工程材料和热处理(1)ppt课件

1、第一章第一章 工程资料和热处置工程资料和热处置1.1 概述1.2 金属资料的力学性能1.3 常用的工程资料1.4 钢的热处置1.5 外表精饰1.1 1.1 概述概述工程资料的分类：工程资料的分类：按用途分按用途分构造资料：对力学性能有要求，如耐磨性、硬度构造资料：对力学性能有要求，如耐磨性、硬度功能资料：对物理性能有要求，如导电性、隔热功能资料：对物理性能有要求，如导电性、隔热性等，像电缆、光缆。性等，像电缆、光缆。按分子构造分按分子构造分金属资料金属资料黑色金属：主要成份是铁的资料，如各种炭钢、黑色金属：主要成份是铁的资料，如各种炭钢、铸铁等。铸铁等。有色金属：非铁基的资料，如铜、铝及其合金

2、等。有色金属：非铁基的资料，如铜、铝及其合金等。无机非金属资料：如玻璃，水泥，陶瓷等。无机非金属资料：如玻璃，水泥，陶瓷等。有机资料：如塑料、橡胶等。有机资料：如塑料、橡胶等。前往本章目录前往本章目录1.2 1.2 金属资料的力学性能金属资料的力学性能 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 前往本章目录前往本章目录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 BSPOabfcdehgl低碳钢在静应力条件下的强度计算参数有以下三种：比例极限P：弹性应变区的最大应

3、力，所谓弹性应变区，即这段区域，施加外力N，资料产生从0a的相应变形，此时假设去除外力N，那么资料的相应应变和应力就沿着a o段回到o点，资料中无剩余变形。前往本节目录 BSPOabfcdehgl 屈服极限屈服极限S： 从从a点开场，外力点开场，外力N再添加，那么再添加，那么变化很小，变化很小，而而那么随之增大，这个阶段被称为屈服阶段。那么随之增大，这个阶段被称为屈服阶段。在该阶段去除外力在该阶段去除外力N后，资料的相应应变和应后，资料的相应应变和应力就沿着平行于力就沿着平行于a o的直线恢复如的直线恢复如b点沿点沿be段段回到回到e点，但点，但不能回不能回0，资料中有剩余变形。，资料中有剩余

4、变形。该阶段的最低应力该阶段的最低应力S被称为屈服极限。被称为屈服极限。 前往本节目录前往本节目录 BSPOabfcdehgl 强度极限强度极限B： 资料断裂前的最大应力。自点开场，假设外资料断裂前的最大应力。自点开场，假设外力力N，那么应力，那么应力 ，应变，应变 ，资料最终断，资料最终断裂。裂。 前往本节目录前往本节目录 BSPOabfcdehgl 弹性模量弹性模量E前往本节目前往本节目录录在比例极限范围内，即p ，资料将产生永久变形，此时应变能的大部分将耗费在资料的塑性变形上，并以热的方式散失。资料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。零件的任务才干衡量参数零件的任务才干衡量参数 强度强度前

5、往前往4是零件抵抗外载荷作用的才干。强度缺乏时，零件是零件抵抗外载荷作用的才干。强度缺乏时，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。 载荷和应力载荷和应力 按载荷及其相应应力随时间变化的情况，可分为以下两按载荷及其相应应力随时间变化的情况，可分为以下两类：类： 静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢，如零件的静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢，如零件的重力及其相应应力。重力及其相应应力。 变载荷和变应力：随时间作周期性变化。变应力可由变变载荷和变应力：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。如轴在不变弯矩作用下载荷产生

6、，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周期性变化的弯曲应等速旋转时，轴的横截面内将产生周期性变化的弯曲应力。力。 零件的整体强度零件的整体强度 零件整体抵抗载荷作用的才干称为整体强度。零件整体抵抗载荷作用的才干称为整体强度。 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 零件的外表强度零件的外表强度前往前往4 外表接触强度：两个零件靠接触面进展力传送外表接触强度：两个零件靠接触面进展力传送时，在接触区将产生部分应力，称之为接触应时，在接触区将产生部分应力，称之为接触应力。力。 外表磨损强度：零件的外表现状和尺寸在摩擦外表磨损强度：零件的外表现状和尺

7、寸在摩擦的条件下逐渐改动的过程称为磨损，磨损量超的条件下逐渐改动的过程称为磨损，磨损量超越允许值时零件也会失效。磨损并非全部有害，越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。如跑合、研磨都是有益的磨损。 刚度刚度前往前往6反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的才干。其大小用产生单位变形所需的的才干。其大小用产生单位变形所需的外力或外力矩来表示。外力或外力矩来表示。 静刚度：由静载荷与变形关系所确定的静刚度：由静载荷与变形关系所确定的刚度。刚度。 动刚度：由变载荷与变形关系所确定的动刚度：由变载荷与变形关系所确定的刚度。刚度。 金属资料的静刚

