1、第五章第五章常用結(jié)構材料簡介常用結(jié)構材料簡介金屬材料金屬材料金屬材料簡介金屬材料簡介鋼鐵碳素鋼合金鋼金屬材料黑色金屬材料有色金屬材料灰口鑄鐵球墨鑄鐵白口鑄鐵Cu、 Al、TiTi、Mg合金碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼碳素工具鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼鑄造碳鋼碳素鋼成分成分(GB/T 13304-91)(GB/T 13304-91)合金元素CrMnMoNiSiTiWV最大含量wt.0.301.000.050.300.500.050.100.04按成分分類按成分分類低碳鋼中碳鋼高碳鋼普通質(zhì)量鋼優(yōu)質(zhì)鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼wc0.25%wc0.25-0.60%wc0.60%wS0.050%wP0.

2、045%wS0.035%wP0.035%wS0.020%wP0.030%按用途分類按用途分類碳素鋼碳素鋼碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼碳素工具鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼鑄造碳鋼碳素結(jié)構鋼牌號：-b脫氧方法：沸騰鋼；b半鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量等級：、屈屈服點s主要牌號及應用牌號Q195Q215Q235Q255Q275主要應用舉例受載荷較小的鋼絲、開口銷、釘子、拉桿、焊接件鉚釘、短軸、拉桿、墊圈、滲碳件、焊接件連桿、螺栓、螺母、軸類支架、角鋼、槽鋼、工字鋼、圓鋼、焊接件軸類、吊鉤、型鋼軸、齒輪wc0.06-0.38%常用熱處理：一般不熱處理，直接使用碳素鋼碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼碳素工具

3、鋼鑄造碳鋼鋼合金鋼Q235-AF AQ235-AF A級沸騰鋼級沸騰鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼牌號：45平均含碳量的萬分數(shù)。數(shù)字后加F表示沸騰鋼 加Mn表示含Mn量較高。主要牌號、性能及應用牌號08F、1015、20 、25（碳素滲碳鋼）30、35 、40 、45 、50（碳素調(diào)質(zhì)鋼）55、60 、65 、65Mn（碳素彈簧鋼）性能特點強度低、塑性好強度較低、塑性韌性較好滲碳后獲得表面硬度高、心部韌性好的零件強度、塑性、韌性配合較好經(jīng)調(diào)質(zhì)后可獲得優(yōu)良的綜合力學性能強度高、塑性低淬火中溫回火處理后有較好的彈性應用舉例冷沖壓件、焊接件負載不大的軸、銷、齒輪、墊片及滲碳件軸類、齒輪、緊固件、要求不高的表面淬火

4、件簡單的耐磨件、簡單的彈簧、鋼絲繩等wc0.05-0.75%常用熱處理：正火、調(diào)質(zhì)、淬火、回火、滲碳碳素鋼碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼隨含C量提高，強度增大，塑性降低性能調(diào)節(jié)方法：滲碳、回火鋼合金鋼碳素工具鋼牌號：T10A碳平均含碳量的千分數(shù)。數(shù)字后加A表示高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼wc0.65-1.35%常用熱處理：球化退火、淬火、低溫回火主要牌號：T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13性能特點：熱處理后，硬度、耐磨性高；塑性、韌性低；淬透性差主要應用：小截面刃具、模具碳素鋼碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼碳素工具鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼鋼

5、合金鋼T8MnAT8MnA，含，含C%=0.8%C%=0.8%、含、含MnMn、高級、高級P P、S S含量低于一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼含量低于一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼鑄造碳鋼牌號：ZG200-400鑄鋼sbwc0.15-0.60%主要牌號：ZG200-400, ZG230-450, ZG270-500, ZG310-570, ZG340-640主要應用：形狀復雜、力學性能要求高、鑄鐵難以滿足的零件碳素鋼碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼碳素工具鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼鋼合金鋼合金鋼主要合金元素Al、Co、Si、Cu、Mo、Ni、Cr、Mn合金元素的主要作用細化晶粒細化晶粒固溶強化（形成合金滲碳

