机械工程材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,第章机械工程材料,1,2,4,3,3,5,.,金属材料的主要性能指标,.,常见工程材料的分类、标识及应用,.,钢的热处理常,实,.,其他工程材料及应用,.,新材料发展趋势展望,第章机械工程材料,机械工程材料是用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料。人类最先利用的材料是自然材料（石头、木头、泥土、兽皮），发明火以后，可以使用陶器和瓷器，最早使用的金属材料是青铜，炼铁和炼钢丰富和发展了机械工程材料，钢铁是机械工程材料的主要材料，提高钢铁等金属材料的使用性能和加工工艺性能是工程界研究的主要内容。,下一页,返回,第章机械工程材料,人类在同自然界的斗争中，不断改进用以制造工具的材料。最早是用天然的石头和木材制作工具，以后逐步发现和使用金属。中国使用金属材料的历史悠久，在两千多年前的,考工记,中就有“金之六齐”的记载，这是关于青铜合金成分配比规律最早的阐述。人类虽早在公元前已了解金、银、铜、汞、锡、铁、铅等多种金属，但由于采矿和冶炼技术的限制，在相当长的历史时期内，很多器械仍用木材制造或采用铁木混合结构。,上一页,下一页,返回,第章机械工程材料,直到年英国人,.,贝塞麦发明转炉炼钢法，,年英国人,.,.,西门子和法国人马丁发明平炉炼钢以后，大规模炼钢工业兴起，钢铁才成为最主要的机械工程材料。到世纪年代，铝（见铝合金）、镁（见镁合金）等轻金属逐步得到应用,.,上一页,下一页,返回,第章机械工程材料,第二次世界大战后，科学技术的进步促进了新型材料的发展，球墨铸铁、合金铸铁、合金钢、耐热钢、不锈钢、镍合金、钛合金和硬质合金等相继形成系列并扩大应用。同时，石油化学工业的发展促进了合成材料的兴起，工程塑料、合成橡胶和胶黏剂等在机械工程材料中的比重逐步提高。另外，宝石、玻璃和特种陶瓷材料等也逐步扩大在机械工程中的应用。常用工程材料的分类如,图,所示。,上一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,金属材料的性能包含使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等）、力学性能等。工艺性能是指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,.,金属材料的力学性能,所谓力学性能是指金属在力或能的作用下，材料所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等，它反映了金属材料在各种外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据，而且与各种加工工艺也有密切关系。力学性能的主要指标及其含义见,表,。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,拉伸试验,拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。在国家标准（,）中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。如,图,所示为圆形拉伸试样。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,图中是试样的直径，为标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样（）和短试样（）两种。,拉伸试验过程中随着负荷的均匀增加，试样不断地由弹性伸长过渡到塑性伸长直至断裂。一般试验机都具有自动记录装置，可以把作用在试样上的力和伸长描绘成拉伸图，也叫做力,伸长曲线。如,图,是低碳钢的力,伸长曲线。图中纵坐标表示力，单位为；横坐标表示伸长量,，单位为。图中明显地表现出下面几个变形阶段，见,表,。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，如退火的轻金属、退火及调质的合金钢等。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”，如铸铁等。如,图,所示为其他材料的力,伸长曲线。,通过拉伸试验可测金属材料的力学性能参数如下。,）强度,材料在拉断前所能承受的最大载荷与原始截面积之比称为抗拉强度，用符号 表示。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生面力不增加的应力点，应力区分上屈服强度（）和下屈服强度（）。不同类型曲线的上屈服强度和下屈服强度如,图,所示。,）塑性,断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标也是由拉伸试验测得的，常用伸长率和断面收缩率来表示。,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号表示。其计算公式如下：,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,式中,断后伸长率，；,试样拉断后的标距，；,试样的原始标距，。,必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的。,试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用符号表示。其计算公式如下：,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,式中,断面收缩率，；,试样拉断后缩颈处的横截面积，,。,试样原始横截面积，,；,金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。例如，工业纯铁的可达，可达，可以拉制细丝，轧制薄板等。铸铁的几乎为零，所以不能进行塑性变形加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,硬度试验,材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。