机械工程基础

1机械工程基础第一篇工程材料与热处理基础第一章金属材料的种类与性能§1概述金属材料包括：黑色金属有色金属钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢。铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。铜及其合金铝及其合金其他：轴承合金、硬质合金……§2金属材料的力学性能使用性能物理性能化学性能力学（机械）性能力学（机械）性能静载特性：强度塑性硬度测试方法：拉伸试验硬度试验动载特性：冲击韧性疲劳强度测试方法：冲击试验疲劳试验强度：在外力作用下材料抵抗变形和破坏的能力。硬度：在外力作用下材料抵抗更硬物压入的能力。塑性：在外力作用下材料产生永久变形而不会破坏的能力。冲击韧性：材料抵抗冲击力的能力。疲劳强度：材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。§3金属的结晶和组织金属在固态下都是晶体，金属的机械性能与其组织结构有关。常见晶胞类型体心立方晶胞面心立方晶胞金属结晶过程晶核形成……晶核长大2纯铁的冷却曲线铁碳合金中铁和碳的结合方式碳溶入铁中形成固溶体碳和铁形成化合物固溶体和化合物形成机械混合物第二章铁碳合金§1概述§2铁碳合金（一）铁碳合金的基本组织铁素体（F）-碳溶于体心立方晶格α－Fe中形成的固溶体碳最大溶解度0.0218%（727℃）20℃时碳最大溶解度为0.0008%性能：较好的塑性和韧性，强度和硬度较低。奥氏体（A）：碳溶于面心立方晶格γ－Fe中形成的固溶体碳最大溶解度2.11%（1148℃）；727℃时碳最大溶解度为0.77%性能：质软、塑性好，无磁性，变形抗力较低。渗碳体（Fe3C）：铁与碳的化合物含碳量6.69%；熔点1227℃性能：硬度高，强度很低，塑性、韧性几乎为零。珠光体（P）：铁素体与渗碳体的机械混合物含碳量0.77%共析反应式ACC077%727.(F+Fe3C)性能：b=600~800Mpa(纯铁b=180~280Mpa)δ＝20％～25％(纯铁δ＝30％～50％)HBS＝170～230（纯铁HBS＝50～80）莱氏体（Ld,Ld）：奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物含碳量4.3%；共晶反应式LCC43%1147.(A+Fe3C)性能：硬度高，塑性、韧性差。（二）铁碳合金状态图一、简化的铁碳合金状态图及特性点3W1特性点℃含碳量含义A15380纯铁的熔点W2E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度W3C11484.3共晶点W4D12276.69渗碳体的熔点W5G9120同素异构转变点W6S7270.77共析点W7P7270.0218碳在铁素体中的最大溶解度二、简化的铁碳合金状态图及特性线W1特性线ACD含义W2特性线AE含义固相线（奥氏体结晶终了线）W3特性线ECF含义固相线（共晶线，LcA＋Fe3CD☆W4DA☆W1E☆W2C☆W3G☆W5S☆W6P☆W7☆W1☆W3☆W2☆W4☆W5☆W6AECGSP4W4特性线ES含义碳在奥氏体中溶解度线W5特性线GS含义奥氏体转变为铁素体的开始线W6特性线PSK含义共析线，AF＋Fe3C三、典型合金的结晶过程★JJ9★JJ10★JJ11★JJ12★JJ13★JJ14★JJ15四、铁碳合金分类§3碳钢一、钢中常存杂质对钢性能的影响常见杂质：Si强化铁素体Mn强化铁素体、脱硫（MnS）DAECGSP亚共析钢☆ZTT11过共析钢☆ZTT12共析钢☆ZTT2亚共晶白口铁☆ZTT13过共晶白口铁☆ZTT14共晶白口铁☆ZTT6工业纯铁☆ZTT3AECGSP5P冷脆性（使铁素体脆性增加）S热脆性（L985cFe＋FeS）、室温脆性增加（FeS）二、钢的分类1、按冶炼方法分：平炉钢、转炉钢、电炉钢三类2、按脱氧方法分：沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（B）等3、按质量分（依P、S多少分）：普通钢S0.05%P0.045%优质钢S0.035%P0.035%高级优质钢S0.020%P0.03%特级优质钢S0.015