第一章工程材料和熱處理

1、第一章第一章 工程材料和熱處理工程材料和熱處理1.1 概述1.2 金屬材料的力學(xué)性能1.3 常用的工程材料1.4 鋼的熱處理1.5 表面精飾XCHL11.1 1.1 概述概述工程材料的分類：工程材料的分類： 按用途分按用途分 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料：對(duì)力學(xué)性能有要求，如耐磨性、硬度對(duì)力學(xué)性能有要求，如耐磨性、硬度 功能材料功能材料：對(duì)物理性能有要求，如導(dǎo)電性、隔熱性等，像電對(duì)物理性能有要求，如導(dǎo)電性、隔熱性等，像電纜、光纜。纜、光纜。 按分子結(jié)構(gòu)分按分子結(jié)構(gòu)分 金屬材料金屬材料 黑色金屬黑色金屬：主要成份是鐵的材料，如各種炭鋼、鑄鐵等。：主要成份是鐵的材料，如各種炭鋼、鑄鐵等。 有色金屬有色金屬：非

2、鐵基的材料，如銅、鋁及其合金等。：非鐵基的材料，如銅、鋁及其合金等。 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料：如玻璃，水泥，陶瓷等。如玻璃，水泥，陶瓷等。 有機(jī)材料有機(jī)材料：如塑料、橡膠等。如塑料、橡膠等。返回本章目錄返回本章目錄XCHL21.2 1.2 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 應(yīng)力極限應(yīng)力極限 彈性模量彈性模量E 延展性延展性 沖擊韌度沖擊韌度ak 彈性能彈性能Ee和韌性能和韌性能Et 硬度硬度返回本章目錄XCHL3應(yīng)力極限應(yīng)力極限定義：在靜拉伸實(shí)驗(yàn)中所表現(xiàn)的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)。是衡量強(qiáng)度的參數(shù)。低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線 BSPOabfcdehglXCHL4低碳鋼在靜應(yīng)力條件下

3、的強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)有下列三種： 比例極限比例極限P： 彈性應(yīng)變區(qū)的最大應(yīng)力，所謂彈性應(yīng)變區(qū)彈性應(yīng)變區(qū)，即這段區(qū)域，施加外力N，材料產(chǎn)生從0a的相應(yīng)變形，此時(shí)若去除外力N，則材料的相應(yīng)應(yīng)變和應(yīng)力就沿著a o段回到o點(diǎn)，材料中無殘余變形。返回本節(jié)目錄 BSPOabfcdehglXCHL5 屈服極限屈服極限S： 從a點(diǎn)開始，外力N再增加，則變化很小，而則隨之增大，這個(gè)階段被稱為屈服階段屈服階段。在該階段去除外力N后，材料的相應(yīng)應(yīng)變和應(yīng)力就沿著平行于a o的直線恢復(fù)（如b點(diǎn)沿be段回到e點(diǎn)），但不能回0，材料中有殘余變形。該階段的最低應(yīng)力S被稱為屈服極限。 返回本節(jié)目錄 BSPOabfcdehglXCHL

4、6 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限B： 材料斷裂前的最大應(yīng)力。自點(diǎn)開始，若外力N，則應(yīng)力 ，應(yīng)變 ，材料最終斷裂。 返回本節(jié)目錄 BSPOabfcdehglXCHL7 彈性模量彈性模量E返回本節(jié)目錄在比例極限范圍內(nèi)，即p ，材料將產(chǎn)生永久變形，此時(shí)應(yīng)變能的大部分將消耗在材料的塑性變形上，并以熱的形式散失。材料在斷裂前所能吸收的能量稱為韌性能。XCHL10零件的工作能力衡量參數(shù)零件的工作能力衡量參數(shù) 強(qiáng)度強(qiáng)度返回返回4是零件抵抗外載荷作用的能力。強(qiáng)度不足時(shí)，零件是零件抵抗外載荷作用的能力。強(qiáng)度不足時(shí)，零件將產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形甚至斷裂，從而失效。將產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形甚至斷裂，從而失效。 載荷和應(yīng)力載荷和

