《金工实习》工程材料的基本知识.doc

第2章 工程材料的基本知识2.1 金属材料的主要性能用来制造零件的金属材料应具有优良的使用性能及工艺性能。所谓使用性能，是指机器零件在正常工作情况下金属材料应具备的性能，它包括机械性能(或称之为力学性能)、物理和化学性能。而工艺性能是指零件在冷、热加工制造过程中，金属材料应具备的与加工工艺相适应的性能。2.2 金属材料的机械性能 所谓机械性能，是指零件在载荷作用下所反映出来的抵抗变形或断裂的性能。机械性能指标是零件在设计计算、选材、工艺评定以及材料检验时的主要依据。由于外加载荷性质的不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击及循环载荷等)，所以对金属材料的机械性能指标要求也将不同。常用的机械性能指标包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性及疲劳强度等。 一. 强度金属材料在外力作用下抵抗破坏(过量的塑性变形或断裂)的性能叫做强度。由于外力的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等，所以强度也分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、屈服强度。一般以测定材料的抗拉强度（b）为主。二. 硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前常用的测定硬度的方法为压入法。它是用特定的几何形状压头在一定载荷作用下，压入被测试样材料表面，根据被压入的程度来测定其硬度值。所以硬度值的物理意义是金属材料表面抵抗局部压入塑性变形的能力。 常用的硬度的指标有：布氏硬度(HBS或HBW)及洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)。1. 布氏硬度布氏硬度测定原理是用一定大小的载荷将一定直径的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸载，根据载荷P和压痕的表面积F凹求出应力值作为布氏硬度值。布氏硬度试验法用于测定硬度不高的金属材料，如铸铁、有色金属、一般经退火、正火后的钢材等。2. 洛氏硬度洛氏硬度测定原理是以测量压痕深度为硬度的计量指标，由于采用了不同的压头及载荷，可用来测量从极软到极硬的金属材料的硬度。洛氏硬度的三种标度(HRA、HRB、HRC)中，常用的是HRC洛氏硬度，它采用金刚石圆锥体做压头，可用来测量硬度很高的材料，如淬火钢、调质钢等。 三. 塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。金属材料在断裂前的塑性变形越大，表示材料的塑性越好；反之，则表示材料的塑性越差。常用的塑性指标是通过拉力试验测得的伸长率和断面收缩率。1. 伸长率伸长率是试样拉断后标距长度的增加量与原标距长度的百分比，用符号表示。可按下式计算：（l1l0/ l0 ）100%式中：l0试样的原始标距，mm；l1试样拉断后的标距长度，mm。 2. 断面收缩率断面收缩率是试样拉断处横断面积的减小量与原横断面积的百分比，用表示。可按下式计算： （A0A1/ A0）100%式中：A1试样断口处的横截面积，mm2，A0试样原横断面积，mm2 。 四. 冲击韧性许多机械器零件和工具在工作过程中往往会受到冲击载荷的作用，由于冲击载荷的加载速度高，使得整个材料的均匀塑性变形来不及进行，塑性变形比较集中地产生于某些局部区域，因而应力分布也不是均匀的。当原材料的冶金质量或加工后的产品质量有缺陷时，在冲击载荷作用下，便出现因韧性下降而脆断的现象。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧性。工程技术上为评定金属材料抗冲击载荷的能力，采和带缺口的冲击试样进行一次摆锤冲击弯曲试验，可测得将试样击断时所消耗的功冲击功Ak(焦耳)。若将冲击功Ak除以试样缺口处的横断面积A(cm2)得到的商称为“冲击韧性”，用符号k(J/ cm2)表示。