機械制造基礎課件-機械設計中材料的選材與熱處理-元豐

2025/4/241機械設計中常用材料的使用及熱處理選擇

武漢元豐汽車零部件2025/4/242黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料常用工程材料鋁合金銅合金非金屬材料橡膠塑料……工程材料分類：2025/4/243鑄鐵鑄鐵和鋼都是鐵碳合金，它們的區(qū)別主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2％的稱為鑄鐵。鑄鐵具有適當的易熔性，良好的液態(tài)流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。此外，它的減震性、耐磨性、切削性〔指灰鑄鐵〕均較好且本錢低廉，因此在機械制造中應用甚廣。2025/4/244

性能：〔與鋼相比〕強度、塑性低〔石墨對基體有割裂作用〕抗壓強度不低減震性好〔機器運動時，有減震性好〕耐磨性好〔碳含量高，硬度高，石墨：軟，可作為潤滑劑〕加工性好本錢低鑄鐵2025/4/245根據碳在鑄鐵中存在的形式及石墨的形態(tài)，可將鑄鐵分類：2025/4/246常用鑄鐵〔其中灰鑄鐵應用最廣，球墨鑄鐵次之〕灰口鑄鐵：制動盤〔HT250，190-230HBS〕2025/4/247牌號HT100HT150HT200HT250HT300HT350性能強度→切削加工性←表面粗糙度→耐熱疲勞性←高溫強度→減震性←彈行模量→對缺口敏感程度←耐磨性→鑄造工藝性←2025/4/248球墨鑄鐵：卡鉗〔QT600-3，190-240HBS〕支架〔QT500-7，180-240HBS〕2025/4/249牌號QT400-18QT400-15QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2性能抗拉強度→伸長率←彈行模量→硬度→沖擊韌度←減震性←疲勞極限→熱疲勞抗力←耐磨性→可加工性←2025/4/2410鋼鋼具有高的強度、韌性和塑性，并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得，因此其應用極為廣泛。2025/4/2411鋼的分類及牌號按照化學成分，鋼又可分為碳素鋼和合金鋼a、碳素鋼〔簡稱碳鋼，由于鋼碳鋼具有較好的力學性能和工藝性能，并且產量大，價格較低，使它成為機械工程上應用最廣泛的金屬材料〕按碳含量的多少分為低碳鋼：Wc≤0.3中碳鋼：Wc＝0.3％～0.6％高碳鋼：Wc>0.6％2025/4/2412低碳鋼：塑性、韌性好，大型支架結構、橋梁中碳鋼：綜合機械性能好，受力復雜的機器零件高碳鋼：硬度高，工具、耐磨零件碳素鋼的性質主要取決于含碳量，含碳量越高那么鋼的強度越高，但塑性越低a、碳素鋼2025/4/2413b、合金鋼合金鋼的優(yōu)良性能不僅取決于化學成分，而且在更大程度上取決于適當的熱處理2025/4/2414a、結構鋼：大型結構和機器零件b、工具鋼：工具、模具、量具c、特殊性能鋼：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼2、按用途分大平墊〔1Cr13〕2025/4/2415a、普通鋼b、優(yōu)質鋼c、高級優(yōu)質鋼3、按質量分分類方法比較多，按習慣叫即可，如45＃鋼可被稱為中碳鋼、結構鋼、優(yōu)質鋼

按S、P的含量分的，S、P含量越多，脆性越大，質量也就越差高級優(yōu)質鋼：S、P去的特別好2025/4/24164、牌號⑴普通碳素結構鋼：用Q＋數字〔屈服強度數值〕表示⑵優(yōu)質碳素結構鋼：用鋼中平均碳含量分數的兩位數字表示，單位為萬分之幾，也就是說用碳含量萬分之幾表示⑶碳素工具鋼：T＋數字，在鋼號前加T〔碳的漢語拼音字頭〕，數字：鋼號用平均碳含量的千分數的數字表示〔千分之幾〕T8表示平均碳含量為0.8％〔千分之八〕的碳素工具鋼高級優(yōu)質那么在鋼號后加A，如T10A2025/4/2417⑷合金結構鋼：數字＋元素＋數字表示4、牌號如：60Si2Mn〔60：碳含量的萬分之幾，即0.6％；Si、Mn：合金元素；2：表示前邊合金元素的平均質量分數，當含量≥1.5%時，是四舍五入后的數字，當<1.5％時，數字省略〕⑸合金工具鋼：數字＋合金元素＋數字