它不是一个单纯的物理或力学量，而是代表弹性、塑性、塑性变形强化率、强度和韧性等一系列不同物理量的综合性能指标。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,硬度测试的方法很多，最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。,）布氏硬度,（）布氏硬度的测量原理,使用一定直径的硬质合金球，施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后测量表面压痕直径、压痕表面积、作用载荷。测量原理图如,图,所示。,表,公式计算求得布氏硬度值，用符号表示。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,（）布氏硬度的表示方法,适用于布氏硬度值在以下的材料。符号 之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示试验条件；例如表示用直径为的硬质合金球，在（）的试验力作用下，保持时测得的布氏硬度值为。试验力的选择应保证压痕直径在,.,.,之间。试验力压头球直径平方的比率（,., 比值）应根据材料的硬度选择，见,表,。当试验尺寸允许时，应优先选用直径为的球压头进行试验。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,（）应用范围及优缺点,布氏硬度是使用最早、应用最广的硬度试验方法，主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。,测量布氏硬度采用的试验力大，球体直径也大，因而压痕直径也大，因此能较准确地反映出金属材料的平均性能。另外，由于布氏硬度与其他力学性能（如抗拉强度）之间存在着一定的近似关系，因而在工程上得到广泛应用。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,测量布氏硬度的缺点是操作时间较长，对不同材料需要不同压头和试验力，压痕测量较费时；在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确。因此，用硬质合金球压头时，材料硬度值必须小于。布氏硬度试验法又因其压痕较大，不宜用于测量成品及薄件。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,）洛氏硬度,（）洛氏硬度测量原理,洛氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。测量的示意图如,图,所示。测量在初试验力下的残余压痕深度及常数和，通过,表,公式求得洛氏硬度值。,图洛氏硬度测量原理图,在初试验力下的压入深度；,由主试验力引起的压入深度；,卸除主试验力后的弹性回复深度；,残余压入深度；,试样表面；,测量基准面；,压头位置,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,（）常用洛氏硬度标尺及其适用范围,为了用一台硬度计测定从软到硬不同金属材料的硬度，可采用不同的压头和总试验力组成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是、几种，其中标尺应用最为广泛。洛氏硬度标尺及适用范围见,表,。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,洛氏硬度表示方法如下：符号前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。例如表示用标尺测定的洛氏硬度值为。,（）优缺点,洛氏硬度试验的优点是：操作简单迅速，十分方便，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕较小，几乎不伤及工件表面，故可用来测定成品及较薄工件；测试的硬度值范围大，可测从很软到很硬的金属材料。其缺点是：压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，测量值的代表性差，通常需要在不同部位测试数次，取其平均值来代表金属材料的硬度。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,）维氏硬度,维氏硬度测量原理基本上和布氏硬度测量相同：将正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度，测量示意图如,图,所示。维氏硬度和压痕表面积除试验力的商成比例，维氏硬度用符号表示。通过,表,公式可求得维氏硬度值。,在实际工作中，维氏硬度值同布氏硬度一样，不用计算，而是根据压痕对角线长度，从表中直接查出。,维氏硬度值表示方法与布氏硬度相同，例如表示用,.,（）试验力，保持（可省略不标），测定的维氏硬度值为。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,冲击韧度试验,金属材料的强度、塑性和硬度等力学性能是在静载荷作用下测得的。而许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,）冲击试样,标准尺寸冲击试样长度为，横截面为,方形截面，在试样长度中间有型或型缺口，如,图,所示。,）冲击试验的原理及方法,冲击试验原理是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,冲击试验方法：将待测的金属材料加工成标准试样，然后将试样放在冲击试验机的支座上，放置时使试样缺口背向摆锤的冲击方向，如,图,（）所示。再将具有一定重量的摆锤升至一定的高度，使其获得一定的势能，然后使摆锤自由落下，将试样冲断，如图（）所示。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功。