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1、机械基础知识机械设计基础模块一模块一 机械基础知识Module one Mechanical basics知识目标了解机械发展史尤其是中国机械发展史。掌握常用的机械工程材料的性能及应用。理解机械中的常见摩擦学知识。技能目标已知机械（机器），能分析其历史渊源。根据机械的使用场合，能选用合适的机械工程材料。根据机械的工作条件，能进行基本摩擦与润滑的分析。模块一 机械基础知识Module one Mechanical basics中国是世界上机械发展最早的国家之一，中国古代许多专用机械的设计和应用均有独到之处。被中香炉如图1-1所示，是中国古代用来盛香料熏被褥的球形小炉。炉体、内环、外环和外壳内壁的
2、支承轴线依次互相垂直，炉体由于重力作用，不论球如何滚转，炉口总是保持水平状态。这种结构完全符合现代航空航海中使用的陀螺仪原理。被中香炉的最早记载为西汉司马相如的美人赋。1963年在西安沙坡村出土的唐代银质被中香炉，球体外径50mm，制造精细、镂刻雅致。被中香炉不仅是一种艺术珍品，从机构的观点看，也是一项重要创造。图1-1被中香炉如果说书籍是人类精神文明进步的阶梯，那么机械无疑是人类物质文化前进的动力。本模块主要介绍机械发展史、机械工程材料、机械中的摩擦学。机械发展史History of mechanical development 壹机械工程材料Mechanical engineering m
3、aterials 贰机械工程材料Mechanical engineering materials 叁目录CONTENTS机械发展史 Historyofmechanicaldevelopment壹世界机械发展史可分为三个阶段:从公元前7000年城市文明出现到17世纪末为机械起源和古代机械发展阶段;从18世纪到20世纪初为近代机械发展阶段;从20世纪初至今为现代机械发展阶段。根据考古发现,公元前7000年巴勒斯坦地区犹太人建立杰里科城,城市文明首次出现在地球上,最早的车轮或许是此时诞生的。公元前4700年,埃及巴达里文化进入青铜器时代,出现了搬运重物的工具。公元14世纪以前,中国的发明创造在数量、
4、质量上以及发明时间上都是领先的。公元1世纪的东汉就开始使用水排(见图1-2),其中应用了齿轮和连杆机构。15世纪,以英国、法国为代表的西方国家开始发展自然科学,兴办大学,培养人才,其机械科学超过中国。1698年,英国的萨弗里制成第一台有实用价值的用于矿井抽水的蒸汽机“矿工之友”,它开创了用蒸汽做功的先河。1.机械起源和古代机械发展阶段 壹一、世界机械发展简史 图1-2 水排18世纪从英国发起的工业革命,是技术发展史上的一次巨大革命,它开创了以机器代替手工工具的时代。这不仅是一次技术改革,更是一场深刻的社会变革。这场革命是以工作机的诞生开始的,以蒸汽机(见图1-3)作为动力机被广泛使用为标志的。
5、1870年以后,科学技术发展突飞猛进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业生产,大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。这两次工业革命都发生在西方,而东方国家却停滞不前,导致了落后的局面。2.近代机械发展阶段 贰一、世界机械发展简史 图1-3 蒸汽机20世纪初进入现代机械发展阶段。随着计算机和伺服电机的出现,机器人作为现代机器的代表走上了历史舞台,工业机器人在工业生产中应用越来越广泛,承担搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。焊接机器人如图1-4所示。3.现代机械发展阶段 贰一、世界机械发展简史 图1-4 焊接机器人 未来机械发展与各方面技术结合起来,需要的不仅仅是传统意义上的机械
6、设计人才,而是复合型人才,这需要新一代的青年通过学习各方面的技术来满足这个要求,同时也离不开社会、国家的大力支持。中国的机械工程技术不仅历史悠久,而且成就十分辉煌;不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用,而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献。我国机械的发展大致可以分为三个阶段:早期的传统机械时期、中期的近代机械时期、发展至今的现代机械时期。1.传统机械时期 传统机械时期是中国机械发展的第一个时期,石器的使用标志着该时期的开始。青铜器的出现、铁器的使用标志着我国传统机械的发展进入了一个新的阶段。唐宋时期我国传统机械发展进入一个高水平发展的时期。二、中国机械发展简史 1.传统机
7、械时期 1)石器时代石器时代初期出现了磨制的石器箭头等一些简单的机械。到新石器时代,人们对石器的选择、切割、磨制和钻孔等有了更高的要求,以及出现了桔槔、辘轳等复合机械工具和原始纺织机、制陶转轮等较复杂的机械。2)商周时期该时期青铜冶铸技术达到了高潮。1939年在河南安阳武官村出土的后母戊鼎(见图1-5)是世界上同时代最大的青铜器,重约875kg,高1.33m,长1.66m,器形凝重,纹饰华美,集中表现了我国商代青铜冶铸业的生产能力和技术水平，这充分说明在该时期中国传统机械技术已经形成并有了一定的发展。二、中国机械发展简史 图1-5 后母戊鼎1.传统机械时期 3)春秋战国至汉代时期该时期铁器开始
