第二章金属材料与热处理

1、第二章金属材料与热处理材料：是用于制造机器零件、工程构件及生活日用品，是生产和生活的物质基础。历史学家根 据制造生产工具的材料，将人类生活得时代划分为：石器时代、陶器时代、铁器时代，当今人类正 跨入人工合成材料、复合材料、功能材料的新时代。材料总和达40余万种，每年以5%的速度增加。材料按经济部门分为：土木建筑材料、机械工 程材料、电子材料、航空航天材料医学材料等；按材料功能分：结构材料、功能材料。工程材料按化学成分分为四大类：金属材料、高分子材料和无机非金属材料和复合材料。按使 用性能分为：结构材料（主要利用其力学性能的）、功能材料（主要利用其物理性能的）。金属材料：是目前用量最大使用最广的

2、材料。高分子材料：力学性能不如金属材料，但有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀性、点绝缘 性、消声、质轻、易加工成型、生产率高、成本低等。广泛应用生活日用品，并可部分取代金属材 料（用作化工管道、盐业泵零件、汽车结构件等） 。新型无机非金属材料：塑性和韧性远低于金属材料，但具有熔点高、硬度高、耐高温及特殊的 物理性能。如：陶瓷材料也突破了传统应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。复合材料：把两种或两种以上不同性质、不同组织结构的材料组合在一起，构成复合材料。发 挥各自的长处，又可克服各自固有的弱点。复合材料为三大类：高分子基复合材料、金属基和陶瓷 基复合材料。目前应用最多的是高分

3、子基复合材料，如玻璃纤维增强树脂基复合材料（玻璃钢）；金属基复合材料应用于航天部门；陶瓷基复合材料处于开发阶段。材料的性能取决于内部结构，而材料的内部结构又取决于成分和加工工艺。所以，正确地选择 材料，确定合理的加工工艺，得到理想的组织，获得优良的使用性能，是决定机械制造中产品性能 的重要环节。20世纪末，纳米材料的开发和应用，引起世界重视。专家预测纳米材料科学技术将成 为21世纪信息时代的核心，其应用将超过计算机工业。2.1金属材料的主要性能2.1.1静载下金属材料的力学性能金属材料的力学性能：指金属材料受外力作用时反映出来的性能。是金属材料应具备的最主要 的性能，是衡量金属材料的重要指标。

4、金属材料的力学性能指标主要有强度、硬度、刚度、塑性、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。1.弹性和塑性1）弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能，称为弹性。弹性变形：随外力消失而消失的变形。其大小与外力成正比。2）塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起断裂的性能，称为塑性。塑性变形：外 力去除后保留下来的这部分不能恢复的变形，称为塑性变形。其大小与外力不成正比。将金属材料制成图 2.1所示的标准试样，在拉伸试验机上（图 2.2所示），使试样承受轴向拉力P一P并使试样缓慢拉伸，直至试样断裂。以为纵坐标（即拉应力 b, Fo为原始截面积），试样沿轴向产生的伸长

5、量Lo）除以试样原始长度 Lo为横坐标（即拉应变 ）,画出应力一一应变曲线，如图2.3所示。图2.1低碳钢拉伸标准试样图图2.2拉伸试验机示意图图2.3低碳钢拉伸图由图2.3可知：载荷在E点前，试样只产生弹性变形。弹性极限：指材料所能承受的、不产生 永久变形的最大应力。屈服：载荷超过 E点，试样产生塑性变形，载荷增加到 S时，试样承受的载荷虽不再增加，仍 继续产生塑性变形，图上出现水平线，这种现象为屈服。S为屈服点。它是金属材料从弹性状态转向塑性状态的标志。屈服极限：出现明显塑性变形时的应力为屈服极限。d s表示。缩颈现象：载荷增加至 B点时，试样截面局部出现缩颈现象（图 2.4所示），因截面