%P0.025%4、按用途分结构钢：工程结构钢（如桥梁、船舶、建筑件等）机械零件用钢（如齿轮、轴、螺母、弹簧、滚动轴承等）工具钢：主要用于制造工具，如刃具、模具、量具等特殊性能钢：主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等5按化学成分分碳素钢：低碳钢C0.25%中碳钢C0.25%~0.6%高碳钢C0.6%合金钢：低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5%~10%高合金钢合金元素总量10%三、碳钢的编号方法与用途1、碳素结构钢（工程结构、桥梁、船舶、建筑件等）举例：Q235－AF屈举例：Q1952、优质碳素结构钢（机器零件：齿轮、轴、弹簧、螺母等）举例：45屈服强度235MPa质量ABCD脱氧方式6含碳的万分值－0.45%C举例：08、60、203、碳素工具钢(手用工具或低速刀具：锤、锯条、剪刀、锉刀等)举例：T8A举例：T8T124铸钢（铸造用钢含碳0.06%）举例：ZG200－400铸钢屈服强度（200MPa）抗拉强度（400MPa）§4铸铁工业用铸铁的成分范围：C2.5%~4.0%Si1.0%~3.5%Mn0.5%~1.5%P0.2%S0.15%余下为Fe工业用铸铁的组织：FF＋P＋各种形态的石墨P一、灰铸铁石墨形态：片状特点：力学性能差，消震性好，耐磨性好，切削加工性好，铸造性能好，价格便宜。举例：HT100灰铸铁最低抗拉强度（MPa）牌号用途HT100低压零件：如轴承盖、手轮、支架等。HT200机床床身、低压气缸、低速轴瓦等。HT350孕育铸铁气缸、飞轮、齿轮等重要零件。二、球墨铸铁石墨形态：球状特点：基体利用率高达70％～90％，抗拉强度、塑性、韧性高。可代替钢在静载荷或冲击不大的条件下工作的凸轮、曲轴等。碳素工具钢含碳的千分值0.8%C高级优质钢7牌号QT400－18牌号用途QT400－18泵、阀体、受压容器、受冲击零件等。QT500－17机器底座、齿轮、支架等。QT800－2曲轴、凸轮、齿轮等高强度零件。三、可锻铸铁石墨形态：团絮状特点：力学性能比灰铸铁好。适宜作薄壁、形状复杂的小型铸件，工艺复杂，不能锻造。牌号KTH400－18牌号用途KTH300－6管道的三通、弯头、接头等。KTH370－12农机的犁刀、犁柱，汽车、拖拉机前后轮壳等。KTZ650－2曲轴、凸轮轴、连杆等零件。第三章钢的热处理§3—1概述将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。碳钢热处理方法示意图加热和冷却时铁碳合金状态图中各临界点的位置一般机器零件的加工工艺路线：毛坯加工(铸造、锻造、焊接)预先热处理机械加工最终热处理(机械加工)§3—2钢的整体热处理方法一、钢的退火和正火退火和正火工艺曲线示意图各种退火和正火的加热温度范围球墨铸铁可锻铸铁最低抗拉强度MPa最低抗拉强度MPa最小延伸率δ％最小延伸率δ％基体组织H：F体Z：P体B：F+P体8退火：将金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常用的退火有：完全退火、球化退火、去应力退火和再结晶退火。退火目的：细化晶粒和组织，消除内应力，降低硬度便于机械加工（完全退火用于亚共析钢中的高碳钢，球化退火用于过共析钢），为下一道淬火工序作好准备。☆网状及球化金相正火：将金属或合金加热到A体化临界温度30～50℃，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火目的：细化晶粒，消除内应力，获得适当的硬度改善切削加工性能（低碳钢），为下一道淬火工序作好准备。二、钢的淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后较快冷却，获得碳在α—Fe中过饱和的固溶体即马氏体的热处理工艺。三、钢的回火将淬硬钢再加热到Ac1线以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。碳钢的淬火加热温度范围淬火目的：提高钢件的硬度和耐磨性。淬火介质：水、油。回火热处理工艺曲线回火目的：减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。