工程材料和热处理课件

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1、第二章 工程材料和热处理第一节 概述第二节 金属材料的力学性能第三节 常用的工程材料第四节 钢的热处理第五节 表面精饰第六节 材料的选择原则第一节 概述结构材料：工程上要求强度、韧性、塑性、硬度、耐磨性等力学性能的材料。功能材料：具有电、光、声、热、磁等功能和效应的材料。按用途不同，分：金属材料：黑色金属材料 有色金属材料无机非金属材料：陶瓷有机材料：塑料、橡胶和合成纤维 高强度、塑性、耐腐蚀性、绝缘性，密度小按材料结合键的特点和性质，分：第二节 金属材料的力学性能一、应力极限一、应力极限低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线3 强化阶段强化阶段4 颈缩阶段颈缩阶段比例极限比例极限屈服极限屈

2、服极限强度极限强度极限1 线弹性阶段线弹性阶段2 屈服阶段屈服阶段颈缩颈缩屈服屈服断裂断裂弹弹弹弹 性性性性屈屈屈屈 服服服服强强强强 化化化化局部变形局部变形局部变形局部变形断断断断 裂裂裂裂低碳钢试样拉伸时的各阶段特征低碳钢试样拉伸时的各阶段特征 在常温下经过塑性变形，使材料强度提高、塑性降低的现象，称为冷作硬化。1在弹性范围内卸载、再加载2过弹性范围内卸载、再加载常用冷作硬化提高零件的强度。冷拔、冷挤压、冷镦、冷轧能得到冷作硬化的效果。永久塑性永久塑性变形变形弹性变形弹性变形在弹性阶段，应力与应变成正比 =E 比例常数 E=/反映材料抵抗变形的能力，是衡量刚度的指标。注意：不同钢种的弹性

3、模量相差甚微。二、弹性模量二、弹性模量E E衡量材料塑性性能的指标衡量材料塑性性能的指标断后伸长率断后伸长率断面收缩率断面收缩率为塑性材料为塑性材料为脆性材料为脆性材料三、延展性三、延展性碳钢、黄铜、碳钢、黄铜、铝合金等铝合金等灰铸铁、玻璃、灰铸铁、玻璃、陶器、石料等陶器、石料等四、弹性能和韧性能 在弹性变形范围内，应变能将以势能的形式储存在材料内部，撤去外力后又全部释放 材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。弹性能弹性能韧性能最大弹性能最大韧性能五、硬度材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力。材料硬度越高，强度和耐磨性越好；塑性越低。常用硬度指标：布氏硬度()洛氏硬度(

4、)维氏硬度()各种硬度值之间可以相互折算金属材料在加工和使用过程中影响力学性能的因素含碳量的影响强度、硬度；塑性合金元素的影响提高改善力学性能温度的影响强度、硬度；塑性热处理工艺的影响一般规律：含量含量C的增加：的增加：强度、硬度增加强度、硬度增加 脆性增大，韧性、塑性下降脆性增大，韧性、塑性下降绝大多数钢，低温：绝大多数钢，低温：强度、硬度增加；强度、硬度增加；韧性、塑性下降韧性、塑性下降第三节 常用的工程材料 金属材料金属材料 工业工业 用钢用钢铸铁铸铁黑色金属有色金属一、黑色金属碳钢的分类1 1）含碳量）含碳量 （按碳的质量分数）（按碳的质量分数）低碳钢(c0.25%)中碳钢(0.25%

5、c 0.6%)高碳钢(0.6%c 2.11%)2 2）钢的品质）钢的品质 （按有害杂质（按有害杂质S S、P P含含量）量）普通钢（s0.05%;p0.045%）优质钢（s0.04%;p0.04%）高级优质钢（s0.03%；p0.035%）3 3）钢的用途）钢的用途 （按行业使用）（按行业使用）结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）一、黑色金属 由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难以切削加工、尺寸大的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。成本低，铸造性好，良好的减震性；抗压强度高、抗拉强度。低脆性大，不宜承受冲击载荷。常用于床身

6、、机架、底座等零件较高的延展性和耐磨性；强度高于灰铸铁；减震性优于钢。多用于制造受冲击载荷的零件铸钢铸钢铸钢铸钢灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁二、有色金属铜合金 良好的导电性、导热性、耐蚀性、延展性 黄铜：铜锌合金，可铸可锻，良好的机加工性 青铜：除以外，所有合金的总称铝合金 不耐磨，切削性好，铸造性差；不产生电火花，用于储存易燃、易爆物品的容器钛合金 密度小，高、低温性能好，良好的耐蚀性，用于航空、造船、化工业工程塑料优点：密度小、质量轻，耐腐蚀性好，易加工应用：可用注塑、挤压的方法制成各种形状复杂，尺寸精确的零件橡胶以生胶为主要成分，添加各种配合剂和增强材料较大的

