常用工程材料及选用课件

模块一常用工程材料及选用任务1-1认识金属材料的性能任务1-2了解金属材料的知识任务1-3探析钢的热处理工艺任务1-4识别常用的工程材料任务1-5掌握典型零件的选材任务1-6拓展知识:钢铁冶炼及质量检验任务1-7案例教学:归纳工程材料的应用模块一常用工程材料及选用任务1-1认识金属材料的性能任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料及性能要求工程材料通常可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等;工艺性能是指铸造性、锻造性、焊接性、热处理性能和切削加工性等。在设计机器零件时，必须首先熟悉金属材料的各种性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。下一页返回任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料及性能要求下一页返回任务1-1认识金属材料的性能金属材料的使用性能金属材料的力学性能力学性能是指金属在外力作用下所显示的，与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。用于表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，称为金属力学性能判据。判据的高低表征了金属抵抗各种损伤作用能力的大小，也是金属制件设计时选材和进行强度计算的主要依据。强度强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂的能力。工程上常用屈服点、抗拉强度作为强度判据。测定金属强度判据的常用方法是拉伸试验。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能金属材料的使用性能下一页上一页返任务1-1认识金属材料的性能试验前，将被测金属材料制成标准拉伸试样(GB/T63971986)。比较常用的试样截面为圆形，称为圆形拉伸试样，如图1-2所示。试验时，将拉伸试样夹在拉伸试验机上，缓慢增大拉伸力。随拉伸力不断增加，试样伸长量也不断增加，直至试样被拉断。在整个拉伸过程中，试验机的自动记录装置可将拉伸力与变形(伸长)量描绘在坐标图上，即得到拉伸力和伸长量的关系曲线，称为力伸长曲线(或拉伸曲线)，如图1-3所示。金属材料拉伸时的强度用应力来度量。受外力作用后，导致物体内部之间的相互作用力，称为内力，单位面积上的内力称为应力，用符号σ表示。强度的主要判据有弹性极限、屈服点(或屈服强度)和抗拉强度。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能试验前，将被测金属材料制成标准拉任务1-1认识金属材料的性能弹性极限弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力，用符号σe表示，单位为Mpa

Fe—试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力(N);

A0—试样原始横截面积(mm2)屈服点屈服点是指试样在试验中力保持恒定仍能继续伸长(变形)时的应力下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能弹性极限下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能

Fs—产生屈服时的拉伸力(N);

A0—试样原始横截面积(mm2)。零件工作时，一般不允许产生塑性变形。因此，屈服点是设计和选材时的主要参数。抗拉强度抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大拉应力Fb—试样拉断时的最大拉伸力(N)σb表征了材料对最大均匀塑性变形或断裂的抵抗能力。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能Fs—产生屈服时的拉任务1-1认识金属材料的性能塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，其主要判据为断后伸长率和断面收缩率。它们也是通过拉伸试验测得的。断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后标距伸长与原始标距的百分比l1—试样拉断后的长度(mm);l0—试样的原始标距长度(mm)下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能塑性下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比A1—试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mm2)A0—试样最初最小横堆面积(mm2)硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能断面收缩率下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能硬度试验的方法较多，最常用的是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。这里主要介绍布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法的有关知识。布氏硬度试验原理如图1-4所示，用直径为D的硬质合金(或淬火钢)球作压头，以相应试验力F压入试件表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，得到一直径为d的压痕。用试验力除以压痕表面积，所得值即为布氏硬度值，用符号HBW(或HBS)表示。由于各种材料软硬程度不同，工件薄厚、大小不同，因此在布氏硬度试验时，应选用不同的试验力、不同直径的压头和试验力保持时间。通常采用的压头为10mm的硬质合金球，试验力保持时间为:钢铁材料10~15s;非铁金属30s下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能硬度试验的方法较多，最常用的是布任务1-1认识金属材料的性能洛氏硬度试验是采用顶角为120

