精密仪器第3章机械工程常用材料及热处理.ppt

3.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3-1 概述概述3-2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能3-3 常用的工程材料常用的工程材料3-4 钢的热处理钢的热处理3-5 表面精饰表面精饰3-6 精密仪器材料选用原则精密仪器材料选用原则3.1 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(非铁金属非铁金属)3-2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线 在室温下以缓慢平稳在室温下以缓慢平稳加载的方式进行的拉伸试加载的方式进行的拉伸试验，确定材料机械性质。验，确定材料机械性质。低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线分四个阶段应变曲线分四个阶段 (1)弹性阶段弹性阶段(Oa段段,直线直线)变形与所加外力成正比变形与所加外力成正比,外力撤销外力撤销后试件形状完全恢复后试件形状完全恢复.a点对应应力为不产生永久变形点对应应力为不产生永久变形(塑性变形塑性变形)的最大应力，称为的最大应力，称为比例极限比例极限p.(2)屈服阶段屈服阶段(ab段段,近似平线或波线近似平线或波线)外力不再增加而试样外力不再增加而试样仍继续变形仍继续变形(屈服现象屈服现象)，若此时除去外力，试样将不恢复原来，若此时除去外力，试样将不恢复原来尺寸，在该阶段金属开始发生明显塑性变形。屈服阶段的最低尺寸，在该阶段金属开始发生明显塑性变形。屈服阶段的最低应力为应力为屈服极限屈服极限s.1 应力极限应力极限(强度强度)(3)强化阶段强化阶段(bc段段,上升曲线上升曲线)材料恢复了变材料恢复了变形的能力形的能力,要使它变形必须增加拉力要使它变形必须增加拉力(材料的材料的强化强化),此阶段是金属最重要的塑性变形阶段此阶段是金属最重要的塑性变形阶段.材料发生均匀塑性变形时的最大应力材料发生均匀塑性变形时的最大应力(c点点)为为强度极限强度极限b，是材料强度的主要指标，是材料强度的主要指标.它是它是材料受拉时所能承受的最大载荷应力。材料受拉时所能承受的最大载荷应力。(4)(4)局部变形阶段局部变形阶段(cd(cd段段,下降曲线下降曲线)外力过强度极限外力过强度极限(c(c点点)后后,试样发生试样发生“缩颈缩颈”现象。此时塑性变形集中现象。此时塑性变形集中在缩颈处在缩颈处,缩颈点截面于是急剧变小缩颈点截面于是急剧变小,最后试样在最后试样在d d点即颈缩点发生断裂点即颈缩点发生断裂.若应力超过屈服极限若应力超过屈服极限,但尚未达到强度极限但尚未达到强度极限(如在如在f点点),此此时卸载，曲线将沿着与时卸载，曲线将沿着与Oa平行的平行的fg直线直线(虚线虚线)下降。其中下降。其中Og为为永久塑性变形，永久塑性变形，gh为弹性变形。再次加载时，应力为弹性变形。再次加载时，应力应变曲线应变曲线变为变为gfcd，相当于提高了屈服极限。这种在常温下经过塑性变，相当于提高了屈服极限。这种在常温下经过塑性变形使材料强度提高、塑性降低的现象，称为形使材料强度提高、塑性降低的现象，称为冷作硬化冷作硬化。2 刚度刚度 材料抵抗变形的能力材料抵抗变形的能力.弹性模量弹性模量E,剪切模量剪切模量G是衡量材料是衡量材料刚度的性能指标刚度的性能指标(胡克定律胡克定律 ,).3 塑性塑性 材料破坏时，遗留变形的大小材料破坏时，遗留变形的大小 断后伸长率断后伸长率 :试件拉断后试件拉断后,标距内的伸长量与标距原长之标距内的伸长量与标距原长之比的百分率比的百分率.5 5为塑性材料为塑性材料,5 5为脆性材料为脆性材料.断面收缩率断面收缩率:试件被拉断后试件被拉断后,断裂处面积的缩小量与原面断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。积之比的百分率。或或越大，材料的塑性越高，反之则低。进行压力加工的越大，材料的塑性越高，反之则低。进行压力加工的零件，应选用塑性高的材料，以免加工时开裂。零件，应选用塑性高的材料，以免加工时开裂。4 硬度硬度材料表面在一小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。