第十一章机械工程常用材料.

第十一章机械工程常用材料第十一章机械工程常用材料§11-1常用金属§11-2常用非金属材料和复合材料§11-4机械零件材料及毛坯选择§11-3钢的热处理工艺机械工程材料金属材料非金属材料黑色金属钢有色金属铸铁合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金机械工程材料第十一章机械工程常用材料使用性能1.物理性能化学性能力学性能铸造性焊接性2.工艺性能锻压性切削加工性热处理性金属材料的性能使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能。第十一章机械工程常用材料①强度强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。常用的强度有：抗拉强度（σb）和屈服点（σs）。抗拉强度和屈服点可以通过拉伸试验测定。②塑性金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标：延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）。③硬度金属材料抵抗局部变形（特别是塑性变形）、压痕或划痕的能力称为硬度。④刚度材料抵抗弹性变形的能力（E、G）。力学性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。第十一章机械工程常用材料1、含碳量含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能。4、温度一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降，高温条件下相反。5、热处理工艺影响力学性能的主要因素第十一章机械工程常用材料一钢1.非合金钢（碳素钢）2.合金钢合金钢：在碳素钢的基础上，有目的的加入一些合金元素,(如铬Cr、钒V、镍Ni、钨W)性能显著提高。碳素钢：含碳量2.11%的铁碳合金。按质量分数分类：低碳钢、中碳钢、高碳钢按质量等级分类：普通质量、优质和特殊质量按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢§11-1常用金属材料1)碳素钢分类(1)按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢；(2)按冶炼方法分为平炉钢转炉钢和电炉钢；(3)按脱氧方法分为为沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)和特殊镇静钢(TZ)；(4)按含碳量分为低碳钢(WC≤0.25%),中碳钢(WC0.25%~0.6%)和高碳钢(WC0.6%)；1碳素钢(5)按磷、硫含量分为普通碳素钢(含磷硫较高)优质碳素钢(含磷硫较低)和高级优质钢(含磷硫更低)和特级优质钢。§11-1常用金属材料1)有害元素碳素钢微量元素P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S—能引起钢在热加工时或高温工作开裂(热裂)。Mn—脱氧、去硫，提高钢的强度和硬度。Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧，提高钢的强度、硬度和弹性，降低塑性和韧性。2)有益元素*适当增加硫、磷含量，可提高钢的切削加工性能；*磷可增加钢在大气中的耐腐蚀性能§11-1常用金属材料Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度2)普通碳素钢的编号及用途质量等级脱氧方法§11-1常用金属材料特点：冶炼容易、工艺性能好、价格低廉，加工成形后一般不再进行热处理，通常以板材、带材及各种型材向企业供应。用途：Q195、Q215——电力行业中的铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、水冷壁管等。Q235、Q275——拉杆、连杆、轴、齿轮、螺栓、螺母等两位阿拉伯数字，表示含碳量*45---Wc=45%%的优质碳素结构钢*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn---Wc=45%，WMn=0.7%～1.0%3)优质碳素结构钢的编号及用途特点及应用：低碳钢（C0.25%）：强度低，塑性、韧性好，易于冲压加工。用于螺钉、螺母、焊接件等。中碳钢（0.3%C0.5%）：强度较高，塑性和韧性也较好。用于齿轮、丝虹、连杆和各种轴类零件，工作温度不太高的汽轮机转子、联轴器、汽缸紧固件等。高碳钢（0.3%C0.5%）：较高的强度和良好的弹性，切削性、淬透性和焊接性较。用于制造强簧和易磨损的零件。§11-1常用金属材料T12A高级优质Wc=12‰碳素工具钢4)碳素工具钢特点：高硬度和高耐磨性用途：刀具、磨具和量具ZG200-400σb≥400MPaσs≥200MPa铸钢5)铸造碳钢特点：高硬度和高耐磨性用途：刀具、磨具和量具特点：用于制造承受重载，较少受尺寸、形状和重量的限制的大型零件。用途：机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、刚体等§11-1常用金属材料2合金钢1)定义合金钢是冶炼时人为的在钢中加入一些合金元素所形成的钢，这些元素包括锰、硅、镍、钼、钨、钒、钛、铌、稀土元素。2)按用途分为(1)合金结构钢(2)合金工具钢(3)特殊性能钢3)合金结构钢牌号和用途30CrSiMn2MoV——C：0.30%,Mn:2%,Si、Mo、V：1.5%低合金高强度结构钢、易切削刚、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。§11-1常用金属材料3)合金工具钢牌号和用途4)特殊性能钢用途较好的热硬性和耐磨性。用来制造量具、模具和刀具。量具钢、模具钢、刃具钢CrMn——C:1%,Mn:1.59Mn2V——C:0.9%,Mn:2%牌号表示与合金工具相同不锈铁钢、耐热钢、耐磨钢、软磁钢等。1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr18Ni9Ti1Cr13Si3、4Cr10Si2Mo§11-1常用金属材料二、铸铁铸铁分类1白口铸铁碳以渗碳体的形式存在，其断口呈亮白色2灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现铸铁；3可锻铸铁碳以团絮状石墨形式出现铸铁；4球墨铸铁碳以球状石墨形式出现铸铁；5合金铸铁在铸铁中加入合金元素而构成的铸铁称为合金铸铁。是指含碳量2.11%主要由铁、碳和硅组成的合金总称。