°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表面，应按规定的保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验方法。如图1-5所示洛氏硬度用符号HR表示，即为使同一硬度计能测试不同硬度范围的试件，可采用不同的压头和试验力。根据压头和试验力不同，洛氏硬度有不同的标尺，常用的有HRA、HRB和HRC三种，其中HRC应用最广。洛氏硬度的表示方法为:在符号前面写硬度值，如62HRC,80HRA等。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1-1下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能洛氏硬度试验是采用顶角为120任务1-1认识金属材料的性能洛氏硬度与布氏硬度(>220HBS时)有以下近似关系:1HRC≈10HBS冲击韧度冲击韧度是在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力。常用试样破坏时所消耗的功来表示。冲击韧度的测定方法(图1-6)是:将待测材料制成标准缺口试样图(图1-6(a))。把试样放入试验机支座C处，使一定重量G的摆锤自高度h1自由落下，冲断试样后摆锤升到高度h2，则冲断试样所消耗的冲击功Wk=G(h1–h2)。这可在冲击试验机的刻度盘上指示出来。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能洛氏硬度与布氏硬度(>220HB任务1-1认识金属材料的性能冲击韧度的大小用αk表示疲劳强度疲劳强度是在规律性变化应力的长期作用下，材料抵抗破坏的能力。显然，材料的疲劳强度的大小与应力的变化次数有关。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能冲击韧度的大小用αk表示下一页上任务1-1认识金属材料的性能金属材料的物理和化学性能物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点，热膨胀性、导热性和导电性等。化学性能化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能金属材料的物理和化学性能下一页上任务1-1认识金属材料的性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。工艺性能实质上是力学、物理、化学性能的综合表现。金属材料常用铸造、压力加工、焊接和切削加工等方法制造成零件。各种加工方法对材料提出了不同的要求。铸造性能铸造性能指浇注铸件时，金属材料易于成形并获得优质铸件的性能。流动性、收缩率、偏析倾向是表示铸造性能好坏的指标。锻造性能锻造性能一般用材料的可锻性来衡量。金属材料的可锻性是指材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能金属材料的工艺性能下一页上一页返任务1-1认识金属材料的性能焊接性能焊接性能一般用材料的可焊性来衡量。金属材料的可焊性是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝的性能。加工性能切削加工性能指对工件材料进行切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性，不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何形状等有关。上一页返回任务1-1认识金属材料的性能焊接性能上一页返回任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的化学成分与组织结构金属材料的性能不仅决定于它们的化学成分，而且还决定于它们的内部组织结构。例如，含碳量不同的钢，强度、硬度、塑性各异。即使化学成分相同，组织结构不同时其性能也会有很大的差别。下一页返回任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的化学成分与组织结构任务1-2了解金属材料的知识金属及合金的结晶金属的晶体结构固体物质中原子排列有两种情况:一是原子呈周期性有规则的排列，这种物质称为晶体。二是原子呈不规则的排列，这种物质称为非晶体。固态金属及合金一般都是晶体，而且大都属于多晶体，它是由许多方位各不相同的单晶体块组成的，如图1-7所示。每个单晶体的外形为不规则的颗粒状，通常把它称为“晶粒”。晶粒之间的分界面叫晶界。单晶体具有各向异性的特征，多晶体的性能是各不同方位单晶块的统计平均性能，因而显示出各向同性。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识金属及合金的结晶下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识金属的结晶过程液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态变为按一定的几何形状作有序排列。金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程，称为结晶。金属的冷却曲线与过渡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。每种金属都有一定的理论结晶温度，常用T0表示。金属的结晶过程可用冷却曲线(图1-8)表示。过冷是金属结晶的必要条件，但结晶时的过冷度不是一个恒定值，它与过冷速度有关，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大，一般工业金属的过冷度都不超过10℃~30℃下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识金属的结晶过程下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识结晶过程大量的实验证明，金属结晶是由三个密切联系的基本过程实现的，即①孕育:在金属液体内形成与固体结构相同的小晶胚;②生核:在过冷金属液体中一定尺寸的晶胚成为结晶的核心一晶核(有规则排列的原子集团);③长大:每一晶核吸收其周围的原子呈有规则排列而逐步长大为一小晶体，直至全部晶体扩大到相互接触，液体金属完全消失，结晶即告完成，最后形成许多大小不一、外形不规则的晶体。图1-9为结晶示意图。但要注意，结晶的三个基本过程是同时进行的，主要是晶核不断生成和不断长大的过程。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识结晶过程下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识影响晶粒大小的因素凡是能促进晶核生成和抑制晶粒长大的因素，都能细化晶粒。过冷度和难熔杂质是影响晶粒大小的两个主要因素。提高冷却速度，增大过冷度，可使晶粒变细。难熔杂质对细化晶粒的作用i一分明显。因此，在生产实践中，常用向液态金属加入难熔固态物质的方法，增加晶核数目，细化晶粒。难熔的固态物质称为“孕育剂”，这种处理方法称为“孕育处理”或“变质处理”。晶粒大小与力学性能的关系晶粒大小对金属材料的力学性能有很大影响。晶粒细小，则强度、硬度较高，塑性、韧性较好。晶粒粗大，则力学性能明显下降。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识影响晶粒大小的因素下一页上一页返任务1-2了解金属材料的知识金属的同素异构转变为便于分析比较各种晶体内部原子的排列规则，通常将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架称为晶格。多数金属结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属(如铁、锰等)在固态下晶格结构会随温度的变化而发生改变。金属在固态下发生晶格变化的过程，称为金属的同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新结晶的过程，亦应遵守前述结晶的一般规律。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识金属的同素异构转变下一页上一页返任务1-2了解金属材料的知识合金的结构组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称元。组元通常是元素，也可以是稳定的化合物。由两个组元组成的合金，称为二元合金;由三个组元组成的合金，称为三元合金，等等。合金的结构比纯金属复杂。在固态时合金的结构一般可分为以下三类:固溶体合金各组元在固态时具有互相溶解的能力，形成与某组元晶格类型相同的合金，称为固溶体。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识合金的结构下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识金属化合物金属化合物是合金的组元间相互作用而形成的具有明显金属特性的化合物。其晶格类型和性能完全不同于任一组元，而且组成可用分子式表示。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。它能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性。机械混合物组成合金的各组元，在固态下既不溶解，也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的物质，称为机械混合物。