机械工程材料新版

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1、机械工程材料,杨永平,机械工程材料概述 材料的性能 常用钢铁材料简介,机 械 加 工 车 间,一 机械工程材料概述,机械工程材料是指制造工程结构和机器零件使用的材料。机械工程材料按化学成分可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。,一 机械工程材料概述,1.分类1.1金属材料分类钢黑色金属材料金属材料 铸铁有色金属材料 铜、铝及其合金,一 机械工程材料概述,1.分类1.2非金属材料分类塑料高分子材料 合成纤维合成橡胶 非金属材料陶瓷材料 硅酸盐材料工程陶瓷,一 机械工程材料概述,1.分类1.3复合材料分类纤维增强复合材料 复合材料 粒子增强复合材料层合复合材料,一 机械工程材料概述,2.应用

2、2.1金属材料应用金属材料来源丰富，并且具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料。常用于制造机械设备、工具、模具；并应用于工程结构中，如：船舶、桥梁、锅炉等。,一 机械工程材料概述,2.应用2.2非金属材料应用非金属材料具有耐腐蚀性、绝缘性、绝热性和优异的成型性能，而且质轻价廉，因此发展极为迅速。以工程塑料为例，全世界的年产量以300的速度飞速增长，已广泛应用于轻工产品、机械制造产品、现代工程机械，如家用电器外壳、齿轮、轴承、阀门、叶片、汽车零件等，而陶瓷材料作为结构材料，具有强度高，耐热性好的特点，广泛应用于发动机、燃气轮机；作为耐磨损材料，则可用作新型陶瓷刀具材料，能极大

3、提高刀具的寿命。,一 机械工程材料概述,2.应用2.3复合材料应用复合材料则是将两种或两种以上成分不同的材料经人工合成获得的。它既保留了各组成材料的优点，又具有优于原材料的特性。其中碳纤维增强树脂复合材料因其较高的比强度、比模量，广泛应用于航天工业中，如火箭喷嘴、密封垫圈等。,一 机械工程材料概述,3.纳米材料简介纳米材料是20世纪80年代初发展起来的新型材料，它具有奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料。纳米材料又称超微细材料，其粒子粒径范围在1100nm之间，即指至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固体超细材料。纳米技术是研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科，它具有一

4、系列优异的电、磁、光、力学、化学等宏观特性，从而作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景。,二 材料的性能,1.材料的性能概述材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在使用过程中反映出来的特性，它决定了材料的应用范围、可靠性和使用寿命。使用性能又分为力学性能、物理性能和化学性能。,二 材料的性能,1.材料的性能概述工艺性能是指材料在制造加工过程中反映出来的各种特性，是决定材料是否易于加工或如何加工的重要因素。工艺性能又分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。,二 材料的性能,2.材料的力学性能材料的力学性能是指金属抵抗外加载荷

5、引起的变形和断裂的能力。材料的力学性能是设计零件及选择材料的重要依据。常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度等。,二 材料的性能,2.1 强度强度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗变形和断裂的能力。工程中常用的强度指标有屈服强度（s）和抗拉强度（b），都是通过金属拉伸试验确定的。屈服强度是指材料刚开始产生塑性变形时的最低应力值；抗拉强度是指材料在破坏前所能承受的最大应力值。它们是零件设计时的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。,二 材料的性能,2.2 塑性塑性是指金属材料在外力的作用下，能稳定地改变形状和尺寸，且各质点间的联系不被破坏的能力。工程中常用塑性指标有伸长率和断面收缩率，

6、都可通过金属拉伸试验确定。伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行成型加工的先决条件，也是保证零件工作安全、不发生突然脆断的必要条件。,二 材料的性能,2.3 硬度硬度是金属材料抵抗更硬外物压入其表面的能力，它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，由于硬度与其它机械性能之间有着一定的内在联系，又由于硬度的试验方法简便、经济，因此所有热处理工件都要进行硬度检验，以检查热处理工艺质量。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。,二 材料的性能,2.3.1布氏硬度（HBS或HBW）布氏硬度试验法是用淬硬钢球作为压头，以规定的压力将其压入被测材料表面，停留一段时间后卸载，测量其表面的