5、應(yīng)力按載荷及其相應(yīng)應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況，可分為下按載荷及其相應(yīng)應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況，可分為下列兩類：列兩類： 靜載荷和靜應(yīng)力靜載荷和靜應(yīng)力：不隨時(shí)間變化或變化緩慢，如：不隨時(shí)間變化或變化緩慢，如零件的重力及其相應(yīng)應(yīng)力。零件的重力及其相應(yīng)應(yīng)力。 變載荷和變應(yīng)力變載荷和變應(yīng)力：隨時(shí)間作周期性變化。變應(yīng)力：隨時(shí)間作周期性變化。變應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。如軸在不可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。如軸在不變彎矩作用下等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸的橫截面內(nèi)將產(chǎn)生變彎矩作用下等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸的橫截面內(nèi)將產(chǎn)生周期性變化的彎曲應(yīng)力。周期性變化的彎曲應(yīng)力。XCHL11 零件的整體強(qiáng)度零件的整體強(qiáng)度零件整體抵抗載荷作

6、用的能力稱為整體強(qiáng)度。 靜應(yīng)力下的強(qiáng)度靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 變應(yīng)力下的強(qiáng)度變應(yīng)力下的強(qiáng)度 零件的表面強(qiáng)度零件的表面強(qiáng)度返回4 表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度：兩個(gè)零件靠接觸面進(jìn)行力傳遞時(shí)，在接觸區(qū)將產(chǎn)生局部應(yīng)力，稱之為接觸應(yīng)力。 表面磨損強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度：零件的表面現(xiàn)狀和尺寸在摩擦的條件下逐漸改變的過程稱為磨損，磨損量超過允許值時(shí)零件也會(huì)失效。磨損并非全部有害，如跑合、研磨都是有益的磨損。XCHL12 剛度剛度返回6反映零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。其大小用產(chǎn)生單位變形所需的外力或外力矩來表示。 靜剛度靜剛度：由靜載荷與變形關(guān)系所確定的剛度。 動(dòng)剛度動(dòng)剛度：由變載荷與變形關(guān)系所確定的剛度。金屬材料的

7、靜剛度與動(dòng)剛度數(shù)值基本相同，非金屬材料則常常不同。 振動(dòng)穩(wěn)定性振動(dòng)穩(wěn)定性在變載荷作用下，零件將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，如果零件的固有頻率與載荷的頻率相同，則產(chǎn)生共振。一般情況下，共振將使零件喪失工作能力而失效。XCHL131.3 1.3 常用的工程材料常用的工程材料 黑色金屬黑色金屬 鋼材的產(chǎn)生 碳鋼碳鋼：主要元素是鐵，其次是碳。 低碳鋼低碳鋼：C含量0.60%一般，含碳量增高，鋼材的強(qiáng)度和硬度增高，塑性降低。但含碳量超過1%后，鋼材硬度繼續(xù)增強(qiáng)，強(qiáng)度卻降低。 合金鋼合金鋼：為改善鋼材性能，人為加入一些合金元素,如Mn，Si，P等。 低合金鋼低合金鋼：合金元素總含量10% 后續(xù)XCHL14鋼材的生產(chǎn)流程

8、鋼材的生產(chǎn)流程返回返回鐵礦石鐵礦石鑄鐵件鑄鐵件鑄鋼件鑄鋼件鑄錠鑄錠鍛鋼件鍛鋼件鋼材鋼材煉鐵煉鐵煉鋼煉鋼澆注澆注鍛壓鍛壓壓力加工壓力加工如板材、型如板材、型材、管材、材、管材、線材等線材等去除雜質(zhì)，如去除雜質(zhì)，如硫、磷、氫等硫、磷、氫等高溫熔化，添高溫熔化，添加鐵合金加鐵合金如軋、拉如軋、拉形成鋼坯形成鋼坯XCHL15 鑄鋼鑄鋼：性能與鍛鋼相近，剛度、韌性較之灰鑄鐵好些， 常用于制造承受重載的大型零件。如龍門刨床機(jī)座。 灰鑄鐵灰鑄鐵：碳元素以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存在，有良好的鑄造性能，便于制作現(xiàn)狀復(fù)雜的零件；減震性良好，但脆性很大，不宜承受沖擊載荷?？箟簭?qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，故常用來制作在受壓狀態(tài)

