工程材料与热处理(补)(1)

1、工程材料和热处理工程材料和热处理工程材料分类：工程材料分类：按化学成分按化学成分机械工程材料 金属材料高分子材料黑色金属有色金属塑料合成橡胶合成纤维硅酸盐材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料传统陶瓷新型陶瓷除SiO2其他氧化物、碳化物、氮化物纤维增强复合材料粒子增强复合材料层叠复合材料铸铁碳钢合金钢 轻有色金属铝、镁等重有色金属铜、铅等稀有金属及稀土等陶瓷材料复合材料第一节第一节 概述概述第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的性能：使用性能和工艺性能；金属材料的性能：使用性能和工艺性能；使用性能：力学性能；物理性能；化学性使用性能：力学性能；物理性能；化学性能；能；力学性能：

2、金属材料在载荷作用下所表现力学性能：金属材料在载荷作用下所表现出来的特性。出来的特性。 包括：强度；塑性；硬度；韧性。包括：强度；塑性；硬度；韧性。第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能d0一、强度一、强度材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。 BSPOabfcdehgl低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线1 线弹性阶段线弹性阶段2 屈服阶段屈服阶段3 强化阶段（强化阶段（冷作硬化冷作硬化）4 颈缩阶段颈缩阶段(局部变形局部变形)比例极限比例极限屈服极限屈服极限强度极限强度极限屈服屈服颈缩颈缩6弹 性屈 服强 化局部变形断 裂低

3、碳钢试样拉伸时的各阶段特征低碳钢试样拉伸时的各阶段特征72）断面收缩率）断面收缩率100%AAA1 A1 5%为塑性材料为塑性材料，如碳钢、黄铜、，如碳钢、黄铜、铝合金等；铝合金等； 5%为脆性材料为脆性材料，如灰铸铁、玻璃、，如灰铸铁、玻璃、陶器、石料等。陶器、石料等。二、塑性二、塑性-金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力变形的能力1）断后伸长率）断后伸长率 =(L1-L0)/L08 应力应力-应变图的形状表征着材料的特定的力学行为，应变图的形状表征着材料的特定的力学行为，对于不同的材料，应力对于不同的材料，应力-应变图各不相同，

4、甚至有很大应变图各不相同，甚至有很大差异。差异。图图a灰口铸铁灰口铸铁 图图b低碳钢低碳钢 图图c高分子材料高分子材料三三 硬度硬度 硬度硬度是指金属材料抵抗是指金属材料抵抗局部变形局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。的能力。 常用的硬度指标：常用的硬度指标： 布氏硬度布氏硬度HBWHBW、洛氏硬度（、洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC等）和维氏硬度等）和维氏硬度HVHV。 随着随着C含量含量的增加一般规律是：的增加一般规律是：强度增加、硬度增加、强度增加、硬度增加、 脆性增大、韧性下降、塑性下降脆性增大、韧性下降、塑性下降四、韧性四、韧性-

5、金属材料在金属材料在冲击载荷冲击载荷作用下抵抗破作用下抵抗破坏的能力坏的能力冲击韧度冲击韧度=冲击吸收功冲击吸收功/试样的断口处截面积（试样的断口处截面积（cm2）第三节第三节 常用的工程材料常用的工程材料 金属材料 工业工业 用钢用钢 铸铁铸铁 黑色金属有色 金属一、黑色金属一、黑色金属 钢钢（含碳量（含碳量 小于小于 2.11%的的铁碳合金铁碳合金）钢的分类：钢的分类：1 1）含碳量）含碳量 （按碳的质量分数）（按碳的质量分数）低碳钢 ( c0.25%)中碳钢(0.25% c 0.6%)高碳钢(0.6% c 2.11%)2 2）化学成份）化学成份 （按合金成份（按合金成份）合金钢合金钢（除

6、Fe、C外，还有其它合金元素）低 碳 钢（ 0.25% C）中 碳 钢（ 0.250.60% C）高 碳 钢（ 0.60% C）碳 素 钢低 合 金 钢（ 5% me）中 合 金 钢（ 510% me）高 合 金 钢（ 10% me）合 金 钢钢碳素钢碳素钢3 3）钢的品质）钢的品质 （按有害杂质（按有害杂质S S、P P含量含量）普通钢（s0.05% ;p0.045%）优质钢 （s0.035% ;p0.035%）高级优质钢（s0.025%；p0.025%）4 4）钢的用途）钢的用途 （按行业使用）（按行业使用）结构钢结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、

