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1、3.机械工程常用材料及热处理,3-1 概述3-2 金属材料的力学性能3-3 常用的工程材料3-4 钢的热处理3-5 表面精饰3-6 精密仪器材料选用原则,3.1 概述,机械工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属,钢,有色金属,铸铁,合金钢,无机非金属材料,有机材料,塑料,橡胶,陶瓷,合成纤维,铝合金,铜合金,其他有色合金,(非铁金属),3-2 金属材料的力学性能,低碳钢应力-应变曲线,在室温下以缓慢平稳加载的方式进行的拉伸试验，确定材料机械性质。,低碳钢应力-应变曲线分四个阶段,(1)弹性阶段(Oa段,直线)变形与所加外力成正比,外力撤销后试件形状完全恢复.a点对应应力为不产生永久变形(塑性
2、变形)的最大应力，称为比例极限p.,(2)屈服阶段(ab段,近似平线或波线)外力不再增加而试样仍继续变形(屈服现象)，若此时除去外力，试样将不恢复原来尺寸，在该阶段金属开始发生明显塑性变形。屈服阶段的最低应力为屈服极限s.,1 应力极限(强度)抵抗破坏能力,(3)强化阶段(bc段,上升曲线)材料恢复了变形能力,要使它变形必须增加拉力(材料的强化),此阶段是金属最重要的塑性变形阶段.材料发生均匀塑性变形时的最大应力(c点)为强度极限(抗拉强度)b，是材料强度的主要指标.它是材料受拉时能承受的最大载荷应力。,(4)局部变形阶段(cd段,下降曲线)外力过强度极限(c点)后,试样发生“缩颈”现象。此时
3、塑性变形集中在缩颈处,缩颈点截面于是急剧变小,最后试样在d点即颈缩点发生断裂.,若应力超过屈服极限,但尚未达到强度极限(如在f点),此时卸载，曲线将沿着与Oa平行的fg直线(虚线)下降。其中Og为永久塑性变形，gh为弹性变形。再次加载时，应力应变曲线变为gfcd，相当于提高了屈服极限。这种在常温下经过塑性变形使材料强度提高、塑性降低的现象，称为冷作硬化。,2 刚度,材料抵抗变形的能力.弹性模量E,剪切模量G是衡量材料刚度的性能指标(胡克定律,).,3 塑性 材料破坏时，遗留变形的大小,断后伸长率:试件拉断后,标距内的伸长量与标距原长之比的百分率.5为塑性材料,5为脆性材料.,断面收缩率:试件拉
4、断后,断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。,或越大，材料的塑性越高，反之则低。进行压力加工的零件，应选用塑性高的材料，以免加工时开裂。,4 硬度,材料表面在一小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。,材料硬度越高，强度和耐磨性越高，但塑性越低。常用的硬度指标有三种：布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRC,洛氏C标度硬度)和维氏硬度(HV).,以一定载荷把一定大小的钢球压入材料表面,保持一段时间,卸载后负荷与其压痕面积的比值即为布氏硬度(HBW).,洛氏硬度试验原理和布氏硬度试验一样,也是压痕试验法,不同之处为它不是测量压痕大小而是测量压痕凹陷的深度.根据压头类型和压入载荷大小不同,可
5、分为HRA,HRB,HRC.,维氏硬度(HV)的试验原理也是根据压痕凹陷面积上单位应力作为硬度值计量。所不同的是维氏硬度试验的压头是采用锥面夹角为136的金刚石四方角锥体.,各种硬度值之间可以相互折算(GB/T 1172-1999)，应用中可通过查表获得.,5 影响材料力学性能的主要因素,(1)含碳量 含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。,(2)合金元素 在钢中加入某些合金元素,可提高和改善其综合力学性能,并获得某些特殊的物理和化学性能。,加Mn(锰)能提高钢的强度和淬透性；加Ni(镍)与Cr(铬)能使钢获得高强度、耐热和耐腐蚀性;加W(钨)则能提高钢的硬度和韧性,是制造高速钢和耐热工
