機(jī)械基礎(chǔ)-學(xué)做一體化 課件 任務(wù)一 工程材料的選用

任務(wù)一工程材料的選用1.1金屬材料的力學(xué)性能1.2鋼的熱處理1.3常用金屬材料1.4材料選用的原則和方法

1.1金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性，稱為力學(xué)性能。它主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。

1.強(qiáng)度

金屬材料抵抗塑性變形(永久變形)和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。抵抗能力越大，則強(qiáng)度越高。

測定強(qiáng)度高低的方法通常用試驗(yàn)法，其中拉伸試驗(yàn)應(yīng)用最普遍。如圖1-1所示為低碳鋼的拉伸曲線，試樣在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。常用的強(qiáng)度判據(jù)有抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs。其中，屈服強(qiáng)度為選用塑性材料的重要依據(jù)，抗拉強(qiáng)度為選用脆性材料的重要依據(jù)。圖1-1低碳鋼的拉伸曲線

2.塑性

塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆的永久變形的能力。塑性較好的金屬材料便于進(jìn)行壓力加工。

判斷金屬材料塑性好壞的主要判據(jù)有斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ。如圖1-2所示為拉伸試樣，l0、l1分別為試樣的原始長度和被拉斷后的長度，d0、d1分別為標(biāo)距內(nèi)試樣的原始直徑和斷口處直徑。圖1-2拉伸試樣

3.硬度

硬度是指金屬材料抵抗局部變形，尤其是局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，也可以從一定程度上反映材料的綜合力學(xué)性能。材料的硬度可通過硬度試驗(yàn)來測定。常用的硬度試驗(yàn)方法有布氏測試法、洛氏測試法、維氏測試法和里氏測試法，其中前兩種方法應(yīng)用較廣泛。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，布氏硬度值既不用計(jì)算，又不用標(biāo)注單位，只需測出壓痕直徑D?(見圖1-3)?后，再查壓痕直徑與布氏硬度對照表即可。圖1-3布氏硬度測試法

4.沖擊韌性

擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程中常用沖擊韌度值aK的大小表示材料沖擊韌性的好壞，aK值越大，金屬抵抗沖擊的能力越強(qiáng)。測定沖擊韌性最常用的沖擊試驗(yàn)是飛擺錘式一次性沖擊試驗(yàn)，其工作原理如圖1-4所示。

圖1-4沖擊試驗(yàn)

5.疲勞強(qiáng)度

許多零件工作時(shí)其內(nèi)部都存在著變應(yīng)力，如果這種變應(yīng)力做周期性變化，則稱之為循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力。

某金屬材料的疲勞曲線如圖1-5所示。圖1-5疲勞曲線

1.2鋼?的?熱?處?理

鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理是改善鋼材性能的重要工藝措施，它不僅可提高機(jī)械零件的使用性能，還可用于改善鋼材的工藝性能。

熱處理的方法雖然很多，但任何熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成的，只是在工藝要素(溫度、時(shí)間)上有所區(qū)別。因此，熱處理工藝通常采用如圖1-6所示的以溫度和時(shí)間為坐標(biāo)的工藝曲線來表示。鋼的加熱是熱處理的第一道工序，其主要目的是使鋼轉(zhuǎn)變成均勻的奧氏體，為后續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變做好組織準(zhǔn)備。圖1-7表示不同成分的鋼在加熱與冷卻時(shí)相變臨界點(diǎn)的位置。圖1-6熱處理工藝曲線圖1-7鋼在加熱(冷卻)時(shí)的相變臨界點(diǎn)

1.2.1鋼的退火與正火

退火與正火是鋼的基本熱處理工藝之一，其目的主要在于消除鋼材經(jīng)熱加工所引起的某些缺陷，或者為以后的加工做好準(zhǔn)備，故稱為預(yù)備熱處理。

1.退火

將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為退火。退火工藝的主要特點(diǎn)是緩慢冷卻。退火的主要目的是：

