機械設計基礎第3章

1、第三章常用金屬材料及熱處理【基本要求】 (1) 了解金屬材料的性能。 (2) 掌握常用工程材料的種類、牌號、性能及用途。 (3) 掌握典型的機械零件、刀具和模具等選用工程材料的方法。 (4) 具有正確選擇一般零件熱處理工藝方法及確定熱處理工序位置的能力。 (5) 了解非鐵金屬材料的性能及用途。【重點和難點】 (1) 常用金屬材料的分類、牌號、性能和用途。 (2) 典型的機械零件、刀具和模具等選用工程材料的方法。 (3) 常見零件熱處理工藝方法及確定熱處理工序。第一節(jié)金屬材料的性能 純金屬與合金統(tǒng)稱為金屬材料，純金屬材料應用較少(價貴且強度較低)，而合金材料較為常用。 金屬材料的主要性能是指力學

2、性能、物理性能、化學性能和工藝性能等。 力學性能是指金屬材料在不同性質外力作用下表現的抵抗能力。如彈性、塑性、強度、硬度、韌性等。這些性能指標是機械設計、材料選擇、工藝評定和材料檢驗的主要依據。 物理性能是指金屬材料對于各種物理現象所引起的反應，是在地心引力、溫度變化、電磁作用等物理條件下，原子、離子、電子之間相互作用的結果，如導電性、導熱性、熱膨脹性、熔點、磁性、密度等。 化學性能是指金屬材料在室溫或高溫條件下抵抗其他物質的化學作用的能力，主要指金屬材料的抗氧化性、耐酸性、耐堿性、耐蝕性等。 工藝性能是指金屬材料具有的能夠適應各種加工工藝要求的能力，實質上是力學、物理和化學性能的綜合表現，包

3、括鑄造性能、鍛造性能、熱處理性能和切削加工性能等。 下面主要介紹金屬材料的力學性能與工藝性能。一、金屬材料的力學性能1.強度 強度是指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。 金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，強度越高。根據受力狀況的不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗扭強度、抗剪強度等。一般以抗拉強度抗拉強度作為最基本的強度指標。 強度的大小通過拉伸試驗來測定，試驗時，將按國家標準規(guī)定的試樣兩端夾在試驗機的兩個夾頭上，隨著負荷的緩慢增加，試樣逐步變形并伸長直至被拉斷為止。強度指標主要有以下兩個： (1) 屈服點(符號為s，單位為MPa)式中Fs試樣產生屈服現象時的載荷，單位

4、為N； S0試樣原截面積，單位為mm2。 除低碳鋼和中碳鋼及少數合金鋼有屈服現象外，大多數金屬材料沒有明顯的屈服現象，因此，對這些材料，規(guī)定產生0.2%殘余伸長時的應力作為屈服強度0.2可以替代s，稱屈服強度，0.2為條件屈服強度。(2) 抗拉強度(符號為b，單位為MPa)式中Fb試樣拉斷前的最大拉力，單位為N； S0試樣原截面積，單位為mm2。 抗拉強度表示試樣在拉斷前能承受的最大拉應力。顯然，材料不能在承受b的載荷條件下工作，這樣會導致金屬構件和零件的破壞。另外，屈服點和抗拉強度的比值，即屈強比s/b 也是設計和選材的重要依據。2.塑性 塑性是材料在靜載荷作用下產生永久變形而不破壞的能力。

5、塑性指標用斷后伸長率和斷面收縮率表示。 (1)伸長率(符號為)由于值與試樣尺寸有關，故一般按照長徑比規(guī)定L0=5d0(短試樣)或L0=10d0(長試樣)，分別以5或10表示，10通常寫成。(2) 斷面收縮率(符號為)式中S0試樣原截面積，單位為mm2; S1試樣斷口處截面積，單位為mm2。 和的數值越大，說明金屬材料的塑性越好，良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件，一般達5%或達10%即可以滿足大多數零件的要求。3.硬度 硬度指金屬材料抵抗更硬物體壓入的能力，或者說金屬表面對局部塑性變形的抵抗能力。它是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高，材料的耐磨性越好。 根據測定硬度的方法不同，可用布氏

6、硬度、洛氏硬度、維氏硬度來表示材料的硬度。 (1) 布氏硬度用一定直徑的硬質合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑，之后將測得參數代入計算公式，即可得布氏硬度值為F/S，單位為N/mm2，F表示所加試驗力，S表示壓痕表面積，可通過球直徑和壓痕直徑計算。 (2)洛氏硬度 洛氏硬度試驗是以頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的鋼球作為壓頭，壓入被測材料，根據壓痕的深度來度量材料的硬度。壓痕愈深，材料愈軟，硬度值愈小。 按照壓頭種類和所加載荷不同，可以分為HRA、HRB和HRC等不同洛氏硬度符號，工程上常采用HRC表示洛氏硬度指標。 洛氏

