制造技术2章机械工程材料及热处理讲稿.ppt

课程名称：制造技术及发展上课时间：周三9-10节（1-15周）上课地点：桃西楼202答疑时间：每周五晚7：009：00答疑地点：15号楼404室机械系办公室任课教师：刘军电话：63554632（办）、13015524951办公室：15号楼404机械系办公室考核形式：平时（20%，上课+作业等）+考试(80%)考试时间、地点：教务处安排（从网上查看）,制造技术及发展,主讲：刘军教材：自编、讲义班级：临班0632（135人）学时：30,ZhizaoJishujiFazhan,制造技术及发展,1制造技术与制造系统2机械工程材料及热处理3机械设计技术4材料成型制造技术,2机械工程材料及热处理2.1机械工程材料2.2工程材料的分类和性能特点2.3金属材料的主要性能2.4零件选材的一般原则2.5工业常用材料2.6钢的热处理,2011年3月16日第3次课6学时,材料是人类用来制作各种产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。从日常生活用具到高、精、尖的产品，从简单的手工工具到复杂的航天器、机器人，都是由不同种类、不同性能的材料加工成的零件组合装配而成。材料的利用情况标志着人类社会文明的发展水平，所以历史学,2机械工程材料及热处理,2.1机械工程材料,家根据制造市场工具的材料将人类历史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代等。现代工业技术更是与材料的发展密切相关。材料能源和信息已成为现代文明的三大支柱，而且材料则是其中的物质基础。材料科学已经成为衡量一个国家科学技术水平、国民经济水平及综合国力的重要标志。,材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是材料在使用条件下表现出的性能，如力学性能、物理性能和化学性能等；工艺性能则是指材料在加工过程中反映出的性能，如切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能等。根据材料所要求的使用性能，可以将固体材料分为结构材料与功能材料两大类。结构材料主要用于制作工程结构,和零件，以强度、韧性、塑性等力学性能作为主要的使用性能。而那些主要要求电、光、声、磁、热等功能和效应的材料则属于功能材料。在这里我们不讨论。,根据材料的性质，工程材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料4大类。（1）金属材料金属材料是最主要的工程材料，包括纯金属和以纯金属为基的合金。以金属为主体的工程金属材料具有较高的弹性模量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、,2.2工程材料的分类和性能特点,韧性、导电和导热性能。工业上把金属材料分为黑色金属和有色金属2大部分。铁和以铁为基的合金，如钢、铸铁和铁合金属于黑色金属；黑色金属以外的所有金属及其合金称为有色金属。黑色金属的价格便宜，且工艺性能比较优越，是最重要的工程金属材料。铁基材料的产量占整个结构材料和工具材料的,90%以上。有色金属包括轻合金、易溶金属、难溶金属、贵金属、铀金属、稀土技术和碱土金属等，它们是重要的特殊用途材料。（2）陶瓷材料陶瓷是金属元素（或亚金属元素如硅等）的化合物，可以认为是各种无机非金属材料的统称。陶瓷的硬度很高，化学稳定性好，可以制造各种耐蚀、耐热用具，,在一些特殊的情况下也可用作结构材料。但是一般陶瓷材料脆性都很大。陶瓷材料属于无机非金属材料，包括无机玻璃（硅酸盐玻璃）、玻璃陶瓷（或称微晶玻璃）和陶瓷等三类。作为结构和工具材料，工程上应用最广的是陶瓷。按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为普通陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等。,（3）高分子材料高分子材料又称聚合物材料，主要成分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分子可含有几千、几万甚至几十万个原子，分子量在5000以上。高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性能，以及较低的密度等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。按其用途和使用状态又可,分为橡胶、塑料、合成纤维和胶粘剂等四大类型。（4）复合材料复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织结构的材料组合在一起而构成的。如果选择合适的组合材料及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越的材料，因此复合材料具有广阔的发展前,景。复合材料通常分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。据统计，非金属材料在机械工业中的应用只有5%6%，估计在相当一段时间内，金属还是主要的工程材料。