精密机械设计基础-第二章工程材料和热处理
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（1）渗碳 渗碳是向钢件表面层渗入碳原子的过程。
（2）氮化 氮化是向钢件表面层渗入氮原子的过程。
（3）碳氮共渗（氰化） 碳氮共渗是向钢的表层同时渗人碳和氮的 过程，习惯上又称为氰化 。
第五节
表面精饰
一、电镀 二、化学处理 三、涂漆
一、电镀 1．镀铬 2．镀镍 3．镀镉 4．镀锌 5．镀银
二、化学处理
第三节
常用的工程材料
一、黑色金属 二、有色金属 三、非全属材料 四、复合材料
一、黑色金属
1．碳钢与合金钢
碳钢按其含碳量的不同，分为低碳钢、 中碳钢和高碳钢。合金钢是冶炼时人为地 在钢中加入一些合金元素
2．铸钢
铸钢与锻钢的力学性能大体相近，与 灰铸铁相比，其减振性差，弹性模量、伸 长率、熔点均较高，铸造性能差（铸造收 缩率大，容易形成气孔）。
和效应的材料
2、按材料结合键的特点及性质分：金属材料、无机非 金属材料和有机材料三大类
第二节 金属材料的力学性能
一、应力极限 二、弹性模量 E 三、延展性 四、冲击韧度αk 五、弹性能Ee 和韧性能Et 六、硬度
一、应力极限（图 2-1）
1．比例极限σp 2．屈服极限σs 3．强度极限σB
比例极限σp ：应力与应变成正 比(oa段)的最大应力称为比例极限。
若应力超过比例极限，材料就要产生永久变 形，应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上， 并以热的形式散失
图2-2 材料的最大弹性能和最大韧性能
六、硬度
硬度表示材料表面在一个小体积范围 内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。
一般地说，材料硬度愈高，强度（包 括接触强度）和耐磨性亦愈高；但塑性愈 低。常用的硬度指标有：布氏硬度（HBS）、 洛氏硬度（HRC一洛氏C标度硬度）和维氏 硬度（HV）。
2)若零件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性 模量较大的材料。碳素结构钢和合金结构 钢的弹性模量相差甚小，为提高刚度而选 用后者是没有意义的。当截面积相同，改 变零件形状能得到较大的刚度 。
3）若零件的尺寸取决于接触强度，应选 用可以进行表面强化处理的材料
4）滑动摩擦下工作的零件，为减小阻力 应选用减摩性能好的材料。在高温下 工作的零件，应选用耐热材料。在腐 蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材 料等。
第二章 工程材料和热处理
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
概述 金属材料的力学性能 常用的工程材料 钢的热处理 表面精饰 材料的选用原则
第一节
概述
一、分类：
1、按用途分：结构材料、功能材料两大类
• 结构材料：工程上要求强度、韧性、塑性、
硬度、耐磨性等力学性能的材料
• 功能材料：具有电、光、声、热、磁等功能
二、工艺要求
各种材料具有不同的加工性能，选用材 料时必须要考虑零件加工的工艺方法、生 产条件和毛坯的制取方法等。
选择材料时入还必须考虑材料的热处理 工艺性能（淬透性、淬硬性、变形开裂倾 向性 回火脆性等）。
三、经济要求
在满足使用要求和工艺要求前提下， 应尽可能选用普通材料和价格低廉的材料， 以降低生产成本。
三、延展性
1．伸长率δ： 试件拉断后，标距内的伸长量与 标距原长之比的百分率称为伸长率
δ>5％者为塑性材料 δ<5％者为脆性材料 2．断面收缩率ψ：试件拉断后，断裂处面积的 缩小量与原面积之比的百分率称为断面收缩率。
• 标距l：在试件等直部分取长为l的工作段 • 伸长率或断面收缩率愈大，材料的塑性愈高
•
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午9时16分30秒 下午9时16分21:16:3020.10.22
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专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20.10.2220.10.2221:1621:16:3021:16:30Oct-20
