第一讲、钢的性能及热处理

1、2.3 机械工程材料及钢的热处理机械工程材料及钢的热处理n金属材料的机械性能及工艺性能n金属材料的热处理及零件表面处理n常用金属材料n常用非金属材料n选用材料的一般原则金属材料的机械性能及工艺性能金属材料的机械性能及工艺性能n金属材料的机械性能 金属材料的机械性能主要是指在外力作用下表现出来的特性。 如：强度、刚度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。强度n强度：是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度极限 和屈服极限 是表征强度的主要性能指标。 屈服极限是材料发生塑性变型时的应力； 强度极限是材料发生断裂时的应力。bs刚度n刚度：是指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

2、变的比值E为常数，称为弹性模量； 弹性模量E是表征材料刚度的主要性能指标。塑性n塑性：是指在外力作用下，金属产生塑性变型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：n延伸率：n收缩率：%1001lll%1001AAA硬度n硬度：材料抵抗压入物压陷的能力，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：HRC和HBC。韧性和疲劳强度n材料抵抗冲击载荷和变载荷的能力。 韧性：在冲击载荷作用下，材料抵抗破坏的能力。 疲劳强度：金属材料受到交变载荷作用时会产生交变应力，即使其应力未超过屈服极限，但当应力循环次数增加到某一数值

3、N后，材料也会发生断裂，这种现象，叫金属的疲劳。疲劳曲线n材料承受交变或重复应力与其断裂前的应力循环次数N之间的关系曲线，称为疲劳曲线。循环次数N应力107金属材料的工艺性能n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。n金属材料常用的加工工艺方法：铸造、压力加工、焊接、切削加工等。各种工艺方法对材料提出的要求各种工艺方法对材料提出的要求n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。n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

4、。 低碳钢的锻造性好，铸铁没有锻造性。n焊接性：是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条间下，能否获得良好焊缝的性能。 低碳钢的焊接性能好，铸铁的焊接性能差。n切削加工性：是指对材料进行切削加工的难易程度。 灰口铸铁具有良好的切削加工性。金属材料的热处理与零件的表面处理金属材料的热处理与零件的表面处理n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。n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。n钢的热处理可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。热处理方法：n1、退火：将钢件加热到临界温

5、度以上2030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。n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。n2、正火：将钢件加热到临界温度以上3050度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却。n目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高。n3、淬火和回火n淬火是将工件加热到临界温度以上3050度，保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。n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。n回火：将淬火后的工件加热到临界温度

6、以下，保温一定时间后在空气或水或油中冷却。n目的：硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。n调质：淬火高温回火，可以使钢材获得良好的综合机械性能。表面化学热处理n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。 渗碳n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850950，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

7、耐磨性。氮化n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500620，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、耐腐蚀性能及耐热性。 金属零件的表面处理n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。电镀n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。n分为：镀铬 、镀镍 、镀锌 化学处理n金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。n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；n磷化是在金属

8、表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。 常用金属材料n铸铁n碳素钢n合金钢n有色金属材料常用金属材料n1、铸铁：铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。 n性能：具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且价格低廉，生产设备简单。因此，它是应用最多的一种金属材料。 n分类：（1）灰口铸铁；（2）可锻铸铁； （3）球墨铸铁；（4）合金铸铁碳素钢n通常把含碳量在0.02%2.11%之间的铁碳合金称为钢（碳素钢）。 n碳素钢可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件，但锻件的形状一般比铸件简单。n分类 （1）普通碳素结构钢：Q195、Q215等 （2）优质碳素结构钢：30、45

9、号钢等 （3）碳素铸钢：ZG310570等 （4）碳素工具钢；T10等合金钢n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。 n合金元素的种类：铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、硅（Si）、硼（B）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、锆（Zr）和稀土元素（Re）等。 n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。 合金钢分类n合金钢按用途来分一般可分为三大类：合金结构钢：调质钢、弹簧钢、轴承钢 合金工具钢：刃具钢、磨具钢、量具钢 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢等。有色金属材料 n与钢、铁相

10、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；铜、铝及其合金导电性好；镍、钼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。有色金属及其合金种类繁多。常用非金属材料n工程塑料：聚酰胺、尼龙、等。n工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等。n复合材料：玻璃纤维树脂基复合材料、 层合复合材料。选择材料的一般原则n1、使用性原则 若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又有所限制时，则应选用强度较高的材料；若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料（如调质钢、渗碳钢等）；在滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。 n2、工艺性原则 用金属制造零件的方法基本上有四种：铸造、压力加工（锻造、冲压）、焊接和机械切削加工（车、铣、刨、磨