,金属材料的力学性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能，对材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响。材料的力学性能是衡量材料性能优劣的主要指标，也是机械设计人员在设计过程中选用材料的主要依据。金属材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳,2.3金属材料的主要性能,2.3.1金属材料的力学性能,强度和耐磨性等。材料的力学性能可以从机械设计手册中查到，也可以通过力学性能试验的方法获得。（1）强度强度是指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。1）拉伸试样，如图2-2所示。,图2-2拉伸试样,2）拉伸曲线，如图2-3所示。该图是低碳钢的力-伸长曲线，图中纵坐标表示力拉伸力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长量l，单位为mm。,图2-3拉伸曲线,3）强度指标试样受到外力作用时，在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用力，称为内力。单位截面积上的内力称为应力，拉伸时的应力用符号表示。弹性极限,屈服点（又称屈服强度）抗拉强度。抗拉强度是指试样断裂前能够承受的最大拉应力，用b表示。,（2）塑性金属材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。1）伸长率伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度的百分比，用符号表示。即：,伸长率大小与试样尺寸有关。长试样的断后伸长率用10或表示，短试样的断后伸长率用5表示，同一材料的105，但二者不能直接比较大小。2）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处（断口处）横断面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示。即：,和是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。良好的塑性是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，可避免材料在压力加工过程中发生开裂而破坏；而普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。同时,由于材料具有一定的塑性，故能保证材料不致因稍有超载而突然断裂，增加了材料使用的安全可靠性。,（3）硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性，材料的硬度越高，其耐磨性越好。常用的硬度有：,1）布氏硬度HB布氏硬度是用钢球为压头（见图2-4），用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量，即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示，较少用。HBS的常用范围HBS450。,图2-4布氏硬度法,布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验,2）洛氏硬度HR洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为：图2-5为洛氏硬度的测定。其中HRC应用最广，范围是2067，还有HRA、HRB见表2-1。,图2-5洛氏硬度的测定,表2-1洛氏硬度的测试规范,（4）韧性外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。韧性：金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。冲击韧度通常用摆锤式冲击试验机测定，如图2-6所示。,H,2-6摆锤式冲击实验示意图,测定时，一般是将带缺口的标准冲击试样（参见GB/T229-94）放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口处单位截面积所吸收的冲击功表示其冲击韧度。根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AK=mg（H-h）。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（J），用AK除以试样缺口处的横截面积A所得即为该材料的冲击韧度，用符号K表示，即：,（5）疲劳强度疲劳强度机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用-1表示。,（1）物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。