工程材料及机械性能

工程材料及机械性能张春霞2015.04.07材料是人类社会发展的三大支柱（信息、能源、材料）之一。而材料是前两者的基础。凡与工程有关的材料均为工程材料。根据使用的性能分为功能材料和结构材料。材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命，金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据，外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。本课程内容一、工程材料金属（钢铁、有色金属）聚合物陶瓷复合材料二、材料的力学性能静载荷下拉伸、压缩、扭转、弯曲动载荷下冲击、疲劳高温力学性能学习方法课堂学习+自学（网络、书籍、实践）本课程40个学时，理论课34+实验6旷课5次或迟到10次没有考试资格总成绩=试卷成绩（80%）+平时成绩（20%）第一章工程材料1.1概述工程材料是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料；金属材料又可分为黑色金属（钢铁）材料和有色金属材料根据材料的性能特征，分成结构材料和功能材料应用最广的是黑色金属1.2碳钢及合金钢1.2.1碳钢及分类铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90.0%以上。碳的质量分数小于2.11％的铁碳合金，实际生产中使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素杂质名称杂质含量%在钢中的影响锰（Mn）wMn1.2脱氧，降低钢的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi0.4脱氧，强化铁素体，提高钢的强度、硬度；但塑性、韧性下降硫（S）wS0.055～0.040生成低熔点共晶体，形成热脆磷（P）wP0.055～0.040全部溶于铁素体，提高铁素体的强度、硬度，但形成冷脆表1-1杂质元素对钢的影响二、碳钢的分类（GB/T700-2006)分类方法钢种质量分数或脱氧情况特点按碳的质量分数低碳钢wC≤0.25％强度低，塑性和焊接性能较好中碳钢wC＝0.25％～0.6％强度较高，但塑性和焊接性能较差高碳钢wC0.6%塑性和焊接性能很差，强度和硬度高按钢的质量分普通钢wS≤0.055％,wP≤0.045％含S、P量较高，质量一般优质钢wS≤0.040％，wP≤0.040％含S、P量较少，质量较好高级优质钢wS≤0.030％,wP≤0.035％含S、P量很少，质量好按用途分结构钢wC＝0.08％～0.65％制造各种工程构件和机器零件工具钢wC0.65％制造各种刀具、量具和模具按脱氧程度分沸腾钢（F）仅用弱脱氧剂脱氧，FeO较多钢锭内分布有许多小气泡，偏析严重镇静钢（Z）浇注时完全脱氧，凝固时不沸腾气泡、疏松少，质量较高半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间质量介于沸腾钢和镇静钢之间三、碳钢的牌号C（首）船用钢；G（首）滚动轴承钢，G（尾）锅炉用钢Q（首）屈服强度，q（尾）桥梁用钢R（尾）压力容器用钢ZG铸钢分类编号方法常用牌号用途举例说明碳素结构钢Q235-AF屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件（参见GB700-1988）优质碳素结构钢45表示平均wC=0.45%的优质碳素结构钢08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件（参见GB699-1988）碳素工具钢T8T8A表示平均wc=0.8%的碳素工具钢，A表示高级优质T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等（参见GB1298-1986）一般工程铸造碳钢ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件（参见GB11352-1989）碳素结构钢优质碳素钢碳素工具钢1.2.2碳钢的合金化基础合金元素：改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而加入在一定含量的化学元素。常存或残存元素：非特意加入的元素低合金钢合金钢高合金钢常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。一、合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：(1)与铁形成固溶体，如硅、铜、铝、钴等。(2)部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。这一类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。(3)不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂物，如Al2O3、AlN、FeO·Al2O3、SiO2·MxOy、TiN、MnS等。(4)一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSi、FeCr(σ相)、Ni3Ti、Fe2W等。(5)有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。二、合金元素在钢中的作用1、合金元素对钢中基本相的影响(1)非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。溶入铁素体，固溶强化当wSi0.6％、wMn1.5％时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而Cr、Ni比较特殊，当wCr2％、wNi5％时铁素体的强度和韧性都有所提高。(2)中强碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W等。置换渗碳体中的铁原子。稳定性略为提高，硬度也较高(3)强碳化物形成元素：W、Ti、Zr、Nb、V。含量较高(wMe5%)时，才倾向于形成合金碳化物。具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。按合金元素与C元素的亲和能力：Ti﹥Zr﹥Nb﹥V﹥W﹥Mo﹥Cr﹥Mn﹥Fe2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响奥氏体元素当含有B、Nb、Ta、Zr时，不使γ区封闭，只使γ区缩小但Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奥氏体相区缩小，超过此元素的质量分数，则钢中没有ɑ→γ相变，所以室温能获得单相的铁素体组织---铁素体元素合金元素与Fe相互作用的理论的实际意义：为了保证钢具有良好的耐腐蚀性，需要在室温下获得单一相组织（奥氏体相或铁素体相），可以通过控制钢中合金元素的种类和含量。