瀟湘職業學院汽車工程分院

作者：袁攀才

汽

車

材

料第二章

鋼

鐵

材

料教學要求1.了解金屬的晶體結構及鋼鐵材的組織結構。2.掌握鋼鐵材料的分類、牌號、成分、性能和用途。3.熟悉常用的熱處理方法及應用。第一節金屬的晶體結構第一節金屬晶體結構

一金屬晶體結構：1.晶體與非晶體：凡是內部原子或分子，按照一定幾何規律作周期性的重復排列的物質稱為晶體。凡是內部原子或分子呈無規律堆積的物質稱為非晶體。2.晶體的特點：1）具有規則的外形2）具有固定的熔點3）具有各向異性4）晶體和非晶體差異很大3.金屬的晶體類型1）金屬的晶格2)常見的晶體類型4.單晶體與多晶體面心立方晶格二、合金的晶體結構鋼鐵材料合金的基本知識1.合金的基本知識合金：組元：合金系：相：組織由兩個或兩個以上組元按不同比配制成一系列不同成分的合金稱合金系合金中具有同一聚集狀態、同一結構和性質的均勻組成部分稱為相用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨特微觀形貌特征的部分稱為組織組成合金最基本的獨立物質稱為鉭元合金由液態結晶為固態時，一組元溶解在另一組元中形成均勻的固相稱為固溶體2.合金的組織固溶體金屬化合物混合物三、金屬的結晶1.純金屬的結晶過程：在恒溫下進行，過冷度是理論結晶溫度與實際結晶溫度之間的溫度。2.晶粒大小及控制：墊1）金屬晶粒越細小，其強度越高，塑性、韌性越好；反之越差。2）細化晶粒的方法：形核率越高，長大速度越慢，則結晶后的晶粒越細a.增加過泠度b.變質處理c.振動處理3.合金的結晶4.金屬的同素異構轉變

課題二鐵碳合金基本組織與性能碳溶于α-Fe中形成的固溶體珠光體由鐵素體和滲碳體組成的片層狀的混合物用P表示菜氏體Ld奧氏體和滲碳體的混仺物用符號Ld表示碳溶于r-Fe中形成固溶體奧氏體AFe3C鐵碳化仺物,晶體結構復雜滲碳體鐵素體Fαα二、鐵碳合金相圖添加文本添加文本添加文本添加文本文本文本文本文本文本文本文本文本1.鐵碳合金相圖的組成2.Fe-Fe3C相圖中特性點、線的含義及各區域內的組織（1）其特點：1）共晶點C2）共析點S（2）主要特性線1）液相線ACD線2)固相線AECF線3)GS線4)ES線→三、鐵碳合金的分類1.純鐵：Wc≤0.0218％2.鋼:0.0218％﹤Wc≤2.11％:1)亞共析鋼:0.0218﹤Wc﹤0.77％2)共析鋼Wc=0.77％3)過共析鋼0.77％﹤Wc≤2.11％3.白囗鑄鐵:1)亞共晶白口鑄鐵:2.11％﹤wc﹤0.77％2)共晶白囗鑄鐵Wc=0.77％3)過共晶白囗鑄鐵:4.3％﹤wc﹤6.69％四、鐵碳合金的成分、組織與性能的關系：鐵碳合金隨含碳量的不同，其組織順序為F→F+P→P→P+Fe3C+Ld→Ld+Fe3C1.其中珠光體和低溫萊氏體由鐵素體和滲碳體組成.含碳量越高,鐵素體數量越少,鋼的強度和硬度越高,而塑性、韌性越低四、鐵碳合金的成分、組織與性能的關系：鐵碳合金隨含碳量的不同，其組織順序為F→F+P→P→P+Fe3C+Ld→Ld+Fe3C1.其中珠光體和低溫萊氏體由鐵素體和滲碳體組成.含碳量越高,鐵素體數量越少,鋼的強度和硬度越高,而塑性、韌性越低課題三碳素鋼碳素鋼是指碳的質量分數Wc≤2.11％的鐵碳合金,具有冶煉方便、加工容易、價格低廉、工藝性能好、力學性能能夠滿足一般工程和機械制造的使用要求特點一、碳素鋼的成分1.錳（Mn）：作為少量常存元素存在時，一般不超過1.00％,有益元素.2.硅（Si）:硅作為雜質一般不應超過0.4％,有益元素.3.硫(S):有害元素,含S量應低于0.05％.4.磷(P):有害元素,含P量應低于0.045％.二、碳素鋼的分類1.按含C量分碳素鋼的分類:含碳量分低碳素鋼：Wc小于0.25中碳素鋼：Wc=0.25-0.6高碳素鋼：Wc％％﹥0.6％碳素鋼的分類:含雜質質量分普通鋼：Ws小于等于0.055優質鋼：Ws、Wp高級優質鋼：Ws、Wp均％≦0.04％≦0.03％碳素鋼分類碳素鋼分類:按用途分碳素結構鋼(中、低)制造工程構件機械零件碳素工具鋼(高)制造各種工具碳素鋼分類按脫氧程度分沸騰鋼鎮靜鋼半鎮靜鋼三碳素鋼的牌號和用途1.普通碳素結構鋼：（1）.普通碳素結構鋼牌號：1）屈服點字母：Q2)屈服點強度數值:單位力MPa3)質量等級符號:A、B、C、D級4)脫氧方法符號:F一沸騰鋼、Z一鎮靜鋼、TZ一特殊鎮靜鋼(2)常用普通碳素結構鋼牌號、化學成分和力學性能（3）普通碳素結構鋼的應用（4）常用普通碳素結構鋼在汽車上的應用常用普通碳素結構鋼在汽車上的應用牌號應用傳動軸中間軸承、發動機支架、后視鏡支架、發動機油底殼加強板Q235A機油濾清器法蘭、發動機連接板、前鋼板彈簧夾箍、后視鏡支架Q235AF同步器錐盤、差速器螺栓鎖片、駐車制動器操縱桿棘爪和齒板Q235B2.優質碳素結構鋼有害雜質及非金屬夾雜物的含量較少化學成份控制嚴格塑性、較韌性好（1）優質碳素結構鋼的牌號。45鋼Wc=0.45％.Wc﹥0.6％;W=0.9~1.2％Mn(2)常用優質碳素結構鋼的牌號、化學成份(3)常用優質碳結構鋼的應用08F鋼主要用作冷變形鋼15、20鋼是一般的表面滲碳鋼，用于制造軸套、擋塊、磨擦片等而磨零件40、45、50鋼屬于調質鋼，主要用于制造齒輪、絲杠、連桿和各種軸類零件65~85鋼則屬于彈簧鋼（4）常用優質碳結構鋼汽車上的應用08152035455065Mn汽車外売、油底殼螺栓螺母

