机械基础 工程材料

机械基础制作人目录黑色金属材料一有色金属材料二工程塑料与橡胶三工程材料项目一黑色金属材料

项目索引：在工业生产中，除了钢铁材料以外，有色金属材料与非金属材料因具有其他材料不可替代的特点和优良性能也受到了广泛应用。本项目将重点讨论这几种材料的性能。活动一金属材料的力学性能常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限和断裂韧度等。1.强度和塑性（1）强度。强度是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，强度大小用应力来表示。金属的强度和塑性值可通过拉伸试验来获得。拉伸试验可测定出的强度指标有屈服强度σS、抗拉强度σb、比例极限σp等。（2）塑性。塑性是材料在静载荷作用下断裂前发生永久变形的能力。用断后伸长率δ（%）和断面收缩率ψ（%）表示。活动一金属材料的力学性能2.硬度硬度是材料抵抗局部变形的能力。（1）布氏硬度。（2）洛氏硬度。（3）维氏硬度。活动一金属材料的力学性能3.冲击韧度材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧度。事实上，材料的抗冲击能力主要取决于材料强度和塑性的综合性能指标，大能量一次冲击时，其抵抗能力主要取决于塑性，而小能量多次冲击时，其抵抗能力主要取决于强度。活动一金属材料的力学性能4.疲劳极限疲劳失效具有两个特征：一是突然性；二是破坏前无明显的塑性变化，不易被察觉，所以疲劳破坏的危害性很大。疲劳破坏是一个裂纹发生和发展的渐变过程，受材料质量和结构的影响，往往发生在组织缺陷和结构薄弱处。为提高机件的抗疲劳能力，防止疲劳断裂事故发生。在机件设计和加工时，应选择合理的结构形状，防止表面损伤，避免应力集中；要优先选择优质材料，尽量减少材料内部组织缺陷；采用表面强化处理技术等以提高抗疲劳能力。活动二铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组成元素是铁和碳，故统称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁均属铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁也是在此基础上加入合金元素而形成的特殊铁碳合金。金属在固态时一般都是晶体，其内部原子排列是有规律的。活动二铁碳合金由于金属原子间的结合力较强，使金属原子总是趋于紧密排列，故大多数金属都可归于如图所示3种晶格类型。活动二铁碳合金1.铁碳合金的基本组织及性能（1）铁素体。（2）奥氏体。（3）渗碳体。（4）珠光体。（5）莱氏体。活动二铁碳合金2.铁碳合金状态图（1）简化后的铁碳合金状态图。活动二铁碳合金2.铁碳合金状态图（2）铁碳合金中成分、组织、性能间的关系。活动二铁碳合金2.铁碳合金状态图（3）铁碳合金状态图的应用。铁碳合金状态图在生产实践中除可作为选择材料的参考外，还是铸造、锻造、焊接及切削加工等工艺制定的重要依据。①材料选用。②铸造性能。③可锻性和可焊性。④切削加工性能。活动三合金钢所谓合金钢，是指在铁碳合金中，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地向钢中加入某些合金元素而获得的性能优良的金属材料。常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al、B和稀土元素等。1.低合金钢这类钢材一般具有较高的强度和屈强比，较好的塑性和韧性，良好的焊接性，较好的耐蚀性等优良性能。低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量的合金元素（wMe<3%）而制成的。活动三合金钢2.合金结构钢合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。因加入合金元素较少（大多数wMe<5%），所以合金结构钢都属于中、低合金钢。合金结构钢的牌号由“数字+元素符号+数字”三部分组成。前两位数字表示平均含碳量的万分之几，合金元素以化学符号表示，合金元素符号后面的数字表示合金元素质量分数的百分之几。当wMe<15%时，牌号中一般只标出元素符号，而不标明元素质量分数；当wMe≥15%、wMe≥25%、wMe≥35%…时，则在元素符号后面相应标出2，3，4，…按用途及热处理特点可分为：合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。活动三合金钢3.合金工具钢

合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢及量具钢，它的牌号与合金结构钢相似，但其碳溶量大于1%时含碳量不标出；当碳溶量小于1%时，则牌号前的数字表示含碳量的千分之几。合金元素的表示方法与合金结构钢相同，但由于合金工具钢都是高级优质钢，故牌号后不标“A”。活动三合金钢4.高速工具钢

