1、*机械制造基础 工程材料 常用工程材料教学内容教学内容1.金属材料的分类2.碳钢、合金钢分类、牌号及应用3.非铁金属材料的牌号，应用学习要求学习要求1.掌握钢、铸铁的牌号及性能2.理解非铁金属材料的牌号、性能及应用3.了解钢杂质的影响，陶瓷、复合材料 能力要求能力要求初步具有选材的能力第一节：碳钢、铸铁第一节：碳钢、铸铁（一）（一）.杂质元素对碳钢性能的影响杂质元素对碳钢性能的影响硅（硅（Si）有很强的固溶强化作用，脱氧作用有很强的固溶强化作用，脱氧作用锰（锰（Mn）脱氧、去硫脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度提高钢的强度和硬度硫（硫（S）引起钢在热加工时或高温工作下开裂引起钢在热加工时或高温工作
2、下开裂(热裂热裂 )。磷（磷（P）有很强的固溶强化作用，低温韧性差有很强的固溶强化作用，低温韧性差 (冷裂冷裂 )。一、碳钢一、碳钢 碳钢又称碳素钢，它是指含碳量小于碳钢又称碳素钢，它是指含碳量小于2.11%2.11%，并含有少量冶，并含有少量冶炼过程中残存下来的硅、锰、磷、硫等杂质元素所组成的铁碳炼过程中残存下来的硅、锰、磷、硫等杂质元素所组成的铁碳合金。合金。（二）、碳钢的分类（二）、碳钢的分类按含碳量按含碳量低碳钢低碳钢 c0.25%中碳钢中碳钢 c=0.25%0.60%高碳钢高碳钢 c0.6%按质量按质量普通碳素钢s0.055%，p0.045%优质碳素钢优质碳素钢 s、p p0.035
3、%0.040%按用途按用途碳素结构钢碳素结构钢c0.7%碳素工具钢碳素工具钢c 0.7%高级优质碳素钢s0.02%0.03%p0.03%0.035%按脱氧程度按脱氧程度沸腾钢（沸腾钢（F）镇静钢（镇静钢（Z）半镇静钢（半镇静钢（B）特殊质量碳钢特殊质量碳钢 s、p p0.015%1.1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢o碳素结构钢中硫、磷等杂质含量较多，质量较低，但价格便宜，并具有一定的机械性能，常用作性能要求不高、不需作热处理的机械零件和结构件，是碳钢中用量最大的一类。o根据国标（GB/I700-88）规定，碳素结构钢的牌号由Q（“屈”的汉语拼音字首）、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C、D）
4、及脱氧方法符号（F、Z、B）四个部分按顺序组成。如Q235AF表示最低屈服强度为235MPa、质量等级为A级的沸腾钢。o常用来制造要求具有良好塑性的焊接结构件、压力加工件。其中Q195、Q215、Q235塑性好，焊接性好，强度低，一般轧制成钢板或各种型材，主要用于工程结构和受力较小的机械零件。Q255、Q275强度较高，可用于制作受力中等的零件。（三）、碳钢的牌号和用途（三）、碳钢的牌号和用途1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢 Q 235 A F沸腾钢沸腾钢A等级等级235 MPa屈服强度屈服强度2 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢o这类钢中硫、磷含量较低，质量较好，含碳量波动小，性能较稳定，
5、并可通过热处理进行强化，常用来制造比较重要的机械零件。o据钢中含锰量的不同，优质碳素结构钢可分为：普通含锰量优质碳素结构钢（Mn%0.7%和较高含锰量的优质碳素结构钢（Mn%0.7%1.2%）。o牌号表示：常用“两位数字”表示，该数字表示钢中的平均含碳量的万分数。例如，45表示其平均含碳量为 0.45%的优质碳素结构钢；65Mn表示平均含碳量为0.65%、含锰量较高的优质碳素结构钢。含锰量较高的优质碳素结构钢较普通含锰量的优质碳钢，淬透性较好，强度也较高。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢两位数字两位数字45 表示含碳量为表示含碳量为0.45%若钢中含锰量较高，将锰元素标出若钢中含锰量较高，将锰
6、元素标出。45Mn Wc=0.45%;WMn=0.7%1.0%2 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢o其中 08、10、15、20钢属于低碳钢，塑性好，具有良好的冷冲压性能和焊接性能，宜于制作各种冷冲压件、焊接件以及尺寸不大，受力较小的渗碳件。o3055钢属于中碳钢，这类钢经调质处理后具有良好的综合力学性能，即既具有较高的强度、硬度，又具有较好的塑性、韧性，是优质碳素结构钢中应用最广的一类。o6085钢属于高碳钢，经淬火中温回火后，具有高的弹性和一定的韧性，主要用于制造各类弹簧。3 3、碳素工具钢、碳素工具钢o这类钢的含碳量较高，一般在0.65%1.35%之间，经适当热处理后，具有高强度、高硬
7、度及高的耐磨性，常用来制造各种工具（刃具、量具和模具）。o按钢的质量不同，碳素工具钢分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。o其牌号用“碳”的汉语拼音字首“T”加“数字”表示，“数字”表示其平均含碳量的千分数。如：T8钢表示平均含碳量为0.8%的优质碳素工具钢。对于高级优质钢，还需在牌号末尾加代号“A”来表示，如T12A钢，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。常用来制造低速切削刀具及对淬火变形要求不严的一般模具和某些要求高硬度高耐磨性的零件。3.碳素工具钢T 12 A高级优质高级优质 Wc=1.2%碳素工具钢碳素工具钢4 4、铸造碳钢、铸造碳钢 o铸造碳钢是冶炼后直接铸造成毛坯或
