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1、主题二 机械工程材料1、 教学目标 1、使学习者熟悉常用铸铁的分类、牌号、性能和应用；掌握常用碳钢的牌号、性能和应用；了解合金钢的分类、牌号、性能和应用。2、使学习者了解常用的有色金属材料分类、牌号、性能和应用。3、使学习者掌握钢的普通热处理，熟悉钢的表面热处理，并能分析选择简单的热处理工艺。 4、使学习者熟悉工程塑料和符合材料的特性、分类和应用。 二、课时分配本主题共5个单元，安排10课时。3、 教学重点学习者掌握钢的普通热处理，熟悉钢的表面热处理，并能分析选择简单的热处理工艺。4、 教学难点学习者能根据零件的性能要求，合理选择需要的工程材料。五、教学内容单元一 黑色金属材料（一） 铸铁的分
2、类、牌号、性能和应用铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，主要由铁、碳和硅组成。铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗振性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中应用也很广，如图所示。1、铸铁的分类根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁又可分为三大类。（1）白口铸铁（2）灰口铸铁（3）麻口铸铁如图所示。2、铸铁的性能（1）灰铸铁的性能石墨的存在使铸铁具有的优良性能表现在： 铸造性能优良。 减磨性好。 减振性强。 切削加工性良好。 缺口敏感性较低。如图所示。（2）球墨铸铁的性能（3）蠕墨铸铁的性能（4）可锻铸铁的性能3、铸铁的牌号和应用（1）灰铸铁的牌号和应用常用灰铸
3、铁的牌号、力学性能及用途见表。（2）球墨铸铁的牌号及用途常用球墨铸铁的牌号、力学性能及用途见表。（3）蠕墨铸铁的牌号及用途常用蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途见表。（4） 可锻铸铁的牌号及用途常用可锻铸铁的牌号、力学性能及用途见表。（二） 常用碳钢的牌号、性能和应用碳素钢（简称碳钢）是含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳钢价格低廉，冶炼方便，工艺性能良好，并且在一般情况下能满足使用性能的要求，因而在机械制造、建筑、交通运输及其他工业部门中得到广泛的应用。1、碳素钢的分类（1）按钢中碳的质量分数高低分类 低碳钢： wc0.25%。 中碳钢： 0.25%wc0.60%。 高碳钢： wc0.60%。（2
4、）按钢中有害元素硫、磷含量的多少划分，即按钢的质量分类 普通碳素钢： wS0.050%，wP0.045%。 优质碳素钢： wS0.035%，wP0.035%。 高级优质碳素钢： wS0.025%，wP0.025%。（3）按钢的用途分类 碳素结构钢 碳素工具钢（4）按冶炼时脱氧程度的不同分类 沸腾钢（F）： 脱氧程度不完全的钢。 镇静钢（Z）： 脱氧程度完全的钢。 半镇静钢（b）： 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。2、碳素钢的牌号、性能及用途（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号、性能及用途见表。（2） 优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号、性能及用途见表 （3） 碳素工具钢碳素工具钢的牌号、性能及
5、用途见表。（4） 铸钢铸钢的牌号、性能及用途见表。（三） 合金钢的分类、牌号、性能及应用合金钢是为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢。常加入的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铝、硼、稀土元素等。1、合金钢的分类合金钢的分类方法很多，但最常用的是下面两种分类方法： （1）按合金元素总含量多少分类 低合金钢： 合金元素总w5%。 中合金钢： 合金元素总w为5%10%。 高合金钢： 合金元素总w10%。（2）按用途分类 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢2、合金钢的牌号、性能及应用合金钢牌号是按其含量碳、合金元素的种类及含量、质量级别来编制。（1）合金结构
6、钢 低合金结构钢： 常用低合金钢的牌号、性能及用途见表 合金渗碳钢：常用渗碳钢牌号、性能及用途见表 合金调质钢： 常用合金调质钢的牌号、热处理、性能及用途见表 合金弹簧钢： 常用合金弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途见表 滚动轴承钢： 常用滚动轴承钢的牌号、热处理及用途见表（2）合金工具钢合金工具钢按用途分为合金刃具钢、合金量具钢和合金模具钢三大类。 合金刃具钢。常用低合金刃具钢的牌号、热处理、硬度及用途见表高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称风钢或锋钢，是指淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。常用高速钢的牌号、成分、热处理、硬度及用途见表 合金量具钢。量具用钢选用实
7、例及热处理方法见表 特殊性能钢。具有特殊的物理或化学性能，用来制造不仅要求具有一定的机械性能，还要求具有特殊性能的零件。具体应用实例如图。耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。如图。单元二 有色金属材料（一） 铜及铜合金1、工业纯铜纯铜呈紫红色，所以又称紫铜，其密度为8.93103kg/m3，熔点为1083，具有良好的塑性、导电性、导热性和耐蚀性。但强度较低，不宜制作结构零件，而广泛用于制造电线、电缆、铜管以及配制铜合金。2、常用铜合金铜合金按其化学成分分为黄铜、青铜和白铜。黄铜是以铜和锌为主的合金，如： H80色泽美观，具有较好的力学性能和冷、热加工性，可作装饰品；H70强度高
