机械基础工程材料资料课件.ppt
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1、电子工业出版社电子工业出版社第第3 3章章 工程材料工程材料工程材料应用图例 如图3-1(a)所示汽车是我们生活中重要的交通工具,由一万多个零件构成。如图3-1(b)、(c)、(d)所示活塞、齿轮、轮胎,都是组成汽车的零部件。(a)汽车 (b)活塞 (c)齿轮 (d)轮胎 图3-1 汽车及零件你知道这些零件分别是用什么材料制成的吗?如何选择零件材料呢?你通过本章学习,可以回答上述问题,*1.了解简化Fe-Fe C状态图。2.了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。3.理解常用碳钢的分类、牌号、性能和应用。4.了解合金钢的分类、牌号、性能和应用。5.了解钢的热处理的目的、分类和应用。6.了解常用有色金
2、属材料的分类、牌号、性能和应用。*7.了解工程塑料和复合材料的特性、分类和应用。*8.了解其他新型工程材料的应用。能力目标能力目标 1.能准确识别常用碳钢、合金钢的牌号。能准确识别常用碳钢、合金钢的牌号。2.初步具备正确选择与使用常用工程材料的能力。初步具备正确选择与使用常用工程材料的能力。1.1 1.1黑色金属材料黑色金属材料 *3.1.1 简化的Fe-Fe C状态图 3.1.2 铸铁 3.1.3 碳素钢 3.1.4合金钢 3.1.5 钢的热处理的目的、分类及应用 3.23.2有色金属材料有色金属材料 3.2.1 铜及铜合金 3.2.2 铝及铝合金 3.2.3 轴承合金 3.2.4 硬质合金
3、 *3.3 3.3 工程塑料和复合材料工程塑料和复合材料 3.3.1 工程塑料 3.3.2 复合材料 *3.43.4其他新型工程材料其他新型工程材料 3.4.1 橡胶 3.4.2 3.4.2 陶瓷陶瓷 3.53.5材料的选择及运用材料的选择及运用 3.5.1 材料的选用原则 3.5.2 工程材料的应用1.11.1黑色金属材黑色金属材*3.1.1 简化的Fe-Fe C状态图 钢和铸铁是现代工业中应用最为广泛的黑色金属材料,主要是由铁和碳两种元素组成的合金,统称为铁碳合金。铁碳合金材料的性能不仅与成分(含碳量)有关,而且还与内部组织有关。实际生产中常用简化的Fe-Fe C 状态图来表示铁碳合金的成
4、分、温度、组织三者变化规律,如图3-2所示。在简化Fe-Fe C 状态图中,纵坐标为温度,横坐标为含碳量的质量百分数。它是研究钢和铸铁的组织与性能的重要基础,是选择钢铁材料的依据,对制定铸造、锻压、焊接、热处理等加工工艺有着重要的指导意义。图3-2 简化Fe Fe C 状态图3.1.2 铸铁 铸铁是含碳量大于2.11的铁碳合金。工业上常用的铸铁,含碳量一般在2.54.0的范围内,此外还含有硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)等元素。1.铸铁的分类n按断口颜色可将铸铁分为灰铸铁、白口铸铁和麻口铸铁;n按化学成分可将铸铁分为普通铸铁和合金铸铁;n按生产工艺和组织性能可将铸铁分普通灰铸铁、可锻
5、铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。2.常用铸铁性能、牌号和应用附:炼铁过程视频(1)灰铸铁 灰铸铁是指碳主要以片状石墨形态存在的铸铁,断口呈灰色。n灰铸铁具有以下性能特点:尽管力学性能中抗拉强度、塑性、韧性均远不如钢,但抗压强度和硬度并没有明显降低。同时具有良好的铸造性能和切削加工性能,生产成低,并具有优良的消音、减震、耐压、耐磨、耐蚀以及较低的缺口敏感性等性能,n灰铸铁的牌号 由“灰铁”两字的汉语拼音字母字头“HT”及后面的一组表示最小抗拉强度数值的数字组成。例:HT100表示灰铸铁的最低抗拉强度为100MPa。n灰铸铁的应用 常用来制造强度、韧性要求不太高以及要求承受压力和震动的零件,例如:气缸
6、体、各种机器底座等。如图3-3所示发动机的缸体和虎钳台。灰铸铁的应用实例灰铸铁的应用实例发动机的缸体 滑动轴承的轴承座图3-3 灰铸铁的应用实例水泵叶轮虎钳台(2)可锻铸铁(又称马铁或马钢)可锻铸铁是指将白口铸铁通过石墨化退火或氧化脱碳可锻化处理,使碳主要以团絮状石墨形态存在的铸铁,其断口心部呈灰黑色,表面呈灰白色。n可锻铸铁的性能特点 除保留灰铸铁的优点外,其塑性和韧性有一定的改善。n可锻铸铁的牌号 由三个字母及两组数字组成。前两个字母“KT”是“可铁”二字汉语拼音的字母字头,第三个字母代表可锻铸铁的类别。如KTH 表示黑心可锻铸铁,KTZ 表示珠光体可锻铸铁。后面第一组数字表示最低抗拉强度