8、得到普遍使用,表明古代机械在材料方面取得了重大突破。1980年出土的秦始皇陵铜车马(见图1-6)代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。东汉时已有不同形状及用途的齿轮和齿轮系统,有棘轮,也有人字齿轮,特别是在天文仪器方面已有比较精密的齿轮系统。到三国时期,马钧创制了新式提水机具翻车,能连续提水,效率高又十分省力。该时期的农业机械发展也很快,出现了三脚耧(见图1-7)这样的重要播种机械,西汉时期已有犁壁出现,到东汉时期犁的结构已经基本定型。在纺织机械方面出现了手摇纺车、布机和提花机等重要机械。该时期在动力方面开始利用水力为机械的原动力,出现了一些水力机械。在结构原理方面也有新的突破,不少机
9、械上出现了齿轮机构、凸轮机构和曲柄连杆机构等复杂的传动机构。二、中国机械发展简史 图1-6 秦始皇陵铜车马图1-7 三脚耧1.传统机械时期 4)南北朝、唐宋元时期该时期我国的机械发展进入了一个新的时期。水利机械有了新的发展,唐代已有筒车(见图1-8),从人力提水发展为水力提水。此外南北朝时期还出现了车船,唐代的李皋对车船的改进起了承前启后的作用。另外,计时仪也有很大发展,北宋苏颂和韩公廉等制成的木构水运仪象台能用多种形式表现天体时空的运行,它由水力驱动,其中有一套擒纵机构。水运仪象台代表了当时机械制造的高度水平,是当时世界上先进的天文钟。南宋末期创造出的水转大纺车曾是当时世界上比较先进的纺纱机
10、具。元代的滚柱轴承也属当时世界上先进的机械装置。二、中国机械发展简史 图1-8 筒车1.传统机械时期 5)明清时期该时期出现了技术含量高的机械,如郑和所乘宝船(见图1-9),其长约137m,张12帆,舵杆长11m多,是当时最大的远洋船舶。在明中叶或稍前,木帆船已能逆风行驶,并拥有全风向航行的能力。明宋应星编著的天工开物,记录了许多先进的工艺技术和科学创见。它反映出当时的农业和手工业的生产技术水平,是当时机械技术的见证。天工开物被称为中国17世纪的工艺百科全书。在传统机械方面,我国在很长一段时期内都领先于世界。只是随后,受社会风气和闭关锁国政策等影响,我国机械技术水平逐渐落后。二、中国机械发展简
11、史 图1-9 郑和宝船2.近代机械时期 到了近代，由于经济、社会等诸多原因，我国的机械行业发展停滞不前，这100多年正是西方资产阶级革命和工业革命时期，西方机械科学技术飞速发展，远远超过了中国的水平。从1840年至1949年中华人民共和国成立为近代时期，这期间中国的机械工业逐步由手工业作坊式小生产向使用动力机器的生产方式转变。该时期机械发展开始的标志是洋务运动,自此中国开始开设机械制造学校及机械制造工厂，这开启了中国机械教育的先河。20世纪以来,中国机械进一步发展。在引进国外机械的同时,也自制了不少类型的机械产品，机械工程教育有了新的发展,许多院校设有机械工程系或专业。我国逐渐有了自己的机械工
12、程技术人员。到民国时期,中国的机械又有了新的发展,1931年南京政府开始筹备中央机械厂。民营机械厂也迅速发展。这都体现了中国机械工程的发展进入了一个新的时期。但由于战争的关系,这时期的机械工程发展受到了种种阻碍,中国的机械工业主要还是修理性质的。二、中国机械发展简史 3.现代机械时期 1949年10月1日,中华人民共和国成立。新中国成立后特别是近四十年来,我国的机械科学技术迅速发展。经过不懈的努力,中国机械工业已经逐步发展成为具有一定综合实力的制造业,并向机械产品大型化、精密化、自动化和成套化发展,在有些方面已经达到或超过了世界先进水平。例如,被誉为“中国天眼”的500m口径球面射电望远镜(见
13、图1-10),由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,于2016年9月25日落成启用。其由中国科学院国家天文台主导建设,具有我国自主知识产权,综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的10倍是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,。2019年12月17日,经中央军委批准,中国第一艘国产航母命名为“中国人民解放军海军山东舰”,舷号为“17”,如图1-11所示。二、中国机械发展简史 图1-11 山东舰图1-10 中国天眼 延 伸 阅 读为全面展现30年来中国装备工业取得的伟大成就,记录和传播为振兴中国装备工业做出突出贡献的先进人物及事迹,工业和信息化部和中央电视台联袂推出电视纪录片大国重器。通过人物故事
