机械工程常用材料及钢的热处理课件

第二章

机械工程常用材料及钢的热处理

人类各个社会发展阶段的文明程度就是以材料的生产和使用作为人类文明进步的尺度。主要内容第一节概述第二节金属材料的力学性能第三节常用的工程材料第四节钢的热处理第五节表面精饰第六节精密仪器材料选用原则第一节概述机械工程材料金属材料非金属材料钢铁材料钢（碳钢、合金钢）非铁金属铸铁无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷（普通陶瓷、特种陶瓷）合成纤维铝合金铜合金其他有色合金第二节金属材料的力学性能在结构设计中，为保证零件正常工作，要涉及强度、刚度问题，这些条件又涉及材料的力学性能。金属材料的机械力学性能主要包括：弹性模量E、切变模量G、屈服极限、强度极限、硬度、延伸率等。这些性能指标是通过试验测定的——静拉伸试验。静拉伸试验--低碳钢应力-应变曲线标准试件第二节金属材料的力学性能材料拉伸试验机应力-应变曲线第二节金属材料的力学性能Oa段：弹性变形阶段ab段：屈服阶段bc段：塑性变形阶段（强化阶段）cd段：颈缩阶段冷作硬化应力极限

四个阶段弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段三个极限

弹性极限

p

屈服极限

s

0.2

强度极限

b条件屈服极限

铸铁第二节金属材料的力学性能对应某些没有明显屈服现象的材料，规定对应于产生0.2%残余应变时的应力值为屈服强度。强度：材料抵抗破坏（失效）的能力

在静应力作用下，机械零件的失效形式主要是塑性屈服和脆性断裂。

强度条件

max[

]

第二节金属材料的力学性能承受的最大应力为

max允许承受的最大应力值称为许用应力[

]刚度：材料抵抗弹性变形的能力

弹性模量E

=

/

各种钢材的E基本相等，故不可以用改变钢材牌号提高刚度。注意：材料的刚度≠机件的刚度后者应取决于材料和结构两个方面的因素。对在弹性范围内要求对能量有较大吸收能力的零件（如仪表弹簧等），可以选择软弹簧材料，如铍青铜、磷青铜等制造，使其具有较

的弹性模量。第二节金属材料的力学性能塑性：材料破坏时，遗留变形的大小

断后伸长率：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比 的百分率。

δ>5%为塑性材料

δ<5%为脆性材料

断面收缩率：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之 比的百分率。第二节金属材料的力学性能δ或

越大，材料的塑性越好。

硬度：材料表面抵抗局部变形的能力，衡量材料 的软硬程度。

一般材料硬度

，强度和耐磨性

，塑性

。

压入法测试—布氏硬度HBW

洛氏硬度HRC、维氏硬度HV

硬度是一项综合力学性能指标，常作为技术要求在零件图上标注。第二节金属材料的力学性能影响力学性能的因素

1、含碳量含碳量

，强度和硬度

，但塑性

。

2、合金元素加入某些合金元素，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。

3、温度一般，低温条件下强度有所

，塑性和冲击韧性

，高温条件下相反。

4、热处理工艺第二节金属材料的力学性能布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料；压痕较大，硬度值比较准确。洛氏硬度测定压痕很小，并不损坏零件，适于成品检验，设备简单，操作迅速方便；但准确性差，需多点测量取平均；可测定各种金属材料的硬度。为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，而制定了维氏硬度试验法；测定较麻烦。一、钢铁材料（黑色金属）1、碳钢含碳2％以下的铁碳合金、少量杂质

按质量分数分类：低碳钢（

0.25%）、中碳钢（0.25%~0.6%）、高碳钢（>0.6%）按质量等级分类（S、P的质量分数控制）：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢

按质量和用途分类：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢第三节常用工程材料碳钢的牌号及应用1）普通碳素结构钢—主要保证力学性能牌号：Q+数字（屈服点数值Mpa）一般不需热处理，钢厂供应状态下直接使用。一般用途，生产过程中对质量控制无特殊规定。

