机械常用金属材料与热处理课件

机械常用金属材料及热处理机械常用金属材料及热处理 机械常用金属材料及热处理 目录11金属材料的力学性能及工艺性能金属材料的力学性能及工艺性能1.1.1金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.1.2 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能12钢的热处理钢的热处理1.2.1退火退火1.2.2正火正火1.2.3淬火淬火1.2.4回火回火1.2.5钢的表面热处理钢的表面热处理13常用的金属材料常用的金属材料1.3.1 碳素钢碳素钢1.3.2 合金钢合金钢1.3.3 铸铁铸铁目录11金属材料的力学性能及工艺性能引子w材料材料：金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、：金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、陶瓷、复合材料），金属材料应用最广泛。陶瓷、复合材料），金属材料应用最广泛。w材料的材料的使用性能与成分、组织及加工工艺密使用性能与成分、组织及加工工艺密切相关切相关，尤其是金属材料，尤其是金属材料，可通过不同热处可通过不同热处理方法来改变金属的表面成分和内部组织结理方法来改变金属的表面成分和内部组织结构，以获得不同的性能构，以获得不同的性能，改善工艺性能和延，改善工艺性能和延长使用寿命。长使用寿命。引子材料：金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、陶瓷、复合材引子w金属材料主要性能：金属材料主要性能：力学性能力学性能、物理性能、化学性、物理性能、化学性能和能和工艺性能工艺性能等。等。w金属材料金属材料：纯金属：纯金属(应用较少：价贵、强度低应用较少：价贵、强度低)和合和合金（常用）。金（常用）。w力学性能力学性能：金属材料在：金属材料在外力作用下外力作用下所表现所表现的抵抗能的抵抗能力力性能指标：性能指标：弹性、塑性、强度、硬度、韧性弹性、塑性、强度、硬度、韧性，且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的主要主要依据依据。w工艺性能工艺性能：指金属材料具有的：指金属材料具有的能够适应各种加工工能够适应各种加工工艺要求的能力艺要求的能力，是力学、物理和化学性能的综合表，是力学、物理和化学性能的综合表现，包括现，包括铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削加工性能加工性能。引子金属材料主要性能：力学性能、物理性能、化学性能和工艺1.1.1金属材料的力学性能w1.1.1.1强度强度1屈服点屈服点2抗拉强度抗拉强度w1.1.1.2 塑性塑性1）断后伸长率）断后伸长率 2）断面收缩率）断面收缩率 w1.1.1.3 硬度硬度1布氏硬度布氏硬度2洛氏硬度洛氏硬度w1.1.1.4 冲击韧度冲击韧度w1.1.1.5 疲劳强度疲劳强度1.1.1金属材料的力学性能1.1.1.1强度1.1.1.1强度w强度强度：指机金属材料在外力作用下指机金属材料在外力作用下抵抗塑性抵抗塑性变形和断裂的能力变形和断裂的能力。w强度大小可按国家标准的规定强度大小可按国家标准的规定通过通过拉伸试验拉伸试验来测定来测定。1屈服点屈服点2抗拉强度抗拉强度1.1.1.1强度强度：指机金属材料在外力作用下抵抗塑性变1屈服点w屈服屈服：当负荷不再增加时，而试样的塑性变：当负荷不再增加时，而试样的塑性变形量明显增加的现象。形量明显增加的现象。w屈服点屈服点：产生屈服现象时的应力。：产生屈服现象时的应力。除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象。大多数金属材料没有明显的屈服现象。因此，规定产生因此，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为屈服残余伸长时的应力作为屈服强度。强度。1屈服点屈服：当负荷不再增加时，而试样的塑性变形量明显增加2抗拉强度w试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。强度。w显然，试样不能在承受此载荷的条件下工作，显然，试样不能在承受此载荷的条件下工作，这样将导致构件破坏。这样将导致构件破坏。2抗拉强度试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。