機(jī)械工程材料2

1、第二章機(jī)械工程材料教學(xué)目的：了解金屬的機(jī)械性能、金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金相圖、鑄鐵、有色金屬及合金；理解鋼的分類牌號(hào)和用途；掌握鋼的熱處理。重點(diǎn)：鋼的熱處理、鋼的分類、牌號(hào)和用途難 點(diǎn)：鋼的熱處理機(jī)理；鐵碳合金相圖。參考教材：機(jī)械基礎(chǔ)劉澤深等主編中國(guó)建工出版社2000機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)楊可楨主編高等教育出版社2003機(jī)械設(shè)計(jì)濮良貴主編高等教育出版社2004機(jī)械工程材料：1. 非金屬材料：有機(jī)材料（塑料、橡膠、皮革、木材等）；無機(jī)材料（水泥、 玻璃、陶瓷、石棉）；2. 金屬材料：有色金屬材料（銅鋁及其合金）；黑色金屬材料（鐵和碳的合 金，鋼、生鐵）。金屬的性能：1. 使用性能：機(jī)械性能（力學(xué)）；

2、物理性能（膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、 磁性等）；化學(xué)性能（耐熱、耐蝕；2. 工藝性能：加工性能，如鑄造、鍛造、焊接、熱處理、切削加工等。 選材依據(jù)：機(jī)械性能。§1金屬的機(jī)械性能由以下幾金屬的機(jī)械性能是指金屬在外力的作用下抵抗變形和斷裂的能力， 個(gè)指標(biāo):一. 強(qiáng)度：材料在常溫靜載下抵抗塑變或斷裂的能力。拉伸強(qiáng)度是主要指標(biāo)。1屈服強(qiáng)度b s2抗拉強(qiáng)度b b二. 塑性：金屬材料在外載作用下產(chǎn)生塑變而不破壞的能力。1延伸率32斷面收縮率”三. 硬度：金屬材料抵抗硬物侵入的能力。1布氏硬度HB2洛氏硬度HR四. 沖擊韌性a k：在沖擊載荷的作用下抵抗斷裂的能力。五. 疲勞強(qiáng)度：在交變載荷作用

3、下抵抗破壞的能力。§2金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬和自然界大多數(shù)物質(zhì)一樣是晶體。一. 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過程1. 晶體的特點(diǎn)：有熔點(diǎn)；原子排列有序。P14圖2 7簡(jiǎn)單立方晶格的描述晶格、晶面、晶胞2. 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格；面心立方晶格。P14圖2 8常見金屬晶格類型3. 金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶 平衡結(jié)晶溫度 實(shí)際結(jié)晶溫度 過冷 過冷度金屬結(jié)晶溫度的測(cè)量：熱平衡法P15圖210純金屬結(jié)晶過程示意圖規(guī)律：晶核的產(chǎn)生和長(zhǎng)大。二. 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變P15圖211純鐵的冷卻曲線a Fe：體心丫 e：面心S Fe：體心三. 合金的晶體結(jié)構(gòu)1. 合金的概念合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或

4、非金屬元素組成的具有金屬特性 的物質(zhì)。2. 合金的晶體結(jié)構(gòu)固溶體：兩種或兩種以上的元素在固態(tài)下相互溶解所組成的均勻固體，有間隙固溶體和置換固溶體；（P16圖212、13固溶體及固溶強(qiáng)化）化合物：有一定的化學(xué)成分，晶格類型和性能完全不同于組成它的任一組元。機(jī)械混合物：由兩種或兩種以上的固溶體或是由固溶體和金屬化合物所組成。§3鐵碳合金相圖一. 鐵碳合金相圖的定義將鐵碳合金極其緩慢的加熱或冷卻得到的鐵碳合金的成分、組織、性能 之間的關(guān)系。二. 鐵碳合金的基本組織1. 鐵素體F :碳溶在a Fe中形成的間隙固溶體；2. 奧式體A :碳溶在丫 Fe中形成的間隙固溶體；3. 滲碳體FaC :鐵

5、和碳的化合物；4. 珠光體P: F+ P組成的機(jī)械混合物；5. 萊氏體L : A + F3C的機(jī)械混合物，低于 727度后，變?yōu)镻和F3C的機(jī) 械混合物。（P19圖2 15、16鐵碳合金相圖）§4碳鋼.碳及雜質(zhì)的影響1. 碳的影響（圖2 17碳鋼成分組織與性能的關(guān)系）2. 雜質(zhì)的影響Mn：與S形成MnS，消除S的有害作用；Si :溶于F中，提高鋼的強(qiáng)度；S:與鐵以FeS形式存在A的晶界處，10001200度鍛壓加工時(shí)導(dǎo)致“熱 脆”；P：溶于F中，室溫下塑性、韌性急劇下降，使鋼“冷脆” 。二.碳鋼的分類、牌號(hào)和用途 按質(zhì)量分:1. 碳素結(jié)構(gòu)鋼，表2 32. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼表2 43.工

6、具鋼表2 5§5鋼的熱處理一. 熱處理的概念將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的一 種工藝方法。圖 2 18二. 鋼的熱處理機(jī)理1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變圖a. 轉(zhuǎn)變溫度，圖2 19b. A的形成，圖2 20c. A晶粒大小2. A冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變a. 等溫轉(zhuǎn)變，圖 2 22b. 連續(xù)轉(zhuǎn)變圖2 24三. 鋼的熱處理方法1. 鋼的退火：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻（隨爐冷卻）， 以接近相圖中的組織的熱處理工藝稱為退火。目的：降低鋼的硬度，便于切削加工；消除內(nèi)應(yīng)力，防止鋼件的變形與開裂；改善組織，細(xì)化晶粒；為淬火作好組織準(zhǔn)備。方法：完全退火；球化退火；去應(yīng)

