机械基础热处理

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1、第四章 工程材料,工程材料是制造机械零件的原料。机械零件的结构、形状、大小和使用条件不同，对材料的要求也不同。常用的材料有黑色金属、有色金属及非金属。了解各种材料的牌号、性能及应用，以及黑色金属材料的热处理方法，为中职学生了解机械零件的使用和维护提供必备的基础知识。 黑色金属材料具有良好的力学性能，大部分机械零件都选用黑色金属作为零件的材料。因此，黑色金属材料的内容和热处理方法是本章的学习重点。,41 金属材料的性能,一、金属的物理性能和化学性能 1.金属材料性能 使用性能工艺性能 使用性能物理性能化学性能力学性能 工艺性能 生产、加工条件下表现的性能。 2.物理性能密度熔点导热性导电性热膨胀

2、 性磁性 二、金属的力学性能和工艺性能 1. 力学性能指金属材料在外力作用下表现出来的性能 （1）强度 安全生产的基本保证和满足机械零件达到设计寿命的 前提，也是机 械设计中必须达到的基本要求，是机械零件强度校 核的根据。 （2）塑性 （3）硬度 （4）冲击韧性,41 金属材料的性能,2.金属材料的工艺性能 包括多种内容，主要有泠加工的切削加工性能，和热加工的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能。切削加工性能即是否容易将材料切削成所需要的零件形状。一般说来，软材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面质量相对差一些；而硬材料的强度相对较高，加工较困难，但表面质量较好。所以具有良好切削性能和

3、较高强度的中碳钢应用较广。,（5）疲劳强度 机械零件在长期使用中，由于交变应力对材料的影响，可能出现突然的断裂破坏，设计零件的使用寿命必须保证在规定的时间内不能出现疲劳损坏,42黑色金属材料,黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。 一、钢的分类 1. 按化学成分分 （1）碳素钢 含碳质量分数的多少又分成低碳钢、中碳钢和高碳钢 （2）合金钢 如果含有合金元素，相应称为低合

4、金钢、中合金钢和高合金钢 （3） 铸铁 2.按钢的品质分 （1）普通钢,42黑色金属材料,（2）优质钢 （3）高级优质钢 3.按钢的用途分 （1）结构钢 从制造成本和加工工艺角度出发，机械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较高的零件。 （2）工具钢 选用中碳钢作为具有一定强度和硬度要求的零件 （3）特殊性能钢 强度要求较高，又具有较好的塑性，则应用合金钢对于一般，重要的齿轮或轴选用中碳合金钢。,42黑色金属材料,二、钢的编号 1.碳钢的编号方法 (1)碳素结构钢 用Q代表屈服强度，如Q235 (2)优质碳素结构钢 用数字直接表示钢中碳的质量分数的万分之一。如45、35等表示钢中含碳的质量

5、分数为0.45%、0.35%。 (3)碳素工具钢 用 T表示，如T8 A钢。 (4)铸造碳钢 用 ZG表示,如 ZG 200400钢。表示屈服强度大于200MPa, 抗拉强度大于400MPa。 如果数字后加注A、B等符号表示质量等级。 A为高级。,42黑色金属材料,2.合金钢的编号方法 (1) 低合金高强度结构钢 如Q390A (2) 合金结构钢 如40Cr, 40表示含碳质量分数的万分之一；30CrMoA，合金的元素符号及含量的百分之1.5，末位加A表示优质。 （3）滚动轴承钢 在含碳质量分数元素符号前加G，如GCr15。 （4）合金工具钢 含碳质量分数小于1，用一位数表示的含碳质量分数的千

