(3 ) 第一章 机械工程材料及热处理

1第一章机械工程材料及热处理本章要点１．常用金属材料的性能、牌号及应用２．常用非金属材料３．钢的热处理原理、方法及应用2第一节金属材料的性能引言：1.金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能（）和化学性能（耐酸、碱性，抗氧化性等）。工艺性能：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2.力学性能(又称机械性能)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。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。3一．强度与塑性１、材料的拉伸曲线（1）、oe段：直线、弹性变性（2）、es段：曲线、弹性变形+塑性变形（5）、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。（3）、ss’段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。（4）、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形S’材料拉伸实验4圆形拉伸试样拉伸实验5强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。２、强度的指标（2）、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。（1）、屈服点σb=Fb/S0当材料的内应力σ＞σb时，材料将产生断裂。σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。符号：σs材料产生屈服现象时的最小应力σs=Fs/S0Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）§1-1强度与塑性6３、塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。（1）、断后伸长率（2）、断面收缩率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。δ=(L1-L)/Lx100%L:标距（本实验L=100）L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。Ψ=(A0-A1)/A0x100%A0:试件原横截面积。A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。§1-1强度与塑性7二．硬度引言：1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。2、硬度的测试方法（1）布氏硬度HBS或HBW（2）洛氏硬度HR（3）维氏硬度HV一般来说，硬度越高，耐磨性越好，强度也较高8（1）、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。１、布氏硬度布氏硬度计布氏硬度试验原理图9（2）、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW（3）、优缺点①.测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）②.可测的硬度值不高③.不测试成品与薄件④.测量费时，效率低(4)、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.10(1)、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、洛氏硬度洛氏硬度测量原理图洛氏硬度计11(2)、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC一般淬火钢件(3)、优缺点HRB软钢、退火钢、铜合金①试验简单、方便、迅速HRA硬质合金、表面淬火钢②压痕小，可测成品，薄件③数据不够准确，应测三点取平均值④不应测组织不均匀材料，如铸铁。(4)、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.12(1)、维氏硬度试验原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d，进而算出压痕表面积，最后求出压痕表面积上的平均压力。(2)、维氏硬度值用压痕表面积上的平均压力表示。如：640HV。(4)、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。3、维氏硬度(3)、优缺点①测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）②可测成品与薄件③试样表面要求高，费工。13一、钢铁材料的生产过程铁矿石生铁钢锭型材铸铁轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法1、生铁的冶炼原料：铁矿石燃料：焦炭熔剂：石灰石设备：高炉2、钢的冶炼原料：生铁、废钢燃料：焦炭熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂设备：电弧炉（钢板、型钢、钢管）第二节钢14电弧炉15二．钢的分类与编号钢碳素钢低合金钢（5%）合金钢:中合金钢（5~10%）(按合金元素总量分)高合金钢（10%）（1）按含碳量分低碳钢0.0218%C0.25%中碳钢0.25%C0.6%高碳钢0.6%C2.11%（2）按质量和用途分碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢易切削结构钢铸钢１、钢的分类16２、钢的牌号及其应用（1）、碳素结构钢：牌号：Q+屈服点数值＋质量等级符号＋脱氧方法符号例如：Q195，Q275等。用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。（2）、优质碳素结构钢：牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的万倍。例如：08F，20，45，60等。用途：用作各种较重要的机器零件如：齿轮、主轴等。17（3）、碳素工具钢牌号：用“T”加数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的千倍。如：T8，T9等。T8：表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。用途：用来制作各种刀具、量具和模具。（4）、易切削用钢：主要用在自动机床上加工大批量的零件，如螺钉，螺母等。