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1、第五节 机械零件常用材料及钢的热处理1 金属材料的力学性能和工艺性能2 钢的热处理3 常用金属材料第1页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能一、力学性能 力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、塑性、硬度、韧性等。强度和塑性 强度是材料抵抗变形和断裂的能力，有屈服强度、抗拉强度等。塑性是材料产生永久变形而不断裂的能力，用伸长率和断面收缩率来衡量。硬度指标 硬度是指材料表面抵抗其它更硬物体压入的能力。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度等。1 金属材料的力学性能和工艺性能第2页/共34页1金属材料的力学性能和工艺性能u(1)布氏硬度(如图1-1所示)它是在一定载荷作用下，将
2、一定直径的压头压入材料表面，并保持载荷至规定的时间后才卸荷，然后测得压痕的直径，根据所用载荷的大小和所得压痕面积，算出压痕表面所承受的平均应力值。这个应力值就是布氏硬度值。应用中一般不用计算，而是根据压痕直径d的大小，从专门硬度表中直接查取。布氏硬度用HBS（用钢球测定)或HBW（用硬质合金球测定）表示。硬度值标注时只需标注其符号和数值而不标注单位。如200HBS、450HBS 等。图1-1第3页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能u(2)洛氏硬度（如图1-2所示）我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其试验规范及使用规范见下表。它是以顶角为120的金钢石圆锥或直径为1.588mm的淬
3、火钢球作为压头，先施加初载荷，然后再加主载荷，压入试样表面并保持一定时间后，卸除主载荷，在保留初载荷的情况下，根据试样表面的压痕深度h来确定被测的洛氏硬度值。用HR表示。图1-2符号压头初载荷kgf(N)主载荷kgf(N)测量范围应用范围HRA顶角120金刚石圆锥10(98.1)50(490.3)6085硬质合金或表面处理过的零件HRB直径1.588mm钢球10(98.1)90(882.6)25100退火钢、灰铸铁及有色金属等HRC顶角120金刚石圆锥10(98.1)140(1373)2067淬火钢、调质钢等第4页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能 材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。
4、其大小用冲击韧度表示。我们通常采用规定形状和尺寸的试样在冲击试验力作用下折断时吸收的功Ak，然后根据相同试验条件下材料Ak值的大小来评定材料冲击韧度的好坏。一般将Ak值低的材料称为脆性材料，Ak值高的材料称为韧性材料。韧度指标第5页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能二、工艺性能 工艺性能是指将金属材料变成毛坯或零件，就要对其进行加工，以改变其形状和尺寸的难易程度。按加工原理分，主要的加工方法有四种：铸造、锻压、焊接和切削加工。(1)铸造 将熔化的金属浇注到铸型的型腔中，待其冷却后得到毛坯或直接得到零件的加工方法称为铸造。由铸造得到毛坯或零件称为铸件。第6页/共34页1 金属材料的力学性
5、能和工艺性能(2)锻压 包含锻造和板料冲压。锻造是指金属加热后，用锤或压力机使其产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。第7页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能(2)锻压 板料冲压是指板料在机床压力作用下，利用装在机床上的冲模使其变形或分离，从而获得毛坯或零件的加工方法。第8页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能(3)焊接 焊接是通过局部加热、加压或加热同时加压的方法，使分离金属借助原子间结合与扩散作用而连接起来的工艺方法。第9页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能(4)切削加工 切削加工是利用金属切割工具，从金属坯件上切去多余的金属，从而
