机械常用金属材料及热处理

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,第三级,第四级,第五级,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,第三级,第四级,第五级,第,1,章 机械常用金属材料及热处理,目录,1,1,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,1.1.2,金属材料的工艺性能,1,2,钢的热处理,1.2.1,退火,1.2.2,正火,1.2.3,淬火,1.2.4,回火,1.2.5,钢的表面热处理,1,3,常用的金属材料,1.3.1,碳素钢,1.3.2,合金钢,1.3.3,铸铁,引子,材料,：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。,材料的,使用性能与成分、组织及加工工艺密切相关,，尤其是金属材料，,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构，以获得不同的性能,，改善工艺性能和延长使用寿命。,引子,金属材料主要性能：,力学性能,、物理性能、化学性能和,工艺性能,等。,金属材料,：纯金属,(,应用较少：价贵、强度低,),和合金（常用）。,力学性能,：金属材料在,外力作用下,所表现,的抵抗能力,性能指标：,弹性、塑性、强度、硬度、韧性,，且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的主要,依据,。,工艺性能,：指金属材料具有的,能够适应各种加工工艺要求的能力,，是力学、物理和化学性能的综合表现，包括,铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削加工性能,。,1.1.1,金属材料的力学性能,1.1.1.1,强度,1,屈服点,2,抗拉强度,1.1.1.2,塑性,1,）断后伸长率,2,）断面收缩率,1.1.1.3,硬度,1,布氏硬度,2,洛氏硬度,1.1.1.4,冲击韧度,1.1.1.5,疲劳强度,1.1.1.1,强度,强度,： 指机金属材料在外力作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力,。,强度大小可按国家标准的规定,通过,拉伸试验,来测定,。,1,屈服点,2,抗拉强度,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的现象。,屈服点,：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，大多数金属材料没有明显的屈服现象。,因此，规定产生,0.2%,残余伸长时的应力作为屈服强度。,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。,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。,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,2,）断面收缩率,1,）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百分比。,一般规定,短试样,：,L=5d,，,长试样,：,L=10d,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，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,5,、断面收缩率达,10,可满足要求。,1.1.1.3,硬度,硬度：,1,）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。,硬度是,检验毛坯或成品件、热处理件,的重要性能指标。,硬度指标：,1,布氏硬度,2,洛氏硬度,1,布氏硬度,测量方法,：将一定直径（,10,，,5,，,2.5,，,2,，,1mm,）的淬火球加以一定的载荷，压入被测金属材料的表面，根据所用载荷的大小和所得压痕面积来计算压痕球面上的平均压力。,HBS,（淬火钢球）,HBW,（硬质合金球）,布氏硬度测量特点,：数据较准确，但不宜于测太薄、太硬的材料,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，根据压痕的深度来度量材料的硬度值。,压痕越深，材料愈软，硬度值愈低,。,按压头种类和所加载荷不同，,洛氏硬度指标符号,有：,HRA,、,HRB,、,HRC,。工程上常使用,HRC,硬度指标。,洛氏硬度,测量特点,：操作,简便迅速,，可,直接,从表盘上,读,出硬度值，没有单位。由于,压痕小,，,可用于成品及薄件检验,，但,不如布氏硬度试验准确,。,1.1.1.4,冲击韧度,由于,许多机械经常受到冲击载荷,必须具有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。,冲击韧度,：金属材料,抵抗冲击载荷的能力,。,冲击由于是瞬时的，其载荷,比静载荷要大,的多。,冲击试验,工程上常用,一次摆锤冲击,测定冲击韧度。,冲击韧度,不直接用于设计计算,材料往往不是一次冲击破坏的。,1.1.1.5,疲劳强度,疲劳,：在,交变载荷,下工作的零件虽然,工作应力远低于抗拉强度,，甚至低于屈服点，但在长时间工作后会,突然断裂,。,特点,：疲劳断裂时,不发生明显的塑性变形,，断裂是,突然,的，具有很大的危险性，常造成严重的事故。,1.1.1.5,疲劳强度,据统计，损坏的零件中，,80,由于金属疲劳而造成的,。,疲劳强度,：在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。