机械工程材料课程复习

1、1/40机械工程材料课程复习机械工程材料课程复习 一、机械工程材料概念定义原理规律小结一、机械工程材料概念定义原理规律小结 1.1.材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度强度。 2.2.材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性塑性。 3.3.拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。屈服。拉伸曲线上与此相对应的点应力S ，称为材料的屈服点屈服点。拉 伸曲线上D点的应力b称为材料的抗拉强度抗拉强度，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。 4.4.硬度硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性

2、就越好。常用硬度有：布氏、洛氏、维氏三种。 5.5.韧性韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。 6.6.材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。2/40 7.在晶体晶体中，原子(或分子)按一定的几何规律作周期性地排列；晶体表现出各向异性；具有的凝固点或熔点。而在非晶体非晶体中，原子(或分子)是无规则地堆积在一起。常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格的致密度比面心立

3、方晶格结构的小。 8.金属的结晶都要经历晶核的形成形成和晶核的长大长大两个过程。 9.由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金；合金；合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相相。 10.通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为固溶强化固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。（马氏体型转变、合金化）马氏体型转变、合金化） 11.金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，称为金属的结晶过程金属的结晶过程。金属从一种固态过渡为另一种固态的转变即相变，称为

4、二次结晶或重结晶重结晶。 12.实验证明，在一般的情况下，晶粒长大对材料力学性能不利，使强度、塑性、韧性下降。晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性就越好。因此晶粒细化晶粒细化是提高金属力学性能的最重要途径之一。3/40 13.相图相图：是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形，又称为平衡相图或状态图。 14.二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元匀晶相图二元匀晶相图。 15.在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变共晶转变。合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共

5、晶转变的相图称为二元共晶相图二元共晶相图。共晶反应： 16.在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变包晶转变。两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶，并发生包晶转变的构成的相图，叫二元包晶相图。二元包晶相图。 17.在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为共析转变共析转变，发生共析转变的相图称为共析相图共析相图。共析反应： 1148 CE3FA +Fe CCLLd 7273CSPKAP FFe C 4/40 18.18.铁碳合金的基本相：铁碳合金的基本相： 铁素体铁素体-碳溶于-Fe中的间隙固溶体

6、，以符号F表示。体心立方晶格。 奥氏体奥氏体-碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号A表示。面心立方晶格。 渗碳体渗碳体-是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，分子式为Fe3C。 珠光体珠光体-是铁素体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号P表示。 莱氏体莱氏体-是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号Ld表示。 铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁碳铁碳合金的基本相合金的基本相；珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。 5/4019.铁碳相图（要记住要记住）6/40 20.一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于025的

7、低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.30.55的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.60.85的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.70.9的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.01.3的钢制造。 7/40 21.金属塑性变形的实质：是在切向应力的作用下，晶体的一部分与另一部分沿作一定的晶面产生相对滑移（该面称为滑移面），从而造成晶体的塑性变形。 22.冷塑性变形对金属性能的影响：主要影响是产生加工硬化， 物理性能和化学性能变化 ，产生残余内应力。

8、 23.金属塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其强度和硬度增加，而塑性和韧性降低，这一现象称为加工硬化加工硬化或形变强化。 24.产生加工硬化的主要原因产生加工硬化的主要原因：一是随着塑性变形量的不断增大，位错密度不断增加，使位错间的交互作用不断增强，使变形抗力增加；二是随着塑性变形量的增大，晶粒变形、破碎、形成亚晶粒，亚晶界阻止位错运动，使强度和硬度提高。 25.金属冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称为再结晶再结晶。再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新、旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。由于再结晶后组织的复原，金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失

