机械工程材料课件

2020 2 26 1 第1章金属的结构与结晶第2章金属的塑性变形与再结晶第3章合金的相结构与二元合金相图第4章铁碳合金第5章钢的热处理第6章合金钢第7章铸铁 第8章有色金属及其合金第9章非金属材料第10章纳米材料与功能材料第11章铸造第12章金属压力加工第13章焊接第14章机械零件的选材及工艺路线分析 机械工程材料 蒲永峰编著 2020 2 26 2 1 1金属的晶体结构1晶体与非晶体晶体是指其组成微粒呈规则排列的物质 非晶体是指其组成微粒呈无规则堆积在一起的物质 2晶体结构的基本概念1 晶格2 晶胞3 晶格常数4 晶面5 晶向3常见的金属晶格类型1 体心立方晶格2 面心立方晶格3 密排六方晶格 1 2金属的实际结构与晶体缺陷1多晶体结构实际上由许多晶粒组成的结构称为多晶体结构 一般金属材料都是多晶体 2晶体的缺陷1 点缺陷 晶体呈点状的缺陷 即在空间三维方向上的尺寸都很小的晶体缺陷 2 线缺陷 在三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷 3 面缺陷 在三维空间的一个方向上尺寸很小而呈面状的缺陷 第1章金属的结构与结晶 2020 2 26 3 1 3金属的结晶与铸锭 金属由液体状态变为晶体状态的过程称为结晶 1纯金属的结晶纯金属的结晶是在一定温度下进行的 这个温度称为结晶温度 金属结晶的必要条件是具有过冷度 2晶粒大小对金属力学性能的影响3细化晶粒的措施1 增加过冷度2 变质处理3 振动4金属铸锭1 铸锭的形成和组织 细晶区 柱状晶区 等轴晶区2 铸锭组织的特性 组织较致密 力学性能好 2020 2 26 4 第2章金属的塑性变形与再结晶 2 1材料的力学性能指标金属材料的性能包括金属材料的工艺性能和使用性能 1强度指标金属材料抵抗拉伸载荷的强度指标有屈服点 规定残余伸长应力和抗拉强度等 2塑性指标1 断后伸长率2 断面收缩率3硬度1 压入法 布氏硬度 洛氏硬度2 划痕法 莫氏硬度3 回跳法 肖氏硬度4冲击韧性5金属的疲劳强度1 概念 材料在循环应力和应变作用下 在一处或几处产生局部永久性累积损伤 经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程 2 疲劳破坏 2020 2 26 5 2 2金属的塑性变形 1单晶体的塑性变形2多晶体的塑性变形3塑性变形对组织和性能的影响1 金属组织和结构的变化 晶粒变形 亚结构变化 产生形变组构2 残余内应力3 加工硬化 形变强化 加工硬化是指塑性材料随变形度的增大 强度和硬度显著提高而塑性和韧性明显下降的现象 4回复与再结晶1 回复2 再结晶3 晶粒长大4 影响再结晶退火后晶粒大小的因素 加热温度 冷变形量 2020 2 26 6 2 5金属的热加工 1热加工的概念在再结晶温度以上的塑性加工为热加工 2热加工对金属组织与性能的影响1 消除铸态金属的组织缺陷2 细化晶粒3 形成锻造流线4 形成带状组织 2020 2 26 7 第3章合金的相结构与二元合金相图 3 1合金的相结构3 2匀晶相图3 3共晶相图3 4合金的性能与相图的关系 2020 2 26 8 3 1合金的相结构 3 1 1合金的基本概念 1 合金 2 组元 元 3 合金系 系 4 相 5 组织 6 结构 3 1 2合金的相结构1 固溶体 1 置换固溶体 2 间隙固溶体2 金属化合物 2020 2 26 9 3 2匀晶相图 1 相图的建立 实验方法2 相图分析3 合金的平衡结晶过程 以含WNi 20 的Cu Ni合金为例 图3 4 图3 4Cu Ni合金匀晶相图 2020 2 26 10 3 2匀晶相图 4 杠杆定律 1 确定两平衡相的成分 2 确定两个平衡相的相对质量 5 枝晶偏析 杠杆定律的证明杠杆定律的力学比喻 图3 7Cu Ni合金铸造组织的枝晶偏析 2020 2 26 11 3 3共晶相图 1 相图分析图3 8所示为Pb Sn合金相图 其中 adb为液相线 acdeb为固相线 2 典型合金的结晶过程合金I为平衡结晶 合金 为共晶合金 合金 是亚共晶合金3 标注组织的共晶相图 图3 8为Pb Sn合金相图 图3 15标注组织的共晶相图 2020 2 26 12 3 4合金的性能与相图的关系 合金的力学性能 物理性能与相图的关系 1 单相固溶体2 两相混合物合金的工艺性能与相图的关系如右图为合金的铸造性能与相图的关系 示意图 2020 2 26 13 第四章铁碳合金 钢铁是现代机械制造工业中应用最为广泛的金属材料 碳钢和铸铁都是铁碳合金 了解与掌握铁碳合金相图 对于钢铁材料的研究和使用 各种冷热加工工艺的制订等都具有重要的指导意义 4 1铁碳合金的组元及基本相4 2Fe Fe3C相图分析4 3铁碳合金的平衡结晶过程及组织4 4碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响4 5碳钢 