機(jī)械基礎(chǔ)復(fù)習(xí)資料教案：第四章金屬材料和熱處理.doc

1、第四章金屬材料和熱處理本章重點(diǎn)1 .掌握：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度的含義。2 . 了解：工藝性能的含義。3 . 了解：熱處理的概念及目的。4 .熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面熱處理的方法。5 .掌握：碳素鋼的概念、分類(lèi)、牌號(hào)的表示方法及性能。6 .掌握：合金鋼的牌號(hào)及表示方法。7 .熟悉：鑄鐵分類(lèi)牌號(hào)及用途。本章內(nèi)容提要一.金屬材料的性能1 .物理、化學(xué)性能物理性能是指金屬材料的密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等具有物理特 征的一些性能。化學(xué)性能是指金屬在化學(xué)作用下所表現(xiàn)的性能。如：耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。2 .金屬材料的機(jī)械性能金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性

2、能就是力學(xué)性能。主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌 性和疲勞強(qiáng)度等。(1)強(qiáng)度強(qiáng)度是材料在靜載荷作用下抵抗變形和破壞的能力?？煞譃榭估瓘?qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪 強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。常用的強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度。工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)是屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。(2)塑性塑性是金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生永久變形的能力。常用塑性指標(biāo)是伸長(zhǎng)率和斷面收S LLo 100%縮率。伸長(zhǎng)率：是指試樣拉斷后的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。式中，L0表示試樣原長(zhǎng)度(mm), Li表示試樣拉斷時(shí)的長(zhǎng)度(mm)。斷面收縮率：是指試樣拉斷后，縮頸處橫截面積(Ai)的最大縮減量與原始橫截面積 (Ao) 的百分比。(3)硬度硬度是金屬材料表面抵抗比它更硬的物體

3、壓入時(shí)所引起的塑性變形能力；是金屬表面局 部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破裂的能力。目前最常用的硬度是布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB、HRA)和維氏硬度(HV )。(4)韌性韌性是脆性的反意，指金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。工程技術(shù)上常用一次沖擊彎曲試 驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬抵抗沖擊載荷的能力。(5)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度是指材料在無(wú)限多次交變載荷作用下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。一般規(guī)定，鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取108 ，有色金屬取107。3 金屬材料的工藝性能是指它是否易于加工成優(yōu)良的機(jī)械零件或零件毛坯的性能。 根據(jù)金屬材料加工工藝的不同，可分為鑄造性、焊接性、鍛壓性、切削加工性。二鋼的熱處理人們常常利用加熱

4、、保溫和冷卻，有意識(shí)地改善鋼的組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。工業(yè)生產(chǎn)中熱處理工藝分為：普通熱處，即退火、正火、淬火、回火，俗稱(chēng)“四把火”表面熱處理，包括表面淬火（感應(yīng)加熱淬火、火焰淬火） 、化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、碳氮共滲） 。1 . 退火是將鋼加熱到一定溫度保溫以后，隨爐緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝。其主要目的是降低硬度，提高塑性，細(xì)化或均勻組織成分，消除內(nèi)應(yīng)力。常用的退火有去應(yīng)力退火、完全退火和球化退火。2 .正火將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋３忠欢〞r(shí)間后出爐空冷的熱處理工藝。其目的是調(diào)整硬度，改善切削加工性； 細(xì)化晶粒， 均勻組織； 消除網(wǎng)狀碳化物， 為球化退火或最終熱處理作準(zhǔn)備。正

5、火和退火相比，正火的冷卻速度快，所得組織更細(xì)密，強(qiáng)度硬度較高。3 .淬火是將鋼加熱到一定溫度保溫后，快速泠卻，以取得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高硬度、強(qiáng)度和耐磨性，淬火后必須配以適當(dāng)回火。淬火是在冷卻液中進(jìn)行冷卻，理想的淬火冷卻液應(yīng)該保證工件在650500c快速冷卻，而在300200c慢速冷卻。常見(jiàn)冷卻方法有單液、雙液、分級(jí)和等溫淬火。淬火工藝應(yīng)區(qū)分兩個(gè)概念：淬硬性和淬透性。淬火的缺陷：硬度不足和軟點(diǎn)、過(guò)熱與過(guò)燒、變形和裂紋、氧化和脫碳。4 . 回火是將淬火后的工件重新加熱到低于727的溫度，保溫冷卻的熱處理工藝。回火常是工件最終的熱處理，淬火+回火是強(qiáng)化鋼材的一個(gè)完整過(guò)程。其目的

