工程材料和熱處理實(shí)用教案

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述(i sh)(i sh)結(jié)構(gòu)材料： 工程上要求強(qiáng)度、韌性、塑性(sxng)、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的材料。功能材料： 具有電、光、聲、熱、磁等功能和效應(yīng)的材料。按用途(yngt)不同，分：第1頁(yè)/共39頁(yè)第一頁(yè)，共40頁(yè)。 金屬材料： 黑色金屬材料 有色金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料： 陶瓷(toc) 有機(jī)材料： 塑料、橡膠和合成纖維 高強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性、絕緣性，密度小按材料結(jié)合鍵的特點(diǎn)(tdin)和性質(zhì)，分：第2頁(yè)/共39頁(yè)第二頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能一、應(yīng)力一、應(yīng)力(yngl)(yngl)極限極限第3頁(yè)/共39頁(yè)第三頁(yè)，共40頁(yè)。

2、 Oabfcdehgl低碳鋼的應(yīng)力(yngl)應(yīng)變曲線3 強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段4 頸縮階段頸縮階段比例(bl)極限屈服(qf)極限強(qiáng)度極限1 線彈性階段線彈性階段2 屈服階段屈服階段頸縮屈服斷裂第4頁(yè)/共39頁(yè)第四頁(yè)，共40頁(yè)。低碳鋼試樣(SH YN)拉伸時(shí)的各階段特征第5頁(yè)/共39頁(yè)第五頁(yè)，共40頁(yè)。 Oabfcdehgl 在常溫下經(jīng)過(guò)(jnggu)塑性變形，使材料強(qiáng)度提高、塑性降低的現(xiàn)象，稱為冷作硬化。1 在彈性(tnxng)范圍內(nèi)卸載、再加載2 過(guò)彈性(tnxng)范圍內(nèi)卸載、再加載常用冷作硬化提高零件的強(qiáng)度。冷拔、冷擠壓、冷鐓、冷軋能得到冷作硬化的效果。永久塑性變形彈性變形第6頁(yè)/共39頁(yè)

3、第六頁(yè)，共40頁(yè)。 在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比 = E 比例常數(shù)(chngsh) E = / 反映材料抵抗變形的能力，是衡量剛度的指標(biāo)。 注意：不同鋼種的彈性模量相差甚微。二、彈性模量二、彈性模量(tn xn m lin)E(tn xn m lin)E第7頁(yè)/共39頁(yè)第七頁(yè)，共40頁(yè)。衡量材料衡量材料(cilio)(cilio)塑性性能的指塑性性能的指標(biāo)標(biāo)%100001lll斷后斷后(dun (dun hu)hu)伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率斷面斷面(dun (dun min)min)收縮率收縮率%100010AAA%5為塑性材料為塑性材料%5為脆性材料為脆性材料0三、延展性三、延展性碳鋼、黃銅、鋁合金等灰

4、鑄鐵、玻璃、陶器、石料等第8頁(yè)/共39頁(yè)第八頁(yè)，共40頁(yè)。四、彈性四、彈性(tnxng)(tnxng)能能EeEe和韌性能和韌性能EtEt 在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)變(yngbin)能將以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在材料內(nèi)部，撤去外力后又全部釋放 材料在斷裂(dun li)前所能吸收的能量稱為韌性能。彈性能彈性能E Ee e韌性能Et最大彈性能最大韌性能第9頁(yè)/共39頁(yè)第九頁(yè)，共40頁(yè)。五、硬度(yngd)材料(cilio)表面在一個(gè)小體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力。材料硬度越高，強(qiáng)度和耐磨性越好；塑性(sxng)越低。常用硬度指標(biāo)： 布氏硬度 (HBS) 洛氏硬度 (HRC) 維氏硬度 (HV

