补充机械工程常用材料及钢的热处理

1、补充补充 机械工程常用材料及钢的热处理机械工程常用材料及钢的热处理参考文献参考文献史美堂，史美堂，金属材料及热处理金属材料及热处理，上海科学，上海科学技术出版社，技术出版社，2003齐宝森等，齐宝森等，机械工程材料机械工程材料，哈尔滨工业，哈尔滨工业大学出版社，大学出版社，2003戈晓岚等，戈晓岚等，工程材料工程材料，东南大学出版社，东南大学出版社，2004其他与金属材料及热处理的相关书籍其他与金属材料及热处理的相关书籍28/kecheng/jixie/multimedia.htm我校精品课程网站我校精品课程网站主要内容主要内容第一节第一节 概述概述第二节第二

2、节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能第三节第三节 常用的工程材料常用的工程材料第四节第四节 钢的热处理钢的热处理第五节第五节 表面精饰表面精饰第六节第六节 精密仪器材料选用原则精密仪器材料选用原则第一节第一节 概述概述机械工机械工程材料程材料金属金属材料材料非金属非金属材料材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材料有机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材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。金属材料的

3、性能包括使用性能和工艺性能。金属的力学性能是指材料在各种载荷（静载金属的力学性能是指材料在各种载荷（静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等）作用下表现出荷、冲击载荷、疲劳载荷等）作用下表现出来的抵抗变形和破坏的能力。常用的力学性来的抵抗变形和破坏的能力。常用的力学性能指标有：能指标有：强度强度、刚度、塑性、硬度、冲击、刚度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。韧度和疲劳强度等。第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能强度强度 材料在外力作用，抵抗材料在外力作用，抵抗破坏破坏的能力。工程上常用的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有的金属材料的强度指标有屈服强度屈服强度( ( s) )和和抗拉强度

4、抗拉强度( ( b) )等等；往往通过金属拉伸试验来测定。往往通过金属拉伸试验来测定。应力极限应力极限弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 p屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 s强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能动画：材料拉伸实验刚度：在比例极限范围内，材料抵抗刚度：在比例极限范围内，材料抵抗变形变形的的能力（能力（E），），E= / 塑性：材料破坏时，遗留变形的大小塑性：材料破坏时，遗留变形的大小 伸长率伸长率 、断面收缩率、断面收缩率 硬度：材料抵抗硬物压入的能力硬度：材料抵抗硬物压入的能力 布氏硬度布氏硬度HBW、洛氏硬度、洛氏

5、硬度HRC、 维氏硬度维氏硬度HV第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能影响力学性能的主要因素影响力学性能的主要因素 1、含碳量含碳量 含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。 2、杂质元素杂质元素：有益：有益Si、Mn，有害，有害S、P 3、合金元素合金元素 加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能。能，并获得某些特殊的物理和化学性能。 4、温度温度 一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降性下降 ，高温条

6、件下相反。，高温条件下相反。 5、热处理工艺、热处理工艺第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能钢铁材料（黑色金属）钢铁材料（黑色金属）:工业纯铁工业纯铁 含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。钢钢: : 含碳量为含碳量为0.02%0.02%2.11%2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。生铁生铁: : 含碳量为含碳量为2.11%2.11%6.69%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。1、非合金钢（碳钢）、非合金钢（碳钢） 含碳含碳2以下的铁碳合金、少量杂质以下的铁碳合金、少量杂质 按含碳量分类按含碳量分类： 低碳钢低碳钢（C0.25%） 、中碳钢、中碳钢（0.2

7、5%0.6%） 按质量等级按质量等级(杂质杂质S，P含量）分类含量）分类： 普通质量、优质和高级优质碳素钢普通质量、优质和高级优质碳素钢 按用途分类按用途分类： 碳素结构钢、碳素工具钢碳素结构钢、碳素工具钢第三节第三节 常用工程材料常用工程材料2、合金钢、合金钢 人为加入人为加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，具有等，具有高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐蚀性、高温强度等）。（如耐腐蚀性、高温强度等）。 3、铸铁（、铸铁（生铁）生铁） 良好的良好的铸造性能铸造性能、减摩性能、吸振性能、减摩性能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生产工艺切