7、,第二组数字表示最低延伸率,如图3-4所示。n可锻铸铁的应用 常用来制造一些形状复杂而减振及强度要求较高的薄壁小型铸件,如管接头、汽车和拖拉机后桥外壳、低压阀门等,如图3-5所示为用可锻铸铁制造的低压阀门。可锻铸铁的牌号的意义与应用实例可锻铸铁的牌号的意义与应用实例图3-4 可锻铸铁的牌号的说明 图3-5 可锻铸铁的应用实例(低压阀门)管口(3)球墨铸铁 球墨铸铁是指将铁液经过球化处理(而不是在凝固后经过热处理),使石墨大部分或全部呈球状,有时少量为团絮状的铸铁,简称球铁。n球墨铸铁的性能特点 它的强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁,接近铸钢,而铸造性能和切削性能均比铸钢要好。n球墨铸铁的牌号 由
8、“QT两组数字”组成,前两个字母“QT”是“球铁”二字的汉语拼音字母字头,后两组数字分别代表其最低抗拉强度和伸长率,如图3-6所示。n球墨铸铁的应用 广泛应用在机床、冶金、化工、铁道等部门,用来制造性能要求较高的铸件,有时可代替非合金钢或低合金钢来制造某些负荷较大、受力较复杂的重要铸、锻件。如内燃机曲轴、凸轮轴,齿轮等,如图3-7所示为内燃机曲轴。球墨铸铁的牌号说明与应用实例球墨铸铁的牌号说明与应用实例图3-6球墨铸铁牌号的说明 图3-7球墨铸铁的应用(曲轴)3.1.3 碳素钢 碳素钢简称碳钢,是最基本的铁碳合金,属于非合金钢。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素,且含碳量一般小于2%的钢。1.
9、碳素钢的分类(1)按钢的含碳量分类n低碳钢 C0.25。n中碳钢 C=0.250.60。n高碳钢 C0.60。(2)按钢的质量分类 根据钢中的有害元素硫、磷含量多少可分为n普通钢 S0.050,P 0.045。n优质钢 S0.035,P 0.035。n高级优质钢 S 0.025,P 0.025。附:炼钢过程视频(3)按钢的用途分类n结构钢 主要用于制造建筑结构件、工程结构件和各种机械零件,含碳量一般均小于0.70%。n工具钢 主要用于制造各种刀具、量具和模具等,含碳量一般均大于0.70%。(4)按冶炼时脱氧程度的不同分类n沸腾钢 脱氧程度不完全的钢。n镇静钢 脱氧程度完全的钢。n半镇静钢 脱氧
10、程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。2.碳钢的牌号 我国现行GB/T 221-2008 钢铁产品牌号表示方法标准代替GB/T 221-2000钢铁产品牌号表示方法,规定了钢铁产品牌号表示方法,仍采用汉语拼音字母、化学符号与阿拉伯数相结合的原则表示碳钢的牌号,并明确采用汉语拼音字母或英文字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时,通常采用大写字母。(1)(普通)碳素结构钢的牌号(普通)碳素结构钢的牌号主要由四部分组成:n屈服强度字母 Q屈服强度,“屈”汉语拼音字母字头。n屈服强度数值 单位为MPa。n质量等级符号 A,B,C,D级,从A到D依次提高。n脱氧程度 F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊
11、镇静钢,Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。(普通)碳素结构钢的牌号的说明(普通)碳素结构钢的牌号的说明例:例:Q235AF表示屈服强度值235MPa,质量为A级的碳素结构钢,且属于沸腾钢,如图3-8所示。图3-8普通碳素结构钢牌号说明(2)优质碳素结构钢的牌号 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示,这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。n优质碳素结构钢根据钢中含锰量不同,分为普通含锰量钢(Mn=0.350.8)和较高含锰量钢(Mn=0.71.2)。若属于较高含锰量钢在牌号后面必须标注元素符号“Mn”,例:例:n45表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢,n 07F表示平均含碳量为0.
