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1、3. 機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理,3-1 概述 3-2 金屬材料的力學(xué)性能 3-3 常用的工程材料 3-4 鋼的熱處理 3-5 表面精飾 3-6 精密儀器材料選用原則,3.1 概述,機(jī)械工程材料,金屬材料,非金屬材料,黑色金屬,鋼,有色金屬,鑄鐵,合金鋼,無機(jī)非金屬材料,有機(jī)材料,塑料,橡膠,陶瓷,合成纖維,鋁合金,銅合金,其他有色合金,,,,,,,,(非鐵金屬),3-2 金屬材料的力學(xué)性能,低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線,在室溫下以緩慢平穩(wěn)加載的方式進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，確定材料機(jī)械性質(zhì)。,低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線分四個(gè)階段,(1) 彈性階段(Oa段,直線) 變形與所加外力成正比, 外力撤銷后試件形狀完全恢復(fù)

2、. a點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)力為不產(chǎn)生永久變形(塑性變形)的最大應(yīng)力，稱為比例極限p.,(2) 屈服階段(ab段, 近似平線或波線) 外力不再增加而試樣仍繼續(xù)變形(屈服現(xiàn)象)，若此時(shí)除去外力，試樣將不恢復(fù)原來尺寸，在該階段金屬開始發(fā)生明顯塑性變形。屈服階段的最低應(yīng)力為屈服極限s.,1 應(yīng)力極限(強(qiáng)度),(3) 強(qiáng)化階段(bc段,上升曲線) 材料恢復(fù)了變形的能力, 要使它變形必須增加拉力(材料的強(qiáng)化),此階段是金屬最重要的塑性變形階段.材料發(fā)生均勻塑性變形時(shí)的最大應(yīng)力(c點(diǎn))為強(qiáng)度極限b，是材料強(qiáng)度的主要指標(biāo).它是材料受拉時(shí)所能承受的最大載荷應(yīng)力。,(4)局部變形階段(cd段,下降曲線) 外力過強(qiáng)度極限(c點(diǎn)

3、)后,試樣發(fā)生“縮頸”現(xiàn)象。此時(shí)塑性變形集中在縮頸處,縮頸點(diǎn)截面于是急劇變小, 最后試樣在d點(diǎn)即頸縮點(diǎn)發(fā)生斷裂.,若應(yīng)力超過屈服極限, 但尚未達(dá)到強(qiáng)度極限(如在f點(diǎn)), 此時(shí)卸載，曲線將沿著與Oa平行的fg直線(虛線)下降。其中Og為永久塑性變形，gh為彈性變形。再次加載時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)間fcd，相當(dāng)于提高了屈服極限。這種在常溫下經(jīng)過塑性變形使材料強(qiáng)度提高、塑性降低的現(xiàn)象，稱為冷作硬化。,2 剛度,材料抵抗變形的能力. 彈性模量E, 剪切模量G是衡量材料剛度的性能指標(biāo)(胡克定律 , ).,3 塑性 材料破壞時(shí)，遺留變形的大小,斷后伸長率 :試件拉斷后, 標(biāo)距內(nèi)的伸長量與標(biāo)距

4、原長之比的百分率. 5為塑性材料, <5為脆性材料.,斷面收縮率: 試件被拉斷后, 斷裂處面積的縮小量與原面積之比的百分率。,或越大，材料的塑性越高，反之則低。進(jìn)行壓力加工的零件，應(yīng)選用塑性高的材料，以免加工時(shí)開裂。,4 硬度,材料表面在一小體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。,材料硬度越高，強(qiáng)度和耐磨性越高，但塑性越低。常用的硬度指標(biāo)有三種：布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRC, 洛氏C標(biāo)度硬度)和維氏硬度(HV).,以一定載荷把一定大小的鋼球壓入材料表面,保持一段時(shí)間, 卸載后負(fù)荷與其壓痕面積的比值即為布氏硬度(HBW).,洛氏硬度試驗(yàn)原理和布氏硬度試驗(yàn)一樣,也是壓痕試驗(yàn)法,不同

