云天课件-中职《机械基础》第四章 工程材料(栾学钢、赵玉奇、陈少斌)PPT格式课件下载.pptx

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Fb,A,第一节金属材料的性能二、金属的力学性能和工艺性能,P.76,

（一）金属的力学性能2.塑性金属材料在静载下能够发生永久塑性变形的能力。

断后伸长率断面收缩率,第一节金属材料的性能二、金属的力学性能和工艺性能,P.76,。

（一）金属的力学性能3.硬度硬度是衡量软硬程度的指标，表示抵抗局部变形和破坏的能力，是重要的力学性能指标之一。

试验方法：

机械制造和维修常用压入法测定硬度。

硬度指标分类：

洛氏硬度HR（A、B、C）、布氏硬度HB和维氏硬度HV，其中应用最广泛的是洛氏硬度HRC和布氏硬度HB。

第一节金属材料的性能二、金属的力学性能和工艺性能,P.76,

（一）金属的力学性能冲击韧性ak金属材料抵抗冲击载荷的能力。

机械上许多零件要受冲击载荷，如在汽车起步、制动或改变速度时，钢板弹簧、钢板吊耳均要受到冲击。

疲劳强度疲劳现象：

是指零件在交变应力作用下，过早发生破坏的现象。

危害性：

疲劳破坏事先没有明显的征兆，具有很大的突发性和危险性，往往会造成严重事故，如汽车的轴颈、缸盖、齿轮、弹簧等零件。

疲劳强度是指材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力值。

任何材料发生脆断，都是材料中微小裂纹扩展的结果。

第一节金属材料的性能二、金属的力学性能和工艺性能,P.77,

（二）金属的工艺性能工艺性能金属材料在加工制造过程中所表现出来的性能。

包括铸造性、冲压（锻造）性、焊接性、热处理加工性、切削加工性等等。

铸造性能铸造加工，将加热熔化的金属浇入砂型或模具中，凝固后得到所需复杂零件毛坯的方法。

如铸铁铸造性好。

锻（冲）压性能热锻、冷冲加工，用压力机和模具使材料发生塑性变形，获得所零件形状尺寸的方法。

如低、中碳钢锻压性好。

焊接性能焊接加工，用焊机设备对材料进行高温熔合连接加工的方法。

如低碳钢焊接性好。

第一节金属材料的性能二、金属的力学性能和工艺性能,P.77,切削加工性好的材料：

铝合金、铜合金、铸铁、低中碳钢等。

不易切削的材料：

不锈钢、钛合金。

（二）金属的工艺性能4.切削加工性能切削加工，在机床上用刀具对零件毛坯进行切削加工，获得所零件形状尺寸的方法。

包括车、钳、刨、铣、磨等等。

第二节黑色金属材料一、钢的分类,P.77,金属材料,黑色金属,铁镍及其合金钢与铸铁,有色金属,除黑色金属以处的其它金属材料主要是铜、铝、钛等,钢：

铁与碳的合金（碳的质量分数2.11%），还含有硫（S）、磷（P）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素。

杂质元素对钢的影响：

硅、锰是有益元素，能提高钢的强度、硬度；

而硫、磷是有害元素，造成钢的脆性，其含量决定钢的质量。

钢的分类：

主要按钢的化学成分、钢的品质、钢的用途来分类。

第二节黑色金属材料一、钢的分类,P.77,碳钢的分类1.按化学成分分类

（1）碳素钢铁+碳+杂质,

（2）合金钢,铁+碳+合金元素+杂质（较少）,第二节黑色金属材料一、钢的分类,P.78,碳钢的分类按钢的品质分类（主要根据有害杂质硫、磷的含量分类）普通钢有害杂质硫、磷的含量较多。

如：

Q235、16Mn优质钢有害杂质硫、磷的含量较低。

45、T10、20CrMnTi高级优质钢有害杂质硫、磷的含量控制严格。

T12A、38CrMoA,第二节黑色金属材料一、钢的分类,P.78,碳钢的分类3.按用途分类结构钢主要用于制造工程结构、桥梁、建筑结构和机器零件等，一般为低、中碳钢。

建筑钢筋（Q235）、机器零件（65Mn）等工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具。

一般为高碳钢。

锉刀、高速钢等特殊性能钢具有特殊物理化学性能的钢。

不锈钢、耐热钢、耐磨钢等,第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.78,1.碳钢的编号方法（类别、典型牌号、典型用途）