Q195、Q215、Q235钢的含碳量低，焊接性、塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构或制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。

Q255、Q275钢的含碳量比上述高点，故其强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常轧制成型钢、条钢、钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节和销子等零件。第三节常用工程材料2）优质碳素结构钢—同时保证化学成分和力学性能牌号：两位数字（碳的质量分数的万分之几）主要用来制造机器零件，在生产过程中需特别控制质量，一般要经过热处理提高力学性能。

08、10钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用来制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等。

15、20、25钢用来制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销等。

30、35、40、45、50经热处理（淬火+高温回火）后可获得良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。

55、60、65钢热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，主要用来制造负荷不大、尺寸较小的弹簧。第三节常用工程材料3）碳素工具钢牌号：T+数字（碳的质量分数的千分之几）

碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造各种要求高硬度和高耐磨性（碳的质量分数一般大于0.7%）的工具，如量具、刀具、磨具等。如T8，T12A（A表示高级优质碳素工具钢）。第三节常用工程材料第三节常用工程材料碳钢特点总结：具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低。但淬透性较低、回火抗力较差、屈强比低。对于受力不大，基本上承受静载荷的精密机械零件，均可选用普通碳素结构钢；当零件受力较大，承受变应力或冲击载荷时，可选用优质碳素结构钢。2、合金钢人为加入Mn（锰）、Ni（镍）、Si（硅）、Cr（铬）、W（钨）、B（硼）、Ti（钛）、Mo（钼）、V（钒）、Nb（铌）、Co（钴）、RE（稀土）等。具有高的强度、韧性、硬度，高的淬透性、高温强度和热硬性，以及某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐磨、电磁性能等）。但在压力加工、切削加工、焊接工艺性方面比碳钢稍差，且成本较高。第三节常用工程材料第三节常用工程材料3、铸铁：强度、塑性及韧性较差；良好的铸造性能、减摩性能、吸振性能、切削加工性能生产工艺简单、成本低廉。

灰铸铁：HT，C－自由状态的片状石墨形式

灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度，还具有良好的消震性。但脆性很大，不宜承受冲击载荷，适于制作只承受静载荷、在受压状态下工作的零件，如汽缸、汽缸套、底座、机床床身、法兰等。由于石墨的存在，使机件具有良好的耐磨性。

球墨铸铁：QT，C－球状石墨形式，较高的强度和耐磨性，良好的塑性和韧性。

球墨铸铁强度高，良好的塑性和韧性，综合力学性能接近于钢，成本比钢低廉，同时还具有与灰铸铁类似的优良性能。在一些机件受力复杂、综合性能要求较高，但无较大冲击力的场合下，可成功取代某些钢件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、轴套等。第三节常用工程材料二、非铁金属1、铜及其合金：较高的力学性能，良好的耐蚀性、导电和导热性能

工业纯铜

强度低、硬度低、塑性很好

黄铜（铜锌二元合金）普通黄铜H+铜平均含量如H70

强度高于纯铜，很好的变形加工性能，较好的铸造性能和对大气和海水的抗蚀能力。常用于制作轴瓦、耐腐蚀零件、形状复杂的冷冲零件和深拉零件。

青铜

锡青铜，其强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性均高于黄铜，并有良好的弹性。含锡量小于8%的锡青铜适用于压力加工，含锡量超过10%的锡青铜适于铸造；无锡青铜是铜与铝、铍、锰等元素的合金。其力学性能以及耐腐蚀、耐磨性能得到改善。如铝青铜的强度和硬度高，且价格便宜，常用来制造承受重载、耐磨的机械零件；铍青铜经热处理后，其强度、硬度、比例极限和疲劳极限均能有较大的提高，以及其他优良性能，是制造某些弹性机械元件的极好材料，但成本较高。第三节常用工程材料2、铝及其合金：纯铝、变形铝合金、铸造铝合金