6、缩小，载 荷就下降，至k点试样被拉断。图2.4塑性拉伸试样的颈缩现象图2.5脆性材料试样无颈缩现象金属材料的塑性：用伸长率（5 ）和断面收缩率齢）1表示金属材料的塑性。七1。%F。-RFo100%:或*越大，材0料塑性越好0%短试样（Lo =5do 1比长试样（Lo =10d 1的伸长率大20%左Fo右。其伸长率分别用；-5、：10表示。金属材料有塑性，才能进行各种变形加工，零件偶尔过载，产生一定塑性变形，不至于突然断 裂，提高零件使用可靠性。2 .刚度刚度：指金属材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力。弹性模量：应力 二与应变:的比值称为弹性模量。E = o E越大表示在一定应力作用下，能z发

7、生的弹性变形越小，即刚度越大。E的大小取决于材料内部原子的结合力，同一种材料E基本一样，但截面大的零件不易发生弹性变形。考虑零件刚度时注意材料的E和零件的形状和尺寸大小。3 .强度强度：是指金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。1）屈服强度（Cs ）：指金属材料发生屈服现象时的屈服极限。即表示材料抵抗微量塑性变形的能力。二 s - （MPa） Fo脆性材料的拉伸曲线上无水平线段，难确定屈服点，规定试样产生0.2%残余塑性变形的应力值,为材料的条件屈服强度。a0.2。2）抗拉强度（二匕）：金属材料拉断前所能承受的最大应力。是零件设计的重要参数。二 b（MPa）。F o3）屈强比： 亠/

8、6。屈强比越小，构件可靠性越高。屈强比越大，材料的强度利用率越高，但可靠性降低。合金化、热处理、冷加工对材料的；b、二S均有很大影响。4. 硬度硬度：指金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。是衡量金属材料软硬的指标。测量硬度常用方法：压入法。工程上常用的硬度主要包括以下三种：1）布氏硬度布氏硬度实验：用 3000kgf的压力P,将直径D的淬火钢球压入金属表面，载荷保持10-60S后卸载，得到直径d的压痕。图2.6所示。载荷除以压痕表面积的值即为布氏硬度。HB表示。单位：kgf/mm2（或Mpa）。习惯不标单位。压头为淬火钢球（HBS用于测硬度值V 450的材料。压头为硬质合金钢 （HBW用于

9、测硬度值450-650 的材料。布氏硬度实验使材料表面压痕大，不易测成品薄片的硬度，常测定铸铁、有色金属、低合金结 构钢等毛坯材料的硬度。图2.6布氏硬度测试原理和方法2）洛氏硬度洛氏硬度实验：用定角120。金刚石圆锥压头。图2.7所示。使一定压力，压入被测材料，据压痕深度度量材料软硬，压痕越深，硬度越低。用HRC表示。测量范围20-67，其硬度值是一无名数，没有单位。每0.002mm压痕深度为一个硬度单位。压痕很小几乎不损伤工件表面，可测淬火钢、调制钢等成品件的硬度。HB与HRC可以查表互换,心算公式为：1HR 1/10HB3）维氏硬度维氏硬度实验：用锥面夹角136。金刚石四棱锥体压头。一定

10、载荷下经规定保持时间后卸载，得对角线长长度为 d的四方锥形压痕。如图 2.8所示。载荷/压痕表面积得维氏硬度。用HV表示。维氏硬度用于测定从极软到极硬的薄片金属材料、表面淬硬层、渗碳层等硬度。因硬度实验条件不同，相互间无换算公式。据实验结果，大致换算关系：1HBS=10HRC=1HV2. 1.2动载和高温下金属材料的力学性能许多机械零件在动载下工作，动载有两种形式: 载荷的大小和方向呈周期性变化，形成交变载荷。150kgf1）载荷以较高速度施加到零件，形成冲击。2）图2.7洛氏硬度测试原理和方法图2.8维硬度测试原理和方法冲击韧性：指金属材料载冲击载荷作用下，抵抗断裂的能力。用ak表示。ak越