7、硬度試驗操作簡便迅速，可直接從表盤上讀出硬度值，沒有單位。由于壓痕小，可用于成品及薄件檢驗，但不如布氏硬度試驗準確。 (3)維氏硬度維氏硬度用符號HV表示，它的測定原理基本上和布氏硬度相同，也是根據單位壓痕面積上所承受的載荷大小來表示硬度值。所不同的是，維氏硬度采用錐面夾角為136的金剛石四棱錐體作為壓頭，適用于測量零件表面硬化層及經化學熱處理的表面層的硬度。維氏硬度值測量精度高，但操作復雜，工作效率不如測量洛氏硬度高。4.沖擊韌度 沖擊韌度是金屬材料抵抗沖擊載荷的能力，由于外力的瞬時沖擊作用所引起的變形和應力比靜載荷作用下大得多，因此在設計受沖擊載荷的零件時必須考慮所用材料的沖擊韌度。沖擊載

8、荷作用下，金屬材料抵抗破壞的能力以沖擊韌度aKU表示，aKU越大，材料的韌性越好，在受到沖擊時越不易斷裂。5.疲勞強度 很多機械零件，如各種軸、齒輪、連桿、彈簧和鋼軌等，經常受到大小及方向隨時間周期性變化的載荷，在交變載荷下工作的機器零件雖然工作應力遠低于其抗拉強度b，甚至低于屈服點s，但在長時間工作后會突然發(fā)生斷裂，這種現象稱為疲勞。 疲勞斷裂時不發(fā)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，具有很大的危險性，常常造成嚴重的事故。據統(tǒng)計，損壞的機器零件中，約有80%都是由于金屬疲勞而造成的。因此研究疲勞破壞的原因，防止疲勞事故發(fā)生是非常重要的。二、金屬材料的工藝性能 金屬材料的工藝性能是其在各種加工

9、條件下表現出來的適應能力，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等。1. 鑄造性能 鑄造是將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄造型腔中，待其凝固后得到一定形狀和性能鑄件的方法。鑄造性能是澆注時液態(tài)金屬的流動性、凝固時的收縮性和偏析傾向等。流動性好的金屬材料有良好的充滿鑄型的能力，能夠鑄出大而薄的鑄件。收縮性是液態(tài)金屬凝固時體積收縮和凝固后的線收縮，收縮小可提高液態(tài)金屬的利用率，減小鑄件產生變形或裂紋的可能性。偏析是鑄件凝固后各處化學成分的不均勻程度，若偏析嚴重，將使鑄件的力學性能變壞。在常用的金屬材料中，灰鑄鐵和青銅有良好的鑄造性能。2. 鍛造性能 金屬材料的鍛造性能是材料在壓力加工時，能改變

10、形狀而不產生裂紋的性能，是材料塑性好壞的表現。低碳鋼有良好的鍛造性能，碳鋼的鍛造性一般較合金鋼好，鑄鐵則沒有鍛造性能。3. 焊接性能 金屬材料的焊接性能是材料在通常的焊接方法和焊接工藝條件下，能否獲得良好焊縫的性能。焊接性能好的材料，易于用一般的焊接方法和工藝進行焊接，焊縫中不易產生氣孔、夾渣或裂紋等缺陷，其強度與母材相近。在常用的金屬材料中，低碳鋼有良好的焊接性，高碳鋼和鑄鐵的焊接性較差。4. 切削加工性能 切削加工性能是指對工件材料進行切削加工的難易程度。金屬材料的切削加工性，不僅與材料本身的化學成分、金相組織有關，還與刀具的幾何形狀等有關。通常可根據材料的硬度和韌性對材料的切削加工性作大

11、致的判斷，硬度過高或過低、韌性過大的材料，其切削性能較差?；诣T鐵具有良好的切削加工性能。第二節(jié)常用的金屬材料 機械上常用的金屬材料分為鋼鐵金屬和非鐵金屬兩類。鋼鐵金屬是指鋼和鑄鐵，其中鋼在機械工業(yè)中的應用最為廣泛，非鐵金屬則包括除鋼鐵以外的金屬及其合金。一、鋼 鋼是指以鐵為主要元素，含碳量一般在2.11%以下并含有其他元素的鐵碳合金。鋼是應用最為廣泛的機械工程材料，在工業(yè)生產中起著非常重要的作用。1.鋼的分類 根據分類目的的不同，可以按照不同的方法對鋼進行分類。常用的分類方法有：按冶金方法分類、按化學成分分類、按冶金質量分類、按金相組織分類、按使用加工方法分類和按用途分類等。 (1) 按冶金方

