第2章 机械工程材料及钢的热处理..docx

机械学基础机械学基础机械设计的力学基础知识机械工程材料及钢的热处理带传动与链传动齿轮传动机构间歇运动机构机械零件设计制造的结构工艺性连接齿轮传动设计机械精度设计基础轴与联轴器轴承弹簧机构的组成原理及平面连杆机构凸轮机构2. 2. 3合金钢为了改善钢的性能，专门在钢中加入一种或数种 合金元素的钢叫做合金钢.合金元素的种类：辂（Cr）、钵（Mn）、钱（Ni）、硅（Si）、碉（B）、鸽（W）、锢（Mo）、机（V）、钛（ Ti）、错（Zr）和稀土元素等.目的：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、防腐、防酸 性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等.12常用金属材料合金钢分类<、合金元素含量1 .低合金钢（全部合金元素5%）.中合金钢（全部合金元素5%10%）2 .高合金钢（全部合金元素>10%）合金种类辂钢、镒钢、辂锲钢、硅镒铝钗钢等用途1 .合金结构钢.合金工具钢2 .特殊性能结构钢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.具体为一位或两位数字（对合金结构钢，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,当含碳量大于1%不标出；对于特殊性能合金钢，含 碳量的千分数，当含碳量小于0.03%时，用00表示碳含量，当小于0.08%时，用0表示含碳量）冶金元素符号十数字 元素含量的百分数，小于1.5%时不标）12常用金属材料1.合金结构钢：综合机械性能好，具有高强高韧渗碳钢C 0.15%0.25%用于表面耐磨并承受动力 栽荷的零件，如齿轮、轴、销20Cr、20Mn2调质钢弹簧钢C 0.25%0.50%用于制造高强度、高韧性 的零件，如主轴、齿轮40Cr、40Mn2C 0.6%0.7%用于制造各类弹性零件轴承钢60SI2MnC 0.95%1.1%用于制造滚珠、滚柱、套 圈、导轨等GCr15 牌号不同(15/1000)2,合金工具钢：制造刃具、磨具和量具刃具钢高的硬度、耐磨性、热硬性W18Cr4V模具钢 热模具钢 冷模具钢 5CrMnMo (C 5/1000) Cr12量具钢 硬度、耐磨性、不易变形、工艺性好 CrWMn12常用金属材料3.特殊性能钢不锈钢不锈钢2Cr13 1Cr18Ni9耐热钢 15CrMo> 4Cr9Si2耐磨钢 ZGMn1312常用金属材料2. 2.4有色金属材料狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、镒、辂以外的所有 金属的统称;广义的有色金属还包括有色合金与钢、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：铝、镁、钛及其合金密度小，重量轻；铜、铝及其合金导电性好，或摩耐磨性好；钱、相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 泛的应用.23常用非金属材料工程塑料：热塑性塑料、热固性塑料工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等高抗压、高硬度、低抗拉、抗高温、绝缘好例：陶瓷轴承复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料经人工组成 的多相材料橡 胶：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 、耐磨性等.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 却，从而改变（或改善）其组织结构，以达到预期性能的操作工艺.热处理不改变工件形状, 只改变内部组织结构， 以获得不同的机械性能.24钢的热处理温度800700600500400300200100 0奥氏体时间过冷奥氏体等温转变曲线图24钢的热处理热处理常用工艺方法普通热处理退火 正火 淬火 、回火表面淬火渗碳i化学热处理（渗氮碳氮共渗24钢的热处理2.4.1、退火：（锻、铸造后，粗加工前）将钢件加热到临界温度以上20- 30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 慢冷却至500度以下，然后在空气中冷却.目的：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 的内应力.2. 4. 2、正火：将钢件加热到临界温度以上30 - 50度 ,保温一段时间后从炉中取出，在空气中冷却目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高.24钢的热处理淬火和回火是生产中应用最广泛的两种热处 理工艺。2.4.3、淬火：淬火是将工件加热到临界温度以上30 - 50度， 保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却. 目的：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，以得到较高的强度 、硬度和韧性.2.4. 4、回火：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.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150-250去应力、保持高硬度和高耐磨性刃具，模具，滚动轴承，耐磨件.中温回火：温度350-500获得高弹性、保持较高硬度和一定韧性弹簧、发条、锻模高温回火：温度500-650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”钢的热处理2.4.5、表面淬火：是利用火焰或高频感应电流迅速加热表面， 然后立即淬火.目的：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。2.4. 6表面化学热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过加热、 保温、冷却的方法使介质中的某些元素渗入钢 件表面，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。24钢的热处理渗碳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、煤气等）介质中, 加热到850950C,保温一段时间，使碳扩 散到钢表面层内，使表面层的含碳量达到0. 