7、压痕直径，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测材料的布氏硬度值。HBS 实验压头为淬火钢球，适宜测量布氏硬度值450以下的金属材料。HBW 实验压头为硬质合金，适宜测量布氏硬度值450650的金属材料。,二 材料的性能,布氏硬度试验法，试验结果较精确、稳定，常用于测定退火、正火，调质钢及铸铁、有色金属的硬度，因压痕较大，故不宜测试成品或薄片金属的硬度。,二 材料的性能,2.3.2洛氏硬度 洛氏硬度试验法是用锥顶角为120的金刚石或淬硬钢球作为压头，在规定的压力下压入工件表面。洛氏硬度值从硬度计的刻度盘上直接读取。根据压头和压力的不同，洛氏硬度的指标有HRA、HRB、HRC，其中HRC最常用

8、。洛氏硬度试验法操作迅速简便、压痕小，可以直接测定较薄件和成品的硬度，且硬度测试范围较大。但因压痕较小、准确度较差，故需在零件的不同部位测量数点，取其平均值。,二 材料的性能,2.4 冲击韧度金属材料在冲击载荷的作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度。通常情况下，我们常采用一次冲击弯曲试验来测定，材料在冲击断裂中吸受的功Ak除以断口处的截面积F得到的商k，然后根据相同试验条件下材料的k值大小，来评定材料冲击韧度的好坏。k值低的材料为脆性材料，k值高的材料称为韧性材料。,三 常用钢铁材料简介,黑色金属材料是铁碳合金的统称，根据含碳量可分为钢、铸铁两大类。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢；含碳量在2

9、.11%6.69%的铁碳合金称为铸铁。,三 常用钢铁材料简介,1.钢的分类1.1 按化学成分分低碳钢：0.25%C碳素钢 中碳钢：（0.250.6）%C钢 高碳钢：0.6%C低合金钢：5%Me合金钢 中合金钢：（510）%Me高合金钢：10%Me,三 常用钢铁材料简介,1.钢的分类1.2 按用途分结构钢：用来制造工程结构和机器零件。 钢 工具钢：用来制造工具、刀具和模具等。特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢等。,三 常用钢铁材料简介,1.钢的分类1.3 按冶金质量分普通质量钢：Ws、Wp0.05%钢 优 质 钢：Ws、Wp0.04%高级优质钢：Ws、Wp0.03%,三 常用钢铁材料简介,2.碳素钢牌

10、号、性能及用途2.1 碳素结构钢 Q235AF 碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应，主要用来制造各种型钢、薄板、冲压件或焊接结构件以及一些力学性能要求不高的机器零件。,三 常用钢铁材料简介,2.碳素钢牌号、性能及用途2.2 优质碳素结构钢 08、10、15、20、25 45 60 85常用的优质碳素结构钢有：15、20钢，其硬度、强度较低、塑性好，常用作冲压件或形状简单、受力较小的渗碳件；,三 常用钢铁材料简介,2.碳素钢牌号、性能及用途2.2 优质碳素结构钢 40、45钢经适当的热处理（调质）后，具有较好的综合力学性能，主要用于制造机床中形状简单、要求中等强度、韧性的零件，如曲轴、齿轮、轴、螺

11、栓、螺母；60、65钢经淬火+中温回火后，具有较高的弹性极限和屈强（s/b），常用制造直径小于120mm的小型机械弹簧。,三 常用钢铁材料简介,2.碳素钢牌号、性能及用途2.3 碳素工具钢 T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13A高级上述各牌号钢淬火后硬度相近，但随含碳量增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。因此T7、T8适宜制作承受一定冲击的工具，如钳工錾子等。T9、T10、T11适宜制作冲击较小而硬度、耐磨性要求较高的小丝锥、钻头等；T12、T13则适宜制作耐磨而不承受冲击的锉刀、刮刀等。,三 常用钢铁材料简介,2.碳素钢牌号、性能及用途2.4 铸钢一般工程用铸造碳钢的标准（GB567