12、法分類根據冶煉方法和冶煉設備的不同，鋼可以分為電爐鋼、平爐鋼和轉爐鋼三大類。電爐鋼還可以分為電弧爐鋼、感應爐鋼、真空感應爐鋼和電渣爐鋼等。轉爐鋼還可以分為底吹、側吹、頂吹和純氧吹煉等轉爐鋼。平爐鋼多為堿性，平爐鋼由于冶煉時間長、能耗高，在我國已被逐步淘汰。 (2) 按化學成分分類按照化學成分分類可以把鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。非合金鋼是鐵-碳合金，其中含有少量有害雜質元素(如硫、磷等)和在脫氧過程中引進的一些元素(如硅、錳等)。非合金鋼有兩類：碳素結構鋼和高級碳素結構鋼。低合金鋼是在碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素(一般含量小于5%)，用以提高鋼的性能。合金鋼是為了改善鋼的某些性能而

13、特意加入一定量合金元素的鋼。根據鋼中所含合金元素，合金鋼又可分為錳鋼、鉻鋼、硅錳鋼、鉻錳鋼、鉻錳鉬鋼等很多類。 (3) 按冶金質量分類按冶金質量分類鋼可以分為優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼和特級優(yōu)質鋼。 (4) 按金相組織分類按鋼的金相組織分類可分為鐵素體型、奧氏體型、珠光體型、馬氏體型、貝氏體型、雙相(如馬氏體、鐵素體)類型等。 (5) 按使用加工方法分類按照在鋼材使用時的制造加工方式可以將鋼分為壓力加工用鋼、切削加工用鋼和冷鍛用鋼。 (6) 按用途分類按照用途不同可以把鋼分為碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、合金結構鋼、彈簧鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、不銹耐酸鋼、耐熱

14、鋼和電工用硅鋼十二大類。 為了滿足專門用途的需要，由上述鋼類又派生出一些專門用途的鋼，統(tǒng)稱為專門鋼。它們包括：焊接用鋼、鋼軌鋼、鉚螺鋼、錨鏈鋼、地質鉆探管用鋼、船用鋼、汽車大梁用鋼、礦用鋼、壓力容器用鋼、橋梁用鋼、鍋爐用鋼、焊接氣瓶用鋼、車輛車軸用鋼、機車車軸用鋼、耐候鋼和管線鋼等。2.碳素鋼 碳素鋼(簡稱碳鋼)是含碳量小于2.11%的鐵碳合金，實際使用的含碳量小于1.5%，其中還含有少量Si、Mn、P和S等雜質。 (1) 碳素鋼的分類碳鋼有以下三種分類方法。 1) 按鋼的含碳量分類： 低碳鋼：含碳量0.25%； 中碳鋼：含碳量=0.25%0.6%； 高碳鋼：含碳量0.6%。2) 按鋼的質量分

15、類： 根據鋼中有害雜質S和P的含量分類。 普通鋼：S含量0.050%，P含量0.045%； 優(yōu)質鋼：S、P含量均0.04%； 高級優(yōu)質鋼：S含量0.03%，P含量0.035%。3) 按用途分類： 碳素結構鋼：用于制造工程結構(如橋梁、船舶和建筑等)和機械零件(如齒輪、軸和連桿等)，一般為低、中碳鋼。 碳素工具鋼：用于制造各種工具(如刃具、模具和量具等)，一般為高碳鋼。 碳素工具鋼：用于制造各種工具(如刃具、模具和量具等)，一般為高碳鋼。 (2) 碳鋼的牌號和用途與合金鋼相比，碳鋼在機械工業(yè)上的應用最為廣泛，碳鋼冶煉方便，價格低廉，產量大，且具有優(yōu)良的鍛造性，焊接性和切削加工性能，能滿足許多場合