3.合金元素对钢热处理的影响镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥氏体化加热温度提高，保温时间延长。除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，淬火后获得细小马氏体组织。2)合金元素对钢冷却转变的影响除了Co以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度地阻碍了铁、碳原子的扩散，使奥氏体稳定性提高，C曲线右移；强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，溶入奥氏体后，使C曲线出现两个“鼻尖”，形成珠光体和贝氏体两个转变区合金元素使C曲线右移，增加了马氏体临界冷却速度，使钢的淬透性提高。多种元素同时加入，对钢淬透性的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的钢，多采用“多元少量”的合金化原则，如Cr-Ni、Cr-Mn、Cr-Si、Si-Mn等多组元合金钢。Co、Al外，大多数合金元素使Ms点、Mf点下移，使钢在淬火后残余奥氏体量增多3)合金元素对回火转变的影响(1)提高淬火钢的回火稳定性与碳钢相比，在相同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧性较高。(2)产生二次硬化淬火合金钢在500～600℃温度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。(3)回火脆性1.2.3结构钢一、低合金结构钢（HSLA）在碳素结构钢的基础上加入少量（wMe3％）合金元素一般为wC=0.1％～0.2％，一般以少量的锰为主加元素(wMn=0.8％～1.7％)，Si的质量分数较碳素结构钢高(wSi0.55％)。为改善钢的性能，各牌号A、B级钢可加入V、Ti、Nb等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬度、冲击韧度。Cu、P提高钢对大气的抗蚀能力，有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害杂质，改善杂质物形状的分布二、合金结构钢合金元素通常为wMe5％，故该钢种属于低、中合金钢合金结构钢的牌号表示方法：“数字＋元素符号＋数字”。前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数的百倍，当其平均质量分数1.5时，牌号中一般只标出元素符号，而不表明数字，当其平均质量分数1.5％、2.5％、3.5％…时，则在元素符号后相应标出2、3、4……。如18Cr2Ni4WA用于各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承1、渗碳钢高硬度、耐磨性、抗疲劳性，同时要求承受较高载荷、特别是冲击载荷如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、发动机上的凸轮和活塞销等。低碳合金钢渗碳，加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性，改善渗碳层的强度和塑、韧性，Cr含量小于2％，Ni含量小于4.5％，Mn小于2％，B含量范围0.001～0.004％，等；添加少量的V、W、Mo、Ti细化晶粒，抑制渗碳时晶粒长大，V含量低于0.5％，W小于1.2％，Mo低于0.6％，Ti低于0.15％。热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）+渗碳+淬火+低温回火渗碳930℃，6～8h，渗碳后表层碳的质量分数0.85～1.05％，平衡组织为过共析组织P＋Fe3CΠ，中心仍然为亚共析组织P＋F。淬火直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是决定于钢中合金元素的量和对构件性能的要求。多数合金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火，再低温回火。对于要求高的渗碳零件和晶粒易长大的渗碳钢件要在渗碳后进行一次淬火或二次淬火，然后在低温回火。低温回火180～200℃，1～2h。热处理后组织为M回＋点状碳化物＋少量A残，硬度58～60HRC。中心组织M低或F＋S（小件）；M低＋F＋P或S（大件），硬度30～45HRC。常用渗碳钢：低淬透性渗碳钢，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等中淬透性渗碳钢，20CrMnTi、20CrMnMo等高淬透性渗碳钢，18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）p172主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.240.17~0.240.50~0.801.30~1.600.70~1.00880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.230.90~1.200.80~1.100.90~1.201.00~1.30850油880／870油钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬透性低中高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.13~0.190.17~0.23W0.8~1.20.30~0.601.35~1.654.0~4.51.25~1.653.25~3.75950／850空880／780油机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J4755475578632、调质钢重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，如机床车轴、汽车半轴、变速箱花键轴等承受弯曲和扭转应力化学成分WC＝0.25%～0.5%，以0.4%居多合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B增大钢的淬透性，高而均匀的综合力学性能V细化晶粒，提高综合力学性能；Mo和W减轻或抑制第二类回火脆性；Al加速合金调质钢的氮化过程。Ti、Cr等这些元素可以形成强碳化物，高温时阻止A晶粒长大和回火时M分解、碳化物聚集长大缓慢常用调质钢：低淬透性合金调质钢：45、40Cr、45MnV等中淬透性合金调质钢：40CrMn、35CrMo等高淬透性合金调质钢：40CrNiMoA等热处理工艺一般选用淬火＋高温回火，合金调质钢多用油冷淬火调质钢一般热处理工序安排：锻造热处理（退火或正火）粗加工调质精加工热处理磨削如：40Cr做拖拉机连杆螺栓3、合金弹簧钢