杠桿、風扇葉片齒輪、半軸螺栓錐形套曲軸、鎖銷、分離叉離合叢動盤彈簧牌號3.碳素工具鋼碳素工具鋼的平均碳的質量分數Wc=0.7~1.3％,屬于高碳素鋼,以保證淬火以后有足夠的硬度和耐磨性.主要用于造刀具、量具和模具要S、P等雜質的含量特別低,經精煉的優質鋼(1)碳素工具鋼的牌號:T+數字（2）常用碳素工具鋼的牌號和成分（3）常用碳素工具鋼性能和用途常用碳素工具鋼的牌號和化學成分T7MnPSiSC0.65-0.741≦0.40≦0.35≦0.0300.035≥~T8、T8Mn、T9、T10、T11T12、T13只是C含量不同，其中T8MnMn在0.40-0.60之間4.鑄鋼（鑄造碳素鋼）（1）鑄鋼的牌號：ZG和兩組數字組成,前一組數字表示鑄件的屈服強度的最底值,后一組數字表示鑄件的抗拉強度的最底值（2）常用鑄鋼的成分、力學性能（3）常用鑄鋼在汽車上的應用常用鑄鋼在汽車上的應用機油管法蘭、化油器活接頭、車門限制器的限制塊ZG270-500進排氣歧管壓板、風扇過渡法蘭、前減振器下支架、變速叉、起動爪ZG310-570齒輪、棘輪ZG340-640課題四鋼的熱處理工藝簡介一、熱處理的基礎知識熱處理是改善金屬材料使用性能和工藝性能的一種非常重要的工藝方法，是強化金屬材料，提高產品質量和使用壽命的主要途徑之一。1.熱處理的概念：對固態的金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。2.熱處理的工藝過程：加熱保溫冷卻二、鋼在加熱和冷卻時的組織轉變1.鋼在加熱和冷卻時的相變溫度加熱時鋼的轉變溫度要高于平衡狀態下的臨界點冷卻時鋼的轉變溫度要低于平衡狀態下的臨界點升高和降低的幅度隨加熱和冷卻的速度增加而增大2.鋼加熱時奧氏體的形成3.奧氏體冷卻時的組織轉變三、常用熱處理方法1.退火：把工件加熱到適當的溫度，保溫一定時間后隨爐降溫而緩慢冷卻的熱處理方法。完全退火球化退火去應力退火2.正火：將鋼件加熱到轉變為完全奧氏體，保溫一定時間后，在空氣中冷卻得到細片狀珠光體組織的熱處理工藝。正火的主要應用范圍：一般結構件的最終熱處理改善亞共析鋼的切削加工性能消除或減少共析鋼中二次滲碳體組織，為球化退火做準備對某些大型或形狀復雜的零件，當淬火有開裂危險時可用正火代替淬火、回火處理3.淬火是將工件加熱到Ac1或Ac3以上30~50℃并保溫一定的時間,然后快冷以獲得馬氏體組織.淬火三要素:加熱溫度、保溫時間和冷卻速度（介質：水、油）常用淬火方法單液淬火。將奧氏體的工件浸入到一種淬火冷卻介質中連續冷卻到室溫的淬火工藝雙液淬火。將奧氏體的工件浸入冷卻能力較強的介質中，冷卻到適當溫度，再立即轉入另一種冷卻能力較弱的介質中，使之發生馬氏體轉變的淬火工藝分級淬火。將奧氏體的工件浸入溫度稍高于Ms點附近的鹽浴中并保溫適當時間待工件內外層都達到介質溫度后出爐空冷以獲得馬氏體組織的淬火工藝等溫淬火。將奧氏體的工件浸入溫度在Ms點的鹽浴或堿浴中并保持足夠時間，使其發生下貝氏體轉變后取出空冷的淬火工藝回火：是將淬火后的鋼加熱到奧氏體轉變溫度以下某一溫度，保溫后冷卻下來的一種熱處理工藝。