如：9CrSi(9：碳含量的千分之幾即0.9％，當碳含量≥1時，此數字省略；Cr、Si含量都小于1.5％)⑹滾動軸承鋼：GCr＋數字〔G：滾；數字：Cr質量分數的千分之幾〕2025/4/24184、牌號數字：碳含量以千分之幾表示，當碳質量分數≤0.03％及≤0.08％時，分別以00及0表示⑺特殊性能鋼：數字＋合金元素＋數字⑻鑄鋼：ZG＋數字＋數字〔前邊數字表示屈服強度值，后邊數字表示抗拉強度值〕如：ZG270-5002025/4/2419結構鋼㈠普通結構鋼

普通碳素結構鋼1、普通碳素結構鋼：碳含量是在0.06％～0.38％，雜質比較多，但價格廉價，本錢低，適用于要求不高的機械零件和工程構件如壓板〔Q235A→30〕、推動板〔Q235A〕普通低合金結構鋼2025/4/24202、普通合金結構鋼㈠普通結構鋼

a、成分特點：低碳〔C％<0.2％〕、低合金、＋Mn〔以Mn為主加元素，因為錳的資源豐富，強化鐵素體的效果明顯，能降低鋼的冷脆溫度，另外，加錳后還使組織中的珠光體含量增加，以而進一步提高強度〕b、典型鋼號：16Mn〔16：萬分之幾，Mn含量<1.5％，數字省略〕碳含量很低，只有0.16％c、性能：①塑性、韌性號〔低碳〕②強度高〔與沒加合金元素的低碳鋼相比，高30％～50％，但不要與45＃鋼相比〕③焊接性好〔焊接最麻煩的是斷裂，應力大，但是塑性、韌性好的材料不易開裂〕④大型結構、橋梁〔不易斷裂，有以上特點，價格也低，工藝很成熟〕2025/4/2421㈡優(yōu)質結構鋼

硫、磷含量較低，非金屬夾雜物也較少，強度、塑性、韌性均比普通碳素結構鋼好，常用于制造較重要的零件

如齒輪(Q235A→45)，支點圓柱〔45→40Cr〕應用最廣泛的是45鋼〔也被稱為外能鋼〕，經調質處理后，可獲得良好的綜合力學性能1、優(yōu)質碳素結構鋼

2025/4/2422㈡優(yōu)質結構鋼2、滲碳鋼

成分特點：低碳〔碳含量很低，屬于低碳鋼〕作用：①強化②提高淬透性性能：心部韌性好，外表硬度特別高應用：受沖擊同時要外表高硬度、高耐磨性的零件壓力臂〔20CrMnTi〕，大滾針副托架〔15CrMo〕2025/4/2423㈡優(yōu)質結構鋼3、調質鋼

應用：受力復雜的重要零件，最普通的調質鋼為35，40，45，但由于熱處理后變形大，實際都加合金元素，隨合金量增加強度增加，順序為40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo2025/4/2424㈡優(yōu)質結構鋼3、調質鋼

35CrMo，調質后，具有高的靜強度、沖擊韌度和較高的疲勞強度42CrMo，與35CrMo性能相近，強度和淬透性更好2025/4/2425㈡優(yōu)質結構鋼4、彈簧鋼碳含量：0.6％～0.9％

最普通彈簧鋼是Mn系列和Cr系列Mn系列選擇原那么65Mn→60Si2Mn→55SiMnMoVNbCr系列選擇原那么50CrMn→50CrV→50CrMnV彈簧有大有小，制作方式也不一樣，主要有兩種：冷成型和熱成型

