汽车机械基础-黑色金属

1、了解金属材料力学性能的五项指标的含义、代号；2、了解铁碳合金相图的含义和应用；3、掌握碳素钢、合金钢、铸铁的分类、牌号、性能和应用；4、了解金属材料热处理的工艺和方法。项目13黑色金属金属材料是目前汽车上应用最广的工程材料。通常把金属材料分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属是指钢铁材料，有色金属是指除钢铁材料以外的其他所有金属材料，如铝、铜、镁及其合金。钢铁材料在我国汽车工业中仍占主流地位。其特点是价格低廉，比强度高，便于加工，因而得到广泛的应用。主要用于制造车架、车轴、车身、齿轮、发动机曲轴、缸体、罩板、外壳等零件。13.1金属及合金的构造与结晶•自然界中的固态物质按其原子（或分子、离子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。原子按一定的几何形式周期重复排列而成的固态物质称之为晶体，原子无规则地堆积在一起的固态物质称为非晶体。由于非晶体的结构与液体结构相似，常见的有松香、沥青、玻璃等。而绝大多数的固态物质都是晶体。例如，固态金属一般就是晶体，其内部的原子排列具有规律性。晶体具有三个特征：•（1）有固定熔点；（2）原子呈规则排列，宏观断口有一定形态且不光滑；（3）各向异性，由于晶体在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶体在不同方向上的性能也不一样。一、纯金属的构造与结晶固态物质按其内部微粒的构成，可分为晶体与非晶体两类。1）晶体：微粒呈规则排列的固态物质。几乎所有金属，大部分陶瓷凝固时都要发生结晶。晶体的特点是（1）结构有序；（2）物理性质表现为各向异性；（3）有固定的熔点。2）非晶体：微粒呈无规则排列的固态物质。如玻璃、塑料等。非晶体材料的特点是（1）结构无序；（2）物理性质表现为各向同性；（3）没有固定熔点；（4）导热率和热膨胀性小；（5）塑性形变大；晶体非晶体晶体结构示意简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞2.常见金属的晶格类型体心立方晶格的晶胞如图所示，形状是立方体，在晶胞的8个节点上各有一个原子，晶胞中心也有一个原子。属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr（铬)、V(钒)、W(钨)、Mo(钼)等。(1)体心立方晶格体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数面心立方晶胞如图所示，形状也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数(2)面心立方晶格常见金属的晶格种类很多，最主要的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。（1）体心立方晶格：铬，钒，钨，钼，α铁，它们大多具有较高的强度和韧性。（2）面心立方晶格：铝，铜，铅，银，γ铁，它们大多具有较高的塑性（3）密排六方晶格：镁，锌，它们大多具有较大的脆性，塑性较差。图13-3常见晶格的晶胞示意图a）体心立方b）面心立方c）密排六方金属结晶时由于结晶条件的限制以及外力作用的影响等，往往使晶体中局部区域的原子规则排列受到干扰而被破坏。这种原子排列的不完整性称为晶体缺陷。实际金属中，除了具有多晶体组织外，还存在着多种晶体缺陷。根据几何特征，一般分为以下三类：1）点缺陷2）线缺陷3）面缺陷4晶体缺陷•凝固：物质由液态转变为固态的过程。•结晶：晶体材料的凝固过程称为结晶。通常把金属从液态转变为固态的过程称为一次结晶，而金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。5.金属的结晶（1）金属结晶过程从微观的角度看，金属结晶是由晶核的形成和长大这两个基本过程组成。1）晶核的形成液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体称为晶核，它的形成有两种方式。a）自发形核b）非自发形核2）晶核的长大晶核形成后，随后便是长大。晶核长大的实质，就是原子由液体向固体表面的转移。13.1.2合金的构造与结晶纯金属具有良好的物理和化学性能，但机械性能很差，价格昂贵，种类有限。为了满足各种机器零件对不同性能的要求，因此出现了合金。合金是由两种或两种以上的金属元素或由金属与非金属元素构成的具有金属特性的物质。钢和生铁就是铁和碳的合金；黄铜就是铜和锌的合金。1.合金的构造（1）固溶体固溶体是以一种金属元素的晶格为溶剂，其他元素的原子为溶质，溶质原子溶入溶剂晶格而形成的均匀固体。（2）金属化合物金属化合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。（3）机械混合物•两种或两种以上的金属晶体相互混合而生成的组织。它可以由纯金属、固溶体、金属化合物等晶体相互任意混合而成。钢中的珠光体就是由固溶体和金属化合物组成的机械混合物。2.合金的结晶合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核和晶核长大的过程。但是合金的结晶过程中经常会发生固相转变，即由一种固相转变为另一种固相。因此，合金的结晶过程有两个相变点。在大多数情况下，合金结晶时往往形成两种不同的固相组成的多相组织。一、铁碳合金的基本组织纯铁有良好的塑性，但强度较低，一般不用其制造机械零件。在纯铁中加入少量碳，强度和硬度便可得到提高，因为铁和碳互相结合，形成了合金组织。在固态铁碳合金中，铁和碳的结合方式有两种：一种是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体；另一种是铁和碳原子按一定比例相互化合形成化合物。铁碳合金中的基本组织有铁素体F、奥氏体A、渗碳体Fe3C、珠光体P和莱氏体Ld五种。•铁碳合金是工业上应用最广泛的金属材料，它是以铁和碳为基本组元组成的合金。不同成分的铁碳合金在不同温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。铁碳合金状态图是研究铁碳合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形。13.2铁碳合金相图1.铁素体•它是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体(简称α固溶体)。通常用符号F表示。晶体结构呈体心立方晶格，碳在α铁中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有0.008%，在727℃时最大溶解度为0.0218%。