机械工程常用材料及钢的热处理课件.ppt
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1、第二章 机械工程常用材料及钢的热处理,人类各个社会发展阶段的文明程度就是以材料的生产和使用作为人类文明进步的尺度。,主要内容,第一节 概述第二节 金属材料的力学性能第三节 常用的工程材料第四节 钢的热处理第五节 表面精饰第六节 精密仪器材料选用原则,第一节 概述,机械工程材料,金属材料,非金属材料,钢铁材料,钢(碳钢、合金钢),非铁金属,铸铁,无机非金属材料,有机材料,塑料,橡胶,陶瓷(普通陶瓷、特种陶瓷),合成纤维,铝合金,铜合金,其他有色合金,第二节 金属材料的力学性能,在结构设计中,为保证零件正常工作,要涉及强度、刚度问题,这些条件又涉及材料的力学性能。金属材料的机械力学性能主要包括:弹
2、性模量E、切变模量G、屈服极限、强度极限、硬度、延伸率等。这些性能指标是通过试验测定的静拉伸试验。,静拉伸试验-低碳钢,第二节 金属材料的力学性能,材料拉伸试验机,应力-应变曲线,第二节 金属材料的力学性能,Oa段:弹性变形阶段,ab段:屈服阶段,bc段:塑性变形阶段(强化阶段),cd段:颈缩阶段,冷作硬化,应力极限 四个阶段 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段 三个极限 弹性极限 p 屈服极限 s 0.2 强度极限 b,条件屈服极限,铸铁,第二节 金属材料的力学性能,对应某些没有明显屈服现象的材料,规定对应于产生0.2%残余应变时的应力值为屈服强度。,强度:材料抵抗破坏(失效)的能力 在
3、静应力作用下,机械零件的失效形式主要是塑性屈服 和 脆性断裂。强度条件 max,第二节 金属材料的力学性能,承受的最大应力为max允许承受的最大应力值称为许用应力,刚度:材料抵抗弹性变形的能力 弹性模量 E=/各种钢材的E基本相等,故不可以用改变钢材牌号提高刚度。注意:材料的刚度机件的刚度 后者应取决于材料和结构两个方面的因素。对在弹性范围内要求对能量有较大吸收能力的零件(如仪表弹簧等),可以选择软弹簧材料,如铍青铜、磷青铜等制造,使其具有较 的弹性模量。,第二节 金属材料的力学性能,塑性:材料破坏时,遗留变形的大小 断后伸长率:试件拉断后,标距内的伸长量与标距原长之比 的百分率。5%为塑性材
4、料 5%为脆性材料 断面收缩率:试件拉断后,断裂处面积的缩小量与原面积之 比的百分率。,第二节 金属材料的力学性能,或越大,材料的塑性越好。,硬度:材料表面抵抗局部变形的能力,衡量材料 的软硬程度。一般材料硬度,强度和耐磨性,塑性。压入法测试布氏硬度HBW 洛氏硬度HRC、维氏硬度HV 硬度是一项综合力学性能指标,常作为技术要求在零件图上标注。,第二节 金属材料的力学性能,影响力学性能的因素 1、含碳量 含碳量,强度和硬度,但塑性。2、合金元素 加入某些合金元素,可提高和改善其综合力学性能,并获得某些特殊的物理和化学性能。3、温度 一般,低温条件下强度有所,塑性和冲击韧性,高温条件下相反。4、
5、热处理工艺,第二节 金属材料的力学性能,布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料;压痕较大,硬度值比较准确。,洛氏硬度测定压痕很小,并不损坏零件,适于成品检验,设备简单,操作迅速方便;但准确性差,需多点测量取平均;可测定各种金属材料的硬度。,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度,而制定了维氏硬度试验法;测定较麻烦。,一、钢铁材料(黑色金属)1、碳钢 含碳2以下的铁碳合金、少量杂质 按质量分数分类:低碳钢(0.25%)、中碳钢(0.25%0.6%)、高碳钢(0.6%)按质量等级分类(S、P的质量分数控制):普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢 按质量和用途分类:普通碳素结
