第二章(材料及熱處理)

1、精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二章第二章 機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)史美堂，史美堂，金屬材料及熱處理金屬材料及熱處理，上海科學(xué)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，技術(shù)出版社，2003齊寶森等，齊寶森等，機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料，哈爾濱工業(yè)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，大學(xué)出版社，2003戈曉嵐等，戈曉嵐等，工程材料工程材料，東南大學(xué)出版社，東南大學(xué)出版社，2004其他與金屬材料及熱處理的相關(guān)書(shū)籍其他與金屬材料及熱處理的相關(guān)書(shū)籍參考文獻(xiàn)精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 第三節(jié)第三節(jié) 常用的工程材料常用的工程材料 第四節(jié)第四

2、節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理 第五節(jié)第五節(jié) 表面精飾表面精飾 第六節(jié)第六節(jié) 精密儀器材料選用原則精密儀器材料選用原則主要內(nèi)容主要內(nèi)容精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械工機(jī)械工程材料程材料金屬金屬材料材料非金屬非金屬材料材料黑色金屬黑色金屬鋼鋼有色金屬有色金屬合金鋼合金鋼無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)材料有機(jī)材料塑料塑料橡膠橡膠陶瓷陶瓷合成纖維合成纖維鋁合金鋁合金銅合金銅合金其他有色合金其他有色合金第一節(jié)第一節(jié) 概述概述精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 在精密機(jī)械中應(yīng)用的材料，按用途的不同，在精密機(jī)械中應(yīng)用的材料，按用途的不同，可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類(lèi)?？煞譃榻Y(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類(lèi)。 結(jié)構(gòu)材料通常

3、是指工程上要求強(qiáng)度、韌性、結(jié)構(gòu)材料通常是指工程上要求強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的材料。塑性、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的材料。 功能材料是指具有電、地、聲、熱、磁等功能材料是指具有電、地、聲、熱、磁等功能和效應(yīng)的材料。功能和效應(yīng)的材料。 金屬材料是精密機(jī)械中最常用的材料，可金屬材料是精密機(jī)械中最常用的材料，可分為黑色金屬材料和有色金屬材料。分為黑色金屬材料和有色金屬材料。精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 一、應(yīng)力極限一、應(yīng)力極限 二、彈性模量二、彈性模量E 三、延展性三、延展性 四、沖擊韌度四、沖擊韌度Ak 五、彈性性能五、彈性性能Ee和韌性能和韌性能Et 六、硬度六、硬度第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力

4、學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 比例極限比例極限p p 屈服極限屈服極限s s 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限B B 圖圖2-12-1 在常溫下經(jīng)過(guò)塑性變形使材料強(qiáng)度提在常溫下經(jīng)過(guò)塑性變形使材料強(qiáng)度提高、塑性降低的現(xiàn)象，稱(chēng)為冷作硬化。高、塑性降低的現(xiàn)象，稱(chēng)為冷作硬化。一、應(yīng)力極限一、應(yīng)力極限第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 應(yīng)力極限應(yīng)力極限彈性階段彈性階段彈性極限彈性極限 p屈服階段屈服階段屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) s強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限 b頸縮階段頸縮階段第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、彈性模量二、彈性模量E E 在比例極限

5、范圍內(nèi)，應(yīng)力在比例極限范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變與應(yīng)變成成正比。正比。 彈性模量的大小反映了材料抵抗變形的彈性模量的大小反映了材料抵抗變形的能力。能力。三、延展性三、延展性 延展性是衡量材料塑性性能的指標(biāo)。延展性是衡量材料塑性性能的指標(biāo)。 1.1.伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 2. 2.斷面收縮率斷面收縮率第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 四、沖擊韌度四、沖擊韌度 沖擊韌度是衡量材料承受沖擊載荷能力的性沖擊韌度是衡量材料承受沖擊載荷能力的性能指標(biāo)。能指標(biāo)。 五、彈性能五、彈性能EeEe和韌性能和韌性能EtEt 六、硬度六、硬度 硬度表示材料表面在一個(gè)小體積范圍內(nèi)抵硬度表示材料表面在一

