第二章

機械工程常用材料及鋼的熱處理史美堂，《金屬材料及熱處理》，上海科學技術出版社，2003齊寶森等，《機械工程材料》，哈爾濱工業大學出版社，2003戈曉嵐等，《工程材料》，東南大學出版社，2004其他與金屬材料及熱處理的相關書籍參考文獻第一節概述第二節金屬材料的力學性能第三節常用的工程材料第四節鋼的熱處理第五節表面精飾第六節精密儀器材料選用原則主要內容機械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬鋼有色金屬合金鋼無機非金屬材料有機材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金第一節概述第一節概述

在精密機械中應用的材料，按用途的不同，可分為結構材料和功能材料兩大類。結構材料通常是指工程上要求強度、韌性、塑性、硬度、耐磨性等力學性能的材料。功能材料是指具有電、地、聲、熱、磁等功能和效應的材料。金屬材料是精密機械中最常用的材料，可分為黑色金屬材料和有色金屬材料。一、應力極限二、彈性模量E三、延展性四、沖擊韌度Ak五、彈性性能Ee和韌性能Et六、硬度第二節金屬材料的力學性能比例極限σp屈服極限σs強度極限σB圖2-1

在常溫下經過塑性變形使材料強度提高、塑性降低的現象，稱為冷作硬化。一、應力極限第二節金屬材料的力學性能應力極限彈性階段彈性極限p屈服階段屈服點s強化階段強度極限b``頸縮階段第二節金屬材料的力學性能二、彈性模量E

在比例極限范圍內，應力與應變ε成正比。彈性模量的大小反映了材料抵抗變形的能力。三、延展性延展性是衡量材料塑性性能的指標。

1.伸長率δ2.斷面收縮率Ψ第二節金屬材料的力學性能

四、沖擊韌度

沖擊韌度是衡量材料承受沖擊載荷能力的性能指標。五、彈性能Ee和韌性能Et

六、硬度硬度表示材料表面在一個小體積范圍內抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。常用的硬度指標有：布氏硬度(HBS)、洛氏硬度(HRC——洛氏C標度硬度)和維氏硬度(HV)。第二節金屬材料的力學性能影響力學性能的主要因素

1、含碳量

含碳量越高，強度和硬度越高，但塑性顯著降低。

2、雜質元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素

加入某些合金元素，可提高和改善其綜合力學性能，并獲得某些特殊的物理和化學性能。

Cr：提高硬度、沖擊韌性和淬透性，（形成碳化鉻）

Mn：提高強度和淬透性，W:提高硬度和韌性

4、溫度一般，低溫條件下強度有所增加，塑性和沖擊韌性下降，高溫條件下相反。

5、熱處理工藝第二節金屬材料的力學性能一、鋼鐵材料（黑色金屬）1、非合金鋼（碳鋼）含碳2％以下的鐵碳合金、少量雜質按質量分數分類：

低碳鋼（ωc≤0.25％）

中碳鋼（0.25％＜

ωc≤

0.6％）

高碳鋼（ωc＞0.6％）

按質量等級分類：普通碳素鋼（ωs≤0.055％、ωp≤0.045％）

（例：Q235）

優質碳素鋼（ωs≤0.040％、ωp≤0.040％）（例：45，35）

高級優質碳素鋼

（ωs≤0.03％、ωp≤0.035％）

第三節常用工程材料按用途分類：碳素結構鋼（用于制造各種工程構件和機器零件）碳素工具鋼（用于制造各種工具）（T8A）2、合金鋼

人為加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，用以提高鋼的力學性能、工藝性能。即具有高的強度、韌性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐性、高溫強度）。（40Cr,65Mn）第三節常用工程材料3、鑄鐵：良好的鑄造性能、減摩性能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生產工藝簡單、成本低廉。灰鑄鐵：C－自由狀態的片狀石墨形式（抗壓強度高于抗拉強度，適用于受壓零件，脆性大，不適合沖擊零件）（HT200）可鍛鑄鐵：C－自由狀態的絮狀石墨形式球墨鑄鐵：C－球狀石墨形式，較高的強度，良好的塑性和韌性（應力集中）。鋼與鑄鐵的主要區別：碳的存在形式不同第三節常用工程材料有色金屬（減摩、耐腐、耐熱、導電性好）1、銅及其合金：工業純銅、黃銅（銅鋅二元合金）（鑄、鍛、機械加工性能好）青銅（錫青銅Sn、鋁青銅—強度高、加工低，用于制造重載、耐磨零件，鈹青銅Be、錳青銅等）2、鋁及其合金：純鋁、硬鋁、鑄鋁3、鈦及其合金：純鈦、鈦合金第三節常用工程材料非金屬1.工程塑料（天然樹脂或人造樹脂為基礎）－特點：密度小，良好的抗蝕性，優良的電絕緣性，耐磨、減摩、自潤滑性好，工藝性好－分類：熱固性塑料、熱塑性塑料2.橡膠：高彈性、絕緣性－密封件、緩沖件、絕緣件

