机械基础（第2版）745

机械基础（第2版）主讲老师：全课导航0绪论1机械工程材料2构件受力及变形分析3常用机构的运动分析4机械传动装置5连接与轴系零部件绪论零认识机械壹机械环保与机械安全防护知识贰本课程学习指导叁项目导航认识机械壹问题引入机械是现代社会进行生产和服务的五大要素（即人、资金、能量、材料、机械）之一，任何现代产业和工程领域都需要应用机械，就是人们的日常生活，也越来越多的应用各种机械了，如汽车、自行车、钟表、照相机、洗衣机、冰箱、空调机、吸尘器等等。提问：如果院子里有一块几个人都搬不动、很大、很重的石头，想把它移动一下，想想我们该怎么办？

定义1.1机械概述机械是机器与机构的总称，是人类在长期的生产实践和生活活动中创造并不断改进的，用来降低工作难度、减轻劳动强度或提高生产效率的工具或装置。

历史发展三千年前两千年前简单的纺织机。绳轮、凸轮等用于生产作业器具。1.1机械概述

历史发展秦汉时期宋元时期水转翻车（见图0-1）手摇纺车（见图0-2）水转大纺车（见图0-3）三锭棉纺车（见图0-4）图0-1水转翻车（模型）

图0-2手摇纺车（汉代壁画）图0-3水转大纺车（模型）

图0-4三锭棉纺车（图画）水转翻车水转大纺车1.1机械概述

历史发展18世纪第一次工业革命19世纪末20世纪初第二次工业革命蒸汽机（见图0-5）第一辆汽车（见图0-6）第一架飞机图0-5瓦特发明的蒸汽机图0-6世界上第一辆汽车1.1机械概述

历史发展20世纪中期第三次工业革命火箭、航天飞机、航空母舰、仿生机器人图0-7“长征”系列运载火箭图0-8“蛟龙号”深海载人潜水器1.2机器与机构1.手开水龙头时，两个手指的用力特点如何？2.洗衣服时，拧衣服时两个手对衣服的用力有何特点？【课堂互动】1.2机器与机构1.机器

定义机器是指由若干装配单元组成的可以执行机械运动的装置。特征能代替或减轻人类的劳动，利用机械能做功或进行能量转换属于人为的实体组合体各运动实体之间具有确定的相对运动1.2机器与机构1）机器（1）机器的组成图0-9卷扬机的五个组成部分卷扬机的组成1.2机器与机构1）机器（1）机器的组成动力部分将其他形式的能量转换为机械能，是整个机器的动力源，如卷扬机中的电动机。执行部分直接完成机器的预定工作任务，如卷扬机中的钢索卷筒。传动部分连接动力部分和执行部分，用来传递运动和动力，如卷扬机中的减速器、传动轴、联轴器等。控制部分控制机器中动力部分、执行部分和传动部分协同工作，以使机器完成预定动作或实现预定功能，如卷扬机中的电控箱。支撑及辅助部分通常包括基础件、支承构件等，用来安装和支承其他组成部分，如卷扬机中的底座和支架等。1.2机器与机构1）机器（1）机器的组成请同学们利用所学知识，分析下列机器的动力部分、执行部分、传动部分和控制部分：①电动三轮车；②电风扇；③豆浆机。1.2机器与机构1）机器（2）机器的分类【课堂互动】机器都有哪些类型？举例说明1.2机器与机构1）机器（2）机器的分类表0-1机器的类型、用途及应用示例1.2机器与机构1）机器（2）机器的分类表0-1机器的类型、用途及应用示例1.2机器与机构2）机构

定义机构是指具有确定相对运动的某些实物的组合，它主要用来传递运动和动力。常用机构连杆机构、带传动机构、链传动机构、齿轮传动机构和凸轮机构机器与机构之间的联系：两者都是人为的实物组合，各个运动实体之间都具有确定的相对运动关系。1.2机器与机构2）机构【课堂互动】请大家根据所讲知识，思考并讨论机器与机构之间有什么联系和区别呢？联系：两者都是人为的实物组合，各个运动实体之间都具有确定的相对运动关系。区别：机器能利用机械能做功或进行不同形式能量的转换，而单个机构往往不具备这一功能。例如，如图0-10所示的内燃机主要包括三个机构：带传动机构、曲柄连杆机构和凸轮机构。内燃机可以将燃料的内能转换为机械能，但其单个机构是无法完成能量转换的。1.2机器与机构2）机构机器与机构之间的区别：机器能利用机械能做功或进行不同形式能量的转换，而单个机构往往不具备这一功能。例如，如图0-10所示的内燃机主要包括三个机构：带传动机构、曲柄连杆机构和凸轮机构。内燃机可以将燃料的内能转换为机械能，但其单个机构是无法完成能量转换的。图0-10内燃机1.3构件与零件构件是指组成机构的各个具有确定相对运动关系的实物，它是机构中的运动单元。例如，内燃机的曲柄连杆机构包括曲柄、连杆和活塞等构件。构件可以是一个整体，也可以由更小的单元装配而成。构件1.3构件与零件图0-11内燃机连杆的组成如图0-11所示，内燃机连杆由连杆体、轴套、轴瓦、连杆盖、螺母、螺栓等不可拆卸的单元装配而成。机器中这种不可拆卸的装配单元称为机械零件，简称零件。零件是组成机器的基本单元。按照适用范围的不同分为：

通用零件是指在各种机械中广泛使用的零件，如螺栓、螺母、轴承和齿轮等；

专用零件是指仅在某一类机械中使用的零件，如内燃机的曲轴、卷扬机的吊钩和液压马达的叶片等。零件内燃机连杆的组成课堂总结机械的概述机器与机构构件与零件机械环保与机械安全防护知识贰问题引入工业化以来，机械工业得到了迅速发展，但同时也给环境带来了严重污染，这不仅严重影响我国社会经济的可持续发展，而且严重威胁广大人民群众的身体健康和生命安全。请思考：机械对环境的污染主要有哪些？并举例说明。2.1机械环保知识1）机械对环境的污染1机械产品要消耗大量的原材料，如钢铁、非铁金属材料、塑料、橡胶等，它们的生产会污染环境。2机械产品在制造过程和使用过程会消耗大量的电力、汽油、煤油等能源，这些能源的生产和使用会污染环境。3报废的机器、零部件，以及废弃的润滑油和切削液等，它们的处置过程会污染环境。2.1机械环保知识2）减少机械对环境污染的措施大力推行绿色制造技术，努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系，可有效减轻机械对环境的污染。采用高新技术材料和先进技术对产品进行优化设计，使材料的利用率达到最高，可有效减少原材料的消耗，减轻机械对环境的污染。机械设计阶段01淘汰落后产能，采用近净成形加工和快速制造技术，可大大减少能源的消耗，减轻环境污染。机械制造和使用阶段02对废旧机械采用再制造技术，实现机械的再利用，可显著降低资源的消耗，减轻环境污染。机械报废处置阶段032.1机械环保知识2）减少机械对环境污染的措施2015年，国务院发布了我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领——《中国制造2025》，其中明确提出了“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，强调坚持把可持续发展作为建设制造强国的重要着力点，走生态文明的发展道路，同时把“绿色制造工程”列入九大战略任务、五个重大工程之中，部署全面推行绿色制造，努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。2.2机械安全防护知识1）机械中常见的危险因素机械的卷带和钩挂。壹机械的绞碾和挤压。贰机械的刺割和碰撞。叁机械的打击。肆2.2机械安全防护知识2）机械的安全防护措施

