第二章工程材料和热处理

1、Xian Jiaotong University第二章 机械零件的工作能力与材料选用Xian Jiaotong Universityv精密机械中应用的材料分类精密机械中应用的材料分类按用途可分为按用途可分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料两大类。两大类。 结构材料是要求强度、硬度、耐磨性等力学性能的材料。结构材料是要求强度、硬度、耐磨性等力学性能的材料。 功能材料是具有电光声热磁等功能和效应的材料。功能材料是具有电光声热磁等功能和效应的材料。按材料本身的特点和性质，可分为按材料本身的特点和性质，可分为金属材料金属材料、无机无机非金属材料非金属材料和和有机材料有机材料三大类。三大类。 金属材

2、料又分为黑色金属材料（碳钢、铸铁、合金钢）金属材料又分为黑色金属材料（碳钢、铸铁、合金钢）和有色金属材料；是传统机械零件用材料。和有色金属材料；是传统机械零件用材料。 无机非金属材料是指金属和有机物之外的几乎所有材无机非金属材料是指金属和有机物之外的几乎所有材料，如陶瓷、玻璃、水泥等。料，如陶瓷、玻璃、水泥等。 有机材料包括塑料、橡胶和合成纤维等，这类材料具有有机材料包括塑料、橡胶和合成纤维等，这类材料具有较高的强度，良好的塑性，耐腐蚀，绝缘性好等优点。较高的强度，良好的塑性，耐腐蚀，绝缘性好等优点。Xian Jiaotong University第一节 机械零件的工作能力和计算一、机械零件的

3、工作能力一、机械零件的工作能力 失效：机械零件在工作中丧失规定功能的情况。失效：机械零件在工作中丧失规定功能的情况。 机械零件的失效形式主要有机械零件的失效形式主要有断裂、过大的弹性变断裂、过大的弹性变形、塑性变形、表面磨损形、塑性变形、表面磨损等。等。 零件的工作能力：机械零件在规定的工作条件和零件的工作能力：机械零件在规定的工作条件和预期寿命内不发生失效的极限工作指标。预期寿命内不发生失效的极限工作指标。Xian Jiaotong University二、机械零件的计算准则二、机械零件的计算准则v 衡量零件工作能力的指标称为零件的工作能力衡量零件工作能力的指标称为零件的工作能力准则，它们是

4、计算并确定零件基本尺寸的主要依准则，它们是计算并确定零件基本尺寸的主要依据，所以又称为据，所以又称为机械零件的计算准则机械零件的计算准则。v 机械零件的计算准则主要有机械零件的计算准则主要有强度准则、刚度准强度准则、刚度准则、耐磨性准则和振动稳定性准则则、耐磨性准则和振动稳定性准则。v 在设计机械零件时，要根据其主要失效形式采在设计机械零件时，要根据其主要失效形式采用相应的计算准则。用相应的计算准则。Xian Jiaotong University1. 1. 强度准则强度准则 强度是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足强度是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足时，零件会发生塑性变形或断裂。时，零件

5、会发生塑性变形或断裂。强度准则就是强度准则就是指零件中的工作应力不得超过允许的限度指零件中的工作应力不得超过允许的限度。 安全系数应力，材料的许用应力和极限，零件的工作应力，式中；SMPaMPa Slimlim S234b222eq22eq22eq脆性材料：；塑性材料：复杂应力状态：Xian Jiaotong University2. 2. 刚度准则刚度准则 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度的刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度的大小用产生单位变形所需要的外力或外力矩来表示。大小用产生单位变形所需要的外力或外力矩来表示。 由静载荷与变形关系所确定的刚度称为静刚度；由

6、变载荷由静载荷与变形关系所确定的刚度称为静刚度；由变载荷与变形关系所确定的刚度称为动刚度。与变形关系所确定的刚度称为动刚度。 零件刚度的大小与材料的弹性模量、零件的截面形状和几零件刚度的大小与材料的弹性模量、零件的截面形状和几何尺寸有关，而与材料的强度极限无关。何尺寸有关，而与材料的强度极限无关。 刚度准则是指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过刚度准则是指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过机械正常工作所允许的零件变形值，机械正常工作所允许的零件变形值，表达式为：表达式为： 材料广义许用变形量。偏转角或扭转角）。变形量（挠度，零件工作时广义的弹性式中yyyy Xian Jiaotong