6、體或特殊碳化物）固溶強化（形成合金滲碳體或特殊碳化物）提高淬透性提高淬透性提高回火穩(wěn)定性提高回火穩(wěn)定性獲得室溫奧氏體（奧氏體不銹鋼）獲得室溫奧氏體（奧氏體不銹鋼）合金鋼調(diào)質(zhì)鋼機器結(jié)構鋼工程結(jié)構鋼滲碳鋼滲碳鋼合金結(jié)構鋼合金工具鋼合金工具鋼低合金結(jié)構鋼鍋爐用鋼造船用鋼刃具鋼彈簧鋼彈簧鋼軸承鋼軸承鋼易切削鋼耐候鋼模具鋼量具鋼高強度鋼耐蝕鋼耐熱鋼特殊性能鋼特殊性能鋼耐磨鋼碳素鋼鋼合金鋼工程結(jié)構鋼成分特點 低含碳量（wc0.2%） 根據(jù)不同要求添加合金 元素，總量3%用途建筑、船舶、橋梁、運輸工具、高壓容器、軍工性能要求 一定的綜合力學性能和屈強比 良好的壓力加工和焊接性能 耐侯性和耐冷脆性級別300M

7、Pa350MPa400MPa450MPa500MPa650MPa牌號12Mn09MnNb16Mn12MnPRe16MnNb 10MnNbRe 14MnVTiRe 15MnVN14MnMoVBRe18MnMoNb 14CrMnMoVB用途船舶、低壓鍋爐、容器、油罐橋梁、車輛船舶、橋梁、車輛、大型容器、大型鋼結(jié)構、起重機械建筑結(jié)構、船舶、化工容器橋梁、起重機港口工程結(jié)構、造船、石油井架橋梁、高壓容器、電站設備、大型船舶大型焊接結(jié)構、大橋、造船、車輛中溫高壓容器(500C)鍋爐、化工、石油的高壓厚壁容器(1.0%時不標注。高速鋼不標注含碳量合金結(jié)構鋼合金工具鋼合金工具鋼特殊性能鋼碳素鋼鋼合金鋼刃具鋼

8、刃具鋼模具鋼模具鋼量具鋼量具鋼工具鋼金相T7(碳素工具鋼)經(jīng)球化退火高速鋼 鑄態(tài)特殊性能鋼超高強度鋼耐磨鋼易削鋼耐熱鋼耐蝕鋼性能要求 高強度 合適的塑性 高疲勞強度 一定的沖擊韌性和斷裂韌性 承受嚴重沖擊和摩擦 良好切削性 熱強性 抗氧化性 耐腐蝕主要種類或成分特點低合金中碳馬氏體型碳馬氏體型中合金低碳馬氏體型碳馬氏體型中合金中碳二次硬化型碳二次硬化型高合金超低碳馬氏體時效鋼超低碳馬氏體時效鋼高錳高錳鑄鋼(受沖擊后表面產(chǎn)生加工硬化)提高提高S S、P P含量含量加S、Se、Te等改變改變非金屬夾雜物的組成非金屬夾雜物的組成加Pb形成金屬夾雜形成金屬夾雜奧氏體奧氏體耐熱鋼鐵素體鐵素體耐熱鋼馬氏體

9、馬氏體耐熱鋼珠光體珠光體耐熱鋼奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼馬氏體不銹鋼主要鋼種舉例30CrMnSiNi2A40Cr5MoSiV1(H13)25Si2Mn2CrNiMoVANi25Ti2AlNbZGMn8ZGMn13Y12、Y20、Y40Mn、YP40、Y35S、Y40CrS、YP12CrNi, YP30CrMo1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr131Cr11MoV1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr13, 2Cr133Cr13, 4Cr13合金結(jié)構鋼合金工具鋼合金工具鋼高強度鋼耐蝕鋼耐熱鋼特殊性能鋼特殊性能鋼耐磨鋼碳素鋼鋼合金鋼易切削鋼不銹鋼金相不銹鋼金相奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼馬氏

