机械工程材料基础课件

2007-3-12,3.4工业常用钢铁材料,碳素钢-含碳量2.11%的铁碳合金,2007-3-12,3.4.1碳素钢,Mn脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。,Si有很强的固溶强化作用,能脱氧，提高钢的强度、硬度和弹性，降低塑性和韧性。,1.有益元素,钢的性能与含碳量有关；还受钢中杂质元素的影响。,2007-3-12,2.有害元素:,P有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。,S能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。,*适当增加硫、磷含量，可提高钢的切削加工性能；*磷可增加钢在大气中的耐腐蚀性能,2007-3-12,碳素钢的编号及用途,1.普通碳素结构钢:Q235AF,P87,脱氧方法质量等级,2007-3-12,2.优质碳素结构钢,两位阿拉伯数字，表示含碳量*45-Wc=45%00的优质碳素结构钢,*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn-Wc=45%00;WMn=0.7%1.0%,P88,2007-3-12,3.碳素工具钢,T12A,P88,2007-3-12,4.铸造碳钢,ZG200-400,P88,2007-3-12,3.4.2合金钢(AlloyConstructionalSteel),普通低合金钢易切削钢合金渗碳钢合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢,2007-3-12,一.普通低合金钢(commonlowalloyedsteel),1.化学成分:碳素结构钢+合金元素,主加合金元素:Mn1.8%以内。,辅加合金元素:V、Ti、Cu、B。,2007-3-12,一.普通低合金钢,2.牌号:Q345C,2007-3-12,一.普通低合金钢,Q460钢含Mo、B，强度高，用于石化中温高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,Q390钢含V、Ti，强度高，用于中等压力的容器。,2007-3-12,二、.易切削钢(feecuttingsteel),2.性能要求:,降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改屑性能,提高切削速度。,3.化学成分特点:,1.用途:,适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。,S:Ws=0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%Ca:微量,2007-3-12,4.易切削钢的牌号,Y40Mn,2007-3-12,三.碳素渗碳钢及合金渗碳钢,1.对渗碳钢的性能要求:,2.用途:适于制造承受强烈冲击载荷和磨擦磨损的零件。如汽车齿轮、离合器等。,表硬里韧,2007-3-12,3.合金渗碳钢的牌号,20Mn2TiA,2007-3-12,四.碳素调质钢及合金调质钢,1.对调质钢的性能要求:,既强又韧,2.对调质钢的含碳量的要求:,中碳,2007-3-12,3.合金调质钢的牌号,40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA,2007-3-12,4.典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3%。,40Cr、40MnB等。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%左右。,38CrSi、35CrMo等。,常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,2007-3-12,4.典型合金调质钢种介绍,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%10%。,制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。,2007-3-12,五.弹簧钢,1.对弹簧钢的性能要求:,高的e、高的s/b、高的-1、良好的韧。,2.对弹簧钢含碳量的要求:,中、高碳。,2007-3-12,3.合金弹簧钢的牌号,6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb,2007-3-12,2007-3-12,六.滚动轴承钢(bearingsteel),1.性能要求:,高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;,2007-3-12,六.滚动轴承钢(bearingsteel),2.化学成分特点:,高碳,Wc=0.91.1%。主加Cr,0.41.65%辅加Si、Mn。优质钢材。,2007-3-12,3.滚动轴承钢的牌号,GCr9SiMn,2007-3-12,七.合金工具钢,合金刃具钢(alloycuttingsteel)合金模具钢(alloydiesteel)合金量具钢(alloymeasuringsteel),2007-3-12,量具,刃具,2007-3-12,一）合金刃具钢,种类:低合金刃具钢;高速钢。牌号:,2007-3-12,1.低合金刃具钢,1.性能要求:,高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300。,2.化学成分特点:,*高碳*加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。,3.热处理特点:,2007-3-12,2.