8、、塑性好，冷成形性能好，可用深冲压方法制作弹壳、散热器、垫片等；H62强度较高，热状态下塑性好，切削性好，易焊接，耐腐蚀，价格便宜，应用较多，作散热器、油管、垫片、螺钉等。特殊黄铜是在铜锌合金中加入硅、锡、铝、铅、锰等元素，如： 铅黄铜HPb591有良好的切削加工性，用来制作各种结构零件；铝黄铜HAl5932耐蚀性好，用于作耐腐蚀零件。（二） 铝及铝合金1、工业纯铝纯铝具有银白色的金属光泽，其密度为2.72103kg/m3，熔点为660，具有良好的导电性、导热性（仅次于银、铜）。铝在空气中易氧化，在表面形成一层致密的三氧化二铝氧化膜，它能阻止铝进一步氧化，从而使铝在空气中具有良好的抗蚀能力。铝
9、的塑性高，强度、硬度低，易于加工成形。通过加工硬化，可使其强度提高，但塑性降低。纯铝主要用来配制铝合金，还可以用来制造导线包覆材料及耐蚀器具等。2、铝合金向纯铝中加入适量的合金元素，可改变其组织结构，提高性能，形成铝合金。由于这些合金元素的强化作用，使得铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。因此，铝合金可用于制造承受较大载荷的机械零件和构件，成为工业中广泛应用的有色金属材料。铝合金根据化学成分和工艺特点的不同一般分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金的塑性好，适于压力加工；铸造铝合金则适于铸造。（1）变形铝合金。如图（2）铸造铝合金。如图。（三） 钛及钛合金常用工业纯钛的牌号、性能及用
10、途见表。+钛合金的牌号、力学性能及用途见表。单元三 钢的热处理常识（一） 热处理概述将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺，称为钢的热处理。热处理的工艺曲线如图所示。热处理加热保温的目的： 一是为了使工件热透，组织转变完全；二是为了获得成分均匀的奥氏体，以便冷却后得到良好的组织与性能。根据加热和冷却方式的不同，钢的热处理的分类如图。（二） 普通热处理种类及应用1、钢的退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺称为钢的退火。钢进行退火的目的是： 降低硬度，提高塑性，改善加工性能；细化晶粒，消除组织缺陷；消除内应力。根据钢的成分和热处理目
11、的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。 完全退火。 球化退火。 去应力退火。2、钢的正火将钢加热到适当温度，保持一定时间，在空气中冷却的热处理工艺称为钢的正火。钢进行正火的目的是：对于低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；对于中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理；对高碳钢，可为球化退火作准备。3、钢的淬火将钢加热到适当温度，保持一定时间，快速冷却的热处理工艺称为钢的淬火。如图。4、钢的回火将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定的时间后，冷却到室温的热处理工艺称为钢的回火。目的是降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能
12、。按回火温度的不同，回火可分以下三种： （1）低温回火（150250）（2）中温回火（350500）（3）高温回火（500650）（三）表面热处理的种类及应用表面热处理仅处理工件表面，对工件的芯部不作处理，保持其原来的特性。1、表面淬火表面淬火指仅对工件表层进行热处理的工艺。根据加热方式的不同，表面淬火分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。 火焰加热表面淬火。 感应加热表面淬火。如图。表面淬火的淬硬层深度主要取决于电流频率，频率越高淬硬层越浅。生产中常用的电流频率和淬硬层的关系见表。2、钢的化学热处理钢的化学热处理指将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成
13、分、组织和性能的热处理工艺。根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、 碳氮共渗及渗金属等。（1）钢的渗碳。如图所示。（2） 钢的渗氮（3） 碳氮共渗（4） 渗金属 渗铬。 渗硼。单元四 工程塑料及复合材料（一）工程塑料的性能、种类及应用塑料是以天然或合成的高分子化合物为主要成分的原料，添加各种辅助剂（如填料、增塑剂、稳定剂、交联剂及其他添加剂）塑制成形，故称为塑料。1、塑料的特性与金属比，塑料的优点是： 质轻，比强度高，化学稳定性好，减摩、耐磨性好，电绝缘性优异，消声和吸振性好，成形加工性好，方法简单，生产率高。塑料的缺点是： 强度、刚度底，耐热性差，易燃烧和易老化，导热性差，热膨胀系
14、数大。2、塑料的分类及用途根据树脂在加热和冷却时所表现的性质，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两种。（1）热塑性塑料常用的热塑性塑料如下： 聚乙烯（PE），如图所示。 聚氯乙烯（PVC），如图所示。 ABS塑料（丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物），如图所示。 有机玻璃（PMMP），如图所示。 聚酰胺（PA），俗称尼龙，如图所示。（2） 热固性塑料常用热固性塑料如下： 酚醛塑料（PF），俗称“电木”，如图所示。 环氧树脂塑料（EP），如图所示。（二） 复合材料的性能、种类及应用复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，经人工组合而成的多相固体材料。1、复合塑料的特性复合材料既保留了单一材料各自的优点，又有单一材料所没有的优良综合性能。其优点是强度高，抗疲劳性能好，耐高温、耐蚀性好，减摩、减振性好，并且制造工艺简单，可以节省原材料和降低成本。缺点是抗冲击性差、不同方向上的力学性能存在较大差异。2、复合材料的分类及用途复合材料分为基体相和增强相。基体相起黏结剂作用，增强相起提高强度和韧性的作用。常用复合材料为纤维增强复合材料、层叠复合材料和颗粒复合材料三种。（1） 纤维增强复合材料。如图所示。（2）层叠复合材料。如图所示。（3） 颗粒复合材料。如图所示。单元五 材料的选择（一） 零件材料的选择1、选材的原则 满足使用性能，