（1）碳素结构钢牌号：

例如Q235AF，表示屈服强度为235Mpa的A级质量的碳素结构钢，属于沸腾钢。

常用牌号：

Q235Q195质量：

普通质量，也分A、B、C、D等级，A级最低脱氧程度：

F、Z、TZ用途：

此类钢通常不热处理，用于受力不大的非重要场合。

一般建筑钢筋、钢板、要求不高的小轴、螺钉垫圈等标准件。

P.78,1.碳钢的编号方法

（2）优质碳素结构钢牌号：

用两位平均碳的质量分数的万分数表示。

45号钢表示平均碳的质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。

质量全是优质钢。

08F、10、15、2025、30、35、40、45、45Mn、50、5560、65Mn、70低碳钢中碳钢高碳钢较高含锰量的优质结构钢：

20Mn、65Mn用途：

大量用作一般机器零件，一般要通过热处理强化零件。

冲压件、轴、齿轮、受力的螺纹标准件等等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.78,1.碳钢的编号方法（3）碳素工具钢牌号：

碳素工具钢的碳的质量分数在0.7%1.4%。

其牌号以“T”后面加数字表示钢中平均碳的质量分数的千分数，若是高级优质碳素工具钢，则在数字后面加“A”，如T10A等T7、T7A、,T10、T10A、T12、T12A.韧性较好耐磨性好用途：

用作一般工具（刃具、量具），都要通过热处理提高硬度及耐磨性。

榔头、手锯条、锉刀、低档游标卡尺等等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.78,1.碳钢的编号方法（4）铸造碳钢牌号：

如“ZG200-400”，“ZG”是“铸钢”二字的拼音字头。

200表示屈服强度200MP,400表示抗拉强度400MP。

用途：

主要用作形状复杂，适合铸造成型，而强度要求较高，又不能用铸铁的场合。

汽车后桥壳体、大口径阀门、大型齿轮等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.78,2.合金钢的编号方法

（1）低合金高强度钢牌号：

如“Q390A”，与普通碳素结构钢的牌号类似，只是因为加入了Mn、Si等合金元素，抗拉强度数值更大。

主要用于重要的工程结构、压力容器等。

（比普通碳素结构钢重要）如：

大型桥梁、船舶用钢，高层建筑钢筋，高压锅炉等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.78,2.合金钢的编号方法

（2）合金结构钢牌号：

20Cr、45Mn2、38CrMoA等，是在优质碳素结构钢基础上加上合金元素组成。

两位数字表示碳的质量分数为万分之几，合金元素符号后的数字表面该元素的质量分数为几%（含量小于1.5%省略不标）；

后面的A表示高级优质钢，无A表示优质钢。

用途：

合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢,20Cr、20CrMnTi，活塞销、汽车变速箱齿轮等。

40Cr、45Mn2，机床主轴、重要齿轮、连杆、曲轴等。

60Si2Mn，大尺寸弹簧、板簧等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.79,2.合金钢的编号方法（3）滚动轴承钢牌号：

典型：

GCr15、GCr15SiMn，G是滚动轴承钢的拼音字头，都是高碳钢（碳的质量分数省略不标），Cr元素的质量分数为千分之1.5。

都是高级优质钢（省略）。

制造各类滚动轴承的内、外圈和滚动体，也可以制造工、量具等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.79,2.合金钢的编号方法（4）合金工具钢牌号：

9SiCr、CrWMn、W18Cr4V。

首位数字是碳的质量分数为千分之几（大于1%省略不标）；

后面是合金元素及其含量（几%，含量1.5%省略含量不标）；

都是高级优质钢（省略）。

低合金刃具钢9SiCr、CrWMn，低速、复杂的切削刀具，如丝锥、板牙、机铰刀、量具、冷作模等。

高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，红硬性600C,各类中速切削刀具，如车刀、铣刀、齿轮滚刀等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,P.79,2.合金钢的编号方法（5）特殊性能钢：

不锈钢、耐热钢、耐磨钢不锈钢：

1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、2Cr13，牌号与合金结构钢表示方法相同，只是当碳的质量分数很低时，用0或00表示。

