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工程材料 一 工程材料的机械性能与组织结构大纲 具体内容 1 工程材料的分类 2 材料静载的机械性能 3 材料动载的机械性能 4 常用金属的晶体结构的类型 5 金属的实际结构和晶体缺陷 6 金属的结晶 1 1工程材料的分类 1 金属材料2 高分子材料3 陶瓷材料4 复合材料 1 2材料静载机械性能 1 刚度2 强度3 塑性4 硬度 1 3拉伸试验 测定金属的强度和塑性指标 1 4材料的刚度 刚度是指材料对弹性变形的抗力 工程上弹性模量E称为材料的刚度 弹性模量E越大 刚度越大 1 5材料的强度指标 屈服强度抗拉强度 1 6塑性指标 延伸率断面收缩率 1 7三种硬度的表示方法 1 布氏硬度HB2 洛氏硬度HRA HRB HRC3 维氏硬度HV 1 8材料动载机械性能指标 冲击韧性疲劳强度影响疲劳强度的因素材料本质 材料的表面质量 工作条件 零件的形状 尺寸及表面残余应力等 1 9常见金属的晶体结构类型 体心立方结构面心立方结构密排六方结构 1 10金属的实际结构 是由许多晶粒组成的多晶体 晶体的性能在各个方向上相互补充和抵消 因而表现出各向同性 1 11晶体缺陷 点缺陷线缺陷面缺陷 1 12铸态金属晶粒细化的方法 增大过冷度变质处理振动 搅拌 二 铁碳合金大纲 具体内容 1 铁碳合金中的基本相 2 铁碳合金的相图分析 3 铁碳合金分类 4 典型铁碳合金的平衡结晶过程分析 5 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 6 钢中常存杂质元素对钢的性能的影响 7 钢锭的种类 8 碳钢的分类 编号和用途 2 1铁碳合金的基本相 铁素体F奥氏体A渗碳体 2 2铁碳相图分析 珠光体P 由铁素体和渗碳体组成 珠光体的含碳量为0 77 有较高的强度硬度莱氏体Le 由奥氏体和渗碳体组成 2 3铁碳合金分类 工业纯铁Wc 0 0218 钢0 0218 Wc 2 11 白口铸铁2 11 Wc 6 69 2 4钢的特点及分类 钢的特点 高温组织为单相奥氏体 具有良好的塑性 适用于锻造 轧制 分类 亚共析钢0 0218 Wc 0 77 室温平衡组织为铁素体F 珠光体P共析钢Wc 0 77 室温平衡组织为珠光体P过共析钢0 77 Wc 2 11 室温平衡组织为珠光体P和二次渗碳体 2 5白口铸铁的特点 流动性好 成分偏析少 分散缩孔少 具有较强的铸造性能 但由于渗碳体量过多 脆性大 不能锻造 轧制 工业上应用较少 2 6典型铁碳合金平衡结晶过程 对所有亚共析钢 含碳量越高 则珠光体越多 铁素体含量越少 2 7含碳量对铁碳合金机械性能的影响 铁碳合金随含碳量增加 铁素体量减少 渗碳体量增加 硬度增加 塑性和韧性下降 2 8含碳量对铁碳合金工艺性能的影响 1 中碳钢工削加工性能较好 2 随着含碳量增加 可锻性差 钢加热到高温 具有良好的可锻性 3 含碳量增加 铸件出现缺陷的倾向增大 2 9钢中常存的杂质元素 有益元素 Mn使钢的强度提高Si使钢的强度 硬度 弹性提高 塑性 韧性下降有害元素 S增大钢的热脆性P使钢的塑性 韧性急剧下降 冷脆性增大 2 10钢锭的种类 镇静钢沸腾钢半镇静钢 2 11镇静钢与沸腾钢的比较 1 沸腾钢成本低 成材率高 2 沸腾钢表面质量好 冲压性能好 焊接性能好 3 镇静钢的钢材质量好 用于重要结构锅炉 化工容器用钢和机械上需经热处理的受力零件 2 12普通碳素结构钢编号 Q235CQ为屈服强度 屈 字汉语拼音第一个字母235表示屈服强度数值 ABCD则表示钢材质量等级不同 等级依次提高 2 13优质碳素结构钢编号 45Mn牌号用两位数字表示 表示钢中平均含碳量的万分之几 若钢中含锰量较高 须将锰元素标出 如含锰量为0 7 1 2 的钢 牌号为45Mn 2 14铸钢编号 ZG200 400第一组数字代表最低屈服强度值第二组数字代表最低抗拉强度值 三 金属的塑性变形与再结晶大纲 