6、：消除淬火應(yīng)力與脆性，穩(wěn)定淬火組織，并獲得較高的機(jī)械性能。按回火溫度不同分：低溫回火（150250C）、中溫回火（350500C）、高溫回火（500650C）。淬火后的高溫回火也稱(chēng)為調(diào)質(zhì)，在軸類(lèi)零件、齒輪應(yīng)用很多，可獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。5 .表面熱處理只僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝，以獲得“表硬心韌”的力學(xué)性能。常用的表面熱處理方法有表面淬火和化學(xué)熱處理兩種。保溫三.鋼鐵材料鋼鐵材料是鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱(chēng)。鋼是以鐵為主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。鑄鐵是碳含量大于 2.11%的鐵碳合金。含碳量 2.11%通常是鋼和鑄鐵的分界線(xiàn)。根據(jù)化學(xué)成分，鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合

7、金鋼。（一）碳素鋼碳素鋼也稱(chēng)碳鋼，使用最為普遍。它的主要成分是鐵和碳，此外還有硫、磷、鎰、硅。1 .分類(lèi)r 低旗鋼 EWuVO. 25%）帛國(guó) 一 中碳牽同<WC = O, 2&5-O, 60% 拄鈿中棕皆章分奘高碳鋼<Wc>O. 60% ）綱優(yōu)質(zhì)遇鋼 工琉、磷含量比普通質(zhì)量成鋼少）拉空絲韶產(chǎn)量特殊質(zhì)量遇鋼（wsO 020%.020% >奇ML 矢I碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造機(jī)械零件,工程結(jié)構(gòu)件 鋼一般屬于低、中碳鋼C桂伙時(shí)網(wǎng)睫會(huì)嶷L碳素工具鋼；主要用于制造刃具, 量具和模具， 一般屬于高碳鋼nr沸騰鋼銅鎮(zhèn)靜鋼被十財(cái)時(shí)矍氧方法 聿鎮(zhèn)靜鋼2 .碳素鋼的牌號(hào)表示、性能

8、及用途（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法：由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)四部分順序組成。質(zhì)量等級(jí)有：A、B、C、D脫氧方法有：F （沸騰鋼）、b （半鎮(zhèn)靜鋼）、Z （鎮(zhèn)靜鋼）、TZ （特殊鎮(zhèn)靜鋼）。通常Z和 TZ可省略。例如： Q235 AF普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途見(jiàn)下表牌號(hào)等級(jí)牲俺持點(diǎn)用途舉例Q195理性好、有一定的修度用于我罰較小的鋼史.墊圄，加釘， 拉桿，地幽螺粉，沖壓件,洋接件等CQ215A塑性好，焊接性好用于胡老，些圖，柳釘.拉桿、短軸. 金屬轉(zhuǎn)構(gòu)件.手續(xù)件.婢接件等Q2gABAB有一定的強(qiáng)度.塑性.初性， 焊接性好，易于沖壓，可滿(mǎn)足颯 結(jié)構(gòu)的要

9、求，應(yīng)用廣泛用于連桿.拉桿,軸、螺檜,螺母. 聲輪等機(jī)械軍件及角綱.槽鋼.圓餌. 工字鋼等型材.C級(jí)、D版用于校史要的評(píng)接件Q2SSkB強(qiáng)度按高,室姓、嬋熱性尚好， 應(yīng)用不如Q235廣泛用于盤(pán).拉桿，吊構(gòu)，螺出.犍等機(jī) 械密件，承種型鋼Q275犢高的強(qiáng)度，塑牲，焊接性是用于強(qiáng)度要求較高的蠟，建坪.齒輪. 就,金屬構(gòu)件等(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示法：用兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，如45鋼表示平均含碳量為 0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。含鎰量較高(WMn=0.7%1.2%)的鋼，在兩位數(shù)字后面寫(xiě)“ Mn”，如60Mn鋼。脫氧方法表示法同碳素結(jié)構(gòu)鋼。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，在牌號(hào)后面加“ A”；特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼

10、，在牌號(hào)后面加“ E”。性能特點(diǎn)及用途見(jiàn)表(每種牌號(hào)的具體數(shù)值可查資料，這里僅按性能、用途類(lèi)似的歸納 作介紹)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)銅牌號(hào),性能特點(diǎn)及用途牌號(hào)性能特點(diǎn)用途舉例%F, 08. 10塑性,韌性好. 強(qiáng)度不高冷札黑板、鋼帝.銅絲、鋼板,沖壓制品，如外殼， 容器.罩子、子彈殼.儀表板,域片，墊圖等.15,乩 25, 15MM. 2Mn空性,韌性好， 有一定的做度不因熱處理的第負(fù)荷零件，如螺槍?zhuān)菽?、拉桿、 法蘭盤(pán)，滲碳后可制作者輪，軸，凸輪等零件30. 35、 40, 45 , 50 ,兜. 3CMn , 40Ma , 50Mn強(qiáng)度F塑性， 韌性都按好主要制作吉輪、連桿,軸類(lèi)等零件.其中4例工

11、45鋼應(yīng)用廣泛.60、65» 7k60Mn> 65Mm高的彈性和屈 服強(qiáng)度常制作彈性零件和易磨損零件、如彈簧，彈簧墊 圈軋混、犁等(3)碳素工具鋼牌號(hào)表示法：用“碳”的漢語(yǔ)拼音字首" T'加數(shù)字(表示鋼的平均 Wc的千分?jǐn)?shù))表 示，例如，T8A。這類(lèi)鋼 Wc = 0.65%1.35%, 一般均需熱處理后使用，主要制作低速切削刃具 ，以及對(duì) 熱處理變形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具鋼牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途見(jiàn)下表。碳素工具鋼牌號(hào)、性能特點(diǎn)度用途牌號(hào)M能特點(diǎn)用途舉例T8A. TBMh瓠性找好,一定的硬好木工工具.樹(shù)工工具如傕子.盛子， 模具、剪等.THMn可

12、用于制造藏而較大 的工具T9、T9A, UO.TIOA. TI k TUAT12, TUA. T13. T13A校高硬度，一定癡性及度高、韌性差做途力具.如削刀、強(qiáng)雄.板牙.錦 條，卡尺、沖模，拉絲模衣受振動(dòng)的低速打縣.如姓刀.制刀, 外科用刀具和姑珠等(二)合金鋼合金鋼就是在碳鋼的基礎(chǔ)上加入其他元素的鋼，加入的其他元素就叫做合金元素。合金 元素在鋼中的作用，是通過(guò)與鋼中的鐵和碳發(fā)生作用、合金元素之間的相互作用提高了鋼的力學(xué)性能，改善鋼的熱處理工藝性能。1 .合金鋼分類(lèi)合金鋼的分類(lèi)方法很多，按主要用途一般分為：合金結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造重要的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)。合金工具鋼：主要用于制造重要的刃具

13、、量具和模具。特殊性能鋼：具有特殊的物理、化學(xué)性能的鋼。2 .合金鋼牌號(hào)表示方法(1)合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)采用兩位數(shù)字加元素符號(hào)加數(shù)字表示。前面的兩位數(shù)字表示鋼的平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，元素符號(hào)表示鋼中所含的合金元素，而后面數(shù)字表示該元素平均含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)合金元素含量小于1.5%時(shí)，牌號(hào)中只標(biāo)明元素符號(hào)，而不標(biāo)明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、 3.5%等，則相應(yīng)地在元素符號(hào)后面標(biāo)出2、3、4等。例如60Si2Mn ,表示平均碳含量為 0.6%;含硅量約為2%,含鎰量小于1.5%。(2)合金工具鋼牌號(hào)表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，其區(qū)別在于用一位數(shù)字表示平均碳含量的千分?jǐn)?shù)，當(dāng) 碳含量大于或等于 1