2020 2 26 14 4 1铁碳合金的组元及基本相 1 纯铁 重要特性是结晶过程具有同素异构转变 2 铁素体 是碳溶于 Fe中形成的固溶体 常用符号 或 F 表示 3 奥氏体 奥氏体是碳溶于 Fe中形成的固溶体 用 或 A 表示 4 渗碳体 是铁与碳的稳定化合物Fe3C 其碳的质量分数为6 69 渗碳体在高温下可以分解形成石墨态的自由碳 即 Fe3C3Fe G 石墨 图4 l铁素体的显微组织 图4 2奥氏体的显微组织 2020 2 26 15 4 2Fe Fe3C相图分析 图4 3是Fe Fe3C相图 有五个单相区 ABCD以上为液相区 L DFKL为渗碳体区 Fe3C AHNA为 铁素体区 NJESGN为奥氏体区 或A GPQG为铁素体区 或F 相图的液相线是AB CD 固相线是HJECF相图中有三条重要的特性曲线 1 GS线又称为A3线 它是在冷却过程中 由奥氏体析出铁素体的开始线 2 ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线3 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线相图上有三条水平线 即 HJB为包晶转变线 ECF为共晶转变线 PSK为共析转变线 又称为A1线 4 2 1相图中的点 线 区及其意义 图4 3 2020 2 26 16 4 2 2包晶转变 水平线HJB 4 2 3共晶转变 水平线ECF 4 2 4共析转变 水平线PSK 共析转变产物称为珠光体 用符号P表示 4 2Fe Fe3C相图分析 图4 4不同放大倍数下的珠光体组织特征 2020 2 26 17 4 3铁碳合金的平衡结晶过程及组织 铁碳合金按其碳的质量分数及室温平衡组织分为三大类 即工业纯铁 钢和铸铁 4 3 1工业纯铁 Wc 0 0218 室温平衡组织为铁素体加少量Fe3C 4 3 2共析钢 室温平衡组织为珠光体 4 3 3亚共析钢 在室温下的组织由先共析铁素体和珠光体所组成 4 3 4过共析钢 室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体 2020 2 26 18 4 3 5共晶白口 Wc 4 3 常将室温莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体 用符号Ld表示 4 3 6亚共晶白口铁4 3 7过共晶白口铁 4 3铁碳合金的平衡结晶过程及组织 Wc 3 0 的亚共晶白口铁的室温组织 200 x 图4 18Wc 5 0 的过共晶白口铁的室温组织 200 x 2020 2 26 19 4 4碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 4 4 1碳的质量分数对平衡组织的影响根据运用杠杆定律进行计算的结果 从组织组成来看 随着碳的质量分数的增加 合金室温组织变化如下 P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C 工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 下图4 20铁碳合金的成分与组织的关系 2020 2 26 20 4 4 2碳的质量分数对力学性能的影响 如右图 4 4 3碳的质量分数对工艺性能的影响 1 切削加工性能2 可锻性3 铸造性 4 4碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 2020 2 26 21 4 5碳钢 工业用钢 绝大多数是由冶金厂生产的板材 棒材 型材 管材及线材等 钢材生产的主要流程是 炼铁 炼钢 铸锭 压力加工成各种规格的钢材 4 5 1钢中的杂质元素及其影响4 5 2钢的分类4 5 3非合金钢的牌号和用途 2020 2 26 22 4 5 1钢中的杂质元素及其影响 碳钢中除铁和碳二个基本组元之外 还含有少量的Mn Si S P O H N等元素 它们是从矿石和在冶炼过程中进入钢中的 这些元素称为常存杂质 1 锰和硅 都能溶人铁素体 有固溶强化作用 可提高钢的强度 2 硫 会引起钢的热脆性 但当钢中含S量增高的同时并含有较多的Mn时 可以改善钢的切削加工性 3 磷 具有很强的固溶强化作用 但剧烈地降低钢的韧性 2020 2 26 23 4 5 2钢的分类 3 按主要性能及使用特性分类 非合金钢分为 以规定最高强度 或硬度 为主要特性的非合金钢 例如冷成型用钢 以规定最低强度为主要特性的非合金钢 例如压力容器用钢 以限制碳含量为主要特性的非合金钢 例如弹簧钢 调质钢 非合金工具钢 例如T7 T13A钢 非合金易切削钢 其它 如电磁纯铁 原料纯铁等 2020 2 26 24 4 5 3非合金钢的牌号和用途 1 普通碳素结构钢 根据GB700 88的规定 