第12章机械工程材料

1、第十二章第十二章 机械工程材料机械工程材料 用以制造各种机械零件的材料统称为机械工程材料。一般将用以制造各种机械零件的材料统称为机械工程材料。一般将其分为两大类：金属材料和非金属材料。其分为两大类：金属材料和非金属材料。 第一节第一节 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 一、金属材料的力学性能一、金属材料的力学性能 1. 1. 弹性弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能，称为弹性。这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，状的性能，称为弹性。这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，其大小与外力成正比。其

2、大小与外力成正比。 金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。一般的机械零金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。一般的机械零件都要求有较好的刚度。件都要求有较好的刚度。 2. 2. 强度强度 强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。材料的强度可分为强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。材料的强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭和抗剪等强度。抗拉、抗压、抗弯、抗扭和抗剪等强度。 为了测定金属材料的强度，广泛地采用拉伸试验。拉伸试验中，为了测定金属材料的强度，广泛地采用拉伸试验。拉伸试验中，施加在试棒施加在试棒( (见图见图12-1)12-1)上的载荷上的载荷F F 和试棒发生相应的伸长变形

3、量和试棒发生相应的伸长变形量l l 之间的关系曲线称为拉伸曲线。之间的关系曲线称为拉伸曲线。图图12-1 12-1 拉伸试棒拉伸试棒 a) a) 标准试棒标准试棒 b) b) 拉断后的试棒拉断后的试棒 金属拉伸试验的步骤可参见ASTM E-8（美国材料与试验协会）标准。塑料拉伸试验的方法参见ASTM D-638标准、D-2289标准（高应变率）和D-882标准（薄片材）。ASTM D-2343标准规定了适用于玻璃纤维的拉伸试验方法；ASTM D-897标准中规定了适用于粘结剂的拉伸试验方法；ASTM D-412标准中规定了硬橡胶的拉伸试验方法。 图图12-212-2为低碳钢拉伸曲线。为低碳钢拉

4、伸曲线。 图图12-212-2 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线 金属材料的强度指标以应力表示，即金属材料的强度指标以应力表示，即 = = F / AF / A式中式中 应力应力 ( (N Nmmmm2 2或或 MPa)MPa)； F F载荷载荷 ( (N)N)； A A试棒的横截面积试棒的横截面积 ( (mmmm2 2) )。 拉伸曲线对应于拉伸曲线对应于F Fs s、F Fb b的应力分别称为材料的屈服点和抗拉强的应力分别称为材料的屈服点和抗拉强度，它们是金属材料的主要强度指标。度，它们是金属材料的主要强度指标。 3 3塑性塑性 塑性是材料在外力作用下产生永久变形（即塑性变形）而不塑性是材料在

5、外力作用下产生永久变形（即塑性变形）而不断裂的能力。常用的塑性指标有伸长率断裂的能力。常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率和断面收缩率（见图见图12-112-1）。）。即即 =( ( l l 1- l - l 0 ) )/ /l l 0 100%100%=( (A A0- - A A1) )/ /A A0 100%100%式中式中 l l 0 试棒的原始标距长度试棒的原始标距长度 ( (mm)mm)； l l 1试棒拉断后的标距长度试棒拉断后的标距长度 ( (mm)mm)； A A0 0 试棒的原始横截面积试棒的原始横截面积 ( (mmmm2 2) )； A A1 1试棒的断口横截面积试棒的断口

6、横截面积 ( (mmmm2 2) )。 或或愈大，表示材料的塑性愈好。良好的塑性是金属材料进愈大，表示材料的塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，机器零件通常都具备一定的塑性。行压力加工的必要条件，机器零件通常都具备一定的塑性。 4 4硬度硬度 硬度是指金属材料抵抗更硬物体压入的能力。材料的硬度高，硬度是指金属材料抵抗更硬物体压入的能力。材料的硬度高，其耐磨性就好。其耐磨性就好。 工业生产中常用的是布氏硬度和洛氏硬度。工业生产中常用的是布氏硬度和洛氏硬度。 (1) (1) 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度的测试原理如图布氏硬度的测试原理如图12-312-3所示。它是以直所示。它是以直