6、分之几。含碳质量分数小于1，不予标注。 （5）不锈钢 含碳较低，用“00”和“0”数字表示含碳质量分数，分别低于0.03%和0.08%，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬东西的原因。,42黑色金属材料,三、碳素钢 含碳质量分数小于2.11%而不特意加入合金元素的钢。 1.碳素结构钢 （1）普通碳素结构钢 含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有Q表示；如Q215、Q235、Q275。塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件。,42黑色金属材料,（2）优质碳素结构钢 含碳质量分数较多，为中碳钢，常用45、35钢。,2.碳素工具钢 含碳质量分数在0.7以上，硬度高，如T8

7、A、T10A、T12A。,42黑色金属材料,四、合金钢 在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。,42黑色金属材料,1.合金结构钢 低合金结构钢 16Mn代替Q235作建筑、桥梁材料。20CrMnTi经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好的韧性，作汽车变速箱齿轮。,42黑色金属材料,（2）机械制造用钢 中碳合金钢40Cr代替常用45钢作重要的轴等机械零件。 高合金钢60Si2Mn代替65Mn作重要弹簧。 滚动

8、轴承用钢Gr15用于制造常用滚动轴承。,42黑色金属材料,2.合金工具钢,（1）刃具钢 高速钢 用作加工刀具，钻头、各类铣刀。 刀具用钢 用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。 （2）模具钢 用作热 、泠模具，如Cr12、5CrMnMo。 （3）量具钢 如游标卡尺、千分尺。,42黑色金属材料,3.特殊性能钢 （1）铬不锈钢 既能防锈又有一定强度的耐腐蚀零件，如弹簧、医疗器械。 铬镍不锈钢 耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。 （2）耐热钢 用作锅炉材料，如42Cr9Si2. (3 ) 耐磨钢 用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢ZGMn13。,42黑色金属材料,铸铁的含碳质量分数大于2.11。 铸铁按其特性

9、分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 1.灰铸铁 在工业中应用最广，用汉语拼音HT表示。如HT150、HT200。力学性能低，铸造性能好，切削性能好，减振性能好。 2.球墨铸铁 高强度的铸铁，机械性能接近钢，如 QT400-15 表示最小抗拉强度为400MPa。,五、铸铁 铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。,42黑色金属材料,3.可锻铸铁 不是可以锻造的铸铁，俗称马铁。如 KTH330-08表示最小抗拉强度为330MPa。 此外，铸铁还是炼钢的生产

10、原料,43铁碳合金状态图分析,铁碳合金状态图又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。反映钢铁黑色金属中铁和碳元素，随着温度和含碳质量分数变化时，内部组织的变化状态。 一、简化的Fe-Fe3C状态的特征 见图48 1.特性点 A、G、C、E、S点 2.特性线 ACD线、AECF线、ECF水平线、ES线、GS线 3.相区 ACD 线以上、AESGA、 GPQ 、DFK,43铁碳合金状态图分析,二、碳的质量分数对钢的力学性能的影响,横坐标代表铁碳合金中含碳的质量分数，可分成三段。 即0.0218%的左侧为软铁；0.0218%到2.11%中间为最常用的结构钢；2.11%到6.69%右侧为铸铁。 纵坐标代表温

11、度的变化，当超过727时，铁碳组织的状态发生变化，即由F+P状态变成F+A状态。随着温度的升高，当温度超过GS线时，由F+A状态进入A状态，成为奥氏体；当温度超过AE线时，金属开始部分溶化，进入L+A区域, 既有奥氏体又有液态金属混合在一起。建议以45钢为例来说明，即在横坐标0.45处画一条纵坐标线来讲课。,43铁碳合金状态图分析,三、铁碳合金状态图的应用 1.钢铁材料的选用 韧性好、塑性好选低碳钢 韧性好、塑性好、强度高选中碳钢 强度高、耐磨性好选高碳钢 2.制定热加工工艺 （1）铸造 液相线以上50100度 （2）锻造 始锻11501250度；终锻750850度 （3）热处理 碳钢淬火在G