,冲击吸收功除以试样缺口处截面积（），即可得到材料的冲击韧度，用符号 表示。冲击试验中名称及其符号含义见,表,。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。,大量实验证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度 的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。当冲击能量高时，材料的塑性起主导作用；在冲击能量低时，则强度起主导作用。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,疲劳强度（）,许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,机械零件产生疲劳断裂的原因是由于材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕、显微裂纹等），这些部位在交变应力反复作用下产生了微裂纹，致使其局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。并随着应力循环次数的增加，裂纹不断扩展使零件实际承受载荷的面积不断减少，直至减少到不能承受外加载荷的作用时产生突然断裂。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,实际上，测定时金属材料不可能作无数次交变载荷试验。所以一般试验时规定，对于黑色金属应力循环取周次，有色金属、不锈钢等取周次交变载荷时，材料不断裂的最大应力称为该材料的疲劳极限。,金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如内部质量、工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。避免断面形状的急剧变化、改善零件的结构形式、降低零件表面结构及采取各种表面强化的方法都能提高零件的疲劳极限。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,.,金属材料的工艺性能,工艺性能是指金属材料在加工过程中是否易于加工成形的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。工艺性能直接影响到零件的制造工艺和加工质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,铸造性能,金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。金属材料中，灰铸铁和青铜的铸造性能较好。, 流动性,熔融金属的流动能力称为流动性，它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,收缩性,铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。, 偏析倾向,金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,锻造性能,用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关，也与材料的成分和加工条件有很大关系。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能；碳钢在加热状态下锻造性能较好；铸铁、铸铝、青铜则几乎不能锻压。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,焊接性能,焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对碳钢和低合金钢，焊接性主要同金属材料的化学成分有关（其中碳含量的影响最大）。如低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性较差。,上一页,下一页,返回,2.1,金属材料的主要性能指标,.,切削加工性能,金属材料的切削加工性能是指金属材料在切削加工时的难易程度。切削加工性能一般由工件切削后的表面结构及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。一般认为金属材料具有适当硬度（具有较）和足够的脆性时较易切削，从材料的种类而言，铸铁、铜合金、铝合金及一般碳钢都好的切削加工性能。所以铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢的切削加工性能的重要途径。,上一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,.,碳素钢的分类、标识及应用,碳的质量分数在,., ,.,之间，且不含有特意加入的合金元素的铁碳合金，称为碳素钢，简称碳钢。碳素钢冶炼方便、价格便宜，性能可满足一般工程构件、机械零件和工具的使用要求，因此得到广泛应用。,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,碳素钢的分类,（）按钢中碳的质量分数高低分类：, 低碳钢：,.,；, 中碳钢：,., ,.,；, 高碳钢：,.,。,（）按钢中有害元素硫、磷含量的多少划分，即按钢的质量分类：, 普通碳素钢：,.,，,.,；, 优质碳素钢：,.,，,.,；, 高级优质碳素钢：,.,，,.,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）按钢的用途分类：, 碳素结构钢：用于制造各种机械零件和工程构件，碳的质量分数小于,.,。, 碳素工具钢：用于制造各种刀具、模具和量具等，碳的质量分数为,.,以上。,（）按冶炼时脱氧程度的不同分类：, 沸腾钢（）：脱氧程度不完全的钢；, 镇静钢（）：脱氧程度完全的钢；, 半镇静钢（）：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,碳素钢的牌号及用途,（）碳素结构钢,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母“”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。