第2章_机械工程常用材料及钢的热处理.

1、精密机械设计基础机械工机械工程材料程材料金金属属材材料料非非金金属属材材料料黑色金属黑色金属钢钢有色金属有色金属铸铁铸铁合金钢合金钢无机非金属材料无机非金属材料有机有机材料材料塑料塑料橡胶橡胶陶瓷陶瓷合成纤维合成纤维铝合金铝合金铜合金铜合金其他有色合金其他有色合金 机械工程材料机械工程材料精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础拉伸试验机拉伸试验机精密机械设计基础低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线精密机械设计基础精密机械设计基础 单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示以试样的原始标距表示:

2、: L L伸长量伸长量(mm )(mm ) = = L L 0 0原始长度原始长度( mm)( mm)(2)(2)应变应变 精密机械设计基础bse(3)(3)应力应变曲线（应力应变曲线（ - - 曲线）曲线）: :应应力力与与应应变变曲曲线线精密机械设计基础不不同同材材料料的的拉拉伸伸曲曲线线精密机械设计基础0SF应力应力-应变曲线应变曲线 弹性模量：弹性下应力与应变弹性模量：弹性下应力与应变的比值的比值, ,表示材料抵抗弹性变表示材料抵抗弹性变形的能力。即：形的能力。即： E= / E= / 刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。精密机械设计基础强度

3、强度: : 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。的能力。种类种类: : 1 1 抗拉强度抗拉强度 2 2 抗压强度抗压强度 3 3 抗弯强度抗弯强度 4 4 抗剪强度抗剪强度 5 5 抗扭强度抗扭强度精密机械设计基础 F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)b = ( M Pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)bse精密机械设计基础Fs试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N ) 产生明显塑性变形的最低应力值。产生明显塑性变形的最低应力值。s精密机械设计基础 F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0F0.2 试样

4、产生试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷残余塑性变形时的载荷(N)0.2精密机械设计基础 S0 - S 1 = 100% S0 塑性是指材料在载荷作用下产生塑性变形而塑性是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。不被破坏的能力。(1)断面收缩率断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的是指试样拉断处横截面积的收缩量收缩量 S与原始横截面积与原始横截面积S0之比。之比。精密机械设计基础 l 1 - l0 = 100% l0精密机械设计基础1 布氏硬度布氏硬度HB是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。硬度是各种零件和工具必需具备的力学性能硬度是各种零件

5、和工具必需具备的力学性能指标指标, ,常作为技术要求标注在零件工作图上。常作为技术要求标注在零件工作图上。常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法: :2 2 洛氏硬度洛氏硬度HRHR3 3 维氏硬度维氏硬度HVHV精密机械设计基础布氏硬度计布氏硬度计 精密机械设计基础适用范围适用范围: :450HBS;精密机械设计基础h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计精密机械设计基础适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ;精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础 P S精密机械设计基础 Mn脱氧、去硫，提高钢的强度和硬度。脱氧、去硫，提高钢的强度和硬度

6、。2)有益元素有益元素精密机械设计基础Q 235 A F沸腾钢沸腾钢A等级等级235 MPa屈服强度屈服强度2) 碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途质量等级脱氧方法精密机械设计基础* * 较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn - Wc = 45%; WMn = 0.7%1.0%3) 3) 碳素结构钢碳素结构钢精密机械设计基础T 12 A高级优质高级优质 Wc = 12 % %碳素工具钢碳素工具钢4) 4) 碳素工具钢碳素工具钢精密机械设计基础ZG 200 - 400b 400MPas 200MPa铸钢铸钢4) 4) 铸造碳钢铸造碳钢精密机械设计基础2 合金钢

7、合金钢1) 1) 定义定义合金钢是冶炼时人为的在钢中加入一些合金合金钢是冶炼时人为的在钢中加入一些合金元素所形成的钢，这些元素包括锰、硅、镍、元素所形成的钢，这些元素包括锰、硅、镍、钼、钨、钒、钛、铌、稀土元素。钼、钨、钒、钛、铌、稀土元素。2) 2) 根据加入合金元素总量分为根据加入合金元素总量分为(1)(1)低合金钢低合金钢( (合金总量小于合金总量小于5%)5%)(2)(2)中合金钢中合金钢( (合金总量合金总量5%10%)5%10%)(3)(3)高合金钢高合金钢( (合金总量大于合金总量大于10%)10%)精密机械设计基础1.化学成分化学成分: 碳素结构钢碳素结构钢 + 合金元素合金元

