精密机械设计二工程材料和热处理PPT课件

精密机械设计二工程材料和热处理 精品课件 2 按作用分 1 结构材料 主要是使用强度 刚度等机械力学性能 2 功能材料 是利用其各种物理和化学特性 在电子 红外 激光 能源 通讯等方面起关键作用 如 铁电材料 压电材料 光电材料 超导材料 材料的分类 第一节概述 2 精品课件 3 按材料的化学组成分 金属材料黑色金属 以铁 碳为基的合金有色金属 除铁之外的纯金属及其合金 有机高分子材料纤维 橡胶 塑料 涂料 胶粘剂等 无机 非金属材料水泥 玻璃 耐火材料及砖 陶瓷等 3 第二节金属材料的力学性能 低碳钢的应力 应变曲线 比例极限 屈服极限 强度极限 屈服 颈缩 6 精品课件 弹性 屈服 强化 局部变形 断裂 低碳钢试样拉伸时的各阶段特征 7 精品课件 2 断面收缩率 5 为塑性材料 如碳钢 黄铜 铝合金等 5 为脆性材料 如灰铸铁 玻璃 陶器 石料等 二 塑性 金属材料的载荷作用下 断裂前材料发生不可逆久变形的能力1 断后伸长率 L1 L0 L0 8 精品课件 应力 应变图的形状表征着材料的特定的力学行为 对于不同的材料 应力 应变图各不相同 甚至有很大差异 图a灰口铸铁图b低碳钢图c高分子材料 三硬度 硬度是指金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 常用的硬度指标 布氏硬度HBW 洛氏硬度 HRA HRB HRC等 和维氏硬度HV 随着C含量的增加一般规律是 强度增加 硬度增加 脆性增大 韧性下降 塑性下降 四 韧性 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 冲击韧度 冲击吸收功 试样的断口处截面积 cm2 第三节常用的工程材料 金属材料 工业用钢 铸铁 黑色金属 有色金属 一 黑色金属钢 含碳量小于2 11 的铁碳合金 钢的分类 1 含碳量 按碳的质量分数 低碳钢 c 0 25 中碳钢 0 25 c 0 6 高碳钢 0 6 c 2 11 2 化学成份 按合金成份 合金钢 除Fe C外 还有其它合金元素 碳素钢 3 钢的品质 按有害杂质S P含量 普通钢 s 0 05 p 0 045 优质钢 s 0 04 p 0 04 高级优质钢 s 0 03 p 0 035 4 钢的用途 按行业使用 结构钢 建筑 机械制造用 工具钢 工具 刀具 模具等用 特殊性能钢 防腐蚀 高温 导磁等场合用 介绍钢的使用特点及应用 牌号 牌号 1 碳钢与合金钢1 碳钢普通碳素结构钢 字母Q 屈服强度 Mpa 质量等级 表示普碳结构钢 共分195 215 235 255 275五种 共有A B C D四个级别 A级最差 如 Q235A Q215B 普通碳素结构钢的应用 钢板 钢筋 螺钉 铆钉 建筑构件 钢桥梁 锉刀 碳素工具钢 量规 钻头 优质碳素结构钢 牌号 由两位数字组成 表示碳的平均万分含量 常用 08 85 如45 表示 C 0 45 的优质碳素结构钢 当 Mn 0 7 1 2 时 在数字后加Mn 如65Mn 表示 c 0 65 Mn 0 7 1 2 的优质碳钢 齿轮 螺栓 优质碳素结构钢的应用 30 55钢 强度较高 有一定的塑性和韧度 经热处理后 用于齿轮 轴 螺栓等重要零件 曲轴 弹簧 优质碳素结构钢 65 85钢 有较高的强度 硬度和弹性 塑性和韧性较低 常用于弹簧和耐磨零件 2 合金钢 牌号 数字 元素符号 数字 表示碳的平均万分含量 合金元素平均百分含量 1 5 不标记 表示所含合金元素的名称 如 20Cr 表示 c 0 2 Cr 1 5 的合金结构钢 如 38CrMnAl 表示 c 0 38 Cr Mn Al的含量均 1 5 的合金结构钢 如 60Si2Mn 表示 c 0 6 Si 1 5 2 49 的 Mn 1 5 的合金结构钢 滚动轴承钢 牌号 字母G 合金元素 数字 表示滚动轴承用钢 表示所含主要合金元素的名称 如 GCr9 表示 Cr 0 9 的滚动轴承钢 只标出铬元素平均千分含量 其它不标记 