工作时,软的基体很快磨凹下去,而硬的质点凸出于基体上,支撑着轴所施加的压力,减小轴与轴瓦的接触面,且凹下去的基体可以储存润滑油,从而减小轴与轴颈间的摩擦系数,同时偶然进入外来硬物也被压入软基体中,不致于擦伤轴软的基体还能承受冲击与振动并使轴与轴瓦很好地磨合属于这类__的有锡基和铅基轴承合金对高转速、高载荷轴承,强度是首要问题,轴承合金可以采取硬基体(其硬度低于轴颈硬度)上分布软质点的__,来提高单位__上的承载能力,属于这类__的轴承合金有铜基及铝基轴承合金这种__具有较大的承载能力,但磨合能力差最常用的轴承合金是锡基或铅基轴承合金,亦称“巴氏合金”,其牌号、成分、机械性能及用途见表
1.
5.4表
1.
5.4铸造轴承合金牌号、化学成分、机械性能及用途举例类别牌号化学成分ωMe×100硬度HBS(不小于)用途举例__CuPbSn杂质锡基轴承合金ZSn__12Pb10Cu
411.0~
13.
02.5~
5.
09.0~
11.0余量
0.5529一般发动机的主轴承,但不适于高温工作ZSn__11Cu
610.0~
12.
05.5~
6.5-余量
0.55271500KW以上蒸汽机、370KW涡轮压缩机,涡轮泵及高速内燃机轴承ZSn__8Cu
47.0~
8.
03.0~
4.0-余量
0.5524一般大机器轴承及高载荷汽车发动机的双金属轴承ZSn__4Cu
44.0~
5.
04.0~
5.0-余量
0.5020涡轮内燃机的高速轴承及轴承衬铅基轴承合金ZPb__16Sn16Cu
215.0~
17.
01.5~
2.0余量
15.0~
17.
00.630110~880KW蒸汽涡轮机,150~750KW电动机和小于1500KW起重机及重载荷推力轴承ZPb__15Sn5Cu3Cd
214.0~
16.
02.5~
3.0Cd
1.75~
2.25As
0.6~
1.0余量Pb
5.0~
6.
00.432船舶机械、小于250KW电动机、抽水机轴承ZPb__15Sn
1014.0~
16.0-余量
9.0~
11.
00.524中等压力的机械、也适用于高温轴承ZPb__15Sn
514.0~
15.
50.5~
1.
04.0~
5.
50.7520低速、轻压力机械轴承ZPb__10Sn
69.0~
11.0-
5.0~
7.
00.7518重载荷、耐蚀、耐磨轴承2.锡基轴承合金锡基及铅基轴承合金的牌号为“Z+基体元素+主加元素及含量+辅加元素及含量”其中“Z”为“铸”字汉语拼音字首例如ZSn__11Cu6为铸造锡基轴承合金,基体元素为锡,主加元素为锑,辅加元素为Cu,其中__=11%,Cu=6%,其余为Sn锡基轴承合金膨胀系数小,减摩性好,并具有良好的导热性、塑性和耐蚀性,适于制造汽车、拖拉机、汽轮机等高速轴瓦,但其疲劳强度差锡是稀缺元素应尽量少用为了提高锡基轴承合金的强度和寿命,可以把它用离心浇注法镶铸在钢质轴瓦上,形成薄而均匀的一层内衬,这步工艺称为“挂衬”3.铅基轴承合金铅基轴承合金的硬度、强度和韧性比锡基轴承合金低,但由于__便宜,铸造性能好,常做低速、低负荷的轴承使用如汽车、拖拉机的曲轴轴承及电动机轴承等4.铜基轴承合金铜基轴承合金有铅青铜如ZCuPb
30、锡青铜如ZCuSn10Pbl铅青铜ZCuPb30具有高的疲劳强度和承载能力,优良的耐磨性、导热性和低的摩擦系数,能在较高温度250℃下正常工作,因此可以制造承受高载荷、高速度的重要轴承,如__发动机、高速柴油机等的轴承铅青铜的强度较低,因此也需在钢瓦上挂衬,制成双金属轴承锡青铜ZCuSnl0Pbl能承受较大的载荷,广泛用于中等速度及受较大的固定载荷的轴承,如电动机、泵、金属切削机床的轴承5.铝基轴承合金铝基轴承合金是一种新型减摩材料,具有密度小,导热性好,疲劳强度高和耐蚀性好等优点,并且原料丰富,__低廉但其膨胀系数大,运转时容易与轴咬合常用的铝基轴承合金有如下两类
(1)铝锑镁轴承合金该合金与08钢板一起热轧成双金属轴承,生产工艺简单,成本低廉,并具有良好的疲劳强度和耐磨性,但承载能力不大
(2)铝锡轴承合金这种合金也以08钢为衬背、轧制成双合金带它具有较高的疲劳强度和较好的耐热性、耐磨性及耐蚀性生产工艺简单,成本低目前用它代替其它轴承合金,广泛应用于汽车、拖拉机和内燃机车等
1.6其它材料
1.
6.1粉末冶金材料粉末冶金是用金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作原料,经压制成形后烧结,以获得金属零件和金属材料的方法它既是一种不经熔炼生产材料或零件的方法,其零件的生产过程是一种精密的无切屑或少切屑的__方法粉末冶金可生产其它工艺方法无法制造或难以制造的零件和材料如高熔点材料、复合材料、多孔材料等
1.硬质合金硬质合金是采用高硬度、高熔点的碳化物粉末和粘结剂混合、加压成形、烧结而成的一种粉末冶金材料硬质合金的硬度,在常温下可达86~93HRA(相当于69~81HRC),红硬性可达900~1000℃因此,其切削速度比高速钢可提高4~7倍,刀具寿命可提高5~80倍由于硬质合金的硬度高,脆性大,不能进行机械__,故常将其制成一定形状的刀片,镶焊在刀体上使用常用硬质合金按成分与性能的特点可分为三类,其类别、牌号、主要成分及性能特点见表
1.