(1)降低硬度，提高塑性。

(2)細(xì)化晶粒，消除組織缺陷。

(3)消除內(nèi)應(yīng)力。

2.正火

正火是把工件加熱到Ac3或Ac1以上30～50℃，然后在空氣中冷卻的工藝。與退火相比，正火冷卻速度稍快，因此正火后的組織比較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火高一些。生產(chǎn)中常用正火來改善低碳鋼的切削加工性能。對于力學(xué)性能要求不太高的普通零件，可考慮采用正火處理作為最終熱處理。

各種退火與正火的工藝曲線如圖1-8所示。圖1-8各種退火、正火工藝曲線

1.2.2鋼的淬火

淬火是將鋼件加熱到相變點(diǎn)Ac3或Ac1以上30～50℃，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻，獲得馬氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝。淬火是強(qiáng)化鋼鐵零件最重要的熱處理方法。

1.淬火的目的

淬火的主要目的是使鋼件得到馬氏體(或貝氏體)組織，零件通過適當(dāng)回火，獲得所需要的使用性能。

2.淬火的方法及其應(yīng)用

為了保證鋼淬火后得到馬氏體，同時(shí)又防止鋼件產(chǎn)生變形和開裂，應(yīng)選擇合適的淬火方法。常用的淬火方法如圖1-9所示。圖1-9常用淬火方法示意圖

(1)單液淬火(圖1-9中的①)：操作簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是水淬變形開裂傾向大，油淬冷卻速度小，容易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻現(xiàn)象。

(2)雙液淬火(圖1-9中的②)：其優(yōu)點(diǎn)在于能將兩種不同冷卻能力介質(zhì)的長處結(jié)合起來，既可保證獲得馬氏體組織，又可減小淬火應(yīng)力，防止工件的變形與開裂。雙液液火的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確控制工件由第一種介質(zhì)轉(zhuǎn)入第二種介質(zhì)時(shí)的溫度。

(3)分級(jí)淬火(圖1-9中的③)：主要用于形狀復(fù)雜、尺寸較小的零件。

(4)等溫淬火(圖1-9中的④)：產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力很小，工件不容易變形與開裂，常用于形狀復(fù)雜，尺寸要求精確，強(qiáng)度、韌性要求較高的小型工件，如各種模具、成形刃具和彈簧等。

1.2.3回火

將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。它是緊接淬火的熱處理工序。

1.回火的目的

回火的目的是減少內(nèi)應(yīng)力；穩(wěn)定組織，使工件形狀、尺寸穩(wěn)定；調(diào)整組織，消除脆性，以獲得工件所需要的使用性能。

2.回火的方法及其應(yīng)用

(1)低溫回火(150～250℃)：回火后的硬度一般為58～64?HRC。低溫回火的主要目的是降低工件內(nèi)應(yīng)力，減少脆性，保持淬火后的高硬度和高耐磨性。

(2)中溫回火(350～500℃)：中溫回火后的硬度為35～50?HRC。其目的是獲得較高的彈性極限和屈服點(diǎn)，并保持一定的韌性。

(3)高溫回火(500～650℃)(調(diào)質(zhì)處理)：高溫回火后的硬度一般為220～330?HBW。通常將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性都較好的綜合力學(xué)性能。

1.2.4鋼的表面熱處理

表面熱處理又分為兩類：一類是只改變表面組織而不改變表面化學(xué)成分的熱處理工藝，稱之為表面淬火；另一類是同時(shí)改變表面化學(xué)成分及組織的熱處理工藝，稱之為化學(xué)熱處理。

1.鋼的表面淬火

表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而中心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。它是通過快速加熱，使鋼件表面層很快達(dá)到淬火溫度，在熱量來不及傳到中心時(shí)就立即迅速冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火。常用的表面淬火有感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。