定义机械的安全防护措施是指通过采用安全装置、防护装置或其他手段，对机械的危险因素进行预防的安全技术措施。机械的安全防护重点机械的传动部分、操作区、高处作业区、机械的其他运动部分、移动机械的移动区域，以及特种机械的特殊危险区域等。2.2机械安全防护知识2）机械的安全防护措施常用安全防护措施密闭与隔离01安全联锁02紧急制动032.2机械安全防护知识3）作业中防止机械伤害的措施（4）站位得当。（5）转动部件上不放置物品。（6）严格遵守企业的规章制度和机械的操作规程。（2）正确维护和使用安全防护设施。（1）正确穿戴劳保防护用品。（3）机械运转部件未停稳前，不得进行操作。2.2机械安全防护知识【案例分析】案例一：2000年10月13日，某纺织厂职工朱某与同事一起操作滚筒烘干机进行烘干作业。5时40分朱某在向烘干机放料时，被旋转的联轴节挂住裤脚口摔倒在地。待旁边的同事听到呼救声后，马上关闭电源，使设备停转,才使朱某脱险。但朱某腿部已严重擦伤。引起该事故的主要原因就是烘干机马达和传动装置的防护罩在上一班检修作业后没有及时罩上而引起的。思考并讨论案例中的危险因素以及为落实的防护措施。2.2机械安全防护知识【案例分析】案例二：2001年5月18日，四川广元某木器厂木工李某用平板刨床加工木板，木板尺寸为300X25X3800s米，李某进行推送，另有一人接拉木板。在快刨到木板端头时，遇到节疤，木板抖动，李某疏忽，因这台刨床的刨刀没有安全防护装置，右手脱离木板而直接按到了刨刀上，瞬间李某的四个手指被刨掉。思考并讨论案例中的危险因素以及为落实的防护措施。课堂总结机械环保知识机械安全防护知识本课程学习指导叁3.1本课程的内容本课程将“工程材料”“工程力学”“机械原理”“机械设计”等课程的内容进行了有机整合，主要介绍机械工程材料、构件受力及变形分析、常用机构的运动分析、机械传动装置、连接与轴系零部件等内容。3.2本课程的性质及学习目标1）专业能力目标1掌握常用机械工程材料的分类、性能和应用，钢的热处理知识，能够根据产品的工作要求合理选择零件的材料和热处理方法。2初步掌握构件受力及变形的基本分析方法，常用机构的运动分析方法，能够设计与分析简单的机械运动机构。3掌握不同机械传动装置的工作特点和设计方法，能够设计和分析简单的机械传动装置。4熟悉常用通用零部件的工作原理、结构和工艺特点等基础知识，能够合理选择通用零部件。5了解机械的节能环保与安全防护知识，能够正确使用和维护一般机械。3.2本课程的性质及学习目标2）思政能力目标壹增强责任感、使命感，树立技能成才的职业追求，将个人追求融入国家富强、民族振兴、人民幸福的伟大梦想之中。贰提高分析问题和解决问题的科学思维能力，养成良好的学习习惯。叁具备良好的职业素养和职业道德、踏实严谨的工作作风。3.3本课程的学习方法本课程的理论性、系统性和实践性都很强，在学习过程中应注意以下几点。本课程学习方法一理论联系实际，做到学以致用。二学会归纳和总结，提高分析和解决问题的能力。三在实践中领悟知识。【课堂互动】要想学好本门课程，大家有什么好的学习方法？3.3本课程的学习方法课堂总结本课程的内容本课程的性质及学习目标本课程的学习方法课后作业1．不同的机器有哪些共同特征？2．机械零件按使用功能可分为哪两类？分别举例说明。3．简述防止机械伤害的措施。谢谢！机械基础（第2版）主讲老师：机械工程材料壹项目导读材料是人类生活和生产活动的物质基础，是人类赖以生存和发展的重要条件。石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代……人类每个历史时代的进步都是由新材料的应用推动的。工业化以来，材料广泛应用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域。其中，用于制造各类机械零件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料称为机械工程材料，简称工程材料。本项目主要介绍工程材料的分类和性能，常用工程材料的特点及应用，钢的热处理方法和零件材料的选择方法等知识，为学习后续知识和工程实践建立必要的基础。知识目标掌握工程材料的分类掌握金属材料的力学性能和工艺性能了解非金属材料的性能及应用掌握常用工程材料的特点及应用了解零件的失效形式掌握零件材料的选择方法掌握钢的一般热处理方法技能目标能够合理选择零件的材料能够初步分析和选择钢的热处理方法思政目标提高分析问题、解决问题的科学思维能力培养投身制造强国、专注技能成才的职业追求分析零件材料的性能——工程材料基础知识壹选择典型零件的材料——常用工程材料贰分析零件的热处理工艺——钢的热处理叁项目导航分析零件材料的性能——工程材料基础知识壹任务工单任务工单1.1扫

一

扫

学生扫码下载任务工单，并进行分组（详见教材）问题引入什么是工程材料？列举出身边某制品或零件，说出是什么材料制造的？1.1工程材料概述1）工程材料的分类表1-2工程材料根据化学成分分类

定义工程材料是指用于满足各类工程需要的材料，它的种类很多且性能各异，有多种分类方法。1.1工程材料概述1．工程材料的分类1、同学们在平时生活中看到过哪些金属（纯金属）？2、金属与非金属比较有哪些特点？【课堂互动】总结：1.金属：如铁、铜、铝、金、银等等。2.金属特性：具有金属光泽、有良好的导电性和导热性、有一定的强度和塑性。1.1工程材料概述2．工程材料在机械中的应用优质的机械产品是正确的工程材料、精巧的设计及合理的加工工艺三者结合的产物。机械的各个零件都是由工程材料制造的，工程材料的性能不但决定了机械的质量和使用寿命，还直接影响机械制造的生产成本，如材料采购成本、机械加工成本等。金属材料在机械工程中应用最为广泛。1.2金属材料的性能使用性能：主要包括力学性能、物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（如耐酸性、抗氧化性、耐热性等）。工艺性能：主要包括铸造性、压力加工性、焊接性和切削加工性等。1.2金属材料的性能1、塑料的应用很广，但为什么不用塑料来代替金属做重要的齿轮呢？2、而有些地方却可以用塑料来代替齿轮，如家用电器中的组合音响、DVD影碟机的转盘，随身听的传动都是塑料齿轮。这是什么道理？【课堂互动】1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。金属材料的力学性能金属材料的力学性能旧称机械性能，是指金属材料在各种不同性质外力作用下所表现出的抵抗能力。载荷金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据作用性质的不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷三类。1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（1）强度与变形的概念强度：金属材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。变形：金属材料在载荷作用下形状和尺寸的改变。强度是材料的一项重要力学性能指标，当金属零件承受的载荷超出自身材料强度时，其结构将发生破坏，导致机器无法工作，甚至会造成严重的事故。如图1-2（a）所示为汽车转向器传动轴由于载荷过大而断裂的现象；如图1-2（b）所示为汽车起重机吊装的货物过重而导致起重臂折断的场景。金属材料的强度1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（1）强度与变形的概念（a）汽车转向器传动轴断裂

