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1、2.3 机械工程材料及钢的热处理,金属材料的机械性能及工艺性能 金属材料的热处理及零件表面处理 常用金属材料 常用非金属材料 选用材料的一般原则,金属材料的机械性能及工艺性能,金属材料的机械性能 金属材料的机械性能主要是指在外力作用下表现出来的特性。 如：强度、刚度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。,强度,强度：是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度极限 和屈服极限 是表征强度的主要性能指标。 屈服极限是材料发生塑性变型时的应力； 强度极限是材料发生断裂时的应力。,刚度,刚度：是指材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E:在弹性变形范围内，应力与应变的比值E为常数，称为弹性模量； 弹性模量E是表征
2、材料刚度的主要性能指标。,塑性,塑性：是指在外力作用下，金属产生塑性变型而不产生断裂的能力。工程上一般用材料被拉断后所留下的残余变形来表示材料的塑性，一般用两个指标来表示： 延伸率： 收缩率：,硬度,硬度：材料抵抗压入物压陷的能力，即材料对局部塑性变形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分别为：HRC和HBC。,韧性和疲劳强度,材料抵抗冲击载荷和变载荷的能力。 韧性：在冲击载荷作用下，材料抵抗破坏的能力。 疲劳强度：金属材料受到交变载荷作用时会产生交变应力，即使其应力未超过屈服极限，但当应力循环次数增加到某一数值N后，材料也会发生断裂，这种现象，叫金属的疲劳。,疲劳曲线,材料承受交变或重
3、复应力与其断裂前的应力循环次数N之间的关系曲线，称为疲劳曲线。,循环次数N,应力,107,金属材料的工艺性能,是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。 金属材料常用的加工工艺方法： 铸造、压力加工、焊接、切削加工等。,各种工艺方法对材料提出的要求,铸造：将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后而得到的一定形状和性能的铸件的方法。 铸造性：是指浇注时液态金属的流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向等。 灰口铸铁和青铜有良好的铸造性能。,锻造性：是指材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。 低碳钢的锻造性好，铸铁没有锻造性。,焊接性：是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条间下，
4、能否获得良好焊缝的性能。 低碳钢的焊接性能好，铸铁的焊接性能差。,切削加工性：是指对材料进行切削加工的难易程度。 灰口铸铁具有良好的切削加工性。,金属材料的热处理与零件的表面处理,钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，从而改变（或改善）其组织结构，以达到预期性能的操作工艺。 热处理不改变工件形状，只改变内部组织结构，以获得不同的机械性能。 钢的热处理可以改善钢的加工工艺性能、提高钢的机械性能、增加寿命、耐磨性等。,热处理方法：,1、退火：将钢件加热到临界温度以上2030度，经保温一段时间后随热处理炉（或埋入石灰石、沙中冷却）缓慢冷却至500度以下，然后在空气中冷却。 目的
5、：降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒，减少组织的不均匀性，消去工件在锻造、铸造中出现的内应力。,2、正火：将钢件加热到临界温度以上3050度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却。 目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高。,3、淬火和回火 淬火是将工件加热到临界温度以上3050度，保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。 目的：提高钢的硬度和强度。但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较高的强度、硬度和韧性。,回火：将淬火后的工件加热到临界温度以下，保温一定时间后在空气或水或油中冷却。 目的：硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。 调质：淬火高温回火，可以
6、使钢材获得良好的综合机械性能。,表面化学热处理,化学热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却的方法使介质中的某些元素渗入钢件表面，改变了表面层的化学成分，从而使其表面具有与内部不同的特殊性能。一般都是使表面获得高硬度、高疲劳极限，以及耐磨、防腐蚀性能。,渗碳,将低碳钢工件放在大量含碳的固体（木炭粉和碳酸盐）或气体（天然气、煤气等）介质中，加热到850950，保温一段时间，使碳扩散到钢表面层内，使表面层的含碳量达到0.8%1.2%。再经淬火和低温回火，从而获得高硬度和耐磨性。,氮化,将钢件放入含有氮的介质或利用氨气加热分解的氮气中，加热到500620，持续保温2050小时，使氮扩散
7、渗入钢件表面层内。经氮化处理的钢件不再经淬火便具有很高的表面层硬度及耐磨性，并大大提高疲劳极限、耐腐蚀性能及耐热性。,金属零件的表面处理,表面处理是在金属表面附上一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。通常分电镀、化学处理和涂漆三种。,电镀,电镀是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀上一薄层其它金属或合金的过程。 分为：镀铬 、镀镍 、镀锌,化学处理,金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。 氧化是零件表面形成该金属的氧化膜，以保护金属不受侵蚀，并起美化作用； 磷化是在金属表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。,常用金属材料,铸铁 碳素钢 合金钢 有色金属材料,常用金属材料
8、,1、铸铁：铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。 性能：具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且价格低廉，生产设备简单。因此，它是应用最多的一种金属材料。 分类：（1）灰口铸铁；（2）可锻铸铁； （3）球墨铸铁；（4）合金铸铁,碳素钢,通常把含碳量在0.02%2.11%之间的铁碳合金称为钢（碳素钢）。 碳素钢可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件，但锻件的形状一般比铸件简单。 分类 （1）普通碳素结构钢：Q195、Q215等 （2）优质碳素结构钢：30、45号钢等 （3）碳素铸钢：ZG310570等 （4）碳素工具钢；T10等,合金钢,为了改善钢的性能，专门在钢中加入一
9、种或数种合金元素的钢叫做合金钢。 合金元素的种类：铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、硅（Si）、硼（B）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、锆（Zr）和稀土元素（Re）等。 目的：使钢获得一般碳素钢达不到的性能，如硬度、强度、塑性和韧性等；提高耐磨、防腐、防酸性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等。,合金钢分类,合金钢按用途来分一般可分为三大类：合金结构钢：调质钢、弹簧钢、轴承钢 合金工具钢：刃具钢、磨具钢、量具钢 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢等。,有色金属材料,与钢、铁相比，有色金属的强度较低。应用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化学性能：如铝、镁、钛及其合金密度小；铜、铝及其合金
10、导电性好；镍、钼及其合金能耐高温等。因此，工业上除大量使用黑色金属外，有色金属也得到广泛的应用。有色金属及其合金种类繁多。,常用非金属材料,工程塑料：聚酰胺、尼龙、等。 工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等。 复合材料：玻璃纤维树脂基复合材料、 层合复合材料。,选择材料的一般原则,1、使用性原则 若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又有所限制时，则应选用强度较高的材料；若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料（如调质钢、渗碳钢等）；在滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。,2、工艺性原则 用金属制造零件的方法基本上有四种：铸造、压力加工（锻造、冲压）、焊接和机械切削加工（车、铣、刨、磨、钻等）。 不同加工方法使用的材料不同：比如铸铁具有很好的铸造工艺性，但不能锻造。,3、经济性原则 在满足使用要求的前提下，选用材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和加工制造的费用。 机械化、自动化的生产对材料的加工性能及尺寸规格的一致性要求十分严格，因此不能轻易采用劣质材料来达到降低成本的目的。,