6.11)钨钴类硬质合金它的主要化学成分为碳化钨及钴其牌号用“硬”、“钴”两字的汉语拼音的字首“YG”加数字数字表示钴的质量分数钴含量越高,合金的强度、韧性越好;钴含量越低,合金的硬度越高、耐热性越好例如YG6表示钨钴类硬质合金ωCo=6%,余量为碳化钨这类合金也可以用代号“K”来表示,并采用红色标记2)钨钴钛类硬质合金它的主要成分为碳化钨、碳化钛和钴其牌号用“硬”、“钛”两字的汉语拼音的字首“YT”加数字数字表示碳化钛的质量分数例如YT15表示碳化钛硬质合金ωTic=15%,余量为碳化钨和钴这类合金也可用代号“P”表示,并采用蓝色标记表
1.
6.1常用硬质合金的牌号、化学成分、机械性能类别ISO代号牌号化学成分ωB%物理、力学性能WCTiCTaCCo密度ρ(g/cm-3)HBAσbMpa不小于钨钴类硬质合金K红色K01YG3X
96.5--
0.
5315.0~
15.
391.51079K20YG
694.0----
614.6~
15.0__.51422K10YG6X
93.5--
0.
5614.6~
15.
091.01373K30YG
892.0----
814.5~
14.9__.01471YG8N
91.0--
1814.5~
14.9__.51471--YG11C__.0----
1114.0~
14.
486.52060--YG
1585.0----
1513.0~
14.2872060--YG4C
96.0----
414.9~
15.2__.51422--YG6A
92.0--
2614.6~
15.
091.51373--YG8C
92.0----
814.5~
14.
988.01716钨钛钴类硬质合金P蓝色P30YT
585.05--
1012.5~
13.2__.51373P10YT
1579.015--
611.0~
11.
791.01150P01YT
3066.030--
49.3~
9.
792.5883通用硬质合金M黄色M10YW184~8563~
4612.6~
13.
591.51177M20YW282~8363~
4812.4~
13.
590.51324YT类硬度合金由于碳化钛加入,具有较高的硬度与耐磨性同时,由于这类合金表面会形成一层氧化钛薄膜,切削时不易粘刀,故有较高的红硬性,但强度和韧性比YG类硬质合金低因此,YG类硬质合金适于__脆性材料(如铸铁等),而YT类硬质合金适宜于__塑性材料(如钢等)同一类硬质合金中,钴的含量较高的适宜于制造粗__的刃具;反之,则适宜于制造精__的刃具3)通用硬质合金它是以碳化钽(TaC)或碳化铌(NbC)取代YT类硬质合金的一部TiC通用硬质合金兼有上述两类合金的优点,应用广泛,因此通用硬质合金又称“万能硬质合金”其牌号用“硬”、“万”两字的汉语拼音的字首“YW”加数字表示,其中数字无特殊意义,仅表示该合金的序号它也可以用代号“M”表示,并采用黄色标记近些年来,用粉末冶金法又生产了一种新型硬质合金——钢结硬质合金它是以一种或几种碳化物(如TiC和WC)为硬化相,以碳钢或合金钢(高速钢或铬相钢)粉末为粘结剂(基体),经配料、混合、压制、烧结而成粉末冶金材料钢结硬质合金坯料与钢一样,可以锻造、热处理、切削__、焊接它在淬火与低温回火后硬度可达相当于70HRC,具有高耐磨性、抗氧化、耐腐蚀等优点用作刃具时,钢结硬质合金的寿命与YG类硬质合金差不多,大大超过合金工具钢由于它可以切削__,故适宜于制造各种形状复杂的刃具、模具和耐磨零件
2.烧结减摩材料1)多孔轴承机械行业广泛使用的多孔轴承有铁基的(98%铁粉+2%石墨粉)和铜基的(99%锡青铜粉+1%石墨粉)两种前者可以取代部分铜合金,__便宜;后者的减摩性好多孔轴承具有较高减摩性这种材料压制成轴承后再浸入润滑油中,因组分中含有石墨,它本身具有一定的孔隙度,在毛细现象作用下可吸附大量润滑油,故称为多孔轴承,多孔轴承有自动润滑作用多孔轴承一般用做中速、轻载荷的轴承,特别适宜不经常加油的轴承在家用电器、精密机械及仪表工业中得到广泛应用另外,多孔轴承使用时还能消除了因润滑油的漏落而造成产品的污染2)金属塑料减摩材料用烧结好的多孔铜合金作骨架,在真空下浸渍聚四氟乙烯乳液,使聚四氟乙烯浸入其孔隙中,就能获得金属与塑料成为一体的金属塑料减摩材料聚四氟乙烯具有一定的减摩性,耐蚀性及较宽的工作温度范围(-26~+250℃)铜合金骨架具有较高的强度和较好的导热性
3.烧结铁基结构材料烧结铁基结构零件的材料,又称烧结钢用粉末冶金方法生产结构零件的最大特点是发挥了冶金工艺无切削或少切削__,使零件精度高及表面光洁(径向精度2~4级、表面粗糙度Ra
1.60~Ra
0.20μm),零件还可通过热处理强化提高耐磨性用碳钢粉末烧结的合金,其碳含量较低的,可制造承受载荷小的零件、渗碳件及焊接件;其碳含量较高的,淬火后可制造要求一定强度或耐磨性的零件用合金钢粉末烧制的合金,其中常有铜、镍、钼、硼、锰、铬、硅、磷等合金元素,它们可强化基体,提高淬透性,加入铜还可提高耐蚀性合金钢粉末冶金淬火后σb可达500~800N/mm2,硬度为40~45HRC,可制造承受载荷较大的烧结结构件,如油泵齿轮、汽车差速齿轮等
1.
