机械工程材料及成形技术基础(申荣华)

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材料种类成分强化方式性能特点应用Q235碳素结构钢C<=0.17%冷塑变塑性、焊接性好各类材料、建筑用钢Q345低合金高强度钢C<0.20%少量Mn、V、Si冷塑变塑性、焊接性好、强度适中桥梁、船舶，压力容器45优质碳素钢0.42-0.50%调质综合力学性能好一般轴、轮、杆类零件40Cr合金调质钢C=0.4%、Cr<1.5%调质综合力学性能好较重要的轴、轮40MnB合金调质钢C=0.4%Mn、B<1.5%调质综合力学性能好调质零件20Cr20CrMnTi合金渗碳钢0.17-0.24<1.5%调质，渗碳后淬火、低温回火表面硬度高、耐磨，综合力学性能好重要齿轮、轴38CrMoAl渗氮钢C=0.38%<1.5%调质、渗氮硬度高、耐磨、疲劳强度高、敏感形低机床丝杆、镗杆65Mn60Si2Mn合金弹簧钢C=0.65%小径冷塑变、大经调质强度高，弹性好弹簧、板簧T10T12碳素工具钢0.95-1.041.15-1.24淬火+低温回火高硬度、耐磨钻头、锉刀W18Cr4VW6Mo5Cr4V2高速钢0.7-1.6锻造+退火、淬火+多次回火高热硬性、硬度、耐磨性高速切削刀具YG/YT/YW硬质合金Co6%、W94%/Ti10%、Co9%/C=84%压制热稳定性好、高硬度、耐磨，有一定强度、韧度高速切削刀具、模具HT150HT200灰铸铁C=2.7-3.6%Si=1.0-2.2%退火、表面淬火强度低，无塑性、抗震好、铸造性好箱体、支座QT450-10QT600-3球墨铸铁C=3.6-3.9%强度高、有一定塑性曲轴、主轴 Si=2.0-2.8%可进行各种热处理强化ZL102ZL104铸造铝硅合金Si=10-13%其余为AlT2强度一般，硬度、塑性低、质轻、耐蚀、铸造性好各种复杂的铝合金铸件1Cr18Ni9Ti不锈钢C=0.1%Cr>1.2%固溶处理高耐蚀、耐热化工设备，耐蚀容器ABS热塑性塑料丙烯晴、丁二烯、苯乙烯-硬、韧、刚，加工性好耐热各种结构件尼龙（PA）热塑性塑料聚邻苯二甲酸二烯丙脂-耐磨、减摩性、自润滑、强韧性好耐疲劳、耐油油箱、螺母、轴承铸造：液态凝固成形。特点：适应性强、成本低、废品率高、力学性能差，材料需良好的流动性，包含冶金过程。材料为脆性的金属零件、内腔复杂的毛坯。锻造：固态塑变成形。特点：改善组织、力学性能，利用率高，生产率高，材料有相当的塑性金属，需外力，对力学性能提高。应用于形状不太复杂，质量不太大的塑性材料毛坯。焊接：固态连接成形。特点：节省材料、减轻重量、密封好、生产周期短。材料为韧度金属材料的可焊性好的工程构件。粉末压制：颗粒态成形。特点：能制造其他方法很难完成的制品、利用率高、价格高。主要用于其他方法很难完成的制品，如硬质合金高分子材料成型形：黏流态固化成形。特点：生产效率高、自动化，较差的流动性，需外力。各类塑料、橡胶制品。轴：球墨铸铁：QT600-3铸造成形→正火+高温回火→切削加工→轴颈表面淬火+回火→磨削正火：增加并细化珠光体，提高强度、硬度、耐磨性。高温回火：消除正火风冷造成的内应力。表面淬火：提高硬度、耐磨性。50CrMoA:锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→轴颈表面淬火+回火→磨削退火：改善锻造组织，降低硬度利用切削。调质：强韧心部组织；表面淬火：提高硬度、耐磨性。齿轮：20CrMnTi/45下料→锻造→正火→粗加工、半精加工→渗碳(碳氮共渗)、淬火+低温回火→喷丸→磨削正火：均匀组织，调整硬度，改善切削性能渗碳：提高齿轮表面C含量，为淬火作准备。淬火：齿面耐磨、抗疲劳，心部强韧的低碳马氏体、贝氏体、托氏体。低温回火：减少消除淬火应力，提高韧度喷丸：提高齿面硬度，残余应力，提高接触疲劳强度。相和组织的概念，成分、组织对钢材力学性能的影响规律：相是指材料中结构相同、化学成分和性质相同，相与相之间有界面分开。组织指肉眼或显微镜下观察到材料各相数量、形态、大小、分布的微观体貌。 影响：随着C含量的增加，组织中渗碳体相增加，铁素体量减少，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，但钢的强度在含碳量超过1%后迅速下降。改性方法：控制结晶，细化晶粒，定向凝固。整体热处理工艺：退火，正火。表面改性：表面淬火，表面化学热处理。合金化改性：合金钢。塑性变形：冷变形、热变形。聚合物的物理、化学改性：缩聚，共聚力学负荷：产生变形，出现断裂热负荷：产生尺寸和体积的变化，热应力。T升高承载能力下降环境介质：腐蚀，磨损，老化。布氏硬度：硬度小于450HB的软材料洛氏硬度：用于淬火钢件维氏硬度：表面处理的表面层硬度和薄件硬度。在什么情况下采用表面淬火、表面化学热处理、表面形变强化及其他表面处理？