7、径为径为D D 的淬火钢球或硬质合金球作为压头，用规定的载荷的淬火钢球或硬质合金球作为压头，用规定的载荷F F 将压头将压头垂直压入被测材料表面，材料越软，压痕直径越大，则布氏硬度值垂直压入被测材料表面，材料越软，压痕直径越大，则布氏硬度值越低。越低。 布氏硬度指标用符号布氏硬度指标用符号HBHB表示。当用淬火钢球为压头时，写成表示。当用淬火钢球为压头时，写成HBSHBS，适用于测量布氏硬度值在适用于测量布氏硬度值在450450以下的金属材料；当用硬质合金球为压以下的金属材料；当用硬质合金球为压头时，写成头时，写成HBWHBW，适用于测量布氏硬度值在适用于测量布氏硬度值在450450以上的金属

8、材料。硬以上的金属材料。硬度数值均标写在布氏硬度符号之前，例如度数值均标写在布氏硬度符号之前，例如230230HBSHBS、500HBW500HBW。 图图12-3 12-3 布氏硬度的测试原理布氏硬度的测试原理 (2) (2) 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度的测试也是用规定的载荷将压头垂洛氏硬度的测试也是用规定的载荷将压头垂直压入被测材料的表面，它以压痕深度来确定硬度值。有三种洛直压入被测材料的表面，它以压痕深度来确定硬度值。有三种洛氏硬度符号：氏硬度符号：HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC。其中，其中，HRAHRA用于表示特硬材料用于表示特硬材料 ( (如如硬质合金、渗碳钢件等硬质合金

9、、渗碳钢件等) )；HRBHRB用于表示较软材料用于表示较软材料 ( (如供应状态的如供应状态的钢材、铜合金、铝合金等钢材、铜合金、铝合金等) )；HRCHRC用于表示较硬材料用于表示较硬材料 ( (如一般淬火如一般淬火钢件钢件) )。 5 5冲击韧度冲击韧度 在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力称为冲击韧度，在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力称为冲击韧度，其值以来表征。值越大，材料的韧性就越好。其值以来表征。值越大，材料的韧性就越好。 6 6疲劳强度疲劳强度 金属材料在无限次交变应力作用下而不破坏的最大应力称为疲金属材料在无限次交变应力作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度。当应力呈

10、对称循环时，疲劳强度以符号劳强度。当应力呈对称循环时，疲劳强度以符号-1-1表示。工程实表示。工程实际中有规定，钢在经受际中有规定，钢在经受10107 7次、有色金属在经受次、有色金属在经受10108 8次交变应力作用次交变应力作用下不发生破坏时的应力作为材料的疲劳强度。下不发生破坏时的应力作为材料的疲劳强度。 二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能 1. 1. 物理性能物理性能 金属材料的主要物理性能包括密度、熔点、膨胀系数、导电性金属材料的主要物理性能包括密度、熔点、膨胀系数、导电性和导热性等。由于机械零件的用途不同，对其物理性能方面的要求和导

11、热性等。由于机械零件的用途不同，对其物理性能方面的要求也不尽相同。也不尽相同。 2 2化学性能化学性能 化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。金属材料的主要化学性能是耐蚀性。金属材料的主要化学性能是耐蚀性。 3 3工艺性能工艺性能 金属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。铸造、锻金属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。铸造、锻压、焊接和切削加工对材料都有不同的工艺性能要求。压、焊接和切削加工对材料都有不同的工艺性能要求。第二节第二节 常用金属材料常用金属材料 一、钢一、钢 生产中应用的钢种类繁多，按碳的含量分

12、，有低碳钢、中碳生产中应用的钢种类繁多，按碳的含量分，有低碳钢、中碳钢和高碳钢；按化学成分分，有碳素钢和合金钢；按质量分，有钢和高碳钢；按化学成分分，有碳素钢和合金钢；按质量分，有普通钢、优质钢和高级优质钢；按用途分，有结构钢、工具钢和普通钢、优质钢和高级优质钢；按用途分，有结构钢、工具钢和特殊性能钢等。特殊性能钢等。 （一）结构钢（一）结构钢 碳素结构钢碳素结构钢 碳素结构钢中的碳含量在碳素结构钢中的碳含量在0.06%0.06%0.38%0.38%之间，硫、磷含量较之间，硫、磷含量较高，一般在供应状态下使用，不需进行热处理。这类钢的塑性、高，一般在供应状态下使用，不需进行热处理。这类钢的塑性

13、、韧性好，适于制作钢筋、钢板等建筑用材和一般机械构件。韧性好，适于制作钢筋、钢板等建筑用材和一般机械构件。 碳素结构钢的牌号如碳素结构钢的牌号如235-235-AFAF，各项的具体含义是：各项的具体含义是： 钢材料屈服点钢材料屈服点“屈屈”字汉语拼音首位字母；字汉语拼音首位字母； 数字数字屈服点屈服点s s 的数值（的数值（MPaMPa）；）； 质量等级符号质量等级符号用、表示四个等级，其中级用、表示四个等级，其中级质量最差，级质量最好；质量最差，级质量最好； 脱氧方法符号脱氧方法符号用、表示。为沸腾钢，是用、表示。为沸腾钢，是不脱氧钢；为半镇静钢，是半脱氧钢；、分别为镇静钢和不脱氧钢；为半镇