6、具不可缺少的合金元素.(有益元素),有害杂质元素S、P,(3)温度 一般地，低温条件下强度有所增加，塑性和韧性下降,高温条件下相反。,(4)热处理工艺,不同的热处理工艺将会使钢的力学性能产生程度不同的变化。,3-3 常用的工程材料,1 钢铁材料（黑色金属）,(1)碳钢(非合金钢)合金:一种金属元素和其他金属或非金属元素相互熔合而成的具有金属特性的物质.碳钢:含碳2(质量百分比)以下的铁碳合金、少量杂质按含碳量分类：低碳钢(wC0.25%,20钢),螺钉,连杆等 中碳钢(0.25%0.6%),工具，模具等 按质量等级分类：普通碳素钢(wS0.055%,wP0.045%)优质碳素钢(wS0.040
7、%,wP0.040%)高级优质碳素钢(wS0.030%,wP0.035%)按用途分类：碳素结构钢(工程结构,机械零件)、碳素工具钢(各种工具),(2)合金钢,人为在冶炼中加入铬Cr、锰Mn、镍Ni、钛Ti、钼Mo、钨W等合金元素形成的钢，具有高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐蚀性、高温强度等）。,低合金钢(合金元素含量小于5%)中合金钢(合金元素含量在5%10%)高合金钢(合金元素含量大于10%),碳钢价格低廉、容易获得，也容易加工。一般情况下优先选用碳素结构钢和优质碳素结构钢。当零件受力较大，承受变应力,工作情况复杂且热处理要求较高时，应选用合金钢。,2 铸铁 与钢不同,铸铁含碳
8、(大于2.11%)和硅量较高,含杂质硫磷也较多,(1)灰铸铁:其中的碳以自由状态的片状石墨形式存在,断口呈灰色 成本低，铸造性、减振性好，抗压强度高，但脆性很大，不宜承受冲击载荷。,(2)球墨铸铁：其中的碳以球状石墨形式存在的 具有较高的延展性和耐磨性。强度高(近于碳素结构钢)，减振性优，可承受冲击载荷。,2 非铁金属(有色金属),铜(紫铜)及其合金有良好导电性、导热性、耐蚀性和延展性.,(1)铜合金(黄铜和青铜),黄铜(铜与锌的合金),锌含量在2040,左右具有优良的机械加工性能和防腐性，可铸造和锻造。黄铜随锌含量的增加强度增加，直至超过45以后，抗拉强度急剧下降。常用于制造轴瓦、耐腐蚀零件
9、等.,青铜(铜与锡,铝,铍等元素的合金,锡青铜、铝青铜、铍青铜),青铜合金的力学性能以及耐腐蚀、耐磨性能较好。锡青铜适于铸造，用以铸造形状复杂的零件。铍青铜用于非常重要的零件.,(2)铝合金,铝及铝合金具有密度小(约为铜和铁的1/3),比强度(强度与密度之比)高,抗蚀性好以及优良的塑性和冷热加工工艺性能等优点，且价格较低,资源丰富,故广泛用于航空航天、电气、汽车等工程领域，是工程中用量最大的有色金属.,(3)钛合金,钛和钛合金的密度都小，其强度和钢相当，且抗腐蚀性好，故在航空、造船、化工等工业中得到了较多应用。此外钛还具有“亲生物”性,广泛用于医疗器械和人造关节等。,3 非金属,(1)工程塑料
10、：密度小，比强度高，耐腐蚀性能好，优良的电绝缘性,耐磨、减摩及自润滑性能好，易加工，易老化，难回收。,(2)橡胶：高弹耐磨,绝缘性好,不透水、气，但易老化。垫圈、密封圈,(3)人工合成矿物刚玉(Al2O3,人造宝石)：高的弹性模量和硬度(仅次于钻石)。微型轴承石英(SiO2)：具有压电效应。晶体振荡器,传感器材料,3-4 钢的热处理,改善金属使用性能和工艺性能的一种重要的加工方法，将固态金属或合金加热、保温、冷却改变金属整体或表面组织，获得所需性能。种类 1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火 2、表面热处理和化学热处理：感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗 3、其他
11、热处理,临界温度：使钢材料内部金相组织发生变化,其力学性能(硬度,强度,塑性等)相应发生改变的温度。不同牌号钢的临界温度不同，如优质碳素结构钢的临界温度为710750C，而有些合金钢的临界温度达到800900C.,1 退火：加热(至临界温度以上2030度)、保温、随炉缓慢冷却,目的:预先热处理(铸锻之后,切削之前),降低硬度、细化晶粒、消除内应力.,2 正火：加热(至临界温度以上3050度)、保温、空气冷却目的：同退火，冷却速度大于退火的冷却,可获更高的力学性能,3 淬火：加热(至临界温度以上3050度),保温,水、油或盐水冷却目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内应力，材料