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月22日 星期四9时16分 30秒T hursday , October 22, 2020
二、表面热处理
1．表面淬火
通过快速加热与立即淬火冷却相结合 的方法来实现的。利用快速加热使钢件表 面很快地达到淬火的温度，而不等热量传 至中心，即迅速予以冷却，如此便可以只 使表层被淬硬，而中心仍留有原来塑性和 韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。
• 表面淬火主要方法有：
感应加热（高频、中频、工频）表面淬火， 火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火， 以及电解液加热表面淬火等。
•
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2220.10.22Thursday, October 22, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。21:16:3021:16: 3021:1610/22/2020 9:16:30 PM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2221:16:3021:16O ct-2022-Oct-20
• 常用材料的应用举例见表2－l。
第四节
钢的热处理
钢的热处理是通过加热、保温、冷却的操 作方法，使钢的组织结构发生变化，以获 得所需性能的一种工艺方法。
一、普通热处理
二、表面热处理
一、普通热处理
1．退火
将钢加热到稍高于临界温度，并在该温度下 保持一定时间，然后随炉缓慢冷却。
2．正火
加热温度和保温时间与退火相似，不同的是 正火在空气中冷却，冷却速度大于退火时的冷却 速度，故可获得比退火后的组织更细些，从而得 到较高的力学性能（硬度和强度均比退火后高）。
四、冲击韧度αk
在有缺口的试件上，缺口底部单位截面
积所能承受的冲击功称为冲击韧度
五、弹性能Ee 和韧性能Et（图 2－2）
1、应变能：物体受外力作用产生变形时，外力所做 的功
2、弹性能：在弹性变形范围内，应变能将以势能的 形式储存在材料内部，撤去外力又立即全部释放
3、韧性能：材料在断裂前所能吸收的能量
3．钛合金 钛和钛合金的密度小，高、低温性能
好，并具有良好的耐蚀性。
三、非全属材料 1.工程塑料 2.橡胶 3.人工合成矿物
四、复合材料
复合材料是由两种或两种以上性质不 同的金属材料或非金属材料，按设计要求 进行定向处理或复合而得的一种新型材料。 复合材料有纤维复合材料、层迭复合材料、 颗粒复合材料、骨架复合材料等。
•
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。21: 16:3021:16:3021:16T hursday, October 22, 2020
•
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•
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月22日下午9时16分 20.10.2220.10.22
第六节 材料的选用原则
选择材料时，应主要考虑： 一、使用要求 二、工艺要求 三、经济要求
一、使用要求 使用要求一般包括 ：
①零件所受载荷和应力的大小、性质和分布 情况；
②对零件尺寸和质量的限制；
③工作状况（如零件所处的环境介质、工作 温度、摩擦性质等）。
按使用要求选用材料的一般原则是：
1）若零件的尺寸取决于强度，且尺寸和质量 又受到某些限制时，应选用强度较高的材 料。
强度极限σB ： 材料在断裂前的最大应力称为
强度极限（图2-l的C点） 。对于普 通结构钢σs/σB≈0.6 ；对于调质钢 和渗碳钢σs/σB≈0.7。
二、弹性模量 E E＝σ/ε