调整硬度，获得所需的机械性能，稳定工件尺寸。回火种类：低温回火低于250℃回火保持淬火钢高硬度、高耐磨性，降低淬火内应力，消除不稳定因素。用于高碳的刃具、量具和冷冲模（T7～T13）。中温回火350～500℃回火获得高的弹性极限和较好的韧性。用于弹簧等弹性零件（55～65号钢）。高温回火500～650℃回火获得综合力学性能。用于连杆、齿轮、轴类等重要结构零件。淬火＋高温回火的复合热处理工艺称为调质。§3—3的表面热处理一、表面淬火1、感应加热淬火工艺特点：淬硬层深度宜于控制。生产率高，适用于大批量生产。设备较贵，不宜于加工形状复杂、尺寸过大的零件。2、火焰加热淬火工艺特点：淬硬层深度不宜控制。成本低廉，操作简单，适于单件小批生产大型零件及修配工作。3、激光表面淬火9二、化学热处理将工件置于特定的化学活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表面，使表面和心部具有不同的化学成分、组织和力学性能或特殊的物理、化学性能的热处理工艺。常用化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗（氰化）、渗铬、渗铝等。第四章合金钢§4—1概述§4—2合金元素在钢中的作用1、提高钢的强度强化铁素体形成合金碳化物细化晶粒2、提高钢的淬透性提高钢的淬透性淬火临界速度减小3、满足材料的特殊性能§4—2合金钢分类、编号方法及应用合金钢结构钢含碳以0.01％为单位（滚动轴承钢除外）工具钢和特殊性能钢含碳以0.1％为单位（1%不标）C0.25%低合金结构钢，合金渗碳钢0.3~0.5%C合金调质钢0.5~0.7%C合金弹簧钢0.95~1.1%C滚动轴承钢C0.20%不锈钢，耐热钢0.3~0.%C不锈钢，热模具钢0.8%C工具钢，量具钢，冷模具钢低合金结构钢合金元素5%用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉等。典型牌号16Mn合金渗碳钢热处理：渗碳—淬火—低温回火用于制造受强烈摩擦、磨损和冲击载荷的机器零件，如汽车变速齿轮。典型牌号20CrMnTi合金调质钢热处理：调质（淬火＋高温回火）用于制造各种重要的机器零件，如机床齿轮、主轴等。典型牌号40Cr合金弹簧钢热处理：淬火—中温回火用于制造各种重要的弹簧和弹性零件，如汽车板簧。典型牌号60Si2Mn10滚动轴承钢热处理：淬火—低温回火用于制造各种滚动轴承元件，如轴承套和滚珠。典型牌号GCr15牌号中含碳以0.1％为单位（1%不标）含铬以0.1％为单位不锈钢马氏体不锈钢制作汽轮机叶片、阀体等。典型牌号：1Cr132Cr13铁素体不锈钢制作化工设备容器、管道。典型牌号：1Cr17奥氏体不锈钢制作耐酸容器设备，抗磁仪表，耐腐蚀性好。典型牌号：0Cr18Ni90Cr18Ni9Ti耐热钢高温耐氧化15CrMo锅炉材料1Cr13Mo汽轮机叶片马氏体不锈钢制作耐蚀耐磨工具、医疗工具等。典型牌号：3Cr134Cr13热模具钢热锻模材料典型牌号：5CrMoMn工具钢、量具钢、冷模具钢CrWMn冷冲模、拉丝模。9SiCr复杂低速刀具，丝锥、铰刀等。W18Cr4W机械加工切削刀具，车刀、铣刀等。第五章有色金属§5-1概述§5－2铜及铜合金一、纯铜纯铜性能特点：良好的导电、导热性及抗大气腐蚀性。塑性好，强度低。牌号：T1、T2、T3、T4（数字愈大，纯度愈低）用途：电工导体及配制各种铜合金二、黄铜黄铜（以铜—锌为主要合金元素的铜合金）性能特点：良好的抗腐蚀性和工艺性能牌号：H68、HSn70—1、ZH62、HPb59—2用途：弹壳、机械、钟表及电气零件，散热器等。普通黄铜牌号H70含铜70％余下为锌11特殊黄铜牌号HPb59—1含铜59％含铅1％余下为锌三、青铜青铜（除铜—锌、铜—镍为主要合金元素的铜合金）性能特点：良好的抗腐蚀性、耐磨性，良好的强度和弹性以及工艺性能。牌号：QSn7—0.2、QBe2、ZQSn10—1、ZQPb30☆W3用途：弹簧、轴承、齿轮等。牌号QSn7—0.2含锡7％其他元素0.2％余下为铜—锡青铜牌号QBe2含铍2％余下为铜—铍青铜四、白铜白铜（以铜—镍为主要合金元素的铜合金）性能特点：良好的抗腐蚀性、耐磨性和耐热性，