14、静钢，是半脱氧钢；、分别为镇静钢和特殊镇静钢，是完全脱氧钢（、通常省略不写）。特殊镇静钢，是完全脱氧钢（、通常省略不写）。 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是按力学性能和化学成分供应的。常用于制优质碳素结构钢是按力学性能和化学成分供应的。常用于制造比较重要的机械零件，一般要进行热处理。牌号由两位数字组造比较重要的机械零件，一般要进行热处理。牌号由两位数字组成，如成，如4545钢表示钢表示w w C C 0.45%0.45%。 w wC C 0.25%0.25%的优质碳素结构钢，其塑性、韧性很好，焊接性能的优质碳素结构钢，其塑性、韧性很好，焊接性能优良，易于冲压加工，但强度较低，主要

15、用于制造各种冲压件和优良，易于冲压加工，但强度较低，主要用于制造各种冲压件和焊接件。焊接件。 w wC C 0.3%0.3%0.5%0.5%的优质碳素结构钢，其强度较高，塑性、韧的优质碳素结构钢，其强度较高，塑性、韧性稍低。经过热处理后，可获得良好的综合力学性能。它主要用性稍低。经过热处理后，可获得良好的综合力学性能。它主要用于制造齿轮、轴类零件及重要的销子、螺栓等。于制造齿轮、轴类零件及重要的销子、螺栓等。 w wC C 0.55%0.55%的优质碳素结构钢，经过热处理可获得高的有高的的优质碳素结构钢，经过热处理可获得高的有高的弹性和硬度，主要用来制造弹簧和耐磨的零件弹性和硬度，主要用来制造

16、弹簧和耐磨的零件。 合金结构钢合金结构钢 在碳素结构钢的基础上加入一定量的合金元素，如硅、锰、铬、在碳素结构钢的基础上加入一定量的合金元素，如硅、锰、铬、钼、钒等，即构成合金结构钢。钢中加入适量的合金元素，改善了钼、钒等，即构成合金结构钢。钢中加入适量的合金元素，改善了热处理性能，提高了强度和韧性。合金结构钢常用于制造各种重要热处理性能，提高了强度和韧性。合金结构钢常用于制造各种重要的机械零件和工程构件。的机械零件和工程构件。（二）工具钢（二）工具钢 工具钢是用来制造各种刃具、量具和模具的材料。它应满足刀具工具钢是用来制造各种刃具、量具和模具的材料。它应满足刀具在硬度、耐磨性、强度和韧性等方面

17、的要求。在硬度、耐磨性、强度和韧性等方面的要求。 碳素工具钢碳素工具钢 碳素工具钢是碳素工具钢是 w w C C 0.7%0.7%1.3%1.3%的高碳钢。牌号用的高碳钢。牌号用“”表示钢表示钢的种类，后面的数字表示碳的平均千分含量。常用的碳素工具钢有的种类，后面的数字表示碳的平均千分含量。常用的碳素工具钢有T8T8、T10T10、T10AT10A、T12AT12A（A A表示高级优质钢）等。由于碳素工具钢的热硬性表示高级优质钢）等。由于碳素工具钢的热硬性较差，热处理变形较大，仅适用于制造不太精密的模具、木工工具和较差，热处理变形较大，仅适用于制造不太精密的模具、木工工具和金属切削的低速手用刀

18、具（锉刀、锯条、手用丝锥）等。金属切削的低速手用刀具（锉刀、锯条、手用丝锥）等。 合金工具钢合金工具钢 合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（SiSi、MnMn、CrCr、W W、V V等）制成的。由于合金元素的加入，提高了材料的热硬性，等）制成的。由于合金元素的加入，提高了材料的热硬性，改善了热处理性能。合金工具钢常用来制造各种量具、模具或切削刀改善了热处理性能。合金工具钢常用来制造各种量具、模具或切削刀具等。具等。 （三）特殊性能钢（三）特殊性能钢 特殊性能钢是一种含有较多合金元素、并具有某些特殊物理性特殊性能钢是一种含有较多合