其中质量等级分，四种，级的硫、磷含量最多，级的硫、磷含量最少。脱氧方法符号用，表示：是沸腾钢，是半镇静钢，是镇静钢，是特殊镇静钢。与符号在钢号组成表示方法中予以省略。碳素结构钢的力学性能及应用举例见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）优质碳素结构钢,优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。例如表示平均含碳量碳为,.,的优质碳素结构钢。,根据钢中含锰量的不同，优质碳素结构钢分为普通含锰量钢（,., ,.,）和较高含锰量钢（,., ,.,）两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“”。例如钢表示平均含碳量为,.,，并含有较多锰的优质碳素结构钢。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,若为沸腾钢或为了适应各种专门用途的专用钢，应在牌号后面标出相应的符号。例如表示平均含碳量 为,.,的优质碳素结构钢，沸腾钢；表示平均含碳量 为,.,的优质碳素结构钢，锅炉用钢。优质碳素结构钢的主要性能及应用见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）碳素工具钢,碳素工具钢都是高碳钢，都是优质钢或高级优质钢。主要用于制造刀具、模具和量具。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量在,.,以上。,碳素工具钢的牌号以“碳”的汉语拼音字母字头“”及阿拉伯数字表示。其数字表示钢中平均含碳量的千分数，若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母。例如表示平均含碳量 为,.,的碳素工具钢；表示平均含碳量 为,.,的高级优质碳素工具钢。,碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能及应用见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）铸造碳钢,铸造碳钢用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件。铸造碳钢广泛用于制造重型机械的某些零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。这些零件形状复杂，很难用锻造或机械加工的方法制造，又由于力学性能要求较高，也不能用铸铁来铸造。铸造碳钢的含碳量一般在,., ,.,，若含碳量过高，则塑性变差，铸造时易产生裂纹。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“”及后面两组数字组成：第一组数字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度值。如表示屈服点不小于，抗拉强度不小于的铸造碳钢。工程用铸造碳钢的力学性能与应用见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,.,合金钢的分类、标识及应用,合金钢就是在碳钢的基础上，为了改善钢的某些性能，如耐热、耐腐蚀、高磁性、无磁性、耐磨等，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素而获得的钢。加入的合金元素有铬、镍、钼、钨、钒、钴、硼、铝、钛及稀土等合金元素。随着现代工业技术的发展，合金钢在机械制造业中得到了越来越广泛的应用。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,合金钢的分类,合金钢的分类方法很多，但最常用的是下面两种分类方法。,（）按合金元素总含量多少分类：, 低合金钢：合金元素总为；, 中合金钢：合金元素总为 ；, 高合金钢：合金元素总为。,（）按用途分类：, 合金结构钢：用于制造工程结构和机械零件；, 合金工具钢：用于制造各种量具、刀具、模具等；, 特殊性能钢：具有某些特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,合金钢的牌号及应用,（）合金结构钢的牌号及应用,合金结构钢的牌号采用两位数字元素符号（或汉字）数字表示。前面两位数字表示钢的平均碳的的万分数；元素符号（或汉字）表明钢中含有的主要合金元素；后面的数字表示该元素的的值。合金元素小于,.,时不标，平均为,., ,.,，,., ,.,时，则相应以，,标出。如：钢为平均碳的量为,.,，主要合金元素为锰，锰的质量分数在,.,以下的合金结构钢。钢为平均碳的 为,.,、硅的约为、锰的小于,.,的合金结构钢。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,合金结构钢，分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢几种。, 低合金结构钢,低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素（合金元素总量小于）的工程用钢。低合金结构钢主要用于各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶等。低合金高强度结构钢碳的较低（一般在,., ,.,范围内），加入的主要合金元素是锰、钒、铌和钛等，常用的低合金高强度结构钢的牌号、力学性能及应用见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,合金渗碳钢碳,合金渗碳钢碳的 在,., ,.,之间，心部有足够的塑性和韧性。加入铬、锰、镍、硼等合金元素可提高钢的淬透性，使零件在热处理后，表层和心部均得到强化；加入钒、钛等合金元素，可细化晶粒，防止高温渗碳过程中晶粒长大。