（2）化学性能金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。,2.3.2金属材料的物理、化学及工艺性能,（3）工艺性能工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。,（1）应满足零件的工作要求例如：受力状态，工作温度，环境介质等（2）应能满足工艺性能要求金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲压，焊接，切削加工和热处理，各种加工工艺对材料均有其工艺性能要求。例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压,2.4零件选材的一般原则,件选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良的合金工具钢。（3）必须重视材料的经济性一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选用碳素钢或灰铸铁，难以满足要求时，选用合金钢，球墨铸铁，铸钢或其它材料。16Mn比Q235成本略高，但强度高46，可减少用量。材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。,钢是含碳小于2.11%的铁碳合金。它主要由生铁冶炼而成。是机械制造中应用最广的金属材料。（1）钢的分类钢的种类繁多。按化学成分分类，可分为碳素钢和合金钢两大类；按用途分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢,2.5工业常用材料,2.2.5.1工业用钢,2011年3月23日第4次课8学时,3类；按质量分类，主要分为普通钢，优质钢和高级优质钢三类。此外，按脱氧程度还可分为镇静钢和沸腾钢等。如图2-15所示。,图2-15钢的分类,（2）碳素钢碳素钢简称碳钢，含碳量在1.54以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。碳素钢可分为3类：1）碳素结构钢含碳量小于0.38，常用小于0.25，即以低碳钢为主。结构钢的牌号：Q+三位数字表示，,例：Q215AFQ屈服点的首字215屈服点的数值，单位Mpa，这里是215MPaA质量等级，分为A、B、C、D，其中A是普通级，D是优等级别，硫磷含量较低F脱氧程度，F是沸腾钢，Z是镇静钢。Z可不标,常见的牌号有：Q195AQ195B、Q215AQ215B、Q235AQ235BQ235CQ235D、Q255AQ255B、Q275Q235是用途最广的碳素结构钢,属低碳钢,通常经热轧成钢板、型钢、钢管、棒材等供应,因铁素体较多故塑性和韧性优良,常用于建筑构件，不重要的轴类，螺钉，螺母，冲压件，焊接件，锻件等。Q235C及Q235D还可用于重要的焊接件。,2）优质碳素结构钢含硫磷量较低，主要用来制造较重要的机械零件。结构钢的牌号：用二位数字表示，例20表示含碳量为0.2，数字20是钢中平均含碳量的万分数；10F表示含碳量为0.1的沸腾钢。常用的结构钢牌号：08、10、15、20、25等牌号属低碳钢，其塑性好易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接，其中20钢用途最广，常用于制,造螺钉、螺母、垫圈、小轴、冲压件、焊接件，有时用于渗碳件。30、35、40、45、50、55等牌号属于中碳钢，因强度硬度提高，淬火后硬度显著增加，其中45钢的强度、硬度、塑性、韧性都较好，即综合性能优良，应用最广，常用于制造轴、丝杠、齿轮、重要的螺钉、螺母等。60、65、70、75等牌号属高碳钢，经淬火、回,火后强度硬度高，弹性优良，常用于制造小弹簧，钢丝绳轧辊等。3）碳素工具钢碳素工具钢的含碳量为0.71.35，淬火后有高的硬度（60HRC）良好的耐磨性。当工作温度250时，硬度将迅速下降。牌号：T+一或二位数字表示，例T7A，其中：T表示碳素工具钢；7表示平均含碳量为0.7；A表示高级优质碳素,工具钢；常用：T8、T10、T10A、T12。T8在上述牌号中韧性最好，多用于制造受冲击的工具，例如錾子，锻工工具；T10、T10A硬度较高，且有一定的韧性，常用来制造锯条，小冲模等；T12硬度最高耐磨性好，但脆性大，适于制造不受冲击的耐磨工具，如钢锉，刮刀等。,（3）合金钢合金钢是为改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。钢中的硅含量大于0.5，或含锰量大于1.0，也属于合金钢。合金元素加入钢后，通常使钢的强度，硬度增加，合金元素超过一定量时，可能使韧性下降。大多数合金元素可提高合金钢的回火稳定性，即抗回火软化能力高。当含W、Mo、V、,Ti量较高时，合金钢有回火时硬度升高的现象，称为二次硬化。1）合金结构钢性能比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良，因此便于制造尺寸较大、形状复杂或要求淬火变形小的零件。合金钢的牌号：数字（钢的平均含碳量的万分数）+元素符号+数字（合金元素,的平均含量的百分数，小于1.5时，不标数字）2）合金工具钢主要用来制造刃具，模具，和量具。