第一章工程材料和热处理

1、第一章第一章 工程材料和热处理工程材料和热处理1.1 概述1.2 金属材料的力学性能1.3 常用的工程材料1.4 钢的热处理1.5 表面精饰XCHL11.1 1.1 概述概述工程材料的分类：工程材料的分类： 按用途分按用途分 结构材料结构材料：对力学性能有要求，如耐磨性、硬度对力学性能有要求，如耐磨性、硬度 功能材料功能材料：对物理性能有要求，如导电性、隔热性等，像电对物理性能有要求，如导电性、隔热性等，像电缆、光缆。缆、光缆。 按分子结构分按分子结构分 金属材料金属材料 黑色金属黑色金属：主要成份是铁的材料，如各种炭钢、铸铁等。：主要成份是铁的材料，如各种炭钢、铸铁等。 有色金属有色金属：非

2、铁基的材料，如铜、铝及其合金等。：非铁基的材料，如铜、铝及其合金等。 无机非金属材料无机非金属材料：如玻璃，水泥，陶瓷等。如玻璃，水泥，陶瓷等。 有机材料有机材料：如塑料、橡胶等。如塑料、橡胶等。返回本章目录返回本章目录XCHL21.2 1.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 应力极限应力极限 弹性模量弹性模量E 延展性延展性 冲击韧度冲击韧度ak 弹性能弹性能Ee和韧性能和韧性能Et 硬度硬度返回本章目录XCHL3应力极限应力极限定义：在静拉伸实验中所表现的应力应变特点。是衡量强度的参数。低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线 BSPOabfcdehglXCHL4低碳钢在静应力条件下

3、的强度计算参数有下列三种： 比例极限比例极限P： 弹性应变区的最大应力，所谓弹性应变区弹性应变区，即这段区域，施加外力N，材料产生从0a的相应变形，此时若去除外力N，则材料的相应应变和应力就沿着a o段回到o点，材料中无残余变形。返回本节目录 BSPOabfcdehglXCHL5 屈服极限屈服极限S： 从a点开始，外力N再增加，则变化很小，而则随之增大，这个阶段被称为屈服阶段屈服阶段。在该阶段去除外力N后，材料的相应应变和应力就沿着平行于a o的直线恢复（如b点沿be段回到e点），但不能回0，材料中有残余变形。该阶段的最低应力S被称为屈服极限。 返回本节目录 BSPOabfcdehglXCHL

4、6 强度极限强度极限B： 材料断裂前的最大应力。自点开始，若外力N，则应力 ，应变 ，材料最终断裂。 返回本节目录 BSPOabfcdehglXCHL7 弹性模量弹性模量E返回本节目录在比例极限范围内，即p ，材料将产生永久变形，此时应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上，并以热的形式散失。材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。XCHL10零件的工作能力衡量参数零件的工作能力衡量参数 强度强度返回返回4是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足时，零件是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足时，零件将产生不可回复的塑性变形甚至断裂，从而失效。将产生不可回复的塑性变形甚至断裂，从而失效。 载荷和应力载荷和

5、应力按载荷及其相应应力随时间变化的情况，可分为下按载荷及其相应应力随时间变化的情况，可分为下列两类：列两类： 静载荷和静应力静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢，如：不随时间变化或变化缓慢，如零件的重力及其相应应力。零件的重力及其相应应力。 变载荷和变应力变载荷和变应力：随时间作周期性变化。变应力：随时间作周期性变化。变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。如轴在不可由变载荷产生，也可由静载荷产生。如轴在不变弯矩作用下等速旋转时，轴的横截面内将产生变弯矩作用下等速旋转时，轴的横截面内将产生周期性变化的弯曲应力。周期性变化的弯曲应力。XCHL11 零件的整体强度零件的整体强度零件整体抵抗载荷作

6、用的能力称为整体强度。 静应力下的强度静应力下的强度 变应力下的强度变应力下的强度 零件的表面强度零件的表面强度返回4 表面接触强度表面接触强度：两个零件靠接触面进行力传递时，在接触区将产生局部应力，称之为接触应力。 表面磨损强度表面磨损强度：零件的表面现状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为磨损，磨损量超过允许值时零件也会失效。磨损并非全部有害，如跑合、研磨都是有益的磨损。XCHL12 刚度刚度返回6反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。其大小用产生单位变形所需的外力或外力矩来表示。 静刚度静刚度：由静载荷与变形关系所确定的刚度。 动刚度动刚度：由变载荷与变形关系所确定的刚度。金属材料的