如 GCr15SiMn 表示 Cr 1 5 的滚动轴承钢 成份 C 1 1 15 加入了Mn Si等合金元素 热处理后使用 拨叉 变速齿轮 合金渗碳钢 20Cr 20MnTi 20Cr2Ni4 有较高的韧度 经热处理后表面硬而耐磨 用于受冲击载荷的重要零件 40Cr 40CrMn 38CrMnAl 有较高的综合力学性能 用于受力复杂的重要零件 汽车万向节 连杆 合金调质钢 合金弹簧钢 55Si2Mn 60Si2Mn 具有高屈强比 高疲劳强度 高弹性极限和韧性 用于弹簧等零件 滚珠 滚珠轴承 滚珠轴承钢 铣刀 合金刃具钢 模具 合金模具钢 螺纹规 游标卡尺 千分尺 量具用钢 燃气轮机 耐热钢 破碎机颚板 履带 铁轨分道叉 挖掘机斗齿 耐磨钢 如ZG230 450 表示含碳量屈服点为 s 230MPa 抗拉强度为的 b 450Mpa的碳素铸钢 2 铸钢 牌号 字母ZG 数字 数字 表示铸钢 表示抗拉强度 b Mpa 表示屈服点 s Mpa 重型机械齿轮 铸钢 特点与应用 由于铸造特性 一般用于制造形状复杂 难以切削加工 尺寸大 难以锻造加工的重要零件 如 大型齿轮 缸体 变速箱机架等 3 灰口铸铁 牌号 字母HT 数字 表示灰口铸铁 表示最低抗拉强度 b Mpa HT150 特点与应用 强度 塑性 韧性不如钢 软而脆 抗压强度高 抗拉强度低 有良好的耐磨性 减震性和切削性 石墨有自润滑作用 常用于床身 机架 底座 箱体 壳体 导轨 缸体 活塞环 带轮等零件 如 QT400 18 特点与应用 球状石墨对基体的割裂作用小 综合力学性能较高 并具有良好的减震性和耐磨性一些受力复杂 强度韧性和耐磨性较高的零件 如曲轴 凸轮轴 齿轮 蜗杆 伐门 机座 汽车后桥等 4 球墨铸铁 牌号 字母QT 数字 数字 表示球墨铸铁 表示最低抗拉强度 b Mpa 表示最低伸长率 二 有色金属 除钢铁 黑色金属 以外的其它金属材料 1 铝及铝合金 1 纯铝 特点及应用 轻 密度低 配置铝合金导电导热性好 导线 电容抗大气腐蚀 包覆材料加工性能好 包装材料强度低 不能作为承受载荷的结构材料应用 2 铝合金 牌号 5A02 防锈 2A11 硬铝 7A03 超硬铝 2A50 锻铝 铝锰合金 防锈铝合金 抗蚀性高 塑性好 应用于油箱 油管 罐 铆钉等 铝铜合金 又称硬铝 强度较高 塑性好 主要用于飞机构件 如飞机蒙皮 螺旋桨 叶片等重要零件 铝锌合金 超硬铝 强度很高 耐热性 抗蚀性差 应用于飞机大梁 起落架等主要受力构件 铝镁合金 锻铝合金 塑性好 易于压力加工 应用于航空工业中的管道 铆钉等 2 铜及铜合金 1 纯铜 紫铜 牌号 T1 T2 T3 T4 序号越大 纯度越低 特点及应用 良好的导电性 导热性 极好的塑性和耐蚀性 主要用于电线 电缆 电子元件及导热器件等 a 黄铜 铜锌合金 牌号 普通黄铜 H 平均含铜量的百分数 特点良好的耐蚀性 应用 弹壳 散热器 垫片 油管 2 铜合金 b 青铜 牌号 对压力加工的锡青铜 QSn Sn含量的百分数 锡青铜 有较高的抗蚀性 耐磨性轴瓦 轴套等耐磨零件 铝青铜 有较高的强度 抗蚀性 耐磨性 耐热性和焊接性齿轮 蜗轮 轴套 船舶等零件 三 非金属材料 1 工程塑料密度小 耐蚀性好 绝缘 加工性好 机械强度差 特别是刚性差 耐热性低 一般100C以下 散热性差 易老化 易燃 聚酰胺 尼龙 聚乙烯 PE 塑料可制作食品包装袋 奶瓶 容器等 聚氯乙烯 PVC 塑料可用于建筑材料 聚丙烯 PP 可用于水暖结构件 聚苯乙烯 PS 可用于制造仪表外壳 PE管材 聚丙烯制成电容器外皮 聚丙烯管子 摩托车挡泥板 2 橡胶弹性好 绝缘性好 耐磨损 耐化学腐蚀 耐放射性 主要用于弹性材料 密封材料 减振材料 传动材料 3 人工合成矿物主要有刚玉和石英 o 四 复合材料基体材料 增强材料特点高比强度 高比模量抗疲劳性能好减摩 耐磨 自润滑性能好化学稳定性好具有其他特殊性能 如隔热性 特殊的电 光 磁性 抗冲击性能低五 新型及特种用途材料 1 非晶态合金 金属玻璃 特点 高的强度 硬度和断裂韧性 