其各相仍保持原来的晶格结构和性能。所以，机械混合物的性能取决于各相的性能、相对数量、形状、大小及分布情况。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识金属化合物下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识铁碳合金铁碳合金的墓本组织在铁碳合金中，铁和碳的结合方式为:在液态时，铁和碳可以无限互溶;在固态时，碳可溶解在铁中形成固溶体，或与铁形成化合物(Fe3C,Fe2C等);此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。固态下出现的基本组织如下:铁素体(以符号F表示)奥氏体(以符号A表示)渗碳体(Fe3C)珠光体(以符号P表示)莱氏体(以符号Ld和L‵d表示)下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识铁碳合金下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识铁碳合金相图(Fe-Fe3C相图)铁碳合金相图是表示铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系的图形。它是人们长期生产实践和科学实验中不断总结与完善起来的，也是学习金属材料、热处理和热加工(铸造、锻压、焊接)的重要理论基础。图1-11所示为简化后的Fe-Fe3C相图。Fe-Fe3C相图中特性点的意义、温度及含碳量见表1-2ACD线为液相线。各种成分的合金处在此线以上的温度均是液态，冷却到此线时开始结晶。AECF为固相线。合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识铁碳合金相图(Fe-Fe3C相图任务1-2了解金属材料的知识ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线GS线又称A3线，它是合金冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线。PSK线为共析转变线，又称A1线，相应的温度为727℃由相图可知:铁碳合金在凝固后，当温度变化时仍有组织结构的变化。铁碳合金的分类及其室温组织根据含碳量的多少，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线任务1-2了解金属材料的知识工业纯铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金。其室温组织是铁素体。钢含碳量在0.218%-2.11%之间的铁碳合金。根据其碳含量及室温组织的不同，又可分为:亚共析钢(含碳量小于0.77%),室温组织是铁素体和珠光体。共析钢(含碳量为0.77%),室温组织是珠光体。过共析钢(含碳量大于0.77%)。室温组织是珠光体和二次渗碳体。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识工业纯铁下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识白口铸铁含碳量为2.11%-6.69%的铁碳合金。根据其碳含量及室温组织的不同又可分为:亚共晶白口铸铁(含碳量小于4.3%)室温组织是珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。共晶白口铸铁(含碳量为4.3%)，室温组织是低温莱氏体。过共晶白口铸铁(含碳量大于4.3%)，室温组织是一次渗碳体和低温莱氏体。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识白口铸铁下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响含碳量对钢的力学性能的影响碳是决定铁碳合金性能的主要元素，它主要是以渗碳体的状态存在于钢中。含碳量和渗碳体的形状、大小、分布情况和数量不同，钢的组织就不同，性能就会有很大的差异(图1-12)杂质对铁碳合金力学性能的影响铁碳合金除含碳外，一般还含有锰、硅、磷、硫等元素。硅、锰是有益的元素，可改善铁碳合金的质量，提高其强度和硬度。下一页上一页返回任务1-2了解金属材料的知识含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响任务1-2了解金属材料的知识Fe-Fe3C相图的应用在选材上的应用Fe-Fe3C相图，总结了铁碳合金的组织、性能与成分之间的变化规律，故可以根据零件的工作条件来选择材料。在制定热加工工艺方面的应用Fe-Fe3C相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时的组织转变规律，为制定热加工工艺提供了依据。图1-13为铁碳相图与铸、锻工艺的关系。在热处理工艺方面的应用根据Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。上一页返回任务1-2了解金属材料的知识Fe-Fe3C相图的应用上一页返任务1-3探析钢的热处理工艺钢锯条的热处理现象及工艺说明选用手用钢锯条为对象，进行整体加热后，一半淬入水中冷却，另一半留在空气中冷却。然后对钢锯条进行弯曲试验，发生不同的现象:浸入水中的部分一折即断，在空气中冷却的部分弯曲90°以上都不发生断裂。由此证实:同样的材料经不同的热处理后，力学性能发生显著改变，即热处理能够改变材料或零件的力学性能。钢的热处理是工业生产中最常用、最方便而且非常经济、有效的改变性能方法。它是采用适当的方式对钢材或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺，如热处理工艺曲线图(图1-14)。其特点是:只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。下一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺钢锯条的热处理现象及工艺说明下一任务1-3探析钢的热处理工艺钢的热处理原理钢加热时的组织转变加热是热处理的第一道工序。对钢加热的目的一般是使钢奥氏体化。珠光体全部转变成奥氏体的初期晶粒细小，但加热温度过高或保温时间过奥氏体晶粒会长大，影响材料的力学性能。所以，热处理时加热温度不可太保温时间不能太长，以便冷却后获得细晶粒组织。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺钢的热处理原理下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺钢冷却时的组织转变热处理后钢的力学性能，不仅与钢的加热、保温有关，更重要的是与奥氏体冷却转变后所获得的组织有关。冷却过程是热处理的关键环节。钢在奥氏体化后的冷却方式有两种:连续冷却，它是将加热至奥氏体化的钢以一定的冷却速度连续冷却到室温，使奥氏体在一个温度范围内连续转变。等温冷却，它是将奥氏体化的钢快速冷却到A;以下某一温度进行保温，使奥氏体在该温度下完成转变，然后冷却到室温下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺钢冷却时的组织转变下一页上一页返任务1-3探析钢的热处理工艺奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变曲线图1-15所示是由实验获得的共析钢奥氏体等温转变曲线图，图中粗实线分别为等温冷却曲线和C曲线，细实线为连续冷却曲线，虚线为温度线。A1线以上的区域是奥氏体稳定区，aa线左面是过冷奥氏体区。aa线是奥氏体开始转变线，bb线是转变终了线，两曲线之间是奥氏体的转变区。bb线右面为奥氏体转变的产物区。由于奥氏体等温转变曲线的形状像字母℃”;，故称C曲线。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺奥氏体的等温转变下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺奥氏体等温转变的产物按转变温度可分为高温、中温、低温三种转变，在C曲线图上可划出三个转变的温度区间:①高温转变。奥氏体过冷到727℃~550℃,等温转变为层片状铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，即珠光体(P)，称为珠光体型的转变。过冷度越大，层片状越薄，硬度也越高。②中温转变。奥氏体过冷到550℃^-230℃之间，等温转变为含过量碳的铁素体和微小渗碳体的机械混合物，称为贝氏体(用B表示)。贝氏体比珠光体硬度高。③低温转变。奥氏体过冷到230℃以下时，由于温度过低，奥氏体来不及分解，渗碳体也来不及析出，只发生晶格的改变(γ-Fe变为α-Fe)下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺奥氏体等温转变的产物下一页上一页任务1-3探析钢的热处理工艺奥氏体等温转变曲线的应用在生产实践中，钢热处理的冷却方式多数为连续冷却。奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的。将某一冷却速度的冷却曲线画在C曲线图上,根据两曲线相交位置，可以大致确定钢在连续冷却时获得的组织及性能。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺奥氏体等温转变曲线的应用下一页上任务1-3探析钢的热处理工艺钢的热处理分类按照加热、冷却的特点和材料成分、组织的变化情况，钢的热处理分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理工艺可分为预备热处理的退火与正火，和最终热处理的淬火与回火。