合金元素的主要作用是增加钢的淬透性，耐磨性及红硬性。与碳素钢相比，它适于制造形状复杂，尺寸较大，切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。工具钢的牌号：数字（用一位数字表,示平均含碳量的千分数，超过1.0时不标）+元素符号+数字（合金元素的平均含量的百分数，小于1.5时，不标数字）例：9Cr2平均含碳量为0.9；CrWMn-平均含碳量为1.0；9SiCr、9Mn2V常用的低合金刃具钢，制造切削速度不高的工具和小的模具。例如丝锥，等；W18Cr4V-是高速工具钢，制造钻,头、铣刀，拉刀等，600时仍保持高硬度，故可用较高切削速度切削。3）特殊性能钢不锈钢，耐热钢，耐磨钢等，常用的不锈钢牌号是2Cr13、1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Ti等。,铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金，铸铁中往往还含有硅、锰、硫、磷等元素。铸铁的生产设备和工艺简单、制造容易、价格便宜，具有良好的铸造性、耐磨性、减震性、切削加工性等。铸铁是工程上最常用的金属材料，广泛应用在机械制造、冶金、矿山、石油、化工、交通等部门。,2.5.2铸铁,此外，为满足耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能的需求，在铸铁中加入铬、钼、铜、铝、硅等合金元素就得到合金铸铁。（1）灰铸铁的成分、组织与性能、牌号及用途成份：一般为Wc=2.5%4.0%，Wsi=1.0%3.0%，WMn=0.5%1.4%，Ws0.15%，Wp0.30%。组织：碳钢的基体加片状石墨。,图2-8灰铸铁的显微组织,性能：取决于基体组织和石墨的形态、数量、大小和分布。灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低很多。具有优良的铸造性能、优良的切削加工性能、良好的减振性、减摩性和低的缺口敏感性。牌号用“HT+数字”表示。HT是“灰铁”两字的汉语拼音字首，数字表示最低的抗拉强度值（MPa）。例：HT150。,灰铸铁的特点是生产简单、应用广泛，其产量占整个铸铁产量的80%以上。（2）球墨铸铁的成分、组织与性能、牌号及用途成份：球墨铸铁的化学成分一般为：Wc=3.64.0，Wsi=2.02.8，WMn0.60.8，Ws0.04，Wp0.1，WMg0.030.05，WRE=0.030.05。,组织：碳钢的基体加球状石墨。性能：力学性能比灰铸铁高得多，强度与钢接近，屈强比达到0.70.8，比碳钢高；塑性和韧性比灰铸铁好，仍比钢差。具有良好的铸造性能、减震性、减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性等。牌号用“QT+A组数字-B组数字”表示。QT是“球铁”两字的汉语拼音字首，A组数字表示最低的抗拉强度值（MPa），,图2-9球墨铸铁的显微组织,B组数字表示最低伸长率。例：QT600-3。广泛用于制作受力复杂、性能要求较高的重要零件。（3）可锻铸铁的成分、组织与性能、牌号及用途成份：较低的碳、硅含量，一般Wc=2.22.8，Wsi=1.21.8，WMn0.408，Wp01，Ws0.2。,组织：碳钢的基体加团絮状石墨。有黑心和白心两种类型，我国主要生产黑心可锻铸铁，白心的很少生产。性能：强度和韧性比灰铸铁提高很多。可锻铸铁并不可锻。牌号用“KT+表示类别的字母+A组数字-B组数字”表示。表示类别的字母有H、B、Z。例：KTH370-12。用于制作形状复杂、要求强度、韧性较高的薄壁零件。,图2-10黑心可锻铸铁的显微组织,（4）蠕墨铸铁的成分、组织与性能、牌号及用途通过在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂、再加孕育剂而生产制得的。成份：Wc=3.53.9，Wsi=2.22.8，WMn0.40.8，Wp01，Ws0.2。组织：碳钢的基体加蠕虫状石墨。性能：力学性能介于灰铸铁和球墨铸,图2-11蠕墨铸铁的显微组织,铁之间。减震性、铸造性能、导热性优于球墨铸铁，切削加工性比灰铸铁差。蠕墨铸铁的牌号用“RuT+一组数字”表示，RuT是“蠕铁”两字的汉语拼音字首，一组数字表示最低的抗拉强度值（MPa）。例：RuT420。,有色金属及其合金又称非铁材料，是指除铁、铬、锰之外的其它所有金属材料，如铝、铜、钛、镁、锡、铅、锌及其合金等。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的力学、物理和化学性能，在机械、交通、石油化工、电力、航空等领域得到广泛的应用。,2.5.3有色金属,（1）铝及其合金在工业生产中铝及其合金的应用量仅次于钢铁，居有色金属的首位，其最大特点是质量轻、比强度（气度与密度的币值）和比刚度（刚度与密度的比值）高、导热导电性好、耐腐蚀，广泛用于食品、电力和飞机制造业，是航空工业的主要原材料。,1）工业纯铝铝约占地壳总重量的8.2%，是地壳中储量最多的一种元素。纯铝是一种轻金属，呈银白色，有金属光泽，密度小（2.7g/cm3），熔点低为6600C。