1.1.1.2 塑性w金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：1）断后伸长率）断后伸长率 2）断面收缩率）断面收缩率1.1.1.2 塑性金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：1）断后伸长率w断后伸长率：断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原试样拉断后，标距的伸长与原始长度的百分比。始长度的百分比。w一般规定一般规定短试样短试样：L=5d，长试样长试样：L=10d1）断后伸长率断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始长度的2）断面收缩率w断面收缩率断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大减缩量与原横截面积的百分比。的最大减缩量与原横截面积的百分比。以上两个数值越大，说明金属材料的塑性越好，以上两个数值越大，说明金属材料的塑性越好，良好的塑性是金属进行塑性加工的必要条件，一良好的塑性是金属进行塑性加工的必要条件，一般断后伸长率达般断后伸长率达5、断面收缩率达、断面收缩率达10可满足可满足要求。要求。2）断面收缩率断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大减1.1.1.3 硬度w硬度：硬度：1）指金属材料表面抵抗硬物压入的能力；）指金属材料表面抵抗硬物压入的能力；2）金属表面对局部塑性变形的抗力。）金属表面对局部塑性变形的抗力。w硬度是硬度是检验毛坯或成品件、热处理件检验毛坯或成品件、热处理件的重要的重要性能指标。性能指标。w硬度指标：硬度指标：1布氏硬度布氏硬度2洛氏硬度洛氏硬度1.1.1.3 硬度硬度：1布氏硬度w测量方法测量方法：将一定直径：将一定直径（10，5，2.5，2，1mm）的淬火球加以）的淬火球加以一定的载荷，压入被测一定的载荷，压入被测金属材料的表面，根据金属材料的表面，根据所用载荷的大小和所得所用载荷的大小和所得压痕面积来计算压痕球压痕面积来计算压痕球面上的平均压力。面上的平均压力。wHBS（淬火钢球）（淬火钢球）wHBW（硬质合金球）（硬质合金球）布氏硬度布氏硬度测量特点测量特点：数据较准数据较准确，但不确，但不宜于测太宜于测太薄、太硬薄、太硬的材料的材料 1布氏硬度测量方法：将一定直径（10，5，2.5，2，1m2洛氏硬度w测量方法测量方法：在特点的压头上加上压力压入被：在特点的压头上加上压力压入被测资料，根据压痕的深度来度量材料的硬度测资料，根据压痕的深度来度量材料的硬度值。值。压痕越深，材料愈软，硬度值愈低压痕越深，材料愈软，硬度值愈低。w按压头种类和所加载荷不同，按压头种类和所加载荷不同，洛氏硬度指标洛氏硬度指标符号符号有：有：HRA、HRB、HRC。工程上常使用。工程上常使用HRC硬度指标。硬度指标。w洛氏硬度洛氏硬度测量特点测量特点：操作：操作简便迅速简便迅速，可，可直接直接从表盘上从表盘上读读出硬度值，没有单位。由于出硬度值，没有单位。由于压痕压痕小小，可用于成品及薄件检验可用于成品及薄件检验，但，但不如布氏硬不如布氏硬度试验准确度试验准确。2洛氏硬度测量方法：在特点的压头上加上压力压入被测资料，根1.1.1.4 冲击韧度w由于由于许多机械经常受到冲击载荷许多机械经常受到冲击载荷必须具必须具有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。w冲击韧度冲击韧度：金属材料：金属材料抵抗冲击载荷的能力抵抗冲击载荷的能力。w冲击由于是瞬时的，其载荷冲击由于是瞬时的，其载荷比静载荷要大比静载荷要大的的多。多。1.1.1.4 冲击韧度由于许多机械经常受到冲击载荷必须冲击试验w工程上常用工程上常用一次摆锤一次摆锤冲击冲击测定冲击韧度。测定冲击韧度。w冲击韧度冲击韧度不直接用于不直接用于设计计算设计计算材料往材料往往不是一次冲击破坏往不是一次冲击破坏的。的。冲击试验工程上常用一次摆锤冲击测定冲击韧度。1.1.1.5 疲劳强度w疲劳疲劳：在：在交变载荷交变载荷下工作的零件虽然下工作的零件虽然工作应工作应力远低于抗拉强度力远低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但在，甚至低于屈服点，但在长时间工作后会长时间工作后会突然断裂突然断裂。w特点特点：疲劳断裂时：疲劳断裂时不发生明显的塑性变形不发生明显的塑性变形，断裂是断裂是突然突然的，具有很大的危险性，常造成的，具有很大的危险性，常造成严重的事故。严重的事故。1.1.1.5 疲劳强度疲劳：在交变载荷下工作的零件虽然工作1.1.1.5 疲劳强度w据统计，损坏的零件中，据统计，损坏的零件中，80由于金属疲劳由于金属疲劳而造成的而造成的。w疲劳强度疲劳强度：在一定的循环次数下不发生断裂：在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。