工程材料和熱處理(補)(1)課件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,,?#?,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,,*,,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,8,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,,工程材料和熱處理,工程材料分類：,按化學(xué)成分,,,機械工程材料,金屬材料,,,,高分子材料,黑色金屬,,,有色金屬,塑料,合成橡膠,合成纖維,硅酸鹽材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料,傳統(tǒng)陶瓷,新型陶瓷除,S,i,O,2,其他氧化物、碳化物、氮化物,纖維增強復(fù)合材料,粒子增強復(fù)合材料,層疊復(fù)合材料,鑄鐵,碳鋼,合金鋼,輕有色金屬鋁、鎂等,重有色金屬銅、鉛等,稀有金屬及稀土等,陶瓷材料,,,,,復(fù)合材料,,,,,,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能,金屬材料的性能：使用性能和工藝性能；,,使用性能：力學(xué)性能；物理性能；化學(xué)性能；,,力學(xué)性能：金屬材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性。,包括：強度；塑性；硬度；韌性。,第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能,,,d,0,一、強度,材料在靜載荷的作用下，抵抗變形和斷裂的能力。,,,,,低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線,,1,線彈性階段,2,屈服階段,3,強化階段（,冷作硬化,）,4,頸縮階段,(,局部變形,),,,,,比例極限,屈服極限,強度極限,屈服,頸縮,彈 性,屈 服,強 化,局部變形,斷 裂,低碳鋼試樣拉伸時的各階段特征,2,）斷面收縮率,,,A,1,,?,＞,5%,,為塑性材料,，如碳鋼、黃銅、鋁合金等；,,?,＜,5%,,為脆性材料,，如灰鑄鐵、玻璃、陶器、石料等。,二、塑性,----------,金屬材料的載荷作用下，斷裂前材料發(fā)生不可逆久變形的能力,,1,）斷后伸長率,?,?,=(L,1,-L,0,)/L,0,,應(yīng)力,-,應(yīng)變圖的形狀表征著材料的特定的力學(xué)行為，對于不同的材料，應(yīng)力,-,應(yīng)變圖各不相同，甚至有很大差異。,圖,a,灰口鑄鐵,,圖,b,低碳鋼,,圖,c,高分子材料,三 硬度,硬度,是指金屬材料抵抗,局部變形,，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。,常用的硬度指標(biāo)：,布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度HV。,隨著,C含量,的增加一般規(guī)律是：,強度增加、硬度增加、,脆性增大、韌性下降、塑性下降,,四、韌性-----,金屬材料在,沖擊載荷,作用下抵抗破壞的能力,,沖擊韌度=沖擊吸收功/試樣的斷口處截面積（cm2）,,第三節(jié),,常用的工程材料,,金屬材料,工業(yè),用鋼,,鑄鐵,,黑色金屬,有色,,金屬,,一、黑色金屬,,鋼,（含碳量 小于 2.11%的,鐵碳合金,）,鋼的分類：,1）含碳量,,（按碳的質(zhì)量分數(shù)）,,低碳鋼 (,ω,c,≤0.25%),中碳鋼(0.25% ≤,ω,c,≤,,0.6%),高碳鋼(0.6% <,ω,c,≤,,2.11%),2）化學(xué)成份,（按合金成份,）,,合金鋼,（除,F,e、,C,外，還有其它合金元素）,,碳素鋼,3）鋼的品質(zhì),（按有害雜質(zhì),S、P,含量,）,,普通鋼,（,ω,s,≤0.05% ;ω,p,≤0.045%）,優(yōu)質(zhì)鋼,（ω,s,≤0.035% ;ω,p,≤0.035%）,高級優(yōu)質(zhì)鋼,（,ω,s,≤0.025%；ω,p,≤0.025%）,4）鋼的用途,（按行業(yè)使用）,,結(jié)構(gòu)鋼,（建筑、機械制造用）,工具鋼（工具、刀具、模具等用）,特殊性能鋼（防腐蝕、高溫、導(dǎo)磁等場合用）,介紹鋼的使用特點及應(yīng)用、牌號：,牌號,：,1、碳鋼與合金鋼,1,）碳鋼,普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,字母,Q +,屈服強度,(,Mpa) +,質(zhì)量等級。