8、削加工性能、低的缺口敏感性，生产工艺简单、成本低廉。简单、成本低廉。但强度、塑性、韧性远不但强度、塑性、韧性远不如钢。如钢。 第三节第三节 常用工程材料常用工程材料根据碳在生铁中的存在形式不同，生根据碳在生铁中的存在形式不同，生铁可分为：铁可分为：白口铸铁白口铸铁(white cast iron)：C以以Fe3C形式存在形式存在（亚共晶白口铁，共晶白口铁，过共晶白口铁）（亚共晶白口铁，共晶白口铁，过共晶白口铁）灰口铸铁灰口铸铁：灰铸铁灰铸铁 ：C自由状态的片状石墨形式。成本低、铸自由状态的片状石墨形式。成本低、铸造性能好，良好的减振性。但脆性大。用于无力学性造性能好，良好的减振性。但脆性大。用

9、于无力学性能要求或只承受静载荷的部件。如底座、床身和法兰能要求或只承受静载荷的部件。如底座、床身和法兰盘。盘。 球墨铸铁：球墨铸铁：C球状石墨形式，较高的强度球状石墨形式，较高的强度 ，良好的，良好的塑性和韧性。抗拉强度、塑性、韧性远远超过灰口铸塑性和韧性。抗拉强度、塑性、韧性远远超过灰口铸铁，可与钢相当，同时具有灰铁良好的优点。用于受铁，可与钢相当，同时具有灰铁良好的优点。用于受力复杂、负荷较大、耐磨的重要铸、锻件，如：曲轴、力复杂、负荷较大、耐磨的重要铸、锻件，如：曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮等。（代替钢）连杆、凸轮轴、齿轮等。（代替钢） 麻口铸铁麻口铸铁：C以以Fe3C和石墨混合存在和石墨混

10、合存在 ，其断口呈，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用 有色金属有色金属1、铜及其合金：、铜及其合金：良好的导电性、导热性良好的导电性、导热性、耐蚀性、耐磨性和延展性、耐蚀性、耐磨性和延展性 工业纯铜、工业纯铜、 黄铜（铜锌二元合金）、黄铜（铜锌二元合金）、 青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜等）青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜等）2、铝及其合金：、铝及其合金：比重小比重小；抗大气腐蚀能力好；导电、导热；抗大气腐蚀能力好；导电、导热性好性好 ；易冷成型易冷成型，易切削易切削，不耐磨；丰富不耐磨；丰富 纯铝、硬铝、铸铝纯铝、硬铝

11、、铸铝3、钛及其合金：、钛及其合金：重量轻、重量轻、比强度高、比强度高、耐高温、耐腐蚀耐高温、耐腐蚀以及以及良好的低温韧性良好的低温韧性 ；亲生物性亲生物性 纯钛、钛合金纯钛、钛合金第三节第三节 常用工程材料常用工程材料非金属非金属1、工程塑料、工程塑料 特点：密度小，比强度高，良好的抗蚀特点：密度小，比强度高，良好的抗蚀 型，优良的型，优良的电绝缘性电绝缘性，耐磨、减摩、自润滑，耐磨、减摩、自润滑性好，工艺性好性好，工艺性好 分类：热固性塑料、热塑性塑料分类：热固性塑料、热塑性塑料2、橡胶：、橡胶：高弹性高弹性、绝缘性、不透气不透水、绝缘性、不透气不透水密封件（垫圈）、缓冲件、绝缘件密封件（

12、垫圈）、缓冲件、绝缘件 上述二者易老化，难回收（污染）上述二者易老化，难回收（污染）3、人工合成矿物：刚玉（宝石）、石英、人工合成矿物：刚玉（宝石）、石英第三节第三节 常用工程材料常用工程材料钢的钢的热处理热处理 是将固态金属或合金在是将固态金属或合金在固态范围固态范围内，在一定介质中内，在一定介质中加热、保温和冷却加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而，以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理获得所需性能的工艺。热处理，但，但。 种类种类 1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火、普通热处理：退火、正火、淬火、回火 2、表面热处理和化学热处理：、表面热处理和化学热处理： 感应

13、加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗渗碳、氮化、碳氮共渗 3、其他热处理、其他热处理第四节第四节 钢的热处理钢的热处理退火退火：加热、保温、随炉冷却：加热、保温、随炉冷却将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度（将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度（临界临界温度温度之上之上2030度）、保温一定时间，然后缓慢度）、保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为炉冷）以获得接近平衡状态组织的冷却（一般为炉冷）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。热处理工艺。临界温度：金属材料内部发生相变的温度。优质碳素临界温度：金属材料内部发生相变的温度。优质碳素结

