常用金属材料及热处理.ppt

1、第三章常用金属材料及热处理,【基本要求】 (1) 了解金属材料的性能。 (2) 掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。 (3) 掌握典型的机械零件、刀具和模具等选用工程材料的方法。 (4) 具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的能力。 (5) 了解非铁金属材料的性能及用途。,【重点和难点】 (1) 常用金属材料的分类、牌号、性能和用途。 (2) 典型的机械零件、刀具和模具等选用工程材料的方法。 (3) 常见零件热处理工艺方法及确定热处理工序。,第一节金属材料的性能,纯金属与合金统称为金属材料，纯金属材料应用较少(价贵且强度较低)，而合金材料较为常用。 金属材料的主要性能是

2、指力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。 力学性能是指金属材料在不同性质外力作用下表现的抵抗能力。如弹性、塑性、强度、硬度、韧性等。这些性能指标是机械设计、材料选择、工艺评定和材料检验的主要依据。 物理性能是指金属材料对于各种物理现象所引起的反应，是在地心引力、温度变化、电磁作用等物理条件下，原子、离子、电子之间相互作用的结果，如导电性、导热性、热膨胀性、熔点、磁性、密度等。,化学性能是指金属材料在室温或高温条件下抵抗其他物质的化学作用的能力，主要指金属材料的抗氧化性、耐酸性、耐碱性、耐蚀性等。 工艺性能是指金属材料具有的能够适应各种加工工艺要求的能力，实质上是力学、物理和化学性能的综合表

3、现，包括铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削加工性能等。 下面主要介绍金属材料的力学性能与工艺性能。,一、金属材料的力学性能,1.强度 强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力越大，强度越高。根据受力状况的不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等。一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。,强度的大小通过拉伸试验来测定，试验时，将按国家标准规定的试样两端夹在试验机的两个夹头上，随着负荷的缓慢增加，试样逐步变形并伸长直至被拉断为止。,强度指标主要有以下两个： (1) 屈服点(符号为s，单位为MPa),式中Fs试样产生屈服现象时的载荷

4、，单位为N； S0试样原截面积，单位为mm2。 除低碳钢和中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为屈服强度0.2可以替代s，称屈服强度，0.2为条件屈服强度。,(2) 抗拉强度(符号为b，单位为MPa),式中Fb试样拉断前的最大拉力，单位为N； S0试样原截面积，单位为mm2。,抗拉强度表示试样在拉断前能承受的最大拉应力。显然，材料不能在承受b的载荷条件下工作，这样会导致金属构件和零件的破坏。另外，屈服点和抗拉强度的比值，即屈强比s/b 也是设计和选材的重要依据。,2.塑性 塑性是材料在静载荷作用下产生永久变形而不

5、破坏的能力。塑性指标用断后伸长率和断面收缩率表示。 (1)伸长率(符号为),由于值与试样尺寸有关，故一般按照长径比规定L0=5d0(短试样)或L0=10d0(长试样)，分别以5或10表示，10通常写成。,(2) 断面收缩率(符号为),式中S0试样原截面积，单位为mm2; S1试样断口处截面积，单位为mm2。 和的数值越大，说明金属材料的塑性越好，良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件，一般达5%或达10%即可以满足大多数零件的要求。,3.硬度 硬度指金属材料抵抗更硬物体压入的能力，或者说金属表面对局部塑性变形的抵抗能力。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。 根据测定硬度

6、的方法不同，可用布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度来表示材料的硬度。,(1) 布氏硬度用一定直径的硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径，之后将测得参数代入计算公式，即可得布氏硬度值为F/S，单位为N/mm2，F表示所加试验力，S表示压痕表面积，可通过球直径和压痕直径计算。,(2)洛氏硬度 洛氏硬度试验是以顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球作为压头，压入被测材料，根据压痕的深度来度量材料的硬度。压痕愈深，材料愈软，硬度值愈小。 按照压头种类和所加载荷不同，可以分为HRA、HRB和HRC等不同洛氏硬度符号，工程上常采用HRC表示

