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1第二部分机械基础第四章金属材料和热处理本章重点1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。2．了解：工艺性能的含义。3．了解：热处理的概念及目的。4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。本章内容提要一．金属材料的性能1．物理、化学性能物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。2．金属材料的机械性能金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。（1）强度强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。常用的强度是抗拉强度。工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。（2）塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。式中，L0表示试样原长度（mm），L1表示试样拉断时的长度（mm）。断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A1）的最大缩减量与原始横截面积（A0）的百分比。（3）硬度硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。目前最常用的硬度是布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）和维氏硬度（HV）。（4）韧性1oo100%LLLδ010AA100%Aψ2韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。（5）疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。3．金属材料的工艺性能是指它是否易于加工成优良的机械零件或零件毛坯的性能。根据金属材料加工工艺的不同，可分为铸造性、焊接性、锻压性、切削加工性。二．钢的热处理人们常常利用加热、保温和冷却，有意识地改善钢的组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。工业生产中热处理工艺分为：普通热处，即退火、正火、淬火、回火，俗称“四把火”表面热处理，包括表面淬火（感应加热淬火、火焰淬火）、化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗）。1.退火是将钢加热到一定温度保温以后，随炉缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。其主要目的是降低硬度，提高塑性，细化或均匀组织成分，消除内应力。常用的退火有去应力退火、完全退火和球化退火。2.正火将钢加热到适当的温度，保持一定时间后出炉空冷的热处理工艺。其目的是调整硬度，改善切削加工性；细化晶粒，均匀组织；消除网状碳化物，为球化退火或最终热处理作准备。正火和退火相比，正火的冷却速度快，所得组织更细密，强度硬度较高。3.淬火是将钢加热到一定温度保温后，快速泠却，以取得马氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高硬度、强度和耐磨性，淬火后必须配以适当回火。淬火是在冷却液中进行冷却，理想的淬火冷却液应该保证工件在650～500℃快速冷却，而在300～200℃慢速冷却。常见冷却方法有单液、双液、分级和等温淬火。淬火工艺应区分两个概念：淬硬性和淬透性。淬火的缺陷：硬度不足和软点、过热与过烧、变形和裂纹、氧化和脱碳。4.回火是将淬火后的工件重新加热到低于727℃的温度，保温冷却的热处理工艺。回火常是工件最终的热处理，淬火+回火是强化钢材的一个完整过程。其目的：消除淬火应力与脆性，稳定淬火组织，并获得较高的机械性能。按回火温度不同分：低温回火（150～250℃）、中温回火（350～500℃）、高温回火（500～650℃）。淬火后的高温回火也称为调质，在轴类零件、齿轮应用很多，可获得优良的综合力学性能。5.表面热处理只仅对工件表层进行淬火的工艺，以获得“表硬心韧”的力学性能。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。3三．钢铁材料非金属材料的分类有色金属金属铸铁黑色金属钢钢铁材料是钢和铸铁的统称。钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2.11%通常是钢和铸铁的分界线。根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。（一）碳素钢碳素钢也称碳钢，使用最为普遍。它的主要成分是铁和碳，此外还有硫、磷、锰、硅。1.分类2.碳素钢的牌号表示、性能及用途（1）普通碳素结构钢牌号表示方法：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A、B、C、D脱氧方法有：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。通常Z和TZ可省略。例如：Q235－AF时间保温炉冷空冷水冷（油冷）讽）淬火退火调质回火正火温度加热泪盈眶各种热处理的示意图4普通碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表（2）优质碳素结构钢牌号表示法：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数，如45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。含锰量较高（WMn=0.7％～1.2％）的钢，在两位数字后面写“Mn”，如60Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，在牌号后面加“A”；特级优质钢，在牌号后面加“E”。性能特点及用途见表（每种牌号的具体数值可查资料，这里仅按性能、用途类似的归纳作介绍）（3）碳素工具钢牌号表示法：用“碳”的汉语拼音字首“T’加数字（表示钢的平均Wc的千分数）表示，例如，T8A。这类钢Wc＝0.65％～1.35％，一般均需热处理后使用，主要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具钢牌号、性能特点及用途见下表。5（二）合金钢合金钢就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢，加入的其他元素就叫做合金元素。