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1、3. 機械工程常用材料及鋼的熱處理 3-1 概述 3-2 金屬材料的力學(xué)性能 3-3 常用的工程材料 3-4 鋼的熱處理 3-5 表面精飾 3-6 精密儀器材料選用原則 3.1 概述 機械工 程材料 金屬 材料 非金屬 材料 黑色金屬 鋼 有色金屬 鑄鐵 合金鋼 無機非金屬材料 有機材料 塑料 橡膠 陶瓷 合成纖維 鋁合金 銅合金 其他有色合金 (非鐵金屬 ) 3-2 金屬材料的力學(xué)性能 低碳鋼應(yīng)力 -應(yīng)變曲線 在室溫下以緩慢平穩(wěn) 加載的方式進行的拉伸試 驗，確定材料機械性質(zhì)。 低碳鋼應(yīng)力 -應(yīng)變曲線分四個階段 (1) 彈性階段 (Oa段 ,直線 ) 變形與所加外力成正比 , 外力撤銷 后試件

2、形狀完全恢復(fù) . a點對應(yīng)應(yīng)力為不產(chǎn)生永久變形 (塑性變形 ) 的最大應(yīng)力，稱為 比例極限 p. (2) 屈服階段 (ab段 , 近似平線或波線 ) 外力不再增加而試樣 仍繼續(xù)變形 (屈服現(xiàn)象 )，若此時除去外力，試樣將不恢復(fù)原來 尺寸，在該階段金屬開始發(fā)生明顯塑性變形。屈服階段的最低 應(yīng)力為 屈服極限 s. 1 應(yīng)力極限 (強度 ) (3) 強化階段 (bc段 ,上升曲線 ) 材料恢復(fù)了變 形的能力 , 要使它變形必須增加拉力 (材料的 強化 ),此階段是金屬最重要的塑性變形階段 . 材料發(fā)生均勻塑性變形時的最大應(yīng)力 (c點 )為 強度極限 b，是材料強度的主要指標(biāo) .它是材 料受拉時所能承

3、受的最大載荷應(yīng)力。 (4)局部變形階段 (cd段 ,下降曲線 ) 外力過強度極限 (c點 )后 ,試樣發(fā)生 “ 縮頸 ” 現(xiàn)象。此時塑性變形集中 在縮頸處 ,縮頸點截面于是急劇變 小 , 最后試樣在 d點即頸縮點發(fā)生 斷裂 . 若應(yīng)力超過屈服極限 , 但尚未達到強度極限 (如在 f點 ), 此時 卸載，曲線將沿著與 Oa平行的 fg直線 (虛線 )下降。其中 Og為永 久塑性變形， gh為彈性變形。再次加載時，應(yīng)力 應(yīng)變曲線變 為 gfcd，相當(dāng)于提高了屈服極限。這種在常溫下經(jīng)過塑性變形 使材料強度提高、塑性降低的現(xiàn)象，稱為 冷作硬化 。 2 剛度 材料抵抗變形的能力 . 彈性模量 E, 剪切

4、模量 G是衡量材料 剛度的性能指標(biāo) (胡克定律 , ). E G 3 塑性 材料破壞時，遺留變形的大小 斷后伸長率 :試件拉斷后 , 標(biāo)距內(nèi)的伸長量與標(biāo)距原長之 比的百分率 . 5為塑性材料 , 5為脆性材料 . 斷面收縮率 : 試件被拉斷后 , 斷裂處面積的縮小量與原面 積之比的百分率。 或 越大，材料的塑性越高，反之則低。進行壓力加工的 零件，應(yīng)選用塑性高的材料，以免加工時開裂。 4 硬度 材料表面在一小體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。 材料硬度越高，強度和耐磨性越高，但塑性越低。常用的硬 度指標(biāo)有三種：布氏硬度 (HBW)、洛氏硬度 (HRC, 洛氏 C標(biāo)度硬 度 )和維氏

