机械制造基础课件 项目一 工程材料选 用

机械制造基础多媒体课件项目一工程材料选用【项目概述】图1-1所示为某减速器中的传动轴，工作条件为中等载荷，生产类型为小批量生产，试完成该传动轴的材料择、热处理方案确定和硬度检测任务。项目一工程材料选用项目一工程材料选用【教学目标】

1：能力目标：通过本项目的学习，学生可以掌握工程材料选用的基本原则和方法，能够针对不同条件下各种零件正确地选用合适的材料，确定热处理方案，并能熟练使用硬度仪对加工好的零件进行硬度检测。

项目一工程材料选用

2：知识目标：了解工程材料的分类、常用工程材料的种类及用途。掌握金属材料的力学性能、强度、塑性、硬度、冲击韧性与疲劳强度的概念，强度的检测方法。掌握铁碳合金相图的分析方法、常用热处理方法及造用条件。项目一工程材料选用【知识准备】任务一了解金属材料的力学性能

金属材料的力学性能又称机械性能，是金属在力或能的作用下，材料所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等，它反映了金属材料在各种外力作用下抵抗变形或破坏的能力。工艺性能—在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。使用性能—材料在使用过程中所表现的性能力学性能物理性能化学性能铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能材料的力学性能

指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。材料的性能作用在机件上的外力——载荷FFF=F’

（MPa）外力——内力——应力F’F静载荷动载荷σ=F’/S一.常用术语1.应力与应变应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。FF拉伸前拉伸后应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”（1）弹性变形：

材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。2.两种基本变形FFF（2）塑性变形:

材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FFF拉伸试验FFL拉伸前拉伸后kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线应力—应变曲线o材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变形2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形5、b点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，K点时试样发生断裂。3、ss’段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形

s’1．强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）弹性极限（σe）指金属材料能保持弹性变形的最大应力。σe=Fe/S0（MPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。（2）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服强度—

是塑性材料选材和评定的依据。0.2%l0

bkFes

对于低塑性材料或脆性材料：

σb=Fb/S0（MPa）（3）抗拉强度（σb）

抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力

屈服强度与抗拉强度的比值σS

/σb称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。2.塑性常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3．刚度

在弹性阶段：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。

比例系数E称为弹性模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。

所以：E—材料抵抗弹性变形的能力越大。

弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而逐渐降低。4、硬度定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。1)布氏硬度HB布氏硬度计压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

布氏硬度压痕表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的

b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：

b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或

b(MPa)≈0.6(HB-40)2)洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕3)维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕

维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。

小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计1．冲击韧度（冲击韧性）

AKU=mg（H1–H2）（J）aK=

AKU/S（J/cm2）

材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

第二节动态时材料的力学性能材料的aK值愈大，韧性就愈好；材料的aK值愈小，材料的脆性愈大通常把aK值小的材料称为脆性材料研究表明，材料的aK值随试验温度的降低而降低。

加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，aK在值越低。标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以aKU和aKV。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板2．疲劳强度工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的

s，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。

据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限N0N钢：有色金属：N0—

循环基数影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等力学性能

b

s强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度三、力学性能与失效形式的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损材料性能总结决定材料性能实质：构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。研究的意义：性能决定了材料的用途。性能决定了材料和零部件生产方法。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。1.2铁碳合金

任务二铁碳合金相图分析铁碳合金相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及制定热加工和热处理工艺也具有重要的指导意义。Fe-Fe3C相图图1-10Fe-Fe3C相图1．Fe-Fe3C相图中的相

Fe-Fe3C相图中存在五种相。(1)液相铁和碳的液溶体，用符号L表示。(2)高温铁素体(δ铁素体)是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构，在1394℃以上存在。(3)铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构。铁素体中碳的溶解度很小，室温时碳的质量分数约为0.0008％，在727℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.0218％。其性能特点是强度低、硬度低、塑性好。铁素体用符号F或α表示。(4)奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的溶解度较大，在1148℃时溶碳量最大，碳的质量分数达2.11％。其性能特点是强度较低、硬度不高、塑性良好。奥氏体用符号A或γ表示。(5)渗碳体是铁与碳的一种具有复杂晶格的间隙化合物，化学式为Fe3C。其性能特点是硬度很高、塑性极差、脆性大。渗碳体用符号cm表示，或直接用其化学式表示。任务三掌握钢的热处理方法