11、大说明材料为韧性材2.7a k的大小与材料成分、环境温度、缺口形状、试样大小等有关,料。如图2.9所示。图2.9冲击韧性测试原理示意图2疲劳强度疲劳断裂：许多机器零件如弹簧、 齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈 服强度时，零件就发生了断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂的特点：交变载荷；应力远小于屈服强度；不管脆性材料和韧性材料，疲劳断裂都是突然发生，没有明显的塑性形，属于地应力断裂。疲劳强度：金属材料受的最大交变应力d max越大，断裂前所经受的循环周次N （疲劳寿命）越小，d max与N构成的曲线称为疲劳曲线，图 2.10所示。工max低于某值时，曲线与横坐标平行，

12、表示N可以达到无穷大，而试样仍不断裂， 该交变应力值为疲劳强度或疲劳极限，用d -1表示，一般78规定钢材的N=10,有色金属为N=10。应力图 2.10 疲劳曲线3 蠕变金属材料的机械性能在高温下会发生改变。随温度升高，弹性模量E、屈服强度、硬度下降，塑性提高，并产生蠕变。蠕变：指金属材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐 产生明显塑性变形至断裂。1.3 金属材料的物理、化学和工艺性能一）物理性能： 主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。 如：飞机零件常选密度小的铝、镁、钛合金来制造。机电、电器零件，考虑金属的导电性。金属材料的物理性能对热加工

13、工艺有一定影响。二）化学性能 :指其在常温或高温时 , 抵抗各种活性介质侵蚀的能力。如耐酸、耐、抗氧化性等。如化工设备、医疗用具可用不锈钢 ; 内燃机排气阀和电站设备的零件可用耐热钢。三）工艺性能 :指其冷、热加工难易程度 ,是其物理、化学和力学性能在加工过程中的综合反映。按工艺方法不同分为：铸造性、成型加工型、焊接性、切削加工性等。设计零件和选择工艺方法时，都要考虑材料的工艺性能。如：灰铸铁的铸造和且削加工性能优良， 广泛用于铸件；加工和焊接性能差，不能锻造和焊接。低碳钢的焊接合成性加工性优良；高碳钢的 焊接和切削加工性较差。2.2 钢的分类、编号和用途工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两

14、大类。碳素钢：指含碳量V 2.11%的铁碳合金。合金钢: 为了提高钢的性能 , 在碳素钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。1 、碳素钢一）常见杂质对钢性能的影响1、 Mn和Si :是钢中的有益元素，来源于炼钢原料。对钢有固溶强化作用。Mn可脱氧、脱碳，把钢中FeO还原成铁，与 S生成MnS减轻S危害。一般钢中 Mn0.25-0.80% , Si V 0.4%。2、S和P:有害元素。由生铁和燃料带来。不能除净。S 热脆。在钢中以 FeS形式存在，FeS与Fe形成低熔点（985 C ）共晶体（FeS+Fe），分布在A 晶界上。钢加热到 1000-1200 C热加工时，因晶界共晶体已溶化

15、，晶粒间结合被破坏，使钢在加工 过程中沿着晶界开裂，即热脆。P 冷脆。 P 焊接裂纹。应严格控制 P 。二）钢的分类1 、按化学成分分低碳钢乞0.25%C1）碳素钢 冲碳钢0.25-0.60%C ;高碳钢0.60%C2、按用途分工程用钢：建筑、船舶、车辆 渗碳钢调质钢 弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢刃具钢2）工具钢模具钢量具钢三）钢的牌号、性能和用途1.普通碳素结构钢低合金钢 5%2）合金钢中合金钢5_10%高合金钢T0%1）结构钢机器用钢3）特殊性能钢丿不锈钢耐热钢Q+屈服强度值+质量等级（A B、C、D、E,由A到E,质量提高）+脱氧方法（F、b、Z、 TZ）四部分顺序组成。一般热轧状态供货，大多

16、不热处理使用。成分：0.4%C, P、S量较多。性能：可焊性、塑性好。用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。常见牌号：1）Q195 Q215A Q215B Q235A Q235D主要用于制造受力不大的零件，如： 螺钉、螺母、焊接件、冲压件、金属结构件等2）Q255A Q255B Q275等，主要用于制造承受中等载荷的零件，如小轴、销子、连杆、农 机零件等。2优质碳素结构钢牌号为两位数字，这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢，平均含碳量 0.45%C的优质碳素结构钢。若 Mn含量较高（0.7%-1.2% ）时，牌号后加 Mn,女口 20Mn