5、硬度 (HV). 以一定載荷把一定大小的鋼球壓入材 料表面 ,保持一段時間 , 卸載后負荷與其壓 痕面積的比值即為布氏硬度 (HBW). 洛氏硬度試驗原理和布氏硬度試驗一樣 , 也是壓痕試驗法 ,不同之處為它不是測量壓痕 大小而是測量壓痕凹陷的深度 . 根據(jù)壓頭類型 和壓入載荷大小不同 ,可分為 HRA,HRB,HRC. 維氏硬度 (HV)的試驗原理也是根據(jù)壓 痕凹陷面積上單位應(yīng)力作為硬度值計量。 所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是采用錐 面夾角為 136 的金剛石四方角錐體 . 各種硬度值之間可以相互折算 (GB/T 1172-1999)，應(yīng)用中可通過查表獲得 . 5 影響材料力學(xué)性能的主要因素

6、 (1) 含碳量 含碳量越高，強度和硬度越高，但塑性顯著降低。 (2) 合金元素 在鋼中加入某些合金元素 , 可提高和改善其綜合力學(xué)性能 , 并 獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能。 加 Mn(錳 )能提高鋼的強度；加 Ni(鎳 )與 Cr(鉻 )能使鋼獲得高 強度、耐熱和耐腐蝕性 ; 加 W(鎢 )則能提高鋼的硬度和韌性 , 是 制造耐熱工具不可缺少的合金元素 .(有益元素 ) 有害雜質(zhì)元素 S（硫）、 P（磷） (3) 溫度 一般地，低溫條件下強度有所增加，塑性和韌性下降 , 高溫 條件下相反。 (4) 熱處理工藝 不同的熱處理工藝將會使鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生程度不同的變化。 3-3 常用的工程材料

7、1 鋼鐵材料（黑色金屬） (1) 碳鋼 (非合金鋼 ) 合金 :一種金屬元素和其他金屬或非金屬元素相互熔合而成的 具有金屬特性的物質(zhì) . 碳鋼 : 含碳 2 (質(zhì)量百分比 )以下的 鐵碳合金 、少量雜質(zhì) 按含碳量分類 ： 低碳鋼 (wC0.25%, 20鋼 ), 螺釘 , 連桿等 中碳鋼 (0.25%0.6%), 工具，模具等 按質(zhì)量等級分類 ： 普通碳素鋼 (wS0.055%, wP0.045%) 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 (wS0.040%, wP0.040%) 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼 (wS0.030%, wP0.035%) 按用途分類 ： 碳素結(jié)構(gòu)鋼 (工程結(jié)構(gòu) ,機械零件 )、碳素工具鋼 (各種工具 )

8、(2) 合金鋼 人為在冶煉中加入鉻 Cr、錳 Mn、鎳 Ni、鈦 Ti、鉬 Mo、鎢 W 等合金元素形成的鋼，具有高的強度、韌性、硬度，以及某些特 殊性能（如耐腐蝕性、高溫強度等）。 低合金鋼 (合金元素含量小于 5%) 中合金鋼 (合金元素含量在 5%10%) 高合金鋼 (合金元素含量大于 10%) 碳鋼價格低廉、容易獲得，也容易加工。一般情況下優(yōu)先選 用碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)零件受力較大，承受變應(yīng)力 , 工作情況復(fù)雜且熱處理要求較高時，應(yīng)選用合金鋼。 2 鑄鐵 與鋼不同 , 鑄鐵含碳 (大于 2.11%)和硅量較高 , 含雜質(zhì)硫磷也較多 (1) 灰鑄鐵 : 其中的碳以自由狀態(tài)的 片

9、狀石墨 形式存在 , 斷口呈灰色 成本低，鑄造性、減振性好，抗壓強度高，但脆性很大， 不 宜承受沖擊載荷（底座、機床床身）。 (2) 球墨鑄鐵： 其中的碳以 球狀石墨 形式存在的 具有較高的延展性和耐磨性。強度高 (近于碳素結(jié)構(gòu)鋼 )，減振 性優(yōu)，可承受沖擊載荷。 (齒輪、曲軸 ) 2 非鐵金屬 (有色金屬 ) 銅 (紫銅 )及其合金有良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和延展性 . (1) 銅合金 (黃銅和青銅 ) 黃銅 (銅與鋅的合金 ) 鋅含量在 20 40左右 ,具有優(yōu)良的機械加工 性能和防腐性，可鑄造和鍛造。黃銅隨鋅含量 的增加強度增加，直至超過 45以后，抗拉強 度急劇下降。常用于制造軸瓦、