材料表面在一小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。材料硬度越高，强度和耐磨性越高，但塑性越低。常用的硬材料硬度越高，强度和耐磨性越高，但塑性越低。常用的硬度指标有三种：布氏硬度度指标有三种：布氏硬度(HBW)、洛氏硬度、洛氏硬度(HRC,洛氏洛氏C标度硬度标度硬度)和维氏硬度和维氏硬度(HV).以一定载荷把一定大小的钢球压入材料以一定载荷把一定大小的钢球压入材料表面表面,保持一段时间保持一段时间,卸载后负荷与其压痕卸载后负荷与其压痕面积的比值即为布氏硬度面积的比值即为布氏硬度(HBW).).洛氏硬度试验原理和布氏硬度试验一样洛氏硬度试验原理和布氏硬度试验一样,也是压痕试验法也是压痕试验法,不同之处为它不是测量压痕不同之处为它不是测量压痕大小而是测量压痕凹陷的深度大小而是测量压痕凹陷的深度.根据压头类型根据压头类型和压入载荷大小不同和压入载荷大小不同,可分为可分为HRA,HRB,HRC.维氏硬度维氏硬度(HV)的试验原理也是根据压的试验原理也是根据压痕凹陷面积上单位应力作为硬度值计量。痕凹陷面积上单位应力作为硬度值计量。所不同的是维氏硬度试验的压头是采用锥所不同的是维氏硬度试验的压头是采用锥面夹角为面夹角为136的金刚石四方角锥体的金刚石四方角锥体.各种硬度值之间可以相互折算各种硬度值之间可以相互折算(GB/T 1172-1999)，应用中可通过查表获得，应用中可通过查表获得.5 影响材料力学性能的主要因素影响材料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)合金元素合金元素 在钢中加入某些合金元素在钢中加入某些合金元素,可提高和改善其综合力学性能可提高和改善其综合力学性能,并并获得某些特殊的物理和化学性能。获得某些特殊的物理和化学性能。加加Mn(锰锰)能提高钢的强度；加能提高钢的强度；加Ni(镍镍)与与Cr(铬铬)能使钢获得能使钢获得高强度、耐热和耐腐蚀性高强度、耐热和耐腐蚀性;加加W(钨钨)则能提高钢的硬度和韧性则能提高钢的硬度和韧性,是制造耐热工具不可缺少的合金元素是制造耐热工具不可缺少的合金元素.(有益元素有益元素)有害杂质元素有害杂质元素S（硫）、（硫）、P（磷）（磷）(3)温度温度 一般地，低温条件下强度有所增加，塑性和韧性下降一般地，低温条件下强度有所增加，塑性和韧性下降,高高温条件下相反。温条件下相反。(4)热处理工艺热处理工艺 不同的热处理工艺将会使钢的力学性能产生程度不同的变化。不同的热处理工艺将会使钢的力学性能产生程度不同的变化。3-3 常用的工程材料常用的工程材料1 钢铁材料（黑色金属）钢铁材料（黑色金属）(1)碳钢碳钢(非合金钢非合金钢)合金合金:一种金属元素和其他金属或非金属元素相互熔合而成的一种金属元素和其他金属或非金属元素相互熔合而成的具有金属特性的物质具有金属特性的物质.碳钢碳钢:含碳含碳2(质量百分比质量百分比)以下的以下的铁碳合金铁碳合金、少量杂质、少量杂质按含碳量分类按含碳量分类：低碳钢低碳钢(wC0.25%,20钢),螺钉螺钉,连杆等连杆等 中碳钢中碳钢(0.25%0.6%),工具，模具等工具，模具等 按质量等级分类按质量等级分类：普通碳素钢普通碳素钢(wS0.055%,wP0.045%)优质碳素钢优质碳素钢(wS0.040%,wP0.040%)高级优质碳素钢高级优质碳素钢(wS0.030%,wP0.035%)按用途分类按用途分类：碳素结构钢碳素结构钢(工程结构工程结构,机械零件机械零件)、碳素工具钢、碳素工具钢(各种工具各种工具)(2)合金钢合金钢 人为在冶炼中加入铬人为在冶炼中加入铬Cr、锰、锰Mn、镍、镍Ni、钛、钛Ti、钼、钼Mo、钨、钨W等合金元素形成的钢，具有高的强度、韧性、硬度，以及某些特等合金元素形成的钢，具有高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐蚀性、高温强度等）。殊性能（如耐腐蚀性、高温强度等）。低合金钢低合金钢(合金元素含量小于合金元素含量小于5%)中合金钢中合金钢(合金元素含量在合金元素含量在5%10%)高合金钢高合金钢(合金元素含量大于合金元素含量大于10%)碳钢价格低廉、容易获得，也容易加工。一般情况下优先选碳钢价格低廉、容易获得，也容易加工。一般情况下优先选用碳素结构钢和优质碳素结构钢。当零件受力较大，承受变应力用碳素结构钢和优质碳素结构钢。当零件受力较大，承受变应力,工作情况复杂且热处理要求较高时，应选用合金钢。工作情况复杂且热处理要求较高时，应选用合金钢。