的最大应力。循环次数循环次数：钢铁钢铁107，非鉄金属非鉄金属108，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。w疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部位疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部位材料内部材料内部缺陷缺陷、加工造成的、加工造成的磨痕、刀痕磨痕、刀痕、局部应力集中产生的局部应力集中产生的裂纹裂纹。1.1.1.5 疲劳强度据统计，损坏的零件中，80由于金属11金属材料的工艺性能w1铸造性能铸造性能w2锻造性能锻造性能w3焊接性能焊接性能w4切削加工性能切削加工性能11金属材料的工艺性能1铸造性能1铸造性能w铸造铸造：将：将熔融金属熔融金属浇铸、压射或吸入浇铸、压射或吸入铸造型腔铸造型腔中，中，待其待其凝固后得到凝固后得到一定形状和性能的一定形状和性能的铸件铸件的方法。的方法。w铸造性能铸造性能：浇铸时液态金属的：浇铸时液态金属的流动性、凝固时的收流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向缩性和偏析倾向。w流动性好流动性好：金属具有良好的：金属具有良好的充满型腔充满型腔的能力，能铸的能力，能铸出大而薄的铸件。出大而薄的铸件。w收缩收缩：液态金属凝固时：液态金属凝固时体积收缩体积收缩和凝固后的和凝固后的线收缩线收缩，收缩小可收缩小可提高液态金属的利用率，提高液态金属的利用率，减少变形和裂纹减少变形和裂纹的可能性。的可能性。w偏析偏析：铸件：铸件凝固后各化学成分的不均匀凝固后各化学成分的不均匀，若偏析严，若偏析严重，将使铸件的力学性能变差。重，将使铸件的力学性能变差。w灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。1铸造性能铸造：将熔融金属浇铸、压射或吸入铸造型腔中，待其2锻造性能w锻造性能锻造性能：材料在压力加工时，：材料在压力加工时，能改变形状能改变形状而不产生裂纹的性能而不产生裂纹的性能，是材料塑性好坏的表，是材料塑性好坏的表现。现。w锻造性锻造性：低碳钢低碳钢良好；碳钢比良好；碳钢比合金钢合金钢好；好；铸铁无铸铁无。2锻造性能锻造性能：材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂3焊接性能w焊接性能焊接性能：材料在通常：材料在通常焊接方法和焊接工艺条焊接方法和焊接工艺条件下，件下，能否获得质量良能否获得质量良好焊缝的性能好焊缝的性能。w焊接性能好焊接性能好焊缝中焊缝中不易产生气孔、夹渣或不易产生气孔、夹渣或裂纹裂纹。w焊接性能比较焊接性能比较：低碳钢：低碳钢好，高碳钢和铸铁较差。好，高碳钢和铸铁较差。3焊接性能焊接性能：材料在通常焊接方法和焊接工艺条件下，能4切削加工性能w切削加工性能切削加工性能：对工件材料：对工件材料进行切削加工的进行切削加工的难易程度难易程度。w与与材料本身材料本身化学成分、金相组织、刀具几何化学成分、金相组织、刀具几何形状形状有关有关。w硬度过高或过低、韧性过大硬度过高或过低、韧性过大切削性能较切削性能较差。差。w灰铸铁具有良好的切削加工性能。灰铸铁具有良好的切削加工性能。4切削加工性能切削加工性能：对工件材料进行切削加工的难易程12钢的热处理w1.2.1退火退火w1.2.2正火正火w1.2.3淬火淬火w1.2.4回火回火w1.2.5钢的表面热处理钢的表面热处理12钢的热处理1.2.1退火引子w热处理热处理：将钢在固：将钢在固态下通过态下通过加热、保加热、保温和不同的冷却方温和不同的冷却方式式，改变金属内部改变金属内部结构结构，从而，从而获得所获得所需性能需性能的操作工艺，的操作工艺，工艺曲线如图工艺曲线如图14。引子热处理：将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，引子w特点特点：不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性：不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能（能（强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性能强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性能）。w作用作用：材料给人们提供的性能是有限的，经过热处：材料给人们提供的性能是有限的，经过热处理的零件，可以使材料的理的零件，可以使材料的各种性能得到很大的改善各种性能得到很大的改善和提高，和提高，充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材料料。