19、金元素、并具有某些特殊物理性能和化学性能的钢。常用的有不锈钢、耐热钢及软磁钢（又名硅钢能和化学性能的钢。常用的有不锈钢、耐热钢及软磁钢（又名硅钢片）等。片）等。 （四）铸钢（四）铸钢 铸钢的种类很多，按照化学成分，可分为两类：铸造碳钢和铸铸钢的种类很多，按照化学成分，可分为两类：铸造碳钢和铸造合金钢。在生产中，铸钢是制作形状复杂零件的重要材料。造合金钢。在生产中，铸钢是制作形状复杂零件的重要材料。 二、铸铁二、铸铁 铸铁是铸铁是 w w C C2.11%2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。 白口铸铁白口铸铁 白口铸铁中的碳以化合物白口铸铁中的碳以化合物 FeFe3 3C C的形式存在，断面呈白色

20、。其性的形式存在，断面呈白色。其性能硬而脆，不能进行切削加工，主要用作炼钢的原料。能硬而脆，不能进行切削加工，主要用作炼钢的原料。 灰铸铁灰铸铁 灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断面呈灰色。灰铸铁灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断面呈灰色。灰铸铁软而脆，铸造性能好，并具有良好的耐磨性、耐热性、减振性和切削软而脆，铸造性能好，并具有良好的耐磨性、耐热性、减振性和切削加工性。因而工业上常用来制造各种机床床身、罩盖、支架、底座、加工性。因而工业上常用来制造各种机床床身、罩盖、支架、底座、带轮、齿轮和箱体等。带轮、齿轮和箱体等。 灰铸铁的牌号由灰铸铁的牌号由“HTHT”及表示最低抗拉强度的

21、数字组成。例如，及表示最低抗拉强度的数字组成。例如，HT200HT200即表示最低抗拉强度为即表示最低抗拉强度为200 200 MPaMPa的灰铸铁。的灰铸铁。 可锻铸铁可锻铸铁 可锻铸铁中的碳大部分或全部以团絮状石墨的形式存在。因此，可锻铸铁中的碳大部分或全部以团絮状石墨的形式存在。因此，材料的力学性能得到了改善，其强度、韧性都比灰铸铁高。可锻铸材料的力学性能得到了改善，其强度、韧性都比灰铸铁高。可锻铸铁常用于铸造承受冲击振动的薄壁零件。铁常用于铸造承受冲击振动的薄壁零件。 可锻铸铁的牌号由三个汉语拼音字母及两组数字构成，如可锻铸铁的牌号由三个汉语拼音字母及两组数字构成，如KTH350-10

22、KTH350-10、KTZ550-04KTZ550-04，其中的汉语拼音字母分别表示黑心可锻铸其中的汉语拼音字母分别表示黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁，前一组数字表示其最低抗拉强度（单位为铁、珠光体可锻铸铁，前一组数字表示其最低抗拉强度（单位为MPaMPa），），后一组数字表示其最低伸长率（百分数）。后一组数字表示其最低伸长率（百分数）。 球墨铸铁球墨铸铁 在高温液态铸铁中加入球化剂（如纯镁或稀土镁合金）进行球在高温液态铸铁中加入球化剂（如纯镁或稀土镁合金）进行球化处理，使铸铁中的碳大部或全部以球状石墨的形式存在，便化处理，使铸铁中的碳大部或全部以球状石墨的形式存在，便 制制成了球墨铸铁。球墨铸

23、铁具有良好的力学性能，其抗拉强度甚至高成了球墨铸铁。球墨铸铁具有良好的力学性能，其抗拉强度甚至高于碳钢，塑性、韧性和耐磨性等比灰铸铁好，因此广泛用于机械制于碳钢，塑性、韧性和耐磨性等比灰铸铁好，因此广泛用于机械制造、交通、冶金等工业部门。造、交通、冶金等工业部门。 球墨铸铁的牌号由球墨铸铁的牌号由“QTQT”及两组数字构成，例如及两组数字构成，例如QT600-3QT600-3，其最其最低抗拉强度为低抗拉强度为600600MPaMPa，最低伸长率为最低伸长率为3%3%。 三、有色金属三、有色金属 通常将钢铁材料称为黑色金属，而其它金属材料则称为有色金属。通常将钢铁材料称为黑色金属，而其它金属材料