6.2陶瓷材料
1.概述陶瓷是人类最早使用的材料之一现代陶瓷材料是指除金属和有机材料以外的所有固体材料,又称无机非金属材料现代陶瓷充分地利用了各不同组成物质的特点以及特定的力学性能和物理化学性能从组成上看,其除了传统的硅酸盐、氧化物和含氧酸盐外,还包括碳化物、硼化物、硫化物及其他的盐类和单质;材料更为纯净,组合更为丰富;而从性能上看,现代陶瓷不仅能够充分利用无机非金属物质的高熔点、高硬度、高化学稳定性,得到一系列耐高温、高耐磨和高耐蚀的新型陶瓷,而且还充分利用无机非金属材料优异的物理性能,制得了大量的不同功能的特种陶瓷,如介电陶瓷、压电陶瓷、高导热陶瓷以及具有半导体、超导性和各种磁性的陶瓷,适应了__、能源、电子等新技术发展的需求,也是目前材料__的热点之一
2.陶瓷材料的分类陶瓷材料及产品种类繁多,而且还在不断扩大和增多陶瓷材料大致可以分为普通陶瓷(传统陶瓷)和特种陶瓷两大类普通陶瓷是以天然原料如高岭土(Al2O3•2SiO2•2H2O)、石英(SiO2)、长石(K2O•Al2O3•6H2O)等烧结而成,这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等特种陶瓷又称近代陶瓷,是指各种新型陶瓷,多采用高纯度人工合成的原料烧结而成根据特种陶瓷的成分不同可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等;按用途又可分为高温陶瓷、光学陶瓷、磁性陶瓷等
3.常用工业陶瓷1普通陶瓷普通陶瓷质地硬,不导电,易于__成型;但其内部含有较多玻璃相,高温下易软化,耐高温及绝缘性不及特种陶瓷其成本低,产量大,广泛用于工作温度低于200℃的酸碱介质、容器、反应塔、管道和供电系统的绝缘子等2特种陶瓷1)氧化铝陶瓷这是以Al2O3为主要成分的陶瓷,一般含量大于45%,另含有少量的SiO2根据Al2O3含量不同又分为75瓷(含75%Al2O3)、95瓷(含95%Al2O3)和99瓷(含99%Al2O3),后两者又称刚玉瓷氧化铝陶瓷中Al2O3含量越高,玻璃相含量越少,气孔越少,其性能也越好,但此时工艺变得复杂,成本升高氧化铝陶瓷耐高温性好,在氧化性气氛中,可用温度达1950℃,且耐蚀性好故可用作高温器皿,如熔炼铁钴镍等的坩埚及耐热用品等氧化铝有高硬度及高温强度,可用作高速切削及难切削材料__的刃具760℃时HRA87,1200℃时HRA80;还可作耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门等同时氧化铝瓷有很好的绝缘性能、内燃机火花塞基本都是用氧化铝瓷作的氧化铝瓷的缺点是脆性大,不能承受冲击载荷,抗热震性差,不适合用于有温度急变场合2)其他氧化物陶瓷BeO、CaO、ZrO
2、__O
2、MgO等氧化物陶瓷熔点高,均在2000℃附近,甚至更高,且还具有一系列特殊的优异性能MgO是典型的碱性耐火材料,用于冶炼钢铁、合金、铜、铝、镁以及熔化高纯铀、钍及其合金BeO陶瓷在还原性气中特别稳定,其导热性极好(与铝相近),故抗热冲击性能好,可用作高频电炉坩埚和高温绝缘子等电子元件,以及用于激光管、晶体管散热片、集成电路基片等;铍的吸收中子截面小,故氧化铍还是核反应堆的中子减速剂和反射材料;但氧化铍粉末及蒸气有剧毒,生产和应用中应注意安全ZrO2__且耐热性好,导热率高,高温下是良好的隔热材料;另外ZrO2室温下是绝缘体,但在1000℃以上变为导体,是优异的固体电解质材料,用于离子导电材料(电极),传感及敏感元件及1800℃以上的高温发热体,还可用于熔炼Pt、Pd、Rh等合金的坩埚3)非氧化物陶瓷常用的非氧化物陶瓷主要有碳化物陶瓷,如SiC、B4C;氮化物陶瓷,如Si3N
4、BN等,它们也具有各自的优异性能氮化硅(Si3N4)陶瓷稳定性极好,除氢氟酸外能耐各种酸碱腐蚀,也可抵抗熔融有色金属的侵蚀;氮化硅硬度很高,摩擦系数小(只有
0.1~
0.2,相当于加油的金属表面),耐磨性、减摩性好(自润滑性好),是很好的耐磨材料;同时Si3N4还有很好的抗热震性,故氮化硅陶瓷可用作腐蚀介质下的机械零件、密封环、高温轴承、燃气轮机叶片、坩埚以及刀具等碳化硅(SiC)陶瓷是一种__度、高硬度的耐高温陶瓷,在1200~1400℃时抗弯强度仍达500~600MPa;且其导热性好,热稳定性耐蚀性耐磨性也很好主要可用于____尾喷管的喷嘴、炉管、热电偶套管等高温下工作的部件;利用它的导热性可制造高温热交换器;利用它的高硬度和耐磨性制造砂轮、磨料等氮化硼(BN)按晶体结构不同分为六方结构和立方结构两种六方氮化硼结构与石墨相似,性能也比较接近,故又称“白石墨”,具有良好的耐热、导热性和高温介电强度,是理想的散热和高温绝缘材料;另外六方氮化硼化学稳定性好,具有极好的自润滑性,同时由于硬度较低,可进行机械__,作成各种结构的零件立方氮化硼为立方结构,结构紧密,其硬度与金刚石接近,是优良的耐磨材料,常用于制作刀具陶瓷的品种很多,其所具有的性能也是十分广泛的,在所有的工业领域都有这一类材料的应用天地,随着材料的发展,其应用必将越来越广泛现将常用工业陶瓷的组成、性能及应用列表
1.