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法符号等四个部分按顺序组成 2 优质碳素结构钢 钢号用两位数字表示 这两位数字表示平均碳的质量分数的万分之几 较高含锰量的优质碳素结构钢 在数字后标出锰元素符号 优质碳素结构钢应用广泛 一般都要经过热处理以提高力学性能 3 碳素工具钢 在钢号前加 T 或 碳 表示碳素工具钢 其后跟以表示碳的质量分数的千分之几的数字 经热处理 淬火加低温回火 后具有高硬度 用于制作尺寸较小 形状简单 工作温度不高的量具 刃具 模具等 2020 2 26 25 第5章钢的热处理 钢的热处理是通过加热 保温和冷却工序改变钢的内部组织结构 从而获得预期性能的工艺 钢的热处理在生产上应用的种类很多 按加热和冷却方式的不同 大致上可以分为如下几种 2020 2 26 26 5 1 1奥氏体的形成5 1 2奥氏体晶粒大小及其影响因素1 奥氏体晶粒度2 奥氏体晶粒长大及其影响因素 5 1钢在加热时的组织转变 图5 3加热时钢的晶粒长大倾向示意图 2020 2 26 27 5 2钢在冷却时的组织转变 5 2 1过冷奥氏体等温转变曲线1 C曲线的建立2 C曲线的分析3 影响C曲线的因素 1 碳的质量分数的影响 2 合金元素的影响 3 加热温度和保温时间的影响 图5 4奥氏体不同冷却方式示意图1一等温冷却2 连续冷却 5 2 2过冷奥氏体等温转变产物及转变过程珠光体转变2 贝氏体转变3 马氏体转变马氏体转变特点 1 无扩散性 2 变温形成 3 高速长大 4 马氏体转变的不完全性 2020 2 26 28 5 2 3过冷奥氏体连续转变曲线 1 CCT曲线分析 2 CCT曲线的应用 图5 18共析钢的CCT曲线与TTT曲线比较图 图5 1945钢的CCT曲线 注 利用CCT曲线 可以获得真实的临界淬火冷却速度 制定正确的冷却规范和估计冷却后的组织性能 2020 2 26 29 5 3钢的退火与正火 5 3 1退火 是将钢加热到临界点以上或以下 保温后缓慢冷却 一般是炉冷 的一种热处理工艺 1 完全退火2 等温退火3 球化退火4 均匀化退火5 去应力退火 5 3 2正火 是将钢加热到Ac3 亚共析钢 或Accm 过共析钢 以上30 50 保温后在空气中冷却 得到以索氏体为主的组织的热处理工艺 与退火相比 正火冷却速度较快 转变温度较低 获得的珠光体型组织较细 钢的强度 硬度也较高 图5 20各种退火和正火的加热温度范围 2020 2 26 30 5 4钢的淬火 5 4 1淬火加热温度的选择 如图5 23 5 4 2火冷却介质 生产上最常用的淬火剂是水 盐水和机油 5 4 3常用淬火方法 1 单介质淬火2 双介质淬火3 分级淬火4 等温淬火5 局部淬火6 冷处理5 4 4钢的淬透性 1 淬透性的概念2 影响淬透性的因素 1 化学成分的影响 2 奥氏体化条件的影响 2020 2 26 31 5 5钢的回火 回火是把淬火钢加热到Ac1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺 回火紧接着淬火后进行 除等温淬火件外 其他淬火零件都必须及时进行回火 5 5 1淬火钢在回火时的转变1 马氏体分解2 残余奥氏体的分解3 碳化物转变为Fe3C4 渗碳体的聚集长大及 相再结晶 图5 28钢在回火时的变化 2020 2 26 32 5 5 2回火种类及应用1 低温回火 温度为150 250 回火后组织为回火马氏体 2 中温回火 温度为350 500 回火后组织为回火托氏体 3 高温回火 温度为500 650 回火后组织为回火索氏体 5 5 3回火脆性1 低温回火脆性 250 350 2 高温回火脆性 500 650 5 5钢的回火 2020 2 26 33 5 6钢的表面淬火 5 6 1概述5 6 2感应加热表面淬火1 感应加热的基本原理2 感应加热的分类及应用根据所用电流频率的不同 感应加热可分为高频 中频和工频三类 3 感应加热表面淬火获得的组织感应加热表面淬火零件的一般工艺路线为 锻造 正火或退火 粗机加工 调质 精机加工 感应加热表面淬火 低温回火 精磨 4 感应加热表面淬火的特点 2020 2 26 34 5 7钢的化学热处理 5 7 1概述5 7 2钢的渗碳1 渗碳方法 1 气体渗碳 2 固体渗碳 3 真空渗碳 2 渗碳用钢和渗碳层质量3 渗碳后的热处理及其组织 1 预冷淬火法 2 一次淬火法 3 二次淬火法4 渗碳零件的工艺路线 5 7 3钢的渗氮1 渗氮方法 2 渗氮层的组织 3 渗氮用钢及渗氮处理技术条件5 7 4钢的碳氮共渗1 中温气体碳氮共渗 2 低温气体氮碳共渗 2020 2 26 35 5 8热处理新技术简介 1真空热处理 包括真空淬火 真空回火 真空退火和真空化学热处理 真空渗碳 真空渗氮等 它具有表面不氧化 不脱碳 真空脱气 脱脂 表面光洁 变形小 环保 自动化程高等优点 2可控气氛热处理 