第1篇 机械制造基础知识 工程技能训练和创新制作实践辅导手册 第1章工程材料与热处理 工程材料与热处理 第1章 1.1工程材料与热处理训练要求与方法 章节训练内容训 练 要 求训 练 方 法训 练 成 果 1. 工程材料与热处理 工程材料的应用1. 了解常用工程材料的种类和性能； 2. 了解常用工程材料的应用1. 学习工程材料的基本知识； 2. 观察工程材料的实际应用，对典型的零件的用材进行认定和分析； 3. 通过生产现场和网络查询新材料的应用提交工程材料在生产中应用的调研报告 钢的热处理与表面处理1. 了解工程中常用热处理工艺的种类和应用； 2. 掌握工程中常用热处理工艺的操作方法1. 学习工程中常用热处理工艺的种类和应用； 2. 进行常用热处理（退火、正火、淬火、回火、高频淬火、渗氮）工艺的操作； 3. 参观和查询工程材料和各种热处理的应用； 4. 查询国内外热处理新工艺的应用完成实习报告； 根据国内外热处理新技术的应用提交调研报告 1.2工程材料与热处理训练能力测试 一、 选择填空题 1. σs 代表钢的。 A. 抗拉强度B. 屈服强度C. 塑性 D. 硬度 2. 钢的工艺是将工件加热到一定温度保温后在介质中快速冷却得到高硬度马氏体的工艺。 A. 退火 B. 正火 C. 淬火 D. 回火 3. 钢淬火后必须立刻，以减少应力并得到所需组织和性能。 A. 退火 B. 正火 C. 渗碳 D. 回火 4. 为了得到的性能，常用的钢的表面热处理和化学热处理的工艺有高频淬火、渗碳和渗氮。 A. 高韧性 B. 高强度 C. 外硬内韧 D. 外韧内硬 5. 调质处理是淬火+，可以提高零件的综合力学性能。 A. 低温回火 B. 中温回火 C. 高温回火 D. 正火 6. 高碳钢的预先热处理常用工艺为。 A. 退火 B. 正火 C. 淬火 D. 回火 7. 在生产中，O6Cr19Ni10属于。 A. 高速钢 B. 工具钢 C. 不锈钢 D. 耐磨钢 8. 45钢属于，在生产中由于具有优良的综合力学性能而被广泛应用。 A. 结构钢 B. 工具钢 C. 不锈钢 D. 耐磨钢 9. 高速钢W18Cr4V具有高的热硬性，在生产中常用来制造。 A. 机床主轴 B. 切削刀具 C. 机车弹簧 D. 滚动轴承 10. 60Si2Mn常用来制造。 A. 机床主轴 B. 滚动轴承 C. 机车弹簧 D. 大型支架 二、 问答题 1. 抗拉强度、屈服强度、硬度及冲击韧性的物理意义各是什么？ 2. 仓库中混存了相同规格的20钢、45钢和T10圆钢，试给出一种最为简便的区分方法。 3. 什么是退火？什么是正火？两者的应用场合有什么不同？ 4. 钢和铸铁在组织结构上有什么不同？由此引起的最主要的性能的变化是什么？ 5. 为什么重要的机器零件都要进行热处理？生产中最常用的热处理工艺有哪些？ 6. 表面热处理和化学热处理可以提高零件的表面硬度，简述常用表面热处理和化学热处理工艺的种类和应用场合。 7. 生产中常用零件和结构一般用钢和铸铁制造，举出一些应用实例。 8. 生产中需要在一些特殊环境，如腐蚀性介质、高温或需承受特别恶劣的工作环境中工作的零件选材常用特殊性能钢。简述特殊性能钢的种类和典型钢种。 9. 硬度测定是确定材料热处理性能的常用方法。简述硬度测试方法的种类和应用。 10. 工程材料包括金属材料、高分子材料、陶瓷和玻璃材料以及复合材料。叙述各种材料的性能特点及其制作的典型零件。 1.3工程材料与热处理训练实习报告 实习内容工艺名称报 告 要 求 工程材料的 应用 车床上常用工程材料的种类和性能的认定和分析 材料钢铸铁铝合金铜合金塑料 外观 特性 车床上常用工程材料的应用制作的零件 名称 钢的热处理 与表面处理 常用热处理工艺设备 设备热处理炉 冷却介质 型号 工程中常用热处理工艺的操作方法 工艺退火正火淬火回火高频淬火 加热温度 冷却方式 拓展学习新材料和热处理新工艺的应用调查 名称 调查结果 新材料的应用 热处理新工艺 的应用 1.4工程材料与热处理工程实例和新技术应用 〖1〗1.4.1工程材料与热处理工程实例 常用机床主轴和齿轮的热处理工艺见表1-1。 表1-1常用机床主轴和齿轮的热处理工艺 名称材料热处理工艺硬度备注 CA6140卧式车床主轴45钢锻件加热到840～860℃进行空冷正火，粗精车后进行高频感应淬火外圆淬硬至52HRC,锥孔硬度为48HRC 续表 名称材料热处理工艺硬度备注 C2150卧式六轴自动车床主轴45钢调质： 830～850℃保温1.5h，水淬，再加热到600℃保温2h； 表面淬火： 粗精车后对内孔及外圆进行高频感应淬火，加热温度900～920℃，淬火介质为水调质后硬度为235HB，表面淬火后要求硬度为48HRC 汽车后桥圆锥主动齿轮20CrMnTi渗碳： 930℃强渗2.5h，扩散适当时间，预冷至840℃，保温30min油冷； 回火： 200℃,120min空冷齿面58～64HRC,心部33～48HRC渗碳层深1.2～1.6mm，回火后喷丸30～50min 机床齿轮38CrMoAl530～550℃下离子渗氮18～20h1050HV5渗氮层深0.25～0.4mm 拨爪零件的热处理工艺卡见表1-2。 1.4.2工程材料与热处理新技术应用 随着科学技术的迅猛发展，热处理生产技术也发生着深刻的变化。先进热处理技术正走向定量化、智能化和精确控制的新水平，各种工程和功能新材料、新工艺为热处理技术提供了更加广阔的应用领域和发展前景。近代热处理技术的主要发展方向为少无污染、少无畸变、少无质量分散、少无能源浪费、少无氧化、少无脱碳、少无废品、少无人工八个方面。 1） 可控气氛热处理 在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。在热处理时实现无氧化加热是减少金属氧化损耗，保证制件表面质量的必备条件。而可控气氛则是实现无氧化加热的最主要措施。