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1、1机械学基础课程电子教案机械学基础课程电子教案机械学基础多媒体系列机械学基础多媒体系列CAI课件课件2第第5章章 机械工程常用材料及其工程性能机械工程常用材料及其工程性能5.1 概述概述材料材料金属材料金属材料:无机非金属材料无机非金属材料陶瓷陶瓷有机材料有机材料塑料，橡胶，合成纤维塑料，橡胶，合成纤维非金属材料非金属材料:黑色金属材料黑色金属材料铁基金属合金铁基金属合金有色金属材料有色金属材料铜、铝、镁铜、铝、镁零部件机构设计（零部件机构设计（材料、热处理、形状、尺寸材料、热处理、形状、尺寸）定原理方案后定原理方案后保证零部件的工作能力保证零部件的工作能力依据依据35.2 金属材料的机械性能
2、金属材料的机械性能机械性能机械性能强度强度刚度刚度塑性塑性材料抵抗材料抵抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的能力的能力材料抵抗材料抵抗弹性变形弹性变形的能力的能力在外力作用下金属产生在外力作用下金属产生塑性变形塑性变形而不而不产生产生断裂断裂的能力的能力硬度硬度材料抵抗局部材料抵抗局部塑性变形塑性变形能力的性能指能力的性能指标标硬度保证硬度保证强度强度、耐磨性耐磨性和和寿命寿命金属的疲劳金属的疲劳当应力的周期循环次数增加到某一当应力的周期循环次数增加到某一数值数值N后，材料也会产生后，材料也会产生断裂断裂线膨胀系数线膨胀系数0lla tt 4延伸率延伸率:试件拉断后单位长度内产生残余伸长的百分数；
3、试件拉断后单位长度内产生残余伸长的百分数；%100001lll延伸率： 收缩率收缩率:试件拉断后横截面积相对收缩的百分数；试件拉断后横截面积相对收缩的百分数；%100001AAA收缩率：55.3 常用的工程材料常用的工程材料黑色黑色金属金属铸铁铸铁:含碳量大于含碳量大于2.06的铁碳合金；的铁碳合金；制作底座、支架、工作台制作底座、支架、工作台 合金钢合金钢:为改善钢的性能，在钢中加入一种或数种为改善钢的性能，在钢中加入一种或数种合金元素的钢合金元素的钢铬、锰、镍、硅、铝、钨铬、锰、镍、硅、铝、钨碳素钢碳素钢:（含碳量（含碳量0.04%-1.7的铁碳合的铁碳合金称为钢）金称为钢）普通碳素结构钢
4、普通碳素结构钢Q255 、 Q275、Q235A制造强度要求高的零件连杆、轴制造强度要求高的零件连杆、轴优质碳素结构钢优质碳素结构钢钢号钢号10 、 15 、 20 、 85 一般零部件应用（一般零部件应用（0.01）碳素工具钢碳素工具钢T8 、 T12A （高级高级优质碳优质碳素工具刚）素工具刚）一般零部件应用（一般零部件应用（0.1）高硬度和耐磨性高硬度和耐磨性6铸铁铸铁分类分类白口铸铁：白口铸铁：碳以碳以Fe3O存在，断口呈白亮色存在，断口呈白亮色硬度高、脆性大硬度高、脆性大灰口铸铁：灰口铸铁：碳以碳以片状石墨片状石墨存在，断口呈暗灰色存在，断口呈暗灰色良好的工艺良好的工艺性能和机械性能
5、性能和机械性能HT100可锻铸铁可锻铸铁:石墨呈团絮状石墨呈团絮状存在，白口铸铁经退火后获得存在，白口铸铁经退火后获得塑塑性和韧性好性和韧性好球墨铸铁球墨铸铁:石墨呈球状石墨呈球状存在强度高、铸造性好存在强度高、铸造性好QT400-17铸铁特点：铸铁特点：含碳量为含碳量为2.54的铁碳合金，的铁碳合金，杂质（硅、锰、杂质（硅、锰、琉、磷）含量琉、磷）含量比钢多，具有良好的比钢多，具有良好的铸造性、耐磨性和切削加工铸造性、耐磨性和切削加工性性，生产简单、价格便宜；，生产简单、价格便宜；蠕墨铸铁蠕墨铸铁:石墨呈蠕虫状石墨呈蠕虫状存在；存在；7碳素钢碳素钢分类分类按含碳量分按含碳量分:低碳钢低碳钢（