机床、汽车、拖拉机制造中，机床、汽车、拖拉机制造中，80的材料要热处理。的材料要热处理。刀具、量具、模具和滚动轴承要全部进行热处理。刀具、量具、模具和滚动轴承要全部进行热处理。引子特点：不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能（强度引子热处理分类：热处理分类：引子热处理分类：引子w零件制造一般过程零件制造一般过程：选原料：选原料锻造锻造预选预选热处理热处理机械加工机械加工最终热处理。最终热处理。w预选热处理预选热处理：退火和正火：退火和正火消除组织缺陷和消除组织缺陷和内应力。内应力。w含碳量含碳量钢：钢：0.0218-2.11%；铁：；铁：2.11%；45号钢号钢b600MPa。引子零件制造一般过程：选原料锻造预选热处理机热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图相图相图相图相图相图相图以相组成物表示的鉄碳合金相图以相组成物表示的鉄碳合金相图以组织组成物表示的鉄碳合金相图以组织组成物表示的鉄碳合金相图奥氏体形成过程奥氏体形成过程金相组织w铁素体铁素体F：室温下碳溶量：室温下碳溶量0.0008%，727溶溶0.0218%强度和硬度（强度和硬度（HB=5080）低，而塑）低，而塑性和韧性好的相；性和韧性好的相；3050，7080，b180280MPaw奥氏体奥氏体A：最高溶碳：最高溶碳2.11%（1148）HB170220；4050塑性很高。塑性很高。w渗碳体渗碳体Fe3C：含碳量：含碳量6.69%。熔点熔点1227，硬，硬度很高（度很高（HB=800）而脆，塑性几乎为零。）而脆，塑性几乎为零。w渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。合金的重要强化相。金相组织铁素体F：室温下碳溶量0.0008%，727溶0.金相组织金相组织加热冷却临界温度加热冷却临界温度金相组织w上贝氏体上贝氏体550：脆：脆性较大、硬性较大、硬度较低。度较低。w下贝氏体下贝氏体350：较：较高强度和硬高强度和硬度，良好的度，良好的塑性和韧性。塑性和韧性。w马氏体马氏体230：高硬度：高硬度上贝氏体（上贝氏体（400400）下贝氏体（下贝氏体（400400 ）板条马氏体（板条马氏体（400400）针状马氏体（针状马氏体（400400 ）金相组织上贝氏体550：脆性较大、硬度较低。上贝氏体（41.2.1退火 w退火退火：将钢加热到高于或低于临界温度，保：将钢加热到高于或低于临界温度，保温一段时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入导温一段时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入导热性能较差的介质中），从而获得接近平衡热性能较差的介质中），从而获得接近平衡组织的一种热处理工艺。组织的一种热处理工艺。退火可以获得接近平衡状态的组织，与其它热处退火可以获得接近平衡状态的组织，与其它热处理工艺相比，退火钢的硬度最低，内应力可全部理工艺相比，退火钢的硬度最低，内应力可全部消除，可提高刚才冷变形后的塑性。又由于退火消除，可提高刚才冷变形后的塑性。又由于退火过程中发生重结晶，故可细化晶粒，改善组织，过程中发生重结晶，故可细化晶粒，改善组织，所以退火可以达到各个不同的目的。所以退火可以达到各个不同的目的。1.2.1退火 退火：将钢加热到高于或低于临界温度，保温一w退火退火w正火正火退火1.2.2正火w正火正火:将钢加热到将钢加热到Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上（过共析钢）以上3050，保温后，保温后从炉中取出在空气中冷却的一种操作方法。从炉中取出在空气中冷却的一种操作方法。正火的冷却速度较退火快，所得到的组织较细，正火的冷却速度较退火快，所得到的组织较细，强度和硬度较高。强度和硬度较高。此外，正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生此外，正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单经济，所以低碳钢多采用正火来代替退火。艺简单经济，所以低碳钢多采用正火来代替退火。1.2.2正火正火:将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acc1.2.3淬火w淬火：淬火：将钢加热到将钢加热到Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上（过共析钢）以上3050，保温后在水中，保温后在水中或油中快速冷却的一种操作工艺。