12、6-85）将铸造碳钢按照室温下的机械性能分为5个牌号，即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。,屈服强度310Mpa，抗拉强度570Mpa。,三 常用钢铁材料简介,3.合金钢的牌号、性能和用途为了提高钢的力学性能、工艺性能和某些特殊性能，在冶炼中有目的地加入一些合金元素，这种钢称为合金钢。生产中常用的合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛等。通过合金化，大大提高了材料的性能，因此，合金钢在制造机器零件、工具、模具及特殊性能工件方面，得到了广泛的应用。,三 常用钢铁材料简介,3.1低合金高强度结构钢16Mn 15MnVN 16MnN

13、b该类钢具有高的强度、韧性和屈强比；良好的焊接性能和冷热加工性能及一定的抗腐蚀能力。属低碳的建筑和工程结构用钢，主要用于制造高压容器、船舶、车辆、锅炉、桥梁、管道等。,三 常用钢铁材料简介,3.2合金渗碳钢20Cr 20CrMnTi 8Cr2Ni此类钢经渗碳淬火后，应具有表面耐磨、而心部抗冲击的特点。主要用于制造承受强烈冲击、摩擦和磨损的重要机械零件，如变速齿轮、曲轴、凸轮轴等。,三 常用钢铁材料简介,3.3合金调质钢40Cr 40MnB 35CrMo 40CrNiMo此类钢经热处理后具有高的强度和良好的塑性、冲击韧度，即良好的综合力学性能。广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要

14、零件，如齿轮、轴类零件、连杆、高强度螺栓等。,三 常用钢铁材料简介,3.4合金弹簧钢60Si2Mn 50CrV 65Mn此类钢具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳极限，足够的塑性和冲击韧性。属专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。,三 常用钢铁材料简介,3.5滚动轴承钢GCr15 GCr15SiMn GSiMnMoV此类钢具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性及足够的韧性和淬透性。属专用结构钢，主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈等。,三 常用钢铁材料简介,3.6合金工具钢9SiCr W18Cr4V Cr12此类钢具有高的硬度、耐磨性、热硬性，足够的塑性、韧度和强度。用于制造各种刃具、量

15、具、模具等加工和测量工具。,三 常用钢铁材料简介,3.7特殊性能钢不锈钢 耐热钢 耐磨钢此类钢具有某些特殊的物理、化学和力学性能，因而能在特殊的工作环境和工作条件下使用。如热处理电炉中的炉底板，各种不锈钢阀门等。,三 常用钢铁材料简介,4.铸铁具有良好的铸造性能、减振性、切削加工性和低的缺口敏感性，并且它的生产设备和工艺简单，成本较低，因此铸铁在机械制造中得到了广泛应用。缺点：强度、塑性、韧性较差，不能进行锻造。,三 常用钢铁材料简介,4.1 铸铁的分类碳在铸铁中是以石墨的形式存在的，按照石墨在铸铁中的存在状态将铸铁划分为以下四种。灰口铸铁（片状石墨）球墨铸铁（球状石墨）蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）

16、可锻铸铁（团絮状石墨）,三 常用钢铁材料简介,4.2铸铁牌号、性能和用途4.2.1 灰口铸铁HT100、HT150 HT350 最低抗拉强度（MPa） 灰口铸铁抗拉强度、塑性、韧性较低，但抗压强度、硬度、耐磨性好，并具有铸铁的其它优良性能，因此广泛应用于机床床身、箱体、底座、手轮等。,三 常用钢铁材料简介,4.2铸铁牌号、性能和用途4.2.2 球墨铸铁 最低抗拉强度（MPa）QT6003 最小伸长率（）球墨铸铁通过热处理强化后力学性能有较大提高，应用范围很广，可代替中碳钢制造汽车、拖拉机中的曲轴、连杆、齿轮等。,三 常用钢铁材料简介,4.2铸铁牌号、性能和用途4.2.3 蠕墨铸铁RuT340 最低抗拉强度（MPa）蠕墨铸铁强度、韧性、疲劳强度等均比灰口铸铁高，但比球墨铸铁低。主要用于制造柴油机气缸盖、气缸套、阀体等。,