金属材对料及机械制造工艺项目二机械零件材料的选用.ppt
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1、项目二 机械零件材料的选用,任务1 工业用钢 任务2 铸铁 任务3 有色金属及粉末冶金材料 任务4 非金属材料 任务5 机械零件的失效与材料选用的一般原则,【知识目标】 1. 熟悉典型钢铁材料的牌号、性能及典型用途; 2. 了解有色合金及其他材料的牌号、性能及典型用途; 3. 掌握机械零件材料选用的一般原则。 【能力目标】 1. 具备正确区分各种材料牌号、性能的能力; 2. 具备根据机械零件的工作要求正确选用常用金属材料的能力。,任务1 工 业 用 钢 金属材料来源丰富,并具有优良的使用性能和工艺性能。金属材料是机械工程中应用最普遍的材料,常用来制造机械设备、工具及模具等,并广泛应用于工程结构
2、件中。 金属材料大致可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁;有色金属是指黑色金属以外的其他金属及其合金,如铝及铝合金、铜及铜合金等。,1.1 钢内元素对钢性能的影响 1.1.1 钢内杂质元素对钢性能的影响 钢中常存杂质元素主要是指钢在冶炼过程中不可避免地带入少量的常存元素(如硅、锰、硫、磷等)和一些杂质(非金属杂质物及某些气体,如氮、氢、氧等),它们的存在会对钢的性能有较大的影响。一般来说,锰和硅为有益元素,硫和磷为有害元素。,1锰(Mn) 锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的,它也经常作为合金元素而特地加入钢中。锰的脱氧能力较好,能大幅度减少钢中的FeO,还能与硫化合成MnS,
3、减轻硫的有害作用。锰大部分溶入铁素体中,具有固溶强化作用,使铁素体强化,可提高钢的强度和硬度。所以,锰在钢中是一种有益元素。在非合金钢中,锰作为常存元素时,其含量一般规定为小于1.00%。,2硅(Si) 硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的,也可作为合金元素而特意加入钢中。硅的脱氧能力比锰强,可有效清除FeO。硅在室温下大部分溶入铁素体,使铁素体强化。作为常存元素时,其含量一般规定为小于0.50%。 3硫(S) 硫是在冶炼时由矿石和燃料中带入的有害杂质,炼钢时难以除尽。硫在钢中常以FeS的形式存在,FeS与Fe形成低熔点的共晶体,分布在奥氏体的晶界上,当钢材进行热加工时,共晶体过热甚至熔化,减弱
4、了晶粒间的联系,使钢材强度降低,韧性下降,这种现象称为热脆。常加入锰来降低硫的有害作用。,4磷(P) 磷是在冶炼时由矿石带入的有害杂质,炼钢时很难除尽。磷能溶于-Fe中,但当钢中有碳存在时,磷在-Fe中溶解度急剧下降。磷的偏析倾向十分严重,即使只有千分之几的磷存在,也会在组织中析出脆性很大的化合物Fe3P,并且特别容易偏聚于晶界上,使钢的脆性增加,塑性和韧性下降,冷脆转化温度升高,即发生冷脆。 5气体元素 钢在冶炼时还会吸收和溶解一部分气体,如氮、氢、氧等,使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低,严重时会造成裂纹、脆断,所以这些气体也是必须严格控制的有害元素。,1.1.2 合金元素对钢性能的影响
5、为了提高钢的性能,在铁碳合金中特意加入合金元素,所获得的钢种称为合金钢。一般按与碳亲和力的大小,可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下两种: (1) 非碳化物形成元素:Ni、Co、Cu、Si,它们不和碳形成碳化物,而溶于铁素体和奥氏体中,形成合金铁素体和合金奥氏体;Al、N、B则以非金属夹杂物和金属间化合物的形式存在。,(2) 碳化物形成元素:Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,它们中的一部分溶于铸件和奥氏体中,另一部分与碳形成碳化物。 合金元素对钢的组织和性能产生很大影响,在钢中的作用也是非常复杂的,下面仅简述其最基本的几方面作用。,1合金元素对
6、基本相的影响 (1) 溶于铁素体,具有固溶强化作用。除铅外,大多数合金元素都能溶于铁素体,形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径不同而造成铁素体的晶格畸变。另外,合金元素易分布于位错线附近,对位错线的移动起牵制作用,降低位错的易动性,从而提高变抗力,产生固溶强化,使铁素体的强度和硬度提高,而塑性和韧性下降。 (2) 形成合金碳化物。碳化物是钢中的重要相之一,碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物,其晶体结构与渗碳体相同,但比渗碳体略稳定,硬度也略高,可表达为(Fe,Me)3C,Me代表合金元素。
