数控加工机械基础第一章

项目一常用金属材料课题一碳钢•钢铁材料是钢和铸铁的统称。•钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。•铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2.11%通常是钢和铸铁的分界线。•根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。一、碳钢的分类•这类钢主要保证力学性能。普通碳素结构钢的牌号以“Q+数字+字母+字母”表示。其中，“Q”字是屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服点值。数字后标注字母A、B、C、D，表示钢材质量等级不同，从A到D含磷、硫量的依次降低，A级质量最差，D级质量最好。若为沸腾钢在钢号后加“F”；半镇静钢在钢号后加“b”；镇静钢则不加任何字母；TZ表示特种镇静钢。例如：Q235AF即表示屈服点值为235MPa的A级沸腾钢。普通碳素结构钢•普通碳素结构钢一般在钢厂供应状态下（即热轧状态）直接使用。•Q195、Q214钢的含碳量低，焊接性能好，塑性、韧性好，易于加工，有一定强度，常用于制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件和轧制成薄板、钢筋等，用于桥梁、建筑、农业机械等结构。•Q255、Q275钢具有较高的强度，塑性、韧性较好，可进行焊接，并轧制成工字钢、槽钢、角钢、条钢和钢板及其它型钢作结构件以及制造简单的机械的连杆、齿轮、联轴节和销子等零件。•Q235既有较高的塑性又有适中的强度，成为一种应用最广的普通碳素结构钢。即可用作较重要的建筑构件，又可用于制做一般的机器零件。1.普通碳素结构钢碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表普通碳素结构钢的牌号及用途牌号组成Q+屈服强度数值+质量等级符号+脱氧方法Q—“屈”字汉语拼音字首屈服强度数值—材料的屈服强度质量等级符号—分A、B、C、D四级，质量依次提高脱氧方法—用F（沸腾钢）、Z（镇静钢）、Tz（特殊镇静钢）表示，镇静钢Z可以省略普通碳素结构钢的牌号识读及用途Q235-A·F屈服强度值≥235MPa，质量等级A级的沸腾碳素结构钢Q195、Q215系列常用制作薄板、线材、铁钉、冲压件等思考：1、Q255-B·Z2、Q275-C·TZ3、某种碳素结构钢的屈服强度为215Mpa，质量等级为D级，脱氧方式为镇静钢，写出它的牌号Q235系列常用制作型钢、螺栓、连杆、钢筋等普通碳素结构钢的牌号及用途Q255和Q275系列常用制作高强度拉杆、键、轴等零件2.优质碳素结构钢2.优质碳素结构钢牌号表示法：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数，如40钢。含锰量较高（WMn=0.7％～1.2％）的钢，在两位数字后面写“Mn”，如60Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，在牌号后面加“A”；特级优质钢，在牌号后面加“E”。优质碳素结构钢的牌号及用途牌号组成用两位阿拉伯数字表示，数字表示该钢的平均含碳量的万分之几（以0.01%为单位）70表示平均含碳量为0.7%的优质碳素结构钢08表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢思考：某种优质碳素结构钢中碳的质量分数为0.45%，试写出钢的牌号。优质碳素结构钢的牌号及用途名称牌号性能用途冷冲压钢08、10、15塑性好，强度低焊接性能好薄板、焊接件冷冲压件（汽车油箱）渗碳钢20、25塑性、韧性高冷冲压、焊接性好表面硬度高心部韧性好的零件（齿轮）调质钢30、35、40、45、50、55调质（淬火+高温回火）具有良好的力学性能强度、塑性、韧性高的零件（凸轮，轴，曲轴）弹簧钢60、65、70能获得较高的弹性极限弹性零件及耐磨零件（气门弹簧）2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号、性能特点及用途见表（每种牌号的具体数值可查资料，这里仅按性能、用途类似的归纳作介绍）08～25钢：制造冲压件、焊接件及强度要求不高的机械零件法兰销子垫圈螺钉看一看30～55钢：制造受力较大的机械零件连杆曲轴齿轮联轴器看一看60以上钢：制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件弹簧板簧弹簧垫圈看一看3、碳素工具钢牌号表示法：用“碳”的汉语拼音字首“T’加数字（表示钢的平均Wc的千分数）表示，例如，T8A。这类钢Wc＝0.65％～1.35％，一般均需热处理后使用，主要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具钢牌号、性能特点及用途见表听一听三、碳素工具钢牌号：以汉字“碳”的拼音首字母“T”开头，后面的数字代表钢中平均含碳量的千分数，若后面的大写字母为A代表等级为高级优质。例：T12A---表示平均含碳为1.2％的高级优质碳素工具钢。成分含碳量一般＞0.70%,多为优质钢或高级优质钢应用制造刀具、模具和量具等性能高硬度，高耐磨性錾子我们在制造以上工具时若选材不当会出现什么情况呢？T8T10T12锯条锉刀想一想四、铸造碳钢牌号：由“铸钢”二字的汉语拼音首字母“ZG”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：ZG200-400---表示屈服强度不小于200MPa，抗拉强度不小于400MPa的铸造碳钢。成分含碳量在0.20%～0.60﹪,含杂质、非金属夹杂物较少性能较高的强度、塑性和韧性，成本较低听一听ZG200-400ZG230-450应用制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件有良好的塑性、韧性和焊接性，用于制造受力不大，有一定韧性的零件。ZG200-400钻床变速箱体看一看ZG230-450台式虎钳轴承盖看一看说一说1、Q235-D·TZ：2、60：3、T8：4、ZG230-450：表示屈服强度为235MPa，质量等级为D级的特殊镇静钢。表示平均含碳量0.60%的优质碳素结构钢。