机密机械设计

1、精密机械设计基础第二章第二章 机械工程常用材料及钢的热处理机械工程常用材料及钢的热处理精密机械设计基础史美堂，史美堂，金属材料及热处理金属材料及热处理，上海科学，上海科学技术出版社，技术出版社，2003齐宝森等，齐宝森等，机械工程材料机械工程材料，哈尔滨工业，哈尔滨工业大学出版社，大学出版社，2003戈晓岚等，戈晓岚等，工程材料工程材料，东南大学出版社，东南大学出版社，2004其他与金属材料及热处理的相关书籍其他与金属材料及热处理的相关书籍参考文献精密机械设计基础 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 第三节第三节 常用的工程材料常用的工程材料 第四节第四

2、节 钢的热处理钢的热处理 第五节第五节 表面精饰表面精饰 第六节第六节 精密仪器材料选用原则精密仪器材料选用原则主要内容主要内容精密机械设计基础机械工机械工程材料程材料金属金属材料材料非金属非金属材料材料黑色金属黑色金属钢钢有色金属有色金属合金钢合金钢无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料塑料塑料橡胶橡胶陶瓷陶瓷合成纤维合成纤维铝合金铝合金铜合金铜合金其他有色合金其他有色合金第一节第一节 概述概述精密机械设计基础第一节第一节 概述概述 在精密机械中应用的材料，按用途的不同，在精密机械中应用的材料，按用途的不同，可分为结构材料和功能材料两大类。可分为结构材料和功能材料两大类。 结构材料通常

3、是指工程上要求强度、韧性、结构材料通常是指工程上要求强度、韧性、塑性、硬度、耐磨性等力学性能的材料。塑性、硬度、耐磨性等力学性能的材料。 功能材料是指具有电、地、声、热、磁等功能材料是指具有电、地、声、热、磁等功能和效应的材料。功能和效应的材料。 金属材料是精密机械中最常用的材料，可金属材料是精密机械中最常用的材料，可分为黑色金属材料和有色金属材料。分为黑色金属材料和有色金属材料。精密机械设计基础 一、应力极限一、应力极限 二、弹性模量二、弹性模量E 三、延展性三、延展性 四、冲击韧度四、冲击韧度Ak 五、弹性性能五、弹性性能Ee和韧性能和韧性能Et 六、硬度六、硬度第二节第二节 金属材料的力

4、学性能金属材料的力学性能精密机械设计基础 比例极限比例极限p p 屈服极限屈服极限s s 强度极限强度极限B B 图图2-12-1 在常温下经过塑性变形使材料强度提在常温下经过塑性变形使材料强度提高、塑性降低的现象，称为冷作硬化。高、塑性降低的现象，称为冷作硬化。一、应力极限一、应力极限第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能精密机械设计基础 应力极限应力极限弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 p屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 s强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能精密机械设计基础二、弹性模量二、弹性模量E E 在比例极限

5、范围内，应力在比例极限范围内，应力与应变与应变成成正比。正比。 弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力。能力。三、延展性三、延展性 延展性是衡量材料塑性性能的指标。延展性是衡量材料塑性性能的指标。 1.1.伸长率伸长率 2. 2.断面收缩率断面收缩率第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能精密机械设计基础 四、冲击韧度四、冲击韧度 冲击韧度是衡量材料承受冲击载荷能力的性冲击韧度是衡量材料承受冲击载荷能力的性能指标。能指标。 五、弹性能五、弹性能EeEe和韧性能和韧性能EtEt 六、硬度六、硬度 硬度表示材料表面在一个小体积范围内抵硬度表示材料表面在一

6、个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。 常用的硬度指标有：常用的硬度指标有： 布氏硬度布氏硬度(HBS)(HBS)、洛氏硬度、洛氏硬度(HRC(HRC洛氏洛氏C C标度硬度标度硬度) )和维氏硬度和维氏硬度(HV)(HV)。第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能精密机械设计基础影响力学性能的主要因素影响力学性能的主要因素 1、含碳量、含碳量 含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。 2、杂质元素：有益、杂质元素：有益Si、Mn，有害，有害S、P 3、合金元素、合金元素 加入某些合金元素，可

7、提高和改善其综合力学性能，并获加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能。得某些特殊的物理和化学性能。 Cr：提高硬度、冲击韧性和淬透性：提高硬度、冲击韧性和淬透性 ，（形成碳化鉻），（形成碳化鉻） Mn：提高强度和淬透性：提高强度和淬透性 ，W:提高硬度和韧性提高硬度和韧性 4、温度、温度 一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降 ，高温条件下相反。高温条件下相反。 5、热处理工艺、热处理工艺第二节第二节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能精密机械设计基础一、钢铁材料（黑色金属）一、钢铁材料（黑色金属

