第二章

機械工程常用材料及鋼的熱處理

人類各個社會發展階段的文明程度就是以材料的生產和使用作為人類文明進步的尺度。主要內容第一節概述第二節金屬材料的力學性能第三節常用的工程材料第四節鋼的熱處理第五節表面精飾第六節精密儀器材料選用原則第一節概述機械工程材料金屬材料非金屬材料鋼鐵材料鋼（碳鋼、合金鋼）非鐵金屬鑄鐵無機非金屬材料有機材料塑料橡膠陶瓷（普通陶瓷、特種陶瓷）合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金第二節金屬材料的力學性能在結構設計中，為保證零件正常工作，要涉及強度、剛度問題，這些條件又涉及材料的力學性能。金屬材料的機械力學性能主要包括：彈性模量E、切變模量G、屈服極限、強度極限、硬度、延伸率等。這些性能指標是通過試驗測定的——靜拉伸試驗。靜拉伸試驗--低碳鋼應力-應變曲線標準試件第二節金屬材料的力學性能材料拉伸試驗機應力-應變曲線第二節金屬材料的力學性能Oa段：彈性變形階段ab段：屈服階段bc段：塑性變形階段（強化階段）cd段：頸縮階段冷作硬化應力極限

四個階段彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段三個極限

彈性極限

p

屈服極限

s

0.2

強度極限

b條件屈服極限

鑄鐵第二節金屬材料的力學性能對應某些沒有明顯屈服現象的材料，規定對應于產生0.2%殘余應變時的應力值為屈服強度。強度：材料抵抗破壞（失效）的能力

在靜應力作用下，機械零件的失效形式主要是塑性屈服和脆性斷裂。

強度條件

max[

]

第二節金屬材料的力學性能承受的最大應力為

max允許承受的最大應力值稱為許用應力[

]剛度：材料抵抗彈性變形的能力

彈性模量E

=

/

各種鋼材的E基本相等，故不可以用改變鋼材牌號提高剛度。注意：材料的剛度≠機件的剛度后者應取決于材料和結構兩個方面的因素。對在彈性范圍內要求對能量有較大吸收能力的零件（如儀表彈簧等），可以選擇軟彈簧材料，如鈹青銅、磷青銅等制造，使其具有較

的彈性模量。第二節金屬材料的力學性能塑性：材料破壞時，遺留變形的大小

斷后伸長率：試件拉斷后，標距內的伸長量與標距原長之比 的百分率。

δ>5%為塑性材料

δ<5%為脆性材料

斷面收縮率：試件拉斷后，斷裂處面積的縮小量與原面積之 比的百分率。第二節金屬材料的力學性能δ或

越大，材料的塑性越好。

硬度：材料表面抵抗局部變形的能力，衡量材料 的軟硬程度。

一般材料硬度

，強度和耐磨性

，塑性

。

壓入法測試—布氏硬度HBW

洛氏硬度HRC、維氏硬度HV

硬度是一項綜合力學性能指標，常作為技術要求在零件圖上標注。第二節金屬材料的力學性能影響力學性能的因素

1、含碳量含碳量

，強度和硬度

，但塑性

。

2、合金元素加入某些合金元素，可提高和改善其綜合力學性能，并獲得某些特殊的物理和化學性能。

3、溫度一般，低溫條件下強度有所

，塑性和沖擊韌性

，高溫條件下相反。

4、熱處理工藝第二節金屬材料的力學性能布氏硬度試驗只可用來測定小于HB450的金屬材料；壓痕較大，硬度值比較準確。洛氏硬度測定壓痕很小，并不損壞零件，適于成品檢驗，設備簡單，操作迅速方便；但準確性差，需多點測量取平均；可測定各種金屬材料的硬度。為了從軟到硬的各種金屬材料有一個連續一致的硬度標度，而制定了維氏硬度試驗法；測定較麻煩。一、鋼鐵材料（黑色金屬）1、碳鋼含碳2％以下的鐵碳合金、少量雜質

