第二章工程材料和熱處理

1、Xian Jiaotong University第二章 機(jī)械零件的工作能力與材料選用Xian Jiaotong Universityv精密機(jī)械中應(yīng)用的材料分類精密機(jī)械中應(yīng)用的材料分類按用途可分為按用途可分為結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料兩大類。兩大類。 結(jié)構(gòu)材料是要求強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的材料。結(jié)構(gòu)材料是要求強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的材料。 功能材料是具有電光聲熱磁等功能和效應(yīng)的材料。功能材料是具有電光聲熱磁等功能和效應(yīng)的材料。按材料本身的特點(diǎn)和性質(zhì)，可分為按材料本身的特點(diǎn)和性質(zhì)，可分為金屬材料金屬材料、無機(jī)無機(jī)非金屬材料非金屬材料和和有機(jī)材料有機(jī)材料三大類。三大類。 金屬材

2、料又分為黑色金屬材料（碳鋼、鑄鐵、合金鋼）金屬材料又分為黑色金屬材料（碳鋼、鑄鐵、合金鋼）和有色金屬材料；是傳統(tǒng)機(jī)械零件用材料。和有色金屬材料；是傳統(tǒng)機(jī)械零件用材料。 無機(jī)非金屬材料是指金屬和有機(jī)物之外的幾乎所有材無機(jī)非金屬材料是指金屬和有機(jī)物之外的幾乎所有材料，如陶瓷、玻璃、水泥等。料，如陶瓷、玻璃、水泥等。 有機(jī)材料包括塑料、橡膠和合成纖維等，這類材料具有有機(jī)材料包括塑料、橡膠和合成纖維等，這類材料具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，耐腐蝕，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)。較高的強(qiáng)度，良好的塑性，耐腐蝕，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)。Xian Jiaotong University第一節(jié) 機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算一、機(jī)械零件的

3、工作能力一、機(jī)械零件的工作能力 失效：機(jī)械零件在工作中喪失規(guī)定功能的情況。失效：機(jī)械零件在工作中喪失規(guī)定功能的情況。 機(jī)械零件的失效形式主要有機(jī)械零件的失效形式主要有斷裂、過大的彈性變斷裂、過大的彈性變形、塑性變形、表面磨損形、塑性變形、表面磨損等。等。 零件的工作能力：機(jī)械零件在規(guī)定的工作條件和零件的工作能力：機(jī)械零件在規(guī)定的工作條件和預(yù)期壽命內(nèi)不發(fā)生失效的極限工作指標(biāo)。預(yù)期壽命內(nèi)不發(fā)生失效的極限工作指標(biāo)。Xian Jiaotong University二、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則二、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則v 衡量零件工作能力的指標(biāo)稱為零件的工作能力衡量零件工作能力的指標(biāo)稱為零件的工作能力準(zhǔn)則，它們是

4、計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依準(zhǔn)則，它們是計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)，所以又稱為據(jù)，所以又稱為機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則。v 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則主要有機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則主要有強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則和振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則則、耐磨性準(zhǔn)則和振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則。v 在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時，要根據(jù)其主要失效形式采在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時，要根據(jù)其主要失效形式采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。Xian Jiaotong University1. 1. 強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則 強(qiáng)度是零件抵抗外載荷作用的能力。強(qiáng)度不足強(qiáng)度是零件抵抗外載荷作用的能力。強(qiáng)度不足時，零件會發(fā)生塑性變形或斷裂。時，零件

5、會發(fā)生塑性變形或斷裂。強(qiáng)度準(zhǔn)則就是強(qiáng)度準(zhǔn)則就是指零件中的工作應(yīng)力不得超過允許的限度指零件中的工作應(yīng)力不得超過允許的限度。 安全系數(shù)應(yīng)力，材料的許用應(yīng)力和極限，零件的工作應(yīng)力，式中；SMPaMPa Slimlim S234b222eq22eq22eq脆性材料：；塑性材料：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)：Xian Jiaotong University2. 2. 剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則 剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度的剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度的大小用產(chǎn)生單位變形所需要的外力或外力矩來表示。大小用產(chǎn)生單位變形所需要的外力或外力矩來表示。 由靜載荷與變形關(guān)系所確定的剛度稱為靜剛度；由

6、變載荷由靜載荷與變形關(guān)系所確定的剛度稱為靜剛度；由變載荷與變形關(guān)系所確定的剛度稱為動剛度。與變形關(guān)系所確定的剛度稱為動剛度。 零件剛度的大小與材料的彈性模量、零件的截面形狀和幾零件剛度的大小與材料的彈性模量、零件的截面形狀和幾何尺寸有關(guān)，而與材料的強(qiáng)度極限無關(guān)。何尺寸有關(guān)，而與材料的強(qiáng)度極限無關(guān)。 剛度準(zhǔn)則是指零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量不超過剛度準(zhǔn)則是指零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量不超過機(jī)械正常工作所允許的零件變形值，機(jī)械正常工作所允許的零件變形值，表達(dá)式為：表達(dá)式為： 材料廣義許用變形量。偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角）。變形量（撓度，零件工作時廣義的彈性式中yyyy Xian Jiaotong