14、和制造细节,鲜活地讲述了充满中国智慧的机器制造故事,再现了中国装备制造业从小到大,到赶超世界先进水平背后的艰辛历程。在充分阐释中国装备制造业创新成就的同时,展望了中国装备制造业迈向高端制造的未来前景。二、中国机械发展简史 3.现代机械时期“十三五”期间,我国机械工业进入中高速发展阶段。在“十三五”国家战略性新兴产业中,高端装备制造占据重要地位。中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标的建议提出发展战略性新兴产业,加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等产业,推动互联网、大数据、人工智能等同各产业深度融合
15、,推动先进制造业集群发展,构建一批各具特色、优势互补、结构合理的战略性新兴产业增长引擎。二、中国机械发展简史 此后,我国的机械科学技术还将向更高的水平发展。只要我们能够采取正确的方针、政策,用好科技发展规律并勇于创新,向机械产品大型化、精密化、自动化和成套化的趋势发展,我国的机械工业和机械科技一定能够振兴,重新引领世界机械工业的发展潮流。机械设计发展史可分为三个阶段:从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段;从17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计阶段;第二次世界大战结束至今为现代机械设计阶段。每个阶段在设计理论、方法和制造工艺方面都有明显的特色。三、机械设计的发展史1.机械设
16、计起源和古代机械设计阶段从内容上看,机械设计起源和古代机械设计阶段属于直觉设计阶段。商周时期青铜冶铸技术达到了高峰。在制造工艺方面经历了由石器制造工艺向青铜器制造工艺和其他机械工艺的转变。这充分说明在该时期中国传统机械技术已经形成并有了一定的发展。到秦汉时期我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平,在当时世界上处于领先地位,在世界机械工程史上占有十分重要的位置。在我国古代,机械发明设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物,他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代时我国与许多国家开展了经济、文化和科学技术的交流,与东南亚、南亚、阿拉伯、非洲东海岸贸易频繁。但此阶段设计多是凭设计者的经验完
17、成的,缺乏必要的、有一定精度的理论计算。三、机械设计的发展史2.近代机械设计阶段从内容上看,近代机械设计阶段是经验设计阶段。17世纪欧洲的航海、纺织、钟表等工业的兴起,提出了许多技术问题。此时,英国组成了哲学学院,德国成立了实验研究会和柏林学会,法国、意大利也成立了研究机构。材料力学、弹性力学、流体力学、机械力学、疲劳力学、疲劳强度理论、实验应力分析方法等都取得了大量的成果,形成了自己的学科体系。1854年,德国学者劳莱克斯发表了著作机械制造中的设计学,把过去融在力学中的机械设计学独立出来,建立了以力学和制造为基础的新学科体系,由此“机构学”“机械零件设计”成为机械设计的基本内容。在此基础上,
18、机械设计学得到了很快的发展。机器的尺寸减小,速度增加,性能提高,机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很大的发展,反映了时代的特色。三、机械设计的发展史3.现代机械设计阶段从内容上看,现代机械设计阶段是理论设计阶段。在机械中广泛运用计算机和自动化程度的提高,使现代机械设计具有明显的特色。因此,机械设计在理论、内容和方法方面与过去相比都有了划时代的发展。机械设计成为一门与机械学并立的技术科学。现代机械设计的特征是具有自己的学科体系和专门的内容。其核心内容有三个方面。三、机械设计的发展史美国人麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身,而是产品所具有的功能”,明确地说明了“功能”是产品的本质和灵魂。这
19、一论点的提出大大地解放设计师的思想,为了实现某一功能,可以采用各种不同的原理和结构。从近年来的计时装置、文件复制设备、通信方法等方面的飞速发展可以看出,设计师的聪明才智得到了空前的发挥,多方面地满足了社会的需要。（1）以产品的“功能”作为机械设计的核心目标。机械的工作与人往往是不可分的,如汽车、飞机有些操纵信号要靠人输入,设计时必须考虑操纵者的反应速度和能力限制,还必须考虑操纵者和乘客的舒适性;一些武器设计者已经考虑到使用者虽然大部分是右利者(习惯于用右手者),但左利者也占一定的比例。虽然许多产品已经向自动化发展,许多民用产品对使用者的技术要求日益降低(俗称“傻瓜化”),但是机械产品毕竟是为了
20、人类设计的,因此注重“人机学”是提高产品竞争力的重要方面。实际上“傻瓜化”就是当前处理人机问题的一个重要的途径。(2)“人机学”的形成和发展。工业设计是设计者使产品在外观、色彩、形状、尺寸比例等方面得到合理设计,使产品与人、环境更协调,以得到更好的使用效果与竞争力。（3）建立系统的“工业设计”学科体系。3.现代机械设计阶段三、机械设计的发展史机械工程材料 Mechanicalengineeringmaterials贰任何机械零件或工具,在使用过程中往往要受到各种形式外力的作用,如起重机上的钢索受到悬吊物拉力的作用;柴油机上的连杆在传递动力时不仅受到拉力的作用,还受到冲击力的作用;轴类零件受到弯
