常用材料及热处理.ppt

第2章 机械工程常用材料及钢的热处理,2.1 金属材料的力学性能,2.1.1 强度与塑性,强度 是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度极限 和屈服极限 是表征强度的主 要性能指标。 屈服极限：是材料发生屈服现象时的应力。 强度极限：是材料发生断裂前所能承受的最大应力。,如何选择？,刚度,刚度：是指材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E：在弹性变形范围内，应力与应变的比值；是表征材料刚度的主要性能指标。,塑性,塑性：塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不产生断裂的能力。工程上一般用材料被拉断后所留下的残余变形来表示材料的塑性，一般用两个指标来表示：,塑性指标,延伸率,收缩率,越大 塑性越好,2.1.2 硬度,硬度： 材料抵抗压入物压陷的能力。即：材料对局部塑性变形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分别为： HR和HB。,HB硬度,HB450,HR硬度,HB450,2.1.3 韧性,材料抵抗冲击载荷和变载荷的能力。 韧性在冲击载荷作用下，材料抵抗破坏的能力。,2.1.4线膨胀系数,温度变化1摄氏度时零件单位长度的线伸长量,2.2 常用金属材料,铸铁 碳素钢 合金钢 有色金属材料,常用金属材料,2.2.1 铸铁： 是含碳量大于2.11%的铁碳合金。 性能： 具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且价格低廉，生产设备简单。因此，它是应用最多的一种金属材料。 分类：（1）灰口铸铁(如：HT150)； （2）可锻铸铁（如：KT3006）； （3）球墨铸铁（如：QT6003）； （4）合金铸铁（用于耐热、耐磨、耐蚀等）。,2.2.2 碳素钢,通常把含碳量在0.02%-2.11%之间的铁碳合金称为碳素钢。 碳素钢中长存的杂质： 硅(Si)、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）。,碳素钢分类,含碳量 1.低碳钢(0.6%),质量 1.普通碳素钢(S0.055% P0.045%) Q195 2.优质碳素钢(S0.045% P0.04%) 30 45 3.高级优质碳素钢(S0.03% P0.035%),用途 1.碳素结构钢(C 0.038%) 2.优质碳素结构钢(S P0.035%) 3.碳素工具钢(C 0.71.35%) T10,碳素钢命名方法,1.碳素结构钢（普通碳素结构钢） 标志符号Q+最小值 等级符号+脱氧程度符号 Q235BF 屈服点强度235MPa B级 碳素 沸腾钢 2.优质碳素结构钢(S P0.035%) 两位数字（万分） 10F 含碳0.1% 优质碳素结构沸腾钢 08 10 15 20 25 30 35 45 50 55 60 65 70 75 (08-70/10000) 3.碳素工具钢(C 0.71.35%) 一位或两位数字 （千分） T10(C 10/1000) T7(C 7/1000),为了改善钢的性能，专门在钢中加入一种或数种合金元素的钢叫做合金钢。 合金元素的种类： 铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、硅（Si）、硼（B）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、锆（Zr） 和稀土元素（Re）等。 目的：使钢获得一般碳素钢达不到的性能，如硬度、强度、塑性和韧性等；提高耐磨、防腐、防酸性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等。,2.2.3 合金钢,合金钢分类,合金元素含量 1.低合金钢(全部合金元素10%),合金种类 铬钢、锰钢、铬镍钢,用途 1.合金结构钢 2.合金工具钢 3.特殊性能结构钢,用途 1.合金结构钢 综合机械性能好，高强高韧。 牌号 “两位数字（万分）+合金元素符号+数字（百分）“ 渗碳钢 C 0.15%0.25% 用于表面耐磨并承受 动力载荷的零件 齿轮 轴 销 20Cr、20Mn2 调质钢 C 0.25%0.50%用于制造高强度、高韧 性的零件 主轴 齿轮 40Cr、40Mn2 弹簧钢 C 0.6%0.7%用于制造各类弹性零件 60Si2Mn 轴承钢 C 0.95%1.1%用于制造滚珠、滚柱、套 圈、导轨等 GCr15 牌号不同(15/1000),用途 2.合金工具钢 制造刃具、磨具和量具 牌号 “一位数字（千分）+合金元素符号+数字（百分）“ 1.刃具钢 高的硬度、耐磨性、热硬性 W18Cr4V 2.模具钢 热模具钢 冷模具钢 5CrMnMo (C 5/1000) Cr12 3.量具钢 硬度、耐磨性、不易变形、工艺性好 GCr15 CrWMn 9SiCr,用途 3.特殊性能钢 牌号 “一位数字（千分）+合金元素符号+数字（百分）“ 1.不锈钢 2Cr13 1Cr18Ni9 2.耐热钢 15CrMo、4Cr9Si2 3.耐磨钢 ZGMn13,2.2.4 有色金属材料（狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称 ）,与钢、铁相比，有色金属的强度较低。应用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化学性能，如： 铝、镁、钛及其合金密度小，重量轻； 铜、铝及其合金导电性好，减摩耐磨性好； 镍、钼及其合金能耐高温等。 因此，工业上除大量使用黑色金属外，有色金属也得到广泛的应用。有色金属及其合金种类繁多。,铜及其合金 1. 纯铜（紫铜） 2. 黄铜（铜 锌合金） 3. 青铜（铜 锡 铅合金）,铝及其合金 铝合金有足够的强度、较好的塑性和良好的抗腐蚀性，且多数可以热处理强化。 纯铝的密度约为铁的1/3 铝合金主要分形变合金和铸造合金,2.3 常用非金属材料,工程塑料：聚酰胺（尼龙）、聚甲醛等。 