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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用原则第一节概述一、分类：1、按用途分：结构材料、功能材料两大类•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2、按材料结合键的特点及性质分：金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类第二节金属材料的力学性能一、应力极限二、弹性模量E三、延展性四、冲击韧度αk五、弹性能Ee和韧性能Et六、硬度一、应力极限（图2-1）1．比例极限σp2．屈服极限σs3．强度极限σB比例极限σp：应力与应变成正比(oa段)的最大应力称为比例极限。在这一区段加载后卸载，仍沿oa回至o点，无残余变形，即材料处于弹性阶段。屈服极限σs：加载曲线出现微小波动，应力几乎不变而应变增加，称为屈服阶段，屈服阶段的最低应力即为屈服极限。卸载时，沿be线回至e点，Oe即残余变形。没有明显屈服现象的塑性材料，通常以永久塑性变形量为0．2％时的应力值定为屈服极限，用σ0.2表示。强度极限σB：材料在断裂前的最大应力称为强度极限（图2-l的C点）。对于普通结构钢σs/σB≈0.6；对于调质钢和渗碳钢σs/σB≈0.7。二、弹性模量EE＝σ/ε在比例极限范围内，应力σ与应变ε成正比，比例常数E即为弹性模量（剪切时为切变模量G）。弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力，因此是衡量材料刚度的性能指标。三、延展性1．伸长率δ：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率称为伸长率δ5％者为塑性材料δ5％者为脆性材料2．断面收缩率ψ：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率称为断面收缩率。•标距l：在试件等直部分取长为l的工作段•伸长率或断面收缩率愈大，材料的塑性愈高四、冲击韧度αk在有缺口的试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功称为冲击韧度五、弹性能Ee和韧性能Et（图2－2）1、应变能：物体受外力作用产生变形时，外力所做的功2、弹性能：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，撤去外力又立即全部释放3、韧性能：材料在断裂前所能吸收的能量若应力超过比例极限，材料就要产生永久变形，应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上，并以热的形式散失图2-2材料的最大弹性能和最大韧性能六、硬度硬度表示材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。一般地说，材料硬度愈高，强度（包括接触强度）和耐磨性亦愈高；但塑性愈低。常用的硬度指标有：布氏硬度（HBS）、洛氏硬度（HRC一洛氏C标度硬度）和维氏硬度（HV）。第三节常用的工程材料一、黑色金属二、有色金属三、非全属材料四、复合材料一、黑色金属1．碳钢与合金钢碳钢按其含碳量的不同，分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢是冶炼时人为地在钢中加入一些合金元素2．铸钢铸钢与锻钢的力学性能大体相近，与灰铸铁相比，其减振性差，弹性模量、伸长率、熔点均较高，铸造性能差（铸造收缩率大，容易形成气孔）。3．灰铸铁灰铸铁中的碳大部分或全部是以自由状态的片状石墨形式存在，断口呈灰色，故称灰铸铁。4．球墨铸铁球墨铸铁中的碳是以球状石墨形式存在，具有较高的延展性和耐磨性。二、有色金属1．铜合金铜具有良好的导电性、导热性、耐蚀性和延展性。2．铝合金铝的密度小（约为钢的1/3），熔点低，导热、导电性良好，塑性高，纯铝的强度低3．钛合金钛和钛合金的密度小，高、低温性能好，并具有良好的耐蚀性。三、非全属材料1.工程塑料2.橡胶3.人工合成矿物四、复合材料复合材料是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而得的一种新型材料。复合材料有纤维复合材料、层迭复合材料、颗粒复合材料、骨架复合材料等。•常用材料的应用举例见表2－l。第四节钢的热处理钢的热处理是通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺方法。一、普通热处理二、表面热处理一、普通热处理1．退火将钢加热到稍高于临界温度，并在该温度下保持一定时间，然后随炉缓慢冷却。2．正火加热温度和保温时间与退火相似，不同的是正火在空气中冷却，冷却速度大于退火时的冷却速度，故可获得比退火后的组织更细些，从而得到较高的力学性能（硬度和强度均比退火后高）。•金属与合金在加热或冷却过程中发生相变的温度称为相变点,又称为临界点.3．淬火将钢加热到临界温度以上的某一温度，经保温后投入水、盐水或油中迅速冷却。4．回火将淬火以后的零件，重新加热到临界温度以下的某一温度，保持一段时间，然后在空气或油中冷却。低温回火：加热温度为150－250℃中温回火：加热温度为300－450℃高温回火：加热温度为500－650℃二、表面热处理1．表面淬火通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现的。利用快速加热使钢件表面很快地达到淬火的温度，而不等热量传至中心，即迅速予以冷却，如此便可以只使表层被淬硬，而中心仍留有原来塑性和韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。•表面淬火主要方法有：感应加热（高频、中频、工频）表面淬火，火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，以及电解液加热表面淬火等。•工业中应用最多的为感应加热表面淬火。表2-2感应加热方式的使用范围2．化学热处理化学热处理是将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使工件表面具有某种特殊的力学或物理、化学性能的一种热处理工艺。化学热处理工艺较多，如渗碳、氮化、碳氮共渗等，渗人的元素不同，会使工件表面所具有性能也不同。（1）渗碳渗碳是向钢件表面层渗入碳原子的过程。（2）氮化氮化是向钢件表面层渗入氮原子的过程。（3）碳氮共渗（氰化）碳氮共渗是向钢的表层同时渗人碳和氮的过程，习惯上又称为氰化。第五节表面精饰一、电镀二、化学处理三、涂漆一、电镀1．镀铬2．镀镍3．镀镉4．镀锌5．镀银二、化学处理金属零件表面的化学处理方法主要是氧化和磷化。氧化是在零件表面上形成氧化膜，磷化是在零件表面上生成一层在大气中较稳定的磷酸盐膜。常用类型有：1．黑色金属的氧化与磷化2．铝及铝合金的阳极氧化3．铜及铜合金氧化三、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，对制品起着保护和装饰作用。也有的是起到消光作用或绝缘作用。第六节材料的选用原则选择材料时，应主要考虑：一、使用要求二、工艺要求三、经济要求一、使用要求使用要求一般包括：①零件所受载荷和应力的大小、性质和分布情况；②对零件尺寸和质量的限制；③工作状况（如零件所处的环境介质、工作温度、摩擦性质等）。按使用要求选用材料的一般原则是：1）若零件的尺寸取决于强度，且尺寸和质量又受到某些限制时，应选用强度较高的材料。2)若零件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。碳素结构钢和合金结构钢的弹性模量相差甚小，为提高刚度而选用后者是没有意义的。当截面积相同，改变零件形状能得到较大的刚度。3）若零件的尺寸取决于接触强度，应选用可以进行表面强化处理的材料4）滑动摩擦下工作的零件，为减小阻力应选用减摩性能好的材料。在高温下工作的零件，应选用耐热材料。在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。二、工艺要求各种材料具有不同的加工性能，选用材料时必须要考虑零件加工的工艺方法、生产条件和毛坯的制取方法等。选择材料时入还必须考虑材料的热处理工艺性能（淬透性、淬硬性、变形开裂倾向性回火脆性等）。三、经济要求在满足使用要求和工艺要求前提下，应尽可能选用普通材料和价格低廉的材料，以降低生产成本。