7、University3.3.耐磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則 零件的表面形狀和尺寸在摩擦的條件下逐漸改變的過程零件的表面形狀和尺寸在摩擦的條件下逐漸改變的過程稱為磨損。耐磨性是指相對運(yùn)動零件的工作表面抵抗磨損的稱為磨損。耐磨性是指相對運(yùn)動零件的工作表面抵抗磨損的能力。能力。 磨損會降低零件的強(qiáng)度，增大接觸面間的摩擦，降低傳磨損會降低零件的強(qiáng)度，增大接觸面間的摩擦，降低傳動效率和零件的工作精度。動效率和零件的工作精度。 由于影響磨損的因素很多，如載荷大小和性質(zhì)，相對滑由于影響磨損的因素很多，如載荷大小和性質(zhì)，相對滑動速度、潤滑和冷卻條件等，所以很難建立起統(tǒng)一的耐磨性動速度、潤滑和冷卻條件等，所以很難建立起統(tǒng)

8、一的耐磨性設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。通常根據(jù)摩擦表面的壓強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。通常根據(jù)摩擦表面的壓強(qiáng)p p和與摩擦功成正和與摩擦功成正比的比的pvpv值，近似地判斷零件的抗磨損：值，近似地判斷零件的抗磨損： 值。許用）；許用壓強(qiáng)（；度接觸表面的相對滑移速式中pvpvmmNpvpvpvpp2/(m/s) Xian Jiaotong University4. 4. 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 在周期性變載荷作用下，零件將產(chǎn)生機(jī)械振在周期性變載荷作用下，零件將產(chǎn)生機(jī)械振動。振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則就是零件在工作時不發(fā)生超過動。振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則就是零件在工作時不發(fā)生超過容許振動的能力。在設(shè)計(jì)時主要考慮機(jī)器中承受激容許振動的能力。

9、在設(shè)計(jì)時主要考慮機(jī)器中承受激振作用的零件其固有頻率與激振源頻率錯開。設(shè)計(jì)振作用的零件其固有頻率與激振源頻率錯開。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一般表達(dá)為：準(zhǔn)則一般表達(dá)為： 當(dāng)設(shè)計(jì)的零件不滿足上述條件時，需要采取措當(dāng)設(shè)計(jì)的零件不滿足上述條件時，需要采取措施改變零件的固有頻率，或者采取隔振措施。施改變零件的固有頻率，或者采取隔振措施。激振源的頻率。零件的固有頻率；式中或pppffffff 1.150.85Xian Jiaotong University第二節(jié) 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 零件的強(qiáng)度計(jì)算分為零件的強(qiáng)度計(jì)算分為靜強(qiáng)度靜強(qiáng)度計(jì)算和計(jì)算和疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度計(jì)計(jì)算。算。1. 1. 載荷和應(yīng)力的分類載荷和應(yīng)力的分類l名義載荷

10、與計(jì)算載荷名義載荷與計(jì)算載荷名義載荷名義載荷：在穩(wěn)定和理想的工作條件下，作用在零：在穩(wěn)定和理想的工作條件下，作用在零件上的載荷。件上的載荷。計(jì)算載荷計(jì)算載荷：為了提高零件的工作可靠性，必須要考：為了提高零件的工作可靠性，必須要考慮零件變形、工作阻力變動、工作狀態(tài)不穩(wěn)定等因慮零件變形、工作阻力變動、工作狀態(tài)不穩(wěn)定等因素。對名義載荷進(jìn)行一系列系數(shù)修正，作為設(shè)計(jì)計(jì)素。對名義載荷進(jìn)行一系列系數(shù)修正，作為設(shè)計(jì)計(jì)算時的零件載荷，稱為計(jì)算載荷。算時的零件載荷，稱為計(jì)算載荷。Xian Jiaotong Universityl 靜載荷（靜應(yīng)力）與動載荷（變應(yīng)力）靜載荷（靜應(yīng)力）與動載荷（變應(yīng)力） 作用在零件上的

11、載荷和相應(yīng)的應(yīng)力，按其隨時間的變作用在零件上的載荷和相應(yīng)的應(yīng)力，按其隨時間的變化，可以分為兩類：化，可以分為兩類：靜載荷和靜應(yīng)力靜載荷和靜應(yīng)力：不隨時間變化或變：不隨時間變化或變化緩慢的載荷和應(yīng)力。化緩慢的載荷和應(yīng)力。如零件的重力及其相應(yīng)的應(yīng)力。如零件的重力及其相應(yīng)的應(yīng)力。變載荷和變應(yīng)力變載荷和變應(yīng)力：隨時：隨時間間變化變化的載荷和應(yīng)力。的載荷和應(yīng)力。確定性載荷：非確定性載荷：Xian Jiaotong University 應(yīng)力作周期性變化時，一個周期所對應(yīng)的應(yīng)力變應(yīng)力作周期性變化時，一個周期所對應(yīng)的應(yīng)力變化稱為化稱為應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)。maxminminmaxminmax22ram循環(huán)特性最