8%1.2%,再经淬火和低温回火，从而获 得高硬度和耐磨性.2j钢的热处理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500620C,持续保温2050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、抗胶合性及耐热性.24钢的热处理247金属零件的表面处理表面处理：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.通常分电镀、化学处理和涂漆三种.第2章机械工程材料及钢的热处理§2-1金属材料的力学性能§2-2常用金属材料§2-3常用非金属材料§2-4钢的热处理§2-5机械零件的选材21金属材料的力学性能2.1.1强度与塑性电镀：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.分为：镀辂、镀镀、镀锌24钢的热处理化学处理金属零件表面的化学处理主要有氧化和璘化.氧化：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；常用的有发蓝或发黑.磷化：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.25机械零件的选材1 . 一般原则2 .工艺性原则3 .经济性原则首先保证使用性能，兼顾工艺性和经济性25机械零件的选材1、一般原则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）滑动摩擦下工作的零件，选用减摩性能好的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，采用耐腐蚀材料2、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 求的能力.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、 钱,、刨、磨、钻等）.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.M机械零件的选材各种工艺方法对材料提出的要求铸造：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性能的铸 件的方法.铸造性：是指浇注时液态金属的流动性、凝固 时的收缩性和偏析倾向等.灰口铸铁和青铜有良好的铸造性能。锻造性：是指材料在压力加工时，能改变形状 而不产生裂纹的性能.低碳钢的锻造性好,铸铁没有锻造性.2.5机械零件的选材 焊接性：是指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。低碳钢的焊接性能好，高碳钢和铸铁的焊接性能 差。2.5机械零件的选材切削加工性：是指对材料进行切削加工的难易程度， 一般用切削力、零件表面粗糙度、刀具磨损及切屑排除的难易程度来衡量。灰口 铸铁具有良好的切削加工性。2.5机械零件的选材 热处理工艺性：包括淬透性、淬硬性、回火稳定性、 变形开裂性等。碳素钢的淬透性差，强度低，合金钢优于碳素钢。2.5机械零件的选材 3、经济性原则在满足使用要求的前提下，选用材料时 还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和加工制造的费 用。机械化、自动化的生产对材料的加工性能及尺寸规格的一致性要求十分严 格，因此不能轻易采用劣质材料来达到降低成本的目的。弓虽度材料抵抗塑性变形和断裂的能力。强度极限（抗拉强度）和屈服极限（屈服强度）是 表征强度的主要性能指标。屈服极限：材料发生屈服现象时的应力。尺crs =A）强度极限：材料发生断裂前所能承受的最大应力。A）21金属材料的力学性能刚度材料抵抗弹性变形的能力.弹性模量E: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标.塑，性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：延伸率收缩率 = LJoxlOO%AL-4Lxl00%I。A21金属材料的力学性能2.1. 2硬度硬度材料抵抗压人物压陷的能力.即：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：HR和HB.21金属材料的力学性能HR硬度HB>450“3初性21金属材料的力学性能韧，性在冲击栽荷作用下，材料抵抗破坏的能力.冲击功:.=一（% -鱼）：冲击韧性值:ak =/ A21金属材料的力学性能2.1.4线膨胀系数a温度变化1摄氏度时零件单位长度的线伸长量 零件尺寸与温度之间的变化关系：A/ = la（t ，o）2.2.1铸铁2.2.2碳素钢2.2.3合金钢224有色金属材料励常用金属材料22.1铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金.工&台 加是作 削它工 切 9、 及此架 性因支 坂： 吸单座 、简底 性备于 磬设用 耐产常 、生 性，料 造球材 铸很濯件 的格金零 珀价种的 4 I 4 ，4tJErr J . 77 有而的复 Z具，多状 能能最形 性性用等12常用金属材料2. 2.1铸铁分类：（1）灰口铸铁（如：HT150,表示最低抗拉强 度为150MPa的灰口铸铁）；（2）可锻铸铁（如：KT300 - 6,表示最低抗 拉强度为300MPa,延伸率为6%的可锻铸 扶）（3）球墨薛铁（如：QT600- 3,表示最低抗 拉强度为600MPa,延伸率为3%的球墨铸（4）合金薛铁（用于耐热、耐磨、耐蚀等）12常用金属材料2. 2碳素钢通常把含碳量在0. 02%-2.11%之间的铁碳合金称为碳碳素钢的价格低廉、工艺性好，能满足许多场合的 需要.22常用金属材料碳素钢分类 含碳量1 .低碳钢(v0.25%)2 .中碳钢(0.25%0.6%)3 .高碳钢(>0.6%)质量(钢中所含有害杂质硫、磷的质量百分数)1 .普通碳素专冈(Sv0.055% P<0.045%)2.优质碳素钢(Sv0.045% P<0.04%)3.高级优质碳素钢(Sv0.03% P<0.035%)用途1 .碳素结构钢(C <0.038%) Q195-B.优质碳素结构钢(S P<0.035%) 30 452 .碳素工具钢(C 0.7-1.35%) T1012常用金属材料碳素钢命名方法.碳素结构钢(普通碳素结构钢)标志符号Q+最小屈服极限值一等级符号+脱氧程度符号Q235-BF屈服点强度235MPaB级碳素沸腾钢1 .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0.1 %的优质碳素结构沸腾钢.碳素工具钢标志符号T+ 位或两位数字(平均含碳量的千分数)T10平均含碳量1%的碳素工具钢