机械工程材料演示幻灯片

一、机械工程材料,3.1金属材料的性能使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。金属材料的性能工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能。使用性能1.物理性能化学性能力学性能铸造性焊接性2.工艺性能锻压性切削加工性热处理性,1,2020/5/5,一、机械工程材料,1金属材料的性能1.1金属材料的物理性能金属的物理性能是金属固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。1.2金属材料的化学性能金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧化、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。2.抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。,2,2020/5/5,一、机械工程材料,1金属材料的性能1.3金属材料的力学性能1.力学性能:金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能。2.载荷：金属材料在使用及加工中所受外力称为载荷。3.载荷分类：根据载荷作用性质的不同，可以分为静载荷、冲击载荷及疲劳载荷等三种。4.力学性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。强度强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。常用的强度有：抗拉强度（b）和屈服点（s）。抗拉强度和屈服点可以通过拉伸试验测定。塑性金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标：伸长率（）和断面收缩率（）。硬度金属材料抵抗局部变形（特别是塑性变形）、压痕或划痕的能力称为硬度。,3,2020/5/5,一、机械工程材料,1金属材料的性能硬度是衡量金属材料软硬的一个重要指标。常用测量硬度的试验方法有压入硬度试验法。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。常用一次摆锤冲击弯曲试验测定金属材料的韧性。冲断试样时，在试样横截面的单位面积所消耗的功称为冲击韧性。常用k表示，单位为J/cm2。多次小能量冲击的，其冲击抗力主要取决于材料的强度和韧性。疲劳强度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。一般情况下，钢铁材料用107次，对非铁金属用108次所能承受的最大应力表示疲劳强度，对称循环强度用-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性。因此要改善零件的结构形状。,4,2020/5/5,一、机械工程材料,1金属材料的性能1.3金属材料的力学性能表3.1常用金属材料的力学性能指标,5,2020/5/5,一、机械工程材料,2常用金属材料分类：3.2.1碳素钢碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。1.碳素钢的分类（1）按钢的含碳质量分数分类低碳钢含碳质量分数Wc0.25%中碳钢含碳质量分数Wc=0.250.60%高碳钢含碳质量分数Wc0.6%（2）按钢的质量分类根据钢中含有害元素磷、硫质量分数划分。普通碳素钢Ws0.035%，Wp0.035%优质钢Ws0.030%，Wp0.030%高级优质钢Ws0.020%，Wp0.025%,6,2020/5/5,一、机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.1碳素钢（3）按用途分类碳素结构钢：用于制造各种机械零件和工程结构件。这类钢一般属于低碳、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具和模具。这类钢一般属于高碳钢。在实际使用中，在给钢的产品命名时，往往将成分、质量和用途三种分类方法结合起来，如将钢称为优质碳素结构钢、高级优质碳素工具钢等。,7,2020/5/5,一、机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.1碳素钢2.碳素钢（1）碳素结构钢根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。普通碳素结构钢牌号：普通碳素结构钢的牌号由“Q”（表示屈服点的汉语拼音字首）、一组数据（表示屈服强度，单位MPa）、质量等级符号（质量分A、B、C、D四个等级）和脱氧方法符号（F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静钢，通常Z、TZ可省略）四个部分按顺序组成。例如Q235AF表示脱氧方法为沸腾钢、质量等级为A级、屈服强度为235MPa的普通碳素结构钢。用途：碳素结构钢Q195、Q215、Q235塑性好、焊接性好、强度较低，主要用于工程结构和制造受力不大的机器零件；Q255、Q275的强度较高，可用于制作受力中等的普通零件。,8,2020/5/5,一、机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.1碳素钢2.