14、.00%時(shí)則不予標(biāo)出。如：9SiCr,其中平均碳含量為 0.9%, Si、Cr的含 量都小于1.5%; Cr12MoV ,表示平均碳含量大于 1.00%,需含量約為12%,電目和鈕的含量 都小于1.5%的合金工具鋼。除此之外，還有一些特殊專(zhuān)用鋼，為表示鋼的用途在鋼號(hào)前面冠以漢語(yǔ)拼音，而不標(biāo)出 含碳量。如GCr15為滾珠軸承鋼，G”為滾”的漢語(yǔ)拼音字首。還應(yīng)注意，在滾珠軸承鋼中，銘元素符號(hào)后面的數(shù)字表示銘含量的千分?jǐn)?shù)，其他元素仍用百分?jǐn)?shù)表示。如GCr15SiMn ,表示需含量為1.5%,硅、鎰含量均小于 1.5%的滾珠軸承鋼。3.合金鋼的性能和用途(1)合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼按用途可分為工程結(jié)構(gòu)用

15、鋼和機(jī)械機(jī)械制造用鋼。工程結(jié)構(gòu)用鋼主要用于制造各種工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑、船舶、車(chē)輛、高壓容器等。 這類(lèi)鋼是在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成的鋼，故名普通低合金結(jié)構(gòu)鋼 (簡(jiǎn)稱(chēng)普低鋼)。由于合金元素的作用，普低鋼比相同含量的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度高得多， 而且還具有良好的塑性、韌性、焊接性和較好的耐磨性。因此，采用普低鋼代替普通碳素結(jié) 構(gòu)鋼可減輕結(jié)構(gòu)重量，保證使用可靠，節(jié)約鋼材。如用普低鋼16Mn代替Q235鋼，一般可節(jié)約鋼材25%30%以上。機(jī)械制造用鋼主要用于制造各種機(jī)械零件。 它是在優(yōu)質(zhì)或高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素制成的合金結(jié)構(gòu)鋼。這類(lèi)鋼一般都要經(jīng)過(guò)熱處理才能發(fā)揮其性

16、能。因此，這類(lèi)鋼的性能與使用都與熱處理相關(guān)。機(jī)械制造用合金結(jié)構(gòu)鋼按用途和熱處理特點(diǎn)，可以分為合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼等。（2） 合金工具鋼碳素工具鋼淬火后，雖能達(dá)到高的硬度和耐磨性，但因它的淬透性差、紅硬性差（只能在 200 以下保持高硬度） ，因此模具、量具及刃具大多都要采用合金工具鋼制造。合金工具鋼按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。（ 3 ）特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼。特殊性能鋼的種類(lèi)很多，在機(jī)械制造中常用的有不銹耐酸鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。（三）鑄鐵與鑄鋼鑄鐵是在凝固過(guò)程經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變，用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金的總稱(chēng)。鑄鐵有良好的鑄造性、耐磨性、減震性、切削加

17、工性等，且制造容易、價(jià)格便宜。1 灰鑄鐵灰鑄鐵斷口呈暗灰色，故稱(chēng)灰鑄鐵。具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的切削加工性，良好的減摩擦性和減振性， 因而被廣泛地用來(lái)制作各種承受壓力和要求消振性的床身、 機(jī)架、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體、殼體和經(jīng)受摩擦的導(dǎo)軌、缸體等?；诣T鐵的牌號(hào)以“HT 加數(shù)字組成”表示，其中“HT ”是 “灰”和 “鐵”的漢語(yǔ)拼音字首表示灰口鑄造，數(shù)字表示其最低的抗拉強(qiáng)度。2 球墨鑄鐵球墨鑄鐵是指石墨以球狀形式存在的鑄鐵。由于石墨呈球狀分布在基體上，對(duì)基體的割裂作用降到最小， 可以充分發(fā)揮基體的性能， 所以球墨鑄鐵的力學(xué)性能比灰鑄鐵和可鍛鑄鐵都高， 其抗拉強(qiáng)度、 塑性、 韌性與相應(yīng)基體組織的鑄鋼相