9、。再结晶的温度通常定义为：经过70变形量变形的金属，在均匀温度中保持一小时能完成再结晶的最低温度。一般工业用纯金属可认为再结晶温度是再结晶温度是0.4 T0.4 T熔熔。 8/40 26.金属的金属的热塑性加工热塑性加工：是在再结晶温度以上的加工，在变形过程中产生的变形晶粒及加工硬化，由于同时进行着再结晶过程而被消除，故金属将不显示加工硬化现象。热塑性加工使金属材料的组织和性能发生一系列的显著变化：消除铸态组织缺陷，提高力学性能；形成热加工纤维组织(流线)-应力求工件流线分布合理，尽量使流线与(正)应力方向一致。 27.在再结晶温度以下的加工，叫冷加工冷加工。 9/40 28.金属的强度指标(

10、s、b)是代表着金属在一定变形过程中对塑性变形的抵抗能力。金属对塑性变形的抗力愈大，则强度愈高。因此，可以认为，一切提高金属变形抗力的因素均能提高金属的强度。 29.29.金属强化机制金属强化机制：能阻碍位错运动的障碍可以有四种：第一种是溶质原子，引起固溶强化固溶强化；第二种是晶界，引起细晶强细晶强化化；第三种是第二相粒子，引起沉淀强化沉淀强化(或弥散强化)；第四种是位错本身，引起位错强化位错强化。 30.奥氏体化刚结束时的晶粒度称为起始晶粒度起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，会出现晶粒长大的现象。在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度实际晶粒度,它直接影响钢的性能

11、。钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质本质晶粒度晶粒度。通常将钢加热到94010奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断钢的本质晶粒度。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢，5-8级的是本质细晶粒钢。 10/40 31.热处理热处理是将金属或合金在固态下经过加热加热、保温保温和冷却冷却三个步骤，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。 32.钢在高温时为奥氏体组织钢在高温时为奥氏体组织，而奥氏体的强度低、塑奥氏体的强度低、塑性好，有利于塑性变形。性好，有利于塑性变形。因此，钢材的轧制或锻压，一般都是选择在奥氏体区的适当温度范围内进行。 33.钢在热处理时，首先要将工件加热，使之转

12、变成奥氏体组织，这一过程也称为奥氏体化奥氏体化。奥氏体晶粒越细，其冷却产物的强度、塑性和韧性越好。 34.随着合金中碳质量分数的增加，合金熔点越来越低，所以铸钢的熔化温度与浇注温度都要比铸铁高得多。 35.35.共晶成分的铁碳合金，不仅其结晶温度最低，其共晶成分的铁碳合金，不仅其结晶温度最低，其结晶温度范围亦最小结晶温度范围亦最小( (为零为零) )。因此，共晶合金有良好的。因此，共晶合金有良好的铸造性能。铸造性能。11/40 36.36.钢在加热时奥氏体形成过程4个步骤：第一步是奥氏体晶核形成，第二步是奥氏体晶核长大，第三步是残余渗碳体溶解，第四步是奥氏体成分均匀化。 37.37.影响奥氏体

13、晶粒大小的4因素： 加热温度和保温时间 加热温度高、保温时间长，奥氏体晶粒粗大，即使是本质细晶粒钢，当加热温度过高时，奥氏体晶粒也会迅速粗化。 加热速度 加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。 合金元素 随奥氏体中碳含量的增加，奥氏体晶粒长大倾向变大，但如果碳以残余渗碳体的形式存在，则由于其阻碍晶界移动，反而使长大倾向减小。同样，在钢中加入碳化物形成元素(如钛、钒、铝、钽、锆、钨、铬等)和氮化物、氧化物形成元素(如铝等)，都能阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷溶于奥氏体后，使铁原子扩散加快，会促进奥氏体晶粒长大。 原始组织 接近平衡状态的组织有利于获得细奥氏体晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的

14、组织也粗大，从而降低了钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 12/40 38. C C曲线（等温转变曲线曲线（等温转变曲线，也称为“TTT”TTT”曲）曲）表明了过冷奥氏体转变温度、转变时间和转变产物之间的关系。左边一条为转变开始线，左边一条为转变开始线，右边一条为转变终了线。右边一条为转变终了线。 珠光体型转变珠光体型转变高温转变高温转变(A1550)：珠光体珠光体(P)(P)、索氏体索氏体(S)(S)和托氏体托氏体(T)(T)。 贝氏体型转变贝氏体型转变中温转变中温转变( (550Ms) 下贝氏体强度和硬度下贝氏体强度和硬度高高(5060H