7、,当钢中的合金元素含量超过一定限度时,可以生成一些碳钢中没有的新相,其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的合金碳化物,例如与碳亲和力强的钒、铌、锆和钛等元素,与碳原子结合形成特殊碳化物如TiC、VC、NbC、WC等。合金碳化物比合金渗碳体的稳定性更高,熔点和硬度也更高。合金碳化物加热时很难溶于奥氏体中,回火时加热到较高温度才能从奥氏体中析出并聚集,长大也较慢。,2合金元素对金属材料性能的影响 合金元素的加入对钢的性能有很大的影响,主要表现在: (1) 细化组织,提高机械性能。由于几乎所有的合金元素(除锰以外)都能减缓钢的奥氏体化过程、阻止奥氏体晶粒的长大,因此与相应的碳钢相比,在同样的加热条件
8、下,合金钢的组织较细,机械性能更高。 (2) 提高淬透性,减小零件的淬火变形和开裂倾向。对于大多数合金元素(除钴以外),当它们溶解于奥氏体中以后,都能提高过冷奥氏体的稳定性,使C曲线位置右移,临界冷却速度减小,从而提高钢的淬透性。因此,对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火介质淬火,如采用油淬,以减小零件的淬火变形和开裂倾向。,(3) 提高了回火稳定性,能产生二次硬化,并防止第二类回火脆性。合金元素在回火过程中,由于合金元素的阻碍作用,提高了钢对回火软化的抗力,即提高了钢的回火稳定性。含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回火加热时,由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体
9、转变为马氏体,使钢的硬度不仅不下降,反而升高,这种现象称为二次硬化。在钢中加入W、Mo可防止第二类回火脆性,这对于需调质处理后使用的大型工件有重要意义。,1.2 钢的分类和编号 1.2.1 钢的分类 钢的种类很多,为了便于生产、使用和研究,可以按照化学成分、质量、钢的冶炼方法、金相组织及用途进行分类。如按化学成分分类,可将钢分为碳素钢和合金钢;按钢的质量分类,可将钢分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢;按钢的冶炼所用炼钢炉分类,可将钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢;按钢的脱氧方法和脱氧程度分类,可将钢分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢;按钢的退火组织分类,可将钢分为亚共析钢、共析钢和过
10、共析钢;按钢的正火组织分类,可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢。,按钢的使用用途分类,则钢的种类如下:,1.2.2 钢的编号 世界各国都根据国情制定了科学而简明的钢铁分类表示方法,通常采用“牌号”和“统一数字代号”的方法来具体表示钢的品种。,1钢的牌号 根据国家标准GB/T 2212000钢铁产品牌号表示方法的规定,我国钢的牌号一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法来表示。通过牌号能大致了解钢的类别、成分、冶金质量、性能特点、热处理要求和用途等。 采用汉语拼音字母表示钢的名称、用途、特性和工艺方法时,一般选取代表性名称的汉字的汉语拼音的第一
11、个字母。采用汉语拼音字母表示时,原则上只取一个,一般不超过两个汉语拼音。我国各类钢的编号方法如表2-1所示。,表2-1 各类钢的编号方法,2钢的统一数字代号 为了适应现代物流数据处理设备的存储和检索需要,国家编制了专门的国家标准规定了统一数字代号体系,以固定的6位符号结构形式,统一了钢的所有产品牌号的表示形式,对原有符号较复杂冗长的牌号进行简化,便于生产、储存及使用。 根据国家标准GB/T 176161998钢铁及合金牌号统一数字代号体系的规定,钢的统一数字代号由固定的6位符号组成,左边第一位用大写的拉丁字母作前缀,后接5位阿拉伯数字,如U20652表示65钢,A11602代表钢60Si2Mn
12、。每一个统一数字代号只适用于一个产品牌号;反之,每一个产品牌号只对应于一个统一数字代号。,统一数字代号的结构形式中,左边第一位为大写拉丁字母,代表不同的钢铁及合金类型。例如,合金结构钢用字母“A”,轴承钢用字母“B”,铸铁、铸钢及铸造合金用字母“C”,低合金钢用字母“L”,工具钢用字母“U”,等等。 统一数字代号的结构形式中第一位阿拉伯数字代表各类型钢铁及合金细分类,第二、三、四、五位阿拉伯数字代表不同分类的编组和统一编组内的不同牌号的区别顺序号。,1.3 结 构 钢 结构钢按用途可分为工程用钢和机器用钢两大类。工程用钢主要用于各种工程结构,包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢,这类钢冶炼简便、
