机械设计中材料的选材与热处理

机械设计中材料的选材与热处理第一页，共54页。黑色金属有色金属铸铁钢金属材料常用工程材料铝合金铜合金非金属材料橡胶塑料……工程材料分类：2023/4/302第二页，共54页。铸铁铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。

铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。2023/4/303第三页，共54页。

性能：（与钢相比）强度、塑性低（石墨对基体有割裂作用）抗压强度不低减震性好（机器运动时，有减震性好）耐磨性好（碳含量高，硬度高，石墨：软，可作为润滑剂）加工性好成本低铸铁2023/4/304第四页，共54页。灰口铸铁：碳以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色可锻铸铁：团絮状石墨，塑性很低，不能锻造，只有钢能锻造，铸铁不能锻造，经过两个生产过程制得的，首先制得白口铁铸件，然后再经石墨化退火而最终制得可锻铸铁球墨铸铁：球状石墨白口铸铁：一般液体铁水冷却下来，发生石墨化，变成石墨，若冷的太快，变不成石墨，而是作为渗碳体保存下来，白口铸铁很硬，没有用，要避免出现合金铸铁：在铸铁中加入数量不等的合金元素，从而改善铸铁的物理、化学和力学性能，如耐磨性、耐蚀性和耐热性根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态，可将铸铁分类：2023/4/305第五页，共54页。常用铸铁（其中灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之）片状石墨铸铁的性能，但片状石墨对基体的分割作用，和引起应力集中效应，故其抗拉强度远低于钢，其强度、塑性低。铸造性能好(灰铸铁含碳量高，熔点比钢低)，成本最低（冷却下来后直接就可得到）牌号：HT250（HT：灰铁的汉语拼音首字母，250代表抗拉强度值）成分（HT250）

：碳含量：2.9％～3.5％，硅含量：1.4％～2.1％锰含量：0.7％～1.1％，硫含量≤0.15％，磷含量≤0.12％常用热处理去应力退火：加工前进行，人工时效处理高温退火：降低硬度，使渗碳体分解成铁和石墨表面淬火：提高表面耐磨性灰口铸铁：制动盘（HT250，190-230HBS）2023/4/306第六页，共54页。牌号HT100HT150HT200HT250HT300HT350性能强度→切削加工性←表面粗糙度→耐热疲劳性←高温强度→减震性←弹行模量→对缺口敏感程度←耐磨性→铸造工艺性←2023/4/307第七页，共54页。液体铁水经过球化处理，石墨呈球状分布于基体中

性能：强度、塑性高（与灰口铸铁相比）

牌号：QT500－7（QT：球铁的汉语拼音首字母，500代表最低抗拉强度值，7代表最低延伸率值）成分（QT500－7）：碳含量：3.6％～3.8％，硅含量：2.5％～2.9％锰含量≤0.6%

，硫含量≤0.025％，磷含量≤0.08％热处理

退火：降低应力，表面白口铸铁消除，变成灰口铸铁或球墨正火：得到以珠光体为主的基体组织淬火＋回火：得到回火马氏体、回火托氏体或回火索氏体组织球墨铸铁：卡钳（QT600-3，190-240HBS）支架（QT500-7，180-240HBS）2023/4/308第八页，共54页。牌号QT400-18QT400-15QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2性能抗拉强度→伸长率←弹行模量→硬度→冲击韧度←减震性←疲劳极限→热疲劳抗力←耐磨性→可加工性←2023/4/309第九页，共54页。钢钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。2023/4/3010第十页，共54页。钢的分类及牌号按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢a、碳素钢（简称碳钢，由于钢碳钢具有较好的力学性能和工艺性能，并且产量大，价格较低，使它成为机械工程上应用最广泛的金属材料）

按碳含量的多少分为低碳钢：Wc≤0.3中碳钢：Wc＝0.3％～0.6％高碳钢：Wc>0.6％2023/4/3011第十一页，共54页。低碳钢：塑性、韧性好，大型支架结构、桥梁中碳钢：综合机械性能好，受力复杂的机器零件高碳钢：硬度高，工具、耐磨零件碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低a、碳素钢2023/4/3012第十二页，共54页。b、合金钢

由于现代工业和科学技术的不断发展，对力学性能和物理、化学性能提出了更高的要求，碳钢虽然经过热处理，也不能满足要求，从而就发展了合金钢，合金钢就是为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢的基础上，特意的加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。

合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理2023/4/3013第十三页，共54页。a、结构钢：大型结构和机器零件b、工具钢：工具、模具、量具c、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢2、按用途分大平垫（1Cr13）2023/4/3014第十四页，共54页。a、普通钢b、优质钢c、高级优质钢3、按质量分分类方法比较多，按习惯叫即可，如45＃钢可被称为中碳钢、结构钢、优质钢

按S、P的含量分的，S、P含量越多，脆性越大，质量也就越差高级优质钢：S、P去的特别好2023/4/3015第十五页，共54页。4、牌号⑴普通碳素结构钢：用Q＋数字（屈服强度数值）表示⑵优质碳素结构钢：用钢中平均碳含量分数的两位数字表示，单位为万分之几，也就是说用碳含量万分之几表示⑶碳素工具钢：T＋数字，在钢号前加T（碳的汉语拼音字头），数字：钢号用平均碳含量的千分数的数字表示（千分之几）