15、RC)(5060HRC)，并且具有良好的，并且具有良好的塑性和韧度塑性和韧度。 马氏体型转变马氏体型转变低温转变(MsMf) 马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。产生很强的固溶强固溶强化效应，化效应，使马氏体具有很高的硬度。13/40 39.TTT39.TTT曲线曲线 定性说明连续冷却的组织转变。 当冷却缓慢时(V1，炉冷)，过冷奥氏体转变为珠光体P。冷却较快时（V2，空冷)，过冷奥氏体转变为索氏体S。采用油冷时(V3)，过冷奥氏体先有部分转变为托氏体，剩余的奥氏体在冷却到MS以下后转变为马氏体，其室温组织为T+M+AR。当冷却速度(V4，水冷)大于VKC时，过冷奥氏体将在MS以下直接转变为马

16、氏体，其室温组织为M+AR。14/40 40.退火退火：将钢加热到一定温度并保温一定时间然后随炉缓随炉缓慢冷却慢冷却的热处理工艺。降低硬度、改善切削加工性能，消除残余应力。 41.41.正火：正火：将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或ACcm(对于过共析钢)点以上30-50，保温一定时间后，在空气中冷却在空气中冷却，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。提高钢的强度和硬度。 42.42.淬火淬火是以获得马氏体组织为目的获得马氏体组织为目的的热处理工艺，提高钢的硬度和耐磨性；获得优异综合力学性能。最常用的淬火冷却介质是水和油。 43.43.回火：回火：将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，经适当保温后

17、冷却到室温的热处理工艺。 44.44.调质处理调质处理：淬火后再进行高温回火处理。调质处理得到的是回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。力学性能与正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。15/40 45.45.冷处理：冷处理：把淬冷至室温的钢继续冷却到-7080(或更低的温度)保持一段时间，使残余奥氏体转变为马氏体。 46.46.时效：时效：将淬火后的金属工件，置于室温或低温加热下保持适当时间，以提高金属强度（和硬度）的热处理工艺。 47.47.表面淬火：表面淬火：将工件表面层淬硬到一定深度，心部仍保持未淬火状态的局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好,而心部韧性好。 48.48.化学热处理：

18、化学热处理：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层，改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。分为渗碳渗碳、氮化氮化、碳氮共渗碳氮共渗、渗硼渗硼、渗铝渗铝等。主要目的是主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度，有时也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性。 49.淬透性淬透性，是指钢在淬火时获得淬透层深度的能力。它是钢材本身固有的属性，其大小通常以规定条件(指规定尺寸和形状的钢试样，在规定的淬火冷却条件下淬火)下淬透层的深度来表示。谈淬透性，必须排除工件尺寸、形状及介质的冷却能力等淬火条件影响。 50.淬硬性淬硬性(可硬性）是指钢在淬火后能达到的最高硬度，即钢

19、在淬火时的硬化能力，它主要取决于马氏体的碳含量。16/40二、常用材料二、常用材料 工业用钢： 1.按化学成分按化学成分可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢(含碳量 0.25)、中碳钢(含碳量为0.250.6)和高碳钢(含碳量0.6)。合金钢根据合金元素总量分为低合金钢(合金元素总量5)、中合金钢(合金元素总量为510)和高合金钢(合金元素总量10)。 2.2.按质量按质量分类是以磷、硫的含量来划分的。根据磷、硫的含量可将钢分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。硫产生热脆，磷产生冷脆，必须严格控制。 3.按用途按用途可将钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢包括工程