24、则称为有色金属。 铝和铝合金铝和铝合金 纯铝的显著优点是密度小（约为铁的纯铝的显著优点是密度小（约为铁的1/31/3），导电性能好（稍次于），导电性能好（稍次于铜），塑性好，在空气中有良好的抗蚀性，但强度、硬度低。纯铝主铜），塑性好，在空气中有良好的抗蚀性，但强度、硬度低。纯铝主要用作导电材料或制造耐蚀零件，一般不作结构材料用。要用作导电材料或制造耐蚀零件，一般不作结构材料用。 工业上广泛使用铝合金。在铝中加入适量的铜、锰、硅、镁等合工业上广泛使用铝合金。在铝中加入适量的铜、锰、硅、镁等合金元素，可提高其力学性能。金元素，可提高其力学性能。 根据合金成分和工艺特点的不同，铝合金可分为变形铝合金

25、和铸根据合金成分和工艺特点的不同，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金主要用作各类型材和结构件，如各式容造铝合金两大类。变形铝合金主要用作各类型材和结构件，如各式容器、发动机机架、飞机的大梁等；铸造铝合金则主要用作各种轻型铸器、发动机机架、飞机的大梁等；铸造铝合金则主要用作各种轻型铸件，如活塞、气缸盖和气缸体等。件，如活塞、气缸盖和气缸体等。 铜和铜合金铜和铜合金 纯铜又称紫铜。纯铜具有很高的导电性、导热性和耐蚀性，并具纯铜又称紫铜。纯铜具有很高的导电性、导热性和耐蚀性，并具有良好的塑性，但其强度较低，主要用于各种导电材料和配制铜合金。有良好的塑性，但其强度较低，主要用于各种导

26、电材料和配制铜合金。机械制造生产中广泛使用铜合金。按合金成分的不同，铜合金可分为机械制造生产中广泛使用铜合金。按合金成分的不同，铜合金可分为黄铜、白铜和青铜三大类。黄铜、白铜和青铜三大类。 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，主要用于制造散热器、弹黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，主要用于制造散热器、弹簧、垫片、衬套及耐蚀零件等。簧、垫片、衬套及耐蚀零件等。 白铜是以镍为主要合金元素的铜合金，它具有优良的塑性、耐蚀白铜是以镍为主要合金元素的铜合金，它具有优良的塑性、耐蚀性、耐热性和特殊的电性能，是制造精密机械零件和电器元件不可缺性、耐热性和特殊的电性能，是制造精密机械零件和电器元件不可缺少的材料

27、。少的材料。 青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金，如以锡为主要合金元素的青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金，如以锡为主要合金元素的合金称为锡青铜，以铝为主要合金元素的合金称为铝青铜，此外还有合金称为锡青铜，以铝为主要合金元素的合金称为铝青铜，此外还有铅青铜、硅青铜、锰青铜、钛青铜等。青铜主要用于制造轴瓦、蜗轮铅青铜、硅青铜、锰青铜、钛青铜等。青铜主要用于制造轴瓦、蜗轮及耐磨、耐蚀零件等。及耐磨、耐蚀零件等。 四、粉末冶金与硬质合金四、粉末冶金与硬质合金 （一）粉末冶金（一）粉末冶金 将金属粉末（或掺入部分非金属粉末）放在模具内加压成型，并将金属粉末（或掺入部分非金属粉末）放在模具内加压成型，并通过

28、烧结而成为合金制品的生产方法，称为粉末冶金。由粉末冶金法通过烧结而成为合金制品的生产方法，称为粉末冶金。由粉末冶金法制得的材料是粉末冶金材料。制得的材料是粉末冶金材料。 粉末冶金既是制取具有特殊性能金属材料的方法，也是一种精密粉末冶金既是制取具有特殊性能金属材料的方法，也是一种精密的无切屑或少切屑的加工方法。的无切屑或少切屑的加工方法。 粉末冶金材料应用很广。在普通机器制造业中，常用的有减摩材粉末冶金材料应用很广。在普通机器制造业中，常用的有减摩材料、结构材料、摩擦材料及硬质合金等。在其他工业部门中，用以制料、结构材料、摩擦材料及硬质合金等。在其他工业部门中，用以制造难熔金属材料、特殊电磁性能

29、材料、过滤材料等。造难熔金属材料、特殊电磁性能材料、过滤材料等。 （二）硬质合金（二）硬质合金 硬质合金是以难熔的金属碳化物（碳化钨、碳化钛等）为基体，硬质合金是以难熔的金属碳化物（碳化钨、碳化钛等）为基体，以钴、镍等金属作粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金材料。常以钴、镍等金属作粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金材料。常用硬质合金主要有以下三类：用硬质合金主要有以下三类： （）（）YGYG（钨钴）类钨钴）类 由碳化钨和钴组成。由碳化钨和钴组成。YGYG类硬质合金刀具适类硬质合金刀具适宜加工铸铁工件。含钴量越高，强度、韧性也越好，而耐磨性和硬度宜加工铸铁工件。含钴量越高，强度、韧性也越好，

