精密機(jī)械設(shè)計(jì)

1、精密機(jī)械設(shè)計(jì)精密機(jī)械設(shè)計(jì)李月強(qiáng)李月強(qiáng)E-mail: MSN: QQ: 494618第七章第七章 工程材料及熱處理工程材料及熱處理概述材料工具生產(chǎn)力人類社會(huì)的進(jìn)步石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代工業(yè)時(shí)代在人類的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器。我們的祖先用堅(jiān)硬的容易縱裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。 早在新石器時(shí)代(公元前6000年公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土(主要成分為SiO2，Al2O3)燒制成陶器。 我國(guó)在東漢時(shí)期發(fā)明了瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國(guó)家。瓷器于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，十五世紀(jì)傳到歐洲。瓷器成為中國(guó)文化的象征，對(duì)世界文明產(chǎn)生了

2、極大的影響。 我國(guó)青銅的冶煉在夏朝(公元前2140年始)以前就開始了，到殷、西周時(shí)期已發(fā)展到很高的水平。青銅主要用于制造各種工具、食器、兵器。 我國(guó)從青秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前770年公元前221年)已開始大量使用鐵器。 黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)鋼的熱處理技術(shù)也達(dá)到了相當(dāng)高的水平。西漢史記天官書中有“水與火合為淬”一說， 正確地說出了鋼鐵加熱、水冷的淬火熱處理工藝要點(diǎn)。漢書王褒傳中記載有“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”的制劍技術(shù)。明代科學(xué)家宋應(yīng)星在天工開物一書中對(duì)鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝作了詳細(xì)的論述。在材料領(lǐng)域中還應(yīng)該提到的是絲綢。絲綢是一種天然高分子材料，它在我國(guó)有著悠久的歷史，于十一世

3、紀(jì)傳到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年傳到意大利的威尼斯，進(jìn)入歐洲。歷史充分說明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創(chuàng)造和使用上有著輝煌的成就，為人類文明、世界進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。在當(dāng)代，材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。 從20世紀(jì)60年代到70年代，高分子材料每年以14的速度增長(zhǎng)，而金屬材料的年增長(zhǎng)率僅為4。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等；除了用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開發(fā)具有良好導(dǎo)電性能和耐高溫的高分子材料。 滌綸安全帶 尼龍齒輪 陶瓷材料的發(fā)展同樣十分引人注目，它除了具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導(dǎo)纖維、激

4、光晶體等)以外，其脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)已不再只使用金屬材料制造了。 耐磨陶瓷 絕緣陶瓷 復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。如玻璃纖維樹脂復(fù)合材料(即玻璃鋼)、碳纖維樹脂復(fù)合材料已應(yīng)用于宇航和航空工業(yè)中制造衛(wèi)星殼體、宇宙飛行器外殼、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等、發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪等；在交通運(yùn)輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船艇等，在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油的容器、管道等。 玻璃鋼賽車殼體 玻璃鋼儲(chǔ)液罐 近年來超導(dǎo)材料、磁性材料、形狀記憶材料、信息材料等各種功能材料有很大的發(fā)展。 光纜磁浮列車（時(shí)速430公里）我國(guó)在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大

5、成果研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼貝氏體鋼；研制出零電阻溫度為128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導(dǎo)體(鉈系超導(dǎo)體)；鎂鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果。鎂鋁合金葉輪 鎂鋁合金手機(jī)殼 材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展。 分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型 熔融沉積快速成形葉輪原型 殲7E戰(zhàn)斗機(jī)碳納米管材料的分類按材料的性質(zhì)材料金屬材料非金屬材料黑色金屬及其合金材料有色金屬及其合金材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料按材料的應(yīng)用材料結(jié)構(gòu)材料：以力學(xué)性能為主要使用性能并兼具一 定物理、化學(xué)性能。功能材料：具有特異物理化學(xué)性質(zhì)，如超導(dǎo)材料、激 光材料、生物材料、形狀記憶

6、材料等。90%5%5%材料的使用比例鋼鐵材料鋼鐵材料有色金屬材料有色金屬材料其他材料其他材料一、金屬材料的工程性能應(yīng)力極限應(yīng)力極限強(qiáng)度指標(biāo)彈性模量彈性模量彈性指標(biāo)延展性延展性 塑性指標(biāo)沖擊韌度沖擊韌度韌性指標(biāo)彈性能和韌性能彈性能和韌性能硬度硬度預(yù)備知識(shí)1、應(yīng)力APpm微面積 上的平均應(yīng)力AdAdPAPpAlim0m-m截面上K點(diǎn)的全應(yīng)力應(yīng)力是一點(diǎn)處內(nèi)力的集度，通俗的說，應(yīng)力是單位面積上的力。2、應(yīng)變xudxduxuxlim0線段 上的平均線應(yīng)變x線應(yīng)變線應(yīng)變是單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。1、應(yīng)力極限（、應(yīng)力極限（Stress limit）強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo) 主要有： 比例極限 屈服極限 強(qiáng)度極限 疲勞極限

