機械工程材料

教學目的：了解金屬的機械效能、金屬和合金的晶體結構、鐵碳合金相圖、鑄鐵、有色金屬及合金；理解鋼的分類牌號和用途；掌握鋼的熱處理。

重點：鋼的熱處理、鋼的分類、牌號和用途

難點：鋼的熱處理機理；鐵碳合金相圖。

參考教材：《機械基礎》劉澤深等主編中國建工出版社 2000

《機械設計基礎》楊可楨主編高等教育出版社 2003

《機械設計》濮良貴主編高等教育出版社 2004

機械工程材料：

1.非金屬材料：有機材料（塑料、橡膠、皮革、木材等）；無機材料（水泥、玻璃、陶瓷、石棉）；

2.金屬材料：有色金屬材料（銅鋁及其合金）；黑色金屬材料（鐵和碳的合金，鋼、生鐵）。

金屬的效能：

1.使用效能：機械效能（力學）；物理效能（膨脹係數、熔點、導熱、導電、磁性等）；化學效能（耐熱、耐蝕；

2.工藝效能：加工效能，如鑄造、鍛造、焊接、熱處理、切削加工等。

選材依據：機械效能。

1金屬的機械效能

金屬的機械效能是指金屬在外力的作用下抵抗變形和斷裂的能力，由以下幾個指標：

一.強度：材料在常溫靜載下抵抗塑變或斷裂的能力。拉伸強度是主要指標。

1屈服強度σs

2抗拉強度σb

二.塑性：金屬材料在外載作用下產生塑變而不破壞的能力。

1延伸率δ

2斷面收縮率ψ

三.硬度：金屬材料抵抗硬物侵入的能力。

1布氏硬度hb

2洛氏硬度hr

四.衝擊韌性αk：在衝擊載荷的作用下抵抗斷裂的能力。

五.疲勞強度：在交變載荷作用下抵抗破壞的能力。

2金屬和合金的晶體結構

金屬和自然界大多數物質一樣是晶體。

一.金屬的晶體結構與結晶過程

1.晶體的特點：有熔點；原子排列有序。

p14圖2—7簡單立方晶格的描述

晶格、晶面、晶胞

2.純金屬的晶體結構：體心立方晶格；麵心立方晶格。

p14圖2—8常見金屬晶格型別

3.金屬的結晶過程

結晶平衡結晶溫度實際結晶溫度過冷過冷度

金屬結晶溫度的測量：熱平衡法

p15圖2—10純金屬結晶過程示意圖

規律：晶核的產生和長大。

二.純鐵的同素異晶轉變

p15圖2——11純鐵的冷卻曲線

α——fe：體心

γ——fe：麵心

δ——fe：體心

三.合金的晶體結構

1.合金的概念

合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。

2.合金的晶體結構

固溶體：兩種或兩種以上的元素在固態下相互溶解所組成的均勻固體，有間隙固溶體和置換固溶體；（p16圖2—12、13固溶體及固溶強化）

化合物：有一定的化學成分，晶格型別和效能完全不同於組成它的任一組元。

機械混合物：由兩種或兩種以上的固溶體或是由固溶體和金屬化合物所組成3鐵碳合金相圖一.鐵碳合金相圖的定義將鐵碳合金極其緩慢的加熱或冷卻得到的鐵碳合金的成分、組織、效能之間的關係。

二.鐵碳合金的基本組織

1.鐵素體f：碳溶在α——fe中形成的間隙固溶體；

2.奧式體a：碳溶在γ——fe中形成的間隙固溶體；

3.滲碳體f3c：鐵和碳的化合物；

4.珠光體p：f＋p組成的機械混合物；

5.萊氏體l：a＋f3c的機械混合物，低於727度後，變為p和f3c的機械混合物。

（p19圖2——15、16鐵碳合金相圖4碳鋼一.碳及雜質的影響

1.碳的影響

（圖2——17碳鋼成分組織與效能的關係）

2.雜質的影響

mn：與s形成mns，消除s的有害作用；

si：溶於f中，提高鋼的強度；

s：與鐵以fes形式存在a的晶界處，1000～1200度鍛壓加工時導致「熱脆」；

p：溶於f中，室溫下塑性、韌性急劇下降，使鋼「冷脆」。

二.碳鋼的分類、牌號和用途按質量分：

1.碳素結構鋼，表2—3

2.優質碳素結構鋼表2—4

3.工具鋼表2—55鋼的熱處理一.熱處理的概念將鋼在固態下加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需效能的一種工藝方法。

圖2—18

二.鋼的熱處理機理

1鋼在加熱時的轉變圖

a.轉變溫度，圖2—19

b. a的形成，圖2—20

c. a晶粒大小

2. a冷卻時的轉變

a.等溫轉變，圖2—22

b.連續轉變圖2—24

三.鋼的熱處理方法

1.鋼的退火：將鋼加熱到適當溫度，保溫一段時間，然後緩慢冷卻（隨爐冷卻），以接近相圖中的組織的熱處理工藝稱為退火。

目的：降低鋼的硬度，便於切削加工；消除內應力，防止鋼件的變形與開裂；改善組織，細化晶粒；為淬火作好組織準備。

方法：完全退火；球化退火；去應力退火。

2.鋼的正火：將鋼加熱到ac3或accm以上30～50℃，保溫一段時間後在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。