钢的热处理(heattreatment)，是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种金属加工工艺

钢的热处理可分为整体热处理和表面热处理两大类。整体热处理包括退火、正火、淬火和回火；表面热处理包括表面淬火和化学热处理1钢的退火和正火退火和正火主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件，由于处理时冷却速度较慢，故对钢的强化作用较小，在许多情况下不能满足使用要求。除少数性能要求不高的零件外，一般不作为获得最终使用性能的热处理，而主要用于改善其工艺性能，故称为预备热处理。退火和正火的目的有以下几点：消除残余内应力，防止工件变形、开裂；改善组织，细化晶粒；调整硬度，改善切削性能；为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备（1）退火退火是将钢加热至适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。根据目的和要求的不同，工业上常用的退火工艺有完全退火、球化退火、去应力退火和扩散退火。各种退火工艺规范见如图1-11所示。

图1-11碳钢各种退火的工艺规范示意图图1-11碳钢各种退火的工艺规范示意图1）完全退火完全退火是将钢完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。2）球化退火球化退火是使钢中碳化物（渗碳体）球状化而进行的退火工艺。3）去应力退火去应力退火是将工件加热至Ac1以下100～200℃，保温后随炉缓冷的热处理工艺

4）扩散退火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分的偏折和组织的不均匀性，将工件加热到Ac3以上150～200℃，长时间(10～15小时)保温后缓冷的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。其目的是为了达到化学成分和组织均匀化，均匀化退火后钢的晶粒粗大，因此一般还要进行完全退火或正火（2）钢的正火正火是将工件加热至以Ac3或Accm上30～50℃，保温后出炉空冷的热处理工艺。正火与退火的主要区别是：正火的冷却速度稍快，过冷度较大，所得组织比退火细，硬度和强度有所提高。正火主要应用于以下几方面：1)对于力学性能要求不高的零件，正火可作为最终热处理。2)低碳钢退火后硬度偏低，切削加工后表面粗糙度高，正火后可获得合适的硬度，改善切削性能。3)过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体．以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。（3）.退火与正火的选择退火与正火同属钢的预备热处理，在操作过程中如装炉、加热速度、保温时间都基本相同，只是冷却方式不同，在生产实际中有时两者可以互相代替。如何选择退火与正火？

从切削加工性考虑

钢件适宜的切削加工硬度为170～230HBS。因此，低碳钢、低碳合金钢应选正火作为预备热处理，中碳钢也可选用正火；而Wc>0.5﹪的非合金钢、中碳以上的合金钢应选用退火作为预备热处理。

从零件形状考虑

对于形状复杂的零件或大型铸件，正火有可能因内应力太大而引起开裂，则应选用退火。

从经济性考虑因正火比退火的操作简便，生产周期短，成本低，在能满足使用要求的情况下，应尽量选用正火，以降低生产成本。2淬火淬火是将钢件加热至Ac3或Ac1以上某一温度，保温后以适当速度冷却，获得马氏体和（或）下贝氏体组织的热处理工艺。其目的是提高钢的硬度和耐磨性。淬火是强化钢件的最重要的热处理方法。（1）.淬火温度的选择碳钢的淬火温度可利用Fe-Fe3C相图来选择,如图1-12所示。为防止奥氏体晶粒粗化，一船淬火温度不宜太高，只允许超出临界点30～50℃。