表面热处理常用的为表面淬火和化学热处理。退火与正火退火与正火是常见的预备热处理，安排在铸造或锻造之后，用来消除坯料、半成品的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺钢的热处理分类下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺退火将钢加热到A3(亚共析钢)或A1(过共析钢)以上某一温度范围，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般是随炉冷却)的热处理过程，称为退火。正火将钢加热至A3或A1cm以上某一温度范围，经保温使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺退火下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺淬火与回火钢的淬火与回火是紧密相连的两个工艺过程，只有相互配合才能收到良好的热处理效果。一般来说，淬火与回火常作为最终热处理。淬火淬火是将钢加热至A:或A;以上某一温度范围，保温，然后在水、盐水或油中急剧冷却的热处理工艺。淬火的目的一般是为了获得马氏体组织，以提高钢的力学性能。钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为淬透性。淬硬层越深，淬透性越好。淬透性对钢的力学性能影响很大，所以机械设计选材时，应考虑材料的淬透性。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺淬火与回火下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺回火把淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保温后再以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的目的是为了稳定钢在淬火后的组织，消除因淬火冷却过快而产生的内应力并稳定其尺寸，调整强度、硬度，提高塑性，使工件获得较好的综合力学性能等。故回火总是伴随在淬火后进行的，通常是热处理的最后工序。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺回火下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺淬火钢回火的性能与回火的加热温度有关，硬度和强度随回火温度的升高而降低。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。表面热处理在动载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如齿轮、主轴等，不仅要求它们具有较高的芯部强韧性，而且表面还要具有高的硬度和耐磨性，通过表面热处理可以实现零件表面和芯部的这种不同的性能要求。表面淬火是将钢件表层快速加热至淬火温度，随后快速冷却的一种局部淬火工艺。它主要是改变零件的表层组织。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺淬火钢回火的性能与回火的加热温度任务1-3探析钢的热处理工艺按表面加热的方法，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和接触电阻加热表面淬火等。由于感应加热速度快，生产效率高，产品质量好，易实现机械化和自动化，所以感应加热表面淬火应用广泛，但设备较贵，不宜用于单件或形状复杂的零件。化学热处理化学热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过加热和保温，使介质中的一种或几种元素渗入它的表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。表面渗层的性能，取决于渗入元素与基体金属所形成合金的性质及渗层的组织结构。下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺按表面加热的方法，表面淬火可分为任务1-3探析钢的热处理工艺钢的最常用的化学热处理方法及其作用见表1-3。渗入各种非金属元素的基本过程是:①介质分解出渗入元素的活性原子;②活性原子被钢件表面吸收，形成固溶体或化合物;③钢件表层渗入元素的浓度增高并向内扩散，形成一定厚度的渗层。钢的热处理新技术随着科学技术日新月异的发展，和生产方式由小批量到大批量、多品种小批量的变更，热处理的新工艺、新技术不断涌现，如真空热处理、激光热处理、电子束热处理、太阳能热处理、可形变热处理等。下面简单介绍两种:下一页上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺钢的最常用的化学热处理方法及其作任务1-3探析钢的热处理工艺真空热处理它是将工件置于气体压力低于101kPa的真空状态下进行的热处理。与普通热处理相比，真空热处理具有工件表面无氧化和脱碳、表面光洁、变形小、耐磨性和疲劳强度高等优点。激光热处理它是利用高能量的激光束使工件照射处在很短时间(10-9~10-7s)内加热到正常淬火加热温度以上，而工件其他部位仍保持冷态。当照射点转移后，通过工件本身的热传导而快速冷却(冷速达(103~106℃/s)，实现自冷淬火。激光热处理的优点有:加热速度快，冷却速度也快;生产周期短，生产效率高;加热范围易于控制;不仅能适用于平面，更适用于一般工艺无法处理的拐角、不通孔的底部、沟槽等。上一页返回任务1-3探析钢的热处理工艺真空热处理上一页返回任务1-4识别常用的工程材料常用工程材料的分类工程材料种类繁多，常用工程材料主要为金属材料。为了便于生产、选材、管理及研究，应识别常用金属材料的分类、牌号、性能及用途。工业上常用的金属材料分为钢铁材料和非铁金属材料(即有色金属材料)两大类。有色金属材料包括除钢铁以外的金属及其合金。下一页返回任务1-4识别常用的工程材料常用工程材料的分类下一页返回任务1-4识别常用的工程材料钢铁材料钢铁材料是工业上对钢和铸铁的合称。钢按化学成分分为非合金钢、合金钢。钢的品种多、规格全、性能好、价格低，并且可用热处理的办法改善其力学性能，所以是工业中应用最广的材料。按用途又可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等。非合金钢(碳素钢，简称碳钢)碳钢有结构钢和工具钢之分。结构钢是制造一般机械零件和工程结构所用的钢，按质量又分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。此外，结构钢还包括铸钢。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料钢铁材料下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料普通碳素结构钢(简称普钢)Q195钢不分等级，但化学成分和力学性能均须保证。Q195,Q215A、Q215B主要用于薄板、焊接钢管、铁丝和钉等。Q235(A、B,C,D)一般用作建筑材料和不重要的机械结构材料，使用时一般不进行热处理。Q255和Q275主要用于制造强度要求较高的某些零件，如拉杆、连杆、轴等。普通碳素结构钢的牌号、成分、性能及应用见表1-40下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料普通碳素结构钢(简称普钢)下一页任务1-4识别常用的工程材料优质碳素结构钢(简称优质碳素钢或优钢)常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能和用途见表1-5优质碳素钢根据含碳量又可分为低碳钢(含碳量在0.25%以下)、中碳钢(含碳量为0.30%一0.50%)和高碳钢(含碳量为0.55%一0.85%)。低碳钢强度低，而塑性、韧性好，易于冲压加工，主要用于制造受力不大、不需淬火的零件，如螺钉、螺母、冲压件和焊接件等。碳钢强度较高，塑性和韧性也较好，一般需经正火或调质后使用，应用广泛，多用于制造齿轮、丝杠、连杆和各种轴类零件等。高碳钢热处理后具有高强度和良好的弹性，但切削性、淬透性和焊接性差，主要用于制造弹簧和易磨损的零件。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料优质碳素结构钢(简称优质碳素钢或任务1-4识别常用的工程材料铸钢一般情况下多用碳素铸钢，当有特殊用途或特殊要求时可采用合金铸钢。铸钢主要用于制造承受重载的大型零件，较少受尺寸、形状和重量的限制。GB/T11352-1989规定铸钢的牌号以“ZG”表示，后面的两组数字分别表示其屈服极限和抗拉强度值，如ZG310-570铸造碳钢的牌号、性能与用途见表1-6碳素工具钢通常指含碳量0.65%一1.35%的高碳钢，既保证化学成分，又要符合规定的退火或淬火状态下的硬度。按质量分为普通碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两种。碳素工具钢的牌号以“T”，表示，后面的数字表示含碳量的千分数。碳素工具钢的牌号、主要化学成分、性能及用途见表1-7下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料铸钢下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料合金钢在碳素钢中加入一定量的合金元素(如硅、锰、铬、钥、钒、钛等)，即构成合金钢。