或油中快速冷却的一种操作工艺。w淬火目的淬火目的:为了获得马氏体组织，然后再配合为了获得马氏体组织，然后再配合适当的回火，获得多种多样的使用性能。适当的回火，获得多种多样的使用性能。如：刀具和量具如：刀具和量具高的硬度和耐磨性；轴和齿高的硬度和耐磨性；轴和齿轮轮较好的韧性。较好的韧性。淬火回火。淬火回火。回火通常作为最终热处理。回火通常作为最终热处理。4545钢的正常淬火钢的正常淬火 组织（组织（400400）3535钢的钢的760760淬火淬火 组织（组织（400400）T12T12钢的正常淬火钢的正常淬火 组织（组织（400400）1.2.3淬火淬火：将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（1.2.3淬火w淬透性：淬透性：钢获得淬硬层深度的能力，淬硬层越深，钢获得淬硬层深度的能力，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。表明钢的淬透性越好。w钢的淬透性好坏对力学性能的影响很大，当工件整钢的淬透性好坏对力学性能的影响很大，当工件整个截面都淬透时，回火后表面和心部得到完全一致个截面都淬透时，回火后表面和心部得到完全一致的力学性能；若不能全部淬透，表面和心部的组织的力学性能；若不能全部淬透，表面和心部的组织不同，经回火后的性能就不一致不同，经回火后的性能就不一致。w淬硬性：淬硬性：指淬火后获得的最高硬度，主要取决于马指淬火后获得的最高硬度，主要取决于马氏体中的含碳量。氏体中的含碳量。w淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高，如：高碳工淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高，如：高碳工具钢与低碳合金钢，前者淬硬性较高，后者淬透性具钢与低碳合金钢，前者淬硬性较高，后者淬透性较高。较高。1.2.3淬火淬透性：钢获得淬硬层深度的能力，淬硬层越深，w碳钢的碳钢的淬火温淬火温度范围度范围碳钢的淬火温度范围w钢的热处钢的热处理与硬度理与硬度（影线部（影线部分为合适分为合适的切削加的切削加工硬度范工硬度范围）围）钢的热处理与硬度（影线部分为合适的切削加工硬度范围）1.2.4回火w淬火后应及时回火，淬火后应及时回火，以保证达到所需要的性以保证达到所需要的性能。能。w淬火：硬而脆，存在内应力。淬火：硬而脆，存在内应力。w回火：回火：将淬火的钢重新加热到将淬火的钢重新加热到Ac1以下某一以下某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却。冷却。1.2.4回火淬火后应及时回火，以保证达到所需要的性能。1.2.4回火w目的：目的：1）降低淬火钢的脆性和内应力降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。，防止变形或开裂。2）调整和稳定淬火钢的结晶组织调整和稳定淬火钢的结晶组织，以保证工件不再发生形，以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。状和尺寸的改变。3）获得不同需要的力学性能获得不同需要的力学性能，通过适当的回火来获得所要，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求。淬火经回火后，硬度随回火温度的升高而降低，求。淬火经回火后，硬度随回火温度的升高而降低，回回火一般也是热处理的最后一道工序火一般也是热处理的最后一道工序。w根据工件的不同性能要求，将回火分类如下：根据工件的不同性能要求，将回火分类如下：1）低温回火（）低温回火（150250）2）中温回火（）中温回火（350500）3）高温回火（）高温回火（500600）1.2.4回火目的：1.2.4回火1）低温回火（）低温回火（150250）回火马氏体：回火马氏体：降低降低淬火钢的应力和脆性，提高韧性，保持高硬度和耐淬火钢的应力和脆性，提高韧性，保持高硬度和耐磨性。磨性。高碳钢刀具、冷作模具、量具、滚动轴高碳钢刀具、冷作模具、量具、滚动轴承和渗碳、表面淬火件承和渗碳、表面淬火件。2）中温回火（）中温回火（350500）回火托氏体：回火托氏体：显著显著减少工件的淬火应力和脆性，具有较高的弹性极限减少工件的淬火应力和脆性，具有较高的弹性极限和屈服点，并具有一定的韧性和屈服点，并具有一定的韧性弹簧、弹性夹头弹簧、弹性夹头和锻模的热处理和锻模的热处理。3）高温回火（）高温回火（500600）回火索氏体：回火索氏体：使工使工件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能性能。淬火后高温回火。