2 铸铁铸铁 与钢不同与钢不同,铸铁含碳铸铁含碳(大于大于2.11%)和硅量较高和硅量较高,含杂质硫磷也较含杂质硫磷也较多多(1)灰铸铁灰铸铁:其中的碳以自由状态的其中的碳以自由状态的片状石墨片状石墨形式存在形式存在,断口呈灰色断口呈灰色 成本低，铸造性、减振性好，抗压强度高，但脆性很大，成本低，铸造性、减振性好，抗压强度高，但脆性很大，不不宜承受冲击载荷（底座、机床床身）。宜承受冲击载荷（底座、机床床身）。(2)球墨铸铁：球墨铸铁：其中的碳以其中的碳以球状石墨球状石墨形式存在的形式存在的 具有较高的延展性和耐磨性。强度高具有较高的延展性和耐磨性。强度高(近于碳素结构钢近于碳素结构钢)，减，减振性优，可承受冲击载荷。振性优，可承受冲击载荷。(齿轮、曲轴齿轮、曲轴)2 非铁金属非铁金属(有色金属有色金属)铜铜(紫铜紫铜)及其合金有良好导电性、导热性、耐蚀性和延展性及其合金有良好导电性、导热性、耐蚀性和延展性.(1)铜合金铜合金(黄铜和青铜黄铜和青铜)黄铜黄铜(铜与锌的合金铜与锌的合金)锌含量在锌含量在2040左右左右,具有优良的机械加具有优良的机械加工性能和防腐性，可铸造和锻造。黄铜随锌含工性能和防腐性，可铸造和锻造。黄铜随锌含量的增加强度增加，直至超过量的增加强度增加，直至超过45以后，抗拉以后，抗拉强度急剧下降。常用于制造轴瓦、耐腐蚀零件强度急剧下降。常用于制造轴瓦、耐腐蚀零件等等.青铜青铜(铜与锡铜与锡,铝铝,铍等元素的合金铍等元素的合金,锡青铜、铝青铜、铍青铜锡青铜、铝青铜、铍青铜)青铜合金的力学性能以及耐腐蚀、耐磨性能较好。锡青铜适于青铜合金的力学性能以及耐腐蚀、耐磨性能较好。锡青铜适于铸造，用以铸造形状复杂的零件。铍青铜用于非常重要的零件铸造，用以铸造形状复杂的零件。铍青铜用于非常重要的零件.(2)铝合金铝合金 铝及铝合金具有密度小铝及铝合金具有密度小(约为铜和铁的约为铜和铁的1/3),比强度比强度(强度与密度之强度与密度之比比)高高,抗蚀性好以及优良的塑性和冷热加工工艺性能等优点，且价格抗蚀性好以及优良的塑性和冷热加工工艺性能等优点，且价格较低较低,资源丰富资源丰富,故广泛用于航空航天、电气、汽车等工程领域，是工故广泛用于航空航天、电气、汽车等工程领域，是工程中用量最大的有色金属程中用量最大的有色金属.(3)钛合金钛合金 钛和钛合金的密度都小，其强度和钢相当，且抗腐蚀性好，故在钛和钛合金的密度都小，其强度和钢相当，且抗腐蚀性好，故在航空、造船、化工等工业中得到了较多应用。此外钛还具有航空、造船、化工等工业中得到了较多应用。此外钛还具有“亲生物亲生物”性性,广泛用于医疗器械和人造关节等。广泛用于医疗器械和人造关节等。3 非金属非金属(1)工程塑料：工程塑料：密度小，比强度高，耐腐蚀性能好，优良的电绝缘性密度小，比强度高，耐腐蚀性能好，优良的电绝缘性,耐磨、减摩及自润滑性能好，易加工，易老化，难回收。耐磨、减摩及自润滑性能好，易加工，易老化，难回收。(2)橡胶：橡胶：高弹耐磨高弹耐磨,绝缘性好绝缘性好,不透水、气，但易老化。垫圈、密封不透水、气，但易老化。垫圈、密封圈圈(3)人工合成矿物人工合成矿物刚玉刚玉(Al2O3,人造宝石人造宝石)：高的弹性模量和硬度：高的弹性模量和硬度(仅次于钻石仅次于钻石)。微型轴。微型轴承承石英石英(SiO2)：具有压电效应。晶体振荡器：具有压电效应。晶体振荡器,传感器材料传感器材料3-4 钢的热处理钢的热处理 改善金属使用性能和工艺性能的一种重要的加改善金属使用性能和工艺性能的一种重要的加工方法，将固态金属或合金加热、保温、冷却工方法，将固态金属或合金加热、保温、冷却改变金属整体或表面组织，获得所需性能。改变金属整体或表面组织，获得所需性能。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：感应加热、火焰加热、电接触加热、电解感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗加热、渗碳、氮化、碳氮共渗 3、其他热处理、其他热处理 临界温度：临界温度：使钢材料内部组织发生相变使钢材料内部组织发生相变,其力学性能其力学性能(硬度硬度,强度强度,塑性等塑性等)相应发生改变的温度。不同牌号钢的临界温度不同，相应发生改变的温度。