教育专题：机械工程材料

,*,第四章 工程材料,工程材料是制造机械零件的原料。机械零件的结构、形状、大小和使用条件不同，对材料的要求也不同。常用的材料有黑色金属、有色金属及非金属。了解各种材料的牌号、性能及应用，以及黑色金属材料的热处理方法，为中职学生了解机械零件的使用和维护提供必备的基础知识。,黑色金属材料具有良好的力学性能，大部分机械零件都选用黑色金属作为零件的材料。因此，黑色金属材料的内容和热处理方法是本章的学习重点。,4,1,金属材料的性能,一、金属的物理性能和化学性能,1,、金属材料性能 使用性能工艺性能,使用性能物理性能化学性能力学性能,工艺性能 生产、加工条件下表现的性能。,2,、物理性能密度熔点导热性导电性热膨胀 性磁性,二、金属的力学性能和工艺性能,1,、,力学性能指金属材料在外力作用下表现出来的性能,（,1,）,强度,安全生产的基本保证和满足机械零件达到设计寿命的 前提，也是机 械设计中必须达到的基本要求，是机械零件强度校 核的根据。,（,2,）,塑性,（,3,）,硬度,（,4,）,冲击韧性,4,1,金属材料的性能,2,、金属材料的工艺性能,包括多种内容，主要有泠加工的切削加工性能，和热加工的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能。切削加工性能即是否容易将材料切削成所需要的零件形状。一般说来，软材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面质量相对差一些；而硬材料的强度相对较高，加工较困难，但表面质量较好。所以具有良好切削性能和较高强度的中碳钢应用较广。,（,5,）,疲劳强度,机械零件在长期使用中，由于交变应力对材料的影响，可能出现突然的断裂破坏，设计零件的使用寿命必须保证在规定的时间内不能出现疲劳损坏,4,2,黑色金属材料,黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。,一、钢的分类,1,、按化学成分分,（,1,）碳素钢 含碳质量分数的多少又分成低碳钢、中碳钢和高碳钢,（,2,）合金钢 如果含有合金元素，相应称为低合金钢、中合金钢和高合金钢,（,3,）铸铁,2,、按钢的品质分,（,1,）普通钢,4,2,黑色金属材料,（,2,）优质钢,（,3,）高级优质钢,3,、按钢的用途分,（,1,）结构钢 从制造成本和加工工艺角度出发，机械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较高的零件。,（,2,）工具钢 选用中碳钢作为具有一定强度和硬度要求的零件,（,3,）特殊性能钢 强度要求较高，又具有较好的塑性，则应用合金钢对于一般，重要的齿轮或轴选用中碳合金钢。,4,2,黑色金属材料,二、钢的编号,1,、碳钢的编号方法,(1),碳素结构钢 用,Q,代表屈服强度，如,Q235,(2),优质碳素结构钢 用数字直接表示钢中碳的质量分数的万分之一。如,45,、,35,等表示钢中含碳的质量分数为,0.45%,、,0.35%,。,(3),碳素工具钢 用,T,表示，如,T8 A,钢。,(4),铸造碳钢 用,ZG,表示,如,ZG 200,400,钢。表示屈服强度大于,200MPa,抗拉强度大于,400MPa,。,如果数字后加注,A,、,B,等符号表示质量等级。,A,为高级。,4,2,黑色金属材料,2,、合金钢的编号方法,(1),低合金高强度结构钢 如,Q390A,(2),合金结构钢 如,40Cr,40,表示含碳质量分数的万分之一；,30CrMoA,，合金的元素符号及含量的百分之,1.5,，末位加,A,表示优质。,（,3,）滚动轴承钢 在含碳质量分数元素符号前加,G,，如,GCr15,。,（,4,）合金工具钢 含碳质量分数小于,1,，用一位数表示的含碳质量分数的千分之几。含碳质量分数小于,1,，不予标注。,（,5,）不锈钢 含碳较低，用,“,00,”,和,“,0,”,数字表示含碳质量分数，分别低于,0.03%,和,0.08%,，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬东西的原因,。