控制炉内的气体混合物的成分 可达到渗碳 碳氮共渗 防止氧化脱碳 光亮淬火等目的 3离子注入 将被注入元素的原子利用离子注入机电离成正离子 经高压电场作用后强行注入材料表面 使其产生力学 化学性能的优化的工艺方法 4激光热处理 利用激光器发出能量密度极高的激光 以扫描方式快速加热工件表面而达到淬火的目的 2020 2 26 36 第6章合金钢 6 1概述 为了提高钢的力学性能 工艺性能或物理性能 化学性能 冶炼时 在碳钢的基础上特意往钢中添加一定量的一种或几种合金元素 这类钢就称为合金钢 6 1 1钢中合金元素 主要有Si Mn Cr Ni W Mo V Ti Nb B等 6 1 2合金钢的分类及编号方法1 分类 合金结构钢 合金工具钢 不锈 耐蚀 耐热钢 轴承钢 特殊物理性能钢 2 编号方法合金钢的编号 能反映出该钢号的主要成分 包括碳的质量分数 合金元素及其含量 编号的原则是采用数字 元素符号 数字的方法表示 2020 2 26 37 6 2合金元素在钢中的作用 6 2 1合金元素对钢中基本相的影响6 2 2合金元素对Fe Fe3C相图的影响1 扩大 区 2 缩小 区 3 使Fe Fe3C相图的S点和E点向左移6 2 3合金元素对热处理过程的影响1 合金元素对加热转变的影响2 合金元素对过冷奥氏体转变的影响3 合金元素对回火转变的影响 1 提高回火稳定性 2 产生二次硬化 3 产生回火脆性 2020 2 26 38 6 3合金结构钢 结构钢主要用于制造桥梁 船舶 建筑等各类工程结构件及各种机械零件 根据其用途 合金结构钢可分为工程结构钢及机械结构钢两类 6 3 1工程结构钢1 成分及组织特点2 常用低合金钢6 3 2机械结构钢机械结构钢属特殊质量合金钢 根据其用途可分为渗碳钢 调质钢 弹簧钢 超高强度钢及易切削钢等 2020 2 26 39 6 4轴承钢 轴承钢主要用于制造各种类型的滚动轴承 按成分及使用特性可分为高碳铬轴承钢 滚动轴承钢 渗碳轴承钢 不锈轴承钢 高温轴承钢 无磁轴承钢等五种 本节主要介绍最为常用的滚动轴承钢 用于制造各类滚动轴承的钢称为滚动轴承钢 6 4 1工作条件及性能要求根据滚动轴承的工作条件 轴承钢需具有以下性能 高的接触疲劳强度及弹性极限 良好的淬硬性及淬透性 足够的韧性及耐磨性 同时对润滑剂应具有较好的抗蚀能力 6 4 2化学成分6 4 3热处理特点一般轴承零件 如内 外圈套 的加工工艺路线为 锻轧 球化退火 机械加工 淬火低温回火 磨加工 成品 2020 2 26 40 6 5合金工具钢 合金工具钢含有一定量的一种或几种合金元素 因而具有较碳素工具钢更优越的力学性能 6 5 1刃具钢1 工作条件及性能要求高的硬度和耐磨性 2 高热硬性 3 足够的塑性和韧性2 低合金刃具钢用于制造受热程度较低的手工工具或低速而小进刀量的机用工具3 高速钢 1 是一种用于制造高速切削刃具的高合金工具钢 2 铸态组织与锻造 3 热处理 1 退火 2 淬火 回火 6 5 2模具钢1 冷作模具钢是使金属或非金属材料在常温状态下成形的模具 应具有高的硬度 高的耐磨性 足够的强度及韧性 2 热作模具钢是使金属或非金属材料在被加热状态下成形的工具 提出如下性能要求 高的强度及良好的热硬性 良好的断裂抗力 断裂韧性及冲击韧性 高的热疲劳抗力 良好的淬透性 3 塑料模具钢 2020 2 26 41 6 6不锈耐蚀和耐热钢 6 6 1不锈钢不锈钢是指在大气和弱腐蚀介质有一定抗蚀能力的钢 而在各种强腐蚀介质 酸 中耐腐蚀的钢称为耐酸钢 1 金属腐蚀的概念2 不锈钢的合金化原理3 常用不锈钢 马氏体型 奥氏体型 铁素体型 6 6 2耐热钢耐热钢是指在高温下具有良好的抗氧化性能 并具有足够强度的钢 1 抗氧化钢2 热强钢 1 珠光体型热强钢 2 马氏体型热强钢 3 奥氏体型热强钢 2020 2 26 42 第7章铸铁 7 1概述7 2灰铸铁7 3可锻铸铁 7 4球墨铸铁7 5蠕墨铸铁7 6特殊性能铸铁 2020 2 26 43 7 1铸铁概述 碳的质量分数大于2 11 的铁碳合金称为铸铁 从成份上看与钢的主要区别是铸铁的碳 硅含量较高 杂质元素硫 磷较多 7 1 1铸铁的石墨化过程7 1 2铸铁的分类1 按碳在铸铁中存在的形式分类2 按铸铁中石墨的形态不同分类3 按化学成分分类 2020 2 26 44 7 2灰铸铁 1灰铸铁的成分 组织和性能普通灰铸铁简称为灰铸铁 灰铸铁的显微组织除片状石墨外 基体组织有三种 铁素体 珠光体 铁素体 珠光体 具有抗拉强度 塑性和韧性 2灰铸铁的孕育 变质 处理3灰铸铁的牌号 性能及应用4灰铸铁的热处理 1 去应力退火2 消除铸件白口的退火3 表面淬火 2020 2 26 45 7 3可锻铸铁 可锻铸铁又称马铁或玛钢 它是由白口铸铁经石墨化退火而获得的具有团絮状石墨组织的铸铁 1可锻铸铁的生产过程 成分 组织和性能生产分为两个步骤 第一步浇注成白口铸件 第二步经高温长时间石墨化退火 