機械工程常用材料及鋼的熱處理

1、第第1 1章章 機械工程常用材料及機械工程常用材料及鋼的熱處理鋼的熱處理1.1機械工程常用材料1.2 鋼的熱處理是指金屬材料在外力作用時表現(xiàn)出來的性能。力學性能指標：強度、硬度、塑性、韌性等。強度與塑性靜載單向靜拉伸實驗應力 ()：單位橫截面積的內(nèi)力標準拉伸試樣：長試樣l0=10d0 短試樣l0=5d0 1.1機械工程常用材料2. 硬度 材料抵抗局部變形、特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念 硬度試驗簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其他機械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應用廣泛。硬度試驗方法很多，機械工業(yè)普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分

2、為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。 3. 沖擊韌性(ak或ak ) 韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。ak=沖擊破壞所消耗的功ak/標準試樣斷口截面積f 單位為焦耳/厘米（j/cm） ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。ak=mg(h1-h2)沖擊吸收(ak) ：單位為焦耳沖擊韌度(ak) ：韌脆轉(zhuǎn)變溫度：沖擊吸收功急劇 變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變 的溫度區(qū)域。指材料適應加工工藝要求的能力1.鑄造性能指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能， 包括：流動性能、收縮性、偏析等。 2.焊接性能指

3、材料焊接時其工藝方法的難易程度及接口 處是否能滿足使用目的的特性。3.鍛造性能金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不 破裂的能力。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，鍛造性越差。材料的工藝性能含碳量4.3%的鐵碳合金鑄造性最好。4.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的難易程度。包含：刀具耐用度；切削力，切削溫度，表面加工質(zhì)量，切屑的形狀或斷屑難易程度。 5.沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。 含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。含碳量越高，沖壓性越差。6.熱處理工藝性：指材料被熱處理時達到性能等要求的難易程度。 如：淬硬性、淬透性。 1.2 鋼的熱處理采用適當方式

4、對材料或工件在固態(tài)下進行加熱、 保溫和冷卻，以獲得預期組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的工藝方法。 熱處理的實質(zhì)熱處理工藝熱處理的原理熱處理加熱、保溫、冷卻組織轉(zhuǎn)變規(guī)律改變組織結(jié)構(gòu) 性能鋼的整體熱處理鋼的退火與正火種種 類類加熱溫度加熱溫度冷卻方式冷卻方式目目 的的應應 用用退退火火完全完全退火退火ac3以上以上3050隨爐冷至隨爐冷至600左左右后出爐空冷右后出爐空冷消除殘余應力；細化消除殘余應力；細化晶粒晶粒亞共析鋼的亞共析鋼的鑄、鍛、鑄、鍛、焊件焊件球化球化退火退火ac1以上以上10 20 冷至略低于冷至略低于arl溫度，保溫后溫度，保溫后隨爐冷至隨爐冷至600左右，左右，出爐空冷出爐空冷片狀

5、珠光體轉(zhuǎn)變球狀片狀珠光體轉(zhuǎn)變球狀珠光體，降低硬珠光體，降低硬度，改善切削加度，改善切削加工性，為淬火作工性，為淬火作組織準備組織準備過共析鋼的過共析鋼的刃具、量刃具、量具、模具具、模具等等等溫等溫退火退火ac3以上以上3050或或ac1以以上上1020較快冷卻到珠光較快冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的適當溫度間的適當溫度等溫，使奧氏等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類組織后在體類組織后在空氣中冷卻空氣中冷卻與完全退火和球化退與完全退火和球化退火相同，但組織火相同，但組織更均勻、晶粒更更均勻、晶粒更細小，縮短生產(chǎn)細小，縮短生產(chǎn)周期周期高碳鋼、合高碳鋼、合金工具鋼金工具鋼和高合金和高合金

6、鋼鋼均勻化均勻化退火退火鋼熔點以下鋼熔點以下100200保溫保溫1015 h后緩冷后緩冷 消除鑄造過程中產(chǎn)消除鑄造過程中產(chǎn)生的枝晶偏析，使成分生的枝晶偏析，使成分均勻化均勻化 亞共析鋼的鑄錠亞共析鋼的鑄錠去應去應力退火力退火a1以下以下100200隨爐緩隨爐緩300200出爐空冷出爐空冷 消除殘余應力，穩(wěn)消除殘余應力，穩(wěn)定尺寸，減少變形定尺寸，減少變形 鑄件、鍛件、焊鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件及接件、冷沖壓件及機械加工件等機械加工件等再結(jié)再結(jié)晶退火晶退火t再再=（0.350.40） t熔點（熔點（k） 緩冷緩冷 消除加工硬化，提消除加工硬化，提高塑性，改善切削加工高塑性，改善切削加工性及成形