7、高温、导磁等场合用）介绍钢的使用特点及应用、牌号：介绍钢的使用特点及应用、牌号：牌号牌号：1 1、碳钢与合金钢、碳钢与合金钢1 1）碳钢）碳钢 普通碳素结构钢普通碳素结构钢字母字母Q + Q + 屈服强度屈服强度( (Mpa) + Mpa) + 质量等级。质量等级。表示普碳结构钢共分195、215、235、255、275五种。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。如：如：Q235AQ235A；Q215BQ215B；普通碳素结构钢的应用 钢板、钢筋螺钉、铆钉螺钉、铆钉 建筑构件钢桥梁 锉刀碳素工具钢 量规钻头 优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号牌号：由两位数字组成由两位数字组成表示碳的平均万分含万

8、分含量量（常用：08 85）如4545（表示C=0.45%的优质碳素结构钢）当Mn=0.7 1.2%时，在数字后加Mn如65 65 MnMn（表示c=0.65% ,Mn=0.7 1.2%的优质碳钢）。齿轮 螺栓 优质碳素结构钢的应用 30305555钢：钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。曲轴弹簧 优质碳素结构钢 65658585钢：钢：有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。2 2） 合合 金金 钢钢牌号牌号：数字数字 + + 元素符号元素符号 + + 数字数字表示碳的平均万分含量合金元素平均百分含量：1.5%不标记， 表示所含

9、合金元素的名称如：2020CrCr（表示c=0.2% ,Cr1.5%的合金结构钢)如：3838CrMnAlCrMnAl（表示c=0.38% ,Cr、 Mn Al的含量均 1.5%的合金结构钢)如：6060Si2MnSi2Mn（表示c=0.6% ,Si=1.5 2.49%，的Mn1.5%的合金结构钢) 滚动轴承钢滚动轴承钢 牌号牌号：字母字母G+G+合金元素合金元素+ +数字数字 表示滚动轴承用钢表示所含主要合金元素的名称如：GCr9GCr9（表示Cr=0.9% 的滚动轴承钢)只标出铬元素平均千分含量，其它不标记， 如：GCr15SiMnGCr15SiMn（表示Cr=1.5% 的滚动轴承钢)成份

10、：成份：C=1 1.15%, 加入了MnMn、S Si i等合金元素，热处理后使用。拨叉变速齿轮合金渗碳钢 2020CrCr、2020MnTiMnTi、 2020Cr2Ni4Cr2Ni4：有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，用于受冲击载荷冲击载荷的重要零件。4040CrCr、4040CrMnCrMn、 3838CrMnAlCrMnAl ：有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重要零件。汽车万向节 连杆 合金调质钢 合金弹簧钢 55Si2Mn55Si2Mn、 6060Si2MnSi2Mn：具有高屈强比，高疲劳强度，高弹性极限和韧性，用于弹簧等零件。滚珠滚珠轴承滚珠轴承钢 铣刀 合金刃具钢 模具

11、合金模具钢螺纹规 游标卡尺 千分尺 量具用钢 燃气轮机 耐热钢 破碎机颚板履带 铁轨分道叉 挖掘机斗齿耐磨钢如ZG230ZG230450450（表示含碳量屈服点为s=230MPa,抗拉强度为的b=450Mpa的碳素铸钢）；2、 铸钢牌号牌号：字母字母ZG + ZG + 数字数字 数字数字表示铸钢表示抗拉强度b （Mpa）表示屈服点s（Mpa）重型机械齿轮 铸钢 特点与应用：特点与应用： 由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难以切削加工、尺寸大，难以锻造加工的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。3 3、灰口铸铁、灰口铸铁牌号牌号：字母字母HT + HT + 数字数字表示灰口铸铁表示最低抗

12、拉强度b （Mpa）HT150HT150特点与应用：特点与应用： 强度、塑性、韧性不如钢，软而脆。抗压强度高，抗拉强度低。有良好的耐磨性、减震性和切削性；石墨有自润滑作用。常用于床身、机架、底座、箱体、壳体、导轨、缸体、活塞环、带轮等零件。如：QT400QT4001818特点与应用：特点与应用： 球状石墨对基体的割裂作用小，综合力学性能较高，并具有良好的减震性和耐磨性 一些受力复杂、强度韧性和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗杆、伐门、机座、汽车后桥等。.4 4、球墨铸铁、球墨铸铁牌号牌号：字母字母QT+ QT+ 数字数字 数字数字表示球墨铸铁表示最低抗拉强度b （Mpa）表示最低伸长

