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1、第一章第一章 机械零件的常用机械零件的常用材料和结构工艺性材料和结构工艺性1-1 机械零件的常用材料机械零件的常用材料n一、现代工业中的材料及发展趋势一、现代工业中的材料及发展趋势n人类使用材料已经有几万年的历史人类使用材料已经有几万年的历史;机械工程材料已不仅是工业生产的基础，机械工程材料已不仅是工业生产的基础，而且成为推动工业技术不断前进的重要保证。而且成为推动工业技术不断前进的重要保证。n 材料分为三大类材料分为三大类:金属材料金属材料,非金属材料非金属材料,复合材料复合材料。n材料：材料：1.金属材料：分为黑色金属金属材料：分为黑色金属(钢铁钢铁)材料和材料和有色金属有色金属(非铁金属
2、及其合金非铁金属及其合金)；2.复合材料：通常指将两种以上材料用人复合材料：通常指将两种以上材料用人工方法合成的材料。工方法合成的材料。(金属陶瓷、强化金属陶瓷、强化塑料塑料)3.非金属材料：以上两种之外的材料。非金属材料：以上两种之外的材料。（玻璃、橡胶、皮革、木材等等）（玻璃、橡胶、皮革、木材等等）二、常用金属材料的分类二、常用金属材料的分类n 从应用的角度将材料分大类从应用的角度将材料分大类n一类是以机械性能为主要的一类是以机械性能为主要的“结构材料结构材料”.n另一类叫做另一类叫做“功能材科功能材科”是指那些具行特异物理是指那些具行特异物理化学性质的材料，如超导材料、激光材料、半导体材
3、化学性质的材料，如超导材料、激光材料、半导体材料、形状记忆材料等。机械工程中所用的主要是结构料、形状记忆材料等。机械工程中所用的主要是结构材料。材料。n近年来，材料迅速发展，其总的趋势是金属材料近年来，材料迅速发展，其总的趋势是金属材料的统治地位巳被动摇，开始出现金属材料、陶瓷的统治地位巳被动摇，开始出现金属材料、陶瓷材料和高分子材料三足鼎立的局面。材料和高分子材料三足鼎立的局面。三、常用金属材料的机械性能三、常用金属材料的机械性能 和命名方法和命名方法n钢n定义定义：含碳量：含碳量2%的铁碳合金的铁碳合金.n分为:结构钢、工具钢、特殊钢。n结构钢:按钢的品质分为:普通碳素结构钢、优质碳素结构
4、钢、合金钢、铸钢。n普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：含硫量含硫量0.05%，含磷量含磷量0.045的钢的钢.特点特点:塑性好塑性好;所以，其焊接性能、冲压性能都好；所以，其焊接性能、冲压性能都好；但是强度低些。但是强度低些。牌号牌号:用材料的屈服点数值前加用材料的屈服点数值前加Q（屈服（屈服 的首字母）的首字母）如：如：Q235。(表示材料的屈服点数值表示材料的屈服点数值=235MPa)性能等级性能等级:A、B、C、D(从低到高从低到高)优质碳素结构钢：优质碳素结构钢：含硫量含硫量0.035%，含磷量含磷量0。035的钢的钢.牌号牌号:用两位数字表示用两位数字表示;数字代表该钢的平均含碳量为万
5、分之几。数字代表该钢的平均含碳量为万分之几。（如：（如：45钢，含碳量为钢，含碳量为:0.45%）。）。优质碳素结构钢根据含碳量的多少又可以分为：优质碳素结构钢根据含碳量的多少又可以分为：低碳钢低碳钢:（含碳量（含碳量0.25%)强度和硬度低，塑性和焊接性能好强度和硬度低，塑性和焊接性能好;中碳钢中碳钢:（0.25%含碳量含碳量0.6%)综合性能好，应用最广综合性能好，应用最广;高碳钢高碳钢:（0.6%含碳量含碳量)硬度大，耐磨硬度大，耐磨。n合金钢：合金钢：在碳素结构钢中加入合金元素所形在碳素结构钢中加入合金元素所形 成的材料。成的材料。目的目的:为改善钢的力学、工艺或者物理性能为改善钢的力
6、学、工艺或者物理性能;牌号牌号:用数字和合金元素符合表示。用数字和合金元素符合表示。前面的数字为前面的数字为:含碳量含碳量(万分之万分之)，合金元素后面数字为合金元素后面数字为:其含量其含量(%)，合金元素含量合金元素含量1.5%时，省略。时，省略。如如:60Si2Mn（含碳量（含碳量C 0.6%,含硅量含硅量Si2%,含锰量含锰量Mn1.5%)。n合金钢牌号后面合金钢牌号后面加加A，则表示优质则表示优质其他材料n铸钢：含碳量铸钢：含碳量2%特点：脆性大，不宜焊接和锻压特点：脆性大，不宜焊接和锻压.常见的有：灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等常见的有：灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等.牌号：灰口铸铁
7、牌号：灰口铸铁(HT)、球墨铸铁球墨铸铁(QT)、可锻铸铁可锻铸铁(KT).如如 HT150(表示灰口铸铁表示灰口铸铁,其其b=150MPa)有色金属：铜、铝等合金有色金属：铜、铝等合金;见见P8和表和表16，17.工程塑料。工程塑料。常用钢材的命名及其性能常用钢材的命名及其性能钢牌号牌号b抗拉强度抗拉强度MPas屈服点屈服点MPa普通碳素普通碳素结构钢结构钢Q215Q255335345410550215255优质碳素优质碳素结构钢结构钢2045410600245355合金结构合金结构钢钢20Cr35CrMo835980540835铸钢铸钢ZG200-400ZG310-570400570200
