工业设计材料与表面处理

《工业设计材料与表面处理》知识要点：

第一章金属材料及其成型技术

第一节钢铁材料

一、钢和铸铁的区别：

钢：钢是指含碳量小于2.11%的Fe-C合金所形成的单相奥氏体。

铸铁：铸铁是指含碳量2.11%~6.69%的Fe-C合金所形成的奥氏体+莱氏体或渗碳体+莱氏体。

二、碳素钢：

1、定义：碳钢是指没有特别加入合金元素的Fe-C合金。

2、碳素钢的牌号和用途：

（1）普通碳素钢：例如Q235 Q255 特点：成分控制不严、强度不高、焊接性能好，韧性和塑性好，价格低、在热扎状态下直接使用，用于桥梁、建筑的工程构件和要求不高的机器零件。

（2）优质碳素钢：例如08，45 （数字表示万分之几的含碳量）特点：具有较高的强度、良好的塑性和韧性、优良的冷成型性能和焊接性能。大量用于机械、汽车、装备等领域，通常经过热处理后使用。

（3）碳素工具钢：例如T8、T10 （数字表示千分之几的含碳量）指有较高含碳量的碳素钢经过淬火加低温回火，达到较高的硬度，用于制作要求不高的量具、刀具、模具。

三、合金钢：

1、定义：在碳钢的基础上特意添加适当种类和数量的其他元素的钢称为合金钢。合金钢中加入的合金元素主要有Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V等。

2、合金结构钢：根据用途分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢等。

（1）调质钢是指以调质处理作为零件预处理或最终热处理工艺的结构钢。调质处理就是淬火后高温回火。调质处理可使钢组织均匀，硬度适中，具有良好的综合力学性能。

（2）渗碳钢是指经过渗碳处理，其表层的含碳量较多，较硬，而心部仍保持原有的含碳量，较韧的钢。优点是表层耐磨，硬度大，心部较韧。

四、不锈钢：

1、不锈钢的成分：不锈钢中加入的合金元素主要是Cr和Ni。

2、不锈钢的分类：常用的不锈钢分为马氏体型、铁素体型和奥氏体型不锈钢三大类。

3、马氏体不锈钢（最常用）：含Cr量13%含C量为0~0.4%，如0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13。

4、铁素体不锈钢：在马氏体不锈钢成分基础上，降低碳含量或提高Cr含量，形成单相铁素体组织，这就是铁素

体不锈钢。耐蚀性好，塑性变形能力差。如1 Cr17，1 Cr17Mo

5、奥氏体不锈钢：含Cr量18%含Ni量为9%, 强度、硬度低，塑性、韧性好，而且没有磁性，常用于深冲加工

的零件。如0 Cr18Ni90 ，1Cr18Ni9

五、铸铁：

1、成分：含碳量2.5%~4%的Fe-C合金，一般还含有较多的Si，Mn，S, P等杂质。

2、特点：铸铁的组织是由钢基体和石墨两部分组成。生产工艺简单、价格低廉。

3、分类：一般分为灰口铸铁（如HT100、HT150等）、可锻铸铁（如KTH300、KTH350等）、球墨铸铁（如QT400、

QT450等）。其中球墨铸铁力学性能最好。

第二节有色金属材料

一、铝及其合金：

1、纯铝的特点：导电性仅次于银、铜、金，表面易形成氧化膜，耐腐蚀，但强度太低。

2、铝合金的分类：防锈铝合金（如LF2，LF3，LF6等）、硬铝合金（L Y1，L Y11，LY12等），超硬铝合金（LC4，

LC6等），锻铝合金（LD2，LD5等），铸造铝合金（如ZL101，ZL102等）

二、铜及其合金：

1、纯铜：纯铜又成为紫铜，具有良好的导电性。

2、铜合金：黄铜（Cu-Sn）、青铜(Cu-Sn)、白铜(Cu-Ni)

3、黄铜：机械制造行业应用最广的有色金属材料，有良好的机械加工性能.

4、锡青铜:主要用于制造要求弹性高,耐磨,耐蚀的零件.