,合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后淬火、低温回火。常用合金渗碳钢的牌号、力学性能及用途见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,合金调质钢,合金调质钢碳的一般为,., ,.,，碳的含量过低，硬度不足；碳的含量过高，则韧性不足。它既要求有很高的强度，又要有很好的塑性和韧性，调质处理后零件具有良好的综合力学性能。可用来制造一些受力复杂的重要零件。常用合金调质钢的牌号、力学性能、热处理及用途见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,合金弹簧钢,合金弹簧钢碳的一般为,., ,.,。加入硅、锰主要是提高钢的淬透性，同时也提高钢的弹性极限。其中硅能显著提高钢的弹性极限，但硅的含量过高易使钢在加热时脱碳，锰的含量过高则钢易于过热，而且有更高的高温强度和韧性。,是应用较广泛的合金弹簧钢，常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,滚动轴承钢,滚动轴承钢应用最广的是高碳铬钢，其碳的 为,., ,.,，铬的为,., ,.,。加入合金元素铬是为了提高淬透性，提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。制造大型轴承时，为了进一步提高淬透性，还可以加入硅、锰等元素。滚动轴承钢对有害元素、非金属夹杂物及杂质的限制极高，否则会降低轴承钢的力学性能。轴承钢都是高级优质钢。常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）合金工具钢的牌号及应用,合金工具钢的牌号采用一位数字元素符号（或汉字）数字表示。合金工具钢用一位数字表示平均碳的 千分数，当碳的 大于等于,.,时，则不予标出，其余牌号表示方法同合金结构钢。如钢为平均碳的为,.,，主要合金元素锰的为，钒的小于,.,的合金工具钢。钢为平均碳的 大于等于,.,，主要合金元素铬的平均为，钼和钒的、 均小于,.,的合金工具钢。高速钢平均碳的 小于,.,时，其碳的也不予标出。如钢的平均含碳的为,., ,.,，其碳的不予标出。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢具有更好的淬透性、耐磨性，且热处理变形小。因此，尺寸大、精度高和形状复杂的模具、量具以及切削速度较高的刀具都应采用合金工具钢制造。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,低合金刃具钢,低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。主要加入铬、锰、硅等元素，其目的是提高钢的淬透性及强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，可提高钢的硬度和耐磨性，防止加热时过热，保持晶粒细小。,低合金刃具钢主要应用于以下、截面尺寸较大、形状复杂、低速切削的刃具及冷作模具和量具等。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,和是常用的低合金刃具钢。钢具有高的淬透性和回火稳定性，热硬性可达 。主要制造变形小的细薄低速切削刀具，如丝锥、板牙、铰刀等。钢具有很高的硬度（）和耐磨性，钢热处理后变形小，又称微变形钢，主要用来制造较精密的低速刀具，如长铰刀、拉刀等。, 高速钢,高速钢是含有较多的碳（,., ,.,）和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素的高合金工具钢，如：、。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,高的含碳量可形成足够量的合金碳化物，使高速钢具有高的硬度和耐磨性；钨、钼可提高钢的热硬性；铬可提高钢的淬透性；钒能显著提高钢的硬度、耐磨性和热硬性，并能细化晶粒。,高速钢是一种具有高热硬性、高耐磨性的高合金工具钢。高速钢热硬性高，过热和脱碳倾向小，但碳化物较粗大，韧性较差，主要用来制作中速切削刀具或结构复杂的低速切削刀具（如拉刀、齿轮刀具等）。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,合金量具钢,合金量具钢是用来制作各种量具如游标卡尺（,图,所示）、千分尺（,图,所示）的钢。由于量具工作时受摩擦、磨损，所以量具的工作部分一般要求高硬度、高耐磨性及良好的尺寸稳定性。制造量具常用的钢有碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢。精度要求较高的量具，一般均采用微变形合金工具钢制造，如、。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,模具钢,模具钢有冷作模具钢与热作模具钢之分。冷作模具钢用于制造冷冲模、冷挤压模、拉丝模等，工作中要承受很大的压力、冲击载荷和强烈的摩擦。所以冷作模具钢应具有高的硬度、耐磨性、抗疲劳性和一定的韧性。大型模具还要求有良好的淬透性。,小型冷作模具若尺寸小、形状简单可采用、等碳素工具钢制造；若形状复杂、要求淬火变形小时，应采用、等低合金刃具钢来制造。大型冷作模具一般采用，等高碳高铬钢制造。这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,热作模具是在高温下工作的，如热锻模、热挤压模和压铸模等。这些模具工作时承受很大的冲击力，因此要求热模具钢具有高的热强性和热硬性、高温耐磨性和高的抗氧化性，以及较高的抗热疲劳性和导热性。,目前一般采用和钢制作热锻模，采用钢制作压铸模和热挤压模。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）特殊性能钢的牌号及应用,特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢相同。