在比例极限范围内，应力σ与应变ε成正 比，比例常数 E即为弹性模量（剪切时为切 变模量G）。弹性模量的大小反映了材料抵 抗变形的能力，因此是衡量材料刚度的性 能指标。
• 工业中应用最多的为感应加热表面淬火。
表2-2 感应加热方式的使用范围
2．化学热处理
化学热处理是将工件置于一定介质中加 热和保温，使介质中的活性原子渗入工件 表层，以改变表层的化学成分和组织，从 而使工件表面具有某种特殊的力学或物理、
化学性能的一种热处理工艺。
化学热处理工艺较多，如渗碳、氮化、碳氮 共渗等，渗人的元素不同，会使工件表面 所具有性能也不同。
在这一区段加载后卸载，仍沿 oa回至o点，无残余变形，即材料 处于弹性阶段。
屈服极限σs ： 加载曲线出现微小波动，应力几乎不变
而应变增加，称为屈服阶段，屈服阶段的 最低应力即为屈服极限。卸载时，沿be线 回至e点，Oe即残余变形。没有明显屈服现 象的塑性材料，通常以永久塑性变形量为 0．2％时的应力值定为屈服极限，用σ0.2 表 示。
3．灰铸铁
灰铸铁中的碳大部分或全部是以自由 状态的片状石墨形式存在，断口呈灰色， 故称灰铸铁。
4．球墨铸铁
球墨铸铁中的碳是以球状石墨形式存 在，具有较高的延展性和耐磨性。
二、有色金属
1．铜合金 铜具有良好的导电性、导热性、 耐蚀
性和延展性。
2．铝合金 铝的密度小（约为钢的1/3），熔点低，
导热、导电性良好，塑性高，纯铝的强度 低
金属零件表面的化学处理方法主要是 氧化和磷化。氧化是在零件表面上形成氧 化膜，磷化是在零件表面上生成一层在大 气中较稳定的磷酸盐膜。常用类型有：
1．黑色金属的氧化与磷化 2．铝及铝合金的阳极氧化 3．铜及铜合金氧化
三、涂漆
涂漆是在金属制品的表面上涂 以清漆或磁漆的薄膜，使制品表面 与外界环境中的有害物质隔开，对 制品起着保护和装饰作用。也有的 是起到消光作用或绝缘作用。
•
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月22日星期 四下午9时16分 30秒21:16:3020.10.22
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 下午9时 16分20.10.2221:16O ctober 22, 2020
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月22日星期 四9时16分30秒 21:16: 3022 October 2020
• 金属与合金在加热或冷却过程中发生相变的温度
称为相变点,又称为临界点.
3．淬火 将钢加热到临界温度以上的某一温度，
经保温后投入水、盐水或油中迅速冷却。
4．回火 将淬火以后的零件，重新加热到临界
温度以下的某一温度，保持一段时间，然 后在空气或油中冷却。
低温回火：加热温度为150－250℃ 中温回火：加热温度为300－450℃ 高温回火：加热温度为500－650℃
•
相信相信得力量。20.10.222020年10月 22日星 期四9时16分30秒20.10.22
谢谢大家！
（2）氮化 氮化是向钢件表面层渗入氮原子的过程。
（3）碳氮共渗（氰化） 碳氮共渗是向钢的表层同时渗人碳和氮的 过程，习惯上又称为氰化 。
第五节
表面精饰
一、电镀 二、化学处理 三、涂漆
一、电镀 1．镀铬 2．镀镍 3．镀镉 4．镀锌 5．镀银
二、化学处理
第三节
常用的工程材料
一、黑色金属 二、有色金属 三、非全属材料 四、复合材料
一、黑色金属
1．碳钢与合金钢
碳钢按其含碳量的不同，分为低碳钢、 中碳钢和高碳钢。合金钢是冶炼时人为地 在钢中加入一些合金元素
2．铸钢
铸钢与锻钢的力学性能大体相近，与 灰铸铁相比，其减振性差，弹性模量、伸 长率、熔点均较高，铸造性能差（铸造收 缩率大，容易形成气孔）。
和效应的材料
2、按材料结合键的特点及性质分：金属材料、无机非 金属材料和有机材料三大类
第二节 金属材料的力学性能
一、应力极限 二、弹性模量 E 三、延展性 四、冲击韧度αk 五、弹性能Ee 和韧性能Et 六、硬度
一、应力极限（图 2-1）
1．比例极限σp 2．屈服极限σs 3．强度极限σB
比例极限σp ：应力与应变成正 比(oa段)的最大应力称为比例极限。