7、洛氏硬度指标。 洛氏硬度试验操作简便迅速，可直接从表盘上读出硬度值，没有单位。由于压痕小，可用于成品及薄件检验，但不如布氏硬度试验准确。,(3)维氏硬度维氏硬度用符号HV表示，它的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据单位压痕面积上所承受的载荷大小来表示硬度值。所不同的是，维氏硬度采用锥面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头，适用于测量零件表面硬化层及经化学热处理的表面层的硬度。维氏硬度值测量精度高，但操作复杂，工作效率不如测量洛氏硬度高。,4.冲击韧度 冲击韧度是金属材料抵抗冲击载荷的能力，由于外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷作用下大得多，因此在设计受冲击载荷的零件时必须考虑所用

8、材料的冲击韧度。冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力以冲击韧度aKU表示，aKU越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不易断裂。,5.疲劳强度 很多机械零件，如各种轴、齿轮、连杆、弹簧和钢轨等，经常受到大小及方向随时间周期性变化的载荷，在交变载荷下工作的机器零件虽然工作应力远低于其抗拉强度b，甚至低于屈服点s，但在长时间工作后会突然发生断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳断裂时不发生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，损坏的机器零件中，约有80%都是由于金属疲劳而造成的。因此研究疲劳破坏的原因，防止疲劳事故发生是非常重要的。,二、金属材料的工艺性能,金属材

9、料的工艺性能是其在各种加工条件下表现出来的适应能力，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。,1. 铸造性能 铸造是将熔融金属浇注、压射或吸入铸造型腔中，待其凝固后得到一定形状和性能铸件的方法。铸造性能是浇注时液态金属的流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向等。流动性好的金属材料有良好的充满铸型的能力，能够铸出大而薄的铸件。收缩性是液态金属凝固时体积收缩和凝固后的线收缩，收缩小可提高液态金属的利用率，减小铸件产生变形或裂纹的可能性。偏析是铸件凝固后各处化学成分的不均匀程度，若偏析严重，将使铸件的力学性能变坏。在常用的金属材料中，灰铸铁和青铜有良好的铸造性能。,2. 锻造性能 金属材料的锻造

10、性能是材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能，是材料塑性好坏的表现。低碳钢有良好的锻造性能，碳钢的锻造性一般较合金钢好，铸铁则没有锻造性能。,3. 焊接性能 金属材料的焊接性能是材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得良好焊缝的性能。焊接性能好的材料，易于用一般的焊接方法和工艺进行焊接，焊缝中不易产生气孔、夹渣或裂纹等缺陷，其强度与母材相近。在常用的金属材料中，低碳钢有良好的焊接性，高碳钢和铸铁的焊接性较差。,4. 切削加工性能 切削加工性能是指对工件材料进行切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性，不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何形状等有关。通常可根据材料

11、的硬度和韧性对材料的切削加工性作大致的判断，硬度过高或过低、韧性过大的材料，其切削性能较差。灰铸铁具有良好的切削加工性能。,第二节常用的金属材料,机械上常用的金属材料分为钢铁金属和非铁金属两类。钢铁金属是指钢和铸铁，其中钢在机械工业中的应用最为广泛，非铁金属则包括除钢铁以外的金属及其合金。,一、钢,钢是指以铁为主要元素，含碳量一般在2.11%以下并含有其他元素的铁碳合金。钢是应用最为广泛的机械工程材料，在工业生产中起着非常重要的作用。,1.钢的分类 根据分类目的的不同，可以按照不同的方法对钢进行分类。常用的分类方法有：按冶金方法分类、按化学成分分类、按冶金质量分类、按金相组织分类、按使用加工方

12、法分类和按用途分类等。,(1) 按冶金方法分类根据冶炼方法和冶炼设备的不同，钢可以分为电炉钢、平炉钢和转炉钢三大类。电炉钢还可以分为电弧炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢和电渣炉钢等。转炉钢还可以分为底吹、侧吹、顶吹和纯氧吹炼等转炉钢。平炉钢多为碱性，平炉钢由于冶炼时间长、能耗高，在我国已被逐步淘汰。,(2) 按化学成分分类按照化学成分分类可以把钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。非合金钢是铁-碳合金，其中含有少量有害杂质元素(如硫、磷等)和在脱氧过程中引进的一些元素(如硅、锰等)。非合金钢有两类：碳素结构钢和高级碳素结构钢。低合金钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素(一般含量小于5%)，用以提高

