機(jī)械基礎(chǔ)熱處理

1、第四章 工程材料 工程材料是制造機(jī)械零件的原料。機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)、形狀、大小和使用條件不同，對(duì)材料的要求也不同。常用的材料有黑色金屬、有色金屬及非金屬。了解各種材料的牌號(hào)、性能及應(yīng)用，以及黑色金屬材料的熱處理方法，為中職學(xué)生了解機(jī)械零件的使用和維護(hù)提供必備的基礎(chǔ)知識(shí)。 黑色金屬材料具有良好的力學(xué)性能，大部分機(jī)械零件都選用黑色金屬作為零件的材料。因此，黑色金屬材料的內(nèi)容和熱處理方法是本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。 41 金屬材料的性能 一、金屬的物理性能和化學(xué)性能 1.金屬材料性能 使用性能工藝性能 使用性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能 工藝性能 生產(chǎn)、加工條件下表現(xiàn)的性能。 2.物理性能密度熔點(diǎn)導(dǎo)熱性導(dǎo)電性熱膨脹

2、 性磁性 二、金屬的力學(xué)性能和工藝性能 1. 力學(xué)性能指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能 （1）強(qiáng)度 安全生產(chǎn)的基本保證和滿足機(jī)械零件達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的 前提，也是機(jī) 械設(shè)計(jì)中必須達(dá)到的基本要求，是機(jī)械零件強(qiáng)度校 核的根據(jù)。 （2）塑性 （3）硬度 （4）沖擊韌性41 金屬材料的性能 2.金屬材料的工藝性能 包括多種內(nèi)容，主要有泠加工的切削加工性能，和熱加工的鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能。切削加工性能即是否容易將材料切削成所需要的零件形狀。一般說(shuō)來(lái)，軟材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面質(zhì)量相對(duì)差一些；而硬材料的強(qiáng)度相對(duì)較高，加工較困難，但表面質(zhì)量較好。所以具有良好切削性能和較

3、高強(qiáng)度的中碳鋼應(yīng)用較廣。 （5）疲勞強(qiáng)度 機(jī)械零件在長(zhǎng)期使用中，由于交變應(yīng)力對(duì)材料的影響，可能出現(xiàn)突然的斷裂破壞，設(shè)計(jì)零件的使用壽命必須保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能出現(xiàn)疲勞損壞42黑色金屬材料 黑色金屬在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用較廣。無(wú)論是鋼還是鑄鐵，主要由鐵和碳兩種元素組成，統(tǒng)稱為鐵碳合金。除了鐵和碳以外，還有少量的其他元素，如錳、硅、硫、磷。這些元素與鐵共存在鋼鐵中，對(duì)材料的性能產(chǎn)生不同的影響。不含碳的純鐵較軟，應(yīng)用較少。碳在鋼中的含量多少，對(duì)鋼的強(qiáng)度影響較大。 一、鋼的分類 1. 按化學(xué)成分分 （1）碳素鋼 含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少又分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼 （2）合金鋼 如果含有合金元素，相應(yīng)稱為低合金鋼

4、、中合金鋼和高合金鋼 （3） 鑄鐵 2.按鋼的品質(zhì)分 （1）普通鋼42黑色金屬材料 （2）優(yōu)質(zhì)鋼 （3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 3.按鋼的用途分 （1）結(jié)構(gòu)鋼 從制造成本和加工工藝角度出發(fā)，機(jī)械零件常用結(jié)構(gòu)鋼。選用低碳鋼作塑性變形要求較高的零件。 （2）工具鋼 選用中碳鋼作為具有一定強(qiáng)度和硬度要求的零件 （3）特殊性能鋼 強(qiáng)度要求較高，又具有較好的塑性，則應(yīng)用合金鋼對(duì)于一般，重要的齒輪或軸選用中碳合金鋼。42黑色金屬材料 二、鋼的編號(hào) 1.碳鋼的編號(hào)方法 (1)碳素結(jié)構(gòu)鋼 用Q代表屈服強(qiáng)度，如Q235 (2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 用數(shù)字直接表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)分之一。如45、35等表示鋼中含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0