碳素钢（1）碳素结构钢优质碳素结构钢牌号：优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字代表钢的平均含碳质量分数的万之一。例如45表示平均含碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。按照钢中锰的含量不同，可分为普通含锰量钢（WMn0.80%）和较高含锰量钢（WMn=0.7%1.2%）两种，如果是后一种钢，则在两位数字后面加上Mn，如45Mn表示平均含碳量分数为0.45%的较高锰优质碳素结构钢。用途：优质碳素结构钢既保证力学性能又保证化学成分，而且钢中的有害杂质硫、磷质量分数较低，质量较高，故广泛用于制造较重要的零件。,9,2020/5/5,一、机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.1碳素钢3.碳素工具钢由于碳素结构钢要求高硬度和高耐磨性，故工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，都是优质钢和高级优质钢。牌号：以汉语拼音字母“T”后面加阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳质量分数的千分之几。例如T8表示含碳质量分数为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母A，如T12A表示平均含碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。用途：主要用于制造刃具、模具、量具以及其他工具,10,2020/5/5,一、机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.2合金钢合金钢：为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。1.合金钢的分类（1）按用途分合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具。特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。（2）按所含合金元素总含量分低合金钢合金元素总含量5%中合金钢合金元素总含量510%高合金钢合金元素总含量10%,11,2020/5/5,一、机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.2合金钢2.合金结构钢合金结构钢按用途可分为：低合金结构钢和机械制造用钢两大类。（1）合金结构钢牌号表示方法：合金结构钢的牌号采用两位数字（表示平均含碳质量分数万分之几）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，凡合金元素含量1.5%时不标出；如果平均含量为1.52.5%时，则标为2；如果平均含量为2.53.5%时标为3；以此类推）。（2）低合金结构钢低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶、车辆等领域。,12,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.2合金钢3.合金工具钢定义：合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善性能，再加入适量的合金元素的钢。基本性能：比碳素工具钢具有更高硬度、耐磨性、更好的淬透性、红硬性和回火稳定性等。用途：可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。分类：合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。（1）合金工具钢的牌号一位数字（表示平均含碳质量分数的千分数）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，表示方法与合金结构钢相同）。如9SiCr表示其中平均含碳质量分数为0.9%，Si、Cr的质量分数都小于1.5%的合金工具钢,13,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.3铸铁定义：铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。分类：根据碳在铸铁中的存在形式和形态不同，铸铁可分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。1。白口铸铁：碳绝大多数以Fe3C形式存在,断口呈现亮白色,硬度高.脆性大,很难切削加工,14,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.2常用金属材料2.灰铸铁定义：灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色，故称灰铸铁。牌号：以“HT加数字组成”表示，其中“HT”是“灰”与“铁”的汉语拼音字首表示灰口铸铁，数字表示其最低的抗拉强度。如HT100表示最低抗拉强度为100MPa的灰铸铁。