常用金属制作和分类ppt.ppt

常用金属 学习目标了解常用金属材料的分类 机械性能和常用的加工方法 掌握一般的机械制图知识 根据现场实际落物情况 设计并绘制出简单的打捞工具 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能机械性能 是指金属材料受到各种不同性质的载荷 外力 作用时 所表现的对变形与破裂的抵抗能力 主要包括 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能金属在静载荷作用下 抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度 强度的大小通常用应力来表示 1抗拉强度的测定 2 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能屈服点 钢材或试样在拉伸时 当应力超过弹性极限 即使应力不再增加 而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形 称此现象为屈服 而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点 屈服强度 s 有的金属材料的屈服点极不明显 在测量上有困难 因此为了衡量材料的屈服特性 规定产生永久残余塑性变形等于一定值 一般为原长度的0 2 时的应力 称为条件屈服强度或简称屈服强度 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能机械零件在工作时如受力过大 则因过量的塑性变形而失效 当零件工作时所受的应力 低于材料的屈服点 则不会产生过量的塑性变形 材料的屈服点或规定残余伸长应力越高 允许的工作应力也越高 3则零件的截面尺寸及自身质量就可以减小 因此 材料的屈服点是机械零件设计的主要依据 也是评定金属材料性能的重要指标 套管 油管 N80 P110 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能抗拉强度 b 材料在拉伸过程中 从开始到发生断裂时所达到的最大应力值 它表示钢材抵抗断裂的能力大小 与抗拉强度相应的还有抗压强度 抗弯强度等 4抗弯强度是指材料抵抗弯曲不断裂的能力 主要用于考察陶瓷等脆性材料的强度 塑性 断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性 塑性指标也是由拉伸试验测得的 常用伸长率和断面收缩率来表示 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能塑性1 伸长率 材料在拉断后 其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率 2 断面收缩率 试样拉断后 缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大 表示材料的塑性越好 塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏 易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件 塑性好的材料 在受力过大时 首先产生塑性变形而不致发生突然断裂 因此比较安全 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力 它是金属材料的重要性能指标之一 5一般硬度越高 耐磨性越好 固体对外界物体入侵的局部抵抗能力 是比较各种材料软硬的指标 由于规定了不同的测试方法 所以有不同的硬度标准 各种硬度标准的力学含义不同 相互不能直接换算 但可通过试验加以对比 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能硬度分类 划痕硬度 主要用于比较不同矿物的软硬程度 方法是选一根一端硬一端软的棒 将被测材料沿棒划过 根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬 定性地说 硬物体划出的划痕长 软物体划出的划痕短 压入硬度 主要用于金属材料 方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料 以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬 由于压头 载荷以及载荷持续时间的不同 压入硬度有多种 主要是布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度和显微硬度等几种 回跳硬度 主要用于金属材料 方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样 并以试样在冲击过程中储存 继而释放 应变能的多少 通过小锤的回跳高度测定 确定材料的硬度 