6、個(gè)小體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力?？箯椥宰冃?、塑性變形或破裂的能力。 常用的硬度指標(biāo)有：常用的硬度指標(biāo)有： 布氏硬度布氏硬度(HBS)(HBS)、洛氏硬度、洛氏硬度(HRC(HRC洛氏洛氏C C標(biāo)度硬度標(biāo)度硬度) )和維氏硬度和維氏硬度(HV)(HV)。第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)影響力學(xué)性能的主要因素影響力學(xué)性能的主要因素 1、含碳量、含碳量 含碳量越高，強(qiáng)度和硬度越高，但塑性顯著降低。含碳量越高，強(qiáng)度和硬度越高，但塑性顯著降低。 2、雜質(zhì)元素：有益、雜質(zhì)元素：有益Si、Mn，有害，有害S、P 3、合金元素、合金元素 加入某些合金元素，可

7、提高和改善其綜合力學(xué)性能，并獲加入某些合金元素，可提高和改善其綜合力學(xué)性能，并獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能。得某些特殊的物理和化學(xué)性能。 Cr：提高硬度、沖擊韌性和淬透性：提高硬度、沖擊韌性和淬透性 ，（形成碳化鉻），（形成碳化鉻） Mn：提高強(qiáng)度和淬透性：提高強(qiáng)度和淬透性 ，W:提高硬度和韌性提高硬度和韌性 4、溫度、溫度 一般，低溫條件下強(qiáng)度有所增加，塑性和沖擊韌性下降一般，低溫條件下強(qiáng)度有所增加，塑性和沖擊韌性下降 ，高溫條件下相反。高溫條件下相反。 5、熱處理工藝、熱處理工藝第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、鋼鐵材料（黑色金屬）一、鋼鐵材料（黑色金屬

8、）1、非合金鋼（碳鋼）、非合金鋼（碳鋼） 含碳含碳2以下的鐵碳合金、少量雜質(zhì)以下的鐵碳合金、少量雜質(zhì) 按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(lèi)：按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(lèi)： 低碳鋼低碳鋼（c0.25） 中碳鋼中碳鋼（ 0.25 c 0.6） 高碳鋼高碳鋼（c0.6） 按質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)：按質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)： 普通碳素鋼普通碳素鋼（s0.055、 p0.045 ） （例：Q235） 優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼（s0.040、 p0.040 ）（例：45，35） 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 （s0.03、 p0.035 ） 第三節(jié)第三節(jié) 常用工程材料常用工程材料精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)按用途分類(lèi)按用途分類(lèi)： 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼（用于制造各種工程構(gòu)件和機(jī)

9、器零件） 碳素工具鋼碳素工具鋼（用于制造各種工具）（T8A）2、合金鋼、合金鋼 人為加入人為加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，用以提高鋼等，用以提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能。即具有高的強(qiáng)度、韌性、硬度，的力學(xué)性能、工藝性能。即具有高的強(qiáng)度、韌性、硬度，以 及 某 些 特 殊 性 能 （ 如 耐 腐 性 、 高 溫 強(qiáng) 度 ） 。以 及 某 些 特 殊 性 能 （ 如 耐 腐 性 、 高 溫 強(qiáng) 度 ） 。 （40Cr,65Mn）55-1010低合金鋼 合金元素總量小于百分之中合金鋼 合金元素總量在百分之高合金鋼 合金元素總量大于百分之第三節(jié)第三節(jié) 常用工程材料常用工程材料精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3、鑄

10、鐵：、鑄鐵： 良好的鑄造性能、減摩性能、吸振性能、切削加工良好的鑄造性能、減摩性能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。性能、低的缺口敏感性，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。 灰鑄鐵：灰鑄鐵：C自由狀態(tài)的片狀石墨形式自由狀態(tài)的片狀石墨形式 （抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，適用于受壓零件， 脆性大，不適合沖擊零件）（）（HT200）可鍛鑄鐵：可鍛鑄鐵： C自由狀態(tài)的絮狀石墨形式自由狀態(tài)的絮狀石墨形式球墨鑄鐵：球墨鑄鐵：C球狀石墨形式，較高的強(qiáng)度球狀石墨形式，較高的強(qiáng)度 ，良好的塑，良好的塑性和韌性（性和韌性（應(yīng)力集中應(yīng)力集中）。）。鋼與鑄鐵的主要區(qū)別：碳的存在形式不同鋼與鑄鐵的主要區(qū)