7、University3.3.耐磨性准则耐磨性准则 零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为磨损。耐磨性是指相对运动零件的工作表面抵抗磨损的称为磨损。耐磨性是指相对运动零件的工作表面抵抗磨损的能力。能力。 磨损会降低零件的强度，增大接触面间的摩擦，降低传磨损会降低零件的强度，增大接触面间的摩擦，降低传动效率和零件的工作精度。动效率和零件的工作精度。 由于影响磨损的因素很多，如载荷大小和性质，相对滑由于影响磨损的因素很多，如载荷大小和性质，相对滑动速度、润滑和冷却条件等，所以很难建立起统一的耐磨性动速度、润滑和冷却条件等，所以很难建立起统

8、一的耐磨性设计计算准则。通常根据摩擦表面的压强设计计算准则。通常根据摩擦表面的压强p p和与摩擦功成正和与摩擦功成正比的比的pvpv值，近似地判断零件的抗磨损：值，近似地判断零件的抗磨损： 值。许用）；许用压强（；度接触表面的相对滑移速式中pvpvmmNpvpvpvpp2/(m/s) Xian Jiaotong University4. 4. 振动稳定性准则振动稳定性准则 在周期性变载荷作用下，零件将产生机械振在周期性变载荷作用下，零件将产生机械振动。振动稳定性准则就是零件在工作时不发生超过动。振动稳定性准则就是零件在工作时不发生超过容许振动的能力。在设计时主要考虑机器中承受激容许振动的能力。

9、在设计时主要考虑机器中承受激振作用的零件其固有频率与激振源频率错开。设计振作用的零件其固有频率与激振源频率错开。设计准则一般表达为：准则一般表达为： 当设计的零件不满足上述条件时，需要采取措当设计的零件不满足上述条件时，需要采取措施改变零件的固有频率，或者采取隔振措施。施改变零件的固有频率，或者采取隔振措施。激振源的频率。零件的固有频率；式中或pppffffff 1.150.85Xian Jiaotong University第二节 机械零件的疲劳强度 零件的强度计算分为零件的强度计算分为静强度静强度计算和计算和疲劳强度疲劳强度计计算。算。1. 1. 载荷和应力的分类载荷和应力的分类l名义载荷

10、与计算载荷名义载荷与计算载荷名义载荷名义载荷：在稳定和理想的工作条件下，作用在零：在稳定和理想的工作条件下，作用在零件上的载荷。件上的载荷。计算载荷计算载荷：为了提高零件的工作可靠性，必须要考：为了提高零件的工作可靠性，必须要考虑零件变形、工作阻力变动、工作状态不稳定等因虑零件变形、工作阻力变动、工作状态不稳定等因素。对名义载荷进行一系列系数修正，作为设计计素。对名义载荷进行一系列系数修正，作为设计计算时的零件载荷，称为计算载荷。算时的零件载荷，称为计算载荷。Xian Jiaotong Universityl 静载荷（静应力）与动载荷（变应力）静载荷（静应力）与动载荷（变应力） 作用在零件上的

11、载荷和相应的应力，按其随时间的变作用在零件上的载荷和相应的应力，按其随时间的变化，可以分为两类：化，可以分为两类：静载荷和静应力静载荷和静应力：不随时间变化或变：不随时间变化或变化缓慢的载荷和应力。化缓慢的载荷和应力。如零件的重力及其相应的应力。如零件的重力及其相应的应力。变载荷和变应力变载荷和变应力：随时：随时间间变化变化的载荷和应力。的载荷和应力。确定性载荷：非确定性载荷：Xian Jiaotong University 应力作周期性变化时，一个周期所对应的应力变应力作周期性变化时，一个周期所对应的应力变化称为化称为应力循环应力循环。maxminminmaxminmax22ram循环特性最

