工程材料和热处理(补)(1)课件

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,,‹#›,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,,*,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,8,,,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本

2、样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,,工程材料和热处理,工程材料分类：,按化学成分,,,机械工程材料,金属材料,,,,高分子材料,黑色金属,,,有色金属,塑料,合成橡胶,合成纤维,硅酸盐材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料,传统陶瓷,新型陶瓷除,S,i,O,2,其他氧化物、碳化物、氮化物,纤维增强复合材料,粒子增强复合材料,层叠复合材料,铸铁,碳钢,合金钢,轻有色金属铝、镁等,重有色金属铜、铅等,稀有金属及稀土等,陶瓷材

3、料,,,,,复合材料,,,,,,第一节 概述,第二节 金属材料的力学性能,金属材料的性能：使用性能和工艺性能；,,使用性能：力学性能；物理性能；化学性能；,,力学性能：金属材料在载荷作用下所表现出来的特性。,包括：强度；塑性；硬度；韧性。,第二节 金属材料的力学性能,,,d,0,一、强度,材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。,,,,,低碳钢的应力－应变曲线,,1,线弹性阶段,2,屈服阶段,3,强化阶段（,冷作硬化,）,4,颈缩阶段,(,局部变形,),,,,,比例极限,屈服极限,强度极限,屈服,颈缩,弹 性,屈 服,强 化,局部变形,断 裂,低碳钢试样拉伸时的

4、各阶段特征,2,）断面收缩率,,,A,1,,,＞,5%,,为塑性材料,，如碳钢、黄铜、铝合金等；,,,＜,5%,,为脆性材料,，如灰铸铁、玻璃、陶器、石料等。,二、塑性,----------,金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力,,1,）断后伸长率,,,=(L,1,-L,0,)/L,0,,应力,-,应变图的形状表征着材料的特定的力学行为，对于不同的材料，应力,-,应变图各不相同，甚至有很大差异。,图,a,灰口铸铁,,图,b,低碳钢,,图,c,高分子材料,三 硬度,硬度,是指金属材料抵抗,局部变形,，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。,常用的硬度指标：,布氏硬度HBW

5、、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。,随着,C含量,的增加一般规律是：,强度增加、硬度增加、,脆性增大、韧性下降、塑性下降,,四、韧性-----,金属材料在,冲击载荷,作用下抵抗破坏的能力,,冲击韧度=冲击吸收功/试样的断口处截面积（cm2）,,第三节,,常用的工程材料,,金属材料,工业,用钢,,铸铁,,黑色金属,有色,,金属,,一、黑色金属,,钢,（含碳量 小于 2.11%的,铁碳合金,）,钢的分类：,1）含碳量,,（按碳的质量分数）,,低碳钢 (,ω,c,≤0.25%),中碳钢(0.25% ≤,ω,c,≤,,0.6%),高碳钢(0.6% <,ω,c,≤,,2.11%),

6、2）化学成份,（按合金成份,）,,合金钢,（除,F,e、,C,外，还有其它合金元素）,,碳素钢,3）钢的品质,（按有害杂质,S、P,含量,）,,普通钢,（,ω,s,≤0.05% ;ω,p,≤0.045%）,优质钢,（ω,s,≤0.035% ;ω,p,≤0.035%）,高级优质钢,（,ω,s,≤0.025%；ω,p,≤0.025%）,4）钢的用途,（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）,介绍钢的使用特点及应用、牌号：,牌号,：,1、碳钢与合金钢,1,）碳钢,普通碳素结构钢,字母,Q +,屈服强度,(,Mpa) +

7、,质量等级。,表示普碳结构钢,共分195、215、235、255、275五种。,共有,A,B,C,D,四个级别，,A,级最差。,如：,Q235A；Q215B；,普通碳素结构钢的应用,钢板、钢筋,螺钉、铆钉,建筑构件,钢桥梁,锉刀,碳素工具钢,量规,钻头,优质碳素结构钢,牌号,：,由两位数字组成,表示碳的平均,万分含量,（常用：08,∼85,）,如,45,（表示,ω,C,=0.45%,的优质碳素结构钢）,当,ω,Mn,=0.7∼1.2%,时，在数字后加,Mn,如,65,Mn,（,表示,ω,c,=0.65% ,ω,Mn,=0.7∼1.2%,的优质碳钢）。,齿轮,螺栓,优质碳素结构钢的应用,30,—