17、65Mn钢等。表2.1常用优质碳素结构钢牌号：钢种性能用途08F、 10塑性好、强度低薄钢板、冷冲压件、容器15、20、25渗碳后，表面得咼硬度、咼耐磨性，心部良好塑 韧性齿轮、连杆、轴类零件55、60以上钢热处理后有咼耐磨性、弹性极限和强度弹簧、钢轨、车轮、钢丝绳等3. 碳素工具钢制造刀具、模具、量具。高硬度和耐磨性，0.65%-1.35%C，属高级优质高碳钢。牌号：T+数字+质量级别。“ T” -碳素工具钢“碳”；数字-平均含碳量的千分之几；如T8A:平均含碳量0.8%C的高级优质碳素工具钢。（T7、T10、T12）4. 铸造碳钢形状复杂零件、难用压力加工法成型，可用铸造碳钢。牌号:ZG+

18、两组数据。ZG铸钢；第1组数据-屈服强度；第2组数据-抗拉强度。如：ZG230-450。2. 合金钢合金元素提高钢力学性能，增大淬透性，改善工艺性能等。常用合金元素有Mn Si、Cr、WoNi、Mo V、Al、Cu、Ti、B、Nb等。冶炼工艺复杂，成本高，价格贵，一些工艺性能（铸造性、焊接性）不如碳钢。应尽量选用碳 钢。一）合金结构钢分类：普通低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。牌号：“数字+元素符号+数字”前两位数字-平均含碳量万分之几； 合金元素符号后面数字表 其含量的百分数。合金元素平均含量小于 0.8%-1.50%时，只标元素符号，不标含量。如20CrMnTi合金元素平均含量

19、1.5、2.5、3.5时，元素符号后标 2、3、4、。如：4OCr平均含 碳量0.4%，平均含 Cr量V 1.5%。1低合金高强度结构钢：是在普碳钢（V 0.2%C）基础上加入少量合金元素制成。性能优于普碳钢，屈服强度比普碳钢高25%-50%足够韧性、良好焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。冷冲压性能差。用于桥梁、船舶、车俩、化工设备、机械等。牌号：Q295 Q345 （16M、Q390等。Q345综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390含V、Ti、Nb,强度高，用于压力容器如图2.11 o图2.11压力容器示意图图2.12柴油机凸轮轴示意图2. 合金渗碳钢：用于制造承受冲击载荷

20、作用，表面受强烈磨损的零件（变速齿轮、齿轮轴的等），该零件要求表面高硬度、高耐磨性，心部高韧性和足够强度。低碳（0.1-0.25%C），可保证心部韧性。力口Cr、Mn Ni、B等元素，提高刚淬透性，提高心部强度，保持良好任性。渗碳后形成的特殊碳化物可增加表面渗碳层耐磨性。常用钢号及用途：1）低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮 轴等如图2.12。2）中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。3）高淬透性钢：18Cr2Ni4WA用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。图2.13柴油机曲柄示意图图2.14弹簧丝示意图3、合金调质钢：用于制造承受较

21、大交变载荷与冲击的零件。中碳（0.27-0.50%C）。牌号：40Cr、35SiMo、30CrMnSI、40CrMnMo用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。2.14及气阀、安全阀等耐热弹4、合金弹簧钢：制造汽车、机车、拖拉机上的板弹簧或圆弹簧如图簧。主要牌号：55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA=图2.15 滚动轴承示意图图2.16量具示意图5. 滚动轴承钢：于小中型轴承用GCr15如图2.15 ;大型轴承用 GCr15SiMn。3. 合金工具钢合金工具钢比碳素工具钢有高硬度、耐磨性、韧性,更好的淬透性、淬硬性、红硬性。可制造大截面、形状复杂、性能要求高的工具。按用途分为：刃具钢、模具

