1、常用材料及熱處理 第第2 2章章 機械工程常用材料及鋼的熱處理機械工程常用材料及鋼的熱處理 2.1 2.1 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能 2.1.1 2.1.1 強度與塑性強度與塑性 常用材料及熱處理 n強度強度 n 是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。 n 強度極限 和屈服極限 是表征強度的主 n 要性能指標。 n 屈服極限：是材料發生屈服現象時的應力。 n 強度極限：是材料發生斷裂前所能承受的最 大應力。 b s 0 s s A F 0 b b A F 如何選擇？如何選擇？ 常用材料及熱處理 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，應力與

2、應變的比值；是表征材料剛度的主要性能 指標。 常用材料及熱處理 塑性塑性 n塑性：塑性：塑性是指金屬材料在外力作用下 產生塑性變形而不產生斷裂的能力。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： 塑性指標塑性指標 延伸率延伸率收縮率收縮率 10 0 100% ll l 01 0 100% AA A 越大越大 塑性越塑性越 好好 常用材料及熱處理 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。 常用材料及熱處理 HB硬度 HB450 常用材料及熱處

3、理 2.1.3 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 ()/ kkk Wmg hhaWA沖擊功：；沖擊韌性值： 常用材料及熱處理 2.1.4線膨脹系數線膨脹系數 溫度變化1攝氏度時零件單位長度的線伸長量 )( 0 ttll 常用材料及熱處理 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 常用材料及熱處理 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

4、，生產設備簡單。因此，它是應用 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）。 常用材料及熱處理 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。 n碳素鋼中長存的雜質： 硅(Si)、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）。 常用材料及熱處理 碳素鋼分類碳素鋼分類 含碳量 1.低碳鋼(0.6%) 質量 1.普通碳素鋼(S0.055% P0.045%) Q195 2.優質碳素鋼(S0.045% P0.04%) 30 45 3

5、.高級優質碳素鋼(S0.03% P0.035%) 用途 1.碳素結構鋼(C 0.038%) 2.優質碳素結構鋼(S P0.035%) 3.碳素工具鋼(C 0.71.35%) T10 常用材料及熱處理 碳素鋼命名方法碳素鋼命名方法 1.碳素結構鋼（普通碳素結構鋼） 標志符號Q+最小值 等級符號+脫氧程度符號 Q235BF 屈服點強度235MPa B級 碳素 沸騰鋼 2.優質碳素結構鋼(S P0.035%) 兩位數字（萬分） 10F 含碳0.1% 優質碳素結構沸騰鋼 08 10 15 20 25 30 35 45 50 55 60 65 70 75 (08-70/10000) 3.碳素工具鋼(C

6、0.71.35%) 一位或兩位數字 （千分） T10(C 10/1000) T7(C 7/1000) s 常用材料及熱處理 n 為了改善鋼的性能，專門在鋼中加入 一種或數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 導磁性等。 2.2.3 合金鋼 常用材料及熱處理 合金鋼分類合金鋼分類 合金元素含量 1.低合金

7、鋼(全部合金元素10%) 合金種類 鉻鋼、錳鋼、鉻鎳鋼 用途 1.合金結構鋼 2.合金工具鋼 3.特殊性能結構鋼 常用材料及熱處理 用途 1.合金結構鋼 綜合機械性能好，高強高韌。 牌號 “兩位數字（萬分）+合金元素符號+數字（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 調質鋼 C 0.25%0.50%用于制造高強度、高韌 性的零件 主軸 齒輪 40Cr、40Mn2 彈簧鋼 C 0.6%0.7%用于制造各類彈性零件 60Si2Mn 軸承鋼 C 0.95%1.1%用于制造滾珠、滾柱、套 圈、導軌等 GCr15 牌號不同(15/

8、1000) 常用材料及熱處理 用途 2.合金工具鋼 制造刃具、磨具和量具 牌號 “一位數字（千分）+合金元素符號+數字（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 常用材料及熱處理 用途 3.特殊性能鋼 牌號 “一位數字（千分）+合金元素符號+數字（百分） 1.不銹鋼 2Cr13 1Cr18Ni9 2.耐熱鋼 15CrMo、4Cr9Si2 3.耐磨鋼 ZGMn13 常用材料及熱處理 2.2.4 有色金屬材料（狹義的有

