金属材料是最重要的工程材料。它具有良好的强度、硬度、韧性、耐磨性和可加工性等机械性能,因而是在工程材料尤其是机械工程材料中应用最为广泛的基本材料。
金属材料是指以金属键来表征其特性的材料。它包括纯金属和以金属为主的合金。最简单的金属材料是纯金属。合金是在一种金属元素的基础上,加入其它元素组成的具有金属特性的新材料。合金往往比纯金属具有更好的机械性能和工艺性能,成本较低,因此,制造机械零件大都采用合金,很少采用纯金属。工业上将金属及其合金分为两大类:黑色金属和有色金属。黑色金属是指铁和以铁为基本元素的合金,如钢、铸铁和铁合金等。有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金,如铝、铜、钛、镁及其合金等。黑色金属因其性能优越、价格便宜而应用广泛,占整个结构材料和工具材料的90%以上。
本章将重点介绍金属材料的机械性能及其有关理论、热处理和常用金属材料及选材。
(第一节)常用金属材料
一、钢及合金
钢中除含有铁和碳两种基本元素外,还有硅、锰、硫、磷等杂质。其中硫和磷在一定温度下,使钢的脆性增加,强度大幅度下降,直接影响钢质量的提高,是钢中的有害元素,必须严格控制其含量。硅和锰是有益元素,能提高钢的强度和硬度,但塑性和韧性有所下降。锰还能减轻硫的有害作用。钢的种类繁多,可按不同方法分类,我国国家标准中基本上是按用途、质量和元素含量的综合方法分类命名的。钢分碳素钢和合金钢。碳素钢又分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、碳素铸钢;合金钢又分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能合金钢。下面将分别介绍。
1.碳素钢
(1)普通碳素结构钢
普通碳素结构钢的冶炼方法简单,价格便宜,广泛应用于建筑、桥梁、船舶、车辆等金属结构,也用于制造普通的机械零件,如螺钉、螺栓、螺母、垫圈、短轴等。普通碳素结构钢按使用要求不同分为甲、乙、丙(特)三类。
①甲类钢——这类钢按保证机械性能供应。其牌号用A加数字1~7表示,如A2,A3等,随着数字的增加,钢的强度增加而塑性降低。这类钢是热轧状态供应,一般不进行热处理,可根据需要直接选用。
②乙类钢——这类钢按保证化学成分供应。其牌号用B加数字1~7表示,如B2,B3等,随着数字的增加,钢的含碳量增加。这类钢使用时要根据化学成分进行锻造和热处理,机械性能将提高。
③丙类钢——这类钢既保证机械性能又保证化学成分。其牌号用C加数字2~5表示。这类钢的使用,目前常被优质碳素结构钢代替。
(2)优质碳素结构钢
优质碳素结构钢既保证机械性能又保证化学成分,钢中有害杂质含量低,故广泛用于制造较重要的机械零件。其牌号用两位代表钢中平均含碳量(以0.01%为单位)的数字表示,有08,10,15,20,……85。例如,45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。
如果优质碳素结构钢的含锰量高于0.8%,则在两位数字后附以Mn,如45Mn等。
(3)碳素工具钢
工具的耐磨性要求较高,因此碳素工具钢的含碳量均在0.7%以上,通常需进行淬火及低温回火。碳素工具钢的牌号用T加代表钢中平均含碳量(以0.1%为单位)的数字表示,如T7,T8……T13。如果是高级优质碳素工具钢,则在数字后附以A,如T7A等。
(4)碳素铸钢
大型重载的齿轮类零件无法锻压成型,铸铁的强度低,可采用铸钢件。碳素铸钢的含碳量一般在0.15%~0.60%之间。其牌号是在优质碳素结构钢牌号前加上ZG,有ZGl5,ZG25,ZG35,ZG45和ZG55。碳素铸钢按质量可分为I(高级优质)、Ⅱ(优质)和Ⅲ(普通)级,相应的硫、磷含量分别不大于0.04%,0.05%和0.06%,质量级别附在牌号之后,如ZG35 I,但Ⅲ级可省略不注。
2.合金钢
合金钢是在炼钢时特意加入一定数量的Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Ti等合金元素所形成的。它比碳素钢具有较高的强度、韧性和某些特殊性能。为充分发挥合金元素的作用,合金钢一般都要进行热处理。
(1)合构结构钢
这类钢的牌号用“平均含碳量(以0.01%为单位)+化学元素+合金元素平均含量”表示。合金元素平均含量,以1%为单位,当含量<1.5%时不注,当含量>1.5%,2.5%……时,相应以2、3……表示。如40Cr表示平均含碳量为0.40%、含铬量小于1.5%的铬钢。