良好的磁性及耐蚀性好变压器 磁头 耐腐蚀管道 电池电极 海底电缆屏蔽等 2 纳米材料 小结 含碳量小于2 11 的铁碳合金 1 以含碳量 C 0 6 高 2 以化学成份 碳素钢 合金钢 3 以钢的品质 普通钢 优质钢 高级优质钢 4 以钢的用途 结构钢 工具钢 特殊性能钢 钢 结构钢 普通碳素结构钢 Q235A Q215B 优质碳素结构钢 45 65Mn 合金结构钢 20Cr 38CrMnAl 60Si2Mn GCr9 铸钢 铸造碳钢 ZG230 450 ZG270 500 常用钢种的牌号及识别 含碳量大于2 11 的铁碳合金 白口铸铁 无牌号标记 灰口铸铁 HT150 HT200 可锻铸铁 KTH300 06 KTZ450 04 球墨铸铁 QT400 18 QT600 3 铸铁 第四节钢的热处理 为什么要进行热处理什么是热处理热处理的实质如何进行热处理 热处理的实质 马氏体贝氏体索氏体屈氏体珠光体 铁素体和渗碳体 热处理 将固态金属或合金采用适当的方式进行加热 保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺 把钢加热到一定温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 随炉冷 用途 铸 锻 焊毛坯的预备热处理 以改善毛坯机械加工性能 去除内应力 性能要求不高的机械零件的最终热处理 1 普通热处理 1 退火 Annealing 把钢加热到相变温度以上30 50C 保温一定时间 然后空冷正火与退火的区别 冷却速度不同 正火冷速较大 得到的珠光体组织细 因此强度和硬度也较高 若零件尺寸较大或形状较复杂 正火可能会产生较大的内应力和变形 甚至开裂 正火经济 2 正火 Normalizing 把钢加热到相变温度以上的某一温度 使钢呈奥氏体状态 然后快速冷至室温 油冷或水冷 从而获得马氏体组织提高钢的硬度和耐磨性 调质 淬火 高温回火 适用于各种重要的零件 3 淬火 Quenching 将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度 保持一段时间 然后冷却 使组织成为较稳定的状态 硬度下降 但韧性有较大改善 淬火和回火必须配合使用 调质 淬火 高温回火 适用于各种重要的零件 3 淬火 Quenching 4 回火 Tempering 在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下 利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火 以强化零件表面 2 表面热处理 1 表面淬火 渗碳 目的 使钢件表层具有高的硬度 耐磨性和疲劳强度 而心部保持一定的强度和较高的韧性 2 化学热处理 改变表层的化学成分和组织 渗氮指向钢件表面渗入氮原子以形成高氮硬化层的化学热处理工艺 目的是提高钢件的表面硬度 耐磨性 疲劳强度和耐蚀性等 碳氮共渗 氰化 汽车和机床上的各种齿轮 蜗轮蜗杆和轴类零件等 55 55 机床齿轮 碳钢40 45钢 的简明加工工艺路线 下料 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 表面淬火 低温回火 精磨正火使锻造组织均匀化 便于切削加工 可作为表面淬火前的预备组织 并保证齿心的强韧性 调质处理使齿轮具有较高的综合力学性能 改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷 表面淬火提高齿轮表面的硬度 耐磨性和疲劳性能 低温回火消除淬火应力 第六节材料的选用原则 使用要求工艺要求经济要求 1 零件的工作和受载情况 1 使用要求 2 对零件尺寸和重量的限制 3 零件的重要程度 1 使用要求 机床中的变速齿轮 45钢或40Cr等 经正火或调质处理后再进行表面淬火 获得较高的表面硬度和较好的心部综合力学性能 承受高冲击载荷和强烈磨损的汽车 拖拉机变速