,循环次数,：,钢铁,10,7,，,非鉄金属,10,8,，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。,疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部位,材料内部,缺陷,、加工造成的,磨痕、刀痕,、局部应力集中产生的,裂纹,。,1,1,金属材料的工艺性能,1,铸造性能,2,锻造性能,3,焊接性能,4,切削加工性能,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,凝固后得到,一定形状和性能的,铸件,的方法。,铸造性能,：浇铸时液态金属的,流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向,。,流动性好,：金属具有良好的,充满型腔,的能力，能铸出大而薄的铸件。,收缩,：液态金属凝固时,体积收缩,和凝固后的,线收缩,，,收缩小可,提高液态金属的利用率，,减少变形和裂纹,的可能性。,偏析,：铸件,凝固后各化学成分的不均匀,，若偏析严重，将使铸件的力学性能变差。,灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。,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纹的性能,，是材料塑性好坏的表现。,锻造性,：,低碳钢,良好；碳钢比,合金钢,好；,铸铁无,。,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，,能否获得质量良好焊缝的性能,。,焊接性能好,焊缝中,不易产生气孔、夹渣或裂纹,。,焊接性能比较,：低碳钢好，高碳钢和铸铁较差。,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度,。,与,材料本身,化学成分、金相组织、刀具几何形状,有关,。,硬度过高或过低、韧性过大,切削性能较差。,灰铸铁具有良好的切削加工性能。,1,2,钢的热处理,1.2.1,退火,1.2.2,正火,1.2.3,淬火,1.2.4,回火,1.2.5,钢的表面热处理,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,，,改变金属内部结构,，从而,获得所需性能,的操作工艺，工艺曲线如图,1,4,。,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、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性能,）。,作用,：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,各种性能得到很大的改善,和提高，,充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材料,。,机床、汽车、拖拉机制造中，,80,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。,引子,热处理分类：,引子,零件制造一般过程,：选原料,锻造,预选热处理,机械加工,最终热处理。,预选热处理,：退火和正火,消除组织缺陷和内应力。,含碳量,钢：,0.0218-2.11%,；铁：,2.11%,；,45,号钢,b,600MPa,。,热处理工艺曲线示意图,相图,晶界的原子排列,相图,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,奥氏体形成过程,金相组织,铁素体,F,：室温下碳溶量,0.0008%,，,727,溶,0.0218%,强度和硬度（,HB=50,80,）低，而塑性和韧性好的相；,30,50,，,70,80,，,b,180,280MPa,奥氏体,A,：最高溶碳,2.11%,（,1148,）,HB,170,220,；,40,50,塑性很高。,渗碳体,Fe3C,：含碳量,6.69%,。,熔点,1227,，硬度很高（,HB=800,）而脆，塑性几乎为零。,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，是铁碳合金的重要强化相。,金相组织,加热冷却临界温度,金相组织,上贝氏体,550,：脆性较大、硬度较低。,下贝氏体,350,：较高强度和硬度，良好的塑性和韧性。,马氏体,230,：高硬度,上贝氏体（,400,） 下贝氏体（,400,）,板条马氏体（,400,） 针状马氏体（,400,）,1.2.1,退火,退火,：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。,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，所以退火可以达到各个不同的目的。,退火,正火,1.2.2,正火,正火,:,将钢加热到,Ac3,（亚共析钢）或,Accm,（过共析钢）以上,30,50,，保温后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，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。,1.2.3,淬火,淬火：,将钢加热到,Ac3,（亚共析钢）或,Ac1,（过共析钢）以上,30,50,，保温后在水中或油中快速冷却的一种操作工艺。,淬火目的,:,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。,如：刀具和量具,高的硬度和耐磨性；轴和齿轮,较好的韧性。,淬火回火。,回火通常作为最终热处理。,45,钢的正常淬火,组织（,400,）,35,钢的,760,淬火,组织（,400,）,T12,钢的正常淬火,组织（,400,）,1.2.3,淬火,淬透性：,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。