机械基础——第二节黑色金属、第三节有色金属及其合金

普通碳素结构钢：Q+屈服强度+质量等级符号+脱氧符号优质碳素结构钢：两位数+（元素符号）碳素工具钢：T+数字+（A）数字为碳含量万分数。如45、65Mn数字为碳含量千分数，A高级优质钢。如T8、T10A合金结构钢：两位数+合金元素+数字两位数为碳含量的万分数，后面数字是元素含量的百分数，如果元素含量低于1.5%，只注符号，不标含量。如20Cr、60Si2Mn。滚动轴承钢：G+合金元素+数字数字是元素含量的千分数。如GCr15合金工具钢：一位数+合金元素+数字一位数为碳含量千分数，碳超过1%时不注，其他同合金结构钢。如CrWMn、9Mn2V不锈钢：主要有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr18Ni9等。灰铸铁：HT+最低抗拉强度可锻铸铁：KT+最低抗拉强度—最小伸长率KT后如有H、Z，H指黑心（铁素体），Z指珠光体。如KT300—06、KTZ550—04球墨铸铁：QT+最低抗拉强度—最小伸长率如Q235A、Q275如HT300如QT400—18耐热钢：主要有1Cr13Si13、4Cr14Ni14W2Mo、4Cr9Si2等。铸钢：主要有ZGMn13。复习提问1、指出下列材料的牌号和含义HT150；GCr15；40Cr；9SiCr；W18CrV；1Cr13；KTZ550-04；15MnTi；60Si2MnHT150——GCr15——40Cr——9SiCr——最小抗拉强度为150MPa的灰铸铁。铬平均质量分数为1.5%的滚动轴承钢。平均碳的质量分数为0.4%，铬含量小于1.5%的合金结构钢。平均碳的质量分数为0.9%、硅和锰的质量分数小于1.5%的合金工具钢。复习提问1、指出下列材料的牌号和含义W18Cr４V——1Cr13——KTZ550-04——碳的质量分数大于1%、钨的质量分数为18%、铬的质量分数为４%、钒的质量分数小于1.5%的合金工具钢。碳质量分数为0.1%、铬的质量分数为13%的不锈钢。最低抗拉强度为550MPa、最小伸长率为4%、珠光体组织的可锻铸铁。复习提问1、指出下列材料的牌号和含义15MnTi——60Si2Mn——平均碳的质量分数0.15%，锰、钛的质量分数小于1.5%的合金结构钢。平均碳的质量分数为0.6%、硅的质量分数为2%、锰含量小于1.5%的合金结构钢。复习提问1、指出下列材料的牌号和含义2、什么是奥氏体？奥氏体存在于什么状态下？奥氏体性能如何？奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体只存在于高温下。奥氏体有一定的强度、硬度和良好的塑性、韧性，适于进行锻压加工。(一)钢的热处理原理1．概述热处理是将钢在固态加热到一定温度，并在此温度保持一定时间，然后以选定的冷却速度冷却，以改变钢的内部组织，从而获得所需要性能的一种金属加工工艺。根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：六、钢的热处理热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线。2．钢在加热时的转变在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以求在冷却后获得高性能的组织。3．钢在冷却时的转变冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能。(二)钢的退火与正火1．退火与正火的目的退火与正火常作为中间热处理，主要目的是：降低硬度，以利切削；消除残余应力，防变形、开裂；细化晶粒、改善组织，为最后的热处理作好准备。2、退火工艺及应用钢的退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织状态的热处理工艺。钢的退火方法很多，常用的有完全退火、球化退火和去应力退火。(1)完全退火将钢加热到Ac3以上20～60℃，保温后随炉缓冷到600℃以下，再出炉空冷到室温。主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件的退火。(2)球化退火将钢加热到Ac1以上20～40℃，缓冷到600℃出炉空冷到室温。主要用于消除共析钢和过共析钢组织中的粗片状珠光体，降低硬件度和提高塑性。(3)去应力退火将钢加热到Ac1以下温度（一般500～650℃），保温后随炉缓冷到200～300℃出炉空冷到室温。主要用于消除铸件、焊件及切削加工件的应力，减小变形，稳定尺寸。由于加热温度较低，过程中无相变发生。3、正火工艺及应用正火是指将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30～50℃，经保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火与退火的主要区别是正火冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度、硬件度有所提高，操作简单，生产周期短，成本低。所以在实际生产中，凡是能用正火代替退火的零件，就不采用退火处理。(三)淬火1．淬火淬火是将钢的组织加热到Ac3或Acm以上30～50℃以上，保温一定时间后在水、盐水或油中快速冷却的热处理工艺。淬火的目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。（1）淬火工艺1）淬火加热温度对于亚共析钢，淬火温度一般为Ac3以上30～50℃；对于共析钢或过共析钢，淬火加热温度为Ac1以上30～50℃。在实际生产中，还需根据工件形状、尺寸、淬火介质等综合考虑。2）淬火加热时间包括升温和保温时间。3）淬火冷却介质生产中，常用的冷却介质是水、油、碱或盐类水溶液。（2）淬火冷却方法单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火1）单液淬火法将加热后的钢件放到一种淬火介质中连续冷却到室温。操作简单，易实现自动化；但易产生淬火缺陷。2）双液淬火法将加热后钢件先放到冷却能力较强的介质（水或盐碱溶液）中，待温度降到300～400℃时，取出迅速投入到冷却速度较慢的油中冷却到室温。此法可有效地降低内应力，防止钢件的变形和开裂。3）分级淬火法将加热钢件先放入盐浴或碱浴中冷却，停留一段时间，待其心部与表面的温差减小后再取出放在空气中冷却。