20、用钢和机器用钢，工程用钢用于建筑、桥梁、船舶、车辆等，而机器用钢包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢和耐磨钢；工具钢包括模具钢、刃具钢和量具钢；特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢等。 17/40 4.合金元素对热处理和力学性能的影响 :合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要是通过热处理改变钢的组织来显示合金元素的作用。(1)对奥氏体化的影响是大多数合金元（除镍、钴外）减缓奥氏体化过程。(2)细化晶粒。(3)提高淬透性。(4)提高回火稳定性 （淬火钢回火时，抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性）。 5.普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：适用于一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接构件

21、使用，不热处理。195/Q275. 6.优质碳素结构钢优质碳素结构钢：硫、磷含量较低(均不大于0.035)，力学性能优于(普通)碳素结构钢。主要用于制造各种机器零件加轴类、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，也称机器制造用钢。使用前一般都要进行热处理，碳含量用万分数表示。 7.低合金高强度结构钢（普通低合金结构钢）低合金高强度结构钢（普通低合金结构钢）：有高的屈服强度、良好的塑性、焊接性能及较好的耐蚀性。可满足工程上各种结构的承载大、自重轻的要求，如建筑结构、桥梁、车辆等。其中Q345(16Mn)是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢，其综合性能好，广泛用于制造石油化工设备、船舶、桥梁、车辆等大型

22、钢结构。Q295/Q460，少量(不大于3）合金元素。 18/40 8.渗碳钢渗碳钢：是经渗碳后使用的钢种，主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷（表硬里韧）的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销等。如20、20Cr、 20CrMnTi等。 9.调质钢调质钢是指调质处理后使用的钢种，主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其它机器的各种重要零件，如齿轮、连杆、螺栓、轴类件等。具有良好的综合力学性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。最典型的钢种是45、40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如齿轮、轴、螺栓。 10.弹簧钢弹簧钢主要用于制造各种弹簧或类

23、似性能的结构件。淬火加中温回火(350-500)处理，得到回火托氏体组织，其硬度可达40HRC-45HRC，从而在保证得到高的屈服强度的条件下又具有足够的韧性。代表性钢种为65Mn、60Si2Mn、50CrV。 11.滚动轴承钢滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和轴承套的专用钢种，由于高碳铬轴承钢属于高碳钢，因而也可用于制造精密量具、冷冲模和机床丝杠等耐磨零件。应用最广泛的是GCr15钢。 19/40 12.刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀及钻头等。碳素工具钢碳素工具钢：T7-T13，千分数表示。高速钢高速钢是制造高速切削刀具用钢。它的主要性能特点是热硬性高，当切削温度

24、达到600时，硬度仍能保持在55HRC-60HRC以上。切削时能长时间保持刃口锋利，俗称“锋钢”。高速钢的淬透性高，空冷即可淬火，又俗称“风钢”。常用的钢种为钨系的W18Cr4V和钨-钼系的W6Mo5Cr4V2。 13.特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。 在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢，一般称为不锈钢不锈钢。主要有：1Cr13、1Cr17 、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。 耐热钢耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。主要有：15CrMo 、1Cr12WMoV、1Cr13、 1Cr18Ni9Ti等。 耐磨钢耐磨钢指在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变

25、硬化的高锰钢。其化学成分为：w(C)1.0-1.3，w(Mn)11-14。因为耐磨钢机加工很困难，一般采用铸造成型，所以牌号定为ZGMnl3。 20/40 14.铸铁：铸铁：是碳质量分数大于2.11的铁碳合金。主要由铁、碳、硅、锰、硫、磷以及其他微量元素组成。铸铁具有铸铁具有优良的铸造性、切削加工性、减摩性、吸震性和低的缺口敏感性，加之其熔炼铸造工艺简单，价格低廉，所以铸铁是机械制造业中最重要的材料之一。例如，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。 15.铸铁的组织是由基体和石墨组成的，基体组织有3种，即铁素体、珠光体和铁素体加珠光体，可见铸铁的基体组织是钢的组