9、色金屬又稱非鐵金屬， 是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統稱 ） n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： n鋁、鎂、鈦及其合金密度小，重量輕； n銅、鋁及其合金導電性好，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。 常用材料及熱處理 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 鋁合金有足夠的強度、較好的塑性和良好的 抗腐蝕性，且多數可以熱處理強化。 純鋁的密度約為鐵的1/3 鋁合

10、金主要分形變合金形變合金和鑄造合金鑄造合金 常用材料及熱處理 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工業陶瓷：工業陶瓷：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復合材料：復合材料：由兩種或兩種以上不同性質的材料經 人工組成的多相材料。 n橡橡 膠：膠： 良好的彈性、耐磨、力學性能好 金屬橡膠金屬橡膠以金屬絲為原材料，有橡膠一樣的 性能。 常用材料及熱處理 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： 將鋼在固態范圍內施以不同形式的加熱、保溫和冷卻，從而 改變（或改善）其組織結構，以達

11、到預期性能的操作工藝。 n熱處理的原因：熱處理的原因： 生產過程中，鋼制零件除需要經過各種熱、冷加工工序外， 往往還要在加工工序中進行若干次熱處理，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。 n 熱處理不改變工件形狀，只改變內部組織結構，以獲得不同 的機械性能。 常用材料及熱處理 熱處理方法： 常用材料及熱處理 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

12、能；細化 鋼的晶粒，減少組織的不均勻性；消去工件在 鍛造、鑄造中出現的內應力。 常用材料及熱處理 n2.4.22.4.2、正火：、正火： 將鋼件加熱到臨界溫度以上30 50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，但正火后機械 強度略高。 常用材料及熱處理 n2.4.32.4.3、淬火：、淬火： 淬火是將工件加熱到臨界溫度以上30 50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： 提高鋼的硬度和強度。但急速冷卻引 起內應力，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。 淬火和回火是生產中應用最廣泛的兩種 熱處理工藝。

13、 常用材料及熱處理 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、強度略有降低，但消除了內應力和脆性。 低溫回火：150-250 去應力、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、發條、鍛模 高溫回火：500-650 良好的綜合機械性能（高強度、好 的韌性） 調質處理調質處理 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： 常用材料及熱處理 n2.4.52.4.5、表面淬火：表面淬火： 是利用火焰或高頻感應電流迅速加熱 表面

14、，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， 而內部仍保持足夠的塑性和韌性。 常用材料及熱處理 2.4.6 表面化學熱處理 是將鋼件放在某種化學介質中，通 過加熱、保溫、冷卻的方法使介質中的 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。 常用材料及熱處理 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）介質中，加熱到850950，保溫 一段時間，使碳擴散到鋼表面層內，使 表面層的含碳量達到0.8%1.2%。再經 淬火和低溫回火，從

15、而獲得高硬度和耐 磨性。 常用材料及熱處理 氮化 n將鋼件放入含有氮的介質或利用氨氣加 熱分解的氮氣中，加熱到500620， 持續保溫2050小時，使氮擴散滲入鋼 件表面層內。經氮化處理的鋼件不再經 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。 常用材料及熱處理 2.4.7 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。 常用材料及熱處理 n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。 n

16、分為：分為：鍍鉻 、鍍鎳 、鍍鋅 常用材料及熱處理 化學處理 n金屬零件表面的化學處理主要有氧化和磷化。金屬零件表面的化學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 金屬不受侵蝕，并起美化作用； 常用的有發藍發藍或發黑發黑。 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，可以保護金屬。 常用材料及熱處理 2.5 金屬材料的選材原則金屬材料的選材原則 n1.1.一般原則一般原則 n2.2.工藝性原則工藝性原則 n3.3.經濟性原則經濟性原則 常用材料及熱處理 n1 1、一般原則、一般原則 零件尺寸取決于強度，且尺寸和質 量受限時，選用強度高的材

17、料 零件尺寸取決于剛度，選用彈性模 量大的材料（調質鋼、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 腐蝕介質中工作的零件，采用耐腐 蝕材料 常用材料及熱處理 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。 常用材料及熱處理 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。 常用材料及熱處理 n鍛造性：鍛造性：是指材料在壓力加工時，能改 變形狀而不產生裂紋的性能。 低碳鋼的鍛造性好，鑄鐵沒有鍛造性。 常用材料及熱處理 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。 常用材料及熱處理 n切削加工性：切削加工性： 是指對材