(1)感應(yīng)加熱表面淬火：在一個(gè)感應(yīng)圈中通過一定頻率的交流電，在感應(yīng)圈周圍就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率相同的交變磁場，將工件置于磁場中，它就會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)圈頻率相同、方向相反的封閉的感應(yīng)電流，這個(gè)電流叫作渦流，它主要集中分布在工件表面。如圖1-10所示，感應(yīng)加熱表面淬火是依靠感應(yīng)電流的熱效應(yīng)，使工件表層在幾秒內(nèi)快速加熱到淬火溫度，然后立即冷卻，達(dá)到表面淬火的目的。圖1-10感應(yīng)加熱表面淬火示意圖

(2)火焰加熱表面淬火：應(yīng)用氧—乙炔或其他可燃?xì)獾幕鹧鎸ぜ砻孢M(jìn)行加熱，然后快速冷卻的淬火工藝(見圖1-11)。圖1-11火焰加熱表面淬火示意圖

2.鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理的基本過程：活性介質(zhì)在一定溫度下通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分解，形成滲入元素的活性原子；活性原子被工件表面吸收；被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定深度的滲層。

(1)鋼的滲碳：滲碳是將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的熱處理工藝(見圖1-12)。圖1-12氣體滲碳示意圖

(2)鋼的滲氮：滲氮是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。滲氮又叫作氮化，其目的是提高工件表層的硬度、耐磨性、紅硬性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。

滲氮主要適用于表面要求耐磨、耐高溫、耐腐蝕的精密零件，如精密齒輪、精密機(jī)床主軸、氣缸套、閥門等。

(3)鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是碳、氮原子同時(shí)滲入工件表面的一種化學(xué)熱處理工藝。這種工藝是滲碳與滲氮的綜合，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)。目前生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的有碳氮共滲(以滲碳為主)和氮碳共滲(以滲氮為主)兩種方法。前者主要用于低碳及中碳結(jié)構(gòu)鋼零件，如汽車和機(jī)床上的各種齒輪、蝸輪、蝸桿和軸類零件等；后者常用于模具、量具、刃具和小型軸類零件。

1.3常用金屬材料

1.3.1工業(yè)用鋼鋼是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%以下，并含有其他元素的鐵碳合金。

1.鋼的分類1)按化學(xué)成分分類(1)碳素鋼：按含碳量可分為低碳鋼(wC?<?0.25%)、中碳鋼(wC?=?0.25%～0.6%)和高碳鋼(wc?>?0.6%)。

(2)合金鋼：按合金元素含量可分為低合金鋼(wMe?<?5%)、中合金鋼(wMe?=?5%～10%)和高合金鋼(wMe?>?10%)。

2)按用途分類

(1)結(jié)構(gòu)鋼：主要有工程結(jié)構(gòu)用鋼和機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼。

(2)工具鋼：可分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。

(3)特殊性能鋼：主要有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。

2.結(jié)構(gòu)鋼

1)碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%～0.38%，鋼中含有較多的有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物，但性能上能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件的要求，因而應(yīng)用較廣。它通常被軋制成鋼板或各種型材(圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋鋼)。

表1.1為碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能及其用途。由表1.1可看出，Q195、Q215、Q235、Q255為低碳鋼，Q275為中碳鋼，其中Q235因碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及力學(xué)性能居中，故最為常用。

2)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成的。其性能特點(diǎn)是具有較高的屈服強(qiáng)度與良好的塑性和韌性，并具有良好的焊接性和較好的耐蝕性。

低合金結(jié)構(gòu)鋼一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，被廣泛用于橋梁、船舶、車輛、建筑、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道等。幾種低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能及其用途見表1.2。

3)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造機(jī)械零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍。屬于沸騰鋼的在數(shù)字后加標(biāo)“F”，未標(biāo)F的都是鎮(zhèn)靜鋼。例如：45表示wC?=?0.45%的鎮(zhèn)靜鋼；08F表示wC?=?0.08%的沸騰鋼。表1.3為常用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能及其用途。

4)合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用“兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字”表示。兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍，元素符號(hào)代表鋼中含的合金元素，其后面的數(shù)字表示該元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百倍。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在牌號(hào)后加A。

