第2章_機械工程常用材料及鋼熱處理

1、精密機械設(shè)計基礎(chǔ)機械工機械工程材料程材料金金屬屬材材料料非非金金屬屬材材料料黑色金屬黑色金屬鋼鋼有色金屬有色金屬鑄鐵鑄鐵合金鋼合金鋼無機非金屬材料無機非金屬材料有機有機材料材料塑料塑料橡膠橡膠陶瓷陶瓷合成纖維合成纖維鋁合金鋁合金銅合金銅合金其他有色合金其他有色合金 機械工程材料機械工程材料精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)拉伸試驗機拉伸試驗機精密機械設(shè)計基礎(chǔ)低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ) 單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標距表示以試樣的原始標距表示:

2、: L L伸長量伸長量(mm )(mm ) = = L L 0 0原始長度原始長度( mm)( mm)(2)(2)應(yīng)變應(yīng)變 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)bse(3)(3)應(yīng)力應(yīng)變曲線（應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - - 曲線）曲線）: :應(yīng)應(yīng)力力與與應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線精密機械設(shè)計基礎(chǔ)不不同同材材料料的的拉拉伸伸曲曲線線精密機械設(shè)計基礎(chǔ)0SF應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值的比值, ,表示材料抵抗彈性變表示材料抵抗彈性變形的能力。即：形的能力。即： E= / E= / 剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)強度

3、強度: : 材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。的能力。種類種類: : 1 1 抗拉強度抗拉強度 2 2 抗壓強度抗壓強度 3 3 抗彎強度抗彎強度 4 4 抗剪強度抗剪強度 5 5 抗扭強度抗扭強度精密機械設(shè)計基礎(chǔ) F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N)b = ( M Pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)bse精密機械設(shè)計基礎(chǔ)Fs試樣屈服時的載荷試樣屈服時的載荷( N ) 產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值。產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值。s精密機械設(shè)計基礎(chǔ) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0F0.2 試樣

4、產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷殘余塑性變形時的載荷(N)0.2精密機械設(shè)計基礎(chǔ) S0 - S 1 = 100% S0 塑性是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而塑性是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。不被破壞的能力。(1)斷面收縮率斷面收縮率: 是指試樣拉斷處橫截面積的是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量收縮量 S與原始橫截面積與原始橫截面積S0之比。之比。精密機械設(shè)計基礎(chǔ) l 1 - l0 = 100% l0精密機械設(shè)計基礎(chǔ)1 布氏硬度布氏硬度HB是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。硬度是各種零件和工具必需具備的力學性能硬度是各種零件

5、和工具必需具備的力學性能指標指標, ,常作為技術(shù)要求標注在零件工作圖上。常作為技術(shù)要求標注在零件工作圖上。常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法: :2 2 洛氏硬度洛氏硬度HRHR3 3 維氏硬度維氏硬度HVHV精密機械設(shè)計基礎(chǔ)布氏硬度計布氏硬度計 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)適用范圍適用范圍: :450HBS;精密機械設(shè)計基礎(chǔ)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛洛氏氏硬硬度度計計精密機械設(shè)計基礎(chǔ)適用范圍適用范圍: 測量薄板類測量薄板類 ; HVHBS ;精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ) P S精密機械設(shè)計基礎(chǔ) Mn脫氧、去硫，提高鋼的強度和硬度。脫氧、去硫，提高鋼的強度和硬度

6、。2)有益元素有益元素精密機械設(shè)計基礎(chǔ)Q 235 A F沸騰鋼沸騰鋼A等級等級235 MPa屈服強度屈服強度2) 碳素鋼的編號及用途碳素鋼的編號及用途質(zhì)量等級脫氧方法精密機械設(shè)計基礎(chǔ)* * 較高錳質(zhì)量分數(shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼較高錳質(zhì)量分數(shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 45Mn - Wc = 45%; WMn = 0.7%1.0%3) 3) 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼精密機械設(shè)計基礎(chǔ)T 12 A高級優(yōu)質(zhì)高級優(yōu)質(zhì) Wc = 12 % %碳素工具鋼碳素工具鋼4) 4) 碳素工具鋼碳素工具鋼精密機械設(shè)計基礎(chǔ)ZG 200 - 400b 400MPas 200MPa鑄鋼鑄鋼4) 4) 鑄造碳鋼鑄造碳鋼精密機械設(shè)計基礎(chǔ)2 合金鋼

