第2章工程材料和熱處理

2023/2/4第二章工程材料和熱處理2023/2/4§2.1概述

在精密機(jī)械中應(yīng)用的材料，按用途分：按材料結(jié)合鍵的特點(diǎn)及性質(zhì)分：無機(jī)非金屬材料和有機(jī)材料，又統(tǒng)稱為非金屬材料。2023/2/4§2.2金屬材料的力學(xué)性能2.2.1應(yīng)力極限由靜拉伸試驗(yàn)所得的應(yīng)力極限，是靜應(yīng)力條件下強(qiáng)度計(jì)算時(shí)確定許用應(yīng)力的依據(jù)。低碳鋼的應(yīng)力——應(yīng)變曲線2023/2/41、比例極限σp應(yīng)力與應(yīng)變成正比稱為比例極限。2023/2/42、屈服極限σsOe為殘余變形沒有明顯屈服現(xiàn)象的塑性材料，用永久塑性變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值定為屈服極限，用σ0.2表示。2023/2/43、強(qiáng)度極限σB材料在斷裂前的最大應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限。冷作硬化：在常溫下經(jīng)過塑性變形使材料強(qiáng)度提高、塑性降低的現(xiàn)象2023/2/4應(yīng)力極限彈性階段彈性極限p屈服階段屈服點(diǎn)s強(qiáng)化階段強(qiáng)度極限b頸縮階段第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能2023/2/42.2.2彈性模量E在比例極限范圍內(nèi)，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧?，比例常?shù)E（＝σ/ε），即為彈性模量（剪切時(shí)為切變模量G）反映的是材料抵抗變形的能力，衡量材料剛度的性能指標(biāo)。2023/2/42.2.3

延展性

是衡量材料塑性性能的指標(biāo)。塑性是指在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。包括：①伸長(zhǎng)率；②斷面收縮率。伸長(zhǎng)率是試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的比值。用字母δ表示。2023/2/4

斷面收縮率是試樣拉斷后，斷口橫截面積的縮減量與原始橫截面積的比值。用字母ψ表示。

Δ和ψ越大，則塑性越好。 金屬壓力加工，就是利用金屬材料的塑性而實(shí)現(xiàn)的。2023/2/42.2.4沖擊韌性

抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2。 沖擊韌性常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)測(cè)定，即把被測(cè)材料做成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，用擺錘一次沖斷，測(cè)出沖斷試樣所消耗的沖擊AK，然后用試樣缺口處單位截面積F上所消耗的沖擊功ak表示沖擊韌性。

ak值越大，則材料的韌性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時(shí)受到很大的沖擊載荷，因此要用ak值高的材料制造。鑄鐵的ak值很低，灰口鑄鐵ak值近于零，不能用來制造承受沖擊載荷的零件。2023/2/42.2.5彈性能Ee和韌性能Et

物體受外力作用產(chǎn)生變形時(shí)，外力所做的功，在數(shù)值上等于應(yīng)變能。 材料在斷裂前所能吸收的能量稱為韌性能。大部分將消耗在材料的塑性變形上，并以熱的形式散失。2023/2/42.2.6

硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度的測(cè)試方法很多，生產(chǎn)中常用的硬度測(cè)試方法有布氏硬度測(cè)試法和洛氏硬度試驗(yàn)方法兩種。（一）布氏硬度試驗(yàn)法 布氏硬度指標(biāo)有HBS和HBW，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼及鑄鐵、有色金屬等；后者壓頭為硬質(zhì)合金，適用于布氏硬度值為450~650的金屬材料，如淬火鋼等。 布氏硬度測(cè)試法，因壓痕較大，故不宜測(cè)試成品件或薄片金屬的硬度。2023/2/4（二）洛氏硬度試驗(yàn)法 常用的洛氏硬度指標(biāo)有HRA、HRB和HRC三種。 洛氏硬度測(cè)試，操作迅速、簡(jiǎn)便，且壓痕小不損傷工件表面，故適于成品檢驗(yàn)。

