机密机械设计

第二章

机械工程常用(chánɡyònɡ)材料及钢的热处理精品资料史美堂，《金属材料(cáiliào)及热处理》，上海科学技术出版社，2003齐宝森等，《机械工程材料(cáiliào)》，哈尔滨工业大学出版社，2003戈晓岚等，《工程材料(cáiliào)》，东南大学出版社，2004其他与金属材料(cáiliào)及热处理的相关书籍参考文献精品资料第一节概述第二节金属材料的力学性能第三节常用的工程材料第四节钢的热处理第五节表面(biǎomiàn)精饰第六节精密仪器材料选用原则主要(zhǔyào)内容精品资料机械工程材料(cáiliào)金属材料非金属材料黑色金属(hēisèjīngshǔ)钢有色金属合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金第一节概述精品资料第一节概述(ɡàishù)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(gōngnéng)材料两大类。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。功能(gōngnéng)材料是指具有电、地、声、热、磁等功能(gōngnéng)和效应的材料。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。精品资料一、应力极限二、弹性(tánxìng)模量E三、延展性四、冲击韧度Ak五、弹性(tánxìng)性能Ee和韧性能Et六、硬度第二节金属材料的力学性能精品资料比例极限σp屈服极限σs强度极限σB图2-1在常温下经过(jīngguò)塑性变形使材料强度提高、塑性降低的现象，称为冷作硬化。一、应力(yìnglì)极限第二节金属材料的力学性能精品资料应力(yìnglì)极限弹性(tánxìng)阶段弹性极限p屈服阶段屈服点s强化阶段强度极限b``颈缩阶段第二节金属材料的力学性能精品资料二、弹性模量E在比例极限范围(fànwéi)内，应力与应变ε成正比。弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力。三、延展性延展性是衡量材料塑性性能的指标。1.伸长率δ2.断面收缩率Ψ第二节金属材料的力学性能精品资料四、冲击(chōngjī)韧度冲击韧度是衡量材料承受(chéngshòu)冲击载荷能力的性能指标。五、弹性能Ee和韧性能Et六、硬度硬度表示材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常用的硬度指标有：布氏硬度(HBS)、洛氏硬度(HRC——洛氏C标度硬度)和维氏硬度(HV)。第二节金属材料的力学性能精品资料影响力学性能的主要因素1、含碳量含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素加入某些合金元素，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。Cr：提高硬度、冲击韧性和淬透性，（形成碳化鉻）Mn：提高强度和淬透性，W:提高硬度和韧性4、温度一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降(xiàjiàng)，高温条件下相反。5、热处理工艺第二节金属材料的力学性能精品资料一、钢铁材料（黑色金属）1、非合金钢（碳钢）含碳2％以下的铁碳合金、少量杂质按质量分数分类：低碳钢（ωc≤0.25％）中碳钢（0.25％＜ωc≤0.6％）高碳钢（ωc＞0.6％）按质量等级分类：普通碳素钢（ωs≤0.055％、ωp≤0.045％）（例：Q235）优质(yōuzhì)碳素钢（ωs≤0.040％、ωp≤0.040％）（例：45，35）高级优质(yōuzhì)碳素钢（ωs≤0.03％、ωp≤0.035％）第三节常用(chánɡyònɡ)工程材料精品资料按用途分类：碳素结构钢（用于制造各种工程(gōngchéng)构件和机器零件）碳素工具钢（用于制造各种工具）（T8A）2、合金钢人为加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo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，以及某些特殊性能（如耐腐性、高温强度）。（40Cr,65Mn）第三节常用工程(gōngchéng)材料精品资料3、铸铁：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(jiǎndān)、成本低廉。灰铸铁：C－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：C－自由状态的絮状石墨形式球墨铸铁：C－球状石墨形式，较高的强度，良好的塑性和韧性（应力集中）。钢与铸铁的主要区别：碳的存在形式不同第三节常用工程(gōngchéng)材料精品资料有色金属（减摩、耐腐、耐热、导电性好）1、铜及其合金(héjīn)：工业纯铜、黄铜（铜锌二元合金(héjīn)）（铸、锻、机械加工性能好）青铜（锡青铜Sn、铝青铜—强度高、加工低，用于制造重载、耐磨零件，铍青铜Be、锰青铜等）2、铝及其合金(héjīn)：纯铝、硬铝、铸铝3、钛及其合金(héjīn)：纯钛、钛合金(héjīn)第三节常用工程(gōngchéng)材料精品资料非金属1.工程塑料(sùliào)（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，耐磨、减摩、自润滑性好，工艺性好－分类：热固性塑料(sùliào)、热塑性塑料(sùliào)2.橡胶：高弹性、绝缘性－密封件、缓冲件、绝缘件上述二者易老化，难回收（污染）3.人工合成矿物：刚玉（宝石Al2O3）,石英SiO2第三节常用(chánɡyònɡ)工程材料精品资料一、钢的热处理加热、保温、冷却改变金属(jīnshǔ)整体或表面组织，获得所需性能。（铸铁、某些铜合金也可用热处理来改善其力学性能）种类普通热处理：退火、正火、淬火、回火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、渗碳、氮化、碳氮共渗其他热处理第四节钢的热处理精品资料1、退火：加热（至临界温度710～750°以上30～50°）、保温、随炉冷却目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力和残余应力，改善切削性能，预先热处理2、正火：加热、保温（与退火相似(xiānɡsì)）、空气冷目的：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，中碳钢的预处理。3、淬火：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，出现内应力，材料变脆，须回火。方法：单介质淬火；双介质淬火第四节钢的热处理精品资料4、回火：零件淬火后，加热至临界温度(wēndù)之下，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，达到设计图纸要求的硬度。回火工艺的种类：1)、低温回火:加热温度(wēndù)（150～250C）降低应力和脆性，保持高硬度。58～64HRC2)、中温回火：加热温度(wēndù)（350～500C）消除内应力，提高弹性，35～45HRC，具有一定硬度、韧性