合金元素在钢中的作用，是通过与钢中的铁和碳发生作用、合金元素之间的相互作用提高了钢的力学性能，改善钢的热处理工艺性能。1．合金钢分类合金钢的分类方法很多，按主要用途一般分为：合金结构钢：主要用于制造重要的机械零件和工程结构。合金工具钢：主要用于制造重要的刃具、量具和模具。特殊性能钢：具有特殊的物理、化学性能的钢。２．合金钢牌号表示方法（1）合金结构钢牌号采用两位数字加元素符号加数字表示。前面的两位数字表示钢的平均碳含量的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数字表示该元素平均含量的质量分数。当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，则相应地在元素符号后面标出2、3、4等。例如60Si2Mn，表示平均碳含量为0.6%；含硅量约为2%，含锰量小于1.5%。（2）合金工具钢牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均碳含量的千分数，当碳含量大于或等于1.00%时则不予标出。如：9SiCr，其中平均碳含量为0.9%，Si、Cr的含量都小于1.5%；Cr12MoV，表示平均碳含量大于1.00%，铬含量约为12%，钼和钒的含量都小于1.5%的合金工具钢。除此之外，还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。如GCr15为滚珠轴承钢，“G”为“滚”的汉语拼音字首。还应注意，在滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。如GCr15SiMn，表示铬含量为1.5%，硅、锰含量均小于1.5%的滚珠轴承钢。3．合金钢的性能和用途（1）合金结构钢合金结构钢按用途可分为工程结构用钢和机械机械制造用钢。工程结构用钢主要用于制造各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆、高压容器等。这类钢是在普通碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的钢，故名普通低合金结构钢（简称普低钢）。由于合金元素的作用，普低钢比相同含量的普通碳素结构钢强度高得多，而且还具有良好的塑性、韧性、焊接性和较好的耐磨性。因此，采用普低钢代替普通碳素结构钢可减轻结构重量，保证使用可靠，节约钢材。如用普低钢16Mn代替Q235钢，一般可节约钢材25%～30%以上。6机械制造用钢主要用于制造各种机械零件。它是在优质或高级优质碳素钢结构钢的基础上加入合金元素制成的合金结构钢。这类钢一般都要经过热处理才能发挥其性能。因此，这类钢的性能与使用都与热处理相关。机械制造用合金结构钢按用途和热处理特点，可以分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢等。(2)合金工具钢碳素工具钢淬火后，虽能达到高的硬度和耐磨性，但因它的淬透性差、红硬性差（只能在200℃以下保持高硬度），因此模具、量具及刃具大多都要采用合金工具钢制造。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。（3）特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。特殊性能钢的种类很多，在机械制造中常用的有不锈耐酸钢、耐热钢和耐磨钢。（三）铸铁与铸钢铸铁是在凝固过程经历共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。铸铁有良好的铸造性、耐磨性、减震性、切削加工性等，且制造容易、价格便宜。1．灰铸铁灰铸铁断口呈暗灰色，故称灰铸铁。具有优良的铸造性能，良好的切削加工性，良好的减摩擦性和减振性，因而被广泛地用来制作各种承受压力和要求消振性的床身、机架、结构复杂的箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体等。灰铸铁的牌号以“HT加数字组成”表示，其中“HT”是“灰”和“铁”的汉语拼音字首表示灰口铸造，数字表示其最低的抗拉强度。2．球墨铸铁球墨铸铁是指石墨以球状形式存在的铸铁。由于石墨呈球状分布在基体上，对基体的割裂作用降到最小，可以充分发挥基体的性能，所以球墨铸铁的力学性能比灰铸铁和可锻铸铁都高，其抗拉强度、塑性、韧性与相应基体组织的铸钢相近。球墨铸铁兼有铸铁和钢的优点，因而得到广泛应用。它可以用来代替碳钢、合金钢、可锻铸铁等材料，制成受力复杂，强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如柴油机曲轴、减速箱齿轮以及轧钢机轧辊等。球墨铸铁的牌号由QT加两组数字组成。QT分别是“球”与“铁”的汉语拼音字首，代表球墨铸铁，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。3．可锻铸铁可锻铸铁是将一定成分的白口铸铁经过退火处理，使渗碳体分解，形成团絮状石墨的铸铁。由于石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用。与灰铸铁相比，可锻铸铁不仅有较高的强度，而且有较好的塑性和韧性，并由此得名“可锻”，但实际上并不可锻。可锻铸铁分为铁素体可锻铸铁（用KTH表示）和珠光体可锻铸铁（用KTZ表示）。牌号为“字母加两组数字”组成。前组数籽表示最低抗拉强度，后组数字表示最小伸长率。如KTH300-06。74．铸钢牌号表示法：铸钢代号用“铸”和“钢”二字汉语拼音的字首“ZG”表示。牌号有两种表示方法:以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“－”隔开。如ZG200－400。以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量＞1％时不标出,平均碳含量＜0.1％时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数，如ZG15Cr1MolV。（四）有色金属和非金属材料一．有色金属材料钢铁材料呈黑色，称为黑色金属；而铜、铝、镁等及其合金具有一定的颜色，称为有色金属。有色金属具有一些特殊的性质，所以在工业上应用很广。常用的有铜与铜合金1.铜与铜合金1)纯铜呈紫红色又称紫铜。导电性极好，常用作导电材料，如电极、电线。2)黄铜是纯铜和锌的合金。锌占20—40％，锌的含量越高，黄铜的颜色越发白，价格越便宜，强度增加而塑性变差，如电线。牌号为H62表示铜的含量为62％，锌含38％。3)青铜是纯铜和锡、铝的合金，有很好的力学性能和铸造性能，是一种很好的减摩材料，常用作滑动轴承的轴瓦，牌号为QSn4—3，表示压力加工青铜，锡含4％，锌含3％，其余为铜。2.铝及铝合金1)纯铝是一种比重很轻、仅为铁的三分之一、导热导电性好的金