机械工程常用材料及其工程性能市公开课一等奖省赛课获奖课件

第四章机械工程惯用材料及其工程性能§4－1概述§4－2金属材料机械性能§4－3惯用工程材料§4－4金属材料热处理与表面精饰机械工程常用材料及其工程性能第1页材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品那些物质。

机械工程材料是用于机械制造材料，其主要包含金属材料和非金属材料两大类。机械工程常用材料及其工程性能第2页§4－2金属材料机械性能金属材料在外力作用下所表现出特征称为机械性能，包含强度、刚度、塑性、硬度、疲劳强度、冲击韧性和线膨胀系数等指标。1）力—伸长曲线拉伸试验中，依据拉力F与伸长量ΔL之间关系在直角坐标系中绘出曲线称为力—伸长曲线。强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和预防出现断裂能力。2.1强度机械工程常用材料及其工程性能第3页机械工程常用材料及其工程性能第4页2）强度指标①屈服强度:屈服强度是当金属材料展现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加应力点机械工程常用材料及其工程性能第5页材料在断裂前所能承受最大应力称为抗拉强度②抗拉强度δb机械工程常用材料及其工程性能第6页弹性模量E是用于表示材料刚度主要参数，E值越大材料刚度越大。表4-1是不一样金属材料弹性模量。刚度是指材料在外力作用下抵抗弹性变形保持原有形状能力。2.2刚度机械工程常用材料及其工程性能第7页2.3塑性材料受力后在断裂之前产生塑性变形能力称为塑性断后伸长率是指试样拉断后，标距伸长量与原始标距之比百分率1）断后伸长率A机械工程常用材料及其工程性能第8页断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处面积改变量与原始横截面面积比值百分率2）断面收缩率Z机械工程常用材料及其工程性能第9页1）布氏硬度布氏硬度测定是在布氏硬度试验机上进行，其试验原理是用直径为D淬硬钢球或硬质合金球，在要求压力F作用下压入被测金属表面至要求时间后，卸除压力，金属表面留有压痕，压力F与压痕表面积A比值称为布氏硬度，用符号HBW（压头为硬质合金球）表示。2.4硬度硬度是指金属材料抵抗其它更硬物体压入其表面能力。机械工程常用材料及其工程性能第10页2）洛氏硬度洛氏硬度测定是在洛氏硬度试验机上进行，是用一个顶角为120°金刚石圆锥，或直径为1.5875mm淬火钢球为压头，在一定载荷下压入被测金属材料表面，依据压痕深度来确定硬度值。压痕深度越小，硬度值越高，材料越硬。机械工程常用材料及其工程性能第11页金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号σ-1表示。机器和很多零件，受到随时间作周期性改变应力作用，这种应力称为交变应力。构件在交变应力作用下破坏称为疲劳破坏。当应力循环次数到达106～107次时材料不出现损坏，则认为材料不会出现疲劳损坏。2.5疲劳强度机械工程常用材料及其工程性能第12页疲劳断口特点为:破坏时构件内最大应力远低于强度极限，甚至低于屈服极限；破坏前没有显著塑性变形；破坏断口表面显著分成光滑区及粗糙区。所以疲劳破坏无显著预兆，轻易造成严重后果。机械工程常用材料及其工程性能第13页线膨胀系数是指材料温度每升高1℃，零件单位长度伸长率。表4-3是惯用材料线膨胀系数。2.6线膨胀系数α机械工程常用材料及其工程性能第14页2.7冲击韧性冲击韧性是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏能力，冲击韧性值用αk表示,αk越大，材料抗冲击能力越强。机械工程常用材料及其工程性能第15页2.8金属材料工艺性能工艺性能是指金属材料所含有能够适应各种加工工艺要求能力，它标志着制成成品难易程度，包含铸造性、铸造性、焊接性、切削加工性等。1）铸造性铸造性是指金属在铸造生产中表现出工艺性能，包含液态流动性、吸气性，冷却时收缩性和偏析性等。2）铸造性铸造性是指金属材料铸造时难易程度。铸造性好，表明该金属易铸造成形。