2023/2/4（三）維氏硬度試驗(yàn)法 表示材料硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。由英國(guó)維克斯（G.S.Vickers）首先提出。應(yīng)用壓入法將壓力施加在四棱錐形的鉆尖上，使它壓入所試材料的表面而產(chǎn)生凹痕。用測(cè)得的凹痕面積上的壓力表示硬度。單位是帕或公斤力/毫米2。用于測(cè)定金屬材料等的硬度。 硬度是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。2023/2/4第一節(jié)概述機(jī)械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬鋼有色金屬鑄鐵合金鋼無機(jī)非金屬材料有機(jī)材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金§2.3常用的工程材料2023/2/41.鋼（含碳量小于2%,大于0.7%的鐵、碳合金）碳素鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼：T7、T8普通碳素結(jié)構(gòu)鋼如Q235、Q275等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼C＜0.25%如20合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼、高速工具鋼、硬質(zhì)合金工具鋼特類鋼不銹鋼，如2Cr13、滾動(dòng)軸承鋼，如GGr9SiMn、耐熱鋼，如3Gr18Ni25Si2等。合金結(jié)構(gòu)鋼如35CrMn2，40CrNiMoA(優(yōu)質(zhì)）低金結(jié)構(gòu)鋼如12Mn彈簧鋼如60Si2MnA中碳鋼0.25%＜C＜0.6%如45高碳鋼0.6%＜C如60鋼2023/2/4

特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。 鋼制零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。 應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。 鋼的選用原則： 優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。2023/2/42.鑄鐵含碳量大于2%的鐵、碳合金（1）灰鑄鐵如HT100、HT300,良好的鑄造性、切削加工性、耐磨性，消振性，但抗拉強(qiáng)度低。（2）球墨鑄鐵

如QT400-18、QT500-7,強(qiáng)度和塑性比灰鑄鐵有很大的提高，具有良好的耐磨性，但鑄造性較差。（3）可鍛鑄鐵

如KTH300-06,強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性均較高，能承受沖擊振動(dòng),但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高。鑄造大尺寸零件較困難。2023/2/4

特點(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。

應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。2023/2/4常用材料的相對(duì)價(jià)格材料種類規(guī)格相對(duì)價(jià)格熱軋圓鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動(dòng)軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~102023/2/4二、有色金屬（1）銅合金 黃銅銅與鋅的合金，含少量錳、鋁等元素，如ZCuZn38等。青銅青銅以主加元素的不同又可分為錫青銅和鋁青銅等，如

CuAl10Fe3、ZCuSn5PbZn5。青銅比黃銅有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性。

（2）鋁及鋁合金 鋁合金具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電性能大約為銅的60%，但由于重量輕，在遠(yuǎn)距離輸送的電纜中常代替銅線。2023/2/4（3）鈦合金 以鈦為基加入其他合金元素組成的合金稱作鈦合金。鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn),是較為理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料。 應(yīng)用：是一種新型結(jié)構(gòu)材料，它具有優(yōu)異的綜合性能，如密度?。▇4.5g·cm3），比強(qiáng)度和比斷裂韌性高，疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，低溫韌性良好，抗蝕性能優(yōu)異，某些鈦合金的最高工作溫度為550oC，預(yù)期可達(dá)700oC。因此它在航空、航天、化工、造船等工業(yè)部門獲得日益廣泛的應(yīng)用，發(fā)展迅猛。（4）鎂合金2023/2/4三、非金屬材料1．工程塑料（1）尼龍品種、數(shù)量及應(yīng)用上居工程塑料之首，它強(qiáng)度高，耐磨性好，耐化學(xué)腐蝕。但易吸收水分而影響尺寸的穩(wěn)定性。（2）聚碳酸脂在工程塑料中韌性最好，透光率達(dá)90%，連續(xù)使用溫度達(dá)135℃～145℃，它正取代玻璃和有機(jī)玻璃，作為飛機(jī)上的擋風(fēng)夾層和天窗。（3）聚甲苯在工程塑料中彈性模量最高，并有高硬度，低摩擦系數(shù)和較好的耐疲勞性能，適用于制造小齒輪及軸套等。（4）聚苯醚在工程塑料中硬度最高，熱膨脹系數(shù)最小，最耐熱。（5）ABS具有良好的綜合性能。廣泛應(yīng)用在管材、家用電器和紡織機(jī)械中。用ABS制成的泡沫夾層板，可作小轎車的車身。

塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

2023/2/42．橡膠

橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤(rùn)滑的軸承襯。常用來制造輪胎、墊板、隔熱板、傳動(dòng)帶和減振零件等

3．人工合成礦物剛玉和石英4．夾布膠木常用來制造板材、電工元件，輕載無噪聲齒輪和耐腐蝕元件等。

5．其他工業(yè)上，經(jīng)常使用的非金屬材料還有陶瓷、皮革、木材、紙板等。通孔寶石軸承槽形寶石軸承端面寶石軸承2023/2/4四、復(fù)合材料

通常由兩種材料結(jié)合而成，可發(fā)揮材料各自的長(zhǎng)處，克服各自固有的缺點(diǎn)。常見的復(fù)合材料有：

（1）玻璃鋼玻璃和塑料結(jié)合而成。玻璃具有較高的彈性模量和強(qiáng)度，但太脆，而塑料具有良好的塑性、易于加工，但彈性模量和強(qiáng)度較低，把兩者結(jié)合起來，就產(chǎn)生了玻璃鋼。

（2）硬質(zhì)合金

陶瓷與金屬粉末燒結(jié)在一起而成。陶瓷材料硬度好，但不易于加工成型，將它與金屬粉末燒結(jié)在一起，就形成了硬度高，耐磨性好且易于加工成形的硬質(zhì)合金。

（3）硼鋁復(fù)合材料

硼與鋁合金結(jié)合而成。它的常溫和高溫強(qiáng)度比高強(qiáng)度的鋁合金大得多。美國(guó)現(xiàn)在使用的航天飛機(jī)的整個(gè)桁架支柱，均用硼鋁復(fù)合材料的管材制造，比原先采用鋁合金時(shí)，減輕重量44%。

2023/2/4§2.4鋼的熱處理簡(jiǎn)介熱處理

將鋼在固體狀態(tài)下進(jìn)行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法叫熱處理，目的是提高零件的力學(xué)性能和改善其工藝性能。1.退火2.正火3.淬火4.回火5.調(diào)質(zhì)6.時(shí)效7.表面處理2023/2/4

1.退火

把鋼加熱到臨界溫度（在鋼的固態(tài)范圍內(nèi)，引起鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度）以上30～50℃，經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋睾?，隨爐溫一起緩慢冷卻下來的熱處理工藝稱為退火。退火的目的是降低材料的硬度，提高塑性，細(xì)化結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，改善力學(xué)性能和切削加工性能，能消除或減小鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力。

2.正火將零件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間后，然后再空冷，風(fēng)冷或噴霧冷卻。它的冷卻速度比退火快，作用與退火相似，但比退火經(jīng)濟(jì)，成本低，可作為零件的最終熱處理。

3.淬火將零件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間后，然后在水中或油中迅速冷卻。由于淬火溫度變化過快，材料內(nèi)部形成較大的淬火應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致零件的變形或開裂。淬火不能作為零件的最終熱處理。2023/2/44.回火將淬火后的零件重新加熱到臨界溫度以下的某一溫度，保溫一段時(shí)間后，然后在空氣中冷卻。根據(jù)對(duì)零件要求的不同，可采用不同的回火溫度。回火溫度越高，材料的硬度和強(qiáng)度下降越多，而塑性和韌性則顯著提高。（1）低溫回火回火溫度在150℃～250℃，主要用來降低材料的脆性和淬火應(yīng)力，并能保持較高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。（2）中溫回火回火溫度在350℃～500℃，其特點(diǎn)是即能保持材料一定的韌性，又能保持一定的彈性和屈服點(diǎn)，常用于彈簧和承受沖擊的零件。（3）高溫回火回火溫度在500℃～650℃，使零件獲得強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都良好的綜合力學(xué)性能。2023/2/45.調(diào)質(zhì)淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)。一些重要的零件，特別是一些在變應(yīng)力下工作的零件，如連桿、齒輪和軸等常采用調(diào)質(zhì)處理?？梢詼p小或消除零件的內(nèi)應(yīng)力，使零件在工作之前得以充分的變形，零件尺寸可以穩(wěn)定下來。時(shí)效分低溫時(shí)效和高溫時(shí)效。6.時(shí)效