6.
21.
6.3塑料、橡胶塑料和橡胶都属高分子材料高分子材料分无机高分子材料和有机高分子材料两类;若按来源分,又有天然高分子材料和人工合成高分子材料之分天然有机高分子材料主要有松香、淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶等人工合成的有机高分子材料主要有塑料、合成橡胶、合成纤维等无机高分子材料的分子组成中没有碳元素,常用的有硅酸盐材料、玻璃、水泥及陶瓷等
1.塑料1塑料的组成塑料是高分子材料在一定温度区间内以玻璃态状态使用时表
1.
6.2常用工业陶瓷的组成、特性和应用种类主要组成性能特征用途耐热材料MgO、ThO2热稳定性高耐火材料SiC、Si3N4高温强度高燃汽轮机叶片、火焰导管、火箭喷嘴等高硬度材料SiC、Al2O3高弹性模量复合材料用纤维TiC、B4C、BN高硬度切削刀具、模具等介电材料Mg2SiO
4、Al2O3绝缘性集成电路基板PbTiO
3、BaTiO3热电性热敏电阻PbTiO
3、LiNbO3压电性振荡器BaTiO3强介电性电容器光学材料Al2O3CrNd玻璃荧光、发光性激光CaAs、CdTe红外透过性红外线窗口SiO2高透明度光导纤维WO3电发色效应显示器磁性材料ZnFe2O、γ-Fe2O3软磁性磁带、磁盘SrO.6Fe2O3硬磁性电声器件、仪表及控制器件的磁心半导体材料CdS、Ca2Sx光电效应太阳能电池VO
2、NiO阻抗温度变化效应温度传感器LaB
6、BaO热电子放射效应热阴极的总称因此塑料材料在一定温度下可变为橡胶态而__成型;而在另外的一些条件下又可变为纤维材料但工程上所用的塑料,都是以有机合成树脂为主要成分,加入其它添加剂制成的,其大致组成如下1)合成树脂合成树脂是塑料的主要成分,它决定塑料的主要性能,并起粘结作用,故绝大多数塑料都以相应的树脂来命名的2)添加剂工程塑料中的添加剂都是以改善材料的某种性能而加入的添加剂的作用和类型主要包括a.改善塑料工艺性能如增塑剂、固化剂、发泡剂和催化剂等其中增塑剂是改善高分子材料可塑性和柔软性,使其易于成型;固化剂则是促进塑料受热交联反应使其由线型结构变为体型结构,使其尽快达到形状尺寸和性能的最终稳定化作用(如环氧树脂加入乙二胺即为此类);而催化剂也是加速成型过程中的材料的结构转变过程;发泡剂则是为了获得比表__大的泡沫高分子材料而加入的b.改善使用性能如增塑剂、稳定剂、填料、润滑剂、着色剂、阻燃剂、静电剂等等,主要用于改善塑料的某些使用性能而加入如填料起提__度,改善某些特殊性能并降低成本;稳定剂则是防止使用过程中的老化作用;润滑剂是为了防止塑料在成形过程中产生粘模,便于脱模;而着色剂、阻燃剂也都有着各自的使用性能需求而加入的2塑料的分类1)按热性能分类a.热塑性塑料该类材料加热后软化或熔化,冷却后硬化成型,且这一过程可反复进行,具有可塑性和重复性常用的材料有聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等b.热固性塑料材料成型后,受热不变形软化,但当加热至一定温度则会分解故只可一次成型或使用如环氧树脂等材料2)按使用性能分a.工程塑料可用作工程结构或机械零件的一类塑料,它们一般有较好的稳定的机械性能,耐热耐蚀性较好,且尺寸稳定性好如ABS、尼龙、聚甲醛等b.通用塑料主要用于日常生活用品的塑料其产量大、成本低、用途广,占塑料总产量的3/4以上c.特种塑料具有某些特殊的物理化学性能的塑料如耐高温、耐蚀、光学等性能塑料其产量少、成本高,只用于特殊场合如聚四氟乙烯(PTFE)的润滑耐蚀和电绝缘性3常用工程塑料1聚乙烯(PE)聚乙烯产品相对密度小(
0.91~
0.97g/cm3),耐低温、耐腐蚀、电绝缘性好高压聚乙烯质软,主要用于制造薄膜;低压聚乙烯质硬,可用于制造一些零件聚乙烯产品缺点是强度、刚度、硬度低;蠕变大,耐热性差,且容易老化但若通过辐射处理,使分子链间适当交联,其性能会得到一定的改善2聚氯乙烯(PVC)是最早使用的塑料产品之一,应用十分广泛它是由乙烯气体和氯化氢合成氯乙烯再聚合而成较高温度的__和使用时会有少量的分解,产物为有毒的氯化氢及氯乙烯,因此产品中常加入增塑剂和碱性稳定剂抑制其分解增塑剂用量不同可将其制成硬质品(板、管)和软质品(薄膜、日用品)PVC使用温度一般在15~55℃其突出的优点是耐化学腐蚀、不燃烧、成本低、易于__;缺点是耐热性差,抗冲击强度低,还有一定的毒性当然若用共聚和混合法改进,也可制成用于食品和药品包装的__聚氯乙烯产品3聚苯乙烯(PS)该类塑料的产量仅次于上述两者(PE、PVC)PS具有良好的__性能;其薄膜有优良的电绝缘性,常用于电器零件;其发泡材料相对密度低达