13、率 （%）二、有色金属二、有色金属除钢铁（黑色金属）以外的其它金属材料。1 1、铝及铝合金、铝及铝合金（1）纯铝特点及应用：特点及应用：轻，密度低 配置铝合金 导电导热性好 导线、电容 抗大气腐蚀 包覆材料 加工性能好 包装材料 强度低 不能作为承受载荷的结构材料应用 （2 2）铝合金）铝合金牌号牌号：5A025A02（防锈）、防锈）、2 2A11A11（硬铝）、硬铝）、 7A03 7A03 （超硬铝）超硬铝）2 2A50A50（锻铝）锻铝） 铝锰合金（防锈铝合金）：抗蚀性高，塑性好。应用于油箱、 油管（罐）、铆钉等。铝铜合金（又称硬铝）：强度较高，塑性好。主要用于飞机构件，如飞机蒙皮、螺旋桨

14、、叶片等重要零件。铝锌合金（超硬铝）：强度很高，耐热性、抗蚀性差。应用于飞机大梁、起落架等主要受力构件。铝镁合金（锻铝合金）：塑性好、易于压力加工。应用于航空工业中的管道、铆钉等。2 2、铜及铜合金、铜及铜合金（1 1）纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）牌号牌号： T1、T2、T3、T4、-序号越大，纯度越低序号越大，纯度越低特点及应用：特点及应用：良好的导电性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。（a a）黄铜（铜锌合金）黄铜（铜锌合金）牌号牌号：普通黄铜普通黄铜：H平均含铜量的百分数 特点特点良好的耐蚀性应用：应用：弹壳、散热器、垫片、油管（2 2）铜合金）铜合金（

15、b b）青铜青铜牌号牌号：锡青铜锡青铜：QSnSn含量的百分数锡青铜锡青铜：有较高的抗蚀性、耐磨性 轴瓦、轴套等耐磨零件。铝青铜铝青铜：有较高的强度、抗蚀性、耐磨性、耐热性和焊接性 齿轮、蜗轮、轴套、船舶等零件。三、非金属材料三、非金属材料 （1 1）工程塑料）工程塑料 密度小，耐蚀性好，绝缘，加工性好。 机械强度差，特别是刚性差，耐热性低，一般100 C以下。散热性差，易老化，易燃。 聚酰胺（尼龙） 聚乙烯（PE）塑料可制作食品包装袋、奶瓶、容器等。 聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。 聚丙烯（PP）可用于水暖结构件。 聚苯乙烯（PS）可用于制造仪表外壳。PE管材 聚丙烯制成电容器外皮

16、聚丙烯管子 摩托车挡泥板 （2 2）橡胶）橡胶 弹性好，绝缘性好，耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。主要用于弹性材料、密封材料、减振材料、传动材料。 （3 3）人工合成矿物）人工合成矿物 主要有刚玉和石英。o四、复合材料四、复合材料 基体材料+增强材料特点特点高比强度、高比模量抗疲劳性能好减摩、耐磨、自润滑性能好化学稳定性好具有其他特殊性能，如隔热性，特殊的电、光、磁性。抗冲击性能低五、新型及特种用途材料五、新型及特种用途材料 （1 1）非晶态合金）非晶态合金 （金属玻璃） 特点：高的强度、硬度和断裂韧性，良好的磁性及耐蚀性好 变压器、磁头、耐腐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽等。 （2 2）纳米材

17、料）纳米材料 小小 结结含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金的铁碳合金1）以含碳量 C%0.6%（高）2）以化学成份 碳素钢，合金钢3）以钢的品质 普通钢，优质钢 ，高级优质钢4）以钢的用途 结构钢，工具钢，特殊性能钢钢钢结结构构钢钢普通碳素结构钢：普通碳素结构钢： Q235AQ235A；Q215BQ215B；优质碳素结构钢：优质碳素结构钢： 4545；6565MnMn；合金结构钢：合金结构钢：2020Cr;Cr;3838CrMnAl;CrMnAl;6060Si2Mn;(GCr9)Si2Mn;(GCr9)铸铸钢钢铸造碳钢：铸造碳钢：ZG230ZG230450450； ZG270 ZG270