不同牌号钢的临界温度不同，如优质碳素结构钢的临界温度为如优质碳素结构钢的临界温度为710750C，而有些合金钢的临，而有些合金钢的临界温度达到界温度达到800900C.1 退火：退火：加热加热(至临界温度以上至临界温度以上2030度度)、保温、随炉缓慢冷却、保温、随炉缓慢冷却 目的目的:预先热处理预先热处理(铸锻之后铸锻之后,切削之前切削之前),降低硬度、细化晶粒、降低硬度、细化晶粒、消除内应力消除内应力.2 正火：正火：加热加热(至临界温度以上至临界温度以上3050度度)、保温、空气冷却、保温、空气冷却目的：目的：同退火，冷却速度大于退火的冷却同退火，冷却速度大于退火的冷却,可获更高的力学性能可获更高的力学性能3 淬火：淬火：加热加热(至临界温度以上至临界温度以上3050度度),保温保温,水、油或盐水冷却水、油或盐水冷却目的：目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内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。应力，材料变脆，须回火。方法：方法：单介质淬火单介质淬火;双介质淬火双介质淬火(水淬油冷水淬油冷,淬透性高淬透性高,防开裂防开裂,复杂复杂)4 回火：回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。度冷却。目的：目的：降低脆性降低脆性,消除内应力。防止零件变形开裂消除内应力。防止零件变形开裂;达到设计图达到设计图纸要求的硬度纸要求的硬度.回火工艺的种类：回火工艺的种类：1、低温回火（、低温回火（150250 C）2、中温回火（、中温回火（350500 C）3、高温回火（、高温回火（500650 C）调质处理调质处理 淬火淬火+高温回火高温回火使用得最多的热处理工艺使用得最多的热处理工艺,可获得较好的综合机械性能可获得较好的综合机械性能,即良好即良好的强度、韧性和塑性。的强度、韧性和塑性。5 表面热处理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。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：提高零件的目的：提高零件的表层表层硬度、抗磨损性能。硬度、抗磨损性能。感应加热：感应加热：感应线圈通入交流电产生交变磁场感应线圈通入交流电产生交变磁场,工件置入磁场产工件置入磁场产生感应电流生感应电流,利用交流电的集肤效应利用交流电的集肤效应(电流密度分布不均电流密度分布不均)，对零，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件进行加热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度(频率频率越高越高,透入深度越浅透入深度越浅,加热层越薄加热层越薄)。火焰加热：火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后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。动速度即可得到不同厚度的淬硬层。方式：方式：6 化学热处理化学热处理 将钢件置于一定温度的活性介质将钢件置于一定温度的活性介质(渗碳剂渗碳剂,氨气等氨气等)中保温，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。改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。目的：目的：提高钢件提高钢件表层表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等力学性能。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、渗按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。铝等种类。气体渗碳是将零件装在密封的渗碳炉气体渗碳是将零件装在密封的渗碳炉中中,加热并向炉中滴入易分解的有机气体加热并向炉中滴入易分解的有机气体如煤油、苯等，或直接通入煤气等渗碳气如煤油、苯等，或直接通入煤气等渗碳气体，反应产生活性碳原子，从而达到钢件体，反应产生活性碳原子，从而达到钢件表面渗碳的目的。优点是生产率高，过程表面渗碳的目的。优点是生产率高，过程可控，渗碳层质量好。可控，渗碳层质量好。