9、下工作的零件。 球墨鑄鐵球墨鑄鐵：碳元素以球狀石墨形式存在，延展性、耐磨性和抗震性都較好，強(qiáng)度比灰鑄鐵好，減震性又優(yōu)于鋼，常用于制作需承受沖擊載荷的零件。 有色金屬有色金屬有色金屬及其合金通常有良好的物理性能，如減磨性、耐熱性、導(dǎo)電性等。 銅合金銅合金銅材有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和延展性。銅合金在此基礎(chǔ)上，在力學(xué)性能和物理性能又有所改善。常見銅合金有如下幾種：XCHL16 黃銅黃銅：銅鋅合金，如H80?？设T可鍛，有良好的機(jī)械加工性能。 青銅青銅：合金元素為錫、鈹、鉛、硅等鎳鋅以外的元素，如QSn7。 錫青銅 鋁青銅：強(qiáng)度高，價(jià)格便宜，用來制作需承受重載、耐磨零件。 鈹青銅：良好的彈性元件

10、材料。 白銅白銅：銅鎳合金，如B30。 鋁合金鋁合金：純鋁材密度小，熔點(diǎn)低，有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，塑性好，強(qiáng)度低。加入合金元素后，能大大提高其強(qiáng)度，甚至可超過鋼材。是廣泛應(yīng)用的航空航天材料。 鈦合金鈦合金：輕巧耐蝕，高低溫性能都不錯(cuò)，在航空、造船、化工等方面得到了廣泛應(yīng)用。因高溫時(shí)過于活潑，熔煉、澆注、焊接及熱處理都需要在真空或惰性氣體中進(jìn)行，故加工成本高，使用受到一定限制。XCHL17 非金屬材料非金屬材料 工程塑料工程塑料以天然樹脂或人造樹脂為基礎(chǔ)，加入填充劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑等制成的高分子有機(jī)物。密度小，質(zhì)量輕，耐腐蝕，易加工?？芍谱鳜F(xiàn)狀復(fù)雜的零件。 熱塑性塑料熱塑性塑料：如聚酰胺（尼龍

11、）、有機(jī)玻璃等。 熱固性塑料熱固性塑料：如酚醛塑料、氨基塑料等。 橡膠橡膠彈性大，絕緣性良好，耐磨耐腐蝕。常作輪胎、傳送帶、電纜和電線的外殼。 人工合成礦物人工合成礦物 剛玉剛玉 石英石英XCHL18 復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的金屬材料或非金屬材料按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定向處理或復(fù)合而得的材料。 纖維復(fù)合材料纖維復(fù)合材料 層迭復(fù)合材料層迭復(fù)合材料 顆粒復(fù)合材料顆粒復(fù)合材料 骨架復(fù)合材料骨架復(fù)合材料 返回本章目錄XCHL19T 溫度溫度（）T0t（時(shí)間）時(shí)間）熱處理三階段：熱處理三階段：加熱加熱保溫保溫冷卻冷卻1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理 基本概念基本概念熱處理是改善鋼材性能的方

12、法之一，它通過改變鋼材內(nèi)部的晶體組織結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)性能提高。下圖所示為熱處理的一般過程。Tmaxt保溫保溫t冷冷t加加XCHL20鐵碳合金有一個(gè)特點(diǎn)：不同溫度下合金的組織結(jié)構(gòu)不同，從相同的溫度下以不同的速度冷卻，形成的晶體結(jié)構(gòu)亦不同。熱處理正是利用這一點(diǎn)，先將鋼材加熱到特定的臨界溫度，然后再以不同的速度冷卻，從而得到不同性能的鋼材。 普通熱處理普通熱處理 退火退火 方法方法：加熱到臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后隨爐冷卻。 作用作用：使鋼材晶體機(jī)構(gòu)細(xì)化、勻化，消除殘余應(yīng)力。常作加工的輔助工序。 正火正火 方法方法：加熱到臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻。 作用作用：晶體結(jié)構(gòu)更細(xì)，硬度強(qiáng)度較退火

13、件好。常作零件加工的最后一道工序。XCHL21 淬火淬火 方法方法：加熱到臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后在鹽水或油中冷卻。 作用作用：晶體結(jié)構(gòu)很細(xì)，鋼材的硬度強(qiáng)度很大，但同時(shí)韌性和塑性會(huì)比較差。冷卻過快，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不勻，有殘余應(yīng)力。 回火回火 方法方法：將淬火后的零件重加熱到臨界溫度以下的一個(gè)溫度，保溫一段時(shí)間使內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)勻化，然后到空氣或油中冷卻。 作用作用：提高材料韌性，常作淬火的后續(xù)工序。XCHL22 表面熱處理表面熱處理目的：改善表面力學(xué)性能，如耐磨性、耐腐蝕性等。 表面淬火表面淬火 方法方法：用火焰或電接觸方法快速加熱表面，然后立即快速冷卻。 作用作用：提高表面硬度，保持內(nèi)部韌性。

