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第三章金属材料内容提要：介绍碳钢、铸铁以及各种合金钢的成份特点、热处理工艺、组织、性能及应用。一般了解有色金属性能特点和应用。长盛不衰的金属材料•在自然界中存在的109个化学元素中，有87种是金属，20世纪几乎所有的金属都被研究所，所有的金属都在为人类服务。金属材料是最重要的工程材料。分为两大类：●黑色金属（铁铬锰）铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；●有色金属包括黑色金属以外的所有金属及其合金。在铁碳合金中，碳质量分数小于2.11%的合金称为钢，大于2.11%的则称为铸铁。碳钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，一般情况下能满足实际工程的使用要求，是应用最多的工程金属材料。铸造工艺•铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。金属塑性变形加工工艺热处理工艺•热处理是将材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的组织结构,来控制其性能的一种综合工艺过程。•金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。四把火•退火：指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退火，去应力退火，球化退火，完全退火等。退火的目的：主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。•正火：指将钢材或钢件加热到或（钢的上临界点温度）以上，30～50摄氏度保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。•淬火：指将钢件加热到钢的下临界点温度以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。•回火：指钢件经淬硬后，再加热到以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。渗碳工艺定义：指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。渗碳工件的材料多为低碳钢（碳含量小于0.25%），一般渗碳层深度为0.8-1.2mm。分类：固体渗碳，液体渗碳，气体渗碳等。举例：固体渗碳——把零件埋在填满固体渗碳剂（主要成分为木炭，碳酸钠和碳酸钡作催化剂）的容器中加热，高温下通过碳与催化剂的化学反应分解出活性碳原子渗入到零件表面。3.1碳钢一、碳素铸钢的化学成分及机械性能Fe、C、Si、Mn、S、P碳是影响铸钢件性能的主要元素。碳含量增加，屈服强度和抗拉强度增加。质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性显著下降。硅、锰可以提高强度。硫、磷应控制，硫会增大钢的热裂倾向，磷使钢的脆性增加。铁碳合金相图工业纯铁亚共析钢过共析钢共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁二、碳钢的分类（2）按质量分普通碳素钢w(S)≤0.055%,w(P)≤0.045%优质碳素钢w(S)≤0.040%,w(P)≤0.040%高级优质碳素钢w(S)≤0.030%,w(P)≤0.035%（1）按碳的质量分数分低碳钢w(C)≤0.25%中碳钢0.25%w(C)≤0.6%高碳钢w(C)0.6%（3）按用途分碳素结构钢制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑构件）和机器零件等碳素工具钢制造各种工具（刃具、量具）（4）按冶炼方法分平炉钢（用平炉冶炼钢）转炉钢（用转炉冶炼钢）碳素结构钢：塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等。可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。钢板、钢筋螺钉、铆钉建筑构件弹簧钢桥梁螺栓齿轮碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0.65%～1.35%之间，钢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）。碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，为高级优质钢，钢号后标注“A”。用途：制造各种刃具、量具、模具等。常用碳素工具钢：冲头、凿子、锤子等工具。锉刀量规钻头、刨刀、手锯条等刃具及冷作模具等。锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。铁素体（工业纯铁）珠光体（共析钢）铁素体+珠光体（亚共析钢）珠光体+二次渗碳体（过共析钢）三、碳钢的组织特征3.2铸铁铸铁是碳质量分数大于2.11%、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。一、铸铁的石墨化过程和特点1）.铸铁的石墨化过程在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：●固溶在铁中，●化合物态的渗碳体(Fe3C)，●游离态石墨（G）。铸铁中碳原子多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。石墨的晶体结构石墨(G)稳定相，简单六方晶格。底面上原子呈六方网格排列，原子间距小（1.42×10-10m），结合力很强；底面间的间距较大（3.04×10-10m），结合力较弱。石墨的强度、硬度和塑性很差。渗碳体亚稳相，具有复杂的晶体结构，硬而脆。在一定条件下能分解为铁和石墨Fe3C→3Fe+C即Fe3C→F+GFe3C石墨的作用：（1）石墨提高铸铁的切削加工性能。（2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。（3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。（4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。（5）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。铸铁分类①灰口铸铁。含碳量较高（2.7％～4.0％），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（1145～1250℃），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。②白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。③可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。④球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。⑤蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。⑥合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。二、常用铸铁1.灰口铸铁价格便宜、应用最广。（1）灰口铸铁的牌号HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。灰铸铁的显微组织F+G片F+P+G片P+G片灰铸铁的应用叶轮发动机飞轮箱体启动阀灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。2.球墨铸铁球墨铸铁的石墨呈球状。具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。F+G球F+P+G球P+G球(1)球墨铸铁的成分和球化处理成分：要求比较严格。3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。球化处理：在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。使用稀土镁球化剂。镁强烈阻碍石墨化。为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。球墨铸铁的应用：用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件。如曲轴、连杆、凸轮轴等。曲轴管道接口3.3合金钢3.3.1合金钢概述概述随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求。由于碳钢已不能完全满足科学技术和工业展要求，为了提高钢的性能，在铁碳合金中加入合金元素，得到合金钢。3.3.2合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢称为合金结构钢。主要有：低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠轴承钢合金工具钢一、低合金高强度结构钢（低合金高强钢）1.用途主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。桥梁船舶车辆容器储气罐2.性能要求(1)高强度：一般屈服强度在300MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。3.成分特点(1)低碳：韧性、焊接性和冷成形性能要求高，碳质量分数不超过0.20%。(2)锰为主要的合金元素。固溶强化F，细化P，增加P的含量，提高钢的强度。(3)铌、钛或钒：形成细碳化物或碳氮化物，获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。(4)少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右），可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。二、合金渗碳钢1.用途主要用于制造汽车、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。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。拨叉变速齿轮凸轮机构：接触表面受到强烈的摩擦磨损。2.性能要求(1)表面硬度高、耐磨保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。(2)心部具有高的韧性和足够高的强度在冲击载荷或过载作用下不易断裂。(3)有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。3.成分特点(1)低碳：碳质量分数一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。(2)加入提高淬透性的合金元素：Cr、Ni、Mn、B等。(3)加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。三、合金弹簧钢1.用途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。离合器弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧拉力弹簧2.性能要求(1)高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs/σb。以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。(2)高的疲劳强度σr，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。(3)足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。(4)要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。3.成分特点(1)中、高碳保证高的屈强比，碳的质量分数一般为0.50%～0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。(2)加入Si、Mn提高淬透性。Si和Mn同时也提高屈强比。重要用途的弹簧钢还须加入Cr、V、W等元素。弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。四、