工程材料和热处理(补)(1)

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1、工程材料和热处理,工程材料分类： 按化学成分,第一节 概述,第二节 金属材料的力学性能,金属材料的性能：使用性能和工艺性能； 使用性能：力学性能；物理性能；化学性能； 力学性能：金属材料在载荷作用下所表现出来的特性。 包括：强度；塑性；硬度；韧性。,第二节 金属材料的力学性能,一、强度,材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。,低碳钢的应力应变曲线,比例极限,屈服极限,强度极限,屈服,颈缩,弹 性,屈 服,强 化,局部变形,断 裂,低碳钢试样拉伸时的各阶段特征,2）断面收缩率, 5% 为塑性材料，如碳钢、黄铜、铝合金等； 5% 为脆性材料，如灰铸铁、玻璃、陶器、石料等。,二、塑性,-金属材

2、料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力 1）断后伸长率 =(L1-L0)/L0,应力-应变图的形状表征着材料的特定的力学行为，对于不同的材料，应力-应变图各不相同，甚至有很大差异。,图a灰口铸铁 图b低碳钢 图c高分子材料,三 硬度,硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 常用的硬度指标： 布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。,随着C含量的增加一般规律是： 强度增加、硬度增加、 脆性增大、韧性下降、塑性下降,四、韧性 -金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,冲击韧度=冲击吸收功/试样的断口处截面积（cm2）,第三节 常用的工

3、程材料,金属材料,工业 用钢,铸铁,黑色金属,有色 金属,一、黑色金属 钢（含碳量 小于 2.11%的铁碳合金）,钢的分类：,1）含碳量 （按碳的质量分数）,低碳钢 ( c0.25%),中碳钢(0.25% c 0.6%),高碳钢(0.6% c 2.11%),2）化学成份 （按合金成份）,合金钢（除Fe、C外，还有其它合金元素）,碳素钢,3）钢的品质 （按有害杂质S、P含量）,普通钢（s0.05% ;p0.045%）,优质钢 （s0.035% ;p0.035%）,高级优质钢（s0.025%；p0.025%）,4）钢的用途 （按行业使用）,结构钢（建筑、机械制造用）,工具钢（工具、刀具、模具等用）

4、,特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）,介绍钢的使用特点及应用、牌号：,牌号：,1、碳钢与合金钢 1）碳钢 普通碳素结构钢,字母Q + 屈服强度(Mpa) + 质量等级。,表示普碳结构钢,共分195、215、235、255、275五种。,共有A,B,C,D四个级别，A级最差。,如：Q235A；Q215B；,普通碳素结构钢的应用,钢板、钢筋,螺钉、铆钉,建筑构件,钢桥梁,锉刀,碳素工具钢,量规,钻头,优质碳素结构钢,牌号：,由两位数字组成,表示碳的平均万分含量（常用：0885）,如45（表示C=0.45%的优质碳素结构钢）,当Mn=0.71.2%时，在数字后加Mn,如65 Mn（表示c=0.

5、65% ,Mn=0.71.2%的优质碳钢）。,齿轮,螺栓,优质碳素结构钢的应用,3055钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。,曲轴,弹簧,优质碳素结构钢,6585钢：有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。,2） 合 金 钢,牌号：,数字 + 元素符号 + 数字,表示碳的平均万分含量,合金元素平均百分含量：1.5%不标记，,表示所含合金元素的名称,如：20Cr（表示c=0.2% ,Cr1.5%的合金结构钢),如：38CrMnAl（表示c=0.38% ,Cr、 Mn Al的含量均 1.5%的合金结构钢),如：60Si2Mn（表示c=

6、0.6% ,Si=1.52.49%，的Mn1.5%的合金结构钢),滚动轴承钢,牌号：,字母G+合金元素+数字,表示滚动轴承用钢,表示所含主要合金元素的名称,如：GCr9（表示Cr=0.9% 的滚动轴承钢),只标出铬元素平均千分含量，其它不标记，,如：GCr15SiMn（表示Cr=1.5% 的滚动轴承钢),成份：,C=11.15%, 加入了Mn、Si等合金元素，热处理后使用。,拨叉,变速齿轮,合金渗碳钢,20Cr、20MnTi、 20Cr2Ni4：有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，用于受冲击载荷的重要零件。,40Cr、40CrMn、 38CrMnAl ：有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重