0.33g/cm3,是良好的隔音、隔热和防震材料,广泛用于仪器包装和隔热其中还可加入各种颜色的填料制成色彩鲜艳的制品,用于制造玩具及日常用品聚苯乙烯的缺点是脆性大、耐热性差,但常将聚苯乙烯与丁二烯、丙烯腈、异丁烯、氯乙烯等共聚使用,使材料的冲击性能、耐热耐蚀性大大提高,可用于耐油的机械零件、仪表盘、罩、接线盒和开关按钮等4聚丙烯(PP)聚丙烯相对密度小(
0.9~
0.91g/cm3),是塑料中最轻的其力学性能如强度、刚度、硬度、弹性模量等都优于低压聚乙烯(PE);它还具有优良的耐热性,在无外力作用时,加热至150℃不变形,因此它是常用塑料中唯一能经受高温消毒的产品;还有优良的电绝缘性其主要的缺点是粘合性、染色性和印刷性差;低温易脆化、易燃,且在光热作用下易变质PP具有好的综合机械性能,故常用来制各种机械零件、化工管道、容器;其__及可消毒性,可用于药品的包装5)ABS塑料ABS塑料是由丙烯腈(A)、丁二烯B和苯乙烯S三种组元共聚而成,三组元单体可以任意比例混合由于ABS为三元共聚物,丙烯腈使材料耐蚀性和硬度提高,丁二烯提高其柔顺性,而苯乙烯则使具有良好的热塑性__性,因此ABS是“坚韧、质硬且刚性”的材料ABS由于其低的成本和良好的综合性能,且易于__成型和电镀防护,因此在机械、电器和汽车等工业有着广泛的应用6聚酰胺PA聚酰胺的商品名称是尼龙或绵纶,是目前机械工业中应用比较广泛的一种工程热塑性塑料聚酰胺的机械强度高、耐磨、自润滑性好,而且耐油耐蚀消音减震,大量用于制造小型零件,代替有色金属及其合金;缺点是耐热性不高,工作温度不超过100℃;蠕变值也较大;导热性差,约为金属的1%;吸水性大,导致性能和尺寸的改变7)聚甲醛POM是高密度高结晶性的线型聚合物,性能比尼龙好,其按分子链结构特点又分为均聚甲醛和共聚甲醛聚甲醛性能较好,但热稳定性和耐候性差、大气中易老化、遇火燃烧目前广泛用于汽车、机床、化工、仪表等工业中8)聚碳酸酯(PC)是一种新型热塑性塑料,品种较多工程上用的是芳香族聚碳酸酯,产量仅次于尼龙PC的化学稳定性很好,能抵__光雨水和气温变化的影响;它透明度高,成型收缩小,因此制件尺寸精度高广泛用于机械、仪表、电讯、交通、__、照明和医疗机械等工业如波音747飞机上有2500多个零件要用到聚碳酸酯9)有机玻璃(P___)有机玻璃的化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,是目前最好的透明有机物,透光率92%,超过了普通玻璃;且其力学性能好、冲击韧性高、耐紫外线和防老化性能好,同时密度低(
1.18g/cm3)易于__成型缺点是硬度低、耐磨擦性、耐有机溶剂腐蚀性、耐热性、导热性差,使用温度不能超过180℃主要用于制造各种窗体、罩及光学镜片和防弹玻璃等零部件10)聚四氟乙烯(PTTE或F-4)是含氟塑料的一种,具有极好的耐高低温性和耐磨蚀等性能,又称特氟隆PTFE几乎不受任何化学药品的腐蚀,即使在高温、强酸、强碱及强氧化环境中也都稳定,故有“塑料王”之称;其熔点为327℃,能在-195~+250℃范围内保持性能的__稳定性;其摩擦系数小,只有
0.04,具有极好的自润滑性;在极潮湿的环境中也保持良好的电绝缘性缺点是强度、硬度较低、加热后粘度大,__成型性较差,只能用冷压烧结方法成型在高于390℃工作时将分解出剧毒气体,应予注意PTFE主要用于化工管道、泵、电器设备、隔离防护层等方面11酚醛塑料(PF)由酚类或醛类经缩聚反应而制成的树脂称为酚醛树脂根据不同的性能要求加入不同的填料,便制成各种酚醛塑料,属于热固性塑料,具有优异的耐热、绝缘、化学稳定和尺寸稳定性,较高的强度硬度和耐磨性,其抗蠕变性能优于许多热塑性工程塑料,广泛用于机械电子、__、船舶工业和仪表工业中,如高频绝缘件、耐酸耐碱耐霉菌件及水润滑轴承;其缺点是质脆、耐光性差、色彩单调(只能制成棕黑色)12)环氧塑料EP是在环氧树脂中加入固化剂(胺类和酸酐类)后形成的热固性塑料具有强度高、耐热性、耐腐蚀性及__成型性优良的特点成形工艺好,主要用于制作塑料模具,船体、电气、电子元件环氧树脂对各种工程材料都有突出的粘附力,是及其优良的粘结剂,有“万能胶”之称,广泛用于各种结构粘结剂和制成各种复合材料,如玻璃钢等
2.橡胶1橡胶的组成橡胶是在使用温度范围内处于高弹态的高分子材料是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料工业用橡胶是由生胶(或纯橡胶)和橡胶配合剂组成1)生胶(或纯橡胶)是橡胶制品的主要成分,也是形成橡胶特性的主要原因,其来源可以是合成的也可是天然的,但生胶性能随温度和环境变化很大,如高温发粘、低温变脆,且极易被溶剂溶解,因此必须加入各种不同的橡胶配合剂,以提高橡胶制品的使用性能和__工艺性能2)橡胶配合剂橡胶中常加入的配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂等硫化剂的作用是提高橡胶制品的弹性、强度、耐磨性和抗老化能力;