,表示普碳結(jié)構(gòu)鋼,共分195、215、235、255、275五種。,共有,A,B,C,D,四個級別，,A,級最差。,如：,Q235A；Q215B；,普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用,鋼板、鋼筋,螺釘、鉚釘,建筑構(gòu)件,鋼橋梁,銼刀,碳素工具鋼,量規(guī),鉆頭,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,牌號,：,由兩位數(shù)字組成,表示碳的平均,萬分含量,（常用：08,～85,）,如,45,（表示,ω,C,=0.45%,的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）,當(dāng),ω,Mn,=0.7～1.2%,時，在數(shù)字后加,Mn,如,65,Mn,（,表示,ω,c,=0.65% ,ω,Mn,=0.7～1.2%,的優(yōu)質(zhì)碳鋼）。,齒輪,螺栓,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用,30,—,55,鋼：,強度較高，有一定的塑性和韌度，經(jīng)熱處理后，用于齒輪、軸、螺栓等重要零件。,曲軸,彈簧,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,65,—,85鋼：,有較高的強度、硬度和彈性，塑性和韌性較低，常用于彈簧和耐磨零件。,2） 合 金 鋼,牌號,：,數(shù)字 + 元素符號 + 數(shù)字,表示碳的平均萬分含量,合金元素平均百分含量：<1.5%不標(biāo)記，,表示所含合金元素的名稱,如：,20,Cr,（,表示,ω,c,=0.2% ,ω,Cr,<1.5%,的合金結(jié)構(gòu)鋼,),如：,38,CrMnAl,（,表示,ω,c,=0.38% ,ω,Cr,、 ω,Mn,ω,Al,的含量均 <1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼,),如：,60,Si2Mn,（,表示,ω,c,=0.6% ,ω,Si,=1.5,～2.49,%，,的,ω,Mn,<1.5%,的合金結(jié)構(gòu)鋼,),滾動軸承鋼,,牌號,：,字母,G+,合金元素+數(shù)字,表示滾動軸承用鋼,表示所含主要合金元素的名稱,如：,GCr9,（,表示,ω,Cr,=0.9%,的滾動軸承鋼,),只標(biāo)出鉻元素平均千分含量，其它不標(biāo)記，,如：,GCr15SiMn,（,表示,ω,Cr,=1.5%,的滾動軸承鋼,),成份：,ω,C,=1～1.15%,,加入了,Mn、S,i,等合金元素，熱處理后使用。,撥叉,變速齒輪,合金滲碳鋼,20,Cr、,20,MnTi、,20,Cr2Ni4,：,有較高的韌度，經(jīng)熱處理后表面硬而耐磨，用于受,沖擊載荷,的重要零件。,40,Cr、,40,CrMn、,38,CrMnAl,,：,有較高的綜合力學(xué)性能，用于受力復(fù)雜的重要零件。,汽車萬向節(jié),連桿,合金調(diào)質(zhì)鋼,合金彈簧鋼,55Si2Mn、,60,Si2Mn,：,具有高屈強比，高疲勞強度，高彈性極限和韌性，用于彈簧等零件。,滾珠,滾珠軸承,滾珠軸承鋼,銑刀,合金刃具鋼,模具,合金模具鋼,螺紋規(guī),游標(biāo)卡尺,千分尺,量具用鋼,燃氣輪機,耐熱鋼,破碎機顎板,履帶,鐵軌分道叉,挖掘機斗齒,耐磨鋼,如,ZG230,—,450,（,表示含碳量屈服點為,σ,s,=230MPa,,抗拉強度為,的,σ,b,=450Mpa,的,碳素鑄鋼）；,2,、 鑄鋼,牌號,：,字母,ZG +,數(shù)字,—,數(shù)字,表示鑄鋼,表示抗拉強度,σ,b,（,Mpa,）,表示屈服點,σ,s,（,Mpa,）,重型機械齒輪,鑄鋼,特點與應(yīng)用：,,由于鑄造特性，一般用于制造,形狀復(fù)雜，難以切削加工、尺寸大，難以鍛造加工的重要零件,，如：大型齒輪、缸體、變速箱機架等。,3,、灰口鑄鐵,牌號,：,字母,HT +,數(shù)字,表示灰口鑄鐵,表示,最低抗拉強度,σ,b,（,Mpa,）,HT150,特點與應(yīng)用：,強度、塑性、韌性不如鋼，軟而脆。