机械基础：第03章机械工程材料.ppt

第3章 机械工程材料,3.1金属材料的性能 使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。 金属材料的性能 工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来 的性能。 使用性能 1.物理性能 化学性能 力学性能 铸造性 焊接性 2. 工艺性能 锻压性 切削加工性 热处理性,第3章 机械工程材料,3.1金属材料的性能 3.1.1 金属材料的物理性能 金属的物理性能是金属固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和 磁性等。 3.1.2 金属材料的化学性能 金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化 学稳定性等。 1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧化、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。 2.抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 3.化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。,第3章 机械工程材料,3.1金属材料的性能 3.1.3 金属材料的力学性能 1.力学性能:金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能。 2.载荷：金属材料在使用及加工中所受外力称为载荷。 3.载荷分类：根据载荷作用性质的不同，可以分为静载荷、冲击载荷及疲劳载荷等三种。 4.力学性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 强度 强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。常用的强度有： 抗拉强度（b）和屈服点（s）。抗拉强度和屈服点可以通过拉伸试验测定。 塑性 金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标： 延伸率（）和断面收缩率（）。 硬度 金属材料抵抗局部变形（特别是塑性变形）、压痕或划痕的能力称为硬度。,第3章 机械工程材料,3.1金属材料的性能 3.1.3 金属材料的力学性能 硬度是衡量金属材料软硬的一个重要指标。常用测量硬度的试验方法有压入硬度试验法。 常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。 韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。常用一次摆锤冲击弯曲试验测定金属材料的韧性。冲断试样时，在试样横截面的单位面积所消耗的功称为冲击韧性。常用 k表示，单位为J/cm2。多次小能量冲击的，其冲 击抗力主要取决于材料的强度和韧性。 疲劳强度 金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。一般情况下，钢铁材料用107次，对非铁金属用108次所能承受的最大应力表示疲劳强度，对称循环强度用-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性。因此要改善零件的结构形状。,第3章 机械工程材料,3.1金属材料的性能 3.1.3 金属材料的力学性能 表3.1 常用金属材料的力学性能指标,第3章 机械工程材料,3.1金属材料的性能 3.1.4 金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能:是指在各种加工条件下表现出来的适应能力。 1.铸造性能 金属及合金成型获得优良铸件的能力称为铸造性能。灰铸铁比铸钢的铸造性好。 2.锻压性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻压性能。一般情况下，低碳钢的锻压性最 好，中碳钢次之，高碳钢较差。 3.焊接性能 金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性能。 一般情况下，低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性较差。 4.切削加工性能 金属材料切削加工的难易程度称为切削加工性能。铸铁比钢切削加工性能好，碳钢比合金钢 切削性能好。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.1 碳素钢 碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。 1.碳素钢的分类 （1）按钢的含碳质量分数分类 低碳钢 含碳质量分数Wc0.25% 中碳钢 含碳质量分数Wc=0.250.60% 高碳钢 含碳质量分数Wc0.6% （2）按钢的质量分类 根据钢中含有害元素磷、硫质量分数划分。 普通碳素钢 Ws0.035%，Wp0.035% 优质钢 Ws0.030%，Wp0.030% 高级优质钢 Ws0.020%，Wp0.025%,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.1 碳素钢 碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。 1.