7、要零件。,汽车万向节,连杆,合金调质钢,合金弹簧钢,55Si2Mn、 60Si2Mn：具有高屈强比，高疲劳强度，高弹性极限和韧性，用于弹簧等零件。,滚珠,滚珠轴承,滚珠轴承钢,铣刀,合金刃具钢,模具,合金模具钢,螺纹规,游标卡尺,千分尺,量具用钢,燃气轮机,耐热钢,破碎机颚板,履带,铁轨分道叉,挖掘机斗齿,耐磨钢,如ZG230450 （表示含碳量屈服点为s=230MPa, 抗拉强度为的b=450Mpa的碳素铸钢）；,2、 铸钢,牌号：,字母ZG + 数字 数字,表示铸钢,表示抗拉强度b （Mpa）,表示屈服点s（Mpa）,重型机械齿轮,铸钢,特点与应用：,由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难

8、以切削加工、尺寸大，难以锻造加工的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。,3、灰口铸铁,牌号：,字母HT + 数字,表示灰口铸铁,表示最低抗拉强度b （Mpa）,HT150,特点与应用：,强度、塑性、韧性不如钢，软而脆。 抗压强度高，抗拉强度低。 有良好的耐磨性、减震性和切削性； 石墨有自润滑作用。 常用于床身、机架、底座、箱体、壳体、导轨、缸体、活塞环、带轮等零件。,如：QT40018,特点与应用：,球状石墨对基体的割裂作用小，综合力学性能较高，并具有良好的减震性和耐磨性 一些受力复杂、强度韧性和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗杆、伐门、机座、汽车后桥等。.,4、球墨铸铁,牌

9、号：,字母QT+ 数字 数字,表示球墨铸铁,表示最低抗拉强度b （Mpa）,表示最低伸长率 （%）,二、有色金属,除钢铁（黑色金属）以外的其它金属材料。,1、铝及铝合金,（1）纯铝,特点及应用：,轻，密度低 配置铝合金 导电导热性好 导线、电容 抗大气腐蚀 包覆材料 加工性能好 包装材料 强度低 不能作为承受载荷的结构材料应用,（2）铝合金,牌号：,5A02（防锈）、2A11（硬铝）、 7A03 （超硬铝）2A50（锻铝）,铝锰合金（防锈铝合金）：抗蚀性高，塑性好。应用于油箱、 油管（罐）、铆钉等。 铝铜合金（又称硬铝）：强度较高，塑性好。主要用于飞机构件，如飞机蒙皮、螺旋桨、叶片等重要零件。

10、 铝锌合金（超硬铝）：强度很高，耐热性、抗蚀性差。应用于飞机大梁、起落架等主要受力构件。 铝镁合金（锻铝合金）：塑性好、易于压力加工。应用于航空工业中的管道、铆钉等。,2、铜及铜合金,（1）纯铜（紫铜）,牌号：,T1、T2、T3、T4、-,序号越大，纯度越低,特点及应用：,良好的导电性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。 主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。,（a）黄铜（铜锌合金）,牌号：,普通黄铜：H,平均含铜量的百分数,特点良好的耐蚀性,应用：弹壳、散热器、垫片、油管,（2）铜合金,（b）青铜,牌号：,锡青铜：QSn,Sn含量的百分数,锡青铜：有较高的抗蚀性、耐磨性 轴瓦、轴套等耐磨零件。