主要用于耐腐蚀要求的零件及工具，也用于装饰材料。

如医疗器械、化工机械、厨具等。

耐热钢：

2Cr21Nil2N，牌号与合金结构钢表示方法相同。

主要用于高温环境下工作的机件。

如发动机排气门、锅炉燃烧部件等。

耐磨钢（高锰钢）：

ZGMn13，因为耐磨钢一般铸造后就使用，所以用“ZG”表示。

主要用于强烈磨损的场合。

如，履带、铲齿等。

第二节黑色金属材料二（三、四）、钢的编号,第二节黑色金属材料五、铸铁,P.83,铸铁：

碳的质量分数wc2.11（5.0），并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。

铸铁的分类：

按铸铁中碳（石墨）的分布形式，可分为灰铸铁、球墨铸件和可锻铸铁等。

1.灰铸铁特征：

铸件中碳以“片状石墨”形态出现，且断口呈浅灰色。

性能：

灰铸铁虽然力学性能不好，抗拉强度低、脆性大，但与钢相比，还有其它优良性能：

抗压强度好、切削加工性好、耐磨性好、铸造性好、减震性好、小的缺口敏感性等。

牌号：

HT150、HT200等，HT是“灰铁”的拼音字头，后面数字是抗拉强度（如200MPa）用途：

灰铸铁价格低廉、产量大，广泛用于机床床身、机座、缸体、箱体、手轮等形状复杂，要求不高的零件。

第二节黑色金属材料五、铸铁,P.83,2.球墨铸铁特征：

铸件中碳以“球状石墨”形态出现。

球墨铸铁是近几十年发展起来的高强度铸铁，力学性能比其它铸铁好（接近于钢），且保留了铸件的全部优点。

QT400-15等，QT是“球铁”的拼音字头，后面数字是抗拉强度和伸长率。

能实现“以铁代钢”。

用于形状复杂、受力复杂的机器零件、薄壁件等场合。

曲轴、连杆、凸轮、阀门、井盖等等。

第二节黑色金属材料五、铸铁,P.83,3.可锻铸铁特征：

铸件中碳以“团絮状石墨”形态出现。

可锻铸铁是传统的高强度铸铁，力学性能比灰铸铁好，但制造工艺复杂，成本较高，大多被球铁取代。

KHT330-08等，KT是“可铁”的拼音字头，H是黑心可铁，Z是珠光体可铁，后面数字是抗拉强度和伸长率。

主要用于受力较大、且壁薄的零件。

如车辆后桥壳体、阀门、井盖等。

*第三节铁碳合金状态图分析,P.84,铁碳合金状态图（铁碳相图）：

全面表达FeC合金（碳的质量分数小于6.69%）中，在不同成分比例、不同温度下，有不同的内部组织结构和力学性能的图形。

*第三节铁碳合金状态图分析一、简化的FeFe3C状态图的特征,P.84,为便于分析，这里只介绍简化的铁碳合金状态图。

*第三节铁碳合金状态图分析一、简化的FeFe3C状态图的特征,P.84,简化的铁碳合金状态图坐标轴：

横坐标：

碳的质量分数坐标wc%，（0%6.69%）。

坐标轴上任一点都代表一定成分的铁碳合金。

纵坐标：

温度坐标C。

FeFe3C状态图的特性点A、G、C、E、S；

每个点的名称、成分及温度、含义。

FeFe3C状态图的特性线液相线ACD线固相线AECF线共晶线ECF线Acm线ES线A1线ES线,*第三节铁碳合金状态图分析一、简化的FeFe3C状态图的特征,P.84,ACE区CDF区EFKS区GSP区PSK以下,L+AL+Fe3CA+Fe3CF+AF+Fe3C,简化的铁碳合金状态图（3）FeFe3C状态图的相区单相区：

液相区（L）AECD以上奥氏体区（A）AESGA铁素体区（F）GPQ，F性能较软（与纯铁相近）。

渗碳体区（Fe3C）DFK，Fe3C性能硬而脆，不能单独使用。

混合物：

*第三节铁碳合金状态图分析二、碳的质量分数对钢力学性能折影响,P.84,随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度不断升高，而塑性、韧性不断降低；

当wc0.9%后，虽然硬度继续上升，因为网状的Fe3C11出现并增加，强度下降，塑性、韧性继续下降。

工业上应用的碳钢，其wc1.4%。

*第三节铁碳合金状态图分析三、铁碳合金状态图的应用,P.86,例：

选择某一般齿轮的材料。

答：

齿轮零件受力复杂，要求对强度、硬度、塑性、韧性等力学性能有一定的综合性要求，由上图中可看出中碳钢具有综合的力学性能，中碳钢的一个典型牌号是45号钢，故选此齿轮材料为45号钢。