10、耐腐蝕零件等 . 青銅 (銅與錫 ,鋁 ,鈹?shù)仍氐暮辖?, 錫青銅、鋁青銅、鈹青銅 ) 青銅合金的力學(xué)性能以及耐腐蝕、耐磨性能較好。錫青銅適于 鑄造，用以鑄造形狀復(fù)雜的零件。鈹青銅用于非常重要的零件 . (2) 鋁合金 鋁及鋁合金具有密度小 (約為銅和鐵的 1/3), 比強度 (強度與密度之 比 )高 , 抗蝕性好以及優(yōu)良的塑性和冷熱加工工藝性能等優(yōu)點，且價格 較低 , 資源豐富 , 故廣泛用于航空航天、電氣、汽車等工程領(lǐng)域，是工 程中用量最大的有色金屬 . (3) 鈦合金 鈦和鈦合金的密度都小，其強度和鋼相當(dāng)，且抗腐蝕性好，故在 航空、造船、化工等工業(yè)中得到了較多應(yīng)用。此外鈦還具有“親生物

11、” 性 , 廣泛用于醫(yī)療器械和人造關(guān)節(jié)等。 3 非金屬 (1) 工程塑料： 密度小，比強度高，耐腐蝕性能好，優(yōu)良的電絕緣性 , 耐磨、減摩及自潤滑性能好，易加工，易老化，難回收。 (2) 橡膠： 高彈耐磨 , 絕緣性好 , 不透水、氣，但易老化。墊圈、密封圈 (3) 人工合成礦物 剛玉 (Al2O3, 人造寶石 )：高的彈性模量和硬度 (僅次于鉆石 )。微型軸承 石英 (SiO2)：具有壓電效應(yīng)。晶體振蕩器 , 傳感器材料 3-4 鋼的熱處理 改善金屬使用性能和工藝性能的一種重要的加 工方法，將固態(tài)金屬或合金加熱、保溫、冷卻 改變金屬整體或表面組織，獲得所需性能。 種類 1、普通熱處理：退火、

12、正火、淬火、回火 2、表面熱處理和化學(xué)熱處理： 感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解 加熱、滲碳、氮化、碳氮共滲 3、其他熱處理 臨界溫度： 使鋼材料內(nèi)部組織發(fā)生相變 , 其力學(xué)性能 (硬度 ,強 度 ,塑性等 )相應(yīng)發(fā)生改變的溫度。不同牌號鋼的臨界溫度不同， 如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的臨界溫度為 710750 C，而有些合金鋼的 臨界溫度達到 800900 C. 1 退火： 加熱 (至臨界溫度以上 2030度 )、保溫、隨爐緩慢冷卻 目的 : 預(yù)先熱處理 (鑄鍛之后 ,切削之前 ), 降低硬度、細化晶粒、 消除內(nèi)應(yīng)力 . 2 正火： 加熱 (至臨界溫度以上 3050度 )、保溫、空氣冷卻 目的： 同

13、退火，冷卻速度大于退火的冷卻 , 可獲更高的力學(xué)性能 3 淬火： 加熱 (至臨界溫度以上 3050度 ), 保溫 , 水、油或鹽水冷卻 目的： 提高零件的硬度和耐磨性，強化材料。但淬火后，出現(xiàn)內(nèi) 應(yīng)力，材料變脆，須回火。 方法： 單介質(zhì)淬火 ;雙介質(zhì)淬火 (水淬油冷 , 淬透性高 , 防開裂 , 復(fù)雜 ) 4 回火： 零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，保溫，以一定速 度冷卻。 目的： 降低脆性 , 消除內(nèi)應(yīng)力。防止零件變形開裂 ; 達到設(shè)計圖 紙要求的硬度 . 回火工藝的種類： 1、低溫回火（ 150 250C） 2、中溫回火（ 350 500C） 3、高溫回火（ 500 650C） 調(diào)質(zhì)處理

14、淬火 +高溫回火 使用得最多的熱處理工藝 , 可獲得較好的綜合機械性能 , 即良好 的強度、韌性和塑性。 5 表面熱處理 僅對鋼的表面進行加熱和冷卻而不改變其成分的熱處理工藝。 目的：提高零件的 表層 硬度、抗磨損性能。 感應(yīng)加熱： 感應(yīng)線圈通入交流電產(chǎn)生交變磁場 , 工件置入磁場產(chǎn) 生感應(yīng)電流 , 利用交流電的集膚效應(yīng) (電流密度分布不均 )，對零 件進行加熱，并通過控制電流頻率得到不同的淬硬層深度 (頻率 越高 , 透入深度越淺 , 加熱層越薄 )。 火焰加熱： 利用火焰加熱工件表面，然后 立即用水噴射冷卻。調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移 動速度即可得到不同厚度的淬硬層。 方式： 6 化學(xué)熱處理 將鋼