21、矩、扭力的作用;等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过允许变形不被破坏的能力,这种能力就是材料的力学性能。例如,强度、塑性、硬度和韧性等就是用来衡量金属材料在外力作用下表现出的力学性能的指标。一、金属材料的力学性能一、金属材料的力学性能壹1.强度塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率,用符号表示。断面收缩率指试样拉断后,断面缩小的面积与原来截面积之比,用Z表示。伸长率和断面收缩率越大,其塑性越好;反之,塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件,也是保证机械零件
22、工作安全,不发生突然脆断的必要条件。一、金属材料的力学性能贰2.塑性硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力,是反映材料软硬程度的力学性能指标。硬度是材料的一个重要指标,其测试方法简便、迅速,不需要专门试样,也不损坏试样,设备也很简单。而且对大多数金属材料,可以从硬度值估算出它的抗拉强度。硬度值是通过试验测得的。硬度的测试方法很多,生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度测试法两种。3.硬度一、金属材料的力学性能1)布氏硬度测试法布氏硬度测试法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头,在载荷P的作用下将其压入被测试金属表面,保持一定时间后卸载,测量金属表面形成的压痕直径d,以压痕的单
23、位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。布氏硬度指标有HBS和HBW。前者所用压头为淬火钢球,适用于布氏硬度值低于450的金属材料,如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等;后者压头为硬质合金,适用于布氏硬度值为450650的金属材料,如淬火钢等。布氏硬度测试法压痕较大,故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。一、金属材料的力学性能叁3.硬度2)洛氏硬度测试法洛氏硬度测试法是用一锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头,将其以规定的载荷压入被测试金属材料表面,根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。根据所用压头种类和所加试验力不同,洛氏
24、硬度分为HRA、HRB和HRC等,其中HRC应用最多。表1-1所列为有关洛氏硬度指标的规定。洛氏硬度测量简便易行,压痕小,既可测定成品和零件的硬度,又可检测较薄工件或表面较薄硬化层的硬度。一、金属材料的力学性能叁3.硬度硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高,其耐磨性越好。材料的强度越高,塑性变形抗力越大,硬度值也越高。前面所述的强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测得的力学性能指标。而实际上有许多工件是在冲击载荷作用下工作的,如冷冲模上的冲头、锻锤的锤杆、飞机的起落架、变速箱的齿轮等。对于这些承受冲击载荷的工件,不仅要有高的强度和一定的塑性,还必须有足够的冲击韧性。金属材料在冲击载荷
25、作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。目前测量冲击韧性最普通的方法是一次摆锤弯曲冲击试验。冲击韧度值越高,材料韧性越好;反之,韧性则越差。实际工作中,零件的破坏是多次能量冲击导致的,实验表明:材料的多次冲击抗力由强度和塑性综合性能决定。冲击能量小时,取决于材料的强度;冲击能量大时,取决于材料的塑性。此外,材料的韧性还和温度有关,脆性转变低温度越低的材料,低温下承受冲击的能力就越强。一、金属材料的力学性能肆4.冲击韧性有些机器零件,如轴、齿轮、连杆、弹簧等,在交变载荷长期作用下,往往在工作应力低于屈服强度的情况下突然破坏,这种现象称为疲劳。金属在交变应力作用下产生疲劳裂纹并扩展而导致的断裂称为疲劳断
26、裂。疲劳断裂具有很大的危险性,常造成严重的事故。交变应力是指大小、方向随时间呈周期性变化的应力;疲劳强度是指材料经受无数次的应力循环仍不断裂的最大应力。据统计,在机械零件失效中大约60%70%属于疲劳破坏。无论为韧性还是脆性材料,在疲劳断裂时,事先无明显塑性变形的预兆,往往是突然发生的,因此具有很大的危险性,易造成重大事故,故设计时应充分考虑材料的疲劳断裂。一、金属材料的力学性能伍5.疲劳强度一、金属材料的力学性能陆6.蠕变在长期固定载荷作用下,即使载荷在屈服点以下,金属也会产生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。为保证在高温长时载荷作用下的机件不致产生过量蠕变,要