6、构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢,第三节 常用工程材料,碳钢的牌号及应用1)普通碳素结构钢主要保证力学性能 牌号:Q+数字(屈服点数值Mpa)一般不需热处理,钢厂供应状态下直接使用。一般用途,生产过程中对质量控制无特殊规定。Q195、Q215、Q235钢的含碳量低,焊接性、塑性、韧性好,有一定强度,常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等,用于桥梁、建筑等结构或制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。Q255、Q275钢的含碳量比上述高点,故其强度较高,塑性、韧性较好,可进行焊接。通常轧制成型钢、条钢、钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节和销子等零件。,第三节 常用工程材料,2)优质碳素结构钢同时保
7、证化学成分和力学性能 牌号:两位数字(碳的质量分数的万分之几)主要用来制造机器零件,在生产过程中需特别控制质量,一般要经过热处理提高力学性能。08、10钢,塑性、韧性高,具有优良的冷成形性能和焊接性能,常冷轧成薄板,用来制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件,如汽车车身、拖拉机驾驶室等。15、20、25钢用来制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件,如活塞销等。30、35、40、45、50经热处理(淬火+高温回火)后可获得良好的综合力学性能,即具有较高的强度和较高的塑性、韧性,用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。55、60、65钢热处理(淬火+中温回火)后具有高的弹性极限,
8、主要用来制造负荷不大、尺寸较小的弹簧。,第三节 常用工程材料,3)碳素工具钢 牌号:T+数字(碳的质量分数的千分之几)碳素工具钢经热处理(淬火+低温回火)后具有高硬度,用于制造各种要求高硬度和高耐磨性(碳的质量分数一般大于0.7%)的工具,如量具、刀具、磨具等。如T8,T12A(A表示高级优质碳素工具钢)。,第三节 常用工程材料,第三节 常用工程材料,碳钢特点总结:具有较好的机械性能和工艺性能,并且产量大、价格较低。但淬透性较低、回火抗力较差、屈强比低。,对于受力不大,基本上承受静载荷的精密机械零件,均可选用普通碳素结构钢;当零件受力较大,承受变应力或冲击载荷时,可选用优质碳素结构钢。,2、合
9、金钢 人为加入Mn(锰)、Ni(镍)、Si(硅)、Cr(铬)、W(钨)、B(硼)、Ti(钛)、Mo(钼)、V(钒)、Nb(铌)、Co(钴)、RE(稀土)等。具有高的强度、韧性、硬度,高的淬透性、高温强度和热硬性,以及某些特殊性能(如耐腐蚀性、耐磨、电磁性能等)。但在压力加工、切削加工、焊接工艺性方面比碳钢稍差,且成本较高。,第三节 常用工程材料,第三节 常用工程材料,3、铸铁:强度、塑性及韧性较差;良好的铸造性能、减摩性能、吸振性能、切削加工性能生产工艺简单、成本低廉。灰铸铁:HT,C自由状态的片状石墨形式 灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度,还具有良好的消震性。但脆性很大,不宜承受冲击载荷,适于制
10、作只承受静载荷、在受压状态下工作的零件,如汽缸、汽缸套、底座、机床床身、法兰等。由于石墨的存在,使机件具有良好的耐磨性。球墨铸铁:QT,C球状石墨形式,较高的强度和耐磨性,良好的塑性和韧性。球墨铸铁强度高,良好的塑性和韧性,综合力学性能接近于钢,成本比钢低廉,同时还具有与灰铸铁类似的优良性能。在一些机件受力复杂、综合性能要求较高,但无较大冲击力的场合下,可成功取代某些钢件,如曲轴、凸轮轴、齿轮、轴套等。,第三节 常用工程材料,二、非铁金属1、铜及其合金:较高的力学性能,良好的耐蚀性、导电和导热性能 工业纯铜 强度低、硬度低、塑性很好 黄铜(铜锌二元合金)普通黄铜 H+铜平均含量 如H70 强度
