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选矿机械点检技能提升系列课件机械工程材料基础知识培训选矿保障作业区2012年2月12日主要内容一、金属材料的机械性能二、碳钢三、钢的热处理四、合金钢五、铸铁六、有色金属及合金七、非金属材料八、材料的选用第一部分：金属材料的机械性能一、静载时材料的机械性能1、静载：对试样缓慢加载，常用方法：静拉伸试验、硬度试验。2、弹性模量E，也叫刚度。表示材料弹性变形抗力的大小。弹性模量主要决定于材料本身，是金属材料最稳定的性能之一。合金化、热处理、冷加工对他的影响很小。2、强度σ。表示材料抵抗变形和断裂的能力。按外力作用方式的不同，分为抗拉、抗压、抗扭，以抗拉强度最为常见。合金化、热处理、冷加工对材料的强度影响很大。3、硬度。指金属表面抵抗其他硬物压入的能力。A、布氏硬度，用HB表示；B、洛氏硬度，用HRC、HRA、HRB表示。太薄、太硬（＞450HB）的材料不宜采用布氏硬度。第二节：动载时材料的机械性能1、动载：主要有两种形式，一是载荷以较高的速度施加到零件上，形成冲击载荷；二是载荷的大小和方向坐周期性变化，形成交变载荷。2、冲击韧性：除取决于材料本身外，还受环境温度、试样大小、缺口形状等因素影响。3、疲劳强度：工作时承受交变载荷，即使交变应力低于屈服强度，但经过一定循环次数后便发生断裂。发生疲劳断裂的原因，材料内部缺陷、加工过程中形成的磨痕、刀痕，或者是零件局部应力集中导致的裂纹。第二部分：碳钢一、碳钢的定义含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳钢不是单纯的铁碳合金，除碳以外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质，通过矿石、燃料、冶炼等渠道进入。他们对钢的性能有一定影响。二、常存杂质对碳钢性能的影响1、锰（Mn）钢中锰含量一般在0.25-0.80%之间。锰能够提高钢的强度，当锰含量不多时，对钢的性能影响不显著。2、硅（Si）硅能够提高钢的强度和硬度，但塑性、韧性下降。当硅含量不多时，对钢的性能影响不显著。3、硫（S）当钢材在1000-1200度之间进行热加工时，硫使钢材变脆（称为热脆性），硫是一种有害杂质，必须严格控制。4、磷（P）在室温下，使钢的塑性急剧下降，变脆（称为冷脆性），磷是一种有害杂质，必须严格控制。第三部分：碳钢的分类一、按钢的含碳量分1、低碳钢：含碳量≤0.25%2、中碳钢：含碳量在0.25%-0.6%之间3、高碳钢：含碳量＞0.6%二、按钢的质量分类主要是根据钢中有害杂质S、P的多少来分1、普通碳素钢：钢中S、P的含量分别为≤0.055%和0.045%；2、优质碳素钢：钢中S、P的含量均≤0.040%3、高级优质碳素钢：钢中S、P的含量分别为≤0.030%和0.035%三、按用途分类1、碳素结构钢：用于制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑等）和机械零件（如齿轮、轴、连杆等），这类钢一般属于低碳钢和中碳钢；2、碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具，这类钢含碳量高，属于高碳钢。第四部分：碳钢的编号一、碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，产量约占钢总产量的70-80%。依据国家标准GB700-88，分为20种。举例：Q215A、Q235A、Q255B含义：Q钢屈服点“屈”字汉语拼音首位字母235屈服点数值，单位N/mm2A质量等级A、B、C、D二、优质碳素结构钢塑性和韧性较高，用于制造较重要的零件。编号方法：以平均含碳量万分数表示。如45号钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。三、碳素工具钢碳或T后加一数字，数字表示钢中平均含碳量的千分数，如T7，表示平均含碳量0.7%的碳素工具钢。碳素工具钢都是优质钢，如果是高级优质碳素工具钢，则在字母后加A，如T7A。第五部分：钢的热处理一、热处理的定义：指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得性能的一种工艺。二、热处理的重要作用既可以消除上一工艺过程产生的缺陷，也可以为下一工艺过程创造条件，更重要的是可以充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能，提高产品质量。