可锻化退火 使渗碳体分解出团絮状石墨 2可锻铸铁的牌号及用途牌号中 KT 表示 可铁 二字 其后 H 表示黑心可锻铸铁 Z 表示珠光体可锻铸铁 与球墨铸铁相比较 可锻铸铁具有成本低 质量稳定 铁水处理简单 容易组织流水生产等优点 2020 2 26 46 7 4球墨铸铁 球墨铸铁是一种高强度铸铁 它是在浇注前向一定成分铁液中加入适量的球化剂和孕育剂 获得具有球状石墨的铸铁 1球墨铸铁的成分 组织和性能球墨铸铁还保留了灰铸铁的优良性能 如良好的铸造性 切削加工性 减震性 耐磨性及低的缺口敏感性 但是在生产中易出现白口 缩松等现象 其熔炼和铸造工艺要求较高 2球墨铸铁的牌号和用途牌号中 QT 表示 球铁 二字 可用来制造一些受力复杂 强度 韧性和耐磨性要求高的重要零件 如曲轴 连杆 凸轮轴等 7 4 3球墨铸铁的热处理1 退火 2 正火 3 调质处理 4 等温淬火 2020 2 26 47 7 5蠕墨铸铁 7 5 1蠕墨铸铁的成分 组织和性能蠕墨铸铁的化学成分一般为WC 3 5 3 9 WSi 2 1 2 8 WMn 0 4 0 8 WS 0 1 WP 0 1 蠕墨铸铁的力学性能较好 7 5 2蠕墨铸铁的牌号和应用牌号用 蠕铁 二字的汉语拼音字首 RuT 加最小抗拉强度表示 在生产中蠕墨铸铁可代替其它铸铁 制作大功率柴油机汽缸盖 汽缸套 电动机外壳 钢锭模 机座 制动鼓 阀体以及一些大型零件 2020 2 26 48 7 6特殊性能铸铁 1耐热铸铁耐热铸铁是在铸铁中加入硅 铝 铬等元素 使铸件表面形成一层致密的氧化层 保护内层不继续被氧化并使临界点上升而不发生组织转变 提高了铸铁的耐热性即高温下抗氧化和抗热生长的能力 2耐磨铸铁 1 高磷铸铁 2 铬钼铜合金铸铁3耐蚀铸铁一般加入一定量的硅 铝 铬 镍 铜等元素 使铸件表面生成一层致密的氧化膜来提高其耐蚀能力 并控制石墨使其含量低 呈球状 分布均匀 主要用于化工部门的管道 阀门 泵类等 2020 2 26 49 第8章有色金属及其合金 金属材料分为黑色金属和有色金属两大类 黑色金属主要指钢和铸铁 而铝 铜 镁 钛 锌 锡等及其合金统称为有色金属或非铁金属 有色金属又分为轻有色金属 相对密度小于3 5 和重有色金属 相对密度大于3 5 8 1铝及铝合金8 2铜及铜合金8 3轴承合金8 4钛及钛合金8 5镁合金8 6粉末冶金 2020 2 26 50 8 1铝及铝合金 铝是面心立方晶格 没有同素异构转变 相对密度2 72 约为铁的1 3 熔点660 导热 导电性能良好 1工业纯铝2铝合金 为了提高纯铝的强度 将铝与合金元素 硅 铜 镁 锌 锰等 进行合金化 即得到铝合金 1 变形铝合金 2 铸造铝合金3铝合金热处理特点1 固溶处理 淬火 2 时效 3 退火 图8 1铝合金二元相图 2020 2 26 51 8 2铜及铜合金 铜及铜合金有优异的物理 化学性能 良好的加工性能以及某些特殊的机械性能 色泽美观 在电气工业 仪表工业 造船工业以及机械制造工业领域获得广泛应用 1纯铜纯铜用电解方法制得 又称电解铜 熔点1038 相对密度8 94 形成氧化膜后呈紫红色 故又称紫铜 2铜合金铜合金分为黄铜 青铜以及白铜 铜镍合金 三类 2020 2 26 52 8 3轴承合金 1对轴承合金的性能要求 1 具有良好的减磨性 2 足够的强度和硬度 3 有足够的塑性和韧性 4 有良好的耐蚀性 导热性和较小的膨胀系数 2轴承合金的组织 1 软的基体上分布着硬质点 2 较硬基体上分布着软的质点 3常用轴承合金常用的轴承合金按主要成分可分为锡基 铅基 铝基 铜基等数种 前两种称为巴氏合金 除以上轴承合金外 粉末冶金含油轴承 聚氨脂橡胶 聚四氟乙烯工程塑料等也可作滑动轴承或衬套材料 2020 2 26 53 8 4钛及钛合金 钛是十分活泼的元素 钛及其合金具有密度小 比强度大 耐热性好 抗腐蚀性高 低温韧性优良等特点 且资源丰富 成为航空 航天 造船 化工等工业中的重要结构材料 1工业纯钛2钛合金钛合金按其退火组织状态分为全部 相 全部 相和 相三类 分别称 钛合金 钛合金和 钛合金 其符号分别以TA TB TC表示 按照成形工艺不同 钛合金也分为变形钛合金和铸造钛合金 3钛及钛合金的热处理1 退火 2 淬火和时效 2020 2 26 54 8 5镁合金以镁为基体的合金称镁合金 也称为超轻质合金 它的优点是 比重很小 比铝轻1 3 但比强度高于铝合金 疲劳极限高 与铝合金相比 能承受较大的冲击载荷 耐蚀性好 特别耐煤油 汽油等矿物油和碱类的腐蚀 有良好的切削加工性能 8 6粉末冶金1粉末冶金的分类有铁基粉末冶金和铜基粉末冶金两种 2粉末冶金的生产工艺粉末冶金产品一般经过 粉料配制混匀 压制成型 烧结 后处理四个工序 3粉末冶金的应用1 含油轴承2 摩擦材料3 硬质合金 2020 2 26 55 第9章非金属材料 工程材料分为金属材料和非金属材料两大类 非金属材料具有金属材料所不及的某些性能 