1.钢铁材料的选用选择依据：

力学性能要求；

选择方法：

根据力学性能要求来选择钢碳的质量分数；

选择钢的牌号：

根据碳的质量分数选择出钢的牌号。

*第三节铁碳合金状态图分析三、铁碳合金状态图的应用,P.86,2.制定热加工工艺铸造温度区铸造加热温度在液相线以上50100C。

锻造温度区主要在奥氏体区（A）。

*第四节,钢的热处理,P.87,钢的热处理把钢加热、保温、冷却，通过改变钢的内部组织，来达到改变（强化）钢的性能的一种工艺方法。

钢热处理的目的强化作用：

通过提高钢的强度和硬度，提高承载能力和耐磨性，达到强化零件、节省钢材、延长使用寿命的目的，如淬火等等。

改善钢的加工工艺性能：

通过热处理还可以降低材料硬度、提高塑性，达到改善工艺性能（如切削加工性、冲压性）的目的，如退火等等。

热处理的类别：

热处理方法种类很多，主要有整体热处理、表面热处理、化学热处理。

*第四节钢的热处理一、钢的退火与正火,P.87,退火与正火目的相近，主要是改善切削加工性。

1.退火退火工艺：

将钢加热到适当温度，保温一段时间后，缓慢冷却的热处理方法。

退火目的：

降低硬度，改善切削加工性；

提高塑性和韧性，以利于冷变形加工；

改善钢的组织；

削除钢中的残余内应力。

退火用途：

主要用于高碳钢改善切削加工性；

以及去应力退火。

*第四节钢的热处理一、钢的退火与正火,P.87,2.正火工艺：

将钢加热到适当温度，保温一段时间后，出炉空冷的热处理方法。

正火目的与用途：

低中碳钢调整硬度，改善切削加工性；

高碳钢消除网状渗碳体；

要求不高的中碳钢零件可用正火代替调质；

细化组织，为后续热处理作准备。

正火与退火的比较：

正火后组织较细，强度、硬度比退火高；

操作简便，生产周期短，成本低。

一般中低碳钢常用正火改善切削加工性。

一般型钢均以正火状态出厂。

*第四节钢的热处理二、钢的淬火,P.87,工艺：

将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后快速冷却（水冷或油冷）的热处理方法。

（获得马氏体组织）。

淬火的目的：

通过改变钢的内部组织结构，来达到提高钢的强度、硬度和耐磨性的目的。

钢淬火的意义：

淬火热处理是强化钢的重要手段，钢通过强化，提高强度与硬度，节省了材料，减轻重量，减缓零件磨损，延长零件寿命，总体降低成本。

*第四节钢的热处理二、钢的淬火,P.87,淬硬性与淬透性淬硬性：

指零件淬火后的硬度，与钢中碳的质量分数有关；

低碳钢淬火后硬度仍然不高，效果差，中、高碳钢淬火后硬度、强度高，强化效果好。

淬透性：

指零件淬火后获得淬硬层（马氏体层）深度的能力；

淬透性好的钢，能获得较深的淬硬层以至完全淬透，整体强化效果就更好。

钢的淬透性与钢中加入的合金元素有关，碳钢淬透性差，合金钢淬透性大多很好，这也是合金钢比碳钢好的重要原因。

*第四节钢的热处理二、钢的淬火,P.87,淬透性：

指零件淬火后获得淬硬层深度的能力；

*第四节钢的热处理三、钢的回火,P.88,回火方法：

将淬火钢重新加热到低于727C以下的某一温度保温一段时间，然后空冷到室温的热处理方法。

回火目的：

消除内应力防止零件变形与开裂。

钢淬火后的马氏体组织，残余内应力很大，易发生变形与开裂而报废，所以钢淬火后要及时回火。

稳定组织稳定尺寸马氏体的组织和尺寸都不稳定，今后容易发生尺寸变化影响精度；

回火后促成稳定。

调节不同的力学性能钢淬火后的马氏体组织硬度都较高，塑性、韧性差，性能单一，通过不同温度的回火，可以调节为软硬不同的力学性能组合，以适应不同类型零件的需要。

回火分类：

1.低温回火（150250C）目的：

降低淬火内应力，提高韧性，同时保持高硬度和耐磨性。

高碳钢制造的各种工具、量具和模具，滚动轴承，及其它耐磨零件。

2.中温回火（250500C）目的及用途：

具有高的弹性极限、屈服强度和一定的韧性。

主要用于制造各类较大尺寸的弹簧。

*第四节钢的热处理三、钢的回火,P.88,回火分类：

1.低温回火（150250C）2.中温回火（250500C）3.高温回火（500650C）淬火+高温回火调质目的：

中碳钢调质后获得了较合理的硬度、强度、塑性和韧性，具有良好的综合力学性能。

调质广泛用于受力复杂，需要较好综合力学性能的螺栓、连杆、齿轮、主轴等重要零件的热处理。

*第四节钢的热处理四、钢的表面热处理,P.88,对于要求表面耐磨，而又承受冲击载荷的某些零件，适合进行表面淬火、渗碳淬火等表面热处理。