高速钢(highspeedsteel),(1)性能要求:,高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。,高速钢-锋钢、风钢;,2007-3-12,(2)化学成分特点:,高碳0.71.5%:,钨18%:,钼5%:,铬4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成M6C碳化物,在560左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。,形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。,2007-3-12,二)合金模具钢(alloydiesteel)热作模钢(hotdiesteel),1.性能要求:,高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;,2.化学成分特点:,中碳0.30.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。,曲轴模具,2007-3-12,冷作模钢(colddiesteel),1.性能要求:,高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;,2.化学成分特点:,高碳12%;合金元素:Cr,Mo、W、V。,汽车冲压模具,2007-3-12,三）合金量具钢,1.性能要求:,高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;,2007-3-12,3.牌号:CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr、T12A、60等。,2.化学成分特点:,高碳0.91.5%;合金元素:Cr,Mn、W。,2007-3-12,八.特殊性能钢,不锈钢(stainlesssteel)耐热钢(heatresistantsteel)耐磨钢(wearresistantsteel),2007-3-12,一）不锈钢(stainlesssteel),1.定义:在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。,2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。,2007-3-12,5.化学成分特点:*低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。,6.常用的不锈钢:*马氏体型不锈钢*铁素体型不锈钢*奥氏体型不锈钢,2007-3-12,二）耐热钢,1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。,3.提高钢的耐热性的途径:加入合金元素Cr、Si、Mo、Al等,在钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。,2007-3-12,耐热钢的用途,2007-3-12,三）耐磨钢(wear-resistantsteel),1.定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。,2007-3-12,3.4.3铸铁,铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。工业常用铸铁；灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁,目的：掌握常用铸铁的性能特点；掌握铸铁的牌号；了解铸铁的应用；,2007-3-12,铸铁的分类,1白口铸铁2麻口铸铁3灰口铸铁（1）灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；（2）可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；（3）球墨铸铁碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；（4）蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。牌号：RUT420,2007-3-12,一.灰口铸铁,1灰铸铁的化学成分、组织和性能（1）化学成分灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%40%，wSi=1.0%25%，wMn=O5%1.4%，wSO.15%，wP0.3%。(2)组织由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。,2007-3-12,（3）性能,力学性能石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能优良的性能：良好的铸造性能良好的减震性较低的缺口敏感性良好的切削加工性良好的减摩性良好的抗压性能,2007-3-12,灰口铸铁牌号,2007-3-12,二.可锻铸铁,可锻铸铁俗称玛钢、马铁。生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。,2007-3-12,二.可锻铸铁,1可锻铸铁的化学成分、组织和性能1）可锻铸铁的化学成分是:wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，wMn=0.3%0.8%，wS0.2%，wP0.1%。2）可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。3)性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。,2007-3-12,可锻铸铁牌号,2007-3-12,三.