機械設(shè)計基礎(chǔ)（第2版） 課件 【ch2】工程材料與鋼的熱處理

單元二工程材料與鋼的熱處理“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材機械設(shè)計基礎(chǔ)（第2版）“十三五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材01材料的力學(xué)性能和工藝性能PARTONE2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性是力學(xué)性能。它的主要指標是強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。材料受外力作用時,會引起尺寸與形狀的改變,這種外力叫載荷(或稱負荷),尺寸和形狀的改變叫變形。載荷與變形的關(guān)系可用試驗的方法測定。拉伸試驗是測定材料靜態(tài)力學(xué)性能指標的常用方法。如圖2-1所示為低碳鋼的拉伸曲線。圖中的縱坐標表示載荷F,橫坐標表示變形量L。通過拉伸曲線可測定材料的強度與塑性。一、金屬材料的力學(xué)性能2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能1、強度強度是材料在載荷(外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。抵抗塑性變形和破壞的能力越大，則強度越高。（1）屈服點。將開始發(fā)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力,即開始出現(xiàn)塑性變形時的應(yīng)力，叫作屈服極限。（2）抗拉強度。抗拉強度是試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用

表示。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能2、塑性塑性是材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。材料斷裂前的塑性變形越大，表示它的塑性越好,反之則表示其塑性越差。常用的塑性指標是斷后伸長率和斷面收縮率。（1）斷后伸長率。斷后伸長率是指試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距的百分比,用

表示。（2）斷面收縮率。斷面收縮率是指試樣拉斷后,縮頸處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比,用符號表示。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能3、硬度硬度是指金屬材料抵抗局部變形,特別是塑性變形、壓痕或劃傷的能力。因此硬度也可以看作是材料對局部塑性變形的抗力。（1）布氏硬度及其測定。布氏硬度的測定是在布氏硬度試驗機上進行的，試驗原理如圖2-2所示。用符號HBS或HBW表示(壓頭為硬鋼球時用HBS，頭為硬質(zhì)合金球時用HBW)。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能3、硬度（2）洛氏硬度及其測定。洛氏硬度的測定是在洛氏硬度試驗機上進行的。它是以錐頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm(1/16in)的淬火鋼球為壓頭,以一定的載荷壓人被測金屬材料的表層,然后根據(jù)壓痕的深度來確定硬度值。在相同的試驗條件下,壓痕深度越小,則材料的硬度越高。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能3、硬度（3）維氏硬度及其測定。維氏硬度的試驗原理與布氏硬度基本相同,它是用頂角為136的四棱金剛石，在較小的載荷(壓力)F(常用50~1000N)作用下壓人被測材料表面，并按規(guī)定保持一定時間，然后用附在試驗計上的顯微鏡測量壓痕的對角線長度d，以痕單位表面積上所承受的壓力作為維氏硬度值，用符號HV表示。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能4、沖擊韌性沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷的作用下折斷時吸收變形能量的能力，常用沖擊吸取功或沖擊韌度來表示。沖擊韌性的測定方法是將被測材料制成標準缺口（V或U形）試樣，在沖擊試驗機上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷,試驗原理如圖2-3所示。沖擊韌度值就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，用akv(或aku)表示。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能5、疲勞強度疲勞是指在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下,在材料的一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然斷裂的過程。這種破壞稱為疲勞破壞(或疲勞斷裂)。疲勞強度是表示材料經(jīng)周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，其大小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對于鋼材，一般取循環(huán)次數(shù)N=10,對有色金屬取N10°為基數(shù)來確定材料的疲勞強度,稱為條件疲勞強度。