工业常用铸铁：灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁§11-1常用金属材料灰口铸铁的力学性能石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能优良的性能：①良好的铸造性能②良好的减震性③较低的缺口敏感性④良好的切削加工性⑤良好的减摩性⑥良好的抗压性能§11-1常用金属材料b类别牌号用途举例铁素体灰铸铁HTl00低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等铁索体—珠光体灰铸铁HT150承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件珠光体灰铸铁HT200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等HT250孕育铸铁HT300床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等HT350灰口铸铁牌号§11-1常用金属材料1)性能特点2)用途：电线、电缆、器皿1.铝及铝合金密度小;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高;强度低;无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。3)纯铝的牌号：按铝的纯度来编制，如1060表示99.6%铝合金：变形铝合金、铸造铝合金二有色金属及其合金有色金属的特点：强度较低，特殊的物理化学性能。铝、镁、钛及其合金－－密度铜、铝及其合金－－导电性镍、钼及其合能－－耐热性变形铝合金：防锈铝合金、硬铝合金(2A12)、超硬铝合金、煅铝合金§11-1常用金属材料1)性能特点2)铜的分类工业纯铜T1～T4，含铜量依次下降；无氧铜TU2密度大，导电及导热性能好，抗大气腐蚀性好，塑性高，强度低，无磁性，无打击火花，加工工艺性好等。2、铜及其合金铜合金：1)黄铜、2)青铜3)黄铜黄铜是铜和锌的合金，黄铜中锌含量在20%~40%左右。黄铜具有优良的机械加工性能和良好的防腐性，可以铸造，也可以锻造。用途：制造耐蚀和耐磨零件，如弹簧、阀门、管件等。牌号：H65、HSn90-1§11-1常用金属材料金奖黄铜-H90弹壳黄铜-H70(H68)日用黄铜-H62(H59)法兰阀闸阀冷凝器管常用的黄铜1)定义2)牌号4)青铜在黄铜中加入Al、Fe、Si、Cr、Ni、Sn、Mn等元素所形成的合金。QSn4-3、ZCuSn5Pb5Zn53轴承合金用来制造轴承的特定材料。锡锑轴承合金、铅锑轴承合金、铝基轴承合金等§11-1常用金属材料1塑料1)塑料的组成塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。2）常用塑料：聚酰胺（PA、尼龙）、聚甲醛（OIN）、ABS塑料、聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSF）、聚四氟乙烯（PTEF）§11-2常用非金属材料和复合材料2橡胶1)橡胶的组成与性能橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。橡胶具有弹性大（最高伸长率可达800％～1000％，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有—定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。天然橡胶合成橡胶§11-2常用非金属材料和复合材料3、陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。2）陶瓷的分类按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷；按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。1）陶瓷的定义用天然或人工合成的粉状化合，经过成形和高温烧结制成的多相固体材料。§11-2常用非金属材料和复合材料4、复合材料1）定义：由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，称为复合材料。2）复合材料的分类：按基体不同，分为两类：非金属基复合材料和金属基复合材料。按增强相的种类和形状不同，分为三类：颗粒复合材料、层叠复合材料和纤维增强复合材料。按性能，分为结构复合材料、功能复合材料等。§11-2常用非金属材料和复合材料3）复合材料的性能①比强度和比模量高：例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。③减振性能好：纤维与基体界面有吸振能力,可减小振动。例如,尺寸形状相同的梁,金属梁9s停止振动,碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。④高温性能好：一般铝合金在400～500℃时弹性模量急剧下降,强度也下降。碳或硼纤维增强的铝复合材料,在上述温度时,其弹性模量和强度基本不变。②抗疲劳性能好：例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70％-80％，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30％～50％。此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工艺性等。§11-2常用非金属材料和复合材料一、钢的热处理定义：加热、保温、冷却改变金属整体或表面组织，获得所需性能。§11-3钢的热处理工艺二、热处理的种类1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火2、表面热处理和化学热处理：感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗3、其他热处理1退火：加热、保温、随炉冷却目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力，预先热处理2正火加热、保温、空气冷却目的：同退火，更高的力学性能3淬火加热，保温，水、油或盐水冷却目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火。方法：单介质淬火；双介质淬火三、钢的热处理工艺及用途§11-3钢的热处理工艺4回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。目的：达到设计图纸要求的硬度，消除内应力。回火工艺的种类：1）低温回火（150～250C）2）中温回火（350～500C）3）高温回火（500～650C）调质处理－淬火＋高温回火§11-3钢的热处理工艺5表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其成分的热处理工艺。目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。方式：感应加热：利用交流电的集肤效应，对零件进行加热，并通过控制电流频