第2章工程材料和热处理

2023/2/4第二章工程材料和热处理2023/2/4§2.1概述

在精密机械中应用的材料，按用途分：按材料结合键的特点及性质分：无机非金属材料和有机材料，又统称为非金属材料。2023/2/4§2.2金属材料的力学性能2.2.1应力极限由静拉伸试验所得的应力极限，是静应力条件下强度计算时确定许用应力的依据。低碳钢的应力——应变曲线2023/2/41、比例极限σp应力与应变成正比称为比例极限。2023/2/42、屈服极限σsOe为残余变形没有明显屈服现象的塑性材料，用永久塑性变形量为0.2%时的应力值定为屈服极限，用σ0.2表示。2023/2/43、强度极限σB材料在断裂前的最大应力称为强度极限。冷作硬化：在常温下经过塑性变形使材料强度提高、塑性降低的现象2023/2/4应力极限弹性阶段弹性极限p屈服阶段屈服点s强化阶段强度极限b颈缩阶段第二节金属材料的力学性能2023/2/42.2.2弹性模量E在比例极限范围内，应力σ与应变ε成正比，比例常数E（＝σ/ε），即为弹性模量（剪切时为切变模量G）反映的是材料抵抗变形的能力，衡量材料刚度的性能指标。2023/2/42.2.3

延展性

是衡量材料塑性性能的指标。塑性是指在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。包括：①伸长率；②断面收缩率。伸长率是试样拉断后的标距伸长量与原始标距的比值。用字母δ表示。2023/2/4

断面收缩率是试样拉断后，断口横截面积的缩减量与原始横截面积的比值。用字母ψ表示。

Δ和ψ越大，则塑性越好。 金属压力加工，就是利用金属材料的塑性而实现的。2023/2/42.2.4冲击韧性

抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。 冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性。

ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。2023/2/42.2.5弹性能Ee和韧性能Et

物体受外力作用产生变形时，外力所做的功，在数值上等于应变能。 材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。大部分将消耗在材料的塑性变形上，并以热的形式散失。2023/2/42.2.6

硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度的测试方法很多，生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种。（一）布氏硬度试验法 布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料，如淬火钢等。 布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。2023/2/4（二）洛氏硬度试验法 常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种。 洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表面，故适于成品检验。

2023/2/4（三）维氏硬度试验法 表示材料硬度的一种标准。由英国维克斯（G.S.Vickers）首先提出。应用压入法将压力施加在四棱锥形的钻尖上，使它压入所试材料的表面而产生凹痕。用测得的凹痕面积上的压力表示硬度。单位是帕或公斤力/毫米2。用于测定金属材料等的硬度。 硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。2023/2/4第一节概述机械工程材料金属材料非金属材料黑色金属钢有色金属铸铁合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金§2.3常用的工程材料2023/2/41.钢（含碳量小于2%,大于0.7%的铁、碳合金）碳素钢碳素结构钢碳素工具钢：T7、T8普通碳素结构钢如Q235、Q275等优质碳素结构钢低碳钢C＜0.25%如20合金钢合金结构钢合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢特类钢不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）低金结构钢如12Mn弹簧钢如60Si2MnA中碳钢0.25%＜C＜0.6%如45高碳钢0.6%＜C如60钢2023/2/4

特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。 钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 钢的选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。2023/2/42.铸铁含碳量大于2%的铁、碳合金（1）灰铸铁如HT100、HT300,良好的铸造性、切削加工性、耐磨性，消振性，但抗拉强度低。（2）球墨铸铁

如QT400-18、QT500-7,强度和塑性比灰铸铁有很大的提高，具有良好的耐磨性，但铸造性较差。（3）可锻铸铁

如KTH300-06,强度、塑性、韧性、耐磨性均较高，能承受冲击振动,但生产周期长，成本较高。铸造大尺寸零件较困难。2023/2/4

特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。

应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。2023/2/4常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆钢碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~102023/2/4二、有色金属（1）铜合金 黄铜铜与锌的合金，含少量锰、铝等元素，如ZCuZn38等。青铜青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等，如