按質量分數分類：低碳鋼（

0.25%）、中碳鋼（0.25%~0.6%）、高碳鋼（>0.6%）按質量等級分類（S、P的質量分數控制）：普通碳素鋼、優質碳素鋼、高級優質碳素鋼

按質量和用途分類：普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、碳素工具鋼第三節常用工程材料碳鋼的牌號及應用1）普通碳素結構鋼—主要保證力學性能牌號：Q+數字（屈服點數值Mpa）一般不需熱處理，鋼廠供應狀態下直接使用。一般用途，生產過程中對質量控制無特殊規定。

Q195、Q215、Q235鋼的含碳量低，焊接性、塑性、韌性好，有一定強度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等結構或制造普通鉚釘、螺釘、螺母等零件。

Q255、Q275鋼的含碳量比上述高點，故其強度較高，塑性、韌性較好，可進行焊接。通常軋制成型鋼、條鋼、鋼板作結構件以及制造簡單機械的連桿、齒輪、聯軸節和銷子等零件。第三節常用工程材料2）優質碳素結構鋼—同時保證化學成分和力學性能牌號：兩位數字（碳的質量分數的萬分之幾）主要用來制造機器零件，在生產過程中需特別控制質量，一般要經過熱處理提高力學性能。

08、10鋼，塑性、韌性高，具有優良的冷成形性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用來制作儀表外殼、汽車和拖拉機上的冷沖壓件，如汽車車身、拖拉機駕駛室等。

15、20、25鋼用來制作尺寸較小、負荷較輕、表面要求耐磨、心部強度要求不高的滲碳零件，如活塞銷等。

30、35、40、45、50經熱處理（淬火+高溫回火）后可獲得良好的綜合力學性能，即具有較高的強度和較高的塑性、韌性，用來制造齒輪、軸類、套筒等零件。

55、60、65鋼熱處理（淬火+中溫回火）后具有高的彈性極限，主要用來制造負荷不大、尺寸較小的彈簧。第三節常用工程材料3）碳素工具鋼牌號：T+數字（碳的質量分數的千分之幾）

碳素工具鋼經熱處理（淬火+低溫回火）后具有高硬度，用于制造各種要求高硬度和高耐磨性（碳的質量分數一般大于0.7%）的工具，如量具、刀具、磨具等。如T8，T12A（A表示高級優質碳素工具鋼）。第三節常用工程材料第三節常用工程材料碳鋼特點總結：具有較好的機械性能和工藝性能，并且產量大、價格較低。但淬透性較低、回火抗力較差、屈強比低。對于受力不大，基本上承受靜載荷的精密機械零件，均可選用普通碳素結構鋼；當零件受力較大，承受變應力或沖擊載荷時，可選用優質碳素結構鋼。2、合金鋼人為加入Mn（錳）、Ni（鎳）、Si（硅）、Cr（鉻）、W（鎢）、B（硼）、Ti（鈦）、Mo（鉬）、V（釩）、Nb（鈮）、Co（鈷）、RE（稀土）等。具有高的強度、韌性、硬度，高的淬透性、高溫強度和熱硬性，以及某些特殊性能（如耐腐蝕性、耐磨、電磁性能等）。但在壓力加工、切削加工、焊接工藝性方面比碳鋼稍差，且成本較高。第三節常用工程材料第三節常用工程材料3、鑄鐵：強度、塑性及韌性較差；良好的鑄造性能、減摩性能、吸振性能、切削加工性能生產工藝簡單、成本低廉。

灰鑄鐵：HT，C－自由狀態的片狀石墨形式

灰鑄鐵的抗壓強度高于抗拉強度，還具有良好的消震性。但脆性很大，不宜承受沖擊載荷，適于制作只承受靜載荷、在受壓狀態下工作的零件，如汽缸、汽缸套、底座、機床床身、法蘭等。由于石墨的存在，使機件具有良好的耐磨性。

