《機械材料與公差》備課稿1

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1、 《材料與公差 》課程教案 主講： 張春明 星期 一 二 三 四 五 時間 1、 2 12 大機 3 12 大機 4 12 大機 3 3、 4 12 大機 5 12 大機 3 12 大機 4 下 午 5、 6 12 大機 4 12 大機 5 12 大機 5 江西機電職業(yè)技術學院 材料與公差 課程教案 授課時

2、間 第 周星期 第 節(jié) 課次 第 1 次 授課班級 12 機制 3.4.5 班 模塊一 常用工程材料及選用 任務 1-1 認識金屬材料的性能 章節(jié)名稱 授課類型 教學時數 授課教師 張春明 工程材料（金屬材料）的性能、金屬材料的知識， 知識目標 鋼的熱處理工藝，常用工程材料的識別及選用。 常用工程材料的識別。 教學目的 能力（技能）目 要 求 標 觀察；分析與總結。 態(tài)度目標 教學方法與手段 掛圖；多媒體。 1. 常用工程材料的選用 . 教學

3、重點難點2. 常用工程材料的熱處理工藝。 教材參考資料 世界上材料種類總和已達 40 多萬種，并且每年還以 5％的速率增加。在 各種機器設備所用材料中，金屬材料約占 90%以上。這是由于金屬材料 內容提要及 不僅來源豐富，而且使用性能與其成分、組織及加工工藝密切相關，可 時間安排 練習作業(yè)  通過不同的處理方法來改變金屬的表面成分和內部組織結構，以獲得不 同的性能，從而滿足不同的使用要求。 1-1； 1-2, ⒈ 機器的材料； ⒉ 材料的性能； 教學后記

4、 任務 1-1 金屬材料的性能 一、金屬材料及性能要求 1.材料種類 : 世界上材料種類總和已達 40 多萬種，并且每年還以 5％的速率增加。 工程材料 : 金屬材料 ：純金屬與合金統(tǒng)稱為金屬材料。 在各種機器設備所用材料中， 金屬材料約占 90%以上。 非金屬材料 復合材料 2.材料性能 :1）使用性能：力學性能、物理性能和化學性能等； 2）工藝性能：指鑄造性、鍛造性、焊接性、熱處理性能和切削加等。 二．金屬材料的使用性能 1．金屬材料力學性能 ：選材和進行強度計算的主要依據。 （ 1）強度： 強度是指金屬抵抗

5、永久變形（塑性變形）和斷裂的能力。 （ 2）塑性： 塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。 （ 3）硬度： 硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 （ 4）沖擊韌度： 在沖擊載荷作用下，金屬材料抵抗破壞的能力。 （ 5）疲勞強度： 疲勞強度是在規(guī)律性變化應力的長期作用下，材料抵抗破壞的能力。 2． 金屬材料的物理和化學性能 （ 1）物理性能： 密度、熔點，熱膨脹性、導熱性和導電性等。 （ 2）化學性能 ：化學性能是金屬材料在常溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力， 如耐酸性、耐堿性和抗氧化性。 三、金屬材料的工藝性能

6、： （加工性能） 具有的能夠適應各種加工工藝要求的能力。 1.鑄造性能： 鑄造性能指澆注鑄件時，金屬材料易于成形并獲得優(yōu)質鑄件的性能。流動性、收縮率、偏析傾向是表示鑄造性能好壞的指標。在常用的金屬材料中，灰鑄鐵與青銅有良好的鑄造性能，而鑄鋼的鑄造性能較差。 2.鍛造性能： 鍛造性能一般用材料的可鍛性來衡量。金屬材料的可鍛性是指材料在壓力 加工時，能改變形狀而不產生裂紋的性能。它實質上是材料塑性好壞的表 現。 3.焊接性能： 焊接性能一般用材料的可焊性來衡量。金屬材料的可焊性是指材料在通常 的焊接方法和焊接工藝條件下，能否獲得質量良好焊縫的性能。 4.加

7、工性能： 切削加工性能指對工件材料進行切削加工的難易程度。 授課時間 章節(jié)名稱 授課類型 教學目的 要 求 教學方法與手段 教學重點難點 教材參考資料 內容提要及 時間安排  江西機電職業(yè)技術學院 材料與公差 課程教案 第 周星期 第 節(jié) 課次 第

8、 2 次 授課班級 任務 1-2 金屬材料的知識 ( 一 ) 教學時數 授課教師 張春明 金屬及合金的晶體結構和結晶過程。 知識目標 在生產實踐中，常用向液態(tài)金屬加入難熔固態(tài)物質 能力（技能）目 的方法，增加晶核數目，細化晶粒。難熔的固態(tài)物質 標 稱為“孕育劑 " ，這種處理方法稱為 “孕育處理” 或“變 質處理”。 觀察；分析與總結。 態(tài)度目標 掛圖；多媒體。 金屬及合金的結晶過程。 1. 金屬及合金的晶體結構 2. 金

9、屬及合金的結晶過程。 練習作業(yè) 教學后記  1—3,1--4 金屬材料的性能不僅決定于它們的化學成分，而且還決定于它們的內部組織結構。要正確選擇和使用材料，必須了解金屬材料的組織結構及其對性能的影響。 任務 1-2 金屬材料的知識 ( 一 ) 一．金屬的概念 1.金屬： 固態(tài)金屬共有特征，不透明，有光澤，較高的強度和塑性，良好的導電性和導 熱性。 2.合金 ：是指由兩種或兩種以上的元素 (其中至少有一種是金屬元素 )所組成的具有金屬性

