第2章机械工程材料及钢的热处理

1、第第2 2章章 机械工程材料及钢的热处理机械工程材料及钢的热处理2-1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能2-2 常用金属材料常用金属材料2-3 常用非金属材料常用非金属材料2-4 钢的热处理钢的热处理2-5 机械零件的选材机械零件的选材 2.1.1 2.1.1 强度与塑性强度与塑性 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能t强度 材料抵抗塑性变形和断裂的能力。材料抵抗塑性变形和断裂的能力。t 强度极限强度极限 (抗拉强度抗拉强度)和屈服极限和屈服极限 (屈服强屈服强度度) 是是 表征强度的主要性能指标。表征强度的主要性能指标。t 屈服极限：材料发生屈服现象时的应力。屈服极限：材

2、料发生屈服现象时的应力。 t 强度极限：材料发生断裂前所能承受的最大强度极限：材料发生断裂前所能承受的最大应力。应力。bs0ssAF0bbAF 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能t刚度刚度 材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量弹性模量E E：在弹性变形范围内，应力与应：在弹性变形范围内，应力与应变的比值；是表征材料刚度的主要性能指变的比值；是表征材料刚度的主要性能指标。标。 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能t塑性 金属材料在外力作用下产生塑性变金属材料在外力作用下产生塑性变形而不产生断裂的能力。工程上一般用材形而不产生断裂的能力。工程

3、上一般用材料被拉断后所留下的残余变形来表示材料料被拉断后所留下的残余变形来表示材料的塑性，一般用两个指标来表示：的塑性，一般用两个指标来表示： 塑性指标塑性指标延伸率延伸率收缩率收缩率100100%lll010100%AAA越大越大 塑性越塑性越好好 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能t硬度 材料抵抗压入物压陷的能力。即：材料抵抗压入物压陷的能力。即：材料对局部塑性变形的抵抗能力。工程材料对局部塑性变形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分别为：上常用的洛氏硬度和布氏硬度分别为：HR和和HB。 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 2.1.2 2.1.2

4、 硬度硬度HB硬度 HB450 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能韧性韧性 在冲击载荷作用下，材料抵抗破坏的能力。在冲击载荷作用下，材料抵抗破坏的能力。12()/kkkWmg hhaWA冲击功：；冲击韧性值： 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.1.3 2.1.3 韧性韧性温度变化1摄氏度时零件单位长度的线伸长量 )(0ttll 2.1 2.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.1.42.1.4 线膨胀系数线膨胀系数零件尺寸与温度之间的变化关系：t2.2.1 铸铁铸铁t2.2.2 碳素钢碳素钢t2.2.3 合金钢合金钢t2.2.4 有色金属材料有色金

5、属材料 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料含碳量大于含碳量大于2.11%2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。 t性能：性能： 具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性及切具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且价格低廉，生产设备简单。削加工性能，而且价格低廉，生产设备简单。因此，它是应用最多的一种金属材料。常用于因此，它是应用最多的一种金属材料。常用于底座、支架、工作台等形状复杂的零件。底座、支架、工作台等形状复杂的零件。 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料2.2.1 2.2.1 铸铁铸铁t分类：（分类：（1 1）灰口铸铁）灰口铸铁( (如：如：HT150HT150，表示最低，表

6、示最低抗拉强抗拉强 度为度为150MPa150MPa的灰口铸铁的灰口铸铁) )； （2 2）可锻铸铁（如：）可锻铸铁（如：KT300KT3006 6，表示，表示最低抗最低抗 拉强度为拉强度为300MPa300MPa，延伸率为，延伸率为6%6%的的可锻铸可锻铸 铁）；铁）； （3 3）球墨铸铁（如：）球墨铸铁（如：QT600QT6003 3，表示，表示最低抗最低抗 拉强度为拉强度为600MPa600MPa，延伸率为，延伸率为3%3%的的球墨铸球墨铸 铁）；铁）； （4 4）合金铸铁（用于耐热、耐磨、耐）合金铸铁（用于耐热、耐磨、耐蚀等）蚀等） 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料2.2.1

