机械制造基础课件-机械设计中材料的选材与热处理-元丰

机械设计中材料的选材与热处理本课程将深入探讨机械设计中材料的选择和热处理过程。我们将学习如何选择适当的材料，以及如何通过热处理来改善材料性能。机械设计的基本原理功能性设计必须满足预期的功能要求，确保机械部件能够正常工作。可靠性机械设计应考虑长期使用的可靠性，减少故障和维护需求。经济性设计应在满足性能要求的同时，尽可能降低生产和运营成本。可制造性设计应考虑生产工艺的可行性，便于批量生产和装配。材料的分类1金属材料钢铁、铝、铜等2非金属材料塑料、橡胶、陶瓷等3复合材料碳纤维复合材料、玻璃钢等4新型材料纳米材料、智能材料等常见工程材料性能对比材料类型强度重量耐腐蚀性成本钢高重中等低铝中等轻好中等钛高轻优秀高塑料低轻优秀低金属材料的分类黑色金属包括各种钢铁材料，如碳钢、合金钢、不锈钢等。有色金属铝、铜、镁、钛等非铁金属及其合金。贵金属金、银、铂等珍贵金属，常用于特殊用途。稀有金属钨、钼、锆等稀有元素及其合金。金属材料的常见性能指标强度材料承受外力而不发生破坏的能力。硬度材料抵抗永久变形或压痕的能力。韧性材料在断裂前吸收能量并发生塑性变形的能力。耐腐蚀性材料抵抗化学或电化学腐蚀的能力。金属材料的选择依据使用环境考虑温度、湿度、腐蚀性等因素。力学性能评估强度、硬度、韧性等要求。加工性能考虑材料的可加工性和成形性。经济性权衡材料成本与性能之间的关系。等轴晶与定向晶等轴晶晶粒在各个方向上尺寸大致相等。具有均匀的性能，适用于大多数常规应用。定向晶晶粒沿特定方向生长。在某些方向上具有优异的性能，常用于特殊应用，如涡轮叶片。金属材料的热处理概述1加热将金属加热到特定温度，改变其内部结构。2保温在特定温度下保持一段时间，使结构变化均匀。3冷却以不同速度冷却，控制最终的金属组织和性能。金属材料热处理的基本途径1改变化学成分通过渗碳、渗氮等方法改变表面成分。2调整相组成通过加热冷却控制相的形成和转变。3改变晶粒大小通过温度控制影响晶粒生长和细化。4消除内应力通过低温加热释放材料内部的残余应力。退火1加热缓慢加热至特定温度。2保温在高温下保持一定时间。3缓冷缓慢冷却至室温。4目的软化材料，消除内应力，改善加工性能。正火加热加热至奥氏体化温度以上。保温保持足够时间以确保完全奥氏体化。空冷在空气中自然冷却。效果细化晶粒，提高强度和韧性。淬火快速加热迅速加热至奥氏体化温度。短暂保温保持足够时间以确保均匀化。急速冷却在水、油或其他介质中快速冷却。提高硬度形成马氏体组织，大幅提高硬度和强度。回火1低温回火150-250℃，减少内应力，略微降低硬度。2中温回火350-450℃，提高韧性，降低部分硬度。3高温回火500-650℃，大幅提高韧性，显著降低硬度。调质处理淬火先进行淬火处理，提高硬度和强度。高温回火随后进行高温回火，改善韧性。平衡性能在强度和韧性之间取得良好平衡。应用广泛用于要求强度和韧性兼备的零件。表面热处理火焰淬火用高温火焰快速加热表面，然后急冷。适用于大型零件的局部硬化。感应淬火利用电磁感应加热表面，随后快速冷却。可实现精确的深度控制。激光淬火使用激光束加热表面，实现精确的局部硬化。适用于复杂形状零件。时效处理固溶处理将合金加热至高温，使所有元素溶解。快速冷却保持溶质元素过饱和固溶状态。时效在特定温度下保持一定时间，析出强化相。性能提升显著提高材料的强度和硬度。渗碳目的提高表面碳含量，增加表面硬度。方法在高温下使碳原子扩散进入钢的表面。介质可使用固体、液体或气体渗碳剂。应用齿轮、轴承等需要高表面硬度的零件。渗氮氮化在高温下使氮原子扩散进入金属表面。低温通常在500-570℃进行，温度低于渗碳。高硬度形成氮化物，显著提高表面硬度。耐磨性大幅提高表面耐磨性和抗疲劳性能。浸渍1预热将工件加热至适当温度。2浸渍将工件浸入熔融金属或合金中。3保温保持一定时间，使表面形成合金层。4冷却缓慢冷却，确保合金层均匀致密。钢的选择与热处理流程1选材根据使用要求选择适当的钢种。2初热处理如退火或正火，改善加工性能。3成形加工进行切削、锻造等加工。4最终热处理如淬火、回火，获得所需性能。铸铁的选择与热处理流程选择铸铁类型根据需求选择灰铸铁、球墨铸铁等。铸造成形使用模具铸造出所需形状。退火处理消除铸造应力，改善加工性能。特殊热处理如等温淬火，提高强度和韧性。有色金属的选择与热处理流程铝合金常用T6热处理：固溶+人工时效，提高强度。铜合金退火软化或固溶强化，改善性能。镁合金T4处理：固溶+自然时效，提高强度和塑性。钛合金退火或固溶+时效，平衡强度和韧性。塑性成形材料的选择与热处理热轧钢通过高温轧制成形，常需退火或正火处理。冷轧钢室温下轧制，可通过退火消除加工硬化。挤压铝型材挤压成形后进行固溶和时效处理，提高强度。陶瓷与复合材料的选择工程陶瓷选择氧化铝、氮化硅等，注重耐高温和耐磨性。纤维增强复合材料根据需求选择碳纤维、玻璃纤维等增强体。金属基复合材料选择铝基、钛基等，注重轻量化和高性能。高性能工程塑料选择PEEK、PPS等，注重耐温和化学稳定性。材料选择与热处理的注意事项性能匹配确保选择的材料性能与应用要求相符。成本控制在满足性能要求的前提下，考虑材料和加工成本。加工工艺考虑材料的可加工性和热处理对加工的影响。环境因素评估使用环境对材料的影响，如腐蚀、温度等。材料选择与热处理在设计中的应用1概念设计初步选择材料类型。2详细设计确定具体材料规格和热处理方案。3性能分析通过仿真评估材料性能。4优化迭代根据分析结果调整材料和处理方案。5最终确认确定最佳材料和热处理工艺。常见的材料缺陷及其防治缺陷类型原因防治措施裂纹热处理不当控制加热冷却速度气孔铸造过程气体夹杂优化浇注工艺偏析合金元素分布不均改善凝固条件夹杂杂质混入提高原料纯度，改进冶炼工艺材料检验与测试拉伸测试测定材料的强度、延伸率等。硬度测试测量材料表面抗压痕能力。