上海交大机械设计——第三章

1、多媒体CAI课件设计基础 第一章第第3章章 机械常用材料和制造工艺性机械常用材料和制造工艺性 基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点3.1 机械常用材料机械常用材料3.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能3.3 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素3.4 材料的选用材料的选用3.5 机械零件制造工艺性机械零件制造工艺性 计划学时：计划学时：2h 多媒体CAI课件设计基础 第一章基本要求基本要求: 1) 了解机械中常用材料及其力学性能。了解机械中常用材料及其力学性能。 2) 了解热处理中与本课相关的基本概念。了解热处理中与本课相关的基本概念。 3) 了解毛坯的制取方法和常用

2、的切削加工方法。了解毛坯的制取方法和常用的切削加工方法。重点、难点：重点、难点： 1) 金属材料的力学性能。金属材料的力学性能。 2) 热处理工艺对钢材综合机械性能的影响。热处理工艺对钢材综合机械性能的影响。 3) 机械零件的制造工艺性。机械零件的制造工艺性。作业作业: 3.1；3.3；3.4；3.5；3.6 多媒体CAI课件设计基础 第一章3.1 机械常用材料机械常用材料 多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章机械常用材料的分类和应用举例机械常用材料的分类和应用举例 续表续表多媒体CAI课件设计基础 第一章3.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能3.2.1 材料

3、的应力极限材料的应力极限 低碳钢拉伸应力低碳钢拉伸应力-应变图应变图力学性能：力学性能：弹性、刚度、强度、塑性、硬弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。度、冲击韧性及疲劳强度等。比例极限比例极限 pOA阶段称为阶段称为弹性阶段，其变形称为弹性弹性阶段，其变形称为弹性变形，对应的最大应力称为变形，对应的最大应力称为比例极限。比例极限。屈服极限屈服极限 s BC阶段称为阶段称为屈服阶段，屈服阶段的最低屈服阶段，屈服阶段的最低应力称为屈服极限。应力称为屈服极限。多媒体CAI课件设计基础 第一章 残余变形残余变形卸载时，卸载时，沿沿DO 线回至点线回至点O ，OO 即为残余变形或称为即为

4、残余变形或称为永久性变形。永久性变形。 “缩颈缩颈”现象现象材料材料屈服后，随着载荷的增加，屈服后，随着载荷的增加，金属开始产生明显的塑性金属开始产生明显的塑性变形，当载荷增加到变形，当载荷增加到c点的点的对应值时，变形集中发生对应值时，变形集中发生在试件的某一部位上，该在试件的某一部位上，该部位的截面积急剧缩小，部位的截面积急剧缩小，出现了出现了“缩颈缩颈”现象。现象。 多媒体CAI课件设计基础 第一章 强度极限强度极限 B 由于截面减小，由于截面减小，载荷也随之下降，直至载荷也随之下降，直至F点时，试点时，试件在件在“缩颈缩颈”处断裂。材料在断裂处断裂。材料在断裂前的最大应力称为强度极限。

5、前的最大应力称为强度极限。 冷作硬化冷作硬化在常温下经过塑性变形使材料的在常温下经过塑性变形使材料的强度提高、塑性降低的现象称为冷作硬化。在强度提高、塑性降低的现象称为冷作硬化。在机械零件中常利用冷作硬化提高强度。机械零件中常利用冷作硬化提高强度。 几种不同材料拉伸时的应力几种不同材料拉伸时的应力-应变曲线见图。应变曲线见图。多媒体CAI课件设计基础 第一章3.2.2 材料的性能材料的性能 （1）弹性）弹性 材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后材料材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后材料恢复其原来形状的性能。恢复其原来形状的性能。（2）刚度）刚度 材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在比例极限

6、材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在比例极限范围内，应力范围内，应力 与应变与应变成正比，成正比，比例常数比例常数E（= /）即为）即为弹弹性模量性模量（剪切时为切变模量（剪切时为切变模量G）。弹性模量的大小反映了材）。弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力，是衡量材料刚度的性能指标。料抵抗变形的能力，是衡量材料刚度的性能指标。（3）强度）强度 材料在受力时抵抗塑性变形和断裂的能力。依载材料在受力时抵抗塑性变形和断裂的能力。依载荷性质不同，强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗荷性质不同，强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。常见的强度指标是屈服强度剪强度。常见的强度指标是屈服强度