若应力超过比例极限，材料就要产生永久变 形，应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上， 并以热的形式散失
图2-2 材料的最大弹性能和最大韧性能
六、硬度
硬度表示材料表面在一个小体积范围 内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。
一般地说，材料硬度愈高，强度（包 括接触强度）和耐磨性亦愈高；但塑性愈 低。常用的硬度指标有：布氏硬度（HBS）、 洛氏硬度（HRC一洛氏C标度硬度）和维氏 硬度（HV）。
2)若零件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性 模量较大的材料。碳素结构钢和合金结构 钢的弹性模量相差甚小，为提高刚度而选 用后者是没有意义的。当截面积相同，改 变零件形状能得到较大的刚度 。
3）若零件的尺寸取决于接触强度，应选 用可以进行表面强化处理的材料
4）滑动摩擦下工作的零件，为减小阻力 应选用减摩性能好的材料。在高温下 工作的零件，应选用耐热材料。在腐 蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材 料等。
第二章 工程材料和热处理
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
概述 金属材料的力学性能 常用的工程材料 钢的热处理 表面精饰 材料的选用原则
第一节
概述
一、分类：
1、按用途分：结构材料、功能材料两大类
• 结构材料：工程上要求强度、韧性、塑性、
硬度、耐磨性等力学性能的材料
• 功能材料：具有电、光、声、热、磁等功能
二、工艺要求
各种材料具有不同的加工性能，选用材 料时必须要考虑零件加工的工艺方法、生 产条件和毛坯的制取方法等。
选择材料时入还必须考虑材料的热处理 工艺性能（淬透性、淬硬性、变形开裂倾 向性 回火脆性等）。
三、经济要求
在满足使用要求和工艺要求前提下， 应尽可能选用普通材料和价格低廉的材料， 以降低生产成本。
三、延展性
1．伸长率δ： 试件拉断后，标距内的伸长量与 标距原长之比的百分率称为伸长率
δ>5％者为塑性材料 δ<5％者为脆性材料 2．断面收缩率ψ：试件拉断后，断裂处面积的 缩小量与原面积之比的百分率称为断面收缩率。
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二、表面热处理
1．表面淬火
通过快速加热与立即淬火冷却相结合 的方法来实现的。利用快速加热使钢件表 面很快地达到淬火的温度，而不等热量传 至中心，即迅速予以冷却，如此便可以只 使表层被淬硬，而中心仍留有原来塑性和 韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。
• 表面淬火主要方法有：
感应加热（高频、中频、工频）表面淬火， 火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火， 以及电解液加热表面淬火等。
•
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• 常用材料的应用举例见表2－l。
第四节
钢的热处理
钢的热处理是通过加热、保温、冷却的操 作方法，使钢的组织结构发生变化，以获 得所需性能的一种工艺方法。
一、普通热处理
二、表面热处理
一、普通热处理
1．退火
将钢加热到稍高于临界温度，并在该温度下 保持一定时间，然后随炉缓慢冷却。
2．正火
加热温度和保温时间与退火相似，不同的是 正火在空气中冷却，冷却速度大于退火时的冷却 速度，故可获得比退火后的组织更细些，从而得 到较高的力学性能（硬度和强度均比退火后高）。
四、冲击韧度αk
在有缺口的试件上，缺口底部单位截面
积所能承受的冲击功称为冲击韧度
五、弹性能Ee 和韧性能Et（图 2－2）
1、应变能：物体受外力作用产生变形时，外力所做 的功
2、弹性能：在弹性变形范围内，应变能将以势能的 形式储存在材料内部，撤去外力又立即全部释放
3、韧性能：材料在断裂前所能吸收的能量
3．钛合金 钛和钛合金的密度小，高、低温性能
好，并具有良好的耐蚀性。
三、非全属材料 1.工程塑料 2.橡胶 3.人工合成矿物