7、2.2.1 铸铁铸铁t通常把含碳量在通常把含碳量在0.02%-2.11%0.02%-2.11%之间的铁碳合金之间的铁碳合金称为碳素钢。称为碳素钢。 t碳素钢的价格低廉、工艺性好，能满足许多碳素钢的价格低廉、工艺性好，能满足许多场合的需要。场合的需要。 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料2.2.2 2.2.2 碳素钢碳素钢 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料碳素钢分类碳素钢分类含碳量1.低碳钢(0.6%)质量（钢中所含有害杂质硫、磷的质量百分数）1.普通碳素钢(S0.055% P0.045%)2.优质碳素钢(S0.045% P0.04%)3.高级优质碳素钢(S0.03% P0.035

8、%)用途1.碳素结构钢(C 0.038%) Q195-B2.优质碳素结构钢(S P0.035%) 30 453.碳素工具钢(C 0.71.35%) T10碳素钢命名方法碳素钢命名方法1.碳素结构钢（普通碳素结构钢）标志符号Q+最小屈服极限值等级符号+脱氧程度符号 Q235BF 屈服点强度屈服点强度235MPaB级碳素沸腾钢级碳素沸腾钢2.优质碳素结构钢两位数字（平均含碳量的万分数） +F(对沸腾钢) 10F 平均含碳量平均含碳量0.1%的优质碳素结构沸腾钢的优质碳素结构沸腾钢3.碳素工具钢标志符号T+一位或两位数字 （平均含碳量的千分数） T10 平均含碳量平均含碳量1%的碳素工具钢的碳素工具

9、钢 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料t为了改善钢的性能，专门在钢中加入一种或数种为了改善钢的性能，专门在钢中加入一种或数种合金元素的钢叫做合金钢。合金元素的钢叫做合金钢。 t合金元素的种类：合金元素的种类： 铬（铬（CrCr）、锰（）、锰（MnMn）、镍（）、镍（NiNi）、硅（）、硅（SiSi）、硼（、硼（B B）、钨（）、钨（W W）、钼（）、钼（MoMo）、钒（）、钒（V V）、钛（）、钛（TiTi）、锆（）、锆（ZrZr）和稀土元素等。）和稀土元素等。 t目的：目的： 使钢获得一般碳素钢达不到的性能，如硬度使钢获得一般碳素钢达不到的性能，如硬度、强度、塑性和韧性等；提高耐磨、防

10、腐、防酸、强度、塑性和韧性等；提高耐磨、防腐、防酸性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等。性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等。 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料2.2.3 2.2.3 合金钢合金钢合金钢分类合金钢分类合金元素含量1.低合金钢(全部合金元素10%)合金种类铬钢、锰钢、铬镍钢、硅锰钼钒钢等 用途1.合金结构钢2.合金工具钢3.特殊性能结构钢 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料合金钢的牌号由钢中的含碳量、合金元素的种类及含合金钢的牌号由钢中的含碳量、合金元素的种类及含量来表示。具体为量来表示。具体为一位或两位数字一位或两位数字（对合金结构钢，两位数，含碳量的（对合金结构钢，

11、两位数，含碳量的万分数；对合金工具钢，一位数，含碳量的千分数，万分数；对合金工具钢，一位数，含碳量的千分数，当含碳量大于当含碳量大于1%不标出；对于特殊性能合金钢，不标出；对于特殊性能合金钢，含含碳量的千分数，碳量的千分数，当含碳量小于当含碳量小于0.03%时，用时，用00表示碳表示碳含量，当小于含量，当小于0.08%时，用时，用0表示含碳量）表示含碳量）+合金元素合金元素符号符号+数字数字（该元素含量的百分数，小于（该元素含量的百分数，小于1.5%时不标）时不标）1.合金结构钢：综合机械性能好，具有高强高韧合金结构钢：综合机械性能好，具有高强高韧渗碳钢渗碳钢 C 0.15%0.25% 用于表