如绝缘性 高弹性 耐高温 抗腐蚀 硬 脆 质轻等 在现代工业生产中逐渐取代某些金属 得到越来越广泛应用 9 1高分子合成材料9 2陶瓷9 3复合材料 2020 2 26 56 9 1高分子合成材料 9 1 1常用塑料1 塑料的组成 1 合成树脂 2 添加剂2 塑料的分类按工艺性分为热塑性塑料和热固性塑料两大类 按使用性分类 有通用塑料和工程塑料和耐热塑料三类 3 工程塑料的特性 1 密度小 2 比强度高 3 良好的抗腐蚀性 4 优良的电绝缘性 5 耐磨 减摩 自润滑性好 6 工艺性好易热压成型 4 塑料的成型工艺塑料加工的成型工艺很多 可在液态或熔融态下喷丝成纤维或浇注成零件 也可在塑性状态吹塑 注射 模压 挤压成型 2020 2 26 57 9 1高分子合成材料 9 1 2合成橡胶1 橡胶的特性2 橡胶的分类分为天然橡胶和合成橡胶 3 橡胶制品的加工橡胶制品一般经过塑炼 混炼 成型 硫化几个工艺过程 4 橡胶制品的特点和用途5 橡胶制品的维护 9 1 3胶粘剂1 胶粘剂的组成和功用2 胶粘剂的分类 代号及应用胶粘剂主要按粘料分类 也按胶粘剂的物理形态 硬化方法和被粘物材质分类 3 胶接工艺 1 接头设计 2 表面处理 3 配胶 4 涂胶 5 晾置 6 叠合 7 固化 2020 2 26 58 9 2陶瓷 传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器 在现代工业中应用的陶瓷是一种无机非金属材料 它与传统的陶瓷材料概念是不同的 1陶瓷的分类一般分为普通陶瓷 特殊陶瓷和金属陶瓷三类 2陶瓷的组织结构有晶相 气相和玻璃相 各相的数量 形状 分布不同 陶瓷的性能不同 3陶瓷的性能4常用陶瓷材料 2020 2 26 59 9 3复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料经人工合成的多相固体材料 其中一种组成物为基体 是连续相 起粘合作用 另一种为增强材料 是分散相 可增加强度和韧性 1复合材料的分类2复合材料的性能特点1 比强度和比模量高 2 疲劳强度高 3 阻尼大 减振性好 4 高温下强度和抗疲劳性能好 热稳定性也较好 5 过载安全性好 6 化学稳定性好 耐腐蚀 3复合材料的制造方法1 纤维的制取 2 纤维与树脂复合成型 4常用复合材料特点及用途 2020 2 26 60 第10章纳米材料与功能材料 纳米 nanometer 实际上是一个长度单位 简写为nm lnm 10 3 m 10 6mm 10 9m 纳米材料并不是新生材料 在坚硬的齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶 早已在人类和动物的牙齿中存在 考古学家观察到了几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损 这些表面均是由纳米级的晶粒组成 10 1纳米材料10 2超导材料10 3贮氢合金10 4形状记忆合金10 5非晶态合金 2020 2 26 61 10 1纳米材料 1纳米科学与技术2纳米材料的定义我们把组成相或晶粒结构控制在l00纳米 nm 以下的长度尺寸的材料称为纳米材料 3纳米材料的结构和优异性能1 纳米材料的结构 2 特殊的力学性质 3 特殊的热学性质 4 特殊的光学性质 5 特殊的磁性 6 纳米固体材料的力学性能 7 纳米材料的稳定性 8 纳米材料的化学性能 4纳米材料的制备1 纳米材料制备方法简述 2 机械合金化技术 5纳米材料的应用1 在化工产品中的应用 2 在环保健康方面的应用 3 在电子工业产品中的应用 2020 2 26 62 10 2超导材料 1超导材料的分类及特点电性质R 0 磁性质B 0是超导体两个最基本的特性 超导材料按其化学组成可分为 元素超导体 合金超导体 化合物超导体 2超导材料的应用1 开发新能源 1 超导受控热核反应堆 2 超导磁流体发电 2 节能方面 l 超导输电 2 超导发电机和电动机 3 超导变压器 4 超导磁悬浮列车 5 超导贮能 2020 2 26 63 10 3贮氢合金 1金属贮氢原理金属与氢的反应 是一个可逆过程 正向反应 吸氢 放热 逆向反应 释氢 吸热 改变温度与压力条件可使反应按正向 逆向反复进行 实现材料的吸释氢功能 2贮氢合金分类1 镁系贮氢合金 2 钛系贮氢合金 3 稀土系3贮氢合金的应用1 作为贮运氢气的容器 2 氢能汽车 3 分离 回收氢 4 制取高纯度氢气 5 氢气静压机 6 氧化物电极 2020 2 26 64 10 4形状记忆合金具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金 形状记忆合金种类很多 可以分为镍 钛系 铜系 铁系合金三大类 形状记忆材料主要应用在以下几方面 1 工程应用 2 医学应用 3 智能应用 10 