常用材料及熱處理

1、 第第2 2章章 機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理 2.1 2.1 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 2.1.1 2.1.1 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性n強(qiáng)度強(qiáng)度n 是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。n 強(qiáng)度極限 和屈服極限 是表征強(qiáng)度的主n 要性能指標(biāo)。n 屈服極限：是材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。 n 強(qiáng)度極限：是材料發(fā)生斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。bs0ssAF0bbAF如何選擇？如何選擇？剛度剛度n剛度：剛度：是指材料抵抗彈性變形的能力。 彈性模量E：在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值；是表征材料剛度的主要性能指標(biāo)。塑性塑性n塑性：塑性：塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生

2、塑性變形而不產(chǎn)生斷裂的能力。工程上一般用材料被拉斷后所留下的殘余變形來表示材料的塑性，一般用兩個指標(biāo)來表示： 塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)延伸率延伸率收縮率收縮率100100%lll010100%AAA越大越大 塑性越塑性越好好2.1.2 硬度硬度n硬度：硬度： 材料抵抗壓入物壓陷的能力。即：材料對局部塑性變形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分別為： HR和HB。HB硬度 HB4502.1.3 韌性韌性n材料抵抗沖擊載荷和變載荷的能力。材料抵抗沖擊載荷和變載荷的能力。 韌性韌性在沖擊載荷作用下，材料抵抗破壞的能力。 12()/kkkWmg hhaWA沖擊功：；沖擊韌性值：2.1.4線膨脹系數(shù)線膨

3、脹系數(shù)溫度變化1攝氏度時零件單位長度的線伸長量 )(0ttll 2.2 常用金屬材料常用金屬材料n鑄鐵n碳素鋼n合金鋼n有色金屬材料 常用金屬材料n2.2.1 2.2.1 鑄鐵：鑄鐵： 是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。 n性能：性能： 具有良好的鑄造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且價格低廉，生產(chǎn)設(shè)備簡單。因此，它是應(yīng)用最多的一種金屬材料。 n分類：分類：（1）灰口鑄鐵(如：HT150)； （2）可鍛鑄鐵（如：KT3006）； （3）球墨鑄鐵（如：QT6003）； （4）合金鑄鐵（用于耐熱、耐磨、耐蝕等）。2.2.2 碳素鋼n通常把含碳量在0.02%-2.11%之間的鐵碳合金稱為碳素鋼。

4、 n碳素鋼中長存的雜質(zhì)： 硅(Si)、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）。 碳素鋼分類碳素鋼分類含碳量1.低碳鋼(0.6%)質(zhì)量1.普通碳素鋼(S0.055% P0.045%) Q1952.優(yōu)質(zhì)碳素鋼(S0.045% P0.04%) 30 453.高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼(S0.03% P0.035%)用途1.碳素結(jié)構(gòu)鋼(C 0.038%)2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(S P0.035%)3.碳素工具鋼(C 0.71.35%) T10碳素鋼命名方法碳素鋼命名方法1.碳素結(jié)構(gòu)鋼（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）標(biāo)志符號Q+最小值 等級符號+脫氧程度符號 Q235BF 屈服點(diǎn)強(qiáng)度235MPa B級 碳素 沸騰鋼2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(S P

5、0.035%) 兩位數(shù)字（萬分） 10F 含碳0.1% 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)沸騰鋼 08 10 15 20 25 30 35 45 50 55 60 65 70 75 (08-70/10000)3.碳素工具鋼(C 0.71.35%) 一位或兩位數(shù)字 （千分） T10(C 10/1000) T7(C 7/1000) sn 為了改善鋼的性能，專門在鋼中加入一種或數(shù)種合金元素的鋼叫做合金鋼。 n合金元素的種類：合金元素的種類： 鉻（Cr）、錳（Mn）、鎳（Ni）、硅（Si）、硼（B）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）、鈦（Ti）、鋯（Zr） 和稀土元素（Re）等。 n目的：目的：使鋼獲得一般碳素鋼達(dá)不到的性能

6、，如硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性等；提高耐磨、防腐、防酸性能；獲得高彈性、高抗磁或?qū)Т判缘取?2.2.3 合金鋼合金鋼分類合金鋼分類合金元素含量1.低合金鋼(全部合金元素10%)合金種類鉻鋼、錳鋼、鉻鎳鋼 用途1.合金結(jié)構(gòu)鋼2.合金工具鋼3.特殊性能結(jié)構(gòu)鋼用途1.合金結(jié)構(gòu)鋼 綜合機(jī)械性能好，高強(qiáng)高韌。 牌號 “兩位數(shù)字（萬分）+合金元素符號+數(shù)字（百分） 滲碳鋼 C 0.15%0.25% 用于表面耐磨并承受 動力載荷的零件 齒輪 軸 銷 20Cr、20Mn2 調(diào)質(zhì)鋼 C 0.25%0.50%用于制造高強(qiáng)度、高韌 性的零件 主軸 齒輪 40Cr、40Mn2 彈簧鋼 C 0.6%0.7%用于制造各類彈性