8、）1、非合金钢（碳钢）、非合金钢（碳钢） 含碳含碳2以下的铁碳合金、少量杂质以下的铁碳合金、少量杂质 按质量分数分类：按质量分数分类： 低碳钢低碳钢（c0.25） 中碳钢中碳钢（ 0.25 c 0.6） 高碳钢高碳钢（c0.6） 按质量等级分类：按质量等级分类： 普通碳素钢普通碳素钢（s0.055、 p0.045 ） （例：Q235） 优质碳素钢优质碳素钢（s0.040、 p0.040 ）（例：45，35） 高级优质碳素钢高级优质碳素钢 （s0.03、 p0.035 ） 第三节第三节 常用工程材料常用工程材料精密机械设计基础按用途分类按用途分类： 碳素结构钢碳素结构钢（用于制造各种工程构件和机

9、器零件） 碳素工具钢碳素工具钢（用于制造各种工具）（T8A）2、合金钢、合金钢 人为加入人为加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，用以提高钢等，用以提高钢的力学性能、工艺性能。即具有高的强度、韧性、硬度，的力学性能、工艺性能。即具有高的强度、韧性、硬度，以 及 某 些 特 殊 性 能 （ 如 耐 腐 性 、 高 温 强 度 ） 。以 及 某 些 特 殊 性 能 （ 如 耐 腐 性 、 高 温 强 度 ） 。 （40Cr,65Mn）55-1010低合金钢 合金元素总量小于百分之中合金钢 合金元素总量在百分之高合金钢 合金元素总量大于百分之第三节第三节 常用工程材料常用工程材料精密机械设计基础3、铸

10、铁：、铸铁： 良好的铸造性能、减摩性能、吸振性能、切削加工良好的铸造性能、减摩性能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生产工艺简单、成本低廉。性能、低的缺口敏感性，生产工艺简单、成本低廉。 灰铸铁：灰铸铁：C自由状态的片状石墨形式自由状态的片状石墨形式 （抗压强度高于抗拉强度，适用于受压零件， 脆性大，不适合冲击零件）（）（HT200）可锻铸铁：可锻铸铁： C自由状态的絮状石墨形式自由状态的絮状石墨形式球墨铸铁：球墨铸铁：C球状石墨形式，较高的强度球状石墨形式，较高的强度 ，良好的塑，良好的塑性和韧性（性和韧性（应力集中应力集中）。）。钢与铸铁的主要区别：碳的存在形式不同钢与铸铁的主要区

11、别：碳的存在形式不同第三节第三节 常用工程材料常用工程材料精密机械设计基础 有色金属有色金属（减摩、耐腐、耐热、导电性好）（减摩、耐腐、耐热、导电性好）1、铜及其合金：、铜及其合金： 工业纯铜、工业纯铜、 黄铜（铜锌二元合金）（铸、锻、机械加工性能好）黄铜（铜锌二元合金）（铸、锻、机械加工性能好） 青铜（锡青铜青铜（锡青铜Sn、铝青铜、铝青铜强度高、加工低，用于制强度高、加工低，用于制造重载、耐磨零件，铍青铜造重载、耐磨零件，铍青铜Be、锰青铜等）、锰青铜等）2、铝及其合金：、铝及其合金： 纯铝、硬铝、铸铝纯铝、硬铝、铸铝3、钛及其合金：纯钛、钛合金、钛及其合金：纯钛、钛合金第三节第三节 常用

12、工程材料常用工程材料精密机械设计基础 非金属非金属1.工程塑料（天然树脂或人造树脂为基础）工程塑料（天然树脂或人造树脂为基础） 特点：密度小，良好的抗蚀性，优良的电绝缘性，特点：密度小，良好的抗蚀性，优良的电绝缘性，耐磨、减摩、自润滑性好，工艺性好耐磨、减摩、自润滑性好，工艺性好 分类：热固性塑料、热塑性塑料分类：热固性塑料、热塑性塑料2.橡胶：高弹性、绝缘性橡胶：高弹性、绝缘性 密封件、缓冲件、绝缘件密封件、缓冲件、绝缘件 上述二者易老化，难回收（污染）上述二者易老化，难回收（污染）3.人工合成矿物：刚玉（宝石人工合成矿物：刚玉（宝石Al2O3）, 石英石英SiO2第三节第三节 常用工程材料