10、 質的物質。如碳素鋼、合金鋼、灰口鑄鐵、銅合金和鋁合金、青銅、黃銅等； 純金屬與合金統(tǒng)稱為金屬材料。 金屬材料的性能不僅決定于它們的化學成分， 而且還決定于它們的內部組織結構。 二．金屬及合金的結晶 1．金屬的晶體結構 1）。晶體與非晶體： 原子呈周期性有規(guī)則的排列，這種物質稱為晶體。 二是原子呈不 規(guī)則的排列，這種物質稱為非晶體。 2）。單晶體與多晶體： 內部晶格方向完全一致的晶體稱為單晶體， 這是一種理想情況， 而實際金屬是由許多方位各不相同的單晶體塊組成 的晶體稱為多晶體。 3）。晶粒與晶界： 每個單晶體的外形為不規(guī)則的顆粒狀

11、，通常把 它稱為“晶?！?， 晶粒之間的分界面叫晶界。 金屬晶體中的晶體缺陷、雜質、晶界等，對金屬的性能 往往有重大影響。  金屬多晶體的示意圖 2．金屬的結晶過程： 。金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)而形成晶體的整個過程，稱為結晶。 （ 1） 金屬的冷卻曲線與過冷度 冷卻曲線： 金屬的結晶過程可用冷卻曲線 (P9 圖 1— 8)表示。 理論結晶溫度 T0：純金屬的結晶是在一定溫度下進行的， 這個溫度稱為結晶溫度。 每種金屬都有一定的理論結晶溫度，常用 T0 表示。 實際結晶溫度 Tn ： 過冷度△ T ：= T 0 一 T

12、n。一般工業(yè)金屬的過冷都不超過 10～ 30℃。 （ 2）結晶過程 ： P9 圖 1—10 1)孕育 ：在金屬液體內形成與固體結構相同的小晶胚； 2)生核 ：在過冷金屬液體中一定尺寸的晶胚成為結晶的核心 -——晶核 (有規(guī)則排列 的原子集團 )； 3)長大 ：每一晶核吸收其周圍的原子呈有規(guī)則排列而逐步長大為一小晶體，直至全 部晶體擴大到相互接觸，液體金屬完全消失，結晶即告完成。 （ 3）晶粒大小與力學性能的關系：晶粒大小對金屬材料的力學性能有很大影響。晶粒細小，則強度、硬度較高，塑性、韌性較好。晶粒粗大，則力學 性能明顯下降。 （ 4）

13、影響晶粒大小的因素 ：晶粒大小決定于晶核數目的多少和晶核長大的速率。 晶核 越多，每個晶核長大的余地就越小，長成的晶粒就越細；若晶核長大的速率小，長成的晶粒尺寸就小，反之則晶粒粗大。 晶粒變細的辦法 ： 1. 增大過冷度 ，可使晶粒變細。 2. 加入難熔固態(tài)物質 ：在生產實踐中，常用向液態(tài)金屬加入難熔固態(tài)物質的方法，增加晶核數目，細化晶粒。 3.機械振動 任務  1-2  金屬材料的知識  ( 二 ) 3．金屬的同素異構轉變： （ 1）純 鐵 的 冷 卻 曲

14、 線 及 晶 體 變 化 過 程 ： 見 P11 圖1— 10 （ 2）金屬的同素異構轉變： 金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格變化的過程，稱為金屬的同素異構轉變。 注意：1. 多數金屬結晶后的晶格類型都保持不變，但有些金屬 (鐵、錳等 )在固態(tài)下 晶格結構會隨溫度的變化而發(fā)生改變。 2. 金屬的同素異構轉變是原子重新排列的過程，實際上是一個重新結晶的過程，亦應遵守前述結晶的一般規(guī)律。 3. 同素異構轉變過程是可逆的，故可將純鐵的同素異構轉變概括如下： 4．合金的結構 （ 1）組元 ：組成合金的最基

15、本的、獨立的物質稱為組元。 由兩個組元組成的合金，稱為二元合金；由三個組元組成的合金，稱為三元合金，等等。 （ 2）相 ：在合金中，把同一化學成分、同一晶體結構的原子聚集狀態(tài)的部分稱為相。合金的性能，決定于組成合金各相本身的性能和各相的組合情況。 （ 3）合金的結構 1）固溶體 合金各組元在固態(tài)時具有互相溶解的能力，形成與某組元晶格類型相同的合金，稱為固溶體。 鋼中的鐵素體就是碳在α— Fe中的固溶體；黃銅就是鋅 (溶質 )原子溶入銅 (溶劑 )的晶格中而形成的固溶體。 2）金屬化合物 a．金屬化合物是合金的組元間相互作用而形成的具有明顯金屬特性

16、的化合物。 其晶格類型和性能完全不同于任一組元，而且組成可用分子式表示。 b．金屬化合物一般具有復雜的晶體結構， 熔點高、 硬而脆。它能提高合金的強度、硬度和耐磨性， 但會降低塑性。 金屬化合物是合金鋼、硬質合金和許多非鐵合金的重要組成相。 3）機械混合物 a．組成合金的各組元，在固態(tài)下既不溶解，也不形成化合物，而以混合形式 組合在一起的物質，稱為機械混合物。 b．其各相仍保持原來的晶格結構和性能。所以，機械混合物的性能取決于各 相的性能、相對數量、形狀、大小及分布情況。 注意：常用合金中，其組織大多是固溶體和金屬化合物的機械混合物。

17、 任務 1-2 金屬材料的知識 ( 三 ) 三、 鐵碳合金： 鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金， 是工業(yè)上應用最廣的金屬材料。 1． 鐵碳合金的基本組織： Fe、 C在液態(tài)時，鐵和碳可以無限互溶。 固態(tài)下出現的基本組織如下 （ 1）鐵素體 F: (以符號 F表示 )：碳溶于α— Fe中的固溶體稱為鐵素體。 注意： 碳在α— Fe中的溶解度很小，在 727℃時的最大溶解度為 0.02％，常溫下幾乎為零。所以，鐵素體的結構、性能與純鐵相近，強度、硬度低 (80HBS ），塑性、韌性好。 （ 2）奧氏體 A: ( 以符號 A表示 ):碳溶于γ