16、機械加工的要求，應用非常廣泛。 1) 碳素結構鋼。碳素結構鋼是工程中應用最多的鋼種，其產量約占鋼總產量70%80%。根據國標(GB/T 7002006)規(guī)定，碳素結構鋼牌號由以下四部分組成： 屈服點字母“Q”，代表鋼屈服點“屈”字的漢語拼音首字母； 屈服點數值(單位為MPa)； 質量等級符號：A、B、C、D級，從A到D依次提高； 脫氧方法符號： F(沸騰鋼)、b(半鎮(zhèn)靜鋼)、Z(鎮(zhèn)靜鋼)、TZ(特殊鎮(zhèn)靜鋼)，在牌號中若為Z和TZ則予以省略。詳見表3-1。 2) 優(yōu)質碳素結構鋼。 優(yōu)質碳素結構鋼中有害雜質及非金屬夾雜物含量較少，塑性韌性較好，用于制造較重要的機械零件。鋼的牌號用兩位數字表示平均含

17、碳量的萬分數，如45鋼即表示C含量為0.45%的優(yōu)質碳素結構鋼。 15鋼、20鋼是一般的表面滲碳鋼，用于制造導套、擋塊和摩擦片等耐磨零件；40鋼、45鋼、50鋼屬于調質鋼，主要用于制造齒輪、絲絲杠、連桿和各種軸類零件；6585鋼則是碳素彈簧鋼。 3)碳素工具鋼。碳素工具鋼主要用于制造刀具、量具和模具，具有較高的硬度和耐磨性，其平均含碳量為0.7%1.3%，屬于高碳鋼。 碳素工具鋼的牌號是在“碳”字漢語拼音首位字母“T”的后面附加數字表示，數字表示平均含碳量的千分數，例如T12 表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼。若為高級優(yōu)質碳素工具鋼，則在其牌號后加符號“A”如T12A，所有碳素工具鋼都要經

18、過熱處理后才能進一步提高硬度和耐磨性。碳素工具鋼的牌號及用途見表3-3。 4) 鑄造碳鋼。鑄造碳鋼(簡稱為鑄鋼)主要用于受沖擊負荷作用的形狀復雜件，如軋鋼機機架、重載大型齒輪和飛輪等。 鑄鋼的牌號由“ZG”即“鑄鋼”兩字的漢語拼音首字母和兩組數字組成，前一組數字表示為鑄件屈服點(s或0.2)最低值，后一組數字表示抗拉強度(b)最低值，例如ZG200400表示s200MPa和b400MPa的鑄鋼。3.合金鋼 合金鋼是在碳鋼的基礎上加入一些合金元素的鋼，常加入錳(Mn)、硅(Si)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、 鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)和稀土元素等，目前世界上

19、已有數千種合金鋼。 (1) 合金鋼的分類合金鋼種類繁多，現介紹常用的分類方法。 1)按用途分類： 合金結構鋼。合金結構鋼是用于制造各種機器零件和各類工程結構的鋼，通常分為低合金結構鋼、合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼和滾動軸承鋼等幾種，這類鋼用途最廣，用量最大。 a.合金滲碳鋼。 合金滲碳鋼主要用于制造受沖擊載荷和在強烈的摩擦、磨損條件下工作的零件，含碳量一般在0.1%0.25%之間，經滲碳、淬火和低溫回火后，表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有足夠的塑性和韌性。 滲碳鋼按淬透性的高低分為低淬透性鋼(如15、20、20Cr等)、中淬透性鋼(如20CrMnTi、20CrMnMo 等)和高淬透性鋼

20、(如18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等)等三類。 b.合金調質鋼。合金調質鋼的含碳量一般在0.25%0.5%之間，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr和Ni等，提高了鋼的淬透性。調質鋼廣泛用于制造各種負荷較大、受沖擊的重要機器零件，如軸類件、連桿和高強度螺栓等。 常用的合金調質鋼40Cr有良好的塑性，Cr的存在使淬透性提高，故應用較為廣泛。 常用合金結構鋼的牌號、性能和用途見表3-4。 合金工具鋼。合金工具鋼比碳素工具鋼具有更高的硬度、耐磨性，特別是具有更好的淬透性、熱硬性和回火穩(wěn)定性等，可以制造截面大、形狀復雜和性能要求高的刃具、模具、量具等。 a.低合金工具鋼。低合金工具鋼是在碳素工

21、具鋼的基礎上，加入少量的合金元素Cr、Mn、Si、W和V等，以提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，提高鋼的強度、耐磨性和熱硬性，使其在230 260回火后硬度仍保持60HRC以上。常用的低合金工具鋼有CrWMn等。 b.高速鋼。高速鋼俗稱鋒鋼，可以進行高速切削，主要特性是具有良好的熱硬性，當切削溫度高達600時硬度仍無明顯下降。高速鋼中含有大量的合金元素W、Mo、Cr和V等，具有高硬度和耐磨性，較高的熱硬性，足夠的強度和韌性等。 常用的高速鋼有W18Cr4V、W9Cr4V2和W6Mo5Cr4V2等。常用合金工具鋼見表3-5。特殊性能鋼。具有特殊的物理和化學性能的鋼又稱為特殊用途鋼，簡稱特殊鋼。 a.不

