黑色金属材料课件.ppt
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1、黑色金属材料,金属材料是最重要的工程材料,工业上将金属及其合金分为两大类型:,黑色金属铁和铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金);占工业用材的95。,有色金属除黑色金属以外的所有金属及其合金;仅占工业用材的5。,碳钢和铸铁是现代汽车工业生产中使用最广泛的金属材料,它主要由铁和碳两种元素组成的合金。因此,要掌握碳钢和铸铁的性能及用途,首先要了解铁碳合金相图。,铁碳合金相图(FeFe3C),纯铁(含碳00.0218 ),铸铁(含碳2.116.69),碳钢(含碳0.02182.11),纯铁熔点(1538),Fe3C,A,渗碳体熔点(1227),共晶点(1148),碳在Fe中的最大溶解度(1148),共析线
2、,渗碳体(含碳6.69),G,纯铁的同素异晶转变点(912),碳在Fe中的最大溶解度(727),共析点(727 ),第一节 铸铁,含碳量在2.116.69的铁碳合金称为铸铁。,铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能以及减震性、耐磨性,铸铁生产工艺简单、成本低,应用广泛。特别是球墨铸铁和合金铸铁的应用,提高了铸铁的机械性能,形成了以铁代钢的趋势。,在汽车上,约5070的金属材料为铸铁。如气缸体、气缸盖、活塞环、变速箱外壳、后桥壳等等。,一、铸铁的石墨化,影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形式、形态、大小和分布。铸铁中碳的存在形式有两种:,1、化合状态的渗碳体(Fe3C) 如果铸铁中碳几乎全
3、部以渗碳体形式存在,其断口呈银白色,则称为白口铸铁。其性能硬而脆,(硬度达HB800,塑性和韧度几乎等于零)很难进行切削加工,因此,工业上很少用它来制造机械零件,主要用作可锻铸铁的毛坯。,2、游离状态的石墨(常用G来表示) 石墨很软强度极低,如果铸铁中碳主要以石墨形式存在,则其断口呈暗灰色,俗称灰口铸铁。它是机械制造中应用最多的一种铸铁。分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。,二、影响石墨化的因素:,影响铸铁石墨化的因素主要是铸铁的化学成分和冷却速度。,1、化学成分的影响主要是碳、硅、硫、磷、锰等元素含量多少的影响。,2、冷却速度的影响主要是指铁水从浇注冷却到600左右的冷却速度,冷却速
4、度越小,越有利于石墨化。,三、铸铁的组织特征和分类,根据碳的存在形式,铸铁分为下列几种:,1、白口铸铁 白口铸铁中碳全部或大部分以化合物渗碳体的形式存在,其断口呈银白色。性能硬而脆,很难切削加工,一般用来炼钢,又叫炼钢生铁,也可经热处理后变为可锻铸铁使用。铸铁要成为白口,除化学成分有要求外,还和冷却速度有关。如EQ1091发动机中的气门挺杆,为了得到表层的高硬度和耐磨性,常用激冷的方法使表层获得白口铸铁的组织而心部由于冷却速度较慢仍为灰口铸铁组织。,2、灰口铸铁 灰口铸铁中的碳绝大部分以片状石墨形式存在,其断口呈暗灰色而称之为灰口铸铁。它是工业中应用最广泛的一种铸铁,有一定的机械性能和良好的切
5、削加工性能。,3、可锻铸铁 可锻铸铁是经白口铸铁长时间的退火处理而成的。其碳以团絮状石墨形式存在。其塑性和韧度比灰口铸铁好,主要用于要求韧度较好的薄壁类零件。,4、球墨铸铁 碳以球状石墨形态存在,故称为球墨铸铁。它的强度、韧度比灰口铸铁、可锻铸铁高,可替代钢材制造某些重要的机械零件。,5、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是在灰铸铁的铁水中加入蠕化剂(镁钛合金等)和孕育剂(硅铁)进行蠕化孕育处理后,得到具有蠕虫状石墨的铸铁。,四、铸铁的成分、牌号及在汽车上的应用:,1、灰铸铁:,成分:含碳2.83.6、含硅1.12.5、含锰0.61.2、含硫小于或等于0.15、含磷小于或等于0.5。,牌号:由HT和一组数字组
6、成。其中HT为灰铸铁的代号,代号后面的数字表示其抗拉强度值b(MPa) 。如HT150表示抗拉强度为150MPa的灰铸铁。,应用举例:,2、球墨铸铁:,成分:成分:含碳3.84.0、含硅2.02.8、含锰0.60.8、含硫小于或等于0.04、含磷小于或等于0.1含镁0.030.05、含稀土小于或等于0.05。,牌号:由QT和两组数字组成。其中QT为球墨铸铁的代号,代号后面的两组数字分别表示其抗拉强度b(MPa)和伸长率() 。如QT45010表示抗拉强度为450MPa、伸长率为10的球墨铸铁。,应用举例:,3、可锻铸铁:,成分:含碳2.22.8、含硅1.22.0、含锰0.61.2、含硫小于或等