其牌号如：Y20,表示易切削结构钢，其平均含碳量为0.2%。（5）、铸钢：用于浇注成铸件的钢。其强度高于各类铸铁，同时具有良好的塑性和韧性，适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件，如火车轮、大齿轮等。其牌号如：ZG230-450。牌号意义：ZG屈服点－抗拉强度18三．杂质对钢性能的影响（1）、硅和锰的影响：有益元素。不但可以溶于F中，产生强化作用，使钢的强度和硬度提高；而且Mn能消除硫对钢的危害。（2）、磷的影响：有害元素，使钢产生冷脆性。（3）、硫的影响：有害元素，使钢产生热脆性。19第三节合金钢1、合金元素对钢性能的影响一概述（1）提高了钢的力学性能（2）提高了钢的淬透性（3）使钢具有某些特殊性能钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细化了晶粒，也提高了塑性与韧性。铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。202、合金钢的分类与牌号合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢：机器合金结构钢：工程合金结构钢：普通低合金结构钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢合金刃具钢：合金弹簧钢、合金渗碳钢合金调质钢、合金轴承钢合金模具钢：合金量具钢：低合金刃具钢、高合金刃具钢、高速钢冷作模具钢、热作模具钢没有专用钢种.211合金结构钢：两位数字+合金元素符号+数字平均含碳量的万分数合金元素含量的百分数（1.5%不注，1.5-2.5%注2，…）2合金工具钢特殊钢一位数字+元素符号+数字平均含碳量的千分数（≥1%时不注，高速钢不注）合金元素含量的百分数1.5%不注，1.5-2.5%注2，…3、合金钢的牌号例如：9SiCr,Cr12,5CrMnMo高速钢：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2例如：60Si2Mn,09Mn2,40Cr等。224特殊用途钢：滚动轴承钢——牌号前加“G”（滚）（GCr15——含Cr量的千分数）3高级优质钢：牌号后加“A”注意与碳素结构钢的质量等级符号区别！23二、合金结构钢1、普通低合金结构钢低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。船舶桥梁242、合金渗碳钢含碳量为0.1%--0.2%,以保证心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。（常用渗碳钢）主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。变速齿轮拨叉常用的牌号有20Cr、20CrTiMn、18Cr2Ni4WA。253、合金调质钢含碳量为0.25%--0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。曲轴连杆（常用调质钢）264、合金弹簧钢它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%--0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。拉力弹簧离合器弹簧（常用弹簧钢）275、滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬。如：GCr15(滚珠轴承钢)表示铬含量的千倍28三、合金工具钢合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。1、合金刃具钢用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、丝锥、钻头等。性能：（1）高硬度，60HRC以上；（2）高的耐磨性；（3）高热硬性；（4）足够的塑性和韧性。铣刀英制模板刀29合金刃具钢的种类及牌号(1)低合金刃具钢(2)高速钢最高工作温度不超过300℃。①高碳：碳质量分数为0.9%--1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。②Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。①高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右，②加入Cr、W、Mo、V等合金元素：Cr提高淬透性。W、Mo保证高的热硬性。V提高耐磨性，细化晶粒。（如：9SiCr、9Mn2V）（如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）常用合金刃具钢和高速钢302、合金量具钢用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。性能要求：(1)高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；(2)高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。螺纹规游标卡尺千分尺31量具用钢的选用举例量具钢号平样板或卡板10、20或50、55、60、60Mn、65Mn一般量规与块规T10A、T12A、9SiCr高精度量规与块规Cr（刃具钢）、CrMn高精度且形状复杂的量规与块规CrWMn(低变形钢)抗蚀量具4Cr13,9Cr18(不锈钢)323、合金模具钢合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。冷作模具钢用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200℃～300℃。热作模具钢如：9Mn2V、CrWMn用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。如：5CrMnMo、5CrNiMo性能要求：①高硬度，58～62HRC;②高耐磨性;③足够的韧性和疲劳抗力33四、特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等.1、不锈钢能抵抗大气,酸,碱或其它介质腐蚀的钢。不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。根据不锈钢室温下组织的不同,常用的不锈钢可分三种:马氏体型不锈钢铁素体型不锈钢奥氏体型不锈钢34马氏体型不锈钢如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀含碳为0.1%--0.4%,含铬为12%--13%.主要用于力学性能要求较高,耐蚀性要求较低的零