铝资源丰富，其密度小，熔点低，导热、导电性均良好，塑性高，导磁性差。铝和铝合金有相当好的抗大气腐蚀的能力，但强度不高。铝合金通过加入合金元素、热处理可以提高其强度和得到其它优良性能（如耐热性、耐腐蚀性等）。铝合金的比强度高（飞机骨架、蒙皮等），塑性好（薄壁、形状复杂、尺寸精度高的零件）。铝合金不耐磨，可镀铬提高耐磨能力。变形铝合金：防锈铝，硬铝-中等强度的构件和零件，超硬铝-受力大的重要构件，锻铝合金；

铸造铝合金（熔点一般600

C）：制品应用广（气缸体、活塞、风扇叶片、仪表外壳等）。第三节常用工程材料3、钛及其合金

钛和钛合金的密度都很小（4.5×103kg/m3），比铝高，但强度比铝高两倍（

高的比强度）。高低温性能好（500C，-253C），并具有良好的抗腐蚀性（大气、海水、硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定）。钛还具有“亲生物”性（在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应）。

切削性能差，易粘刀。价格昂贵。工业钛合金按使用状态组织不同，可分为

钛合金、

钛合金、（

+

）钛合金（应用最高，可通过热处理强化，得到优良的力学性能，且生产工艺较简单）。是航空、航天、化工、造船、机电、医疗卫生和国防等部门应用广泛的一种工业新金属。第三节常用工程材料三、非金属1、工程塑料以天然或人造树脂为主要成分，再加入各种添加剂制成的高分子有机物。分类：热固性塑料酚醛塑料、环氧树脂热塑性塑料尼龙，聚四氟乙烯、ABS塑料特点：低强度、低刚度、低硬度，密度小，比强度高（于金属材料），良好的抗蚀性（耐酸、碱、油、水等），优良的电绝缘性（电器工具、壳体、支架多采用），耐磨、自润滑性好（可在液体、半干和干摩擦状态下有效工作，制造轴承、轴瓦等），工艺性好（易热压成形，部分热固性塑料有较好的切削加工性），生产率高，加工成本低，此外还减振、隔音、防潮、易粘接等。但耐热性差，易发生蠕变，导热性差，易老化。第三节常用工程材料2、橡胶

高弹性（弹性材料、密封材料、减振防振材料、传动材料）、良好的绝缘性（导线、电缆绝缘件、热缩管）、耐磨性、隔音性和阻尼性（广泛用来制作轮胎、传送带、电缆、电线、密封垫圈以及减震件）。最大缺点易老化，难回收（污染）。需尽量避免氧化、光照和高低温，非工作期间尽量处于松弛状态，避免与酸、碱、汽油、有机溶剂等的接触。第三节常用工程材料3、人工合成矿物1）刚玉俗称宝石（Al2O3），很硬（仅次于钻石）。在仪器仪表和钟表行业多使用红宝石微型轴承，因其弹性模量、硬度很高，故可将轴承孔加工得十分光洁，使之与钢制轴颈之间的摩擦系数很小，则工作时摩擦损耗很小，可长期保持原始精度，提高使用寿命。2）石英透明的晶体（SiO2），具有压电效应，可制作多种传感器；石英晶片（当晶片的固有频率与外加电场的交电频率相同时，晶片会产生谐振）用作振荡器。3）玻璃

硬而脆的透明体，为满足光学设计的多种要求，光学玻璃有复杂的组成和严格的熔炼过程，大多以SiO2为主组成（硅酸盐玻璃），其次有硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃。第三节常用工程材料30一、钢的热处理加热、保温、冷却改变金属整体或表面组织，获得所需性能。二、种类

1、普通（整体）热处理：退火、正火、淬火、回火

2、表面热处理和化学热处理：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

3、其他热处理第四节钢的热处理31（1）退火：加热、保温、随炉冷却目的：

硬度、

塑性、细化晶粒、消除内应力

一般安排在锻造、铸造之后，粗切削加工之前，以消除前一工序产生的某些缺陷，为后续工序做好组织准备。（2）正火：加热、保温、空气冷却目的：同退火，较高的力学性能（强度和硬度>退火）正火操作简便、生产周期短、效率高、成本低（相同性能要求优选正火）。