由于合金元素的存在，合金钢的性能较碳钢为好，它的两个主要特点是有好的淬透性和较高的综合力学性能。但应注意，使用合金钢时要进行热处理，以便充分发挥其潜在能力。合金钢常用于制造受载荷较大的重要零件。合金结构钢牌号以“两位数字+合金元素符号+数字”表示。前面的两位数字表示含碳量的万分数，合金元素符号后的数字表示该元素含量的百分数，含量低于1.5%合金结构钢根据性能和用途的不同，又可分为低合金高强度结构钢(见表1-8)、易切削钢、合金渗碳钢(见表1-9)、合金弹簧钢(见表1-10)、合金调质钢(见表1-11)和滚动轴承钢等。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料合金钢下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素(Si,Mn,Cr,V等)制成的。由于合金元素的加入，提高了材料的热硬性、耐磨性，改善了热处理性能。合金工具钢常用来制造各种量具、模具和刀具等，因而对应地也就有量具钢、模具钢和刃具钢之分，其性能、化学成分和组织状态也不同。刃具钢(表1-12)又有低合金刃具钢和高速钢之分。低合金刃具钢主要是含铬的钢，而高速钢是一种含钨、铬、钒等合金元素较多的钢。高速钢有很高的热硬性，当切削温度高达550℃左右时，其硬度仍无明显下降，此外，它还具有足够的强度、韧性和耐磨性，所以它是主要的切削刀具材料。常用的高速钢有下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料合金工具钢下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料特殊性能钢它是一种含有较多合金元素，并具有某些特殊物理、化学性能的合金钢。其牌号表示方法与合金工具钢基本相同。常用的有不锈钢、耐热钢、耐磨钢及软磁钢等。不锈钢中的主要合金元素是铬和镍。因为铬与氧化合，在钢表面形成一层致密的氧化膜，保护钢免受进一步氧化。一般含铬量不低于12%才具有良好的耐蚀不锈性能，适用于化工设备、医疗器械等。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料特殊性能钢下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料耐热钢是在高温下不发生氧化并具有较高强度的钢。钢中常含有较多铬和硅，以保证具有高的抗氧化性和高温下的力学性能。耐热钢用于制造在高温条件下工作的零件，如内燃机气阀、加热炉管道以及航空、航天工业中的一些重要零件等。耐磨钢通常是指高锰钢。其成分为:含碳量1.0%~1.3%，含锰量11%~14%软磁钢又名硅钢片，它是在钢中加入硅并轧制而成的薄片状材料。它杂质含量极少，具有很好的磁性。硅钢片是制造变压器、电机、电工仪表等不可缺少的材料。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料耐热钢是在高温下不发生氧化并具有任务1-4识别常用的工程材料铸铁含碳量高于2%的铁碳合金称为铸铁。工业上常用的铸铁含碳量一般为2.5%~4%。由于它具有良好的铸造性能、切削性能及一定的力学性能，所以在各种机械设备中，铸铁零件常占总量的一半以上。根据碳在铸铁中存在形态的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。白口铸铁碳在铁中以渗碳体的形态存在，断口呈亮白色，故称白口铸铁。其性硬而脆，极难切削加工。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料铸铁下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料灰铸铁碳在铸铁组织中以片状石墨的形态存在，断口呈灰色，故称灰铸铁。它的性能是软而脆，但具有良好的铸造性能、耐磨性、减振性和切削加工性。灰铸铁的牌号、性能和用途见表1-13可锻铸铁碳在铸铁组织中以团絮状石墨形态存在。它是由白口铸铁经长期高温退火而得的铸铁。团絮状石墨对金属基体的割裂作用较片状石墨小得多，所以有较高的力学性能，尤其是它的塑性、韧性较灰铸铁有明显的提高。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料灰铸铁下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料球墨铸铁碳在铸铁组织中以球状石墨形态存在。球化处理是在浇注前向一定成分的铁水中，加入一定数量的球化剂(镁或稀土镁合金)和墨化剂(硅铁或硅钙合金)，使石墨呈球状，对基体的割裂作用及应力集中都大为减小，因而有较高的力学性能，抗拉强度甚至高于碳钢。球墨铸铁的牌号、性能和用途见表1-14合金铸铁在铸铁中加入合金元素而构成合金铸铁。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料球墨铸铁下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料有色金属材料与钢铁相比，非铁金属的强度较低。通常把铁及其合金称为黑色金属，而把黑色金属以外的金属称为有色金属。应用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化学性能，如铝、镁、钛及其合金密度小，铜、铝及其合金导电性好，镍、钥及其合金能耐高温等。黄铜以铜和锌为主组成的合金统称黄铜。黄铜的牌号用“黄铜”或“H”与后面两位数字来表示。数字表示含铜量，其余为锌。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料有色金属材料下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料青铜青铜是人类历史上应用最早的合金。青铜有锡青铜和无锡青铜之分。铜与锡组成的合金称为锡青铜。除锡以外的其他合金元素与铜组成的合金，统称为无锡青铜。主要包括铝青除锡以外的其他合金元素与铜组成的合金，统称为无锡青铜。主要包括铝青铜、敏青铜、铅青铜和硅青铜等，它们通常作为锡青铜的廉价代用材料使用。压力加工青铜的牌号以“Q”为代号，后面标出主要元素的符号和含量.下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料青铜下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料铝及其合金纯铝显著的特点是密度小(约为铁的1/3)，导电性和塑性好，在空气中有良好的耐蚀性，但强度和硬度低。纯铝主要用做导电材料或制造耐蚀零件，而不能用于制造承载零件。铝中加入适量的铜、镁、硅、锰等元素即构成铝合金。它有足够的强度、较好的塑性和良好的抗腐蚀性，且多数可以热处理强化。所以要求重量轻、强度高的零件多用铝合金。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可通过压力加工制作各种半成品，且可以焊接。铸造铝合金包括铝镁、铝锌、铝硅、铝铜等合金。它们有良好的铸造性能可以铸成各种形状复杂的零件。下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料铝及其合金下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料钛及其合金钛及钛合金具有强度高，耐热性和耐蚀性好等突出优点，主要用作航空、航天、造船以及化工工业重要的结构材料。纯钛它是银白色轻金属，密度为4.45g/cm2，熔点为1680℃。钛强度低、塑性好，易加工成形。钛合金根据使用状态时的组织，钛合金可分为三类:α钛合金、β钛合金、(α+β)钛合金下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料钛及其合金下一页上一页返回任务1-4识别常用的工程材料轴承合金轴承合金是用来制造滑动轴承的特定材料。轴承合金的材料主要是有色金属合金，这些合金可根据其中含量较多的元素来分类，应用比较广泛的轴承合金有锡锑轴承合金、铅锑轴承合金和铝基轴承合金等。粉末冶金材料将金属粉末与金属或非金属粉末混合，经过压制成形、烧结等过程制成零件或材料的工艺方法为“粉末冶金”。它是一种既不熔炼，又不铸造的特殊冶金工艺，其工艺过程为:粉末制取—粉末混合—压制成形—烧结—后处理—成品上一页返回任务1-4识别常用的工程材料轴承合金上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材齿轮类、轴类及箱体类等典型零件的材料选用在机械制造中，为生产出高质量、低成本的机械与零件，必须综合分析其工作条件、失效形式、性能要求，来合理选材并进行相应的热处理以满足使用性能要求。齿轮类、轴类及箱体类等零件是最常用、典型的机械零件，要掌握其工程材料选用原则，从而进行选材及热处理工艺路线设计。下一页返回任务1-5掌握典型零件的选材齿轮类、轴类及箱体类等典型零件的任务1-5掌握典型零件的选材零件的失效分析零件的失效失效是零件在使用过程中，因其尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械或机械零件不能完成指定功能，或机械构件丧失了原设计功能的现象。一般机械零件在工作中常见的失效形式有以下三大类:断裂失效断裂失效是机械零件的主要失效形式。根据断裂的性质和断裂的原因，可分为以下几种:延性断裂；脆性断裂；疲劳断裂；蠕变断裂下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材零件的失效分析下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材过量变形在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变形或塑性变形导致整个机器或设备无法正常工作，或者能正常工作但保证不了产品质量的现象，称之为过量变形。