铁素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑性和韧性则很高，δ=50%。2.奥氏体•碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体(简称γ固溶体)，通常用符号A表示。晶体结构呈面心立方晶格。由于γ铁晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的高温区间，具有一定的强度和硬度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。3.渗碳体•它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。渗碳体的性能很硬很脆，HBW≈800，δ≈0。渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。4）珠光体(P)•珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。所以其性能介于它们二者之间，强度较高,σb=750MPa，HBS=180，同时保持着良好的塑性和韧性δ=（20～25）%。5）莱氏体(Ld)•奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。它是C=4.3%的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。因奥氏体在727℃时将转变为珠光体，所以在727℃以下，莱氏体由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。二、铁碳合金相图•为全面了解合金成分、组织、性能变化的规律，对合金系中不同成分的合金进行实验，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，并绘制成图形，这种表示在平衡条件下合金成分、温度、组织状态三者之间关系的图形称为合金相图，又称合金状态图。铁碳合金相图是表示铁碳合金的成分、温度、组织之间关系的图形。图13-6-相图1）在选材方面的应用•2）在铸造方面的应用•3）在锻造方面的应用•4）在焊接方面的应用•5）在热处理方面的应用2.铁碳合金相图的应用13.3碳素钢一、碳素钢的分类1.按含碳量分：①低碳钢（C%≤0.25%）②中碳钢（C%=0.25%～0.60%）③高碳钢（C%0.6%）碳素钢简称碳钢，是ωc大于0.0218％小于2.11％，并含有少量硅，锰，硫，磷等杂质元素的铁碳合金。2.按质量分a.普通碳素钢硫≤0.050%，磷≤0.045％。b.优质碳素钢硫≤0.035%，磷≤0.035％。c.高级优质碳素钢硫≤0.030%，磷≤0.035％。•3）按钢的用途分类•a.碳素结构钢用于制造机械零件和工程结构件的碳钢，碳的含量大都在0.70％一下。•b.碳素工具钢用于制造各种工具用钢，如刀具，量具和模具等，一般碳的含量在0.7％以上。13.3.2碳素结构钢的牌号、性能及主要用途1.普通碳素结构钢:Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度牌号：Q+屈服点数值。例如：Q195,Q215,Q235,Q255,Q275共5类。用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。45---Wc=0.45%08、10、15、25、35、45、55、652.优质碳素结构钢牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的万倍。例如：08F，20，45，60等。用途：用作各种较重要的机器零件如：齿轮、主轴等。3、碳素工具钢牌号T12A高级优质Wc=12%0碳素工具钢碳素工具钢牌号：用“T”加数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的千倍。如：T8，T9等。T8：表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。用途：用来制作各种刀具、量具和模具。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。合金钢是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，炼钢时有目的地加入一些合金元素所形成的钢称为合金钢。13.4合金钢二、合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或几种合金元素的钢，主要用来制造各种重要工程构件和各种重要机械零件，按照用途的不同，可分为：（1）低合金结构钢（2）合金渗碳钢（3）合金调质钢（4）合金弹簧钢（5）滚动轴承钢1.低合金结构钢1.化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。强度比普通碳素钢高30%-50%，又称为低合金高强度钢。含碳量0.2%,具有良好的塑性、韧性和焊接性能。一般低合金高强度钢的屈服点必须大于295MPa。2.合金渗碳钢1)对渗碳钢的性能要求:2)对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3)渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180～200℃)适用汽车后桥齿轮和变速箱齿轮等。表硬里韧含碳量低（含碳量0.25%)，所以心部具有良好的塑性和韧性，而渗碳层具有高的硬度、优良的耐磨性及抗疲劳性。合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00典型合金渗碳钢种介绍低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴3.合金调质钢1)对调质钢的性能要求:既强又韧2)对调质钢的含碳量的要求:中碳3)调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500～650℃)含碳量(0.25%-0.5%)4.合金弹簧钢1)对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。2)对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。