12、小應(yīng)力最大應(yīng)力應(yīng)力幅度平均應(yīng)力定義：ramminmaxr =-1 r =-1 對稱循環(huán)對稱循環(huán)rr-1 -1 非對稱循環(huán)非對稱循環(huán)r = 0 r = 0 脈動循環(huán)脈動循環(huán)Xian Jiaotong University2. 2. 疲勞曲線疲勞曲線v 在變應(yīng)力作用下，零件的失效形式是在變應(yīng)力作用下，零件的失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂。v 斷裂過程分為兩個階段：斷裂過程分為兩個階段：零件材料表面產(chǎn)生初零件材料表面產(chǎn)生初始裂紋；始裂紋；在變應(yīng)力持續(xù)作用下裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷在變應(yīng)力持續(xù)作用下裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。裂。v 疲勞破壞具有損傷累計(jì)的特征，不僅與交變應(yīng)力疲勞破壞具有損傷累計(jì)的特征，不僅與交變應(yīng)力的大小

13、有關(guān)，也與應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。的大小有關(guān)，也與應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。v 實(shí)際上，由于材料具有晶界夾渣、微孔以及機(jī)械實(shí)際上，由于材料具有晶界夾渣、微孔以及機(jī)械加工造成的表面劃傷、裂紋等缺陷，材料的疲勞加工造成的表面劃傷、裂紋等缺陷，材料的疲勞斷裂往往只表現(xiàn)在第二階段。斷裂往往只表現(xiàn)在第二階段。v 零件上的圓角、凹槽、缺口等造成的應(yīng)力集中，零件上的圓角、凹槽、缺口等造成的應(yīng)力集中，也會促使零件表面裂紋的生成和擴(kuò)展。也會促使零件表面裂紋的生成和擴(kuò)展。Xian Jiaotong University在一定的應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比）在一定的應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比）r下，材料達(dá)到疲下，材料達(dá)到疲勞破壞時的應(yīng)力為

14、勞破壞時的應(yīng)力為疲勞極限應(yīng)力疲勞極限應(yīng)力。表示應(yīng)力循環(huán)次。表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)數(shù)N與疲勞極限與疲勞極限之間關(guān)系的曲線稱為之間關(guān)系的曲線稱為疲勞曲線疲勞曲線。材料的疲勞曲線是標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)過材料的疲勞曲線是標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)過試驗(yàn)獲得的。疲勞曲線分為有限試驗(yàn)獲得的。疲勞曲線分為有限壽命區(qū)和無限壽命區(qū)。無限壽命壽命區(qū)和無限壽命區(qū)。無限壽命區(qū)中的疲勞曲線呈水平狀，表明區(qū)中的疲勞曲線呈水平狀，表明當(dāng)零件所受應(yīng)力小于某個值時，當(dāng)零件所受應(yīng)力小于某個值時，無論應(yīng)力循環(huán)多少次，材料也不無論應(yīng)力循環(huán)多少次，材料也不會發(fā)生疲勞斷裂。通常規(guī)定一個會發(fā)生疲勞斷裂。通常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)N0作為無限壽命的起始作為無限壽命的起始

15、點(diǎn)，稱為循環(huán)基數(shù)；此點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)，稱為循環(huán)基數(shù)；此點(diǎn)對應(yīng)的疲勞極限值為疲勞極限值為r。材料的疲勞曲線所謂無限壽命，是指零件承受的變應(yīng)力低于疲勞極限所謂無限壽命，是指零件承受的變應(yīng)力低于疲勞極限r(nóng) 時，工作應(yīng)力總時，工作應(yīng)力總循環(huán)次數(shù)可以大于循環(huán)次數(shù)可以大于N0，但并不意味著零件永遠(yuǎn)不會失效。，但并不意味著零件永遠(yuǎn)不會失效。Xian Jiaotong University材料的疲勞曲線在有限壽命區(qū)，疲勞極限將隨循環(huán)次數(shù)在有限壽命區(qū)，疲勞極限將隨循環(huán)次數(shù)N的增大而減小，其關(guān)系式為：的增大而減小，其關(guān)系式為：式中式中C為常數(shù)，為常數(shù)，m是材料常數(shù)，其值由是材料常數(shù)，其值由試驗(yàn)來確定。根據(jù)試驗(yàn)來確定。根

16、據(jù) r 和和N0可以求出有限可以求出有限壽命區(qū)對于循環(huán)次數(shù)壽命區(qū)對于循環(huán)次數(shù)N的疲勞極限值：的疲勞極限值：CNNmrmrN0NrmrrNKNN0壽命系數(shù)： NK有些材料的疲勞曲線沒有水平有些材料的疲勞曲線沒有水平部分，有色金屬及某些高硬度部分，有色金屬及某些高硬度合金金的疲勞曲線多屬于這一合金金的疲勞曲線多屬于這一類。類。Xian Jiaotong Universityv穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度SSSSmakrmakr;r材料彎曲疲勞極限應(yīng)力r材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力k 、k零件有效應(yīng)力集中系數(shù) 、零件的尺寸系數(shù) 、 平均應(yīng)力折算為應(yīng)力幅的等效系數(shù)零件表面質(zhì)量系數(shù)sma