14、 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理 方法方法：用化學(xué)方法向表面滲入碳、氮等其它元素。 作用作用：根據(jù)具體要求改變表面性能。如滲碳和滲氮可以提高表面硬度和耐磨性，滲氮還可提高耐腐蝕性。返回本章目錄XCHL231.5 1.5 表面精飾表面精飾 表面精飾和表面熱處理的區(qū)別表面精飾和表面熱處理的區(qū)別目的不同。表面熱處理表面熱處理的目的是改善材料的表面硬度、耐蝕性等力學(xué)物理性能。表面精飾表面精飾則是為了防腐蝕及美化外觀。故，表面精飾常用方法是在材料表面添加一層覆蓋物，如鍍層金屬，生成一層氧化膜或涂上油漆等。 三種常見的表面精飾方法三種常見的表面精飾方法 電鍍電鍍 鍍鉻鍍鉻:提高耐磨性，增加光潔度 鍍鎘鍍鎘:提高耐腐

15、蝕性 鍍金或銀鍍金或銀:美化外觀 化學(xué)處理化學(xué)處理 氧化氧化 磷化磷化 涂漆涂漆 返回本章目錄XCHL24Fe-Fe3C及及Fe-C合金相圖描述合金相圖描述 熱處理的主要工藝過程是加熱和冷卻。對(duì)絕大多數(shù)熱處理熱處理的主要工藝過程是加熱和冷卻。對(duì)絕大多數(shù)熱處理工藝而言，不論在加熱和冷卻過程中材料化學(xué)成分是否發(fā)生工藝而言，不論在加熱和冷卻過程中材料化學(xué)成分是否發(fā)生變化，都是通過改變材料的力學(xué)性能或物理、化學(xué)性能來改變化，都是通過改變材料的力學(xué)性能或物理、化學(xué)性能來改善坯料的加工工藝性能或工件的服役能力。不論最終獲得何善坯料的加工工藝性能或工件的服役能力。不論最終獲得何種組織，加熱過程中材料的組織都

16、將向平衡或穩(wěn)定的狀態(tài)變種組織，加熱過程中材料的組織都將向平衡或穩(wěn)定的狀態(tài)變化，首先必須熟悉材料的化學(xué)成分、溫度與其平衡組織間的化，首先必須熟悉材料的化學(xué)成分、溫度與其平衡組織間的關(guān)系。合金相圖全面地表述了這種關(guān)系。關(guān)系。合金相圖全面地表述了這種關(guān)系。 鐵碳合金（鋼和鑄鐵）碳含量超過它在鐵中的溶解度后，在鐵碳合金（鋼和鑄鐵）碳含量超過它在鐵中的溶解度后，在不同條件下將分別以不同條件下將分別以FeFe3 3C(C(滲碳體滲碳體) )或石墨或石墨兩種形式存在。過兩種形式存在。過剩的碳以前一種狀態(tài)存在時(shí)，合金組織處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)；以剩的碳以前一種狀態(tài)存在時(shí)，合金組織處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)；以后一種狀態(tài)存在時(shí)，合

17、金組織處于平衡狀態(tài)。后一種狀態(tài)存在時(shí)，合金組織處于平衡狀態(tài)。Fe-FeFe-Fe3 3C C合金相合金相圖及圖及Fe-CFe-C合金相圖分別表述鐵碳合金的準(zhǔn)平衡組織和平衡組合金相圖分別表述鐵碳合金的準(zhǔn)平衡組織和平衡組織與碳含量和溫度的關(guān)系。織與碳含量和溫度的關(guān)系。XCHL25Fe-Fe3C及及Fe-C合金相圖合金相圖 Fe3C 滲碳體-Fe 奧氏體-Fe 鐵素體XCHL26請(qǐng)點(diǎn)擊下列條目查詢相區(qū)中標(biāo)出的符號(hào)及各特征點(diǎn)、特征線的含義：Fe-Fe3C及Fe-C合金相圖的特性點(diǎn)Fe-Fe3C及Fe-C合金相圖的特性線鐵碳合金常用臨界溫度代號(hào) 鐵碳合金熱處理常用臨界溫度代號(hào)鐵碳合金熱處理常用臨界溫度代號(hào) 符 號(hào)