13、钢的性能。合金钢是为了改善钢的某些性能而特意加入一定量合金元素的钢。根据钢中所含合金元素，合金钢又可分为锰钢、铬钢、硅锰钢、铬锰钢、铬锰钼钢等很多类。,(3) 按冶金质量分类按冶金质量分类钢可以分为优质钢、高级优质钢和特级优质钢。 (4) 按金相组织分类按钢的金相组织分类可分为铁素体型、奥氏体型、珠光体型、马氏体型、贝氏体型、双相(如马氏体、铁素体)类型等。 (5) 按使用加工方法分类按照在钢材使用时的制造加工方式可以将钢分为压力加工用钢、切削加工用钢和冷锻用钢。,(6) 按用途分类按照用途不同可以把钢分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、弹簧钢、碳素工具钢、合金工具

14、钢、高速工具钢、轴承钢、不锈耐酸钢、耐热钢和电工用硅钢十二大类。,为了满足专门用途的需要，由上述钢类又派生出一些专门用途的钢，统称为专门钢。它们包括：焊接用钢、钢轨钢、铆螺钢、锚链钢、地质钻探管用钢、船用钢、汽车大梁用钢、矿用钢、压力容器用钢、桥梁用钢、锅炉用钢、焊接气瓶用钢、车辆车轴用钢、机车车轴用钢、耐候钢和管线钢等。,2.碳素钢 碳素钢(简称碳钢)是含碳量小于2.11%的铁碳合金，实际使用的含碳量小于1.5%，其中还含有少量Si、Mn、P和S等杂质。 (1) 碳素钢的分类碳钢有以下三种分类方法。 1) 按钢的含碳量分类： 低碳钢：含碳量0.25%； 中碳钢：含碳量=0.25%0.6%；

15、高碳钢：含碳量0.6%。,2) 按钢的质量分类： 根据钢中有害杂质S和P的含量分类。 普通钢：S含量0.050%，P含量0.045%； 优质钢：S、P含量均0.04%； 高级优质钢：S含量0.03%，P含量0.035%。,3) 按用途分类： 碳素结构钢：用于制造工程结构(如桥梁、船舶和建筑等)和机械零件(如齿轮、轴和连杆等)，一般为低、中碳钢。 碳素工具钢：用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等)，一般为高碳钢。,碳素工具钢：用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等)，一般为高碳钢。 (2) 碳钢的牌号和用途与合金钢相比，碳钢在机械工业上的应用最为广泛，碳钢冶炼方便，价格低廉，产量大，且具有优良

16、的锻造性，焊接性和切削加工性能，能满足许多场合机械加工的要求，应用非常广泛。,1) 碳素结构钢。碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，其产量约占钢总产量70%80%。根据国标(GB/T 7002006)规定，碳素结构钢牌号由以下四部分组成： 屈服点字母“Q”，代表钢屈服点“屈”字的汉语拼音首字母； 屈服点数值(单位为MPa)； 质量等级符号：A、B、C、D级，从A到D依次提高； 脱氧方法符号： F(沸腾钢)、b(半镇静钢)、Z(镇静钢)、TZ(特殊镇静钢)，在牌号中若为Z和TZ则予以省略。详见表3-1。,2) 优质碳素结构钢。 优质碳素结构钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，塑性韧性较好，用于制造

17、较重要的机械零件。钢的牌号用两位数字表示平均含碳量的万分数，如45钢即表示C含量为0.45%的优质碳素结构钢。 15钢、20钢是一般的表面渗碳钢，用于制造导套、挡块和摩擦片等耐磨零件；40钢、45钢、50钢属于调质钢，主要用于制造齿轮、丝丝杠、连杆和各种轴类零件；6585钢则是碳素弹簧钢。,3)碳素工具钢。碳素工具钢主要用于制造刀具、量具和模具，具有较高的硬度和耐磨性，其平均含碳量为0.7%1.3%，属于高碳钢。 碳素工具钢的牌号是在“碳”字汉语拼音首位字母“T”的后面附加数字表示，数字表示平均含碳量的千分数，例如T12 表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在其牌号

18、后加符号“A”如T12A，所有碳素工具钢都要经过热处理后才能进一步提高硬度和耐磨性。碳素工具钢的牌号及用途见表3-3。,4) 铸造碳钢。铸造碳钢(简称为铸钢)主要用于受冲击负荷作用的形状复杂件，如轧钢机机架、重载大型齿轮和飞轮等。 铸钢的牌号由“ZG”即“铸钢”两字的汉语拼音首字母和两组数字组成，前一组数字表示为铸件屈服点(s或0.2)最低值，后一组数字表示抗拉强度(b)最低值，例如ZG200400表示s200MPa和b400MPa的铸钢。,3.合金钢 合金钢是在碳钢的基础上加入一些合金元素的钢，常加入锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 钛(Ti)