15、件置于一定溫度的活性介質(zhì) (滲碳劑 ,氨氣等 )中保溫， 使一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學(xué)成分和組織，達到 改進表面性能、滿足技術(shù)要求的熱處理過程。 目的： 提高鋼件 表層 的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和疲勞強度等 力學(xué)性能。 按表面滲入元素的不同，分為滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、 滲鋁等種類。 氣體滲碳是將零件裝在密封的滲碳 爐中 ,加熱并向爐中滴入易分解的有機氣 體如煤油、苯等，或直接通入煤氣等滲 碳氣體，反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，從而達 到鋼件表面滲碳的目的。優(yōu)點是生產(chǎn)率 高，過程可控，滲碳層質(zhì)量好。 3-1 概述 3-2 金屬材料的力學(xué)性能 3-3 常用的工程材料 3-4 鋼的熱處理 3

16、-5 表面精飾 3-6 精密儀器材料選用原則 3-5 表面精飾 在金屬零件的表面附上一層覆蓋層 , 以達到防蝕、裝飾等目的 . 種類 電鍍 鍍鉻 : 鍍鉻層化學(xué)穩(wěn)定性高 ,有較高的硬度和耐磨性及很好的 表面粗糙度 . 鍍鎳 : 可 獲得良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并具有良好的導(dǎo)電性 . 鍍鋅、鍍銀 化學(xué)處理： 氧化和磷化 氧化是在零件表面上形成氧化膜的工藝過程，磷化的過程則 是在零件表面上生成一層在大氣中穩(wěn)定的磷酸鹽膜。 涂漆 3-6 精密儀器材料選用原則 選擇材料時主要考慮的因素有材料的 使用要求、工藝要求 和經(jīng)濟要求 。 使用要求 (首要考慮 ) 在分析零件工作條件和失效形式的基礎(chǔ)上，在受力狀況、

17、環(huán)境狀況以及特殊性能方面提出要求，據(jù)此確定材料的具體力 學(xué)、物理、化學(xué)性能指標(biāo) , 最后可按經(jīng)驗類比或查手冊進行選材 . 如對于低速、輕載的三輪車的傳動軸 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；對速 度較高、載荷較重的汽車傳動軸 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；而對高速、重 載的汽輪機的主軸 合金鋼。 若零件的尺寸取決于強度，應(yīng)選用強度極限較高的材料；若零 件的尺寸取決于剛度，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料；若零件的尺 寸取決于接觸強度，應(yīng)選用表面強化處理的材料；滑動摩擦下工作 的零件，應(yīng)選用減摩性能好的材料；高溫工作下的零件，選用耐熱 材料；腐蝕介質(zhì)中工作的零件選用耐腐蝕材料。 工藝要求 在滿足使用性能要求的同時還應(yīng) 滿足工藝性能要

18、求 . 例如對于毛坯為鑄 件、鍛件、焊接件時 ,應(yīng)分別選擇鑄造性能好的材料 (灰鑄鐵 ),鍛造性能 好的材料 (黃銅、低碳鋼 )和焊接性能好的材料 (低碳鋼或低碳合金鋼 )。 對于尺寸小的齒輪、軸類等旋轉(zhuǎn)體零件，可用棒料直接加工。對 于形狀簡單、薄壁的零件，生產(chǎn)批量較大時，可壓力加工成形。在自 動機床上進行大批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)考慮材料的切削性能要好 . 此外 還必須考慮材料的熱處理工藝性能 (淬透性、變形開裂傾向性等 )。 經(jīng)濟要求 選擇材料時，必須考慮到生產(chǎn)的經(jīng)濟性和材料的相對價格 , 不應(yīng) 片面選用優(yōu)質(zhì)材料。在滿足使用要求和工藝要求前提下 , 應(yīng)盡可能選 用普通材料和價格低廉的材料 , 以降低生產(chǎn)成本 . 另外還要考慮批量、 加工費用、環(huán)境污染、能源消耗等。 本章作業(yè)： 2-1, 2-2, 2-4, 2-6, 2-7, 2-9