11、 铝青铜：有较高的强度、抗蚀性、耐磨性、耐热性和焊接性 齿轮、蜗轮、轴套、船舶等零件。,三、非金属材料 （1）工程塑料 密度小，耐蚀性好，绝缘，加工性好。 机械强度差，特别是刚性差，耐热性低，一般100 C以下。散热性差，易老化，易燃。 聚酰胺（尼龙） 聚乙烯（PE）塑料可制作食品包装袋、奶瓶、容器等。 聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。 聚丙烯（PP）可用于水暖结构件。 聚苯乙烯（PS）可用于制造仪表外壳。,PE管材,聚丙烯制成电容器外皮,聚丙烯管子,摩托车挡泥板,（2）橡胶 弹性好，绝缘性好，耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。主要用于弹性材料、密封材料、减振材料、传动材料。 （3）人工合成

12、矿物 主要有刚玉和石英。,o,四、复合材料 基体材料+增强材料 特点 高比强度、高比模量 抗疲劳性能好 减摩、耐磨、自润滑性能好 化学稳定性好 具有其他特殊性能，如隔热性，特殊的电、光、磁性。 抗冲击性能低 五、新型及特种用途材料 （1）非晶态合金 （金属玻璃） 特点：高的强度、硬度和断裂韧性，良好的磁性及耐蚀性好 变压器、磁头、耐腐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽等。 （2）纳米材料,小 结,含碳量小于2.11%的铁碳合金,1）以含碳量 C%,0.6%（高）,2）以化学成份,碳素钢，合金钢,3）以钢的品质,普通钢，优质钢 ，高级优质钢,4）以钢的用途,结构钢，工具钢，特殊性能钢,钢,结 构 钢

13、,普通碳素结构钢： Q235A；Q215B；,优质碳素结构钢： 45；65Mn；,合金结构钢：20Cr;38CrMnAl;60Si2Mn;(GCr9),铸 钢,铸造碳钢：ZG230450； ZG270500；,*常用钢种的牌号及识别：,含碳量大于2.11%的铁碳合金,白口铸铁,无牌号标记,灰口铸铁,HT150； HT200；,可锻铸铁,KTH30006； KTZ45004；,球墨铸铁,QT40018；QT6003,铸铁,第四节 钢 的 热 处 理,基本组织,铁素体：F； C0.0218%；工业纯铁；强度、硬度低，塑性、韧性好。,奥氏体：A； 0.0218% C 0.77%；存在于727以上；强

14、度、硬度较低，塑性、韧性较好。,渗碳体：Fe3C； C=6.69%；硬度很高，脆性很大，塑性、韧性几乎为零，不单独使用。,珠光体：P； c=0.77%；铁素体和渗碳体的机械混合物；强度、硬度较高，又有一定塑性和韧性，综合性能好。,莱氏体：Ld； c=4.3%；奥氏体和渗碳体的机械混合物；与渗碳体类似，硬度很高，塑性和韧性极差。,概述,第四节 钢 的 热 处 理,状态图,工业纯铁： C 0.0218%,钢,亚共析钢,共析钢,过共析钢,铸铁： 2.11% C 6.69%,第四节 钢 的 热 处 理,含碳量的影响,第四节 钢 的 热 处 理,状态图的应用,选材和工艺参考,钢 的 热 处 理,为什么要

15、进行热处理 什么是热处理 热处理的实质 如何进行热处理,热处理的 实质,马氏体 贝氏体 索氏体 屈氏体 珠光体,铁素体和渗碳体,热处理： 将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。,把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随 炉 冷） 用途：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加工性能，去除内应力；性能要求不高的机械零件的最终热处理。,1、普通热处理 （1）退 火(Annealing),把钢加热到相变温度以上3050 C，保温一定时间，然 后空冷 正火与退火的区别： 冷却速度不同：正火冷速较大，得到的珠光体组织细，因 此强度 和硬度也较高。 若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能会产生较大的内应力和 变形，甚至开裂。 正火 经济。,（2）正 火(Normalizing),把钢加热到相变温度以上的某一温度，使钢呈奥氏体状态， 然后快速冷至室温（油冷或水冷），从而获得马氏体组织 提高钢的硬度和耐磨性。,调质：淬火+高温回火。 适用于各种重要的零件。,（3）淬 火 (Quenching),视频1,视频2,视频3,视频4,视频5,将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态。 硬度下降，但韧性有较大改善。 淬火和回火必须配合使用,调