3-1 概述概述3-2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能3-3 常用的工程材料常用的工程材料3-4 钢的热处理钢的热处理3-5 表面精饰表面精饰3-6 精密仪器材料选用原则精密仪器材料选用原则3-5 表面精饰表面精饰在金属零件的表面附上一层覆盖层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:镀铬层化学稳定性高镀铬层化学稳定性高,有较高的硬度和耐磨性及很好的有较高的硬度和耐磨性及很好的表面粗糙度表面粗糙度.镀镍镀镍:可可获得良好的化学稳定性，并具有良好的导电性获得良好的化学稳定性，并具有良好的导电性.镀锌、镀银镀锌、镀银 化学处理：化学处理：氧化和磷化氧化和磷化 氧化是在零件表面上形成氧化膜的工艺过程，磷化的过程则氧化是在零件表面上形成氧化膜的工艺过程，磷化的过程则是在零件表面上生成一层在大气中稳定的磷酸盐膜。是在零件表面上生成一层在大气中稳定的磷酸盐膜。涂漆涂漆3-6 精密仪器材料选用原则精密仪器材料选用原则 选择材料时主要考虑的因素有材料的选择材料时主要考虑的因素有材料的使用要求、工艺要求使用要求、工艺要求和经济要求和经济要求。n 使用要求使用要求(首要考虑首要考虑)在分析零件工作条件和失效形式的基础上，在受力状况、在分析零件工作条件和失效形式的基础上，在受力状况、环境状况以及特殊性能方面提出要求，据此确定材料的具体力环境状况以及特殊性能方面提出要求，据此确定材料的具体力学、物理、化学性能指标学、物理、化学性能指标,最后可按经验类比或查手册进行选材最后可按经验类比或查手册进行选材.如对于低速、轻载的三轮车的传动轴如对于低速、轻载的三轮车的传动轴普通碳素结构钢；对速普通碳素结构钢；对速度较高、载荷较重的汽车传动轴度较高、载荷较重的汽车传动轴优质碳素结构钢；而对高速、重优质碳素结构钢；而对高速、重载的汽轮机的主轴载的汽轮机的主轴合金钢。合金钢。若零件的尺寸取决于强度，应选用强度极限较高的材料；若零若零件的尺寸取决于强度，应选用强度极限较高的材料；若零件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料；若零件的尺件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料；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；滑动摩擦下工作寸取决于接触强度，应选用表面强化处理的材料；滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；高温工作下的零件，选用耐热的零件，应选用减摩性能好的材料；高温工作下的零件，选用耐热材料；腐蚀介质中工作的零件选用耐腐蚀材料。材料；腐蚀介质中工作的零件选用耐腐蚀材料。n 工艺要求工艺要求在满足使用性能要求的同时还应在满足使用性能要求的同时还应满足工艺性能要求满足工艺性能要求.例如对于毛坯为铸例如对于毛坯为铸件、锻件、焊接件时件、锻件、焊接件时,应分别选择铸造性能好的材料应分别选择铸造性能好的材料(灰铸铁灰铸铁),),锻造性能锻造性能好的材料好的材料(黄铜、低碳钢黄铜、低碳钢)和焊接性能好的材料和焊接性能好的材料(低碳钢或低碳合金钢低碳钢或低碳合金钢)。对于尺寸小的齿轮、轴类等旋转体零件，可用棒料直接加工。对对于尺寸小的齿轮、轴类等旋转体零件，可用棒料直接加工。对于形状简单、薄壁的零件，生产批量较大时，可压力加工成形。在自于形状简单、薄壁的零件，生产批量较大时，可压力加工成形。在自动机床上进行大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好动机床上进行大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好.此外此外还必须考虑材料的热处理工艺性能还必须考虑材料的热处理工艺性能(淬透性、变形开裂倾向性等淬透性、变形开裂倾向性等)。n 经济要求经济要求 选择材料时，必须考虑到生产的经济性和材料的相对价格选择材料时，必须考虑到生产的经济性和材料的相对价格,不应不应片面选用优质材料。在满足使用要求和工艺要求前提下片面选用优质材料。在满足使用要求和工艺要求前提下,应尽可能选应尽可能选用普通材料和价格低廉的材料用普通材料和价格低廉的材料,以降低生产成本以降低生产成本.另外还要考虑批量、另外还要考虑批量、加工费用、环境污染、能源消耗等。加工费用、环境污染、能源消耗等。本章作业：本章作业：2-1,2-2,2-4,2-6,2-7,2-9