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能常用的硬度指标有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 布氏硬度 HB 一般用于材料较软的时候 如有色金属 热处理之前或退火后的钢铁 400 洛氏硬度 HRC 一般用于硬度较高的材料 如热处理后的硬度等等 6水力锚牙齿表面硬度HRC55 62 硬化层厚度0 8 1 0mm 其他部分硬度小于HRC35 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能许多机械零件在工作中 往往要受到冲击载荷的作用 如活塞销 锤杆 冲模和锻模等 制造这类零件所用的材料 其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量 而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性 目前 常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性 用冲击值 k表示韧性好坏 一 相关知识 一 常用金属材料的机械性能许多机械零件 如轴 齿轮 轴承 叶片 弹簧等 在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化 这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力 也称循环应力 在交变应力作用下 虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点 但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳 疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限 对于黑色金属 一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力为疲劳极限 有色金属 不锈钢等取108周次 一 相关知识 二 常用金属材料分类及性能金属分为 黑色金属 钢和生铁 和有色金属 非铁金属及其合金 铁碳合金按工业上的应用 特性可以分为两部分 即碳钢与生铁 含碳量在2 11 以下称为 碳钢 又称碳素钢含碳量在2 11 以上的称为 生铁 碳钢的分类 1 按含碳量分类 低碳钢含碳量 0 25 中碳钢含碳量 0 25 0 6 高碳钢含碳量 0 6 2 按质量分类普通碳素钢 硫 磷含量分别 0 055 和0 045 优质碳素钢 硫 磷含量均 0 040 高级优质碳素钢 硫 磷含量0 030 0 035 3 按用途分 碳素结构钢 主要用于制造各种工程构件 属于低 中碳钢碳素工具钢 用于制造各种刃具 量具 磨具 一般为高碳钢 1 碳素结构钢1 普通碳素结构钢 S 0 050 P 0 045 这类钢冶炼容易 工艺性好 价廉 而且力学性能上也能满足一般工程结构及普通机器零件的要求 所以应用很广 但钢中的S P和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多 在相同含碳量及热处理条件下 其塑性 韧性较低 加工成形后一般不进行热处理 大都在热轧状态下直接使用 普通碳素结构钢牌号 由Q 数字 质量等级符号 脱氧方法符号组成 它的钢号冠以 Q 代表钢材的屈服点 后面的数字表示屈服点数值 单位是MPa 如Q235 AFQ表示屈服点 汉语拼音第一个字母 235表示屈服点的值 屈服强度 Mpa A表示质量等级 F表示沸腾钢 脱氧方式 碳素结构钢Q195 Q215 Q235 塑性好 焊接性好 强度较低 一般用于工程结构 如桥梁 高压线塔 金属构件 建筑构架等 和受力不大的机器零件 如钢钉 螺栓 螺母 轴套等 Q255 Q275的强度较高 可用于受力中等的普通零件 如链轮 拉杆等 2 优质碳素结构钢 S 0 035 P 0 035 这类钢中的S P含量较低 非金属夹杂物含量也较少 钢的品质较高 塑性 韧性都比普通碳素结构钢好 出厂时 既保证化学成分 又保证力学性能 主要用于制造较重要的零件 优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示平均含碳量的百分比 如08钢表示平均含碳量为0 08 45钢表示平均含碳量为0 45 08F 25钢属低碳钢 其特点是塑性 韧性 焊接性和冷冲压性能良好 但强度较低 主要用来制造冷冲压件 30 55钢属中碳钢 须经调质后使用 这种钢经调质后具有良好的综合力学性能 既具有较高的强度 又具有较好的塑性和韧性 这部分钢是碳钢中应用最广的一类 常用来制造机器中的重要零件 60 85钢属高碳钢 经淬火 中温回火后 具有较高的弹性极限和屈服强度 主要用于制造各类弹簧 1 碳素结构钢3 碳素工具钢 钢号冠以 T 以免与其他钢类相混 钢号中的数字表示碳含量 以平均碳含量的千分之几表示 例如 T8 表示平均碳含量为0 8 