具体内容 1 单晶体和多晶体金属的塑性变形 2 塑性变形对金属的组织和性能的影响 3 再结晶的温度的计算 4 材料热加工对金属组织和性能的影响 3 1单晶体金属的塑性变形方式 滑移孪生 3 2塑性变形对金属组织和性能的影响 1 晶粒沿变形方向拉长 性能趋于各向异性2 晶粒破碎 位错密度增加 产生加工硬化3 织构现象的产生4 残余内应力 3 3再结晶温度 T再 0 35 0 4 T溶金属的熔点越高 再结晶温度越高 3 4热加工对金属组织的性能的影响 1 通过热加工 可使铸态金属中的气孔焊合 从而使其致密得以提高 2 通过热加工 从而使晶粒细化 机械性能提高 3 通过热加工 可使铸态金属形成流线 增大纵向的强度 塑性和韧性 可提高零件使用寿命 四 钢的热处理大纲 具体内容 1 热处理的概念 2 钢在加热时的转变 3 钢的冷却转变 4 钢的退火与正火 钢的淬火 钢的回火 5 钢的表面热处理 6 热处理的缺陷及防止方法 4 1热处理概念 热处理是用来改变金属材料组织和性能的一种非常重要的工艺方法 4 2钢在加热时的转变 钢材加热 珠光体转变为奥氏体 4 3钢的冷却转变 在等温冷却转变情况下 转变温度 转变时间和转变产物之间的关系曲线称之为过冷奥氏体等温转变曲线 C曲线 钢经奥氏体化后在不同冷却速度的连续冷却条件下 过冷奥氏体的转变产物 转变开始及转变终了时间与转变温度之间的曲线称过冷奥氏体连续冷却曲线 CCT曲线 4 4退火与正火时机选择及区别 一般安排在锻造或铸造之后 切削加工之前 正火与退火的区别是冷却速度快 组织细 强度和硬度有所提高 4 5退火与正火工艺的选择 对低 中碳结构钢以正火作为预先热处理 高碳结构钢和工具钢及合金钢则以退火为宜 如工件性能要求不高 一般采用正火 零件形状复杂 则采用退火 正火比退火生产周期短 耗能少 操作方便 应优先考虑正火 4 6钢的退火的应用 完全退火和等温退火 用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件 锻件及热轧型材 有时用于焊接结构 球化退火用于共析成分的碳钢 合金钢去应力退火 低温退火 用于消除铸件 锻件 焊接件 冷冲压件及机加工后零件的残余内应力 再结晶退火主要用于冷拔 冷拉和冷冲压等冷变形工件 4 7最常用的淬火方法 单液淬火法双液淬火法分级淬火法等温淬火法 4 8钢的淬硬性 主要取决于马氏体的含碳量 即取决于淬火前奥氏体的含碳量 4 9钢的回火的目的 降低脆性 减少或消除内应力 防止工件变形或开裂 获得工艺要求的机械性能 稳定工件尺寸 对一些高淬透性的合金钢 采用高温回火 使碳化物聚集长大 降低硬度 以利切削加工 同时可缩短软化周期 4 10回火种类及应用 低温回火 150 250 58 64HRC工模具 滚动轴承等中温回火 350 500 35 45HRC各类弹簧等高温回火 调质 500 650 25 35HRC连接和传动的结构零件 4 11钢的表面热处理 渗碳 向钢的表面层渗入碳原子的过程 目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性 而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性 4 12热处理缺陷 过热和过烧氧化和脱碳 五 合金钢大纲 具体内容 1 合金元素在钢中的作用 2 合金钢的分类及牌号 3 合金结构钢的概念 4 调质钢 渗碳钢 弹簧钢 滚动轴承钢的相关内容 5 1碳钢在性能方面的不足 碳钢的淬透性低碳钢的回火抗力差碳钢不能满足一些特殊性能的要求 5 2合金元素对淬火钢回火转变过程的影响 提高回火稳定性产生二次硬化现象消除回火脆性 5 3合金的分类 按主要用途分 合金结构钢合金工具钢特殊性能钢 5 4合金结构钢 在碳素结构钢基础上加入一种或几种合金元素的钢以提高钢的性能 减轻工程结构和零件的重量 延长使用寿命 对于形状复杂 截面较大 要求较高机械性能的工程结构件或零件采用合金结构钢 