13、成本低、用量大,一般不进行热处理;而机器用钢大多采用优质碳素结构钢和合金结构钢,它们一般都要经过热处理以后才可使用。,1.3.1 一般工程结构钢 1普通碳素结构钢 普通碳素结构钢含碳量低(0.06%0.38%),硫、磷含量较高。大部分用于工程结构,小部分用于机械零件。 这类钢通常在热轧、空冷状态下使用,其塑性高,可焊性好,使用状态下的组织为铁素体加珠光体。碳素结构钢常以热轧板、带、棒及型钢使用,用量约占钢材总量的70%,适合于锻造、焊接、铆接、栓接等。碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见表2-2和表2-3。较常用的牌号是Q235。,表2-2 普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能 (
14、摘自GB/T 7002006),普通碳素结构钢一般不再进行热处理,只需保证力学性能及工艺性能即可。对于某些小型零件,也可进行正火、调质、渗碳等热处理工艺,以提高其使用性能。,表2-3 碳素结构钢的性能特点及用途,2. 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上,加入少量合金元素发展起来的。其含碳量一般小于0.2%,主加合金元素为Mn,也加入少量的V、Ti、Nb等元素。 低合金高强度结构钢的性能特点是:强度显著高于相同含碳量的普通碳素结构钢,屈服强度在300 MPa以上,从而可降低结构自重、节约钢材;具有足够的塑性、韧性;具有良好的焊接性能和冷成型性能;具有良好的耐蚀性和低的冷脆转
15、变温度。这类钢大多在热轧状态下使用,不需要进行专门的热处理。有时考虑到零件加工特点,也可在正火及淬火加回火状态下使用。这类钢的牌号、化学成分和力学性能见表2-4。,表2-4 低合金高强度结构钢的牌号、化学成分和力学性能(摘自GB/T 15912008),常用低合金高强度结构钢的牌号有Q345、Q390、Q420、Q500、Q550、Q620、Q690等,其中Q345(16Mn)钢是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢,其综合性能好。例如,我国南京长江大桥、内燃机车车体、万吨巨轮及压力容器、载重汽车大梁等都采用Q345钢制造。 1.3.2 优质结构钢 1优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的硫、磷的
16、质量分数小于或等于0.035%,力学性能优于普通碳素结构钢,广泛用于制造较重要的机械零件。较典型的牌号是45钢。较高含锰量的优质碳素结构钢可制作尺寸稍大或强度要求略高的零件。优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表2-5。,表2-5 常用优质碳素结构钢的牌号、化学成分及正火后的 力学性能(摘自GB/T 6991999),08F、10F、15F钢的含碳量低,塑性好,焊接性能好。其中,08F、10F属沸腾钢,成本低,塑性好,主要用于制造冲压件和焊接件,如壳、盖、罩等;15F主要用于制造钣金件。 15、20、25钢属于渗碳钢。其强度低,但塑性和韧性较高,冷冲压性与焊接性能良好,常用于受力不大,而
17、韧性、塑性要求较高的零件,如焊接容器、螺钉、杆件、轴套、垫圈、螺母等,还可用作冲压件及焊接件。这类钢如果经渗碳、淬火 + 低温回火后,表面硬度可达60 HRC以上,耐磨性好,而心部具有一定的强度和韧性,可用来制作轴、销等零件。,30、35、40、45、50、55钢属中碳钢,可用作调质钢,多用于正火、调质状态下,具有良好的综合力学性能,主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件,如齿轮、连杆及轴类零件。这类钢在机械制造中应用最广泛,其中以45钢应用最广泛。 60、65、75、60Mn、65Mn、70Mn钢属于弹簧钢,具有较高的强度、硬度、弹性和耐磨性,经淬火+中温回火后可获得高的规定非比例伸长
18、应力,主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件如农机耐磨件、钢轨、钢丝绳等。其中65钢是最常用的弹簧钢。 优质碳素结构钢含有较少的有害杂质,使用前一般要经过热处理以提高力学性能。,2碳素铸钢 在生产中,有些机械零件,例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等,因受力复杂,形状也复杂,难以用锻压方法成型,若采用铸铁铸造则不能满足力学性能要求,因此常采用铸钢来生产。碳素铸钢中含碳量为0.15%0.60%碳的质量分数过高则塑性差,易产生裂纹。 一般工程用铸钢件的牌号、化学成分及力学性能见表2-6。 (1) ZG200400:具有良好的塑性、韧性和焊接性能,常用于受力不大,要求韧性好的各种机械零件,如机壳、