（1）低溫時(shí)效將零件加熱到100℃～150℃，保溫5～20小時(shí)后，再空冷。（2）高溫時(shí)效將零件加熱到略低于高溫回火的溫度，保溫后，緩冷到300℃以下，出爐空冷。2023/2/4二.表面熱處理對(duì)于一些要求表面有較高的硬度以增加其耐磨性，而心部要求有較高的韌性以提高其抗沖擊能力的零件，可以采用表面處理工藝。表面處理包括表面淬火和化學(xué)處理。

1.表面淬火采用快速加熱的方法，只將零件表面加熱并淬火。它只改變表層組織，心部并不發(fā)生變化，心部保持了一定的韌性和強(qiáng)度，而表層得到強(qiáng)化和硬化。表面淬火有高頻感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗疽鈭D2023/2/4

2.化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是把零件放入化學(xué)介質(zhì)（碳或氮等）中加熱，保溫，使介質(zhì)元素滲入零件表層中，使零件表層的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，來獲得對(duì)其心部和表層不同性能要求的熱處理方法。常用的方法有滲碳、滲氮和碳氮共滲（氰化）等。

1）.滲碳將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。目的提高鋼件表層的含碳量和一定的碳的濃度梯度。滲碳后經(jīng)淬火和低溫回火，表面獲得高硬度和高的耐磨性，而使心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性。 滲碳件必須用低碳鋼、低碳合金鋼制造。 滲碳方法可分為固體滲碳、鹽浴滲碳和氣體滲碳三種，應(yīng)用較為廣泛的是氣體滲碳。2023/2/4高頻電流高頻電流工件2023/2/42).氮化氮化是向鋼件表面層滲入氮原子的過程。其目的是提高表面層的硬度和耐磨性，并提高疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性。2023/2/4零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱2023/2/43).碳氮共滲(氰化)

碳氮共滲是向鋼的表層同時(shí)滲入碳和氮的過程，習(xí)慣上又稱為氰化。目前以中溫(700～800℃)氣體碳氮共滲和低溫(<570℃)氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應(yīng)用較為廣泛。2023/2/4§2.5表面精飾

表面精飾是指在金屬零件的表面附上一層覆蓋層，以達(dá)到防蝕、裝飾等目的。2.化學(xué)處理3.涂漆實(shí)現(xiàn)途徑1.電鍍2023/2/4一、電鍍

鍍鉻適用于鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金。鍍鉻層的化學(xué)穩(wěn)定性高，外觀顏色好，在潮濕大氣中顏色不變，有較高的硬度和耐磨性。鍍鉻層拋光后反射率較高。由于鉻的深度能力和擴(kuò)散性差，因此不適于鍍復(fù)雜零件。