可按下式计算： kAk/ A 五. 疲劳强度很多机械零件，如各种轴、齿轮、连杆、弹簧等，是在交变载荷的作用下工作的。在这种重复交变载荷的作用之下，金属材料会在远低于该材料的抗拉强度b，甚至小于屈服点s的应力下失效（出现裂纹或完全断裂），这种现象称为金属的疲劳。当金属在“无数次”(对钢铁来说约为106107次)重复交变载荷作用下而不致引起断裂时的最大应力，称为疲劳强度，用以衡量金属抵抗疲劳破坏的能力。应力循环对称时的疲劳强度用符号1表示。 常用机械性能指标及其含义见表21。 表21 常用机械性能指标及其含义 机械性能 性 能 指 标 说 明 名 称 符号 单位 強 度 抗拉强度 b MPa 金属拉断前的最大载荷所对应的应力，代表金属抵抗最大均匀塑性变形或断裂的能力。 屈服强度 s MPa 金属屈服时对应的应力，是对微量塑性变形的抵抗能力。塑 性 延伸率 % 试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比，愈大，材料的塑性愈好。 断面收缩率 % 试样拉断处横断面积减小量与原横断面积的百分比，愈大，材料的塑性愈好。 硬 度 布氏硬度 HB 用载荷除以压痕球形面积所得的商作为硬度值。一般用于硬度不高的材料。 洛氏硬度 HR 根据压痕深度来衡量硬度，HRC应用最广，一般经过淬火的钢件(HRC2067)都用此洛氏硬度。 维氏硬度 HV 用载荷除以压痕表面积所得的商作为硬度值。一般用于表面薄层硬化钢化或薄的金属件的硬度。 韧 性 冲击韧性 k J/cm2 将试样击断时所消耗的功冲击功，k愈大，材料的韧性愈好。 抗疲劳性疲劳强度 1 MPa 金属材料经受多次(一般为107周次)对称循环交变应力的作用而不产生疲劳破坏的最大应力。 2.3 金属材料的物理、化学及工艺性能 1. 物理性能金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性等。用于不同场合下的机器零件，对所用材料的物理性能要求是不一样的。 2. 化学性能金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力即为化学性能，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。3. 工艺性能金属材料的工艺性能用是指材料对于相应加工工艺适应的性能，按加工工艺方法的不同，有铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性及热处理等。在零件设计时的选材环节中，一定要考虑到在选定的加工工艺方法下，该材料的相应工艺性能是否良好，否则便不选用它，而换用另一种材料或另一种加工工艺。 2.4 常用的工程材料 工程材料是指制造工程结构和机器零件使用的材料，主要包括金属、非金属和复合材料三大类。 一、金属材料 金属材料是含有一种或几种金属元素（有时亦含有非金属元素），以极微小的晶体结构所组成的，具有金属光泽的，有良好导电导热性能的，有一定力学性能的材料。通常指钢、铁、铝、铜等纯金属及其合金。 （一）钢 钢是含碳质量分数小于2.11%（实际上小于1.35%），并含有少量杂质元素的铁碳合金。钢具有良好的使用性能和工艺性能，而且产量大、价格较为低廉，因此应用非常广泛。 钢的分类方法很多，常见的分类方法有如图22所示的几种： 图2-2 钢的分类 1. 碳素钢的牌号、性能及用途 碳素钢的熔炼过程比较简单，生产费用较低，价格便宜，主要用于工程结构，制成热轧钢板、钢带和棒钢等产品，广泛用于工程建筑、车辆、船舶以及桥梁、容器等构件。常用的碳素钢的分类、牌号及应用见表22所示。 表22 常用的碳素钢的分类、牌号及应用分 类牌 号应 用 举 例牌号举例符 号 说 明碳素结构钢 Q235AFQ：表示屈服强度汉语拼音字首； 235：表示s235MPa； A：表示硫、磷含量的多少； F：表示为沸腾钢； 螺钉、螺母、螺栓、垫圈、手柄、小轴及型材等。 优质碳素结构钢20；40；45；65；两位数字代表钢中平均含碳量的万分数。例如：45钢种的平均含碳量为0.45%。 