7、s和拉伸强度和拉伸强度 B 。（4）延伸性）延伸性 延伸性是衡量材料塑性性能的指标。延伸性是衡量材料塑性性能的指标。 延伸率延伸率：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率。分率。5%者为塑性材料，者为塑性材料，5%者为脆性材料者为脆性材料。多媒体CAI课件设计基础 第一章 断面收缩率断面收缩率：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。之比的百分率。 （5）冲击韧性）冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力。冲材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力。冲击韧度是衡量材料承受冲击载荷能力的性能指标

8、。在有缺口击韧度是衡量材料承受冲击载荷能力的性能指标。在有缺口试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功称冲击韧度试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功称冲击韧度。（6）硬度）硬度 硬度表示材料表面在一个小面积范围内抵抗弹性变硬度表示材料表面在一个小面积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常用的有形、塑性变形或破裂的能力。常用的有布氏硬度布氏硬度（HBS）、）、洛氏硬度洛氏硬度（HRC）。一般地说材料硬度愈高，强度（包括接）。一般地说材料硬度愈高，强度（包括接触强度）和耐磨性亦愈高，但塑性愈低。触强度）和耐磨性亦愈高，但塑性愈低。（7）疲劳强度）疲劳强度 在长时间交变载荷的作用下，有

9、些零件会在在长时间交变载荷的作用下，有些零件会在应力远远小于屈服强度时发生突然断裂，这种现象称为疲劳。应力远远小于屈服强度时发生突然断裂，这种现象称为疲劳。多媒体CAI课件设计基础 第一章3.3 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素（1）含碳量的影响）含碳量的影响 （2）合金元素的影响）合金元素的影响（3）温度的影响）温度的影响（4）热处理工艺的影响）热处理工艺的影响热处理热处理将工件加热到一定温度，进行必要的保温，然后将工件加热到一定温度，进行必要的保温，然后以一定的方法冷却，以改善其组织结构，从而得到所需的以一定的方法冷却，以改善其组织结构，从而得到所需的综合机械性能的工艺

10、方法；综合机械性能的工艺方法；热处理热处理多媒体CAI课件设计基础 第一章退火退火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，然后随炉冷却，将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，然后随炉冷却，这种工艺方法称为退火；这种工艺方法称为退火；正火正火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在空气中将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在空气中冷却称之为正火；冷却称之为正火；淬火淬火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在水或油将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在水或油中冷却称之为淬火。中冷却称之为淬火。回火回火如果加热到临界温度以下，保温后空冷或油冷，称之为回火。

11、如果加热到临界温度以下，保温后空冷或油冷，称之为回火。调质调质淬火后高温回火称为调质。淬火后高温回火称为调质。表面淬火表面淬火如果将工件表面迅速加热到临界温度以上，不等热量传至如果将工件表面迅速加热到临界温度以上，不等热量传至工件中心就快速冷却的工艺方法称之为表面淬火。工件中心就快速冷却的工艺方法称之为表面淬火。化学热处理化学热处理即将不同元素的活性原子渗入到工件表面的热处理方即将不同元素的活性原子渗入到工件表面的热处理方法，如渗碳、氮化和氰化等。法，如渗碳、氮化和氰化等。多媒体CAI课件设计基础 第一章表表3.2 主要热处理工艺的目的和应用主要热处理工艺的目的和应用热处理工艺主 要 目 的

12、应 用退 火降低硬度，消除内应力，均化组织、细化晶粒和预备热处理铸件、焊接件、中碳钢和中碳合金钢锻件和轧制件等正 火调整硬度，细化晶粒，淬火前的预备热处理，以减少淬火缺陷改善低碳钢低碳合金钢切削性；中碳钢和合金结构钢淬火前预备热处理；对要求不高的零件作最终热处理，如大齿轮、轴等淬火及回火提高硬度、强度和耐磨性。回火目的是提高塑性和韧性，降低或消除残余应力低温回火（150300C）用于碳钢或合金工具钢消除内应力和化学热处理或表面淬火零件的后续处理。高温回火（350650C）即调质，用于重要零件如齿轮、曲轴等调 质 得到较高的综合力学性能 表面淬火使表面具有较高硬度和耐磨性及有利的残余应力分布，内

13、部有足够的强度和韧性用于要求表面硬度高、内部韧性大的零件，如齿轮、蜗杆、丝杠、轴颈、链轮等 渗碳淬火提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度，并保持原来材料的塑性和韧性齿轮、轴、活塞销、链、万向联轴器等要求表面硬度大而内部韧性大的重载零件渗 氮能获得比渗碳淬火更高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性能，渗氮后不再淬火，变形小 要求硬度和耐磨性高和不易磨削的零件和精密零件，如齿轮（尤其是内齿轮）、主轴、镗杆、精密丝杠、量具、模具等表表3.2 主要热处理工艺的目的和应用主要热处理工艺的目的和应用 多媒体CAI课件设计基础 第一章 3.4 材料的选用材料的选用 原则：原则：使用要求、工艺要求和经济要求。使用要