过量蠕变变形在高温下工作的金属零件，既使工作应力不变，经过一定时间后，也会缓慢地产生过大的塑性变形而导致失效。过量弹性变形如机床传动轴因刚度不足，产生过大的弹性变形后，会使轴上零件(如齿轮)不能正常啮合，轴承发生偏磨等，使整个机器运转不良，导致传动失效。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材过量变形下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材过量塑性变形零件在工作中承受的应力超过材料的屈服强度后，就会产生塑性变形失效。表面损伤磨损失效主要是相互接触的两个零件在机械力的作用下，其相对运动表面的材料以细屑磨耗，从而使零件的表面状态和尺寸改变的一种失效形式。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材过量塑性变形下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材接触疲劳失效相互接触的两个运动表面(特别是滚动接触)，在工作过程中随交变接触应力的作用，使表层材料发生疲劳破坏而脱落的现象叫接触疲劳失效。腐蚀失效是指金属与周围介质发生化学或电化学作用而造成的失效。腐蚀失效形式有多种，其中应力腐蚀、腐蚀疲劳是突发性失效，导致“意外”事故不断发生。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材接触疲劳失效下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材零件失效的原因设计不合理零件的结构、形状、尺寸设计不合理最容易引起失效。选材不当选材不合理即选用的材料性能不能满足工作条件要求，或者所选材料名义性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力。另外，所用材料的化学成分、组织不合理、质量差也会造成零件的失效。加工工艺不合理零件在加工和成形过程中，因采用的工艺方法、工艺参数不合理，操作不正确等会造成失效。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材零件失效的原因下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材安装及使用不正确机器在安装过程中，配合过紧、过松、对中不准、固定不牢或重心不稳，密封性差以及装配拧紧时用力过大或过小等，均易导致零件过早失效。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材安装及使用不正确下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材工程材料的选用原则选用材料的基本原则是在首先保证材料满足使用性能的前提下，再考虑使材料的工艺性能尽可能良好，材料的经济性尽量合理。满足使用性能零件的使用价值、安全可靠性和工作寿命一般主要取决于材料的使用性能，所以选材通常以材料制成零件后是否具有足够的使用性能为基本出发点分析零件的工作条件在分析零件工作条件的基础上，提出对所用材料的性能要求。工作条件是指受力形式(拉伸、压缩、弯曲、扭转或弯扭复合等)、载荷性质(静载、动载、冲击、载荷分布等)、受摩擦磨损情况，工作环境条件(如环境介质、工作温度等)，以及导电、导热等特殊要求。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材工程材料的选用原则下一页上一页返任务1-5掌握典型零件的选材判断主要失效形式零件的失效形式与其特定的工作条件是分不开的。要深入现场，收集整理有关资料，进行相关的实验分析，判断失效的主要形式及原因，找出原设计的缺陷，提出改进措施，确定所选材料应满足的主要力学性能指标，为正确选材提供具有实用意义的信息，确保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。几种典型零件的工作条件、失效形式及所要求的力学性能见表1-15下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材判断主要失效形式下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材合理选用材料的力学性能指标确定力学性能指标后，就要选择相应的材料来满足。而材料的力学性能指标又取决于材料的化学成分、热处理工艺等因素。在选材中要注意以下问题。材料的热处理条件力学性能指标的综合作用硬度值的应用下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材合理选用材料的力学性能指标下一页任务1-5掌握典型零件的选材兼顾材料的工艺性能一般材料都需要进行加工才能成为成品零件。因此，要求选择的材料应满足加工工艺性的要求。切削加工性能热处理工艺性能成形工艺性能下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材兼顾材料的工艺性能下一页上一页返任务1-5掌握典型零件的选材充分考虑经济性在满足零件使用性能的前提下，选材时应考虑尽量降低零件的材料费用。零件的总成本与零件的寿命、质量、加工费用、维修费用和材料价格有关。因此应根据各种资料，对总成本进行分析，以便选材和设计等工作做得更合理。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材充分考虑经济性下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材典型零件的选材及工艺路线齿轮类零件的选材齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一，它主要用于传递动力和运动，改变速度和方向。齿轮工作时的受力情况由于传递转矩，齿轮的齿根部受交变弯曲应力;齿面相互接触产生相对滚动与滑动，承受大的接触应力并产生强烈的摩擦;在换挡、启动和啮合不良时，轮齿承受一定的冲击载荷;因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入，都会成为附加载荷而使工作条件恶化。因此，齿轮的工作条件和受力情况是较复杂的。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材典型零件的选材及工艺路线下一页上任务1-5掌握典型零件的选材齿轮的主要失效形式根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是断齿、齿面剥落、磨损及过量塑性变形等齿轮对材料性能的要求根据齿轮的受力情况和失效形式，要求齿轮应具备良好的切削加工性能;热处理后具有高的接触疲劳强度;高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度;高的齿面硬度和耐磨性;适当的芯部强度和足够的韧性;淬火变形小及组织内部缺陷应控制在允许的范围内等。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材齿轮的主要失效形式下一页上一页返任务1-5掌握典型零件的选材齿轮常用材料及选用齿轮的选材主要依据其工作条件来确定。低、中碳钢或低、中碳合金钢根据齿轮的性能要求，齿轮常用材料可选用低、中碳钢或低、中碳合金钢，并对轮齿表面进行强化处理，使轮齿表面有较高强度和硬度，芯部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较便宜。有色金属材料承受载荷较轻，速度较小的齿轮，还常选用有色金属材料，如仪器仪表齿轮常选用黄铜、铝青铜等。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材齿轮常用材料及选用下一页上一页返任务1-5掌握典型零件的选材铸铁材料对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要的齿轮，常采用灰铸铁并适当热处理。近年来球墨铸铁应用范围越来越广。对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体球墨铸铁代替渗碳钢。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材铸铁材料下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材齿轮选材料的具体实例机床齿轮选材机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，转速也不很高，工作条件较好。一般选用调质钢制造下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材齿轮选材料的具体实例下一页上一页任务1-5掌握典型零件的选材汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮主要分装在变速器和差速器中。在变速器内中，齿轮用于传递转矩和改变转速;在差速器中，齿轮主要用来增加转矩、调节左右两车轮的转速，并将发动机的动力传给驱动轮，推动汽车、拖拉机行驶。因实际路况、工作条件很复杂，这些齿轮承载较重，频繁受冲击，所以要求其耐磨性、疲劳强度、芯部强度以及冲击韧度等均比机床齿轮高很多。一般选用低碳钢或合金渗碳钢制造，经渗碳(或碳氮共渗)、淬火及低温回火处理，能满足使用要求。