12、小应力最大应力应力幅度平均应力定义：ramminmaxr =-1 r =-1 对称循环对称循环rr-1 -1 非对称循环非对称循环r = 0 r = 0 脉动循环脉动循环Xian Jiaotong University2. 2. 疲劳曲线疲劳曲线v 在变应力作用下，零件的失效形式是在变应力作用下，零件的失效形式是疲劳断裂。疲劳断裂。v 断裂过程分为两个阶段：断裂过程分为两个阶段：零件材料表面产生初零件材料表面产生初始裂纹；始裂纹；在变应力持续作用下裂纹扩展导致断在变应力持续作用下裂纹扩展导致断裂。裂。v 疲劳破坏具有损伤累计的特征，不仅与交变应力疲劳破坏具有损伤累计的特征，不仅与交变应力的大小

13、有关，也与应力循环的次数有关。的大小有关，也与应力循环的次数有关。v 实际上，由于材料具有晶界夹渣、微孔以及机械实际上，由于材料具有晶界夹渣、微孔以及机械加工造成的表面划伤、裂纹等缺陷，材料的疲劳加工造成的表面划伤、裂纹等缺陷，材料的疲劳断裂往往只表现在第二阶段。断裂往往只表现在第二阶段。v 零件上的圆角、凹槽、缺口等造成的应力集中，零件上的圆角、凹槽、缺口等造成的应力集中，也会促使零件表面裂纹的生成和扩展。也会促使零件表面裂纹的生成和扩展。Xian Jiaotong University在一定的应力循环特征（应力比）在一定的应力循环特征（应力比）r下，材料达到疲下，材料达到疲劳破坏时的应力为

14、劳破坏时的应力为疲劳极限应力疲劳极限应力。表示应力循环次。表示应力循环次数数N与疲劳极限与疲劳极限之间关系的曲线称为之间关系的曲线称为疲劳曲线疲劳曲线。材料的疲劳曲线是标准试件经过材料的疲劳曲线是标准试件经过试验获得的。疲劳曲线分为有限试验获得的。疲劳曲线分为有限寿命区和无限寿命区。无限寿命寿命区和无限寿命区。无限寿命区中的疲劳曲线呈水平状，表明区中的疲劳曲线呈水平状，表明当零件所受应力小于某个值时，当零件所受应力小于某个值时，无论应力循环多少次，材料也不无论应力循环多少次，材料也不会发生疲劳断裂。通常规定一个会发生疲劳断裂。通常规定一个循环次数循环次数N0作为无限寿命的起始作为无限寿命的起始

15、点，称为循环基数；此点对应的点，称为循环基数；此点对应的疲劳极限值为疲劳极限值为r。材料的疲劳曲线所谓无限寿命，是指零件承受的变应力低于疲劳极限所谓无限寿命，是指零件承受的变应力低于疲劳极限r 时，工作应力总时，工作应力总循环次数可以大于循环次数可以大于N0，但并不意味着零件永远不会失效。，但并不意味着零件永远不会失效。Xian Jiaotong University材料的疲劳曲线在有限寿命区，疲劳极限将随循环次数在有限寿命区，疲劳极限将随循环次数N的增大而减小，其关系式为：的增大而减小，其关系式为：式中式中C为常数，为常数，m是材料常数，其值由是材料常数，其值由试验来确定。根据试验来确定。根

16、据 r 和和N0可以求出有限可以求出有限寿命区对于循环次数寿命区对于循环次数N的疲劳极限值：的疲劳极限值：CNNmrmrN0NrmrrNKNN0寿命系数： NK有些材料的疲劳曲线没有水平有些材料的疲劳曲线没有水平部分，有色金属及某些高硬度部分，有色金属及某些高硬度合金金的疲劳曲线多属于这一合金金的疲劳曲线多属于这一类。类。Xian Jiaotong Universityv稳定循环变应力下的疲劳强度稳定循环变应力下的疲劳强度SSSSmakrmakr;r材料弯曲疲劳极限应力r材料扭转疲劳极限应力k 、k零件有效应力集中系数 、零件的尺寸系数 、 平均应力折算为应力幅的等效系数零件表面质量系数sma