,抗壓強度高，,抗拉強度低,。,有良好的耐磨性、減震性和切削性；,石墨有自潤滑作用。,常用于,床身、機架、底座、箱體、殼體、導(dǎo)軌、缸體、活塞環(huán)、帶輪,等零件。,如：,QT400,—,18,特點與應(yīng)用：,球狀石墨對基體的割裂作用小，綜合力學(xué)性能較高，并具有良好的減震性和耐磨性,一些受力復(fù)雜、強度韌性和耐磨性較高的零件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、蝸桿、伐門、機座、汽車后橋等。,.,4,、球墨鑄鐵,牌號,：,字母,QT+,數(shù)字,—,數(shù)字,表示球墨鑄鐵,表示最低抗拉強度,σ,b,（,Mpa,）,表示最低伸長率,δ,（,%,）,,二、有色金屬,——除鋼鐵（黑色金屬）以外的其它金屬材料。,1、鋁及鋁合金,（1）純鋁,特點及應(yīng)用：,輕，密度低 → 配置鋁合金 導(dǎo)電導(dǎo)熱性好 → 導(dǎo)線、電容 抗大氣腐蝕 → 包覆材料 加工性能好 → 包裝材料 強度低→ 不能作為承受載荷的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用,（2）鋁合金,牌號,：,5A02（,防銹）、2,A11（,硬鋁）、,7A03 （,超硬鋁）2,A50（,鍛鋁）,,鋁錳合金（防銹鋁合金）：,抗蝕性高，塑性好。應(yīng)用于油箱、 油管（罐）、鉚釘?shù)取?鋁銅合金,（又稱硬鋁）,：,強度較高，塑性好。主要用于飛機構(gòu)件，如,飛機蒙皮,、,螺旋槳、葉片等重要零件。,鋁鋅合金（超硬鋁）：,強度很高，耐熱性、抗蝕性差。應(yīng)用于飛機大梁、起落架等主要受力構(gòu)件。,鋁鎂合金（鍛鋁合金）：,塑性好、易于壓力加工。應(yīng)用于航空工業(yè)中的管道、鉚釘?shù)取?2、銅及銅合金,（1）純銅（紫銅）,牌號,：,T1、T2、T3、T4、,----,序號越大，純度越低,特點及應(yīng)用：,良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、極好的塑性和耐蝕性。,主要用于電線、電纜、電子元件及導(dǎo)熱器件等。,（,a）,黃銅（銅鋅合金）,牌號,：,普通黃銅,：,H,××,平均含銅量的百分數(shù),特點,良好的耐蝕性,,應(yīng)用：,彈殼、散熱器、墊片、油管,（2）銅合金,（,b）,青銅,牌號,：,錫青銅,：,QSn,××,Sn,含量的百分數(shù),錫青銅,：,有較高的抗蝕性、,耐磨性,軸瓦、軸套等耐磨零件。,鋁青銅,：,有較高的強度、抗蝕性、耐磨性、耐熱性和焊接性 齒輪、蝸輪、軸套、船舶等零件。,三、非金屬材料,,,（,1,）工程塑料,密度小，耐蝕性好，絕緣，加工性好。 機械強度差，特別是剛性差，耐熱性低，一般,100,C以下。散熱性差，易老化，易燃。,,聚酰胺（尼龍）,聚乙烯（PE）塑料可制作食品包裝袋、奶瓶、容器等。,聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。,聚丙烯（PP）可用于水暖結(jié)構(gòu)件。,聚苯乙烯（PS）可用于制造儀表外殼。,PE,管材,聚丙烯制成電容器外皮,聚丙烯管子,摩托車擋泥板,,（,2,）橡膠,彈性好，絕緣性好，耐磨損，耐化學(xué)腐蝕，耐放射性。主要用于彈性材料、密封材料、減振材料、傳動材料。,,,,,,,（,3,）人工合成礦物,主要有剛玉和石英。,o,四、復(fù)合材料,基體材料,+,增強材料,特點,高比強度、高比模量,抗疲勞性能好,減摩、耐磨、自潤滑性能好,化學(xué)穩(wěn)定性好,具有其他特殊性能，如隔熱性，特殊的電、光、磁性。,抗沖擊性能低,五、新型及特種用途材料,,（,1,）非晶態(tài)合金,（金屬玻璃）,特點：高的強度、硬度和斷裂韌性，良好的磁性及耐蝕性好,變壓器、磁頭、耐腐蝕管道、電池電極、海底電纜屏蔽等。