用20（ωc＝0.20％）钢进行表面淬火和用45（ωc＝0.45％）钢进行渗碳处理是否合适？为什么？答：表面淬火是使表面获得高硬度高耐磨性的淬火组织而工件内部仍保持原有组织与性能。使零件整体获得“表硬心韧”的性能，用于要求能承受一定冲击并且表面承受摩擦磨损的零件（如齿轮的轮齿，机床的道轨，轴及花键轴等）。表面淬火只能少量提高表面硬度，一般用于中碳结构钢和中碳低合金结构钢，有时也用于冲击较小的高碳钢刃具、模具及铸铁件。表面化学热处理是通过改变表层化学成分来改变表层组织、性能。同样获得“表硬心韧”的性能，化学热处理和表面淬火都属于表面热处理，但化学热处理能更有效地提高表层性能。渗碳用于承受冲击更大，耐磨性要求更高的零件，用低碳结构钢和低碳合金结构钢。渗氮用于显著提高表面硬度和耐磨性，疲劳强度和抗蚀性，氮化温度低，变形小，但周期长，成本高，只用于对耐磨性和精度要求更高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴等。氮化用中碳合金结构钢（38CrMoAl是氮化专用钢）。表面形变强化是通过对零件表面产生塑性变形，产生加工硬化，提高表面性能，产生较大的残余应力，提高疲劳强度，并可清除表面氧化皮，延长使用寿命。特别适用于有缺口的零件、零件的截面变化处、圆角、沟槽及焊缝区等部位的强化。广泛用于弹簧、齿轮、叶片、飞机零件等。其他表面处理有高能束表面改性（激光、电子束）、电镀及化学镀、气相沉积技术、热喷涂技术、化学转化膜技术等。主要目的是对材料表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，或改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织。20钢进行表面淬火不合适，低碳钢表面淬火后表面硬度并不高（≤50HRC），不耐磨；45钢进行渗碳处理以不合适，中碳钢渗碳热处理后心部的韧性不够，不能承受较大的冲击。金属间化合物特点（一）固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物 金属化合物一般具有较高的熔点，高的硬度和较大的脆性，合金出现金属间化合物时，可提高材料的强度，硬度和耐热性，但是塑性降低力学负荷：产生变形，出现断裂热负荷：产生尺寸和体积的变化，热应力。T升高承载能力下降环境介质：腐蚀，磨损，老化。布氏硬度：硬度小于450HB的软材料洛氏硬度：用于淬火钢件维氏硬度：表面处理的表面层硬度和薄件硬度。在什么情况下采用表面淬火、表面化学热处理、表面形变强化及其他表面处理？用20（ωc＝0.20％）钢进行表面淬火和用45（ωc＝0.45％）钢进行渗碳处理是否合适？为什么？答：表面淬火是使表面获得高硬度高耐磨性的淬火组织而工件内部仍保持原有组织与性能。使零件整体获得“表硬心韧”的性能，用于要求能承受一定冲击并且表面承受摩擦磨损的零件（如齿轮的轮齿，机床的道轨，轴及花键轴等）。表面淬火只能少量提高表面硬度，一般用于中碳结构钢和中碳低合金结构钢，有时也用于冲击较小的高碳钢刃具、模具及铸铁件。表面化学热处理是通过改变表层化学成分来改变表层组织、性能。同样获得“表硬心韧”的性能，化学热处理和表面淬火都属于表面热处理，但化学热处理能更有效地提高表层性能。渗碳用于承受冲击更大，耐磨性要求更高的零件，用低碳结构钢和低碳合金结构钢。渗氮用于显著提高表面硬度和耐磨性，疲劳强度和抗蚀性，氮化温度低，变形小，但周期长，成本高，只用于对耐磨性和精度要求更高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴等。氮化用中碳合金结构钢（38CrMoAl是氮化专用钢）。表面形变强化是通过对零件表面产生塑性变形，产生加工硬化，提高表面性能，产生较大的残余应力，提高疲劳强度，并可清除表面氧化皮，延长使用寿命。特别适用于有缺口的零件、零件的截面变化处、圆角、沟槽及焊缝区等部位的强化。广泛用于弹簧、齿轮、叶片、飞机零件等。其他表面处理有高能束表面改性（激光、电子束）、电镀及化学镀、气相沉积技术、热喷涂技术、化学转化膜技术等。主要目的是对材料表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，或改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织。20钢进行表面淬火不合适，低碳钢表面淬火后表面硬度并不高（≤50HRC），不耐磨；45钢进行渗碳处理以不合适，中碳钢渗碳热处理后心部的韧性不够，不能承受较大的冲击。金属间化合物特点（一）固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物金属化合物一般具有较高的熔点，高的硬度和较大的脆性，合金出现金属间化合物时，可提高材料的强度，硬度和耐热性，但是塑性降低