18、一 Fe中的固溶體稱為奧氏體。 在 1148℃時，碳的溶解度最大為 2.11％， 727℃時溶碳量降為 0.77％。 注意： 奧氏體的硬度較低（ 170～ 200HBS ），塑性較高（δ =40% ～ 50%）， 易于壓力加工成形。 （ 3）滲碳體（ Fe3 C）：鐵與碳形成的具有復雜結構的化合物 Fe3C稱為滲碳體。 注意：滲碳體的含碳量為 6.69％，它具有很高的硬度 (800 HBW) ，塑性和韌性 幾乎等于零。其形狀、大小、數量和分布對鋼的力學性能有很大影響。 （ 4）珠光體  P： (以符號  P表示 )：鐵素體和滲碳體組

19、成的機械混合物稱為珠光體。 注意：由于珠光體是硬的滲碳體片和軟的鐵素體片相間組成的混合物，故力 學性能介于兩者之間，強度較好，硬度約為 180HBS 。 （ 5）萊氏體 (以符號 Ld 和 L ’ d 表示 )：萊氏體也是機械混合物。 1）高溫萊氏體 Ld ：溫度高于 727℃時，萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，用 示，稱高溫萊氏體；  Ld 表 2）低溫萊氏體  L ’ d ：溫度低于 727℃時，萊氏體則由珠光體和滲碳體組成， 用 L ’ d表示，稱低溫萊氏體。 2．鐵碳合金相圖（

20、 Fe— Fe3C相圖）：見  P13  圖 1— 11 意義：a.鐵碳合金相圖是表示鐵碳合金的成分、溫度與組織之間的關系的圖形。 b．是學習金屬材料、熱處理和熱加工 (鑄造、鍛壓、焊接 )的重要理論礎。 （ 1） Fe— Fe3C相圖的特性和特性線 意義、溫度及含碳量 見 P14 表 1— 2。 Fe— Fe3C相圖中的特性線，都是鐵碳合金組織發(fā)生轉變或相變的分界線。 1) A CD 線為液相線： 各種成分的合金處在此線以上的溫度均是液態(tài)，冷卻到此線時開始結晶 。 2) AECF 為固相線： 合金冷卻到此線

21、全部結晶為固態(tài)，此線以下為固態(tài)區(qū)。 AE 線：是奧氏體結晶終了線， ECF 線： (1148 ℃ )為共晶線。含碳量超過 2.11％的合金冷卻到此溫度線時，將從液態(tài)合金中同時結晶出兩種固態(tài)相，即奧氏體和滲碳 體的機械混合物。 這一轉變稱為 共晶反應 ，轉變的產物為 “萊氏體 "， C點稱為共晶點。 3)ES 線：為碳在奧氏體中的溶解度曲線， 又稱 Acm 線。在 1148 ℃時，碳在奧氏體中最大溶解度為 2.11％。隨著溫度下降，碳在奧氏體中的溶解度減小， 在 727 ℃時，溶解度減小到 0.77％。多余的碳以滲碳體的形式從奧氏體中析出，稱為二次滲碳體 (用 Fe3CⅡ

22、 表示 ) 任務 1-2 金屬材料的知識 ( 四) 4) GS 線：又稱 A3線，它是合金冷卻時奧氏體向鐵素體轉變的開始線。 5) PSK 線：為共析轉變線，又稱 A 1線，相應的溫度為 727 ℃。含碳量大于 0.02％的鐵碳合金，當溫度降低到 PSK水平線上時，從含碳量為 0.77％的奧氏體同時 析出鐵素體和滲碳體，組成機械混合物。這一轉變稱為 共析反應 ，轉變的產物稱為“珠光體”， S點稱為共析點。 （ 2）鐵碳合金的分類及其室溫組織：鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類。 1)工業(yè)純鐵： 含碳量小于 0.0218％的鐵碳合金

23、。其室溫組織是鐵素體。 2)鋼 ： 含碳量在 O.218～2.11％之間的鐵碳合金。 ①亞共析鋼： (含碳量小于 0.77％ )，室溫組織是鐵素體和珠光體。 ②共析鋼： (含碳量為 O.77％ )，室溫組織是珠光體。 ③過共析鋼： (含碳量大于 0.77％ )。室溫組織是珠光體和二次滲碳體。 3)白口鑄鐵： 含碳量為 2.11％～ 6.69％的鐵碳合金。 根據室溫組織的不同又可分為： 有益的元素， 亞共晶白口鑄鐵： (含碳量小于 4.3％) 室溫組織是珠光體、 二次滲碳體和低溫萊氏體。 ②共晶白口鑄鐵： (含碳量為 4． 3％)，室

24、溫組織是低溫萊氏體。 ③ 過 共 晶 白 口 鑄 鐵 ： (含碳量大于 4.3％ )， 室 溫 組 織 是 一 次 滲 碳 體 和 低 溫 萊 氏 體 。 （ 3）含 碳 量 及 雜 質 對 鐵 碳 合 金 性 能 的 影 響 1)含碳量對鋼的力學性能的影響： 決定鐵碳合金性能的主要元素。 含碳量增加，組織中呈網狀分布的二次滲碳體增多，除塑性、韌性繼續(xù)下降外，鋼 的強度也下降，但硬度不斷增加。所以，生產實際應用的鋼，為了保證有一定的 塑性和韌性，其含碳量不得超過 1.4％。 2)雜質對鐵碳合金力學性能的影響： 錳、硅、磷、硫等元素。 ①

25、有益元素：錳、硅可改善鐵碳合金的質量，提高其強度和硬度。 ② 有害元素：磷、硫 硫與鐵會形成化合物 FeS，而 FeS與 Fe形成低熔點共晶體，分布在奧氏體晶界上。 當熱壓力加工時鋼就會沿晶界碎裂，這種現象稱為鋼的熱脆性 磷降低鋼的塑性和韌性，尤其在低溫時影響更大，這種現象稱為冷脆性。所以，鋼中要嚴格控制硫、磷含量。 3． Fe— Fe3C 相圖的應用 （ 1）在選材上的應用 1）低碳鋼 （含碳量小于 0.25%）：較高的塑性、韌性等。 2）中碳鋼 （含碳量為 0.30%～ 0.50%）：強度、塑性及韌性都較好。 3）中高碳鋼 （含