12、07的优质碳素结构钢,且属于沸腾钢。n 65Mn.表示平均含碳量为0.65的较高含锰量的优质碳素结构钢。.(3)碳素工具钢的牌号 碳素工具钢的含碳量均在0.7以上,都是优质钢或高级优质钢。其牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”及后面的阿拉伯数字表示,其数字表示钢中平均含碳量的千分数,如图3-9所示。若为高级优质碳素工具钢,则在牌号后面标以字母A。(4)铸造碳钢的牌号 铸造碳钢是采用铸造生产而获得的碳钢称为铸造碳钢(简称为铸钢)。铸造碳钢的牌号由“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成:第一组数字代表屈服强度,第二组数字代表抗拉强度值。例如:例如:ZG200400表示屈服强
13、度不小于200MPa,抗拉强度不小于400MPa的铸造碳钢,如图3-10所示。碳素工具钢与铸造碳钢牌号的说明碳素工具钢与铸造碳钢牌号的说明图3-9碳素素工具钢牌号说明书 图3-10铸造碳钢牌号说明3.碳钢的性能及应用1)(普通)碳素结构钢的性能和应用 (普通)碳素结构钢是建筑及工程中应用最多的钢材,其性能特点是:碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多,冶炼容易;工艺性能(焊接性、冷成形性)优良;价格便宜,产量大;性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求。通常轧制成扁平成品或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、钢筋等),一般不经过热处理;在热轧态时直接使用。因此应用普通,用于厂房、桥梁、船舶等建筑结构一些
14、受力不大的机械零件,如图3-11所示为螺栓和建筑棚架。(普通)碳素结构钢的应用实例(普通)碳素结构钢的应用实例(a)螺栓 (b)建筑棚架图3-11普通碳素结构的应用(2)优质碳素结构钢的性能和应用 优质碳素结构钢的性能特点是:化学成分准确、力学性能可靠;硫、磷有害杂质元素含量较少,钢的质量较高;力学性能和工艺性能取决于优质碳素结构钢的含碳量,具体而言:n低碳钢:这类钢具有良好的强度、塑性、韧性及焊接性能,硬度较低。主要用于制造冲压件、焊接结构件及强度要求不高的机械零件、渗碳件,如图3-12所示法兰盘和垫圈等。n中碳钢:这类钢具有较高的强度、硬度,其塑性、韧性随含碳量的增加而逐步降低,有良好的切
15、削性能。这类钢经调质后,能获得较好的综合力学性能,主要用于制造受力较大的机械零件,如图3-13所示曲轴和齿轮等。n高碳钢:这类钢具有较高的强度、硬度和弹性,但焊接性能不好,切削性能稍差,冷变形塑性差,一般制造过程均需要热处理(淬火与回火)。高碳钢主要用于制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件,如弹簧、板簧和螺旋弹簧等弹性零件及耐磨零件,如图3-14所示优质碳素结构钢的应用实例(低碳钢)优质碳素结构钢的应用实例(低碳钢)法兰盘 垫圈图3-12优质碳素结构的应用(低碳钢)优质碳素结构钢的应用实例(中碳钢)优质碳素结构钢的应用实例(中碳钢)曲轴 齿轮图3-13优质碳素结构的应用(中碳钢)优质碳素结构钢
16、的应用实例(高碳钢)优质碳素结构钢的应用实例(高碳钢)拉伸弹簧 压缩弹簧 盘类弹簧 板型弹簧 图3-14弹簧、板簧和螺旋弹簧总之,优质碳素结构钢可用来制造较为重要的机械零件,使用前进行热处理工艺,就能充分发挥其力学性能。(3)碳素工具钢的性能和应用 碳素工具钢均为含碳量在0.7以上的高碳钢,且属于优质钢或高级优质钢。其性能主要特点是硬度高,脆性大,一般制造过程均需要热处理(淬火与回火)。碳素工具钢主要用来制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具和量具等,如图3-15所示钻头、锉刀。钻头锉刀图3-15碳素工具钢的应用螺纹量规螺纹量规(4)工程与结构用铸造碳钢的性能和应用 工程与结构用铸造碳钢的