三、热处理的分类通常分为退火、正火、淬火、回火、表面淬火及化学热处理等几种主要方法。热处理的方法很多，但任何一种热处理工艺，都要经过加热、保温、冷却三个阶段。1、退火目的是细化晶粒，消除应力，使钢润滑以便于随后的切削加工。分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火。冷却方式：空冷2、正火目的是细化晶粒，提高其机械性能，如提高硬度。冷却方式：空冷与退火的区别：冷却速度快。3、淬火目的是提高钢的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的热处理方法。冷却介质：水或者油。衡量指标：淬透性（GB225-88），按规定方式测量其硬度HRC。4、回火将淬火钢重新加热、保温、冷却。淬火钢不能直接使用，工件中存在很大的内应力，如果不及时会后，会发生变形、开裂现象。通过淬火与回火的配合，可以调整和改善钢的性能。分为：低温回火、中温回火、高温回火。淬火加高温回火的热处理方式有称为调质。5、表面淬火通过快速加热对钢材表面处理，获得硬度高、耐磨的表面层，内部仍保持原来的塑性、韧性。分为：感应加热表面淬火（淬硬层深度10-20mm）火焰加热表面淬火（淬硬层深度2-6mm）激光表面淬火（淬硬层深度0.3-0.5mm）第六部分：钢的化学热处理一、化学热处理基本含义将工件置于特定介质中进行加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，改变其表层的化学成分和组织。各种化学热处理都由以下三个基本阶段组成：分解、吸收、扩散。二、钢的渗碳向低碳钢或合金钢中渗入碳原子的过程。目的是提高工件表面的硬度和耐磨性，与表面淬火相比，性能提高幅度更大。主要用于承受冲击载荷和严重磨损条件下的零件。三、钢的氮化向钢的表面层渗入氮原子以提高表层的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性，也称为渗氮。第七部分：合金钢一、碳钢的缺点：1、淬透性低，很难淬透，对于大直径的零件，淬透性能分布不均匀，限制了大型构件的使用。2、碳钢的强度比合金钢低。如20号钢的强度410N/mm2，16Mn仅加入少量的Mn，强度就提高为520N/mm2，可见，对于承受高负荷的零件，若采用碳钢时，就要增大尺寸，使设备庞大、笨重。3、合金钢具有碳钢不能具备的性能，如耐高温、耐腐蚀、高耐磨性。第一节：合金元素在钢中的作用一、常见合金元素锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）钼（Mo）、钨（W）、钒（V）钛（Ti）、铌（Nb）、锆（Zr）镍（Ni）、钴（Co）、铜（Cu）硅（Si）、铝（Al）、氮（N）硼（B）、稀土（RE）二、合金元素对钢中基本相的影响碳钢中的基本相，在室温、退火、正火状态下均为铁素体和渗碳体。加入少量合金元素时，有一部分溶入铁素体中形成合金铁素体，有一部分溶入渗碳体中形成合金渗碳体。加入元素，将使钢的硬度、韧性、强度显著增加。添加量有一定的限度，超过限度时，将起反作用。三、合金元素对钢的热处理的影响第二节：合计钢的分类和编号方法一、分类合金结构钢普通低合金钢（低合金钢强钢）渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢易切钢超高强度钢合金工具钢刃具钢模具钢量具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢二、合金钢牌号表示方法依据国家标准GB221-79的规定，采用“数字+化学元素+数字”的表示方法。前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示。如45钢，平均含碳量为0.45%。合金元素直接以化学符号表示，符号后的数字表示该合金元素的含量，以平均含量的百分之几表示。合金元素含量小于1.5%时，在元素后面不注明含量；如果平均含碳量大于或等于1.5%、2.5%、3.5%……时，则相应以2、3、4…等表示。举例：40Cr（40铬）：表示含碳量0.37～0.45%、铬含量0.8～1.1%的铬钢。60Si2Mn：表示含碳量0.57～0.65%、含硅量1.5～2.0%、含锰量0.6～0.9%的硅锰钢。含硫量、含磷量较低（≤0.02%、≤0.03%）的高级优质合金钢，在牌号后加“A”。