机械工程基础全册配套最完整精品课件1.ppt
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1、机械工程基础全册配套最完整机械工程基础全册配套最完整 精品课件精品课件1 机械工程基础 目录 第一篇 工程材料与热处理基础 第二篇 成形工艺基础 第三篇 机械制造基础 第一篇 工程材料与热处理基础 第一章 金属材料的分类及性能 第二章 铁碳合金 第三章 钢的热处理 第四章 工业用钢 第五章 铸铁 第六章 有色金属 第七章 新型工程材料 第八章 机械制造中的材料选择 第一章 金属材料的分类及性能 1.材料的分类 2.金属材料的性能 3.金属材料的晶体结构与结晶 1.材料的分类 工程上使用的材料有机械工程材料、土建工 程材料、电工材料、电子材料。按属性分类: 一金属材料:钢、铸铁、有色金属 二高分
2、子材料:塑料、橡胶、合成纤维 三陶瓷材料:普通陶瓷、特种陶瓷 四复合材料 2.金属材料的性能 一机械性能 (一)强度 1.定义:强度是金属材料在外力作用下抵抗 塑性变形和断裂的能力。 拉伸试样低碳钢的拉伸曲线 低碳钢的拉伸过程分三个阶段:弹性变形、塑性变形和 断裂阶段。b是抗拉强度,是试样拉断前承受的最大应 力;s是屈服强度,是弹性变形转向塑性变形的明显标 志;e是弹性极限。 2.屈服强度及抗拉强度 低碳钢具有屈服阶段,对于其它无明显屈服现 象的材料,如高碳钢、铸铁、铜、铝等,可用 0.2代替屈服极限,称为名义屈服点。 (二)刚度 1.定义:金属材料在外力作用下抵抗弹性变形 的能力。 2.弹性
3、模数E:是衡量刚度大小的指标,其值 等于在弹性变形范围内,应力与应变的比值。 在相同外力作用下,E越大,则弹性变形越小, 刚度越大。E只与材料的本性有关。 3.刚度除了与E有关,还与零件的形状、尺寸 有关。 (三)塑性 1.定义:金属材料在外力作用下产生塑性变形而 不断裂的能力。 2.塑性通常用伸长率,断面收缩率表示。 =(LL0)/ L0100% =(F0F)/ F0100% 、越大,塑性越好。 (四)硬度 1定义:金属材料抵抗其他更硬的物体压入其 内的能力。 2类型: 布氏硬度(HB):HBS、HBW。 洛氏硬度(HR):HRC、HRA、HRB。 维氏硬度(HV): 4硬度是一个重要的综合
4、力学性能指标,反 映了材料在小范围内抵抗变形和断裂的能力。 3. 硬度实验 (五)冲击韧性 1定义:金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏 的能力。 2冲击韧性值k用来衡量冲击韧性的大小。 k 越大,韧性越好 3摆锤冲击实验 4强度、塑性均好的材料,韧性好。 (六)疲劳强度 1 疲劳断裂:在交变载荷下工作的一些构 件,所受应力虽然低于其屈服强度,但 使用中往往突然断裂,这种现象称为疲 劳断裂。 2. 疲劳强度-1:金属材料在无数次(钢 107有色金属108)重复交变载荷作用下不 致引起断裂的最大应力 3. 疲劳强度实验 二物理性能 密度、熔点、热容、热膨胀性、导热、导 电性、磁性。 三化学性能 耐
5、腐蚀性、高温抗氧化性。 四工艺性能 铸造性能、可锻性、可焊性、热处理性能、 切削加工性能。 3 金属的晶体结构与结晶 一金属的晶体结构 1.晶体与非晶体 晶体:原子沿三维空间重复排列成有序 结构。特点: 有序排列 性能各向异性 固定的熔点 非晶体:原子无序排列。 2晶体结构的基本概念 晶格 结点 晶胞 晶格常数,单位是 (埃,10-10m或0.1nm) 晶面、晶向 3常见晶体结构类型: 体心立方,如-Fe、Cr、V、W、Mo等 面心立方,如-Fe、Al、Cu、Ni、Pb等 密排六方,如Mg、Zn、Be等 不同金属,晶体结构和晶格类型不同,因而性能不 同;在同一晶体内,不同晶面和晶向上原子密度不
6、 同,因而性能不同(各向异性)。 二多晶体结构与晶体缺陷 1晶粒与晶界 2晶体缺陷 点缺陷:空位、间隙原子,导致晶格畸变, 使强度、硬度升高,塑性、韧性降低。 面缺陷:晶界,使晶体的强度、塑性、韧性 提高(细化晶粒以提高材料性能),但晶界处 熔点低,易腐蚀,且易聚集杂质原子。 线缺陷:位错,其存在及数量的变化对 性能影响很大。 三合金的相结构和组织 概念: 通过熔炼、烧结等方法,将一种金属元素与其 它一种或几种元素结合一起形成的具有金属特 性的新物质叫合金。 组成合金的各元素叫组元。 合金中成分相同、结构相同并与其他部分有界 面分开的均匀组成部分称为相;不同相的结合 称组织。相与相之间的转变称