高速工具钢（简称高速钢）用于制造高速切削刃具，有锋钢之称。高速钢主要有钨系和钨钼系两类。钨系高速钢以W18Cr4V为代表，其特点是通用性强，有适当的耐磨性和热硬性，并具有良好的韧性和磨削加工性，广泛用于工作温度在600℃以下的复杂刀具，如拉刀、铣刀、机用丝锥等。钨钼系以W6Mo5Cr4V2应用最广，它具有很高的耐磨性，较好的韧性，广泛用于承受冲击力较大的刃具，如插齿刀、钻头等。活动四钢的热处理1.概述钢的热处理是将钢在固态下通过加热、保温和冷却，改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。钢的热处理主要有两个目标：一是清除前道工序（如铸件、锻件的毛坯）的缺陷，改善其工艺性能，确保后续加工的顺利进行；二是提高工件的力学性能、使用性能和使用寿命。（1）普通热处理，如退火、正火、淬火和回火等。（2）表面热处理，如表面淬火和化学热处理等。（3）其他热处理，如形变热处理、真空热处理、可控气氛热处理和激光热处理等。活动四钢的热处理活动四钢的热处理2.钢的普通热处理通常，钢的普通热处理工艺包括退火、正火、淬火和回火等。（1）退火。①完全退火。②等温退火。③球化退火。④均匀化退火。⑤去应力退火。⑥再结晶退火。（2）正火。①作为普通结构零件的最终热处理，用以消除铸件和锻件生产中产生的过热缺陷，细化组织，提高力学性能。②改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。③作为中低碳钢结构件的预先热处理，消除热加工中所造成的组织缺陷。代替调质处理，为后续高频感应加热表面淬火做好组织准备。④消除过共析钢中的二次渗碳体网，为球化退火做好组织准备。活动四钢的热处理（3）淬火。淬火的目的主要是使钢件获得马氏体组织，使零件通过适当回火，能获得所需要的使用性能。淬火冷却介质直接影响淬火效果，生产中应用较多的冷却介质有水、盐或碱的水溶液和油等。活动四钢的热处理③淬火方法及应用。在淬火冷却时，既要快速冷却以保证淬火工件获得马氏体组织，又要减小工件的变形和开裂。因此，实施淬火是获取预期效果的关键操作。活动四钢的热处理（4）回火。回火的目的是减小和消除淬火应力，防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸及获得工件所需的组织和性能回火的种类及应用：低温回火（150～250℃）、中温回火（350～500℃）和高温回火（500～650℃）回火脆性。淬火钢回火时，随着回火温度的升高，通常硬度、强度下降，而塑性、韧性则提高。但在某些温度范围内回火时，钢的韧性不仅没有提高，反而下降，这种脆化现象称为回火脆性。回火脆性现象一般发生在250～350℃和450～650℃两个温度范围段，前段称为低温回火脆性，后段称为高温回火脆性。活动四钢的热处理3.钢的表面热处理表面热处理是仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺，一般分为表面淬火和化学热处理。（1）表面淬火。①感应加热表面淬火。②火焰加热表面淬火。（2）化学热处理。化学热处理是将工件置于一定的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改善其化学成分、组织和性能的热处理工艺。主要用于强化工件表面和改善工件表面的物理、化学性能。有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铅及多元共渗几种类型。项目二有色金属材料

