机械工程基础课件

机械工程基础吴小娟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。σb是抗拉强度，是试样拉断前承受的最大应力；σs是屈服强度，是弹性变形转向塑性变形的明显标志；σe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σ0.2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δ，断面收缩率ψ表示。δ=（L—L0）/L0×100%ψ=（F0—F）/F0×100%δ、ψ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：①布氏硬度（HB）：HBS、HBW。②洛氏硬度（HR）：HRC、HRA、HRB。③维氏硬度（HV）：4．硬度是一个重要的综合力学性能指标，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αk用来衡量冲击韧性的大小。αk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σ-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：①有序排列②性能各向异性③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Å(埃，10-10m或0.1nm)晶面、晶向3．常见晶体结构类型：体心立方，如α-Fe、Cr、V、W、Mo等面心立方，如γ-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⑴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。⑶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。⑵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１．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为相变。2．固态合金的相结构⑴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。①置换固溶体：溶质原子占据溶剂结晶原子位置。②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”。⑵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)．细化晶粒的措施①增大过冷度②变质处理③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Wc2.11%是钢，2.11%~6.69%是铁。一、铁碳合金的基本组织1.铁素体F：由C固溶于α铁中形成的间隙固溶体，对碳的溶解度在0.0008%~0.0218%之间。机械性能与纯铁类似，具有良好的塑性和韧性，但强度、硬度较低。2．奥氏体A：由C固溶于γ铁中形成的间隙固溶体，对碳的溶解度1148℃时为2.11%，727℃时为0.77%。A是高温组织，在727℃以上存在，其强度、硬度较低，塑性好。3．渗碳体Fe3C：由铁和碳形成的化合物，含碳量6.69％。硬度高，强度低，塑性、韧性极差。是钢的主要强化相，其形状、数量、大小及分布对性能有很大影响。4．珠光体P：由铁素体和渗碳体形成的机械混合物，含碳量0.77％。是A在727℃共析转变产物。机械性能介于铁素体和渗碳体之间，具有良好的综合机械性能。5．莱氏体Ld：当T727℃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T727℃时，该产物转变为渗碳体与珠光体的机械混合物，称为低温莱氏体L’d），其机械性能类似于渗碳体。二．铁碳合金状态图(一)相图简介(二)结晶过程分析1．共析钢的结晶过程室温组织：P性能：良好的综合的机械性能2．亚共析钢的结晶过程室温组织：P+F性能：塑性、韧性较好，强度、硬度较低3．过共析钢的结晶过程室温组织：P+Fe3C性能：强度、硬度较高，塑性、韧性较低(Wc1.0%时,强度及塑韧性降低)(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第三章钢的热处理§1钢的热处理原理§2钢的热处理工艺钢的热处理的定义将钢在固态下加热到一定温度，并保持一段时间，以适当的冷却速度进行冷却，以改变钢的组织，从而获得预期性能的工艺方法。温度时间§1钢的热处理原理一．钢在加热时的组织转变1.实际转变温度、过热度与过冷度：2．钢在加热时的组织转变钢在加热到AC1以上温度时的组织转变，以共析钢为例：P(F+Fe3C)A加热温度越高或保温时间越长，奥氏体晶粒越粗的现象，称为“过热”。二．钢在冷却时的组织转变等温冷却与连续冷却(一)．过冷奥氏体的等温转变1．转变产物①高温转变产物：过冷到727℃~550℃，发生珠光体转变。727℃~650℃：珠光体P650℃~600℃：索氏体S600℃~550℃：屈氏体T随着晶粒细化,强度、硬度及塑韧性越来越好。②中温转变产物：过冷到550℃~230℃，发生贝氏体转变。贝氏体：含过饱和碳的铁素体及渗碳体。550℃~350℃：上贝氏体B上，性能差。350℃~230℃：下贝氏体B下，综合性能好。③低温转变产物：过冷到230℃~-50℃，发生马氏体转变。马氏体：含过饱和碳的α铁。具有硬度大、脆性大、耐磨等特点。马氏体中含碳量越高,硬度越大。2．过冷奥氏体的等温转变曲线：Ｃ曲线孕育期越长,过冷奥氏体越稳定(二)．过冷奥氏体的连续冷却§2钢的热处理工艺一.退火把钢加热到一定温度，经过适当保温，再缓冷下来的工艺过程叫退火1．完全退火工艺：亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃组织：细化的、均匀的（P+F）目的：消除锻造过热组织2．球化退火工艺：共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~40℃组织：球粒状Fe3C+F目的：消除片状Fe3C，改善切削加工性及淬火易开裂性。3．再结晶退火工艺：加热到再结晶温度与Ac1之间组织：再结晶组织目的：消除加工硬化4．低温退火工艺：加热到500~600℃目的：消除铸、锻、焊及机加工造成的内应力二．正火1．工艺加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温、空冷。2．目的①细化晶粒，提高性能锻件正火后的组织变化②改善低碳钢的切削加工性③球化退火前的预处理三．淬火1．工艺：加热至Ac3或Ac1以上30~50℃，保温，快速冷却。2．目的获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。3．淬火方法四．回火工艺：将淬火工件重新加热到低于A1的某一温度，保温，空冷。目的：消除内应力、稳定尺寸并获得所需组织和性能1.低温回火：温度150~250℃组织:回火马氏体目的:消除内应力,不降低硬度.用途:刀具、模具2.中温回火：温度350~500℃组织:回火屈氏体目的:获得高弹性、高屈服强度用途：弹簧钢3.高温回火：温度500~600℃组织:回火索氏体目的:获得良好的综合的机械性能，又称调质处理用途：轴、齿轮五．钢的表面热处理1．表面淬火（1）感应加热表面淬火（2）火焰加热表面淬火2．表面化学热处理(1)渗碳(2)渗氮。六.先进热处理技术激光淬火、渗碳生产线、自动热处理第四章工业用钢§1钢的分类§2合金元素对钢性能的影响§3牌号及用途§1钢的分类1．按成分分类：⑴碳素钢：①低碳钢：C%0.25%②中碳钢:0.25%C%0.6%③高碳钢:C%0.6%⑵合金钢①低合金钢:合金元素总量5%②合金钢:合金元素总量≥5%2.按用途分类①结构钢②工具钢③特殊用途钢3.按杂质含量分类(常存杂质:Si,Mn,P,S)①普通钢：Ws≤0.055％,Wp≤0.045％②优质钢：Ws、Wp≤0.0354.按金相组织分类§2合金元素对钢性能的影响常用合金元素有：Si,Mn,Cr,Ni,Mo,V,W,Ti等其作用：1.对钢中基本相的影响（1）形成合金铁素体（2）形成碳化物2.对相图的影响（1）扩大奥氏体区：Ni、Mn、C、N等（2）缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、Si等3.对热处理的影响1）对加热转变的影响减缓奥氏体化的速度；阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。（2）对冷却转变的影响使C曲线右移，提高淬透性；降低马氏体转变温度，使残留奥氏体增加；阻碍马氏体分解和碳化物析出，提高回火稳定性；回火中的二次硬化或弥散强化作用；高温回火脆性。§3牌号及用途一．碳钢1.结构钢：结构件及零部件①普通碳素结构钢Q235-A.F②优质碳素结构钢08，10，15，…60…2.工具钢：手动低速刀具、模具、量具等。T7～T13二．合金钢1.合金结构钢牌号：数字+化学元素+数字碳万分含量合金合金百分含量如：60Si2Mn①渗碳钢：15，20，20Cr，20MnVB②调质钢