8、310四、金属材料的热处理四、金属材料的热处理n钢的热处理就是钢的热处理就是:对固态的钢材加热的一种对固态的钢材加热的一种处理方法处理方法.n目的：通过不同温度的加热、保温和冷却的工目的：通过不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法，使钢的内部结构发生变化，从而达到艺方法，使钢的内部结构发生变化，从而达到改善钢材性能（硬度、强度、韧性、可加工行改善钢材性能（硬度、强度、韧性、可加工行等等）的目的，从而可以提高零件的质量，尽等等）的目的，从而可以提高零件的质量，尽量降低成本量降低成本.n方法：退火、正火、淬火、回火和调质及化学方法：退火、正火、淬火、回火和调质及化学处理等方法处理等方法.五、热处理方
9、法五、热处理方法n退火：加热临界温度以上、保温、退火：加热临界温度以上、保温、随炉冷却随炉冷却 目的目的:消除内应力消除内应力n正火：加热临界温度以上、保温、正火：加热临界温度以上、保温、空气冷却空气冷却 目的目的:改善材料的综合力学性能改善材料的综合力学性能n淬火：加热临界温淬火：加热临界温 度以上、保温度以上、保温 油冷油冷 水冷水冷 特点：硬度、脆性增大，内应力增加甚至开裂特点：硬度、脆性增大，内应力增加甚至开裂回火：把淬火后的零件再次加热到一定温度回火：把淬火后的零件再次加热到一定温度(低于临界温低于临界温度度),保温一定时间保温一定时间,然后在空气中冷却然后在空气中冷却.再次加热到一
10、定温度再次加热到一定温度:150250C:低温回火低温回火;350500C:中温回火中温回火;500650C:高温回火高温回火;调质：淬火调质：淬火+高温回火高温回火表面淬火：高频淬火、火焰表面淬火表面淬火：高频淬火、火焰表面淬火六、化学热处理六、化学热处理(把零件放入化学介质中加热保温使介质元素渗入零件表层中把零件放入化学介质中加热保温使介质元素渗入零件表层中,使其化学成分改变使其化学成分改变,从而使表层的组织性能变化从而使表层的组织性能变化.)n渗碳：渗碳：钢材的特点钢材的特点-C低则软。渗碳可提高表面硬低则软。渗碳可提高表面硬度和耐磨性，心部仍保持塑性和韧性。度和耐磨性，心部仍保持塑性和
11、韧性。n用于低碳钢和低碳合金钢用于低碳钢和低碳合金钢n渗氮：渗氮：可在表面形成高硬度层，但是不能承受大可在表面形成高硬度层，但是不能承受大的冲击和压力渗氮零件。的冲击和压力渗氮零件。n用于低碳钢和中碳钢用于低碳钢和中碳钢n氰化处理：氰化处理：碳氮共渗以后，淬火，低温回火碳氮共渗以后，淬火，低温回火n具有前两种的共同优点具有前两种的共同优点n用于低碳钢和中碳钢用于低碳钢和中碳钢七、选材原则七、选材原则 1.满足使用方面的要求满足使用方面的要求 载荷性质：拉、压、冲击、交变等载荷性质：拉、压、冲击、交变等 工况条件：温度、环境、腐蚀工况条件：温度、环境、腐蚀 重量尺寸：重量尺寸：重要程度重要程度:
12、2.满足工艺方面的要求满足工艺方面的要求3.满足经济方面要的求满足经济方面要的求1-2 零件的结构工艺性零件的结构工艺性n工艺性工艺性：就是结构设计中一些具体结构的具体：就是结构设计中一些具体结构的具体 处理方式。处理方式。它是大量工程经验的总结。它是大量工程经验的总结。原则是：以最低的成本和最少的劳动造出合格原则是：以最低的成本和最少的劳动造出合格的便于替换的零件。的便于替换的零件。具体情况怎么处理，参考具体情况怎么处理，参考P1317(表表1-9等）。等）。n结构设计中的注意事项：结构设计中的注意事项：1.要便于零件毛坯的制造要便于零件毛坯的制造2.要便于零件的机械加工要便于零件的机械加工
13、3.要便于零件的装卸和可靠定位要便于零件的装卸和可靠定位1-3 机械设计中的标准化机械设计中的标准化n目的：保证质量、减轻设计工作量，便于目的：保证质量、减轻设计工作量，便于零件互换和组织专业化的生产，以降低成零件互换和组织专业化的生产，以降低成本。本。（设计要尽量遵守标准、选用标准件设计要尽量遵守标准、选用标准件）n标准有标准有:国家标准国家标准(GB)、行业标准、专业标准。、行业标准、专业标准。强制性国家标准强制性国家标准(1993实行）：实行）：代号：代号：GB xxxx(序号）序号）xxxx（批准年号）（批准年号）*必须严格遵照执行必须严格遵照执行,否则就是违法否则就是违法.推荐性国家标准推荐性国家标准(1993实行）实行）：代号：代号：GB/T xxxx(序号）序号）xxxx（批准年号）（批准年号）*无特殊理由和特殊需要无特殊理由和特殊需要,必须遵守必须遵守.准备转为行业标准的国家标准：准备转为行业标准的国家标准：代号：代号：GB/*xxxx(序号）序号）xxxx（批准年号）（批准年号）