10、體不銹鋼鑄鐵分類、特點及應用分類成分 /wt.%組 織性 能應 用牌 號灰口鑄鐵C: 2.5-4.0Si: 1.0-3.0Mn: 0.5-1.2S: 0.15P: 0.12 抗拉強度低、 壓縮強度高 塑性、韌性低 減摩、減震性好 缺口敏感性好機床床身，發(fā)動機缸體，箱體，閥體，泵體等HT100HT150HT200HT250HT300HT350球墨鑄鐵C: 3.6-3.9Si: 2.0-2.8Mn:0.3-0.6S: 0.07P: 0.10 具有灰鐵基本性能 抗拉強度高、 屈服強度高 有一定塑性、韌性 疲勞強度較高曲軸，連桿，凸輪軸，飛輪，機器底座，汽缸等QT400-18QT450-10QT500

11、-7QT700-2QT900-2蠕墨鑄鐵C: 3.5-3.9Si: 2.2-2.8Mn:0.4-0.8S: 0.10P: 50% 在6501000范圍內(nèi)圍內(nèi)具有較較高的強度和良好的抗氧氧化、抗燃氣氣腐蝕蝕能力 鈷基超耐熱合金鈷基超耐熱合金: : 受限于鈷資源的短缺受限于鈷資源的短缺 含鈷鈷量4065的奧奧氏體高溫溫合金 在7301100下 ，具有一定的高溫溫 強度、良好的抗熱熱腐蝕蝕和抗氧氧化能力。超耐熱合金的分類超低溫對材料的特殊要求超低溫對材料的特殊要求常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍低溫低溫沸點沸點天然氣：天然氣：-163-163液液 氮：氮：-195

12、.8-195.8液液 氫：氫：-253-253液液 氦：氦：-269-269超低溫合金1. 1. 防止低溫脆性防止低溫脆性2. 2. 需要具備低溫下的熱性能需要具備低溫下的熱性能低溫溫合金膨脹脹系數(shù)盡數(shù)盡可能小3. 3. 必須是非磁性合金必須是非磁性合金超低溫溫技術術多在磁場場下利用帶帶有磁性的合金，在構構件中就會會由于產(chǎn)產(chǎn)生電電磁力的作用而造成對對磁場場的不良影響響超低溫材料的要求超低溫合金的研究超低溫合金的研究 高錳奧氏體鋼高錳奧氏體鋼專門開發(fā)的超低溫合金。專門開發(fā)的超低溫合金。 即使在液氦溫度下也具有良好的強度和延伸率即使在液氦溫度下也具有良好的強度和延伸率 熱膨脹系數(shù)特別小熱膨脹系數(shù)特

13、別小 缺點：機械加工性不佳，耐沖擊性也較差。缺點：機械加工性不佳，耐沖擊性也較差。 鐵錳鋁新合金鋼鐵錳鋁新合金鋼把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁取代而制得取代而制得 低溫下強度、韌性都十分優(yōu)異低溫下強度、韌性都十分優(yōu)異 常溫下良好的加工性。常溫下良好的加工性。超塑性合金超塑性合金現(xiàn)象金屬在某一小的應力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚金屬在某一小的應力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。57超塑性的概念一般說來，如果材料的延伸率超過一般說來，如果材料的延

14、伸率超過100100，就，就可稱為超塑性。凡具有能超過可稱為超塑性。凡具有能超過100100延伸率的延伸率的材料，則稱之為超塑性材料。現(xiàn)代已知的超塑材料，則稱之為超塑性材料。現(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過性材料之延伸率最大可超過10001000，有的甚至，有的甚至可達可達20002000 58 納米銅的室溫超塑性59在不同溫度下在不同溫度下ZnAlZnAl2222的拉伸變形的拉伸變形(250(250時延率時延率) )%108360Bi-44SnBi-44Sn擠壓材料在慢擠壓材料在慢速拉伸下出現(xiàn)異常大的速拉伸下出現(xiàn)異常大的延伸率延伸率%1950超塑性合金類別 合金種類：合金種類： 鋅鋅基

15、合金：巨大的無頸縮頸縮延伸率；低蠕變變強度，沖壓壓加工性能差，不適宜做結(jié)構結(jié)構材料，用于不需切削的簡簡單單零件 鋁鋁基合金：綜綜合力學學性能較較差，室溫溫脆性大 鎳鎳基合金 超塑性鋼鋼 鈦鈦基合金實用超塑性合金1 1、鋅合金：、鋅合金：是最早的超塑性合金，其蠕變強度低，難是最早的超塑性合金，其蠕變強度低，難于加工成板材，沖壓加工性能差，不宜作結(jié)構材料于加工成板材，沖壓加工性能差，不宜作結(jié)構材料. .用于一般不需切用于一般不需切削的簡單零件。削的簡單零件。如如 Zn-22Al 的成的成型溫度為型溫度為 250 -270，壓力為，壓力為0.39-1.37 MPa。Zn-22Al合金的超塑性拉伸試樣