CuAl10Fe3、ZCuSn5PbZn5。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

（2）铝及铝合金 铝合金具有良好的导热、导电性能，其导电性能大约为铜的60%，但由于重量轻，在远距离输送的电缆中常代替铜线。2023/2/4（3）钛合金 以钛为基加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点,是较为理想的航天工程结构材料。 应用：是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小（~4.5g·cm3），比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好，抗蚀性能优异，某些钛合金的最高工作温度为550ºC，预期可达700ºC。因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用，发展迅猛。（4）镁合金2023/2/4三、非金属材料1．工程塑料（1）尼龙品种、数量及应用上居工程塑料之首，它强度高，耐磨性好，耐化学腐蚀。但易吸收水分而影响尺寸的稳定性。（2）聚碳酸脂在工程塑料中韧性最好，透光率达90%，连续使用温度达135℃～145℃，它正取代玻璃和有机玻璃，作为飞机上的挡风夹层和天窗。（3）聚甲苯在工程塑料中弹性模量最高，并有高硬度，低摩擦系数和较好的耐疲劳性能，适用于制造小齿轮及轴套等。（4）聚苯醚在工程塑料中硬度最高，热膨胀系数最小，最耐热。（5）ABS具有良好的综合性能。广泛应用在管材、家用电器和纺织机械中。用ABS制成的泡沫夹层板，可作小轿车的车身。

塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。

2023/2/42．橡胶

橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振零件等

3．人工合成矿物刚玉和石英4．夹布胶木常用来制造板材、电工元件，轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件等。

5．其他工业上，经常使用的非金属材料还有陶瓷、皮革、木材、纸板等。通孔宝石轴承槽形宝石轴承端面宝石轴承2023/2/4四、复合材料

通常由两种材料结合而成，可发挥材料各自的长处，克服各自固有的缺点。常见的复合材料有：

（1）玻璃钢玻璃和塑料结合而成。玻璃具有较高的弹性模量和强度，但太脆，而塑料具有良好的塑性、易于加工，但弹性模量和强度较低，把两者结合起来，就产生了玻璃钢。

（2）硬质合金

陶瓷与金属粉末烧结在一起而成。陶瓷材料硬度好，但不易于加工成型，将它与金属粉末烧结在一起，就形成了硬度高，耐磨性好且易于加工成形的硬质合金。

（3）硼铝复合材料

硼与铝合金结合而成。它的常温和高温强度比高强度的铝合金大得多。美国现在使用的航天飞机的整个桁架支柱，均用硼铝复合材料的管材制造，比原先采用铝合金时，减轻重量44%。

2023/2/4§2.4钢的热处理简介热处理

将钢在固体状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法叫热处理，目的是提高零件的力学性能和改善其工艺性能。1.退火2.正火3.淬火4.回火5.调质6.时效7.表面处理2023/2/4

1.退火

把钢加热到临界温度（在钢的固态范围内，引起钢内部组织结构发生变化的温度）以上30～50℃，经过适当的保温后，随炉温一起缓慢冷却下来的热处理工艺称为退火。退火的目的是降低材料的硬度，提高塑性，细化结晶组织结构，改善力学性能和切削加工性能，能消除或减小铸件、锻件及焊接件的内应力。

2.正火将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后再空冷，风冷或喷雾冷却。它的冷却速度比退火快，作用与退火相似，但比退火经济，成本低，可作为零件的最终热处理。

3.淬火将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后在水中或油中迅速冷却。由于淬火温度变化过快，材料内部形成较大的淬火应力，会导致零件的变形或开裂。淬火不能作为零件的最终热处理。2023/2/44.回火将淬火后的零件重新加热到临界温度以下的某一温度，保温一段时间后，然后在空气中冷却。根据对零件要求的不同，可采用不同的回火温度。回火温度越高，材料的硬度和强度下降越多，而塑性和韧性则显著提高。（1）低温回火回火温度在150℃～250℃，主要用来降低材料的脆性和淬火应力，并能保持较高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。（2）中温回火回火温度在350℃～500℃，其特点是即能保持材料一定的韧性，又能保持一定的弹性和屈服点，常用于弹簧和承受冲击的零件。（3）高温回火回火温度在500℃～650℃，使零件获得强度、硬度、塑性和韧性都良好的综合力学性能。2023/2/45.调质淬火加高温回火称为调质。一些重要的零件，特别是一些在变应力下工作的零件，如连杆、齿轮和轴等常采用调质处理。可以减小或消除零件的内应力，使零件在工作之前得以充分的变形，零件尺寸可以稳定下来。时效分低温时效和高温时效。6.时效

（1）低温时效将零件加热到100℃～150℃，保温5～20小时后，再空冷。（2）高温时效将零件加热到略低于高温回火的温度，保温后，缓冷到300℃以下，出炉空冷。2023/2/4二.表面热处理对于一些要求表面有较高的硬度以增加其耐磨性，而心部要求有较高的韧性以提高其抗冲击能力的零件，可以采用表面处理工艺。表面处理包括表面淬火和化学处理。

1.表面淬火采用快速加热的方法，只将零件表面加热并淬火。它只改变表层组织，心部并不发生变化，心部保持了一定的韧性和强度，而表层得到强化和硬化。表面淬火有高频感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火示意图2023/2/4