碳素钢的分类 （3）按用途分类 碳素结构钢：用于制造各种机械零件和工程结构件。这类钢一般属于低碳、中碳钢。 碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具和模具。这类钢一般属于高碳钢。 （4）按脱氧方法分类 沸腾钢：不完全脱氧。 镇静钢：完全脱氧。 半镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间。 在实际使用中，钢厂在给钢的产品命名时，往往将成分、质量和用途三种分类方法结合起 来，如将钢称为优质碳素结构钢、高级优质碳素工具钢等。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.1 碳素钢 2.碳素钢 （1）碳素结构钢 根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。 普通碳素结构钢 牌号：普通碳素结构钢的牌号由 “Q”（表示屈服点的汉语拼音字首）、一组数据（表示屈服 强度，单位MPa）、质量等级符号（质量分A、B、C、D四个等级）和脱氧方法符号（F沸 腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静钢，通常Z、TZ可省略）四个部分按顺序组 成。例如Q235AF表示脱氧方法为沸腾钢、质量等级为A级、屈服强度为235MPa的普通碳 素结构钢。 用途：碳素结构钢Q195、Q215、Q235塑性好、焊接性好、强度较低，主要用于工程结构和 制造受力不大的机器零件 ；Q255、Q275的强度较高，可用于制作受力中等的普通零件。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.1 碳素钢 2.碳素钢 （1）碳素结构钢 优质碳素结构钢 牌号：优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字代表钢的平均含碳质量分数的万 之一。例如45表示平均含碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。 按照钢中锰的含量不同，可分为普通含锰量钢（WMn0.80%）和较高含锰量钢（WMn =0.7%1.2%）两种，如果是后一种钢，则在两位数字后面加上Mn，如45Mn表示平均含碳 量分数为0.45%的较高锰优质碳素结构钢。 用途：优质碳素结构钢既保证力学性能又保证化学成分，而且钢中的有害杂质硫、磷质量分 数较低，质量较高，故广泛用于制造较重要的零件。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.1 碳素钢 3.碳素工具钢 由于碳素结构钢要求高硬度和高耐磨性，故工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，都是优 质钢和高级优质钢。 牌号：以汉语拼音字母“T”后面加阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳质量分数的 千分之几。 例如T8表示含碳质量分数为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后 面标以字母A，如T12A表示平均含碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢 。 用途：主要用于制造刃具、模具、量具以及其他工具,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 合金钢：为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、 镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。 1.合金钢的分类 （1）按用途分 合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。 合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具。 特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 （2）按所含合金元素总含量分 低合金钢 合金元素总含量5% 中合金钢 合金元素总含量510% 高合金钢 合金元素总含量10%,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 2.合金结构钢 合金结构钢按用途可分为：低合金结构钢和机械制造用钢两大类。 （1）合金结构钢牌号表示方法： 合金结构钢的牌号采用两位数字（表示平均含碳质量分数万分之几）+元素符号（表示钢中 含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，凡合金元素含量1.5%时不标出；如果平 均含量为1.52.5%时，则标为2；如果平均含量为2.53.5%时标为3；以此类推）。 （2）低合金结构钢 低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具 有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶、车辆等领域。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 （3）机械制造用钢 合金渗碳钢：指用于制造渗碳零件的钢。 