淬火后高温回火调质处理、调质调质处理、调质用用于受力情况复杂的重要零件（于受力情况复杂的重要零件（轴、齿轮、连杆轴、齿轮、连杆）w250350容易发生回火脆性，故避开。容易发生回火脆性，故避开。1.2.4回火1）低温回火（150250）回火马氏1.2.5钢的表面热处理 w表面层强化的表面层强化的提出提出要求材料具有耐磨的高硬要求材料具有耐磨的高硬度度 要求材料具有抗冲击的高韧性：要求材料具有抗冲击的高韧性：表层承受着比表层承受着比内部高的应力内部高的应力对零件的表面层提出了强化对零件的表面层提出了强化（表（表面的高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限，内部保面的高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限，内部保持足够的塑性和韧性）的要求。持足够的塑性和韧性）的要求。w表面热处理：表面热处理：w1表面淬火表面淬火：快速加热、喷水冷却。加热：感应、：快速加热、喷水冷却。加热：感应、火焰、电接触、电解液。前两者应用最多。火焰、电接触、电解液。前两者应用最多。w2化学热处理化学热处理：放入特定介质中加热和保温，使一：放入特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面。种或几种元素渗入工件表面。w1）渗碳）渗碳 渗入碳原子（气体、固体、液体）渗入碳原子（气体、固体、液体）w2）氮化）氮化 渗入氮原子渗入氮原子 1.2.5钢的表面热处理 表面层强化的提出要求材料具13常用的金属材料w金属材料包括：钢铁材料、非铁金属。金属材料包括：钢铁材料、非铁金属。w钢铁材料包括：钢、铸铁。钢应用最广泛。钢铁材料包括：钢、铸铁。钢应用最广泛。w非铁金属包括：钢以外的金属及其合金。非铁金属包括：钢以外的金属及其合金。w1.3.1 碳素钢碳素钢w1.3.2 合金钢合金钢w1.3.3 铸铁铸铁13常用的金属材料金属材料包括：钢铁材料、非铁金属。1.3.1 碳素钢w含碳含碳2.11%，实际，实际1.5%，其中含有少，其中含有少量量Si、Mn、P、S等等w1.碳素钢的分类碳素钢的分类w2碳钢的牌号和用途碳钢的牌号和用途1.3.1 碳素钢含碳2.11%，实际1.5%，其中含有1.碳素钢的分类w1）按）按含碳量含碳量分类分类 低碳钢。低碳钢。w(C)0.25%中碳钢。中碳钢。w(C)=0.25%-0.6%高碳钢。高碳钢。w(C)0.6%w2）按钢的）按钢的质量质量分类（分类（杂质杂质）普通钢。普通钢。w(S)0.055%，w(P)0.045%优质钢。优质钢。w(S)、w(P)0.04%高级优质钢。高级优质钢。w(S)、w(P)0.03%w3）按）按用途用途分类分类碳素结构钢。碳素结构钢。用于制造工程结构（如桥梁、船舶和用于制造工程结构（如桥梁、船舶和建筑）和机械零件（如齿轮、轴和连杆）建筑）和机械零件（如齿轮、轴和连杆）低、中碳低、中碳钢。钢。碳素工具钢。碳素工具钢。用于制造各种工具（如刀具、模具、用于制造各种工具（如刀具、模具、量具）量具）高碳钢。高碳钢。1.碳素钢的分类1）按含碳量分类 2碳钢的牌号和用途w与合金钢相比，与合金钢相比，碳钢优点碳钢优点：工业应用最广泛，：工业应用最广泛，冶炼方便、价格低廉、产量大、优良的可锻冶炼方便、价格低廉、产量大、优良的可锻性、焊接性、切削加工性能。性、焊接性、切削加工性能。w为了管理为了管理命名和编号：命名和编号：w（1）碳素工具钢）碳素工具钢 w（2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢 w（3）碳素工具钢）碳素工具钢 w（4）铸钢）铸钢 2碳钢的牌号和用途与合金钢相比，碳钢优点：工业应用最广泛，（1）碳素工具钢w工程中工程中应用最多的钢种应用最多的钢种，约占钢总量的，约占钢总量的7080w它的碳素结构钢牌号由以下四部分组成：它的碳素结构钢牌号由以下四部分组成：1）屈服点字母）屈服点字母Q2）屈服点数值）屈服点数值MPa3）质量等级）质量等级A/B/C/D依次提高依次提高4）脱氧方法）脱氧方法F沸腾钢沸腾钢b半镇静钢半镇静钢Z镇静钢（可省略）镇静钢（可省略）TZ特素镇静钢（可省略）特素镇静钢（可省略）wQ235AF表示屈服点为表示屈服点为235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢用于建筑、车辆、船舶等用于建筑、车辆、船舶等（1）碳素工具钢工程中应用最多的钢种，约占钢总量的708（2）优质碳素结构钢w用于制造重要零件，前两位数字表示平均含用于制造重要零件，前两位数字表示平均含碳量（质量分数）的碳量（质量分数）的万分数万分数：45钢钢含碳含碳量为量为0.45%的优质碳素结构钢。的优质碳素结构钢。