球墨鑄鐵：QT，C－球狀石墨形式，較高的強度和耐磨性，良好的塑性和韌性。

球墨鑄鐵強度高，良好的塑性和韌性，綜合力學性能接近于鋼，成本比鋼低廉，同時還具有與灰鑄鐵類似的優良性能。在一些機件受力復雜、綜合性能要求較高，但無較大沖擊力的場合下，可成功取代某些鋼件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、軸套等。第三節常用工程材料二、非鐵金屬1、銅及其合金：較高的力學性能，良好的耐蝕性、導電和導熱性能

工業純銅

強度低、硬度低、塑性很好

黃銅（銅鋅二元合金）普通黃銅H+銅平均含量如H70

強度高于純銅，很好的變形加工性能，較好的鑄造性能和對大氣和海水的抗蝕能力。常用于制作軸瓦、耐腐蝕零件、形狀復雜的冷沖零件和深拉零件。

青銅

錫青銅，其強度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性均高于黃銅，并有良好的彈性。含錫量小于8%的錫青銅適用于壓力加工，含錫量超過10%的錫青銅適于鑄造；無錫青銅是銅與鋁、鈹、錳等元素的合金。其力學性能以及耐腐蝕、耐磨性能得到改善。如鋁青銅的強度和硬度高，且價格便宜，常用來制造承受重載、耐磨的機械零件；鈹青銅經熱處理后，其強度、硬度、比例極限和疲勞極限均能有較大的提高，以及其他優良性能，是制造某些彈性機械元件的極好材料，但成本較高。第三節常用工程材料2、鋁及其合金：純鋁、變形鋁合金、鑄造鋁合金

鋁資源豐富，其密度小，熔點低，導熱、導電性均良好，塑性高，導磁性差。鋁和鋁合金有相當好的抗大氣腐蝕的能力，但強度不高。鋁合金通過加入合金元素、熱處理可以提高其強度和得到其它優良性能（如耐熱性、耐腐蝕性等）。鋁合金的比強度高（飛機骨架、蒙皮等），塑性好（薄壁、形狀復雜、尺寸精度高的零件）。鋁合金不耐磨，可鍍鉻提高耐磨能力。變形鋁合金：防銹鋁，硬鋁-中等強度的構件和零件，超硬鋁-受力大的重要構件，鍛鋁合金；

鑄造鋁合金（熔點一般600

C）：制品應用廣（氣缸體、活塞、風扇葉片、儀表外殼等）。第三節常用工程材料3、鈦及其合金

鈦和鈦合金的密度都很小（4.5×103kg/m3），比鋁高，但強度比鋁高兩倍（

高的比強度）。高低溫性能好（500C，-253C），并具有良好的抗腐蝕性（大氣、海水、硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等介質中都很穩定）。鈦還具有“親生物”性（在人體內，能抵抗分泌物的腐蝕且無毒，對任何殺菌方法都適應）。

切削性能差，易粘刀。價格昂貴。工業鈦合金按使用狀態組織不同，可分為

鈦合金、

鈦合金、（

+

）鈦合金（應用最高，可通過熱處理強化，得到優良的力學性能，且生產工藝較簡單）。是航空、航天、化工、造船、機電、醫療衛生和國防等部門應用廣泛的一種工業新金屬。第三節常用工程材料三、非金屬1、工程塑料以天然或人造樹脂為主要成分，再加入各種添加劑制成的高分子有機物。分類：熱固性塑料酚醛塑料、環氧樹脂熱塑性塑料尼龍，聚四氟乙烯、ABS塑料特點：低強度、低剛度、低硬度，密度小，比強度高（于金屬材料），良好的抗蝕性（耐酸、堿、油、水等），優良的電絕緣性（電器工具、殼體、支架多采用），耐磨、自潤滑性好（可在液體、半干和干摩擦狀態下有效工作，制造軸承、軸瓦等），工藝性好（易熱壓成形，部分熱固性塑料有較好的切削加工性），生產率高，加工成本低，此外還減振、隔音、防潮、易粘接等。但耐熱性差，易發生蠕變，導熱性差，易老化。第三節常用工程材料2、橡膠

