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1、1,第2章 工程材料及热处理,金工实习,2.1 工程材料,2.1.1 常用工程材料分类 工程材料主要指用于机械工程、电气工程、建筑工程及航空航天工程等领域的材料。世界各国对工程材料的分类也不尽相同，但就大的类别来说，可以分为金属材料，非金属材料及复合材料三大类。,2.1.2 常用金属材料简介,1. 碳素钢 碳素钢是指碳含量低于2%，并有少量硅、锰以及磷、硫等杂质的铁碳合金。工业上应用的碳素钢碳含量一般不超过1.4%。这是因为含碳量超过此量后，表现出很大的硬脆性，并且加工困难，失去生产和使用价值，无法很好满足相关的生产和使用要求，常见的碳素钢制品如图2-1所示。 （1）碳素钢的分类 碳钢的分类方
2、法主要有下列几种： 按含碳量分 低碳钢Wc0.25%、中碳钢0.25%Wc0.60%、高碳钢Wc0.60%。 按质量分 普通碳素钢Ws0.050%，Wp0.045%；优质碳素钢Ws0.035%，Wp0.035%；高级优质碳素钢Ws0.020%，Wp0.030%。 按用途分 碳素钢分为碳素结构钢、碳素工具钢。 按冶炼方法分 平炉钢、转炉钢（氧气转炉、空气转炉）、和电炉钢。 按钢的脱氧程度分 沸腾钢（钢号后标“F”）、镇静钢（用“Z”表示，不标出）、半镇静钢（钢号后标“b”）。,（2）碳素钢的牌号、主要性能及用途,2. 合金钢,合金钢，就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢，加入的其他元素就叫做合金元
3、素。常用的合金元素有硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）及稀土元素（Re）等。合金元素在钢中的作用，是通过与钢中的铁和碳发生作用、合金元素之间的相互作用以及影响钢的组织和组织转变过程，从而提高了钢的力学性能，改善钢的热处理工艺性能和获得某些特殊性能。合金钢常用来制造重要的机械零件和工程结构件以及一些在特殊条件下工作的钢件，如图2-2所示。,（1）合金钢的分类 1）按化学成分分类 按合金元素含量的不同，合金钢分为低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合金钢（合金元素含量为5%10%）和高合金钢（合金元素含量大于10%）三类
4、。 2）按用途分类 合金结构钢 合金结构钢分为两类：一类为机器零件用钢；另一类为建筑及工程结构用钢。 合金工具钢 合金工具钢通常分为刀具钢、模具钢、量具钢等三类。 特殊性能钢 特殊性能钢是具有特殊物理、化学和机械性能的钢，分为磁钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,（2）合金钢的编号 我国合金钢的编号方法，是以钢的含碳量及所含合金元素的种类和数量来表示的。从牌号上可以直接识别出钢的化学成分、钢种及用途。合金钢的编号规则如下： 1）合金结构钢的编号 合金结构钢的编号原则是采用“数字+化学元素+数字”的方法。前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，例如平均含碳量为0.25%则以25表示。合金元素直
5、接用化学符号（或汉字）表示，后面的数字表示合金元素的含量，以平均含量的百分之几表示，合金元素的含量少于1.5%时，编号中只表明元素，不标明含量，如果合金元素含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应地以2、3、4等表示。例如，含有0.37%0.44%C、0.8%1.1%Cr的铬钢，以40Cr表示。含有0.560.64%C、1.52.0%Si，0.60.9%Mn的硅锰钢以60Si2Mn表示。 另外，对有些合金结构钢，为表示其用途，在钢号前面再附以字母。如：滚动轴承钢在钢号前加以“滚”字的汉语拼音字首“G”字，后面的数字表示铬的含量，以平均含量的千分之几表示，如GCr9（滚铬9）、GCr1
6、5（滚铬15）等。 2）合金工具钢的编号 平均含碳量大于等于1.0%时不标出；小于1.0%时以千分之几表示，但高速钢平均含碳量小于1.0%也不标出。合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同。例如，9SiCr表示平均含碳量为0.9%，Si、Cr平均含量小于1.5%的低合金工具钢。 3）特殊性能合金钢的编号 特殊性能合金钢的编号方法，基本上与合金工具钢相同，如1Cr13表示其平均含碳量为0.1%，铬含量为13%左右。但有些特殊性能合金钢，只表示其主要的合金含量，含碳量不标出，如Mn13只表示其含锰量为13%左右，含碳量在牌号上不予表示。,3. 铸铁,含碳量在2以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2
7、4。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有13的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。按断口颜色可分为灰口铸铁、白口铸铁、麻口铸铁等，常见的铸铁及其制品如图2-3所示。,（1）灰铸铁 这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，普遍应用于工业中。 （2）白口铸铁 白口铸铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。由于其具有很高的表面硬度和
8、耐磨性，又称激冷铸铁或硬铸铁。 （3）麻口铸铁 麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，应用极少。,4. 非铁金属及其合金,有色金属是指铁、铬、锰三种金属以外所有的金属。与黑色金属相比，更具有耐蚀性、耐磨性、导电性、导热性、韧性、高强度性、放射性、易延性、可塑性、易压性和易轧性等特殊性能。它是发展现代工业、现代国防和现代科学技术不可缺少的重要材料。 （1）铝及铝合金 1）纯铝 纯铝是银白色金属，主要的性能特点是密度小，导电性和导热性高，抗大气腐蚀性能好，塑性好，无铁磁性。因此适宜制造要求导电的电线、电缆，以及具有导热和耐大气腐蚀而对强度要求不高的某些制
9、品。 2）铝合金 在纯铝中加入铜、镁、硅等合金元素后所组成的铝合金，不仅基本保持了其优点，还可明 显提高其强度和硬度，使其应用领域显著扩大。目前，铝合金广泛应用于普通机械、电气设备、航空航天器、运输车辆和装饰装修。铝合金分为变形铝合金及铸造铝合金两种。 变形铝合金 变形铝合金是通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。变形铝合金又分为四种：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金与锻铝合金。 铸造铝合金 铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系，具有与变形铝合金相同的强化机理，它们主要的差别在于：铸造铝合金中合金化元素硅的最大含量超过多数变形铝合金中的硅含量。,（2）铜及铜合金 铜