8、,55,钢：,强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。,曲轴,弹簧,优质碳素结构钢,65,—,85钢：,有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。,2） 合 金 钢,牌号,：,数字 + 元素符号 + 数字,表示碳的平均万分含量,合金元素平均百分含量：<1.5%不标记，,表示所含合金元素的名称,如：,20,Cr,（,表示,ω,c,=0.2% ,ω,Cr,<1.5%,的合金结构钢,),如：,38,CrMnAl,（,表示,ω,c,=0.38% ,ω,Cr,、 ω,Mn,ω,Al,的含量均 <1.5%的合金结构钢,),如：,60,Si2Mn,（

9、,表示,ω,c,=0.6% ,ω,Si,=1.5,∼2.49,%，,的,ω,Mn,<1.5%,的合金结构钢,),滚动轴承钢,,牌号,：,字母,G+,合金元素+数字,表示滚动轴承用钢,表示所含主要合金元素的名称,如：,GCr9,（,表示,ω,Cr,=0.9%,的滚动轴承钢,),只标出铬元素平均千分含量，其它不标记，,如：,GCr15SiMn,（,表示,ω,Cr,=1.5%,的滚动轴承钢,),成份：,ω,C,=1∼1.15%,,加入了,Mn、S,i,等合金元素，热处理后使用。,拨叉,变速齿轮,合金渗碳钢,20,Cr、,20,MnTi、,20,Cr2Ni4,：,有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，

10、用于受,冲击载荷,的重要零件。,40,Cr、,40,CrMn、,38,CrMnAl,,：,有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重要零件。,汽车万向节,连杆,合金调质钢,合金弹簧钢,55Si2Mn、,60,Si2Mn,：,具有高屈强比，高疲劳强度，高弹性极限和韧性，用于弹簧等零件。,滚珠,滚珠轴承,滚珠轴承钢,铣刀,合金刃具钢,模具,合金模具钢,螺纹规,游标卡尺,千分尺,量具用钢,燃气轮机,耐热钢,破碎机颚板,履带,铁轨分道叉,挖掘机斗齿,耐磨钢,如,ZG230,—,450,（,表示含碳量屈服点为,σ,s,=230MPa,,抗拉强度为,的,σ,b,=450Mpa,的,碳素铸钢）；,2,、 铸钢,

11、牌号,：,字母,ZG +,数字,—,数字,表示铸钢,表示抗拉强度,σ,b,（,Mpa,）,表示屈服点,σ,s,（,Mpa,）,重型机械齿轮,铸钢,特点与应用：,,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，难以锻造加工的重要零件,，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。,3,、灰口铸铁,牌号,：,字母,HT +,数字,表示灰口铸铁,表示,最低抗拉强度,σ,b,（,Mpa,）,HT150,特点与应用：,强度、塑性、韧性不如钢，软而脆。,抗压强度高，,抗拉强度低,。,有良好的耐磨性、减震性和切削性；,石墨有自润滑作用。,常用于,床身、机架、底座、箱体、壳体、导轨、缸体、活塞环、带轮,等

12、零件。,如：,QT400,—,18,特点与应用：,球状石墨对基体的割裂作用小，综合力学性能较高，并具有良好的减震性和耐磨性,一些受力复杂、强度韧性和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗杆、伐门、机座、汽车后桥等。,.,4,、球墨铸铁,牌号,：,字母,QT+,数字,—,数字,表示球墨铸铁,表示最低抗拉强度,σ,b,（,Mpa,）,表示最低伸长率,δ,（,%,）,,二、有色金属,——除钢铁（黑色金属）以外的其它金属材料。,1、铝及铝合金,（1）纯铝,特点及应用：,轻，密度低 → 配置铝合金 导电导热性好 → 导线、电容

13、 抗大气腐蚀 → 包覆材料 加工性能好 → 包装材料 强度低→ 不能作为承受载荷的结构材料应用,（2）铝合金,牌号,：,5A02（,防锈）、2,A11（,硬铝）、,7A03 （,超硬铝）2,A50（,锻铝）,,铝锰合金（防锈铝合金）：,抗蚀性高，塑性好。应用于油箱、 油管（罐）、铆钉等。,铝铜合金,（又称硬铝）,：,强度较高，塑性好。主要用于飞机构件，如,飞机蒙皮,、,螺旋桨、叶片等重要零件。,铝锌合金（超硬铝）：,强度很高，耐热性、抗蚀性差。应用于飞机大梁、起落架等主要受力构

14、件。,铝镁合金（锻铝合金）：,塑性好、易于压力加工。应用于航空工业中的管道、铆钉等。,2、铜及铜合金,（1）纯铜（紫铜）,牌号,：,T1、T2、T3、T4、,----,序号越大，纯度越低,特点及应用：,良好的导电性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。,主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。,（,a）,黄铜（铜锌合金）,牌号,：,普通黄铜,：,H,××,平均含铜量的百分数,特点,良好的耐蚀性,,应用：,弹壳、散热器、垫片、油管,（2）铜合金,（,b）,青铜,牌号,：,锡青铜,：,QSn,××,Sn,含量的百分数,锡青铜,：,有较高的抗蚀性、,耐磨性,轴瓦、轴套等耐磨零件。,铝青铜,：,有较高的强度