8、素屈服强度屈服强度普通低合金钢成分和牌号：普通低合金钢成分和牌号：精密机械设计基础压力容压力容器器南京长江大南京长江大桥桥万吨远洋轮万吨远洋轮 普通低合金钢用途：普通低合金钢用途：精密机械设计基础铸铁铸铁精密机械设计基础灰口铸铁灰口铸铁精密机械设计基础精密机械设计基础2) 性能精密机械设计基础灰口铸铁牌号灰口铸铁牌号b精密机械设计基础1 铜铜精密机械设计基础1 铜合金铜合金定义定义 : : 除黑色金属除黑色金属 ( ( 钢、铁钢、铁 ) ) 以外的所有金以外的所有金属。属。 铜及铜合金铝及铝合金铜及铜合金铝及铝合金 精密机械设计基础铜合金：铜合金：1) 黄铜黄铜 、2) 青铜青铜1)1)普通黄

9、铜普通黄铜 黄铜是铜和锌的合金，黄铜中锌含量在黄铜是铜和锌的合金，黄铜中锌含量在20%40%20%40%左右。左右。 黄铜具有优良的机械加工性能和良好的防黄铜具有优良的机械加工性能和良好的防腐性，可以铸造，也可以锻造。腐性，可以铸造，也可以锻造。精密机械设计基础( Z ) H 90含铜量含铜量 WCu = 90%黄铜黄铜铸造铸造2) 2) 黄铜的牌号黄铜的牌号精密机械设计基础精密机械设计基础v金奖黄铜金奖黄铜 - H90v弹壳黄铜弹壳黄铜 -H70 ( H68 )v日用黄铜日用黄铜 -H62 ( H59 )法兰阀法兰阀闸阀闸阀冷凝器管冷凝器管3) 3) 常用的黄铜常用的黄铜精密机械设计基础H

10、Al 59 - 3含铝量含铝量WAl = 3%含铜量含铜量WCu = 59%青铜青铜精密机械设计基础Z Q Sn10 1 其它合金元其它合金元素含量为素含量为1%主加元素锡其含主加元素锡其含量为量为WSn = 10%青铜青铜铸造铸造锡锡青青铜铜表表示示方方法法3) 3) 普通青铜普通青铜 ( ( 锡青铜锡青铜 ) )普通青铜普通青铜 ( ( 锡青铜锡青铜 ) ) 特殊青铜特殊青铜 ( ( 无锡青铜无锡青铜 ) ) 精密机械设计基础特殊青铜特殊青铜( (无锡青铜无锡青铜) )3) 3) 特殊青铜特殊青铜精密机械设计基础2 2 铝及铝合金铝及铝合金3)3)纯铝的牌号：纯铝的牌号：按铝的纯度来编制，

11、如按铝的纯度来编制，如10601060表示表示99.6%99.6%铝合金：铝合金：形变铝合金、铸造铝合金形变铝合金、铸造铝合金精密机械设计基础形变铝合金形变铝合金精密机械设计基础飞机翼梁飞机翼梁( (腹板为硬铝合金腹板为硬铝合金) )飞机主起落架飞机主起落架精密机械设计基础压气机叶片压气机叶片精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础(1)(1)热塑性塑料热塑性塑料 聚乙烯聚乙烯(PE)(PE) 按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低压

12、聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。缘陶瓷、化工陶瓷等。 特种陶瓷特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成

13、又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满化物等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。足工程结构的特殊需要。1 1 陶瓷的分类陶瓷的分类 按原料不同，陶瓷分为按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷；按用途不同分为按用途不同分为日用陶瓷日用陶瓷和和工业陶瓷工业陶瓷。精密机械设计基础精密机械设计基础复合材料的性能第三节第三节 工业常用钢铁材料工业常用钢铁材料精密机械设计基础精密机械设计基础时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却1 1 热处理的

14、定义热处理的定义精密机械设计基础精密机械设计基础一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:精密机械设计基础钢的退火钢的退火1 )定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 随炉冷却随炉冷却。 2 )目的目的: 消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。 精密机械设计基础3) 种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温