19、、铌(Nb)、锆(Zr)和稀土元素等，目前世界上已有数千种合金钢。 (1) 合金钢的分类合金钢种类繁多，现介绍常用的分类方法。 1)按用途分类： 合金结构钢。合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢，通常分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等几种，这类钢用途最广，用量最大。,a.合金渗碳钢。 合金渗碳钢主要用于制造受冲击载荷和在强烈的摩擦、磨损条件下工作的零件，含碳量一般在0.1%0.25%之间，经渗碳、淬火和低温回火后，表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有足够的塑性和韧性。 渗碳钢按淬透性的高低分为低淬透性钢(如15、20、20Cr等)、中淬透性钢(如20

20、CrMnTi、20CrMnMo 等)和高淬透性钢(如18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等)等三类。 b.合金调质钢。合金调质钢的含碳量一般在0.25%0.5%之间，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr和Ni等，提高了钢的淬透性。调质钢广泛用于制造各种负荷较大、受冲击的重要机器零件，如轴类件、连杆和高强度螺栓等。,常用的合金调质钢40Cr有良好的塑性，Cr的存在使淬透性提高，故应用较为广泛。 常用合金结构钢的牌号、性能和用途见表3-4。,合金工具钢。合金工具钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性，特别是具有更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等，可以制造截面大、形状复杂和性能要求高的刃具、模具、量

21、具等。 a.低合金工具钢。低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，加入少量的合金元素Cr、Mn、Si、W和V等，以提高钢的淬透性和回火稳定性，提高钢的强度、耐磨性和热硬性，使其在230 260回火后硬度仍保持60HRC以上。,常用的低合金工具钢有CrWMn等。 b.高速钢。高速钢俗称锋钢，可以进行高速切削，主要特性是具有良好的热硬性，当切削温度高达600时硬度仍无明显下降。高速钢中含有大量的合金元素W、Mo、Cr和V等，具有高硬度和耐磨性，较高的热硬性，足够的强度和韧性等。 常用的高速钢有W18Cr4V、W9Cr4V2和W6Mo5Cr4V2等。常用合金工具钢见表3-5。,特殊性能钢。具有特殊的物理

22、和化学性能的钢又称为特殊用途钢，简称特殊钢。 a.不锈钢。不锈钢是指在大气和一般介质中具有高耐蚀性能的钢。 不锈钢按组织状态分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。典型的不锈钢有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13等。,b.耐热钢。 耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称，金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两方面性能。耐热钢主要用于高压锅炉、汽轮机、内燃机和热处理炉等设备。 c.耐磨钢。耐磨钢是在冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢，常用来制造破碎机齿板、大型球磨机衬板、挖掘机铲齿、履带和铁轨道岔等。由于在受力变形时，耐磨钢吸收大量能量，不易被击穿，因此可制造防弹装甲车板和保险箱板等

23、。,2)按合金元素总含量分类： 低合金钢。合金元素总含量10%。,3)按冶金质量不同分类：分为优质钢、高级优质钢(钢号后加“A”)和特级优质钢(钢号后加“E”)。,(2) 合金钢牌号表示方法合金钢牌号采用合金元素符号和数字表示，简要表示顺序为数字、合金元素符号和数字。,1)合金元素符号最前的数字表示含碳量。 低合金钢、合金结构钢和合金弹簧钢用二位数字表示平均含碳量(以万分之几计)，不锈耐酸钢和耐热钢等用一位数字表示平均含碳量(以千分之几计)，平均含碳量小于千分之一用“0”表示，平均含碳量不大于0.03%用“00”表示。 2)紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量。 平均合金含量小于1.5%时

24、，牌号中仅标明元素，一般不标明含量。当平均合金含量不小于1.5%、2.5%、3.5%时，则相应地以2、3、4表示。,3)高级优质合金钢(含S、P较低)，在牌号尾部加符号“A”。 4)为了表示钢的专门用途，在牌号头部(或尾部)附以相应用途的符号，例如滚动轴承钢牌号前加“G”(“滚”字的汉语拼音首字母)，如GCr15；又如20MnK牌号后附以符号K，则表示此合金钢多为矿用。,二、铸铁,含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。虽然铸铁的强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造，但它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性等一系列性能特点，加上它的生产设备和工艺简单、价格低，因此广泛应用于机械制造、石油、化