表示平均含碳量为0.8％的优质碳素工具钢。表示屈服强度不小于230MPa,抗拉强度不小于450MPa的铸造碳钢。巩固练习说一说任务实施螺钉受力情况：性能要求：材料选择：承受较小的静载荷要求一般的强度、硬度含碳量适当的碳素结构钢齿轮受力情况：性能要求：材料选择：工作时齿表面承受较大的压力和摩擦，齿部还承受较大的交变应力和冲击力较高的强度、硬度，优良的综合力学性能含碳量适当的碳素结构钢锉刀受力情况：性能要求：材料选择：承受较大的摩擦力要求高的硬度、耐磨性含碳量较高的碳素工具钢台虎钳受力情况：性能要求：材料选择：受力不大，有一定的韧性有良好的塑性、韧性和焊接性含碳量适当的碳素钢螺钉选材：如：Q195齿轮选材：如：55钢锉刀选材：碳素工具钢如:T12台虎钳选材：铸造碳钢如：ZG200-400普通碳素结构钢优质碳素结构钢分类牌号主要用途普通碳素结构钢Q195厂房、船舶、桥梁建筑结构或受力不大零件优质碳素结构钢55重要机械零件如法兰盘,齿轮等碳素工具钢T12制造刀具,量具,模具等铸造碳钢ZG200-400制造形状复杂力学性能要求较高的零件课堂小结二、碳钢的性能•材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。写一写1、机床齿轮2、弹簧3、剪刀4、销6、锯子5、建筑钢材7、斧子8、凿子9、主轴10、钻头11、锉刀12、螺栓螺帽用结构钢制作的有：用工具钢制作的有：1、2、4、5、9、123、6、7、8、10、11选择适当的材料制造以上零件碳素钢牌号及用途议一议任务分析齿轮锉刀台虎钳受力情况：性能要求：材料选择：受力情况：性能要求：材料选择：受力情况：性能要求：材料选择：螺钉受力情况：性能要求：材料选择：承受较小的静载荷要求一般的强度、硬度含碳量适当的碳素结构钢工作时齿表面承受较大的压力和摩擦，齿部还承受较大的交变应力和冲击力较高的强度、硬度，优良的综合力学性能含碳量适当的碳素结构钢承受较大的摩擦力要求高的硬度、耐磨性含碳量较高的碳素工具钢受力不大，有一定的韧性有良好的塑性、韧性和焊接性含碳量适当的碳素钢1.物理性能•(1)密度金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为ｋｇ／ｍ3。根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4.5ｇ／ｃｍ3的金属叫做轻金属，如铝，钛等。•(2)熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有其固定熔点。如铅的熔点为323℃，钢的熔点为１５３８℃。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等都很重要。熔点低于１０００℃的金属称为低熔点金属，熔点在１０００～２０００℃的金属称为中熔点金属，熔点高于２０００℃的金属称为高熔点金属。•(3)导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率（导热系数）λ表示金属材料导热性能的优劣。热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。•(4)热膨胀性金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。•(5)导电性•金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。•(6)磁性金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在７６８℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。2.化学性能•金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。1耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。•2抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业时，会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。3化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。3.力学性能力学性能又称为机械性能，是指材料在力作用下所显示的性能，主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。(1)强度强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。常用的强度判据是屈服点（旧称屈服强度、屈服极限）和抗拉强度。测定强度判据的方法是拉伸试验。拉伸曲线：拉伸力（F）和伸长量（l-lo）的关系曲线。材料受外力作用后，导致材料内部之间产生的相互作用力称为内力，其大小和外力相等、方向相反。单位面积上的内力称为应力，用符号σ表示。1）弹性极限试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。式中Fe—试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉伸力，单位N。Ao—试样原始横截面积，单位mm2oeeAFσMPa2）屈服点定义：是指试样在试验过程中力不增加还能继续伸长时的应力。式中Fs—试样产生屈服现象时的拉伸力，单位N。Ao—试样原始横截面积，单位mm2条件屈服强度ossAFσMPaor0.2rAF2.0σMPa3）抗拉强度定义：是指试样拉断前所能承受的最大拉应力。式中Fb—试样拉断前所能承受的最大拉伸力，单位N。Ao—试样原始横截面积，单位mm2屈强比（σs/σb）工程上用的材料，除要求有较高的抗拉强度，还希望有一定的屈强比（σs/σb）。屈强比越小，零件可靠性越高，使用中超载不会立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有效利用率降低。obbAFσMPa2、塑性指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判