12、S 或SE线以上3050度,43铁碳合金状态图分析,45钢的铸造、锻造、热处理温度参考： 当温度超过727时，金属内部组织要开始相变，进入F+A区。 当温度超过约800时，45钢金属内部全部进入A区，即奥氏体区。 当温度超过约1450时，45钢的金属开始熔化，进入L+A区。 当温度超过约1500,45钢的金属全部融化，进入L区。 从铁碳合金状态图中，以45钢为例，可以得出： 45钢的铸造温度约在17001600之间。图中上右斜线区。 45钢的开始锻造温度在12501150之间，图中A区内的右斜线区。 45钢的热处理温度在800850之间，图中A区内打“”的线区。,44 钢的热处理,钢的热处理目

13、的是提高工件的力学性能，满足使用条件，延长使用寿命。热处理的方法简单、方便、效果好，要求的设备也不复杂，所以具备较高的使用价值，应用很广。 热处理的方法分为普通热处理，表面热处理和化学热处理三种。 一、 普通热处理 普通热处理有“四火”， 1.退火与正火 共同点都是将钢加热到一定的温度，如45钢加热温度到820。但冷却的方式不同，退火是采用缓慢冷却，如埋入沙、灰中或随炉温逐渐冷却，以消内部应力；正火是将工件暴露在空气中冷却。相比之下，正火冷却的速度要快，目的是要得到细化的组织结构，工件的硬度和强度较退火处理高，一般正火适用于提高低碳钢的硬度。,44 钢的热处理,2.淬火 目的是提高材料的硬度和

14、强度，只能适用于中碳钢或高碳钢工件。如45钢加热到830左右，快速放入水、油或盐溶中冷却，使工件的温度快速冷却而得到较高的硬度、强度，是一种常用的重要的热处理方法。 钢中含碳质量分数的高低，决定了淬火后工件的硬度大小，含碳质量分数越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火温度过高，将会使工件产生裂纹。 3.回火 消除淬火时产生的内应力，按回火温度分成三个： （1）低温回火 150250度 （2）中温回火 250500度 （3）高温回火 500650度,44 钢的热处理,淬火后高温回火称为调质，是合金钢常用的一种提高材料力学性能的有效方法。,二、钢的表面热处理 表面热处理仅处理工件表面，对工件的芯部不

15、作处理，保持其原来的特性。一般应用在工件表面需要具有较高的硬度，而芯部又要有较高的韧性，如齿轮传动的齿面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齿根和齿轮芯部要有较好的韧性，可以承受较大的抗弯曲能力。齿轮的材料常选用45钢，对齿面进行表面热处理。如果选用低碳合金钢表面渗碳处理，提高齿面的含碳质量分数后再做表面处理是最好的选择。如矿山用的大型载重汽车为了提高齿轮芯部的韧性，采用20CrMnTi低碳合金钢先作渗碳，后表面淬火的工艺。,44 钢的热处理,1.火焰加热淬火 设备简单，但受热不匀，生产效率低，质量不稳定。 2.高频加热淬火 效率高、质量稳定。在几秒钟内齿面迅速加热到淬火温度，后均匀喷洒冷却水使表面

16、硬度达到预定值。如铁道钢轨两端表面的淬火 3.表面化学处理 通过改变化学成分来处理工件表面的方法，如渗碳、氮化、发黑或发蓝，起到防锈的效果。 表面化学处理的深度较小，如渗碳6小时左右，才能达到0.2mm的深度。渗碳需要有专用的渗碳炉，工艺较为复杂，所需的时间较长。氮化的方法与渗碳相似，只是参与化学处理的元素不同而已。在表面处理中，渗碳比氮化应用较广。,45 有色金属材料,除黑色金属以外的其他金属都称为有色金属，由于其特殊性质，在工业上得到广泛的应用，常用的有色金属以铝、铜及其合金。钛及其合金的重量较轻，又有其特殊的性能，在工业上的应用也越来越广，但是价格较高。 一、铝及铝合金 1.铝 铝金属在生活中应用很广，如建筑上用的铝制窗口、飞机外壳等，其显著特点