硫化促进剂可缩短橡胶硫化时间、降低硫化温度、减少硫化剂用量,同时能改善橡胶制品的性能;防老化剂是为了防止和延缓橡胶制品的老化;填充剂的作用是提高橡胶制品的强度、硬度,减少生胶的用量及改善工艺性能2常用橡胶材料橡胶品种很多,主要有天然橡胶和合成橡胶两类合成橡胶按用途及使用量分为通用橡胶和特种橡胶1)天然橡胶天然橡胶是橡胶树流出的胶乳,经凝固、干燥等工序制成的弹性固状物,其单体为异戊二烯高分子化合物具有很好的弹性,但强度、硬度不高为提__度并硬化,需进行硫化处理天然橡胶是优良的绝缘体,但耐热老化性和耐大气老化性较差,不耐臭氧、油和有机溶剂,且易燃广泛用于制造轮胎、胶带和胶管等2)合成橡胶合成橡胶是指具有类似橡胶性质的各种高分子化合物它的种类很多,主要有以下几种a.丁苯橡胶它是合成橡胶中应用最广、产量最大的一种由丁二烯和苯乙烯聚合而成具有较好的耐磨、耐自然老化、耐臭氧性,但__性能不如天然橡胶广泛用于制造轮胎、胶布、胶鞋、胶管等b.顺丁橡胶顺丁橡胶是由丁二烯为原料,在催化剂作用下经聚合反应而得到的产品产量仅次于丁苯橡胶顺丁橡胶具有良好的耐磨性、耐老化性、耐寒性和高弹性,但不易__、强度较差主要用于制造轮胎、三角胶带、减震器和橡胶弹簧等c.氯丁橡胶氯丁橡胶是由氯丁二烯经聚合反应得到的产品具有良好的耐臭氧、耐油和耐溶剂性能,但绝缘性能较差主要用于制造胶带、胶管、汽车门窗嵌条等d.丁晴橡胶是由丙烯晴和丁二烯经聚合反应得到的产品具有良好的耐油性、耐磨性、耐热性,但耐臭氧性、耐寒性较差,__性能不好主要用于制造耐油制品,如输油管、耐油密封圈等e.聚氨酯橡胶是由氨基甲酸酯经聚合而成,属特种橡胶具有良好的耐磨性、耐油性,但耐水、酸、碱性能较差主要用于制造胶辊、实心轮胎和耐磨制品f.硅橡胶是指分子链中含有硅氧键,经硫化后具有弹性的有机硅聚合物,属特种橡胶具有耐高温、耐寒、电绝缘性能优良的特点,但抗拉强度低、__较贵主要用于制造耐高温、耐寒或耐高温电绝缘制品等g.氟橡胶主要是全氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物,属特种橡胶具有理良好的耐高温、耐腐蚀、耐臭氧和大气老化性能,但__性能差,__贵主要用于制造高级密封件、高真空耐蚀件等
1.
6.4复合材料复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料,它不仅保留了组成材料各自的优点而且还具有单一材料所没有的优异性能在自然界和人类发展中,复合材料并不是一个陌生的领域,自然界中的树木,建筑中的混凝土和人体的骨骼等都是复合材料现代复合材料则是在充分利用材料科学理论和材料制作工艺发展的基础上发展起来的一类新型材料,在不同的材料之间进行复合,如金属之间、非金属之间、金属与非金属之间既保持各组分的性能又有组合的新功能,充分发挥了材料的性能潜力工程复合材料的组分是人为选定的,通常可将其划分为基体材料和增强体其基体材料大多为连续的,除保持自身特性外,还有粘结或连接和支承增强体的作用;而增强体主要是起承受载荷或发挥其他特定物理化学功能的作用
1.复合材料的分类复合材料常见的分类方法有以下三种1按材料的用途分可将其分为结构复合材料和功能复合材料两大类前者主要是用于工程结构,以承受各种载荷的材料,主要是利用其优良的力学性能;后者则为具有各种独特物理化学性质的材料,它们具有优异的功能性如吸波、电磁、超导、屏蔽、光学、摩擦润滑等各种功能2按基体材料类型分按复合材料基体的不同可分为金属基和非金属基两类目前大量研究和使用的多为高聚物材料为基体的复合材料3按增强体特性分按复合材料中增强体的种类和形态不同其可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层状复合材料和填充骨架型复合材料
2.常用复合材料1纤维增强树脂基复合材料一般来说纤维增强树脂基复合材料的力学性能主要由纤维的特性决定,化学性能、耐热性等则是由树脂和纤维共同决定的按增强纤维的不同,主要有以下几类1玻璃纤维树脂复合材料又称玻璃钢玻璃钢生产成本低、工艺简单、应用很广,根据所用基体不同可分为两类a.热塑性玻璃钢它是由20~40%的玻璃纤维和80~60%的基体材料(如尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类热塑性等热塑性树脂)组成主要特点是具有__度、高冲击韧性、良好的低温性能及低热膨胀系数常用来制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体等零件b.