7、性能。性及成形性能。 進一步冷變形鋼進一步冷變形鋼件件,冷變形鋼材及其冷變形鋼材及其它合金成品它合金成品正正火火ac3或或accm以以上上30 50空冷空冷 細化晶粒；改善切細化晶粒；改善切削加工性；為最終熱處削加工性；為最終熱處理作組織準備理作組織準備 低碳鋼、中碳鋼低碳鋼、中碳鋼的預備熱處理；消的預備熱處理；消除過共析鋼的網(wǎng)狀除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體；一般要求滲碳體；一般要求鋼件的最終熱處理。鋼件的最終熱處理。鋼的退火與正火 冷卻速度慢，獲得接近平衡組織。可降低硬度、細冷卻速度慢，獲得接近平衡組織。可降低硬度、細化晶粒、消除應力。化晶粒、消除應力。冷卻速度比退火快，晶粒更細小。低碳鋼和低碳合

8、金鋼正火可提高硬度；中碳鋼正火可提高力學性能；高碳鋼正火可消除網(wǎng)狀滲碳體。退火的主要特點：正火的主要特點： 鋼的淬火與回火 是將鋼加熱至臨界點(ac3或ac1)以上，保溫后以大于vk的速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體(或下貝氏體)的熱處理工藝。 淬火回火是將淬火后的鋼加熱至a1以下的某一溫度后進行冷卻的熱處理工藝。淬火的目的是為了得到馬氏體組織。 一般淬火后的鋼都要進行回火，才能使鋼具有不同的力學性能 。淬淬火火ac3以上以上3050ac1以上以上3050以大于鋼的淬火臨以大于鋼的淬火臨界冷卻速度冷卻，界冷卻速度冷卻，一般合金鋼油淬，一般合金鋼油淬，非合金鋼水淬非合金鋼水淬獲得馬氏體，個別獲獲得

9、馬氏體，個別獲得下貝氏體，提高鋼得下貝氏體，提高鋼的硬度和耐磨性的硬度和耐磨性各種工具、模各種工具、模具、量具、滾具、量具、滾動軸承等動軸承等回回火火低溫低溫回火回火150250空冷空冷在保持高硬度的同時，在保持高硬度的同時，降低淬火內(nèi)應力和脆降低淬火內(nèi)應力和脆性性工具、模具、工具、模具、量具、軸承，量具、軸承，滲碳件及經(jīng)表滲碳件及經(jīng)表面淬火的工件。面淬火的工件。中溫中溫回火回火350500空冷空冷提高彈性極限和屈服提高彈性極限和屈服強度強度各種各類彈簧各種各類彈簧以及其它結(jié)構(gòu)以及其它結(jié)構(gòu)鋼鋼高溫高溫回火回火500650空冷空冷獲得良好的綜合力學獲得良好的綜合力學性能，硬度一般為性能，硬度一般

10、為2535hrc各種重要的機各種重要的機器結(jié)構(gòu)件，特器結(jié)構(gòu)件，特別是受交變載別是受交變載荷的零件，如荷的零件，如連桿、軸等連桿、軸等 鋼的表面熱處理 鋼的表面淬火 將工件表面快速加熱到淬火溫度，迅速冷卻，使工件表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持未淬火狀態(tài)組織的熱處理工藝。表面淬火前應對工件正火或調(diào)質(zhì)，表面淬火后應低溫回火。 利用感應電流通過工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。 1.感應淬火高頻感應淬火 ：200300khz，淬硬層深度為0.52mm。主要用于要求淬硬層較薄的中、小模數(shù)齒輪和中、小尺寸軸類零件等。 工頻感應淬火 ：50hz，淬硬層深度為1020mm。

11、主要用于大直徑零件。 最適宜的鋼種是中碳鋼(如40鋼、45鋼)和中碳合金鋼。 (1)感應淬火頻率的選用中頻感應淬火 ：25008000hz，淬硬層深度為210mm。主要用于大、中模數(shù)齒輪和較大直徑軸類零件。 加熱速度極快； 工件表層獲得極細小的馬氏體組織； 工件表面質(zhì)量好，變形?。?生產(chǎn)效率高(2)感應淬火加熱的特點2.火焰淬火 火焰淬火是利用氧-乙炔(或其他可燃氣體)火焰對工件表層加熱，并快速冷卻的淬火工藝。淬硬層深度一般為26mm。用于單件、小批生產(chǎn) 。 鋼的化學熱處理 將工件置于適當?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變表層一定深度的化學成分、組織和性能的熱處理工藝