16、合金的超塑性拉伸試樣2 2、鋁合金：、鋁合金：超塑性鋁合金可加工成復雜形狀部件，強超塑性鋁合金可加工成復雜形狀部件，強度可達度可達686 MPa686 MPa，使用溫度可達，使用溫度可達150150。如。如Al-6Cu-Al-6Cu-0.42Zr0.42Zr、Al-5Ca-5ZnAl-5Ca-5Zn等超塑性溫度為等超塑性溫度為300-600300-600，在，在3 31010-2-2/ /秒的應變速率下可達秒的應變速率下可達408%408%變形率。變形率。 超塑性變超塑性變形形Al-Li合金件合金件傳統(tǒng)方式變傳統(tǒng)方式變形鋁合金件形鋁合金件3 3、鎳合金：、鎳合金：鎳基高溫合金由于高溫強度高，難

17、以鍛鎳基高溫合金由于高溫強度高，難以鍛造成型。利用超塑性作精密鍛造，鍛造壓力小，造成型。利用超塑性作精密鍛造，鍛造壓力小，節(jié)約材料和加工費，制品均勻性好。節(jié)約材料和加工費，制品均勻性好。與葉片一體的渦輪盤的超塑性成型與葉片一體的渦輪盤的超塑性成型(快快速凝固粉末的熱擠壓坯料兩步成型速凝固粉末的熱擠壓坯料兩步成型)4 4、超塑性鋼超塑性鋼: : 將超塑性用于鋼方面，還未完全達到商品將超塑性用于鋼方面，還未完全達到商品化程度。近年來研究的化程度。近年來研究的IN-744YIN-744Y超塑性不銹鋼，具有超塑性不銹鋼，具有鐵素體和奧氏體兩相細晶組織，如果把含碳量控制在鐵素體和奧氏體兩相細晶組織，如果

18、把含碳量控制在0.03%, 0.03%, 可產(chǎn)生幾倍的伸長率可產(chǎn)生幾倍的伸長率。碳素鋼的超塑性基礎研碳素鋼的超塑性基礎研究正在進行究正在進行, , 其中含碳其中含碳1.25%1.25%的碳鋼在的碳鋼在650-700650-700的的加工溫度下加工溫度下, , 取得取得400%400%的伸長率。的伸長率。 超高碳鋼的超塑性變形（變形量超高碳鋼的超塑性變形（變形量1100%）5 5、超塑性鈦合金：、超塑性鈦合金：以以Ti-6Al-4VTi-6Al-4V為代表，其伸長率可為代表，其伸長率可達達2000%2000%。 高變形能力的應用高變形能力的應用 超塑性加工可制備復雜備復雜零件，成型零件尺寸精度高

19、。 缺點是加工速度慢，效率低固相粘結(jié)能力的應用固相粘結(jié)能力的應用 超塑性合金與另一金屬壓合時，其微細晶?？梢皂樌靥畛苄院辖鹋c另一金屬壓合時，其微細晶?？梢皂樌靥畛錆M微小凸起的空間，使兩種材料間的粘結(jié)能力大大提高。充滿微小凸起的空間，使兩種材料間的粘結(jié)能力大大提高。 利用這一點可軋合多層材料、包復材料和制造各種復合材利用這一點可軋合多層材料、包復材料和制造各種復合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料料，獲得多種優(yōu)良性能的材料減振能力的應用減振能力的應用- - 合金在超塑性溫溫度下具有使振動動迅速衰減減的性質(zhì)質(zhì)，因此可將將超塑性合金直接制成零件以滿滿足不同溫溫度下的減減振需要。超塑性合金的應用超超塑