8、零件的碳素钢，适用于形状复杂且韧性、强度要求较高的零件，也常用于韧性、强度要求较高的大型零件。o铸造碳钢的含碳量一般在0.15%0.60%范围内，过高则塑性差，易产生裂纹。o其牌号表示：用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母开头“ZG”后面加“两组数字”组成，第一组数字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度，如ZG200400表示屈服点不小于200MPa，抗拉强度不小于400MPa铸造碳钢。4、铸造碳钢 ZG 200-400b 400MPas 200MPa铸钢铸钢 二、铸二、铸 铁铁 铸铁是碳质量分数大于铸铁是碳质量分数大于2.11%2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元
9、素的铁碳合金。等元素的铁碳合金。用于制造机床的床身、床头箱用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等，发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。是工程上最常用的金属材料之一。箱体箱体启启动动阀阀（一）铸铁的成分1、铸铁的成分范围：wC=2.5%4.0%、wSi=1.0%3.5%、wMn=0.5%1.5%、wP0.20%、wS0.5%。2、铸铁的性能1)铸铁的力学性能：强度、塑性、韧性较低，不能进行锻造。2)铸铁的其他性能铸造性能好切削加工性良好减摩性好减震性好 低的缺口敏感性（二）铸铁中碳的石墨化o铸铁中的碳以石墨形式析出的现象称为铸铁的石墨化。何为何为何为何为
10、石墨？石墨？石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为度仅为3 35HBS5HBS，伸长率近于零伸长率近于零。铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨对基体产生对基体产生割裂作用割裂作用。因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。学性能越差。但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的
11、优良性能，如但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如铸铸造性能、减振性和减摩性造性能、减振性和减摩性等。等。铸铁的石墨化铸铁的石墨化铸铁铸铁组织的类型取决于组织的类型取决于组织的类型取决于组织的类型取决于石墨化石墨化的程度。的程度。的程度。的程度。1 1、铸铁中、铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化称为石墨化。石墨化若能充分或大部分进行，则能获得石墨化若能充分或大部分进行，则能获得石墨化若能充分或大部分进行，则能获得石墨化若能充分或大部分进行，则能获得灰口铸铁灰口铸铁，反，反，反，反之将得到之将得到之将得到之将得到白口铸铁白口铸铁。石墨既可以从液体和奥氏
12、体中析出，也可以通过渗碳体分石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。而得到。2 2 2 2、影响石墨化的因素影响石墨化的因素影响石墨化的因素影响石墨化的因素冷却速度冷却速度：缓慢冷却有利于石墨化；：缓慢冷却有利于石墨化；合金元素合金元素：C C和和SiSi强烈促进，强烈促进，S S强烈阻碍，强烈阻碍，MnMn阻阻 碍，碍，P P微弱促进。微弱促进。（三
13、）铸铁分几类？（三）铸铁分几类？根据碳在铸铁中存在形根据碳在铸铁中存在形式式式式不同，可分三大类：不同，可分三大类：（1 1）白口铸铁）白口铸铁（2 2）灰口铸铁）灰口铸铁（3 3）麻口铸铁）麻口铸铁C C C C的存在形式：的存在形式：的存在形式：的存在形式：渗碳体渗碳体(Fe3C)(Fe3C)(Fe3C)(Fe3C)，断口为白色断口为白色断口为白色断口为白色。性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）
14、。（如轧辊、犁铧等）。（如轧辊、犁铧等）。（如轧辊、犁铧等）。C C C C的存在形式：的存在形式：的存在形式：的存在形式：石墨石墨，断口为灰黑色。，断口为灰黑色。，断口为灰黑色。，断口为灰黑色。C C C C的存在形式：的存在形式：的存在形式：的存在形式：石墨石墨+渗碳体渗碳体，断口为黑，断口为黑，断口为黑，断口为黑白色。白色。白色。白色。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。性能：脆性大，很少使用性能：脆性大，很少使用性能：脆性大，很少使用性能：脆性大，