26、碳量為 0.55%～ 0.85%）：較好彈性。 4）高碳鋼 （含碳量為 0.7%～ 1.3%）：足夠硬度和相當韌性、耐磨性的各種工具。 （ 2）在制定熱加工工藝方面的應用 1）鑄造工藝方面 2）鍛造工藝方面 3）焊接工藝方面 （ 3）在熱處理工藝方面的應用 在“鋼的熱處理”中詳細介紹。 任務 1-3 探析鋼的熱處理工藝 一．熱處理現象及工藝說明 1.熱處理： 將鋼在固態(tài)下加熱到預定的溫度，并在該溫度下保持一定的時間，然后以一 定的速度冷卻，這種熱加工工藝稱為熱處理。 見 P17 圖 1— 14 2. 工藝說

27、明 ：選用手用鋼鋸條為對象，進行整體加熱后，一半淬入水中冷卻，另一半留在空氣中冷卻。然后對鋼鋸條進行彎曲試驗，發(fā)生不同的現象：浸入 水中的部分一折即斷， 在空氣中冷卻的部分彎曲 90 度以上都不發(fā)生斷裂。 3.熱處理的目的： （ 1）以消除毛坯缺陷，改善工藝性能，以利于進行冷、熱加工外， （ 2）顯著提高力學性能，進而提高產品質量，延長使用壽命。二、鋼的熱處理原理 1．鋼加熱時的組織轉變 （ 1）第一步；對鋼加熱的目的一般是使鋼奧氏體化。 （ 2）第二步：要保溫一段時間，使內外溫度一致，成分均勻， 注意：加熱溫度過高或保溫時間過長，奧氏體晶粒會長

28、大，影響材料的力學性能。熱 處理時加熱溫度不可太高，保溫時間不能太長，以便冷卻后獲得細晶粒組織 2．鋼冷卻時的組織轉變： 熱處理的關鍵環(huán)節(jié)。 （ 1）冷卻方式 ： a.連續(xù)冷卻 ； b. 等溫冷卻 見 P17 圖 1— 14 （ 2） 奧氏體的等溫轉變 1）奧氏體的等溫轉變曲線： C 曲線 見 P18 圖 1— 15 注意：每種成分的鋼都有自己的 C 曲線，可在有關的手冊上查到。 2）奧氏體等溫轉變的產物： ①高溫轉變 ：過冷到 727～ 550℃之間，層片狀鐵素體和滲碳體所組成的機械 混

29、合物，即珠光體 (P) ②中溫轉變 ：過冷到 550～ 230 ℃之間，等溫轉變?yōu)楹^量碳的鐵素體和微小 滲碳體的機械混合物，稱為貝氏體 B。貝氏體比珠光體硬度高。 ③低溫轉變 ：奧氏體過冷到 稱為馬氏體（用  230℃ (Ms) 以下時，形成過飽和的α— Fe 固溶體， M 表示）。馬氏體的硬度很高 (60～ 65 HRC) ， 但塑性、韌性幾乎等于零。 （ 3）奧氏體等溫轉變曲線的應用 ① 鋼生產實踐中，熱處理的冷卻方式多數為連續(xù)冷卻。 ② 根據兩曲線相交位置，可以大致確定鋼在連續(xù)冷卻時獲得的組織及性能。

30、 見 P18 圖 1— 15 v1冷卻速度 (隨爐冷卻 )，按其與 C曲線相交的位置判斷， 奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w。 v2冷卻速度為 ( 在空氣中冷卻 )，轉變產物為索氏體 (細珠光體，用 S表示 )。 v4冷卻速度 (相當于在水中冷卻 )，冷卻曲線與 C曲線不相交，奧氏體過冷到 Ms 以下轉變?yōu)轳R氏體。 v0過冷速度，冷卻曲線恰好與 C曲線“鼻尖”相切，這是奧氏體全部過冷到Ms以下轉變?yōu)轳R氏體的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。它對鋼的熱處理冷卻方式有重要意義。 三、鋼的熱處理分類 鋼的熱處理分為： 普通熱處理： 預備熱處理， 最終熱

31、處理 （退火與正火） （淬火與回火） 表面熱處理： （表面淬火和化學熱處理。） 1.退火與正火： 常見的預備熱處理，安排在鑄造或鍛造之后，用來消除坯料、半成品的某些缺陷，為后續(xù)的冷加工和最終熱處理作組織準備。 (1) 退火： 1）工藝： 將鋼加熱到 A3或 A 1 以上某一溫度范圍，保溫一定時間，然后緩慢冷卻 (一般是 隨爐冷卻 )的熱處理過程，稱為退火。退火有完全退火、球化退火和去應力退火等。 2）目的 ：降低硬度 (以利于切削加工；細化晶粒，改善或消除成分不均勻、網狀滲碳體等組織缺陷，以提高力學性能或為最終熱處理作準備；消除內應力，防止零件的變形或開裂，并

32、穩(wěn)定其尺寸。 3）應用： 中、高碳鋼 ； 中、高合金鋼等。 ⑵ 正火 ：1）工藝： 將鋼加熱至 A 3或A cm以上某一溫度范圍， 經保溫使之完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。 2）目的 ：正火的冷卻速度較快，得到的珠光體組織更細，強度和硬所提高。 3）應用： 低、中碳鋼和低碳合金鋼， 正火操作簡便，生產周期短，生產效 率高，比較經濟。所以正火工藝應用廣泛，常用 45、 20CrMnTi 40Cr，一般預備熱處理均采用正火。  、 2. 淬火與回火： 淬火與回火常作為最終熱處理。 (1) 淬火： 1）