5非晶态合金如果以极高的速度将熔融状态的合金冷却 凝固后的合金结构呈玻璃态 这样得到的合金称非晶态合金 俗称 金属玻璃 具有许多优良的性能 高强度 良好的软磁性及耐腐蚀性能等 主要应用 1 力学性能 2 软磁特性 3 耐蚀性能 4 高的电阻率 5 超导电性非晶态合金还具有良好的催化特性 但其也有缺点 主要表现在两方面 一是由于采用急冷法制备材料 使其厚度受到限制 二是热力学上不稳定 受热有晶化倾向 2020 2 26 65 第11章铸造 铸造生产具有如下优点 1 可以制成形状复杂 特别是具有复杂内腔的毛坯 2 适应性强 3 铸造所用的原材料来源广泛 价格低廉 设备投资小 铸件成本较低 铸造生产存在的主要问题 1 铸造生产过程较复杂 工序多 废品率较高 2 铸件的力学性能一般不如锻件高 11 1概述 图11 1机器设备制造过程 2020 2 26 66 11 2合金的铸造性能 铸造合金除具有符合要求的物理 化学和力学性能外 还要考虑它的铸造性能 11 2 1合金的流动性1 流动性及其对铸件质量的影响2 影响流动性的因素 1 化学成分 2 浇注温度 3 铸型条件 11 2 2合金的收缩1 合金的收缩及其影响因素2 缩孔和缩松3 铸造内应力4 变形与开裂 2020 2 26 67 11 3砂型铸造 砂型铸造是以型砂为造型材料 用人工或机器在砂箱内造出所需的型腔及必要的浇注系统的铸造方法 图11 9砂型铸造的工艺过程 11 3 1造型材料 制造铸型和型芯用的材料统称 1 对型砂 芯砂 性能的要求 2 型砂的分类和应用11 3 2造型方法的选择1 手工造型方法的特点和应用 2 机器造型的特点和应用 2020 2 26 68 11 4铸造工艺设计 11 4 1铸件结构设计的原则1 铸件结构设计应与砂型铸造工艺相适应 1 合理设计铸件内腔 便于模型和芯盒制作 2 设计的铸件结构应便于造型和起模2 铸件结构必须考虑合金的铸造性能 1 合理的铸件壁厚 2 铸件壁厚应尽可能均匀 3 铸件壁的连接 4 防裂肋的应用 5 避免受阻收缩 6 铸件应尽量避免有过大的水平面11 4 2铸造工艺方案的选择1 造型方法的选择2 浇注位置与分型面的选择3 铸造工艺参数的选择 2020 2 26 69 11 5特种铸造 11 5 1金属型铸造1 金属型的分类及构造2 金属型的铸造工艺3 金属型铸造的特点及适用范围11 5 2压力铸造1 压铸机及压力铸造工艺2 压力铸造的特点和适用范围11 5 3低压铸造1 低压铸造的工艺过程2 低压铸造的特点及适用范围 11 5 4离心铸造1 离心铸造的基本方式2 离心铸造的特点及适用范围11 5 5熔模铸造1 熔模铸造的工艺过程包括 制造蜡模 结壳 脱蜡 填砂 焙烧 浇注 落砂清理等 2 熔模铸造的特点和适用范围 注 通过对几种铸造方法的介绍可知 各种铸造方法都有其优缺点 不能认为某种方法最完善 必须结合生产具体情况 进行全面分析比较 才能正确地选择铸造方法 2020 2 26 70 第12章金属压力加工 12 1概述12 2锻造加热和冷却12 3自由锻 12 4模锻12 5冲压12 6其他压力加工方法 压力加工是使金属坯料在外力作用下产生塑性变形 以获得所需的形状 尺寸的毛坯 零件或原材料的加工方法 压力加工的主要生产工艺有锻造 冲压 轧制 拉拔 挤压等几种 2020 2 26 71 12 2锻造加热和冷却 1金属的加热金属锻造前加热可以达到提高坯料的塑性和降低其变形抗力 提高其可锻性的目的 2锻造温度范围锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔 3加热产生的缺陷及其防止方法金属在加热过程中可能产生的缺陷有 氧化 脱碳 过热 过烧和内部裂纹等 4加热设备根据热源的种类分为火焰炉和电炉两大类 5锻后冷却常见的冷却方法有 1 空冷 2 堆冷 3 坑冷 4 灰砂冷 5 炉冷 2020 2 26 72 12 3自由锻 自由锻造简称自由锻 是利用锻造设备的上 下砧或简单的通用性工具直接使坯料变形的压力加工方法 1空气锤2自由锻基本工序基本工序有拔长 镦粗 冲孔 扩孔 弯曲 切断 扭转和错移等 3自由锻件的结构工艺性1 锻件上应避免锥面和斜面的结构2 锻件上应避免形成空间曲线3 锻件上应尽量避免加强肋 凸台 工字形截面或空间曲面4 锻件结构应避免截面尺寸的急剧变化4制订锻件的自由锻造工艺过程自由锻造的工艺规程包括 锻件图 坯料的质量和尺寸 锻造工序 锻造设备和吨位 锻造工具 锻造温度范围 冷却和热处理规范 技术要求和检验要求 劳动组织和工时定额等 5自由锻的锻造缺陷当坯料质量不好 锻造方法不规范 加热冷却及热处理不当都会引起锻造缺陷 2020 2 26 73 12 4模锻 模型锻造 简称模锻 是在模锻设备上利用锻模对金属材料进行锻造成形的一种工艺方法 1锤上模锻锤上模锻设备为模锻锤 生产中应用最广泛的是蒸汽 空气模锻锤 其结构与自由锻造的蒸汽 空气锤相似 