22、钢和量具钢如图2.16。表2.2合金工具钢常见牌号钢号表示CrMnC 1.0%,平均Cr、Mn均v 1.5%,的合金工具钢9SiCrC为0.9%,平均Cr、Si均v 1.5%,的合金工具钢W18Cr4VC0.7-0.8%,平均 Cr、W V分别 v 18.5%、4.5%、1.5%,高速工具钢1. 合金刃具钢-包括低合金工具钢和高速工具钢。1）低合金工具钢（刃具钢、模具钢和量具钢）：是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素 （ 12.5%,Cr的电 极电位跃增，抗蚀性显著提高）。按组织状态份三大类：1. 铁素体不锈钢：按 Cr含量有以下三种类型：Cr13型、Cr17型、Cr27-30型。2. 马氏体

23、不锈钢：1Cr13、2Cr13。3Cr13、7Cr13含碳量提高，其强度、硬度较高，用于制造医用 手术用具如图2.20、量具、不锈钢轴承、弹簧等。图2.20医用手术用摄子3.奥氏体不锈钢：0Cr18Ni9、2Cr18Ni9。主要用于制作耐蚀性要求很高的及冷变形成性需焊接的工 件,如化工设备、管道等；也用于仪表、发电等工业制作无磁性的耐蚀零件。表2.3合金钢牌号、钢种及热处理特点钢号钢种合金兀素的作用热处理特点Q345低合金高强度结构钢Mn:强化F,增加P量，降低冷脆转变 温度热轧空冷65Mn弹簧钢Mn:提高淬透性，强化 F淬火+中温回火ZGM n13耐磨钢Mn:获得单相A组织水韧处理20Cr渗

24、碳钢Cr:提高淬透性，强化F渗碳+淬火+低温回火40Cr调质钢Cr:提高淬透性，强化F调质处理9SiCr低合金工具钢Cr:提高淬透性淬火+低温回火GCr15滚动轴承钢Cr:提高淬透性，耐磨性、耐蚀性淬火+低温回火1Cr13马氏体不锈钢Cr:提咼耐蚀性淬火+高温回火5CrNiMo热作模具钢Cr、Ni:提高淬透性，强化F淬火+高温回火Mo:防止高温回火脆性Cr12MoV冷作模具钢Mo:细化晶粒，提咼耐磨性淬火+低温回火W18Cr4V高速钢V:提咼耐磨性、热硬性淬火+低温回火1Cr18Ni9Ti不锈钢Ti:防止晶间腐蚀固溶处理2.3铸铁铸铁：含碳量2.11%并含有较多Si、Mn S、P等元素的多元铁

25、基合金。 铸铁有许多优良性能及生产简便、成本低廉等优点，是应用最广泛的材料之一。机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。1. 铸铁分类据碳在铸铁中存在的形式不同，铸铁可分为三类: 表2.4铸铁分类种类碳存在形式断口颜色性能应用白口铸铁Fe3C(Ld)银白色硬而脆很少用于制造零件麻口铸铁Fe3C 和 G黑白相间的麻点硬而脆很少应用灰口铸铁G暗灰色较好力学性能广泛应用于工业中灰口铸铁可分为。灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。2. 常用铸铁一）灰铸铁：牌号和应用：牌号：“ HT+三位数字”，灰铁+抗拉强度数值。铸铁的分类与牌号表示方法HT1O0 HT150 HT200。二）可

26、锻铸铁（马铁或玛钢）：牌号：KTH（ Z） +两组数字；抗拉强度值-延伸率值。如：KTH300-06、KTZ450-06。用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。三）球墨铸铁：牌号：QT+两组数字。球墨铸铁代号+最低抗拉强度+最低延伸率。女口： QT600-03、QT700-2。 用途：承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。四）蠕墨铸铁：RuT+组数字。数字一最低抗拉强度值，MPa。RuT260 RuT420=五）合金铸铁1. 耐热铸铁：在铸铁中加入 Cr、Si、Al等合金，可在铸件表面形成致密保护氧化膜（C2O3 SiO2、AI2O3）