18、500500；* *常用钢种的牌号及识别：常用钢种的牌号及识别：含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金的铁碳合金白口铸铁白口铸铁无牌号标记无牌号标记灰口铸铁灰口铸铁HT150HT150； HT200 HT200；可锻铸铁可锻铸铁KTH300KTH3000606； KTZ450 KTZ4500404；球墨铸铁球墨铸铁QT400QT4001818；QT600QT6003 3铸铁铸铁基本组织基本组织铁素体：铁素体：F； C0.0218%；工业纯铁；强度、硬度低，；工业纯铁；强度、硬度低，塑性、韧性好。塑性、韧性好。奥氏体：奥氏体：A； 0.0218% C 0.77%；存在于；存在于727以以上；强

19、度、硬度较低，塑性、韧性较好。上；强度、硬度较低，塑性、韧性较好。渗碳体：渗碳体：Fe3C； C=6.69%；硬度很高，脆性很大，；硬度很高，脆性很大，塑性、韧性几乎为零，不单独使用。塑性、韧性几乎为零，不单独使用。珠光体：珠光体：P； c=0.77%；铁素体和渗碳体的机械混合；铁素体和渗碳体的机械混合物；强度、硬度较高，又有一定塑性和韧性，综合性能物；强度、硬度较高，又有一定塑性和韧性，综合性能好。好。莱氏体：莱氏体：Ld； c=4.3%；奥氏体和渗碳体的机械混合物；奥氏体和渗碳体的机械混合物；与渗碳体类似，硬度很高，塑性和韧性极差。与渗碳体类似，硬度很高，塑性和韧性极差。概述概述状态图状态

20、图工业纯铁：C 0.0218%钢亚共析钢共析钢过共析钢铸铁： 2.11% C 6.69%含碳量的影响含碳量的影响状态图的应用状态图的应用选材和工选材和工艺参考艺参考为什么要进行热处理为什么要进行热处理什么是热处理什么是热处理热处理的实质热处理的实质如何进行热处理如何进行热处理热处理的热处理的实质实质 马氏体贝氏体索氏体屈氏体珠光体铁素体铁素体和渗碳体渗碳体热处理：将固态金属或合金固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却缓慢冷却（随随 炉炉 冷冷）用途用途：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加工性

21、能，去除内应力；性能要求不高的机械零件的最终热处理。正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度1、普通热处理、普通热处理 （1）退）退 火火(Annealing) 把钢加热到相变温度以上3050 C，保温一定时间，然 后空冷空冷 正火与退火的区别：正火与退火的区别：冷却速度不同：正火冷速较大，得到的珠光体组织细，因 此强度和硬度也较高。若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能会产生较大的内应力和变形，甚至开裂。正火 经济。正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度（2）正）正 火火(Normalizin

22、g) 把钢加热到相变温度以上的某一温度，使钢呈奥氏体状态， 然后快速快速冷至室温（油冷或水冷油冷或水冷），从而获得马氏体组织 提高钢的硬度和耐磨性。正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度调质：调质：淬火+高温回火。 适用于各种重要的零件。（3）淬）淬 火火 (Quenching)视频视频1视频视频2视频视频3视频视频4视频视频5 正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度 将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度低于相变点某一温度，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态。硬度下降，但韧性有

23、较大改善。淬火和回火必须配合使用 调质调质：淬火：淬火 + 高温回火高温回火。 适用于各种重要的零件。（4）回）回 火火 (Tempering) 在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面强化零件表面 2、表、表 面面 热热 处处 理理（1）表）表 面面 淬淬 火火渗碳渗碳：目的：使钢件表层具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部保持一定的强度和较高的韧性。 （2） 化化 学学 热热 处处 理理 改变表层的化学成分和组织渗渗 氮氮 指向钢件表面渗入氮原子以形成高氮硬化层的化学热处理工艺。 目的是提高钢件的表面硬

24、度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性性等。 碳碳 氮氮 共共 渗渗( (氰化氰化) ) 汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等。59 机床齿轮机床齿轮 (碳钢碳钢 4040、4545钢钢)的简明加工工艺路线：的简明加工工艺路线： 下 料下 料 锻 造锻 造 正 火正 火 粗 加 工粗 加 工 调 质调 质 精 加 工精 加 工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨 正火正火 使锻造组织均匀化、便于切削加工使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调质调质处理处理 使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。强韧性进而使齿轮能承受较大的弯