30、而耐磨性和硬度降低。降低。 （）（）YTYT（钨钴钛）类钨钴钛）类 由碳化钨、碳化钛由碳化钨、碳化钛 和钴组成。由于碳和钴组成。由于碳化钛比碳化钨熔点更高，故其热硬性比化钛比碳化钨熔点更高，故其热硬性比YGYG类好，但强度比类好，但强度比YGYG类差。类差。YTYT类硬质合金刀具适宜于加工钢件。类硬质合金刀具适宜于加工钢件。 （）（）YWYW（钨钴钛钽）类钨钴钛钽）类 它是在它是在YTYT类合金中加入部分碳化钽而类合金中加入部分碳化钽而制成的。碳化钽的加入改善了合金的切削性能。制成的。碳化钽的加入改善了合金的切削性能。YWYW类硬质合金刀具既类硬质合金刀具既可加工铸铁，又可加工钢。可加工铸铁，

31、又可加工钢。第三节第三节 钢的热处理钢的热处理 钢的热处理是特钢在固体状态下通过加热、保温和以不同的钢的热处理是特钢在固体状态下通过加热、保温和以不同的方式冷却，来改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方方式冷却，来改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。法。 一、金属及合金的晶体结构一、金属及合金的晶体结构 1 1金属的结晶金属的结晶 纯金属的结晶是在一定的温度下进行的，它的结晶过程可以用纯金属的结晶是在一定的温度下进行的，它的结晶过程可以用图图12-412-4所示的冷却曲线来说明。所示的冷却曲线来说明。 2 2金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 原子在晶体中排列的空间格式

32、称为晶格。常见的晶格有三种，原子在晶体中排列的空间格式称为晶格。常见的晶格有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如图即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如图12-512-5所示。所示。 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。现象，称为金属的同素异晶转变。图图12124 4 纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线 a) a) 理论曲线理论曲线 b) b) 实际曲线实际曲线 图图12-5 12-5 常见金属晶格的类型常见金属晶格的类型 a) a) 体心立方晶格体心立方晶格

33、 b) b) 面心立方晶格面心立方晶格c) c) 密排六方晶格密排六方晶格 液态纯铁在液态纯铁在15381538时结晶成具有体心立方晶格的时结晶成具有体心立方晶格的-Fe-Fe，继续继续冷却到冷却到13941394时，发生同素异晶转变，体心立方晶格的时，发生同素异晶转变，体心立方晶格的-Fe-Fe转变转变为面心立方晶格的为面心立方晶格的-Fe-Fe，再继续冷却到再继续冷却到912912时又发生同素异构转时又发生同素异构转变，面心立方晶格的变，面心立方晶格的-Fe-Fe转变为体心立方晶格的转变为体心立方晶格的-Fe-Fe。若再继续若再继续冷却，晶格的类型不再发生变化。冷却，晶格的类型不再发生变化

34、。 正是由于纯铁能够发生同素异晶转变，生产中才有可能对钢和正是由于纯铁能够发生同素异晶转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行热处理来改变其组织与性能。铸铁进行热处理来改变其组织与性能。 3. 3. 合金的结构合金的结构 合金在固态时的结构一般可分为以下三类：合金在固态时的结构一般可分为以下三类： (1) (1) 化合物化合物 化合物具有与组元原来晶格不同的特殊晶格，其化合物具有与组元原来晶格不同的特殊晶格，其性能与组元的性能也有显著的不同，它的熔点高，硬度高，脆性大。性能与组元的性能也有显著的不同，它的熔点高，硬度高，脆性大。 (2) (2) 固溶体固溶体 固溶体仍保留基本组元固溶体仍保留基本组元

35、 ( (溶剂溶剂) ) 的晶格。固溶体的晶格。固溶体不但有较高的强度和硬度，并且还保持有足够的韧性和塑性。不但有较高的强度和硬度，并且还保持有足够的韧性和塑性。 (3) (3) 机械混合物机械混合物 机械混合物各组元的原子仍保持原来的晶格机械混合物各组元的原子仍保持原来的晶格和性能。和性能。 二、铁碳合金及其状态图二、铁碳合金及其状态图 ( (一一) ) 铁碳合金铁碳合金在铁碳合金中出现以下几种基本组织：在铁碳合金中出现以下几种基本组织： (1) (1) 铁素体铁素体 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中所形成的固溶体称为铁素体，用符中所形成的固溶体称为铁素体，用符号号 F F 表示。碳在表示。碳在-F