7、为相变。 2合金的固态结构 固溶体:溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中, 并且不改变溶剂的晶格类型。如:铁素体、 奥氏体。 置换固溶体:溶质原子占据溶剂结晶原子位 置。 间隙固溶体:溶质原子位于溶剂原子晶格的 间隙中。 溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中,造成溶剂 元素的晶格畸变,导致合金强度、硬度的升高, 塑性、韧性下降,称为“固溶强化”。 金属化合物: 当溶质含量超过固溶体的溶解度时,将出现新相(单 相),若新相的晶格结构不同于任一组成元素,则它 属于金属化合物 金属化合物具 有较高的熔点和 硬度及较大的脆 性,使合金的强 度、硬度上升, 但塑性、韧性降 低。如渗碳体 Fe3C是铁碳合金 中的重要
8、强化相。 (3)机械混合物:由两种或两种以上的单相机械 混合而成,各单相保持晶格结构不变。机械混 合物的性能一般取决于各单相的性能和相对数 量。如由铁素体和渗碳体构成的机械混合物珠 光体。 四.金属的结晶 (一)结晶过程 1定义:液态金属在冷凝过程中,原子 由无序到有序,金属由液态到固态即晶体的 过程,叫结晶。 2冷却曲线及过冷度 实际结晶温度低于熔点,称为过冷,其差值为 过冷度。 冷却速度越大,过冷度也越大。 3.结晶过程 结晶过程=晶核形成+晶核成长 晶核来源:自发形核、外来形核 树枝晶的成长 (二)晶粒粗细对材料性能的影响 晶粒越细,强度、硬度越高,塑性、韧性 越好。 (三)细化晶粒的措
9、施 增大过冷度 变质处理 附加振动 (四)金属的同素异构转变 金属在固态时改变其晶格类型的过程叫同素异构 转变。 第二章 铁碳合金 1 二元相图的基本知识 2 铁碳合金相图 1 二元相图的基本知识 一相图的定义 相图又称状态图、平衡图。它表示在平 衡条件下(极其缓慢加热或冷却),不同成 分的合金在不同温度下有哪些相,及相变化 的简明图。 二相图的建立 以铜镍合金为例: 2 铁碳合金相图 铁碳合金是以铁为主要元素,含少量碳及 其它元素的合金,也是钢和铁的总称。含碳量 Wc727时, 渗碳体与奥氏体的机械混合物,含碳量 4.3,是液态铁碳合金在1148的共晶转变产物(当 T1.0%时,强度及塑韧性
10、降低) (三) 含碳量与组织、性能的关系 (四) 相图的应用: 铁碳合金相图主要用于铸造、锻造、焊接、 热处理等热加工工艺的制定 3 碳钢 钢的分类 牌号及用途 一钢的分类 1按成分分类: 碳素钢: 低碳钢:C%0.25% 中碳钢: 0.25%C%0.6% 合金钢 低合金钢: 合金元素总量1.0%时,牌号前无碳含量。如:CrWMn 当Wc1.0%时,牌号前为碳的千分含量。如9SiCr 高速钢:车刀、铣刀、钻刀等 牌号前不标碳含量。如:W18Cr4V 硬质合金:高速切削刀具 钨钴合金:YG3,YG6等 钨钴钛合金:YT5,YT15等 3特殊用途钢 牌号同于低合金工具钢 不锈钢:1Cr18Ni9T
11、i,1Cr13,2Cr13 耐热钢:4Cr9Si2 耐磨钢:ZGMn13 第五章 有色金属 1 铝及铝合金 2 铜及铜合金 1铝及铝合金 1工业纯铝: L1、L2、 重量轻,耐腐蚀,强度低,塑性好,适合 冷、热压力加工。 2铝合金 加入Si, Cu, Zn, Mn, Sn等元素,可提 高强度 2 铜及铜合金 1工业纯铜 T1、T2 导电性、导热性好,耐腐蚀。 塑性好、强度低,适合冷、热压力加工 2铜合金 黄铜 (普通)黄铜:Cu-Zn合金 耐蚀性、耐磨性好,铸造性能好,机械性能 与Zn的含量有关 特殊黄铜:在黄铜基础上加入Pb, Sn, Mn, Al, Fe, Ni, Si,等元素,以提高强度
12、, 改善耐蚀性、耐磨性、切削加工性等 青铜 锡青铜:Cu-Sn 良好的耐腐蚀性、耐磨性及铸造性能,机械性 能与Sn的含量有关 无锡青铜Cu-Al, Si, Mn, Pb, Cr, Be, Ni 第六章 新型工程材料 1 高分子材料 2 陶瓷材料 1 高分子材料 一.塑料 特点:质量轻 良好的耐蚀性 电绝缘性 减磨性、耐磨性 吸震性 分类:通用塑料、工程塑料 二.橡胶 2 陶瓷材料 1.普通陶瓷 2.特种陶瓷 第七章 机械制造中的材料选择 实例一 机床主轴的选材分析 材料: 45号钢 性能要求:整体硬度220240HBS;表面硬度 52HRC 工艺路线:下料锻造正火粗加工调质精 加工表面淬火及低