可以分為：1.低溫回火（150~250℃）2.中溫回火(350~500℃)3.高溫回火(500~650℃)表面淬火:(外硬內韌)火焰淬火、感應淬火、接觸電阻加熱淬火、激光淬火化學熱處理鋼的化學熱處理、概念將金屬制件放在特定的活性介質中，加熱保溫使一種或幾種元素滲入它的表層，改變其表面的化學成分和組織，以達到改變表面性能，滿足技術要求的熱處理工藝總稱。簡單說是向鋼的表面滲入某種元素的熱處理工藝。注意：化學熱處理既改變表面的化學成分，又改變其組織。2、目的獲得單一材料難以獲得的性能或進一步提高制件的使用性能。3、分類以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。命名方法見表。4、作用：強化表面：表面硬度，耐磨性，疲勞極限，多次沖擊韌性的提高。如滲碳、滲氮等。保護工件表面：提高工件的物理化學性能，耐高溫，耐腐蝕。如滲氮等。5、特點：最有效地改善鋼件表面的化學成分，組織和性能，而且這種改善是由表面向心部逐漸過渡，滲層與基體的結合是牢固的。不受工件外形的限制，表面都可以獲得分布均勻的滲層和淬硬層。經化學熱處理后的工件大部分具有變形小，精度高，尺寸穩定性好等特點。大部分化學熱處理，在提高表面機械性能的同時還可以提高表面的耐腐蝕性，抗氧化，減磨，抗咬合，耐熱等。基本原理一、化學熱處理的基本過程通過界面反應滲劑分解，產生被滲元素的活性原子；活性原子被表面吸附；活性原子由工件表面向內部擴散。例如：滲碳時：CH4＝2H2+[C]滲氮時：2NH3=3H2＋2[N]1、滲劑分解滲劑一般由含有被滲元素的物質組成，有時加入一定量的催滲劑，催化滲劑分解反應。滲劑必須具有一定活性。滲劑活性：在相界面反應中易于分解出被滲元素原子的能力。催化劑：是促進含有被滲元素的物質分解或產生出活性原子的物質。例如：滲碳時除木炭外加碳酸鋇或碳酸鈉界面反應鋼的化學熱處理1、滲劑分解滲劑例如：滲碳時除木炭外加碳酸鋇或碳一般由含有被滲元素的物質組成，有時加入一定量的催滲劑，催化滲劑分解反應。滲劑必須具有一定活性。滲劑活性：在相界面反應中易于分解出被滲元素原子的能力。催化劑：是促進含有被滲元素的物質分解或產生出活性原子的物質。酸鈉鋼的化學熱處理界面反應鋼的化學熱處理化學熱處理時滲劑分解出被滲元素活性原子的反應有：1）分解反應：如普通氣體滲碳、滲氮時，2）置換反應：滲金屬時，3）還原反應：如滲金屬時，鋼的化學熱處理2、吸附過程及影響因素固體表面對氣相的吸附作用按其作用力的性質不同可分為物理吸附和化學吸附兩類。1）物理吸附：沒有電子轉移和化學鍵生成的吸附現象。這種吸附能迅速達到平衡，并在較低溫度下發生。溫度升高時吸附量下降，溫度下降時吸附量又增加。2）化學吸附：當氣體（吸附質）與金屬表面（吸附劑）接觸時二者以高速發生反應形成化學鍵，即發生電子交換，組成離子鍵結合或共價鍵結合叫化學吸附。化學吸附在低溫時速度較小，隨溫度升高明顯增大，這種吸附可以使分子解離。鋼的化學熱處理