25、工、冶金、矿山、交通运输、国防工业等部门。不少过去使用碳钢和合金钢制造的重要零件，如曲轴、连杆、齿轮等，如今已可采用球墨铸铁来制造，“以铁代钢”、“以铸代锻”，这不仅为国家节约了大量的优质钢材，而且还大大减少了机械加工的工时，降低了产品的成本。根据碳在铸铁组织中存在形式的不同，可将铸铁分为以下几类:,1. 白口铸铁 碳主要以渗碳体的形式存在，断口呈银白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很难切削加工。很少用来直接制造机器，主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯。,2. 灰铸铁 碳主要结晶成游离状态的石墨，大部分或全部以片状石墨形式存在，断口为暗灰色，常见的铸铁件多数是灰铸铁。灰铸

26、铁具有良好的铸造性能、耐磨性、减振性和切削性，故被广泛地用来制造各种承受压力和要求减振性好的床身、机架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、活塞环等。灰铸铁的牌号由“灰铁“汉语拼音的首字母“HT”和后面的三位数字组成，后续数字表示抗拉强度(单位为MPa)的数值。如HT200，表明它是抗拉强度为200MPa的灰铸铁。常用灰铸铁的牌号、用途见表3-6。,3. 可锻铸铁 由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得，其中碳大部分或全部以团状石墨形式存在。由于具有较灰铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上不能锻，常用来制造一些重要的小件，如各种管接头、阀门及汽车上的一些小零件。但可锻铸铁生产周

27、期长，工艺复杂，成本较高，近年来有些可锻铸铁件已部分地被球墨铸铁所代替。可锻铸铁的牌号由代表可锻铸铁的字母“KT ”和其后的两组数字组成，两组数字分别表示抗拉强度和伸长率，如KT350-10，表示抗拉强度最低值为350MPa，伸长率最低值为10% 的可锻铸铁。常用可锻铸铁牌号、用途见表3-7。,4. 球墨铸铁 铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在。球墨铸铁力学性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。它可代替部分钢制较重要的零件，对实现以铁代钢、以铸代锻起重要的作用，具有较大的经济效益。例如，常用于制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞

28、等。球墨铸铁牌号由“球铁”两字汉语拼音首字母“QT”和两组数字组成，前一组数字表示抗拉强度，后一组数字表示伸长率。如QT50007，表示抗拉强度最低值为500MPa，伸长率最低值为7%的球墨铸铁。常用球墨铸铁的牌号、用途见表3-8。,第三节钢的热处理,钢的热处理是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺。热处理是改善金属材料力学性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法，它是强化金属材料，提高产品质量和寿命的主要途径之一。因此，绝大部分重要的机械零件在制造过程中都必须进行热处理。,材料给人们提供的性能是有限的，热处理可以使材料的各种性能得到很大的

29、改善和提高，充分发挥出金属材料的潜力，延长机械的使用寿命和节约金属材料。,钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方式的不同，常用钢的热处理大致分类如下： 普通热处理：即退火、正火、淬火、回火，俗称“四把火”。 表面热处理：表面淬火(感应加热淬火和火焰淬火等)。 化学热处理：渗碳、氮化等。 工厂里各种机器零件和工具一般都要经过如下的过程：选原料锻造预先热处理机械加工最后热处理。,一、钢的普通热处理,1.退火 退火是将钢加热到适当温度，保温一段时间后缓慢冷却(如随炉或埋入导热性能较差的介质中)，从而获得接近于平衡组织的一种热处理工艺。 由于退火可获得接近平衡状态的组织，与其他热处理工艺比较，退火钢的硬

30、度最低，内应力可全部消除，可提高钢材冷变形后的塑性，又由于退火过程中发生重结晶，故可细化晶粒，改善组织，所以退火可以达到各个不同的目的。,2.正火 正火是将钢加热到适当的温度，保持一定时间后出炉空冷的热处理工艺。正火的冷却速度较退火快些，所得到的组织较细，强度和硬度较高。 正火只适用于碳素钢及合金元素含量不高的合金钢。 正火的目的是细化组织。用于低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性；用于中碳钢和性能要求不高的零件，可代替调质处理；用于高碳钢，可消除网状碳化物，为球化退火做组织准备。,3.淬火 将钢加热到适当温度，保温后在水或油中快速冷却的操作工艺称为淬火。 淬火的目的是为了提高钢的硬度、强度和耐