5、.45%、0.35%。 (3)碳素工具鋼 用 T表示，如T8 A鋼。 (4)鑄造碳鋼 用 ZG表示,如 ZG 200400鋼。表示屈服強(qiáng)度大于200MPa, 抗拉強(qiáng)度大于400MPa。 如果數(shù)字后加注A、B等符號(hào)表示質(zhì)量等級(jí)。 A為高級(jí)。42黑色金屬材料 2.合金鋼的編號(hào)方法 (1) 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 如Q390A (2) 合金結(jié)構(gòu)鋼 如40Cr, 40表示含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)分之一；30CrMoA，合金的元素符號(hào)及含量的百分之1.5，末位加A表示優(yōu)質(zhì)。 （3）滾動(dòng)軸承鋼 在含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)元素符號(hào)前加G，如GCr15。 （4）合金工具鋼 含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1，用一位數(shù)表示的含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分之幾。含

6、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1，不予標(biāo)注。 （5）不銹鋼 含碳較低，用“00”和“0”數(shù)字表示含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別低于0.03%和0.08%，說(shuō)明了為什么不銹鋼刀具的刀刃硬度比較低，不能用來(lái)切割較硬東西的原因。42黑色金屬材料 三、碳素鋼 含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%而不特意加入合金元素的鋼。 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 （1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，屬于低碳鋼，牌號(hào)前有Q表示；如Q215、Q235、Q275。塑性好，但強(qiáng)度低，應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件。42黑色金屬材料（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多，為中碳鋼，常用45、35鋼。 2.碳素工具鋼 含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.7以上，硬度高，如T8A、T10A、T

7、12A。42黑色金屬材料 四、合金鋼 在普通碳素鋼中加入其他合金元素冶煉而成的，當(dāng)合金元素在鋼中的含量達(dá)到一定的比例后，可大大提高鋼材的力學(xué)性能，如硅可提高鋼的導(dǎo)磁率，用作電機(jī)芯片；錳可提高鋼的耐磨性和強(qiáng)度，應(yīng)用于履帶；鉻可以提高鋼的耐腐蝕性，應(yīng)用于不銹鋼制品等。42黑色金屬材料 1.合金結(jié)構(gòu)鋼 低合金結(jié)構(gòu)鋼 16Mn代替Q235作建筑、橋梁材料。20CrMnTi經(jīng)滲碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有較好的韌性，作汽車變速箱齒輪。42黑色金屬材料（2）機(jī)械制造用鋼 中碳合金鋼40Cr代替常用45鋼作重要的軸等機(jī)械零件。 高合金鋼60Si2Mn代替65Mn作重要彈簧。 滾動(dòng)軸承用鋼Gr15用于制造

8、常用滾動(dòng)軸承。42黑色金屬材料 2.合金工具鋼 （1）刃具鋼 高速鋼 用作加工刀具，鉆頭、各類銑刀。 刀具用鋼 用作攻制螺紋用的絲錐、鉸刀。 （2）模具鋼 用作熱 、泠模具，如Cr12、5CrMnMo。 （3）量具鋼 如游標(biāo)卡尺、千分尺。42黑色金屬材料 3.特殊性能鋼 （1）鉻不銹鋼 既能防銹又有一定強(qiáng)度的耐腐蝕零件，如彈簧、醫(yī)療器械。 鉻鎳不銹鋼 耐腐蝕性強(qiáng)，用于制造耐腐蝕的管道零件。 （2）耐熱鋼 用作鍋爐材料，如42Cr9Si2. (3 ) 耐磨鋼 用作耐磨材料，如坦克履帶用鑄鋼ZGMn13。42黑色金屬材料 鑄鐵的含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11。 鑄鐵按其特性分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵

9、。 1.灰鑄鐵 在工業(yè)中應(yīng)用最廣，用漢語(yǔ)拼音HT表示。如HT150、HT200。力學(xué)性能低，鑄造性能好，切削性能好，減振性能好。 2.球墨鑄鐵 高強(qiáng)度的鑄鐵，機(jī)械性能接近鋼，如QT400-15 表示最小抗拉強(qiáng)度為400MPa。五、鑄鐵 鑄鐵的價(jià)格較低，且穩(wěn)定性好、加工容易，尤其抗壓強(qiáng)度較高，抗震性好。所以應(yīng)用很廣，如機(jī)床的各類床身、箱體，日常生活中也應(yīng)用很廣，如炒菜鐵鍋、取暖爐、污井蓋、暖氣片、下水管、水龍頭殼體等等。42黑色金屬材料 3.可鍛鑄鐵 不是可以鍛造的鑄鐵，俗稱馬鐵。如 KTH330-08表示最小抗拉強(qiáng)度為330MPa。 此外，鑄鐵還是煉鋼的生產(chǎn)原料 43鐵碳合金狀態(tài)圖分析 鐵碳合

10、金狀態(tài)圖又稱鐵碳合金相圖或鐵碳合金平衡圖。反映鋼鐵黑色金屬中鐵和碳元素，隨著溫度和含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，內(nèi)部組織的變化狀態(tài)。 一、簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C狀態(tài)的特征 見(jiàn)圖48 1.特性點(diǎn) A、G、C、E、S點(diǎn) 2.特性線 ACD線、AECF線、ECF水平線、ES線、GS線 3.相區(qū) ACD 線以上、AESGA、 GPQ 、DFK43鐵碳合金狀態(tài)圖分析 二、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響 橫坐標(biāo)代表鐵碳合金中含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可分成三段。 即0.0218%的左側(cè)為軟鐵；0.0218%到2.11%中間為最常用的結(jié)構(gòu)鋼；2.11%到6.69%右側(cè)為鑄鐵。 縱坐標(biāo)代表溫度的變化，當(dāng)超過(guò)727時(shí)，鐵碳組織的狀

11、態(tài)發(fā)生變化，即由F+P狀態(tài)變成F+A狀態(tài)。隨著溫度的升高，當(dāng)溫度超過(guò)GS線時(shí)，由F+A狀態(tài)進(jìn)入A狀態(tài)，成為奧氏體；當(dāng)溫度超過(guò)AE線時(shí)，金屬開(kāi)始部分溶化，進(jìn)入L+A區(qū)域, 既有奧氏體又有液態(tài)金屬混合在一起。建議以45鋼為例來(lái)說(shuō)明，即在橫坐標(biāo)0.45處畫(huà)一條縱坐標(biāo)線來(lái)講課。43鐵碳合金狀態(tài)圖分析三、鐵碳合金狀態(tài)圖的應(yīng)用 1.鋼鐵材料的選用 韌性好、塑性好選低碳鋼 韌性好、塑性好、強(qiáng)度高選中碳鋼 強(qiáng)度高、耐磨性好選高碳鋼 2.制定熱加工工藝 （1）鑄造 液相線以上50100度 （2）鍛造 始鍛11501250度；終鍛750850度 （3）熱處理 碳鋼淬火在GS 或SE線以上3050度43鐵碳合金狀態(tài)

12、圖分析 45鋼的鑄造、鍛造、熱處理溫度參考： 當(dāng)溫度超過(guò)727時(shí)，金屬內(nèi)部組織要開(kāi)始相變，進(jìn)入F+A區(qū)。 當(dāng)溫度超過(guò)約800時(shí)，45鋼金屬內(nèi)部全部進(jìn)入A區(qū)，即奧氏體區(qū)。 當(dāng)溫度超過(guò)約1450時(shí)，45鋼的金屬開(kāi)始熔化，進(jìn)入L+A區(qū)。 當(dāng)溫度超過(guò)約1500,45鋼的金屬全部融化，進(jìn)入L區(qū)。 從鐵碳合金狀態(tài)圖中，以45鋼為例，可以得出： 45鋼的鑄造溫度約在17001600之間。圖中上右斜線區(qū)。 45鋼的開(kāi)始鍛造溫度在12501150之間，圖中A區(qū)內(nèi)的右斜線區(qū)。 45鋼的熱處理溫度在800850之間，圖中A區(qū)內(nèi)打“”的線區(qū)。 44 鋼的熱處理 鋼的熱處理目的是提高工件的力學(xué)性能，滿足使用條件，延長(zhǎng)使