6、获得成品或半成品金属零件的加工方法。切削加工分机械加工和钳工两大类。常用的机械加工有：车削、钻削、镗削、刨削、铣削及磨削加工。第10页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能(4)切削加工车削 第11页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能(4)切削加工钻削 第12页/共34页1金属材料的力学性能和工艺性能(4)切削加工铣削 第13页/共34页1 金属材料的力学性能和工艺性能(4)切削加工刨削 第14页/共34页2 钢的热处理 钢的热处理是将钢在固态状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法（如右图所示），促使其内部组织结构发生变化，从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的目的。
7、2 钢的热处理 钢常用的热处理方法有：普通热处理、表面热处理和化学热处理。第15页/共34页2 钢的热处理一、普通热处理 包括：退火、正火、淬火、回火和调质。1.退火、正火 退火指把钢件加热到临界温度（在钢的固态范围内，引起钢内部组织结构发生变化的温度）以上，经适当保温，然后随炉缓慢冷却的一种工艺。退火类型：完全退火、球化退火、去应力退火。主要目的：降低硬度，易于切削；细化晶粒，改善性能；消除残余应力，防止变形开裂。第16页/共34页2 钢的热处理 正火把钢件加热到临界温度以上，经适当保温，然后在空气中冷却的一种工艺。主要目的：（1）低碳钢，调整硬度、防止粘刀 （2）中碳钢，细化晶粒 （3）高
8、碳钢（过共析钢），消除网状渗碳体 （4）对力学性能要求不高的零件，作为最终热处理。第17页/共34页2 钢的热处理u正火、退火的选择：（1）从切削加工性上考虑 对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适：提高硬度，防止“粘刀”；中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。高碳结构钢和工具钢则以退火为宜；（2）从使用性能上考虑 如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。（3）从经济性考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。第18页/共34
9、页2 钢的热处理2.淬火、回火和调质 淬火指将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使之在水或油中迅速冷却的过程。其目的主要是为了提高材料的硬度。淬火后的钢虽然具有高的硬度和强度，但脆性大，组织也不稳定，而且工件内部残存着淬火内应力，必须回火处理后才能使用。回火是将淬火后的钢再次加热到一定温度（低于临界温 度），保温一定时间后，在空气中冷却的工艺方法。其目的主要是提高钢的韧性；减小或消除工件淬火时产生的内应力；稳定组织，保证工件的精度。第19页/共34页2 钢的热处理2.淬火、回火和调质 根据钢在回火后组织和性能的不同，按回火温度可将回火分为三类：1）低温回火（150250）：主要用来降低材
10、料的脆性和淬火内应力，保持高的硬度，同时具有一定的韧性。适用于要求高硬度的耐磨零件。如：刃具、量具、模具等。2）中温回火（250500）：目的在于保持一定韧性的条件下，提高材料的弹性和屈服点。主要用于各种弹簧和承受冲击的零件。3）高温回火（500650）：淬火加高温回火的工艺过程称为调质。调质处理可以提高和改善材料的综合机械性能。主要用于各种重要的受力构件，如连杆、齿轮和轴等常采用调质处理。第20页/共34页2 钢的热处理二、表面热处理 对于一些要求表面有高硬度以增加其耐磨性，而心部有高韧性以提高其抗冲击能力的零件，可以采用表面热处理，即是对钢的表层进行淬火的工艺。主要有：火焰表面淬火、高频表