2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能金屬材料的工藝性能是指金屬材料所具有的能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力，它是力學(xué)、物理、化學(xué)等性能的綜合表現(xiàn),包括鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性等。1、鑄造性。鑄造性是指金屬在鑄造生產(chǎn)中表現(xiàn)出的工藝性能,如流動性、收縮性、偏析性及吸氣性等。二、金屬材料的工藝性能2.1材料的力學(xué)性能和工藝性能2、鍛造性。鍛造性是指鍛造金屬材料的難易程度。3、焊接性。焊接性是指金屬材料對焊接成形的適應(yīng)性,也就是指在一定的焊接工藝條件下金屬材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。4、切削加工性。切削加工性是指金屬材料被切削加工的難易程度。二、金屬材料的工藝性能02常用工程材料PARTtwo2.2常用工程材料1、鑄鐵。鑄鐵是含碳質(zhì)量分數(shù)大于2.11%的鐵碳合金。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形態(tài)不同，鑄鐵可分為下列幾種：（1）白口鑄鐵。白口鑄鐵中碳幾乎全部以滲碳體()的形式存在。工業(yè)上很少直接用它來制造機械零件，而主要作為煉鋼的原料。它的斷口呈亮白色,稱為白口鑄鐵。（2）灰鑄鐵?；诣T鐵中的碳大部分或全部以片狀石墨的形式存在，斷口呈灰色，故稱為灰鑄鐵。表2-1所示為常用灰鑄鐵的牌號、力學(xué)性能及應(yīng)用。一、黑色金屬材料2.2常用工程材料1、鑄鐵。（3）球墨鑄鐵。球墨鑄鐵中的碳以球狀石墨形式存在。它是澆鑄前在熔化的鑄鐵中加人一定量的球化劑(稀土鎂合金)和孕育劑(硅鐵或硅鈣合金)獲得的。球墨鑄鐵常用于制造承受沖擊載荷的零件,如傳遞動力的齒輪、曲軸、連桿等。（4）可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵中的石墨呈團絮狀,它是由白口鑄鐵經(jīng)長時間高溫石墨化退火而得到的一種鑄鐵。由于它生產(chǎn)周期長,工藝復(fù)雜且成本高,已逐漸被球墨鑄鐵所取代。一、黑色金屬材料2.2常用工程材料2、碳素鋼。（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼通常為熱軋鋼板、型鋼、棒鋼等,可供焊接、鉚接、栓接一般工程構(gòu)件,大多不需進行熱處理而直接在供應(yīng)狀態(tài)下使用。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中只含有少量的有害雜質(zhì)硫和磷,既能保證鋼中的化學(xué)成分,又能保證其力學(xué)性能,因此質(zhì)量較高,可用于制造較重要的機械零件。一、黑色金屬材料2.2常用工程材料2、碳素鋼。（3）碳素工具鋼。碳素工具鋼含碳質(zhì)量分數(shù)在0.7%以上,屬于高碳鋼，適宜制作各種工具刃具、量具和模具。（4）鑄鋼。鑄鋼分為碳素鑄鋼和合金鑄鋼，一般情況下多用碳素鑄鋼，當(dāng)有特殊用途和特殊要求時可采用合金鑄鋼。鑄鋼主要用于承受重載、強度和韌性要求較高、形狀復(fù)雜的鑄件,如大型齒輪、水壓機機座等。一、黑色金屬材料2.2常用工程材料3、合金鋼。（1）合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號以“兩位數(shù)字十合金元素符號+數(shù)字”表示。合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)性能和用途的不同,可分為低合金鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼和滾動軸承鋼等。（2）合金工具鋼。合金工具鋼常用來制造各種刃具、量具和模具,因而對應(yīng)地就有刃具鋼、量具鋼和模具鋼。一、黑色金屬材料2.2常用工程材料3、合金鋼。（3）特殊性能合金鋼。特殊性能合金鋼是指具有特殊的物理、化學(xué)性能的一種高合金鋼。它主要包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和磁性鋼。一、黑色金屬材料1、銅與鋼合金。（1）純銅。純銅外觀呈紫紅色，又稱紫銅。二、有色金屬材料2.2常用工程材料1、銅與鋼合金。（2）黃銅。黃銅是銅(Cu)與鋅(Zn)的合金。它色澤美觀,具有良好的防腐性能及機械加工性能。（3）青銅除黃銅和白銅(銅錦合金)外,其余合金統(tǒng)稱為青銅。銅錫合金稱為錫青銅,其余青銅稱為無錫青銅。二、有色金屬材料2.2常用工程材料3、軸承合金。軸承合金是用來制造滑動軸承的特定材料。對軸承合金的要求是:摩擦系數(shù)小、耐磨性好、抗壓強度高、導(dǎo)熱性好等。（1）錫基軸承合金（錫基巴氏合金）。錫基軸承合金中含有錦和銅等元素。（2）鉛基軸承合金(鉛基巴氏合金)。鉛基軸承合金中含有錦、錫和銅等元素。二、有色金屬材料2.2常用工程材料1、塑料。塑料是一種以合成樹脂為主要成分,加上其他添加劑(如增強劑、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑等)組成的高分子有機化合物。