合金渗碳钢的含碳质量分数WC=0.100.25%，加入合金元素主要有铬（WCr2%）、镍 （WNi4%）、锰（WMn2%）等，经过渗碳后，再进行淬火+低温回火，从而达到表面 高硬度、高耐磨性和心部高强度并有足够韧性。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。 合金调质钢 合金调质钢：一般指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的合金结构钢，合金调质钢的 基本性能是具有良好的综合力学性能。合金调质钢的含碳质量分数一般在0.250.50%之间， 主加合金元素有铬、镍、锰、硅等，以增加淬透性，同时还能起固溶强化作用。 用途：用于制造重载作用下同时承受冲击载荷作用的一些重要零件。一般的热处理方法是淬 火后高温回火，如果除要求材料具有良好的综合力学性能外还要求表面层有良好的耐磨性， 对调质处理零件还要进行表面淬火及低温回火处理。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 （3）机械制造用钢 合金弹簧钢 定义：合金弹簧钢是用于制造各种弹簧的专用合金结构钢。 基本性能：是具有高的弹簧极限、高疲劳强度，足够的塑性和韧性，良好的表面质量。 合金弹簧钢的含碳质量分数一般在0. 5%0.7%之间。 用途：合金弹簧钢主要适用于各种机构和仪表、弹性元件。 热处理方法：淬火后进行中温回火处理。 滚动轴承钢 定义：滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚动体和内外套圈的专用钢。 基本性能：是具有高的接触疲劳强度、高硬度和高耐磨性，高的弹性极限和一定的冲击韧 性，并有一定的抗蚀性。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 （3）机械制造用钢 滚动轴承钢 用途：常用于制造刃具、冷冲模具、量具以及性能要求与滚动轴承相似的零件。 热处理方法：球化退火、淬火和低温回火。 牌号：为表示钢的用途在钢号前冠以汉语拼音，而不标出含碳质量分数，铬的含量用千分之 几表示，其余元素含量仍与其他合金结构钢表示方法相同。如GCr15表示为含铬质量分数为 1.5%的滚动轴承钢。GCr15SiMn表示含铬质量分数为1.5%，含硅、锰质量分数均小于 1.5%的 滚动轴承钢。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 3.合金工具钢 定义：合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善性能，再加入适量的合金元素的钢。 基本性能：比碳素工具钢具有更高硬度、耐磨性、更好的淬透性、红硬性和回火稳定性等。 用途：可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。 分类：合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 （1）合金工具钢的牌号 一位数字（表示平均含碳质量分数的千分数）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+ 数字（表示合金元素含量，表示方法与合金结构钢相同）。 如9SiCr表示其中平均含碳质量分数为0.9%，Si、Cr的质量分数都小于1.5%的合金工具钢,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 3.合金工具钢 (2)刃具钢 低合金刃具钢 定义：低合金刃具钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素（一般为3%5%）形成的钢。 基本性能：硬度、耐磨性、强度和淬透性都比碳素工具钢好。 用途：主要适宜于制造形状复杂、尺寸较大、切削用量较大的刀具，如车刀、刨刀、钻 头、铰刀等。 常用热处理的方法：球化退火、淬火加低温回火。 高速钢 定义：高速钢是一种红硬性、耐磨性较高的高合金工具钢。 基本性能：红硬性高达6000C，有高的强度、硬度、耐磨性和淬透性。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 3.合金工具钢 (2)刃具钢 高速钢 用途：主要适宜于制造切削速度较高的刃具（如车刀、钻头等）和形状复杂、负载较重的 成形刀具（如铣刀、拉刀等）。此外高速钢还可用于制造冷冲模、冷挤压模以及某些耐磨 零件。常用的高速钢有钨系高速钢，如W18Cr4V；钼系高速钢，如W6Mo5Cr4V2等。 (3)模具钢 定义：主要用来制造各种模具的钢称为模具钢。 冷变形模具钢 用于制造冷态金属成形的钢称为冷变形模具钢。如冷冲模、冷压模等。冷变形模具钢的性 能特点是高的硬度和高耐磨性，具有足够的强度、韧性和疲劳强度。 常用的冷变形模具钢有9SiCr、Cr12和Cr12MoV等。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 3.合金工具钢 热变形模具钢 用于制造使金属在高温下成形的模具。如热锻模、压铸模等。性能特点是在高温下能保持 足够的强度、韧性和耐磨性，以及较高的抗热疲劳性和导热性。 其最终热处理一般为淬火后中温或高温回火。 目前常采用5CrMnMo和5CrNiMo制作热锻模，采用了3Cr2W8制作热挤压模等。 （4）合金量具钢 定义：合金量具钢是用于制造测量工具（如游标卡尺、千分尺、塞规、量规等）的钢。 主要性能：高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。 