31、磨性。随后再配合适当的回火，获得多种多样的力学性能。 淬透性是钢获得淬硬层深度的能力，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。钢的淬透性好坏对力学性能影响很大，当工件整个截面都淬透时，回火后表面和心部得到完全一致的力学性能。若不能全部淬透，表面和心部的组织不同，经回火后的性能就不一致。,4.回火 将淬火钢重新加热到低于727的某一温度，保温一定时间，然后空冷到室温的处理工艺称为回火。淬火钢必须及时进行回火，以保证达到所需要的性能要求。这是由于工件淬火后，其性能是硬而脆，存在由于冷却过快而造成的内应力，有引起工件变形甚至开裂的危险。,回火的目的： 1)降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。 2) 调

32、整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 3)获得不同需要的力学性能。通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，满足各种工件的不同使用要求。淬火钢经回火后，硬度随回火温度的升高而降低。回火一般也是热处理的最后一道工序。,根据工件的不同性能要求，按照回火温度的范围，可将回火大致分为以下三种： 1) 低温回火(150250)。低温回火主要为了降低淬火钢的应力和脆性，提高韧性，而保持高硬度和耐磨性,主要用于各类高碳钢的刀具、冷作模具、量具、滚动轴承和渗碳或表面淬火件等。 2) 中温回火(350500)。中温回火的目的是使淬火钢件具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，主要应用

33、于各种弹簧、弹性夹头和锻模的处理。 3) 高温回火(500650)。 高温回火可使工件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。生产中把淬火和高温回火相结合的热处理称为调质，常用于受力情况复杂的重要零件，如各种轴类、齿轮和连杆等。,二、钢的表面热处理,有些零件既要求具有耐磨的高硬度，同时又要求具有抗冲击的高韧性，在扭转和弯曲等交变负荷，冲击负荷作用下工作的机械零件，表面层承受着比内部高的应力；在有摩擦的场合，表面层还不断被磨损，因此对零件的表面层提出了强化的要求，使表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而内部仍保持足够的塑性和韧性。要达到上述要求，经常通过表面热处理进行强化。,三、钢

34、的化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能，并用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢。 常见的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等，通过化学热处理能有效提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性等。,1.渗碳 渗碳是向低碳(含碳量0.1%0.25%) 的碳钢或合金钢的表面层渗入碳原子的过程。 按渗碳剂的不同，渗碳法可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种，前两种应用较广泛。,2.渗氮 渗氮是向钢的表面渗入氮原子以提高表面层氮浓度的热处理过程。常用的渗氮方法是把氮气通入一定温度(一般为500560)的密封炉中，氮气分解

35、产生活性氮原子渗入工件的表面。渗氮以后工件的硬度高(可达10001200HV)，耐磨性高，氧化变形小，并能耐热、耐腐蚀、耐疲劳等。38CrMoAl是常用的渗氮钢。渗氮后不需要进行淬火处理，其最大缺点是工艺时间较长。,第四节非铁金属材料,除钢铁以外的金属及合金称为非铁金属材料。与钢铁相比，非铁金属的产量和使用量低，价格高，但由于它们具有某些独特的性能，成为现代科技和工程中不可缺少的重要材料。除本章介绍的在机械制造中常用的铝合金、铜合金、轴承合金之外，在航空、航天、造船、化工、冶金等行业获得广泛应用的还有钛合金、镁合金等，它们具有密度小、比强度(抗拉强度与密度之比)高等突出优点。另外，为适应科技和

36、生产发展的需要而研制的耐蚀合金、高温合金、形状记忆合金、超塑性合金、超导材料、非晶态合金等大多也属于非铁金属材料。,一、铝及铝合金,铝及铝合金是目前工业中应用最广泛的非铁金属材料，仅次于钢铁，在地壳中的蕴藏量居第二位。纯铝具有银白色的金属光泽，相对密度小，仅为2.7g/cm3 , 大约是铜和铁的1/3 ；熔点为660.37 ，沸点2494；导电性、导热性好，仅次于银、铜和金；价格较低；铝在大气和水中有良好的耐蚀性、强度低、塑性好，具有良好的加工性能，易于铸造、切削和冷、热压力加工，并有良好的焊接性能。,1.工业纯铝 纯铝主要用来制作电线、电缆、散热器及要求不锈、耐蚀而强度要求不高的日用品或配制