（2）影響滲層深度的因素：滲層指在鋼的表面滲入某種元素后，從表面向內保持該元素較高濃度的距離。20MnSi930℃滲碳10h后硬度鋼的化學熱處理1)滲層深度與擴散時間的關系說明滲層深度δ與時間t呈拋物線關系；即延長化學熱處理時間，相鄰區域的濃度差減小，擴散速度逐漸降低；隨時間延長，擴散濃度的增加值也越來越少（先快后慢）。鋼的化學熱處理2）滲層深度與溫度的關系

滲層深度與溫度呈指數關系，因而溫度對深度的影響，遠比時間的影響強。3）表面濃度愈高，相同擴散時間條件下，滲層深度愈深。鋼的化學熱處理3、化學熱處理的擴散過程擴散指金屬表面溶入被滲元素后，該元素濃度增加，形成濃度差，發生遷移現象。（1）純擴散與反應擴散純擴散指滲入元素原子在母相金屬中形成固溶體,在擴散過程中不發生相變或化合物的形成和分解。純擴散常發生在化學熱處理的初期，或滲劑的活性不足以形成飽和濃度的場合。如滲碳。反應擴散指通過擴散使固溶體溶質組元的濃度超過固溶度極限而形成新相的過程。鋼的化學熱處理（3）擴散層的組織結構擴散層的組織結構可以根據基體金屬與滲入元素的合金狀態圖及擴散條件來確定。加速化學熱處理過程的途徑1、物理催滲法概念：是利用改變溫度、氣壓，或利用特定的物理場（等離子場、真空、高頻、電磁場等），加速滲劑的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速滲入元素的擴散等。基本方法：A)高溫化學熱處理；B)高壓或負壓化學熱處理；C)高頻化學熱處理；D)采用彈性振蕩加速。鋼的滲碳一、滲碳的概述概念：向鋼件表面滲入碳原子（元素）的工藝。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，而心部保持良好的塑性與韌性。20MnSi930℃滲碳10h后硬度分類：按滲碳介質狀態不同，分為固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳。以氣體滲碳應用最廣泛。滲碳的材料

含碳量為0.1－0.25％的低碳鋼或合金鋼。如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。一、滲碳方法1、固體滲碳（1）概念：將工件放入填充固體滲碳劑的密封箱中，在一定溫度下加熱保溫進行滲碳的工藝。（2）固體滲碳劑組成主要由兩類物質組成:提供活性碳原子的供碳劑（木炭、焦炭）催滲劑，如碳酸鋇，碳酸鈉（3）滲碳工藝滲碳溫度：900～930℃；（含Ti、V、W、Mo的鋼，950～980℃）。保溫時間:每小時滲0.1mm;生產中常用試棒來檢驗滲碳效果，滲碳時間應通過試驗進行修正。（4）特點優點：不需專門設備，工藝簡單，適宜單件或小批量生產。缺點：加熱時間長，生產率低，勞動條件差，滲碳層深度以及質量不易控制零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱固體滲碳示意圖2、液體滲碳（1）概念：工件在一定溫度下的含碳活性鹽浴中加熱保溫進行滲碳的工藝。（2）特點：優點：加熱速度快，加熱均勻，滲碳后直接淬火；缺點：多數鹽浴