11、面淬火等。火焰表面淬火：火焰表面淬火是应用氧乙炔（或煤气-氧等）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为26mm。第21页/共34页2 钢的热处理三、化学热处理 化学热处理是把零件放入化学介质（如碳、氮等）中加热、保温，使介质元素渗入零件表层中，使其化学成分改变，从而使表层的组织性能变化。常用的方法有：渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）。第22页/共34页2 钢的热处理高频淬火+低温回火如：某机床用齿轮，技术要求：50-55 HRC。工艺路线：锻造正火切削加工调质精加工喷丸精磨（选材45钢）u钢的热处理工序位置：合理安排热处理工序位置，对保证零件质量和改善切削加工性能有重大
12、意义。一般来说，热处理工序位置安排如下：下料 毛坯生产 热处理 机械粗加工 热处理 机械精加工（磨削）（退火或正火）（退火、回火活表面热处理）第23页/共34页3 常用金属材料3 常用金属材料：钢、铸铁、有色金属一、钢 指含碳量（碳质量分数）小于等于2.11%的铁碳合金 它有高的强度、塑性和韧性，可用铸造、锻造、焊接等方法来获得零件的毛坯，在机械制造中应用广泛。（1）低碳钢：含碳量0.25%，其强度和硬度低，但塑性和焊接性能好，适用于冲压、焊接等方法成型；（2）中碳钢：含碳量0.25%-0.6%，有好的综合力学性能，应用最广；（3）高碳钢：含碳量0.6%常用作弹性或不易磨损元件。按含碳量分有：
13、第24页/共34页3 常用金属材料 按钢的质量分有：普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。按钢的用途分有：1、碳素结构钢：（含碳量 0.7%）用于制造各种刃具模具和量具。建筑构件钢桥梁机械零件：齿轮、轴、螺母、弹簧等等；工程结构件：桥梁、船舶、建筑等工程的结构件。碳素结构钢应用第25页/共34页3 常用金属材料 碳素工具钢应用：尺寸小、形状简单、低速、硬度高的工具 T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13 韧性高 硬度高 T7、T8：冲头、凿子、锤子 T9、T10、T11：钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具 T12、T13：锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。螺纹量规第26页/
14、共34页3 常用金属材料 在实际使用中，钢的分类命名往往是混合应用的。1.普通碳素结构钢（如表1-2所示）牌号由Q加屈服点数值组 成，如Q235；2.优质碳素结构钢（如表1-3所示）牌号用两位数字表示，如 45钢表示，其平均含碳量为0.45%；3.合金结构钢（如表1-4所示），在碳素结构中添加合金元素的钢。添加合金元素的目的在于提高钢的力学性能、工艺性能和物理 性能。牌号用数字加合金元素符号表示，如20Mn2，20表示碳质 量分数为0.2%，Mn2表示锰的质量分数为2%。当合金元素的质量 分数小于1.5%时，不标明含量，仅用元素符号表示，如40Cr。4.铸钢（如表1-5所示）牌号用字母和材料的
15、屈服点与抗拉强度 所组成，如ZG200400。第27页/共34页3 常用金属材料表1-2 普通碳素结构钢牌号牌号力学性能（不小于）力学性能（不小于）用途用途抗拉强度抗拉强度 bMPa屈服点屈服点 sMPa伸长伸长率率%Q19531543019533冲压件、焊接件及受载小的机械零件，冲压件、焊接件及受载小的机械零件，如垫圈、开口销、铆钉、地脚螺栓等如垫圈、开口销、铆钉、地脚螺栓等Q215Q2353354503755002152353126焊接件、金属结构件及螺栓、螺母、焊接件、金属结构件及螺栓、螺母、铆钉、销轴、连杆、支座等受载不大铆钉、销轴、连杆、支座等受载不大的机械零件的机械零件Q255Q2
16、754105504906302552752420金属结构件及螺栓、螺母、垫圈、楔、金属结构件及螺栓、螺母、垫圈、楔、键、转轴、心轴、链轮、吊钩、连杆键、转轴、心轴、链轮、吊钩、连杆等受力较大的机械零件等受力较大的机械零件第28页/共34页3 常用金属材料表1-3 优质碳素结构钢牌号牌号力学性能（不小于）力学性能（不小于）用途用途抗拉强抗拉强度度 MPa屈服点屈服点 sMPa伸长率伸长率%08F082953251751953533管子、垫片、要求不高的渗碳或氰化零管子、垫片、要求不高的渗碳或氰化零件，如套筒、短轴等件，如套筒、短轴等10203354102052453125冷冲压件、联接件及渗碳零
