机械设计基础 第二章 常用材料及热处理

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 HB 450 HR硬度 HB 450 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 KT300 6 3 球墨铸铁 如 QT600 3 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 S 0 055 P 0 045 Q1952 优质碳素钢 S 0 045 P 0 04 30453 高级优质碳素钢 S 0 03 P 0 035 用途1 碳素结构钢 C 0 038 2 优质碳素结构钢 SP 0 035 3 碳素工具钢 C0 7 1 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Q235 BF屈服点强度235MPaB级碳素沸腾钢2 优质碳素结构钢 SP 0 035 两位数字 万分 10F含碳0 1 优质碳素结构沸腾钢0810152025303545505560657075 08 70 10000 3 碳素工具钢 C0 7 1 35 一位或两位数字 千分 T10 C10 1000 T7 C7 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C0 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C0 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C0 6 0 7 用于制造各类弹性零件60Si2Mn轴承钢C0 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W18Cr4V2 模具钢热模具钢冷模具钢5CrMnMo C5 1000 Cr123 量具钢硬度 耐磨性 不易变形 工艺性好GCr15CrWMn9SiCr 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2Cr131Cr18Ni92 耐热钢15CrMo 4Cr9Si23 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20 30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30 50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30 50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850 950 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500 620 持续保温20 50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度 一般用切