(2)合金工具钢
合金工具钢的牌号与合金结构钢相似,其区别是:钢中平均含碳量>l%时不注,<1%时用前面的一位数字注出,以0.1%为单位,但高速钢平均含碳量<1%时也注出。
(3)特殊性能合金钢
这是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等一些具有特殊化学、物理性能的钢,用于制造有特殊要求的重要零件,其常用的牌号有1Cr3,15CrMo,ZGMn3等。
表4.1列出若干常用钢材的机械性能和用途,供参考。
表4.1常用钢材的机械性能和用途牌号热处理(MPa)(MPa)d(%)用途举例A3供应状态(热轧)380~47026螺钉、螺栓、螺母、垫斟、轴套、心轴等16Mn供应状态(热轧)52021起重机臂架、汽车大梁、桥梁、船舶、建筑结构20正火渗碳、淬火及低温叫火420500~600250280~3502518轴、滚子、不重要的齿轮20CrMnTi渗碳、淬火及低温叫火110085010汽车、拖拉机的变速齿轮、凸轮ZG25正火及去应力退火45024020轴承盖、阀门、履带支架35正火调质5405803204002022轮轴、拉杆、E轮35SiMrl调质90075015可代替40Cr40Cr调质10008009主轴、连杆螺栓、进气阀、齿轮45正火调质6107003605001617主轴、曲轴、齿轮、柱塞ZG55正火及去应力退火65035011减速器齿轮、联轴器65正火710—12010截面<12~15mm的小弹簧65Mn正火7504409截而<25mm的各种螺旋、板弹簧及其它弹性零件二、铸铁铸铁是含碳量大于2.14%的铁碳合金。与钢相比,铸铁中含碳、硅较高,含杂质元素硫、磷较多。按照碳在铸铁中存在的形式、形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁。白口铸铁的性能脆而硬,难以机械加工,很少用于制造机械零件,仅用于制造强度要求不高的耐磨机件和工具,如磨球、轧棍、犁铧等。可锻铸铁的机械性能强于灰口铸铁,但由于生产周期长、工艺复杂,已逐渐被球墨铸铁所代替。下面就生产上常用的灰口铸铁和球墨铸铁作一介绍。
1.灰口铸铁
灰口铸铁(也称灰铸铁)因断口呈灰色而得名。其中的碳全部或大部以片状石墨形式存在,承受拉伸载荷时,沿石墨端部易形成裂纹,故灰口铸铁的抗拉强度很低,不能锻造,但其抗压强度与钢接近。片状石墨对震动的传递有削弱作用,所以铸铁有良好的减振性。由于石墨的润滑及断屑作用,灰铸铁的切削性能很好。灰铸铁牌号由HT和数字组成,三位数字表示最低抗拉强度σb值。如HT250表示σb>250 MPa的灰铸铁。
热处理只能改变基体组织,不能消除片状石墨的有害作用,对提高灰铸铁的机械性能效果不大。灰铸铁常用的热处理方法有:去应力退火(又称人工时效),以消除内应力,防止铸件变形;软化退火,消除白口。改善切削加工性能;表面淬火,提高铸件的表面硬度和耐磨性。铸铁具有一定的强度和韧性,有良好的减振性、耐磨性、耐蚀性以及良好的工艺性能,价格低廉,制作方便,因此在工业中使用广泛。可用于制造强度、韧性要求不高,有良好的减振性、耐磨性的零件,甚至较重要的零件。
2.球墨铸铁
球墨铸铁是在灰铸铁成分的铁水中加入球化剂(纯镁或稀土镁合金等)和墨化剂(硅铁等)制成的。球墨铸铁中石墨呈球状,使基体组织的割裂程度大为减弱,基体强度的利用率可达70%~90%,故球墨铸铁的强度、塑性和韧性远远超过灰铸铁,并兼有钢的高强度和灰铸铁的优良铸铁性能,目前已成功地代替了铸钢件、锻钢件和可锻铸铁,用于制造受力复杂、机械性能要求高的零件。球墨铸铁牌号由QT和两组数字组成,前一组数字表示最低抗拉强度%(按1/10折算),后一组数字表示最低延伸率6。如QT70—2表示σb=700,6=2的球墨铸铁。
球墨铸铁可进行退火、正火、调质和等温淬火等热处理,以改变基体组织,并显著提高其机械性能。如牌号就是经等温淬火获得的超高强度球墨铸铁。
在球罨铸铁和灰铸铁中加入一些合金元素Cr,Ni,Mo,Cu,Al,Si,P等,可制成耐热、耐磨和耐蚀等的特合金铸铁。
三、有色金属
与黑色金属材料相比,有色金属及其合金有许多如导电、导热、耐蚀、重量轻等特殊的机械、物理和化学性能,在各行业应用广泛。但有色金属一般价格昂贵,需要满足特殊需要时才采用。常用的有色金属有铝、铜、钛及其合金,下面作简要介绍。
1.铝及其合金