,,,（,2,）納米材料,,小 結(jié),——含碳量小于2.11%的鐵碳合金,1）以含碳量,ω,C,%,<0.25%,（低），,0.25~0.6%,（中），>0.6%（高）,2）以化學(xué)成份,碳素鋼，合金鋼,3）以鋼的品質(zhì),,普通鋼，優(yōu)質(zhì)鋼 ，高級優(yōu)質(zhì)鋼,4）以鋼的用途,結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊性能鋼,鋼,結(jié),構(gòu),鋼,,普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：,Q235A；Q215B；,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：,45；65,Mn；,合金結(jié)構(gòu)鋼：,20,Cr;,38,CrMnAl;,60,Si2Mn;(GCr9),鑄,鋼,鑄造碳鋼：,ZG230,—,450； ZG270,—,500；,*常用鋼種的牌號及識別：,——,含碳量大于2.11%的鐵碳合金,白口鑄鐵,無牌號標(biāo)記,灰口鑄鐵,HT150； HT200；,可鍛鑄鐵,KTH300,—,06； KTZ450,—,04；,球墨鑄鐵,QT400,—,18；QT600,—,3,鑄鐵,第四節(jié),鋼 的 熱 處 理,基本組織,鐵素體：,F,；,ω,C,≤0.0218%,；工業(yè)純鐵；強度、硬度低，塑性、韌性好。,奧氏體：,A,；,0.0218%,,≤,,ω,C,≤ 0.77%,；存在于,727,℃以上；強度、硬度較低，塑性、韌性較好。,滲碳體：,Fe,3,C,；,ω,C,=6.69%,；硬度很高，脆性很大，塑性、韌性幾乎為零，不單獨使用。,珠光體：,P,；,ω,c,=0.77%,；鐵素體和滲碳體的機械混合物；強度、硬度較高，又有一定塑性和韌性，綜合性能好。,萊氏體：,L,d,；,ω,c,=4.3%,；奧氏體和滲碳體的機械混合物；與滲碳體類似，硬度很高，塑性和韌性極差。,概述,第四節(jié),鋼 的 熱 處 理,狀態(tài)圖,工業(yè)純鐵：,ω,C,≤ 0.0218%,鋼,,亞共析鋼,共析鋼,過共析鋼,鑄鐵：,2.11%,,≤,,ω,C,≤ 6.69%,第四節(jié),鋼 的 熱 處 理,含碳量的影響,第四節(jié),鋼 的 熱 處 理,狀態(tài)圖的應(yīng)用,選材和工藝參考,鋼 的 熱 處 理,為什么要進行熱處理,什么是熱處理,熱處理的實質(zhì),如何進行熱處理,熱處理的,實質(zhì),,,,馬氏體,貝氏體,索氏體,屈氏體,珠光體,鐵素體,和,滲碳體,,,熱處理：,將,固態(tài)金屬或合金,采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行,加熱、保溫和冷卻,以,獲得所需要的,組織結(jié)構(gòu)與性能,的工藝。,,把鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后,緩慢冷卻,（,隨 爐 冷,）,用途,：鑄、鍛、焊毛坯的預(yù)備熱處理，以改善毛坯機械加工性能，去除內(nèi)應(yīng)力；性能要求不高的機械零件的最終熱處理。,,正火,(,空冷,),退火,(,爐冷,),回火,加熱,保溫,淬火,時間,溫度,1,、普通熱處理,,（,1,）退 火,(Annealing),,把鋼加熱到相變溫度以上,30,～,50 C,，保溫一定時間，然 后,空冷,正火與退火的區(qū)別：,冷卻速度不同：正火冷速較大，得到的珠光體組織細，因 此強度,和硬度也較高。,若零件尺寸較大或形狀較復(fù)雜，正火可能會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和,變形，甚至開裂。,正火 經(jīng)濟。,正火,(,空冷,),退火,(,爐冷,),回火,加熱,保溫,淬火,時間,溫度,（,2,）正 火,(Normalizing),,把鋼加熱到相變溫度以上的某一溫度，使鋼呈奧氏體狀態(tài)， 然后,快速,冷至室溫（,油冷或水冷,），從而獲得馬氏體組織,提高鋼的硬度和耐磨性。,正火,(,空冷,),退火,(,爐冷,),回火,加熱,保溫,淬火,時間,溫度,調(diào)質(zhì)：,淬火,+,高溫回火。,適用于各種重要的零件。,（,3,）淬 火,(Quenching),視頻,1,視頻,2,視頻,3,視頻,4,視頻,5,,,正火,(,空冷,),退火,(,爐冷,),回火,加熱,保溫,淬火,時間,溫度,,將淬火后的工件加熱至,低于相變點某一溫度,，保持一段時間，然后冷卻，使組織成為較穩(wěn)定的狀態(tài)。,硬度下降，但韌性有較大改善。,淬火和回火必須配合使用,,調(diào)質(zhì),：淬火,+,高溫回火,。,適用于各種重要的零件。,（,4,）回 火,(Tempering),,,在,不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織,的情況下，利用,快速加熱將表面層奧氏體化后進行淬火,，以,強化零件表面,,,,,2,、表 面 熱 處 理,（,1,）表 面 淬 火,滲碳,：,目的,：,使鋼件表層具有高的硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部保持一定的強度和較高的韌性。