图1-12碳钢的淬火加热温度范围（2）淬火冷却介质淬火冷却介质是指工件进行淬火冷却时所使用的介质。在实际生产中还没有找到一种淬火介质能符合上述的理想淬火冷却速度，最常用的淬火冷却介质是水、水溶液、油、硝盐浴、碱浴、空气等。（3）淬火方法为保证淬火时既能得到马氏体组织，又能减小变形，避免开裂，一方面可选用合适的淬火介质，另一方面可通过采用不同的淬火方法加以解决。工业上常用的淬火方法有以下几种：（1）单液淬火法（2）双液淬火法（3）分级淬火法（（4）等温淬火法（5）局部淬火法（6）冷处理（4）.钢的淬透性和淬硬性

淬透性钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬层深度和硬度分布的特性。

淬硬性钢在理想条件下进行淬火硬化后所能达到的最高硬度的能力称为淬硬性。它主要取决于马氏体中的含碳量，合金元素对淬硬性影响不大。淬硬性与淬透性是两个意义不同的概念，淬硬性好的钢，其淬透性不一定好（5）.钢的淬火变形与开裂

热应力与相变应力(组织应力)。

工件淬火后出现变形与开裂是由内应力引起的。内应力分为热应力与相变应力。

工件在加热或冷却时，由于不同部位存在着温度差而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力。同时，在奥氏体向马氏体转变时，因比容增大会伴随工件体积的胀大，工件各部位先后相变，造成体积胀大不一致所引起的应力，称为相变应力(组织应力)。

淬火冷却时，工件中的内应力超过材料的屈服点．就可能产生塑性变形，如内应力大于材料的抗拉强度，则工件将发生开裂。

减小淬火变形和开裂的措施

对于形状复杂的工件，应选用淬透性好的合金钢，以便能在缓和的淬火介质中冷却；工件的几何形状应尽量做到厚薄均匀，截面对称，使工件淬火时各部分能均匀冷却；高合金钢锻造时应尽可能地改善碳化物分布，高碳及高碳合金钢采用球化退火有利于减小淬火变形；适当降低淬火温度、采用分级淬火或等温淬火都能有效地减小淬火变形。3回火

将淬火钢重新加热到某一温度范围内，保温后冷却的热处理工艺，称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。根据回火温度的不同，可将钢的回火分为如下三种：（1）低温回火回火温度为150～250℃，回火后的组织为回火马氏体。其目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度（HRC56～64）和高的耐磨性。淬火后低温回火用途最广，主要用于工具钢的热处理，如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件等。（2）中温回火回火温度为250～500℃，回火后的组织为回火托氏体。其目的是使钢获得高弹性，保持较高硬度（HRC35～45）和一定的韧性。中温回火主要用于各种弹簧、发条、锻模等。（3）高温回火回火温度为500～650℃，回火后的组织为回火索氏体。在热处理生产中通常将淬火加高温回火的复合热处理工艺称为调质处理，简称调质。调质处理广泛用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。其硬度为HRC20～35。4钢的表面热处理

（1）.表面淬火表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火可使工件表层获得马氏体组织，具有高硬度、高耐磨性，内部仍保持淬火前的组织，具有足够的强度和韧性，常用于机床主轴、齿轮，发动机的曲轴等。（2）化学热处理化学热处理是将工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它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。如通过化学热处理可提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度，增强耐高温、耐腐蚀性能等。化学热处理的种类很多，依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝、多元共渗等，以适用于不同的场合，其中以渗碳应用最广。任务四了解常用金属材料

金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。黑色金属材料即钢铁材料，是以铁碳为主要成分的合金；有色金属材料是指钢铁材料以外的金属材料，如铝及铝合金，铜及铜合金等。1．钢根据钢的成分不同，钢可分为碳素钢和合金钢。

碳素钢

合金钢为了改善和提高碳钢的性能，在碳钢的基础上有目的地加入一定量的其他合金元素的钢称为合金钢。2．铸铁

铸铁是碳质量分数大于2.11％、小于6.69％(通常为2.8％～3.5％)的铁碳合金，此外还含有硅、锰等合金元素及硫、磷等杂质。铸铁的抗拉强度低，塑性和韧性差，但铸铁具有优良的耐磨性、减