18、近。 球墨鑄鐵兼有鑄鐵和鋼的優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。 它可以用來(lái)代替碳鋼、 合金鋼、 可鍛鑄鐵等材料， 制成受力復(fù)雜， 強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性要求較高的零件，如柴油機(jī)曲軸、減速箱齒輪以及軋鋼機(jī)軋輥等。球墨鑄鐵的牌號(hào)由 QT 加兩組數(shù)字組成。 QT 分別是 “球 ”與 “鐵 ”的漢語(yǔ)拼音字首， 代表球墨鑄鐵，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。3 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是將一定成分的白口鑄鐵經(jīng)過(guò)退火處理，使?jié)B碳體分解，形成團(tuán)絮狀石墨的鑄鐵。由于石墨呈團(tuán)絮狀，大大減輕了對(duì)基體的割裂作用。與灰鑄鐵相比，可鍛鑄鐵不僅有較高的強(qiáng)度，而且有較好的塑性和韌性，并由此得名 “可鍛” ，但實(shí)際上并不可鍛?？慑戣T鐵

19、分為鐵素體可鍛鑄鐵（用 KTH 表示）和珠光體可鍛鑄鐵（用 KTZ 表示） 。牌號(hào)為“字母加兩組數(shù)字”組成。前組數(shù)籽表示最低抗拉強(qiáng)度，后組數(shù)字表示最小伸長(zhǎng)率。如KTH300-06 。4鑄鋼牌號(hào)表示法：鑄鋼代號(hào)用“鑄” 和“鋼”二字漢語(yǔ)拼音的字首“ ZG ” 表示。牌號(hào)有兩種表示方法：以強(qiáng)度表示時(shí)，在“ZG”后面有兩組數(shù)字，第一組數(shù)字表示該牌號(hào)屈服點(diǎn)的最低值，第二組數(shù)字表示其抗拉強(qiáng)度的最低值，兩組數(shù)字間用“”隔開(kāi)。如 ZG200 400。以化學(xué)成分表示鑄鋼牌號(hào)時(shí)，在“ ZG ”后面的數(shù)字表示鑄鋼平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)。平均碳含量 1%時(shí)不標(biāo)出，平均碳含量v 0.1 %時(shí)，其第一位數(shù)字為“0”。在含碳

20、量后面排列各主要合金元素符號(hào),每個(gè)元素符號(hào)后面用整數(shù)標(biāo)出含量的百分?jǐn)?shù)，如ZG15Cr1MolV 。（四）有色金屬和非金屬材料一有色金屬材料鋼鐵材料呈黑色，稱(chēng)為黑色金屬；而銅、鋁、鎂等及其合金具有一定的顏色，稱(chēng)為有色金屬。有色金屬具有一些特殊的性質(zhì)，所以在工業(yè)上應(yīng)用很廣。常用的有銅與銅合金1. 銅與銅合金1) 純銅呈紫紅色又稱(chēng)紫銅。導(dǎo)電性極好，常用作導(dǎo)電材料，如電極、電線(xiàn)。2) 黃銅是純銅和鋅的合金。鋅占2040，鋅的含量越高，黃銅的顏色越發(fā)白，價(jià)格越便宜， 強(qiáng)度增加而塑性變差， 如電線(xiàn)。 牌號(hào)為 H62 表示銅的含量為 62， 鋅含 38。3) 青銅 是純銅和錫、 鋁的合金， 有很好的力學(xué)性能和鑄造性能， 是一種很好的減摩材料，常用作滑動(dòng)軸承的軸瓦，牌號(hào)為QSn43，表示壓力加工青銅，錫含4 ，鋅含 3 ，其余為銅。2. 鋁及鋁合金1) 純鋁 是一種比重很輕、 僅為鐵的三分之一、 導(dǎo)熱導(dǎo)電性好的金屬， 而