5 5合金结构钢的分类 工程用钢 低合金高强度钢 不进行热处理机器用钢 经热处理 调质钢 渗碳钢 易切削钢 弹簧钢 轴承钢 5 6低合金高强度钢性能特点 较高的强度具有足够的塑性 韧性及良好的焊接性能 具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度 5 7调质钢性能特点 具有良好的综合机械性能 即具有高的强度 硬度和良好的塑性 韧性 具有良好的淬透性 5 8调质钢典型牌号 用途 低淬透性合金调质钢40Cr中淬透性合金调质钢40CrMn40CrNi高淬透性合金调质钢40CrMnMo 5 9渗碳钢的性能特点 具有高硬度和高耐磨性 心部具有足够的韧性和强度 表硬里韧 具有良好的热处理工艺性能 如高的淬透性和渗碳能力 5 10渗碳钢的典型牌号和用途 低淬透性合金渗碳钢20Cr小轴 小齿轮 活塞销中淬透性合金渗碳钢20CrMn汽车 拖拉机的变速齿轮 离合器高淬透性合金渗碳钢20Cr2Ni4 5 11弹簧钢的性能特点 具有高的弹性极限具有高的疲劳强度具有足够的塑性和韧性 5 12滚动轴承钢性能要求 高强度 硬度和耐磨性高的接触疲劳强度和弹性极限良好的尺寸稳定性 5 13常用的不锈钢分类 按组织特点分 马氏体不锈钢 铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢 奥氏体 铁素体型不锈钢 沉淀硬化不锈钢 六 铸铁大纲 具体内容 1 铸铁 铸铁的石墨化的概念 2 灰铸铁 可锻铸铁的 球墨铸铁的性能和应用 6 1铸铁 铸铁石墨化的概念 铸铁是含碳量大于2 11 的铁碳合金 铸铁的石墨化就是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程 6 2灰口铸铁的分类 按石墨的形态分类 灰铸铁石墨形态片状HT可锻铸铁团絮状KT球墨铸铁球状QT蠕墨铸铁蠕虫状RT 6 3灰铸铁的性能与应用 灰铸铁具有优良的铸造性能 良好的切削加工性 耐磨性 减振性 抗压性能和低的缺口敏感性 灰铸铁主要用于制造承压力和振动的零部件 如机床床身 各种箱体 壳体 泵体 缸体 卡盘 6 4可锻铸铁的性能与应用 强度 塑性和韧性均比灰铸铁高 接近于铸钢 可锻铸铁常用于制造形状复杂且承受冲击载荷的薄壁零件 如汽车 拖拉机的前后轮壳 管接头 低压阀门等 6 5球墨铸铁的性能 球墨铸铁具有高的机械性能 良好的铸造性 耐磨性 可切削加工性及低的缺口敏感性 6 6球墨铸铁的应用 球墨铸铁可部分替代中碳钢和某些合金钢用于制造载荷较大 受力复杂的重要零件 通常珠光体球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴 连杆 凸轮轴 各种齿轮及大型水压机活塞等 铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门 机器底座及汽车后轮壳等 七 有色金属及合金大纲 具体内容 1 铝及铝合金的性能特点 2 铝合金的热处理的工艺 3 铝及铝合金分类牌号和用途 4 铜及铜合金的性能特点 5 铜及铜合金分类牌号和用途 7 1铝及铝合金的性能特点 纯铝密度小 熔点低 导电性 导热性能优良 碳化率低 抗大气腐蚀性能好 还具有极好的塑性和较低的强度 易于加工成形 并有良好的低温性能 铝合金的比强度高和抗疲劳性好 铸造性能好 7 2铝合金的热处理 常用的热处理工艺分为退火 固溶处理 淬火 和时效处理 退火的目的在于消除工件的冷变形强化 内应力及成分偏析 并提高工件的塑性 7 3时效处理 在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热 使过饱和的 固溶体分解出强化相并过渡到稳定状态 合金的强度 硬度明显升高的现象 自然时效 室温下进行人工时效 加热条件下进行 7 4铝合金的分类及用途 1 变形铝合金防锈铝合金焊接油箱 油管 铆钉等 