w用途：用途：15、20钢钢一般的表面渗碳钢：制造导套、挡一般的表面渗碳钢：制造导套、挡块和摩擦片块和摩擦片耐磨零件；耐磨零件；40、45、50钢钢调制钢：用于制造齿轮、丝杠、调制钢：用于制造齿轮、丝杠、连杆和各种轴类零件；连杆和各种轴类零件；6585钢钢碳素弹簧钢。碳素弹簧钢。（2）优质碳素结构钢用于制造重要零件，前两位数字表示平均含碳（3）碳素工具钢w用途：制造刀具、量具和模具用途：制造刀具、量具和模具w性能：高的硬度和耐磨性，平均含碳量性能：高的硬度和耐磨性，平均含碳量0.7-1.3%高碳钢高碳钢w牌号：牌号：T含碳量的千分数：含碳量的千分数：T12平均含碳平均含碳量量1.2的碳素工具钢。的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，牌号后加若为高级优质碳素工具钢，牌号后加AT12A；所有碳素工具钢都要经过热处理后，才能进一步所有碳素工具钢都要经过热处理后，才能进一步提高硬度和耐磨性。提高硬度和耐磨性。（3）碳素工具钢用途：制造刀具、量具和模具（4）铸钢w铸造碳钢铸造碳钢w用途用途：用于：用于受冲击负荷受冲击负荷作用的形状复杂件作用的形状复杂件轧钢机机架、重载大型齿轮和飞轮。轧钢机机架、重载大型齿轮和飞轮。w牌号：牌号：ZG铸件屈服强度抗拉强度。铸件屈服强度抗拉强度。ZG200-400：0.2200MPa,b400MPa（4）铸钢铸造碳钢1.3.2 合金钢w合金钢：碳钢合金元素（合金钢：碳钢合金元素（Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Xt）w1分类分类w（1）按用途）按用途1）合金结构钢）合金结构钢 2）合金工具钢）合金工具钢 3）特殊性能钢）特殊性能钢 w（2）按合金元素总含量）按合金元素总含量1）低合金钢）低合金钢5%2）中合金钢）中合金钢=5%-10%3）高合金钢）高合金钢10%w（3）按冶金质量不同）按冶金质量不同1）优质钢）优质钢 2）高级优质钢（钢号后加）高级优质钢（钢号后加“A”）3）特级优质钢（钢号后加）特级优质钢（钢号后加“E”）w2.合金牌号表示方法合金牌号表示方法 1.3.2 合金钢合金钢：碳钢合金元素（Mn、Si、Cr、1）合金结构钢：w合金渗碳钢合金渗碳钢用于制造受冲击载荷和强烈的摩擦、磨损用于制造受冲击载荷和强烈的摩擦、磨损的条件下工作的零件。的条件下工作的零件。w含碳量含碳量：0.1-0.25%，经渗碳、淬火和低温回火后，表面具，经渗碳、淬火和低温回火后，表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有足够的塑性和韧性。有高硬度、高耐磨性而心部具有足够的塑性和韧性。w渗碳钢按淬透性分类渗碳钢按淬透性分类：低淬透性钢（低淬透性钢（15、20、20Cr）中淬透性钢（中淬透性钢（20CrMnTi、20CrMnMo）高淬透性钢（高淬透性钢（18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A）w合金调质钢合金调质钢w含碳量含碳量：0.250.5%，常加入，常加入Mn、Si、Cr、Ni提高钢提高钢的淬透性。用于各种负荷较大、受冲击的重要机器零件：轴的淬透性。用于各种负荷较大、受冲击的重要机器零件：轴类件、连杆、高强度螺拴。类件、连杆、高强度螺拴。40Cr常用，良好的塑性、高的淬透性。常用，良好的塑性、高的淬透性。1）合金结构钢：合金渗碳钢用于制造受冲击载荷和强烈的摩2）合金工具钢w比碳素工具钢比碳素工具钢：更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、：更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性。热硬性和回火稳定性。刃具、模具、量具：制刃具、模具、量具：制造截面大、形状复杂、性能高。造截面大、形状复杂、性能高。w分类：分类：低合金工具钢低合金工具钢碳素工具钢少量合金元素（碳素工具钢少量合金元素（Mn、Si、Cr、W、V提高淬透性和回火稳定性）提高淬透性和回火稳定性）更高更高的强度、耐磨性、热硬性（的强度、耐磨性、热硬性（260保持保持60HRC）。）。常常用用CrWMn高速钢。高速钢。锋钢锋钢高速切削：良好的热硬性高速切削：良好的热硬性（600）w含含W、V、Mo、Cr等等高的硬度和耐磨性、较高高的硬度和耐磨性、较高的热硬性、足够的强度和韧性。的热硬性、足够的强度和韧性。w常用的常用的：W18Cr4V、W9Cr4V2、W6Mo5Cr4V2、2）合金工具钢比碳素工具钢：更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、3）特殊性能钢w有一些特殊的物理或化学性能。有一些特殊的物理或化学性能。w不锈钢不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13w耐热钢耐热钢。