制造各类机械零件，例如：轴、齿轮、连杆、各种弹簧等。碳素工具钢T7；T8；T12;T12A； T：表示碳工具钢汉语拼音字首；数字编号：表示钢的平均含碳量的千分数。例如，T7代表含碳量约等于0.7的优质碳素工具钢；A：表示高级优质碳素工具钢，钢中有害杂质(P、S)的含量较少。 制造各类刀具、量具和模具。例如：锤头、钻头、冲头、丝锥、板牙、锯条、刨刀、锉刀、量具、剃刀、小型冲模等。2.合金钢的牌号、性能及用途 为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时有意加入一些元素，称为合金元素。含有合金元素的钢，就叫合金钢。 钢中加入的合金元素主要有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Al、B及稀土元素(Re)等。这类钢比碳钢具有更高的机械性能和某些特殊性能(如耐热、耐蚀、耐磨性能等)，常用作重要的机器零件和工具，或要求特殊性能的零件。 常用的合金钢的分类、牌号及应用见表2-3所示。 表2-3 常用的合金钢的分类、牌号及应用 分类牌 号应 用 举 例牌号举例符 号 说 明合金结构钢 16Mn；40Cr；60Si2Mn 数字编号：表示钢的平均含碳量的万分数。元素符号：表示加入的合金元素，当合金元素平均含量小于1.5时，则只标出元素符号，而不标明其含量；倘若元素的平均含量在(1.52.5)之间时，元素符号后面写数字2；当元素的含量在(2.5 3.5)之间时，元素符号后面写数字3； 制造各类重要的机械零件，例如：齿轮、活塞销、凸轮、气门顶杆、曲轴、机床主轴、板簧、卷簧、压力容器、汽车纵横梁、桥梁结构、船舶结构等。 合金工具钢5CrMnMo；W18Cr4V；9SiCr；数字编号：表示钢的平均含碳量的千分数。元素符号：表示加入的合金元素，当合金元素平均含量小于1.5时，则只标出元素符号，而不标明其含量；倘若元素的平均含量在(1.52.5)之间时，元素符号后面写数字2；当元素的含量在(2.5 3.5)之间时，元素符号后面写数字3； 制造各类重要的、大型复杂的刀具、量具和模具。例如：板牙、丝锥、形状复杂的冲模、块规、螺纹塞规、样板、铣刀、车刀、刨刀、钻头等。特殊性能钢1Cr18Ni9Ti；4Cr9Si2；ZGMn13； 不锈钢：1Cr18Ni9Ti；耐热钢：4Cr9Si2；耐磨钢：ZGMn13； 不锈钢：医疗器械、耐酸容器、管道等。耐热钢：加热炉构件、过热器等。耐磨钢：破碎机颚板、衬板、履带板等。（二）铸铁 铸铁是指含碳质量分数大于2.11的铁碳合金。工业上常用铸铁的含碳量一般在2.54之间，此外，铸铁中还含有较多的锰、硅、磷、硫等元素。 铸铁与钢相比，虽然机械性能较低(强度低、塑性低、脆性大)，但却有着优良的铸造工艺性、切削加工性、消震性和减磨性等。因此，铸铁在生产中仍获得普遍应用。 铸铁中的碳，由于成分和凝固时冷却条件的不同，可以呈化合状态(Fe3C)或游离状态(石墨)存在，这就使铸铁的内部组织、性能、用途方面存在较大的差异，通常铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。常用的铸铁的分类、牌号及应用见表2-4所示。 表2-4 常用的铸铁的分类、牌号及应用分类牌 号应 用 举 例牌号举例符 号 说 明灰口铸铁HT100；HT150；HT200；HT250；HT300；HT350； HT：表示灰铁汉语拼音字首；数字：表示该材料的最低抗拉强度值，单位是Mpa。例如：HT200，表示b200MPa的灰口铸铁材料。 制造各类机械零件，例如：机床床身、飞轮、机座、轴承座、气缸体、齿轮箱、液压泵体等。 可锻铸铁KT300-06； KT350-10；KT450-06；KT650-02；KT700-02；KT：表示可铁汉语拼音字首；数字：分别表示材料的最低抗拉强度值(MPa)和最低伸长()。例如：KT450-06表示抗拉强度b不低于450MPa，伸长率不低于6的可锻铸铁材料。 制造各类机械零件，例如：曲轴、连杆、凸轮轴、摇臂活塞环等。