7、合金鋼1) 1) 定義定義合金鋼是冶煉時人為的在鋼中加入一些合金合金鋼是冶煉時人為的在鋼中加入一些合金元素所形成的鋼，這些元素包括錳、硅、鎳、元素所形成的鋼，這些元素包括錳、硅、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、稀土元素。鉬、鎢、釩、鈦、鈮、稀土元素。2) 2) 根據(jù)加入合金元素總量分為根據(jù)加入合金元素總量分為(1)(1)低合金鋼低合金鋼( (合金總量小于合金總量小于5%)5%)(2)(2)中合金鋼中合金鋼( (合金總量合金總量5%10%)5%10%)(3)(3)高合金鋼高合金鋼( (合金總量大于合金總量大于10%)10%)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)1.化學成分化學成分: 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 + 合金元素合金元

8、素屈服強度屈服強度普通低合金鋼成分和牌號：普通低合金鋼成分和牌號：精密機械設(shè)計基礎(chǔ)壓力容壓力容器器南京長江大南京長江大橋橋萬噸遠洋輪萬噸遠洋輪 普通低合金鋼用途：普通低合金鋼用途：精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鑄鐵鑄鐵精密機械設(shè)計基礎(chǔ)灰口鑄鐵灰口鑄鐵精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)2) 性能精密機械設(shè)計基礎(chǔ)灰口鑄鐵牌號灰口鑄鐵牌號b精密機械設(shè)計基礎(chǔ)1 銅銅精密機械設(shè)計基礎(chǔ)1 銅合金銅合金定義定義 : : 除黑色金屬除黑色金屬 ( ( 鋼、鐵鋼、鐵 ) ) 以外的所有金以外的所有金屬。屬。 銅及銅合金鋁及鋁合金銅及銅合金鋁及鋁合金 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)銅合金：銅合金：1) 黃銅黃銅 、2) 青銅青銅1)1)普通黃

9、銅普通黃銅 黃銅是銅和鋅的合金，黃銅中鋅含量在黃銅是銅和鋅的合金，黃銅中鋅含量在20%40%20%40%左右。左右。 黃銅具有優(yōu)良的機械加工性能和良好的防黃銅具有優(yōu)良的機械加工性能和良好的防腐性，可以鑄造，也可以鍛造。腐性，可以鑄造，也可以鍛造。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)( Z ) H 90含銅量含銅量 WCu = 90%黃銅黃銅鑄造鑄造2) 2) 黃銅的牌號黃銅的牌號精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)v金獎黃銅金獎黃銅 - H90v彈殼黃銅彈殼黃銅 -H70 ( H68 )v日用黃銅日用黃銅 -H62 ( H59 )法蘭閥法蘭閥閘閥閘閥冷凝器管冷凝器管3) 3) 常用的黃銅常用的黃銅精密機械設(shè)計基礎(chǔ)H

10、Al 59 - 3含鋁量含鋁量WAl = 3%含銅量含銅量WCu = 59%青銅青銅精密機械設(shè)計基礎(chǔ)Z Q Sn10 1 其它合金元其它合金元素含量為素含量為1%主加元素錫其含主加元素錫其含量為量為WSn = 10%青銅青銅鑄造鑄造錫錫青青銅銅表表示示方方法法3) 3) 普通青銅普通青銅 ( ( 錫青銅錫青銅 ) )普通青銅普通青銅 ( ( 錫青銅錫青銅 ) ) 特殊青銅特殊青銅 ( ( 無錫青銅無錫青銅 ) ) 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)特殊青銅特殊青銅( (無錫青銅無錫青銅) )3) 3) 特殊青銅特殊青銅精密機械設(shè)計基礎(chǔ)2 2 鋁及鋁合金鋁及鋁合金3)3)純鋁的牌號：純鋁的牌號：按鋁的純度來編制，

11、如按鋁的純度來編制，如10601060表示表示99.6%99.6%鋁合金：鋁合金：形變鋁合金、鑄造鋁合金形變鋁合金、鑄造鋁合金精密機械設(shè)計基礎(chǔ)形變鋁合金形變鋁合金精密機械設(shè)計基礎(chǔ)飛機翼梁飛機翼梁( (腹板為硬鋁合金腹板為硬鋁合金) )飛機主起落架飛機主起落架精密機械設(shè)計基礎(chǔ)壓氣機葉片壓氣機葉片精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)(1)(1)熱塑性塑料熱塑性塑料 聚乙烯聚乙烯(PE)(PE) 按生產(chǎn)工藝不同，分為高壓聚乙烯、中壓聚乙烯和低壓聚乙烯。高壓聚乙烯化學穩(wěn)定性高，柔軟性、絕緣性、透明性、耐沖擊性好，宜吹塑成薄膜、軟管、瓶等。低壓