按受熱后所表現(xiàn)的性能不同,塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料經(jīng)加熱后軟化并熔融成流動的黏稠液體，冷卻后即成型固化。熱固性塑料經(jīng)加熱后軟化,冷卻后成型固化，發(fā)生化學(xué)變化,再加熱時不再轉(zhuǎn)化(即變化是不可逆的),如酚醛、環(huán)氧、氨基塑料等。三、非金屬材料2.2常用工程材料2、橡膠。橡膠是一種天然的或人工合成的高聚物的彈性體。工業(yè)上使用的橡膠制品是在橡膠中加入各種添加劑(有硫化劑、硫化促進劑、軟化劑、防老化劑和填充劑等),經(jīng)過硫化處理后所得到的產(chǎn)品。橡膠具有良好的吸震性、耐磨性、絕緣性及足夠的強度和積儲能量等特點。工業(yè)上常用的橡膠牌號有丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠等。三、非金屬材料2.2常用工程材料3、陶瓷。陶瓷是一種無機非金屬材料,它可分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。普通陶瓷是以黏土、長石和石英等天然原料，經(jīng)過粉碎成型和燒結(jié)而成。特種陶瓷是用人工化合物(如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等)為原料制成的。陶瓷硬度高、抗壓強度大,耐高溫、抗氧化、耐磨損和耐腐蝕,但質(zhì)脆韌性差,不能承受沖擊,抗急冷、急熱性能差,易碎裂。工業(yè)上常用的陶瓷種類有普通陶瓷氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷和氮化硼陶瓷等。三、非金屬材料2.2常用工程材料4、復(fù)合材料。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料，用某種工藝方法經(jīng)人工組合而成的多相合成材料。復(fù)合材料按增強材料的類型可分為四類，分別是：（1）纖維增強復(fù)合材料，如玻璃纖維纖維、硼纖維和碳化硅纖維等。（2）顆粒增強復(fù)合材料，如陶瓷粒與金屬復(fù)合、金屬粒與塑料復(fù)合等。（3）迭層復(fù)合材料，如雙金屬復(fù)合、多層板復(fù)合等。（4）夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，如夾層內(nèi)填充蜂寬結(jié)構(gòu)或填充泡沫塑料。三、非金屬材料03鋼的常用熱處理及其作用PARTthree2.3鋼的常用熱處理及其作用金屬材料的熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜ?以下簡稱工件)進行加熱保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)和性能。根據(jù)熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理一般可分為：整體熱處理(普通熱處理)、表面熱處理、化學(xué)熱處理。根據(jù)作用的不同,熱處理可分為：最終熱處理，其作用是使鋼件得到使用要求的性能，如淬火、回火、表面淬火等。預(yù)備熱處理，其作用是消除加工(鍛、、鑄、焊等)所造成的某些缺陷,或為以后的切削加工和最終熱處理做好準備。2.3鋼的常用熱處理及其作用一、退火退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度,保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。根據(jù)鋼的化學(xué)成分的不同,退火工藝可分為完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。1、完全退火完全退火就是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火。2、球化退火球化退火是為使工件中的碳化物球狀化而進行的退火。3、去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火是為去除工件塑性變形加工、切削加工或焊接造成的內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力而進行的退火。2.3鋼的常用熱處理及其作用二、正火正火是將工件加熱至臨界溫度以上40~60C，保溫一段時間后,從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧、吹風(fēng)冷卻的一種熱處理工藝,又稱常化。正火的目的與退火相似，主要區(qū)別是正火加熱溫度比退火高,冷卻速度比退火快。三、淬火淬火是將工件加熱奧氏體化后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。最常見的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。2.3鋼的常用熱處理及其作用四、表面淬火表面淬火是僅對工件表面進行淬火。其中包括感應(yīng)淬火、接觸電阻加熱淬火、火焰淬火、激光淬火、電子束淬火等。根據(jù)感應(yīng)電流頻率不同,感應(yīng)加熱表面淬火又分為高頻、中頻和工頻淬火。五、回火回火是工件猝硬后加熱到AC1以下的某一溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。根據(jù)回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。2.3