球墨铸铁QT400-18；QT500-07；QT600-03；QT900-02； QT：表示球铁汉语拼音字首；数字：分别表示材料的最低抗拉强度值(MPa)和最低伸长()。例如：QT400-18表示抗拉强度b不低于400MPa，伸长率不低于18的球墨铸铁材料。 用它可以代替部分铸钢或锻钢件，制造承受较大载荷、受冲击和耐磨损的零件，例如：大功率柴油机的曲轴、轧辊、中压阀门、汽车后桥等。（三）铸钢与铸铁相比，铸钢具有较高的综合机械性能，特别是塑性和韧性较好，使铸件在动载荷作用下安全可靠。此外，铸钢的焊接性较铸铁优良，这对于采用铸焊联合工艺制造复杂零件和重要零件十分重要。但是，铸钢的铸造工艺性能差，为保证铸钢件的质量，还必须采取一些特殊的工艺措施，这就使铸钢件的生产成本高于铸铁。我国碳素铸钢件的牌号根据GB561385规定，用铸钢汉语拼音字首“ZG”加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值(MPa)，第二组数字代表抗拉强度值(MPa)。铸钢的牌号有ZG200400、ZG230450、ZG270500、ZG310570、ZG340640等。 （四）有色金属 除黑色金属钢铁以外的其它金属与合金，统称为有色金属或非铁金属。 有色金属具有许多与钢铁不同的特性，例如：高的导电性和导热性(银、铜、铝等)；优异的化学稳定性(铅、钛等)；高的导磁性(铁镍合金等)；高的强度(铝合金、钛合金等)；很高的熔点(钨、铌、钽、锆等)。所以，在现代工业中，除大量使用黑色金属外，还广泛使用有色金属。 常用的有色金属主要有铝及铝合金和铜及铜合金两类。 1. 铝及铝合金（1）工业纯铝 工业纯铝的加工产品，按纯度的高低，分为L1、L2、L7等七个牌号，其中，L是“铝”字汉语拼音的首字母，数字表示编号，编号越大，纯度越低。 工业纯铝的强度低，b为80100MPa，经冷变形后可提高至150250MPa，故工业纯铝难于满足结构零件的性能要求，主要用作配制铝合金及代替铜制作导线、电器和散热器等。 （2）铝合金 用于铸造生产中的铝合金叶铸造铝合金，它不仅具有较好的铸造性能和耐蚀性能，而且还能用变质处理的方法使强度进一步得到提高，应用较为广泛。如用作内燃机活塞、气缸头、气缸散热套等。 这类铝合金的牌号由铸铝两字汉语拼音字首“ZL”和三位数字组成。其中第一位数字为主加元素的代号(1表示AlSi系合金；2表示AlCu系合金；3表示AlMg系合金；4表示AlZn系合金)，后两位数字表示顺序号。如ZL102表示铸造铝硅合金材料。 除了铸造铝合金外，还有一类铝合金叫形变铝合金，主要有防锈铝、锻造铝、硬铝和超硬铝四种。它们大多通过塑性变形轧制成板、带、棒、线材等半成品使用。其中硬铝是一种应用较多的由铝铜镁等元素组成的铝合金材料。它除了具有良好的抗冲击性、焊接性和切削加工性外，经过热处理强化(淬火加时效)后强度和硬度能进一步提高，可以用作飞机结构支架、翼肋、螺旋桨、铆钉等零件。 2. 铜及铜合金铜及铜合金的种类很多，一般分为紫铜(纯铜)、黄铜、青铜和白铜等。 （1）纯铜 纯铜因其表面呈紫红色，故亦称紫铜。它具有极好的导电和导热性能，大多用于电器元件或用作冷凝器、散热器和热交换器等零件。纯铜还具良好的塑性、通过冷、热态塑性变形可制成板材、带材和线材等半成品。此外，纯铜在大气中还具有较好的耐蚀性。 我国工业纯铜的牌号是用符号“T”(铜字汉语拼音字首)和顺字数字组成。如T1、T2、T3、T4，其中顺序数字越大，表示纯度下降。 （2）黄铜铜和锌所组成的合金叫黄铜。当黄铜中含锌量小于39%时，锌能全部溶解在铜内。这类黄铜具有良好的塑性，可在冷态或热态下经压力加工(轧、锻、冲、拉、挤)成型。按其加工方式不同，可将黄铜分为压力加工黄铜和铸造黄铜两种。压力加工黄铜的牌号是符号“H”(黄字汉语拼音字首)和数字组成。如H68黄铜，表示其含铜量为68%，含锌量为32%。 铸造黄铜其牌号前冠以ZCu主加元素符号主加元素平均含量辅加元素符号辅加元素平均含量组成。如ZCuZn38表示含锌量为38%的铸造黄铜，ZCuZn40Pb2表示含锌量为40%，含铅量为2%的铸造铅黄铜。（3）青铜由于主加元素不同，青铜分为锡青铜、铍青铜、铝青铜、铅青铜及硅青铜等。除锡青铜外，其余均为无锡青铜。 