,4,2,黑色金属材料,三、,.,碳素钢,含碳质量分数小于,2.11%,而不特意加入合金元素的钢。,1,、碳素结构钢,（,1,）普通碳素结构钢,含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有,Q,表示；如,Q215,、,Q235,、,Q275,。塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件。,4,2,黑色金属材料,（,2,）优质碳素结构钢,含碳质量分数较多，为中碳钢，常用,45,、,35,钢。,2,、碳素工具钢,含碳质量分数在,0.7,以上，硬度高，如,T8A,、,T10A,、,T12A,。,4,2,黑色金属材料,四、合金钢,在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。,4,2,黑色金属材料,1,、合金结构钢,低合金结构钢,16Mn,代替,Q235,作建筑、桥梁材料。,20CrMnTi,经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好的韧性，作汽车变速箱齿轮。,4,2,黑色金属材料,（,2,）机械制造用钢,中碳合金钢,40Cr,代替常用,45,钢作重要的轴等机械零件。,高合金钢,60Si2Mn,代替,65Mn,作重要弹簧。,滚动轴承用钢,Gr15,用于制造常用滚动轴承,。,4,2,黑色金属材料,2,、合金工具钢,（,1,）刃具钢,高速钢 用作加工刀具，钻头、各类铣刀。,刀具用钢 用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。,（,2,）模具钢 用作热、泠模具，如,Cr12,、,5CrMnMo,。,（,3,）量具钢 如游标卡尺、千分尺。,4,2,黑色金属材料,3,、特殊性能钢,（,1,）铬不锈钢 既能防锈又有一定强度的耐腐蚀零件，如弹簧、医疗器械。,铬镍不锈钢 耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。,（,2,）耐热钢 用作锅炉材料，如,42Cr9Si2.,(3),耐磨钢 用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢,ZGMn13,。,4,2,黑色金属材料,铸铁的含碳质量分数大于,2.11,。,铸铁按其特性分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。,1,、灰铸铁,在工业中应用最广，用汉语拼音,HT,表示。如,HT150,、,HT200,。力学性能低，铸造性能好，切削性能好，减振性能好。,2,、球墨铸铁,高强度的铸铁，机械性能接近钢，如,QT400-15,表示最小抗拉强度为,400MPa,。,五、铸铁,铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。,4,2,黑色金属材料,3,、可锻铸铁,不是可以锻造的铸铁，俗称马铁。如,KTH330-08,表示最小抗拉强度为,330MPa,。,此外，铸铁还是炼钢的生产原料,4,3,铁碳合金状态图分析,铁碳合金状态图又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。反映钢铁黑色金属中铁和碳元素，随着温度和含碳质量分数变化时，内部组织的变化状态。,一、简化的,Fe-Fe3C,状态的特征,见图,4,8,1,、特性点,A,、,G,、,C,、,E,、,S,点,2,、特性线,ACD,线、,AECF,线、,ECF,水平线、,ES,线、,GS,线,3,、相区,ACD,线以上、,AESGA,、,GPQ,、,DFK,4,3,铁碳合金状态图分析,二、碳的质量分数对钢的力学性能的影响,横坐标代表铁碳合金中含碳的质量分数,，可分成三段。即,0.0218%,的左侧为软铁；,0.0218%,到,2.11%,中间为最常用的结构钢；,2.11%,到,6.69%,右侧为铸铁。,纵坐标代表温度的变化,，当超过,727,时，铁碳组织的状态发生变化，即由,F+P,状态变成,F+A,状态。