一般采用微变形钢制造精度要求较高的量具，如CrWMn、CrMn、GCr15等。一般的量具 可以用碳素工具钢、合金工具钢和滚珠轴承钢来制造。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 4.特殊性能钢 定义：特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。 （1）不锈耐酸钢 不锈耐酸钢是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢，又称为不锈钢。常用的不锈钢主 要有铬不锈钢和铬镍不锈钢。 铬不锈钢 用途：铬不锈钢主要用于制造在海水、蒸气、酸性环境下工作的零件。 常见牌号：1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13，常称为Cr13型不锈钢。 常用的热处理方法：淬火+低温回火。 用途：1Cr13、2Cr13适于制造汽轮机叶片、水压机阀等。3Cr13、4Cr13适于制造弹簧、医 疗器械及在弱腐蚀条件下工作而要求高强度的耐蚀零件。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 4.特殊性能钢 铬镍不锈钢 定义：铬镍不锈钢主要用于制造在强腐蚀介质（硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等）中工 作的设备。 常见的牌：0Cr18Ni9 、1Cr18Ni9。 用途：适于制造吸收塔、贮槽、管道及容器等。 （2）耐热钢 钢的耐热性是高温抗氧化性和高温强度的总称。耐热钢通常分为抗氧化钢和热强钢。抗氧 化钢主要用于如加热炉底板、渗碳箱等的零件，常用牌号有4Cr9Si2、1Cr13SiAl。热强钢 主要适用于高温强度的汽油机、柴油机的排气阀、汽轮机叶片、转子等。常见牌号有 15CrMo、4Cr14Ni4WMo。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.2 合金钢 4.特殊性能钢 （3）耐磨钢 定义：耐磨钢是指在强烈冲击载荷下发生冲击硬化，从而获得很高的耐磨性的高锰钢。 牌号：这种钢基本上都是铸造成型的。因而钢号写成ZGMn13即铸造高锰钢。 用途：主要用于制造铁路道岔、坦克覆带、挖土机铲齿等。 3.2.3 铸铁 定义：铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。 分类：根据碳在铸铁中的存在形式和形态不同，铸铁可分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸 铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。 1.灰铸铁 定义：灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色，故称灰铸铁。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.3 铸铁 1.灰铸铁 牌号：以“HT加数字组成”表示，其中“HT”是“灰”与“铁”的汉语拼音字首表示灰口铸铁，数 字表示其最低的抗拉强度。如HT100表示最低抗拉强度为100MPa的灰铸铁。热处理可以改 变灰铸铁的基体组织，但不能改变其石墨形态和分布，因而对提高灰铸铁的力学性能作用 不大。 2.可锻铸铁 铸铁中石墨呈紧密的团絮状，它是用白口铸铁经长期退火后获得的。由于石墨呈团絮状， 大大减轻了对基体的割裂作用。因此这种铸铁强度较高，韧性好。并由此得名“可锻”，但 实际上并不可锻。 分类：可锻铸铁有黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。 牌号：由“KTH”、“KTZ”及后面的两组数字组成。其中“KT”是“可铁”二字的汉语拼音字 首，“H”表示黑心，“Z”表示以珠光体为基体。其后两组数字分别表示最低抗拉强度b和 最低延伸率。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.3 铸铁 3.球墨铸铁 球墨铸铁在浇注之前，往铁水中加入一定量的球化剂（稀土镁合金等）和孕育剂（硅铁或 硅钙合金），使铸铁中的石墨呈球状析出的铸铁。 性能：球墨铸铁的力学性能比灰铸铁和可锻铸铁都高，其抗拉强度、塑性、韧性与相应基 体组织的铸钢相近，而成本接近于灰铸铁，并保留了灰铸铁的优良性能。 用途：球墨铸铁一出现就得到了广泛的使用。如柴油机曲轴、减速箱齿轮以及轧钢机轧辊 等。 牌号：由“QT”及后面的两组数字组成。“QT”表示“球铁”两字的汉语拼音字首，后面的两 组数字分别表示最低抗拉强度b和最低延伸率。 热处理：球墨铸铁可以采用不同的热处理工艺，改变其基体组织，从而改变球墨铸铁的力 学性能。经退火处理，提高球墨铸铁的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力；经 正火处理，提高球墨铸铁的强度和耐磨性；经调质处理，获得较好的综合力学性能；经高 温淬火，球墨铸铁获得高强度、高硬度，又有高韧性的较高综合性能。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.4 有色金属及合金 1.铝及铝合金 （1）纯铝 纯铝是银白色金属，主要的性能特点是密度小，导电性和导热性高，抗大气腐蚀性能好， 塑性好，无铁磁性。因此适宜制作要求导电的电线、电缆，以及具有导热和耐大气腐蚀而 对强度要求不高的某些制品。 牌号：纯铝代号用1 系列表示 。