青铜的牌号是用符号“Q”(青字汉语拼音字首)和数字组成。如QSn43，表示其含锡量为4%，含锌量为3%的锡青铜。QAl17，表示其含铝量为7%的铝青铜。铸造青铜其牌号表示法与铸造黄铜类似。如ZCuSn5Pb5Zn5表示含锡量为5%，含铅为5%，含锌量为5%的铸造锡青铜。二. 非金属材料 非金属材料是近年来发展非常迅速的工程材料，因其具有金属材料无法具备的某些性能(如电绝缘性、耐腐蚀性等)，在工业生产中已成为不可替代的重要材料，如高分子材料和工业陶瓷。 1. 塑料 塑料是高分子化合物，其主要成分是合成树脂，在一定的温度、压力下可软化成形，是最主要的工程结构材料之一。由于塑料具有许多优良的性能，例如：具有良好的电绝缘性、耐腐蚀性、耐磨性、成形性，而密度小等，因此不仅在日常生活中到处可见，而且在工程结构中也被广泛地应用。 塑料的种类很多，按性能可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。 热塑性塑料在加热时软化和熔融，冷却后能保持一定的形状，再次加热时又可软化和熔融，具有可塑性。属于热塑性塑料的如有聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和A BS等。热固性塑料是在固化后加热时，不能再次软化和熔融，不再具有可塑性。属热固性塑料的如有酚醛树脂(PF)、环氧塑料(FP)等。塑料按用途可分为通用塑料和工程塑料两类。例如，通用塑料有：酚醛塑料、聚乙烯(PF)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等。工程塑料有：聚烯胺(P A即尼龙)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)和ABS等。工程塑料具有良好的力学性能，能替代金属制造一些机械零件和工程结构件。还有一些舆有特殊性能的塑料，如聚四氟乙烯，它具有很好的耐蚀、耐磨和耐热性，有塑料王之称。常用热塑性塑料和热固性塑料的名称、性能、用途见表25所示。 表25 常用热塑性塑料和热固性塑料的名称、性能、用途 名 称 性 能 应 用 举 例 热 塑 性 塑 料 聚乙烯(PE) 无毒、无味；质地较软，比较耐磨、耐腐蚀，绝缘性较好。 薄膜、软管；塑料管、板、绳等。 聚丙烯(PP) 具有良好的耐腐蚀性、耐热性、耐曲折性、绝缘性。 机械零件、医疗器械、生活用具，如齿轮、叶片、壳体、包装带等。 聚苯乙烯(PS) 无色、透明；着色性好；耐腐蚀、耐绝缘但易燃、易脆裂。 仪表零件、没备外壳及隔音、包装、救生等器材。 ABS 具有良好的耐腐蚀性、耐磨性、加工工艺性、着色性等综合性能。 轴承、齿轮、叶片、叶轮、设备外壳、管道、容器、车身、方向盘等。 聚酰胺(PA) 即尼龙 强度、韧性较高；耐磨性、自润滑性、成形工艺性、耐腐蚀性良好；吸水性较大。 仪表零件、机械零件、电缆护层，如油管、轴承、导轨、涂层等。 聚甲醛(POM) 优异的综合性能，如良好的耐磨性自润滑性、耐疲劳性、冲击韧性及较高的强度、刚性等。 齿轮、轴承、凸轮、制动闸瓦、阀门、化工容器、运输带等。 聚碳酸脂(PC) 透明度高；耐冲击性突出，强度较高，抗蠕变性好；自润滑性能差。 齿轮、涡轮、凸轮；防弹窗玻璃，安全帽、汽车挡风等。 聚四氟乙烯 (F一4) 耐热性、耐寒性极好；耐腐蚀性极高；耐磨、自润滑性优异等。 化工用管道、泵、阀门；机械用密封圈、活塞环；医用人工心、肺等。 PMMP即有机玻璃 透明度、透光率很高；强度较高；耐酸、碱，不宜老化；表面易擦伤。 油标、窥镜、透明管道、仪器、仪表等。 热固性塑料 酚醛塑料 (PF) 较高的强度、硬度；绝缘性、耐热性、耐磨性好。 电器开关、插座、灯头；齿轮、轴承、汽车刹车片等。 氨基塑料 (UF) 表面硬度较高；颜色鲜艳、有光泽；绝缘性良好。 仪表外壳、电话外壳、开关、插座等。 环氧塑料 (EP) 强度较高；韧性、化学稳定性、绝缘性、耐寒、耐热性较好；成形工艺性好。 船体、电子工业零部件等。 2. 橡胶 橡胶与塑料的不同之处是橡胶在室温下具有很高的弹性。经硫化处理和碳黑增强后，其抗拉强度达2 53 5 MPa，并具有良好的耐磨性。