5、之處為它不是測量壓痕大小而是測量壓痕凹陷的深度. 根據(jù)壓頭類型和壓入載荷大小不同,可分為HRA,HRB,HRC.,維氏硬度(HV)的試驗(yàn)原理也是根據(jù)壓痕凹陷面積上單位應(yīng)力作為硬度值計(jì)量。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭是采用錐面夾角為136的金剛石四方角錐體.,各種硬度值之間可以相互折算 (GB/T 1172-1999)，應(yīng)用中可通過查表獲得.,5 影響材料力學(xué)性能的主要因素,(1) 含碳量 含碳量越高，強(qiáng)度和硬度越高，但塑性顯著降低。,(2) 合金元素 在鋼中加入某些合金元素, 可提高和改善其綜合力學(xué)性能, 并獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能。,加Mn(錳)能提高鋼的強(qiáng)度；加Ni(鎳)與Cr(鉻

6、)能使鋼獲得高強(qiáng)度、耐熱和耐腐蝕性; 加W(鎢)則能提高鋼的硬度和韌性, 是制造耐熱工具不可缺少的合金元素.(有益元素),有害雜質(zhì)元素S（硫）、P（磷）,(3) 溫度 一般地，低溫條件下強(qiáng)度有所增加，塑性和韌性下降, 高溫條件下相反。,(4) 熱處理工藝,不同的熱處理工藝將會(huì)使鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生程度不同的變化。,3-3 常用的工程材料,1 鋼鐵材料（黑色金屬）,(1) 碳鋼 (非合金鋼) 合金:一種金屬元素和其他金屬或非金屬元素相互熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì). 碳鋼: 含碳2(質(zhì)量百分比)以下的鐵碳合金、少量雜質(zhì) 按含碳量分類： 低碳鋼(wC0.25%, 20鋼), 螺釘, 連桿等

7、 中碳鋼(0.25%0.6%), 工具，模具等 按質(zhì)量等級(jí)分類： 普通碳素鋼(wS0.055%, wP0.045%) 優(yōu)質(zhì)碳素鋼(wS0.040%, wP0.040%) 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼(wS0.030%, wP0.035%) 按用途分類： 碳素結(jié)構(gòu)鋼(工程結(jié)構(gòu),機(jī)械零件)、碳素工具鋼(各種工具),(2) 合金鋼,人為在冶煉中加入鉻Cr、錳Mn、鎳Ni、鈦Ti、鉬Mo、鎢W等合金元素形成的鋼，具有高的強(qiáng)度、韌性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐蝕性、高溫強(qiáng)度等）。,低合金鋼 (合金元素含量小于5%) 中合金鋼 (合金元素含量在5%10%) 高合金鋼 (合金元素含量大于10%),碳鋼

8、價(jià)格低廉、容易獲得，也容易加工。一般情況下優(yōu)先選用碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)零件受力較大，承受變應(yīng)力,工作情況復(fù)雜且熱處理要求較高時(shí)，應(yīng)選用合金鋼。,2 鑄鐵 與鋼不同, 鑄鐵含碳(大于2.11%)和硅量較高, 含雜質(zhì)硫磷也較多,(1) 灰鑄鐵: 其中的碳以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存在, 斷口呈灰色 成本低，鑄造性、減振性好，抗壓強(qiáng)度高，但脆性很大， 不宜承受沖擊載荷（底座、機(jī)床床身）。,(2) 球墨鑄鐵： 其中的碳以球狀石墨形式存在的 具有較高的延展性和耐磨性。強(qiáng)度高(近于碳素結(jié)構(gòu)鋼)，減振性優(yōu)，可承受沖擊載荷。(齒輪、曲軸),2 非鐵金屬 (有色金屬),銅(紫銅)及其合金有良好導(dǎo)