热处理可以改变灰铸铁的基体组织，但不能改变其石墨形态和分布，因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大。3.可锻铸铁铸铁中石墨呈紧密的团絮状，它是用白口铸铁经长期退火后获得的。由于石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用。因此这种铸铁强度较高，韧性好。并由此得名“可锻”，但实际上并不可锻。牌号：由“KTH”、“KTZ”及后面的两组数字组成。其中“KT”是“可铁”二字的汉语拼音字首，“H”表示黑心，“Z”表示以珠光体为基体。其后两组数字分别表示最低抗拉强度b和最低延伸率。,15,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.2常用金属材料3.2.3铸铁3.球墨铸铁球墨铸铁在浇注之前，往铁水中加入一定量的球化剂（稀土镁合金等）和孕育剂（硅铁或硅钙合金），使铸铁中的石墨呈球状析出的铸铁。性能：球墨铸铁的力学性能比灰铸铁和可锻铸铁都高，其抗拉强度、塑性、韧性与相应基体组织的铸钢相近，而成本接近于灰铸铁，并保留了灰铸铁的优良性能。牌号：由“QT”及后面的两组数字组成。“QT”表示“球铁”两字的汉语拼音字首，后面的两组数字分别表示最低抗拉强度b和最低延伸率。热处理：球墨铸铁可以采用不同的热处理工艺，改变其基体组织，从而改变球墨铸铁的力学性能。经退火处理，提高球墨铸铁的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力；经正火处理，提高球墨铸铁的强度和耐磨性；经调质处理，获得较好的综合力学性能；经高温淬火，球墨铸铁获得高强度、高硬度，又有高韧性的较高综合性能。,16,2020/5/5,第3章机械工程材料,钢热处理定义：热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺的分类：根据加热和冷却方法不同，工业生产中常用的热处理工艺大致可分为：普通热处理（退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（表面淬火、化学热处理）。3.3.1退火与正火1.钢的退火定义：退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的：（1）降低硬度，提高塑性，改善切削加工和压力加工性能；（2）细化晶粒，改善内部组织和性能；（3）为以后的热处理作准备。分类：成分和退火目的的不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火等。,17,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.3钢的热处理2.钢的正火定义：正火是将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。目的：正火目的与退火目的基本相同。正火的应用与退火一样，一般作为预备热处理。对合金调质钢，正火获得均匀而细密的组织，为调质处理做好了组织准备；对共析钢，正火可消除网状渗碳体，为球化退火做好组织准备；对低碳钢或低碳合金钢，正火可细化晶粒，提高硬度，改善切削加工性；对性能要求不高的零件，以及一些大型或形状复杂的零件，淬火容易开裂，也用正火作为最终热处理。3.3.2钢的淬火定义：淬火是将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。目的：得到马氏体或贝氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。淬火常见的冷却介质有：水、盐水和矿物油。常用的淬火方法有：单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。淬火与回火配合，能大大提高钢的力学性能，所以淬火是强化钢材的重要热处理工艺。,18,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.3钢的热处理淬硬性：是指钢经淬火后能达到的最高硬度。主要取决于钢中的碳含量，碳含量越高，获得的硬度越高。淬透性：是指钢经淬火获得淬硬层深度的能力，淬透性越好，淬硬层越厚。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。注意：一般合金钢淬透性高于碳素钢，而含碳质量分数相同的碳素钢与合金钢淬硬性基本相同。3.3.3钢的回火定义：回火是将淬火钢重新加热到低于7270C的某一温度，保温一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺。回火的目的是：（1）消除残余应力，防止变形和开裂。（2）调整工件硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求。（3）稳定组织与尺寸，保证精度。（4）改善和提高加工性能。,19,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.3钢的热处理3.3.3钢的回火分类：按回火温度范围，回火可分为：低温回火、中温回火和高温回火。常用回火方法特点及应用见下表：,20,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.3钢的热处理3.3.4钢的表面热处理表面热处理分类：分为表面淬火与表面化学热处理两大类。