22、銹鋼。不銹鋼是指在大氣和一般介質中具有高耐蝕性能的鋼。 不銹鋼按組織狀態(tài)分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。典型的不銹鋼有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13等。b.耐熱鋼。 耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱，金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩方面性能。耐熱鋼主要用于高壓鍋爐、汽輪機、內燃機和熱處理爐等設備。 c.耐磨鋼。耐磨鋼是在沖擊載荷下發(fā)生沖擊硬化的高錳鋼，常用來制造破碎機齒板、大型球磨機襯板、挖掘機鏟齒、履帶和鐵軌道岔等。由于在受力變形時，耐磨鋼吸收大量能量，不易被擊穿，因此可制造防彈裝甲車板和保險箱板等。2)按合金元素總含量分類： 低合金鋼。合金元素總含量

23、10%。3)按冶金質量不同分類：分為優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼(鋼號后加“A”)和特級優(yōu)質鋼(鋼號后加“E”)。 (2) 合金鋼牌號表示方法合金鋼牌號采用合金元素符號和數字表示，簡要表示順序為數字、合金元素符號和數字。 1)合金元素符號最前的數字表示含碳量。 低合金鋼、合金結構鋼和合金彈簧鋼用二位數字表示平均含碳量(以萬分之幾計)，不銹耐酸鋼和耐熱鋼等用一位數字表示平均含碳量(以千分之幾計)，平均含碳量小于千分之一用“0”表示，平均含碳量不大于0.03%用“00”表示。 2)緊跟合金元素符號后的數字表示合金元素含量。 平均合金含量小于1.5%時，牌號中僅標明元素，一般不標明含量。當平均合金含量不小于1

24、.5%、2.5%、3.5%時，則相應地以2、3、4表示。 3)高級優(yōu)質合金鋼(含S、P較低)，在牌號尾部加符號“A”。 4)為了表示鋼的專門用途，在牌號頭部(或尾部)附以相應用途的符號，例如滾動軸承鋼牌號前加“G”(“滾”字的漢語拼音首字母)，如GCr15；又如20MnK牌號后附以符號K，則表示此合金鋼多為礦用。二、鑄鐵 含碳量大于2.11% 的鐵碳合金稱為鑄鐵。雖然鑄鐵的強度、塑性和韌性較差，不能進行鍛造，但它卻具有優(yōu)良的鑄造性、減摩性、切削加工性等一系列性能特點，加上它的生產設備和工藝簡單、價格低，因此廣泛應用于機械制造、石油、化工、冶金、礦山、交通運輸、國防工業(yè)等部門。不少過去使用碳鋼和

25、合金鋼制造的重要零件，如曲軸、連桿、齒輪等，如今已可采用球墨鑄鐵來制造，“以鐵代鋼”、“以鑄代鍛”，這不僅為國家節(jié)約了大量的優(yōu)質鋼材，而且還大大減少了機械加工的工時，降低了產品的成本。根據碳在鑄鐵組織中存在形式的不同，可將鑄鐵分為以下幾類:1. 白口鑄鐵 碳主要以滲碳體的形式存在，斷口呈銀白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很難切削加工。很少用來直接制造機器，主要用于煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵的毛坯。2. 灰鑄鐵 碳主要結晶成游離狀態(tài)的石墨，大部分或全部以片狀石墨形式存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數是灰鑄鐵?；诣T鐵具有良好的鑄造性能、耐磨性、減振性和切削性，故被廣泛地用來制造

26、各種承受壓力和要求減振性好的床身、機架、箱體、殼體和經受摩擦的導軌、缸體、活塞環(huán)等?；诣T鐵的牌號由“灰鐵“漢語拼音的首字母“HT”和后面的三位數字組成，后續(xù)數字表示抗拉強度(單位為MPa)的數值。如HT200，表明它是抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵。常用灰鑄鐵的牌號、用途見表3-6。3. 可鍛鑄鐵 由一定成分的白口鑄鐵經石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團狀石墨形式存在。由于具有較灰鑄鐵高得多的塑性和韌性，習慣上稱為可鍛鑄鐵，實際上不能鍛，常用來制造一些重要的小件，如各種管接頭、閥門及汽車上的一些小零件。但可鍛鑄鐵生產周期長，工藝復雜，成本較高，近年來有些可鍛鑄鐵件已部分地被球墨鑄鐵所