（b）汽车起重机起重臂折断图1-2因承受的载荷超出金属材料强度而发生的结构破坏1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（2）拉伸试验金属材料的强度通常通过拉伸试验来测定。拉伸试验机如图1-3所示。拉伸试样的形状和尺寸取决于要被试验的金属产品的形状和尺寸，其横截面一般为圆形、矩形和多边形等。如图1-4所示为圆形横截面试样。图1-3拉伸试验机图1-4圆形横截面试样（a）拉伸前（b）拉伸后拉伸试验1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（2）拉伸试验连续记录轴向拉力和拉伸试样的伸长量，可以绘制力与伸长量之间的关系曲线，称为力-伸长曲线或拉伸曲线。低碳钢材料拉伸试样的拉伸曲线如图1-5所示。其中，横坐标表示拉伸试样的伸长量

，单位为mm，纵坐标表示轴向拉力F，单位为N。图1-5低碳钢材料拉伸试样的拉伸曲线1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（2）拉伸试验由图1-5可知，低碳钢材料拉伸试样的拉伸过程可分为四个阶段，具体分析如表1-3所示。表1-3低碳钢材料拉伸试样拉伸曲线的分析1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（3）强度指标1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能1）强度（3）强度指标对于铸铁、高碳钢等金属材料的拉伸试样，由于它们在拉伸过程中没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，因此很难确定

的准确数值。对于这类金属材料，通常规定一个相当于屈服强度的强度指标，即以拉伸试样伸长量为试样原始标距0.2%时的拉应力作为其屈服强度，用符号

表示。1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能2）塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。（1）塑性的概念金属材料的塑性可用断后伸长率

A和断面收缩率

Z来衡量。两者都可通过拉伸试验进行测算。（2）塑性指标1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能2）塑性1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能2）塑性1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能2）塑性工程上通常将在常温、静载条件下测定的断后伸长率

的金属材料称为塑性金属材料，如低碳钢、铜合金和铝合金等；将断后伸长率

的金属材料称为脆性金属材料，如灰铸铁、陶瓷、玻璃等。1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能（1）低碳钢拉伸试验时，发生屈服现象和加工硬化的载荷有什么不同？（2）低碳钢制造的机械零件在实际使用中发生屈服现象有什么危害？【课堂互动】1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能3）硬度硬度是指金属材料抵抗外部硬物压入或刻划的能力，它是衡量金属材料软硬程度的指标，硬度越高，金属材料表面越不容易产生压痕或划痕。金属材料三种硬度试验方法的原理、测定方法和应用范围如表1-4所示。1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能3）硬度表1-4金属材料三种硬度试验方法的原理、测定方法和应用范围1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能3）硬度表1-4金属材料三种硬度试验方法的原理、测定方法和应用范围（续）1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能4）韧性韧性是指金属材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性定义金属材料的韧性通常由冲击吸收能量来衡量。冲击吸收能量可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验的原理如图1-6所示。韧性指标一次摆锤冲击试验1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能4）韧性（a）试样

（b）摆锤冲击示意图图1-6一次摆锤冲击试验原理简图1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能5）疲劳强度金属材料的抗疲劳性能由疲劳强度来衡量。疲劳强度是指金属材料承受无限次交变载荷的作用而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用而不发生疲劳破坏的能力。高铁车轴材料

疲劳性能的测量1.2金属材料的性能1．金属材料的力学性能5）疲劳强度疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一。由于前期不易察觉，具有较强的突发性，因此疲劳破坏容易造成很严重的后果。例如，1985年8月，执飞日本航空123号航班的波音747飞机发生空难，造成超过500人遇难，这是世界航空史上最严重的空难之一。事后调查发现，该飞机曾在失事7年前发生机尾擦地，飞机制造商波音公司在对飞机修理时没有妥善修补损伤区块。这导致事发时飞机尾端机体因金属疲劳而爆开，连带损毁尾翼与液压系统，最终飞机失控，迫降不及而坠毁。1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能1）铸造性金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力称为金属材料的铸造性，它反映了金属材料熔化浇注成为铸件的难易程度。工程中，灰铸铁因具有良好的铸造性而广泛用于铸造各种结构复杂、尺寸较大的制品和零件，如暖气片、钢管、管接头、车床底座等，如图1-7所示。1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能1）铸造性（a）暖气片

（b）钢管

（c）管接头

（d）车床底座图1-7用灰铸铁铸造的典型制品和零件1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能2）压力加工性压力加工是指使金属材料在外力作用下产生塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的制品或零件的加工方法。常用的压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等，如图1-8所示（见下页）。压力加工金属材料在压力加工过程中成形的难易程度称为金属材料的压力加工性，它主要与金属材料的塑性有关。塑性越好，金属材料的压力加工性就越好。压力加工性1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能2）压力加工性（a）轧制

（b）挤压

（c）冷拔

（d）锻造

（e）冷冲压图1-8常用的压力加工方法1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能3）焊接性焊接是指通过加热或加压或两者并用，使金属材料产生原子间的结合，形成不可拆卸接头的连接方法。常用的焊接方法有手工电弧焊、气焊和自动焊等，如图1-9所示（见下页）。焊接金属材料在焊接过程中获得优质焊接接头（包括焊缝、熔合区和热影响区）的能力称为焊接性，又称可焊性。焊接性1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能3）焊接性（a）手工电弧焊

（b）气焊

（c）自动焊图1-9常用的焊接方法1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能4）切削加工性切削加工是工程中应用最为广泛的零件加工方法。常用的切削加工方法有车削、铣削、磨削和钻削等，如图1-10所示。（a）车削

（b）铣削

（c）磨削

（d）钻削图1-10常用的切削加工方法1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能4）切削加工性切削加工性是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性的因素有刀具的使用寿命、零件的表面质量和切削工作时间等。通常情况下，零件可以通过热处理来提高金属材料的切削加工性。1.2金属材料的性能2.金属材料的工艺性能1．什么是铸造性能？主要取决于什么？2．什么是压力加工性能？常用什么来衡量？3．什么是焊接性能？4．什么是切削加工性能？常用什么来衡量？【课堂互动】1.3非金属材料的性能及应用1.陶瓷提问：同学们都知道哪些陶瓷类物品，根