退火和正火为预备热处理，可以改善切削性能。对性能要求不高的普通结构钢零件，正火也可作为最终热处理。第四节钢的热处理32（3）淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火。淬火是强化钢的最重要的方法。重要的结构件，特别是动载荷与摩擦力作用下的零件，以及各类工具都要进行淬火。方法

单介质淬火内应力大或淬透性差，操作简单，应用广泛，主要用于形状简单工件。

双介质淬火相对较小的内应力和较高的淬透性，操作复杂，主要用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。第四节钢的热处理

33（4）回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。目的：消除内应力，稳定组织，调整性能，达到设计图纸要求的硬度。(常是热处理的最后一道工序)回火工艺的种类：低温回火（150～250

C）应力和脆性，韧性和塑性,保持高强度和耐磨性（58~62HRC）；多用于工具、模具、轴承及表面淬火件。中温回火（350～500

C）应力和脆性，韧性和塑性,

硬度(35~50HRC)和耐磨性；多用于弹性元件。高温回火（500～650

C）

可完全消除淬火应力，具有良好的综合力学性能，硬度一般（25~35HRC）。调质处理=淬火＋高温回火重要的尤其受交变载荷的零件（轴、连杆、齿轮等）的最终热处理，以及表面淬火件、某些精密零件和工具的预备热处理。

第四节钢的热处理34（5）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。目的：提高零件的表层的硬度和耐磨性。（表面淬火）方式：

感应加热：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淬硬层深度。

火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。第四节钢的热处理35（6）化学热处理将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。目的：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。按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等种类。第四节钢的热处理36表面淬火与化学热处理的比较第四节钢的热处理37Fe－Fe3C相图38奥氏体连续冷却时的组织转变45号钢加热到840

C，以不同方法冷却后的力学性能39感应加热表面淬火零件的工艺路线一般为：毛坯锻造（或轧材下料）——退火或正火——粗加工——调质（获得较高的综合力学性能）——精加工——感应加热表面淬火——低温回火（

淬火应力）——磨削加工。第四节钢的热处理加热时间短，变形小，硬度高，脆性低，生产率高，易机械化、自动化，适宜大批量生产；但设备昂贵，且难以处理复杂形状零件。

主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件（如40MnB、40Cr、40、45等）。40

同感应加热相比，火焰加热表面淬火设备简单，成本低廉，但生产率低，质量难以保证（易过热）。主要用于单件或小批量生产的零件或大型零件。第四节钢的热处理41气体渗碳法示意渗碳零件的工艺路线一般为：毛坯锻造（或轧材下料）——正火——粗加工、半精加工——渗碳——淬火——低温回火——精加工（磨削加工）。适用：低碳钢、低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi等。渗碳后的工件还需进行淬火和回火处理，保证表硬（58~64HRC）芯软。42

目前广泛应用的是气体氮化，一般在500~570

C以下进行。结束后随炉降温至200

C以下，停气出炉。氮化温度较低，零件产生变形较小，疲劳强度高，很好的耐蚀性，更高的硬度68~72HRC和耐磨性、热硬性。氮化后不需热处理。但氮化层薄而脆，不耐冲击和振动，且过程工艺复杂，时间长，成本高。

一般用于耐磨性和精度都要求很高的精密零件，或要求耐热和抗腐蚀的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、内齿轮、精密丝杠、模具等。

渗氮零件的工艺路线一般为：毛坯锻造——退火——粗加工——调质——精加工——去应力退火——粗磨——镀锡（非渗氮面保护）——渗氮——精磨或研磨。第四节钢的热处理表面精饰在金属零件表面附一层覆盖层，防蚀、装饰等。

电镀：镀铬、镀镍、镀锌、镀镉、镀银

利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基本材料不同的金属或合金覆层。电镀能增强金属的抗腐蚀性、增加硬度、耐磨和表面美观，或增加导电、光反射等性能。