11、別：碳的存在形式不同第三節(jié)第三節(jié) 常用工程材料常用工程材料精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 有色金屬有色金屬（減摩、耐腐、耐熱、導(dǎo)電性好）（減摩、耐腐、耐熱、導(dǎo)電性好）1、銅及其合金：、銅及其合金： 工業(yè)純銅、工業(yè)純銅、 黃銅（銅鋅二元合金）（鑄、鍛、機(jī)械加工性能好）黃銅（銅鋅二元合金）（鑄、鍛、機(jī)械加工性能好） 青銅（錫青銅青銅（錫青銅Sn、鋁青銅、鋁青銅強(qiáng)度高、加工低，用于制強(qiáng)度高、加工低，用于制造重載、耐磨零件，鈹青銅造重載、耐磨零件，鈹青銅Be、錳青銅等）、錳青銅等）2、鋁及其合金：、鋁及其合金： 純鋁、硬鋁、鑄鋁純鋁、硬鋁、鑄鋁3、鈦及其合金：純鈦、鈦合金、鈦及其合金：純鈦、鈦合金第三節(jié)第三節(jié) 常用

12、工程材料常用工程材料精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 非金屬非金屬1.工程塑料（天然樹(shù)脂或人造樹(shù)脂為基礎(chǔ)）工程塑料（天然樹(shù)脂或人造樹(shù)脂為基礎(chǔ)） 特點(diǎn)：密度小，良好的抗蝕性，優(yōu)良的電絕緣性，特點(diǎn)：密度小，良好的抗蝕性，優(yōu)良的電絕緣性，耐磨、減摩、自潤(rùn)滑性好，工藝性好耐磨、減摩、自潤(rùn)滑性好，工藝性好 分類(lèi)：熱固性塑料、熱塑性塑料分類(lèi)：熱固性塑料、熱塑性塑料2.橡膠：高彈性、絕緣性橡膠：高彈性、絕緣性 密封件、緩沖件、絕緣件密封件、緩沖件、絕緣件 上述二者易老化，難回收（污染）上述二者易老化，難回收（污染）3.人工合成礦物：剛玉（寶石人工合成礦物：剛玉（寶石Al2O3）, 石英石英SiO2第三節(jié)第三節(jié) 常用工程材料

13、常用工程材料精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、鋼的熱處理一、鋼的熱處理 加熱、保溫、冷卻加熱、保溫、冷卻改變金屬整體或表面組織，獲改變金屬整體或表面組織，獲得所需性能。得所需性能。（鑄鐵、某些銅合金也可用熱處理來(lái)改善其力學(xué)性能）（鑄鐵、某些銅合金也可用熱處理來(lái)改善其力學(xué)性能） 種類(lèi)種類(lèi) 普通熱處理：退火、正火、淬火、回火普通熱處理：退火、正火、淬火、回火 表面熱處理和化學(xué)熱處理：表面熱處理和化學(xué)熱處理： 感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解加熱、滲感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解加熱、滲碳、氮化、碳氮共滲碳、氮化、碳氮共滲 其他熱處理其他熱處理第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1 1、退

14、火：加熱（至臨界溫度、退火：加熱（至臨界溫度710750 以上以上 30 5 0 ）、保溫、）、保溫、隨爐冷卻隨爐冷卻 目的：降低硬度、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力，目的：降低硬度、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力，改善切削性能，改善切削性能， 預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理2 2、正火：加熱、保溫（與退火相似）、正火：加熱、保溫（與退火相似） 、空氣冷空氣冷 目的：同退火，（因晶粒更細(xì)，故強(qiáng)度和硬度較退火目的：同退火，（因晶粒更細(xì)，故強(qiáng)度和硬度較退火高），用于普通結(jié)構(gòu)鋼零件的最終熱處理，中碳鋼的預(yù)高），用于普通結(jié)構(gòu)鋼零件的最終熱處理，中碳鋼的預(yù)處理。處理。3 3、淬火：加熱，保溫，水、油或鹽水冷卻、淬

15、火：加熱，保溫，水、油或鹽水冷卻 目的：提高零件的硬度和耐磨性，強(qiáng)化材料。但淬火后，目的：提高零件的硬度和耐磨性，強(qiáng)化材料。但淬火后，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，材料變脆，須回火。出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，材料變脆，須回火。 方法：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火；雙介質(zhì)淬火方法：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火；雙介質(zhì)淬火第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 4、回火：零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，、回火：零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，保溫，以一定速度（空冷或油冷）冷卻。保溫，以一定速度（空冷或油冷）冷卻。 目的：消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，增加韌性，目的：消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，增加韌性，達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的硬度。達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的硬度。 回火工