据日常生活经验分析陶瓷的特点？【课堂互动】1.3非金属材料的性能及应用1.陶瓷在机械工程中，陶瓷是最常用的无机非金属材料。随着材料科学的迅速发展，陶瓷除了应用于传统的生活制品外，还广泛用于制造各种机械零部件和机械工程制品等，如图1-11所示。（a）陶瓷砂轮

（b）陶瓷轴承

（c）陶瓷刹车片

（d）管道图1-11陶瓷在机械工程中的应用1.3非金属材料的性能及应用1.陶瓷1）陶瓷的分类普通陶瓷：又称传统陶瓷，其成品主要以天然硅酸盐矿物（如

黏土、石英等）为原料，经粉末冶金法制成。特种陶瓷：主要指具有某些力学、物理或化学性能的陶瓷。

它主要以氧化物、硅化物、碳化物、氮化物、硼化

物等材料为原料，经粉末冶金方法制成。1.3非金属材料的性能及应用1.陶瓷2）陶瓷的性能及应用表1-5常用陶瓷的性能和应用范围1.3非金属材料的性能及应用1.陶瓷2）陶瓷的性能及应用表1-5常用陶瓷的性能和应用范围（续）1.3非金属材料的性能及应用2.高分子材料高分子材料是以高分子化合物（一般指相对分子质量大于5

000的化合物）为主要成分的材料。高分子材料定义通常包括塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料等。机械工程中常用的高分子材料有塑料和橡胶两大类。常用高分子材料1.3非金属材料的性能及应用2.高分子材料1）塑料定义塑料是指以树脂为主要成分，并加入某些能改善使用性能和工艺性能的添加剂（如增塑剂、稳定剂、填充剂和着色剂等），在一定压力和温度下塑造成形的非金属材料。优点（1）重量轻。（2）比强度高。（3）耐蚀性好。（4）绝缘性好。（5）导热系数小。（6）成形性、着色性好，且加工简单。缺点（1）耐热性差（2）热膨胀率大（3）尺寸稳定性差（4）易变形和老化1.3非金属材料的性能及应用2.高分子材料1）塑料塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。其中，热塑性塑料是指加热时变软，冷却后变硬，再加热又可变软，反复加热成形后仍保持基本性能不变的塑料，常用于制造汽车进气管、运动器材的手柄握把和耳机线外皮等；热固性塑料是指加热时软化，冷却后坚硬，待固化后再加热，则不再软化或熔融的塑料，即不能重塑使用，常用于制造汽车内饰件、各种按钮和印制电路板等。1.3非金属材料的性能及应用2.高分子材料2）橡胶定义橡胶是一种以生胶为主要成分，加入适量配合剂而制成的高分子材料。优点（1）极高的弹性。（2）耐磨性、隔声性、绝缘性好，吸振能力强。（3）有一定的耐蚀性和强度。缺点（1）容易老化。应用橡胶制品在工业生产中应用十分广泛，通常用于制造车辆轮胎、传动带、密封圈和绝缘手套等，如图1-12所示（见下页）。1.3非金属材料的性能及应用2.高分子材料2）橡胶（a）轮胎

（b）皮带

（c）密封圈

（d）绝缘手套图1-12常见橡胶制品1.3非金属材料的性能及应用3.复合材料1）复合材料的分类复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质或结构的材料，通过物理或化学的方法组合而成的材料。根据组成成分的不同010203金属与金属复合材料金属与非金属复合材料非金属与非金属复合材料1.3非金属材料的性能及应用3.复合材料1）复合材料的分类根据复合形式的不同01纤维增强复合材料02夹层复合材料03细粒复合材料04混杂复合材料复合材料在飞机

结构上的应用1.3非金属材料的性能及应用3.复合材料2）复合材料的性能及应用01020403比强度与比模量高。抗疲劳性好。耐高温性好。减振性好。1.3非金属材料的性能及应用3.复合材料2）复合材料的性能及应用机械工程中使用最广泛的复合材料是纤维增强塑料（即以树脂为基体，以各种纤维为增强剂）。常用纤维增强塑料的组成、性能和应用范围如表1-6所示。表1-6常用纤维增强塑料的组成、性能和应用范围1.3非金属材料的性能及应用3.复合材料2）复合材料的性能及应用表1-6常用纤维增强塑料的组成、性能和应用范围（续）1.3非金属材料的性能及应用3.复合材料2）复合材料的性能及应用请同学们通过观察实物、查阅资料和上网搜索等方式，了解如图1-13所示的家用电器中非金属材料的应用情况，并进行课堂讨论。（a）电饭锅

（b）电水壶

（c）洗衣机图1-13几种家用电器任务描述小王开着拖拉机去蔬菜批发市场送菜，刚出发不久，拖拉机发出的声音突然不正常了，排气管还冒起了黑烟。于是他立即将拖拉机熄火，并联系农机维修能手小刘。小刘将拖拉机拖回修理厂后打开了发动机气缸，发现第3缸连杆弯曲、缸套裂损，但缸盖完好无损，连杆孔间隙、连杆螺栓均正常。经过分析，小刘断定问题出在了连杆的材料上：由于材料的性能不佳，连杆在受到压力后产生弯曲，因此破坏了其正常运动轨迹，从而拱裂缸套；连杆在弯曲后缩短，所以没有损坏缸盖。听了小刘的分析后，小王这才想起半年前对这台拖拉机大修时，因为贪图便宜而选择更换了非原厂生产的连杆。两个看起来一模一样的零件，由于材料不同，性能往往差异很大。因此，在选择零件的材料时，必须正确分析其所需要具备的性能。（a）机床主轴