19、变速箱等。,表2-6 碳素铸钢的牌号、化学成分及力学性能 (摘自GB 56761985),(2) ZG230450:具有一定的强度和较好的塑性、韧性,焊接性能良好,切削加工性尚好,常用于受力不大,要求韧性较好的各种机械零件,如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体等。 (3) ZG270500:有较高的强度和较好的塑性,铸造性能良好,焊接性能尚好,切削加工性能好,常用于轧钢机机架、轴承盖、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮、蒸汽锤等。 (4) ZG310570:强度和切削加工性能良好,塑性和韧性较低,常用于制作承受载荷较高的各种机械零件,如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等。 (5) ZG340640:具有高的强
20、度、硬度和耐磨性,切削加工性中等,焊接性能较差,流动性好,裂纹敏感性较大,常用于起重运输机的齿轮、联轴器等。,3合金结构钢 1) 渗碳钢 渗碳钢是经渗碳后使用的钢种,主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件,如汽车、拖拉机的变速齿轮,内燃机凸轮轴、活塞销等。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理及力学性能见表2-7。 渗碳钢的使用性能要求为表面具有高硬度和高耐磨性,心部具有足够的韧性和强度并具有良好的热处理工艺性能,如高的淬透性和渗碳能力等。,为保证渗碳件心部有足够的塑性和韧性,渗碳钢的含碳量一般为0.1%0.25%,合金元素以Cr、Mn、Ni、B等为主加元素,辅加元素为W、M
21、o、V、Ti等。渗碳件一般的工艺路线为:下料锻造正火机加工渗碳淬火 + 低温回火磨削。 根据淬透性不同,可将渗碳钢分为以下三类: (1) 低淬透性渗碳钢:典型钢种如20、20Cr等,其淬透性和心部强度均较低,水中淬火临界直径不超过20 mm35 mm,只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件,如小轴、小齿轮、活塞销等。,(2) 中淬透性渗碳钢:典型钢种如20CrMnTi等,其淬透性较高,力学性能和工艺性能良好,大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件,如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。 (3) 高淬透性渗碳钢:典型钢种如18Cr2Ni4WA等,具有良好的韧性,主要用于制造大截面、高载荷的重
22、要耐磨件,如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。 2) 调质钢 调质钢是指调质处理后使用的钢种,主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其他机器的各种重要零件,如齿轮、连杆、螺栓、轴类件等。常用调质钢的牌号、化学成分、热处理及力学性能见表2-8。,调质钢一般具有良好的综合力学性能,即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性,并具有良好的淬透性。调质钢含碳量为0.25%0.50%。合金元素以Mn、Si、Cr、Ni、B为主加元素,辅加元素为W、Mo、V等。调质件一般的工艺路线为:下料锻造退火粗机加工调质(半精加工表面淬火 + 低温回火)精加工。 根据淬透性不同,可将调质钢分为以下三类: (1) 低淬透性调质钢
23、:这类钢的油中淬火临界直径为30 mm40 mm,常用钢种为45、40Cr等,常用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。,(2) 中淬透性调质钢:这类钢的油中淬火临界直径为40 mm60 mm,常用钢种为40CrNi,常用于制造截面较大的零件,如曲轴、连杆等。 (3) 高淬透性调质钢:这类钢的油中淬火临界直径为60 mm大多含有Ni、Cr等元素,为了防止回火脆性,钢中还加入Mo元素。常用钢种为40CrNiMo,常用于制造大截面、重载荷的零件,如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。,3) 弹簧钢 弹簧钢主要用于制造各种弹簧或类似性能的结构件。常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途见表2-9
24、。 弹簧是利用弹性变形来储存能量或缓和振动和冲击的零件。因此,要求弹簧钢具有高的弹性极限和高的屈强比,以保证承受大的弹性变形和较高的载荷;具有高的疲劳强度,以承受交变载荷的作用;具有足够的塑性和韧性。通常情况下,碳素弹簧钢的含碳量为0.6%0.9%,合金弹簧钢的含碳量为0.45%0.7%。合金元素以Si、Mn为主加元素,辅加元素为Cr、V、W等。,对于钢丝直径小于10 mm的弹簧的加工,通过冷拔(或冷拉)和冷卷成型。冷卷后的弹簧不必进行淬火处理,只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理。钢丝的直径越小,则强化效果越好,强度越高,强度极限可达1600 MPa以上,而且表面质量很好。 对于热成型
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