5、)各種硬度值之間可以相互折算第10頁(yè)/共39頁(yè)第十頁(yè)，共40頁(yè)。金屬材料在加工和使用過(guò)程金屬材料在加工和使用過(guò)程(guchng)中影響力中影響力學(xué)性能的因素學(xué)性能的因素 含碳量的影響-強(qiáng)度、硬度(yngd)；塑性 合金元素的影響-提高改善力學(xué)性能 溫度的影響-強(qiáng)度、硬度(yngd)；塑性 熱處理工藝的影響一般(ybn)規(guī)律：含量C的增加： 強(qiáng)度、硬度增加 脆性增大，韌性、塑性下降絕大多數(shù)鋼，低溫： 強(qiáng)度、硬度增加； 韌性、塑性下降第11頁(yè)/共39頁(yè)第十一頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié)第三節(jié) 常用常用(chn yn)(chn yn)的工程材料的工程材料 金屬材料金屬材料 工業(yè)工業(yè) 用鋼用鋼 鑄鐵鑄鐵 黑色

6、金屬(hisjngsh)有色(yu s) 金屬第12頁(yè)/共39頁(yè)第十二頁(yè)，共40頁(yè)。一、黑色金屬(hisjngsh)碳鋼的分類(fn li)1 1）含碳量）含碳量 （按碳的質(zhì)量（按碳的質(zhì)量(zhling)(zhling)分?jǐn)?shù)）分?jǐn)?shù)）低碳鋼 ( c0.25%)中碳鋼(0.25% c 0.6%)高碳鋼(0.6% c 2.11%)2 2）鋼的品質(zhì)）鋼的品質(zhì) （按（按有害雜質(zhì)有害雜質(zhì)S S、P P含量含量）普通鋼（s0.05% ;p0.045%）優(yōu)質(zhì)鋼 （s0.04% ;p0.04%）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（s0.03%；p0.035%）3 3）鋼的用途）鋼的用途 （按（按行業(yè)使用）行業(yè)使用）結(jié)構(gòu)鋼（建筑、機(jī)械制

7、造用）工具鋼（工具、刀具、模具等用）特殊性能鋼（防腐蝕、高溫、導(dǎo)磁等場(chǎng)合用）第13頁(yè)/共39頁(yè)第十三頁(yè)，共40頁(yè)。一、黑色金屬(hisjngsh) 由于鑄造特性，一般用于制造形狀復(fù)雜，難以切削加工(ji gng)、尺寸大的重要零件，如：大型齒輪、缸體、變速箱機(jī)架等。 成本低，鑄造性好，良好的減震性；抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度(kn l qin d)。低脆性大，不宜承受沖擊載荷。常用于床身、機(jī)架、底座等零件較高的延展性和耐磨性；強(qiáng)度高于灰鑄鐵；減震性優(yōu)于鋼。多用于制造受沖擊載荷的零件第14頁(yè)/共39頁(yè)第十四頁(yè)，共40頁(yè)。二、有色金屬二、有色金屬(yus jnsh) 銅合金 良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性

8、、延展性 黃銅：銅鋅合金，可鑄可鍛，良好的機(jī)加工性 青銅：除Zn以外(ywi)，所有Cu合金的總稱 鋁合金 不耐磨，切削性好，鑄造性差； 不產(chǎn)生電火花，用于儲(chǔ)存易燃、易爆物品的容器 鈦合金 密度小，高、低溫性能好，良好的耐蝕性，用于航空、造船、化工業(yè)第15頁(yè)/共39頁(yè)第十五頁(yè)，共40頁(yè)。 工程塑料 優(yōu)點(diǎn)：密度(md)小、質(zhì)量輕，耐腐蝕性好，易加工 應(yīng)用：可用注塑、擠壓的方法制成各種形狀復(fù)雜， 尺寸精確的零件 橡膠 以生膠為主要成分，添加各種配合劑和增強(qiáng)材料 較大的彈性、良好的絕緣性、耐磨損、耐化學(xué)腐性 人工合成礦物 主要有剛玉（寶石）和石英SiO2三、非金屬材料三、非金屬材料第16頁(yè)/共39頁(yè)