33、工藝： 淬火是將鋼加熱至 A 3或 A 1 ，以上某一溫度范圍，保溫，然后在水、鹽水或油中急劇冷卻的熱處理工藝。 2）目的 ：一般是為了獲得馬氏體組織，以提高鋼的力學性能。 3）應用： 各種工具、模具、滾動軸承 ⑵ 回火 ：1）工藝： 把淬火 后的工件重新加熱到 A 1以下某一溫度，保溫后再以適當的冷卻速度冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。 2）目的 ：穩(wěn)定鋼在淬火后的組織，消除因淬火冷卻過快而產生的內應力并穩(wěn)定其尺寸，調整強度、硬度，提高塑性，使工件獲得較好的綜合力學 性能等。故回火總是伴隨在淬火后進行的， 通常是熱處理的最后工序。 3）應用： a。低溫回

34、火 (150～ 250 ℃ ) 可減小工件的淬火應力、降低脆性并 保持高硬度。 用于要求硬度高、 耐磨性的零件， 如刀具、 模具等。 b．中溫回火 (350～ 500℃ ) 可顯著減小淬火應力，提高彈性。常用于 各種彈簧和某些模具。 c． 高溫回火 (500～ 650℃ )可消除淬火應力，使零件獲得優(yōu)良的綜合 力學性能。通常把“淬火 +高溫回火”稱為調質。如 45、40Cr等鋼均在粗加工后進行調質處理，使軸、齒輪的強度、硬度、塑性、 韌性均得到提高。 3．表面熱處理： 在動載荷及摩擦條件下工作的機械零件，如齒輪、主軸等，不僅要求它們具有高的心部強

35、韌性，而且表面還要具有高的硬度和耐磨性，通過表面熱處理可以實現零件表面和心部的這種不同的性能要求。 (1) 表面淬火： 鋼件表層快速加熱至淬火溫度，隨后快速冷卻的一種局部淬火工藝。它主要是改變零件的表層組織。 這種熱處理工藝適用于要求表面硬而耐磨、芯部具有高韌性的零件， ⑵ 化學熱處理： 將鋼件放在某種化學介質中， 通過加熱和保溫， 使介質中的一種或 種元素滲人它的表層，以改變表層的化學成分、組織和性能的熱處理 工藝。 見 P22 表 1— 3 4.鋼的熱處理新技術：  ⑴真空熱處理  ⑵激光熱處理  等  略。

36、 任務 1-4 識別常用的工程材料 一、常用工程材料的分類： 鋼鐵材料 常用工程材料主要為 金屬材料： 有色金屬材料 二、鋼鐵材料：鋼 和鑄鐵的合稱。 1．碳素鋼 ，簡稱 碳鋼 (1) 普通碳素結構鋼 (簡稱普鋼 )： 特點 ：冶煉容易、 工藝性能好、 價廉、 應用廣泛。 加工成形后一般不進行熱處理， 大都在熱軋退火或正火狀態(tài)下直接使用。 應用 ：通常以板材、帶材及各種型材來供應。 普鋼牌號的表示方法： 字母 Q， Ql95 、 Q215A 、Q215B 等。見 P23 表 1—

37、4 (2)優(yōu)質碳素結構鋼 (簡稱優(yōu)質碳素鋼或優(yōu)鋼 )： 特點 ：既要保證力學性能又要保證化學成分，且鋼中的硫、磷等有害雜質較少。 應用 ：常用于制造比較重要的機械零件， — 般要進行熱處理。 優(yōu)鋼牌號的表示方法： 兩位數字表示，這兩位數字表示鋼中平均含碳量的萬分 數。如 45 鋼表示平均含碳量為 0.45%。 種類： 見 P24 表 1— 5 1）低碳鋼 (含碳量在  0.25%以下 )  ：而塑性、韌性好，易于沖壓加工，主要用于制造受力不大，不需淬火的零件，如螺釘、螺母、沖壓件和焊接件等。 2）中碳鋼  (含

38、碳量為  0.30%～ 0.50%)：強度較高，塑性和韌性也較好，  — 般 需經正火或調質后使用，應用廣泛。多用于制造齒輪、絲杠、連桿和各種軸類零件等。 3）高碳鋼 (含碳量為 0.55%～ 0.85%)：熱處理后具有高強度和良好的彈性，但切削性、淬透性和焊接性差， 主要用于制造彈簧和易磨損的零件。 (3) 碳素工具鋼 ： 通常指含碳量 0.65%-1.35% 的高碳鋼。 特點 ：既保證化學成分 , 又要符合規(guī)定的退火或淬火狀態(tài)下的硬度。 應用 ：常用于制造刀具、量具、模具等。 表示方法： “ T”表示 , 后面的數字表示含碳

39、量的千分數。例如 TlO 表示含碳量 為 1%的普通碳素工具鋼。 如為高級優(yōu)質鋼 , 后面加注“ A”, 如 TlOA。 見 P25 表 1— 7 (4)鑄鋼 ：略講， 見 P25 表 1— 6 鑄鋼主要用于制造承受重載的大型零件，較少受尺寸、形狀和重量的限制。 2．合金鋼： 在碳素鋼中加入一定量的合金元素 (如硅、錳、鉻、鉬、釩、鈦等 )，即構 成合金鋼。 氫（ H ） C（碳）、N（氮）、 O（氧） Al （鋁）、 Si （硅）、 P（磷）、 S（硫）、 Mn （錳）、 Fe（鐵）、 Cu （銅）、 Zn （鋅） 硼（ B

40、 ）鉬（ Mo ）鉛（ Pb ）錫（ Sn）鈦（ Ti ）釩（ V ）鎢（ W ）鋅（ Zn ）鎳（ Ni ）鉻（ Cr ） 注意：1)加入一定量的合金元素的目的是有好的  淬透性 和較高的綜合 力學性能 。 2）一定要進行熱處理，以便充分發(fā)揮其潛在能力。 合金鋼按用途可分為 合金結構鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼 三類。 (1)合金結構鋼 牌號以 “兩位數字 +合金元素符號 +數字 ”表示。 前面的兩位數字表示含 碳量的萬分數，合金元素符號后的數字表示該元素含量的百分數，含 量低于 1.5% 的元素后面不加注數字。如 30SiMn2