（b）减速器齿轮

（c）发动机缸体

（d）汽车减振弹簧图1-1几种典型金属零件以小组为单位分析以下金属零件的材料所需具备的性能，并填写表格和“任务工单1.1”任务实施任务实施零件名称工作条件所需具备的性能机床主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，冲击载荷也不大（1）高的强度、刚度和一定的韧性，即良好的综合力学性能（2）高的疲劳强度（3）高的耐磨性（4）良好的锻造性及切削加工性减速器齿轮转速中等，传递转矩较大，齿根部位承受较大的交变弯曲应力（1）高的弯曲疲劳强度（2）高的接触疲劳强度、硬度和耐磨性（3）齿轮心部要有足够的强度和韧性（4）良好的锻造性及切削加工性发动机缸体承受拉、压、弯、扭等不同形式的载荷，同时还因气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很大的热负荷（1）高的强度和刚度（2）较高的耐磨性和耐蚀性（3）良好的铸造性及切削加工性汽车减振弹簧承受较大的交变应力和冲击载荷（1）高的强度和弹性极限（2）高的疲劳强度（3）良好的耐蚀性（4）良好的压力加工性思政复兴号--新材料助力“中国制造”新材料助力“中国制造”近几年，在新一轮科技革命和产业革命的大背景下，新材料技术不断取得突破，新材料和新物质结构不断涌现，全球新材料产业保持快速增长态势。“十二五”以来，我国出台多项政策文件，在材料领域全面部署，对标发达国家奋起直追。经过不懈努力，我国的新材料产业在体系建设、产业规模、技术进步和集群效应等方面取得了较大进步。我国新材料产业已形成了全球门类最全、规模最大的产业体系，建成了涵盖金属、高分子、陶瓷等结构与功能材料的研发和生产体系，并具备了庞大的材料生产能力。我国钢铁、有色金属、稀土金属、水泥、玻璃、化学纤维、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢等百余种材料的产量已位居世界第一位。......（详见教材）课堂总结工程材料概述金属材料的性能非金属材料的性能及应用选择典型零件的材料——常用工程材料贰任务工单任务工单1.2扫

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学生扫码下载任务工单，并进行分组（详见教材）2.1钢铁材料举出日常生活中常用的工程材料，并分析其特点。【课堂互动】2.1钢铁材料1.钢铁材料的分类与组织钢铁材料主要由铁和碳两种基本元素构成，故钢铁又称为铁碳合金。钢铁根据含碳量进行的分类如图1-15所示。钢铁材料的分类铁碳合金基本组织主要有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，它们各自的特点如表1-8所示（见下页）。钢铁材料的组织图1-15钢铁根据含碳量进行的分类2.1钢铁材料1.钢铁材料的分类与组织表1-8铁碳合金基本组织的特点2.1钢铁材料2.工业用钢1）钢的分类钢是指含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金。工业生产中，为了保证其韧性和塑性，钢的含碳量一般不超过1.7%。（1）根据化学成分分类。碳素钢低碳钢（）中碳钢（）高碳钢（）合金钢低合金钢（合金元素总量）中合金钢（合金元素总量）高合金钢（合金元素总量）普通钢（，）优质钢（，）高级优质钢（，）2.1钢铁材料2.工业用钢1）钢的分类（2）根据冶金质量分类。结构钢工具钢特殊功能钢专业用钢（3）根据应用范围进行分类。2.1钢铁材料2.工业用钢1）钢的分类工业用钢一般由专门的冶金厂生产，市场上供应的钢材种类有板材（薄钢板、中等厚度钢板和钢带等）、管材（焊接钢管和无缝钢管）、型材（圆钢、方钢、工字钢和槽钢等）、线材及其他异型钢材等，如图1-16所示。

（a）钢板

（b）钢管

（c）工字钢

（d）线材图1-16市场上供应的钢材2.1钢铁材料2.工业用钢2）钢的牌号表1-9部分钢的牌号及其含义2.1钢铁材料2.工业用钢2）钢的牌号表1-9部分钢的牌号及其含义（续）2.1钢铁材料2.工业用钢2）钢的牌号表1-9部分钢的牌号及其含义（续）2.1钢铁材料2.工业用钢3）碳素钢表1-10常用的碳素钢2.1钢铁材料2.工业用钢4）合金钢表1-11常用的合金钢2.1钢铁材料2.工业用钢4）合金钢表1-11常用的合金钢（续）2.1钢铁材料2.工业用钢4）合金钢表1-11常用的合金钢（续）2.1钢铁材料2.工业用钢4）合金钢如图1-17所示（见下页）为2008年北京奥运会的主体育场——国家体育场鸟巢，它的主体建筑呈椭圆鸟巢状，是由一系列钢桁架围绕碗状座席区编制而成的。国家体育场鸟巢南北长333m、东西宽296m，最高处高69m，总用钢量达4.2万吨。这座气势如此恢宏的场馆是用什么钢材建造的呢？答案是我国自主研制生产的Q460。Q460是一种低合金高强度结构钢，含碳量为0.2%，同时含有锰、钛、钒、铬、铌、镍等合金元素。Q460材料的强度是普通钢的两倍，鸟巢所使用的Q460钢板厚度为110mm，若采用其他同等强度的钢材，厚度至少需要为220mm。2.1钢铁材料2.工业用钢4）合金钢图1-17国家体育场鸟巢这座气势如此恢宏的场馆是用什么钢材建造的呢？【课堂互动】2.1钢铁材料3.铸铁白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁根据碳存在形式的不同灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁根据内部石墨形态的不同铸铁是指平均含碳量大于2.11%，且含有硅、锰、磷、硫等合金元素的铁碳合金。2.1钢铁材料3.铸铁表1-12常用的铸铁2.1钢铁材料3.铸铁表1-12常用的铸铁（续）2.1钢铁材料3.铸铁根据所学知识，为图1-18所示的零件选择合适的铸铁材料。其中，轴承座需承受来自轴承的压力；汽车变速箱体结构复杂，工作时承受动载荷的冲击；发动机曲轴要求具有较高的强度，能承受较大的冲击载荷，且表面应具有良好的耐磨性。（a）轴承座

（b）汽车变速箱体

（c）发动机曲轴图1-18铸铁材料制造的零件2.1钢铁材料3.铸铁搜集日常生活中见到的铸铁构件，认识并区分各类构件【课堂互动】2.2非铁金属材料及其合金除钢铁材料之外的金属材料统称为非铁金属材料。非铁金属材料具有钢铁材料所不具备的特殊物理、化学及力学性能，在机械工程中的应用也非常广泛。如图1-19所示，汽车轮毂、轴瓦和飞机机身等产品使用的材料分别为铝合金、铜合金和钛合金。（a）汽车轮毂

（b）轴瓦

（c）飞机机身图1-19非铁金属材料制造的产品2.2非铁金属材料及其合金（1）生活中常见的铝制品有哪些？（铝锅、导线等）（2）为什么用铝制造锅？为什么用铝制造导线？为什么空气中的导线几十年都能使用而没有坏，铝线容易变形，这些说明什么？【课堂互动】2.2非铁金属材料及其合金纯铝呈银白色，密度较小（ρ