,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,。,淬硬性：,指淬火后获得的最高硬度，主要取决于马氏体中的含碳量。,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，后者淬透性较高。,碳钢的淬火温度范围,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,淬火后应及时回火，,以保证达到所需要的性能,调质,。,淬火：硬而脆，存在内应力。,回火：,将淬火的钢重新加热到,Ac1,以下某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却。,1.2.4,回火,目的：,1,）,降低淬火钢的脆性和内应力,，防止变形或开裂。,2,）,调整和稳定淬火钢的结晶组织,，以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。,3,）,获得不同需要的力学性能,，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。淬火经回火后，硬度随回火温度的升高而降低，,回火一般也是热处理的最后一道工序,。,根据工件的不同性能要求，将回火分类如下：,1,）低温回火（,150,250,）,2,）中温回火（,350,500,）,3,）高温回火（,500,600,）,1.2.4,回火,1,）低温回火（,150,250,）,回火马氏体：,降低淬火钢的应力和脆性，提高韧性，保持高硬度和耐磨性。,高碳钢刀具、冷作模具、量具、滚动轴承和渗碳、表面淬火件,。,2,）中温回火（,350,500,）,回火托氏体：,显著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,弹簧、弹性夹头和锻模的热处理,。,3,）高温回火（,500,600,）,回火索氏体：,使工件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能,。淬火后高温回火,调质处理、调质,用于受力情况复杂的重要零件（,轴、齿轮、连杆,）,250,350,容易发生回火脆性，故避开。,1.2.5调质,：淬火,+,高温回火,改善材料的综合力学性能：,（,1,） 表面硬,耐磨；,（,2,）芯部韧性好,抗冲击。,1.2.5,钢的表面热处理,表面层强化的,提出,要求材料具有耐磨的高硬度 要求材料具有抗冲击的高韧性：,表层承受着比内部高的应力,对零件的表面层提出了强化,（表面的高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限，内部保持足够的塑性和韧性）的要求。,表面热处理：,1,表面淬火,：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。,2,化学热处理,：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。,1,）渗碳 渗入碳原子（气体、固体、液体）,2,）氮化 渗入氮原子,1,3,常用的金属材料,金属材料包括：钢铁材料、非铁金属。,钢铁材料包括：钢、铸铁。钢应用最广泛。,非铁金属包括：钢以外的金属及其合金。,1.3.1,碳素钢,1.3.2,合金钢,1.3.3,铸铁,1.3.1,碳素钢,含碳,2.11%,，实际,1.5%,，其中含有少量,Si,、,Mn,、,P,、,S,等,1.,碳素钢的分类,2,碳钢的牌号和用途,1.,碳素钢的分类,1,）按,含碳量,分类,低碳钢。,w(C)0.25%,中碳钢。,w(C)= 0.25%-0.6%,高碳钢。,w(C)0.6%,2,）按钢的,质量,分类（,杂质,）,普通钢。,w(S)0.055%,，,w(P)0.045%,优质钢。,w(S),、,w(P)0.04%,高级优质钢。,w(S),、,w(P)0.03%,3,）按,用途,分类,碳素结构钢。 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）,低、中碳钢。,碳素工具钢。 用于制造各种工具（如刀具、模具、量具）,高碳钢。,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，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。,为了管理,命名和编号：,（,1,）碳素结构钢,（,2,）优质碳素结构钢,（,3,）碳素工具钢,（,4,）铸钢,（,1,）碳素结构钢,工程中,应用最多的钢种,，约占钢总量的,70,80,它的碳素结构钢牌号由以下四部分组成：,1,）屈服点字母,Q,2,）屈服点数值,MPa,3,）质量等级,A/B/C/D,依次提高,4,）脱氧方法,F,沸腾钢,b,半镇静钢,Z,镇静钢（可省略）,TZ,特素镇静钢（可省略）,Q235AF,表示屈服点为,235MPa,的,A,级沸腾钢,用于建筑、车辆、船舶等,（,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量（质量分数）的,万分数,：,45,钢,含碳量为,0.45%,的优质碳素结构钢。,用途：,15,、,20,钢,一般的表面渗碳钢：制造导套、挡块和摩擦片,耐磨零件；,40,、,45,、,50,钢,调制钢：用于制造齿轮、丝杠、连杆和各种轴类零件；,65,85,钢,碳素弹簧钢。,（,3,）碳素工具钢,用途：制造刀具、量具和模具,性能：高的硬度和耐磨性，平均含碳量,0.7-1.3%,高碳钢,牌号：,T,含碳量的千分数：,T12,平均含碳量,1.2,的碳素工具钢。,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，才能进一步提高硬度和耐磨性。