12、面耐磨并承受动力用于表面耐磨并承受动力 载荷的零件，如齿轮、轴、销载荷的零件，如齿轮、轴、销 20Cr、20Mn2 调质钢调质钢 C 0.25%0.50%用于制造高强度、高韧性用于制造高强度、高韧性 的零件的零件，如如主轴、齿轮主轴、齿轮 40Cr、40Mn2 弹簧钢弹簧钢 C 0.6%0.7%用于制造各类弹性零件用于制造各类弹性零件 60Si2Mn 轴承钢轴承钢 C 0.95%1.1%用于制造滚珠、滚柱、套用于制造滚珠、滚柱、套 圈、导轨等圈、导轨等 GCr15 牌号不同牌号不同(15/1000) 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料2.合金工具钢：制造刃具、磨具和量具合金工具钢：制造刃

13、具、磨具和量具 刃具钢刃具钢 高的硬度、耐磨性、热硬性高的硬度、耐磨性、热硬性 W18Cr4V 模具钢模具钢 热模具钢热模具钢 冷模具钢冷模具钢 5CrMnMo (C 5/1000) Cr12 量具钢量具钢 硬度、耐磨性、不易变形、工艺性好硬度、耐磨性、不易变形、工艺性好 CrWMn 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料3.特殊性能钢特殊性能钢 不锈钢不锈钢 2Cr13 1Cr18Ni9 耐热钢耐热钢 15CrMo、4Cr9Si2 耐磨钢耐磨钢 ZGMn13 2.2 2.2 常用金属材料常用金属材料t狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬

14、以外的所有金属的统称金属的统称; ;广义的有色金属还包括有色合金广义的有色金属还包括有色合金t与钢、铁相比，有色金属的强度较低。应用它的目的，主与钢、铁相比，有色金属的强度较低。应用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化学性能，如：要是利用其某些特殊的物理化学性能，如： 铝、镁、钛及其合金密度小，重量轻；铝、镁、钛及其合金密度小，重量轻； 铜、铝及其合金导电性好，减摩耐磨性好；铜、铝及其合金导电性好，减摩耐磨性好； 镍、钼及其合金能耐高温等。镍、钼及其合金能耐高温等。 因此，工业上除大量使用黑色金属外，有色金属也得到广因此，工业上除大量使用黑色金属外，有色金属也得到广泛的应用。泛的应用。 2.

15、2 2.2 常用金属材料常用金属材料2.2.4 2.2.4 有色金属材料有色金属材料t工程塑料：热塑性塑料、热固性塑料工程塑料：热塑性塑料、热固性塑料 t工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等 高抗压、高硬度、低抗拉、抗高温、绝缘好高抗压、高硬度、低抗拉、抗高温、绝缘好 例：陶瓷轴承例：陶瓷轴承t复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料经人工组成复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料经人工组成 t 的多相材料的多相材料 t橡橡 胶：胶： 良好的弹性、耐磨、力学性能好良好的弹性、耐磨、力学性能好 金属橡胶以金属丝为原材料，有橡胶一样的性金属橡胶以金属丝为原材料，有橡胶一样

16、的性能能2.3 2.3 常用非金属材料常用非金属材料t为什么要热处理为什么要热处理 生产过程中，钢制零件除需要经过各种热、冷加工生产过程中，钢制零件除需要经过各种热、冷加工工序外，往往还要在加工工序中进行若干次热处理，以工序外，往往还要在加工工序中进行若干次热处理，以改善钢的加工工艺性能，提高钢的机械性能，增加寿命改善钢的加工工艺性能，提高钢的机械性能，增加寿命、耐磨性等。、耐磨性等。t钢的热处理：钢的热处理： 将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，从而改变（或改善）其组织结构，以达到预期性能却，从而改变（或改善）其组织结构，以达到预期性能

17、的操作工艺。的操作工艺。t热处理不改变工件形状，热处理不改变工件形状， 只改变内部组织结构，只改变内部组织结构， 以获得不同的机械性能。以获得不同的机械性能。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理8007006005004003002001000珠 光 体 170HBS索 式 体 25HRC屈 式 体 35HRC上 贝 式 体 40HRC下 贝 式 体 48HRC马 式 体 55HRC奥 氏 体过 冷 奥 氏 体温 度时 间 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理热处理常用工艺方法热处理常用工艺方法 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t2.4.12.4.1、退火退火：（锻、铸造后，粗加工前）：