此法比双质介淬火容易控制，能防止钢件变形和开裂，而且硬度也较均匀。适用于形状复杂、尺寸较小、要求精密的零件。4）等温淬火法将加热钢件放到温度稍高于230℃的盐浴中，停留较长时间后，取出在空气中冷却。此法淬火后的钢件硬度较低，但能在获得高强度的同时还具有良好的塑性；应力和变形都很小，但生产周期长、效率低。主要用于形状复杂、强度和韧性要求较高的钢件。2、钢的淬透性与淬硬性淬透性是指钢在一定条件下淬火时淬硬层所能进入的深度。如果某种材料的淬硬层深，我们就说它的淬透性好。淬硬性指钢在理想条件下淬火所能达到最高硬度的能力。淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。3、淬火缺陷及防止方法（1）硬度不足原因：加热温度过低，保温时间不足或冷却速度太慢。消除办法：正火后重新淬火。（2）过热或过烧过热或过烧，使钢脆性增加、强度低、塑性和韧性变差。原因：加热温度过高或保温时间过长。消除办法：正火或退火后重新淬火。（3）变形或开裂原因：钢件在加热或冷却时，工件表层与心部温差较大。解决办法：变形可校正，开裂只能报废。(四)回火钢的回火是指将淬火后的钢，在组织转变为奥氏体的临界温度以下加热，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。1、淬火钢件回火的目的①消除或减少淬火应力，降低脆性，防止工件变形开裂。②稳定组织，从而稳定工件的尺寸。③调整硬度、强度，提高塑性，使工件获得较好的力学性能。2．回火种类常用的回火方法有低温回火、中温回火、高温回火。2．回火种类①低温回火（150～250℃）目的：减小淬火应力和脆性、保持淬火后的高硬度和耐磨性。应用：各种工模具、滚动轴承及渗碳、表面淬火的零件。②中温回火（350～500℃）目的：获得高的弹性极限、屈服强度和较好的韧性。应用：用于各种弹簧和某些模具。③高温回火（500～650℃）目的：获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。应用：用于各种重要结构件，也可作为某些精密零件的预先热处理。调质处理=淬火+高温回火，所以中碳范围的结构钢又称调质钢。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。（一）表面淬火（1）火焰加热表面淬火（2）感应加热表面淬火七、钢的表面热处理表面淬火视频（二）化学热处理化学热处理是指将钢件放入一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。（1）钢的渗碳将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。（2）钢的渗氮是指在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。第三节有色金属及其合金在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料.材料AlFe塑料其它橡胶磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比汽车上常用的有色金属主要有铝、铜及其合金。一、铝及铝合金(一)、铝及铝合金性能特点•纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72)，熔点低(660.4℃),导电、导热性能优良。•塑性好、有良好的蚀性。铝合金制造的机翼•铝合金比强度高，同时还保持铝耐蚀性好、导热性好、质量轻的优点。•铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。铝合金型材铝铸件1、变形铝合金这类铝合金的特点是塑性好，可进行冷热状态下的压力加工。分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金等。按铝合金的成分和工艺性能，可分为变形铝合金和铸造铝合金两类。铝合金波纹管铝合金制品铝是可以回收利用的金属（1）防锈铝合金主要指铝锰系、铝镁系合金卫星天线（LF2）特点是具有很高的抗蚀性，故常称为防锈铝合金。此外，还具有良好的塑性和一定的焊接性能，但强度较低，不能进行热处理，只有经过冷加工变形才能使其强化。（2）硬铝合金主要指铝-铜-镁系、铝-铜-锰系合金飞机翼梁(腹板为硬铝合金)通过淬火时效处理而获得相当高的强度，在淬火时效状态下有较好的切削加工性，但耐蚀性较差。（3）超硬铝合金属于Al-Cu-Mg-Zn系合金,另外还加入少量的铬、锰。强度在铝合金中最高，故称超硬铝。超硬铝主要用作要求重量轻而受力较大的结构件，如飞机上一些构件。飞机主起落架（4）锻造铝合金化学成分和硬铝相似。能通过时效处理来提高强度。加热后有良好的塑性，可进行热变形加工。用于制作飞机零件。压气机叶片美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼防锈铝、硬铝、超硬铝、锻造铝的牌号：防锈铝合金的牌号：“LF”+顺序号。“LF”是“铝防”两字汉语拼音的第1个字母。例LF5、LF11表示顺序号为5或11的防锈铝合金。同理，LY12：顺序号为12的硬铝合金；LC6：顺序为6的超硬铝合金；LD10：顺序号为10的锻造铝合金。2、铸造铝合金用来制造铸件的铝合金,俗称铸铝。铸铝分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金，即Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等。铝硅合金铝硅合金广泛用于制造内燃机的活塞、气缸体、气缸盖、风扇叶片,电机、仪表外壳及形状复杂的结构件。活塞(裙部为铝硅合金)•铝镁合金–铝镁合金的特点是密度小、耐蚀性好、强度高,但铸造性能差,易产生热裂和缩松。–多用于承受冲击、振动载荷和腐蚀条件下工作的零件•铝锌合金–强度较高,但耐蚀性较差。若加入适量的锰、镁,可提高耐蚀性。工艺性能很好。–可用于在铸态下直接使用的零件,如汽车的化油器、仪表、各种薄壳等•铝铜合金铝铜合金具有较高的耐热强度,可制作高温(300℃)条件下工作的零件。但抗蚀性较差。铸造铝合金的牌号ZL102第2、3位数字均表示合金的顺序号第1位数字表示合金的类别号。其中1表示铝硅,2表示铝铜,3表示铝镁,4表示铝锌“铸铝”两字汉语