15、退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础钢的正火钢的正火1 )定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 在空气中冷却在空气中冷却。 2 )目的目的: 消除应力消除应力;调整硬度调整硬度;细化晶粒细化晶粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。3 ）应用范围）应用范围: 1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C。 2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用

16、于力学性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。 精密机械设计基础钢的淬火钢的淬火1)定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 30 50,保温一段时间保温一段时间,然然 后后快速冷却快速冷却 ( 常用水冷常用水冷 )。 2)目的目的: 为了获得马氏体组织为了获得马氏体组织,提高钢提高钢 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。 精密机械设计基础钢的回火钢的回火1) 定义定义: 把把淬火后淬火后的零件重新加温到的零件重新加温到 A1线以下某个温度线以下某个温度,保温一段保温一段 时间时间,然后冷却到窒温。然后冷却到窒温。 2) 目的目的: 消除淬火应力消除淬火应力,降低脆性降低脆性;

17、稳定稳定 工件尺寸工件尺寸;调整淬火零件的力调整淬火零件的力 学性能。学性能。 淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理精密机械设计基础钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。精密机械设计基础 表面淬火表面淬火1) 定义定义:是一种是一种不改变钢表层化学成不改变钢表层化学成 分分,但改变表层组织但改变表层组织的局部热的局部热 处理工艺。处理工艺。2) 工艺特征工艺特征:通过快速加热使钢的表通过快速加热使钢的表 层奥氏体化层奥氏体化,然后急冷然后急冷,使表层使表

18、层 形成马氏体组织形成马氏体组织,而心部仍保而心部仍保 持不变。持不变。 精密机械设计基础3)表面淬火用钢表面淬火用钢: 选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。等。4)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感应加热感应加热( 高、中、工频高、中、工频 )、火火 焰加热焰加热、电接触加热法等。、电接触加热法等。精密机械设计基础1 1 感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理:* 感应电流感应电流 - 涡流涡流* 集肤效应集肤效应*淬火层深度淬火层深度()与电流频率与电流频率( f )的关系的关系: = 500 / f

19、（mm） 精密机械设计基础感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图集肤效应示意图精密机械设计基础2)工艺要求工艺要求: * 表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行必须对零件进行正火正火 或调质处理或调质处理,以保证零件有良好的以保证零件有良好的 基体。基体。 * 表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行必须对零件进行低温低温 回火处理回火处理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。3)生产特点生产特点: 淬火件的质量好淬火件的质量好; 工件变工件变 形小形小;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳;淬火层容易淬火层容易 控制控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大,不适不适 于复

20、杂形状零件和小批量生产。于复杂形状零件和小批量生产。精密机械设计基础火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法精密机械设计基础2)火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点: :*设备简单设备简单, 操作方便操作方便, 成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。精密机械设计基础化学热处理化学热处理1) 定义定义:将零件置于一定的化学介质将零件置于一定的化学介质 中中 , 通过加热、保温通过加热、保温,使介质使介质 中一种或几种元素原子渗入中一种或几种元素原子渗入 工件表

21、层工件表层,以以改变钢表层的化改变钢表层的化 学成分和组织学成分和组织的热处理工艺。的热处理工艺。 精密机械设计基础 2) 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:(2)吸收吸收: 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸收和溶 解。解。(3)扩散扩散: 活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散, 形成一定的扩散层形成一定的扩散层。(1)分解分解: 化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗 的的活性原子活性原子。 2CO CO2 +C精密机械设计基础3)化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮碳氮 共渗共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝;

22、 渗硫渗硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。精密机械设计基础精密机械设计基础钢的渗氮钢的渗氮精密机械设计基础越王勾践剑越王勾践剑精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础精密机械设计基础电镀原理电镀原理: :将直流电流的正负极分别用导线连接到镀将直流电流的正负极分别用导线连接到镀槽的阴、阳极上，当直流电通过两电极及两极间含金槽的阴、阳极上，当直流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，电镀液中的阴、阳离子由于受到属离子的电解液时，电镀液中的阴、阳离子由于受到电场作用，发生有规则的移动，阴离子移向阳极，阳电场作用，发生有规则的移动，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，这种现象叫离子移向阴极，这种现象叫“电迁移电迁移”。此时，金属。此时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。当然，离子的移动除电迁移外，还可以通移为离子。当然，离子的移动除电迁移外，还可以通过对流和扩散迁移。