15、、抗蚀性、耐磨性、耐热性和焊接性 齿轮、蜗轮、轴套、船舶等零件。,三、非金属材料,,,（,1,）工程塑料,密度小，耐蚀性好，绝缘，加工性好。 机械强度差，特别是刚性差，耐热性低，一般,100,C以下。散热性差，易老化，易燃。,,聚酰胺（尼龙）,聚乙烯（PE）塑料可制作食品包装袋、奶瓶、容器等。,聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。,聚丙烯（PP）可用于水暖结构件。,聚苯乙烯（PS）可用于制造仪表外壳。,PE,管材,聚丙烯制成电容器外皮,聚丙烯管子,摩托车挡泥板,,（,2,）橡胶,弹性好，绝缘性好，耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。主要用于弹性材料、密封材料、减振材料、传动材料。,,,,,,,（

16、,3,）人工合成矿物,主要有刚玉和石英。,o,四、复合材料,基体材料,+,增强材料,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。,抗冲击性能低,五、新型及特种用途材料,,（,1,）非晶态合金,（金属玻璃）,特点：高的强度、硬度和断裂韧性，良好的磁性及耐蚀性好,变压器、磁头、耐腐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽等。,,,（,2,）纳米材料,,小 结,——含碳量小于2.11%的铁碳合金,1）以含碳量,ω,C,%,<0.25%,（低），,0.25~0.6%,（中），>0.6%（高）,2）以化学成份,碳素钢，合金钢,

17、3）以钢的品质,,普通钢，优质钢 ，高级优质钢,4）以钢的用途,结构钢，工具钢，特殊性能钢,钢,结,构,钢,,普通碳素结构钢：,Q235A；Q215B；,优质碳素结构钢：,45；65,Mn；,合金结构钢：,20,Cr;,38,CrMnAl;,60,Si2Mn;(GCr9),铸,钢,铸造碳钢：,ZG230,—,450； ZG270,—,500；,*常用钢种的牌号及识别：,——,含碳量大于2.11%的铁碳合金,白口铸铁,无牌号标记,灰口铸铁,HT150； HT200；,可锻铸铁,KTH300,—,06； KTZ450,—,04；,球墨铸铁,QT400,—,18；QT600,—,3,铸铁,第四节,钢

18、 的 热 处 理,基本组织,铁素体：,F,；,ω,C,≤0.0218%,；工业纯铁；强度、硬度低，塑性、韧性好。,奥氏体：,A,；,0.0218%,,≤,,ω,C,≤ 0.77%,；存在于,727,℃以上；强度、硬度较低，塑性、韧性较好。,渗碳体：,Fe,3,C,；,ω,C,=6.69%,；硬度很高，脆性很大，塑性、韧性几乎为零，不单独使用。,珠光体：,P,；,ω,c,=0.77%,；铁素体和渗碳体的机械混合物；强度、硬度较高，又有一定塑性和韧性，综合性能好。,莱氏体：,L,d,；,ω,c,=4.3%,；奥氏体和渗碳体的机械混合物；与渗碳体类似，硬度很高，塑性和韧性极差。,概述,第四节,钢 的

19、 热 处 理,状态图,工业纯铁：,ω,C,≤ 0.0218%,钢,,亚共析钢,共析钢,过共析钢,铸铁：,2.11%,,≤,,ω,C,≤ 6.69%,第四节,钢 的 热 处 理,含碳量的影响,第四节,钢 的 热 处 理,状态图的应用,选材和工艺参考,钢 的 热 处 理,为什么要进行热处理,什么是热处理,热处理的实质,如何进行热处理,热处理的,实质,,,,马氏体,贝氏体,索氏体,屈氏体,珠光体,铁素体,和,渗碳体,,,热处理：,将,固态金属或合金,采用适当的方式进行,加热、保温和冷却,以,获得所需要的,组织结构与性能,的工艺。,,把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后,缓慢冷却,（,随 炉 冷,）

20、,用途,：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加工性能，去除内应力；性能要求不高的机械零件的最终热处理。,,正火,(,空冷,),退火,(,炉冷,),回火,加热,保温,淬火,时间,温度,1,、普通热处理,,（,1,）退 火,(Annealing),,把钢加热到相变温度以上,30,～,50 C,，保温一定时间，然 后,空冷,正火与退火的区别：,冷却速度不同：正火冷速较大，得到的珠光体组织细，因 此强度,和硬度也较高。,若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能会产生较大的内应力和,变形，甚至开裂。,正火 经济。,正火,(,空冷,),退火,(,炉冷,),回火,加热,保温,淬火,时间,温度,（,2,