7、于0.2、含磷小于或等于0.1。,牌号:由KTH(或KTZ、KTB)和两组数字组成。其中KT为可锻铸铁的代号,H表示黑心可锻铸铁,Z表示珠光体可锻铸铁,B表示白心可锻铸铁,代号后面的两组数字分别表示其抗拉强度b(MPa)和伸长率()。如KTH37012表示抗拉强度为370MPa、伸长率为12的黑心可锻铸铁。,应用举例:,4、蠕墨铸铁:,成分:含碳3.73.9、含硅2.02.8、含锰0.30.6、含硫小于或等于0.025、含磷小于或等于0.06、含钛0.080.20、含镁0.0150.03、含稀土小于或等于0.01,牌号:由RuT和一组数字组成。其中RuT为蠕墨铸铁的代号,代号后面的数字表示其抗
8、拉强度b(MPa)。如RuT300表示抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。,应用举例:,5、合金铸铁:,在灰口铸铁和球墨铸铁中加入一定量的合金元素后的铸铁称为合金铸铁。加入合金后可使铸铁具有耐热、耐酸或耐磨的特殊性能。,耐热铸铁:为了提高铸铁的耐热性,可在球墨铸铁中加入铝、硅、铬等元素,使铸铁表层形成一层致密的氧化保护膜(如Al2O3、SiO2、CrO3),这类铸铁叫耐热铸铁,用于制造进、排气门及排气管密封环等。,耐磨铸铁:把灰口铸铁的含磷量提高到0.40.6,再加入Cr、W、Cu、Ti等合金元素构成合金高磷铸铁。它的强度、韧度和耐磨性都较高。这类铸铁叫那么铸铁。现代汽车的气缸套和活塞环一般用耐
9、磨合金铸铁制造。,耐蚀铸铁:在灰口铸铁中加入Si、Al、Cr、Ni等元素可得到耐蚀铸铁。加入合金元素的目的是提高铸铁基体的电位,并使表面形成一层致密的保护性氧化膜。耐蚀铸铁分高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁等。其中广泛应用的是高硅耐蚀铸铁,它的含硅量为1418。这种铸铁在酸性介质中的耐蚀性很好。为了提高其在碱性介质中的耐蚀性,可加入6.58.5的Cu;为了提高它的机械性能,可加入微量的硼元素和进行球化处理。,高强度铸铁:在稀土镁球墨铸铁中加入Cu、Mo等合金元素,能提高铸铁的强度和硬度,可得到高强度合金铸铁。可用于柴油机曲轴、连杆及主轴承盖等。经等温淬火后可替代18CrMnTi制造变速
10、器齿轮。,应用举例:,第二节 碳素钢,碳素钢又称碳钢,通常指含碳量小于2.11的铁碳合金。实际使用的碳钢,其含碳量一般不超过1.4。,一、碳钢中常存元素对钢性能的影响:,在实际生产中使用的碳钢不单纯是铁碳合金,还包含有一些杂质元素,(硅、锰、硫、磷等),它们对碳钢的性能有一定的影响。,1、硅(Si): 在碳钢中,硅的含量一般小于0.4。硅能溶于铁素体,具有强化作用(可使钢致密,提高强度和硬度)。同时也会降低钢的韧度和塑性。当含量较小时,其影响并不明显。,2、锰(Mn):,在碳钢中,锰的含量一般为0.250.8。锰大部分溶于铁素体形成置换固溶体。因此具有固溶强化作用;锰与硫结合可形成高熔点(16
11、20)的MnS,从而消除硫的有害作用(热脆性)。锰还能提高钢的强度。但当锰的含量较小时,其作用并不明显。,3、硫(S):,硫在钢中常以FeS的形式存在,而FeS与Fe形成熔点较低(985)的共晶体,当钢加热到10001200进行热加工时FeS共晶体已经熔化,这将造成钢材在热加工过程中开裂,使钢材变得极脆,这种现象称为热脆性。 硫对钢的焊接有不良影响,会导致焊缝的热裂现象;在焊接过程中,硫易于氧化而形成SO2气体,使焊缝中产生气孔。因此,须严格控制硫的含量。,4、磷(P):,室温下,钢中的磷全部溶于铁素体中,能使钢的强度、硬度增加,但也使其室温特别是低温时塑性和韧度大大下降,这种现象称为冷脆性(
12、易产生脆裂)。因此,应严格控制磷的含量。 但磷的冷脆性也可利用,如在炮弹钢中加入较多的磷,可使炮弹爆炸时的碎片增多,提高杀伤力。,二、碳钢的分类:,1、按含碳量分:低碳钢(含碳量小于或等于0.25);中碳钢(含碳量为0.250.60);高碳钢(含碳量大于0.60)。,2、按材质(主要根据硫、磷的含量)分:,普通钢(含硫小于0.055、含磷小于0.045);优质钢(含硫小于0.040、含磷小于0.040);高级优质钢(含硫小于0.030、含磷小于0.035);特级优质钢(含硫小于0.025、含磷小于0.030)。,3、按用途分:,碳素结构钢:用于制造各种机器零件和工程结构件。多为低碳钢和中碳钢;
