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1、第五节 机械零件常用材料及钢的热处理,本节概述,机械产品的设计制造过程中，会遇到材料选择、确定毛坯及零件的加工工艺方法、合理进行结构设计等问题。本节概述机械零件常用材料及其加工方法。 机械零件常用材料是钢和铁，钢经正确的热处理后，能提高使用性能，改善工艺性能，可充分发挥材料的潜力、减少废品、保证质量、降低成本、提高经济效益等。,第五节 机械零件常用材料及钢的热处理,1 金属材料的力学性能和工艺性能 2 钢的热处理 3 常用金属材料,1 金属材料的力学性能和工艺性能,一、力学性能,力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、塑性、硬度、韧性等。 强度和塑性,强度是材料抵抗变形和
2、断裂的能力，有屈服强度、抗拉强度等。,塑性是材料产生永久变形而不断裂的能力，用伸长率和断面收缩率来衡量。,硬度指标,硬度是指材料表面抵抗其它更硬物体压入的能力。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度等。,1 金属材料的力学性能和工艺性能,1金属材料的力学性能和工艺性能,(1)布氏硬度(如图1-1所示),它是在一定载荷作用下，将一定直径的压头压入材料表面，并保持载荷至规定的时间后才卸荷，然后测得压痕的直径，根据所用载荷的大小和所得压痕面积，算出压痕表面所承受的平均应力值。这个应力值就是布氏硬度值。,应用中一般不用计算，而是根据压痕直径d的大小，从专门硬度表中直接查取。布氏硬度用HBS（用钢球测定)或HB
3、W（用硬质合金球测定）表示。,硬度值标注时只需标注其符号和数值而不标注单位。 如200HBS、450HBS 等。,图1-1,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(2)洛氏硬度（如图1-2所示 ）,我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其试验规范及使用规范见下表。,它是以顶角为120的金钢石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先施加初载荷，然后再加主载荷，压入试样表面并保持一定时间后，卸除主载荷，在保留初载荷的情况下，根据试样表面的压痕深度h来确定被测的洛氏硬度值。用HR表示。,图1-2,1 金属材料的力学性能和工艺性能,材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。其大小用冲击韧度表示。我们通
4、常采用规定形状和尺寸的试样在冲击试验力作用下折断时吸收的功Ak，然后根据相同试验条件下材料Ak值的大小来评定材料冲击韧度的好坏。一般将Ak值低的材料称为脆性材料，Ak值高的材料称为韧性材料。,韧度指标,1 金属材料的力学性能和工艺性能,二、工艺性能,工艺性能是指将金属材料变成毛坯或零件，就要对其进行加工，以改变其形状和尺寸的难易程度。按加工原理分，主要的加工方法有四种：铸造、锻压、焊接和切削加工。,(1)铸造,将熔化的金属浇注到铸型的型腔中，待其冷却后得到毛坯或直接得到零件的加工方法称为铸造。由铸造得到毛坯或零件称为铸件。,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(2)锻压,包含锻造和板料冲压。 锻
5、造是指金属加热后，用锤或压力机使其产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(2)锻压,板料冲压是指板料在机床压力作用下，利用装在机床上的冲模使其变形或分离，从而获得毛坯或零件的加工方法。,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(3)焊接,焊接是通过局部加热、加压或加热同时加压的方法，使分离金属借助原子间结合与扩散作用而连接起来的工艺方法。,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(4)切削加工,切削加工是利用金属切割工具，从金属坯件上切去多余的金属，从而获得成品或半成品金属零件的加工方法。 切削加工分机械加工和钳工两大类。 常用的机械
6、加工有：车削、钻削、镗削、刨削、铣削及磨削加工。,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(4)切削加工车削,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(4)切削加工钻削,1金属材料的力学性能和工艺性能,(4)切削加工铣削,1 金属材料的力学性能和工艺性能,(4)切削加工刨削,2 钢的热处理,钢的热处理是将钢在固态状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法（如右图所示），促使其内部组织结构发生变化，从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的目的。,2 钢的热处理,钢常用的热处理方法有：普通热处理、表面热处理和化学热处理。,2 钢的热处理,一、普通热处理 包括：退火、正火、淬火、回火和调质。,1.退火、