其工艺路线如下:下料—锻造—正火—机加工—机械加工—渗碳+淬火+低温回火—喷丸—磨齿下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材汽车、拖拉机齿轮下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材轴类零件的选材轴类零件工作条件、失效形式及性能要求工作条件轴是机械中重要的零件之一，主要用于支承传动零件(如齿轮、凸轮等)、传递运动和动力。工作时主要受交变弯曲和扭应力的复合作用，有时也承受拉压应力;轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损;轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷;多数轴在工作过程中，常常要承受一定的过载载荷。失效方式长期交变载荷作用易导致疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂);承受大载荷或冲击载荷会引起过量变形、断裂;长期承受较大的摩擦，轴颈及花键表面易出现过量磨损。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材轴类零件的选材下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材性能要求良好的综合力学性能，以防过载断裂、冲击断裂;高疲劳强度，降低应力集中敏感性，以防疲劳断裂;足够的刚度，以防工作过程中，轴发生过量弹性变形而降低加工精度;表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效;特殊性能要求，如高温中工作的轴，抗蠕变性能要好;在腐蚀性介质中工作的轴，要求耐蚀性好等。下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材性能要求下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材轴类材料选用依据轴类零件选材的主要依据是载荷的性质、大小及转速高低，精度和粗糙度要求，轴的尺寸大小以及有无冲击、轴承种类等。主要承受弯曲、扭转的轴，如机床主轴、曲轴、气轮机主轴、变速器传动轴、卷扬机轴等。同时承受弯曲、扭转及拉、压应力的轴，如锤杆、船用推进器等，其整个截面上应力分布基本均匀，应选用淬透性较高的材料，主要要求刚性好的轴，可选用优质非合金钢等材料要求轴颈处耐磨的轴，常选中碳钢经高频感应加热淬火，将硬度提高到52HRC以上承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的形状复杂的轴可选低碳合金钢下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材轴类材料选用依据下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，而且在热处理时变形量要小，长期使用过程中要保证尺寸稳定，如高精度磨床主轴，选用渗氮钢38CrMoA1A，进行氮化处理，使表面硬度达到1100~1200HV(相当于69~72HRC)，芯部硬度230一280HBS机床主轴工作条件、用材及热处理见表1-17下一页上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材要求有较好的力学性能和很高的耐磨任务1-5掌握典型零件的选材箱体类零件的选材箱体是机器的基础零件，其作用是保证箱体内各零部件的正确相对位置，使运动零件能协调运转。当机器工作时，箱体要承受其内部零件间的作用力及它们的重量等。因此对箱体零件的力学要求是:①足够的刚度和抗压强度;②良好的减振性。上一页返回任务1-5掌握典型零件的选材箱体类零件的选材上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验钢铁是怎样炼成的?现代的炼钢方法是以生铁为主要原料，装入高温的炼钢炉中，通过氧化作用降低生铁中的含碳量而炼成钢水，铸成钢锭后，再经轧制成钢材供应。少数钢锭经锻造成锻件后供应。图1-18为钢铁材料生产过程示意图。炼铁现代钢铁工业生产生铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料和熔剂。生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的要求，生铁可分为以下两类:铸造生铁；炼钢生铁下一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验钢铁是怎样炼成的?下任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验炼钢现代炼钢方法是以生铁为主要原料，首先把生铁熔化成液体，将它倾入高温的炼钢炉中，利用氧化作用去除碳及其他元素，使其含量达到规定范围之内，就得到了钢。炼钢过程炼钢的基本过程是氧化。向铁水中吹入纯氧或加入铁矿石，在炼钢炉内铁与氧相互作用，铁被氧化。生成的FeO溶解在铁水中，FeO与铁水中其他元素产生一系列氧化反应:下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验炼钢下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验当钢水的成分和温度达到规定要求时，便可出钢。炼钢方法现代炼钢方法主要有转炉、电炉和平炉等。三种炼钢炉的示意图如图1-20所示。各种炼钢方法的热源及特点比较见表1-18钢的浇注钢水炼成后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭(或连铸坯)。钢锭用于轧钢或锻造大型锻件的毛坯。根据钢水脱氧程度的不同，成品钢可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三种，如图1-21所示。下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验当钢水的成分和温度达任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验金属材料成分的质量检验金属材料的成分是其组织和性能的基础。成分检验通常使用火花鉴别、化学分析、光谱分析等方法。火花鉴别火花鉴别的作用为:鉴别钢号混杂或可疑的钢材;鉴别碳素钢的含碳量;检查钢表层的脱碳情况;鉴别合金元素类别等。火花鉴别是基于钢材在磨削时，由于成分不同而产生特定类型的火花，通过观察火花的形态，可对材料的成分作初步分析。这种方法快速简便，是车间、现场鉴别某些钢种的常用方法。下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验金属材料成分的质量检任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验碳素钢的火花碳素钢的火花特征是随含碳量的增多流线由挺直转向抛物线，且流线逐渐增多，火花束缩短，爆花和花粉增加，亮度增大。低碳钢的火花束长，流线较少，草黄带红色，爆花少，尾部下垂。如图1-22所示为20钢火花。中碳钢的火花较明亮，发黄色光，流线细、多而长，爆花较多，有少量花粉，尾部稍平直。图1-23所示为45钢火花。高碳钢的火花呈暗红色，火花束短粗，根部暗尾部亮，流线多而细密，爆花多，花粉多。图1-24所示为T8钢火花，图1-25所示为T10钢火花。下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验碳素钢的火花下一页上任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验合金钢火花合金钢的火花因其加入合金元素而与碳素钢有所不同。40Cr钢的火花束白亮，流线较相同含碳量的碳钢粗而多，爆花较多，花型较大。如图1-26所示。60Si2Mn钢的火束花为橙红色，根部暗红，流线短粗而多，爆花较多，花型较小，火花束尾部流线较粗大。如图1-27所示。CrWMn钢的火花束细长，根部火束多断续流线，流线尾部有爆花并流线粗大，赤橙色伴有蓝白色星点。如图1-28所示。W18Cr4V高速钢的火束细长，赤橙色，发光暗弱，流线少而断续，尾部粗大下垂，花为小红球。如图1-29所示。下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验合金钢火花下一页上一任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验化学分析化学分析是确定材料成分的重要方法，可以进行定性和定量分析。定性分析是确定合金所含的元素;而定量分析则是确定合金元素的含量。化学分析的精度较高，但需要较长的时间，费用也较高。滴定法将标准溶液(已知浓度的溶液)滴入被测物质的溶液中使之发生反应，待反应结束后，根据所用标准溶液的体积，计算出被测元素的含量。比色法利用光线分别透过有色的标准溶液和被测物质溶液，比较透过光线的强度，以测定被测元素的含量。由于高灵敏度、高精度的光度计和新型的显色剂出现，这种方法在工业中得以广泛地应用。下一页上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验化学分析下一页上一页常用工程材料及选用课件任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验现场化学试验现场化学试验的方法很多而简单，可用来识别许多金属材料，其中许多化学药品可在车间里找到。通过在试件表面涂抹某些化学试剂，并观察其变化情况就可初步判别材料。上一页返回任务1-6拓展知识:钢铁冶炼