13、常用工程材料精密机械设计基础一、钢的热处理一、钢的热处理 加热、保温、冷却加热、保温、冷却改变金属整体或表面组织，获改变金属整体或表面组织，获得所需性能。得所需性能。（铸铁、某些铜合金也可用热处理来改善其力学性能）（铸铁、某些铜合金也可用热处理来改善其力学性能） 种类种类 普通热处理：退火、正火、淬火、回火普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理和化学热处理：表面热处理和化学热处理： 感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗碳、氮化、碳氮共渗 其他热处理其他热处理第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础1 1、退

14、火：加热（至临界温度、退火：加热（至临界温度710750 以上以上 30 5 0 ）、保温、）、保温、随炉冷却随炉冷却 目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力和残余应力，目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力和残余应力，改善切削性能，改善切削性能， 预先热处理预先热处理2 2、正火：加热、保温（与退火相似）、正火：加热、保温（与退火相似） 、空气冷空气冷 目的：同退火，（因晶粒更细，故强度和硬度较退火目的：同退火，（因晶粒更细，故强度和硬度较退火高），用于普通结构钢零件的最终热处理，中碳钢的预高），用于普通结构钢零件的最终热处理，中碳钢的预处理。处理。3 3、淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却、淬

15、火：加热，保温，水、油或盐水冷却 目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火。出现内应力，材料变脆，须回火。 方法：单介质淬火；双介质淬火方法：单介质淬火；双介质淬火第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础 4、回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，、回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度（空冷或油冷）冷却。保温，以一定速度（空冷或油冷）冷却。 目的：消除淬火内应力，降低脆性，增加韧性，目的：消除淬火内应力，降低脆性，增加韧性，达到设计图纸要求的硬度。达到设计图纸要求的硬度。 回火工

16、艺的种类：回火工艺的种类： 1)、低温回火、低温回火:加热温度（加热温度（150250 C） 降低应降低应力和脆性，保持高硬度。力和脆性，保持高硬度。 5864HRC 2)、中温回火：加热温度（、中温回火：加热温度（350500 C）消除内）消除内应力，提高弹性，应力，提高弹性， 3545HRC ，具有一定硬度、，具有一定硬度、韧性韧性 第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础第四节第四节 钢的热处理钢的热处理 3)、高温回火：（、高温回火：（500650 C）消除内应力，获得）消除内应力，获得较高韧性和塑性，但硬度较低（较高韧性和塑性，但硬度较低（200350HBS） 调质处理调质

17、处理=淬火高温回火淬火高温回火 4）、时效处理：在）、时效处理：在100150 C进行长时间加热进行长时间加热（1015h）。）。 消除内应力，保持硬度和尺寸稳定性。消除内应力，保持硬度和尺寸稳定性。 5）、冷处理：在）、冷处理：在-70-80 C进行长时间冷冻。进行长时间冷冻。 目的：同时效处理目的：同时效处理精密机械设计基础二、表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却而不二、表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其内部成分的热处理工艺。改变其内部成分的热处理工艺。 目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。 1、表面淬火：通过快速加热和立即淬火冷却相

18、结合、表面淬火：通过快速加热和立即淬火冷却相结合的方法实现。其方式：的方法实现。其方式： 感应加热感应加热：利用交流电的集肤效应，对零件进行加：利用交流电的集肤效应，对零件进行加热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度。热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度。 火焰加热：火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立即用水利用火焰加热工件表面，然后立即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。同厚度的淬硬层。 第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础 2、化学热处理、化学热处理 将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使将钢

19、件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。求的热处理过程。 与表面淬火不同之处：表面层不仅有组织变与表面淬火不同之处：表面层不仅有组织变化，而且有成分的变化。化，而且有成分的变化。目的目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等力学性能。氧化性和疲劳强度等力学性能。按表面渗入元素的不同，分为按表面渗入元素的不同，分为渗碳渗碳、氮化、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类

20、。第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础1）渗碳）渗碳 渗碳是向钢件表面层渗入碳原子的过程。其渗碳是向钢件表面层渗入碳原子的过程。其目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和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耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性。韧性和塑性。u 分类：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳分类：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳u 过程：工件放入密封的加热炉，通入渗碳剂过程：工件放入密封的加热炉，通入渗碳剂在在900950 C加热、保温。加热、保温。u 用于低碳钢、低合金钢用于低碳钢、低合金钢第四节第四节 钢的热处理钢的热处理精密机械设计基础2）氮化）氮化 氮化是向钢件表面层渗人氮原于的过程。氮化是向钢件表面层渗人氮原于的过程。 目的：提高表面层的硬度和耐磨性，并提高疲劳目的：提高表面层的硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性。强度和