第四节钢的热处理精品资料第四节钢的热处理3)、高温回火：（500～650C）消除内应力，获得较高韧性和塑性，但硬度较低（200～350HBS）调质处理=淬火＋高温回火4）、时效处理：在100～150C进行长时间加热（10～15h）。消除内应力，保持硬度和尺寸稳定性。5）、冷处理：在-70～-80C进行长时间冷冻(lěngdòng)。目的：同时效处理精品资料二、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。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结合的方法实现。其方式：感应加热：利用(lìyòng)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。火焰加热：利用(lìyòng)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同厚度的淬硬层。第四节钢的热处理精品资料2、化学(huàxué)热处理将钢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(huàxué)成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。与表面淬火不同之处：表面层不仅有组织变化，而且有成分的变化。目的：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。按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。第四节钢的热处理精品资料1）渗碳渗碳是向钢件表面层渗入碳原子的过程。其目的(mùdì)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。分类：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳过程：工件放入密封的加热炉，通入渗碳剂在900～950C加热、保温。用于低碳钢、低合金钢第四节钢的热处理精品资料2）氮化氮化是向钢件表面(biǎomiàn)层渗人氮原于的过程。目的：提高表面(biǎomiàn)层的硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性。氮化能够获得比渗碳淬火更高的表面(biǎomiàn)硬度、耐磨性、热硬性、疲劳强度和抗腐蚀性能，变形小。3）碳氮共渗(氰化)碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上又称为氰化。第四节钢的热处理精品资料表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆盖层，以达到(dádào)防蚀、装饰等目的。种类电镀：镀铬、镀镍、镀锌、镀镉、镀银化学处理：氧化和磷化涂漆第五节表面(biǎomiàn)精饰精品资料使用要求、工艺要求、经济要求使用要求：载荷大小、性质和分