6、含碳（含碳0.6）普通碳素钢普通碳素钢优质碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢高级优质碳素钢按钢的质量分按钢的质量分:（有害杂质（有害杂质S、P含量）含量）按用途分按用途分:碳素结构钢碳素结构钢:（用于工程构件和零件（用于工程构件和零件齿轮、轴、杆齿轮、轴、杆是低碳钢和中碳钢是低碳钢和中碳钢）碳素工具钢碳素工具钢:（用于制造（用于制造刀具、模刀具、模具、量具具、量具是高碳钢是高碳钢）8合金钢合金钢分类分类合金结构钢：合金结构钢：刃具钢刃具钢量具钢量具钢模具钢模具钢合金工具钢合金工具钢特殊功能钢特殊功能钢:低合金机构钢低合金机构钢机械制造用钢机械制造用钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢铸钢铸钢:合
7、金钢优点：合金钢优点：加入合金元素可使钢获得一般碳素钢达不到的性加入合金元素可使钢获得一般碳素钢达不到的性能能(如如硬度、强度、塑性和韧性硬度、强度、塑性和韧性等等)；提高耐磨、防腐、防酸性提高耐磨、防腐、防酸性能能；获得；获得高弹性、高抗磁或导磁性高弹性、高抗磁或导磁性等；等；9有色有色金属金属形状记忆形状记忆合金合金在宇航、电子、医疗等方面应用在宇航、电子、医疗等方面应用铜及铜及铜合金铜合金不宜制造结构零件，常制作电不宜制造结构零件，常制作电元件和耐磨件，价格贵元件和耐磨件，价格贵;T1,T2纯铜纯铜铜与铜与锌锌合金，合金，H80 、H59 (铜含量铜含量)、HPb59-1 、HMn58-
8、2（特殊）（特殊）黄铜黄铜铜与铜与锡铅锡铅等元素的合金等元素的合金锡青铜（铜锡合金）锡青铜（铜锡合金）无锡青铜（含铝铍锰等元素）无锡青铜（含铝铍锰等元素）青铜青铜铝及铝及铝合金铝合金铸铝合金铸铝合金变形铝合金变形铝合金超硬铝合金超硬铝合金工业纯铝：工业纯铝：L1（纯度最高）、（纯度最高）、L2、L710非金属非金属材料材料工程塑料工程塑料陶瓷材料陶瓷材料密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易加工；加工；硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀人工合成人工合成矿物矿物宝石宝石石英石英橡橡 胶胶耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；1
9、15.4 金属材料的热处理与表面精饰金属材料的热处理与表面精饰钢的热处理钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的将钢在固态范围内施以不同形式的加热加热、保温保温和和冷却冷却，从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。铸造、锻造或焊接铸造、锻造或焊接晶粒粗大、加工硬化、内应力较大晶粒粗大、加工硬化、内应力较大零件毛坯零件毛坯加工方法加工方法存在缺陷存在缺陷解决解决热处理热处理钢的热处理钢的热处理：改善钢的加工工艺性能；提高钢的机械性能；改善钢的加工工艺性能；提高钢的机械性能；增加寿命和耐磨性增加寿命和耐磨性;12热处理热处理普通