目的：同退火，但組織教細，硬度和強度有所提高，消除內應力不如退火，生產周期短，冷卻時不占用

用裝置。

3.鋼的淬火：將鋼加熱到ac3或ac1以上30～50℃，保溫一段時間，然後以大於臨界冷卻速度的速度冷卻，從而獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

目的：提高鋼的硬度。

淬火溫度：亞共析鋼淬火加熱溫度，ac3以上30～50℃；過共析鋼淬火加熱溫度為ac1以上30～50℃。

淬火冷卻介質：水，5～10％的鹽水冷卻能力較強；油，機油、變壓器油等。

淬火方法：單液淬火、雙液淬火。

4.鋼的回火：將淬火後的鋼件，重新加熱到a1以下某一溫度，保溫一定時間，然後冷卻至室溫的熱處理工藝稱為回火。

目的：減少或消除淬火內應力；使鋼件的強度、硬度和塑性、韌性適當配合，獲得需要的機械效能；穩定鋼件的尺寸和形狀。

種類：低溫回火，回火馬氏體；

中溫回火，回火屈氏體；彈性極限高。

高溫回火，回火索氏體。淬火加高溫回火生產上稱為調質處理。

5.鋼的表面淬火：將零件表面以極快的速度加熱到臨界溫度以上，而心部受熱較少還來不及達到臨界溫度，立即快速冷卻，使表層獲得馬氏體，心部仍保持淬火前的組織。

目的：提高零件表層的硬度和耐摩性。

方法：感應加熱，p31圖2—25；火焰加熱。

6.鋼的化學熱處理：將鋼件放入某種介質中，加熱到一定溫度，保溫一段時間，使介質通過化學反應，分解出某一種或幾種元素的活性原子滲入零件表層，改變零件表層的化學成分和組織，從而使零件獲得所需工作效能的熱處理方法。

種類：鋼的滲碳，鋼的滲氮，鋼的氰化6合金鋼一.合金鋼的概念在鋼中特意加入一種或幾種合金元素，以改善鋼的效能所得到的鋼稱為合金鋼。

二.合金元素的作用

1.提高鋼的機械效能

2.改善鋼的熱處理效能

3.使鋼獲得特殊效能三.合金鋼的分類、編號和用途合金鋼按用途分為：

1.合金結構鋼：普通低合金鋼；滲碳鋼；調質鋼；彈簧鋼；滾動軸承鋼。

2.合金工具鋼

3.特殊效能鋼：不鏽鋼，耐熱鋼7鑄鐵一.鑄鐵的一般概念

1.鑄鐵的定義：含碳量大於2.11％的鐵碳合金，並含有矽錳和少量磷和硫。

2.特點：有良好的鑄造性、耐磨性、切削加工性且**低廉；塑性、韌性差，強度低。

3.分類石墨化的概念：c以石墨形式析出的現象。

按碳在鑄鐵中的狀態分為：

白口鑄鐵：c少量溶於f，多數以fe3c形式存在，斷口白亮硬而無法加工，煉鋼原料。

灰口鑄鐵：c大部或全部以自由狀態的片狀石墨析出。

可鍛鑄鐵：白口鑄鐵經長時間石墨化退火，c大部或全部以團絮狀存在。

球墨鑄鐵：c大部或全部以自由狀態的球狀石墨存在。

4.影響石墨化的因素：化學成分和冷卻速度。p36圖2—26

二.常用鑄鐵

1.灰口鑄鐵特點：強度（抗拉、疲勞）、塑性都比鋼低，韌性差；鑄造效能好，流動性好，收縮率小，耐磨性好，切削加工性好，減震性好，缺口敏感性低。

種類：鐵素體灰口鑄鐵、珠光體灰口鑄鐵、鐵素體和珠光體灰口鑄鐵。

2.可鍛鑄鐵特點：強度比灰口鑄鐵高，鑄造效能比鋼好；對原材料要求嚴，生產周期長，成本高。

種類：黑心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵。

3球墨鑄鐵球化處理：鐵水出爐時加入少量球化劑和墨化劑，使石墨呈球狀析出。

特點：屈服強度高，同時具有灰口鑄鐵的優點，疲勞強度比灰口鑄鐵高，耐磨性比灰口鑄鐵好，優於表面淬火鋼，，經濟上比鋼便宜，熱處理工藝性比灰口鑄鐵高，衝擊韌性比灰高比鋼差；收縮率大，對原鐵水成分要求嚴格，減震能力不如灰8有色金屬及其合金一.鋁和鋁合金

1.純鋁比重小，導電導熱好，塑性好，耐腐蝕，強度低。

2.鋁合金：形變鋁合金和鑄造鋁合金p39圖2—30。

二.銅和銅合金

1.純銅導電導熱比鋁好，塑性好，耐蝕，強度低，**高。

2.銅合金

a.黃銅

⑴.黃銅：銅和鋅的合金。

效能：強度高，塑性好，耐蝕性好，加工效能好，價低。

⑵.特殊黃銅：在黃銅中加入其他元素。

例如：al、mn提高機械效能；在此基礎上再加入si提高耐蝕性；si、pb共存提高耐磨性。

b.青銅：除黃銅以外的銅合金。

⑴.錫青銅強度好，硬度高，機械效能隨含錫量變化。

⑵.無錫青銅銅合金中加入al、mn、be、si、pb等元素，改善合金的機械效能、耐腐蝕性、耐磨性及熱強度第二章機械工程材料1

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