15、很少使用。根据根据石墨石墨（G）在铸铁中在铸铁中存在形态存在形态，可分为：，可分为：普通灰铸铁：石墨呈普通灰铸铁：石墨呈片状片状可锻铸铁：石墨呈可锻铸铁：石墨呈团絮状团絮状蠕墨铸铁：石墨呈蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状蠕虫状球墨铸铁：石墨呈球墨铸铁：石墨呈球状球状4 4、常用铸铁、常用铸铁（四）铸铁的性能、牌号及用途 由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。脆性材料。灰铸
16、铁具有非常优良的铸造性能。灰铸铁具有非常优良的铸造性能。1 1、灰铸铁的性能与应用、灰铸铁的性能与应用 但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构，如和结构，如机座、机床床身、轴承机座、机床床身、轴承等。等。叶轮叶轮 发动机飞轮发动机飞轮 灰铸铁灰铸铁2 2、灰铸铁的牌号、灰铸铁的牌号HT+HT+三位数字，三位数字，数字表示最低抗拉强度数字表示最低抗拉强度。3 3、灰铸铁的热处理、灰铸铁的热处理如：如：HT150，HT200，HT250 热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分热处理只能改变基体组
17、织，不能改变石墨的形态和分布，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和布，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和目的是：目的是：1 1、消除内应力退火：、消除内应力退火：2 2、高温退火：消除白口组织、高温退火：消除白口组织3 3、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。灰铸铁灰铸铁可锻铸铁可锻铸铁1 1、生产方法、生产方法：先将铸铁浇注成白口铸铁先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行然后进行高温石墨化退火高温石墨化退火,使渗碳使渗碳体分解得到体分解得到团絮状石墨团絮状石墨。2 2、可锻铸铁的牌号、可锻铸铁的牌号可锻铸铁以可锻铸铁以“KTK
18、T”表示，黑心可锻铸铁用表示，黑心可锻铸铁用“KTHKTH”表示，珠光表示，珠光体可锻铸铁以体可锻铸铁以“KTZKTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。和延伸率。如：如：KTH350-10KTH350-10、KTZ600-3KTZ600-33 3、可锻铸铁的性能及应用、可锻铸铁的性能及应用 可锻铸铁可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可可锻铸铁不可锻。锻铸铁不可锻。球墨铸铁球墨铸铁1 1、生产方法：、生产方法：在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨在浇注前向铁水中加入
19、一定量的球化剂而直接获得球状石墨,得到得到球墨铸铁球墨铸铁.2 2、球墨铸铁的牌号、球墨铸铁的牌号 用用“QTQT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。如如:QT420-10、QT600-2、QT800-24 4、球墨铸铁调质和正火后的组织性能、球墨铸铁调质和正火后的组织性能 机械性能 热处理工艺 显微组织 b MPa 5%ak kJ/m2 HB 调质:980退火后,900油淬+580回火 回火索氏体+石墨 8001000 1.72.7 260320 240340 正火:980退火后,900正火+580去应力退火 珠光体+5%铁素体+石墨 7
20、00 2.5 100 317321 3 3、球墨铸铁的应用、球墨铸铁的应用 具有与钢相近的力学具有与钢相近的力学性能，可代替钢和合金钢性能，可代替钢和合金钢使用。使用。球墨球墨铸铁铸铁管道管道接口接口 球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁 1 1、生产方法：、生产方法：在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。程序与球墨铸铁基本相同。蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁铸铁，并且有一定的韧性、较
21、高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。一样的良好的铸造性能和导热性。2 2、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用 蠕墨铸铁以蠕墨铸铁以“RuTRuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。表示，其后的数字表示最低抗拉强度。RuT300RuT300、RuT420RuT420 如：如：蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。牌号：牌号：性能：性能：应用：应用：排排气气管管 进进气气管管 合金铸铁合金铸铁 在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。金铸铁。1 1、耐磨铸铁（加铬）、耐磨铸铁（加铬）2 2、耐热铸铁、耐热铸铁 （Al Al、Si Si、Cr Cr）扇扇形形扩扩散散器器托托架架 衬衬板板弯弯管管