36、e-Fe中的溶解度极小。体铁素体的强度、硬度很低，中的溶解度极小。体铁素体的强度、硬度很低，但具有良好的塑性和韧性。但具有良好的塑性和韧性。 (2) (2) 奥氏体奥氏体 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中所形成的固溶体称为奥氏体，用符中所形成的固溶体称为奥氏体，用符号号A A表示。碳在表示。碳在-Fe-Fe中的溶解度比在中的溶解度比在-Fe-Fe中大得多。奥氏体具有良中大得多。奥氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。好的塑性和较低的变形抗力。 (3) (3)渗碳体渗碳体 渗碳体是铁和碳的化合物，分子式为渗碳体是铁和碳的化合物，分子式为 FeFe3 3C C，w w C C 6.696.69。钢中含碳量

37、越高，渗碳体所占比重越大，则其强度、硬度越钢中含碳量越高，渗碳体所占比重越大，则其强度、硬度越高，而塑性、韧性越差。渗碳体在加热到高温的条件下，可以分解成高，而塑性、韧性越差。渗碳体在加热到高温的条件下，可以分解成铁和自由状态的石墨。铁和自由状态的石墨。 (4) (4) 珠光体珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号用符号 P P表示。由于珠光体是硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组表示。由于珠光体是硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物，故其机械性能介于两者之间。珠光体的平均含碳量为成的混合物，故其机械性能介于两者之间。珠光体的平均含

38、碳量为 w w C C0.770.77，它的强度较好，硬度适中它的强度较好，硬度适中 (180 (180HBS)HBS)，并具有一定并具有一定的塑性。的塑性。 (5) (5) 莱氏体莱氏体 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体，奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体，用符号用符号 L Ld d表示。由于奥氏体在表示。由于奥氏体在727727时转变为珠光体，所以时转变为珠光体，所以727727以以下的莱氏体由珠光体和渗碳体所组成，通常称之为低温莱氏体，用下的莱氏体由珠光体和渗碳体所组成，通常称之为低温莱氏体，用符号符号 L Ld d 表示。表示。 莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很

39、差。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。 ( (二二) ) 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是表示在极缓慢冷却铁碳合金状态图是表示在极缓慢冷却 ( (或加热或加热) ) 的情况下，不同的情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度时所具有的组织或状态的图形。成分的铁碳合金在不同温度时所具有的组织或状态的图形。 图图12-612-6是一种经过简化的是一种经过简化的Fe-FeFe-Fe3 3C C状态图。状态图。 1 1Fe- FeFe- Fe3 3C C状态图中点、线的含义状态图中点、线的含义 (1) (1) 特性点特性点 主要特性点的意义、温度及成分见表主要特性点的意义、温度及成

40、分见表12-112-1。 (2) (2) 特性线特性线 特性线是铁碳合金组织发生转变的界线。特性线是铁碳合金组织发生转变的界线。 ACD ACD线线 即液相线。即液相线。 AECFAECF线线 即固相线。即固相线。 GSGS线线 又称又称A A3 3线。线。 ES ES线线 又称又称A Acmcm线。线。 ECFECF线线 称为共晶线。称为共晶线。 PSKPSK线线 称为共析线，又称称为共析线，又称A A1 1线线图图12-6 12-6 简化的简化的Fe-FeFe-Fe3 3C C状态图状态图 点的符号点的符号 温度温度 / / w w C C(%)(%)意义意义 A A 153815380

41、0纯铁熔点纯铁熔点 C C114811484.3 4.3 共晶点共晶点LA+FeLA+Fe3 3C C D D122712276.69 6.69 渗碳体熔点渗碳体熔点 E E114811482.11 2.11 碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度点中的最大溶解度点 G G9129120 0 -Fe-Fe-Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点 S S7277270.77 0.77 共析点共析点AF+ FeAF+ Fe3 3C C 表表12-1 12-1 Fe-FeFe-Fe3 3C C状态图中的主要特性点状态图中的主要特性点 2 2铁碳合金的分类铁碳合金的分类 根据状态图所示含碳量的多少，铁碳合

42、根据状态图所示含碳量的多少，铁碳合金可分为三类：金可分为三类： (1) (1) 工业纯铁工业纯铁 (2) (2) 钢钢 (3) (3) 生铁生铁 三、钢的热处理基本原理三、钢的热处理基本原理 钢的热处理是将钢在固态下通过加热、保温和以不同的方式冷钢的热处理是将钢在固态下通过加热、保温和以不同的方式冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。 1 1钢的加热与保温（见图钢的加热与保温（见图12-612-6） 2 2奥氏体等温冷却转变曲线（见图奥氏体等温冷却转变曲线（见图12-712-7） 3 3奥氏体连续冷却转变（见图奥氏体连