18、（锻、铸造后，粗加工前） 将钢件加热到临界温度以上将钢件加热到临界温度以上20203030度，经保温度，经保温一段时间后随热处理炉（或埋入石灰石、沙中冷却）缓一段时间后随热处理炉（或埋入石灰石、沙中冷却）缓慢冷却至慢冷却至500500度以下，然后在空气中冷却。度以下，然后在空气中冷却。t目的：目的： 降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒，减少组织的不均匀性；消去工件在锻造、铸造中出现，减少组织的不均匀性；消去工件在锻造、铸造中出现的内应力。的内应力。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t2.4.22.4.2、正火：、正火： 将钢件加热到临界温度以上

19、将钢件加热到临界温度以上30305050度，保温一段时间后从炉中取出，在空度，保温一段时间后从炉中取出，在空气中冷却。气中冷却。t目的：目的： 正火和退火相似，但正火后机械正火和退火相似，但正火后机械强度略高。强度略高。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t2.4.32.4.3、淬火：、淬火： 淬火是将工件加热到临界温度以上淬火是将工件加热到临界温度以上30305050度，度，保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。t目的： 提高钢的硬度和强度。但急速冷却引起内应力提高钢的硬度和强度。但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较

20、高的强度，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较高的强度、硬度和韧性。、硬度和韧性。淬火和回火是生产中应用最广泛的两种热处理工艺。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t2.4.42.4.4、回火：、回火： 将淬火后的工件加热到临界温度以下，保温一定时将淬火后的工件加热到临界温度以下，保温一定时间后，在空气、水或油中冷却。间后，在空气、水或油中冷却。t目的：硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。目的：硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。 低温回火：温度低温回火：温度150-250150-250 去应力、保持高硬度和高耐磨性去应力、保持高硬度和高耐磨性 刃具，模具，滚动轴承，耐磨件。刃

21、具，模具，滚动轴承，耐磨件。 中温回火：温度中温回火：温度350-500 350-500 获得获得高弹性、保持较高硬度和一定韧性高弹性、保持较高硬度和一定韧性 弹簧、发条、锻模弹簧、发条、锻模 高温回火：温度高温回火：温度500-650 500-650 良好的综合机械性能良好的综合机械性能 淬火后高温回火的热处理合称调质处理淬火后高温回火的热处理合称调质处理 疲劳载荷的中碳钢重要零件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮等疲劳载荷的中碳钢重要零件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮等 时效处理：自然时效和人工时效时效处理：自然时效和人工时效 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t2.4.52.4.5、表面淬火：表面

22、淬火： 是利用火焰或高频感应电流迅速加热是利用火焰或高频感应电流迅速加热表面，然后立即淬火。表面，然后立即淬火。t目的：目的： 是使工件表面获得高硬度和耐磨性，是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而内部仍保持足够的塑性和韧性。而内部仍保持足够的塑性和韧性。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.6 2.4.6 表面化学热处理表面化学热处理 是将钢件放在是将钢件放在某种化学介质某种化学介质中，通过中，通过加热、保温、冷却加热、保温、冷却的方法使介质中的的方法使介质中的某些某些元素渗入钢件表面元素渗入钢件表面，改变了表面层的化学，改变了表面层的化学成分，从而使其表面具有与内部不同的特成分，从而使

23、其表面具有与内部不同的特殊性能。一般都是使表面获得高硬度、高殊性能。一般都是使表面获得高硬度、高疲劳极限，以及耐磨、防腐蚀性能。疲劳极限，以及耐磨、防腐蚀性能。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理渗碳渗碳t将低碳钢工件放在大量含碳的固体（木将低碳钢工件放在大量含碳的固体（木炭粉和碳酸盐）或气体（天然气、煤气炭粉和碳酸盐）或气体（天然气、煤气等）介质中，加热到等）介质中，加热到850850950950，保温，保温一段时间，使碳扩散到钢表面层内，使一段时间，使碳扩散到钢表面层内，使表面层的含碳量达到表面层的含碳量达到0.8%0.8%1.2%1.2%。再经。再经淬火和低温回火，从而获得高硬度和耐淬