13、用壽命。熱處理的方法簡(jiǎn)單、方便、效果好，要求的設(shè)備也不復(fù)雜，所以具備較高的使用價(jià)值，應(yīng)用很廣。 熱處理的方法分為普通熱處理，表面熱處理和化學(xué)熱處理三種。 一、 普通熱處理 普通熱處理有“四火”， 1.退火與正火 共同點(diǎn)都是將鋼加熱到一定的溫度，如45鋼加熱溫度到820。但冷卻的方式不同，退火是采用緩慢冷卻，如埋入沙、灰中或隨爐溫逐漸冷卻，以消內(nèi)部應(yīng)力；正火是將工件暴露在空氣中冷卻。相比之下，正火冷卻的速度要快，目的是要得到細(xì)化的組織結(jié)構(gòu)，工件的硬度和強(qiáng)度較退火處理高，一般正火適用于提高低碳鋼的硬度。44 鋼的熱處理 2.淬火 目的是提高材料的硬度和強(qiáng)度，只能適用于中碳鋼或高碳鋼工件。如45鋼加

14、熱到830左右，快速放入水、油或鹽溶中冷卻，使工件的溫度快速冷卻而得到較高的硬度、強(qiáng)度，是一種常用的重要的熱處理方法。 鋼中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，決定了淬火后工件的硬度大小，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火溫度過(guò)高，將會(huì)使工件產(chǎn)生裂紋。 3.回火 消除淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，按回火溫度分成三個(gè)： （1）低溫回火 150250度 （2）中溫回火 250500度 （3）高溫回火 500650度44 鋼的熱處理 淬火后高溫回火稱為調(diào)質(zhì)，是合金鋼常用的一種提高材料力學(xué)性能的有效方法。二、鋼的表面熱處理 表面熱處理僅處理工件表面，對(duì)工件的芯部不作處理，保持其原來(lái)的特性。一般應(yīng)用在工件表面需要具

15、有較高的硬度，而芯部又要有較高的韌性，如齒輪傳動(dòng)的齒面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齒根和齒輪芯部要有較好的韌性，可以承受較大的抗彎曲能力。齒輪的材料常選用45鋼，對(duì)齒面進(jìn)行表面熱處理。如果選用低碳合金鋼表面滲碳處理，提高齒面的含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)后再做表面處理是最好的選擇。如礦山用的大型載重汽車為了提高齒輪芯部的韌性，采用20CrMnTi低碳合金鋼先作滲碳，后表面淬火的工藝。44 鋼的熱處理 1.火焰加熱淬火 設(shè)備簡(jiǎn)單，但受熱不勻，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定。 2.高頻加熱淬火 效率高、質(zhì)量穩(wěn)定。在幾秒鐘內(nèi)齒面迅速加熱到淬火溫度，后均勻噴灑冷卻水使表面硬度達(dá)到預(yù)定值。如鐵道鋼軌兩端表面的淬火 3.表面化

16、學(xué)處理 通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)處理工件表面的方法，如滲碳、氮化、發(fā)黑或發(fā)藍(lán)，起到防銹的效果。 表面化學(xué)處理的深度較小，如滲碳6小時(shí)左右，才能達(dá)到0.2mm的深度。滲碳需要有專用的滲碳爐，工藝較為復(fù)雜，所需的時(shí)間較長(zhǎng)。氮化的方法與滲碳相似，只是參與化學(xué)處理的元素不同而已。在表面處理中，滲碳比氮化應(yīng)用較廣。45 有色金屬材料 除黑色金屬以外的其他金屬都稱為有色金屬，由于其特殊性質(zhì)，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，常用的有色金屬以鋁、銅及其合金。鈦及其合金的重量較輕，又有其特殊的性能，在工業(yè)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣，但是價(jià)格較高。 一、鋁及鋁合金 1.鋁 鋁金屬在生活中應(yīng)用很廣，如建筑上用的鋁制窗口、飛機(jī)外殼等，其顯