热固性玻璃钢它是由60~70%的玻璃纤维和40~30%的基体材料如环氧树脂、酚醛树脂等组成主要特点是密度小、强度高,比强度超过一般__度钢和铝合金及钛合金,耐磨性、绝缘性和绝热性好,吸水性低,易于__成型;但是这类材料弹性模量低,只有结构钢的1/5~1/10,耐热性比热塑性玻璃钢好但仍不够高,只能在300℃以下工作主要用于各种机器的护罩、复杂壳体、车辆、船舶、仪表、化工容器、管道等2碳纤维-树脂复合材料它是由碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成,其性能优于玻璃钢,具有密度小,强度高,弹性模量高,并具有优良的抗疲劳性能和耐冲击性能,良好的自润滑性,减摩耐磨性,耐蚀和耐热性;但碳纤维与树脂的结合力低,各向异性明显这类材料主要应用于运动器材、____、机械制造、汽车工业及化学工业中3硼纤维-树脂复合材料是由硼纤维和环氧、聚酰亚胺等树脂组成,具有高的强度和弹性模量,良好的耐热性其缺点是各向异性明显、__困难、成本太高,已逐渐被碳纤维取代主要用于____和军事工业4碳化硅纤维-树脂复合材料是由碳化硅与环氧树脂组成的复合材料,具有高的强度和弹性模量,抗拉强度接近碳纤维-环氧树脂复合材料,而抗压强度为其两倍,是一类很有发展前途的新材料,主要用于____工业5有机纤维-树脂复合材料是由芳香族聚酰胺纤维(芳纶)与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成主要品种有凯芙拉(Kevlar)、诺麦克斯(Nomex)等其中最常用的是Kevlar纤维与环氧树脂组成的复合材料,主要性能特点是抗拉强度较高,与碳纤维-环氧树脂复合材料相似;其延展性好,可与金属相当;耐冲击性超过碳纤维增强塑料;有优良的疲劳抗力和减震性,其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金,减震能力为钢的八倍主要用于制造防弹衣、飞机机身、雷达天线罩、轻型舰船等6纤维增强陶瓷基复合材料纤维/陶瓷复合材料中的纤维能起到强化陶瓷作用,但其更重要的作用是增加陶瓷材料的韧性,因此陶瓷/纤维复合材料中的纤维具有“增韧补强”作用这种机制几乎可以从根本上解决陶瓷材料的脆性问题目前用于增强陶瓷材料的纤维主要是碳纤维或石墨纤维,它能大幅度提高冲击韧性和热震性,降低陶瓷的脆性,而陶瓷基体则保证纤维在高温下不氧化烧蚀,使材料的综合力学性能大大提高如碳纤维-Si3N4复合材料可在1400℃__工作,可用于制造飞机发动机叶片;碳纤维-石英陶瓷的冲击韧性比烧结石英大40倍,抗弯强度大5~12倍,能承受1200~1500℃的高温气流冲蚀,可用于__飞行器的防热部件上2颗粒增强复合材料是由一种或多种颗粒均匀地分布在基体中所组成的材料一般粒子的尺寸越小,增强效果越明显颗粒直径小于
0.01~
0.1μm的称为弥散强化材料常见的颗粒复合材料有两类a.金属颗粒与塑料复合金属颗粒加入塑料中,可改善导热、导电性能,降低线膨胀系数如将铅粉加入氟塑料中,可做轴承材料含铅粉多的塑料还可以做γ射线的罩屏等b.陶瓷颗粒与金属复合陶瓷颗粒与金属复合即金属陶瓷氧化物金属陶瓷,如Al2O3金属陶瓷,可用于制造高速切削刀具及高温耐磨材料;钛基碳化钨,可制造切削刀具;镍基碳化钛,可制造__器的高温零件3叠层或夹层复合材料叠层或夹层复合材料是由两层或两层以上的不同材料经热压胶合而成其目的是充分利用各组成部分的最佳性能,这样不但可减轻结构的质量,提高其刚度和强度,还可获得各种各样的特殊功能,如耐磨、耐蚀、绝热隔音等如最简单的叠层材料有控温的双金属片和用于耐蚀耐热的不锈钢/普通钢的双层复合钢板材料最典型的夹层材料是____结构件中常用的蜂窝夹层结构材料,其基本结构形式是在两层面板之间夹一层蜂窝芯复习与思考题1-1有一低碳钢试样,原直径为φ10mm,在试验力为2100N时屈服,试样断裂前的最大试验力为30000N,拉断后长度为133mm,断裂处最小直径为φ6mm,试计算σs、σb、δ、ψ1-2图所示为三种不同材料的拉伸曲线(试样尺寸相同),试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性大小,并指出屈服强度的确定方法1-3___相同材料进行拉伸试验时δ5δ101-4Ak的含义是什么?它的单位是什么?有图1-1,题1-2图了塑性指标为何还要测定Ak1-5如果其它条件相同,试比较下列铸造条件下铸件晶粒大小
(1)金属型浇注与砂型浇注;
(2)浇注温度较高些与较低些;
(3)铸成薄壁件与铸成厚壁件;
(4)厚大壁件的表面部分与中心部分;
(5)浇注时采用振动与不采用振动1-6液态金属发生结晶的必要条件是什么?可用哪些方法获得细晶粒__?其依据是什么?1-7___单晶体呈各向异性,而多晶体则无各向异性?1-8解释下列名词合金,组元,合金系,相和__1-9判别下列情况下是否有相变
(1)液态金属结晶;
(2)晶粒由粗变细;
(3)同素异构转变;
(4)磁性转变1-10什么是金属的同素异构转变?试以纯铁为例说明之1-11比较下列名词