纯铝具有良好的导电性和导热性，其导电性进次于银、铜、金，因此可用来制造电线、电缆等各种导电材料和各种散热器等导热元件。,纯铝的强度低（b=80MPa100MPa）、塑性好（=25%40%），可以进行各种压力加工，具有良好的加工性能和焊接性能。铝和空气中的氧作用，在表面生成一层牢固、致密的氧化膜，可以阻止铝继续氧化有耐大气腐蚀能力。但在碱、盐的溶液及稀酸中，纯铝的氧化膜很易破坏，耐蚀性变坏。,高纯铝的牌号有LG1、LG2、LG3、LG4、LG5、“G”是“高”的汉语拼音字首，后面的数字越大，纯度越高，它们的含铝量在99.85%99.99%之间。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。纯铝不能热处理强化，冷加工是提高纯铝强度的唯一手段。因此，工业纯铝通常是按冷作硬化或半冷作硬化状态提供使用。,2）铝合金分类铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金又分为不能热处理强化的铝合金和能热处理强化的铝合金。,（2）铜及其合金铜是重有色金属，铜的产量仅次于钢和铝。铜及其合金是人类最早使用、至今也是应用最广泛的金属材料之一。铜的导电性、导热性好，耐腐蚀，有优良的塑性，可以焊接或冷热压力加工成形。铜及其合金按其表面颜色，分为纯铜、黄铜、青铜和白铜，其中后三种为铜合金。,1）纯铜纯铜呈紫红色（故又称紫铜），熔点1083，密度为8.96g/cm3。纯铜的导电、导热性能仅次于银而居第二位。紫铜是一种逆磁性物质，因此用铜制作的各种仪器和机件不受外来磁场的干扰。这一特性在制作各种磁学仪器、定向仪器和其它防磁器械时具有重要意义。,纯铜的塑性好，但强度、硬度较低。冷塑变形可以使铜的强度提高到400500MPa，但伸长率降为=6%左右，退火可消除铜的冷加工硬化，工业纯铜的退火温度范围50007000C。工业纯铜的代号用“T”加顺序号表示，共有T1、T2、T3、T4四个牌号。序号越大，纯度越低。纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。,2）铜合金纯铜的强度低，不宜直接用作结构材料，常加入合金元素来改善其性能。铜合金分为黄铜、青铜和白铜。黄铜是以Zn为主加元素的铜合金，呈黄色。根据黄铜中所含其它元素的种类，黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜。只含Zn的黄铜称为普通黄铜，用“黄”字汉语拼音字母“H”表示，其后数字表示平均含铜量。,如H62，表示平均含铜量为62%的普通黄铜。特殊黄铜在普通黄铜中加入其他合金元素的黄铜。加入的合金元素有铅、锡、铝、硅、锰、铁、镍等，以改善切削加工性、提高耐蚀性、铸造性能和力学性能等。特殊黄铜的牌号表示方法是“H”+除Zn以外的主加元素符号+铜含量+主加元素的含量。如HSi80-3表示WCu=80%、WSi=3%、其余为Zn的硅黄铜。,白铜是以Ni为主加元素的铜合金。普通白铜的编号为B+数字。其中“B”为“白”字的汉语拼音字首，后面的数字为Ni的平均含量，如B19表示WNi=19%，其余为Cu的普通白铜。特殊白铜的编号为B+其它元素符号+Nide平均含量+其它元素平均含量，如BZn15-20，表示含WNi=15%，WZn=20%,其余为Cn的锌白铜。白铜具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能，冷热加,工性能优良，主要用于制造蒸汽和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、冷凝器和热交换器。特殊白铜中锰白铜的电阻率高，电阻温度系数小，是制造低温热电偶、热电偶补偿导线及电阻器的理想材料。青铜是除Zn和Ni以外的其它元素作主加元素的铜合金。根据添加的元素不同，青铜分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。青,铜的牌号是：“青”字的汉语拼音字首“Q”+主加元素符号+主加元素质量百分数+其它元素质量百分数，如QAl5表示WAl=5%，其余为Cu的铝青铜。QSn4-3表示含WSn=4%，WZn=3%，其余为Cu的锡青铜。锡青铜是以锡为主要添加元素的铜基合金。常用锡青铜一般Wsn314，其中压力加工锡青铜Wsn7%。锡青铜的,耐磨性好、无磁性和冷脆现象，可用于制作轴承、轴套等耐磨零件及弹簧等弹性元件。锡青铜的铸造收缩率小，用于铸造形状复杂、致密性要求不高，耐磨、耐蚀的零件。无锡青铜是含铝、铍、硅、铅、锰等合金元素的铜基合金。主要有：铝青铜、铍青铜等。,（3）其它有色金属其它常用的有色金属有：钛及其合金、镁及其合金、锌及其合金以及轴承合金等。,机械工程中用的高分子材料主要是各种人工合成有机高分子化合物。（1）工程塑料塑料是以树脂为主要组分，加入一些能改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的一种高分子材料。1）塑料的分类按树脂在加热和冷却时所表现的性能,2.5.4高分子材料,分热塑性塑料和热固性塑料；按使用范围分通用塑料、工程塑料和耐高温塑料。