機械工程材料及鋼的熱處理

1、2.3 機械工程材料及鋼的熱處理,金屬材料的機械性能及工藝性能 金屬材料的熱處理及零件表面處理 常用金屬材料 常用非金屬材料 選用材料的一般原則,金屬材料的機械性能及工藝性能,金屬材料的機械性能 金屬材料的機械性能主要是指在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。 如：強度、剛度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。,強度,強度：是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。 強度極限 和屈服極限 是表征強度的主要性能指標。 屈服極限是材料發(fā)生塑性變型時的應力； 強度極限是材料發(fā)生斷裂時的應力。,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)，應力與應變的比值E為常數(shù)，稱為彈性模量； 彈性模量E是表征

2、材料剛度的主要性能指標。,塑性,塑性：是指在外力作用下，金屬產(chǎn)生塑性變型而不產(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，一般用兩個指標來表示： 延伸率： 收縮率：,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：HRC和HBC。,韌性和疲勞強度,材料抵抗沖擊載荷和變載荷的能力。 韌性：在沖擊載荷作用下，材料抵抗破壞的能力。 疲勞強度：金屬材料受到交變載荷作用時會產(chǎn)生交變應力，即使其應力未超過屈服極限，但當應力循環(huán)次數(shù)增加到某一數(shù)值N后，材料也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象，叫金屬的疲勞。,疲勞曲線,材料承受交變或重

3、復應力與其斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)N之間的關系曲線，稱為疲勞曲線。,循環(huán)次數(shù)N,應力,107,金屬材料的工藝性能,是指金屬材料所具有的能夠適應各種加工工藝要求的能力。 金屬材料常用的加工工藝方法： 鑄造、壓力加工、焊接、切削加工等。,各種工藝方法對材料提出的要求,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：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。,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。,焊接性：是指材料在通常的焊接方法和焊接工藝條間下，

4、能否獲得良好焊縫的性能。 低碳鋼的焊接性能好，鑄鐵的焊接性能差。,切削加工性：是指對材料進行切削加工的難易程度。 灰口鑄鐵具有良好的切削加工性。,金屬材料的熱處理與零件的表面處理,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)，以達到預期性能的操作工藝。 熱處理不改變工件形狀，只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以獲得不同的機械性能。 鋼的熱處理可以改善鋼的加工工藝性能、提高鋼的機械性能、增加壽命、耐磨性等。,熱處理方法：,1、退火：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。 目的

5、：降低鋼的硬度，改善切削性能；細化鋼的晶粒，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)應力。,2、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。 目的：正火和退火相似，但正火后機械強度略高。,3、淬火和回火 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。 目的：提高鋼的硬度和強度。但急速冷卻引起內(nèi)應力，使鋼變脆，所以淬火后必須回火，以得到較高的強度、硬度和韌性。,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或水或油中冷卻。 目的：硬度、強度略有降低，但消除了內(nèi)應力和脆性。 調(diào)質(zhì)：淬火高溫回火，可以

6、使鋼材獲得良好的綜合機械性能。,表面化學熱處理,化學熱處理是將鋼件放在某種化學介質(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件表面，改變了表面層的化學成分，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,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，使碳擴散到鋼表面層內(nèi)，使表面層的含碳量達到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,將鋼件放入含有氮的介質(zhì)或利用氨氣加熱分解的氮氣中，加熱到500620，持續(xù)保溫2050小時，使氮擴散

7、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、耐腐蝕性能及耐熱性。,金屬零件的表面處理,表面處理是在金屬表面附上一層覆蓋層，以達到防腐、改善性能及裝飾的作用。通常分電鍍、化學處理和涂漆三種。,電鍍,電鍍是應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。 分為：鍍鉻 、鍍鎳 、鍍鋅,化學處理,金屬零件表面的化學處理主要有氧化和磷化。 氧化是零件表面形成該金屬的氧化膜，以保護金屬不受侵蝕，并起美化作用； 磷化是在金屬表面生成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜，可以保護金屬。,常用金屬材料,鑄鐵 碳素鋼 合金鋼 有色金屬材料,常用金屬材料

8、,1、鑄鐵：鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。 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)設備簡單。因此，它是應用最多的一種金屬材料。 分類：（1）灰口鑄鐵；（2）可鍛鑄鐵； （3）球墨鑄鐵；（4）合金鑄鐵,碳素鋼,通常把含碳量在0.02%2.11%之間的鐵碳合金稱為鋼（碳素鋼）。 碳素鋼可以軋制成板材和型材，也可以鍛造成各種形狀的鍛件，但鍛件的形狀一般比鑄件簡單。 分類 （1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q195、Q215等 （2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：30、45號鋼等 （3）碳素鑄鋼：ZG310570等 （4）碳素工具鋼；T10等,合金鋼,為了改善鋼的性能，專門在鋼中加入一

9、種或數(shù)種合金元素的鋼叫做合金鋼。 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。 目的：使鋼獲得一般碳素鋼達不到的性能，如硬度、強度、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?合金鋼分類,合金鋼按用途來分一般可分為三大類：合金結(jié)構(gòu)鋼：調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼 合金工具鋼：刃具鋼、磨具鋼、量具鋼 特殊性能鋼：不銹鋼、耐熱鋼等。,有色金屬材料,與鋼、鐵相比，有色金屬的強度較低。應用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化學性能：如鋁、鎂、鈦及其合金密度??；銅、鋁及其合金

10、導電性好；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用。有色金屬及其合金種類繁多。,常用非金屬材料,工程塑料：聚酰胺、尼龍、等。 工業(yè)陶瓷：普通陶瓷、特種陶瓷等。 復合材料：玻璃纖維樹脂基復合材料、 層合復合材料。,選擇材料的一般原則,1、使用性原則 若零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又有所限制時，則應選用強度較高的材料；若零件尺寸取決于剛度，則應選用彈性模量較大的材料（如調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼等）；在滑動摩擦下工作的零件，應選用減摩性能好的材料；在高溫下工作的零件應選用耐熱材料；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應選用耐腐蝕材料等。,2、工藝性原則 用金屬制造零件的方法基本上有四種：鑄造、壓力加工（鍛造、沖壓）、焊接和機械切削加工（車、銑、刨、磨、鉆等