17、ssssmasssSSSSmaxmax;塑性材料 SSSSSS22彎扭復(fù)合應(yīng)力Xian Jiaotong Universityv不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度rmkiimimriminNNN1001SnNkkSmkiimirvr101當(dāng)量應(yīng)力： v在N0次循環(huán)下造成的損傷等同于i在ni次循環(huán)下?lián)p傷之和。mkiimivnN101 r rXian Jiaotong University4. 4. 提高零件疲勞強(qiáng)度的措施：提高零件疲勞強(qiáng)度的措施：（1 1）應(yīng)用屈服極限高和細(xì)晶粒組織材料；）應(yīng)用屈服極限高和細(xì)晶粒組織材料；（2 2）零件截面形狀變化盡量平緩，減小應(yīng)力集中；）零

18、件截面形狀變化盡量平緩，減小應(yīng)力集中；（3 3）改善零件表面質(zhì)量，如減小表面粗糙度，進(jìn)行）改善零件表面質(zhì)量，如減小表面粗糙度，進(jìn)行表面噴丸、表面碾壓等表面強(qiáng)化處理；表面噴丸、表面碾壓等表面強(qiáng)化處理；（4 4）減小材料的冶金缺陷，如采用真空冶煉，使非）減小材料的冶金缺陷，如采用真空冶煉，使非金屬夾雜物減少。金屬夾雜物減少。Xian Jiaotong University第三節(jié) 機(jī)械零件的表面強(qiáng)度 在機(jī)械運(yùn)動中，經(jīng)常會遇見兩個零件相互接觸以傳遞壓力在機(jī)械運(yùn)動中，經(jīng)常會遇見兩個零件相互接觸以傳遞壓力的情形，如機(jī)械接觸式測量中測頭與被測工件表面之間的作的情形，如機(jī)械接觸式測量中測頭與被測工件表面之間的

19、作用。涉及到研究零件的表面強(qiáng)度問題。用。涉及到研究零件的表面強(qiáng)度問題。1. 1. 表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度 兩個零件在加載前呈點(diǎn)或線接兩個零件在加載前呈點(diǎn)或線接觸。在壓力觸。在壓力F F的作用下，材料發(fā)生的作用下，材料發(fā)生彈性變形，接觸區(qū)域變成一個寬彈性變形，接觸區(qū)域變成一個寬度為度為2a2a的矩形。兩個零件在接觸的矩形。兩個零件在接觸區(qū)域產(chǎn)生的局部應(yīng)力稱為區(qū)域產(chǎn)生的局部應(yīng)力稱為接觸應(yīng)接觸應(yīng)力（力（Hertz StressHertz Stress）。應(yīng)力分布應(yīng)力分布呈半橢圓柱形，最大應(yīng)力在中線呈半橢圓柱形，最大應(yīng)力在中線處。處。LXian Jiaotong University線接觸條件下的零

20、件表面接觸應(yīng)力計(jì)線接觸條件下的零件表面接觸應(yīng)力計(jì)算（算（Hertz公式）：公式）：222121211111EELFH。料，：兩零件材料的彈性材、；：兩零件材料的泊松比、的曲率半徑，：兩零件初始接觸線處、：接觸長度，力，作用于接觸面上的總壓MPa:212121EEmmmmLmmFXian Jiaotong University 在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，接觸表面會產(chǎn)生疲勞裂在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，接觸表面會產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展會導(dǎo)致表層小塊金屬剝落，這種失效紋，裂紋擴(kuò)展會導(dǎo)致表層小塊金屬剝落，這種失效形式稱為疲勞點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕將使零件表面失去正確的形式稱為疲勞點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕將使零件表面失去正確的形狀，降低工

21、作精度，引起附加載荷，產(chǎn)生噪聲和形狀，降低工作精度，引起附加載荷，產(chǎn)生噪聲和振動，降低零件使用壽命。振動，降低零件使用壽命。裂紋裂紋點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕Xian Jiaotong University2. 2. 表面磨損強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度 零件的表面形狀和尺寸在摩擦的條件下逐漸改變零件的表面形狀和尺寸在摩擦的條件下逐漸改變的過程稱為的過程稱為磨損磨損。當(dāng)磨損量超過允許值時，即產(chǎn)。當(dāng)磨損量超過允許值時，即產(chǎn)生失效。引起磨損的原因，生失效。引起磨損的原因，一種是由于硬質(zhì)微粒一種是由于硬質(zhì)微粒落入兩接觸表面間引起，另一種是兩接觸表面在落入兩接觸表面間引起，另一種是兩接觸表面在相對運(yùn)動中相互刮削作用而引起的。相對運(yùn)

22、動中相互刮削作用而引起的。Xian Jiaotong University從零件開始工作到磨損量從零件開始工作到磨損量超過超過允許值而失效的整個工作期間，允許值而失效的整個工作期間，可以分為三個階段：可以分為三個階段：跑合磨損跑合磨損穩(wěn)定磨損穩(wěn)定磨損強(qiáng)烈磨損強(qiáng)烈磨損跑合磨損：機(jī)械加工后在零件上存跑合磨損：機(jī)械加工后在零件上存在有表面粗糙度、軸或孔存在的橢在有表面粗糙度、軸或孔存在的橢圓度與不直度等。零件間的實(shí)際接圓度與不直度等。零件間的實(shí)際接觸面積小，單位面積上載荷大，磨觸面積小，單位面積上載荷大，磨損較強(qiáng)烈。損較強(qiáng)烈。穩(wěn)定磨損：跑合結(jié)束后零件磨損速穩(wěn)定磨損：跑合結(jié)束后零件磨損速度隨之減緩并趨