2）塑料的性能特点质轻、比强度高化学稳定性好良好的电绝缘性能优良的减摩性、耐磨性和自润滑性消声、减振性好,成形加工性好、方法简单、成本低、生产率高塑料的强度、硬度不及金属材料高，耐热性和热导性差、膨胀变形大、蠕变大、易老化等。3）常用塑料聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、ABS等。,（2）橡胶1）橡胶的分类按生胶来源分：天然橡胶和合成橡胶。按应用范围分：通用橡胶和特种橡胶。2）橡胶的特性高弹性一定的强度,耐磨性好还具有良好的绝缘性、隔音性和吸振能力、一定的耐蚀性，最大的缺点是老化。3）常用的橡胶天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等。,（3）胶粘剂1）胶接的特点具有胶接接头应力分布均匀、接头光滑平整、能胶接各种材料、密封性好、胶接工艺简单、胶粘剂质量轻等优点。但胶接接头强度低于母材、使用温度低、易老化等。2）胶粘剂分类按胶粘剂化学成分分：无机胶粘剂和,有机胶粘剂。按胶粘剂的主要用途分：分为非结构胶、结构胶、密封胶、导电胶、耐高温胶、耐低温胶、医用胶等。3）常用胶粘剂合成胶粘剂，由基料和适量的添加剂组成。常用的有酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶等。,2.5.5陶瓷陶瓷是以天然硅酸盐或人工合成的无机化合物为原料，用粉末冶金法生产的由金属和非金属的无机化合物构成的多晶固体材料。1）陶瓷的分类按使用原料分分为普通陶瓷和特种陶瓷。按用途不同分分为日用陶瓷和工业陶瓷。,工业陶瓷又分为工程结构陶瓷和功能陶瓷。2）陶瓷的性能力学性能：室温弹性模量高于金属，硬度远大于金属，抗压强度高于铸铁。但抗拉强度低、脆性大。热性能：熔点高于金属，耐高温、热硬性高、热膨胀系数和导热系数低于金属。抗热振性能比较差。,化学性能：陶瓷的组织结构非常稳定，具有很好的耐腐蚀能力。电性能：具有较好的绝缘性能。3）常用的陶瓷材料普通瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。,2.5.6复合材料复合材料是指用人工的方法将一种或几种材料均匀地与另一种材料结合而成的多相材料。复合材料的组成分为基体材料和增强材料。1）复合材料的分类按基体材料划分为非金属基体和金属基体两类。按复合形式划分为纤维增强复合材,料、层叠复合材料、颗粒复合材料等。按性能划分为结构复合材料和功能复合材料等。2）纤维增强复合材料的性能比强度和比模量高、抗疲劳性能好、减振性能好、高温性能好、化学稳定性好、成形工艺简单。3）常用的复合材料纤维增强复合材料、层叠复合材料、颗粒复合材料等。,钢的热处理就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢得组织，从而获得所需性能的工艺方法。由于热处理时起主要作用的主要因素是温度和时间，所以各种热处理都可以用温度时间为坐标的热处理工艺曲线来表示，如图2-12所示。,2.6钢的热处理,图2-12热处理工艺示意图,热处理与其它加工方法（如铸造、锻压、焊接、切削加工等）不同，它只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的。热处理的作用日趋重要，因为现代机器制造对金属材料的性能不断提出更高的要求，如果完全依赖原材料的原始性能来满足这些要求，常常是不经济的，甚至是不可能的。热处理可提高零件的强度、硬,度、韧性、弹性，同时，还可改善毛坯或原材料切削性能，使之易于加工。可见，热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。热处理在机械制造业中的应用日益广泛。据统计，在机床制造中要进行热处理的零件占60%70%；在汽车、拖拉机制造中占70%80%；在各类工具（刃具、模具、量具,等）和滚动轴承制造中，100%的需要进行热处理。热处理的工艺方法很多，常用的有如下几种：,图2-13热处理工艺的分类,（1）退火将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。退火可达到的目的有多项：1）降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）；2）细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；3）消除内应力，并为淬火作准备。主要用于部分铸件、锻件、焊件去除,内应力，有时也用于精密切削加工，以去除粗加工所产生内应力。（2）正火将钢加热保温空冷。正火和退火的作用相似，主要用于以下方面：1）对低碳钢和低碳合金钢尽量以正火代退火，可提高硬度(140190HBS)，改善切削加工对中碳合金钢、高碳钢复杂件仍以退火为宜，对过共析钢，减少或消除,2011年3月30日第5次课10学时,网状二次渗碳体为球化退火作准备。2）作普通结构体的最终热处理。作为有淬火开裂危险的零件作最终热处理。（3）淬火将钢加热保温后在介质中快速冷却。淬火的目的在于提高材料的强度、硬度和耐磨性，与回火配合后可赋予工件最终的使用性能。生产上常用的冷却介质有水、矿物,油、盐水、碱水等。