7、力退火。2. 鋼的正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050 C,保溫一段時(shí)間后在空氣 中冷卻的熱處理工藝稱為正火。目的：同退火，但組織教細(xì)，硬度和強(qiáng)度有所提高，消除內(nèi)應(yīng)力不如退火，生產(chǎn)周期短，冷卻時(shí)不占用設(shè)備。3. 鋼的淬火：將鋼加熱到Ac3或Aci以上3050C,保溫一段時(shí)間，然后以大 于臨界冷卻速度的速度冷卻，從而獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。目的：提高鋼的硬度。淬火溫度：亞共析鋼淬火加熱溫度， Ac3以上3050 C；過共析鋼淬火加熱溫 度為 Ac1以上3050C。淬火冷卻介質(zhì)： 水，510 %的鹽水冷卻能力較強(qiáng)；油，機(jī)油、變壓器油等。淬火方法：?jiǎn)我捍慊?、雙液淬火。4. 鋼的回

8、火：將淬火后的鋼件，重新加熱到Ai以下某一溫度，保溫一定時(shí)間， 然后冷卻至室溫的熱處理工藝稱為回火。目的：減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力；使鋼件的強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性適當(dāng)配合，獲得需要的機(jī)械性能；穩(wěn)定鋼件的尺寸和形狀。種類：低溫回火，回火馬氏體；中溫回火，回火屈氏體；彈性極限高。高溫回火，回火索氏體。淬火加高溫回火生產(chǎn)上稱為調(diào)質(zhì)處理。5. 鋼的表面淬火：將零件表面以極快的速度加熱到臨界溫度以上，而心部受熱 較少還來不及達(dá)到臨界溫度，立即快速冷卻，使表層獲得馬氏體，心部仍保持淬火前的組織。目的：提高零件表層的硬度和耐摩性。方法：感應(yīng)加熱，p31圖225;火焰加熱。6. 鋼的化學(xué)熱處理：將鋼件放入某種介質(zhì)

9、中， 加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間， 使介質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)，分解出某一種或幾種元素的活性原子滲入零件表層，改變零件表層的化學(xué)成分和組織，從而使零件獲得所需工作性能的熱處理方法。種類：鋼的滲碳，鋼的滲氮，鋼的氰化。§6合金鋼一. 合金鋼的概念在鋼中特意加入一種或幾種合金元素，以改善鋼的性能所得到的鋼稱為合金鋼。二. 合金元素的作用1提高鋼的機(jī)械性能2改善鋼的熱處理性能3使鋼獲得特殊性能三. 合金鋼的分類、編號(hào)和用途合金鋼按用途分為：1. 合金結(jié)構(gòu)鋼：普通低合金鋼；滲碳鋼；調(diào)質(zhì)鋼；彈簧鋼；滾動(dòng)軸承鋼。2. 合金工具鋼3. 特殊性能鋼：不銹鋼，耐熱鋼。§鑄鐵一.鑄鐵的一般概念1.

10、鑄鐵的定義：含碳量大于2.11%的鐵碳合金，并含有硅錳和少量磷和硫。2. 特點(diǎn)：有良好的鑄造性、耐磨性、切削加工性且價(jià)格低廉；塑性、韌性差， 強(qiáng)度低。3扮類石墨化的概念：C以石墨形式析出的現(xiàn)象。按碳在鑄鐵中的狀態(tài)分為：白口鑄鐵：C少量溶于F,多數(shù)以Fe3C形式存在，斷口白亮硬而無法加工, 煉鋼原料?；铱阼T鐵：C大部或全部以自由狀態(tài)的片狀石墨析出。可鍛鑄鐵：白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火，C大部或全部以團(tuán)絮狀存在。球墨鑄鐵：C大部或全部以自由狀態(tài)的球狀石墨存在。4. 影響石墨化的因素：化學(xué)成分和冷卻速度。P36圖226二.常用鑄鐵1. 灰口鑄鐵特點(diǎn)：強(qiáng)度（抗拉、疲勞）、塑性都比鋼低，韌性差；鑄造性能

11、好，流動(dòng)性好， 收縮率小，耐磨性好，切削加工性好，減震性好，缺口敏感性低。種類：鐵素體灰口鑄鐵、珠光體灰口鑄鐵、鐵素體和珠光體灰口鑄鐵。2. 可鍛鑄鐵特點(diǎn)：強(qiáng)度比灰口鑄鐵高，鑄造性能比鋼好；對(duì)原材料要求嚴(yán)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)， 成本高。種類：黑心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵。3球墨鑄鐵球化處理：鐵水出爐時(shí)加入少量球化劑和墨化劑，使石墨呈球狀析出。特點(diǎn)：屈服強(qiáng)度高，同時(shí)具有灰口鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)，疲勞強(qiáng)度比灰口鑄鐵高，耐 磨性比灰口鑄鐵好，優(yōu)于表面淬火鋼，經(jīng)濟(jì)上比鋼便宜，熱處理工藝性比灰口鑄鐵高，沖擊韌性比灰高比鋼差；收縮率大，對(duì)原鐵水成分要求嚴(yán)格，減震能 力不如灰。§8有色金屬及其合金.鋁和鋁合金1純鋁比重小，導(dǎo)電導(dǎo)熱好，塑性好，耐腐蝕，強(qiáng)度低。2鋁合金：形變鋁合金和鑄造鋁合金p39圖230。.銅和銅合金1.純銅導(dǎo)電導(dǎo)熱比鋁好，塑性好，耐蝕，強(qiáng)度低，價(jià)格高。2.銅合金a潢銅.黃銅：銅和鋅的合金