12、基本過程分解 吸收 擴散 滲層 1.滲碳 固體滲碳法 單件、小批生產(chǎn) (1)滲碳的方法 氣體滲碳法 大批量生產(chǎn) 將工件置于密封的井式滲碳爐中，滴入易分解和氣化的液體或直接通入滲碳氣體，加熱到滲碳溫度?；钚蕴荚觕被工件表面吸收而溶于高溫奧氏體中，并向工件內(nèi)部擴散形成一定深度的滲碳層。 (2)滲碳用鋼、滲碳后組織及熱處理 滲碳用鋼為低碳鋼和低碳合金鋼 表層為過共析組織，與其相鄰為共析組織，再向里為亞共析組織的過渡層，心部為原低碳鋼組織。 滲碳后的組織 按化學成分非合金鋼低合金鋼合金鋼 鋼的分類1.3常用金屬材料 鋼鐵及合金牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系 大寫拉丁字母有：a、b、c、e、f、h、j、l、m、

13、p、q、s、t、u、w。其中a表示合金結(jié)構(gòu)鋼；l表示低合金鋼；u表示非合金鋼；t表示工具鋼等。 第一位阿拉伯數(shù)字有09。在不同的鋼中，每一位數(shù)字所代表的含義各不相同。如在合金結(jié)構(gòu)鋼細分類中，0代表mn（x）、mnmo（x）鋼；1代表simn（x）、simnmo（x）鋼。 在低合金鋼細分類中，0代表低合金一般結(jié)構(gòu)鋼；1代表低合金專用結(jié)構(gòu)鋼。 在非合金鋼中，1代表非合金一般結(jié)構(gòu)及工程結(jié)構(gòu)鋼；2代表非合金機械結(jié)構(gòu)鋼等 鋼鐵及合金牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系 灰口鑄鐵 白口鑄鐵 麻口鑄鐵 按碳存在的形式分類 普通灰鑄鐵 石墨呈片狀蠕墨鑄鐵 石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵 石墨呈棉絮狀球墨鑄鐵 石墨呈球狀 按石墨的形態(tài)分

14、類 按化學成分分類 普通鑄鐵合金鑄鐵 鑄鐵的分類 鋁合金的分類 根據(jù)合金元素的含量和加工工藝性能特點，鋁合金可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。（1）變形鋁合金不可熱處理強化鋁合金防銹鋁可熱處理強化鋁合金硬鋁、超硬鋁和鍛鋁 （2） 變形鋁合金 鑄造鋁合金 具有共晶組織，塑性較差，但熔點低，流動性好銅中加入合金元素后，可提高合金的強度，并保持良好的加工性能。按化學成分 黃銅 青銅 白銅 以zn為主要合金元素。良好的加工性能，良的鑄造性能，耐腐蝕性能也好。以sn為主要合金元素。用于鑄造形狀復雜的零件。抗腐蝕性比黃銅還好。以ni為主要合金元素。具有較好的強度和塑性，能進行冷加工變形，抗腐蝕性能也好。 銅合

15、金的分類 工業(yè)純銅 純銅為紫色，又稱紫銅。工業(yè)純銅分為4種：t1、t2、t3、t4。編號越大，純度越低。工業(yè)純銅除配制銅合金和其他合金外，主要用于電器工業(yè)，制造電線、電纜、電刷、銅管、散熱器、冷凝器、通信器材以及抗磁、防磁儀器等。純銅的強度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料1.4 鋼鐵材料的現(xiàn)場鑒別 常用的鑒別方法有火花鑒別法、色標鑒別法、斷口鑒別法和音色鑒別法等。20鋼的火花特征45鋼的火花特征t12鋼的火花特征ht200的火花特征火花鑒別法色標鑒別法 碳素結(jié)構(gòu)鋼q235鋼為紅色；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼為棕色加綠色，45鋼為白色加棕色；合金結(jié)構(gòu)鋼20crmnti鋼為黃色加黑色，40crmo鋼為綠色加紫色；鉻軸承鋼gcr15鋼為藍色；高速鋼w18cr4v鋼為棕色加藍色；不銹鋼1cr18ni9ti鋼為綠色加藍色；熱作模具鋼5crmnmo鋼為紫色加白色。斷口宏觀鑒別法 若斷口呈纖維狀，無金屬光澤，顏色發(fā)暗，無結(jié)晶顆粒，且斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，則表明鋼材具有良好的塑性和韌性，含碳量較低。若斷口齊平，呈銀灰色，且具有明顯的金屬光澤和結(jié)晶顆粒，則表明屬脆性材料。而過共析鋼或合金經(jīng)淬火后，斷口呈亮灰色，具有綢緞光澤，類