27、求金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变值是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。各种材料的蠕变情况与强度有关,如铝合金发生蠕变的温度为100200,而钢材要在温度达到300400以上时才会发生蠕变。钢分为碳素钢(简称碳钢)和合金钢两大类。碳钢是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金,工业用碳钢的含碳量一般为0.05%1.35%。为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能(如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等),冶炼中有目的地加入一些合金元素(如 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等),这种钢称为合金钢。二、金属材料金属材料来源丰富,并具有优良的使用性能和加工性能,
28、是机械工程中应用最普遍的材料,常用以制造机械设备、工具、模具,并广泛应用于工程结构中。金属材料大致可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁;有色金属是指黑色金属以外的金属及其合金,如铜合金、铝及铝合金等。1.钢二、金属材料1.钢(1)碳钢。碳钢的分类。碳钢的分类方法有多种,常见的有以下三种。a.按钢的含碳量多少分为三类:低碳钢,含碳量小于0.25%;中碳钢,含碳量为0.25%0.60%;高碳钢,含碳量大于0.60%。b.按钢的质量(即按钢含有害元素S、P的多少)分为三类:普通碳素钢,钢中S、P含量分别不大于0.055%和0.045%;优质碳素钢,钢中S、P含量均不大于0.040%
29、;高级碳素钢,钢中S、P含量分别不大于0.030%和0.035%。c.按钢的用途分为两类:碳素结构钢,主要用于制造各种工程构件和机械零件;碳素工具钢,主要用于制造各种工具、量具(见图1-12)和模具等。图1-12 常见量具二、金属材料1.钢(1)碳钢。碳钢牌号的表示方法。a.碳素结构钢。碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)及脱氧方法符号(F、B、Z)等四部分按顺序组成。其中,质量等级按A、B、C、D顺序依次增高,F代表沸腾钢,B代表半镇静钢,Z代表镇静钢。b.优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均
30、含碳量的万分之几。c.碳素工具钢。碳素工具钢的牌号用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质,则在数字后面加“A”。(1)碳钢。碳钢的用途。碳钢的用途举例见表1-2。二、金属材料1.钢二、金属材料1.钢(2)合金钢。合金钢的分类。合金钢的分类方法有多种,常见的有以下两种。a.按用途分为三类:合金工具钢,用于制造各种性能要求更高的机械零件和工程构件;合金结构钢,用于制造各种性能要求更高的刃具、量具和模具;特殊性能钢,具有特殊物理和化学性能的钢,如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。b.按合金元素总含量多少分为三类:低合金钢,合金元素总含量小于5%;中合金钢,合金元素总
31、含量为5%10%;高合金钢,合金元素总含量大于10%。二、金属材料1.钢(2)合金钢。合金钢牌号的表示方法。合金钢是按钢材的含碳量的数字。合金元素的种类和数量编号的。a.钢号首部是表示含碳量的数字。合金结构钢与碳素结构钢相同,以万分之一的碳作为单位,如首部数字为45,则表示平均含碳量为0.45%;合金工具钢以千分之一的碳作为单位,如首部数字为5,则表示平均含碳量为0.5%。b.在表示含碳量的数字后面,用元素的化学符号表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之几表示,当平均含量小于1.5%时,只标明元素符号,不标含量。二、金属材料1.钢c.对于含碳量超过1.0%的合金工具钢,则在牌号中不表示含
32、碳量。但也有特例,高速钢的含碳量小于1.0%,牌号中也不表示含碳量,如W18Cr4V钢,其含碳量仅为0.7%0.8%。d.特殊性能钢牌号表示方法基本上与合金工具钢相同,如2Cr13表示平均含碳量为0.2%、含铬量约为13%的不锈钢。e.有些特殊用钢,则用专门的表示方法,如滚动轴承钢,其牌号以G表示,不标含碳量,铬的平均含量用千分之几表示,如GCr15表示含铬量为1.5%的滚动轴承钢。f.对于高级优质钢,在钢牌号末尾加一个A,如38CrMoAlA。(2)合金钢。合金钢的用途。合金钢的用途举例见表1-3。二、金属材料1.钢(1)白口铸铁。白口铸铁中的碳几乎全部以渗碳体Fe3C形式存在,断口呈银白色