牌号的最后两位数字表示最低铝的百分含量，牌号 第二位的字母表示原始纯铝的改型情况：A为原始纯铝，BY为其改型。例如1A35表示 =99.35%的纯铝。 工业高纯铝纯度可达=99.00% =99.80%，这类铝主要用于制成管、棒、线等型材以及配 制铝合金的原料。 （2）铝合金 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.4 有色金属及合金 （2）铝合金 变形铝合金 分类：按其主要性能和用途分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。 牌号：用2 8 系列表示。牌号第一位数字表示铝合金的组别见表3.12。牌 号的最后两位数用来区分同一组中不同的铝合金。第二位字母表示原始铝合金的改型情况： A为原始铝合金，其他为原始铝合金的改型合金。 铸造铝合金 分类：根据化学成分不同可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系等合金。 性能：铸造铝合金具有优良的铸造性能和抗蚀性。 用途：常用于制造轻质、耐蚀、形状复杂的零件，如活塞仪表外壳、发动机缸体等。 牌号：以“Z”（“铸”字的汉语拼音第一个字母）为首，后加铝的元素符号，再加主要添加 元素符号及其百分含量来表示。例如ZAlSi9Mg表示=9%，=1%，其余为铝的铸造铝合金。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.4 有色金属及合金 2.铜及铜合金 （1）工业纯铜 工业纯铜呈玫瑰红色，表面氧化膜是紫色，故称紫铜。其纯度为99.599.95%。主要用于 制作导电材料及配制铜合金的原料。 牌号：工业纯铜用“T”和数字表示。“T”表示“铜”字母汉语拼音字首，数字表示顺序号。 顺序号越大，杂质含量越高。常见牌号有T1、T2、T3和T4。 （2）铜合金 黄铜 黄铜是以锌为主加元素的铜合金。 a.普通黄铜： 普通黄铜是铜和锌的合金。 牌号：用“黄”字汉语拼音字母的字首“H”加数字表示。数字表示平均含铜质量分数的百分 数。如H70表示平均含铜质量分数为70%，含锌量为30%的普通黄铜。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.4 有色金属及合金 常用的牌号用途：H80，颜色是美丽的黄金色，又称金黄铜，可作装饰品；H70又称三七 黄铜，它具有较好的塑性和冷成型性，用于制造弹壳、散热器等，故又称为弹壳黄铜； H62又称四六黄铜，是普通黄铜中强度最高的一种，主要用于制造弹簧、垫圈、金属网等。 b.特殊黄铜： 在普通黄铜中再加入其它合金元素所组成的铜合金，称为特殊黄铜。常加 入的元素有铅、锡、铝、锰、硅等，相应地可称这些特殊黄铜为铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、 锰黄铜和硅黄铜。加入合金元素提高了黄铜的强度、耐蚀性和改善工艺性。 牌号：由“H”与主加合金元素符号、铜含量百分数、合金元素含量百分数组成。如 HPb591表示含铜质量分数为59%，含铅质量分数为1%，其余为锌的铅黄铜。 常用的牌号用途：铅黄铜（HPb591）主要用于制造大型轴套、垫圈等；锰黄铜 （HMn582）主要用于制造在腐蚀条件下工作的零件，如气阀、滑阀等。 青铜 青铜是指除黄铜和白铜以外，其余的铜合金的统称。按其化学成分可分为锡青铜和无锡青铜。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.4 有色金属及合金 青铜的牌号：由“Q”，主加元素符号及其含量百分数，其他元素的含量百分数组成。如 QSn43表示含锡质量分数为4%，其他元素为3%，其余为铜的锡青铜。 3.轴承合金 定义：在滑动轴承中，制造轴瓦或内衬的合金称为轴承合金。 牌号：由“Z”（“铸”字汉语拼音字首）。基体金属元素，主要金属元素符号和各主要合金 元素平均的百分数组成。 分类：常用的轴承合金有锡基、铅基、铝基轴承合金。 3.2.5 硬质合金 定义：硬质合金是指以一种或几种难溶碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成 分，加入起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金方法制作的材料。 性能特点：硬度高、红硬性好、耐磨性好。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.5 硬质合金 分类：常用硬质合金按成分和性能特点分为钨钴类硬质合金，钨钛钴类硬质合金，钴钛钽 （铌）类硬质合金。 1.钨钴类硬质合金 主要成分：碳化钨（WC）和粘接剂（Co）。 牌号：“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成。例如，YG8表示 平均WCo=8%，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。 用途：YG类合金适合于加工脆性材料。 2.钨钛钴类硬质合金 主要成分：碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）和钴（Co）。 牌号：“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量的百分数。例如YT15表示 平均WTiC=15%，其余为碳化钨和钴含量的钨钛钴类硬质合金。,第3章 机械工程材料,3.2 常用金属材料 3.2.5 硬质合金 2.钨钛钴类硬质合金 用途：YT类合金适合于加工塑性材料。