23、于穩(wěn)定，是零件的度隨之減緩并趨于穩(wěn)定，是零件的正常工作階段。正常工作階段。強(qiáng)烈磨損：接觸表面磨損量超出了強(qiáng)烈磨損：接觸表面磨損量超出了允許的數(shù)值，零件間隙增大，工作允許的數(shù)值，零件間隙增大，工作中出現(xiàn)沖擊、運(yùn)動精度降低等現(xiàn)象，中出現(xiàn)沖擊、運(yùn)動精度降低等現(xiàn)象，零件失效。零件失效。很多廠家在機(jī)器出廠以前，很多廠家在機(jī)器出廠以前，有意進(jìn)行預(yù)先跑合，使零件有意進(jìn)行預(yù)先跑合，使零件進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，然后再進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，然后再裝配調(diào)節(jié)交付使用。裝配調(diào)節(jié)交付使用。Xian Jiaotong University第四節(jié) 常用的工程材料 精密機(jī)械中常用的機(jī)械材料有黑色金屬、有色精密機(jī)械中常用的機(jī)械材料有黑色

24、金屬、有色金屬、非金屬材料和復(fù)合材料等。金屬、非金屬材料和復(fù)合材料等。一、黑色金屬一、黑色金屬 黑色金屬主要指鐵、錳、鉻及其合金。黑色金屬主要指鐵、錳、鉻及其合金。1. 1. 碳鋼與合金鋼碳鋼與合金鋼 碳鋼也叫碳素鋼，指含碳量小于碳鋼也叫碳素鋼，指含碳量小于2.11%2.11%的鐵碳合金。按其的鐵碳合金。按其用途分為碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和易切削結(jié)構(gòu)碳鋼三類；用途分為碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和易切削結(jié)構(gòu)碳鋼三類；按其含碳量的不同，分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。按其含碳量的不同，分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。 高碳鋼羊角錘高碳鋼羊角錘低碳鋼暖氣片低碳鋼暖氣片中碳鋼螺母中碳鋼螺母Xian Jiaoton

25、g University合金鋼是冶煉時人為地在鋼中加入一些合金元素，合金鋼是冶煉時人為地在鋼中加入一些合金元素，如如MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb、ZrZr、RERE等，以提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能或物理性能、等，以提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能或物理性能、化學(xué)性能。根據(jù)加入合金元素總量的不同，合金鋼化學(xué)性能。根據(jù)加入合金元素總量的不同，合金鋼可分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。可分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。Xian Jiaotong University碳鋼的價格低廉、便于獲得，容易加工。碳鋼的價格低廉、便于獲得，容易加工。碳鋼通過含碳

26、量的增減和不同的熱處理工藝改善性碳鋼通過含碳量的增減和不同的熱處理工藝改善性能，對于受力不大，基本上承受靜載荷的零件，均能，對于受力不大，基本上承受靜載荷的零件，均可選用碳素結(jié)構(gòu)鋼；當(dāng)零件受力較大，承受變應(yīng)力可選用碳素結(jié)構(gòu)鋼；當(dāng)零件受力較大，承受變應(yīng)力或沖擊載荷時，可選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼?；驔_擊載荷時，可選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)零件受力較大，承受變應(yīng)力，工作狀況復(fù)雜，熱當(dāng)零件受力較大，承受變應(yīng)力，工作狀況復(fù)雜，熱處理要求高時，可選用合金鋼。處理要求高時，可選用合金鋼。Xian Jiaotong University2. 2. 鑄鋼鑄鋼 鑄鋼是鑄造工藝用鋼，與鍛鋼的力學(xué)性能大體相鑄鋼是鑄造工藝用鋼，

27、與鍛鋼的力學(xué)性能大體相近。主要用于制造承受重載、形狀復(fù)雜的大型零近。主要用于制造承受重載、形狀復(fù)雜的大型零件。件。Xian Jiaotong University3. 3. 灰鑄鐵灰鑄鐵 灰鑄鐵中的碳大部分以自由狀態(tài)的片狀石墨存灰鑄鐵中的碳大部分以自由狀態(tài)的片狀石墨存在，斷口呈現(xiàn)灰色。灰鑄鐵成本低，鑄造性好，可在，斷口呈現(xiàn)灰色。灰鑄鐵成本低，鑄造性好，可制成形狀復(fù)雜的零件，且具有良好的減振性能?；抑瞥尚螤顝?fù)雜的零件，且具有良好的減振性能。灰鑄鐵的抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，適于制造受壓狀態(tài)鑄鐵的抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，適于制造受壓狀態(tài)的零部件。但其脆性較大，不宜承受沖擊載荷。的零部件。但其脆性較大，不