33、,性能硬而脆,很难进行切削加工,工业上极少用来制造机械零件。其主要用作炼钢原料或可锻铸铁的毛坯。二、金属材料铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金,它含有比碳钢更多的硅、锰、硫、磷等杂质。工业上常用的铸铁含碳量为2.5%4.0%。根据铸铁中碳的存在形式不同,铸铁可分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。2.铸铁(2)灰口铸铁。灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在,断口呈暗灰色。根据灰口铸铁中石墨存在形式不同,它又可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。普通灰口铸铁。普通灰口铸铁简称灰口铸铁,其石墨形态呈片状。由于片状石墨的存在割裂了金属基体组织,减少了承载的有效面积,因而其综合力学性能较低
34、,但其减振性、耐磨性、铸造性及切削加工性较好,主要用于制造承受压力的床身、箱体、机座、导轨(见图1-13)等零件。灰口铸铁牌号的表示方法为HT加数字,其中“HT”是灰铁两字汉语拼音的第一个字母,数字表示最低抗拉强度。常用的灰口铸铁牌号为HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等。二、金属材料2.铸铁图1-13 导轨(2)灰口铸铁。可锻铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火后而得到的,其石墨形态呈团絮状。因为其石墨呈团絮状,对金属基体的割裂作用减小,故其抗拉强度、塑性、韧性都比灰口铸铁高,主要用于制造一些形状比较复杂而在工作中承受一定冲击载荷的薄壁小型零件,如管接头、农具等。可
35、锻铸铁的牌号由KTH或KTZ加两组数字组成。其中“KT”是可铁两字汉语拼音第一个字母,后面的“H”表示黑心可锻铸铁,“Z”表示珠光体可锻铸铁。其后面的两组数字分别表示材料的最低抗拉强度数值和最小伸长率数值,常用牌号有KTH350-10、KTZ550-04等。二、金属材料2.铸铁(2)灰口铸铁。球墨铸铁。球墨铸铁中石墨形态呈球状。由于球状石墨对金属基体的割裂作用更小,因而它具有较高的强度、塑性和韧性,应用较广,在某些情况下可替代中碳钢使用。球墨铸铁主要用于制造受力较复杂、负荷较大的机械零件,如曲轴(见图1-14)、连杆、齿轮、凸轮轴等。球墨铸铁的牌号由QT加两组数字组成。其中QT是球铁两字汉语拼
36、音的第一个字母,两组数字分别表示最低抗拉强度数值和最小伸长率数值,常用牌号有QT500-7、QT800-2等。二、金属材料2.铸铁图1-14 曲轴铸钢也是一种重要的铸造合金,其应用仅次于铸铁。铸钢件的力学性能优于各类铸件,并具有优良的焊接性能,适于采用铸焊联合工艺制造重型铸件。生产上铸钢主要用于制造形状复杂、难于锻造而又需承受冲击载荷的零部件,如机车车架、火车车轮、水压机的缸和立柱、大型齿轮、轧钢机机架等。常用的铸钢有碳素铸钢和合金铸钢两大类,其中碳素铸钢应用较广,约占铸钢件的80%。一般工程用铸钢的牌号由ZG加两组数字表示。其中ZG为铸钢二字汉语拼音第一个字母,后面两组数字分别表示材料的最小
37、屈服强度值和最小抗拉强度值,如ZG200-400、ZG270-500、ZG340-640等。二、金属材料3.铸钢铜合金、铝合金是工业上最常用的有色合金。因具有某些特殊的使用性能,其成为现代工业技术中不可缺少的材料。在纯铜中加入某些合金元素(如锌、锡、铝、铍、锰、硅、镍、磷等),就形成了铜合金。铜合金具有较好的导电性、导热性和耐腐蚀性,同时具有较高的强度和耐磨性。图1-15所示为铜制品。二、金属材料4.铜合金图1-15 铜制品根据成分不同,铜合金分为黄铜和青铜等。(1)黄铜。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分,黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜两种。普通黄铜。普通黄铜是铜锌二元合金,由于塑
38、性好,适于制造板材、棒材、线材、管材及深冲零件,如冷凝管、散热管及机械、电气零件等。铜的平均含量为62%和59%的黄铜也可进行铸造,称为铸造黄铜。特殊黄铜。为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能,在铜锌合金中加入铅、锡、铝、硅等元素,就形成了特殊黄铜。铅黄铜的切削性能优良,耐磨性好,广泛用于制造钟表零件;锡黄铜的耐腐蚀性能好,广泛用于制造海船零件;铝黄铜中的铝能提高黄铜的强度和硬度,提高在大气中的抗蚀性,主要用于制造耐蚀零件;硅黄铜中的硅能提高铜的力学性能、耐磨性的耐蚀性,主要用于制造海船零件及化工机械零件。二、金属材料4.铜合金(2)青铜。青铜原指铜锡合金,但工业上都习惯称含铝、硅、铅、