包括抗氧化钢、热强钢。包括抗氧化钢、热强钢。用用于于高压锅炉、汽轮机、内燃机和热处理炉高压锅炉、汽轮机、内燃机和热处理炉。w耐磨钢耐磨钢。冲击载荷下发生冲击硬化的高锰冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢。钢。制造制造破碎机齿板、大型磨球机衬板、破碎机齿板、大型磨球机衬板、挖掘机铲齿、履带、铁轨道岔挖掘机铲齿、履带、铁轨道岔防弹装甲防弹装甲车板和保险箱车板和保险箱。3）特殊性能钢有一些特殊的物理或化学性能。2.合金牌号表示方法：合金元素符号数字w1）最前的数字最前的数字含碳量含碳量：w低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢2位，位，0.03用用00表示：表示：万分之万分之；w不锈钢、耐热钢不锈钢、耐热钢1位：位：千分之千分之，1/1000用用0表示；表示；w合金工具钢合金工具钢1位：位：千分之千分之，w(C)1%不标含碳量；不标含碳量；w高速钢高速钢1%也不标出。也不标出。w2）合金元素后的数字合金元素后的数字：含合金量：含合金量1.5%不标；大于不标；大于1.5%、2.5%、3.5%、相应用相应用2、3、4表示表示w高碳铬轴承钢：千分之高碳铬轴承钢：千分之牌号头加牌号头加G：GCr9表示含铬表示含铬0.9%的轴承钢。的轴承钢。w3）高级优质合金钢高级优质合金钢钢号后加钢号后加“A”w4）牌号）牌号头部或尾部头部或尾部加上表加上表专门用途的符号专门用途的符号wG（滚动轴承）（滚动轴承）：GCr1 K（矿用）（矿用）：20MnK。2.合金牌号表示方法：合金元素符号数字1）最前的数字1.3.3 铸铁w不能锻造，但不能锻造，但：优良的铸造性、减摩性、切：优良的铸造性、减摩性、切削加工性；生产设备和工艺简单、价格低。削加工性；生产设备和工艺简单、价格低。w曲轴、连杆、齿轮曲轴、连杆、齿轮趋势趋势：球墨铸铁：球墨铸铁以铁代钢，以铸代锻以铁代钢，以铸代锻。w铸铁分类：铸铁分类：1白口铸铁白口铸铁2灰铸铁灰铸铁3可锻铸铁可锻铸铁4球墨铸铁球墨铸铁1.3.3 铸铁不能锻造，但：优良的铸造性、减摩性、切削加工1白口铸铁w白口铁白口铁：银白色，：银白色，含大量含大量Fe3C硬度高、硬度高、脆性大，难切削加工脆性大，难切削加工：很少用来直接制造零：很少用来直接制造零件，用于件，用于炼钢原料、制造可锻铸铁的毛坯炼钢原料、制造可锻铸铁的毛坯。1白口铸铁2灰铸铁w碳主要结晶成碳主要结晶成游离状态的石墨游离状态的石墨。其中碳大部。其中碳大部分或全部以片状石墨形状存在，断口为暗灰分或全部以片状石墨形状存在，断口为暗灰色：灰铸铁色：灰铸铁常见的铸铁常见的铸铁w性能性能：良好的铸造性能、耐磨性、减振性和：良好的铸造性能、耐磨性、减振性和切削性切削性w用途用途：制造各种承压和消振性好的床身、机：制造各种承压和消振性好的床身、机架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、活塞环等。活塞环等。w牌号牌号：HT最低抗拉强度数字（最低抗拉强度数字（MPa）：）：HT200 2灰铸铁碳主要结晶成游离状态的石墨。其中碳大部分或全部以片3可锻铸铁w获得获得：白口铸铁：白口铸铁石墨化退火石墨化退火w特点特点：碳大部分或全部以团状石墨形式存在，：碳大部分或全部以团状石墨形式存在，塑性和韧性较上者高的多，习惯上称可锻铸塑性和韧性较上者高的多，习惯上称可锻铸铁，实际上不能锻造。铁，实际上不能锻造。w用途用途：常用来制造一些重要的小件：常用来制造一些重要的小件管接管接头、阀门、汽车上的小零件。头、阀门、汽车上的小零件。w缺点缺点：生产周期长、工艺复杂、成本高：生产周期长、工艺复杂、成本高逐渐被球墨铸铁替代逐渐被球墨铸铁替代w牌号牌号：KT+最低抗拉强度数字（最低抗拉强度数字（MPa）+最低最低伸长率：伸长率：KT350-103可锻铸铁获得：白口铸铁石墨化退火4球墨铸铁w获得获得：铁液在浇铸前球化处理（碳以球状石：铁液在浇铸前球化处理（碳以球状石墨形式存在）墨形式存在）w优点优点：力学性能高、生产工艺比上者简单，：力学性能高、生产工艺比上者简单，可代替部分钢作重要的零件可代替部分钢作重要的零件以铁代钢，以铁代钢，以铸代锻以铸代锻具有较大经济效益。具有较大经济效益。w用途用途：制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、：制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞水压机气缸、缸套、活塞w牌号牌号：QT最低抗拉强度数字（最低抗拉强度数字（MPa）+最最低伸长率：低伸长率：QT500-074球墨铸铁获得：铁液在浇铸前球化处理（碳以球状石墨形式存在