17、ssssmasssSSSSmaxmax;塑性材料 SSSSSS22弯扭复合应力Xian Jiaotong Universityv不稳定循环变应力下的疲劳强度不稳定循环变应力下的疲劳强度rmkiimimriminNNN1001SnNkkSmkiimirvr101当量应力： v在N0次循环下造成的损伤等同于i在ni次循环下损伤之和。mkiimivnN101 r rXian Jiaotong University4. 4. 提高零件疲劳强度的措施：提高零件疲劳强度的措施：（1 1）应用屈服极限高和细晶粒组织材料；）应用屈服极限高和细晶粒组织材料；（2 2）零件截面形状变化尽量平缓，减小应力集中；）零

18、件截面形状变化尽量平缓，减小应力集中；（3 3）改善零件表面质量，如减小表面粗糙度，进行）改善零件表面质量，如减小表面粗糙度，进行表面喷丸、表面碾压等表面强化处理；表面喷丸、表面碾压等表面强化处理；（4 4）减小材料的冶金缺陷，如采用真空冶炼，使非）减小材料的冶金缺陷，如采用真空冶炼，使非金属夹杂物减少。金属夹杂物减少。Xian Jiaotong University第三节 机械零件的表面强度 在机械运动中，经常会遇见两个零件相互接触以传递压力在机械运动中，经常会遇见两个零件相互接触以传递压力的情形，如机械接触式测量中测头与被测工件表面之间的作的情形，如机械接触式测量中测头与被测工件表面之间的

19、作用。涉及到研究零件的表面强度问题。用。涉及到研究零件的表面强度问题。1. 1. 表面接触强度表面接触强度 两个零件在加载前呈点或线接两个零件在加载前呈点或线接触。在压力触。在压力F F的作用下，材料发生的作用下，材料发生弹性变形，接触区域变成一个宽弹性变形，接触区域变成一个宽度为度为2a2a的矩形。两个零件在接触的矩形。两个零件在接触区域产生的局部应力称为区域产生的局部应力称为接触应接触应力（力（Hertz StressHertz Stress）。应力分布应力分布呈半椭圆柱形，最大应力在中线呈半椭圆柱形，最大应力在中线处。处。LXian Jiaotong University线接触条件下的零

20、件表面接触应力计线接触条件下的零件表面接触应力计算（算（Hertz公式）：公式）：222121211111EELFH。料，：两零件材料的弹性材、；：两零件材料的泊松比、的曲率半径，：两零件初始接触线处、：接触长度，力，作用于接触面上的总压MPa:212121EEmmmmLmmFXian Jiaotong University 在循环接触应力作用下，接触表面会产生疲劳裂在循环接触应力作用下，接触表面会产生疲劳裂纹，裂纹扩展会导致表层小块金属剥落，这种失效纹，裂纹扩展会导致表层小块金属剥落，这种失效形式称为疲劳点蚀。点蚀将使零件表面失去正确的形式称为疲劳点蚀。点蚀将使零件表面失去正确的形状，降低工

21、作精度，引起附加载荷，产生噪声和形状，降低工作精度，引起附加载荷，产生噪声和振动，降低零件使用寿命。振动，降低零件使用寿命。裂纹裂纹点蚀点蚀Xian Jiaotong University2. 2. 表面磨损强度表面磨损强度 零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为的过程称为磨损磨损。当磨损量超过允许值时，即产。当磨损量超过允许值时，即产生失效。引起磨损的原因，生失效。引起磨损的原因，一种是由于硬质微粒一种是由于硬质微粒落入两接触表面间引起，另一种是两接触表面在落入两接触表面间引起，另一种是两接触表面在相对运动中相互刮削作用而引起的。相对运