39、铍、锰等的铜合金也为青铜,因此青铜实际上包括锡青铜、铝青铜、锰青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。青铜也分为压力加工青铜和铸造青铜两类。青铜是金属治铸史上最早的合金。青铜发明后立刻盛行起来,从此人类历史也就进入新的阶段青铜时代。青铜狮子如图1-16所示。二、金属材料4.铜合金图1-16 青铜狮子(2)青铜。锡青铜。以锡为主要合金元素的铜基合金称为锡青铜。工业中使用的锡青铜,锡含量大多为3%14%。锡含量小于5%的锡青铜适于冷加工;锡含量为5%7%的锡青铜适于热加工;锡含量大于10%的锡青铜适于铸造。锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用,主要用以制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件,以
40、及抗蚀、抗磁零件等。二、金属材料4.铜合金(2)青铜。锡青铜。以锡为主要合金元素的铜基合金称为锡青铜。工业中使用的锡青铜,锡含量大多为3%14%。锡含量小于5%的锡青铜适于冷加工;锡含量为5%7%的锡青铜适于热加工;锡含量大于10%的锡青铜适于铸造。锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用,主要用以制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件,以及抗蚀、抗磁零件等。二、金属材料4.铜合金(2)青铜。铍青铜。以铍为基本元素的铜合金称为铍青铜。铍青铜的含铍量为1.7%2.5%。铍青铜的弹性极限、疲劳极限都很高,耐磨性和抗蚀性优异,具有良好的导电性和导热性,还具有无磁性、受冲击时不产生火花等优点。
41、铍青铜主要用于制造精密仪器的重要弹簧、钟表齿轮、高速高压下工作的轴承、衬套,以及电焊机电极、防爆工具、航海罗盘等重要机件。二、金属材料4.铜合金铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的主要元素有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等,此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制造的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金。铝合金隔断型材如图1-17所示。根据成分及加工特点,铝合金分为形
42、变铝合金和铸造铝合金。二、金属材料5.铝合金图1-17 铝合金隔断型材形变铝合金。形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金等。因其塑性好,故常利用压力加工方法制造冲压件、锻件等,如铆钉、焊接油箱、管道、容器、发动机叶片、飞机大梁及起落架、内燃机活塞等。铸造铝合金。铸造铝合金是用于制造铝合金铸件的材料,按主要合金元素的不同,铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。二、金属材料5.铝合金a.铝硅合金。铝硅合金是应用最广的铸造铝合金,通常称为硅铝明。其铸造性能好,比重小,并有相当好的抗蚀性和耐热性,适于制造形状复杂的零件。二、金属材料5.铝合金b.铝铜合金。铝铜合金的强度较高,耐
43、热性较好,铸造性能较差,常用于铸造内燃机气缸头、活塞等零件,也可作为载荷、形状较简单的零件。c.铝镁合金。铝镁合金强度高、比重小,有良好的耐蚀性,但铸造性能不好,多用于制造承受冲击载荷、在腐蚀性介质中工作、外形简单的零件。d.铝锌合金。铝锌合金价格便宜,铸造性能优良,强度较高,但抗蚀性差,热裂倾向大,常用于零件及形状复杂的仪器元件,也可用于制造日用品。纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝,铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。钛合金强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能也都很好。钛合金主要用于制造飞机发动机、压气机部件,其次用于制造火箭、导弹和高速飞机的结构件。它也广泛应用
44、在汽车工业中,应用钛合金最多的是汽车发动机系统。钛合金排气管如图1-18所示。按退火组织,钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类,它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示,如TA5、TB2、TC4等。其中TA0TA3为工业纯钛。二、金属材料6.钛合金图1-18 钛合金排气管(1)型钛合金。其主加元素为铝,还有锡、硼等。不能热处理强化,通常在退火状态下使用,组织为单相固溶体,强度低于其他两类钛合金,但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越,常用牌号有TA5、TA7等。其主要用于制造在500以下工作的零件,如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。二、金属材