12、变脆，须回火。方法：单介质淬火;双介质淬火(水淬油冷,淬透性高,防开裂,复杂),4 回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。目的：降低脆性,消除内应力。防止零件变形开裂;达到设计图纸要求的硬度.,回火工艺的种类：1、低温回火（150250C）2、中温回火（350500C）3、高温回火（500650C）,调质处理 淬火+高温回火,使用得最多的热处理工艺,可获得较好的综合机械性能,即良好的强度、韧性和塑性。,5 表面热处理,仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其成分的热处理工艺。,目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。,感应加热：感应线圈通入交流电产生交变磁场,工件置入磁场产生感
13、应电流,利用交流电的集肤效应(电流密度分布不均)，对零件进行加热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度(频率越高,透入深度越浅,加热层越薄)。,火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。,方式：,6 化学热处理,将钢件置于一定温度的活性介质(渗碳剂,氨气等)中保温，使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。,目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等力学性能。,按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。,气体渗碳是将零件装在密封的渗碳炉中,加
14、热并向炉中滴入易分解的有机气体如煤油、苯等，或直接通入煤气等渗碳气体，反应产生活性碳原子，从而达到钢件表面渗碳的目的。优点是生产率高，过程可控，渗碳层质量好。,3-5 表面精饰,在金属零件的表面附上一层覆盖层,以达到防蚀、装饰等目的.,种类 电镀 镀铬:镀铬层化学稳定性高,有较高的硬度和耐磨性及很好的表面粗糙度.镀镍:可获得良好的化学稳定性，并具有良好的导电性.镀锌、镀镉、镀银 化学处理：氧化和磷化 氧化是在零件表面上形成氧化膜的工艺过程，磷化的过程则是在零件表面上生成一层在大气中稳定的磷酸盐膜。涂漆,3-6 精密仪器材料选用原则,选择材料时主要考虑的因素有材料的使用要求、工艺要求和经济要求。
15、,使用要求(首要考虑),在分析零件工作条件和失效形式的基础上，在受力状况、环境状况以及特殊性能方面提出要求，据此确定材料的具体力学、物理、化学性能指标,最后可按经验类比或查手册进行选材.,如对于低速、轻载的三轮车的传动轴普通碳素结构钢；对速度较高、载荷较重的汽车传动轴优质碳素结构钢；而对高速、重载的汽轮机的主轴合金钢。,若零件的尺寸取决于强度，应选用强度极限较高的材料；若零件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料；若零件的尺寸取决于接触强度，应选用表面强化处理的材料；滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；高温工作下的零件，选用耐热材料；腐蚀介质中工作的零件选用耐腐蚀材料。,工艺要
16、求,在满足使用性能要求的同时还应满足工艺性能要求.例如对于毛坯为铸件、锻件、焊接件时,应分别选择铸造性能好的材料(灰铸铁),锻造性能好的材料(黄铜、低碳钢)和焊接性能好的材料(低碳钢或低碳合金钢)。,对于尺寸小的齿轮、轴类等旋转体零件，可用棒料直接加工。对于形状简单、薄壁的零件，生产批量较大时，可压力加工成形。在自动机床上进行大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好.此外还必须考虑材料的热处理工艺性能(淬透性、变形开裂倾向性等)。,经济要求,选择材料时，必须考虑到生产的经济性和材料的相对价格,不应片面选用优质材料。在满足使用要求和工艺要求前提下,应尽可能选用普通材料和价格低廉的材料,以降低生产成本.另外还要考虑批量、加工费用、环境污染、能源消耗等。,本章作业：,2-1,2-2,2-4,2-6,2-7,2-9,