2025/4/2426㈡優(yōu)質結構鋼彈簧鋼的特性基準座擋圈〔65Mn〕，回位彈簧、波形彈簧〔60Si2Mn〕大小扭簧〔60Si2Mn→70〕高碳鋼如65，70，85，經熱處理和冷拔硬化后，可得較高強度和適當韌性塑性，淬透性差只適用較小尺寸彈簧65Mn，熱處理后，綜合性能優(yōu)于碳鋼60Si2Mn，Si與Mn提高彈性極限、屈強比、淬透性和抗松弛穩(wěn)定性2025/4/2427㈡優(yōu)質結構鋼4、滾動軸承鋼有高而均勻的硬度、提高耐磨性

有高的接觸疲勞強度和彈性極限

滾針〔GCr15〕2025/4/2428銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。青銅黃銅軸承合金〔巴氏合金〕-含錫青銅、不含錫青銅軸套，襯套〔巴氏合金〕有色金屬2025/4/2429高分子材料復合材料陶瓷--塑料、橡膠、合成纖維。--強度高、彈性模量大、質量輕。非金屬材料--強度高、彈性模量大、質量輕。塑料--塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。2025/4/2430橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。螺桿防塵罩〔DF6454〕非金屬材料2025/4/2431非金屬材料復合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的缺乏，綜合了各種不同材料的優(yōu)良性能，具有高的比強度、比剛度、抗疲勞、減振、耐磨性能優(yōu)良等特點。尤其是金屬基復合材料，從力學性能角度看，可能是最理想的機械工程材料。但復合材料價格昂貴，除在航天航空、船舶、武器裝備等國防工業(yè)中的重要結構件上應用外，在一般的民用工業(yè)上應用有限。但應注意的是，隨著復合材料的生產本錢降低，其應用潛力巨大、前景極其廣闊。剎車片〔M432A)2025/4/2432非金屬材料陶瓷材料2025/4/2433鋼的熱處理在鑄造、壓力加工和焊接成形過程中，不可防止地存在組織缺陷。對金屬材料進行熱處理主要源于提高其綜合機械性能，符合材料在設計和制備過程中所遵循的“成分－組織－性能〞的原那么。

熱處理是將金屬材料以一定的速度加熱到預定溫度并保持預定的時間，再以預定的冷卻速度進行冷卻的綜合工藝方法。2025/4/24341、去應力〔應力存在，使材料本身性能下降〕2、調整內部組織〔最大目的，使之變成均勻細小的組織〕3、改善切削加工性能〔鑄件、鍛件冷卻下來后，外表硬度太高，不易切削加工，首先熱處理，緩冷，外表硬度就會下降〕目的：2025/4/24352025/4/2436目的：2025/4/24372025/4/2438目的：1、獲得硬、脆的馬氏體2、得到優(yōu)異的力學性能淬火的必要性

經過退火或正火的工件只能獲得一般的強度和硬度，對于許多需要高強度、高耐磨條件下工作的零件則必須淬火與回火處理。2025/4/2439淬透性與淬硬性

2025/4/2440淬透性的應用：〔45與40Cr〕2025/4/24412025/4/2442得到所需的組織和性能

2025/4/24432025/4/24442）中溫回火（350～500℃）

回火的目的是獲得回火屈氏體，具備高的彈性極限和韌性，并保持一定的硬度，主要用于各種彈簧，鍛模、壓鑄模等模具。（35≤HRC≤45）

2025/4/24452025/4/2446同樣的產品，工藝不同，到達的效果也不同，不同熱處理可到達不同目的鋼的熱處理小結鋼鐵材料熱處理通過加熱、保溫和冷卻方式借以改變合金的組織與性能，強韌化的兩個重要途徑之一。2025/4/2447外表熱處理常見方法如果需要由外表到心部具有不同的性能，通常采用外表熱處理2025/4/24482025/4/2449鋼的滲碳2025/4/2450滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應用的是氣體滲碳法。常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。鋼的滲碳2025/4/2451鋼的滲氮滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件外表，在鋼件外表獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。其目的是提高零件外表硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲〔軟氮化〕等。滲層較深應選用離子滲氮或氣體滲氮；滲層較淺應選用氮碳共滲，也可選用離子滲氮碳素鋼工件不應選用離子滲氮或氣體滲氮，應用氮碳共滲2025/4/2452滲氮后的鋼件性能

①氮化層HRC為69～73，在600～650℃有較高紅硬性；②一般，T滲氮＜T滲碳，無需進一步熱處理，滲氮層各性