机械制造基础课件-机械设计中材料的选材与热处理-元丰

2025/4/241机械设计中常用材料的使用及热处理选择

武汉元丰汽车零部件2025/4/242黑色金属有色金属铸铁钢金属材料常用工程材料铝合金铜合金非金属材料橡胶塑料……工程材料分类：2025/4/243铸铁铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性〔指灰铸铁〕均较好且本钱低廉，因此在机械制造中应用甚广。2025/4/244

性能：〔与钢相比〕强度、塑性低〔石墨对基体有割裂作用〕抗压强度不低减震性好〔机器运动时，有减震性好〕耐磨性好〔碳含量高，硬度高，石墨：软，可作为润滑剂〕加工性好本钱低铸铁2025/4/245根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态，可将铸铁分类：2025/4/246常用铸铁〔其中灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之〕灰口铸铁：制动盘〔HT250，190-230HBS〕2025/4/247牌号HT100HT150HT200HT250HT300HT350性能强度→切削加工性←表面粗糙度→耐热疲劳性←高温强度→减震性←弹行模量→对缺口敏感程度←耐磨性→铸造工艺性←2025/4/248球墨铸铁：卡钳〔QT600-3，190-240HBS〕支架〔QT500-7，180-240HBS〕2025/4/249牌号QT400-18QT400-15QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2性能抗拉强度→伸长率←弹行模量→硬度→冲击韧度←减震性←疲劳极限→热疲劳抗力←耐磨性→可加工性←2025/4/2410钢钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。2025/4/2411钢的分类及牌号按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢a、碳素钢〔简称碳钢，由于钢碳钢具有较好的力学性能和工艺性能，并且产量大，价格较低，使它成为机械工程上应用最广泛的金属材料〕按碳含量的多少分为低碳钢：Wc≤0.3中碳钢：Wc＝0.3％～0.6％高碳钢：Wc>0.6％2025/4/2412低碳钢：塑性、韧性好，大型支架结构、桥梁中碳钢：综合机械性能好，受力复杂的机器零件高碳钢：硬度高，工具、耐磨零件碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高那么钢的强度越高，但塑性越低a、碳素钢2025/4/2413b、合金钢合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理2025/4/2414a、结构钢：大型结构和机器零件b、工具钢：工具、模具、量具c、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢2、按用途分大平垫〔1Cr13〕2025/4/2415a、普通钢b、优质钢c、高级优质钢3、按质量分分类方法比较多，按习惯叫即可，如45＃钢可被称为中碳钢、结构钢、优质钢

按S、P的含量分的，S、P含量越多，脆性越大，质量也就越差高级优质钢：S、P去的特别好2025/4/24164、牌号⑴普通碳素结构钢：用Q＋数字〔屈服强度数值〕表示⑵优质碳素结构钢：用钢中平均碳含量分数的两位数字表示，单位为万分之几，也就是说用碳含量万分之几表示⑶碳素工具钢：T＋数字，在钢号前加T〔碳的汉语拼音字头〕，数字：钢号用平均碳含量的千分数的数字表示〔千分之几〕T8表示平均碳含量为0.8％〔千分之八〕的碳素工具钢高级优质那么在钢号后加A，如T10A2025/4/2417⑷合金结构钢：数字＋元素＋数字表示4、牌号如：60Si2Mn〔60：碳含量的万分之几，即0.6％；Si、Mn：合金元素；2：表示前边合金元素的平均质量分数，当含量≥1.5%时，是四舍五入后的数字，当<1.5％时，数字省略〕⑸合金工具钢：数字＋合金元素＋数字

如：9CrSi(9：碳含量的千分之几即0.9％，当碳含量≥1时，此数字省略；Cr、Si含量都小于1.5％)⑹滚动轴承钢：GCr＋数字〔G：滚；数字：Cr质量分数的千分之几〕2025/4/24184、牌号数字：碳含量以千分之几表示，当碳质量分数≤0.03％及≤0.08％时，分别以00及0表示⑺特殊性能钢：数字＋合金元素＋数字⑻铸钢：ZG＋数字＋数字〔前边数字表示屈服强度值，后边数字表示抗拉强度值〕如：ZG270-5002025/4/2419结构钢㈠普通结构钢

普通碳素结构钢1、普通碳素结构钢：碳含量是在0.06％～0.38％，杂质比较多，但价格廉价，本钱低，适用于要求不高的机械零件和工程构件如压板〔Q235A→30〕、推动板〔Q235A〕普通低合金结构钢2025/4/24202、普通合金结构钢㈠普通结构钢

a、成分特点：低碳〔C％<0.2％〕、低合金、＋Mn〔以Mn为主加元素，因为锰的资源丰富，强化铁素体的效果明显，能降低钢的冷脆温度，另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，以而进一步提高强度〕b、典型钢号：16Mn〔16：万分之几，Mn含量<1.5％，数字省略〕碳含量很低，只有0.16％c、性能：①塑性、韧性号〔低碳〕②强度高〔与没加合金元素的低碳钢相比，高30％～50％，但不要与45＃钢相比〕③焊接性好〔焊接最麻烦的是断裂，应力大，但是塑性、韧性好的材料不易开裂〕④大型结构、桥梁〔不易断裂，有以上特点，价格也低，工艺很成熟〕2025/4/2421㈡优质结构钢