=2.7g/cm3

），熔点为660℃。1.铝及铝合金1）纯铝具有较好的耐腐蚀性导热性和导电性良好塑性很高强度很低纯铝的特性2.2非铁金属材料及其合金纯铝牌号的表示方法1.铝及铝合金1）纯铝纯铝中含有铁、硅、铜、锌等杂质，根据纯度分为工业纯铝（99.00%≤wA1≤99.85%）和高纯铝（

wA1≥99.85%

）。纯铝的牌号用“1×××”四位字符表示。其中，第一位数字1表示纯铝；第二位为英文大写字母，表示原始纯铝（A）或原始纯铝的改型（B～Y，C、I、L、N、O、P、Q、Z除外）；最后两位数字表示铝的最低百分含量，即铝的最低百分含量小数点后面的两位数字。例如，牌号1A90表示纯度为99.90%的原始高纯铝。2.2非铁金属材料及其合金通过往纯铝中添加适量的合金元素来提高铝的强度和硬度等力学性能，从而得到了各种系列的铝合金。铝合金质量轻、强度高，具有很高的比强度，其力学性能超过许多合金钢，在工程中应用十分广泛。铝合金中的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，根据合金元素和工艺特点的不同，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。1.铝及铝合金2）铝合金铝合金2.2非铁金属材料及其合金1.铝及铝合金2）铝合金（1）变形铝合金。变形铝合金具有良好的塑性，可通过冲压、弯曲、挤压等加工方法制成所需零件。表1-13常用的变形铝合金2.2非铁金属材料及其合金1.铝及铝合金2）铝合金（2）铸造铝合金。铸造铝合金具有良好的铸造性、耐蚀性和耐热性，可用于铸造形状复杂的零件毛坯。常用的铸造铝合金如表1-14所示。表1-13常用的变形铝合金2.2非铁金属材料及其合金1.铝及铝合金2）铝合金（2）铸造铝合金。铸造铝合金代号用ZL×××系列表示。其中，“ZL”是“铸铝”的拼音首字母，其后为三位数字。第一位数字表示合金类别：1代表Al-Si合金；2代表Al-Cu合金；3代表Al-Mg合金；4代表Al-Zn合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如，ZL202表示2号Al-Cu铸造铝合金。2.2非铁金属材料及其合金2.铜及铜合金1）纯铜纯铜的密度为8.96g/cm3，比钢略大，导电性和导热性良好。纯铜的强度和硬度不高，但塑性、耐蚀性和焊接性良好。工业纯铜分为T1、T2、T3和T4四种，数字越大，纯度越低，杂质含量越高。特性适合进行各种压力加工，常用来制造电线、电缆、散热片等。应用2.2非铁金属材料及其合金2.铜及铜合金2）铜合金通过向纯铜中加入锌、铅、锡、铝、铍等元素即可得到各种性能优良的铜合金。表1-15常用的加工铜合金2.2非铁金属材料及其合金2.铜及铜合金2）铜合金表1-15常用的加工铜合金（续）2.2非铁金属材料及其合金2.铜及铜合金2）铜合金表1-15常用的加工铜合金（续）2.2非铁金属材料及其合金2.铜及铜合金2）铜合金表1-15常用的加工铜合金（续）2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料一种用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经成形和烧结制成材料或制品的加工方法。粉末冶金法粉末冶金材料：用粉末冶金法制成的材料称为粉末冶金材料。粉末冶金法可以生产出多种具有特殊性能的金属材料，也可以直接制造零件。粉末冶金材料应用粉末冶金材料2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料1）硬质合金定义特点分类硬质合金是以一种或几种难熔的碳化物粉末（如WC、TiC、TaC等）为主要成分，同时加入具有黏结作用的钴粉末，采用粉末冶金法制得的一种粉末冶金材料。硬度高热硬性好耐磨性好切削工具用硬质合金地质和矿山工具用硬质合金耐磨零件用硬质合金2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料1）硬质合金（a）车刀

（b）铣刀

（c）钻头图1-20硬质合金刀具2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料1）硬质合金表1-16切削工具用硬质合金的基本成分和应用范围2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料1）硬质合金表1-16切削工具用硬质合金的基本成分和应用范围（续）2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料2）减摩材料定义：是指具有低摩擦因数和高耐磨性的粉末冶金制品，分为铁基减摩材料和铜基减摩材料。特点：减摩材料具有优良的自润滑性能，能在缺油甚至无油润滑的条件下工作。应用：主要用于制造滑动轴承。随着全球能源紧缺和环境污染问题的日益严重，人们更加注重汽车的节能环保。据统计，汽车行驶时60%的燃料消耗于汽车自重，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%～8%。因此，汽车的轻量化设计具有重要的意义。其中，采用轻质材料是一条重要途径，因为构成汽车的2万多个零部件中，约有86%是由金属材料制造的，而钢铁材料又占了其中的80%。请大家讨论一下，为减轻汽车的质量，汽车中哪些零件可用非铁金属材料制造。2.2非铁金属材料及其合金3.粉末冶金材料请说出下列日常生活中使用的工具，是什么金属材料？为何选用这种材料？1.制易拉罐的金属2.灯泡的灯丝3.体温计填充的金属4.制作导丝的紫红色金属【课堂互动】2.3零件材料的选择1.零件的失效形式机械零件都具有一定的设计功能，可在载荷、温度、介质等作用下保持一定几何形状和尺寸，实现规定的机械运动，传递动力等。机械零件在使用过程中若失去原有的设计功能而无法正常工作即称为失效。失效定义机械零件的失效形式根据零件的工作条件及失效特点可分为过量变形失效、断裂失效、表面损伤失效2.3零件材料的选择1.零件的失效形式1）过量变形失效过量变形失效是指零件在工作过程中产生过量变形，而导致整个机械设备无法正常工作，或者虽能正常工作但工作质量严重下降的现象。定义主要形式过量弹性变形失效过量塑性变形失效2.3零件材料的选择1.零件的失效形式2）断裂失效断裂失效是指零件在工作过程中完全断裂而导致整个机器无法工作的现象。定义主要形式韧性断裂失效低应力脆性断裂失效疲劳断裂失效蠕变断裂失效应力腐蚀断裂失效2.3零件材料的选择1.零件的失效形式3）表面损伤失效表面损伤失效是指零件因表面损伤而造成机械设备失去精度或无法正常工作的现象。定义主要形式磨损失效接触疲劳失效腐蚀失效2.3零件材料的选择1.零件的失效形式3）表面损伤失效零件的失效情况很复杂，往往是多方面因素共同作用的结果，因此必须全面考虑设计、选材、加工、使用等方面的问题，找到对零件失效起决定作用的主要原因，采取相对应的措施来预防，以延长零件的使用寿命。2.3零件材料的选择2.零件材料的选择方法1）零件材料选择的一般原则零件材料选择的依据是零件的使用性能和失效分析结果，其一般原则是：首先保证使用性能，同时兼顾工艺性能和经济性。2.3零件材料的选择2.零件材料的选择方法2）零件材料选择的步骤（1）分析零件的工作条件，包括零件的受力情况、零件的工作环境、零件的特殊性能。（2）进行失效分析，判别零件的主要失效形式，从而确定零件主要使用性能的指标，如刚度和弹性指标、硬度和强度指标、塑性和冲击韧性指标等。（3）确定材料的性能指标后，可在相关设计手册中查阅材料的性能数据，选定材料牌号并决定热处理和其他强化方法。2.3零件材料的选择2.零件材料的选择方法3）零件材料选择的注意事项010203选择零件材料时，应注意材料的尺寸效应。一般情况下，零件的横截面越大，实际力学性能越低。采用不同的加工工艺及热处理工艺，材料所获得的力学性能不同，应注意尽可能发挥材料的潜力。对关键零件批量生产前要进行试验，以确定材料的选择、热处理的方法是否合理，是否利于冷、热加工，经试验确认全部符合要求后再进行批量生产。2.3零件材料的选择2.零件材料的选择方法请大家讨论一下，为减轻汽车的质量，汽车中哪些零件可用非铁金属材料制造?【课堂互动】随着全球能源紧缺和环境污染问题的日益严重，人们更加注重汽车的节能环保。据统计，汽车行驶时60%的燃料消耗于汽车自重，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%～8%。因此，汽车的轻量化设计具有重要的意义。其中，采用轻质材料是一条重要途径，因为构成汽车的2万多个零部件中，约有86%是由金属材料制造的，而钢铁材料又占了其中的80%。任务描述小李毕业后进入一家公司工作。由于公司离家较远，小李准备买辆自行车骑行上班。他打开购物网站开始选购，钢的、铝合金的、钛合金的……自行车车身材料有许多种，而且不同车身材料的自行车价格差异很大。与自行车一样，在机械工程中同类零件的材料往往差异很大，这是因为它们的工作条件和性能要求不同。如图1-14（见下页）所示为几种典型机器上的金属零件，它们的工作条件和主要性能要求如表1-7所示（见下页）。请同学们为这些零件选择合适的材料。任务描述（a）低速内燃机曲轴