7、静刚度与动刚度数值基本相同，非金属材料则常常不同。 振动稳定性振动稳定性在变载荷作用下，零件将产生机械振动，如果零件的固有频率与载荷的频率相同，则产生共振。一般情况下，共振将使零件丧失工作能力而失效。XCHL131.3 1.3 常用的工程材料常用的工程材料 黑色金属黑色金属 钢材的产生 碳钢碳钢：主要元素是铁，其次是碳。 低碳钢低碳钢：C含量0.60%一般，含碳量增高，钢材的强度和硬度增高，塑性降低。但含碳量超过1%后，钢材硬度继续增强，强度却降低。 合金钢合金钢：为改善钢材性能，人为加入一些合金元素,如Mn，Si，P等。 低合金钢低合金钢：合金元素总含量10% 后续XCHL14钢材的生产流程

8、钢材的生产流程返回返回铁矿石铁矿石铸铁件铸铁件铸钢件铸钢件铸锭铸锭锻钢件锻钢件钢材钢材炼铁炼铁炼钢炼钢浇注浇注锻压锻压压力加工压力加工如板材、型如板材、型材、管材、材、管材、线材等线材等去除杂质，如去除杂质，如硫、磷、氢等硫、磷、氢等高温熔化，添高温熔化，添加铁合金加铁合金如轧、拉如轧、拉形成钢坯形成钢坯XCHL15 铸钢铸钢：性能与锻钢相近，刚度、韧性较之灰铸铁好些， 常用于制造承受重载的大型零件。如龙门刨床机座。 灰铸铁灰铸铁：碳元素以自由状态的片状石墨形式存在，有良好的铸造性能，便于制作现状复杂的零件；减震性良好，但脆性很大，不宜承受冲击载荷。抗压强度高于抗拉强度，故常用来制作在受压状态

9、下工作的零件。 球墨铸铁球墨铸铁：碳元素以球状石墨形式存在，延展性、耐磨性和抗震性都较好，强度比灰铸铁好，减震性又优于钢，常用于制作需承受冲击载荷的零件。 有色金属有色金属有色金属及其合金通常有良好的物理性能，如减磨性、耐热性、导电性等。 铜合金铜合金铜材有良好的导电性、导热性、耐蚀性和延展性。铜合金在此基础上，在力学性能和物理性能又有所改善。常见铜合金有如下几种：XCHL16 黄铜黄铜：铜锌合金，如H80。可铸可锻，有良好的机械加工性能。 青铜青铜：合金元素为锡、铍、铅、硅等镍锌以外的元素，如QSn7。 锡青铜 铝青铜：强度高，价格便宜，用来制作需承受重载、耐磨零件。 铍青铜：良好的弹性元件

10、材料。 白铜白铜：铜镍合金，如B30。 铝合金铝合金：纯铝材密度小，熔点低，有良好的导热性和导电性，塑性好，强度低。加入合金元素后，能大大提高其强度，甚至可超过钢材。是广泛应用的航空航天材料。 钛合金钛合金：轻巧耐蚀，高低温性能都不错，在航空、造船、化工等方面得到了广泛应用。因高温时过于活泼，熔炼、浇注、焊接及热处理都需要在真空或惰性气体中进行，故加工成本高，使用受到一定限制。XCHL17 非金属材料非金属材料 工程塑料工程塑料以天然树脂或人造树脂为基础，加入填充剂、增塑剂、润滑剂等制成的高分子有机物。密度小，质量轻，耐腐蚀，易加工。可制作现状复杂的零件。 热塑性塑料热塑性塑料：如聚酰胺（尼龙

11、）、有机玻璃等。 热固性塑料热固性塑料：如酚醛塑料、氨基塑料等。 橡胶橡胶弹性大，绝缘性良好，耐磨耐腐蚀。常作轮胎、传送带、电缆和电线的外壳。 人工合成矿物人工合成矿物 刚玉刚玉 石英石英XCHL18 复合材料复合材料由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料按设计要求进行定向处理或复合而得的材料。 纤维复合材料纤维复合材料 层迭复合材料层迭复合材料 颗粒复合材料颗粒复合材料 骨架复合材料骨架复合材料 返回本章目录XCHL19T 温度温度（）T0t（时间）时间）热处理三阶段：热处理三阶段：加热加热保温保温冷却冷却1.4 1.4 钢的热处理钢的热处理 基本概念基本概念热处理是改善钢材性能的方