45、料6.钛合金(2)型钛合金。其加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后,组织为相基体上分布着细小的相粒子。这类合金强度高,但冶炼工艺复杂,应用受到限制。型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号,主要用于制造在350以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。(3)+型钛合金。其加入的合金元素有铝、钒、钼、铬等,可进行热处理强化,强度高,塑性好,具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。+型钛合金共有九个牌号,其中以TC4应用最广、用量最大,其经过淬火加时效处理后,组织为+时效析出的针状。+型钛合金主要用于制造在400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的
46、液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。二、金属材料6.钛合金制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支承作用的重要部件,由轴承体和轴瓦两部分组成。与滚动轴承相比,滑动轴承具有承载面积大、工作平稳、无噪音及拆装方便等优点。各类型轴瓦如图1-19所示。二、金属材料7.轴承合金图1-19 各类型轴瓦(1)轴承合金组织性能。当轴高速旋转时,轴瓦与轴颈发生剧烈摩擦,承受轴颈施加的交变载荷和冲击力,因此对轴承合金的组织性能要求如下。足够的韧性,以承受轴颈施加的交变冲击载荷。较小的热膨胀系数,良好的导热性和耐蚀性,以防止轴与轴瓦之间咬合。较小的摩擦系数,良好的耐磨性和磨
47、合性,以减少轴颈磨损,保证轴与轴瓦良好的跑合。为满足上述性能要求,轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点。当轴旋转时,软的基体(或质点)被磨损而凹陷,减少了轴颈与轴瓦的接触面积,有利于储存润滑油和轴与轴瓦间的磨合,而硬的质点(基体)则支承着轴颈,起承载和耐磨作用。软基体(或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用,以避免擦伤轴颈。二、金属材料7.轴承合金(2)轴承合金分类。锡基轴承合金。以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金,熔点较低,是软基体硬质点组织类型的轴承合金,典型牌号为ZSnSb11Cu6。锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性,摩擦系数和热
48、膨胀系数小,但疲劳强度较低,工作温度不超过150,价格高。铅基轴承合金。以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金,也是软基体硬质点型轴承合金,典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2。铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金,但其成本低,高温强度好,有自润滑性。锡基和铅基轴承合金强度比较低,为提高其承载能力、延长其使用寿命,生产上常采用离心浇注法,将它们镶铸在低碳钢轴瓦上,形成一层薄而均匀的内衬,称为双金属轴承。二、金属材料7.轴承合金塑料是以单体为原料,通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物,其抗形变能力中等,介于纤维和橡胶之间,由树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添
49、加剂组成。塑料的基本性能主要取决于树脂的本性,但添加剂也起着重要作用。塑料制品应用广泛,庞大的下游行业为我国塑料制品行业的发展提供了强有力的支撑。我国塑料制品市场需求主要集中于农用塑料制品、包装塑料制品、建筑塑料制品、工业交通及工程塑料制品等方面。家用塑料制品如图1-20所示。三、非金属材料1.塑料图1-20 家用塑料制品三、非金属材料1.塑料(1)塑料的组成。填充剂。填充剂又称填料,是塑料中重要的但并非每种塑料必不可少的成分。填充剂与塑料中的其他成分机械混合,它们之间不起化学作用,但与树脂牢固胶黏在一起。填充剂在塑料中的作用有两个:一是减少树脂用量,降低塑料成本;二是改善塑料某些性能,扩大塑
50、料的应用范围。常用的填充剂有木粉、纸及棉屑、硅石、硅藻土、云母、石棉、石墨、金属粉、玻璃纤维、碳纤维等。塑料中的填充剂含量一般为20%50%。树脂。树脂是塑料中最重要的成分,它决定了塑料的类型和基本性能(如热性能、物理性能、化学性能、力学性能等)。在塑料中,它联系或胶黏着其他成分,并使塑料具有可塑性和流动性,从而具有成型性能。树脂包括天然树脂和合成树脂,在塑料生产中,一般都采用合成树脂。三、非金属材料1.塑料(1)塑料的组成。着色剂。为使塑件获得各种所需色彩,常常在塑料组分中加入着色剂,也称色料。着色剂品种很多,但大体分为有机颜料、无机颜料和染料三大类。有些着色剂兼有其他作用,如本色聚甲醛塑料