27、代替?？慑戣T鐵的牌號由代表可鍛鑄鐵的字母“KT ”和其后的兩組數字組成，兩組數字分別表示抗拉強度和伸長率，如KT350-10，表示抗拉強度最低值為350MPa，伸長率最低值為10% 的可鍛鑄鐵。常用可鍛鑄鐵牌號、用途見表3-7。4. 球墨鑄鐵 鐵水在澆注前經球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在。球墨鑄鐵力學性能高，生產工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛的應用。它可代替部分鋼制較重要的零件，對實現以鐵代鋼、以鑄代鍛起重要的作用，具有較大的經濟效益。例如，常用于制造曲軸、連桿、凸輪軸、機床主軸、水壓機氣缸、缸套、活塞等。球墨鑄鐵牌號由“球鐵”兩字漢語拼音首字母“QT”和兩組數字組成，

28、前一組數字表示抗拉強度，后一組數字表示伸長率。如QT50007，表示抗拉強度最低值為500MPa，伸長率最低值為7%的球墨鑄鐵。常用球墨鑄鐵的牌號、用途見表3-8。第三節(jié)鋼的熱處理 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內部組織結構，從而獲得所需性能的操作工藝。熱處理是改善金屬材料力學性能和工藝性能的一種非常重要的工藝方法，它是強化金屬材料，提高產品質量和壽命的主要途徑之一。因此，絕大部分重要的機械零件在制造過程中都必須進行熱處理。 材料給人們提供的性能是有限的，熱處理可以使材料的各種性能得到很大的改善和提高，充分發(fā)揮出金屬材料的潛力，延長機械的使用壽命和節(jié)約金屬材料

29、。 鋼的熱處理種類很多，根據加熱和冷卻方式的不同，常用鋼的熱處理大致分類如下： 普通熱處理：即退火、正火、淬火、回火，俗稱“四把火”。 表面熱處理：表面淬火(感應加熱淬火和火焰淬火等)。 化學熱處理：滲碳、氮化等。 工廠里各種機器零件和工具一般都要經過如下的過程：選原料鍛造預先熱處理機械加工最后熱處理。一、鋼的普通熱處理1.退火 退火是將鋼加熱到適當溫度，保溫一段時間后緩慢冷卻(如隨爐或埋入導熱性能較差的介質中)，從而獲得接近于平衡組織的一種熱處理工藝。 由于退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織，與其他熱處理工藝比較，退火鋼的硬度最低，內應力可全部消除，可提高鋼材冷變形后的塑性，又由于退火過程中發(fā)生重

30、結晶，故可細化晶粒，改善組織，所以退火可以達到各個不同的目的。2.正火 正火是將鋼加熱到適當的溫度，保持一定時間后出爐空冷的熱處理工藝。正火的冷卻速度較退火快些，所得到的組織較細，強度和硬度較高。 正火只適用于碳素鋼及合金元素含量不高的合金鋼。 正火的目的是細化組織。用于低碳鋼，可提高硬度，改善切削加工性；用于中碳鋼和性能要求不高的零件，可代替調質處理；用于高碳鋼，可消除網狀碳化物，為球化退火做組織準備。3.淬火 將鋼加熱到適當溫度，保溫后在水或油中快速冷卻的操作工藝稱為淬火淬火。 淬火的目的是為了提高鋼的硬度、強度和耐磨性。隨后再配合適當的回火，獲得多種多樣的力學性能。 淬透性是鋼獲得淬硬層

31、深度的能力，淬硬層越深，表明鋼的淬透性越好。鋼的淬透性好壞對力學性能影響很大，當工件整個截面都淬透時，回火后表面和心部得到完全一致的力學性能。若不能全部淬透，表面和心部的組織不同，經回火后的性能就不一致。4.回火 將淬火鋼重新加熱到低于727的某一溫度，保溫一定時間，然后空冷到室溫的處理工藝稱為回火。淬火鋼必須及時進行回火，以保證達到所需要的性能要求。這是由于工件淬火后，其性能是硬而脆，存在由于冷卻過快而造成的內應力，有引起工件變形甚至開裂的危險。回火的目的： 1)降低淬火鋼的脆性和內應力，防止變形或開裂。 2) 調整和穩(wěn)定淬火鋼的結晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。 3)獲得不同需要