9、電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和延展性.,(1) 銅合金 (黃銅和青銅), 黃銅 (銅與鋅的合金),鋅含量在2040左右,具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能和防腐性，可鑄造和鍛造。黃銅隨鋅含量的增加強(qiáng)度增加，直至超過45以后，抗拉強(qiáng)度急劇下降。常用于制造軸瓦、耐腐蝕零件等., 青銅 (銅與錫,鋁,鈹?shù)仍氐暮辖? 錫青銅、鋁青銅、鈹青銅),青銅合金的力學(xué)性能以及耐腐蝕、耐磨性能較好。錫青銅適于鑄造，用以鑄造形狀復(fù)雜的零件。鈹青銅用于非常重要的零件.,(2) 鋁合金,鋁及鋁合金具有密度小(約為銅和鐵的1/3), 比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)高, 抗蝕性好以及優(yōu)良的塑性和冷熱加工工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格較低, 資源豐富, 故

10、廣泛用于航空航天、電氣、汽車等工程領(lǐng)域，是工程中用量最大的有色金屬.,(3) 鈦合金,鈦和鈦合金的密度都小，其強(qiáng)度和鋼相當(dāng)，且抗腐蝕性好，故在航空、造船、化工等工業(yè)中得到了較多應(yīng)用。此外鈦還具有“親生物”性, 廣泛用于醫(yī)療器械和人造關(guān)節(jié)等。,3 非金屬,(1) 工程塑料：密度小，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能好，優(yōu)良的電絕緣性,耐磨、減摩及自潤滑性能好，易加工，易老化，難回收。,(2) 橡膠：高彈耐磨, 絕緣性好, 不透水、氣，但易老化。墊圈、密封圈,(3) 人工合成礦物 剛玉(Al2O3, 人造寶石)：高的彈性模量和硬度(僅次于鉆石)。微型軸承 石英(SiO2)：具有壓電效應(yīng)。晶體振蕩器, 傳感器材料

11、,3-4 鋼的熱處理,改善金屬使用性能和工藝性能的一種重要的加工方法，將固態(tài)金屬或合金加熱、保溫、冷卻改變金屬整體或表面組織，獲得所需性能。 種類 1、普通熱處理：退火、正火、淬火、回火 2、表面熱處理和化學(xué)熱處理： 感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解加熱、滲碳、氮化、碳氮共滲 3、其他熱處理,臨界溫度：使鋼材料內(nèi)部組織發(fā)生相變, 其力學(xué)性能(硬度,強(qiáng)度,塑性等)相應(yīng)發(fā)生改變的溫度。不同牌號(hào)鋼的臨界溫度不同，如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的臨界溫度為710750C，而有些合金鋼的臨界溫度達(dá)到800900C.,1 退火：加熱(至臨界溫度以上2030度)、保溫、隨爐緩慢冷卻,目的: 預(yù)先熱處理(鑄鍛之后,

12、切削之前), 降低硬度、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力.,2 正火：加熱(至臨界溫度以上3050度)、保溫、空氣冷卻 目的：同退火，冷卻速度大于退火的冷卻, 可獲更高的力學(xué)性能,3 淬火：加熱(至臨界溫度以上3050度), 保溫, 水、油或鹽水冷卻 目的：提高零件的硬度和耐磨性，強(qiáng)化材料。但淬火后，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，材料變脆，須回火。 方法：單介質(zhì)淬火;雙介質(zhì)淬火(水淬油冷, 淬透性高, 防開裂, 復(fù)雜),4 回火：零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，保溫，以一定速度冷卻。 目的：降低脆性, 消除內(nèi)應(yīng)力。防止零件變形開裂; 達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的硬度.,回火工藝的種類： 1、低溫回火（150250C） 2、中溫回

13、火（350500C） 3、高溫回火（500650C）,調(diào)質(zhì)處理 淬火+高溫回火,使用得最多的熱處理工藝, 可獲得較好的綜合機(jī)械性能, 即良好的強(qiáng)度、韌性和塑性。,5 表面熱處理,僅對(duì)鋼的表面進(jìn)行加熱和冷卻而不改變其成分的熱處理工藝。,目的：提高零件的表層硬度、抗磨損性能。,感應(yīng)加熱：感應(yīng)線圈通入交流電產(chǎn)生交變磁場, 工件置入磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流, 利用交流電的集膚效應(yīng)(電流密度分布不均)，對(duì)零件進(jìn)行加熱，并通過控制電流頻率得到不同的淬硬層深度(頻率越高, 透入深度越淺, 加熱層越薄)。,火焰加熱：利用火焰加熱工件表面，然后立即用水噴射冷卻。調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動(dòng)速度即可得到不同厚度的淬硬層。,方式