,,,（,2,） 化 學(xué) 熱 處 理,,改變表層的化學(xué)成分和組織,滲 氮,,,指向鋼件表面滲入氮原子以形成高氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝。,,目的是提高鋼件的,表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性,等。,,,,,碳 氮 共 滲,(,氰化,),,,,汽車和機床上的各種齒輪、蝸輪蝸桿和軸類零件等。,59,,機床齒輪 (,碳鋼,40,、,45,鋼),的簡明加工工藝路線：,下料,→鍛造→,正火,→粗加工→,調(diào)質(zhì),→精加工→,表面淬火＋低溫回火,→精磨,,正火,使鍛造組織均勻化、便于切削加工,、,可作為表面淬火前的預(yù)備組織、并保證齒心的強韌性。,調(diào)質(zhì),處理 使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性能，改善齒心的強韌性進而使齒輪能承受較大的彎曲載荷和沖擊載荷。,表面淬火,提高齒輪表面的硬度，耐磨性和疲勞性能。,低溫回火 消除淬火應(yīng)力。,,第六節(jié),材 料 的 選 用 原 則,使用要求,工藝要求,經(jīng)濟要求,,（,1,）,零件的工作和受載情況,,,,1,、使 用 要 求,（,2,）對零件尺寸和重量的限制,,（,3,）零件的重要程度,1,、使 用 要 求,機床中的變速齒輪：,45,鋼或,40Cr,等,,,經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后再進行表面淬火，獲得較高的表面硬,度和較好的心部綜合力學(xué)性能,;,,承受高沖擊載荷和強烈磨損的汽車、拖拉機變速齒輪： 采用合金滲碳鋼,(,如,20CrMnTi,、,20MnVB,等,) ,,經(jīng)滲碳后再進行淬火和低溫回火處理,,,,,考慮,（,1,）工藝方法,,（,2,）生產(chǎn)條件,,（,3,）毛坯的制取方法,,,,形狀簡單、薄壁、高度或深度小、生產(chǎn)批量較大的零件壓力加工成形。,,大批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)考慮材料的切削性能要好（易斷屑、刀具磨損小、,表面光滑等）。,,考慮材料的熱處理工藝性能。,2,、工 藝 要 求,,3,、經(jīng)濟要求,,（,1,）材料本身的相對價格。,,（,2,）,局部品質(zhì),的原則。,,（,3,）材料的加工費用。,,（,4,）材料的利用率。,,（,5,）節(jié)約稀有材料 、材料的供應(yīng)狀況。,復(fù) 習(xí),,常見材料特點、應(yīng)用、牌號,,熱處理的類型、特點,,材料的選擇,作 業(yè),1.,什么是金屬的力學(xué)性能？力學(xué)性能主要包括哪些指標(biāo)？什么是硬度？常用的硬度有哪幾種？各用什么符號表示？,2.,什么是熱處理？常見的熱處理方法有哪幾種？,3.,正火與退火的主要區(qū)別是什么？生產(chǎn)中如何選擇正火與退火？,內(nèi)容總結(jié),工程材料和熱處理。材料在靜載荷的作用下，抵抗變形和斷裂的能力。? ＞5%　為塑性材料，如碳鋼、黃銅、鋁合金等。----------金屬材料的載荷作用下，斷裂前材料發(fā)生不可逆久變形的能力。硬度是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。沖擊韌度=沖擊吸收功/試樣的斷口處截面積（cm2）。共有A,B,C,D四個級別，A級最差。當(dāng)ωMn=0.7～1.2%時，在數(shù)字后加Mn。如：20Cr（表示ωc=0.2% ,ωCr<1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼)。如：60Si2Mn（表示ωc=0.6% ,ωSi=1.5～2.49%，的ωMn<1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼)。字母G+合金元素+數(shù)字?？估瓘姸葹榈摩襜=450Mpa的碳素鑄鋼）。有良好的耐磨性、減震性和切削性?！撹F（黑色金屬）以外的其它金屬材料。錫青銅：QSn××。基體材料+增強材料。特點：高的強度、硬度和斷裂韌性，良好的磁性及耐蝕性好。——含碳量小于2.11%的鐵碳合金,