当碳的 为,., ,.,时，碳的用表示；碳的小于等于,.,时，用表示。如钢表示碳的 为,.,，平均铬的为的不锈钢。钢平均碳的为,., ,.,，钢的平均碳的小于,.,。还有一些特殊专用钢，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，表示钢的用途，而不标碳的，合金元素的含量的标注也和上述有所不同。如滚动轴承钢前面标“”（“滚”字的汉语拼音字母字头），如。这里应注意铬元素后面的数字是表示铬的的千分数为,.,，其他元素仍按百分数表示。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,特殊性能钢是具有某些特殊物理、化学性能的钢。在机械制造业中常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。, 不锈钢,不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢两种。铬不锈钢的铬使钢有良好的耐蚀性，而碳则保证钢有适当的强度。随着钢中碳的 增加，钢的强度和硬度提高，而韧性和耐蚀性则下降。常用铬不锈钢的牌号有、和等，通称型不锈钢。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,碳的较低的和钢，塑性和韧性很好，且具有良好的抗大气、海水等介质腐蚀的能力，适用于在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀门等。碳的为,., ,.,，铬的为 。主要用于力学性能要求不高，耐蚀性要求较低的零件。碳的较高的、等，经淬火、低温回火后，得到马氏体组织，其硬度可达左右，用于制造弹簧、轴承、医疗器械及在弱腐蚀条件下工作且要求高强度的零件。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,铬镍不锈钢的牌号有、等，这类钢碳的 低，镍的高，经热处理后，呈单相奥氏体组织，无磁性、其耐蚀性、塑性和韧性均较型不锈钢好。铬镍不锈钢主要用于制造强腐蚀介质（硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等）中工作的零件，如吸收塔壁、贮槽、管道及容器等。, 耐热钢,耐热钢是在高温下具有高的抗氧化性能和较高强度的钢。耐热钢可分为抗氧化钢和热强钢两类,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,抗氧化钢是在高温下有较好的抗氧化能力且具有一定强度的钢。抗氧化钢中加入的合金元素为铬、硅、铝等，它们在钢表面形成致密的、高熔点的、稳定的氧化膜，牢固地覆盖在钢的表面，使钢与高温氧化性气体隔绝，从而避免了钢的进一步氧化。这类钢主要用于制造长期在高温下工作但强度要求不高的零件，如各种加热炉底板、渗碳处理用的渗碳箱等。常用的抗氧化钢有、等。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,热强钢是在高温下具有良好抗氧化能力且有较高高温强度的钢。在钢中加入铬、钨、钼、钛、钒等合金元素，可提高钢的抗氧化能力和高温下的强度。常用的热强钢有、等。钢是典型的锅炉用钢，可以制造在 条件下长期工作的零件。钢可以制造以下的工作的零件，如汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,耐磨钢,耐磨钢应具有良好的韧性和耐磨性，主要用于承受严重摩擦和强烈冲击的零件，如车辆履带（如,图,所示）、破碎机颚板、挖掘机铲斗等。,高锰钢其牌号为，碳的为,., ,.,，锰的量为 ，在热处理后具有单相奥氏体组织，是典型的耐磨钢。为了使高锰钢获得单相奥氏体组织，应进行“水韧处理”，即将钢加热到 ，保温一定时间，使钢中碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,当在工作中受到强烈的冲击和压力而变形时，表面会产生强烈的硬化使其硬度显著提高（以上），从而获得高的耐磨性，而心部仍保持高的塑性和韧性。,高锰钢极易产生加工硬化，切削加工困难，故高锰钢零件大多采用铸造成形。,耐磨钢履带（如图所示）、火车分道叉（,如图,所示），就是高锰钢。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,.,铸铁的分类、标识及应用,铸铁是碳的大于,.,（一般为,., ）的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素并比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质的多元合金。其生产工艺和设备简单，成本低，性能良好。与钢相比，其具有优良的铸造性能、切削加工性能、耐磨性、减振性和耐蚀性，并且价格较低。因此广泛应用于机械制造、石油化工、交通运输、基本建设及国防工业等方面。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,铸铁的分类,铸铁的分类方法是根据铸铁中碳的石墨形态来区分的，主要有以下三种。, 灰铸铁。铸铁中石墨呈片状存在。, 可锻铸铁。铸铁中石墨呈团絮状存在。它是由一定成分的白口铸铁经高温长时间退火后获得的。其力学性能（特别是韧性和塑性）较灰口铸铁高，故习惯上称为可锻铸铁。, 球墨铸铁。铸铁中石墨呈球状存在。它是在铁水浇注前经球化处理后获得的。这类铸铁不仅力学性能比灰口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可锻铸铁简单，而且还可以通过热处理进一步提高其机械性能，所以在生产中的应用日益广泛。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,.,灰铸铁的牌号及应用,（）灰铸铁的牌号及应用,灰铸铁的牌号由三位数字组成。其中“”是灰铁的汉语拼音缩写，数字代表铸铁的抗拉强度。如表示最低抗拉强度为的灰铸铁。