32、的力學性能。通過適當的回火來獲得所要求的強度、硬度和韌性，滿足各種工件的不同使用要求。淬火鋼經回火后，硬度隨回火溫度的升高而降低?；鼗鹨话阋彩菬崽幚淼淖詈笠坏拦ば颉?根據工件的不同性能要求，按照回火溫度的范圍，可將回火大致分為以下三種： 1) 低溫回火(150250)。低溫回火主要為了降低淬火鋼的應力和脆性，提高韌性，而保持高硬度和耐磨性,主要用于各類高碳鋼的刀具、冷作模具、量具、滾動軸承和滲碳或表面淬火件等。 2) 中溫回火(350500)。中溫回火的目的是使淬火鋼件具有高的彈性極限、屈服強度和適當的韌性，主要應用于各種彈簧、彈性夾頭和鍛模的處理。 3) 高溫回火(500650)。 高溫回火

33、可使工件獲得強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。生產中把淬火和高溫回火相結合的熱處理稱為調質，常用于受力情況復雜的重要零件，如各種軸類、齒輪和連桿等。二、鋼的表面熱處理 有些零件既要求具有耐磨的高硬度，同時又要求具有抗沖擊的高韌性，在扭轉和彎曲等交變負荷，沖擊負荷作用下工作的機械零件，表面層承受著比內部高的應力；在有摩擦的場合，表面層還不斷被磨損，因此對零件的表面層提出了強化的要求，使表面具有高的強度、硬度、耐磨性和疲勞極限，而內部仍保持足夠的塑性和韌性。要達到上述要求，經常通過表面熱處理進行強化。三、鋼的化學熱處理 化學熱處理是將工件置于特定介質中加熱和保溫，使一種或幾種元素滲入工件

34、表面，以改變表層的化學成分、組織和性能，并用低廉的碳鋼或合金鋼來代替某些較昂貴的高合金鋼。 常見的化學熱處理有滲碳、滲氮和碳氮共滲等，通過化學熱處理能有效提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性等。1.滲碳 滲碳是向低碳(含碳量0.1%0.25%) 的碳鋼或合金鋼的表面層滲入碳原子的過程。 按滲碳劑的不同，滲碳法可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種，前兩種應用較廣泛。2.滲氮 滲氮是向鋼的表面滲入氮原子以提高表面層氮濃度的熱處理過程。常用的滲氮方法是把氮氣通入一定溫度(一般為500560)的密封爐中，氮氣分解產生活性氮原子滲入工件的表面。滲氮以后工件的硬度高(可達10001200HV)，耐磨性

35、高，氧化變形小，并能耐熱、耐腐蝕、耐疲勞等。38CrMoAl是常用的滲氮鋼。滲氮后不需要進行淬火處理，其最大缺點是工藝時間較長。第四節(jié)非鐵金屬材料 除鋼鐵以外的金屬及合金稱為非鐵金屬材料。與鋼鐵相比，非鐵金屬的產量和使用量低，價格高，但由于它們具有某些獨特的性能，成為現代科技和工程中不可缺少的重要材料。除本章介紹的在機械制造中常用的鋁合金、銅合金、軸承合金之外，在航空、航天、造船、化工、冶金等行業(yè)獲得廣泛應用的還有鈦合金、鎂合金等，它們具有密度小、比強度(抗拉強度與密度之比)高等突出優(yōu)點。另外，為適應科技和生產發(fā)展的需要而研制的耐蝕合金、高溫合金、形狀記憶合金、超塑性合金、超導材料、非晶態(tài)合金

36、等大多也屬于非鐵金屬材料。一、鋁及鋁合金 鋁及鋁合金是目前工業(yè)中應用最廣泛的非鐵金屬材料，僅次于鋼鐵，在地殼中的蘊藏量居第二位。純鋁具有銀白色的金屬光澤，相對密度小，僅為2.7g/cm3 , 大約是銅和鐵的1/3 ；熔點為660.37 ，沸點2494；導電性、導熱性好，僅次于銀、銅和金；價格較低；鋁在大氣和水中有良好的耐蝕性、強度低、塑性好，具有良好的加工性能，易于鑄造、切削和冷、熱壓力加工，并有良好的焊接性能。1.工業(yè)純鋁 純鋁主要用來制作電線、電纜、散熱器及要求不銹、耐蝕而強度要求不高的日用品或配制合金。 工業(yè)純鋁中存在有雜質(如Fe、Si等)，所含雜質數量愈多，其導電性、導熱性、 抗大氣