27、，使铸铁在高温下有抗氧化能力。2. 耐磨铸铁：在经孕育处理的灰铸铁中加入P（0.4%-0.6%）、Cu、Ti等，大大提高铸件耐磨性，形成耐磨铸铁。3. 耐蚀铸铁：普通铸铁耐蚀性很差，加入Cr、Mo Cu、Ni等元素，提高基体电极电位，增强铸铁耐蚀性。2.4有色金属及其合金工业生产中，把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但有许多优良特性，如特殊电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度（强度与密度之比）等,成为现代工业不可缺少的金属材料，在航空航天、原子能、计算机等 新型工业部门应用广泛。1. 铝及铝合金一）纯铝纯铝具有银白色金属光泽，密度

28、小（2.72，只有Cu或Fe的1/3）,熔点低（660.4 C ）,导电（电 阻率为Cu的64%仅次于Ag、Cu Au）;导热性能优良。抗大气腐蚀性能好（不能那耐酸、碱、盐 腐蚀），强度很低，塑性高，易于加工成形。面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。工业纯铝牌号：L1、L2、L7。L-铝，数字-纯度。数字越大纯度越低。高纯铝牌号：LG1、LG2、，数字越大，纯度越高。二）铝合金 铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的元素有Cu、 Mn、 Si、 Mg、 Zn 等，此外还有 Cr、 Ni、 Ti 、 Zr 等辅加元素。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金又分为可热

29、处理强化和不可热处理强 化两类。1. 形变铝合金分为以下四种：防锈铝合金 ：主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。常用牌号：3A21、5A02、5A05等。主 要用于制造各种高耐蚀性薄板容器、管道等。 硬铝合金 ： 主要是 Al-Cu-Mg 系三元合金。常用牌号： 2A11、2A12 等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。 超硬铝合金:属Al-Zn-Mg-Cu系四元合金,并含有少量Cr和Mr。抗拉强度可达 600MPa相当于超高强度钢。常用合金有 7A04等,主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机的大梁、起落架等。 锻造铝合金 ：Al-Cu-Mg-Si 系四元合金，有

30、良好的热塑性，可锻性。力学性能高（与硬铝接近）。常用牌号2A50、2A14等。用于制造航空及仪表工业各种形状复杂、受力大的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮、框架、支杆等。2. 铸造铝合金良好的铸造性能，可生产形状复杂的零件。但力学性能不如形变铝合金。包括：Al-Si铸造铝合金： ZL102 含 12%Si 的铝硅二元合金 ， 称为简单硅铝明 ， 流动性好、熔点低、热烈倾向小。用于 制造轻质、耐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件。如：仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、 发动机活塞等 Al-Cu 铸造铝合金：时效强化效果较好，耐热性好，强度较高；密度大，铸造性能、耐蚀性能差， 强度低于

31、 Al-Si 系合金；随 Cu 含量增加，高温强度提高，脆性增加。常用代号 ZL201、 ZL203 等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件 ， 如内燃机汽缸头、汽车活 Al-Zn 系铸造铝合金：含 Zn 较高，密度大，铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但耐蚀性 较差。能进行固溶处理，在铸态下可直接使用。常用代号 ZL401、 ZL402 等。主要用于制造形状复杂 受力较小的汽车、飞机、仪器零件。2. 铜及其合金一）纯铜：紫红色，又称紫铜，密度8.96g / cm3,熔点1083C，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑

32、性好。重要导 电材料,广泛用于电工导体、防磁器械及传热体。强度低,塑性好,具有良好的压力加工性和焊接 性能。易于冷热加工成型。按杂质含量分为： T1、 T2、 T3、 T4 纯度依次降低。铜合金常加元素为 Zn、 Sn、 Al、 Mn、 Ni、 Fe、 Be、 Ti 、 Zr、 Cr 等,既提高强度,又保持了纯铜 特性。铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。二）黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜（锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜等）。普通黄铜的牌号 ：H（ 黄）+ 表示铜平均百分含量的数字 ， 如 H68。特殊黄铜的牌号：H（黄）+主加元素符号（Zn除外）+数字-数