机械工程常用材料及其工程性能第16页3）焊接性4）切削加工性及热处理性能切削加工性是指金属材料被切削加工难易程度。切削加工性好金属材料，加工时刀具不易磨损，加工表面粗糙度较小。热处理性能包含淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等（将在钢热处理中详细叙述）焊接性是指在一定焊接工艺条件下金属材料取得优良焊接接头难易程度。机械工程常用材料及其工程性能第17页工程材料能够分为金属材料和非金属材料，非金属材料又分为高分子材料和无机材料。§4－3惯用工程材料机械工程常用材料及其工程性能第18页1）灰铸铁在灰铸铁中碳主要以石墨形式存在，其断口呈暗灰色，故称灰铸铁。以“HT+材料抗拉强度”表示牌号，如HT150。惯用于制造形状复杂而力学性能要求不高工件，承受压力、要求消振工件，以及一些耐磨工件。惯用热处理工艺有去应力退火，消除白口组织退火和表面淬火。3.1.1铸铁是指含碳量大于2.11%铁碳合金，而且含有较多硅、锰、硫、磷等元素。3.1黑色金属机械工程常用材料及其工程性能第19页球墨铸铁惯用于制造载荷较大且受磨损和冲击作用主要零件，如汽车、拖拉机曲轴，连杆和机床蜗杆、蜗轮等。球墨铸铁惯用热处理方式有退火、正火、调质及等温淬火。以“QT+材料抗拉强度”表示牌号如QT400表示球墨铸铁，其最低抗拉强度为400MPa。2）球墨铸铁铁液经球化处理和孕育处理，使石墨全部或大部分呈球状铸铁称为球墨铸铁。机械工程常用材料及其工程性能第20页3.1.2碳素钢1）杂质对碳素钢性能影响碳含量小于2.11%铁碳合金称为碳素钢。a）硅、锰：材料硬度、强度提升。b）硫：材料热脆性增强。c）磷：材料冷脆性增强。D）氢：材料脆性增强。机械工程常用材料及其工程性能第21页2）碳素钢分类a）依据碳质量分数分类:低碳钢：ωC≤0.25%。中碳钢：0.25%<ωC<0.60%。高碳钢：ωC≥0.60%。b）按分类:普通钢:ωS≤0.050%，ωP≤0.045%。优质钢:ωS≤0.035%，ωP≤0.035%。高级优质钢:ωS≤0.025%，ωP≤0.025%。机械工程常用材料及其工程性能第22页c）依据钢用途分类:碳素结构钢:其ωC<0.70%碳素工具钢:其ωC≥0.70%碳素铸钢:主要用于制作形状复杂、难以铸造成形铸钢件。3）普通碳素结构钢以“Q+材料屈服极限平均值”作为牌号，如Q235，表示σS≥235MPa普通碳素结构钢。惯用于制造结构件以及其它载荷不大构建。机械工程常用材料及其工程性能第23页4）优质碳素结构钢以“材料所含碳万分比”进行命名，如45钢，表示碳平均质量分数为0.45%优质碳素钢，含碳量较低时其延展性强惯用于制造冲压件，含碳量较高时惯用于制造较主要零部件。5）碳素工具钢以“T+材料所含碳千分比”进行命名，如T9表示碳平均质量分数为0.90%碳素工具钢。机械工程常用材料及其工程性能第24页1）依据合金元素总质量分数分类低合金钢:合金元素总质量分数小于5%；中合金钢:合金元素总质量分数为5%～10%；高合金钢:合金元素总质量分数大于10%。3.1.3合金钢特意加入一个或数种合金元素钢称为合金钢。它比碳钢含有较高强度、韧性或含有特殊性能。2)依据用途分类合金结构钢:用于制造机械零件和工程结构钢。合金工具钢:用于制造各种工具钢。特殊性能钢:指含有某种特殊物理和化学性能钢。机械工程常用材料及其工程性能第25页3）合金结构钢以“材料含碳量万分比+合金元素符号+合金含量百分比”表示其牌号，如60Si2Mn钢，表示碳含量为0.60%，含硅量为2%，含锰量小于1.5%合金结构钢。合金结构钢普通各项性能优于相同碳含量优质碳素钢，所以惯用于制造载荷复杂零部件。机械工程常用材料及其工程性能第26页以“材料含碳量千分比+合金元素符号+合金含量百分比”表示其牌号，如9SiCr钢，表示碳含量为0.90%、硅含量和铬含量均小于1.5%合金工具钢。4）合金工具钢a）合金量具钢指用于制造测量工具（即量具）合金钢，这类钢含有高硬度、高耐磨性、高尺寸稳定性。用于制造高精度量规和量块。有Cr12、9Mn2V、CrWMn等。机械工程常用材料及其工程性能第27页是指用于制造冲压、热锻、压铸等成形模具合金钢。依据工作条件不一样分为冷作模具钢和热作模具钢。c）合金模具钢指主要用于制造金属切削刀具合金钢，其含碳量普通在0.8%～1.4%。