7、零件 60Si2Mn 軸承鋼 C 0.95%1.1%用于制造滾珠、滾柱、套 圈、導(dǎo)軌等 GCr15 牌號不同(15/1000)用途2.合金工具鋼 制造刃具、磨具和量具 牌號 “一位數(shù)字（千分）+合金元素符號+數(shù)字（百分）1.刃具鋼 高的硬度、耐磨性、熱硬性 W18Cr4V 2.模具鋼 熱模具鋼 冷模具鋼 5CrMnMo (C 5/1000) Cr12 3.量具鋼 硬度、耐磨性、不易變形、工藝性好 GCr15 CrWMn 9SiCr 用途3.特殊性能鋼 牌號 “一位數(shù)字（千分）+合金元素符號+數(shù)字（百分）1.不銹鋼 2Cr13 1Cr18Ni9 2.耐熱鋼 15CrMo、4Cr9Si2 3.耐磨

8、鋼 ZGMn13 2.2.4 有色金屬材料（狹義的有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱 ） n與鋼、鐵相比，有色金屬的強(qiáng)度較低。應(yīng)用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化學(xué)性能，如：n鋁、鎂、鈦及其合金密度小，重量輕；n銅、鋁及其合金導(dǎo)電性好，減摩耐磨性好；n鎳、鉬及其合金能耐高溫等。 因此，工業(yè)上除大量使用黑色金屬外，有色金屬也得到廣泛的應(yīng)用。有色金屬及其合金種類繁多。銅及其合金銅及其合金 1. 純銅（紫銅） 2. 黃銅（銅 鋅合金） 3. 青銅（銅 錫 鉛合金）鋁及其合金鋁及其合金 鋁合金有足夠的強(qiáng)度、較好的塑性和良好的抗腐蝕性，且多數(shù)可以熱處理強(qiáng)化。 純鋁的密度約為鐵的

9、1/3 鋁合金主要分形變合金形變合金和鑄造合金鑄造合金2.3 常用非金屬材料n工程塑料：工程塑料：聚酰胺（尼龍）、聚甲醛等。 熱塑性塑料和熱固性塑料 n工業(yè)陶瓷：工業(yè)陶瓷：普通陶瓷、特種陶瓷等。 高抗壓、高硬度、低抗拉、抗高溫、絕緣好n復(fù)合材料：復(fù)合材料：由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料經(jīng) 人工組成的多相材料。 n橡橡 膠：膠： 良好的彈性、耐磨、力學(xué)性能好 金屬橡膠金屬橡膠以金屬絲為原材料，有橡膠一樣的 性能。 2.4 金屬材料的熱處理金屬材料的熱處理n鋼的熱處理：鋼的熱處理： 將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)施以不同形式的加熱、保溫和冷卻，從而改變（或改善）其組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到預(yù)期性能的操作工藝。n熱處理的原

10、因：熱處理的原因： 生產(chǎn)過程中，鋼制零件除需要經(jīng)過各種熱、冷加工工序外，往往還要在加工工序中進(jìn)行若干次熱處理，以改善鋼的加工工藝性能，提高鋼的機(jī)械性能，增加壽命、耐磨性等。n 熱處理不改變工件形狀，只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以獲得不同的機(jī)械性能。熱處理方法：n2.4.12.4.1、退火退火：（鍛、鑄造后，粗加工前）：（鍛、鑄造后，粗加工前） 將鋼件加熱到臨界溫度以上2030度，經(jīng)保溫一段時間后隨熱處理爐（或埋入石灰石、沙中冷卻）緩慢冷卻至500度以下，然后在空氣中冷卻。n目的：目的： 降低鋼的硬度，改善切削性能；細(xì)化鋼的晶粒，減少組織的不均勻性；消去工件在鍛造、鑄造中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力。n2.4.22.4

11、.2、正火：、正火： 將鋼件加熱到臨界溫度以上3050度，保溫一段時間后從爐中取出，在空氣中冷卻。n目的：目的： 正火和退火相似，但正火后機(jī)械強(qiáng)度略高。n2.4.32.4.3、淬火：、淬火： 淬火是將工件加熱到臨界溫度以上3050度，保溫一定時間，然后在水或鹽水或油中急速冷卻。n目的：目的： 提高鋼的硬度和強(qiáng)度。但急速冷卻引起內(nèi)應(yīng)力，使鋼變脆，所以淬火后必須回火，以得到較高的強(qiáng)度、硬度和韌性。 淬火和回火是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的兩種熱處理工藝。n2.4.42.4.4、回火：、回火： 將淬火后的工件加熱到臨界溫度以下，保溫一定時間后，在空氣、水或油中冷卻。n目的：目的： 硬度、強(qiáng)度略有降低，但消除了