及质量检验现场化学试验上一页返任务1-7案例教学:归纳工程材料的应用讨论课的目的通过课堂讨论，归纳常用工程材料的应用。讨论课进行方式及主要内容回顾常用工程材料及选用总结常用工程材料及选用应用常用工程材料及选用返回任务1-7案例教学:归纳工程材料的应用讨论课的目的返回图1-2圆形拉伸试样简图返回图1-2圆形拉伸试样简图返回图1-3低碳钢的力—伸长曲线返回图1-3低碳钢的力—伸长曲线返回图1-4布氏硬度试验原理示意图返回图1-4布氏硬度试验原理示意图返回图1-5洛氏硬度试验原理示意图返回图1-5洛氏硬度试验原理示意图返回表1-1常用洛氏硬度的试验条件

和应用范围返回表1-1常用洛氏硬度的试验条件

和应用范围返回图1-6冲击试验原理图返回图1-6冲击试验原理图返回图1-7金属多晶体的示意图返回图1-7金属多晶体的示意图返回图1-8纯金属冷却曲线返回图1-8纯金属冷却曲线返回图1-9结晶过程示意图返回图1-9结晶过程示意图返回图1-11简化后的Fe-Fe3C相图返回图1-11简化后的Fe-Fe3C相图返回表1-2Fe-Fe3C相图中的特性点返回表1-2Fe-Fe3C相图中的特性点返回图1-12钢的含碳量与组织、性能的关系返回图1-12钢的含碳量与组织、性能的关系返回图1-13Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系返回图1-13Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系返回图1-14热处理工艺曲线返回图1-14热处理工艺曲线返回图1-15共析钢C曲线测定示意图返回图1-15共析钢C曲线测定示意图返回表1-3钢的常用的化学热处理方法及其作用返回表1-3钢的常用的化学热处理方法及其作用返回表1-4普通碳素结构钢的牌号、成分、性能与应用返回表1-4普通碳素结构钢的牌号、成分、性能与应用返回常用工程材料及选用课件表1-5常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能和用途返回表1-5常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能和用途返回表1-6铸造碳钢的牌号、性能与用途返回表1-6铸造碳钢的牌号、性能与用途返回表1-7碳素工具钢的牌号、主要化学成分、性能及用途返回表1-7碳素工具钢的牌号、主要化学成分、性能及用途返回表1-8常见低合金高强度结构钢的牌号、成分、性能与用途返回表1-8常见低合金高强度结构钢的牌号、成分、性能与用途返回表1-9常用合金渗碳钢牌号、热处理、力学性能与用途返回表1-9常用合金渗碳钢牌号、热处理、力学性能与用途返回表1-10常用弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途返回表1-10常用弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途返回表1-11常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能及用途返回表1-11常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能及用途返回表1-12常用刃具钢的成分、牌号、热处理、硬度及用途返回表1-12常用刃具钢的成分、牌号、热处理、硬度及用途返回表1-13灰铸铁的牌号、性能和用途返回表1-13灰铸铁的牌号、性能和用途返回表1-14球墨铸铁的牌号、力学性能及用途返回表1-14球墨铸铁的牌号、力学性能及用途返回表1-15几种零件(工具)工作条件、失效形式及要求的力学性能返回表1-15几种零件(工具)工作条件、失效形式及要求的力学性能表1-17机床主轴工作条件、用材

及热处理返回表1-17机床主轴工作条件、用材

及热处理返回图1-18钢铁材料生产过程示意图返回图1-18钢铁材料生产过程示意图返回图1-20各种炼钢方法和钢水的浇铸返回图1-20各种炼钢方法和钢水的浇铸返回表1-18三种炼钢方法的比较返回表1-18三种炼钢方法的比较返回图1-21镇静钢锭、半镇静钢

和沸腾钢锭返回图1-21镇静钢锭、半镇静钢

和沸腾钢锭返回图1-2220钢火花返回图1-2220钢火花返回图1-2345钢火花返回图1-2345钢火花返回图1-24T8钢火花返回图1-24T8钢火花返回图1-25T10钢火花返回图1-25T10钢火花返回图1-2640Cr钢火花返回图1-2640Cr钢火花返回图1-2760Si2Mn钢火花返回图1-2760Si2Mn钢火花返回图1-28CrWMn钢火花返回图1-28CrWMn钢火花返回图1-29W18Cr4V高速钢火花返回图1-29W18Cr4V高速钢火花返回模块一常用工程材料及选用任务1-1认识金属材料的性能任务1-2了解金属材料的知识任务1-3探析钢的热处理工艺任务1-4识别常用的工程材料任务1-5掌握典型零件的选材任务1-6拓展知识:钢铁冶炼及质量检验任务1-7案例教学:归纳工程材料的应用模块一常用工程材料及选用任务1-1认识金属材料的性能任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料及性能要求工程材料通常可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等;工艺性能是指铸造性、锻造性、焊接性、热处理性能和切削加工性等。在设计机器零件时，必须首先熟悉金属材料的各种性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。下一页返回任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料及性能要求下一页返回任务1-1认识金属材料的性能金属材料的使用性能金属材料的力学性能力学性能是指金属在外力作用下所显示的，与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。用于表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，称为金属力学性能判据。判据的高低表征了金属抵抗各种损伤作用能力的大小，也是金属制件设计时选材和进行强度计算的主要依据。强度强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂的能力。工程上常用屈服点、抗拉强度作为强度判据。测定金属强度判据的常用方法是拉伸试验。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能金属材料的使用性能下一页上一页返任务1-1认识金属材料的性能试验前，将被测金属材料制成标准拉伸试样(GB/T63971986)。比较常用的试样截面为圆形，称为圆形拉伸试样，如图1-2所示。试验时，将拉伸试样夹在拉伸试验机上，缓慢增大拉伸力。随拉伸力不断增加，试样伸长量也不断增加，直至试样被拉断。在整个拉伸过程中，试验机的自动记录装置可将拉伸力与变形(伸长)量描绘在坐标图上，即得到拉伸力和伸长量的关系曲线，称为力伸长曲线(或拉伸曲线)，如图1-3所示。金属材料拉伸时的强度用应力来度量。受外力作用后，导致物体内部之间的相互作用力，称为内力，单位面积上的内力称为应力，用符号σ表示。强度的主要判据有弹性极限、屈服点(或屈服强度)和抗拉强度。下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能试验前，将被测金属材料制成标准拉任务1-1认识金属材料的性能弹性极限弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力，用符号σe表示，单位为Mpa

Fe—试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力(N);

A0—试样原始横截面积(mm2)屈服点屈服点是指试样在试验中力保持恒定仍能继续伸长(变形)时的应力下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能弹性极限下一页上一页返回任务1-1认识金属材料的性能

Fs—产生屈服时的拉伸力(N);

A0—试样原始横截面积(mm2)。零件工作时，一般不允许产生塑性变形。因此，屈服点是设计和选材时的主要参数。