17、含碳量一般在0.200.60,其主要性能特点是:具有一定的强度、硬度,其塑性、韧性随含碳量的增加而逐步降低。铸造碳钢广泛用于重型机械的某些零件,如图3-16所示为轧钢机机架。图3-16工程与结构用铸造碳钢的应用(轧钢机机架)3.1.4合金钢 在碳钢冶炼过程中,为获得某些性能的要求,人为加入金属元素和非金属元素,这样所得的碳钢称为合金钢。加入的金属元素和非金属元素统称合金元素。常加入的合金元素有铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆、硼、氮和其他元素等。1.合金钢的分类 合金钢的分类方法很多,但最常用的有两种。(1)按用途分类n合金结构钢 用于制造机械零件和工程结构的钢,它们又可以分为低合金
18、结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。n合金工具钢 用于制造各种工具的钢,可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。n特殊性能钢 具有某种特殊物理、化学性能的钢,如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。(2)按合金元素总含量分类n低合金钢 合金元素总含量5。n中合金钢 合金元素总含量为510。n高合金钢 合金元素总含量10。2.合金钢(包括低合金结构钢)的牌号 我国合金钢的牌号是按照合金钢中的含碳量、所含合金元素的种类(元素符号)及含量、质量级别来编制的。(1)合金元素符号最前的数字表示含碳量n低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢用二位数字表示平均含碳量(以万分之几计),如图3-17所示。不锈耐酸钢、耐热钢等,
19、一般用一位数字表示平均含碳量(以千分之几计);平均含碳量小于千分之一的用“0”表示,含碳量不大于0.03%的用“00”表示。n合金工具钢一般C1.0%时不标出含碳量数字;若平均含碳量小于1.0%时,可用一位数字表示含碳量(以千分之几计),如图3-18所示。但高速钢C1.0%也不标出,如W18Cr4V钢。(2)紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量n平均合金含量小于1.5%时,牌号中仅标明元素,一般不标明含量。当平均合金含量分别大于或等于1.5%、2.5%、3.5%时,则相应地以2、3、4表示。n高碳铬轴承钢,其含铬量用千分之几计,并在牌号头部加符号“G”。例如,平均含铬量为0.9%的轴承钢,
20、其牌号表示为“GCr9”。n低铬(平均含铬量1%)合金工具钢,其含铬量亦用千分之几计,但在含量数值之前加一数字“0”。例如,平均含铬量为0.6%的合金工具钢,其牌号表示为“Cr06”。(3)高级优质合金钢(含S、P较低),在牌号尾部加符号“A”。(4)为了表示钢的专门用途,在牌号头部(或尾部)附以相应用途符号。例如,滚动轴承钢前加“G”(“滚”字的汉语拼音字头)如GCr15,又如20MnK,牌号后附以符号K,则表示此合金多为矿用。合金钢牌号的说明合金钢牌号的说明(合金结构钢合金结构钢)图3-17合金结构钢的牌号说明合金钢牌号的说明合金钢牌号的说明(合金工具钢合金工具钢)图3-18 合金工具钢的
