《制造技术2章机械工程材料及热处理讲稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《制造技术2章机械工程材料及热处理讲稿（120页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课程名称： 制造技术及发展上课时间： 周三 9-10节（1-15周）上课地点： 桃西楼 202答疑时间： 每周五晚7：00 9：00答疑地点： 15号楼404室机械系办公室任课教师： 刘军电 话： 63554632（办）、13015524951办 公 室： 15号楼404机械系办公室考核形式：平时（20%，上课+作业等）+考试(80%)考试时间、地点：教务处安排（从网上查看）制造技术及发展主讲： 刘 军 教材：自编、讲义 班级：临班0632（135人） 学时：30制造技术及发展 1 制造技术与制造系统 2机械工程材料及热处理 3 机械设计 技术 4 材料成型制造技术2 机械工程材料及热处理 2
2、.1 机械工程材料 2.2 工程材料的分类和性能特点 2.3 金属材料的主要性能 2.4 零件选材的一般原则 2.5 工业常用材料 2.6 钢的热处理2011年3月16日第3次课6学时材料是人类用来制作各种产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。从日 常生活用具到高、精、尖的产品，从简单 的手工工具到复杂的航天器、机器人，都 是由不同种类、不同性能的材料加工成的 零件组合装配而成。材料的利用情况标志 着人类社会文明的发展水平，所以历史学2 机械工程材料及热处理2.1 机械工程材料家根据制造市场工具的材料将人类历史划 分为石器时代、青铜器时代、铁器时代 等。现代工业技术更是与材料的发展密切 相关
3、。材料能源和信息已成为现代文明的 三大支柱，而且材料则是其中的物质基 础。材料科学已经成为衡量一个国家科学 技术水平、国民经济水平及综合国力的重 要标志。材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是材料在使用条件下表 现出的性能，如力学性能、物理性能和化 学性能等；工艺性能则是指材料在加工过 程中反映出的性能，如切削加工性能、铸 造性能、压力加工性能、焊接性能、热处 理性能等。根据材料所要求的使用性能， 可以将固体材料分为结构材料与功能材料 两大类。结构材料主要用于制作工程结构和零件，以强度、韧性、塑性等力学性能 作为主要的使用性能。而那些主要要求 电、光、声、磁、热等功能和效应的材料
4、则属于功能材料。在这里我们不讨论。根据材料的性质，工程材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合 材料4大类。（1）金属材料金属材料是最主要的工程材料，包括纯金属和以纯金属为基的合金。以金属为 主体的工程金属材料具有较高的弹性模 量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、2.2 工程材料的分类和性能特点韧性、导电和导热性能。工业上把金属材料分为黑色金属和有 色金属 2 大部分。铁和以铁为基的合金，如钢、铸铁和铁合金属于黑色金属；黑色 金属以外的所有金属及其合金称为有色金 属。黑色金属的价格便宜，且工艺性能比较优越，是最重要的工程金属材料。铁基 材料的产量占整个结构材料和工具材料的90%以上。有
5、色金属包括轻合金、易溶金属、难溶金属、贵金属、铀金属、稀土技 术和碱土金属等，它们是重要的特殊用途 材料。（2）陶瓷材料陶瓷是金属元素（或亚金属元素如硅等）的化合物，可以认为是各种无机非金 属材料的统称。陶瓷的硬度很高，化学稳 定性好，可以制造各种耐蚀、耐热用具，在一些特殊的情况下也可用作结构材料。 但是一般陶瓷材料脆性都很大。陶瓷材料属于无机非金属材料，包括无机玻璃（硅酸盐玻璃）、玻璃陶瓷（或 称微晶玻璃）和陶瓷等三类。作为结构和 工具材料，工程上应用最广的是陶瓷。按 照成分和用途，工业陶瓷材料可分为普通 陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等。（3）高分子材料高分子材料又称聚合物材料，主要成分是有机高
6、分子化合物。高分子化合物每 个分子可含有几千、几万甚至几十万个原 子，分子量在5000以上。高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀 性能，很好的绝缘性能，以及较低的密度 等优良性能，在工程上是发展最快的一类 新型结构材料。按其用途和使用状态又可分为橡胶、塑料、合成纤维和胶粘剂等四 大类型。（4）复合材料复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织结构的材料组合在一起而构 成的。如果选择合适的组合材料及复合工 艺，可以得到在强度、刚度和耐蚀性等方 面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越的 材料，因此复合材料具有广阔的发展前景。复合材料通常分为树脂基复合材料、 金属基复合材料和陶瓷基复合材
7、料三大 类。据统计，非金属材料在机械工业中的 应用只有5%6%，估计在相当一段时间内，金属还是主要的工程材料。金属材料的力学性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能，对材料的使用 性能和工艺性能有着非常重要的影响。材 料的力学性能是衡量材料性能优劣的主要 指标，也是机械设计人员在设计过程中选 用材料的主要依据。金属材料的力学性能 主要包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳2.3 金属材料的主要性能2.3.1 金属材料的力学性能强度和耐磨性等。材料的力学性能可以从 机械设计手册中查到，也可以通过力学性 能试验的方法获得。（1）强度强度是指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和 断
8、裂的能力越大，则强度越高。1）拉伸试样，如图2-2所示。 图2-2 拉伸试样2）拉伸曲线，如图2-3所示。该图是低碳钢的 力-伸长曲线，图中纵坐标表示力拉 伸力F，单位为N；横坐标表示绝对伸 长量l， 单位为mm。 图2-3 拉伸曲线3）强度指标试样受到外力作用时，在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用 力，称为内力。单位截面积上的内力称为 应力，拉伸时的应力用符号表示。弹性极限屈服点（又称屈服强度）抗拉强度。抗拉强度是指试样断裂 前能够承受的最大拉应力， 用b表示。（2）塑性金属材料在外力作用下发生塑性变形 而不破坏的能力称为塑性。1）伸长率 伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸 长量与
9、原始长度的百分比，用符号表示。即：伸长率大小与试样尺寸有关。长试样 的断后伸长率用 10 或 表示，短试样的 断后伸长率用 5 表示，同一材料的105，但二者不能直接比较大小。 2）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处（断口处）横断面积的最大缩减量与原始 横截面积的百分比，用符号表示。即：和是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。良好的塑 性是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊 接的必要条件，可避免材料在压力加工过 程中发生开裂而破坏；而普通铸铁的塑性 差，因而不能进行压力加工，只能进行铸 造。同时,由于材料具有一定的塑性，故能保证材料不致因稍有超载而突然断裂，增 加了材料使