17、件，如心轴、冷冲压件、联接件及渗碳零件，如心轴、套筒、螺栓、螺母、吊钩、摩擦片、离套筒、螺栓、螺母、吊钩、摩擦片、离合器盘等合器盘等3040455049057060063029533535537521191614调质零件，如齿轮、套筒、连杆、轴类调质零件，如齿轮、套筒、连杆、轴类零件及联接件等零件及联接件等60708567571511304004209801296弹簧、弹性垫圈、凸轮及易磨损零件弹簧、弹性垫圈、凸轮及易磨损零件第29页/共34页3 常用金属材料表1-4 合金结构钢牌号牌号力学性能（不小于）力学性能（不小于）抗拉强度抗拉强度bMPa屈服点屈服点sMPa伸长率伸长率%用途用途20C
18、r83554010用于要求心部强度较高、承受磨损，尺寸较大的渗用于要求心部强度较高、承受磨损，尺寸较大的渗碳零件碳零件20Mn278559010可代替可代替20Cr钢制造齿轮、轴等渗碳零件钢制造齿轮、轴等渗碳零件20MnVB108088510可代替可代替20Cr钢制造齿轮等渗碳零件钢制造齿轮等渗碳零件20MnTiB113093010可代替可代替20CrMnTi钢制造高强度齿轮等零件钢制造高强度齿轮等零件40Cr9807859用于较重要的调质零件，如重要齿轮、连杆、曲轴用于较重要的调质零件，如重要齿轮、连杆、曲轴等等40CrNi98078510用于要求强度高、韧性高的零件用于要求强度高、韧性高的
19、零件40CrNiMoA98083512用于制造承受冲击载荷的高强度零件用于制造承受冲击载荷的高强度零件45Mn288573510可代替可代替40Cr钢制造齿轮、轴类零件钢制造齿轮、轴类零件35SiMn88573515同上同上35CrMo98083512可代替可代替40CrNi钢制造大截面齿轮、轴类零件钢制造大截面齿轮、轴类零件40CrMnMo98078510可代替可代替40CrNiMo钢制造高强度调质零件钢制造高强度调质零件65Mn9807858截面小于截面小于20mm的冷卷弹簧的冷卷弹簧60Si2Mn127511755250以下的耐热弹簧以下的耐热弹簧50CrVA1275113010大截面高
20、强度弹簧大截面高强度弹簧第30页/共34页3 常用金属材料表1-5 一般工程用铸造碳钢牌号牌号力学性能（不小于）力学性能（不小于）抗拉强度抗拉强度 bMPa屈服点屈服点sMPa伸长率伸长率%用途用途ZG20040040020025各种形状的机件，如机座变速器箱壳各种形状的机件，如机座变速器箱壳等等ZG23045045023022机座、机盖、箱体等。焊接性良好机座、机盖、箱体等。焊接性良好ZG27050050027018飞轮、机架、蒸汽锤、联轴器、水压飞轮、机架、蒸汽锤、联轴器、水压机工作缸。焊接性尚好机工作缸。焊接性尚好ZG31057057031015联轴器、气缸、齿轮、重载荷机架等联轴器、气
21、缸、齿轮、重载荷机架等ZG34064064034010起重运输机中的齿轮、联轴器等重要起重运输机中的齿轮、联轴器等重要机件机件第31页/共34页3 常用金属材料 其性脆，不适于锻压和焊接，但其熔点较低。具有良好的铸造性，耐磨性和切削加工性，生产简单、价格便宜，应用广泛。常用的铸铁有：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。二、铸铁 灰铸铁有较好的机械性能和工艺性能，应用较广，其性能如表1-6所示。铸铁的牌号由“灰铁”二字的汉语拼音字母和材料的最低抗拉强度所组成。如 HT150 铸铁是含碳量高于 2.11%的铁碳合金。第32页/共34页3 常用金属材料表1-6 灰 铸 铁牌号牌号铸件壁厚铸件壁厚/mm抗拉
22、强度抗拉强度 b/MPa用途用途HT1502.510102020303050175145130120端盖、轴承座、阀壳、管子附件、一般机床床端盖、轴承座、阀壳、管子附件、一般机床床身、滑座、工作台等身、滑座、工作台等HT2002.510102020303050220195170160气缸、齿轮、机床、飞轮、齿条、衬筒、一般气缸、齿轮、机床、飞轮、齿条、衬筒、一般机床铸有导轨的床身、液压筒、泵的壳体等机床铸有导轨的床身、液压筒、泵的壳体等HT250410102020303050270240220200阀壳、油缸、气缸、联轴器、机体、齿轮、齿阀壳、油缸、气缸、联轴器、机体、齿轮、齿轮箱外壳、飞轮、凸轮、轴承座等轮箱外壳、飞轮、凸轮、轴承座等HT300102020303050290250230齿轮、凸轮、车床卡盘、压力机的床身、导板齿轮、凸轮、车床卡盘、压力机的床身、导板增压液筒、泵的壳体等增压液筒、泵的壳体等HT350102020303050340290260第33页/共34页感谢您的观看。第34页/共34页