惯用合金刃具钢有9SiCr、9Mn2V、Cr2、CrMn、CrWMn和CrW5等。主要用于制造铰刀、丝锥、板牙等。b）合金刃具钢机械工程常用材料及其工程性能第28页指在空气、水不锈钢属于含有特殊物理、化学性能特殊性能钢，它是指在空气、水、弱酸、碱和盐溶液或其它腐蚀介质中含有高度化学稳定性合金钢总称。5）特殊性能钢机械工程常用材料及其工程性能第29页6）高速钢是一个含钨、铬、钒等各种元素高合金刃具钢，加入主要合金元素为钨、钼、钒等，其合金总含量到达10%～15%。7）滚动轴承钢如GCr15钢，则表示平均铬质量分数为1.5%滚动轴承钢。机械工程常用材料及其工程性能第30页3.2.1纯铜及其合金3.2有色金属有色金属通常指除钢铁之外其它金属（又称非铁金属），惯用有色金属种类有铜及其合金、铝及其合金、钛及其合金等1）纯铜（紫铜）通常呈紫红色，含有良好导电性、导热性及抗大气腐蚀性能，还含有强度低，塑性好，便于冷热压力加工优点惯用于制造导线、散热器、铜管、防磁器材及配制合金等机械工程常用材料及其工程性能第31页2）黄铜:是以锌为主要合金元素铜合金，因其颜色呈黄色，故称黄铜①普通黄铜:当铜中加入锌时所组成合金称为普通黄铜.②特殊黄铜:在普通黄铜中加入铅、铝、硅、锡等元素所组成合金称为特殊黄铜3）青铜:是指黄铜和白铜以外全部铜合金①锡青铜:以锡为主加元素铜合金。锡青铜分为压力加工锡青铜和铸造青铜②特殊青铜:特殊青铜有铍青铜、铝青铜机械工程常用材料及其工程性能第32页1）纯铝纯铝呈银白色，是一个密度仅为2.72g/cm³轻金属，是自然界中储量最为丰富金属元素，产量仅次于钢铁。3.2.2铝及其合金2）铝合金当纯铝中加入适量硅、铜、锰、镁、锌等合金元素，可形成强度较高铝合金。（1）变形铝合金有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金等。机械工程常用材料及其工程性能第33页①铝硅铸造铝合金（俗称硅铝明）:铸造性能很好，但铸造组织粗大，在浇注时应进行变质处理细化晶粒，以提升其力学性能；②铝铜铸造铝合金:含有很好高温性能，但铸造性和抗蚀性较差，而且密度大，主要用于制造要求高强度或在高温条件下工作零件；（2）铸造铝合金按加入主元素不一样，铸造铝合金主要有铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系四类，其中,铝硅系应用最为广泛。机械工程常用材料及其工程性能第34页③铝镁铸造铝合金:含有较高强度和良好耐腐蚀性能，密度小，铸造性能差，主要用于制造在腐蚀性介质中工作零件；④铝锌铸造铝合金:含有较高强度，热稳定性和铸造性能也很好，但密度大，耐蚀性差，主要用于制造结构形状复杂汽车、飞机零件等；机械工程常用材料及其工程性能第35页3.3非金属材料1）塑料组成塑料是以有机合成树脂为主要成份，并加入各种添加剂高分子材料。添加剂种类有:填料、增强材料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂等。3.3.1工程塑料3）热塑性塑料惯用有聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等。机械工程常用材料及其工程性能第36页4）热固性塑料惯用有环氧塑料和酚醛塑料等环氧塑料（EP）是由环氧树脂加入固化剂后形成热固性塑料。它强度较高，韧性很好，并含有良好化学稳定性、绝缘性以及耐热、耐寒性，成形工艺性好。酚醛塑料（PF）是由酚类和醛类经缩聚反应而制成树脂。依据不一样性能要求加入各种填料便制成各种酚醛塑料。惯用酚醛树脂是由苯酚和甲醛为原料制成。机械工程常用材料及其工程性能第37页1）橡胶类型橡胶分为天然橡胶与合成橡胶二种。天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得。3.3.2橡胶2）橡胶性能橡胶是绝缘体，不轻易导电，但假如沾水或不一样温度话，有可能变成导体。橡胶在制造过程中能够经过加入不一样添加剂取得不一样性能。机械工程常用材料及其工程性能第38页由人工合成，而各方面特征均与天然产出矿物相同或亲密相同产物称为人工合成矿物，如人造金刚石﹑人造宝石、人造水晶等。