锰含量较高者 在钢号最后标出 Mn 例如 T8Mn 高级优质碳素工具钢的磷 硫含量 比一般优质碳素工具钢低 在钢号最后加注字母 A 以示区别 例如 T8MnA 2 合金结构钢1 合金钢就是在碳钢的基础上 为了改善钢的性能 在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢 这类钢中除含有硅 锰 硫 磷外 还根据钢种要求向钢中加入一定数量的合金元素 如铬 镍 钼 钨 钒 钴 硼 铝 钛及稀土等合金元素 2 按照用途分为 合金结构钢 用于制造工程构件和重要零件 合金工具钢 用于制造工具 特殊性能钢 用于制造特殊性能的构件和零件 2 合金结构钢3 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量 以平均碳含量的万分之几表示 如40Cr 4 钢中主要合金元素 除个别微合金元素外 一般以百分之几表示 当平均合金含量 1 5 时 钢号中一般只标出元素符号 而不标明含量 但在特殊情况下易致混淆者 在元素符号后亦可标以数字 1 例如钢号 12CrMoV 和 12Cr1MoV 前者铬含量为0 4 0 6 后者为0 9 1 2 其余成分全部相同 当合金元素平均含量 1 5 2 5 3 5 时 在元素符号后面应标明含量 可相应表示为2 3 4 等 例如18Cr2Ni4WA 5 钢中的钒V 钛Ti 铝AL 硼B 稀土RE等合金元素 均属微合金元素 虽然含量很低 仍应在钢号中标出 例如20MnVB钢中 钒为0 07 0 12 硼为0 001 0 005 2 合金结构钢 普通低合金钢 用于制造锅炉 高压容器等 合金渗碳钢 是用来制造既有优良的耐磨性 耐疲劳性 又能承受冲击载荷的作用的零件 碳素渗碳钢 C 0 10 0 20 由于淬透性差 仅能在表层获得高的硬度 而心部得不到强化 故只适用于制造受力较小的渗碳零件 一些性能要求高或截面更大的零件 均须采用合金渗碳钢 螺旋卡瓦用的20CrMo 高强度公锥材料20CrMoTi 合金调质钢是用来制造一些受力复杂的重要零件 它既要求有很高的强度 又要有很好的塑性和韧性 即具有良好的综合力学性能 这类钢的含碳量一般为0 25 0 50 合金调质钢中常加入少量铬 锰 硅 镍 硼等合金元素以增加钢的淬透性 加入少量钼 钒 钨 钛等碳化物形成元素 可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性 改善钢的性能 打捞工具 封隔器 水力锚的筒体和主体用35CrMo 42CrMo 合金调质钢 合金弹簧钢弹簧是各种机器和仪表中的重要零件 是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击 或依靠弹性贮存能量以起驱动作用 因此 弹簧的材料应具有高的强度 高的疲劳极限 足够的塑性和韧性 合金弹簧钢含碳量一般为0 45 0 70 重要用途的弹簧钢必须加入铬 钒 钨等 它们不仅使钢材有更高的淬透性 不易过热 而且有更高的高温强度和韧性 油田井下工具中的弹簧常用的是65Si2Mn 2020 3 17 27 可编辑 合金工具钢 合金工具钢按用途可分为刃具钢 模具钢和量具钢 合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造车刀 铣刀 钻等各种金属切削刀具 刃具钢要求高硬度 耐磨 高热硬性及足够的强度和韧性等 合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两种 合金高速钢高速钢是一种具有高热硬性 高耐磨性的高合金工具钢 钢中含有较多的碳 0 7 1 50 和大量的钨 铬 钒 钼等强碳化物形成元素 高的含碳量是为了保证形成足够量的合金碳化物 并使高速钢具有高的硬度和耐磨性 W Mo是提高钢热硬性的主要元素 铬主要提高钢的淬透性 钒能显著提高钢的硬度 耐磨性和热硬性 并能细化晶粒 高速钢的热硬性可达600 切削时能长期保持刃口锋利 故又称锋钢 特殊性能钢 具有特殊物理 化学性能的钢称为特殊性能钢 这类钢种类很多 在机械制造业中常用的有不锈钢 耐热钢和耐磨钢等 不锈钢钢号中碳含量 1 用一位数字以千分之几表示 碳含量 1 时不标 当含碳量为0 03 0 10 时 含碳量用0表示 含碳量小于等于0 03 时 用00表示 合金元素含量小于1 5 时不标 平均含量为1 5 2 5 2 5 3 5 时 则相应地标以2 3 如不锈钢2Cr13表示含碳量为0 20 平均含铬量为13 10水力锚本体和封隔器中心管均用此材质 0Cr18Ni9钢的平均含碳量为0 03 0 10 00Cr30Mo2钢的平均含碳量小于0 03 3 铜及其合金 1 工业纯铜工业纯铜呈玫瑰红色 表面氧化膜呈紫色 故又称紫铜 它的机械性能较低 但延展性好 导电性好 常用来制造电线 电器零件 2 铜合金铜合金分为黄铜 加锌 青铜 锡 铝 黄铜的机械性能较高 耐蚀性好 青铜具有较好的耐磨性和耐蚀性 常用来制造耐磨 耐蚀零件 4 铝及其合金 1 工业纯铝具有良好的导电性 延展性能 