1.表面淬火表面淬火是仅对工件表面层进行的淬火。其目的是使工件表面具有高硬度、耐磨性而心部具有足够的强度和韧性。一般包括感应淬火和火焰淬火等。（1）感应淬火感应淬火是利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。感应电流透入工件表层的深度主要取决于电流频率的高低。频率越高，淬硬层深度越浅。适用于大批量生产。（2）火焰淬火火焰淬火是利用氧气一乙炔火焰使工件表层加热并快速冷却的淬火工艺。其淬硬层深度一般为26mm，这种方法加热温度及淬硬层深度不易控制，淬火质量不稳定，但不需要特殊设备，故适用于单件或小批量的中碳钢、中碳合金钢制造的大型工件。,21,2020/5/5,第3章机械工程材料,3.3钢的热处理3.3.4钢的表面热处理2.钢的化学热处理化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温、冷却，使一种或几种元素渗入钢件表层，以改变钢件表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的种类很多，根据渗入元素的不同，化学热处理分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。(1)渗碳渗碳是把低碳钢工件放在渗碳介质中，加热到一定温度，保温足够长的时间，使表面层的碳浓度升高的一种热处理工艺。根据渗碳介质不同可分为：固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，其中气体渗碳应用最广。工件渗碳后必须淬火和低温回火，使表层获得高硬度和耐磨性；心部仍保持高塑性和韧性。渗碳主要用于承受较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件，如齿轮、活塞销、轴类零件等。(2)渗氮（氮化）渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。,22,2020/5/5,机械加工,一、切削运动与切削力,（1）主运动使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动，称为主运动。在切削运动中，主运动只有一个。主运动的速度称为切削速度，Vc表示。车削外圆时的主运动是工件的旋转运动。,（2）进给运动不断地把被切削层投入切削过程，以便形成全部已加工表面的运动。进给运动的速度称为进给速度，以Vf表示，,23,2020/5/5,机械加工,一、切削运动与切削力,为了便于分析切削力的作用和测量切削力的大小，常常将总切削力分解为三个互相垂直的切削分力：,1）切削力Fc:总切削力在主运动方向上的分力。它垂直于基面，是切削力中最大的一个切削分力。,2）背向力Fp:总切削力在切削深度方向上的分力。它在基面内与进给运动方向垂直。,3）进给力Ff:总切削力在进给运动方向上的分力。它在基面内，与进给运动方向一致,24,2020/5/5,机械加工,二、切削的类型,切削过程中，由于工件材料、刀具的几何角度、切削用量等不同，切屑的变形程度也不同，因而所产生的切屑类型也就不同。常见的切屑类型主要有以下四种:,（1）带状切屑:切屑延绵较长，呈带状，与刀具前刀面接触的底层光滑无裂纹，外表面为毛茸状。加工塑性金属时，若切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时，一般得到这类切屑。它的切削过程较为平稳，切削力波动不大，工件已加工表面粗糙度较低，但加工中应注意断屑。（2）挤裂切屑:切屑外形仍然呈连绵不断状，其变形程度比带状切屑大，切屑底层有局部裂纹，外表呈锯齿状。它一般是在切削速度较低，刀具前角较小，切削厚度较大，加工中等硬度塑性金属时产生。形成挤裂切屑时，切削力有波动，工件表面粗糙度较高。较高,25,2020/5/5,机械加工,二、切削的类型,（3）单元切屑:如果在挤裂切屑的剪切面上，剪应力超过了金属的强度极限时，则裂纹就会贯穿切屑的厚度，形成梯形的单元切屑。这种切屑大多发生在刀具前角小，切削速度低，加工塑性较差的材料时。加工过程中它的切削力波动更大，工件表面质量更差。（4）崩碎切屑:切削脆性金属时，由于材料的塑性较差，抗拉强度低，切削层材料往往未经塑性变形就产生脆性崩裂，形成不规则的碎块状的崩碎切屑。这时切削力波动很大，并且集中在切削刃上，易损坏刀具，同时工件表面粗糙度也较高,26,2020/5/5,机械加工,三、刀具,外圆车刀的切削部分可以看作是各类刀具切削部分的基本形态。图示是外圆车刀的切削部分,27,2020/5/5,机械加工,刀具的主要参数:,前角:使切削刃锋利,切削省力,易于排屑,后角:减小刀具后刀面与工件之间的摩擦,主偏角:改变主切削刃与刀头的受力及散热情况,副偏角:减小副切削刃与已加工表面的摩擦,副后角:减小副后刀面与已加工表面的摩擦,刃倾角:影响刀尖强度和切屑流出方向.当刃倾角为正值时使切屑流向待加工表面，当刃倾角为负值时,使切屑流向已加工表面.,切削部分分为如下六个基本角度:,28,2020/5/5,机械加工,四、刀具磨损,磨损原因说明1)磨料磨损:切屑或工件表面的一些微小硬质点和杂质，以及粘附的积屑瘤碎片等，在刀具表面刻划出沟纹而造成的种机械磨损。对于切削速度较低、切削温度不高的高速钢刀具（如拉刀、板牙、丝锥等），这是主要的磨损原因2)粘结磨损在刀具后刀面与工件表面和刀具前刀面