28、宜承受沖擊載荷。Xian Jiaotong University4. 4. 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 球墨鑄鐵中的碳以球狀石墨的形式存在，具有較球墨鑄鐵中的碳以球狀石墨的形式存在，具有較高的延展性和耐磨性。其強(qiáng)度比灰鑄鐵高，接近于高的延展性和耐磨性。其強(qiáng)度比灰鑄鐵高，接近于碳素結(jié)構(gòu)鋼，而減振性優(yōu)于鋼，因此多用于制造受碳素結(jié)構(gòu)鋼，而減振性優(yōu)于鋼，因此多用于制造受沖擊載荷的零件。沖擊載荷的零件。Xian Jiaotong University二、有色金屬二、有色金屬 黑色金屬以外的金屬統(tǒng)稱有色金屬，是鐵和鐵黑色金屬以外的金屬統(tǒng)稱有色金屬，是鐵和鐵基合金以外金屬的泛稱?；辖鹨酝饨饘俚姆悍Q。 有色金屬及其合

29、金具有很多優(yōu)良的特性，在精有色金屬及其合金具有很多優(yōu)良的特性，在精密機(jī)械中多用作減摩、耐蝕、耐熱、耐磨或裝飾材密機(jī)械中多用作減摩、耐蝕、耐熱、耐磨或裝飾材料。料。 Xian Jiaotong University1. 1. 銅合金銅合金 銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和延展性。銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和延展性。 黃銅是銅與鋅的合金，可鑄造也可以鍛造，有良黃銅是銅與鋅的合金，可鑄造也可以鍛造，有良好的機(jī)械加工性能。常被用于制造閥門、水管、空好的機(jī)械加工性能。常被用于制造閥門、水管、空調(diào)內(nèi)外機(jī)連接管和散熱器等。調(diào)內(nèi)外機(jī)連接管和散熱器等。 青銅是銅與錫或鋁、錳、鈹?shù)仍氐暮辖稹Ｇ嚆~是銅與錫或鋁、錳

30、、鈹?shù)仍氐暮辖稹?錫含量小于錫含量小于8%8%的錫青銅適合于鍛造，錫含量超過的錫青銅適合于鍛造，錫含量超過10%10%的錫青銅適合于鑄造。的錫青銅適合于鑄造。 鋁青銅的強(qiáng)度較高且價格便宜，可用來制造承受鋁青銅的強(qiáng)度較高且價格便宜，可用來制造承受重載、耐磨的零件。重載、耐磨的零件。 鈹青銅具有很高的彈性極限和疲勞極限，常用來鈹青銅具有很高的彈性極限和疲勞極限，常用來制造精密彈性元器件。制造精密彈性元器件。Xian Jiaotong University鈹青銅彈簧撥片鈹青銅彈簧撥片黃銅閥門黃銅閥門錫青銅閥門錫青銅閥門鎳黃銅鎳黃銅錢幣錢幣Xian Jiaotong University2. 2.

31、鋁合金鋁合金 鋁的密度約為鋼的鋁的密度約為鋼的1/31/3，熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱導(dǎo)電性良，熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好。鋁具有很高的塑性，易于加工，耐腐蝕。好。鋁具有很高的塑性，易于加工，耐腐蝕。 純鋁的強(qiáng)度較低，不適合做結(jié)構(gòu)件；但加入合純鋁的強(qiáng)度較低，不適合做結(jié)構(gòu)件；但加入合金元素后強(qiáng)度得到大幅改善，同時還能保持鋁材輕金元素后強(qiáng)度得到大幅改善，同時還能保持鋁材輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。 鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類；按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅鋁合金兩大類；按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金等。合金，鋁鎂合金，鋁

32、鋅合金和鋁稀土合金等。 鋁合金廣泛應(yīng)用于民用家居、運(yùn)輸機(jī)械、動力鋁合金廣泛應(yīng)用于民用家居、運(yùn)輸機(jī)械、動力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，在工業(yè)界僅次于鋼的用機(jī)械及航空工業(yè)等方面，在工業(yè)界僅次于鋼的用量。量。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University3. 3. 鈦合金鈦合金鈦和鈦合金的密度小，高低溫性能、耐蝕性優(yōu)異。鈦和鈦合金的密度小，高低溫性能、耐蝕性優(yōu)異。在航空航天、醫(yī)療康復(fù)等要求較高的場合。在航空航天、醫(yī)療康復(fù)等要求較高的場合。Xian Jiaotong University三、非金屬材料三、非金屬材料非金屬材料是非金屬元素或化合物構(gòu)成的材料。工

33、非金屬材料是非金屬元素或化合物構(gòu)成的材料。工程上常用的有工程塑料、橡膠、陶瓷、巖石、人工程上常用的有工程塑料、橡膠、陶瓷、巖石、人工合成礦物質(zhì)等。這些材料一般具有特殊的性能，在合成礦物質(zhì)等。這些材料一般具有特殊的性能，在精密機(jī)械中發(fā)揮重要的作用。精密機(jī)械中發(fā)揮重要的作用。大理石精密檢測平臺大理石精密檢測平臺工程塑料儀器外殼工程塑料儀器外殼Xian Jiaotong University第五節(jié) 鋼的熱處理 鋼的熱處理是通過加熱、保溫、冷卻的操作方鋼的熱處理是通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得所需性能的法，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得所需性能的一種工藝方法。一種工藝方