21、牌号说明3.合金钢的性能和应用(1)合金结构钢的性能和应用 合金结构钢是用于制造各类工程结构件和各种机器零件的钢。按用途不同可分为低合金结构钢和机械制造两类,是目前市场上品种最多,用途最广,用量最大的一类钢材。通常按用途和热处理特点不同,又可分低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等。1)低合金结构钢 低合金钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢。大多数情况下是在热轧或正火条件下使用。这类钢材具有较高的强度和屈强比;较好的塑性和韧性;耐蚀性;良好的焊接性;较低的缺口敏感性和冷弯后的时效敏感性;较低的脆性转变温度;价格接近普通碳素结构钢。因此,目前低合金结构钢广泛用于桥梁、
22、车辆、船舶、容器、建筑钢筋、结构件等,如图3-19所示。低合金结构钢的应用实例低合金结构钢的应用实例桥梁容器图3-19低合金结构钢的应用2)合金渗碳钢 合金渗碳钢是由低碳合金结构钢经渗碳、淬火、低温回火的处理后获得。其性能特点有:“表硬心韧”的性能,同时具有优良的耐磨性和耐疲劳性。因此用来制造承受强烈冲击载荷和摩擦磨损的零件。如汽车、拖拉机中的变速齿轮和内燃机中的凸轮轴,如图3-20所示变速齿轮 凸轮轴图3-20 合金渗碳钢的应用3)合金调质钢 这类钢属于中碳钢,经调质、表面淬火和化学热处理后具有良好综合力学性能,能承受重载荷、耐冲击,具有良好的淬透性和耐磨性。因而用来制造承受重载荷、耐冲击和
23、具有良好综合力学性能的重要零件。如内燃机的连杆,汽车的传动轴,如图3-21所示。连杆 传动轴图3-21 合金调质钢的应用4)合金弹簧钢 弹簧钢一般含碳量高于调质钢,经淬火、中温回火后获得的特殊质量合金结构钢,它具有高弹性极限和屈强比,足够的塑性、韧性和疲劳强度,还有较高的淬透性。主要用来制造机车车辆、汽车、拖拉机的各种弹簧或减振元件,如图3-22所示。钢板弹簧螺旋弹簧图3-22 合金弹簧钢的应用5)滚动轴承钢 这类钢经淬火、低温回火后具有高而均匀的硬度和耐磨性、高抗拉强度和接触疲劳强度、高的弹性极限,足够的韧性和对大气的耐蚀能力。主要用于制造各种滚动轴承的内、外套圈以及滚动体,如图3-23所示
24、,也可用于制造各种工具和耐磨零件。各类滚动轴承深沟球轴承 图3-23滚动轴承钢的应用(2)合金工具钢合金工具钢按用途可分合金刃具钢、合金量具钢和合金模具钢。1)合金刃具钢 这类钢具有高硬度、优良的耐磨性、高热硬性及足够的强度和韧性等。主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具,如图3-24(a)所示。2)合金模具钢合金模具钢就是用来制造模具的钢。根据工作条件不同又可分为冷作模具钢和热作模具钢,这类钢应具备较高的硬度和强度、足够的韧性、较高的淬透性和较小的热处理变形。对于热作模具还应具有较好的抗热疲劳性能,高温耐磨性及热稳定性。如图3-24(b)所示。3)合金量具钢这类钢具有高硬度、高耐磨性
25、、高的尺寸稳定性和足够的韧性。主要用来制造测量工件的工具。如图3-24(a)所示n合金工具钢的应用实例合金工具钢的应用实例 如图如图3-24(a)合金刃具钢的应用 合金量具钢的应用n合金工具钢的应用实例合金工具钢的应用实例 如图如图3-24(b)冷作模具(冲压模)热作模具(塑料模)3.1.5 钢的热处理的目的、分类及应用1.钢的热处理的概念 所谓钢的热处理,就是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却,以获得所需要的组织结构与性能的工艺。2.钢的热处理的目的与作用 钢通过热处理能达到改善钢(工件)的力学性能或工艺性能;充分发挥材料的性能潜力,提高零件质量,延长零件寿命。2.热处理的
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