21、）正 火,(Normalizing),,把钢加热到相变温度以上的某一温度，使钢呈奥氏体状态， 然后,快速,冷至室温（,油冷或水冷,），从而获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。,正火,(,空冷,),退火,(,炉冷,),回火,加热,保温,淬火,时间,温度,调质：,淬火,+,高温回火。,适用于各种重要的零件。,（,3,）淬 火,(Quenching),视频,1,视频,2,视频,3,视频,4,视频,5,,,正火,(,空冷,),退火,(,炉冷,),回火,加热,保温,淬火,时间,温度,,将淬火后的工件加热至,低于相变点某一温度,，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态。,硬度下降，但韧性有较大

22、改善。,淬火和回火必须配合使用,,调质,：淬火,+,高温回火,。,适用于各种重要的零件。,（,4,）回 火,(Tempering),,,在,不改变钢的化学成分及心部组织,的情况下，利用,快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火,，以,强化零件表面,,,,,2,、表 面 热 处 理,（,1,）表 面 淬 火,渗碳,：,目的,：,使钢件表层具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部保持一定的强度和较高的韧性。,,,（,2,） 化 学 热 处 理,,改变表层的化学成分和组织,渗 氮,,,指向钢件表面渗入氮原子以形成高氮硬化层的化学热处理工艺。,,目的是提高钢件的,表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性

23、,等。,,,,,碳 氮 共 渗,(,氰化,),,,,汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等。,59,,机床齿轮 (,碳钢,40,、,45,钢),的简明加工工艺路线：,下料,→锻造→,正火,→粗加工→,调质,→精加工→,表面淬火＋低温回火,→精磨,,正火,使锻造组织均匀化、便于切削加工,、,可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。,调质,处理 使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。,表面淬火,提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。,低温回火 消除淬火应力。,,第六节,材 料 的 选 用 原 则,使用要求,工艺要求,经济要求,,

24、（,1,）,零件的工作和受载情况,,,,1,、使 用 要 求,（,2,）对零件尺寸和重量的限制,,（,3,）零件的重要程度,1,、使 用 要 求,机床中的变速齿轮：,45,钢或,40Cr,等,,,经正火或调质处理后再进行表面淬火，获得较高的表面硬,度和较好的心部综合力学性能,;,,承受高冲击载荷和强烈磨损的汽车、拖拉机变速齿轮： 采用合金渗碳钢,(,如,20CrMnTi,、,20MnVB,等,) ,,经渗碳后再进行淬火和低温回火处理,,,,,考虑,（,1,）工艺方法,,（,2,）生产条件,,（,3,）毛坯的制取方法,,,,形状简单、薄壁、高度或深度小、生产批量较大的零件压力加工成形

25、。,,大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好（易断屑、刀具磨损小、,表面光滑等）。,,考虑材料的热处理工艺性能。,2,、工 艺 要 求,,3,、经济要求,,（,1,）材料本身的相对价格。,,（,2,）,局部品质,的原则。,,（,3,）材料的加工费用。,,（,4,）材料的利用率。,,（,5,）节约稀有材料 、材料的供应状况。,复 习,,常见材料特点、应用、牌号,,热处理的类型、特点,,材料的选择,作 业,1.,什么是金属的力学性能？力学性能主要包括哪些指标？什么是硬度？常用的硬度有哪几种？各用什么符号表示？,2.,什么是热处理？常见的热处理方法有哪几种？,3.,正

26、火与退火的主要区别是什么？生产中如何选择正火与退火？,内容总结,工程材料和热处理。材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。 ＞5%　为塑性材料，如碳钢、黄铜、铝合金等。----------金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力。硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。冲击韧度=冲击吸收功/试样的断口处截面积（cm2）。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。当ωMn=0.7∼1.2%时，在数字后加Mn。如：20Cr（表示ωc=0.2% ,ωCr<1.5%的合金结构钢)。如：60Si2Mn（表示ωc=0.6% ,ωSi=1.5∼2.49%，的ωMn<1.5%的合金结构钢)。字母G+合金元素+数字。抗拉强度为的σb=450Mpa的碳素铸钢）。有良好的耐磨性、减震性和切削性。——除钢铁（黑色金属）以外的其它金属材料。锡青铜：QSn××。基体材料+增强材料。特点：高的强度、硬度和断裂韧性，良好的磁性及耐蚀性好。——含碳量小于2.11%的铁碳合金,