10、及铜合金的应用范围仅次于钢铁，它具有优良的导电性和导热性，以及很好的冷、热加工性能和良好的耐蚀性；铜的强度不高，硬度较低，由于具有极佳的冷、热加工性能。铜及铜合金一般分为纯铜、黄铜、青铜和白铜，广泛用于电力、电子、仪表、机械、化工、海洋工程、交通、建筑等各种工业技术部门。 1）纯铜 纯铜呈玫瑰红色，表面氧化膜是紫色，故称紫铜。纯铜的比重8.9g/cm3，熔点为1083，纯度为99.5%99.95%，具有良好的导热性和导电性，其导电率仅次于银而位居第二位，广泛用于制作导电材料及配制铜合金的原料。 根据铜中杂质含量及提炼方法不同，纯铜分为工业纯铜、无氧铜和磷脱氧铜。 2）铜合金 根据化学成分不同，
11、铜合金分为黄铜和青铜两类。根据生产方法的不同，铜合金还可以分为变形铜合金和铸造铜合金。 黄铜 黄铜是以锌为主加元素的铜合金。其力学性能明显优于纯铜，黄铜具有良好的工艺性能、力学性能及耐蚀性能，且其导电性和导热性较高，是有色金属材料应用最广泛的一种。 青铜 青铜指除锌、镍外的元素为主要合金元素的铜合金。包括锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜等。根据加工产品的形式，青铜也可分为压力加工青铜和铸造青铜。青铜具有优良的综合力学性能、耐蚀性高于纯铜和黄铜，耐磨性及弹性均较好。,（3）轴承合金 轴承合金又称轴瓦合金。用于制造滑动轴承的材料。轴承合金的组织是在软相基体上均匀分布着硬相质点，或硬相基体上均匀分布着
12、软相质点。轴承合金应具有如下性能：良好的耐磨性能和减磨性能；有一定的抗压强度和硬度，有足够的疲劳强度和承载能力；塑性和冲击韧性良好；具有良好的抗咬合性；良好的顺应性；好的嵌镶性；要有良好的导热性、耐蚀性和小的热膨胀系数，用于各类轴承材料。,2.2 常用热处理方法,2.2.1 概述 热处理是将固态钢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和性能的工艺。热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。它可以充分发挥材料性能的潜力，提高零件的加工性能和服役性能，减轻工件自重，节约材料，降低成本。 热处理与其他加工方法（如压力加工、铸造、焊接等）不同，它不改变工件的形状和大小，而只改变工件的
13、内部组织和性能。热处理的目的，是为了改善钢的性能，例如强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、耐蚀性、加工性能等。热处理工艺大致可分为以下几类：,2.2.2 普通热处理,1. 退火 退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。其目的是消除残余应力，稳定工件尺寸并防止其发生变形与开裂；降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；细化晶粒，改善组织，为最终热处理做准备。按金属成分和性能要求的不同，退火可分为完全退火、球化退火及去应力退火。 2. 正火 正火是将钢加热到适当温度，保温一定的时间后，在空气中自然冷却的热处理工艺。正火与退火类似，但冷却速度比退火快。钢件在正火后的强度和硬度比退火稍
14、高，但消除残余应力不彻底。因为正火冷却较快、操作简便、生产率高，所以在可能的情况小一般优先采用正火。低碳钢件多用正火代替退火。,3. 淬火 淬火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在水、油或其他无机盐溶液等介质中快速冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。淬火可以提高钢件的硬度和耐磨性，淬火与不同的回火工艺配合，可以获得各种需要的性能，是强化钢的主要方法。 4. 回火 回火是钢件淬硬后，再加热适当温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。其目的是稳定组织，减少内应力，降低脆性，获得所需性能。表2-2所示为常见的回火方法及其应用。,2.2.3 表面热处理,生产中常遇到有些零件（如
15、凸轮、曲轴、齿轮等）在工作时，既承受冲击，表面又受摩擦，这些零件常用表面热处理，保证“表硬心韧”的使用性能。表面热处理是指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺，通常可分为表面淬火和化学热处理两类。 1. 表面淬火 表面淬火是将刚件的表面层淬透到一定的深度，而零件中心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。 表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而零件中心部分仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴、齿轮、发动机的曲轴等。目前生产中常用的表面淬火方法有感应加热淬火和火焰淬火两种。 2. 化学热处理 化学热处理是指将金属或合金工件置于一定的温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗
16、入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。其特点是表层不仅有组织改变也有化学成分的改变。按钢件表面渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗铬等。下面简要的介绍下渗碳及渗氮（氮化）两种热处理方法。 （1）渗碳 渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。渗碳工艺广泛用于飞机、汽车和拖拉机等的机械零件，如齿轮、轴、凸轮轴等。 （2）渗氮（氮化） 在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺即为渗氮。其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和耐蚀性。目前常用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮。,2.3 常用热处理设备,常用的热处理设备包括热处理加热设备、冷却设备及其他辅助设备等。 2.3.1 热处理加热设备 常用的热处理加热设备有电阻炉和盐浴炉等。 1. 电阻炉 （1）箱式电阻