如表26所示为常见橡胶的名称、性能、用途。 表26 常见橡胶的名称、性能、用途 名 称 性 能 应 用 举 例 天然橡胶 电绝缘性优异；弹性很好；耐碱性较好；耐溶剂性差。 轮胎、胶带、胶管等。 合成橡胶 耐磨、耐热、耐老化性能较好。 轮胎、胶布胶板；三胶带、减震器、橡胶弹簧等。 特种橡胶 耐油性、耐蚀性较好；耐热、耐磨、耐老化性较好。 输油管、储油箱；密封件、电缆绝缘层等。 3. 陶瓷材料 陶瓷是各种无机非金属材料的统称，在现代工业中具有很好的发展前途。未来世界将是 陶瓷材料、高分子材料、金属材料三足鼎立的时代，它们构成了固体材料的三大支柱。 常见工业陶瓷的分类、性能、用途见表27。 表27 常见工业陶瓷的分类、性能、用途 分 类 主 要 性 能 应 用 举 例 普通陶瓷 质地坚硬；有良好的抗氧化性、耐蚀性、绝缘性；强度较低；耐一定高温。 日用、电气、化工、建筑用陶瓷，如装饰瓷、餐具、绝缘子、耐蚀容器、管道等。 特种陶瓷 有自润滑性及良好的耐磨性、化学稳定性、绝缘性；耐腐蚀、耐高温；硬度高。 切削工具、量具、高温轴承、拉丝模、高温炉零件、内燃机火花塞等。 金属陶瓷 (硬质合金) 强度高；韧性好；耐腐蚀；高温强度好。 刃具、模具、喷嘴、密封环、叶片、涡轮等。 三. 复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的材料。它保留了各组成材料的优良性能，从而得到单一材料所不具备的优良的综合性能。最常见的人工复合材料，如钢筋混凝土是由钢筋、石子、沙子、水泥等制成的复合材料；轮胎是由人造纤维与橡胶合成的复合材料。 复合材料一般由增强材料和基体材料两部分组成，增强材料均匀地分布在基体材料中。增强材料有纤维(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等)、丝、颗粒、片材等。基体材料有金属基和非金属基两类，金属基主要有铝合金、镁合金、钛合金等。非金属基体材料有合成树脂、陶瓷等。 复合材料种类繁多，性能各有特点。如玻璃纤维和合成树脂的合成材料具有优良的强度、可制造密封件及耐磨、减摩的机械零件。碳纤维复合材料密度小、比强度高，可应用于航空、航天及原子能工业。 2.5 钢的热处理基本知识 钢的热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理和其他加工工艺(锻压、铸造、焊接、切削加工)不同，它的目的不是改变钢件的外形和尺寸，而是改变其内部组织和性能。 在机械零件或工模具的制造过程中，往往要经过各种冷、热加工，同时在各加工工序之间还经常要穿插多次热处理工艺。按其作用可分为预先热处理和最终热处理，它们在零件的加工工艺路线中所处的位置如下：铸造或锻造预先热处理机械(粗)加工最终热处理机械(精)加工为使工件满足使用条件下的性能要求的热处理称为最终热处理，如淬火回火等工序；为了消除前道工序造成的某些缺陷，或为随后的切削加工和最终热处理作好组织准备的热处理，称为预先热处理，如退火、正火工序。 钢的热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段，它可用温度时间坐图形来表示，称为钢的热处理工艺曲线如图22所示。 图2-2 热处理工艺曲线 一. 热处理工艺的分类 根据热处理的目的要求及加热和冷却方法的不同，一般可将钢的热处理工艺按如图23所示进行分类。 图2-3 钢的热处理分类二. 常用热处理设备 根据热处理的基本过程，热处理设备有加热设备、冷却设备和检验设备等。 (一)加热设备 加热炉是热处理车间的主要设备，通常的分类方法为：按能源分为电阻炉、燃料炉；按工作温度分为高温炉（1000）、中温炉（6501000）、低温炉（600）；按工艺用途分为正火炉、退火炉、淬火炉、回火炉、渗碳炉等；按形状结构分为箱式炉、井式炉等。 常用的热处理加热炉有电阻炉和盐浴炉。 1.箱式电阻炉 箱式电阻炉是由耐火砖砌成的炉膛及侧面和底面布置的电热元件组成通电后。电能转化为热能，通过热传导、热对流、热辐射达到对工件的加热。箱式电阻炉的选用，一般根据工件的大小和装炉量的多少。