项目索引：在工业生产中，通常把铁碳合金之外的所有金属材料称为有色金属（非铁金属材料）。工业上常用的有色金属有铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、钛及钛合金及滑动轴承合金等。本项目将重点介绍上述有色金属及其合金的牌号、成分、性能及其在工业中的应用。活动一铝及铝合金工业纯铝银白色的金属，质量轻，密度小，导电导热性良好，抗大气腐蚀性能好，塑性好，强度、硬度较低含铝质量分数不低于99.00%时为纯铝,其牌号用1×××表示。牌号最后两位数字表示铝最低百分含量。牌号后第二位的字母表示原始纯铝改型情况:A为原始纯铝,B～Y为其改型,如1A35表示ωAl=99.35%的工业纯铝主要用于制造电线、电缆、管、棒、线、型材和配制合金活动一铝及铝合金铝合金含有适量硅、铜、镁、锰等合金元素的铝合金，具有强度高、密度小、耐蚀性好、导热性好的特点。形变铝合金分为防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）和锻铝（LD）铸造铝合金：具有较好的铸造性能的铝合金可分为铝-硅系、铝-铜系、铝-镁系和铝-锌系铸造铝合金牌号：ZL加3位数字表示，第一位数字表示合金类别（1为铝-硅系，2为铝-铜系，3为铝-镁系，4为铝-锌系），第二、三位数字表示合金顺序号，如ZL105表示5号铝-硅系铸造铝合金活动二铜及铜合金纯铜又称紫铜、电解铜，具有良好的导电性、导热性、耐蚀性，强度不高，硬度较低，塑性好，易于冷、热压力加工。主要用于制作导电材料及配制铜合金的原料工业上使用的纯铜，其含铜质量分数为99.5%～99.95%，其牌号有T1、T2、T3、T4共4种，顺序号越大，表示其杂质含量越高活动二铜及铜合金铜合金黄铜以锌为主要添加元素的铜合金，又叫响铜，用于制造锣、铃、号等乐器；黄铜又分为普通黄铜和特殊黄铜常用普通黄铜：H80，H70，H62；常用特殊黄铜：HPb59-1，HMn58-2青铜除锌或镍以外的元素与铜组成的合金；分为普通青铜（锡青铜）、特殊青铜（无锡青铜）锡青铜用于制造蜗轮、轴承和弹簧等零部件以及工艺品；特殊青铜主要用于制造高强度耐磨零件，如轴承、齿轮等白铜铜镍合金；主要用于制造精密仪器、仪表中耐蚀零件及电阻器、热电偶等活动三滑动轴承合金1.轴承合金的性能要求（1）在工作温度下，具有足够的强度和硬度，提高承载能力与耐磨性。（2）具有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并能抵抗冲击和振动。（3）具有较低的摩擦因数，以减少轴颈处的磨损。（4）具有良好的磨合能力，使载荷均匀分布。（5）具有良好的耐蚀性和导热性，能抵抗润滑油的腐蚀。（6）容易制造，价格低廉。活动三滑动轴承合金2.轴承合金的组织特征（1）在软基体上孤立地分布硬质点。（2）在较硬的基体上分布着软的质点。活动三滑动轴承合金3.常用的轴承合金工业上的轴承材料很多，常用的有铅基轴承合金、锡基轴承合金，还有铜基、铝基轴承合金。轴承合金的牌号是由“Z”（表示“铸”字）+基本元素符号（Sb）+主加元素符号及含量+辅加元素符号及含量组成。锡基轴承合金是一种软基体硬质点的轴承合金。铅基轴承合金也是一种软基体硬质点的轴承合金。常用的铜基轴承合金有锡青铜、铅青铜两类。活动四粉末冶金及硬质合金１.粉末冶金将金属粉末与金属或非金属粉末混合，经过成型、烧结等过程制成零件或材料的工艺方法称为“粉末冶金”。２.硬质合金硬质合金是采用一种或多种难熔金属的碳化物（WC、TiC等）和金属黏结剂粉末相混合，压制成形，再经高温下烧结而成的一种粉末冶金材料。常用的硬质合金有以下几类。（1）钨钴类硬质合金的典型牌号有YG3、YG6、YG8等。这类硬质合金具有良好的韧性和强度，适于切削脆性材料，如铸铁、有色金属等。（2）钨钴钛类硬质合金的典型牌号有YT5、YT15、YT30等。这种合金中由于碳化钛的加入，使硬度、耐磨性和红硬性都得到提高，但其强度和韧性比YG类合金低。一般用于加工韧性材料（如钢材等）。（3）其他的合金如钛钽（铌）钴类硬质合金（又称万能硬质合金）适用于加工各种钢材，特别对于高锰钢、不锈钢等难加工材料，效果更佳；碳化钛镍钼硬质合金具有较高的耐磨性，所以在精加工中，可以对各种钢材进行高速连续切削。项目三工程塑料与橡胶

项目索引：工程塑料是指一类可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料。日本业界将它定义为“可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在100℃以上，主要运用在工业上”。橡胶一词来源于印第安语cauuchu，意为“流泪的树”。天然橡胶由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固、干燥后而制得。活动一工程塑料塑料是人们以树脂为基础，加入用于改善各种性能的添加剂（如填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂等）制成的材料。工程塑料指在工程技术中用作结构