9、第十六頁(yè)，共40頁(yè)。 由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的金屬材料或非金屬材料，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定向(dn xin)處理或復(fù)合得到的一種新型材料。自然界：天然復(fù)合材料如竹子、木材、骨骼等特點(diǎn)高比強(qiáng)度、高比模量抗疲勞性能好減摩、耐磨、自潤(rùn)滑性能好化學(xué)穩(wěn)定性好具有其他特殊性能，如隔熱性，特殊的電、光、磁性。四、復(fù)合材料四、復(fù)合材料(f h ci lio)基本(jbn)材料 + 增強(qiáng)材料第17頁(yè)/共39頁(yè)第十七頁(yè)，共40頁(yè)。 鋼的熱處理就是在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和不同的冷卻方式(fngsh)，改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的工藝方法。第四節(jié) 鋼的熱處理為什么為什么(shn me)要進(jìn)行要進(jìn)行熱處理熱處

10、理什么什么(shn me)是熱處理是熱處理如何進(jìn)行熱處理如何進(jìn)行熱處理熱處理工藝(gngy)曲線示意圖第18頁(yè)/共39頁(yè)第十八頁(yè)，共40頁(yè)。目的(md)1、消除毛坯中的缺陷，改善工藝性能，為切削加工或熱處理做組織和性能上的準(zhǔn)備(zhnbi)。叫預(yù)先熱處理。 2、提高金屬材料的力學(xué)性能，充分發(fā)揮材料的潛力(qinl)，節(jié)約材料，延長(zhǎng)零件使用壽命。叫最終熱處理。 第19頁(yè)/共39頁(yè)第十九頁(yè)，共40頁(yè)。熱處理的方法(fngf)（按工藝方法(fngf)不同分） 熱處理淬火(cu hu)正火退火(tu hu)表面熱處理普通熱處理回火表面淬火化學(xué)熱處理滲碳滲氮碳氮共滲第20頁(yè)/共39頁(yè)第二十頁(yè)，共40頁(yè)。

11、1.退火(tu hu)（燜火） 將鋼件加熱到一定溫度,保溫(bown)一定時(shí)間,隨爐緩慢冷卻一、普通(ptng)熱處理目 的 軟化工件，降低硬度以便切削加工2) 細(xì)化晶粒,改善組織提高力學(xué)性能3) 消除殘余應(yīng)力防止變形開(kāi)裂鑄件、鍛件、焊接件等在制造過(guò)程中將聚集殘余應(yīng)力裂紋低溫退火第21頁(yè)/共39頁(yè)第二十一頁(yè)，共40頁(yè)。2. 正火目的(md): 2) 鑄、鍛、焊毛坯(mop)的預(yù)備熱處理1) 普通結(jié)構(gòu)(jigu)零件的最終熱處理加熱溫度和保溫時(shí)間與退火相似,不同：空冷特點(diǎn)：正火冷卻速快,得到比退火后的組織更細(xì)些，從而力學(xué)性能高。第22頁(yè)/共39頁(yè)第二十二頁(yè)，共40頁(yè)。3.淬火(cu hu)（整體

12、淬火(cu hu)） 將鋼件加熱到臨界溫度以上(yshng)的某一溫度,經(jīng)過(guò)保溫、在冷卻介質(zhì)（水、鹽水或油）中迅速冷卻目的(md):提高硬度,耐磨性應(yīng)用:工具,模具,量具,滾動(dòng)軸承.注意：整體淬火后的零件會(huì)有較大的內(nèi)應(yīng)力，故淬火后必須回火第23頁(yè)/共39頁(yè)第二十三頁(yè)，共40頁(yè)。4. 回火(hu hu) 將淬火(cu hu)后的零件重新加熱到臨界溫度以下某一溫度,保溫一定時(shí)間,后在空氣中或油中冷卻 消除淬火后因冷卻快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,降低脆性,使其具有一定韌性,防止變形,開(kāi)裂(ki li),調(diào)整機(jī)械性能.回火不是獨(dú)立的工序，是淬火后必須進(jìn)行的工序目 的與淬火配合使用低溫回火中溫回火高溫回火按加熱溫