7、psbr彈性階段 Oa屈服階段 ab強(qiáng)化階段 bfc局部變形階段cd比例極限比例極限：應(yīng)力與應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力。無殘余變形，彈性階段。屈服極限屈服極限：應(yīng)力幾乎不變而應(yīng)變?cè)黾拥淖钚?yīng)力。出現(xiàn)了顯著塑性變 形，屈服階段。強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限：斷裂前的最大應(yīng)力。標(biāo)志材料失去承載能力，強(qiáng)化階段。疲勞極限疲勞極限：N次應(yīng)力循環(huán)后，材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。冷作硬化冷作硬化：常溫下經(jīng)過塑性變形使材料強(qiáng)度提高，塑性降低的現(xiàn)象。2、彈性模量（、彈性模量（Modulus of elasticity）彈性指標(biāo)彈性指標(biāo) 反映了材料抵抗變形的能力，是衡量材料剛度的性能指標(biāo)。 數(shù)值上等于產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力。

8、在比例極限范圍內(nèi)： EG彈性模量剪切彈性模量GE單向應(yīng)力狀態(tài)下的虎克定律E=tgG=tg3、延展性（、延展性（ Ductility ）塑性指標(biāo)塑性指標(biāo) 衡量材料塑性性能的指標(biāo)，包括伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。 （1）伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率：（Elongation after fracture） %1000LL0LL標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)量（斷裂后）標(biāo)距原長(zhǎng)塑性材料：結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、青銅、低碳鋼脆性材料：鑄鐵、高碳工具鋼、混凝土、石料%5%5（2）斷面收縮率斷面收縮率：（Reduction of area after fracture）%1000AA0AA斷裂處面積的縮小量原面積4、沖擊韌度（、沖擊韌度（Impact to

9、ughness）韌性指標(biāo)韌性指標(biāo) 衡量材料承受沖擊載荷的能力。韌性是材料破壞所需要的功。 沖擊韌度是材料缺口處單位面積上所消耗的沖擊功。 FAmkJFAkkk)/(2試樣擊斷時(shí)所消耗的沖擊功缺口處的截面積5、彈性能和韌性能（、彈性能和韌性能（Resiliency and ductile energy） 彈性能：在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)變能以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在材料內(nèi) 部，撤去外力后勢(shì)能全部釋放，這種應(yīng)變能稱為彈性能。 韌性能：材料在斷裂前所能吸收的能量稱為韌性能。6、硬度（、硬度（Hardness） 表明材料表面在一個(gè)小體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。 常采用壓痕深度或壓痕單位表面積所承

10、受的載荷作為硬度值高低的指標(biāo)。 （1）布氏硬度布氏硬度（Brinell hardness） 利用一個(gè)一定直徑的硬鋼球，在一定載荷下壓入材料表面，保 持?jǐn)?shù)秒使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后將載荷卸除。 布氏硬度值（HB）由單位壓痕表面積上所承受的載荷數(shù)表示。 （2）維氏硬度維氏硬度（Vickers hardness） 與布氏硬度試驗(yàn)原理相同，只是用頂角為136度的金剛石棱錐體 作為壓印頭。 維氏硬度值（HV）由單位壓痕表面積上所承受的載荷數(shù)表示。 （3）洛氏硬度洛氏硬度C（Rockwell C hardness） 洛氏硬度測(cè)定法根據(jù)壓印頭的種類和載荷的大小可分為若干種， 應(yīng)用最廣泛的是洛氏硬度C。 洛氏硬度C值（HRC）以頂角為120度的金剛石圓錐作為壓印頭。 先加98 N的初載荷，再加1372N的主載荷，停留一定時(shí)間后將主載荷 卸去，材料回彈一部分，以此時(shí)的壓痕深度作為硬度值的計(jì)算依據(jù)。 002. 0100hHRC金屬材料工程性能的影響因素金屬材料工程性能的影響因素：1、含碳量的影響、含碳量的影響：鋼的含碳量越高，材料的強(qiáng)度和硬度越高，塑性降低。