12、聚乙烯質(zhì)地堅硬，耐磨性、耐蝕性、絕緣性好，適宜制作化工用管道、槽，電線、電纜包皮，承載小的齒輪、軸承等；又因其無毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)普通陶瓷普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷，其原料是天然的硅酸又稱傳統(tǒng)陶瓷，其原料是天然的硅酸鹽產(chǎn)物，如粘土、長石、石英等。這類陶瓷又鹽產(chǎn)物，如粘土、長石、石英等。這類陶瓷又稱硅酸鹽陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、絕稱硅酸鹽陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、絕緣陶瓷、化工陶瓷等。緣陶瓷、化工陶瓷等。 特種陶瓷特種陶瓷又稱近代陶瓷，其原料是人工合成

13、又稱近代陶瓷，其原料是人工合成的金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼的金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特種陶瓷具有一些獨特的性能，可滿化物等。特種陶瓷具有一些獨特的性能，可滿足工程結(jié)構(gòu)的特殊需要。足工程結(jié)構(gòu)的特殊需要。1 1 陶瓷的分類陶瓷的分類 按原料不同，陶瓷分為按原料不同，陶瓷分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷；按用途不同分為按用途不同分為日用陶瓷日用陶瓷和和工業(yè)陶瓷工業(yè)陶瓷。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)復合材料的性能第三節(jié)第三節(jié) 工業(yè)常用鋼鐵材料工業(yè)常用鋼鐵材料精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)時間溫度臨界溫度臨界溫度 熱熱加加保溫保溫冷冷 卻卻1 1 熱處理的

14、定義熱處理的定義精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)一般零件生產(chǎn)的工藝路線一般零件生產(chǎn)的工藝路線:精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鋼的退火鋼的退火1 )定義定義: 把零件加溫到把零件加溫到臨界溫度以上臨界溫度以上 3050,保溫一段時間保溫一段時間,然后然后 隨爐冷卻隨爐冷卻。 2 )目的目的: 消除應(yīng)力消除應(yīng)力;降低硬度降低硬度;細化晶細化晶 粒粒;均勻成分均勻成分;為最終熱處理為最終熱處理 作好組織準備。作好組織準備。 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)3) 種類種類退火退火重結(jié)晶重結(jié)晶退退 火火低溫低溫退火退火完全退火完全退火擴散退火擴散退火球化退火球化退火再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火普通退火普通退火等溫退火等溫

15、退火普通球化普通球化 退退 火火等溫球化等溫球化 退退 火火第四節(jié)第四節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鋼的正火鋼的正火1 )定義定義: 把零件加溫到把零件加溫到臨界溫度以上臨界溫度以上 3050,保溫一段時間保溫一段時間,然后然后 在空氣中冷卻在空氣中冷卻。 2 )目的目的: 消除應(yīng)力消除應(yīng)力;調(diào)整硬度調(diào)整硬度;細化晶粒細化晶粒;均勻成分均勻成分;為最終熱處理為最終熱處理 作好組織準備。作好組織準備。3 ）應(yīng)用范圍）應(yīng)用范圍: 1.預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理:調(diào)整低、中碳鋼的硬調(diào)整低、中碳鋼的硬 度度;消除過共析鋼中的消除過共析鋼中的Fe3C。 2.最終熱處理最終熱處理:用于力學性能要求不用

16、于力學性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鋼的淬火鋼的淬火1)定義定義: 把零件加溫到把零件加溫到臨界溫度以上臨界溫度以上 30 50,保溫一段時間保溫一段時間,然然 后后快速冷卻快速冷卻 ( 常用水冷常用水冷 )。 2)目的目的: 為了獲得馬氏體組織為了獲得馬氏體組織,提高鋼提高鋼 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鋼的回火鋼的回火1) 定義定義: 把把淬火后淬火后的零件重新加溫到的零件重新加溫到 A1線以下某個溫度線以下某個溫度,保溫一段保溫一段 時間時間,然后冷卻到窒溫。然后冷卻到窒溫。 2) 目的目的: 消除淬火應(yīng)力消除淬火應(yīng)力,降低脆性降低脆性;

17、穩(wěn)定穩(wěn)定 工件尺寸工件尺寸;調(diào)整淬火零件的力調(diào)整淬火零件的力 學性能。學性能。 淬火淬火 + 高溫回火高溫回火 = 調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鋼的表面熱處理工藝鋼的表面熱處理工藝 表面淬火表面淬火 化學熱處理化學熱處理工藝的核心工藝的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韌表硬里韌” 的力學性能。的力學性能。精密機械設(shè)計基礎(chǔ) 表面淬火表面淬火1) 定義定義:是一種是一種不改變鋼表層化學成不改變鋼表層化學成 分分,但改變表層組織但改變表層組織的局部熱的局部熱 處理工藝。處理工藝。2) 工藝特征工藝特征:通過快速加熱使鋼的表通過快速加熱使鋼的表 層奧氏體化層奧氏體化,然后急冷然后急冷,使表層使表