33、字，前数字平均含 Cu量，后面数字其 它元素平均含量。如 HPb59-1,平均含铜量59%平均含Pb1%余量为Zn）的铅黄铜。铸造专用黄铜牌号：Z+Cu+主加元素符号+数字。数字为主加元素平均含量。如ZCuZn38,平均含Zn38% 余量为 Cu的铸造普通黄铜； ZCuZn33Pb2,平均含Zn33% 平均含 Pb2% 余量为 Cu的铸造 普通黄铜；图2.21法兰阀形貌 图 2.22 闸阀形貌1、 普通黄铜：含 Znw 47%耐蚀性良好，超过铁、碳钢和许多合金钢。常用牌号H80、H70 H 68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。H59 H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器

34、等2、 特殊黄铜：在普通黄铜基础上加入Al 、 Fe、 Si、 Mn、 Pb、 Sn、 Ni 等元素形成。 锡黄铜 :“海军黄铜” HSn62 -1, 广泛用于制造船舶零件。 铝黄铜：表面保护性氧化膜，提高在大气中耐蚀性。如HMn58-2制造海船零件及电信器材。 Mn黄铜：Mn可提高黄铜的强度不降低塑性，并提高其在海水和过热蒸汽中的耐蚀性。 铅黄铜：Pb能改善切削加工性，提高耐磨性。常用牌号HPb63-3、HAI60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、 ZCuZn16Si4 等。用于船舶及化工零件如图2.21 ，图 2.22 ，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承

35、、衬套及阀体等三）青铜：以 AI 、 Si、 Be、 Mn、 Pb 等元素为主的铜合金统称为青铜。牌号： Q +主加元素符号及其 平均百分含量+其他元素平均百分含量。如QSn4-3 （含4%Sn 3%Zn常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 锡青铜：以锡为主加元素的铜合金。锡含量一般为3-14%。有良好的耐蚀性，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好 , 但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。有良好的减摩性、抗磁 性和低温任性。常用牌号 QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。用于耐蚀承载件，如弹簧、轴承、 齿轮轴、蜗轮、垫圈等。 铝青铜：以铝为主加

36、元素的铜合金,铝含量511%Al V 7%时,合金塑性好强度低，有良好热、冷变形性，适于压力加工。用于制造仪器中要求耐蚀的 零件和弹性元件。Al 7%时,合金塑性急剧下降，难变形加工，适于铸造，常用于制造强度及耐磨性高的摩擦零件，如齿轮、蜗轮、轴套等。铝青铜的力学性能比锡青铜高 ， 耐磨性高于锡青铜与黄铜 ， 铸造性能好，有良好流动性 ， 晶內偏析 小， 缩孔集中 ， 易获得致密铸件。如用于大型水力发电设备中的抗磨环。 铍青铜：以铍为主加元素的铜合金,铍含量1.72.5%。有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。用于制作精密仪器、仪表中重要的

37、弹 性元件、耐蚀、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。 价格昂贵，应用受限制。2.5 钢的热处理1. 钢的热处理 ：是将固态钢件通过加热、保温和冷却的工艺方法，使钢的微观组织结构发生变 化，从而获得所需性能的一种加工工艺。 热处理工艺中三大基本要素： 加热、保温、 冷却。如图 2.23 所示。图 2-23 热处理工艺曲线1）加热：是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。分为：在临 界点A1以下的加热。在 A1以上的加热，目的获得均匀的奥氏体组织。2）保温：目的保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材 质有关。

38、一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。3）冷却：热处理的最终工序（重要工序）。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。2. 热处理特点： 改变零件或毛坯的内部组织和力学性能，不改变其形状和尺寸。 如；消除毛坯的缺陷，改善毛坯切削性能；改善零件和工模具力学性能，延长其使用寿命；为减小零件尺寸，减轻质量，提高产品质量，降低成本提供可能。机械设备几乎90%以上零件要经热处理后才能使用。3. 热处理方法： 1 ）普通热处理：退火、正火、淬火和回火。2） 表面热处理：表面淬火（火焰加热）、感应加热 （ 高、中、低频 ） ；化学热处理：渗碳、氮化、 碳氧共渗等热处理。3）特殊热处理：形变热处理、真空热