26、织，因此铸铁的组织实际上是在钢的基体上分布着不同形态石墨的组织。其强度、塑性及韧性低于碳钢。 16.铸铁根据石墨的形态分类：有片状、团絮状、球状和蠕虫状4种，其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁（不能锻造）、球墨铸铁（机械性能优良机械性能优良）和蠕墨铸铁（耐热）。 17.铸铁力学性能标注铸铁力学性能标注部分为一组数据时表示其抗拉强度值；为两组数据时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示伸长率值，两组数字之间用“”隔开。如HT200，KTZ550-04， QT800-2， RuT-380等。 21/40 18. 18.有色金属及其合金有色金属及其合金又称非铁材料非铁材料，是指除铁、铬、锰之外的其他所

27、有金属材料。 19.19.纯铝纯铝为面心立方晶格面心立方晶格，无同素异构转变无同素异构转变。纯铝不能热处理纯铝不能热处理强化，冷加工是提高纯铝强度的唯一手段强化，冷加工是提高纯铝强度的唯一手段。 铝合金的强化：铝合金的强化：固态铝无同素异构转变，因此不能象钢一样借助于热处理相变强化。合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细化织织强化。 20.20.铜及其合金铜及其合金按其表面颜色，分为纯铜纯铜、黄铜黄铜、青铜青铜和白铜白铜，其中后三种为铜合金。 黄铜黄铜是以锌锌为主加元素的铜合金，只含锌黄铜称为普通黄铜只含锌黄铜称为普通黄铜。白铜白铜是以镍镍为主加元素的铜合金；青铜青铜是除锌和镍

28、除锌和镍以外的其他元素作为主加元素的铜合金。 21.滑动轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦轴瓦及内衬内衬的合金，应具备以下基本性能基本性能：常温下具有足够的强度、硬度、冲击韧常温下具有足够的强度、硬度、冲击韧性和疲劳极限性和疲劳极限。耐磨性好，与轴的摩擦系数小，热膨胀系数小，耐磨性好，与轴的摩擦系数小，热膨胀系数小，导热性能好导热性能好。有良好的磨合性和抗蚀性能良好的磨合性和抗蚀性能。 22.22.轴承合金的组织特点轴承合金的组织特点是在软基体上均匀分布着硬质点软基体上均匀分布着硬质点或硬硬基体上分布着软质点基体上分布着软质点。22/40 23. 高聚物高聚物的一些力学性能如抗拉强度，抗冲击强

29、度、弹性模量、硬度等，都随分子量的增大而增加。实际使用的塑料塑料是以有机合成树脂为主要成分，加入各种添加剂，然后经过加热加压而制成产品的。 2424.橡胶橡胶的最大特点是具有高弹性，故又称高弹体。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制造密封件、减振件、轮胎、电线等。 25.25.陶瓷材料陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料的通称。陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、耐高温、耐氧化、耐腐蚀性等特点。 26.26.复合材料复合材料由于多数金属材料不耐腐蚀、无机非金属材料脆性大、高分子材料不耐高温，把上述两种或两种以上的不同材料组合起来，使之取长补短、相得益彰就构成了复合材料复

30、合材料。它由基体材料和增强材料复合而成。基体材料有金属、塑料、陶瓷等，增强材料有各种纤维和无机化合物颗粒等。如钢筋混凝土、玻璃钢。23/40三三 典型零件的选材和应用典型零件的选材和应用 金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。 高分子材料高分子材料的强度、刚度较低，易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件，但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。 陶瓷材料陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件，但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零件、耐磨耐蚀零件及切削刀具等。 复合材料复

31、合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。 金属材料金属材料与以上3类工程材料相比，具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低，广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。24/40 （一）齿轮类零件（一）齿轮类零件的选材的选材 (1)齿轮的工作条件齿轮的工作条件 齿轮是机械传动中用得最多的一种零件，主要用于调节速度、传递扭矩和改变运动方式与方向。在工作过程中，齿轮根部要承受很大的交变弯曲应力；相互啮合的