14、：,6 化學(xué)熱處理,將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)(滲碳劑,氨氣等)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能、滿足技術(shù)要求的熱處理過程。,目的：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。,按表面滲入元素的不同，分為滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等種類。,氣體滲碳是將零件裝在密封的滲碳爐中,加熱并向爐中滴入易分解的有機(jī)氣體如煤油、苯等，或直接通入煤氣等滲碳?xì)怏w，反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，從而達(dá)到鋼件表面滲碳的目的。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，過程可控，滲碳層質(zhì)量好。,3-1 概述 3-2 金屬材料的力學(xué)性能 3-3 常用的工程材料 3-4 鋼的熱處理 3-5 表

15、面精飾 3-6 精密儀器材料選用原則,3-5 表面精飾,在金屬零件的表面附上一層覆蓋層, 以達(dá)到防蝕、裝飾等目的.,種類 電鍍 鍍鉻: 鍍鉻層化學(xué)穩(wěn)定性高,有較高的硬度和耐磨性及很好的表面粗糙度. 鍍鎳: 可獲得良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并具有良好的導(dǎo)電性. 鍍鋅、鍍銀 化學(xué)處理：氧化和磷化 氧化是在零件表面上形成氧化膜的工藝過程，磷化的過程則是在零件表面上生成一層在大氣中穩(wěn)定的磷酸鹽膜。 涂漆,3-6 精密儀器材料選用原則,選擇材料時(shí)主要考慮的因素有材料的使用要求、工藝要求和經(jīng)濟(jì)要求。,使用要求(首要考慮),在分析零件工作條件和失效形式的基礎(chǔ)上，在受力狀況、環(huán)境狀況以及特殊性能方面提出要求，

16、據(jù)此確定材料的具體力學(xué)、物理、化學(xué)性能指標(biāo), 最后可按經(jīng)驗(yàn)類比或查手冊進(jìn)行選材.,如對(duì)于低速、輕載的三輪車的傳動(dòng)軸普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；對(duì)速度較高、載荷較重的汽車傳動(dòng)軸優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；而對(duì)高速、重載的汽輪機(jī)的主軸合金鋼。,若零件的尺寸取決于強(qiáng)度，應(yīng)選用強(qiáng)度極限較高的材料；若零件的尺寸取決于剛度，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料；若零件的尺寸取決于接觸強(qiáng)度，應(yīng)選用表面強(qiáng)化處理的材料；滑動(dòng)摩擦下工作的零件，應(yīng)選用減摩性能好的材料；高溫工作下的零件，選用耐熱材料；腐蝕介質(zhì)中工作的零件選用耐腐蝕材料。,工藝要求,在滿足使用性能要求的同時(shí)還應(yīng)滿足工藝性能要求. 例如對(duì)于毛坯為鑄件、鍛件、焊接件時(shí),應(yīng)分別選擇鑄造性能

17、好的材料(灰鑄鐵),鍛造性能好的材料(黃銅、低碳鋼)和焊接性能好的材料(低碳鋼或低碳合金鋼)。,對(duì)于尺寸小的齒輪、軸類等旋轉(zhuǎn)體零件，可用棒料直接加工。對(duì)于形狀簡單、薄壁的零件，生產(chǎn)批量較大時(shí)，可壓力加工成形。在自動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行大批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)考慮材料的切削性能要好. 此外還必須考慮材料的熱處理工藝性能(淬透性、變形開裂傾向性等)。,經(jīng)濟(jì)要求,選擇材料時(shí)，必須考慮到生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和材料的相對(duì)價(jià)格, 不應(yīng)片面選用優(yōu)質(zhì)材料。在滿足使用要求和工藝要求前提下, 應(yīng)盡可能選用普通材料和價(jià)格低廉的材料, 以降低生產(chǎn)成本. 另外還要考慮批量、加工費(fèi)用、環(huán)境污染、能源消耗等。,本章作業(yè)：,2-1, 2-2, 2-4, 2-6, 2-7, 2-9,