17、著特點(diǎn)是重量輕、不生銹。 2.鋁合金 在純鋁中加入合金元素而成，比純鋁的性能好。鋁合金中通過(guò)加入不同的元素來(lái)改變其強(qiáng)度等力學(xué)性能，常用的合金元素有銅、鎂、鋅、硅等。 （1）形變鋁合金 由鋁錠加工成各種形狀材料，如鋁板、鋁管和各種異型材料。45 有色金屬材料不同的元素來(lái)改變其強(qiáng)度等力學(xué)性能，常用的合金元素有銅、鎂、鋅、硅等。二、 銅及銅合金 在工業(yè)上有廣泛的用途，主要特點(diǎn)是導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，塑性好。 1.銅 純銅常用來(lái)制作導(dǎo)電產(chǎn)品，如電線、電接觸開(kāi)關(guān)及油管等。 2.銅合金 在純銅中加入適量的鋅、錫、鉛、硅等。按元素成分的不同分為黃銅、青銅和白銅，一般制成型材，如 （2）鑄造鋁合金 通過(guò)鑄造成型的鋁

18、制零件，如摩托車的內(nèi)燃機(jī)外殼缸體、汽車活塞體等。應(yīng)用于形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件中，硬度和強(qiáng)度比變形鋁合金好。鋁合金中通過(guò)加入45 有色金屬材料 板材、管材和棒料，銅合金較多地應(yīng)用作機(jī)械零件，但是由于價(jià)格較高，常用于制作蝸輪的輪齒和各種滑動(dòng)軸承的軸瓦。 學(xué)生應(yīng)記住黃銅的牌號(hào)，如H70表示含銅量為70%的銅合金。如有其它合金材料，常在H的后面標(biāo)注上，如HMn58-2表示含錳的黃銅。而常用作軸瓦材料的鑄造銅合金為ZCuSn10P1，其中ZCu表示鑄造銅，其中Sn10和P1分別表含錫量和含磷量分別為10%和1%。銅合金用于制造軸瓦和蝸輪齒面主要是利用其良好的耐磨性、散熱好及適應(yīng)性。同時(shí)由于與蝸輪相嚙合蝸

19、桿和與軸瓦相配合的軸都選用鋼 45 有色金屬材料 三、軸承合金 為了改善滑動(dòng)軸承軸瓦的性能，在軸瓦表面上鑄上一層金屬襯，以提軸瓦的磨合能力、減磨性，稱該金屬襯為軸承襯。 “襯”是很薄的一層材料。 軸承合金也稱之為巴氏合金。巴氏合金是以錫、鉛或鋁為基體，加入其他金屬元素制造而成，通常呈現(xiàn)為白色。無(wú)論是哪一種材料的巴氏合金，都是通過(guò)鑄造的方法鑄到軸瓦上的，所以其牌號(hào)前均有“Z”表示。鑄造后的軸瓦還需經(jīng)過(guò)切削加工和刮研工序才能使用。常見(jiàn)的牌號(hào)有：錫基軸承合金ZSnSb11Cub；鋁基軸承合金ZPbSb10Sn16Cu2和鋁基軸承合金等。 45 有色金屬材料 四、鈦及鈦合金 鈦屬于稀有金屬，其金屬具有

20、記憶功能，且質(zhì)量很輕，熔點(diǎn)高，常用于制作航天零件，在通用機(jī)械中應(yīng)用較少。46 非金屬材料 在工業(yè)上應(yīng)用很廣，可代替金屬材料，常見(jiàn)的非金屬材料有工程塑料、復(fù)合材料和新型材料等。一、工程塑料 在許多結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件中，工程塑料應(yīng)用最多，工程塑料具有重量輕，可制作成各種形狀，且用模具大量成批生產(chǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。如汽車零件中，有10%的零件是用工程塑料制成的。在日常生活中也離不開(kāi)工程塑料的應(yīng)用，如手機(jī)、電腦、電話、燈具等。工程塑料的名稱較難記憶，應(yīng)了解常用代號(hào)，如PC、PPR、ABS、尼龍等都是比較常用的。如表44。46 非金屬材料 二、復(fù)合材料 復(fù)合材料是多種材料復(fù)合而成，如建筑上用的復(fù)合鋼板，外表面是噴涂的鋼板，里面是一層很厚的保溫層；可隨意彎曲的鋁塑管、鋁塑板等。 復(fù)合材料將各種材料的優(yōu)點(diǎn)集合成一體，如鋁塑管作自來(lái)水管，其內(nèi)壁光滑，鋁材