正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理过程提供元素的来源，金属零件和炉气通过界面反应，其表面可以获得或失去某种元素； 也可以对加热过程的工件提供保护，如可使零件不被氧化、不脱碳或不增碳，保证零件表面耐磨性和抗疲劳性，从而也可以减少零件热处理后的机加工余量及表面的清理工作； 缩短生产周期，节能、省时，提高经济效益。 2） 真空热处理 真空热处理是在0.0133~1.33Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱气，避免表面污染和氢脆； 同时可以实现控制加热和冷却，减少热处理变形，提高材料性能； 还具有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点。 3） 离子渗扩热处理 离子渗扩热处理是利用阴极(工件)和阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。离子渗氮表面形成的氮化层具有优异的力学性能，如高硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度等，使得离子渗氮零件的使用寿命成倍提高。例如，W18Cr4V刀具在淬火回火后再经500~520℃离子氮化30~60min， 使用寿命提高2~5倍。此外，离子渗氮节约能源，渗氮气体消耗少，操作环境无污染； 渗氮速度快，是普通气体氮化的3~4倍。 4） 形变热处理 形变热处理就是将形变强化与相变强化综合起来的一种复合强韧化处理方法。形变热处理的强化机理是利用奥氏体形变使位错密度升高。由于动态回复形成稳定的亚结构，淬火后获得细小的马氏体，板条马氏体数量增加，板条内位错密度升高从而使马氏体强化。此外，奥氏体形变后位错密度增加，为碳氮化物弥散析出提供了条件，获得弥散强化效果。 5） 表面技术 表面技术是指改变零件的表面质量或表面状态，使其达到耐磨、耐蚀、美观及精度要求的工艺，包括电镀、喷涂、涂装、氧化等。表面技术可以有效地解决零件的磨损和腐蚀问题，同时也对产品的外观装饰起到重要作用，现代工业生产中表面处理工艺也得到迅速的发展。 1.5工程材料与热处理工程常用参考导航 〖1〗1.5.1常用金属的力学性能 符号名称单位含 义 说 明 σs屈服点MPa试样在拉伸过程中，负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的最小应力 σ0.2条件屈服强度MPa 试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。表示规定残余伸长率为0.2％时的应力 σb抗拉强度MPa试样受拉应力时，在拉断前所承受的最大应力 σe弹性极限MPa材料能保持弹性变形的最大应力 δ伸长率%试样被拉断后，标距长度的增加量与原标距长度之百分比 φ断面收缩率%试样在拉断后，其断裂处横截面积的缩减量与原横截面积的百分比 aK冲击韧度 J/m2材料的冲击试样受冲击载荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功 AK冲击吸收功J冲断标准试样所消耗之功 σ-1疲劳极限MPa试样在对称弯曲应力作用下，经受一定循环数N而不发生断裂时所能承受的最大应力 HBW HRA、HRB、HRC HV布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度材料抵抗硬物体压入表面的能力 1.5.2国内外常用钢号的比较 钢类钢号 与国外各主要工业国家钢号对照 美国 SAEALSIUNS英国BS德国DIN法国NF日本 JIS俄罗斯 ΓΟＣＴ 普通 含锰 量钢 6010601060G10600060A62C60,CK60, Cm60C60,XC60S58C60 651064,10651064,1065G10640060A67CK65，C67C65,XC6565 701069,10701069,1070G10690060A72,070A72C70C70,XC7070 751074,10751074,1075G10740060A78,070A78C75，CK75XC7575 8010801080G10800060A83CK80XC8080 较高 含锰 量钢 15Mn10161016G10060080A15,080A1715Mn3，14Mn412Mn515Γ 20Mn1019,10221019,1022G10090 G10220080A15,080A2219Mn5,20Mn5,21Mn420Mn520Γ 30Mn10331033G10330080A30,080M3030Mn4,31Mn432Mn530Γ 35Mn10371037G10370080A35,080M3635Mn4，36Mn535Mn535Γ 40Mn10391039G10390080A40,080M4040Mn440Mn540Γ 45Mn10461046G10460080A47,080M4646Mn545Mn545Γ 65Mn1066,15661566G15660080A6765Mn465Γ 铬钼 钢 20CrMo4119A4119C41190CDS1220CrMo518CD4SCM42020XM 35CrMo41354135C41350708A3734CrMo435CD4SCM43535XM 铬钼 钒钢35CrMoV35CrMoV535XMФ 铬钒 钢20CrV61206120C61200(21CrV4)15XФ 50CrVA61506150C6150050CrV450CV450XФA 铬锰 钢 15CrMn16MnCr516MC518XΓ 40CrMnSMC44340XΓ 铬镍 钢20CrNi3120A3120637A1615NiCr620NC620XH 弹簧 钢65Mn15661566G15660080A6765Mn465Γ