3.3.3人工合成矿物1）人造宝石（人造刚玉）刚玉主要成份是Al2O3。其硬度仅次于金刚石。因为刚玉含有优良高温性质及机械强度等性能，因而被广泛应用到了冶金、机械、化工、电子、航空和国防等众多工业领域。机械工程常用材料及其工程性能第39页刚玉主要用途以下：①因为刚玉有耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，故惯用于制作用于冶炼稀贵金属、特种合金、高纯金属坩埚及器皿，用做浇钢滑动水口，各种高温炉窑内衬（墙和管），理化器皿、火花塞、耐热抗氧化涂层；②因为其有硬度大、耐磨性好、强度高特点，在化工系统中，用作各种反应器皿和管道，化工泵部件；作机械零部件、各种模具模嘴等；作刀具、磨具磨料、防弹材料、人体关节、密封磨环等；机械工程常用材料及其工程性能第40页③因为其有高温绝缘性，故被用作热电偶套丝管和保护管，原子反应堆中用得绝缘性依旧优良；④因为其分子结构很稳定，在高频、高压和较高温度下使用其绝缘性优良，加之损耗不大，介电常数也不大，在电子工业中被广泛用于固体挤成电路基板管座、外壳、瓷架、导弹雷达天线保护罩等；⑤刚玉制品气密性好，即使在高温下也严密不透气，所以在电真空中得到广泛应用，如用刚玉制作各种大型电子管壳、固体微电路中双列直插式封装外壳。机械工程常用材料及其工程性能第41页2）人造水晶水晶是一个无色透明大型石英结晶体矿物。它主要化学成份是二氧化硅，化学式为SiO2。因为石英含有压电效应和逆压电效应，所以惯用于制造压电传感器和石英振荡器。机械工程常用材料及其工程性能第42页陶瓷是以粘土以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得材料，陶瓷材料普通硬度较高，但可塑性较差，同时含有耐高温、抗氧化等特点。3.3.4陶瓷陶瓷主要能够分为日用陶瓷、艺术（工艺）陶瓷和工业陶瓷三大类。工业陶瓷指应用于各种工业陶瓷材料和制品。机械工程常用材料及其工程性能第43页工业陶瓷又分以下6各方面：①建筑——卫生陶瓷；②化工（化学）陶瓷：用于各种化学工业耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反应锅耐酸砖、灰等；③电瓷：用于电力工业高低压输电线路上绝缘子。电机用套管，支柱绝缘子、低压电器和照明用绝缘子，以及电讯用绝缘子，无线电用绝缘子等；④特种陶瓷：用于各种当代工业和尖端科学技术特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等。机械工程常用材料及其工程性能第44页3.4复合材料复合材料是由两种或两种以上不一样性质材料，经过物理或化学方法，在宏观上组成含有新性能材料。各种材料在性能上相互取长补短，产生协同效应，使复合材料综合性能优于原组成材料而满足各种不一样要求。机械工程常用材料及其工程性能第45页3.4.1复合材料类型1）复合材料按其组成份为：①金属与金属复合材料②非金属与金属复合材料③非金属与非金属复合材料。①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。2）按其结构特点又分为：机械工程常用材料及其工程性能第46页②层叠复合材料。由性质不一样表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但含有一定刚度和厚度。层叠复合材料又分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③颗粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④骨架复合材料。机械工程常用材料及其工程性能第47页3.4.2纤维增强复合材料性能复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。1）含有比重小、比强度和比模量大特点。比如碳纤维与环氧树脂复合材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，2）含有优良化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。