24、火和低温回火，从而获得高硬度和耐磨性。磨性。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理渗氮渗氮t将钢件放入含有氮的介质或利用氨气加热将钢件放入含有氮的介质或利用氨气加热分解的氮气中，加热到分解的氮气中，加热到500500620620，持续，持续保温保温20205050小时，使氮扩散渗入钢件表面小时，使氮扩散渗入钢件表面层内。经氮化处理的钢件不再经淬火便具层内。经氮化处理的钢件不再经淬火便具有很高的表面层硬度及耐磨性，并大大提有很高的表面层硬度及耐磨性，并大大提高疲劳极限、耐腐蚀性能、抗胶合性及耐高疲劳极限、耐腐蚀性能、抗胶合性及耐热性。热性。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.7 金属零

25、件的表面处理t表面处理表面处理: : 是在金属表面附上一层覆盖层，以是在金属表面附上一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。达到防腐、改善性能及装饰的作用。 通常分电镀、化学处理和涂漆三种。通常分电镀、化学处理和涂漆三种。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t电镀电镀: : 是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀上一薄层其它金属或合金的过程。上一薄层其它金属或合金的过程。t分为：镀铬分为：镀铬 、镀镍、镀镍 、镀锌、镀锌 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理 化学处理化学处理t金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。金属零件表面的化学处理主

26、要有氧化和磷化。t氧化氧化: : 是零件表面形成该金属的氧化膜，以保护金属不是零件表面形成该金属的氧化膜，以保护金属不受侵蚀，并起美化作用；受侵蚀，并起美化作用； 常用的有发蓝或发黑。常用的有发蓝或发黑。t磷化磷化: : 是在金属表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，是在金属表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。可以保护金属。 2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理t1.1.一般原则一般原则t2.2.工艺性原则工艺性原则t3.3.经济性原则经济性原则首先保证使用性能，兼顾工艺性和经济性首先保证使用性能，兼顾工艺性和经济性 2.5 2.5 机械零件的选材机械零件的选材t1、一般原则 零件尺寸

27、取决于强度，且尺寸和质量零件尺寸取决于强度，且尺寸和质量受限时，选用强度高的材料受限时，选用强度高的材料 零件尺寸取决于刚度，选用弹性模量零件尺寸取决于刚度，选用弹性模量大的材料（调质钢、渗碳钢）大的材料（调质钢、渗碳钢） 滑动摩擦下工作的零件，选用减摩性滑动摩擦下工作的零件，选用减摩性能好的材料能好的材料 高温条件下的零件，采用耐热材料高温条件下的零件，采用耐热材料 腐蚀介质中工作的零件，采用耐腐蚀腐蚀介质中工作的零件，采用耐腐蚀材料材料 2.5 2.5 机械零件的选材机械零件的选材t2 2、工艺性原则、工艺性原则 是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要是指金属材料所具有的能够适应各种加

28、工工艺要求的能力。求的能力。 用金属制造零件的加工方法基本上有四种：铸造、用金属制造零件的加工方法基本上有四种：铸造、压力加工（锻造、冲压）、焊接和机械切削加工（车、压力加工（锻造、冲压）、焊接和机械切削加工（车、铣、刨、磨、钻等）。铣、刨、磨、钻等）。 不同加工方法使用的材料不同：比如铸铁具有很不同加工方法使用的材料不同：比如铸铁具有很好的铸造工艺性，但不能锻造。好的铸造工艺性，但不能锻造。 2.5 2.5 机械零件的选材机械零件的选材 各种工艺方法对材料提出的要求各种工艺方法对材料提出的要求t铸造：将熔融金属浇注、压射或吸入铸型将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后而得到的一定形状和型腔中，待其凝固后而得到的一定形状和性能的铸