,（,4,）铸钢,铸造碳钢,用途,：用于,受冲击负荷,作用的形状复杂件,轧钢机机架、重载大型齿轮和飞轮。,牌号：,ZG,铸件屈服强度抗拉强度。,ZG200-400,：,0.2,200MPa,b,400MPa,1.3.2,合金钢,合金钢：碳钢合金元素（,Mn,、,Si,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Nb,、,Zr,、,Xt,）,1,分类,（,1,）按用途,1,）合金结构钢,2,）合金工具钢,3,）特殊性能钢,（,2,）按合金元素总含量,1,）低合金钢,5% 2,）中合金钢,=5%-10%,3,）高合金钢,10%,（,3,）按冶金质量不同,1,）优质钢,2,）高级优质钢（钢号后加“,A”,）,3,）特级优质钢（钢号后加“,E”,）,2.,合金牌号表示方法,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擦、磨损的条件下工作的零件。,含碳量,：,0.1-0.25%,，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。,渗碳钢按淬透性分类,：,低淬透性钢（,15,、,20,、,20Cr,）,中淬透性钢（,20CrMnTi,、,20CrMnMo,）,高淬透性钢（,18Cr2Ni4WA,、,20Cr2Ni4A,）,合金调质钢,含碳量,：,0.25,0.5%,，常加入,Mn,、,Si,、,Cr,、,Ni,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：轴类件、连杆、高强度螺拴。,40Cr,常用，良好的塑性、高的淬透性。,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、热硬性和回火稳定性。,刃具、模具、量具：制造截面大、形状复杂、性能高。,分类：,低合金工具钢,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）,更高的强度、耐磨性、热硬性（,260,保持,60HRC,）。,常用,CrWMn,高速钢。,锋钢,高速切削：良好的热硬性（,600,）,含,W,、,V,、,Mo,、,Cr,等,高的硬度和耐磨性、较高的热硬性、足够的强度和韧性。,常用的,：,W18Cr4V,、,W9Cr4V2,、,W6Mo5Cr4V2,、,3,）特殊性能钢,有一些特殊的物理或化学性能。,不锈钢,：,1Cr13,、,2Cr13,、,3Cr13,、,4Cr13,耐热钢,。 包括抗氧化钢、热强钢。,用于,高压锅炉、汽轮机、内燃机和热处理炉,。,耐磨钢,。 冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢。,制造,破碎机齿板、大型磨球机衬板、挖掘机铲齿、履带、铁轨道岔,防弹装甲车板和保险箱,。,2.,合金牌号表示方法：合金元素符号数字,1,）,最前的数字,含碳量,：,低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢,2,位，,0.03,用,00,表示：,万分之,；,不锈钢、耐热钢,1,位：,千分之,，,1/1000,用,0,表示；,合金工具钢,1,位：,千分之,，,w(C)1%,不标含碳量；,高速钢,1%,也不标出。,2,）,合金元素后的数字,：含合金量,1.5%,不标；大于,1.5%,、,2.5%,、,3.5%,、,相应用,2,、,3,、,4,表示,高碳铬轴承钢：千分之,牌号头加,G,：,GCr9,表示含铬,0.9%,的轴承钢。,3,）,高级优质合金钢,钢号后加“,A”,4,）牌号,头部或尾部,加上表,专门用途的符号,G,（滚动轴承）,：,GCr1,K,（矿用）,：,20MnK,。,1.3.3,铸铁,不能锻造，但,：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。,曲轴、连杆、齿轮,趋势,：球墨铸铁,以铁代钢，以铸代锻,。,铸铁分类：,1,白口铸铁,2,灰铸铁,3,可锻铸铁,4,球墨铸铁,1,白口铸铁,白口铁,：银白色，,含大量,Fe,3,C,硬度高、脆性大，难切削加工,：很少用来直接制造零件，用于,炼钢原料、制造可锻铸铁的毛坯,。,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状石墨形状存在，断口为暗灰色：灰铸铁,常见的铸铁,性能,：良好的铸造性能、耐磨性、减振性和切削性,用途,：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、活塞环等。,牌号,：,HT,最低抗拉强度数字（,MPa,）：,HT200,3,可锻铸铁,获得,：白口铸铁,石墨化退火,特点,：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，习惯上称可锻铸铁，,实际上不能锻造,。,用途,：常用来制造一些重要的小件,管接头、阀门、汽车上的小零件。,缺点,：生产周期长、工艺复杂、成本高,逐渐被球墨铸铁替代,牌号,：,KT+,最低抗拉强度数字（,MPa,）,+,最低伸长率：,KT350-10,4,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）,优点,：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,以铁代钢，以铸代锻,具有较大经济效益。,用途,：制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞,牌号,：,QT,最低抗拉强度数字（,MPa,）,+,最低伸长率：,QT500-07,本章完,谢谢观赏_,高职高专规划教材,主 编：朱运利,电子制作：赵小英,机械工业出版社印制,回目录,