22、动中相互刮削作用而引起的。Xian Jiaotong University从零件开始工作到磨损量从零件开始工作到磨损量超过超过允许值而失效的整个工作期间，允许值而失效的整个工作期间，可以分为三个阶段：可以分为三个阶段：跑合磨损跑合磨损稳定磨损稳定磨损强烈磨损强烈磨损跑合磨损：机械加工后在零件上存跑合磨损：机械加工后在零件上存在有表面粗糙度、轴或孔存在的椭在有表面粗糙度、轴或孔存在的椭圆度与不直度等。零件间的实际接圆度与不直度等。零件间的实际接触面积小，单位面积上载荷大，磨触面积小，单位面积上载荷大，磨损较强烈。损较强烈。稳定磨损：跑合结束后零件磨损速稳定磨损：跑合结束后零件磨损速度随之减缓并趋

23、于稳定，是零件的度随之减缓并趋于稳定，是零件的正常工作阶段。正常工作阶段。强烈磨损：接触表面磨损量超出了强烈磨损：接触表面磨损量超出了允许的数值，零件间隙增大，工作允许的数值，零件间隙增大，工作中出现冲击、运动精度降低等现象，中出现冲击、运动精度降低等现象，零件失效。零件失效。很多厂家在机器出厂以前，很多厂家在机器出厂以前，有意进行预先跑合，使零件有意进行预先跑合，使零件进入稳定磨损阶段，然后再进入稳定磨损阶段，然后再装配调节交付使用。装配调节交付使用。Xian Jiaotong University第四节 常用的工程材料 精密机械中常用的机械材料有黑色金属、有色精密机械中常用的机械材料有黑色

24、金属、有色金属、非金属材料和复合材料等。金属、非金属材料和复合材料等。一、黑色金属一、黑色金属 黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金。黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金。1. 1. 碳钢与合金钢碳钢与合金钢 碳钢也叫碳素钢，指含碳量小于碳钢也叫碳素钢，指含碳量小于2.11%2.11%的铁碳合金。按其的铁碳合金。按其用途分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构碳钢三类；用途分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构碳钢三类；按其含碳量的不同，分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。按其含碳量的不同，分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。 高碳钢羊角锤高碳钢羊角锤低碳钢暖气片低碳钢暖气片中碳钢螺母中碳钢螺母Xian Jiaoton

25、g University合金钢是冶炼时人为地在钢中加入一些合金元素，合金钢是冶炼时人为地在钢中加入一些合金元素，如如MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb、ZrZr、RERE等，以提高钢的力学性能、工艺性能或物理性能、等，以提高钢的力学性能、工艺性能或物理性能、化学性能。根据加入合金元素总量的不同，合金钢化学性能。根据加入合金元素总量的不同，合金钢可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。Xian Jiaotong University碳钢的价格低廉、便于获得，容易加工。碳钢的价格低廉、便于获得，容易加工。碳钢通过含碳

26、量的增减和不同的热处理工艺改善性碳钢通过含碳量的增减和不同的热处理工艺改善性能，对于受力不大，基本上承受静载荷的零件，均能，对于受力不大，基本上承受静载荷的零件，均可选用碳素结构钢；当零件受力较大，承受变应力可选用碳素结构钢；当零件受力较大，承受变应力或冲击载荷时，可选用优质碳素结构钢。或冲击载荷时，可选用优质碳素结构钢。当零件受力较大，承受变应力，工作状况复杂，热当零件受力较大，承受变应力，工作状况复杂，热处理要求高时，可选用合金钢。处理要求高时，可选用合金钢。Xian Jiaotong University2. 2. 铸钢铸钢 铸钢是铸造工艺用钢，与锻钢的力学性能大体相铸钢是铸造工艺用钢，

27、与锻钢的力学性能大体相近。主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零近。主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。件。Xian Jiaotong University3. 3. 灰铸铁灰铸铁 灰铸铁中的碳大部分以自由状态的片状石墨存灰铸铁中的碳大部分以自由状态的片状石墨存在，断口呈现灰色。灰铸铁成本低，铸造性好，可在，断口呈现灰色。灰铸铁成本低，铸造性好，可制成形状复杂的零件，且具有良好的减振性能。灰制成形状复杂的零件，且具有良好的减振性能。灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度，适于制造受压状态铸铁的抗压强度高于抗拉强度，适于制造受压状态的零部件。但其脆性较大，不宜承受冲击载荷。的零部件。但其脆性较大，不