中温箱式电阻炉应用最为广泛，常用于碳素钢、合金钢零件的退火、正火、淬火及渗碳等。如图24所示为中温箱式电阻炉的结构示意图。 1 炉门 2 炉体 3 炉膛前部 4 电热元件5 耐热钢炉底板 6 测温热电偶 7 电子控温仪表 8 工件 图2-4 中温箱式电阻炉 2. 井式电阻炉 井式电阻炉的特点是炉身如井状置于地面以下。炉口向上，特别适宜于长轴类零件的垂直悬挂加热，可以减少弯曲变形。另外，井式炉可用吊车装卸工件，故应用较为广泛。如图25所示为井式电阻炉结构示意图。 1装料筐2工件3炉盖升降机构4电动机5风扇6炉盖7电热元件8炉膛9炉体 图2-5 井式电阻炉 3. 盐浴炉 盐浴炉是用液态的熔盐作为加热介质对工件进行加热，特点是加热速度快而均匀，工件氧化、脱碳少，适宜于细长工件悬挂加热或局部加热，可以减少变形。如图2-6所示为插入式电极盐浴炉。 盐浴炉可以进行正火、淬火、化学热处理、局部淬火、回火等。1连接变压器的铜排 2风管 3炉盖 4电极 5炉衬 6炉壳 图2-6 盐浴炉 (二)冷却设备 常用的冷却设备有水槽、油槽、浴炉、缓冷坑等。介质包括自来水、盐水、机油、硝酸盐溶液等。 (三)检验设备 常用的检验设备有洛氏硬度计、布氏硬度计、金相显微镜、物理性能测试仪、游标卡尺、量具、无损探伤设备等。 三.热处理工艺方法 热处理的方法很多，常见的有退火、正火、淬火和回火。还有表面热处理，如表面淬火、 化学热处理等。 1.退火 退火的方法是将工件加热到一定温度下，保温后，随炉冷却。 退火的目的是消除内应力、降低硬度、改善加工性能和细化晶粒，提高材料的力学性能。 2. 正火 正火的方法是将工件加热到一定温度下，保温后，在空气中冷却。 正火的目的与退火相似，由于在空气中冷却，冷却速度稍大，正火后得到的组织比退火 的更细、硬度也高一些。与退火相比，正火生产周期短、生产率高，所以应尽量用正火替代退火。在生产中，低碳钢常采用正火来提高切削性能，对一些不重要的中碳钢零件可将正火作为最终热处理。 3. 淬火 淬火是将工件加热到一定温度，保温后，在水或油中快速冷却。 淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。 4. 回火 回火是在淬火后必须进行的一种热处理工艺。因为工件淬火以后，得到的组织很不稳定，存在较大的内应力，极易造成裂纹，如在淬火后及时进行回火，就能不同程度地稳定组织、消除内应力。获得所需要的使用性能。 根据不同的回火温度，回火处理有高温回火、中温回火和低温回火三种。 高温回火的温度为500650，淬火加高温回火称调质处理。调质处理适用于中碳钢，可获得较高的综合力学性能。它适用于生产重要零件（如轴、齿轮和连杆等）。中温回火（350450）后，材料具有较高的弹性，硬度适中，适用于各种弹性零件（如弹簧）的生产。低温回火（150250）后，材料仍保持有较高的硬度使工件具有很好的耐磨性，它适用于各种工具、滚动轴承等。5. 表面淬火表面淬火是将零件表层以极快的速度加热到临界温度以上奥氏体化，而心部因受热较少还来不及达到临界温度，接着用淬火介质进行急冷，使表层淬成马氏体，心部仍保持淬火前组织的一种工艺，经表面淬火后，钢件得到表层硬度高、耐磨，心部硬度低，韧性好的性能。表面淬火有多种方法，现在常用感应加热表面淬火法。此外还有火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火法等。 6. 化学热处理将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。化学热处理使工件的表层和心部，得到迥然不同的组织和性能，从而显著提高零件的使用质量，延长使用寿命；它还能使一些价廉易得的材料改善性能，来代替某些比较贵重的材料。因此，近年来化学热处理有很大的发展。化学热处理种类很多，按其主要目的大致可分两类：一类是以强化为主，例如渗碳、氮化(渗氮)、碳氮共渗、渗硼等，它们的主要目的是使零件表面硬度高、耐磨并提高疲劳抗力；另一类是以改善工件表面的物理、化学性能为主，如渗铬、渗铝、渗硅等，目的是提高工件表面抗氧化、耐腐蚀等性能。