41、MoV ，其成分 :c 為 0.26%～ 0.33%，Mn 為 1.6%～1.8% ， Si、 Mo 、V 含量均低于 1.5%。 見 P26-28 表 1— 8--11 (2)合金工具鋼 合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素 (Si、Mn 、Cr、 V 等 )制成的。由于合金元素的加入，提高了材料的熱硬性、耐磨性，改善了 熱處理性能。 合金工具鋼常用來制造各種量具、 模具和刀具等， 因而對應地也就有量具鋼、 模具鋼和刃具鋼之分， 其性能、化學成分和組織狀態(tài)也不同。 見 P29 表 1— 12 合金工具鋼的編號方法與合金結構鋼相似，

42、 但含碳量的表示方法為： 平均含碳量≥ 1％時，鋼號中不標出； 平均含碳量 <1％時，則以千分之幾 (一位數字 )表示。 如 CrMn 鋼的平均含碳量為 1.3％～ 1.5％，而 9Mn2V 鋼的含碳量為 0.85 ％～ 0.95％。合金工具鋼均屬高級優(yōu)質鋼，但牌號后不加標“ A ”。 (3) 特殊性能鋼它是一種含有較多合金元素， 并具有某些特殊物理、 化學性能的合金 鋼。其牌號表示方法與合金工具鋼基本相同。常用的有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼 及軟磁鋼等。 1 ）不銹鋼 ：主要合金元素是 鉻和鎳。 因為鉻與氧化合， 在鋼表面形成一層致密的氧 化膜，保

43、護鋼免受進一步氧化。一般含鉻量不低于 1 2 ％才具有良好的耐蝕 不 銹性能。 如： 1Crl3 、 2Crl3 、 3Crl3 、 1Crl8Ni9 、1Crl8Ni9Ti 等。 2 ）耐熱鋼 ：是在高溫下不發(fā)生氧化并具有較高強度的鋼。鋼中常含有較多 鉻和硅， 以保證具有高的抗氧化性和高溫下的力學性能。耐熱鋼用于制造在高溫條件 下工作的零件， 如： 1Crl3Si13 、4Crl0Si2Mo 、 1Crl7A14Si 等。 3 ）耐磨鋼： 通常是 指高錳鋼。 其成分為：含碳量 1． O％～ 1． 3％，含錳量 11％～ 14％。該鋼機械加工困難，大多鑄

44、造成形。它具有在強烈沖擊作用下抵抗磨 損的性能， 如： ZGMnl3 — 4 主要用作坦克和拖拉機履帶。 4 ）軟磁鋼又名硅鋼片 ：它是在鋼中加入硅并軋制而成的薄片狀材料。 它雜質含量極 少，具有很好的磁性。 硅鋼片是制造變壓器、 電機、電工儀表等不可缺少的材料。 3．鑄鐵：含碳量 高于 2％的鐵碳合金 稱為鑄鐵。工業(yè)上常用的鑄鐵含碳量一般為 2．5％～ 4％。 由于它具有良好的鑄造性能、切削性能及一定的力學性能，所以在各種機械設備中，鑄鐵零件常占總量的一半以上。根據碳在鑄鐵中存在形態(tài)的不同，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和合金鑄鐵等。 (

45、1) 白口鑄鐵 : 碳在鐵中以滲碳體的形態(tài)存在，斷口呈亮白色，故稱白口鑄鐵。 主要性能： 硬而脆， 極難切削加工。 一般不用來制造機械零件，主要用作煉鋼的原料。 (2) 灰鑄鐵 : 碳在鑄鐵組織中以片狀石墨的形態(tài)存在，斷口呈灰色，故稱灰鑄鐵。 主要性能： 軟而脆，但具有良好的鑄造性能、耐磨性、減振性和切削加工性。所以灰鑄鐵常用于受力不大、沖擊載荷小、需要減振或耐磨的各 種零件，如機床床身、機座、箱殼、閥體等。 如： HT200 見 P30 表 1— 13 （ 3) 可鍛鑄鐵 碳在鑄鐵組織中以團絮狀石墨形態(tài)存在。 它是由白口鑄鐵經長

46、期高溫退 火而得的鑄鐵。 主要性能： 高的力學性能，尤其是它的塑性、韌性較灰鑄鐵有明顯的提高。但 可鍛鑄鐵仍然 不能進行鍛造 。常用來制造汽車、拖拉機的薄殼零件、 低壓閥門和各種管接頭等。 如： KTH350— 10 (4) 球墨鑄鐵 碳在鑄鐵組織中以球狀石墨形態(tài)存在。 球化處理是在澆注前向一定成分 的鐵水中，加入一定數量的球化劑 ( 鎂或稀土鎂合金 ) 和墨化劑 ( 硅鐵或 硅鈣合金 ) ，使石墨呈球狀。 只要性能： 較高的力學．性能，抗拉強度甚至高于碳鋼。因此廣泛地應用于機 械制造、交通、冶金等工業(yè)部門。目前，常用來制造汽缸套、曲軸、活

47、 塞等機械零件。 如： QT400— 1 8 ，其最低抗拉強度為 400 MPa，最低伸 長率為 1 8 ％。 見 P31 表 1— 14 (5) 合金鑄鐵 在鑄鐵中加入合金元素而構成合金鑄鐵。例如，在鑄鐵中加入磷、鉻、 鉬、銅等元素， 可得到具有較高耐磨性的耐蜜鯪缽； 在鑄鐵中加入硅、 鋁、 鉻等合金元素，可得到各種耐熱鑄鐵；鑄鐵中加入 Cr、 M0、 Cu、 Ni 、 Si 等元素，可得各種耐蝕鑄鐵等。 它們主要應用于內燃機活塞環(huán)、水泵葉輪 等耐磨、耐熱、耐蝕的零件。 三．有色金屬材料： 黑色金屬主要指 鐵、錳、鉻 及其 合金 ，鐵