10、热处普通热处理理表面热处表面热处理理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学化学热处理热处理火焰加热火焰加热感应加热感应加热渗碳渗碳氮化氮化氰化氰化13普通普通热处理热处理退火退火将钢加热稍高于临界温度将钢加热稍高于临界温度保持一定时间保持一定时间缓慢冷却缓慢冷却；目的目的：软化钢件，以利于切削，细化晶粒，：软化钢件，以利于切削，细化晶粒，改善组织以提高化学性能；消除残余应力，改善组织以提高化学性能；消除残余应力，以防止变形、干裂以防止变形、干裂；正火正火淬火淬火回火回火将钢加热稍高于临界温度保持一定时间将钢加热稍高于临界温度保持一定时间在在空气中冷却空气中冷却；目的：强度硬度比退
11、火后高；利于切削加目的：强度硬度比退火后高；利于切削加工工将钢加热将钢加热高于高于临界温度保温在水或油临界温度保温在水或油中迅速冷却；中迅速冷却；目的：目的：提高零件硬度和耐磨性；提高零件硬度和耐磨性；将将淬火淬火后零件重新加热后零件重新加热低于低于临界温度临界温度保温在水或油中迅速冷却；保温在水或油中迅速冷却；目的：目的：消除淬火时冷却过快产生的内应力；消除淬火时冷却过快产生的内应力；是是淬火淬火后必须程序；后必须程序；145.4 金属材料的热处理与表面精饰金属材料的热处理与表面精饰表面表面热处理热处理表面淬火表面淬火化学化学热处理热处理快速加热迅速冷却快速加热迅速冷却目的目的：使表面变硬；
12、内部塑性和韧使表面变硬；内部塑性和韧性较好；性较好；齿轮、蜗杆、丝杆、齿轮、蜗杆、丝杆、轴颈；轴颈；将工件在一定介质中将工件在一定介质中加热和保温加热和保温使使介质中介质中活性原子渗入活性原子渗入表层改变表层表层改变表层化学成分和组织化学成分和组织使具有特殊的使具有特殊的力学力学或物理化学性能；或物理化学性能；渗碳；氮化；氰化渗碳；氮化；氰化金属零件的金属零件的表面精饰表面精饰电镀电镀化学处理化学处理涂漆涂漆目的目的：在金属表面加覆盖层，：在金属表面加覆盖层，以达到以达到防腐、改善性能和装防腐、改善性能和装饰饰作用；作用；155.5 机械零件材料的选择机械零件材料的选择选择零件材料的总原则选择
13、零件材料的总原则：在满足零部件在满足零部件使用性能使用性能的前提下，同时的前提下，同时兼顾材料的兼顾材料的加工工艺性加工工艺性和和经济型经济型。使用性能：使用性能：物理性能：物理性能：电、磁、热电、磁、热等；等；化学性能：化学性能：表面氧化、电化学腐蚀表面氧化、电化学腐蚀等；等；力学性能：力学性能：强度强度、塑性、硬度、韧性、塑性、硬度、韧性等主要指标等主要指标分析零件的工作条件分析零件的工作条件（受力、振动、冲击、摩擦等）（受力、振动、冲击、摩擦等）分析失效形式分析失效形式（变形、（变形、表面损伤、磨损、断裂）表面损伤、磨损、断裂）结合力学计算确定零件应结合力学计算确定零件应具有的具有的力学
14、性能指标力学性能指标选择材料选择材料生产生产定热处理方法定热处理方法16工艺性能：工艺性能：铸造性：铸造性：可锻性：可锻性：焊接性：焊接性：切削加工性：切削加工性：热处理工艺性：热处理工艺性：17习题习题：1. 高碳钢、中碳钢、低碳钢是怎样划分的？高碳钢、中碳钢、低碳钢是怎样划分的？2. 下列牌号表示什么铸铁？牌号中的数字表示什么含义？下列牌号表示什么铸铁？牌号中的数字表示什么含义？ HT250 QT700-2 HT100 QT500-73. 下列牌号表示什么材料？牌号中的数字表示什么含义？下列牌号表示什么材料？牌号中的数字表示什么含义？ H82 HMn58-1 Q235A 20Mn4. 下列牌号表示什么材料？下列牌号表示什么材料？ L1 ZQAL9-45. 制作锉刀用制作锉刀用T13钢还是钢还是30钢？钢？6. 制作齿轮用制作齿轮用45钢还是钢还是Q235A？7. 铸铁有何优点？铸铁有何优点？