8、度与动刚度数值根本一金属资料的静刚度与动刚度数值根本一样，非金属资料那么经常不同。样，非金属资料那么经常不同。 振动稳定性振动稳定性在变载荷作用下，零件将产活力械振在变载荷作用下，零件将产活力械振动，假设零件的固有频率与载荷的频率动，假设零件的固有频率与载荷的频率一样，那么产生共振。普通情况下，共一样，那么产生共振。普通情况下，共振将使零件丧失任务才干而失效。振将使零件丧失任务才干而失效。1.3 1.3 常用的工程资料常用的工程资料 黑色金属黑色金属 钢材的产生钢材的产生 碳钢：主要元素是铁，其次是碳。碳钢：主要元素是铁，其次是碳。 低碳钢：低碳钢：C含量含量0.60% 普通，含碳量增高，钢材

9、的强度和硬度增高，塑性降普通，含碳量增高，钢材的强度和硬度增高，塑性降低。但含碳量超越低。但含碳量超越1%后，钢材硬度继续加强，强度却后，钢材硬度继续加强，强度却降低。降低。 合金钢：为改善钢材性能，人为参与一些合金元素合金钢：为改善钢材性能，人为参与一些合金元素,如如Mn，Si，P等。等。 低合金钢：合金元素总含量低合金钢：合金元素总含量10% 后续后续钢材的消费流程钢材的消费流程前往前往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

10、、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、拉构成钢坯构成钢坯 铸钢：性能与锻钢相近，刚度、韧性较之灰铸铁好铸钢：性能与锻钢相近，刚度、韧性较之灰铸铁好些，些， 常用于制造接受重载的大型零件。如龙门刨床常用于制造接受重载的大型零件。如龙门刨床机座。机座。 灰铸铁：碳元素以自在形状的片状石墨方式存在，灰铸铁：碳元素以自在形状的片状石墨方式存在，有良好的铸造性能，便于制造现状复杂的零件；减有良好的铸造性能，便于制造现状复杂的零件；减震性良好，但脆性很大，不宜接受冲击载荷。抗压震性良好，但脆性很大，不宜接受冲击载荷。抗压强度高于抗拉强度，故常用来制造在受压形状下任强度高于抗拉强度，故

11、常用来制造在受压形状下任务的零件。务的零件。 球墨铸铁：碳元素以球状石墨方式存在，延展性、球墨铸铁：碳元素以球状石墨方式存在，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，常用于制造需接受冲击载荷的零件。又优于钢，常用于制造需接受冲击载荷的零件。 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。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。铜材有良好的导电性、导热性、耐蚀性和延展性。铜合金在此根底上，在力学性能和物理性能

12、又有所铜合金在此根底上，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：改善。常见铜合金有如下几种： 黄铜：铜锌合金，如黄铜：铜锌合金，如H80。可铸可锻，有良好的机械加工。可铸可锻，有良好的机械加工性能。性能。 青铜：合金元素为锡、铍、铅、硅等镍锌以外的元素，如青铜：合金元素为锡、铍、铅、硅等镍锌以外的元素，如QSn7。 锡青铜锡青铜 铝青铜：强度高，价钱廉价，用来制造需接受重载、耐磨铝青铜：强度高，价钱廉价，用来制造需接受重载、耐磨零件。零件。 铍青铜：良好的弹性元件资料。铍青铜：良好的弹性元件资料。 白铜：铜镍合金，如白铜：铜镍合金，如B30。 铝合金：纯铝材密度小，熔点低，有良好

13、的导热性和导电铝合金：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。参与合金元素后，能大大提高其强性，塑性好，强度低。参与合金元素后，能大大提高其强度，甚至可超越钢材。是广泛运用的航空航天资料。度，甚至可超越钢材。是广泛运用的航空航天资料。 钛合金：轻巧耐蚀，高低温性能都不错，在航空、造船、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运用。因高温时过于活泼，熔炼、化工等方面得到了广泛运用。因高温时过于活泼，熔炼、浇注、焊接及热处置都需求在真空或惰性气体中进展，故浇注、焊接及热处置都需求在真空或惰性气体中进展，故加工本钱高，运用遭到一定限制。加工本钱高，

14、运用遭到一定限制。 非金属资料非金属资料 工程塑料工程塑料以天然树脂或人造树脂为根底，参与填充剂、增塑以天然树脂或人造树脂为根底，参与填充剂、增塑剂、光滑剂等制成的高分子有机物。密度小，质量轻，剂、光滑剂等制成的高分子有机物。密度小，质量轻，耐腐蚀，易加工。可制造现状复杂的零件。耐腐蚀，易加工。可制造现状复杂的零件。 热塑性塑料：如聚酰胺尼龙、有机玻璃等。热塑性塑料：如聚酰胺尼龙、有机玻璃等。 热固性塑料：如酚醛塑料、氨基塑料等。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。送带、电