对钢进行表面热处理，可以达到“心韧表硬”的特殊效果，如活塞销、齿轮齿面、机床导轨等。

1.表面淬火方法：

仅对工件的表面进行淬火强化，而工件心部仍保持未淬火的状态。

目的：

表面淬火后工件表层硬度高、耐磨性好，而心部具有足够的塑性和韧性。

工艺：

火焰加热表面淬火感应加热表面淬火,*第四节钢的热处理四、钢的表面热处理,P.88,表面淬火钢的化学热处理渗碳：

将低碳钢零件置于活性碳介质中经长时间加热、保温，然后冷却下来，使零件表层获得高碳成分。

渗碳后的热处理：

淬火、低温回火。

获得“心韧表硬”的特殊力学性能：

表层淬硬耐磨，心部低碳淬不硬或未淬透，保持良好的韧性耐冲击。

*第四节钢的热处理四、钢的表面热处理,P.88,表面淬火钢的化学热处理渗碳：

将低碳钢零件置于活性碳介质中经长时间加热、保温，然后冷却下来，使零件表层获得高碳成分。

渗氮：

在钢表面渗一层氮元素，高硬高耐磨，且不需后续淬火，但氮化层较薄。

也可碳氮共渗。

*第五节有色金属一、铝及铝合金,P.89,铝合金,形变铝合金,铸造铝合金,适合铸造，用于要求轻质的复杂零件。

发动机缸体。

防锈铝如：

LF5耐蚀性好强度低，主用作铝合金装饰。

硬铝如：

LY16用于一般耐蚀机器零部件。

超硬铝如：

LC10用于要求轻质的受力件：

飞机大梁。

锻铝如：

LD9用于高强度复杂零件。

有色金属：

除钢铁材料以外的其它金属材料。

铝合金、铜合金、钛合金、硬质合金等等。

一、铝及铝合金纯铝轻金属（密度2.72g/cm3），导电、导热，抗氧化、塑性好，但强度、硬度低。

牌号；

L1L6。

常用：

工业纯铝，主要用作导电材料。

铝合金铝与硅、镁、锰等元素的合金。

*第五节有色金属二、铜及铜合金,P.90,铜合金,黄铜铜+锌,纯铜（紫铜）重金属（密度8.9g/cm3），导电、导热，抗氧化、塑性好，强度、硬度低，价格贵。

牌号，如T1T4，主要用作导电、导热材料。

铜合金铜与锌、锡、铅、硅、镍等元素的合金。

普通黄铜：

H70,弹壳、散热器等,特殊黄铜：

再加入其它元素，如HPb59，改善性能。

青铜铜+（锌、镍以外的其它金属元素），适合铸造、耐磨，如锡青铜。

制造轴套、轴瓦、蜗轮齿圈等。

白铜铜+镍，用于仪器、电工材料等。

*第五节有色金属三、轴承合金,P.91,制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。

对轴承合金的要求：

足够的强韧性；

较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性。

轴承合金的常用类型：

锡基轴承合金（锡基巴氏合金）铅基轴承合金（铅基巴氏合金）铝基轴承合金,巴氏合金轴瓦,*第五节有色金属四、钛合金,P.92,钛合金,韧性及耐蚀性优越.，主用于航空航天。

钛合金是一种新型材料，重量轻、强度高，价格贵，目前多用于航空业，有人称为是下个世纪的钢。

纯钛轻金属（密度4.5g/cm3），熔点高1677C，耐腐蚀，塑性好，比强度高，工艺性能好。

钛合金钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类型钛合金不能热处理强化，强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温,型钛合金这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。

+型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼铬等。

可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。

多用于航天军工等领域。

第六节非金属材料一、工程塑料,P.92,非金属材料,高分子材料复合材料陶瓷材料,塑料：

通用塑料、工程塑料橡胶,工程塑料：

可以用作工程结构或机械零件的塑料。

工程塑料一般有较好的、稳定的机械性能，耐热耐蚀性较好，且尺寸稳定性好。

如ABS、尼龙、聚甲醛等。

是目前大力发展的塑料品种。

第六节非金属材料二、复合材料,P.93,复合材料,复合材料：

是由两种或两种以上化学本质不同的物质通过人工合成的材料。

金属基复合材料,按基体类型分：

按增强材料性质和形态型分,高分子基复合材料