鍍鎳鎳在大氣中十分穩(wěn)定，對(duì)堿、弱酸和各種鹽類均有較高的抵抗能力，并有良好的導(dǎo)電性。鎳有磁性，不適宜鍍防磁零件。2023/2/43．鍍鎘適用于鋼、銅合金和鋁合金。鍍鎘層對(duì)堿和稀硫酸的化學(xué)穩(wěn)定性好。主要用于儀器直接受海水作用和飽含海水蒸氣的大氣條件下的零件。4．鍍鋅適用于鋼、銅合金和鋁合金。鋅鍍層屬于陽(yáng)極鍍層，對(duì)鋼質(zhì)零件起電化學(xué)保護(hù)作用，在潮濕大氣及含工業(yè)廢氣的環(huán)境中，鋅比鎘防腐能力強(qiáng)。鋅鍍層有中等硬度，但耐磨性較低。5．鍍銀適用于銅合金零件，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，反射率可達(dá)90％以上。但氯氣、硫化物與銀作用可使其變黑，不宜鍍于直接與橡膠接觸的零件。6.其他鍍層（鉛、錫）2023/2/4鍍鉻的蘭博基尼鍍鎳的鏈條

鍍鋅的鐵絲鍍銀的銅絲2023/2/4二、化學(xué)處理 金屬零件表面的化學(xué)處理方法主要是氧化和磷化。氧化是在零件表面上形成氧化膜，磷化是在零件表面上生成一層在大氣中較穩(wěn)定的磷酸鹽膜。常用類型有：

1．黑色金屬的氧化與磷化

2．鋁及鋁合金的陽(yáng)極氧化

3．銅及銅合金氧化2023/2/4三、涂漆 涂漆是在金屬制品的表面上涂以清漆或磁漆的薄膜，使制品表面與外界環(huán)境中的有害物質(zhì)隔開，對(duì)制品起著保護(hù)和裝飾作用。也有的是起到消光作用或絕緣作用。2023/2/4§2.6材料的選用原則

適用于制作機(jī)械零件的材料種類非常之多，在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項(xiàng)受多方面因素所制約的復(fù)雜的工作。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。2023/2/4載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的工作情況工藝要求經(jīng)濟(jì)要求零件的尺寸及重量一般原則使用要求2023/2/4經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)在以下幾方面：材料本身的相對(duì)價(jià)格;

材料的加工費(fèi)用;

材料的利用率;

采用組合結(jié)構(gòu);

節(jié)約稀有材料。2023/2/4彈性模量1.楊氏彈性模量（E） 表示膨脹或壓縮情況下應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，所以又叫壓縮模量。數(shù)學(xué)定義：物體受脹縮力時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之比。物理定義：楊氏彈性模量表示固體對(duì)所受作用力的阻力的度量。固體介質(zhì)對(duì)拉伸力的阻力越大，則楊氏彈性模量大，物體越不易變形；反過來說，堅(jiān)硬的不易變形的物體，楊氏彈性模量大。2.泊松比（s） 在拉伸變形中，物體的伸長(zhǎng)總是伴隨著垂直方向的收縮，所以把介質(zhì)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比稱泊松比，顯然泊松比是表示物體變形性質(zhì)的一個(gè)參數(shù)，如果介質(zhì)堅(jiān)硬，，在同樣作用力下，橫向應(yīng)變小，泊松比就小，可小到0.05。而對(duì)于軟的未膠結(jié)的土或流體，泊松比可高達(dá)0.45—0.5。返回附錄2023/2/4返回 1.應(yīng)力：彈性體受力后產(chǎn)生的恢復(fù)原來形狀的內(nèi)力稱內(nèi)應(yīng)力，簡(jiǎn)稱為應(yīng)力。應(yīng)力和外力相抗衡，阻止彈性體的形變。應(yīng)力的數(shù)學(xué)定義為：?jiǎn)挝粰M截面上所產(chǎn)生的內(nèi)聚力稱為內(nèi)力。根據(jù)力的分解定理，可以將力分解成垂直于單元面積的應(yīng)力—法向應(yīng)力（正應(yīng)力）；相切于單元面積的應(yīng)力—切向應(yīng)力（剪切應(yīng)力）。

2.應(yīng)變：物理定義：彈性體受應(yīng)力作用，產(chǎn)生的體積和形狀的變化稱為應(yīng)變。只發(fā)生體積變化而形狀不變的應(yīng)變稱正應(yīng)變；反之，只發(fā)生形狀變化的應(yīng)變稱切應(yīng)變。