水的冷却能力强，但工件内应力大，易裂，易变形。油的冷却能力低于水，不易裂和变形。通常碳素钢水淬，合金钢油淬。正确选择淬火方法，可以防裂、变形，常用是单介质淬火法，对易裂易变形工件，有时可用先水后油方法。钢的淬透性：钢的淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布的特,性。淬硬深度是从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般为550HV）处的垂直距离。淬硬深度越深，淬透性越好。钢的淬硬性：钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。其含义是钢试样在规定条件下淬火时所能达到的硬度。钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。,（4）回火回火是将淬硬后的工件加热到某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。是紧接淬火之后的热处理工序。回火可以获得工件所需要的力学性能，淬火钢不经回火一般不能直接使用。原因是淬火工件中有很大内应力，回火后可消除或减少内应力，降低钢的脆性，防止工件变形和开裂，稳定工件组织和尺,寸，保证精度。经回火后，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性升高。根据回火温度回火方法分成三种：1）低温回火加热温度在150250进行的回火。目的是降低淬火残留应力和脆性，保持淬火工件高硬度和高耐磨性，(5664HRC)。多用于高碳钢、合金钢制作的工具、,模具，滚动轴承或渗碳工件及表面淬火等要求硬而耐磨的零件。2）中温回火加热温度在350500之间进行的回火。目的是使工件获得较高的弹性和强度，适当的韧性和硬度（3550HRC）。较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。,主要用于多用于各种弹性要求较高的弹簧、弹性元件及热锻模等。3）高温回火加热温度在（500600）进行的回火。淬火或高温回火又称调质处理。目的是使工件获得硬度（2035HRC）、强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。用于各种较重要的受力结构件。强度,和韧性性能都要求好的轴、齿轮等常用称调质处理。（5）表面热处理表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺。常用的方法是表面淬火。表面淬火是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。表面淬火不改变零件表层的化学成分，只改变表层的组织，并且心部仍保留原来退火、正火,或调质状态的组织。目的是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和塑性、韧性。目前生产中常用的表面淬火方法有感应加热淬火和火焰加热淬火。1）感应淬火感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或整体加热，并快速冷却的淬火工艺。,图2-14感应加热淬火示意图,特点：加热速度快；工件表面质量高，淬火变形小；易实现机械化和自动化及大批量生产，劳动生产率高；设备昂贵，维修调整较难。主要用于中碳钢或中碳低合金钢，也可用于高碳工具钢，铸铁等，硬度可比普通淬火高23HRC，不宜用于形状复杂的零件及单件生产。,2）火焰表面淬火火焰表面淬火是应用氧乙炔（或其它可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为26mm。图2-15火焰加热表面淬火示意图:,图2-15火焰加热表面淬火示意图,特点：淬火设备简单，成本低，使用方便灵活。但生产效率低，淬火质量较难控制。适用于单件、小批量生产或用于中碳钢、中碳低合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴等零件的表面淬火。（6）化学热处理化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组,织和性能的热处理工艺。常用的化学热处理是渗碳和渗氮。1）钢的渗碳渗碳是将工件放入富碳的介质中加热到900950，长期保温渗碳，向低碳钢或低碳合金钢工件表层渗入碳原子的化学热处理工艺。渗碳后要淬火和低温回火。,主要用于承受较大冲击载荷和严重磨损的零件，硬度HRC5864左右。2）钢的渗氮（氮化）渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺，以提高硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等。氮化后不需淬火，氮化生产周期长，不能承受冲击。,习题1试述工程材料的分类。2金属材料的力学性能有哪些？3零件选材的一般原则是什么？4工业常用材料有哪些？5什么是钢的热处理？有哪些常用的热处理工艺方法？,每人任选2题2011年4月13日交,第2章完,