同一类硬质合金中，含钴量较高的适宜制造粗加 工刃具；含钴量低的适宜制造精加工刃具。 3.钨钛钽（铌）类硬质合金 主要成分：碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）及钴。 牌号：由“YW”（“硬、万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成。如YW1。 用途：它适用于切削各种钢材，特别对于切削不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的钢材， 效果较好。它也可以代替YG类硬质合金加工铸铁等脆性材料。,第3章 机械工程材料,3.3 钢热处理 定义：热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组 织结构与性能的工艺。 热处理工艺的分类：根据加热和冷却方法不同，工业生产中常用的热处理工艺大致可分为： 普通热处理（退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（表面淬火、化学热处理）。 3.3.1 退火与正火 1.钢的退火 定义：退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 目的： （1）降低硬度，提高塑性，改善切削加工和压力加工性能； （2）细化晶粒，改善内部组织和性能； （3）为以后的热处理作准备。 分类：成分和退火目的的不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、 去应力退火等。,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 2.钢的正火 定义：正火是将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。 目的：正火目的与退火目的基本相同。正火的应用与退火一样，一般作为预备热处理。对 合金调质钢，正火获得均匀而细密的组织，为调质处理做好了组织准备；对共析钢，正火 可消除网状渗碳体，为球化退火做好组织准备；对低碳钢或低碳合金钢，正火可细化晶 粒，提高硬度，改善切削加工性；对性能要求不高的零件，以及一些大型或形状复杂的零 件，淬火容易开裂，也用正火作为最终热处理。 3.3.2 钢的淬火 定义：淬火是将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工 艺。 目的：得到马氏体或贝氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。 淬火常见的冷却介质有：水、盐水和矿物油。 常用的淬火方法有：单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。 淬火与回火配合，能大大提高钢的力学性能，所以淬火是强化钢材的重要热处理工艺。,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 淬硬性：是指钢经淬火后能达到的最高硬度。主要取决于钢中的碳含量，碳含量越高，获 得的硬度越高。 淬透性：是指钢经淬火获得淬硬层深度的能力，淬透性越好，淬硬层越厚。淬透性主要取 决于钢的化学成分和淬火冷却方式。 注意：一般合金钢淬透性高于碳素钢，而含碳质量分数相同的碳素钢与合金钢淬硬性基本 相同。 3.3.3 钢的回火 定义：回火是将淬火钢重新加热到低于7270C的某一温度，保温一定时间，然后空冷到室 温的热处理工艺。 回火的目的是： （1）消除残余应力，防止变形和开裂。 （2）调整工件硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求。 （3）稳定组织与尺寸，保证精度。 （4）改善和提高加工性能。,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 3.3.3 钢的回火 分类：按回火温度范围，回火可分为：低温回火、中温回火和高温回火。 常用回火方法特点及应用见下表 ：,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 3.3.4 钢的表面热处理 表面热处理分类：分为表面淬火与表面化学热处理两大类。 1.表面淬火 表面淬火是仅对工件表面层进行的淬火。其目的是使工件表面具有高硬度、耐磨性而心部 具有足够的强度和韧性。一般包括感应淬火和火焰淬火等。 （1）感应淬火 感应淬火是利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快 速冷却的淬火工艺。感应电流透入工件表层的深度主要取决于电流频率的高低。频率越 高，淬硬层深度越浅。适用于大批量生产。 （2）火焰淬火 火焰淬火是利用氧气一乙炔火焰使工件表层加热并快速冷却的淬火工艺。其淬硬层深度一 般为26mm，这种方法加热温度及淬硬层深度不易控制，淬火质量不稳定，但不需要特殊 设备，故适用于单件或小批量的中碳钢、中碳合金钢制造的大型工件。,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 3.3.4 钢的表面热处理 2.钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温、冷却，使一种或几种元素渗入钢 件表层，以改变钢件表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理的种类很多，根据渗入元素的不同，化学热处理分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 (1)渗碳 渗碳是把低碳钢工件放在渗碳介质中，加热到一定温度，保温足够长的时间，使表面层的 碳浓度升高的一种热处理工艺。