11、高于纯铜,很好的变形加工性能,较好的铸造性能和对大气和海水的抗蚀能力。常用于制作轴瓦、耐腐蚀零件、形状复杂的冷冲零件和深拉零件。青铜 锡青铜,其强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性均高于黄铜,并有良好的弹性。含锡量小于8%的锡青铜适用于压力加工,含锡量超过10%的锡青铜适于铸造;无锡青铜是铜与铝、铍、锰等元素的合金。其力学性能以及耐腐蚀、耐磨性能得到改善。如铝青铜的强度和硬度高,且价格便宜,常用来制造承受重载、耐磨的机械零件;铍青铜经热处理后,其强度、硬度、比例极限和疲劳极限均能有较大的提高,以及其他优良性能,是制造某些弹性机械元件的极好材料,但成本较高。,第三节 常用工程材料,2、铝及其合金:纯铝、
12、变形铝合金、铸造铝合金 铝资源丰富,其密度小,熔点低,导热、导电性均良好,塑性高,导磁性差。铝和铝合金有相当好的抗大气腐蚀的能力,但强度不高。铝合金通过加入合金元素、热处理可以提高其强度和得到其它优良性能(如耐热性、耐腐蚀性等)。铝合金的比强度高(飞机骨架、蒙皮等),塑性好(薄壁、形状复杂、尺寸精度高的零件)。铝合金不耐磨,可镀铬提高耐磨能力。变形铝合金:防锈铝,硬铝-中等强度的构件和零件,超硬铝-受力大的重要构件,锻铝合金;铸造铝合金(熔点一般600C):制品应用广(气缸体、活塞、风扇叶片、仪表外壳等)。,第三节 常用工程材料,3、钛及其合金 钛和钛合金的密度都很小(4.5103kg/m3)
13、,比铝高,但强度比铝高两倍(高的比强度)。高低温性能好(500C,-253C),并具有良好的抗腐蚀性(大气、海水、硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定)。钛还具有“亲生物”性(在人体内,能抵抗分泌物的腐蚀且无毒,对任何杀菌方法都适应)。切削性能差,易粘刀。价格昂贵。工业钛合金按使用状态组织不同,可分为钛合金、钛合金、(+)钛合金(应用最高,可通过热处理强化,得到优良的力学性能,且生产工艺较简单)。是航空、航天、化工、造船、机电、医疗卫生和国防等部门应用广泛的一种工业新金属。,第三节 常用工程材料,三、非金属1、工程塑料 以天然或人造树脂为主要成分,再加入各种添加剂制成的高分子有机物。分类
14、:热固性塑料 酚醛塑料、环氧树脂 热塑性塑料 尼龙,聚四氟乙烯、ABS塑料 特点:低强度、低刚度、低硬度,密度小,比强度高(于金属材料),良好的抗蚀性(耐酸、碱、油、水等),优良的电绝缘性(电器工具、壳体、支架多采用),耐磨、自润滑性好(可在液体、半干和干摩擦状态下有效工作,制造轴承、轴瓦等),工艺性好(易热压成形,部分热固性塑料有较好的切削加工性),生产率高,加工成本低,此外还减振、隔音、防潮、易粘接等。但耐热性差,易发生蠕变,导热性差,易老化。,第三节 常用工程材料,2、橡胶 高弹性(弹性材料、密封材料、减振防振材料、传动材料)、良好的绝缘性(导线、电缆绝缘件、热缩管)、耐磨性、隔音性和阻
15、尼性(广泛用来制作轮胎、传送带、电缆、电线、密封垫圈以及减震件)。最大缺点 易老化,难回收(污染)。需尽量避免氧化、光照和高低温,非工作期间尽量处于松弛状态,避免与酸、碱、汽油、有机溶剂等的接触。,第三节 常用工程材料,3、人工合成矿物1)刚玉 俗称宝石(Al2O3),很硬(仅次于钻石)。在仪器仪表和钟表行业多使用红宝石微型轴承,因其弹性模量、硬度很高,故可将轴承孔加工得十分光洁,使之与钢制轴颈之间的摩擦系数很小,则工作时摩擦损耗很小,可长期保持原始精度,提高使用寿命。2)石英 透明的晶体(SiO2),具有压电效应,可制作多种传感器;石英晶片(当晶片的固有频率与外加电场的交电频率相同时,晶片会
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