14、构钢的临界温度温度结构钢的临界温度温度710750摄氏度摄氏度目的：退火为预先热处理。目的：退火为预先热处理。1细化晶粒，改善组织、为淬火做组织上的准细化晶粒，改善组织、为淬火做组织上的准备。备。2获得适合的硬度，为切削加工做准备。获得适合的硬度，为切削加工做准备。3消除消除内应力内应力、防止变形或开裂。、防止变形或开裂。第四节第四节 钢的热处理钢的热处理正火正火：加热、保温、空气冷却：加热、保温、空气冷却将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度（临界将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度（临界温度之上温度之上3050度）、保温一定时间，常化处理度）、保温一定时间，常化处理（使钢的组织正常化）。（使

15、钢的组织正常化）。正火和退火的区别是，正火在空气中冷却，冷却正火和退火的区别是，正火在空气中冷却，冷却速度大于退火时的冷却速度，因此可以获得比退速度大于退火时的冷却速度，因此可以获得比退火后的组织更细的组织，从而也能得到较高的力火后的组织更细的组织，从而也能得到较高的力学性能学性能可作为最终热处理可作为最终热处理淬火淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却：加热，保温，水、油或盐水冷却将钢加热到相变温度（临界温度之上将钢加热到相变温度（临界温度之上30-50 C）以上，保温一定时间，快速冷却（水、油或者盐以上，保温一定时间，快速冷却（水、油或者盐水），获得马氏体组织，从而提高钢的硬度，达水），获得马

16、氏体组织，从而提高钢的硬度，达到强化目的。到强化目的。目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火内应力，材料变脆，须回火。方法：单介质淬火；双介质淬火方法：单介质淬火；双介质淬火回火回火：零件淬火后，加热至：零件淬火后，加热至临界温度之下临界温度之下，保温，以一定速度冷却。保温，以一定速度冷却。目的：达到设计要求的硬度，消除内应力。目的：达到设计要求的硬度，消除内应力。回火工艺的种类：回火工艺的种类： 1、低温回火（、低温回火（150350 C） 2、中温回火（、中温回火（350500 C） 3、高温回火

17、（、高温回火（500650 C） 调质处理淬火高温回火调质处理淬火高温回火第四节第四节 钢的热处理钢的热处理表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其成分的热处理工艺。而不改变其成分的热处理工艺。 目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。 方式：方式： 感应加热感应加热：利用交流电的集肤效应，对零件：利用交流电的集肤效应，对零件进行加热，并通过控制电流频率得到不同的进行加热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度。淬硬层深度。 火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立即用水喷射冷

18、却。调节烧嘴的位置和移动速即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。度即可得到不同厚度的淬硬层。第四节第四节 钢的热处理钢的热处理化学热处理化学热处理 将钢件置于一定温度的活性介质中保温，将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种化学元素渗入其表面，改变其使一种或几种化学元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。技术要求的热处理过程。目的目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等力学性能。氧化性和疲劳强度等力学性能。按表面渗入元素的不同，分

19、为渗碳（固体、按表面渗入元素的不同，分为渗碳（固体、气体）、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种气体）、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。类。第四节第四节 钢的热处理钢的热处理各种表面热处理和化学热处理的比较各种表面热处理和化学热处理的比较感应淬火：耐磨性及硬度要求一般，形状简感应淬火：耐磨性及硬度要求一般，形状简单，变形要求较小的工件。如：曲轴。单，变形要求较小的工件。如：曲轴。渗碳：耐磨性要求较高，受重载和较大冲击渗碳：耐磨性要求较高，受重载和较大冲击载荷工件。如：齿轮。载荷工件。如：齿轮。碳氮共渗：耐磨性要求较高，形状复杂，变碳氮共渗：耐磨性要求较高，形状复杂，变形要求较小的工件。形要求较小的工件。氮化：耐磨性要求较高，氮化：耐磨性要求较高，耐蚀性耐蚀性和精度要求和精度要求高的零件。如：机床主轴。高的零件。如：机床主轴。表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆盖层，表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆盖层，以达到防蚀、装饰等目的。以达到防蚀、装饰等目的。 种类种类电镀：电镀：镀铬：镀铬：镀铬层具有良好的外观和较高的硬度和耐磨性。但铬的渗透能力镀铬层具有良好的外观和较高的硬度和耐磨性。但铬的渗透能力和扩散性较和扩散性较