43、续冷却转变（见图12-812-8）图图12-7 12-7 共析钢奥氏体共析钢奥氏体等温转变曲线等温转变曲线 图图12-8 12-8 在共析钢等温转变曲线上估计连续冷却转变产物在共析钢等温转变曲线上估计连续冷却转变产物 四、钢的热处理工艺四、钢的热处理工艺 热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段。热处理工热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段。热处理工艺曲线如图艺曲线如图12-912-9所示。所示。 应用热处理工艺的四种热处理方法：应用热处理工艺的四种热处理方法： 1 1退火退火 2 2正火正火 3 3淬火淬火 4 4回火回火 （1 1）低温回火）低温回火 （2 2）中温回火）中温回

44、火 （3 3）高温回火。）高温回火。图图12-9 12-9 热处理工艺曲线热处理工艺曲线 五、钢的表面热处理五、钢的表面热处理 1. 1. 表面淬火表面淬火 (1) (1) 火焰表面淬火（图火焰表面淬火（图12-1012-10） (2) (2) 感应加热表面淬火（图感应加热表面淬火（图12-1112-11） 2 2钢的化学热处理钢的化学热处理 （1 1）渗碳）渗碳 （2 2）渗氮）渗氮图图12-10 12-10 火焰表面淬火火焰表面淬火 a a淬硬层淬硬层 b b加热层加热层 1 1烧嘴烧嘴2 2喷水管喷水管3 3工件工件 图图12-11 12-11 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 第四节第

45、四节 非金属工程材料非金属工程材料 主要对机械工程中常用的几种非金属材料，如工程塑料、橡胶、主要对机械工程中常用的几种非金属材料，如工程塑料、橡胶、陶瓷及复合材料等，分别作简要介绍。陶瓷及复合材料等，分别作简要介绍。 一、工程塑料一、工程塑料 工程塑料是以合成树脂为主要成分的高分子有机化合物。它具工程塑料是以合成树脂为主要成分的高分子有机化合物。它具有质量轻、摩擦系数小、耐磨、吸震、耐腐蚀、绝缘、可以着色、有质量轻、摩擦系数小、耐磨、吸震、耐腐蚀、绝缘、可以着色、易于加工成型等优点，因此得到广泛的应用。易于加工成型等优点，因此得到广泛的应用。 工程塑料可分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。热固性

46、塑料工程塑料可分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。热固性塑料可在常温或受热后起化学反应，固化成型。再加热时不可能恢复成可在常温或受热后起化学反应，固化成型。再加热时不可能恢复成型前的化学结构，也就是说不可回收再生。热塑性塑料受热后软化、型前的化学结构，也就是说不可回收再生。热塑性塑料受热后软化、熔融，冷却后固化，可以多次反复而化学结构基本不变。熔融，冷却后固化，可以多次反复而化学结构基本不变。 1 1热固性塑料热固性塑料 最常用的热固性塑料是酚醛塑料和氨基塑料。酚醛塑料最常用的热固性塑料是酚醛塑料和氨基塑料。酚醛塑料般为黄般为黄褐色，俗称电木，常用作电器产品的壳体及开关等。氨基塑料一般无褐色，俗

47、称电木，常用作电器产品的壳体及开关等。氨基塑料一般无色透明，并可以着色，俗称电玉，多用作器具及电工器材等。色透明，并可以着色，俗称电玉，多用作器具及电工器材等。 将酚醛树脂液浸泡的布料或纸压制成板料或各种形状的制品，将酚醛树脂液浸泡的布料或纸压制成板料或各种形状的制品，称为层压塑料，俗称胶木。称为层压塑料，俗称胶木。 它可以切削加工，许多齿轮、轴套、垫板及电器都用它制成。它可以切削加工，许多齿轮、轴套、垫板及电器都用它制成。 2 2热塑性塑料热塑性塑料 热塑性塑料的种类很多，常用的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙热塑性塑料的种类很多，常用的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰胺等。烯和聚酰胺等。 聚氯乙烯是应用最广的塑料，分软硬两种。硬聚氯乙烯可代替金聚氯乙烯是应用最广的塑料，分软硬两种。硬聚氯乙烯可代替金属材料制作各种机械零件，它耐酸、耐碱，但耐热性差；软聚氯乙烯属材料制作各种机械零