机械制造工程第四章节

教学目的与要求:1.掌握常用金属材料的种类、牌号、成份、性能及应用情况。2.了解常用非金属材料和复合材料的特点及应用。3.掌握选材的原则及一般方法。教学内容：1.碳钢、合金钢、铸铁、有色金属合金的牌号、成份、热处理、组织、性能、用途。2.硬质合金、高温合金、轴承合金的种类、牌号、性能及用途。3.工程材料选用的原则及方法步骤。重点、难点：重点：材料的分类与牌号的识别。难点：合金钢中合金元素的作用。第一节金属材料金属材料分类：1.钢铁材料---铁和以铁为基的合金；2.非铁金属材料---钢铁材料以外的所有金属及其合金）。一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分类及应用(一)碳素钢1.常存元素对碳钢性能的影响(1)硅和锰(2)硫(3)磷（1）碳素钢的分类a.按钢中的含碳量分：2.碳素钢的分类、牌号和用途低碳钢、中碳钢、高碳钢b.按钢的质量分：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢c.按钢的用途分：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸造碳钢d.按钢的冶炼方法分：平炉钢、转炉钢、电炉钢e.按钢在冶炼时脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢（2）碳素钢的牌号和用途①碳素结构钢牌号组成：由Q-屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分自左向右顺序组成。Q---“屈”字汉语拼音字首；A、B、C、D---质量等级符号，从左至右，质量依次提高；F、b、Z、TZ---依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢；例如：Q235--A•F表示屈服点为235Mpa、质量为A级的沸腾钢。常用碳素结构钢：Q195、Q215、Q235A、Q235BQ235C、Q235DQ255、Q275碳素结构钢的一些应用：②优质碳素结构钢牌号：用平均碳质量分数的万分数的数字表示。例如：20、45若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。常用优质碳素结构钢：08F10、20钢35、40、45、50钢60、65钢优质碳素结构钢的一些应用③碳素工具钢牌号:用平均碳质量分数的千分数的数字表示，数字之前冠以“T”（“碳”的汉语拼音字头）。例如:T9T12A碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。常用碳素工具钢:T7、T8T9、T10、T11T12、T13碳素工具钢使用前都要进行热处理（淬火+低温回火）。碳素工具钢的一些应用④铸造碳钢牌号:以“铸钢”二字的汉语拼音字首“ZG”与其后的两组数字构成。第一组数字表示厚度为100mm以下的铸件的室温屈服强度；第二组数字表示该铸件的抗拉强度。例如:ZG200－400常用铸造碳钢：ZG270-500铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、轴等。铸钢的一些应用外壳轧辊重型机械齿轮(二)合金钢概念：是指为提高钢的机械性能与工艺性能，或者为获得某些特殊物理、化学性能，特地向碳钢中加入定量其他元素（称合金元素）的钢。1、合金元素在钢中的作用（1）提高机械性能A.形成合金铁素体；B.形成合金碳化物；C.细化晶粒；（2）提高热处理工艺性A.提高钢的淬透性；B.提高钢的回火稳定性（3）获得特殊的物理、化学性能（1）合金钢的分类a.按钢中合金元素含量分：2.合金钢的分类、牌号和用途低合金钢、中合金钢、高合金钢b.按合金钢的性能和用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢(2)合金钢的牌号牌号:首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢以万分之一为单位的数字（2位数）；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（1位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……。合金结构钢：40Cr合金工具钢：5CrMnMo例如：滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”：GCr15易切削钢：Y40Mn专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明：高级优质钢，在钢的末尾加“A”字表明：如20Cr2Ni4Aa.低合金高强度结构钢(3)合金钢的用途①合金结构钢b.合金渗碳钢c.合金调质钢d.合金弹簧钢e.滚动轴承钢该种钢是在碳素结构钢基础上加入少量合金元素（主要有Mn、V、Ti、Nb、Cu等），由于少量合金元素的加入，使钢的强度有了显著地提高，所以称这类钢为低合金高强度钢。牌号表示方法与碳素结构钢相似。主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。a.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的一些应用含碳量:0.15%～0.25%，属于低碳钢。合金渗碳钢是因为在热处理工序上要进行渗碳后淬火加低温回火而得名。主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。b.合金渗碳钢拨叉齿轮凸轮机构合金渗碳钢的一些应用含碳量：0.35%～0.50%，属于中碳钢。合金调质钢是因为在热处理上要进行调质处理而得名。合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。c.合金调质钢合金调质钢的一些应用含碳量：0.45%～0.70%之间常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、V、等，尤以Mn、Si元素应用最广。合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。d.合金弹簧钢合金弹簧钢的一些应用含碳量：0.95%～1.10%，可以保证硬度及耐磨性，加入铬提高的淬透性，并使铬碳化合物均匀细小。主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。