高彈性（彈性材料、密封材料、減振防振材料、傳動材料）、良好的絕緣性（導線、電纜絕緣件、熱縮管）、耐磨性、隔音性和阻尼性（廣泛用來制作輪胎、傳送帶、電纜、電線、密封墊圈以及減震件）。最大缺點易老化，難回收（污染）。需盡量避免氧化、光照和高低溫，非工作期間盡量處于松弛狀態，避免與酸、堿、汽油、有機溶劑等的接觸。第三節常用工程材料3、人工合成礦物1）剛玉俗稱寶石（Al2O3），很硬（僅次于鉆石）。在儀器儀表和鐘表行業多使用紅寶石微型軸承，因其彈性模量、硬度很高，故可將軸承孔加工得十分光潔，使之與鋼制軸頸之間的摩擦系數很小，則工作時摩擦損耗很小，可長期保持原始精度，提高使用壽命。2）石英透明的晶體（SiO2），具有壓電效應，可制作多種傳感器；石英晶片（當晶片的固有頻率與外加電場的交電頻率相同時，晶片會產生諧振）用作振蕩器。3）玻璃

硬而脆的透明體，為滿足光學設計的多種要求，光學玻璃有復雜的組成和嚴格的熔煉過程，大多以SiO2為主組成（硅酸鹽玻璃），其次有硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃。第三節常用工程材料30一、鋼的熱處理加熱、保溫、冷卻改變金屬整體或表面組織，獲得所需性能。二、種類

1、普通（整體）熱處理：退火、正火、淬火、回火

2、表面熱處理和化學熱處理：感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解加熱、滲碳、氮化、碳氮共滲

3、其他熱處理第四節鋼的熱處理31（1）退火：加熱、保溫、隨爐冷卻目的：

硬度、

塑性、細化晶粒、消除內應力

一般安排在鍛造、鑄造之后，粗切削加工之前，以消除前一工序產生的某些缺陷，為后續工序做好組織準備。（2）正火：加熱、保溫、空氣冷卻目的：同退火，較高的力學性能（強度和硬度>退火）正火操作簡便、生產周期短、效率高、成本低（相同性能要求優選正火）。

退火和正火為預備熱處理，可以改善切削性能。對性能要求不高的普通結構鋼零件，正火也可作為最終熱處理。第四節鋼的熱處理32（3）淬火：加熱，保溫，水、油或鹽水冷卻目的：提高零件的硬度和耐磨性，強化材料。但淬火后，出現內應力，材料變脆，須回火。淬火是強化鋼的最重要的方法。重要的結構件，特別是動載荷與摩擦力作用下的零件，以及各類工具都要進行淬火。方法

單介質淬火內應力大或淬透性差，操作簡單，應用廣泛，主要用于形狀簡單工件。

雙介質淬火相對較小的內應力和較高的淬透性，操作復雜，主要用于中等復雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。第四節鋼的熱處理

33（4）回火：零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，保溫，以一定速度冷卻。目的：消除內應力，穩定組織，調整性能，達到設計圖紙要求的硬度。(常是熱處理的最后一道工序)回火工藝的種類：低溫回火（150～250

C）應力和脆性，韌性和塑性,保持高強度和耐磨性（58~62HRC）；多用于工具、模具、軸承及表面淬火件。中溫回火（350～500

C）應力和脆性，韌性和塑性,

硬度(35~50HRC)和耐磨性；多用于彈性元件。高溫回火（500～650

C）

可完全消除淬火應力，具有良好的綜合力學性能，硬度一般（25~35HRC）。調質處理=淬火＋高溫回火重要的尤其受交變載荷的零件（軸、連桿、齒輪等）的最終熱處理，以及表面淬火件、某些精密零件和工具的預備熱處理。