34、法。 熱處理一般不改變零件的形狀和尺寸，也不改熱處理一般不改變零件的形狀和尺寸，也不改變材料的主要化學(xué)成分，但其材料內(nèi)部微觀組織結(jié)變材料的主要化學(xué)成分，但其材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)卻發(fā)生了質(zhì)的變化。構(gòu)卻發(fā)生了質(zhì)的變化。 熱處理工藝在精密機(jī)械中廣泛采用，測量儀器熱處理工藝在精密機(jī)械中廣泛采用，測量儀器機(jī)構(gòu)中的重要傳動零部件和量具等，都要經(jīng)過熱處機(jī)構(gòu)中的重要傳動零部件和量具等，都要經(jīng)過熱處理后才能使用。理后才能使用。Xian Jiaotong University1. 1. 熱處理的分類熱處理的分類根據(jù)加熱冷卻方式分：根據(jù)加熱冷卻方式分：熱處理熱處理普普 通通熱處理熱處理表表 面面熱處理熱處理退火退火

35、;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 學(xué)學(xué) 熱處理熱處理感應(yīng)加感應(yīng)加熱淬火熱淬火火焰加火焰加熱淬火熱淬火滲碳滲碳; 滲氮滲氮;碳氮共滲碳氮共滲;Xian Jiaotong University2. 2. 鋼的組織結(jié)構(gòu)鋼的組織結(jié)構(gòu) 固態(tài)金屬及合金都是晶體，其內(nèi)部原子按一定固態(tài)金屬及合金都是晶體，其內(nèi)部原子按一定規(guī)律排列，排列方式一般有三種：體心立方結(jié)構(gòu)，規(guī)律排列，排列方式一般有三種：體心立方結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)。面心立方結(jié)構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)。 金屬是由多晶體組成，純鐵具有金屬是由多晶體組成，純鐵具有兩種晶格結(jié)構(gòu)：兩種晶格結(jié)構(gòu)：910910以下為具有以下為具有體心立方晶

36、格結(jié)構(gòu)的體心立方晶格結(jié)構(gòu)的-Fe，910910以上具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的以上具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的Y-Y-FeFe。Xian Jiaotong University 合金中具有同一化學(xué)成分、同一晶體結(jié)構(gòu)，并合金中具有同一化學(xué)成分、同一晶體結(jié)構(gòu)，并以界面相互分開的各個均勻組成部分稱為以界面相互分開的各個均勻組成部分稱為“相相”。 相圖通常又叫狀相圖通常又叫狀態(tài)圖或平衡圖，態(tài)圖或平衡圖，用來表示平衡狀用來表示平衡狀態(tài)（極其緩慢加態(tài)（極其緩慢加熱或冷卻條件熱或冷卻條件下）合金成分、下）合金成分、溫度和相之間的溫度和相之間的關(guān)系。相圖是選關(guān)系。相圖是選擇材料、制訂工擇材料、制訂工藝的重要依據(jù)。藝的重要

37、依據(jù)。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University鐵碳合金的相與基本組織鐵碳合金的相與基本組織鐵素體（鐵素體（F F）：C C溶于溶于-Fe-Fe中所形成的間隙固溶體中所形成的間隙固溶體奧氏體（奧氏體（A A）：C C溶于溶于Y-FeY-Fe中所形成的間隙固溶體中所形成的間隙固溶體 滲碳體（滲碳體（FeCFeC）：FeFe和和C C形成的金屬化合物形成的金屬化合物珠光體（珠光體（P P）：鐵素體和滲碳體形成的化合物鐵素體和滲碳體形成的化合物 鐵素體基體灰口鐵鐵素體基體灰口鐵 45鋼：鋼：正火正火 鐵素體鐵素體+珠光體珠

38、光體鐵素體基體球墨鑄鐵鐵素體基體球墨鑄鐵滲碳體滲碳體Xian Jiaotong University3. 3. 鋼的普通熱處理工藝鋼的普通熱處理工藝一般零件生產(chǎn)的工藝路線為：一般零件生產(chǎn)的工藝路線為： 毛坯生產(chǎn)毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理機(jī)械加工機(jī)械加工最終熱處理最終熱處理機(jī)械精加工機(jī)械精加工 預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理：退火；正火，調(diào)質(zhì)退火；正火，調(diào)質(zhì) 最終熱處理最終熱處理：淬火；回火淬火；回火齒輪的加工工藝：齒輪的加工工藝：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗機(jī)加粗機(jī)加工工 滲碳滲碳（930930） 淬火淬火（830830）低溫回火低溫回火（200200）精機(jī)加工精機(jī)加工成品成品Xian Jiaot

39、ong University熱處理設(shè)備熱處理設(shè)備Xian Jiaotong University鋼的退火定義定義：把零件加溫到臨界溫度以上把零件加溫到臨界溫度以上30305050，保溫保溫一段時間一段時間，然然后隨爐冷卻。后隨爐冷卻。（臨界溫度：鋼臨界溫度：鋼內(nèi)組織轉(zhuǎn)變的溫度）內(nèi)組織轉(zhuǎn)變的溫度）目的目的: : 消除應(yīng)力，防止鋼件變形，開裂消除應(yīng)力，防止鋼件變形，開裂； 降降低硬度低硬度，以便進(jìn)行切削加工；，以便進(jìn)行切削加工；細(xì)化晶粒，細(xì)化晶粒，改善組織以提高鋼的機(jī)械性能改善組織以提高鋼的機(jī)械性能；為最終熱為最終熱處理處理（淬火，回火）作好組織準(zhǔn)備。（淬火，回火）作好組織準(zhǔn)備。 種類：在生產(chǎn)中，