T8表示平均碳含量为0.8％（千分之八）的碳素工具钢高级优质则在钢号后加A，如T10A

2023/4/3016第十六页，共54页。⑷合金结构钢：数字＋元素＋数字表示4、牌号如：60Si2Mn（60：碳含量的万分之几，即0.6％；Si、Mn：合金元素；2：表示前边合金元素的平均质量分数，当含量≥1.5%时，是四舍五入后的数字，当<1.5％时，数字省略）⑸合金工具钢：数字＋合金元素＋数字

如：9CrSi(9：碳含量的千分之几即0.9％，当碳含量≥1时，此数字省略；Cr、Si含量都小于1.5％)⑹滚动轴承钢：GCr＋数字（G：滚；数字：Cr质量分数的千分之几）2023/4/3017第十七页，共54页。4、牌号数字：碳含量以千分之几表示，当碳质量分数≤0.03％及≤0.08％时，分别以00及0表示⑺特殊性能钢：数字＋合金元素＋数字⑻铸钢：ZG＋数字＋数字（前边数字表示屈服强度值，后边数字表示抗拉强度值）如：ZG270-5002023/4/3018第十八页，共54页。结构钢㈠普通结构钢

普通碳素结构钢1、普通碳素结构钢：碳含量是在0.06％～0.38％，杂质比较多，但价格便宜，成本低，适用于要求不高的机械零件和工程构件如压板（Q235A→30）、推动板（Q235A）普通低合金结构钢2023/4/3019第十九页，共54页。2、普通合金结构钢㈠普通结构钢

a、成分特点：低碳（C％<0.2％）、低合金、＋Mn（以Mn为主加元素，因为锰的资源丰富，强化铁素体的效果明显，能降低钢的冷脆温度，另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，以而进一步提高强度）b、典型钢号：16Mn（16：万分之几，Mn含量<1.5％，数字省略）碳含量很低，只有0.16％c、性能：①塑性、韧性号（低碳）②强度高（与没加合金元素的低碳钢相比，高30％～50％，但不要与45＃钢相比）③焊接性好（焊接最麻烦的是断裂，应力大，但是塑性、韧性好的材料不易开裂）④大型结构、桥梁（不易断裂，有以上特点，价格也低，工艺很成熟）2023/4/3020第二十页，共54页。㈡优质结构钢

硫、磷含量较低，非金属夹杂物也较少，强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好，常用于制造较重要的零件如齿轮(Q235A→45)，支点圆柱（45→

40Cr）应用最广泛的是45钢（也被称为外能钢），经调质处理后，可获得良好的综合力学性能

1、优质碳素结构钢

2023/4/3021第二十一页，共54页。㈡优质结构钢2、渗碳钢

成分特点：低碳（碳含量很低，属于低碳钢）

作用：①强化②提高淬透性性能：心部韧性好，表面硬度特别高

应用：受冲击同时要表面高硬度、高耐磨性的零件

压力臂（20CrMnTi），大滚针副托架（15CrMo）

2023/4/3022第二十二页，共54页。㈡优质结构钢3、调质钢

淬火＋高温回火

后获得综合机械性能，即强度与韧性的配合应用：受力复杂的重要零件，最普通的调质钢为35，40，45，但由于热处理后变形大，实际都加合金元素，随合金量增加强度增加，顺序为40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo为提高某些部位耐磨性，通常要局部高频淬火或表面氮化；需提高表面疲劳抗力，有时要进行喷丸处理主轴（40Cr，260-300HBS,表面离子氮化）长导套（45，260-300HBS，高频淬火）

2023/4/3023第二十三页，共54页。㈡优质结构钢3、调质钢

35CrMo，调质后，具有高的静强度、冲击韧度和较高的疲劳强度42CrMo，与35CrMo性能相近，强度和淬透性更好调整六方头（35CrMo，淬火50-55）转向节（42CrMo与40Cr）

2023/4/3024第二十四页，共54页。㈡优质结构钢4、弹簧钢碳含量：0.6％～0.9％

最普通弹簧钢是Mn系列和Cr系列

Mn系列选择原则65Mn→60Si2Mn→55SiMnMoVNbCr系列选择原则50CrMn→50CrV→50CrMnV淬火＋中温回火，获得高弹性和高韧性，通常需要进行喷丸处理获得表面压应力弹簧有大有小，制作方式也不一样，主要有两种：冷成型和热成型

2023/4/3025第二十五页，共54页。㈡优质结构钢弹簧钢的特性基准座挡圈（65Mn），回位弹簧、波形弹簧（60Si2Mn）大小扭簧（60Si2Mn→

70）

高碳钢如65，70，85，经热处理和冷拔硬化后，可得较高强度和适当韧性塑性，淬透性差只适用较小尺寸弹簧65Mn，热处理后，综合性能优于碳钢60Si2Mn，Si与Mn提高弹性极限、屈强比、淬透性和抗松弛稳定性2023/4/3026第二十六页，共54页。㈡优质结构钢4、滚动轴承钢有高而均匀的硬度、提高耐磨性