37、腐蝕性以及塑性就愈低。 我國工業(yè)純鋁的牌號是以鋁的純度來編制的，如1070、1060、10502.鋁合金 純鋁加入合金元素，如Si、Cu、Mg、Mn等，制成鋁合金。鋁合金強度較高，密度小，有很高的比強度(即抗拉強度與密度的比值)，好的導熱性及耐蝕性等。 (1)鋁合金的分類根據鋁合金的成分及生產工藝特點，可將鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩類。形變鋁合金中固溶體的成分不隨溫度的變化而變化,不能進行熱處理強化的稱為熱處理不能強化的鋁合金；固溶體成分隨溫度的變化而改變，可用熱處理來強化的稱為熱處理能強化的鋁合金。鑄造鋁合金可按照其中主要合金元素的不同分為：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-

38、Zn等。 (2)形變鋁合金形變鋁合金加熱時能形成單相固溶體組織，塑性較好，適于壓力加工。形變鋁合金還可按照其主要性能特點分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁及鍛鋁等。 1) 防銹鋁合金。這類合金主要合金元素是Mn和Mg。鍛造退火后是單相固溶體，抗腐蝕性能好，塑性好，但不能通過熱處理來強化，主要用于載荷不大的壓延、焊接，或耐蝕結構件. 2)硬鋁合金。硬鋁基本上是Al-Cu-Mg系合金，還含有少量的Mn，硬鋁比強度高，且可以進行時效強化，但耐蝕性差。 3)超硬鋁合金。超硬鋁是Al-Cu-Mg-Zn系合金。 這類合金是目前強度最高的鋁合金，比強度(抗拉強度與密度之比)更高，故稱超硬鋁。 4)鍛鋁合金。是Al-C

39、u-Mg-Si系合金，合金元素的種類多，每種元素的含量較少，具有良好的熱塑性及耐蝕性。淬火時效后均可提高強度。 (3)鑄造鋁合金鑄造鋁合金具有低熔點共晶組織，流動性好，適于鑄造，但不適于壓力加工。 鑄造鋁合金種類很多，其中鋁硅合金具有良好的鑄造性能，足夠的強度，而且密度小，應用最廣，約占鑄造鋁合金總產量的50%以上。含Si量為10%13%的Al-Si合金是最典型的鋁硅合金，屬于共晶組織，通常稱為“硅鋁明”。二、銅及銅合金 銅是人類歷史上應用最早的金屬，至今仍是應用較廣泛的非鐵金屬材料。主要用作導電、導熱并兼有耐腐蝕性的器材及制造各種銅合金，是電氣、儀器儀表、化工、造船、機械等工業(yè)中的重要材料。

40、1.工業(yè)純銅 純銅是玫瑰紅色的金屬，表面形成氧化銅膜后，外觀呈紫紅色，故俗稱紫銅。其密度為8.9g/cm3，熔點為1083。在固態(tài)時具有面心立方晶格，無同素異構轉變，屬逆磁性材料，具有抗磁性。 純銅的突出優(yōu)點是導電及導熱性好，廣泛地應用于電氣工業(yè)方面。純銅的主要用途是制作電工導體。此外它還具有較高的耐蝕性。在力學和工藝性能方面，純銅的特點是具有極好的塑性，可以承受各種形式的冷熱壓力加工，可碾壓成極薄的板，拉成極細的銅線，壓力加工成線材、管材、棒材及板材。純銅的抗拉強度較低，不宜作結構材料，鑄造性能差，熔化時易吸收一氧化碳和二氧化硫等氣體，形成氣孔。2.銅合金 在純銅中加入合金元素制成銅合金。按

41、照化學成分的不同，銅合金可分為黃銅、青銅和白銅。 (1)黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。按照化學成分，黃銅分普通黃銅和特殊黃銅兩類。 1)普通黃銅。普通黃銅是銅和鋅的二元合金，具有相當好的抗腐蝕性，加工性能很好。普通黃銅的牌號用“H”加數字表示?！癏”是“黃”字漢語拼音首字母，數字表示平均含銅量，余量為Zn。 2)特殊黃銅。為了改善黃銅的某些性能，向其中加入少量其他元素，如Al、Mn、Sn、Si、Pb等，形成固溶體，以提高合金強度及改善耐腐蝕性，這種黃銅稱為特殊黃銅。根據主要添加元素命名為錳黃銅、鉛黃銅、錫黃銅等。 特殊黃銅的牌號是在“H”之后標以主加元素的化學符號， 并在其后表明銅及合金元素含量的百分數，如HPb591表示含Cu量為59%，含Pb量為1%，余量為Zn的鉛黃銅。它具有良好的切削加工性，適用熱沖壓和切削方法制作的零件。