（b）载重汽车变速齿轮

（c）机床减速器箱盖图1-14几种典型机器上的金属零件以小组为单位根据表格中的要求，为以下零件选择零件材料，并填写“任务工单1.2”。任务描述表1-7几种金属零件的工作条件和主要性能要求思政复兴号陈能宽：以“为国做事”为使命陈能宽（1923—2016）是湖南慈利人，中共党员，金属物理学家、材料科学家、工程物理学家，中国科学院学部委员（院士），“两弹一星功勋奖章”获得者。陈能宽于1947年赴美国求学。旅居美国期间，他只用了

3

年时间就在耶鲁大学获得了物理冶金专业的硕士和博士学位，并发表了多篇重量级科技论文，成为享有国际声誉的金属物理学家。正当他学有所成，准备报效祖国时，却受到美国当局的百般阻挠。直到1955年，陈能宽才带着妻儿辗转多地，历经艰难回到中国。......（详见教材）课堂总结钢铁材料非铁金属材料及其合金零件材料的选择分析零件的热处理工艺——钢的热处理叁任务工单任务工单1.3扫

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学生扫码下载任务工单，并进行分组（详见教材）实例导入中国第一艘航母辽宁号的建造过程，所碰到钢材短缺的问题来说明热处理对国防和经济建设的重要性。3.1热处理概述1.热处理的概念采用适当的方式对固态金属材料进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺称为热处理。定义（1）改善其加工工艺性能（2）提高金属材料的硬度、强度等力学性能（3）充分发挥金属材料的潜力，降低生产成本。特性重要的金属零部件以及各种刀具、模具、量具等在制造过程中几乎都要进行适当的热处理。应用3.1热处理概述2.热处理的工艺过程热处理的工艺方法很多，但基本上所有热处理的工艺过程都需要经过加热、保温和冷却三个阶段。热处理的工艺过程可由如图1-23所示的热处理工艺曲线来表示。图1-23热处理工艺曲线3.1热处理概述2.热处理的工艺过程热处理工艺过程中的冷却速度对材料的性能有着直接的影响。例如，45钢在加热到450℃并保温后，随炉冷却至室温时得到的屈服强度为272MPa，而在水中冷却至室温时得到的屈服强度则高达706MPa，直接表现为前者韧性好、易弯曲，后者脆而硬。3.1热处理概述3.钢发生组织转变的温度钢的内部组织发生转变时的温度称为临界温度。通常情况下，钢在加热和冷却阶段都会发生组织转变，如图1-24所示的曲线表示钢在加热和冷却时组织转变的临界温度。图1-24钢在加热和冷却时组织转变的临界温度3.1热处理概述3.钢发生组织转变的温度根据含碳量和室温组织的不同，钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。其中，含碳量为0.77%的碳素钢称为共析钢，室温下其内部组织为珠光体；含碳量低于0.77%的碳素钢称为亚共析钢，室温下其内部组织为铁素体+珠光体；含碳量高于0.77%的碳素钢称为过共析钢，室温下其内部组织为珠光体+渗碳体。3.1热处理概述4.热处理的分类根据目的和工艺方法的不同热处理整体热处理——退火、正火、淬火、回火、调质处理、时效处理等表面热处理表面淬火——火焰加热、感应加热等化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等根据工序的位置不同热处理预备热处理——改善铸造、锻造或焊接毛坯件的内部组织，消除内部应力最终热处理——获得零件所需的力学性能3.2钢的整体热处理定义钢的整体热处理是指对钢件整体进行加热，经保温后以一定方法冷却，从而改变钢件的内部组织和整体力学性能的热处理工艺方法。钢的整体热处理工序退火正火淬火回火调质处理时效处理3.2钢的整体热处理1.退火1）概念退火是指将钢件加热到适当的温度，保温一段时间后，缓慢冷却（一般为随炉冷却）以使钢件内部组织均匀化，从而获得预期力学性能的热处理工艺。2）目的①降低材料的强度和硬度，提高塑性，为后续机械加工做准备；②减少材料内部组织的不均匀性，细化晶粒，消除内部应力；③为下一步热处理做好组织准备。退火3.2钢的整体热处理1.退火3）分类及应用完全退火均匀化退火等温退火去应力退火球化退火3.2钢的整体热处理1.退火3）分类及应用（a）加热温度

（b）工艺曲线图1-25各种退火方法的工艺曲线3.2钢的整体热处理1.退火3）分类及应用表1-18各种退火方法的工艺流程、特点和应用范围3.2钢的整体热处理1.退火3）分类及应用表1-18各种退火方法的工艺流程、特点和应用范围（续）3.2钢的整体热处理2.正火1）概念正火是指将钢件加热到

（对于亚共析钢）或

（对于过共析钢）以上30～50℃，保温一段时间后在空气中冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺。2）目的及应用①提高低碳钢、低碳合金钢的硬度，改善切削加工性；②细化晶粒，消除组织缺陷，为下一步热处理做好组织准备；③提高强度、硬度和韧性，对于力学性能要求不高的机械零部件可作为最终热处理。正火3.2钢的整体热处理2.正火退火和正火一般作为预先热处理，其作用都是消除前面工序所造成的组织缺陷及内应力，为后续的切削加工及热处理做好组织准备，但两者之间也存在区别。其中，冷却速度：正火