有高的接触疲劳强度和弹性极限

滚针（GCr15

）2023/4/3027第二十七页，共54页。铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜轴套，衬套（巴氏合金）有色金属2023/4/3028第二十八页，共54页。高分子材料复合材料陶瓷--塑料、橡胶、合成纤维。--强度高、弹性模量大、质量轻。非金属材料--强度高、弹性模量大、质量轻。塑料--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。2023/4/3029第二十九页，共54页。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。螺杆防尘罩（DF6454）非金属材料2023/4/3030第三十页，共54页。非金属材料复合材料

克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。

刹车片（M432A)2023/4/3031第三十一页，共54页。陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。

非金属材料陶瓷材料2023/4/3032第三十二页，共54页。普通热处理：退火、正火、淬火、回火

表面热处理：渗碳、渗氮、高频淬火钢的热处理

在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的“成分－组织－性能”的原则。

热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。2023/4/3033第三十三页，共54页。钢的退火加热－保温－缓冷（随炉冷却）

退火1、去应力（应力存在，使材料本身性能下降）2、调整内部组织（最大目的，使之变成均匀细小的组织）3、改善切削加工性能（铸件、锻件冷却下来后，表面硬度太高，不易切削加工，首先热处理，缓冷，表面硬度就会下降）目的：2023/4/3034第三十四页，共54页。①完全退火目的：a、使热加工造成的粗大、不均匀的组织细化b、降低硬度，改善切削加工性能②等温退火目的及加热过程与完全退火相同，但组织转变容易控制③球化退火目的：a、为以后的热处理作组织准备

b、降低硬度，改善切削加工性能④去应力退火目的：消除残余应力（不改变组织，只是去应力，因此加热温度很低）⑤再结晶退火：目的：消除加工硬化的影响，不想让它加工硬化，加热后发生再结晶，性能回复到加工硬化前

钢的常用退火工艺2023/4/3035第三十五页，共54页。钢的正火加热－保温－空冷（冷却速度比退火快一些）

正火与退火一样，只是第三个不同：退火是让它硬度↓而正火是当材料表面太软时，让它变硬一些目的：2023/4/3036第三十六页，共54页。①冷却速度快，晶粒细小，强度、硬度更好②可以作为最终热处理（一些重要零件，要先预先热处理，再最终热处理，但有些零件，受力不大而且不非常重要，可把正火作为组中热处理③效率高（不用占用炉子，快）对所有零件的预先热处理，能正火不退火区别（与退火相比）40Cr：退火σb/MPa:656正火σb/MPa:7542023/4/3037第三十七页，共54页。淬火目的：1、获得硬、脆的马氏体2、得到优异的力学性能淬火的必要性

经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须淬火与回火处理。（所有重要机器零件都要进行淬火处理，退火、正火为它所准备）2023/4/3038第三十八页，共54页。淬透性与淬硬性

钢的淬透性大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。钢的淬硬性指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。

2023/4/3039第三十九页，共54页。（1）淬透性大的件易淬透，组织和性能均匀一致；（2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的淬火介质以减小淬火应力。（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用低淬透性钢。淬透性的应用：（45与40Cr）

2023/4/3040第四十页，共54页。常用淬火冷却方法

为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。2023/4/3041第四十一页，共54页。回火所有的钢淬火后立即回火处理（回火一定在淬火后进行）去除淬火应力

得到所需的组织和性能

淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。2023/4/3042第四十二页，共54页。

回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。（HRC≥60）回火的种类1）低温回火（150～250℃）2023/4/3043第四十三页，共54页。2）中温回火（350～500℃）

回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、压铸模等模具。（35≤HRC≤45）

回火的种类2023/4/3044第四十四页，共54页。回火的种类3）高温回火（500～650℃）

回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。（28≤HRC≤33）

2023/4/3045第四十五页，共54页。同样的产品，工艺不同，达到的效果也不同，不同热处理可达到不同目的主动转轴用挡圈（65Mn，低温回火，47-54HRC）压力臂保持架（65Mn，淬火38-44HRC）调整套用卡簧（65Mn）

钢的热处理小结钢铁材料热处理通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能，强韧化的两个重要途径之一。2023/4/3046第四十六页，共54页。表面热处理常见方法如果需要由表面到心部具有不同的性能，通常采用表面热处理钢的感应表面淬火利用电磁感应原理，表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织。电流频率越高淬透层越薄调整套（40Cr高频淬火）

2023/4/3047第四十七页，共54页。①淬火温度高于一般淬火温度。②淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高2～3HRC。③表层存在很大的残余压应力。④不易产生变形和氧化脱碳。⑤易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170～200℃低温回火。

感应加热表面淬火的特点：2023/4/3048第四十八页，共54页。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的韧性配合。钢的渗碳大滚针副托架（15CrMo,渗碳0.25-0.55mm,668-850HV1，淬火）2023/4/3049第四十九页，共54页。渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气