硬铝合金冲压件 螺旋浆叶片 大型铆钉 航空模锻件 超硬铝合金飞机的大梁 起落架等 锻铝合金航空发动机活塞 直升机浆片 压气机叶片 2 铸造铝合金 7 5铜及铜合金的性能特点 纯铜导电性 导热性 抗磁性优良 塑性 焊接性能好 铜合金具有优良的减磨性 耐磨性 高的弹性极限和疲劳极限等 7 6铜及铜合金分类牌号 纯铜三个牌号 T1T2T3铜合金按化学成分为 黄铜以Zn为主加合金元素的铜合金青铜除黄铜白铜外的其他铜 白铜以镍为主加合金元素的铜合金 八 非金属大纲 具体内容 1 非金属的分类 2 高分子材料的基本知识 性能 常用高分子材料及其应用 3 陶瓷材料的基本知识 性能 常用陶瓷材料及其应用 4 复合材料的基本知识 性能 常用复合材料及其应用 8 1非金属的分类 高分子材料陶瓷材料复合材料 8 2高分子化合物的合成方法 由低分子化合物合成高分子化合物的反应称为聚合反应 聚合方法 加成聚合反应 缩合聚合反应 8 3高分子材料的分类 接材料来源分 天然高分子材料 合成高分子材料接材料性能和用途分 塑料 橡胶 纤维 涂料 胶粘剂 高分子合金和聚合物基复合材料 8 4塑料加工成型方法 塑料加工成型主要工序 配料 混练 半成品 加工成型和产品加工成型主要方法有 注射 挤出 压延 吹塑及模压 8 5橡胶制品加工成型工艺过程 生胶的塑炼 胶料的混炼 成型与硫化 8 6高分子材料的性能 机械性能 低强度 高弹性和低弹性模量 粘弹性 高耐磨性 韧性好 物理化学性能 高绝缘性 低耐热性 低导热性 高热膨胀性 高化学稳定性 8 7塑料的分类 按成型工艺分 热塑性塑料 热固性塑料按应用范围分 通用塑料 工程塑料 特种塑料 8 8常用的热塑性工程塑料 聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚氯乙烯 PVC 聚苯乙烯 PS 8 9常用的热固性塑料 酚醛塑料 PF 环氧塑料 EP 8 10橡胶的分类 按橡胶来源分 天然橡胶合成橡胶 8 11常用合成纤维的品种 涤纶 锦纶 腈纶 维纶 丙纶和氯纶 8 12胶粘剂及应用 胶粘剂是以各种树脂 橡胶 淀粉等为基体材料 添加各种辅料制成 在许多场合下可替代传统的螺栓 铆接 焊接等工艺 8 13陶瓷材料分类 玻璃玻璃陶瓷工程陶瓷 普通陶瓷 特种陶瓷 8 14普通陶瓷分类及应用 1 日用陶瓷用作日用器皿 瓷器2 工业陶瓷建筑陶瓷装饰板 卫生洁具化工陶瓷接触强腐蚀介质的塔 储槽 容器 风机 管道等电工陶瓷 高压陶瓷 电器绝缘陶瓷 用于制作电隔离机械支撑及连接用瓷质绝缘器件 8 15陶瓷材料的性能 机械性能高硬度 高弹性模量和高脆性 低抗拉强度和高抗压强度 低塑性 低韧性 物理化学性能高的耐热性 耐热冲击性能较大 化学稳定性能 电学性能 其它性能光学性能 磁性 生物体性能 8 16复合材料的概念 就是在金属材料 有机高分子材料和无机非金属材料陶瓷自身或者相互之间进行优势互补 获得单一材料无法比拟的具有综合优异性能的新型材料 钢筋混凝土汽车用玻璃纤维挡泥板黄铜片和铁片复合成的自动控温开关 九 机械零件的选材及工艺分析大纲 具体内容 1 机械零件选材的基本原则 2 轴类 齿轮类等典型零部件选材及工艺分析 3 化工 压力容器 热能设备等典型设备的选材 9 1判断零件选材是否合理的标志 是否满足必须的使用性能是否具有良好的工艺性能是否有好的经济性 9 2轴类零件的选材 低速 轻载或不重要的轴 可选用Q235 Q255 Q275等碳素结构钢 不进行热处理中等载荷且转速 精度要求不高的轴 常选用中碳优质碳素钢 35 40 45 50热处理 正火调质或表面淬火及低温回火处理 承受较大载荷要求高耐磨高精度及限制外形尺寸的轴 常用合金钢20Cr 40Cr等 热处理 调质表面淬火 渗碳 渗氮等 9 3轴类零件加工艺路线 下料 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 局部表面淬火及低温回火 精磨 产品 9 4齿轮类零件选