39、处理等。2.5.1 钢的常用热处理工艺按热处理在零件生产过程中的位置和作用，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。预 备热处理是零件加工过程中一道中间工序（也称中间热处理），目的是改善锻、铸毛坯件组织、消 除应力，为后续的机加工或进一步热处理作准备。最终热处理是零件加工的最终工序，目的是使经 过成型工艺达到要求形状和尺寸后的零件的性能达到所需要使用性能。1. 钢的退火和正火退火和正火是零件预先热处理方式。退火或正火后已满足要求，可作为最终热处理。1 、退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。退火目的： 1 ）细化晶粒，改善组织； 2） 降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）；

40、 3）消 除内应力， 稳定尺寸， 提高力学性能； 4）消除组织缺陷， 均匀化学成分， 为下道热处理工序做准备。按退火目的不同，退火常分为：完全退火；等温退火；球化退火；均匀化退火；去应力退火；2、正火：将钢加热到 Ac3或Accm以上3050C保温，在空气中冷却。目的：细化晶粒，并使组织均匀化，提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能；消除过共析钢中 的网状碳化物，为后续热处理做组织准备。退火与正火的主要区别：正火的冷却速度比退火稍快些，故正火组织更细，轻度、硬度更高些。正火与退火的选择：二者生产中可互相代替。选用上主要考虑：（1）从使用性能上考虑：性能要求不高，可用正火作为最终热处理，提高力学性能

41、；零件形状 复杂时，正火有形成裂纹的危险，采用退火；正火可可减少热处理（淬火）变形开裂倾向。（ 2 ）从切削加工性上考虑：低碳钢用正火，高碳钢用退火。（ 3）从作用上考虑：过共析钢在球化退火之前往往要先进行一次正火。（ 4）从经济上考虑：正火比退火生产周期短，能耗小且操作简单。应优先考虑。2. 钢的淬火淬火是将钢加热到 Ac3 或 Ac1 以上， 保温一定时间后快速冷却， 获得马氏体组织的热处理工艺。其目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。一）淬火加热温度 如图 2.241、 亚共析钢：适宜的淬火加热温度：AC3+3050C。如加热温度 Ac3线，钢中将出现 F组织，造成淬火硬度不足；如加热温度过

42、高，淬火后得到粗大M组织，使钢的韧性降低，引起钢件变形。2、 过共析钢：适宜的淬火加热温度：Acl +3050C。如加热温度高出现 1）淬火后得到粗片状 M 增加工件变形和开裂倾向。 2） A 含碳量增加，淬火后钢的硬度和耐磨性降低。3、 合金钢：多数合金元素阻碍 A晶粒长大，其淬火温度比碳钢高， 可使合金元素充分溶解和均匀化。图2.24碳钢淬火加热温度范围二）淬火加热时间1 、加热时间：由升温时间和保温时间组成。零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为升温时间，以 此作为保温时间的开始。加热时间常根据经验公式估算或通过实验确定。2、保温时间：指零件烧透及完成奥氏体化过程所需要的时间。3、热处理缺

43、陷：主要有过热、过烧或表面氧化、脱碳等4、过热：指工件在淬火加热时，因温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大，而使马氏体粗大， 引起脆断、淬火裂纹。可用细化晶粒的退火或正火纠正过热工件。5、过烧：是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化。过烧的工件 无法补救，只得报废。6、氧化和脱碳：氧化使工件尺寸减小，表面粗粗糙度降低，影响淬火冷却速度。表面脱碳使工件表 面含碳量降低，导致工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度降低。三）淬火冷却介质 淬火过程冷却非常快。冷却速度快必然产生很大淬火内应力，会引起工件变形。淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。理想的淬火冷却曲线如图2.251. 理想淬火冷却速度由C曲线可知：在“鼻尖”温度以上，尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻 尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力，有效防止工件变形与裂纹产生。图2.25理想的淬火冷却曲线2.常用淬火介质：常用的淬火冷却介质是水、盐或碱的水溶液和各种矿物油、植物油。 表2-5常用淬火介质淬火冷却介质冷却特性水冷却能力很强，但冷却特性不理想需要快冷的500650C温度范围，冷却慢而在200300 C需要慢冷时，它的冷却