三、镁合金和钛合金：

1、镁合金特点：密度小、强度高、抗震性好，耐蚀性差。

2、钛合金特点：强度非常高，加工性能好、耐蚀性强，冶炼技术复杂、价格高昂、导热差。

第三节金属材料的成型技术

一、铸造成型：

1、重力作用下的成型方法：砂型铸造、金属型铸造、壳型铸造、熔模铸造。

2、外力作用下的液态成型方法：压力铸造、离心铸造、挤压铸造等

3、压力铸造：（1）特点：尺寸精度高、表面光洁、具有较高的硬度和强度。

（2）常用材料：主要是低熔点合金。如铝合金、锌合金、镁合金、铜合金。

（3）常见问题：缩松、缩孔（由液态收缩导致）、裂纹、变形（由固态收缩导致）

（4）如何避免：A：顺序凝固，即使远离浇注口部分先凝固，然后按顺序向浇注口的方向凝固，这样可使缩孔位置能够补充到液体，从而消除缩孔、缩松。B：合理应用冒口，在适当位置放置足够数量和足够尺寸的冒口，保证有足够的金属液体对铸件进行充分补缩。C：合理的铸件结构和浇铸工艺可防止裂纹和变形。

二、塑性成型：锻造、挤压、冲压、轧制

三、固态成型：焊接、铆接、粘接

第四节金属的热处理

一、钢的普通热处理

1、退火：退火是将钢加热到临界点温度，然后保温后缓慢冷却的热处理工艺。一般是保留在热处理炉中，随炉子

一起降温。

2、退火的分类:（1）完全退火：改善组织、细化晶粒、降低硬度、消除内应力。炉冷到500°C后出炉。

（2）球化退火：降低硬度、改善切削加工性能，得到好的组织利于后续的淬火处理。

（3）去应力退火：消除内应力、减少变形，炉冷到200°C ~300°C可以出炉。

3、正火：正火是将钢加热到临界点温度以上30°C ~50°C，然后保温后放置在空气中冷却的热处理工艺。与退

火相比，正火的冷却速度快，正火后钢的强度硬度较高。

4、淬火：淬火是将钢加热到临界点温度以上30°C ~50°C，然后保温后快速冷却的热处理工艺。即将加热好的

工件淬入特定的介质中进行冷却，如水、盐水、油等。淬火后得到的组织有很高的硬度和强度，但塑性、韧性差，且组织不稳定，一般不直接使用，必须进行回火处理，以便得到良好的综合性能。

5、回火：回火是把淬火后的钢再加热到某一温度，保温后进行冷却的热处理工艺。

6、回火的分类：（1）低温回火：回火温度150°C ~250°C，降低内应力和脆性、同时保持高硬度。

（2）中温回火：回火温度350°C ~500°C，具有较高的屈服强度和弹性极限，同时保持高硬度。

（3）高温回火：回火温度500°C ~650°C，既有高强度，又有良好的轫性和塑性。

二、钢的表面热处理与化学热处理

1、表面热处理：表面热处理是对钢的表面进行快速加热，使表面奥氏体化，而心部不被加热到较高的温度，组织

不发生变化，然后进行淬火使表面发生马氏体相变而硬化。

2、常用表面热处理方法：感应电流表面加热、火焰加热、电接触加热、激光表面加热等

3、化学热处理：将工件表面渗入某些活性原子，从而改变表面层的化学成分和组织，达到获得所需性能的目的。

4、常用化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗

第二章高分子材料及其成型技术

第一节高分子材料的性能

1、性能特点：高绝缘性、低耐热性、低导热性、高化学稳定性、良好的加工性、着色性和透明性

2、高分子材料的老化：老化是影响高分子材料制品寿命的关键问题。解决方法：（1）结构改性（2）填防老化剂

（3）表面处理，如镀金属或喷涂涂料

第二节工程塑料及其成型工艺

1、塑料的分类：热塑性塑料和热固性塑料，前者可反复使用，后者只能加热成型一次。