20、塑性性成成形形實實例例輪胎架輪胎架裝飾用人工石面裝飾用人工石面國外國外SPF/DB制品制品F-15E機身在機身在SPF/DB前后的比較前后的比較 SPF/DB Provided Part Reduction 726 Part SPF/DB Provided Part Reduction 726 Part Details Eliminated 10,000 Fewer FastnersDetails Eliminated 10,000 Fewer Fastners前前后后 氫能：氫能： - 除核燃料外發(fā)熱值最高的，是汽油的3倍，焦炭的4.5倍 - 燃燒產(chǎn)物最干凈 - 來源豐富，若能從水中制取氫，

21、取之不盡用之不竭。 儲氫合金 氫能使用的問題：氫能使用的問題：儲存和運輸。儲氫技術室氫能利用走上實用化，規(guī)模化的關鍵。 傳統(tǒng)儲氫方法：傳統(tǒng)儲氫方法： - 高壓鋼瓶(氫氣瓶）。缺點：儲存氫氣容積小，還有爆炸危險 - 儲存液態(tài)氫，將氣態(tài)氫降到-253C。缺點：儲存箱體積龐大，需要極好的絕熱裝置。氫氣儲存與儲氫合金氫氣儲存與儲氫合金儲氫合金儲氫合金在一定的溫度和氫氣壓力下，可在一定的溫度和氫氣壓力下，可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料儲氫合金 儲氫合金的單位體積儲氫密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍一個金屬原子能與兩個、三個甚至更多的氫原子結(jié)合，生

22、成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時放出熱量。將其稍稍加熱，氫化物又會發(fā)生分解，將吸收的氫釋放出來，同時吸收熱量。儲氫原理22H2H )MHMH2xxQ 放熱（吸入）吸熱（放出合金的吸氫反應機理H2傳質(zhì)化學吸附氫的解離H22Had表面遷移吸附的氫轉(zhuǎn)化為吸收氫Had Habs 氫在相的稀固溶體中擴散 相轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠铮ㄏ啵〩abs() Habs()氫在相中擴散。氫原子在合金晶格中形成固溶體儲氫合金種類 稀土系儲氫合金：最好的儲氫合金，應用最為廣泛。 最典型的LaNi5。 鈦系儲氫合金：具有儲氫容量高，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，是目前研究開發(fā)熱點。eg: TiMn, TiCr, TiFe 鎂系儲氫合金：密度小，儲氫容量

23、高，價格低廉。 eg: Mg2Ni貯氫容器貯氫容器 重量輕、體積小重量輕、體積小氫以金氫以金屬氫化物形式存在于貯氫合屬氫化物形式存在于貯氫合金之中，密度比相同濕度、金之中，密度比相同濕度、壓力條件下的氣態(tài)氫大壓力條件下的氣態(tài)氫大10001000倍；倍；節(jié)省能量，安全可靠節(jié)省能量，安全可靠用用貯氫合金貯氫，無需高壓及貯氫合金貯氫，無需高壓及貯存液氫的極低溫設備和絕貯存液氫的極低溫設備和絕熱措施，安全性能好，無爆熱措施，安全性能好，無爆炸危險炸危險Application 貯氫容器貯氫容器 貯氫合金制作的貯氫裝置Example在高壓容器中裝入貯氫合金的在高壓容器中裝入貯氫合金的“混合貯氫容器混合貯氫容器”混合貯氫容器混合貯氫容器中國首座為燃料電池汽車服務的加氫站是上海安亭國際汽車城。 安亭加氫站主要為使用燃料電池的轎車和公交車提供壓縮氫氣。氫燃料電池車的尾氣排放幾乎為零，能顯著改善城市空氣質(zhì)量。非晶態(tài)金屬材料 （金屬玻璃） 非晶態(tài)非晶態(tài)是指原子呈長程無序的狀態(tài)。具是指原子呈長程無序的狀態(tài)。具有非晶態(tài)結(jié)構的合金稱為有非晶態(tài)結(jié)構的合金稱為非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金，非晶態(tài)，非晶態(tài)合金又稱合金又稱金屬玻璃金屬玻璃 被稱為被稱為“魔鬼金屬魔鬼金屬”非晶態(tài)金屬是對高溫金屬熔體以每秒10萬攝氏度的超急冷方法使其凝固而來不及