7、弹性、良好的绝缘性、耐磨损、耐化学腐性人工合成矿物主要有刚玉（宝石）和石英2三、非金属材料 由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料，按设计要求进行定向处理或复合得到的一种新型材料。自然界：天然复合材料如竹子、木材、骨骼等特点高比强度、高比模量抗疲劳性能好减摩、耐磨、自润滑性能好化学稳定性好具有其他特殊性能，如隔热性，特殊的电、光、磁性。四、复合材料基本材料+增强材料 钢的热处理就是在固态下，通过加热、保温和不同的冷却方式，改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。第四节 钢的热处理为什么要进行热处理为什么要进行热处理什么是热处理什么是热处理如何进行热处理如何进行热处理热处理工艺

8、曲线示意图目的1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。叫预先热处理。2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料，延长零件使用寿命。叫最终热处理。热处理的方法（按工艺方法不同分）热处理淬火正火退火表面热处理普通热处理回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗1.退火（焖火）将钢件加热到一定温度,保温一定时间,随炉缓慢冷却一、普通热处理目的1)软化工件，降低硬度以便切削加工2)2)细化晶粒,改善组织提高力学性能3)3)消除残余应力防止变形开裂铸件、锻件、焊接件等在制造过程中将聚集残余应力裂纹低温退火2.正火目的:2)铸、锻、焊毛坯的预备热处理1)普通结

9、构零件的最终热处理加热温度和保温时间与退火相似,不同：空冷特点：正火冷却速快,得到比退火后的组织更细些，从而力学性能高。3.淬火（整体淬火）将钢件加热到临界温度以上的某一温度,经过保温、在冷却介质（水、盐水或油）中迅速冷却目的:提高硬度,耐磨性应用:工具,模具,量具,滚动轴承.注意：整体淬火后的零件会有较大的内应力，故淬火后必须回火4.回火 将淬火后的零件重新加热到临界温度以下某一温度,保温一定时间,后在空气中或油中冷却 消除淬火后因冷却快而产生的内应力,降低脆性,使其具有一定韧性,防止变形,开裂,调整机械性能.回火不是独立的工序，是淬火后必须进行的工序目 的与淬火配合使用低温回火中温回火高温

10、回火按加热温度不同按加热温度不同正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度普通热处理曲线图二、表面热处理1.表面淬火应用：表面硬度高、内部韧性大的零件，如机床主轴、齿轮、发动机主轴 通过快速加热和立即淬火冷却，表面层淬透到一定深度而中心部仍保持原状态.表面淬火（按加热方法）：感应加热（高频、中频、低频）火焰加热电接触加热与表面淬火比：表面层不仅有组织变化，还有成分变化。2.化学热处理 将工件放在某种化学介质中加热,保温,使介质中的活性原子渗入工件表面,改变工件表层的化学成分和组织渗入不同的元素，工件的性能不同：渗碳渗氮碳氮共渗渗碳将钢件表面渗入碳

11、原子的过程。目的:使工件表面获得高硬度、高耐磨性；而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性.渗氮在临界温度以下使活性氮原子渗入工件表面。目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及热硬性。分类：气体渗氮和离子渗氮。碳氮共渗将碳和氮同时渗入工件表层，并以渗碳为主目的：提高工件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。常用于汽车、机床的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件。第五节 表面精饰表面精饰指在金属零件表面附上一层覆盖层，以达到防蚀、装饰等目的。分类：电镀 化学处理 涂漆一、电镀镀铬：适用：钢、铜及铜合金、铝及铝合金；不宜镀复杂零件。镀镍：适用：钢、铜合金、铝合金；不宜镀防磁零件。可做镀铬层的底层和导电零件

12、、弹性元件的保护层。镀镉：适用：仪器直接受海水作用和饱含海水蒸汽的大气条件下的零件。镀锌：适用：钢、铜合金、铝合金。镀银：适用：铜合金；不宜镀于直接与橡胶接触的零件。二、化学处理二、化学处理金属零件表面的化学处理方法主要有：氧化：在零件表面上形成氧化膜磷化：在零件表面上生成一层在大气中较稳定的磷酸盐膜常用类型：黑色金属的氧化与磷化 铝及铝合金的阳极氧化 铜及铜合金的氧化三、涂漆涂漆是在金属制品的表面上涂以清漆或磁漆的薄膜，使制品表面与外界环境中的有害物质隔开，对制品起保护和装饰作用。也有的是起到消光作用或绝缘作用。第六节 材料的选择原则材料的选择与应用是精密机械设计与制造工作中重要的基础环节，

13、自始至终地影响整个设计过程。使用要求使用要求工艺要求工艺要求经济要求经济要求一、使用要求分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况：如载荷性质（静载、变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂），摩擦性质；对零件尺寸和质量的限制：按使用要求选材的一般原则：零件的尺寸取决于强度，且尺寸和质量受到某些限 制选强度较高的材料；刚度弹性模量较大的材料；接触强度可进行表面强化处理的材料滑动摩擦下工作的零件减摩性好的材料；高温下工作的零件耐热材料；腐蚀性介质工作的零件耐腐蚀性材料；热处理工艺二、工艺要求 考虑（1）工艺方法（2）生产条件（3）毛坯的制取方法理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高。三、经济要求所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。（1）材料本身的相对价格。（2）材料的加工费用。（3）材料的利用率。（4）节约稀有材料、材料的供应状况。本章结束