根据渗碳介质不同可分为：固体渗碳、液体渗碳和气体渗 碳，其中气体渗碳应用最广。 工件渗碳后必须淬火和低温回火，使表层获得高硬度和耐磨性；心部仍保持高塑性和韧性。 渗碳主要用于承受较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件，如齿轮、活塞销、轴类 零件等。 (2)渗氮（氮化） 渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 3.3.5 典型零件热处理分析 1.热处理的技术条件的标注 热处理技术条件,其内容包括预先热处理和最终热处理方法及应达到的力学性能要求等， 作为热处理生产及检验时的依据。 2.热处理工序位置安排 按热处理的工序位置不同，分为预先热处理和最终热处理。其工序位置安排如下： （1）预先热处理 预先热处理包括：退火、回火、调质等。一般安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗 加工之后，半精加工之前。 退火、正火件加工路线为：毛坯生产退火（或正火）切削加工 调质件加工路线一般为：下料锻造正火（或退火）粗加工（留余量）调 质处理半精加工（或精加工）。,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 3.3.5 典型零件热处理分析 （2）最终热处理 最终热处理包括：淬火、回火、渗碳等。零件经最终热处理后硬度高，除磨削外不宜进行 切削加工，故工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。 淬火件工序位置分整体淬火和表面淬火两种。 a.整体淬火加工路线一般为： 下料锻造退火（或正火）粗加工、半精加工（留磨削余量）淬火、回火 （低、中温）磨削 b.表面淬火件加工路线一般为： 下料锻造退火（或正火）粗加工调质半精加工（留磨削余量） 表面淬火、低温回火磨削,第3章 机械工程材料,3.3 钢的热处理 3.3.5 典型零件热处理分析 渗碳件加工路线一般为： 下料锻造正火粗加工、半精加工（留防渗余量和镀铜）渗碳淬火、 低温回火磨削 【例3.1】已知一汽车变速箱齿轮。经过对齿轮的结构及工作条件的分析，该齿轮选用 20CrMnTi的锻件毛坯。它的热处理技术条件如下： 渗碳层深度为0.81.3mm； 齿面硬度为5862HRC，心部硬度为3348HRC； 生产过程中，齿轮加工工艺路线如下： 备料锻造热处理1机械加工热处理2热处理3喷丸校正花键 孔磨齿。 试说出各热处理工艺的名称及分别起什么作用？,第3章 机械工程材料,3.4 常用非金属材料 3.4.1 高分子材料 高分子材料是以高分子化合物（分子量一般在5000以上）为主要组分的材料。常用的高分 子材料有塑料、橡胶、胶粘剂等。 1.塑料 塑料是以树脂为主要成分，加入填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂、润滑剂等制成的。 （1）按应用范围分为通用塑料和工程塑料。 通用塑料 主要是指产量大、价格低、应用广的常用塑料。主要有聚乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基 塑料等，主要用于制造日常生活用品、包装材料和工农业生产用的一般机械零件。 工程塑料 常指在工程技术中作结构材料。这类塑料具有较高的耐高温、耐腐蚀、耐辐射等特殊性 能，因而可部分代替金属，特别是有色金属来制作某些机械构件或某些特殊用途的构件。 常用的工程塑料有聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、ABS、有机玻璃等。,第3章 机械工程材料,3.4 常用非金属材料 3.4.1 高分子材料 (2)按塑料受热后所表现的行为分为热塑性塑料和热固性塑料。 热塑性塑料 热塑性塑料是一类可以反复通过提高温度使之软化、降低温度使之硬化的材料。常用的热 塑性塑料有尼龙（聚酰胺）、聚乙烯等。 热固性塑料 这类塑料加热时软化，然后固化成型，这一过程不能重复进行。常用的有酚醛塑料、氨基 塑料、环氧塑料等。 (3)塑料的性能及选用 优点：质轻，比强度高，化学稳定性好（能耐“王水”的腐蚀）。电绝缘性优异。减磨、耐 磨性好。消声和吸振性好，成型加工性好，且方法简单，生产效率高。 缺点：强度、刚度低，耐磨性低，易燃烧，易老化，热导性差，热膨胀系数大，几何精度 稳定性差。根据这样特别塑料选用时从使用性能、工艺性能和经济性能三方面考虑。,第3章 机械工程材料,3.4 常用非金属材料 3.4.1 高分子材料 2.橡胶 橡胶是以生胶为主要原料，加入适量的硫化剂、软化剂、填充剂、防老剂等而制成的。 （1）橡胶的分类 按生胶来源不同分为：天然橡胶和合成橡胶；合成橡胶是从石油、天然气、煤和农副产 品中提炼制得的合成产物。 按应用范围不同分为：通用橡胶和特种橡胶；特种橡胶是指能在特殊条件下（如高温、 低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的橡胶。 （2）橡胶的特性 橡胶主要的特性是弹性好，去除外力后迅速恢复原状。同时绝缘性，耐磨性好，有隔音 性，吸振能力，积储能量的能力，有一定的耐蚀性和强度。橡胶最大的缺点是易老化。老 化影响橡胶的性能及使用寿命，加入防老化剂可延长和减轻老化过程。,第3章 机械工程材料,3.4 常用非金属材料 3.4.1 高分子材料