28、宜承受冲击载荷。Xian Jiaotong University4. 4. 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁中的碳以球状石墨的形式存在，具有较球墨铸铁中的碳以球状石墨的形式存在，具有较高的延展性和耐磨性。其强度比灰铸铁高，接近于高的延展性和耐磨性。其强度比灰铸铁高，接近于碳素结构钢，而减振性优于钢，因此多用于制造受碳素结构钢，而减振性优于钢，因此多用于制造受冲击载荷的零件。冲击载荷的零件。Xian Jiaotong University二、有色金属二、有色金属 黑色金属以外的金属统称有色金属，是铁和铁黑色金属以外的金属统称有色金属，是铁和铁基合金以外金属的泛称。基合金以外金属的泛称。 有色金属及其合

29、金具有很多优良的特性，在精有色金属及其合金具有很多优良的特性，在精密机械中多用作减摩、耐蚀、耐热、耐磨或装饰材密机械中多用作减摩、耐蚀、耐热、耐磨或装饰材料。料。 Xian Jiaotong University1. 1. 铜合金铜合金 铜具有良好的导电、导热、耐蚀和延展性。铜具有良好的导电、导热、耐蚀和延展性。 黄铜是铜与锌的合金，可铸造也可以锻造，有良黄铜是铜与锌的合金，可铸造也可以锻造，有良好的机械加工性能。常被用于制造阀门、水管、空好的机械加工性能。常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。调内外机连接管和散热器等。 青铜是铜与锡或铝、锰、铍等元素的合金。青铜是铜与锡或铝、锰

30、、铍等元素的合金。 锡含量小于锡含量小于8%8%的锡青铜适合于锻造，锡含量超过的锡青铜适合于锻造，锡含量超过10%10%的锡青铜适合于铸造。的锡青铜适合于铸造。 铝青铜的强度较高且价格便宜，可用来制造承受铝青铜的强度较高且价格便宜，可用来制造承受重载、耐磨的零件。重载、耐磨的零件。 铍青铜具有很高的弹性极限和疲劳极限，常用来铍青铜具有很高的弹性极限和疲劳极限，常用来制造精密弹性元器件。制造精密弹性元器件。Xian Jiaotong University铍青铜弹簧拨片铍青铜弹簧拨片黄铜阀门黄铜阀门锡青铜阀门锡青铜阀门镍黄铜镍黄铜钱币钱币Xian Jiaotong University2. 2.

31、铝合金铝合金 铝的密度约为钢的铝的密度约为钢的1/31/3，熔点低，导热导电性良，熔点低，导热导电性良好。铝具有很高的塑性，易于加工，耐腐蚀。好。铝具有很高的塑性，易于加工，耐腐蚀。 纯铝的强度较低，不适合做结构件；但加入合纯铝的强度较低，不适合做结构件；但加入合金元素后强度得到大幅改善，同时还能保持铝材轻金元素后强度得到大幅改善，同时还能保持铝材轻质的优点。质的优点。 铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类；按化学成分可分为铝硅合金，铝铜铝合金两大类；按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金等。合金，铝镁合金，铝

32、锌合金和铝稀土合金等。 铝合金广泛应用于民用家居、运输机械、动力铝合金广泛应用于民用家居、运输机械、动力机械及航空工业等方面，在工业界仅次于钢的用机械及航空工业等方面，在工业界仅次于钢的用量。量。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University3. 3. 钛合金钛合金钛和钛合金的密度小，高低温性能、耐蚀性优异。钛和钛合金的密度小，高低温性能、耐蚀性优异。在航空航天、医疗康复等要求较高的场合。在航空航天、医疗康复等要求较高的场合。Xian Jiaotong University三、非金属材料三、非金属材料非金属材料是非金属元素或化合物构成的材料。工