退火；晶粒大小：正火

退火；珠光体含量：正火

退火；强度及硬度：正火

退火。3.2钢的整体热处理3.淬火1）概念淬火是指将钢件加热到

（对于亚共析钢）或

（对于过共析钢）以上30～50℃，经过保温一段时间后，在某种介质中快速冷却，以大幅提高材料硬度的热处理工艺。2）淬火介质钢件进行淬火时所使用的冷却介质称为淬火介质。按照冷却能力从高到低的顺序，常用的淬火介质包括水及水溶液、各种矿物油、硝盐浴、碱浴及空气等。淬火3.2钢的整体热处理3.淬火3）分类及其应用根据冷却方式的不同，淬火可分为单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。1—单介质淬火法；2—双介质淬火法；3—分级淬火法；4—等温淬火法。图1-26各种淬火方法的冷却曲线3.2钢的整体热处理3.淬火3）分类及其应用表1-19各种淬火方法的工艺流程、特点和应用范围3.2钢的整体热处理3.淬火3）分类及其应用表1-19各种淬火方法的工艺流程、特点和应用范围（续）3.2钢的整体热处理4.回火1）概念回火是指将淬火后的钢件重新加热到

（相变温度）以下某个温度，保温一段时间后冷却至室温的热处理工艺。2）目的①提高组织稳定性，避免钢件在使用过程中发生组织转变，从而造成开裂和变形；②消除内部应力，以稳定钢件几何尺寸并改善切削加工性；③适当降低钢件的硬度和强度，提高韧性和塑性，以获得良好的综合力学性能。回火3.2钢的整体热处理4.回火3）分类及应用表1-20各种回火方法的工艺特点和应用范围3.2钢的整体热处理5.调质处理定义先对钢件进行淬火，再进行高温回火，这种复合热处理工艺称为调质处理，简称调质。特性调质可使钢件获得良好的综合力学性能，使其在具有较高强度和硬度的同时保持一定的韧性和塑性。应用通常用于丝杠、连杆、主轴、轴承等受力复杂的重要机械零部件的制造，如图1-27所示（见下页）。3.2钢的整体热处理5.调质处理（a）丝杠

（b）连杆

（c）主轴

（d）轴承图1-27常用调质处理的零部件3.2钢的整体热处理6.时效处理定义经塑性变形、铸造、锻造加工后的钢件，在粗加工之后、精加工之前，被放置在较高的温度或室温环境中存放一段时间，以使钢件的性能、形状、尺寸等发生缓慢变化直至稳定的状态，这种热处理工艺称为时效处理，简称时效。根据处理时是否加热分为：人工时效自然时效振动时效3.3钢的表面热处理机械制造业中，很多机器零件要求表面耐磨损，不易产生疲劳破坏，而心部却要求有足够的塑性和韧性，如齿轮、轴、凸轮等。【课堂互动】在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法（结合上节课内容），能不能满足其要求？3.3钢的表面热处理定义表面热处理是指仅对钢件的表面进行加热，以改变其表层组织结构和力学性能的热处理工艺。根据工艺方法和原理的不同表面热处理表面淬火化学热处理3.3钢的表面热处理定义仅对钢件表面进行淬火而不改变其组成成分的热处理工艺称为表面淬火。根据加热方式的不同感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火激光热处理1.表面淬火3.3钢的表面热处理1.表面淬火图1-29感应加热表面淬火图1-30火焰加热表面淬火3.3钢的表面热处理定义将钢件置于一定的介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的一种或几种元素渗入钢件表层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而使钢件表层和心部具有不同的性能，这种热处理工艺称为化学热处理。化学热处理的过程（1）介质分解成活性原子（2）工件表面吸收活性原子（3）活性原子在内部扩散根据所用介质化学成分的不同，常用的化学热处理可分为渗碳、渗氮和碳氮共渗等。2.化学热处理3.3钢的表面热处理2.化学热处理1）渗碳定义钢的渗碳是指向低碳钢或低合金钢工件表面渗入碳原子，以提高表层含碳量，使钢件表面具有更高的硬度和更好的耐磨性，而心部仍保持良好韧性的表面热处理工艺。3.3钢的表面热处理2.化学热处理1）渗碳根据使用的渗碳剂不同分类气体渗碳，固体渗碳，液体渗碳。气体渗碳工艺在工业中应用最为广泛，如图1-31所示。渗碳适用于承受很大的磨损，且需承受冲击载荷和交变载荷的低碳钢、低合金钢工件，如汽车变速箱中的变速齿轮、机床的传动齿轮和主轴等。3.3钢的表面热处理2.化学热处理1）渗碳图1-31气体渗碳零件渗碳后一般需要经过淬火+低温回火处理，才能达到提高表面硬度和耐磨性的目的。例如，汽车变速箱齿轮的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→切削加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→磨削精加工→检验。3.3钢的表面热处理2.化学热处理2）渗氮定义渗氮又称氮化，是指将氮原子渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性的一种化学热处理方法。应用渗氮通常用于处理耐磨性和精度要求都很高，或要求耐热、耐腐蚀的耐磨件，如发动机气缸、机床丝杠、汽轮机阀门等。3.3钢的表面热处理2.化学热处理3）碳氮共渗定义碳氮共渗俗称氰化，是指在一定温度条件下将碳和氮同时渗入钢件表面的化学热处理方法。应用碳氮共渗既具有渗碳的淬硬深度，又能获得渗氮的高硬度，因此能有效提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度。3.3钢的表面热处理请说出表面淬火与化学热处理的不同之出？【课堂互动】任务描述履带板是工程机械的底盘零件之一，它在工作中要承受很大的压应力和冲击载荷，其表面会受到石块等硬物的磨损。如图1-21所示为履带式推土机及其履带板。履带板的材料为40SiMn2，其加工工艺为：热轧成形→下料→切削加工→调质热处理→成品。请同学们分析履带板需要具备的性能和采用的热处理工艺，并填写“任务工单1.3”。（a）履带式推土机

（b）履带板图1-21履带式推土机及其履带板任务实施表1-17履带板的工作条件及需要具备的性能任务实施（a）淬火

（b）回火图1-22履带板的热处理工艺曲线2．分析履带板的热处理工艺履带板的热处理工艺采用调质处理，分为淬火和回火两个阶段，如图1-22所示。任务实施1）淬火首先将履带板加热至

温度以上（880～900℃），然后保温80～90min，最后采用水冷的方式使履带板的温度迅速降低，可大幅提升履带板的强度、硬度。2）回火履带板在淬火完成很短时间之后，要进行高温回火。首先将履带板加热至

之下某一温度（400～450℃），保温90～120min，然后从加热炉中取出，放置在空气中缓慢冷却。这样可使履带板的内部组织更为稳定，从而获得更高的强度和韧性。思政复兴号李殿中：不懈创新为大国重器“铸魂”“关键核心技术要不来、买不来、讨不来，面对创新之路，要有‘亦余心之所善兮，虽九死其犹未悔’的意志。”全国优秀共产党员，中科院金属研究所先进钢铁