48、、錳、鉻。而它們三個 都不是黑色的！純鐵是銀白色的； 錳 是銀白色的；鉻是灰白色 的。因為鐵的表面常常生銹，蓋著一層黑色的 四氧化三鐵 與棕 褐色的 氧化鐵 的混合物，看去就是黑色的。所以人們稱之為 “黑 色金屬 ”。 除鐵、鉻、錳三種金屬以外的所有金屬為 有色金屬 。 主要特點： 與鋼鐵相比，非鐵金屬的強度較低。應用它的目的，主要是利用其某 些特殊 的物理化學性能，如鋁、鎂、鈦及其合金密度小，銅、鋁及 其合金導電性好，鎳、鉬及其合金能耐高溫等。 1．銅及其合金 1）純銅 ：外觀呈紫紅色 , 又稱 紫銅 。因它是

49、用電解法獲得的 , 故又名 電解銅 。純銅具 有很高的導電性和導熱性 , 塑性好但強度低 , 主要用于各種導電材料。 2） 黃銅 ：以銅和鋅為主組成的合金統(tǒng)稱黃銅。強度、硬度和塑性隨含鋅量增加而升 高 , 含鋅量為 30%～ 32%時 , 塑性達最大值 , 含鋅量為 45%時強度最高。除了銅和鋅 以外 , 再加入少量其他元素的銅合金叫特殊黃銅, 如錫黃銅、鉛黃銅等。黃銅一般 用于制造耐蝕和耐磨零件 , 如彈簧、閥門、管件等 3）青銅 ：銅與錫組成的合金稱為錫青銅，是人類歷史上應用最早的合金。錫青銅有 良好的力學性能、鑄造性能、耐蝕性和減摩性 ,

50、是一種很重要的減摩材料。 主要用于摩擦零件和耐蝕零件的制造 , 如蝸輪、軸瓦等 , 以及在水、水蒸氣和油中工作的零件。青銅有錫青銅和無錫青銅之分。 2. 鋁及其合金 1) 純鋁 : 顯著的特點是密度小 ( 約為鐵的 1／ 3 強 ) ，導電性和塑性好，在空氣中有良好 的耐蝕性， 但強度和硬度低。 純鋁主要用做導電材料或制造耐蝕零件， 而不能 用于制造承載零件。 2）鋁合金 ：鋁中加入適量的銅、鎂、硅、錳等元素即構成鋁合金。它有足夠的強度、 較好的塑性和良好的抗腐蝕性， 且多數可以熱處理強化。 所以要求重量輕、 強度高的零件多

51、用鋁合金。 3 ．軸承合金 軸承合金是用來制造滑動軸承的特定材料。 軸承合金的材料主要是有色金屬合金 這些合金可根據其中含量較多的元素來分類 , 應用比較廣泛的軸承合金有錫銻軸 承合金、鉛銻軸承合金和鋁基軸承合金等。錫銻軸承合金和鉛銻軸承合金 , 習慣 上稱為巴氏合金。它們都是高質量的低硬度減摩材料。 4 ．鈦及其合金 鈦及鈦合金具有比強度高 , 耐熱性和耐蝕性好等突出優(yōu)點 , 主要用作航空、航天、 造船以作航空、航天、造船以及化工工業(yè)重要的結構材料。  , ⑴純鈦 它是銀白色輕金屬 , 密度為 4.45g/cm 3，熔點

52、為 1680℃。鈦強度低、 塑性好 , 易加工成形。 鈦在大氣、 海水和很多腐蝕介質中具有優(yōu)良的耐蝕性 , 它的抗 氧化能力優(yōu)于大多數奧氏體不銹鋼。 它用于制造在 350℃以下工作的零件 , 如飛機蒙皮、隔熱板、熱交換器等。 (2) 鈦合金 根據使用狀態(tài)時的組織 , 鈦合金可分為三類 : α鈦合金、 β鈦合金和 ( α + β ) 鈦合金。牌號分別以 TA、TB、TC 加上編號來表示。三類鈦合金中以 ( α +β) 鈦合金性能最優(yōu) , 因此廣泛應用于航空、航天工業(yè)。 5．粉末冶金材料 將金屬粉末與金屬或非金屬粉末混合 , 經過壓制成形、

53、 燒結等過程制成零件或材料的工藝方法為“粉末冶金” 。它是一種既不熔煉 , 又不鑄造的特殊冶金工藝 , 其工藝過程為 : 粉末制取 → 粉末混合 →壓制成形 → 燒結 → 后處理 → 成品 粉末冶金法具有少切削或無切削、 材料利用率高、 生產率高等優(yōu)點。 它常用來制造硬質合金、減摩材料、難熔金屬材料、磁性材料和耐熱材料等。 任務 1-5 掌握典型零件的選材方法 一、齒輪類、軸類及箱體類等典型零件的材料選用 齒輪類、軸類及箱體類等零件是最常用、 典型的機械零件， 要掌握工程材料選用原則，進行選材及工藝路線設計。生產出 高質量、低成本 的機械與零件

54、 二、零件的失效分析 1. 定義 ：失效是零件在使用過程中，因其尺寸、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而引 起的機 器或機械零件不能完成指定功能，或機械構件喪失了原設計功能的現象。 2. 失效主要表現 : ①完全破壞而不能工作；②雖然能工作，但達不到能預定的功能；③損壞不嚴重，但繼續(xù)工作不安全。 3．失效形式： （ 1）斷裂失效： A ．延性斷裂 ：延性斷裂是指零件在受到外載荷作用時，某一截面上的應力超 過了材料的屈服強度，產生很大的塑性變形后發(fā)生的斷裂。 B．脆性斷裂： 脆性斷裂發(fā)生時， 承受的工作應力通常遠低于材料的屈服強度，所以又稱為