(1)铁素体;
(2)奥氏体;
(3)共晶转变、共析转变1-12默画简化后的Fe-Fe3C相图,指出图中S、C、E、G及GS、SE、ECF、PSK等各点、线得意义,并标出各相区的相组分和__组分1-13分析碳的质量分数分别为
0.40%、
0.77%、
1.2%的铁碳合金从液态缓冷到室温的结晶过程和室温__1-14试从显微__方面来说明ωc=
0.2%、ωc=
0.45%、ωc=
0.77%三种钢力学性能有何不同?1-15说明下列现象的原因
(1)ωc=
1.0%的钢比ωc=
0.5%的钢硬度高
(1)钢适用于压力__成形,而铸铁适用于铸造成形
(1)钢铆钉一般用低碳钢制成
(1)在退火状态下,ωc=
0.77%的钢比ωc=
1.2%的钢强度高
(1)在相同条件下,ωc=
0.1%的钢切削后,其表面粗糙度的值不如ωc=
0.45%的钢低1-16什么是共析转变和共晶转变?试以铁碳合金为例,说明这两种转变过程及其显微__的特征1-17根据碳在铸铁中存在的形态的不同,铸铁可分为几种?1-18现有铸态下球墨铸铁曲轴一批,按技术要求,其基体应为珠光体__,轴颈表层硬度为50~55HRC,试确定热处理方法1-19什么是热处理?热处理的目的是什么?热处理有哪些基本类型?1-20简述共析钢过冷奥氏体在A1~Mf温度之间不同温度等温转变的产物及性能1-21共析碳钢的C曲线与亚共析碳钢、过共析碳钢的C曲线在特征上有何差异?1-22何谓钢的马氏体临界冷却速度?它与钢的淬透性有何关系?1-23正火与退火的主要区别是什么?生产中如何选择正火与退火?1-24淬火的目的是什么?亚共析钢和过共析钢的加热温度一般应如何选择?___?1-25T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图所示该钢在625℃进行等温转变,并经不同图1-2,题1-25图图1-3,题1-27图时间保温后,按图示
1、
2、
3、4曲线冷却速度至室温,试问各获得什么__?然后再进行中温回火,又各获得什么__?1-26有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只,为了使齿面具有高的硬度和耐磨性,问各应采取怎样的热处理?并比较热处理后它们在__与性能上的差别1-27共析碳钢的等温转变C曲线和冷却曲线如图所示,标出图中“○”处的__名称1-28分别比较45钢、T12钢经不同热处理后硬度值的高低,并说明其原因
(1)45钢加热到7000C后,投入水中冷却;
(2)45钢加热到7500C后,投入水中冷却;
(3)45钢加热到8400C后,投入水中冷却;
(4)T12钢加热到7000C后,投入水中冷却;
(5)T12钢加热到7500C后,投入水中冷却;
(6)T12钢加热到9000C后,投入水中冷却;1-29合金元素对铁碳合金相图有什么影响?这种影响有什么意义?1-30合金元素对钢的热处理过程有何影响?试从加热冷却两方面加以说明1-31___调质钢的碳含量均为中碳?合金调质钢中常含有那些元素?它们在调质钢中起什么作用?1-32___常用弹簧钢在淬火后一般要中温回火?回火后的硬度大致是多少?1-33对-(+)字旋具(螺丝刀)性能有何要求?选择何种材料?要求硬度多少?1-34用9SiCr钢制成圆板牙,其工艺流程为锻造→球化退火→机械__→淬火→低温回火→磨平面→开槽__试分析
(1)球化退火、淬火及低温回火的目的
(2)球化退火、淬火及低温回火的大致工艺参数1-35高速钢经铸造后___要反复锻造?锻造后切削__前___必须要退火?淬火温度选择在高温(1280℃)的目的何在?淬火后___需要经过三次以上回火?它在560回火是否是调质处理?1-361Cr
13、2Cr
13、3Cr
13、1Cr17与Cr
12、Cr12MoV钢中铬的质量分数均在12%以上,是否都是不锈钢?___?1-37奥氏体不锈钢和耐磨钢的热处理目的与一般钢的淬火目的有何不同?1-38试从__与性能变化上比较铝合金固溶处理+时效处理与钢的淬火;铝合金的变质处理与灰铸铁的变质处理的异同处1-39硬质合金的主要组成是什么?常用的硬质合金分为哪几类?它们各有何主要作用?1-40塑料是由哪几部分组成的?塑料的性能取决于什么?1-41什么是热塑性塑料?什么是热固性塑料?它们的主要区别是什么?用塑料制造的电视机、雨衣、塑料袋、电器开关壳体、炊具把手,分别属于哪一类塑料?1-42工程塑料与金属材料相比,在性能和应用上有哪些差别?1-43橡胶和陶瓷的主要性能特点分别是什么?分别举例说明它们再工业和日常生活中的应用1-44陶瓷结构中的晶相、玻璃相和气相对陶瓷的性能各起什么作用?1-45什么是复合材料?一般纤维增强复合材料为何具有较高的力学性能和破损安全性?1-46何为玻璃钢?玻璃钢与金属材料相比,在性能和应用上有哪些差别?PAGE125。