随着温度的升高，当温度超过,GS,线时，由,F+A,状态进入,A,状态，成为奥氏体；当温度超过,AE,线时，金属开始部分溶化，进入,L+A,区域,既有奥氏体又有液态金属混合在一起。建议以,45,钢为例来说明，即在横坐标,0.45,处画一条纵坐标线来讲课。,4,3,铁碳合金状态图分析,三、铁碳合金状态图的应用,1,、钢铁材料的选用,韧性好、塑性好选低碳钢,韧性好、塑性好、强度高选中碳钢,强度高、耐磨性好选高碳钢,2,、制定热加工工艺,（,1,）铸造,液相线以上,50,100,度,（,2,）锻造,始锻,1150,1250,度；终锻,750,850,度,（,3,）热处理,碳钢淬火在,GS,或,SE,线以上,30,50,度,4,3,铁碳合金状态图分析,45,钢的铸造、锻造、热处理温度参考,：,当温度超过,727,时，金属内部组织要开始相变，进入,F+A,区。,当温度超过约,800,时，,45,钢金属内部全部进入,A,区，即奥氏体区。,当温度超过约,1450,时，,45,钢的金属开始熔化，进入,L+A,区。,当温度超过约,1500,45,钢的金属全部融化，进入,L,区。,从铁碳合金状态图中，以,45,钢为例，可以得出：,45,钢的铸造温度约在,1700,1600,之间。图中上右斜线区。,45,钢的开始锻造温度在,1250,1150,之间，图中,A,区内的右斜线区。,45,钢的热处理温度在,800,850,之间，图中,A,区内打,“,”,的线区。,4,4,钢的热处理,钢的热处理目的是提高工件的力学性能，满足使用条件，延长使用寿命。热处理的方法简单、方便、效果好，要求的设备也不复杂，所以具备较高的使用价值，应用很广。,热处理的方法分为普通热处理，表面热处理和化学热处理三种。,一,.,普通热处理,普通热处理有,“,四火,”,，,1,、退火与正火,共同点都是将钢加热到一定的温度，如,45,钢加热温度到,820,。但冷却的方式不同，退火是采用缓慢冷却，如埋入沙、灰中或随炉温逐渐冷却，,以消内部应力,；正火是将工件暴露在空气中冷却。相比之下，正火冷却的速度要快，目的是要得到细化的组织结构，工件的硬度和强度较退火处理高，一般正火适用于提高低碳钢的硬度。,4,4,钢的热处理,2,、淬火,目的是提高材料的硬度和强度,，只能适用于中碳钢或高碳钢工件。如,45,钢加热到,830,左右，快速放入水、油或盐溶中冷却，使工件的温度快速冷却而得到较高的硬度、强度，是一种常用的重要的热处理方法。,钢中含碳质量分数的高低，决定了淬火后工件的硬度大小，含碳质量分数越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火温度过高，将会使工件产生裂纹。,3,、回火,消除淬火时产生的内应力,，按回火温度分成三个：,（,1,）低温回火,150,250,度,（,2,）中温回火,250,500,度,（,3,）高温回火,500,650,度,4,4,钢的热处理,淬火后高温回火称为调质,，是合金钢常用的一种提高材料力学性能的有效方法。,二、钢的表面热处理,表面热处理仅处理工件表面,，对工件的芯部不作处理，保持其原来的特性。一般应用在工件表面需要具有较高的硬度，而芯部又要有较高的韧性，如齿轮传动的齿面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齿根和齿轮芯部要有较好的韧性，可以承受较大的抗弯曲能力。齿轮的材料常选用,45,钢，对齿面进行表面热处理。如果选用低碳合金钢表面渗碳处理，提高齿面的含碳质量分数后再做表面处理是最好的选择。如矿山用的大型载重汽车为了提高齿轮芯部的韧性，采用,20CrMnTi,低碳合金钢先作渗碳，后表面淬火的工艺。,4,4,钢的热处理,1,、火焰加热淬火,设备简单，但受热不匀，生产效率低，质量不稳定。,2,、高频加热淬火,效率高、质量稳定。在几秒钟内齿面迅速加热到淬火温度，后均匀喷洒冷却水使表面硬度达到预定值。如铁道钢轨两端表面的淬火,3,、表面化学处理,通过改变化学成分来处理工件表面的方法，如渗碳、氮化、发黑或发蓝，起到防锈的效果。,表面化学处理的深度较小，如渗碳,6,小时左右，才能达到,0.2mm,的