14、求、工艺要求和经济要求。 多媒体CAI课件设计基础 第一章3.5 机械零件的制造工艺性机械零件的制造工艺性良好的工艺性良好的工艺性：在一定的生产规模和生产条件下，花费劳在一定的生产规模和生产条件下，花费劳动量最小、加工费用最少的零件。动量最小、加工费用最少的零件。 1毛坯的制取毛坯的制取（1）型材）型材 圆钢、方钢、钢管、钢板等，均可直接作毛坯。圆钢、方钢、钢管、钢板等，均可直接作毛坯。轧制多媒体CAI课件设计基础 第一章（2）铸造）铸造 将液态合金浇铸到具有与将液态合金浇铸到具有与零件形状相适应的铸型的孔腔中，待零件形状相适应的铸型的孔腔中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯的加其冷却凝固后，获

15、得零件或毛坯的加工方法。工方法。多媒体CAI课件设计基础 第一章（3）压力加工）压力加工 在外力的作用下，通过使金属在固态下发生在外力的作用下，通过使金属在固态下发生塑性变形，而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、塑性变形，而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。毛坯或零件的加工方法。挤压多媒体CAI课件设计基础 第一章拉拔多媒体CAI课件设计基础 第一章锻造轧制多媒体CAI课件设计基础 第一章锻造多媒体CAI课件设计基础 第一章冲压多媒体CAI课件设计基础 第一章（4）焊接）焊接 实质是通过加热或加压，或两者并用，并且用填充实质是通过加热或加压，或两者并用，并

16、且用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。毛坯选择毛坯选择：综合考虑功能、制造、使用、成本等。综合考虑功能、制造、使用、成本等。多媒体CAI课件设计基础 第一章 2常见的切削加工方法常见的切削加工方法 切削加工是通过机床用刀具从工件上切除多余材料，从而获切削加工是通过机床用刀具从工件上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件加工过程。得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件加工过程。（1）车削加工）车削加工 指在车床上用车刀加工工件的工艺过程。加工指在车床上用车刀加工工件的工艺过程。加工时，工件旋转为主运动，刀具作直线或曲线

17、的进给运动。时，工件旋转为主运动，刀具作直线或曲线的进给运动。多媒体CAI课件设计基础 第一章车削车削多媒体CAI课件设计基础 第一章（2）铣削加工）铣削加工 指在铣床上用铣刀加工工件的工艺过程。铣指在铣床上用铣刀加工工件的工艺过程。铣削加工时，刀具旋转为主运动，工件作直线的进给运动。削加工时，刀具旋转为主运动，工件作直线的进给运动。多媒体CAI课件设计基础 第一章铣削铣削多媒体CAI课件设计基础 第一章（3）刨削加工）刨削加工 指在刨床上用刨刀加工工件的工艺过程。刨指在刨床上用刨刀加工工件的工艺过程。刨削加工时，刀具作往复直线运动为主运动，工件作直线的进削加工时，刀具作往复直线运动为主运动，

18、工件作直线的进给运动。给运动。多媒体CAI课件设计基础 第一章刨削刨削多媒体CAI课件设计基础 第一章（4）磨削加工）磨削加工 磨削加工是用砂轮或其他磨具切除工件多余材磨削加工是用砂轮或其他磨具切除工件多余材料的工艺过程。磨削加工时，刀具旋转为主运动，工件作直线料的工艺过程。磨削加工时，刀具旋转为主运动，工件作直线的进给运动。的进给运动。多媒体CAI课件设计基础 第一章磨削磨削多媒体CAI课件设计基础 第一章（5）钻削加工）钻削加工 钻削加工是指在钻床上用钻头加工工件的工钻削加工是指在钻床上用钻头加工工件的工艺过程。钻孔时，钻头一方面作旋转主运动，另一方面作直艺过程。钻孔时，钻头一方面作旋转主运动，另一方面作直线的进给运动，而工件固定不动。线的进给运动，而工件固定不动。钻钻削削多媒体CAI课件设计基础 第一章数控机床自动加工数控机床自动加工多媒体CAI课件设计基础 第一章3零件的热处理及装配零件的热