球墨铸铁,是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。,2007-3-12,球墨铸铁性能,球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。,2007-3-12,球墨铸铁牌号,2007-3-12,3.5有色金属材料,定义:除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属。铝及铝合金铜及铜合金滑动轴承合金,2007-3-12,3.5.1铝及铝合金,一.铝1.性能特点:密度小;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高;强度低;无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。,2.用途：电线、电缆、器皿3.纯铝的牌号：按铝的纯度来编制，如1060表示99.6%,2007-3-12,二.铝合金,形变铝合金铸造铝合金,2007-3-12,一)形变铝合金(deformationaluminumalloy),1.防锈铝合金(LF):AlMn通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好)。例如:LF21。AlMg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝轻)。例如:LF2、LF6等。,2007-3-12,2.硬铝合金(LY):AlCuMg通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。LY1、LY11、LY12。,3.超硬铝合金(LC):AlZnMgCu通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。LC4、LC9。,飞机主起落架,2007-3-12,4.锻铝合金(LD):AlMgSiCu具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。LD5、LD6、LD10。,压气机叶片,2007-3-12,二)铸造铝合金(castaluminumalloy),铸造铝硅合金铸造铝铜合金铸造铝镁合金铸造铝锌合金,2007-3-12,1.铸造铝硅合金(ZL101ZL111):,活塞(裙部为铝硅合金),ZL102合金铸造组织(化染)55,2007-3-12,2.铸造铝铜合金(ZL201ZL203):有较高的强度、塑性及耐热性,但铸造性能和耐蚀性较差。,铝铜合金铸造组织(化染)210,汽缸头,2007-3-12,3.铸造铝镁合金(ZL301、ZL302):有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸造性能和耐热性较差。,铝镁合金铸造组织(化染)150,鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),2007-3-12,4.铸造铝锌合金(ZL401、ZL402):具有良好的铸造性,经变质处理和时效处理后,强度高,但耐蚀性差。,大型空压机活塞(ZL401),2007-3-12,3.5.2铜及铜合金,一.铜1.性能特点:密度大;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高;强度低;无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。,2.铜的分类,工业纯铜T1T4，含铜量依次下降,无氧铜TU2,2007-3-12,3.铜合金的分类,黄铜:CuZn,白铜:CuNi,青铜:除黄铜和白铜外的所有铜合金。,2007-3-12,一）黄铜(brass),普通黄铜(commonbrass)特殊黄铜(specialbrass),2007-3-12,（一)普通黄铜(commonbrass),2007-3-12,1.黄铜的牌号,(Z)H90,2007-3-12,2.常用的黄铜,金奖黄铜-H90,弹壳黄铜-H70(H68),日用黄铜-H62(H59),冷凝器管,2007-3-12,（二)特殊黄铜(specialbrass),1.定义:在黄铜中加入Al、Fe、Si、Cr、Ni、Sn、Mn等元素所形成的合金。,2.牌号:,HAl59-3,2007-3-12,二）青铜(bronze),普通青铜(锡青铜)(tinbronze)特殊青铜(无锡青铜)(tinfreebronze),2007-3-12,青铜牌号的表示方法,ZQSn101,2007-3-12,特殊青铜(无锡青铜)(tinfreebronze),1.硅青铜:QSi31,2.铝青铜:QAl7,3.铍青铜:QBe2;具有非常好的力学性能。用于制造重要、精密、高温、高速下工作的零件。,2007-3-12,3.5.3滑动轴承合金(bearingalloy),一.定义:,工件体,轴,轴瓦,2007-3-12,二.性能要求:1.在工作温度下,应具有足够的抗压强度、疲劳强度和高的耐磨性。2.具有足够的塑性与韧性。3.具有较小的摩擦系数。4.具有良好的磨合性。5.具有良好的抗蚀性。6.具有良好的导热性。7.具有较小的膨胀系数。8.具有良好的抗咬合性。,各类型轴瓦,2007-3-12,锡锑轴承合金(锡基巴氏合金),ZChSnSb116,2007-3-12,铅基轴承合金:铝基轴承合金:ZChAlSb41,铜基轴承合金:ZCuPb30ZCuSn10P1,2007-3-12,3.6其他常用工程材料,非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料,2007-3-12,学习要点：,1常用塑料及其在生产中的用途。2工业陶瓷的特点及用途。3复合材料的特点及分类。,2007-3-12,3.6.1塑料,1塑料的组成塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。