2.化学热处理化学热处理是把零件放入化学介质（碳或氮等）中加热，保温，使介质元素渗入零件表层中，使零件表层的化学组成和组织结构发生变化，来获得对其心部和表层不同性能要求的热处理方法。常用的方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗（氰化）等。

1）.渗碳将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳。目的提高钢件表层的含碳量和一定的碳的浓度梯度。渗碳后经淬火和低温回火，表面获得高硬度和高的耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性。 渗碳件必须用低碳钢、低碳合金钢制造。 渗碳方法可分为固体渗碳、盐浴渗碳和气体渗碳三种，应用较为广泛的是气体渗碳。2023/2/4高频电流高频电流工件2023/2/42).氮化氮化是向钢件表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性。2023/2/4零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱2023/2/43).碳氮共渗(氰化)

碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上又称为氰化。目前以中温(700～800℃)气体碳氮共渗和低温(<570℃)气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。2023/2/4§2.5表面精饰

表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆盖层，以达到防蚀、装饰等目的。2.化学处理3.涂漆实现途径1.电镀2023/2/4一、电镀

镀铬适用于钢、铜及铜合金、铝及铝合金。镀铬层的化学稳定性高，外观颜色好，在潮湿大气中颜色不变，有较高的硬度和耐磨性。镀铬层抛光后反射率较高。由于铬的深度能力和扩散性差，因此不适于镀复杂零件。

镀镍镍在大气中十分稳定，对碱、弱酸和各种盐类均有较高的抵抗能力，并有良好的导电性。镍有磁性，不适宜镀防磁零件。2023/2/43．镀镉适用于钢、铜合金和铝合金。镀镉层对碱和稀硫酸的化学稳定性好。主要用于仪器直接受海水作用和饱含海水蒸气的大气条件下的零件。4．镀锌适用于钢、铜合金和铝合金。锌镀层属于阳极镀层，对钢质零件起电化学保护作用，在潮湿大气及含工业废气的环境中，锌比镉防腐能力强。锌镀层有中等硬度，但耐磨性较低。5．镀银适用于铜合金零件，具有良好的化学稳定性和导电性，反射率可达90％以上。但氯气、硫化物与银作用可使其变黑，不宜镀于直接与橡胶接触的零件。6.其他镀层（铅、锡）2023/2/4镀铬的兰博基尼镀镍的链条

镀锌的铁丝镀银的铜丝2023/2/4二、化学处理 金属零件表面的化学处理方法主要是氧化和磷化。氧化是在零件表面上形成氧化膜，磷化是在零件表面上生成一层在大气中较稳定的磷酸盐膜。常用类型有：

1．黑色金属的氧化与磷化

2．铝及铝合金的阳极氧化

3．铜及铜合金氧化2023/2/4三、涂漆 涂漆是在金属制品的表面上涂以清漆或磁漆的薄膜，使制品表面与外界环境中的有害物质隔开，对制品起着保护和装饰作用。也有的是起到消光作用或绝缘作用。2023/2/4§2.6材料的选用原则

适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。2023/2/4载荷及应力的大小和性质零件的工作情况工艺要求经济要求零件的尺寸及重量一般原则使用要求2023/2/4经济性表现在以下几方面：材料本身的相对价格;

材料的加工费用;

材料的利用率;

采用组合结构;

节约稀有材料。2023/2/4弹性模量1.杨氏弹性模量（E） 表示膨胀或压缩情况下应力与应变的关系，所以又叫压缩模量。数学定义：物体受胀缩力时应力与应变之比。物理定义：杨氏弹性模量表示固体对所受作用力的阻力的度量。固体介质对拉伸力的阻力越大，则杨氏弹性模量大，物体越不易变形；反过来说，坚硬的不易变形的物体，杨氏弹性模量大。2.泊松比（s） 在拉伸变形中，物体的伸长总是伴随着垂直方向的收缩，所以把介质横向应变与纵向应变之比称泊松比，显然泊松比是表示物体变形性质的一个参数，如果介质坚硬，，在同样作用力下，横向应变小，泊松比就小，可小到0.05。而对于软的未胶结的土或流体，泊松比可高达0.45—0.5。返回附录2023/2/4返回 1.应力：弹性体受力后产生的恢复原来形状的内力称内应力，简称为应力。应力和外力相抗衡，阻止弹性体的形变。应力的数学定义为：单位横截面上所产生的内聚力称为内力。根据力的分解定理，可以将力分解成垂直于单元面积的应力—法向应力（正应力）；相切于单元面积的应力—切向应力（剪切应力）。

2.应变：物理定义：弹性体受应力作用，产生的体积和形状的变化称为应变。只发生体积变化而形状不变的应变称正应变；反之，只发生形状变化的应变称切应变。