33、非金属材料是非金属元素或化合物构成的材料。工程上常用的有工程塑料、橡胶、陶瓷、岩石、人工程上常用的有工程塑料、橡胶、陶瓷、岩石、人工合成矿物质等。这些材料一般具有特殊的性能，在合成矿物质等。这些材料一般具有特殊的性能，在精密机械中发挥重要的作用。精密机械中发挥重要的作用。大理石精密检测平台大理石精密检测平台工程塑料仪器外壳工程塑料仪器外壳Xian Jiaotong University第五节 钢的热处理 钢的热处理是通过加热、保温、冷却的操作方钢的热处理是通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺方法。一种工艺方

34、法。 热处理一般不改变零件的形状和尺寸，也不改热处理一般不改变零件的形状和尺寸，也不改变材料的主要化学成分，但其材料内部微观组织结变材料的主要化学成分，但其材料内部微观组织结构却发生了质的变化。构却发生了质的变化。 热处理工艺在精密机械中广泛采用，测量仪器热处理工艺在精密机械中广泛采用，测量仪器机构中的重要传动零部件和量具等，都要经过热处机构中的重要传动零部件和量具等，都要经过热处理后才能使用。理后才能使用。Xian Jiaotong University1. 1. 热处理的分类热处理的分类根据加热冷却方式分：根据加热冷却方式分：热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火

35、;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳; 渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;Xian Jiaotong University2. 2. 钢的组织结构钢的组织结构 固态金属及合金都是晶体，其内部原子按一定固态金属及合金都是晶体，其内部原子按一定规律排列，排列方式一般有三种：体心立方结构，规律排列，排列方式一般有三种：体心立方结构，面心立方结构，密排六方结构。面心立方结构，密排六方结构。 金属是由多晶体组成，纯铁具有金属是由多晶体组成，纯铁具有两种晶格结构：两种晶格结构：910910以下为具有以下为具有体心立方晶

36、格结构的体心立方晶格结构的-Fe，910910以上具有面心立方晶格结构的以上具有面心立方晶格结构的Y-Y-FeFe。Xian Jiaotong University 合金中具有同一化学成分、同一晶体结构，并合金中具有同一化学成分、同一晶体结构，并以界面相互分开的各个均匀组成部分称为以界面相互分开的各个均匀组成部分称为“相相”。 相图通常又叫状相图通常又叫状态图或平衡图，态图或平衡图，用来表示平衡状用来表示平衡状态（极其缓慢加态（极其缓慢加热或冷却条件热或冷却条件下）合金成分、下）合金成分、温度和相之间的温度和相之间的关系。相图是选关系。相图是选择材料、制订工择材料、制订工艺的重要依据。艺的重要

37、依据。铁碳合金相图铁碳合金相图Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University铁碳合金的相与基本组织铁碳合金的相与基本组织铁素体（铁素体（F F）：C C溶于溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体奥氏体（奥氏体（A A）：C C溶于溶于Y-FeY-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体 渗碳体（渗碳体（FeCFeC）：FeFe和和C C形成的金属化合物形成的金属化合物珠光体（珠光体（P P）：铁素体和渗碳体形成的化合物铁素体和渗碳体形成的化合物 铁素体基体灰口铁铁素体基体灰口铁 45钢：钢：正火正火 铁素体铁素体+珠光体珠

38、光体铁素体基体球墨铸铁铁素体基体球墨铸铁渗碳体渗碳体Xian Jiaotong University3. 3. 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺一般零件生产的工艺路线为：一般零件生产的工艺路线为： 毛坯生产毛坯生产预备热处理预备热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理机械精加工机械精加工 预备热处理预备热处理：退火；正火，调质退火；正火，调质 最终热处理最终热处理：淬火；回火淬火；回火齿轮的加工工艺：齿轮的加工工艺：下料下料 锻造锻造 正火正火 粗机加粗机加工工 渗碳渗碳（930930） 淬火淬火（830830）低温回火低温回火（200200）精机加工精机加工成品成品Xian Jiaot