32、齿面间有较大的接触压应力和摩擦力。另外，在机构启动换挡制动或齿间啮合不均匀时都会对齿部造成一定的冲击载荷。 (2)齿轮的失效方式齿轮的失效方式 主要有两种： 1)轮齿折断轮齿折断 包括疲劳断裂和冲击过载断裂。断裂部位主要发生在齿的根部或中部。 2)齿面损伤齿面损伤 包括表面麻点剥落和较大的摩擦力造成的过度磨损。根据疲劳破坏产生的位置，可分为表面的麻点剥落、接触表面下某一位置的浅层剥落以及齿面硬化层与心部交界处的深层剥落。 25/40 (3)对齿轮材料的性能要求对齿轮材料的性能要求 根据齿轮的工作条件和失效方式，对齿轮材料提出的性能要求如下： 1)1)高的表面硬度和耐磨性高的表面硬度和耐磨性；

33、2)2)足够高的齿心强度和韧性足够高的齿心强度和韧性； 3)3)高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 此外，还要求材料有较好的加工工艺性能，如切削加工性好、淬透性好、热处理变形小等。 采用整体热处理的方法，任何一种材料也无法同时满足齿轮对于表面和心部不同性能的要求。通常齿轮材料为中碳钢或中中碳钢或中碳合金钢碳合金钢，通过表面强化处理，使其表面有高的硬度和高的疲劳强度，而心部则有高的强度和韧性，满足齿轮的使用性能要求。此外，这类钢的工艺性和经济性都比较好，是比较理想的齿轮材料，在齿轮选材中占有很大的份额。 26/40 除此之外，也有一些齿轮可以采用铸铁、有色金属或工程塑

34、料制造。与钢制齿轮相比，虽然铸铁材料的抗拉强度低、脆性较高，但其具有加工性能好、耐磨减振、噪声低、缺口敏感性小、价格便宜等优点，比较适合用作齿轮材料。 常用的有灰铸铁灰铸铁HT200、HT250和HT350等。 球墨铸铁球墨铸铁QT900-2基体是下贝氏体，硬度超过41HRC，断裂韧性KIC可达41-62MPam-l/2，也是一种比较理想的齿轮材料。 有色金属有色金属中常用来制造齿轮的主要是铜合金，如黄铜、青铜等。它们具有好的耐磨性和耐蚀性、强度高，可用来制造蜗轮或要求耐腐蚀、耐高温的齿轮。 可以用来制造齿轮的工程塑料工程塑料比较多，如聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。尼龙尼龙齿轮的强度高、韧性好

35、、耐腐蚀，具有突出的耐磨性和自润滑性；聚甲醛聚甲醛的耐疲劳性能好，硬度高，特别适合在干摩擦条件下工作的齿轮；聚碳酸酯聚碳酸酯则适用于载荷不大和要求冲击韧性较高的轻载齿轮或要求有较高的尺寸稳定性的小模数精密齿轮、蜗轮和齿条等。27/40 机床齿轮的工作条件较好、载荷不大、转速中等、工作平稳、少有强烈的冲击。除了要有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性等要求外，还应能保证高的传动精度和小的工作噪声。一般情况下可以选用45钢钢或40Cr、40MnB中碳合金钢制造，后者的淬透性更好。 机床齿轮的工艺路线一般为机床齿轮的工艺路线一般为： 下料一锻造一下料一锻造一正火正火一粗加工一一粗加工一调质调

36、质或正火一或正火一精加工一齿部精加工一齿部高频表面淬火高频表面淬火+低温回火低温回火一精磨一精磨 28/40 正火正火作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工。 调质调质处理处理的目的是为齿轮提供较高的综合力学性能，保证齿的心部具有足够的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷。同时还可以减少淬火后的变形。（对于性能要求不高的齿轮可以不进行调质处理。） 高频表面淬火高频表面淬火+低温回火低温回火处理可以使齿面的硬度超过50HRC，有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳抗力。特别是在高频表面淬火处理后，齿面存在残余压应力，有利于提高齿轮的疲劳抗力，防止表面发