第五节表面精饰镀铬扳手1、镀铬铬镀层的化学稳定性高，外观颜色好，在潮湿大气中颜色不改变，且有较高的硬度和耐磨性。铬镀层在抛光后具有很高的光洁度，对光反射率很高。铬的渗透能力和扩散性较差，因此不适合镀复杂的零件。第五节表面精饰世界上首台镀铬宝马M32、镀镍镍在大气中性质十分稳定，对碱、弱酸和各种盐类均有较高的抵抗能力，并具有良好的导电性。镀镍层一般作为镀铬层的底层和导电零件和弹性元件的保护层。但镍有磁性，因此不适宜镀防磁零件。镀镍铜球阀第五节表面精饰钢芯镀镍第四套人民币1元硬币镀锌钢板3、镀锌镀锌层属阳极镀层，可保护铁不受腐蚀，对钢制零件能起电化学保护作用，在潮湿大气及含工业废气的环境中，锌比镉防腐能力强。锌镀层具有中等的硬度，但耐磨性较低。第五节表面精饰镀镉游泳眼镜4、镀镉镀镉层对碱和稀硫酸的化学稳定性好。主要用于直接受海水作用和饱含海水蒸汽的大气条件下的零件。第五节表面精饰5、镀银具有良好的化学稳定性和导电性，抛光后可达90％以上的反射率。但氯气、硫化物与银作用后可使其变黑，不宜镀在直接与橡胶接触的零件上。在需要高反射率的场合，可在镀银层背后加一层保护涂层，以避免其变黑而影响反射率。镀银工艺品第五节表面精饰镀银奔驰SLSAMG化学处理：氧化和磷化

氧化是在零件表面上形成氧化膜的工艺过程；

磷化是在零件表面上生成在大气中稳定的磷酸盐膜。

第五节表面精饰1、黑色金属的氧化和磷化黑色金属的氧化膜很薄，厚度约1.5μm，不影响零件的尺寸精度。保护能力差，仅适用于仪器内部的零件。鱼尾钉（发蓝处理）第五节表面精饰2、铝及铝合金的阳极氧化用于保护和装饰性覆盖层，在大气条件下极为稳定，与基体金属结合牢固，耐热性好，膜层较硬且耐磨，是涂漆的良好底层。经钝化处理后，可提高化学稳定性。不能用于镶有钢、铜及铜合金的铝及铝合金零件上。铝合金（阳极氧化）第五节表面精饰3、铜及铜合金氧化膜层为黑色，与基体金属结合牢固，但耐磨性和防腐能力不强，在大气条件下容易变色。黄铜用氨溶液氧化后能获得良好的氧化膜层，但膜层薄、稳定性差。由于其表面不易附着灰尘，因此适用于与光学零件接触的零件及形状复杂的零件。电解氧化的膜层较厚，稳定性强，但易附着灰尘，故不宜用于与光学零件接触的零件。第五节表面精饰三、涂漆

涂漆是在金属制品的表面上刷以清漆或瓷漆的薄膜，使制品表面与外界环境中的有害物质隔离，从而对制品起保护和装饰作用。产生消光或绝缘作用。第五节表面精饰第六节精密仪器材料选用原则使用要求——必要的性能条件，首选条件

主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。选用材料的一般原则：1）若零件的尺寸取决于强度，且尺寸和质量又受到某些限制时，应选用强度较高的材料。2）若零件的尺寸取决于刚度，则应选用大弹性模量材料。截面积相同时，改变其形状可改变其刚度。3）若零件的尺寸取决于接触强度，应选用表面强化处理的材料。4）滑动摩擦下工作宜选减摩性能好材料。高温工作下宜选耐热材料。腐蚀介质中工作宜选耐腐蚀材料。工艺要求——第二要求

金属材料—铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能经济要求

材料本身费用、加工费用、环境费用、能源消耗费用等。第六节精密仪器材料选用原则齿轮类零件

传递功率和调节速度，工作时周期性承受弯曲应力和接触应力，啮合齿面有强烈摩擦，在换挡、启动或啮合不均匀时承受冲击力等。故齿轮材料要求较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面较高的硬度和耐磨性，齿心足够的强度和韧性。齿轮毛坯常用钢锻制，常用