最小的灰铁是，往上以为间隔递增，最大为，灰铸铁的牌号及用途见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）可锻铸铁的牌号及用途,可锻铸铁的牌号中的“”表示“可铁”二字汉语拼音的大写字头，“”表示“黑心”，“”表示珠光体基体。牌号后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率。可锻铸铁牌号、性能及用途见,表,。,（）球墨铸铁的牌号、性能及用途,球墨铸铁的牌号、性能及用途见,表,。牌号中的“”表示“球铁”二字汉语拼音的大写字头，在“”后面两组的数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,（）蠕墨铸铁的牌号、性能及用途,蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是由液体铁水经变质处理和孕育处理随之冷却凝固后所获得的一种铸铁。,牌号中“”是“蠕铁”两字汉语拼音的字头，在“”后面的数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁的牌号、性能及用途见,表,。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,2.3,钢的热处理常识,热处理就是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组织结构的工艺。如,图,所示。普通热处理都要经过如图所示的三个阶段，不同的是加热温度、保温时间和冷却速度不同。,上一页,下一页,返回,2.2,常见工程材料的分类、标识及应用,热处理工艺的特点是不改变金属零件的外形尺寸，只改变材料内部的组织与零件的性能。所以钢的热处理目的是消除材料的组织结构上的某些缺陷，更重要的是改善和提高钢的性能，充分发挥钢的性能潜力，这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义，常用的热处理工艺与作用汇总见,表,。,上一页,返回,2.3,钢的热处理常识,热处理就是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组织结构的工艺。如,图,所示。普通热处理都要经过如图所示的三个阶段，不同的是加热温度、保温时间和冷却速度不同。,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,热处理工艺的特点是不改变金属零件的外形尺寸，只改变材料内部的组织与零件的性能。所以钢的热处理目的是消除材料的组织结构上的某些缺陷，更重要的是改善和提高钢的性能，充分发挥钢的性能潜力，这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义，常用的热处理工艺与作用汇总见表。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,热处理工艺的特点是不改变金属零件的外形尺寸，只改变材料内部的组织与零件的性能。所以钢的热处理目的是消除材料的组织结构上的某些缺陷，更重要的是改善和提高钢的性能，充分发挥钢的性能潜力，这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义，常用的热处理工艺与作用汇总见表,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,.,.,钢的普通热处理,.,退火,将钢加热到适当的温度，保温一定的时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）至室温，这样的热处理工艺称为退火，退火的目的如下：,（）降低钢的硬度、提高塑性、以利于切削加工；,（）细化晶粒、均匀钢的组织，改善钢的性能，为以后的热处理作组织准备；,（）削除钢中的残余应力，以防止工件变形与开裂。,根据钢的成分及退火的目的不同，常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火。常用退火方法及应用见,表,。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,.,正火,将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在空气中冷却下来的热处理工艺称为正火。正火的目的与退火基本相同，其目的是：细化晶粒、调整硬度、消除碳化物网、为后续加工及球化退火、淬火等做好组织准备。,正火的冷却速度比退火要快，过冷度较大。因此，正火后的组织比退火组织要细小些，钢件的强度、硬度比退火高一些。同时正火与退火相比具有操作简便，生产周期短，生产效率较高，成本低等特点。在生产中的主要应用范围如下：,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,（）改善切削加工性，因低碳钢和某些低碳合金钢的退火组织中铁素体量较多，硬度偏低，在切削加工时易产生“黏刀”现象，增加表面结构值。采用正火能适当提高硬度，改善切削加工性。,（）消除网状碳化物，为球化退火做好组织准备。对于过共析钢或合金工具钢，因正火冷却速度较快，可抑制渗碳体呈网状析出，并可细化层片状珠光体，有利于球化退火。,（）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，以代替调质处理。,（）用于淬火返修零件，消除内应力，细化组织，以防重新淬火时产生变形和开裂。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,.,淬火,淬火是将钢加热到一定温度，经保温后在水（或油中）快速冷却的热处理工艺。也是决定零件使用性能最重要的热处理工艺。,（）淬火加热温度的选择,钢的淬火加热温度根据相图选择，如,图,所示。,从曲线看出，只有奥氏体能够转变成马氏体，所以淬火时首先需把钢加热至临界温度以上，使钢变为奥氏体组织。亚共析钢的淬火温度必须超过临界温度以上 左右，这样才能使钢全部转变成奥氏体，淬火后才有可能全部获得马氏体组织。