37、合金。 工业纯铝中存在有杂质(如Fe、Si等)，所含杂质数量愈多，其导电性、导热性、 抗大气腐蚀性以及塑性就愈低。 我国工业纯铝的牌号是以铝的纯度来编制的，如1070、1060、1050,2.铝合金 纯铝加入合金元素，如Si、Cu、Mg、Mn等，制成铝合金。铝合金强度较高，密度小，有很高的比强度(即抗拉强度与密度的比值)，好的导热性及耐蚀性等。 (1)铝合金的分类根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金中固溶体的成分不随温度的变化而变化,不能进行热处理强化的称为热处理不能强化的铝合金；固溶体成分随温度的变化而改变，可用热处理来强化的称为热处理能强化的

38、铝合金。铸造铝合金可按照其中主要合金元素的不同分为：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等。,(2)形变铝合金形变铝合金加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于压力加工。形变铝合金还可按照其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝等。 1) 防锈铝合金。这类合金主要合金元素是Mn和Mg。锻造退火后是单相固溶体，抗腐蚀性能好，塑性好，但不能通过热处理来强化，主要用于载荷不大的压延、焊接，或耐蚀结构件. 2)硬铝合金。硬铝基本上是Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的Mn，硬铝比强度高，且可以进行时效强化，但耐蚀性差。 3)超硬铝合金。超硬铝是Al-Cu-Mg-Zn系合金。 这类合金是

39、目前强度最高的铝合金，比强度(抗拉强度与密度之比)更高，故称超硬铝。 4)锻铝合金。是Al-Cu-Mg-Si系合金，合金元素的种类多，每种元素的含量较少，具有良好的热塑性及耐蚀性。淬火时效后均可提高强度。,(3)铸造铝合金铸造铝合金具有低熔点共晶组织，流动性好，适于铸造，但不适于压力加工。 铸造铝合金种类很多，其中铝硅合金具有良好的铸造性能，足够的强度，而且密度小，应用最广，约占铸造铝合金总产量的50%以上。含Si量为10%13%的Al-Si合金是最典型的铝硅合金，属于共晶组织，通常称为“硅铝明”。,二、铜及铜合金,铜是人类历史上应用最早的金属，至今仍是应用较广泛的非铁金属材料。主要用作导电、

40、导热并兼有耐腐蚀性的器材及制造各种铜合金，是电气、仪器仪表、化工、造船、机械等工业中的重要材料。,1.工业纯铜 纯铜是玫瑰红色的金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故俗称紫铜。其密度为8.9g/cm3，熔点为1083。在固态时具有面心立方晶格，无同素异构转变，属逆磁性材料，具有抗磁性。 纯铜的突出优点是导电及导热性好，广泛地应用于电气工业方面。纯铜的主要用途是制作电工导体。此外它还具有较高的耐蚀性。在力学和工艺性能方面，纯铜的特点是具有极好的塑性，可以承受各种形式的冷热压力加工，可碾压成极薄的板，拉成极细的铜线，压力加工成线材、管材、棒材及板材。纯铜的抗拉强度较低，不宜作结构材料，铸造性能

41、差，熔化时易吸收一氧化碳和二氧化硫等气体，形成气孔。,2.铜合金 在纯铜中加入合金元素制成铜合金。按照化学成分的不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜。 (1)黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两类。 1)普通黄铜。普通黄铜是铜和锌的二元合金，具有相当好的抗腐蚀性，加工性能很好。普通黄铜的牌号用“H”加数字表示。“H”是“黄”字汉语拼音首字母，数字表示平均含铜量，余量为Zn。,2)特殊黄铜。为了改善黄铜的某些性能，向其中加入少量其他元素，如Al、Mn、Sn、Si、Pb等，形成固溶体，以提高合金强度及改善耐腐蚀性，这种黄铜称为特殊黄铜。根据主要添加元素命名为锰黄铜、铅黄铜、锡黄铜等。 特殊黄铜的牌号是在“H”之后标以主加元素的化学符号， 并在其后表明铜及合金元素含量的百分数，如HPb591表示含Cu量为59%，含Pb量为1%，余量为Zn的铅黄铜。它具有良好的切削加工性，适用热冲压和切削方法制作的零件。,(