40、退火工藝應(yīng)用很廣泛。根據(jù)工件種類：在生產(chǎn)中，退火工藝應(yīng)用很廣泛。根據(jù)工件要求退火的目的不同，退火的工藝規(guī)范有多要求退火的目的不同，退火的工藝規(guī)范有多種，常用的有完全退火、球化退火和去應(yīng)力種，常用的有完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。退火等。Xian Jiaotong University鋼的正火定義：把零件加溫到臨界溫度以上定義：把零件加溫到臨界溫度以上30305050，保溫，保溫一段時間一段時間, ,然后在空氣中冷卻。然后在空氣中冷卻。 目的目的：消除應(yīng)力；調(diào)整硬度；：消除應(yīng)力；調(diào)整硬度；細(xì)化晶細(xì)化晶粒粒；均勻成均勻成分分；為最終熱處理為最終熱處理；作好組織準(zhǔn)備。；作好組織準(zhǔn)備。 退火與正火

41、目的基本相同，但正火的冷卻速度退火與正火目的基本相同，但正火的冷卻速度（空冷）比退火的冷卻速度（隨爐冷）稍快，故正（空冷）比退火的冷卻速度（隨爐冷）稍快，故正火后的組織比較細(xì)，它的強(qiáng)度、硬度比退火稍高?；鸷蟮慕M織比較細(xì)，它的強(qiáng)度、硬度比退火稍高。Xian Jiaotong University鋼的淬火定義定義：把零件加溫到臨界溫度以上把零件加溫到臨界溫度以上30 30 50, 50,保溫保溫一段時間一段時間, ,然后快速冷卻然后快速冷卻 。目的目的：獲得馬氏體組織，提高：獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性鋼的硬度和耐磨性。淬火冷卻介質(zhì)：水，鹽水（淬火冷卻介質(zhì)：水，鹽水（5%-15%5%-15

42、%），淬火油等。），淬火油等。 鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn)，表面，不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn)，但卻易使工件變但卻易使工件變形嚴(yán)重形嚴(yán)重，甚至發(fā)生開裂，甚至發(fā)生開裂。 馬氏體：將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻馬氏體：將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。其比（淬火），得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。其比容大于奧氏體、珠光體等組織，這是產(chǎn)生淬火應(yīng)力，導(dǎo)致變?nèi)荽笥趭W氏體、珠光體等組織，這是產(chǎn)生淬火應(yīng)力，導(dǎo)致變形開裂的主要原因。形開裂的主要原因。Xian

43、 Jiaotong University鋼的回火定義：把定義：把淬火后的零件重新加溫到臨界點(diǎn)以下的回淬火后的零件重新加溫到臨界點(diǎn)以下的回火溫度火溫度，保溫一段時間保溫一段時間，然后冷卻到室溫，然后冷卻到室溫。目的目的：消除淬火應(yīng)力，：消除淬火應(yīng)力，降低脆性降低脆性；穩(wěn)定工件尺寸穩(wěn)定工件尺寸；調(diào)整淬火零件的力調(diào)整淬火零件的力學(xué)性能。學(xué)性能。低溫回火：低溫回火：150-250150-250C C；HRC45HRC45，處理高硬度和高，處理高硬度和高耐磨性工件。耐磨性工件。中溫回火：中溫回火：350-500350-500C C；30HRC4530HRC45，主要用于各種，主要用于各種彈簧，鍛模等。彈

44、簧，鍛模等。高溫回火：高溫回火：500-650500-650C C；20HRC3020HRC30，目的是具備良，目的是具備良好的綜合機(jī)械性能。好的綜合機(jī)械性能。調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)= =淬火淬火+ +高溫回火高溫回火 Xian Jiaotong University鋼的表面熱處理工藝表面淬火：火焰加熱、表面淬火：火焰加熱、感應(yīng)加熱（高頻，中頻，工感應(yīng)加熱（高頻，中頻，工頻）、激光加熱、電子束加熱等頻）、激光加熱、電子束加熱等化學(xué)熱處理：滲碳、氮化、碳氮共滲等。化學(xué)熱處理：滲碳、氮化、碳氮共滲等。感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱基本原理基本原理: 用一定頻率的感應(yīng)電流使用一定頻率的感應(yīng)電流使工件表面被快速加熱到淬火溫度，工件表面被快速加熱到淬火溫度，并立即噴水冷卻的操作方法。并立即噴水冷卻的操作方法。高頻淬硬層深度：高頻淬硬層深度：0.8-2mm生產(chǎn)特點(diǎn)生產(chǎn)特點(diǎn): 淬火件的質(zhì)量好淬火件的質(zhì)量好；工件變工件變形小形??；不易氧化及脫碳；淬火；不易氧化及脫碳；淬火硬度硬度高；生產(chǎn)率高高；生產(chǎn)率高。Xian Jiaotong University定性（時效處理）定性（時效處理）目的：對加工精度高的零件，慢慢消除其內(nèi)應(yīng)力，目的：對加工精度高的零件，慢慢消除其內(nèi)應(yīng)力，從而穩(wěn)定其形狀和尺寸。從而穩(wěn)定其形狀和尺寸。