12、內(nèi)應(yīng)力和脆性。 低溫回火：150-250 去應(yīng)力、高硬度、耐磨、 刃具，模具，滾動軸承，耐磨件。 中溫回火：350-500 高彈性、高韌性、 彈簧、發(fā)條、鍛模 高溫回火：500-650 良好的綜合機(jī)械性能（高強(qiáng)度、好 的韌性） 調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理 疲勞載荷的中碳鋼重要零件，連桿、曲軸、主 軸、齒輪、重要螺釘 時 效： n2.4.52.4.5、表面淬火：表面淬火： 是利用火焰或高頻感應(yīng)電流迅速加熱表面，然后立即淬火。n目的：目的： 是使工件表面獲得高硬度和耐磨性，而內(nèi)部仍保持足夠的塑性和韌性。2.4.6 表面化學(xué)熱處理 是將鋼件放在某種化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱、保溫、冷卻的方法使介質(zhì)中的某些元素滲入鋼

13、件表面，改變了表面層的化學(xué)成分，從而使其表面具有與內(nèi)部不同的特殊性能。一般都是使表面獲得高硬度、高疲勞極限，以及耐磨、防腐蝕性能。 滲碳n將低碳鋼工件放在大量含碳的固體（木炭粉和碳酸鹽）或氣體（天然氣、煤氣等）介質(zhì)中，加熱到850950，保溫一段時間，使碳擴(kuò)散到鋼表面層內(nèi)，使表面層的含碳量達(dá)到0.8%1.2%。再經(jīng)淬火和低溫回火，從而獲得高硬度和耐磨性。氮化n將鋼件放入含有氮的介質(zhì)或利用氨氣加熱分解的氮?dú)庵校訜岬?00620，持續(xù)保溫2050小時，使氮擴(kuò)散滲入鋼件表面層內(nèi)。經(jīng)氮化處理的鋼件不再經(jīng)淬火便具有很高的表面層硬度及耐磨性，并大大提高疲勞極限、耐腐蝕性能、抗膠合性及耐熱性。 2.4.7

14、 金屬零件的表面處理金屬零件的表面處理n表面處理表面處理: : 是在金屬表面附上一層覆蓋層，以達(dá)到防腐、改善性能及裝飾的作用。 通常分電鍍、化學(xué)處理和涂漆三種。n電鍍電鍍: : 是應(yīng)用電解原理在某些金屬（或非金屬）表面鍍上一薄層其它金屬或合金的過程。n分為：分為：鍍鉻 、鍍鎳 、鍍鋅 化學(xué)處理n金屬零件表面的化學(xué)處理主要有氧化和磷化。金屬零件表面的化學(xué)處理主要有氧化和磷化。n氧化氧化: : 是零件表面形成該金屬的氧化膜，以保護(hù)金屬不受侵蝕，并起美化作用； 常用的有發(fā)藍(lán)發(fā)藍(lán)或發(fā)黑發(fā)黑。n磷化磷化: : 是在金屬表面生成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜，可以保護(hù)金屬。 2.5 金屬材料的選材原則金屬材料的

15、選材原則n1.1.一般原則一般原則n2.2.工藝性原則工藝性原則n3.3.經(jīng)濟(jì)性原則經(jīng)濟(jì)性原則n1 1、一般原則、一般原則 零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和質(zhì)量受限時，選用強(qiáng)度高的材料 零件尺寸取決于剛度，選用彈性模量大的材料（調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼） 滑動摩擦下工作的零件，選用減摩性能好的材料 高溫條件下的零件，采用耐熱材料 腐蝕介質(zhì)中工作的零件，采用耐腐蝕材料n2 2、工藝性原則、工藝性原則 是指金屬材料所具有的能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。 用金屬制造零件的加工方法基本上有四種：鑄造、壓力加工（鍛造、沖壓）、焊接和機(jī)械切削加工（車、銑、刨、磨、鉆等）。 不同加工方法使用的材料不同：比如鑄鐵具有很好的鑄造工藝性，但不能鍛造。 各種工藝方法對材料提出的要求n鑄造：鑄造：將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄型型腔中，待其凝固后而得到的一定形狀和性能的鑄件的方法。 鑄造性：鑄造性：是指澆注時液態(tài)金屬的流動性、凝固時的收縮性和偏析傾向等。 灰口鑄鐵和青銅有良好的鑄造性能。n鍛造性：鍛造性：是指材料在壓力加工時，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。 低碳鋼的鍛造性好，鑄鐵沒有鍛造性。n焊接性：焊接性： 是指材料在通常的焊接方法和焊接工藝條件下，能否獲得良好焊縫的性能。 低碳鋼的焊接性能好，高碳鋼和鑄鐵的焊接性能差。n切削加工性：切削加工性： 是指對材料進(jìn)