13、碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具和模具。多为高碳钢。,4、按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。,5、按炼钢的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,三、碳钢的编号、性能及用途:,1、普通碳素结构钢:,根据国家标准(GB70088),碳素结构钢的牌号和化学成分如下表所示。这类钢主要保证机械性能,一般用于制造要求不高的零部件,故其牌号性能体现机械性能。,牌号:用Q数字表示。其中“Q”屈服点“屈”字的汉语拼音字首,数字表示屈服强度值。例如:Q275表示屈服强度为275MPa。若牌号后面标注字母A、B、C、D,则表示钢材质量等级不同,即磷、硫含量不同。其中A级钢硫、磷含量最高,D级硫、磷含量最低。
14、若牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢,标注“b”为半镇静钢,不标注“F”或“b”者则为镇静钢。例如Q235AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q235C表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢,、化学成分及力学性能:,、应用举例:,2、优质碳素结构钢:,优质碳素结构钢中所含的有害杂质元素(S、P等)和非金属夹杂物较少,机械性能和钢材的表面质量较好,其组织也较均匀。 此类钢主要应用于经过热处理且技术性能要求较高的零件。 根据其化学成分不同,优质碳素结构钢又分为普通含锰量钢和较高含锰量钢两类。,牌号:普通含锰量优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。两位数字代表钢中平均含碳量的百分数。例如:45表
15、示平均含碳量为0.45的普通含锰量的优质碳素结构钢。 较高含锰量优质碳素结构钢的牌号为两位数字后面附以Mn(锰元素符号)。例如:45Mn表示平均含碳量为0.45的较高含锰量优质碳素结构钢。,、化学成分及力学性能:,3、应用举例:,课后作业:P19第4、5题补充题:简述碳钢的分类。 简述普通碳素结构钢和优质碳素结构钢的牌号。举例说明碳素钢在汽车上的应用。,05级汽车材料中考试卷,一、填空题:(每小题2分,共20分)1、金属材料的机械性能包括弹性、 、 、 、 和疲劳强度等。2、金属材料强度的衡量指标主要有 、 。3、金属的化学性能主要有 、 。4、金属材料在在外力作用下发生 ,而不造成 的能力称
16、为塑性。5、金属材料在冷热加工过程中,所表现出来的性能称工艺性能。它包括 性能、 性能、 性能、热处理性能和 性能。6、铸铁具有优良的 、 、切削加工性,且价格低廉。7、碳素钢含碳量低于 ,并含有少量硅、锰、硫、磷等元素。,强度,塑性,硬度,冲击韧性,屈服强度,抗拉强度,耐腐蚀性,热安定性,永久变形,损坏断裂,铸造,锻造,焊接,切削加工,铸造性,耐磨性,2.11,8、常用的合金铸铁有 铸铁、耐蚀铸铁、 铸铁和高强度铸铁。9、可锻铸铁是将 经高温长时间退火而获得的。10、普通碳素结构钢的牌号由 组成。二、选择题:(每小题2分,共10分)1、发动机的气门在高温下工作,则要求它有良好的( )。A、耐
17、磨性, B、热安定性, C、韧性, D、硬度。2、铸铁从受拉到断裂只有极小的( )。A、弹性变形, B、屈服变形, C、塑性变形, D、颈缩变形。3、汽车发动机气门弹簧工作时,其变形是( )。A、刚性变形, B 、永久变形, C、塑性变形, D、弹性变形。4、中碳钢的含碳量为( )。A、0.200.50 B、0.200.60 C、0.250.50 D、0.250.60。5、决定钢的机械性能最主要的指标是( )。A、硫, B、碳, C、磷、 D、氧。,耐热,耐磨,白口铸铁,Q数字,B,C,D,D,B,三、判断题:(每小题2分,共10分)1、导热性好的金属其散热性也好。 ( )2、金属材料在外力作
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