15、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 复合资料复合资料由两种或两种以上性质不同的金属资料或非金属由两种或两种以上性质不同的金属资料或非金属资料按设计要求进展定向处置或复合而得的资料。资料按设计要求进展定向处置或复合而得的资料。 纤维复合资料纤维复合资料 层迭复合资料层迭复合资料 颗粒复合资料颗粒复合资料 骨架复合资料骨架复合资料 前往本章目录前往本章目录T 温度温度T0t时间时间热处置三阶段：热处置三阶段：加热加热保温保温冷却冷却1.4 1.4 钢的热处置钢的热处置 根本概念根本概念热处置是改善钢材性能的方法之一，它经过热处置是改善钢材性能的方法之一，它经过改动钢材内

16、部的晶体组织构造来实现性能提高。改动钢材内部的晶体组织构造来实现性能提高。 以下图所示为热处置的普经过程。以下图所示为热处置的普经过程。Tmaxt保保温温t冷冷t加加铁碳合金有一个特点：不同温度下合金的组织构造不同，从一样的温度下以不同的速度冷却，构成的晶体构造亦不同。热处置正是利用这一点，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。普通热处置退火方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后随炉冷却。作用：使钢材晶体机构细化、匀化，消除剩余应力。常作加工的辅助工序。正火方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后在空气中冷却。作用：晶体构造更细，硬度强度较退火件好。常

17、作零件加工的最后一道工序。 淬火淬火 方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后在盐水或油中冷却。在盐水或油中冷却。 作用：晶体构造很细，钢材的硬度强度很大，作用：晶体构造很细，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，内部但同时韧性和塑性会比较差。冷却过快，内部晶体构造不匀，有剩余应力。晶体构造不匀，有剩余应力。 回火回火 方法：将淬火后的零件重加热到临界温度以下方法：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构造匀的一个温度，保温一段时间使内部晶体构造匀化，然后到空气或油中冷却。化，然后到空气或油中冷却。 作用：

18、提高资料韧性，常作淬火的后续工序。作用：提高资料韧性，常作淬火的后续工序。 外表热处置外表热处置 目的：改善外表力学性能，如耐磨性、耐腐蚀性目的：改善外表力学性能，如耐磨性、耐腐蚀性等。等。 外表淬火外表淬火 方法：用火焰或电接触方法快速加热外表，然后方法：用火焰或电接触方法快速加热外表，然后立刻快速冷却。立刻快速冷却。 作用：提高外表硬度，坚持内部韧性。作用：提高外表硬度，坚持内部韧性。 化学热处置化学热处置 方法：用化学方法向外表渗入碳、氮等其它元素。方法：用化学方法向外表渗入碳、氮等其它元素。 作用：根据详细要求改动外表性能。如渗碳和渗作用：根据详细要求改动外表性能。如渗碳和渗氮可以提高

19、外表硬度和耐磨性，渗氮还可提高耐氮可以提高外表硬度和耐磨性，渗氮还可提高耐腐蚀性。腐蚀性。 前往本章目录前往本章目录1.5 1.5 外表精饰外表精饰 外表精饰和外表热处置的区别外表精饰和外表热处置的区别目的不同。外表热处置的目的是改善资料的外表硬目的不同。外表热处置的目的是改善资料的外表硬度、耐蚀性等力学物理性能。外表精饰那么是为了防腐度、耐蚀性等力学物理性能。外表精饰那么是为了防腐蚀及美化外观。故，外表精饰常用方法是在资料外表添蚀及美化外观。故，外表精饰常用方法是在资料外表添加一层覆盖物，如镀层金属，生成一层氧化膜或涂上油加一层覆盖物，如镀层金属，生成一层氧化膜或涂上油漆等。漆等。 三种常见

20、的外表精饰方法三种常见的外表精饰方法 电镀电镀 镀铬镀铬:提高耐磨性，添加光洁度提高耐磨性，添加光洁度 镀镉镀镉:提高耐腐蚀性提高耐腐蚀性 镀金或银镀金或银:美化外观美化外观 化学处置化学处置 氧化氧化 磷化磷化 涂漆涂漆 前往本章目录前往本章目录Fe-Fe3C及及Fe-C合金相图描画合金相图描画 热处置的主要工艺过程是加热和冷却。对绝大多数热处置热处置的主要工艺过程是加热和冷却。对绝大多数热处置工艺而言，不论在加热和冷却过程中资料化学成分能否发生工艺而言，不论在加热和冷却过程中资料化学成分能否发生变化，都是经过改动资料的力学性能或物理、化学性能来改变化，都是经过改动资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才干。不论最终获得何善坯料的加工工艺性能或工件的服役才干。不论最终获得何种组织，加热过程中资料的组织都将向平衡或稳定的形状变种组织，加热过程中资料的组织都将向平衡或稳定的形状变化，首先必需熟习资料的化学成分、温度与其平衡组织间的化，首先必需熟习资料的化学成分、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