3）纤维增强材料另一个特点是各向异性，所以可按制件不一样部位强度要求设计纤维排列。机械工程常用材料及其工程性能第48页3.5新型材料合金形状被改变之后，一旦加热到一定跃变温度时，它又能够魔术般地变回到原来形状，人们把含有这种特殊功效合金称为形状记忆合金。形状记忆合金科学家在镍-钛合金中添加其它元素，深入研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新镍钛系形状记忆合金；除此以外还有其它种类形状记忆合金，如:铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si,Fe-Pd)等。机械工程常用材料及其工程性能第49页4.1热处理概述钢热处理就是将钢在固态下经过加热、保温和不一样冷却方法，从而改变其组织结构，满足性能要求一个加工工艺。钢在加热和冷却时特征线§4－4金属材料热处理与表面精饰机械工程常用材料及其工程性能第50页热处理目标在于改进工件加工工艺性，为后续工序作组织准备，提升劳动生产率;显著提升钢力学性能，充分发挥钢使用性能，延长使用寿命。钢材热处理主要分为普通热处理和表面热处理两大类。机械工程常用材料及其工程性能第51页4.2钢普通热处理工艺4.2.1退火退火是把钢加热到某一工艺预定温度，保温一段时间，随即在炉中或导热性较差介质中迟缓冷却热处理方法。退火目标是降低钢硬度、均匀成份、消除内应力、细化组织，从而改进钢力学性能和加工性能，为后续机械加工和淬火做好准备。1）完全退火完全退火简称退火，是将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一段时间，随即迟缓冷却以取得靠近平衡状态组织退火方法。其目标是细化晶粒、改进组织和提升力学性能。机械工程常用材料及其工程性能第52页（2）球化退火球化退火是将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，随即迟缓冷却退火方法。其目标在于降低钢硬度，改进切削加工性，并为以后淬火处理作好组织准备。（3）去应力退火去应力退火又称低温回火，是将钢件加热至500～650℃左右，保温一段时间后迟缓冷却退火方法。其目标是消除因为塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成残余应力，以稳定尺寸，降低变形。机械工程常用材料及其工程性能第53页正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，使钢组织完全转变为奥氏体后，适当保温，从炉中取出，在静止空气中冷却至室温热处理方法正火冷却速度稍快，所得到组织比退火细，强度、硬度有所提升退火和正火加热温度4.2.2正火机械工程常用材料及其工程性能第54页淬火是将钢加热到Ac3或Ac1线以上30～50℃，保温一定时间后，在水、盐水或油中急剧冷却，以取得马氏体组织一个热处理方法。淬火目标在于得到马氏体或下贝氏体组织，然后配以适当回火温度，以取得多样使用性能。4.2.3淬火机械工程常用材料及其工程性能第55页4.2.4回火回火是把淬火后钢加热到Ac1线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温热处理方法。回火主要目标在于降低脆性，降低内应力，预防变形开裂；取得工件所要求机械性能；稳定钢件组织，确保工件尺寸、形状稳定。各种普通热处理示意图机械工程常用材料及其工程性能第56页1）低温回火加热到150～250℃，保温后空冷，得到组织为回火马氏体。其目标在于降低淬火内应力和脆性，确保高硬度和耐磨性。主要用于刀具、量具、冲压模、滚动轴承等处理。2）中温回火加热到350～450℃，保温后空冷，得到回火屈氏体，这种组织含有高弹性和屈服极限，并有一定韧性和硬度。机械工程常用材料及其工程性能第57页（3）高温回火加热到500～650℃，保温后空冷，得到回火索氏体，这种组织含有一定强度和硬度，又有良好塑性和韧性。通常把淬火再进行高温回火热处理方法称为调质处理。机械工程常用材料及其工程性能第58页4.4钢表面热处理利用快速加热方法，使工件表面快速加热至淬火温度，不等热量传到心