上述二者易老化，難回收（污染）3.人工合成礦物：剛玉（寶石Al2O3）,石英SiO2第三節常用工程材料一、鋼的熱處理

加熱、保溫、冷卻改變金屬整體或表面組織，獲得所需性能。（鑄鐵、某些銅合金也可用熱處理來改善其力學性能）種類普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理和化學熱處理：感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解加熱、滲碳、氮化、碳氮共滲其他熱處理第四節鋼的熱處理1、退火：加熱（至臨界溫度710～750°以上

30～50°）、保溫、隨爐冷卻目的：降低硬度、細化晶粒、消除內應力和殘余應力，改善切削性能，預先熱處理2、正火：加熱、保溫（與退火相似）、空氣冷目的：同退火，（因晶粒更細，故強度和硬度較退火高），用于普通結構鋼零件的最終熱處理，中碳鋼的預處理。3、淬火：加熱，保溫，水、油或鹽水冷卻目的：提高零件的硬度和耐磨性，強化材料。但淬火后，出現內應力，材料變脆，須回火。方法：單介質淬火；雙介質淬火第四節鋼的熱處理

4、回火：零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，保溫，以一定速度（空冷或油冷）冷卻。目的：消除淬火內應力，降低脆性，增加韌性，達到設計圖紙要求的硬度。回火工藝的種類：

1)、低溫回火:加熱溫度（150～250C）降低應力和脆性，保持高硬度。58～64HRC2)、中溫回火：加熱溫度（350～500C）消除內應力，提高彈性，35～45HRC，具有一定硬度、韌性

第四節鋼的熱處理第四節鋼的熱處理

3)、高溫回火：（500～650C）消除內應力，獲得較高韌性和塑性，但硬度較低（200～350HBS）

調質處理=淬火＋高溫回火

4）、時效處理：在100～150C進行長時間加熱（10～15h）。消除內應力，保持硬度和尺寸穩定性。

5）、冷處理：在-70～-80C進行長時間冷凍。目的：同時效處理二、表面熱處理：僅對鋼的表面進行加熱和冷卻而不改變其內部成分的熱處理工藝。目的：提高零件的表層硬度、抗磨損性能。1、表面淬火：通過快速加熱和立即淬火冷卻相結合的方法實現。其方式：

感應加熱：利用交流電的集膚效應，對零件進行加熱，并通過控制電流頻率得到不同的淬硬層深度。

火焰加熱：利用火焰加熱工件表面，然后立即用水噴射冷卻。調節燒嘴的位置和移動速度即可得到不同厚度的淬硬層。第四節鋼的熱處理

2、化學熱處理將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學成分和組織，達到改進表面性能、滿足技術要求的熱處理過程。與表面淬火不同之處：表面層不僅有組織變化，而且有成分的變化。目的：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和疲勞強度等力學性能。按表面滲入元素的不同，分為滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等種類。第四節鋼的熱處理1）滲碳滲碳是向鋼件表面層滲入碳原子的過程。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強度以及較高的韌性和塑性。分類：氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳過程：工件放入密封的加熱爐，通入滲碳劑在900～950C加熱、保溫。用于低碳鋼、低合金鋼第四節鋼的熱處理2）氮化氮化是向鋼件表面層滲人氮原于的過程。目的：提高表面層的硬度和耐磨性，并提高疲勞強度和抗腐蝕性。氮化能夠獲得比滲碳淬火更高的表面硬度、耐磨性、熱硬性、疲勞強度和抗腐蝕性能，變形小。3）碳氮共滲(氰化)

碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程，習慣上又稱為氰化。第四節鋼的熱處理表面精飾是指在金屬零件的表面附上一層覆蓋層，以達到防蝕、裝飾等目