故常用来制造电线 生活日用品等 2 铝合金具有较高的强度 广泛应用于飞机制造工业 5 轴承合金 常用的轴承合金是巴氏合金 它具有磨合性或耐磨性等优点 所以广泛应用于制作轴材 轴瓦等产品 三 钢材的热处理 热处理是通过加热和冷却固态金属的操作方法来改变其内部组织结构 并获得所需性能的一种工艺 根据热处理的目的 要求以及加热和冷却条件的不同 金属材料可分为退火 正火 淬火 回火及表面热处理等五种基本方法 1 退火 将钢材或钢件加热到适当温度 保温一定时间后缓慢冷却 以获得接近平衡状态组织的热处理工艺 称为钢的退火 在机械零件 工具 模具等的制造过程中 经常采用退火作为预备热处理工序 安排时机 在制造或锻造之后 粗切削加工前 用以消除前一工序所带来的某些缺陷 为随后的工序做准备 1 退火 退火的主要目的是 1 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形加工 2 细化晶粒 均匀钢的组织及成分 改善钢的性能或为以后的热处理作准备 3 消除钢中的残余内应力 以防止变形和开裂 2 正火 正火是将钢材加热到适当温度 保温一定时间后在空气中冷却 以获得珠光体类组织的热处理工艺 正火和退火的不同之处 在于前者冷却速度较快 过冷度较大 正火后的强度 硬度 韧性都比退火高 3 淬火 将钢材加热到适当温度 保温一定时间后迅速冷却 使零件在横截面内全部或一定范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺 钢的淬火多半是为了提高它的硬度和强度及耐磨性 4 回火 回火是将经过淬火的零件加热到适当温度 保持一定时间 随后按要求冷却 通常是室温 以获得所需组织和性能的热处理工艺 回火的主要目的是 1 降低零件脆性 消除和降低内应力 2 获得所要求的力学性能 3 稳定尺寸 4 改善加工性能 5 表面热处理 主要分为表面淬火和表面化学热处理 1 表面淬火是一种不改变钢表面化学成分 但改变其组织的局部热处理方法 是通过快速加热与立即淬火冷却两道工序来实现的 结果是表面获得硬而耐磨的组织结构 而心部仍保持原来的退火 正火或调质状态 5 表面热处理 2 化学热处理是使某些元素渗入零件表面 以改变其表面层化学成分而获得所需性能 如耐磨 耐热和耐腐蚀等 的热处理 称为化学热处理 根据渗入元素的不同分为渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗铬 渗铝等 四 机床的类型 机床的种类繁多 按加工性质和所用刀具进行分类 目前我国机床分为12大类 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 刨插床 拉床 铣床 电加工机床 切断机床及其他机床 在各类机床中 车床 钻床 刨床 镗床和磨床是五种最基本的机床 五 常用的机械加工方法 加工方法多种多样 其中常用的是车削 钻削 镗削 刨削 铣削 拉削和磨削等 尽管它们在基本原理方面有许多共同之处 但由于所用机床和刀具不同 削运动形式各异 所以它们有各自的工艺特点和应用范围 1 车削的工艺特点及其应用在零件的组成表面中 回转面用的最多 车削特别适于加工回转面 故比其他方法应用的更加普遍 为了满足加工的需要 车床类型较多 主要有卧式车床 立式车床 转塔车床 自动车床和数控车床等 1 车削的工艺特点 1 易于保证工件的各加工面的位置精度 车削时 工件绕某一固定轴线旋转 各表面都具有同一回转轴线 易于保证加工面间的同轴度的要求 2 切削过程比较平稳 除了切削断续表面之外 一般情况下车削过程是连续进行的 所以车削允许采用较大的切削用量 进行高速切削或强力切削 有利于提高其生产效率 1 车削的工艺特点 3 适用于有色金属零件的精加工 某些有色金属因材料本身的硬度较低 塑性较好 磨削时 软的磨屑易堵塞砂轮 难以得到很光洁的表面 因此 当有色金属零件表面粗糙度较小时 不宜采用磨削 而要用车削或铣削等切削加工 4 刀具简单 车刀是刀具中最简单的一种 制造 刃磨和安装均较方便 便于根据加工要求 选用合理的角度 因此车削的适应性较广 有利于加工质量和生产效率的提高 2 车削的应用 在车床上使用不同的车刀或其他的刀具 可以加工各种回转表面 如内外圆柱面 内外圆锥面 螺纹 沟槽 端面或成型面等 车削常用来加工单一轴线的零件 如直轴和一般的盘 套类零件等 单件 小批生产中 各种轴 盘 套等类零件 多选用适应性广的卧式车床或数控车床进行加工 对于直径大而长度短 长径比L D 0 3 0 8 的重型零件 多用立式车床加工 成批生产外形较复杂且具有内孔及螺纹的中小型轴 套类零件 应选用转塔车床进行加工 2 钻削的工艺特点及其应用 1 钻削的工艺特点 1 钻削容易产生 引偏 所谓 引偏 是指加工时由于钻头弯曲而引起的孔径扩大 孔不圆或孔的轴线歪斜等 2 排屑困难 钻孔时 由于切屑较宽 容屑槽尺寸又受到限制 因而排屑过程中 与孔壁发生较大的摩擦 挤压 拉毛 降低表面质量 有时切屑阻塞在钻头内的容屑槽里 卡死钻头 甚至扭断钻头 3 切削热不易扩散 钻削时 大量高温切屑不