16、藝的種類(lèi)：回火工藝的種類(lèi)： 1)、低溫回火、低溫回火:加熱溫度（加熱溫度（150250 C） 降低應(yīng)降低應(yīng)力和脆性，保持高硬度。力和脆性，保持高硬度。 5864HRC 2)、中溫回火：加熱溫度（、中溫回火：加熱溫度（350500 C）消除內(nèi)）消除內(nèi)應(yīng)力，提高彈性，應(yīng)力，提高彈性， 3545HRC ，具有一定硬度、，具有一定硬度、韌性韌性 第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理 3)、高溫回火：（、高溫回火：（500650 C）消除內(nèi)應(yīng)力，獲得）消除內(nèi)應(yīng)力，獲得較高韌性和塑性，但硬度較低（較高韌性和塑性，但硬度較低（200350HBS） 調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)

17、處理=淬火高溫回火淬火高溫回火 4）、時(shí)效處理：在）、時(shí)效處理：在100150 C進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱（1015h）。）。 消除內(nèi)應(yīng)力，保持硬度和尺寸穩(wěn)定性。消除內(nèi)應(yīng)力，保持硬度和尺寸穩(wěn)定性。 5）、冷處理：在）、冷處理：在-70-80 C進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間冷凍。進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間冷凍。 目的：同時(shí)效處理目的：同時(shí)效處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、表面熱處理：僅對(duì)鋼的表面進(jìn)行加熱和冷卻而不二、表面熱處理：僅對(duì)鋼的表面進(jìn)行加熱和冷卻而不改變其內(nèi)部成分的熱處理工藝。改變其內(nèi)部成分的熱處理工藝。 目的：提高零件的表層硬度、抗磨損性能。目的：提高零件的表層硬度、抗磨損性能。 1、表面淬火：通過(guò)快速加熱和立即淬火冷卻相

18、結(jié)合、表面淬火：通過(guò)快速加熱和立即淬火冷卻相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。其方式：的方法實(shí)現(xiàn)。其方式： 感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱：利用交流電的集膚效應(yīng)，對(duì)零件進(jìn)行加：利用交流電的集膚效應(yīng)，對(duì)零件進(jìn)行加熱，并通過(guò)控制電流頻率得到不同的淬硬層深度。熱，并通過(guò)控制電流頻率得到不同的淬硬層深度。 火焰加熱：火焰加熱：利用火焰加熱工件表面，然后立即用水利用火焰加熱工件表面，然后立即用水噴射冷卻。調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動(dòng)速度即可得到不噴射冷卻。調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動(dòng)速度即可得到不同厚度的淬硬層。同厚度的淬硬層。 第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2、化學(xué)熱處理、化學(xué)熱處理 將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使將鋼

19、件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學(xué)成一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能、滿(mǎn)足技術(shù)要分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能、滿(mǎn)足技術(shù)要求的熱處理過(guò)程。求的熱處理過(guò)程。 與表面淬火不同之處：表面層不僅有組織變與表面淬火不同之處：表面層不僅有組織變化，而且有成分的變化。化，而且有成分的變化。目的目的：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。氧化性和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。按表面滲入元素的不同，分為按表面滲入元素的不同，分為滲碳滲碳、氮化、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等種類(lèi)。碳氮共滲、滲硼、滲鋁等種類(lèi)

20、。第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1）滲碳）滲碳 滲碳是向鋼件表面層滲入碳原子的過(guò)程。其滲碳是向鋼件表面層滲入碳原子的過(guò)程。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度以及較高的耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度以及較高的韌性和塑性。韌性和塑性。u 分類(lèi)：氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳分類(lèi)：氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳u 過(guò)程：工件放入密封的加熱爐，通入滲碳劑過(guò)程：工件放入密封的加熱爐，通入滲碳劑在在900950 C加熱、保溫。加熱、保溫。u 用于低碳鋼、低合金鋼用于低碳鋼、低合金鋼第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2）氮化）氮化 氮化是向鋼件表面層滲人氮原于的過(guò)程。氮化是向鋼件表面層滲人氮原于的過(guò)程。 目的：提高表面層的硬度和耐磨性，并提高疲勞目的：提高表面層的硬度和耐磨性，并提高疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性。強(qiáng)度和