,2007-3-12,2.塑料的特性,(1)质轻、比强度高塑料的密度为0.92.2gcm3，只有钢铁的1814。泡沫塑料的密度约001gcm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。(2)化学稳定性好塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。(3)优异的电绝缘性塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。(4)减摩、耐磨性好塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。(5)消声和吸振性好塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。(6)成形加工性好塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。(7)耐热性差多数塑料只能在100左右使用，少数品种可在200左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。,2007-3-12,3常用塑料,(1)热塑性塑料聚乙烯(PE)按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低压聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。聚氯乙烯(PVC)分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯强度较高，绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在1560温度范围使用，用于化工耐蚀的结构材料，如输油管、容器、离心泵、阀门管件等，用途很广。软质聚氯乙烯强度低于硬质聚氯乙烯，伸长率大，绝缘性较好，在1560的温度范围使用。用于电线、电缆的绝缘包皮，农用薄膜，工业包装等。因其有毒，不能包装食品。,2007-3-12,3常用塑料,聚丙烯(PP)密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、硬度、刚性、耐热性均高于低压聚乙烯，可在120以下长期工作。绝缘性好，且不受湿度影响，无毒无味，但低温脆性大，不耐磨，易老化，用于一般机械零件，如齿轮、耐蚀件（如泵叶轮、化工管道、容器）；绝缘件；电视机、收音机、电扇、电机罩等壳体；生活用具，医疗器械，食品和药品包装等。聚酰胺(PA)俗称尼龙或锦纶。强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性、成形性好，摩擦系数小，无毒无味，可在100以下使用。蠕变值大，导热性差，吸水性高，成形收缩率大。常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。用于制造耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、机床导轨、齿轮、螺母及一些小型零件。也可用于制作高压耐油密封圈，或喷涂在金属表面作防腐、耐磨涂层，应用较广。,2007-3-12,3常用塑料,聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)俗称有机玻璃透光性、着色性、绝缘性、耐蚀性好，在自然条件下老化发展缓慢，可在60100使用。不耐磨，脆性大，易溶于有机溶剂中，硬度不高，表面易擦伤。用于航空、仪器、仪表、汽车中的透明件和装饰件，如飞机窗、灯罩、电视和雷达屏幕，油标、油杯、设备标牌等。ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。综合力学性能好，尺寸稳定性、绝缘性、耐水和耐油性、耐磨性好，长期使用易起层。用于制造齿轮，叶轮，轴承，把手，管道，贮槽内衬，仪表盘，轿车车身，汽车挡泥板，电话机、电视机、电机、仪表的壳体，应用较广。聚甲醛(POM)耐磨性、尺寸稳定性、着色性、减摩性，绝缘性好，可在零下40100长期使用。加热易分解，成形收缩率大。用于制造减摩、耐磨件及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、绝缘件，化工容器，仪表外壳，表盘等，可代替尼龙和有色金属。,2007-3-12,3常用塑料,聚四氟乙烯(F-4)也称塑料王有极强的耐蚀性，可抗王水腐蚀，绝缘性、自润滑性好，不吸水，摩擦系数小，可在195250使用，但价格较高。用于耐蚀、减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架，化工用反应器、管道等。聚碳酸脂(PC)强度高，韧性、尺寸稳定性、透明性好，可在60120长期使用。耐疲劳性不如尼龙和聚甲醛。用于制造齿轮、蜗轮、凸轮，电气仪表零件，大型灯罩，防护玻璃，飞机挡风罩，高级绝缘材料，用途很广。聚砜(PSF)强度、硬度、成形温度高，抗蠕变、尺寸稳定性、绝缘性好，可在100150长期使用。不耐有机溶剂和紫外线。用于制造耐热件，绝缘件，减摩、耐磨件，高强度件，如凸轮，精密齿轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩，汽车护板，电子器件等。,2007-3-12,3常用塑料,(2)热固性塑料酚醛塑料(PF)俗称电木强度、硬度、绝缘性、耐蚀性、尺寸稳定性好，工作温度100，脆性大，耐光性差，只能模压成形，价格低。用于制造仪表外壳，灯头、灯座、插座，电器绝缘板，耐酸泵，刹车片，电器开关，水润滑轴承等。氨基塑料俗称电玉颜色鲜艳，半透明如玉，绝缘性好，长期使用温度80，耐水性差。用于制造装饰件、绝缘件，如开关、插头、旋钮、把手、灯座、钟表外壳等。环氧塑料(EP)俗称万能胶强