12、法之一，它通过改变钢材内部的晶体组织结构来实现性能提高。下图所示为热处理的一般过程。Tmaxt保温保温t冷冷t加加XCHL20铁碳合金有一个特点：不同温度下合金的组织结构不同，从相同的温度下以不同的速度冷却，形成的晶体结构亦不同。热处理正是利用这一点，先将钢材加热到特定的临界温度，然后再以不同的速度冷却，从而得到不同性能的钢材。 普通热处理普通热处理 退火退火 方法方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后随炉冷却。 作用作用：使钢材晶体机构细化、匀化，消除残余应力。常作加工的辅助工序。 正火正火 方法方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后在空气中冷却。 作用作用：晶体结构更细，硬度强度较退火

13、件好。常作零件加工的最后一道工序。XCHL21 淬火淬火 方法方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后在盐水或油中冷却。 作用作用：晶体结构很细，钢材的硬度强度很大，但同时韧性和塑性会比较差。冷却过快，内部晶体结构不匀，有残余应力。 回火回火 方法方法：将淬火后的零件重加热到临界温度以下的一个温度，保温一段时间使内部晶体结构匀化，然后到空气或油中冷却。 作用作用：提高材料韧性，常作淬火的后续工序。XCHL22 表面热处理表面热处理目的：改善表面力学性能，如耐磨性、耐腐蚀性等。 表面淬火表面淬火 方法方法：用火焰或电接触方法快速加热表面，然后立即快速冷却。 作用作用：提高表面硬度，保持内部韧性。

14、 化学热处理化学热处理 方法方法：用化学方法向表面渗入碳、氮等其它元素。 作用作用：根据具体要求改变表面性能。如渗碳和渗氮可以提高表面硬度和耐磨性，渗氮还可提高耐腐蚀性。返回本章目录XCHL231.5 1.5 表面精饰表面精饰 表面精饰和表面热处理的区别表面精饰和表面热处理的区别目的不同。表面热处理表面热处理的目的是改善材料的表面硬度、耐蚀性等力学物理性能。表面精饰表面精饰则是为了防腐蚀及美化外观。故，表面精饰常用方法是在材料表面添加一层覆盖物，如镀层金属，生成一层氧化膜或涂上油漆等。 三种常见的表面精饰方法三种常见的表面精饰方法 电镀电镀 镀铬镀铬:提高耐磨性，增加光洁度 镀镉镀镉:提高耐腐

15、蚀性 镀金或银镀金或银:美化外观 化学处理化学处理 氧化氧化 磷化磷化 涂漆涂漆 返回本章目录XCHL24Fe-Fe3C及及Fe-C合金相图描述合金相图描述 热处理的主要工艺过程是加热和冷却。对绝大多数热处理热处理的主要工艺过程是加热和冷却。对绝大多数热处理工艺而言，不论在加热和冷却过程中材料化学成分是否发生工艺而言，不论在加热和冷却过程中材料化学成分是否发生变化，都是通过改变材料的力学性能或物理、化学性能来改变化，都是通过改变材料的力学性能或物理、化学性能来改善坯料的加工工艺性能或工件的服役能力。不论最终获得何善坯料的加工工艺性能或工件的服役能力。不论最终获得何种组织，加热过程中材料的组织都

16、将向平衡或稳定的状态变种组织，加热过程中材料的组织都将向平衡或稳定的状态变化，首先必须熟悉材料的化学成分、温度与其平衡组织间的化，首先必须熟悉材料的化学成分、温度与其平衡组织间的关系。合金相图全面地表述了这种关系。关系。合金相图全面地表述了这种关系。 铁碳合金（钢和铸铁）碳含量超过它在铁中的溶解度后，在铁碳合金（钢和铸铁）碳含量超过它在铁中的溶解度后，在不同条件下将分别以不同条件下将分别以FeFe3 3C(C(渗碳体渗碳体) )或石墨或石墨两种形式存在。过两种形式存在。过剩的碳以前一种状态存在时，合金组织处于准平衡状态；以剩的碳以前一种状态存在时，合金组织处于准平衡状态；以后一种状态存在时，合

17、金组织处于平衡状态。后一种状态存在时，合金组织处于平衡状态。Fe-FeFe-Fe3 3C C合金相合金相图及图及Fe-CFe-C合金相图分别表述铁碳合金的准平衡组织和平衡组合金相图分别表述铁碳合金的准平衡组织和平衡组织与碳含量和温度的关系。织与碳含量和温度的关系。XCHL25Fe-Fe3C及及Fe-C合金相图合金相图 Fe3C 渗碳体-Fe 奥氏体-Fe 铁素体XCHL26请点击下列条目查询相区中标出的符号及各特征点、特征线的含义：Fe-Fe3C及Fe-C合金相图的特性点Fe-Fe3C及Fe-C合金相图的特性线铁碳合金常用临界温度代号 铁碳合金热处理常用临界温度代号铁碳合金热处理常用临界温度代号 符 号