如12MnA、20Cr2Ni4A第三节：合金结构钢一、普通低合金钢是一种低碳、低合金含量的结构钢，含碳量＜0.2%、含合金元素＜3%。有较好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性。通常加入少量合金元素改善性能。Mn能够提高强度、改善韧性和塑性；Ti、V、Nb能够提高钢的强度及冲击韧性；Cu、P能够提高钢对大气的抗蚀能力。如：16Mn、15MnTi、14MnVTiRE二、渗碳钢将低碳钢或低碳合金钢进行表面渗碳、淬火和回火处理，这类钢称为渗碳钢。表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有高韧性、高强度。如20Cr、20CrMn、20CrMnTi三、调质钢调质钢是指经调质处理后使用的结构钢，大多数采用中碳钢，经过调质处理后钢的组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能，即强度高、塑性和韧性好。调质钢广泛应用于制造各种重要的机械零件，如齿轮、轴等。钢中含碳量一般在0.25～0.5%之间，含碳量过低不易淬硬，得不到需要的强度；含碳量过高，硬度、强度虽然高，但韧性低。因此，一般碳素调质钢选用40、45、50钢。合金调质钢的含碳量可偏下限，如30CrMo、40Cr、30CrMnTi合金调质钢的合金元素，主要作用是提高钢的淬透性和保证良好的强度和韧性。钢的调质处理是指淬火和高温回火。钢经调质后的机械性能与其淬透性有密切关系。淬透性差的钢，由于淬不透，在整个截面上得不到均匀一致的机械性能，没淬透的部位强度低，韧性差。所以淬透性是调质钢的一个重要性能。Cr、Ni、Mn、Si、B等元素均能提高钢的淬透性。常用的调质钢：40Cr：由于Cr的存在，使淬透性提高，并改善钢的综合性能，广泛应用。35CrMo、40CrMnMo：制作重型机械主轴、汽轮机转子。四、弹簧钢弹簧一般是在动载荷下工作的，收到反复弯曲或拉压应力，应此要求弹簧钢具有较高的弹性极限、疲劳强度、足够的塑性、韧性以及良好的表面质量。常用的有65Mn、60Si2Mn，高温及高负荷下用50CrVA、55SIMnMoV五、滚动轴承钢主要用来制作各种滚动轴承元件（滚珠、轴承套等）以及其他各种耐磨零件。滚动轴承在工作时承受较大的局部交变负荷，滚动体与套圈之间产生极大的接触应力。因此，要求滚动轴承钢具有很高的硬度、耐磨性以及良好的疲劳强度。此外，还要求具有足够的韧性和耐腐蚀性能。滚动轴承钢的纯净度要求很高，含杂质量要求极低（S＜0.02%、P＜0.027%），因为它们的存在会降低钢的疲劳强度，影响轴承的使用寿命。常用轴承钢有：GCr9、GCr15用于制造中小型轴承。对于大型、重载荷轴承，采用GCr15SiMn第四节：特殊性能钢一、不锈钢不锈钢是指在空气、碱或盐的水溶液等腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢并不是绝对不腐蚀，只不过腐蚀速度慢一些。在同一介质中，不同种类的不锈钢耐腐蚀能力不同。在不同介质中，同一种不锈钢其腐蚀速度也不一样。1、金属的腐蚀与防腐蚀金属的腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是指金属与外界介质发生纯化学反应而被腐蚀，如钢在高温加热时发生的氧化反应，就属于化学腐蚀。电化学腐蚀是指在腐蚀过程中有电流产生。这类腐蚀现象比较普遍，如钢在室温下的生锈就属于电化学腐蚀。原电池的化学腐蚀现象非常广泛，例如钢中存在的夹杂物、表面局部应力、晶体内的不同相、晶界、偏析等，都会导致钢的电化学腐蚀。实践证明，当铁中的含Cr量＞12%时，可以减缓腐蚀；在金属表面形成致密、连续的氧化膜，也可以阻止腐蚀，如添加Cr、Al等，形成Cr2O3、Al2O32、不锈钢的种类及性能（1）、铁素体不锈钢典型的Cr17钢，含C量＜0.12%，含Cr量16～18%，耐腐蚀性能好，塑性好，强度低，不能热处理强化。主要用于制作化工容器、管道。（2）、马氏体不锈钢典型的有1Cr13、2Cr13，含C量为0.1～0.45%之间，随着含碳量的增加，其强度也增加，但耐蚀性下降。平均含Cr量为13%，其主要作用是提高耐蚀性，因为含Cr量＞12%时，能形成氧化膜（称为钝化现象）。减缓其腐蚀过程，提高耐蚀性。这种钢只有在氧化性介质中（如大气、水蒸汽、海水、氧化性酸等），有较好的耐蚀性。（3）、奥氏体不锈钢典型的18-8性镍铬不锈钢。含Cr量为18%，其主要作用是增加钢的钝化能力，提