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,（）淬火冷却介质,淬火操作难度比较大，主要因为淬火时要求得到马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度（），而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形与开裂。怎样才能既得到马氏体又最大限度地减小变形与避免开裂呢？主要可以从两方面着手，其一是寻找一种比较理想的淬火介质，其二是改进淬火冷却方法，常用的淬火冷却介质有水、矿物油、盐水溶液等。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,（）淬火冷却方法,由于淬火介质性能不能完全符合理想，故需配以适当的冷却方法进行淬火，才能保证零件的热处理质量。常用的淬火冷却方法如,图,所示。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,单液淬火如图（）,单液淬火就是将加热后的钢件，在一种冷却介质中进行淬火操作的方法。通常碳钢用水冷却，合金钢用油冷却。单液淬火应用最普遍，碳钢及合金钢机器零件在绝大多数的情况下均用此法，它操作简单，易于实现机械化和自动化。但水和油对钢的冷却特性都不够理想，某些钢件（如外形复杂的中、高碳钢工件）水淬易变形、开裂，油淬易造成硬度不足。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,双液淬火如图（）,将工件加热到淬火温度后，先在冷却能力较强的介质中冷却至 ，再把工件迅速转移到冷却能力较弱的冷却介质中继续冷却至室温的淬火方法，称为双液淬火。,双液淬火可减少淬火内应力，但操作比较困难，主要用于高碳工具钢制造的易开裂工件，如丝锥、板牙等。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,分级淬火如图（）,分级淬火就是把加热成奥氏体的工件，放入温度为左右（附近）的热介质（熔化的盐类物质或热油）中冷却，并在该介质中作短时间停留，然后取出空冷至室温。,零件在点附近停留保温，使工件内外的温度差，壁厚处和壁薄处的温度差减到最小，以减小淬火应力，防止工件变形和开裂。而马氏体转变又是在空冷条件下进行的，因此分级淬火是避免和减小零件开裂和变形的有效措施。但对于碳钢零件，分级淬火后会出现珠光体组织。所以分级淬火主要适用于合金钢零件或尺寸较小、形状复杂的碳钢工件。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,等温淬火如图（）,把奥氏体化的钢，放入稍高于温度的盐浴中，保温足够时间，使奥氏体转变为下贝氏体的工艺操作叫等温淬火。它和一般淬火的目的不同，是为了获得下贝氏体组织，故又称贝氏体淬火。,等温淬火产生的内应力很小，所得到的下贝氏体组织具有较高的硬度和韧性，故常用于处理形状复杂，要求强度、韧性较好的工件，如各种模具、成形刀具等。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,.,回火,钢件淬火后，在硬度、强度提高的同时，其韧性却大为降低，并且还存在很大的内应力（残余应力），使用中很容易破断损坏。为了提高钢的韧性，消除或减小钢的残余内应力必须进行回火。,在生产中由于对钢件性能的要求不同，回火可分为下列三类：, 低温回火,淬火钢件在以下的回火称为低温回火。低温回火主要是消除内应力，降低钢的脆性，一般很少降低钢的硬度，即低温回火后可保持钢件的高硬度。如钳工实习时用的锯条、锉刀等一些要求使用条件下有高硬度的钢件，都是淬火后经低温回火处理。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,中温回火,淬火钢件在 之间的回火称为中温回火。淬火钢件经中温回火后可获得良好的弹性，因此弹簧、压簧、汽车中的板弹簧等，常采用淬火后的中温回火处理。, 高温回火,淬火钢件在高于的回火称为高温回火。淬火钢件经高温淬火后，具有良好综合力学性能（既有一定的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性）。所以一般中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理。轴类零件应用最多。淬火高温回火称为调质处理。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,.,.,钢的表面热处理,.,表面淬火,所谓表面淬火，顾名思义就是仅把零件需耐磨的表层淬硬，而中心仍保持未淬火的高韧性状态。表面淬火必须用高速加热法使零件表面层很快地达到淬火温度，而不等其热量传至内部，立即迅速冷却使表面层淬硬。,表面淬火用的钢材必须是中碳（,.,）以上的钢，常用、钢或中碳合金钢等。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,（）火焰加热表面淬火,用高温的氧,乙炔火焰或氧与其他可燃物（煤气、天然气等）的火焰，将零件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却。,（）感应加热表面淬火,这是利用感应电流，使钢表面迅速加热而后淬火的一种方法。此法具有效率高、工艺易于操作和控制等优点，所以目前在机床、机车拖拉机以及矿山机器等机械制造工业中得到了广泛的应用。常用的有高频和中频感应加热两种。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,.,化学热处理,化学热处理是通过改变钢件表层化学成分，使热处理后，表层和心部组织不同，从而使表面获得与心部不同的性能，将工件放在一定的活性介质中加热，使元素渗入工件表层，以改变表层化学成分和组织，从而改善表层性能的热处理工艺，称为化学热处理。,上一页,下一页,返回,2.3,钢的热处理常识,化学热处理的方法很多，已用于生产的有渗碳、渗氮、碳氮共渗（提高零件的表面硬度，增加耐磨性和疲劳强度等）以及渗金属等多种。不论哪一种方法都是通过以下三个基本过程来完成的，分解：介质在一定的温度下，发生化学分