7、正火,退火指把钢件加热到临界温度（在钢的固态范围内，引起钢内部组织结构发生变化的温度）以上，经适当保温，然后随炉缓慢冷却的一种工艺。 退火类型：完全退火、球化退火、去应力退火。 主要目的：降低硬度，易于切削；细化晶粒，改善性能；消除残余应力，防止变形开裂。,2 钢的热处理,正火把钢件加热到临界温度以上，经适当保温，然后在空气中冷却的一种工艺。,主要目的： （1）低碳钢，调整硬度、防止粘刀 （2）中碳钢，细化晶粒 （3）高碳钢（过共析钢），消除网状渗碳体 （4）对力学性能要求不高的零件，作为最终热处理。,2 钢的热处理,正火、退火的选择：,（1）从切削加工性上考虑,对于低、中碳结构钢以正火作为预
8、先热处理比较合适： 提高硬度，防止“粘刀”； 中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。 高碳结构钢和工具钢则以退火为宜；,（2）从使用性能上考虑,如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。,（3）从经济性考虑,正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。,2 钢的热处理,2.淬火、回火和调质,淬火指将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使之在水或油中迅速冷却的过程。 其目的主要是为了提高材料的硬度。淬火后的钢虽然具有高的硬度和强度，但脆性大，
9、组织也不稳定，而且工件内部残存着淬火内应力，必须回火处理后才能使用。 回火是将淬火后的钢再次加热到一定温度（低于临界温 度），保温一定时间后，在空气中冷却的工艺方法。 其目的主要是提高钢的韧性；减小或消除工件淬火时产生的内应力；稳定组织，保证工件的精度。,2 钢的热处理,2.淬火、回火和调质,根据钢在回火后组织和性能的不同，按回火温度可将回火分为三类： 1）低温回火（150250 ）：主要用来降低材料的脆性和淬火内应力，保持高的硬度，同时具有一定的韧性。适用于要求高硬度的耐磨零件。如：刃具、量具、模具等。 2）中温回火（250500）：目的在于保持一定韧性的条件下，提高材料的弹性和屈服点。主要
10、用于各种弹簧和承受冲击的零件。 3）高温回火（500650）：淬火加高温回火的工艺过程称为调质。调质处理可以提高和改善材料的综合机械性能。主要用于各种重要的受力构件，如连杆、齿轮和轴等常采用调质处理。,2 钢的热处理,二、表面热处理 对于一些要求表面有高硬度以增加其耐磨性，而心部有高韧性以提高其抗冲击能力的零件，可以采用表面热处理，即是对钢的表层进行淬火的工艺。 主要有：火焰表面淬火、高频表面淬火等。 火焰表面淬火：火焰表面淬火是应用氧乙炔（或煤气-氧等）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为26mm。,2 钢的热处理,三、化学热处理 化学热处理是把零件放入化学介质（如碳、
11、氮等）中加热、保温，使介质元素渗入零件表层中，使其化学成分改变，从而使表层的组织性能变化。 常用的方法有：渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）。,2 钢的热处理,高频淬火+低温回火,钢的热处理工序位置：合理安排热处理工序位置，对保证零件质量和改善切削加工性能有重大意义。一般来说，热处理工序位置安排如下： 下料 毛坯生产 热处理 机械粗加工 热处理 机械精加工（磨削）,（退火或正火）,（退火、回火活表面热处理）,3 常用金属材料,3 常用金属材料：钢、铸铁、有色金属,一、钢,指含碳量（碳质量分数）小于等于2.11%的铁碳合金,它有高的强度、塑性和韧性，可用铸造、锻造、焊接等方法来获得零件的毛坯，
12、在机械制造中应用广泛。,（1）低碳钢：含碳量0.25% ，其强度和硬度低，但塑性和焊接性能好，适用于冲压、焊接等方法成型； （2）中碳钢：含碳量0.25%-0.6% ，有好的综合力学性能，应用最广； （3）高碳钢：含碳量0.6% 常用作弹性或不易磨损元件。,按含碳量分有：,3 常用金属材料,按钢的质量分有：普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。,按钢的用途分有：,1、碳素结构钢：（含碳量 0.7%）用于制造各种机械零件和工程结构件；,2、碳素工具钢：（含碳量 0.7%）用于制造各种刃具模具和量具。,3 常用金属材料,3 常用金属材料,在实际使用中，钢的分类命名往往是混合应用的。,1.普通碳素
13、结构钢（如表1-2所示）牌号由Q加屈服点数值组 成，如Q235；,2.优质碳素结构钢（如表1-3所示）牌号用两位数字表示，如 45钢表示，其平均含碳量为0.45%；,3.合金结构钢（如表1-4所示），在碳素结构中添加合金元素的钢。 添加合金元素的目的在于提高钢的力学性能、工艺性能和物理 性能。牌号用数字加合金元素符号表示，如20Mn2，20表示碳质 量分数为0.2%，Mn2表示锰的质量分数为2%。当合金元素的质量 分数小于1.5%时，不标明含量，仅用元素符号表示，如40Cr。,4.铸钢（如表1-5所示）牌号用字母和材料的屈服点与抗拉强度 所组成，如ZG200400。,3 常用金属材料,表1-2 普通碳素结构钢,3 常用金属材料,表1-3 优质碳素结构钢,3 常用金属材料,表1-4 合金结构钢,3 常用金属材料,表1-5 一般工程用铸造碳钢,3 常用金属材料,其性脆，不适于锻压和焊接，但其熔点较低。具有良好的铸造性，耐磨性和切削加工性，生产简单、价格便宜，应用广泛。,常用的铸铁有：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。,二、铸铁,灰铸铁有较好的机械性能和工艺性能，应用较广，其性能如表1-6所示。 铸铁的牌号由“灰铁”二字的汉语拼音字母和材料的最低抗拉强度所组成。如 HT150,铸铁是含碳量高于 2.11%的铁碳合金。,3 常用金属材料,表1-6 灰 铸 铁,