37、生麻点剥落。29/40（二）轴类零件的选材（二）轴类零件的选材 1轴类零件对选材的要求轴类零件对选材的要求(1)(1)轴类零件的工作条件轴类零件的工作条件 轴类零件主要起支撑传动零件和传递扭矩的作用，工作受力情况比较复杂。 1)承受交变的弯曲与扭转复合载荷； 2)在某些工作条件下，轴可能受到冲击作用； 3)在与其他零件相联结的轴颈或花键处有摩擦作用； 4)特殊条件下受到介质与温度的作用。(2)(2)轴类零件的失效方式轴类零件的失效方式 轴的失效方式主要是交变弯曲与扭转载荷作用下的疲劳断裂和轴颈处的磨损失效，有时也会因冲击过载造成断裂失效，在特殊介质条件下还可表现为过量塑性变形或腐蚀失效。30/

38、40 (3)对轴类零件材料的性能要求对轴类零件材料的性能要求 对轴类零件的选材主要有以下几点： 1)高的疲劳强度高的疲劳强度； 2)良好的综合力学性能良好的综合力学性能，即要有较高的强度和较高的韧性，以防止塑性变形或由过载或冲击载荷导致轴的断裂； 3)轴颈等承受摩擦的局部表面应有承受摩擦的局部表面应有高硬度和高高硬度和高耐磨性耐磨性； 4)具有适应特殊条件下工作的适应特殊条件下工作的特殊性能特殊性能，如耐蚀性、抗氧化性等： 5)具有良好的加工工艺性良好的加工工艺性。31/40 2轴类零件的选材方法轴类零件的选材方法 疲劳强度疲劳强度是轴类零件选材时首要考虑的指标，同时也要考虑材料的综合力学性能

39、综合力学性能和耐磨性耐磨性。虽然高碳钢的强度比中碳钢高，但其塑性和冲击韧性却远不如中碳钢；而低碳钢无论是疲劳强度还是耐磨性均不能满足轴类零件材料的性能要求。根据经验，当碳质量分数在0407范围内时，材料的疲劳强度最高，所以轴类零件用钢的碳质量分数应在0.30.5。 碳素结构钢碳素结构钢以其合理的价格、较好的综合力学性能以及较小的应力集中敏感性在轴类零件中用得比较多，常用的优质碳素结构钢有35、40、45、50等，其中4545钢最常用钢最常用。 合金钢合金钢的价格比较贵，但是合金钢的力学性能与热处理工艺性都比碳钢好，特别是合金钢的淬透性远好于碳素钢，故较重较重要的、截面较大的轴常选用合金钢要的、

40、截面较大的轴常选用合金钢制造。常用的合金钢材料有35CrMo、40Cr40Cr、40CrNi40CrNi、40CrNiMo40CrNiMo、40MnB等。 轴类零件用钢一般在整体调质后进行表面淬火处理整体调质后进行表面淬火处理以满足局部耐磨性能的要求。32/40 通常轴类零件截面多变，切削加工量比较大，因此要求材料有良好的切削加工性有良好的切削加工性，降低加工成本。 虽然淬透性是轴类零件选材时需要重点考虑的工艺性能，但一味追求高的淬透性是不必要的。根据对轴类零件载荷分布的分析，对于弯曲载荷和扭转载荷，应力最大值出现在外表面上，而心部受力并不大，所以可以不必选用淬透性比较高的钢种；而轴向载荷的受

41、力是在整个截面上均匀分布的，心部的受力也比较大，所以对于轴向载荷比较大的轴类应选用淬透性比较高的钢。 此外，轴类零件，特别是曲轴也可以选用球墨铸曲轴也可以选用球墨铸铁和高强度灰铸铁铁和高强度灰铸铁制造。33/40 3、加工加工工艺的选择工艺的选择 1）铸造成形）铸造成形 球墨铸铁是铸造曲轴最常用的材料，在轿车发动机中应用很广泛。常用的铸造曲轴用的球墨铸铁有QT600-2、QT700-2、QT900-2等。一般汽车发动机曲轴选用的球墨铸铁强度应不低于600MPa，制造农用柴油发动机曲轴的球墨铸铁强度则不应低于800MPa。 一般在调质或正火调质或正火后采用中频感应淬火对轴颈进行表面强化中频感应淬