硫、磷含量较低，非金属夹杂物也较少，强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好，常用于制造较重要的零件

如齿轮(Q235A→45)，支点圆柱〔45→40Cr〕应用最广泛的是45钢〔也被称为外能钢〕，经调质处理后，可获得良好的综合力学性能1、优质碳素结构钢

2025/4/2422㈡优质结构钢2、渗碳钢

成分特点：低碳〔碳含量很低，属于低碳钢〕作用：①强化②提高淬透性性能：心部韧性好，外表硬度特别高应用：受冲击同时要外表高硬度、高耐磨性的零件压力臂〔20CrMnTi〕，大滚针副托架〔15CrMo〕2025/4/2423㈡优质结构钢3、调质钢

应用：受力复杂的重要零件，最普通的调质钢为35，40，45，但由于热处理后变形大，实际都加合金元素，随合金量增加强度增加，顺序为40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo2025/4/2424㈡优质结构钢3、调质钢

35CrMo，调质后，具有高的静强度、冲击韧度和较高的疲劳强度42CrMo，与35CrMo性能相近，强度和淬透性更好2025/4/2425㈡优质结构钢4、弹簧钢碳含量：0.6％～0.9％

最普通弹簧钢是Mn系列和Cr系列Mn系列选择原那么65Mn→60Si2Mn→55SiMnMoVNbCr系列选择原那么50CrMn→50CrV→50CrMnV弹簧有大有小，制作方式也不一样，主要有两种：冷成型和热成型

2025/4/2426㈡优质结构钢弹簧钢的特性基准座挡圈〔65Mn〕，回位弹簧、波形弹簧〔60Si2Mn〕大小扭簧〔60Si2Mn→70〕高碳钢如65，70，85，经热处理和冷拔硬化后，可得较高强度和适当韧性塑性，淬透性差只适用较小尺寸弹簧65Mn，热处理后，综合性能优于碳钢60Si2Mn，Si与Mn提高弹性极限、屈强比、淬透性和抗松弛稳定性2025/4/2427㈡优质结构钢4、滚动轴承钢有高而均匀的硬度、提高耐磨性

有高的接触疲劳强度和弹性极限

滚针〔GCr15〕2025/4/2428铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金〔巴氏合金〕-含锡青铜、不含锡青铜轴套，衬套〔巴氏合金〕有色金属2025/4/2429高分子材料复合材料陶瓷--塑料、橡胶、合成纤维。--强度高、弹性模量大、质量轻。非金属材料--强度高、弹性模量大、质量轻。塑料--塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。2025/4/2430橡胶--橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。螺杆防尘罩〔DF6454〕非金属材料2025/4/2431非金属材料复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的缺乏，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产本钱降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。刹车片〔M432A)2025/4/2432非金属材料陶瓷材料2025/4/2433钢的热处理在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可防止地存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的“成分－组织－性能〞的原那么。

热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。2025/4/24341、去应力〔应力存在，使材料本身性能下降〕2、调整内部组织〔最大目的，使之变成均匀细小的组织〕3、改善切削加工性能〔铸件、锻件冷却下来后，外表硬度太高，不易切削加工，首先热处理，缓冷，外表硬度就会下降〕目的：2025/4/24352025/4/2436目的：2025/4/24372025/4/2438目的：1、获得硬、脆的马氏体2、得到优异的力学性能淬火的必要性

经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须淬火与回火处理。2025/4/2439淬透性与淬硬性

2025/4/2440淬透性的应用：〔45与40Cr〕2025/4/24412025/4/2442得到所需的组织和性能

2025/4/24432025/4/24442）中温回火（350～500℃）

回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、压铸模等模具。（35≤HRC≤45）

2025/4/24452025/4/2446同样的产品，工艺不同，到达的效果也不同，不同热处理可到达不同目的钢的热处理小结钢铁材料热处理通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能，强韧化的两个重要途径之一。2025/4/2447外表热处理常见方法如果需要由外表到心部具有不同的性能，通常采用外表热处理2025/4/24482025/4/2449钢的渗碳2025/4/2450渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。钢的渗碳2025/4/2451钢的渗氮渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件外表，在钢件外表获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。其目的是提高零件外表硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗〔软氮化〕等。渗层较深应选用离子渗氮或气体渗氮；渗层较浅应选用氮碳共渗，也可选用离子渗氮碳素钢工件不应选用离子渗氮或气体渗氮，应用氮碳共渗2025/4/2452渗氮后的钢件性能

①氮化层HRC为69～73，在600～650℃有较高红硬性；②一般，T渗氮＜T渗碳，无需进一步热处理，渗氮层各性