2胎模锻胎模锻是在自由锻设备上用可移动的简单锻模 称胎模 生产模锻件的一种工艺方法 胎模类型主要有扣模 筒模和合模三种 3特种模锻分为三种 1 精密模锻2 超塑性模锻3 液态模锻 2020 2 26 74 12 5冲压 冲压是通过模具使板料塑性成形以获得零件的工艺方法 冲压生产设备有剪床和冲床 1板料冲压的基本工序1 分离工序 有落料 冲孔 切边 剖切 修整等 2 变形工序 有拉深 弯曲 翻边 成形等 2冲床及冲模冲床是最常用的冲压设备 按工序的组合方式可将冲压模具分为简单模 连续模和复合模三大类 图12 37冲床外形和传动图1 工作台2 导轨3 床身4 电动机5 连杆6 制动器7 曲轴8 离合器9 带轮l0 带11 滑块12 踏板 2020 2 26 75 12 6其他压力加工方法 12 6 1挤压挤压是使坯料在挤压模中受很强的三向压力作用产生塑性变形的工艺方法 1 挤压工艺的特点2 挤压的分类 根据挤压成形时金属流动方向与凸模运动方向的关系 可分为正挤压 反挤压 复合挤压和径向挤压四种 12 6 2轧制轧制是用轧辊对坯料进行连续变形的压力加工方法 具有生产率高 质量好 成本低和材料消耗少等优点 在机械制造工业中得到了越来越广泛的应用 根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同 轧制分为纵轧 横轧 斜轧和楔横轧等几种 12 6 3拉拔将金属坯料拉过拉拔模的模孔而使坯料变形的压力加工方法叫拉拔 2020 2 26 76 第13章焊接 13 1焊接方法的本质及分类13 2气焊及气割13 3焊接电弧和弧焊电源13 4手工电弧焊13 5埋弧焊 13 6气体保护电弧焊13 7电阻焊13 8钎焊13 9常用金属材料的焊接13 10焊接接头及焊接结构基础 2020 2 26 77 13 1焊接方法的本质及分类 1焊接的定义焊接是指通过适当的物理化学过程 使二个分离的固态物体产生原子 分子 间结合力而连接成一体的连接方法 2焊接过程的本质焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程克服这两个困难 并且应满足以下几个要求 1 适当的能源以产生连接面的局部熔化或加压 2 能清除连接面的氧化膜及沾污 3 消除大气气氛的污染及影响 4 焊接接头具有冶金可控性 3焊接方法的分类 如右图 图13 1焊接方法分类 2020 2 26 78 13 2气焊及气割 1气焊 气割的基本概念利用可燃气体和助燃气体混合点燃后产生的高温火焰 热源 来熔化待焊部位和焊丝 使被熔化的金属形成一共有熔池 随着热源不断前移 熔池随之凝固 最后形成连续的焊缝 这种工艺方法称之为气焊 气割过程是通过对金属的预热 燃烧和吹渣分离三个阶段实现的 2气焊 气割的应用设备及工具气焊用的设备包括氧气瓶 乙炔发生器 或溶解乙炔瓶 或其它可燃气体的气瓶 回火保险器等 所用的工具包括焊炬 降压器以及橡胶管等 3气焊用材料1 可燃气体与助燃气体2 气焊丝3 气焊溶剂4气焊工艺1 气焊火焰的种类及特点2 气焊接头的种类及坡口形成3 气焊工艺参数 2020 2 26 79 13 3焊接电弧和弧焊电源 1 电弧的一般特点焊接电弧与其它气体放电形式不同 它具有电流大 电压低 温度高及强烈弧光等特点2 焊接电弧的静特性电弧稳定燃烧时 电弧电压与电流之间的关系曲线称为电弧静特性曲线 其形状一般如图13 6所示的U形曲线 3 弧焊电源 1 对弧焊电源的要求 2 正接法和反接法 3 负载持续率 暂载率 4 常用弧焊电源 图13 7弧焊电源与电弧特性曲线的示例1 电弧静特性曲线2 下降电源外特性曲线3 平电源外特性曲线 2020 2 26 80 13 4手工电弧焊 13 4 1手工电弧焊原理电弧在熔化的电极 涂料焊条 和工件之间燃烧 电弧和熔池通过焊条产生的气体和渣的保护防止空气的侵入 13 4 2焊条1 焊条组成及作用焊条由焊芯及药皮两部分组成 2 焊条的种类 型号和牌号13 4 3手工电弧焊的操作技术及规范参数的选择1 手工电弧焊的操作技术2 手工电弧焊的规范参数 手工电弧焊原理示意图 2020 2 26 81 13 5埋弧焊1埋弧焊原理及特点焊接时电弧在焊剂层下燃烧 无飞溅 避免了弧光 烟尘对焊工的危害 降低了焊工的劳动强度 2埋弧焊设备及材料设备由焊接电源 焊接小车和控制箱等三部分组成 焊接材料有焊丝和焊剂 3埋弧焊工艺 13 6气体保护电弧焊1熔化极气体保护焊1 熔化极气体保护焊原理2 熔化极气体保护焊系统组成3 规范调节4 熔滴过渡5 熔化极气体保护焊的应用及发展2非熔化极气体保护焊1 钨极氩弧焊 TIG焊 2 等离子弧焊 2020 2 26 82 13 7电阻焊1点焊点焊是在被焊工件接触面之间形成局部熔化的焊点而将两工件接在一起的焊接方法 2缝焊可以认为是连续点焊过程 不同之处是缝焊用转动的圆盘状电极来代替点焊用的圆柱状电极 3凸焊凸焊是在一个焊