热塑性塑料和热固性塑料 工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等。 高抗压、高硬度、低抗拉、抗高温、绝缘好 复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料经 人工组成的多相材料。 橡 胶： 良好的弹性、耐磨、力学性能好 金属橡胶以金属丝为原材料，有橡胶一样的 性能。,2.4 金属材料的热处理,钢的热处理： 将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，从而改变（或改善）其组织结构，以达到预期性能的操作工艺。 热处理的原因： 生产过程中，钢制零件除需要经过各种热、冷加工工序外，往往还要在加工工序中进行若干次热处理，以改善钢的加工工艺性能，提高钢的机械性能，增加寿命、耐磨性等。 热处理不改变工件形状，只改变内部组织结构，以获得不同的机械性能。,热处理方法：,2.4.1、退火：（锻、铸造后，粗加工前） 将钢件加热到临界温度以上2030度，经保温一段时间后随热处理炉（或埋入石灰石、沙中冷却）缓慢冷却至500度以下，然后在空气中冷却。 目的： 降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒，减少组织的不均匀性；消去工件在锻造、铸造中出现的内应力。,2.4.2、正火： 将钢件加热到临界温度以上3050度，保温一段时间后从炉中取出，在空气中冷却。 目的： 正火和退火相似，但正火后机械强度略高。,2.4.3、淬火： 淬火是将工件加热到临界温度以上3050度，保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。 目的： 提高钢的硬度和强度。但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较高的强度、硬度和韧性。,淬火和回火是生产中应用最广泛的两种热处理工艺。,2.4.4、回火： 将淬火后的工件加热到临界温度以下，保温一定时间后，在空气、水或油中冷却。 目的： 硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。 低温回火：150-250 去应力、高硬度、耐磨、 刃具，模具，滚动轴承，耐磨件。 中温回火：350-500 高弹性、高韧性、 弹簧、发条、锻模 高温回火：500-650 良好的综合机械性能（高强度、好 的韧性） 调质处理 疲劳载荷的中碳钢重要零件，连杆、曲轴、主 轴、齿轮、重要螺钉 时 效：,2.4.5、表面淬火： 是利用火焰或高频感应电流迅速加热表面，然后立即淬火。 目的： 是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而内部仍保持足够的塑性和韧性。,2.4.6 表面化学热处理,是将钢件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却的方法使介质中的某些元素渗入钢件表面，改变了表面层的化学成分，从而使其表面具有与内部不同的特殊性能。一般都是使表面获得高硬度、高疲劳极限，以及耐磨、防腐蚀性能。,渗碳,将低碳钢工件放在大量含碳的固体（木炭粉和碳酸盐）或气体（天然气、煤气等）介质中，加热到850950，保温一段时间，使碳扩散到钢表面层内，使表面层的含碳量达到0.8%1.2%。再经淬火和低温回火，从而获得高硬度和耐磨性。,氮化,将钢件放入含有氮的介质或利用氨气加热分解的氮气中，加热到500620，持续保温2050小时，使氮扩散渗入钢件表面层内。经氮化处理的钢件不再经淬火便具有很高的表面层硬度及耐磨性，并大大提高疲劳极限、耐腐蚀性能、抗胶合性及耐热性。,2.4.7 金属零件的表面处理,表面处理: 是在金属表面附上一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。 通常分电镀、化学处理和涂漆三种。,电镀: 是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀上一薄层其它金属或合金的过程。 分为：镀铬 、镀镍 、镀锌,化学处理,金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。 氧化: 是零件表面形成该金属的氧化膜，以保护金属不受侵蚀，并起美化作用； 常用的有发蓝或发黑。 磷化: 是在金属表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。,2.5 金属材料的选材原则,1.一般原则 2.工艺性原则 3.经济性原则,1、一般原则 零件尺寸取决于强度，且尺寸和质量受限时，选用强度高的材料 零件尺寸取决于刚度，选用弹性模量大的材料（调质钢、渗碳钢） 滑动摩擦下工作的零件，选用减摩性能好的材料 高温条件下的零件，采用耐热材料 腐蚀介质中工作的零件，采用耐腐蚀材料,2、工艺性原则 是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。 用金属制造零件的加工方法基本上有四种：铸造、压力加工（锻造、冲压）、焊接和机械切削加工（车、铣、刨、磨、钻等）。 不同加工方法使用的材料不同：比如铸铁具有很好的铸造工艺性，但不能锻造。,各种工艺方法对材料提出的要求,铸造：将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后而得到的一定形状和性能的铸件的方法。 铸造性：是指浇注时液态金属的流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向等。 灰口铸铁和青铜有良好的铸造性能。,锻造性：是指材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。 低碳钢的锻造性好，铸铁没有锻造性。,焊接性： 是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得良好焊缝的性能。 低碳钢的焊接性能好，高碳钢和铸铁的焊接性能差。,切削加工性： 是指对材料进行切削加工的难易程