四、复合材料
复合材料是由两种或两种以上性质不 同的金属材料或非金属材料，按设计要求 进行定向处理或复合而得的一种新型材料。 复合材料有纤维复合材料、层迭复合材料、 颗粒复合材料、骨架复合材料等。
•
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。21: 16:3021:16:3021:16T hursday, October 22, 2020
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•
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月22日下午9时16分 20.10.2220.10.22
第六节 材料的选用原则
选择材料时，应主要考虑： 一、使用要求 二、工艺要求 三、经济要求
一、使用要求 使用要求一般包括 ：
①零件所受载荷和应力的大小、性质和分布 情况；
②对零件尺寸和质量的限制；
③工作状况（如零件所处的环境介质、工作 温度、摩擦性质等）。
按使用要求选用材料的一般原则是：
1）若零件的尺寸取决于强度，且尺寸和质量 又受到某些限制时，应选用强度较高的材 料。
强度极限σB ： 材料在断裂前的最大应力称为
强度极限（图2-l的C点） 。对于普 通结构钢σs/σB≈0.6 ；对于调质钢 和渗碳钢σs/σB≈0.7。
二、弹性模量 E E＝σ/ε
在比例极限范围内，应力σ与应变ε成正 比，比例常数 E即为弹性模量（剪切时为切 变模量G）。弹性模量的大小反映了材料抵 抗变形的能力，因此是衡量材料刚度的性 能指标。
• 工业中应用最多的为感应加热表面淬火。
表2-2 感应加热方式的使用范围
2．化学热处理
化学热处理是将工件置于一定介质中加 热和保温，使介质中的活性原子渗入工件 表层，以改变表层的化学成分和组织，从 而使工件表面具有某种特殊的力学或物理、
化学性能的一种热处理工艺。
化学热处理工艺较多，如渗碳、氮化、碳氮 共渗等，渗人的元素不同，会使工件表面 所具有性能也不同。
在这一区段加载后卸载，仍沿 oa回至o点，无残余变形，即材料 处于弹性阶段。
屈服极限σs ： 加载曲线出现微小波动，应力几乎不变
而应变增加，称为屈服阶段，屈服阶段的 最低应力即为屈服极限。卸载时，沿be线 回至e点，Oe即残余变形。没有明显屈服现 象的塑性材料，通常以永久塑性变形量为 0．2％时的应力值定为屈服极限，用σ0.2 表 示。
3．灰铸铁
灰铸铁中的碳大部分或全部是以自由 状态的片状石墨形式存在，断口呈灰色， 故称灰铸铁。
4．球墨铸铁
球墨铸铁中的碳是以球状石墨形式存 在，具有较高的延展性和耐磨性。
二、有色金属
1．铜合金 铜具有良好的导电性、导热性、 耐蚀
性和延展性。
2．铝合金 铝的密度小（约为钢的1/3），熔点低，
导热、导电性良好，塑性高，纯铝的强度 低
金属零件表面的化学处理方法主要是 氧化和磷化。氧化是在零件表面上形成氧 化膜，磷化是在零件表面上生成一层在大 气中较稳定的磷酸盐膜。常用类型有：
1．黑色金属的氧化与磷化 2．铝及铝合金的阳极氧化 3．铜及铜合金氧化
三、涂漆
涂漆是在金属制品的表面上涂 以清漆或磁漆的薄膜，使制品表面 与外界环境中的有害物质隔开，对 制品起着保护和装饰作用。也有的 是起到消光作用或绝缘作用。
•
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作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月22日星期 四9时16分30秒 21:16: 3022 October 2020
• 金属与合金在加热或冷却过程中发生相变的温度
称为相变点,又称为临界点.
3．淬火 将钢加热到临界温度以上的某一温度，
经保温后投入水、盐水或油中迅速冷却。
4．回火 将淬火以后的零件，重新加热到临界
温度以下的某一温度，保持一段时间，然 后在空气或油中冷却。
低温回火：加热温度为150－250℃ 中温回火：加热温度为300－450℃ 高温回火：加热温度为500－650℃
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