e.滚动轴承钢滚动轴承钢的一些应用滚珠滚珠轴承a.刃具钢b.模具钢c.量具钢②合金工具钢刃具钢主要指制造车刀、铣刀、钻头等切削刀具的钢种，工作任务就是通过切削加工将钢材或坯料加工成为工件。根据刃具的工作条件，对刃具钢提出的性能要求：高硬度和高耐磨性能；足够的强度、塑性和冲击韧性；高红硬性。分类：低合金刃具钢和高合金刃具钢。a.刃具钢适于制造截面较大、形状复杂、受力较大、要求耐磨性较好的刃具，但不适合高速和强力切削条件。典型钢种：9SiCr、CrWMn(a)低合金刃具钢又名：高速钢、锋钢典型钢种：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2(b)高合金刃具钢刃具钢的一些应用铣刀英制模板刀冷作模具钢应具有的性能要求：高硬度和高耐磨性能；高强度和足够的韧性；良好的工艺性。b.模具钢（a）冷作模具钢工件在冷态下成形的模具钢常用钢种：Cr12、Cr12MoV等热作模具钢应具有的性能要求：足够的硬度和耐磨性；良好的强韧性；良好的抗热疲劳性、抗氧化性；良好的导热性。（b）热作模具钢工件在热态下成形的模具钢常用钢种：5CrMnMo、5CrNiMo等模具钢的应用模具量具钢是用以制造量具（如：量规、块规、卡尺等）的钢种应具备的性能要求：高硬度、高耐磨性、高尺寸稳定性；良好的磨削加工性及较小的淬火变形；良好的耐腐蚀性能。c.量具钢常用钢种：CrWMn、GCr15、9Cr18等量具钢的一些应用a.不锈钢b.耐热钢c.耐磨钢③特殊性能钢d.低温用钢a.不锈钢在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀性能的钢称作不锈钢，应具有抵抗空气、水、碱、盐类溶液或其他介质腐蚀作用的能力。不锈钢的分类：按耐酸钢分：不锈钢、耐酸钢；按金相组织分：铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。按成分分：Cr不锈钢、CrNi不锈钢、CrNiTi不锈钢……不锈机理：提高基体的电极电位；形成单相组织；形成钝化膜；表面防腐；降低钢的含碳量。常用的不锈钢：1Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9Ti等不锈钢的一些应用不锈钢剪刀1Cr18Ni9Ti不锈钢表带不锈钢容器不锈钢船用螺旋桨耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。（a）抗氧化钢（又称不起皮钢）具有很好的抗氧化性能的钢称为抗氧化钢。耐热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al，特别是Cr，他们分别在钢表面形成Cr2O3、SiO2和Al2O3薄膜，有效地阻挡外界氧原子向内部扩散。典型合金：1Cr13Si13b.耐热钢（b）热强钢在高温下既具有良好的抗氧化能力又具有较高强度的合金钢称为热强钢。Mo、W、V、Ti等元素加入钢中，能形成细小弥散的碳化物，起弥散强化的作用，提高室温和高温强度。典型合金：4Cr9Si2、1Cr18Ni9Ti耐热钢的应用燃气轮机c.耐磨钢又称高锰钢，是一种在强烈冲击载荷作用下才表现出高耐磨性的特殊钢种。成分特点：高碳、高锰、一定量的硅典型合金：Mn13钢（常写为ZGMn13）成形工艺：水韧处理主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机鄂板和铁轨分道叉等。耐磨钢的一些应用履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿d.低温用钢用于生产工作温度低于0℃的零件的钢种。应具备的性能要求：冷脆转变温度低、低温冲击韧性高；一定的强度与耐蚀性；优良的焊接性能与冷塑性成形性能。多应用于钢铁冶炼、化工、冷冻设备等。（三）铸铁1.碳在铸铁中的存在形式和形态存在形式：化合态的渗碳体和游离态的石墨（G）铸铁的组织：由金属基体和石墨组成的。金属基体分类：铁素体、珠光体、铁素体+珠光体铸铁的组织特点：可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。影响铸铁石墨化的因素:(1)化学成分的影响(a)C和Si(b)S(c)Mn(d)P(2)冷却速度的影响铸铁中的石墨形态（1）片状石墨（2）球状石墨（3）团絮状石墨2.铸铁的性能特点（和钢相比）（1）力学性能低；（2）使用性能：优良的耐磨性与减震性。（3）工艺性能：优良的铸造性；良好的切削加工性。（4）价格便宜。3.铸铁的分类、牌号和用途（1）铸铁的分类a.白口铸铁b.麻口铸铁c.灰口铸铁（2）常用灰口铸铁的牌号及用途①普通灰铸铁牌号：“HT”和一组数字表示(“HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。例如：HT150、HT250、HT400石墨形态：石墨呈片状基体组织：铁素体、珠光体和铁素体加珠光体灰口铸铁的显微组织应用：主要用于制造汽车、拖拉机的汽缸、汽缸盖、刹车带、摩擦片，以及机床的床身、底座、支柱等耐压、耐磨件。普通灰铸铁的应用②可锻铸铁a.牌号：KTH（可铁黑的汉语拼音字首）和两组数字，数字的含义分别表示最低抗拉强度和最低延伸率。例如：KTH350-10石墨形态：F+团絮状G，其中心呈黑灰色，故称黑心可锻铸铁。b.牌号：KTZ（可铁珠的汉语拼音字首）和两组数字，数字的含义同黑心可锻铸铁。例如：KTZ600-3石墨形态：P+团絮状G，称为珠光体可锻铸铁。可锻铸铁的显微组织应用：常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。③球墨铸铁牌号：用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。例如：QT400-15、QT600-3、QT800-2石墨形态：呈球状基体组织：铁素体、铁素体和珠光体、珠光体球墨铸铁的显微组织应用：用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。球墨铸铁的应用球墨铸铁管道接口④特殊性能铸铁加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，可获得耐磨铸铁；加入Al、Si、Cr等合金元素，可获得耐热铸铁。二、非铁金属材料（有色金属）（一）铝及铝合金1、铝及铝合金的特点(1)密度小、比强度高；(2)有优良的物理、化学性能；(3)加工性能良好。（1）变形铝合金2、铝合金（2）铸造铝合金（1）变形铝合金①防锈铝合金牌号：用“LF+顺序号”表示，