18、層 形成馬氏體組織形成馬氏體組織,而心部仍保而心部仍保 持不變。持不變。 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)3)表面淬火用鋼表面淬火用鋼: 選用選用中碳中碳或或中碳低合金鋼中碳低合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。等。4)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱( 高、中、工頻高、中、工頻 )、火火 焰加熱焰加熱、電接觸加熱法等。、電接觸加熱法等。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)1 1 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火1)感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱的基本原理:* 感應(yīng)電流感應(yīng)電流 - 渦流渦流* 集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)*淬火層深度淬火層深度()與電流頻率與電流頻率( f )的關(guān)系的關(guān)系: = 500 / f

19、（mm） 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)感應(yīng)加熱表面淬火示意圖感應(yīng)加熱表面淬火示意圖集膚效應(yīng)示意圖集膚效應(yīng)示意圖精密機械設(shè)計基礎(chǔ)2)工藝要求工藝要求: * 表面淬火前表面淬火前,必須對零件進行必須對零件進行正火正火 或調(diào)質(zhì)處理或調(diào)質(zhì)處理,以保證零件有良好的以保證零件有良好的 基體?；w。 * 表面淬火后表面淬火后,必須對零件進行必須對零件進行低溫低溫 回火處理回火處理,以降低淬火應(yīng)力和脆性。以降低淬火應(yīng)力和脆性。3)生產(chǎn)特點生產(chǎn)特點: 淬火件的質(zhì)量好淬火件的質(zhì)量好; 工件變工件變 形小形小;不易氧化及脫碳不易氧化及脫碳;淬火層容易淬火層容易 控制控制;生產(chǎn)率高。設(shè)備投資大生產(chǎn)率高。設(shè)備投資大,不適不適 于復

20、雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。于復雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火1)火焰加熱表面淬火的基本方法火焰加熱表面淬火的基本方法精密機械設(shè)計基礎(chǔ)2)火焰加熱表面淬火的特點火焰加熱表面淬火的特點: :*設(shè)備簡單設(shè)備簡單, 操作方便操作方便, 成本低。成本低。*淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。*適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)化學熱處理化學熱處理1) 定義定義:將零件置于一定的化學介質(zhì)將零件置于一定的化學介質(zhì) 中中 , 通過加熱、保溫通過加熱、保溫,使介質(zhì)使介質(zhì) 中一種或幾種元素原子滲入中一種或幾種元素原子滲入 工件表

21、層工件表層,以以改變鋼表層的化改變鋼表層的化 學成分和組織學成分和組織的熱處理工藝。的熱處理工藝。 精密機械設(shè)計基礎(chǔ) 2) 化學熱處理的基本過程化學熱處理的基本過程:(2)吸收吸收: 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸收和溶 解。解。(3)擴散擴散: 活性原子由零件表面向內(nèi)部擴活性原子由零件表面向內(nèi)部擴 散散, 形成一定的擴散層形成一定的擴散層。(1)分解分解: 化學介質(zhì)在高溫下釋放出待滲化學介質(zhì)在高溫下釋放出待滲 的的活性原子活性原子。 2CO CO2 +C精密機械設(shè)計基礎(chǔ) 化學熱處理的種類化學熱處理的種類: 滲碳滲碳; 滲氮滲氮; 碳氮碳氮 共滲共滲; 滲硼滲硼; 滲鋁滲鋁;

22、滲硫滲硫; 滲硅滲硅; 滲鉻等。滲鉻等。精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)鋼的滲氮鋼的滲氮精密機械設(shè)計基礎(chǔ)越王勾踐劍越王勾踐劍精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)精密機械設(shè)計基礎(chǔ)電鍍原理電鍍原理: :將直流電流的正負極分別用導線連接到鍍將直流電流的正負極分別用導線連接到鍍槽的陰、陽極上，當直流電通過兩電極及兩極間含金槽的陰、陽極上，當直流電通過兩電極及兩極間含金屬離子的電解液時，電鍍液中的陰、陽離子由于受到屬離子的電解液時，電鍍液中的陰、陽離子由于受到電場作用，發(fā)生有規(guī)則的移動，陰離子移向陽極，陽電場作用，發(fā)生有規(guī)則的移動，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極，這種現(xiàn)象叫離子移向陰極，這種現(xiàn)象叫“電遷移電遷移”。此時，金屬。此時，金屬離子在陰極上還原沉積成鍍層，而陽極氧化將金屬轉(zhuǎn)離子在陰極上還原沉積成鍍層，而陽極氧化將金屬轉(zhuǎn)移為離子。當然，離子的移動除電遷移外，還可以通移為離子。當然，離子的移動除電遷移外，還可以通過對流和擴散遷移。