39、ong University热处理设备热处理设备Xian Jiaotong University钢的退火定义定义：把零件加温到临界温度以上把零件加温到临界温度以上30305050，保温保温一段时间一段时间，然然后随炉冷却。后随炉冷却。（临界温度：钢临界温度：钢内组织转变的温度）内组织转变的温度）目的目的: : 消除应力，防止钢件变形，开裂消除应力，防止钢件变形，开裂； 降降低硬度低硬度，以便进行切削加工；，以便进行切削加工；细化晶粒，细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能改善组织以提高钢的机械性能；为最终热为最终热处理处理（淬火，回火）作好组织准备。（淬火，回火）作好组织准备。 种类：在生产中，

40、退火工艺应用很广泛。根据工件种类：在生产中，退火工艺应用很广泛。根据工件要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多种，常用的有完全退火、球化退火和去应力种，常用的有完全退火、球化退火和去应力退火等。退火等。Xian Jiaotong University钢的正火定义：把零件加温到临界温度以上定义：把零件加温到临界温度以上30305050，保温，保温一段时间一段时间, ,然后在空气中冷却。然后在空气中冷却。 目的目的：消除应力；调整硬度；：消除应力；调整硬度；细化晶细化晶粒粒；均匀成均匀成分分；为最终热处理为最终热处理；作好组织准备。；作好组织准备。 退火与正火

41、目的基本相同，但正火的冷却速度退火与正火目的基本相同，但正火的冷却速度（空冷）比退火的冷却速度（随炉冷）稍快，故正（空冷）比退火的冷却速度（随炉冷）稍快，故正火后的组织比较细，它的强度、硬度比退火稍高。火后的组织比较细，它的强度、硬度比退火稍高。Xian Jiaotong University钢的淬火定义定义：把零件加温到临界温度以上把零件加温到临界温度以上30 30 50, 50,保温保温一段时间一段时间, ,然后快速冷却然后快速冷却 。目的目的：获得马氏体组织，提高：获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性钢的硬度和耐磨性。淬火冷却介质：水，盐水（淬火冷却介质：水，盐水（5%-15%5%-15

42、%），淬火油等。），淬火油等。 盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变但却易使工件变形严重形严重，甚至发生开裂，甚至发生开裂。 马氏体：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却马氏体：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。其比（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。其比容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。形开裂的主要原因。Xian

43、 Jiaotong University钢的回火定义：把定义：把淬火后的零件重新加温到临界点以下的回淬火后的零件重新加温到临界点以下的回火温度火温度，保温一段时间保温一段时间，然后冷却到室温，然后冷却到室温。目的目的：消除淬火应力，：消除淬火应力，降低脆性降低脆性；稳定工件尺寸稳定工件尺寸；调整淬火零件的力调整淬火零件的力学性能。学性能。低温回火：低温回火：150-250150-250C C；HRC45HRC45，处理高硬度和高，处理高硬度和高耐磨性工件。耐磨性工件。中温回火：中温回火：350-500350-500C C；30HRC4530HRC45，主要用于各种，主要用于各种弹簧，锻模等。弹

44、簧，锻模等。高温回火：高温回火：500-650500-650C C；20HRC3020HRC30，目的是具备良，目的是具备良好的综合机械性能。好的综合机械性能。调质调质= =淬火淬火+ +高温回火高温回火 Xian Jiaotong University钢的表面热处理工艺表面淬火：火焰加热、表面淬火：火焰加热、感应加热（高频，中频，工感应加热（高频，中频，工频）、激光加热、电子束加热等频）、激光加热、电子束加热等化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗等。化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗等。感应加热感应加热基本原理基本原理: 用一定频率的感应电流使用一定频率的感应电流使工件表面被快速加热到淬火温度，工件表面被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。并立即喷水冷却的操作方法。高频淬硬层深度：高频淬硬层深度：0.8-2mm生产特点生产特点: 淬火件的质量好淬火件的质量好；工件变工件变形小形小；不易氧化及脱碳；淬火；不易氧化及脱碳；淬火硬度硬度高；生产率高高；生产率高。Xian Jiaotong University定性（时效处理）定性（时效处理）目的：对加工精度高的零件，慢慢消除其内应力，目的：对加工精度高的零件，慢慢消除其内应力，从而稳定其形状和尺寸。从而稳定其形状和尺寸。