第四節鋼的熱處理34（5）表面熱處理：僅對鋼的表面進行加熱和冷卻而不改變其成分的熱處理工藝。目的：提高零件的表層的硬度和耐磨性。（表面淬火）方式：

感應加熱：利用交流電的集膚效應，對零件進行加熱，并通過控制電流頻率得到不同的淬硬層深度。

火焰加熱：利用火焰加熱工件表面，然后立即用水噴射冷卻。調節燒嘴的位置和移動速度即可得到不同厚度的淬硬層。第四節鋼的熱處理35（6）化學熱處理將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學成分和組織，達到改進表面性能、滿足技術要求的熱處理過程。目的：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和疲勞強度等力學性能。按表面滲入元素的不同，分為滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲硅、滲金屬等種類。第四節鋼的熱處理36表面淬火與化學熱處理的比較第四節鋼的熱處理37Fe－Fe3C相圖38奧氏體連續冷卻時的組織轉變45號鋼加熱到840

C，以不同方法冷卻后的力學性能39感應加熱表面淬火零件的工藝路線一般為：毛坯鍛造（或軋材下料）——退火或正火——粗加工——調質（獲得較高的綜合力學性能）——精加工——感應加熱表面淬火——低溫回火（

淬火應力）——磨削加工。第四節鋼的熱處理加熱時間短，變形小，硬度高，脆性低，生產率高，易機械化、自動化，適宜大批量生產；但設備昂貴，且難以處理復雜形狀零件。

主要用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的零件（如40MnB、40Cr、40、45等）。40

同感應加熱相比，火焰加熱表面淬火設備簡單，成本低廉，但生產率低，質量難以保證（易過熱）。主要用于單件或小批量生產的零件或大型零件。第四節鋼的熱處理41氣體滲碳法示意滲碳零件的工藝路線一般為：毛坯鍛造（或軋材下料）——正火——粗加工、半精加工——滲碳——淬火——低溫回火——精加工（磨削加工）。適用：低碳鋼、低碳合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi等。滲碳后的工件還需進行淬火和回火處理，保證表硬（58~64HRC）芯軟。42

目前廣泛應用的是氣體氮化，一般在500~570

C以下進行。結束后隨爐降溫至200

C以下，停氣出爐。氮化溫度較低，零件產生變形較小，疲勞強度高，很好的耐蝕性，更高的硬度68~72HRC和耐磨性、熱硬性。氮化后不需熱處理。但氮化層薄而脆，不耐沖擊和振動，且過程工藝復雜，時間長，成本高。

一般用于耐磨性和精度都要求很高的精密零件，或要求耐熱和抗腐蝕的耐磨件，如發動機氣缸、排氣閥、內齒輪、精密絲杠、模具等。

滲氮零件的工藝路線一般為：毛坯鍛造——退火——粗加工——調質——精加工——去應力退火——粗磨——鍍錫（非滲氮面保護）——滲氮——精磨或研磨。第四節鋼的熱處理表面精飾在金屬零件表面附一層覆蓋層，防蝕、裝飾等。