10、用的安全可靠性。 （3）硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的 判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变 形、塑性变形或抵抗破坏的能力。硬度直 接影响到材料的耐磨性和切削加工性，材 料的硬度越高，其耐磨性越好。常用的硬 度有：1）布氏硬度HB布氏硬度是用钢球为压头 （见图2-4），用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量，即试验力除以压痕表面 积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或 HBW（用硬质合金压头）表示，较少用。 HBS的常用范围HBS 450。图2-4 布氏硬度法布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退 火、正火、调质钢、铸铁及有色
11、金属的硬 度。 缺点是对不同材料需要更换压头和改 变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也 较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成 品上进行试验 2）洛氏硬度HR洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度 值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为：图2-5 为洛氏硬度的测定。其中HRC应用 最广，范围是2067，还有HRA、HRB见 表2-1。图 2-5洛氏硬度的测定表2-1 洛氏硬度的测试规范（4）韧性外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲 击载荷的零件和工具时，不仅要满足强 度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足 够的韧性。 韧性：金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常
12、用指标为冲击韧 度。冲击韧度通常用摆锤式冲击试验机测 定，如图2-6所示。H2-6 摆锤式冲击实验示意图测定时，一般是将带缺口的标准冲击 试样（参见GB/T229-94）放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口 处单位截面积所吸收的冲击功表示其冲击 韧度。根据功能原理可知：摆锤冲断试样 所消耗的功 AK=mg（H-h）。AK称为冲击 吸收功，单位焦耳（J），用AK除以试样 缺口处的横截面积 A 所得即为该材料的冲 击韧度，用符号K表示，即： （5）疲劳强度疲劳强度机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工 作发生断裂时的应力，用-1 表示。（1）物理性能金属材料的物理
13、性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性 等。（2）化学性能金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如 耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。2.3.2 金属材料的物理、化学及工艺性能（3）工艺性能工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映。按 工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻 性、焊接性和切削加工性等。（1）应满足零件的工作要求例如：受力状态，工作温度，环境介质等（2）应能满足工艺性能要求金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲压，焊接，切削加工和热处理，各 种加工工艺对材料均有其工艺性能要求。 例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压2.4 零
14、件选材的一般原则 件选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良 的合金工具钢。（3）必须重视材料的经济性一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选用碳素钢或灰铸铁，难以满足要 求时，选用合金钢，球墨铸铁，铸钢或其 它材料。16Mn 比 Q235 成本略高，但强度 高 46，可减少用量。材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。 钢是含碳小于2.11%的铁碳合金。它主要由生铁冶炼而成。是机械制造中应用 最广的金属材料。（1）钢的分类钢的种类繁多。按化学成分分类，可分为碳素钢和合金钢两大类；按用途分 类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢 2.5 工业常用材料 2.2.5.1 工业用钢2011年3月23日第4次
15、课8学时3 类；按质量分类，主要分为普 通钢，优质钢和 高级优质钢三 类。此外，按脱 氧程度还可分为 镇静钢和沸腾钢 等。如图2-15所示。图2-15 钢的分类（2）碳素钢碳素钢简称碳钢，含碳量在1.54以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。碳素 钢可分为 3 类：1）碳素结构钢含碳量小于0.38，常用小于0.25，即以低碳钢为主。结构钢的牌号：Q + 三位数字表示，例：Q215AFQ屈服点的首字215屈服点的数值，单位Mpa，这里是 215MPaA质量等级，分为A、B、C、D，其中A是普通级，D是优等级别，硫磷含量较低F脱氧程度，F是沸腾钢，Z是镇静钢。Z可不标常见的牌号有：Q195A Q195
16、B、 Q215A Q215B、Q235A Q235B Q235CQ235D、Q255A Q255B、Q275Q235是用途最广的碳素结构钢,属低碳 钢,通常经热轧成钢板、型钢、钢管、棒材 等供应,因铁素体较多故塑性和韧性优良,常用于建筑构件，不重要的轴类，螺钉，螺 母，冲压件，焊接件，锻件等。Q235C及Q235D还可用于重要的焊接件。2）优质碳素结构钢含硫磷量较低，主要用来制造较重要的机械零件。结构钢的牌号：用二位数字 表示，例 20 表示含碳量为0.2 ，数字20 是钢中平均含碳量的万分数；10F 表示含 碳量为0.1的沸腾钢。常用的结构钢牌 号：08、10、15、20、25 等牌号属低碳钢，其塑性好易于拉拔、冲压、挤压、锻 造和焊接，其中 20 钢用途最广，常用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴、冲压件、焊 接件，有时用于渗碳件。30、35、40、 45、50、55