合金調(diào)質(zhì)鋼屬于中碳合金鋼，要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后才能使用，調(diào)質(zhì)后還可進(jìn)行表面淬火或化學(xué)熱處理。合金調(diào)質(zhì)鋼的綜合力學(xué)性能較好，淬透性好，切削加工性好，更適合在工作中受力大、易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的重要零件。

常用合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)、性能及其應(yīng)用見表1.4。

3.工具鋼

1)碳素工具鋼

碳素工具鋼是一種高碳優(yōu)質(zhì)鋼，有害雜質(zhì)含量少，經(jīng)淬火和低溫回火后硬度高(不小于62?HRC)，耐磨性好。但因其熱硬性(又稱紅硬性，即在高溫下保持高硬度的性能)很差，當(dāng)溫度超過250℃后，硬度會(huì)急劇下降，故多用來制作在常溫下使用的低速工具、手動(dòng)工具、模具和耐磨零件等。

碳素工具鋼的牌號(hào)、性能及其用途見表1.5。隨著含碳量的增加，碳素工具鋼的硬度和耐磨性增加，但韌性和淬透性降低。

2)合金工具鋼

為了滿足工具、刃具、量具、模具對鋼材的某些特殊要求，可以在碳素工具鋼內(nèi)增加某些合金元素，制成合金工具鋼。合金工具鋼主要包括量具刃具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼等。其中9SiCr應(yīng)用最廣泛，多用來制造要求變形小的薄刃刀具，如板牙、絲錐、銑刀、鉸刀等。各種合金工具鋼的詳細(xì)情況可參閱有關(guān)資料。

3)高速工具鋼

高速工具鋼簡稱高速鋼。高速工具鋼從本質(zhì)上講也是一種合金工具鋼，但因其發(fā)展較早、應(yīng)用廣泛，故在此單獨(dú)列出。與量具刃具鋼相比，高速鋼除了具有更高的硬度、更好的耐磨性和韌性之外，最大的優(yōu)點(diǎn)是熱硬性好，即使在600℃高溫下工作，也能保證其硬度在60?HRC以上，多用來制造各種中速切削刀具。

常用合金工具鋼和高速工具鋼的牌號(hào)、成分、性能及其應(yīng)用見表1.6。

1.3.2鑄鐵

鑄鐵是一系列主要由鐵、碳、硅(Si)組成的合金。根據(jù)碳的存在形式不同，常將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵三大類。

1.灰鑄鐵

灰鑄鐵中的石墨大部分以層片狀存在于基體中，故灰鑄鐵的鑄造性能、可加工性、減振性、減摩性均較好，且價(jià)格低廉，但也存在著塑性差、韌性差、抗拉強(qiáng)度低、焊接性能較差等缺點(diǎn)，多用來制造固定設(shè)備的床身、形狀特別復(fù)雜或承受較大摩擦力的可批量生產(chǎn)的零件。灰鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及其應(yīng)用見表1.7。

2.球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的石墨是以球狀存在的，故球墨鑄鐵與灰鑄鐵相比具有強(qiáng)度高(與鋼差不多)、工藝要求高的特點(diǎn)，適宜做重要零件。球墨鑄鐵的牌號(hào)用“QT”(表示“球鐵”)和其后的兩組數(shù)字組成。兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長率，如QT600-3表示σb≥600MPa、δ≥3%的球墨鑄鐵。

1.4材料選用的原則和方法1.4.1零件的失效形式和選材原則1.機(jī)械零件的失效形式所謂失效是指機(jī)械零件在使用過程中，由于某種原因而喪失預(yù)定功能的現(xiàn)象。一般機(jī)械零件的失效形式有以下三類：(1)斷裂：包括靜載荷或沖擊載荷下的斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕破裂等。(2)表面損傷：包括過量磨損、接觸疲勞(點(diǎn)蝕或剝落)、表面腐蝕等。(3)過量變形：包括過量的彈性變形、塑性變形和蠕變等。

2.選材的基本原則

(1)材料的使用性能應(yīng)滿足零件的工作要求：使用性能是保證零件工作安全可靠、經(jīng)久耐用的必要條件。不同的機(jī)械零件要求材料的使用性能是不一樣的，這主