55、低應力脆斷。這種斷裂經常發(fā)生在有尖銳缺口或裂紋的零件中。 C．疲勞斷裂： 在交變應力反復作用下發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂。 D．蠕變斷裂 ：蠕變即在應力不變的情況下， 變形量隨時間的延長而增加的現象。 (2) 過量變形 : 在外力作用下零件發(fā)生整體或局部的過量彈性變形或塑性變形導 致整個機器或設備無法正常工作， 或者能正常工作但保證不了產品質量的現象，稱之為過量變形。 A. 過量蠕變變形 : 在高溫下工作的金屬零件，既使工作應力不變，經過一定 間后，也會緩慢的產生過大的塑性變形而導致失效。 B. 過量彈性變形 : 如機床傳動軸因剛度不足，產生過

56、大的彈性變形后，會使軸上零件 ( 如齒輪 ) 不能正常嚙合，軸承發(fā)生偏磨等，使整個機器運轉不良，導致傳動失效。 C. 過量塑性變形 : 零件在工作中承受的應力超過材料的屈服強度后，就會產生塑性變形失效。 (3) 表面損傷 A. 磨損失效 : 主要是相互接觸的兩個零件在機械力的作用下，其相對運動表面的材料以細屑磨耗， 從而使零件的表面狀態(tài)和尺寸改變的一種失效形式。 B . 接觸疲勞失效 : 相互接觸的兩個運動表面 ( 特別是滾動接觸 ) ，在工作過程 中隨交變接觸應力的作用， 使表層材料發(fā)生疲勞破壞而脫落 的現象叫接觸疲勞失效。 C. 腐蝕失效 : 是指

57、金屬與周圍介質發(fā)生化學或電化學作用而造成的失效。 三、零件失效的原因 1．零件設計不合理 : 零件的結構、形狀、尺寸設計不合理最容易引起失效。如鍵槽、孔或截面變化較劇烈的尖角處或尖銳缺口處容易產生應力集中，出現裂紋。 2．選材不當 : 選材不合理即選用的材料性能不能滿足工作條件要求， 或者所選材料名義性能指標不能反映材料對實際失效形式的抗力。 3．工藝不合理 零件在加工和成形過程中， 因采用的工藝方法、 工藝參數不合理， 操作不正確 等會造成失效。如 熱成形過程中溫度過高 所產生的過熱、過燒、氧化、脫碳； 熱處理過程中工藝

58、參數不合理 造成的變形和裂紋、 組織缺陷及由于淬火應力不 均勻導致零件的棱角、臺階等處產生拉應力； 化學熱處理后滲層和淬硬層過 深， 使零件的脆斷抗力降低； 鑄件中的氣孔、夾渣及成分偏析 ；機加中表面 粗糙度值過大，存在較深的刀痕或磨削裂紋等均是導致零件早期失效原因。 4．安裝及使用不正確 機器在安裝過程中，配合過緊、過松、對中不準、固定不牢或重心不穩(wěn)，密性差以及裝配擰緊時用力過大或過小等，均易導致零件過早失效。在超速、過載，潤滑條件不良的情況下工作，工作環(huán)境中有腐蝕性物質及維修、保養(yǎng)不及時或不善等均會造成零件過早失效。 四、工程材料的選用原則 原則

59、: ① 滿足 使用性能 ; ②滿足 材料的工藝性 ; ③滿足 能經濟性 . 1. 滿足 使用性能 : 零件選用基本 出發(fā)點 另件的使用價值、安全可靠性和工作壽命一般主要取決于材料的使用性能，所以選材通常以材料制成零件后是否具有足夠的使用性能為基本出發(fā)點。 2. 滿足材料的工藝性：①切削加工性能 ② 熱處理性能 ③ 成形工藝性能 3． 滿足 能經濟性：盡量降低零件的材料費用。零件的總成本與零件的壽命、質量、加工費用、維修費用和材料價格有關。 五、典型零件的選材及工藝路線 1. 齒輪類零件的選材 ⑴齒輪的要求： 應用最廣泛的重要零件之一， 它主要用

60、于傳遞動力和運動， 改變度和方向。要求傳遞動力大和運動快，振動、噪聲小，壽命長。價格低。 ⑵ 齒輪常用材料及選用 ①低、中碳鋼或低、中碳合金鋼： A ． 低碳鋼或低碳合金鋼  ：25、 20Cr、 20CrMnTi 等，高速、重載 齒輪， 表面進行強化處理，使輪齒表面有較高強度和硬度，心部有較好的韌性。 滲碳，氮處理。 B ．中碳鋼或中碳合金鋼： 45、 40Cr 等，中速、中載 齒輪， 進行 調質處理， 使輪齒有較高綜合強度和硬度。 ②非鐵金屬及非金屬材料 承受載荷較輕， 速度較小的齒輪， 還常選用非鐵金屬 材料，如儀器儀表齒輪常

61、選用黃銅、 鋁青銅等； 隨著高分子材料性能 的不斷完善，工程塑料制的齒輪也在越來越多的場合得到應用。 ③鑄鐵材料 對于一些輕載、低速、不受沖擊、精度和結構緊湊要求不高的不重 要的齒輪，常采用灰鑄鐵并適當熱處理。近年來球墨鑄鐵應用范圍越來越廣。 齒輪選材料的具體實例： 見 P42 例 1— 1 2. 軸類零件的選材：  與輪齒類似，  見 P45  表 1— 17 3. 箱體類零件的選材 ⑴要求： 箱體是機器的基礎零件，其作用是保證箱體內各零部件的正確相對位置， 使運動零件能協(xié)調運轉。當機器工作時，箱體要承受其內部零件間的作 用力及它們的重量等。因此對箱體零件的力學要求是： ①足夠的剛度和 抗壓強度；②良好的減振性 ⑵常用材料： 普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、焊接件等。