電鍍：鍍鉻、鍍鎳、鍍鋅、鍍鎘、鍍銀

利用電解作用在機械制品上沉積出附著良好的、但性能和基本材料不同的金屬或合金覆層。電鍍能增強金屬的抗腐蝕性、增加硬度、耐磨和表面美觀，或增加導電、光反射等性能。

第五節表面精飾鍍鉻扳手1、鍍鉻鉻鍍層的化學穩定性高，外觀顏色好，在潮濕大氣中顏色不改變，且有較高的硬度和耐磨性。鉻鍍層在拋光后具有很高的光潔度，對光反射率很高。鉻的滲透能力和擴散性較差，因此不適合鍍復雜的零件。第五節表面精飾世界上首臺鍍鉻寶馬M32、鍍鎳鎳在大氣中性質十分穩定，對堿、弱酸和各種鹽類均有較高的抵抗能力，并具有良好的導電性。鍍鎳層一般作為鍍鉻層的底層和導電零件和彈性元件的保護層。但鎳有磁性，因此不適宜鍍防磁零件。鍍鎳銅球閥第五節表面精飾鋼芯鍍鎳第四套人民幣1元硬幣鍍鋅鋼板3、鍍鋅鍍鋅層屬陽極鍍層，可保護鐵不受腐蝕，對鋼制零件能起電化學保護作用，在潮濕大氣及含工業廢氣的環境中，鋅比鎘防腐能力強。鋅鍍層具有中等的硬度，但耐磨性較低。第五節表面精飾鍍鎘游泳眼鏡4、鍍鎘鍍鎘層對堿和稀硫酸的化學穩定性好。主要用于直接受海水作用和飽含海水蒸汽的大氣條件下的零件。第五節表面精飾5、鍍銀具有良好的化學穩定性和導電性，拋光后可達90％以上的反射率。但氯氣、硫化物與銀作用后可使其變黑，不宜鍍在直接與橡膠接觸的零件上。在需要高反射率的場合，可在鍍銀層背后加一層保護涂層，以避免其變黑而影響反射率。鍍銀工藝品第五節表面精飾鍍銀奔馳SLSAMG化學處理：氧化和磷化

氧化是在零件表面上形成氧化膜的工藝過程；

磷化是在零件表面上生成在大氣中穩定的磷酸鹽膜。

第五節表面精飾1、黑色金屬的氧化和磷化黑色金屬的氧化膜很薄，厚度約1.5μm，不影響零件的尺寸精度。保護能力差，僅適用于儀器內部的零件。魚尾釘（發藍處理）第五節表面精飾2、鋁及鋁合金的陽極氧化用于保護和裝飾性覆蓋層，在大氣條件下極為穩定，與基體金屬結合牢固，耐熱性好，膜層較硬且耐磨，是涂漆的良好底層。經鈍化處理后，可提高化學穩定性。不能用于鑲有鋼、銅及銅合金的鋁及鋁合金零件上。鋁合金（陽極氧化）第五節表面精飾3、銅及銅合金氧化膜層為黑色，與基體金屬結合牢固，但耐磨性和防腐能力不強，在大氣條件下容易變色。黃銅用氨溶液氧化后能獲得良好的氧化膜層，但膜層薄、穩定性差。由于其表面不易附著灰塵，因此適用于與光學零件接觸的零件及形狀復雜的零件。電解氧化的膜層較厚，穩定性強，但易附著灰塵，故不宜用于與光學零件接觸的零件。第五節表面精飾三、涂漆

涂漆是在金屬制品的表面上刷以清漆或瓷漆的薄膜，使制品表面與外界環境中的有害物質隔離，從而對制品起保護和裝飾作用。產生消光或絕緣作用。第五節表面精飾第六節精密儀器材料選用原則使用要求——必要的性能條件，首選條件

主要指零件在使用狀態下應具有的力學性能、物理性能和化學性能。選用材料的一般原則：1）若零件的尺寸取決于強度，且尺寸和質量又受到某些限制時，應選用強度較高的材料。2）若零件的尺寸取決于剛度，則應選用大彈性模量材料。截面積相同時，改變其形狀可改變其剛度。3）若零件的尺寸取決于接觸強度，應選用表面強化處理的材料。4）滑動摩擦下工作宜選減摩性能好材料。高溫工作下宜選耐熱材料。腐蝕介質中工作宜選耐腐蝕材料。工藝要求——第二要求

金屬材料—鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能經濟要求

材料本身費用、加工費用、環境費用、能源消耗費用等。第六節精密儀器材料選用原則齒輪類零件

傳遞功率和調節速度，工作時周期性承受彎曲應力和接觸應力，嚙合齒面有強烈摩擦，在換擋、啟動或嚙合不均勻時承受沖擊力等。故齒輪材料要求較高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面較高的硬度和耐磨性，齒心足夠的強度和韌性。齒輪毛坯常用鋼鍛制，常用