13、温回火磨削 实例二 低速刀具的选材分析 材料: T10钢 性能要求:硬度为58 62HRC 工艺路线:下料锻造正火球化退火粗加 工精加工淬火低温回火精磨 第二篇 成形制造技术基础 第一章 铸造 第二章 锻造 第三章 焊接 第一章 铸造 1铸造工艺基础 2.砂型铸造 3特种铸造 铸造: 将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相 适应的铸型空腔中,冷却凝固,即得铸件毛坯。 1铸造工艺基础 一合金的流动性(充型能力) 若充型能力差,将产生浇不足、冷隔、气孔等缺陷。 影响因素有: 1合金本身的流动性 共晶成分的合金流动性最好,越远离共晶成分, 流动性越差。 2浇注条件 浇注温度越高,充型能力越强。 充型压
14、力越高,充型能力越强。 3铸型条件 二合金的收缩 液态合金从浇注温度冷却到室温,要经过三个收缩 阶段:液态收缩、凝固收缩、固态收缩。前二者称为体 收缩,后者称为线收缩。 (一)缩孔、缩松的形成及防止 1形成 由于铸件的体收缩得不到液态金属的补充而在铸件 最后凝固部位形成的集中孔洞叫缩孔;形成的分散孔洞 叫缩松。 2措施 实现铸件的顺序凝固:在厚大部位增设冒口,并使 冒口最后凝固。 (二)铸造应力与变形、裂纹 1铸造应力的形成 铸件的固态收缩受到阻碍,将产生内应力 (1)热应力:由于壁厚不均、冷速不等、收 缩不一而产生的应力。铸件的心部及厚壁处 受拉应力;表面及薄壁处受压应力。 (2)机械应力:
15、由于机械阻碍而产生的应力 2变形与裂纹的产生 应力超出材料的屈服强度和抗拉强度,将产 生变形和裂纹 3.防止变形的措施 (1)实现铸件的同时凝固:结构设计采用均匀 的壁厚和对称的结构;厚大部位安置冷铁,薄 壁处开内浇口。 (2)大型铸铁件用自然时效、铸钢件用退火 消除内应力。 4.防止裂纹的措施 提高铸型的退让性及控制含磷量. 2.砂型铸造 一工艺过程 二造型方法 1手工造型 (1)整模造型 :最大截面位于一端的铸件 (2)分模造型 : 最大截面位于中间的铸件 (3)挖砂造型 : 最大截面为曲面的铸件 (4) 假箱造型:大批量需挖砂造型的铸件 (5)活块造型 (6)三箱造型 2.机器造型 定义
16、:将紧砂、起模工序用造型机来完成,或 配以机械化的砂处理、浇注、落砂等 三工艺特点 1.可铸出结构形状复杂的铸件 2.适应性广 3.成本低 4.铸件精度低,表面粗糙度大,易产生内在缺陷 5.劳动强度大 3特种铸造 一熔模铸造 1.工艺过程 2特点 (1)可铸出形状十分复杂及薄壁铸件 (2)精度高,IT11IT14,Ra12.5Ra1.6 (3)工序复杂,生产周期长,成本高,铸件不能太大 (4)适于各类合金,尤其是高熔点合金及难以切削加 工的合金的铸造 二金属型铸造 1工艺过程 2特点 (1)一型多铸 (2)精度高,IT12IT14, Ra12.56.3 (3)晶粒细,机械性能较好 (4)铸件易
17、产生浇不足、气孔、裂纹、白口组织 (5)适于大批量形状简单的有色金属中小型铸件 三压力铸造 1工艺过程 2特点 (1)充型能力强,可铸出薄而复杂的精密铸件 (2)精度高,IT11IT13; Ra3.2Ra0.8 (3)生产率高 (4)压型成本高 (5)铸件易含气孔 (6)适于大批量不需热处理的薄璧、复杂的小型有色 金属铸件 四离心铸造 1工艺过程 2特点 (1)无需型芯和浇注系统,省工省料 (2)组织致密 (3)充型好 (4)内表面质量差 (5)易出现比重偏析 (6)适于生产长圆筒形件及双金属铸件 第二章 锻造 1金属的塑性变形 2压力加工工艺 1金属的塑性变形 一.金属的塑性变形的实质 1单
18、晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形是以滑移的方式进行的,即: 在切应力的作用下,晶体的一部分沿着一定的晶面 (滑移面),相对于另一部分发生滑动。 2多晶体的塑性变形 晶粒度对机械性能的影响 晶粒越细,塑性变形抗 力越大,即强度越高;同时, 晶粒越细,总变形量相同情 况下,变形可分散在更多晶 粒内进行,减少应力集中, 使其在断裂前能承受较大的 变形量,即提高了塑性和韧 性。 二塑性变形后金属的组织和性能 1 组织的变化: (1)晶粒沿变形最大的方向伸长。 (2)点阵畸变,产生内应力 (3)产生碎晶,即亚晶粒 2加工硬化 (1)金属冷变形后,强度、硬度升高,而塑性、韧 性降低的现象叫加工硬化 (2)
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