42、火对轴颈进行表面强化处理。某些汽车、拖拉机发动机的曲轴轴颈也有采用氮碳共渗处理，以提高曲轴的疲劳强度和耐磨性。 铸造质量是影响铸造曲轴质量的关键因素，必须保证铸造毛坯球化良好并无铸造缺陷。正火正火的目的是通过增加组织中珠光体的含量并使其细化来提高其强度、硬度与耐磨性；高温回火高温回火的目的在于消除正火过程中造成的内应力。 铸造曲轴的工艺路线铸造曲轴的工艺路线为： 铸造一铸造一正火（或调质）正火（或调质）一矫直一切削加工一一矫直一切削加工一去应力退火去应力退火一轴颈一轴颈气体气体渗氮渗氮( (或氮碳共渗或氮碳共渗) )一矫直一精加工一零件一矫直一精加工一零件34/40 2 2）锻造成形）锻造成形

43、 如机床主轴机床主轴是机床的重要零件之一，在进行切削加工时，高速旋转的主轴承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有足够的刚度、强度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。 根据机床主轴所选用的材料和热处理方式，可以将其分为四种类型：局部淬火主轴、渗碳主轴、渗氮主轴和调质(正火)主轴。 对一般的中等载荷、中等转速，冲击载荷不大的主轴，选用45钢钢或40Cr、40MnB中碳合金钢等即可满足要求，对轴颈、锥孔等有摩擦的部位要进行表面硬化处理。 当载荷较大，同时要承受较大的疲劳载荷与冲击载荷的主轴，则应采用20CrMnTi合金渗碳钢合金渗碳钢或38CrMoAl渗渗氮钢氮钢制造，并进行相应的渗碳或渗氮化学

44、热处理。 35/40 选用45钢钢或40Cr钢钢制造，一般加工工艺路线为： 下料一锻造一下料一锻造一正火正火一粗加工一一粗加工一调质调质一半精加工一局部一半精加工一局部表面淬火表面淬火+低温回火低温回火一磨削加工一零件一磨削加工一零件 整体的调质处理整体的调质处理可使轴得到较高的综合力学性能与疲劳强度硬度可达220250HBS，调质后组织为回火索氏体。 轴颈和锥孔处进行表面淬火与低温回火轴颈和锥孔处进行表面淬火与低温回火处理后，硬度为52HBC，可以满足局部高硬度与高耐磨性的要求。 表13-6和13-7为常用轴类零件的选材实例。36/40 （三）箱体、支架类零件三）箱体、支架类零件 各种机械的

45、机身、底座、支架、主轴箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等，都可视为箱体、支架类零件。 一般多用铸造： 受力大强度韧性高的用铸钢铸钢；正火或完全退火。 受力不大、不受冲击的用灰铸铁灰铸铁；去应力退火。 受力不大、要自重轻或导热好的选铸造铝合金铸造铝合金；退火或淬 火时效。 受力很小、要自重轻的可选工程塑料工程塑料； 受力较大，但形状简单批量小，可选型钢焊接型钢焊接。37/40四、一些应用实例四、一些应用实例 1.材料选择题材料选择题: :为下列工件选择合适的材料。 发动机连杆螺栓 50CrVA 发动机排气阀门弹簧 40Cr 镗床镗杆 38CrMoAl 自行车架 60Si2Mn 车辆缓冲弹簧 Q295 机用大钻头 W18Cr4V 高速粗车铸铁的车刀 T10 车床丝杠螺母 45 螺丝刀 Q235 普通机床地脚