13、度不同按加熱溫度不同第24頁(yè)/共39頁(yè)第二十四頁(yè)，共40頁(yè)。正火正火(空冷空冷)退火退火(爐冷爐冷)回火回火加熱加熱保溫保溫 淬火淬火時(shí)間時(shí)間溫度溫度普通(ptng)熱處理曲線圖第25頁(yè)/共39頁(yè)第二十五頁(yè)，共40頁(yè)。二、 表面(biomin)熱處理1.表面淬火應(yīng)用：表面硬度高、內(nèi)部(nib)韌性大的零件，如機(jī)床主軸、齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)主軸 通過(guò)快速加熱和立即淬火冷卻，表面層淬透到一定(ydng)深度而中心部仍保持原狀態(tài).表面淬火（按加熱方法）：感應(yīng)加熱（高頻、中頻、低頻）火焰加熱電接觸加熱第26頁(yè)/共39頁(yè)第二十六頁(yè)，共40頁(yè)。與表面淬火比：表面層不僅有組織(zzh)變化，還有成分變化。2. 化學(xué)

14、(huxu)熱處理 將工件放在某種化學(xué)介質(zhì)中加熱,保溫,使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表面,改變(gibin)工件表層的化學(xué)成分和組織滲入不同的元素，工件的性能不同：滲碳滲氮碳氮共滲第27頁(yè)/共39頁(yè)第二十七頁(yè)，共40頁(yè)。滲碳滲碳(sh(shn n tn)tn) 將鋼件表面滲入碳原子的過(guò)程(guchng)。目的:使工件表面獲得高硬度、高耐磨性；而心部仍保 持一定強(qiáng)度及較高的塑性、韌性.滲氮在臨界溫度以下使活性氮原子滲入工件表面。目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性及熱硬性。分類：氣體(qt)滲氮和離子滲氮。碳氮共滲將碳和氮同時(shí)滲入工件表層，并以滲碳為主目的：提高工件表面硬度、耐磨性和疲

15、勞強(qiáng)度。 常用于汽車、機(jī)床的各種齒輪、蝸輪、蝸桿和軸類零件。第28頁(yè)/共39頁(yè)第二十八頁(yè)，共40頁(yè)。第五節(jié)第五節(jié) 表面表面(biomin)(biomin)精飾精飾 表面精飾指在金屬零件表面附上一層覆蓋層，以達(dá)到防蝕、裝飾(zhungsh)等目的。 分類： 電鍍 化學(xué)處理 涂漆第29頁(yè)/共39頁(yè)第二十九頁(yè)，共40頁(yè)。一、電鍍一、電鍍(dind) 鍍鉻： 適用：鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金；不宜鍍復(fù)雜零件。 鍍鎳： 適用：鋼、銅合金、鋁合金；不宜鍍防磁零件?？勺鲥冦t層的底層和導(dǎo)電零件、彈性元件的保護(hù)層。 鍍鎘： 適用：儀器直接受海水作用和飽含海水蒸汽的大氣(dq)條件下的零件。 鍍鋅： 適用：鋼、銅

16、合金、鋁合金。 鍍銀： 適用：銅合金；不宜鍍于直接與橡膠接觸的零件。第30頁(yè)/共39頁(yè)第三十頁(yè)，共40頁(yè)。二、化學(xué)二、化學(xué)(huxu)處理處理金屬零件表面的化學(xué)處理方法主要有：氧化：在零件表面上形成氧化膜磷化：在零件表面上生成一層在大氣中較穩(wěn)定的磷酸鹽膜常用類型(lixng)： 黑色金屬的氧化與磷化 鋁及鋁合金的陽(yáng)極氧化 銅及銅合金的氧化第31頁(yè)/共39頁(yè)第三十一頁(yè)，共40頁(yè)。三、涂漆三、涂漆 涂漆是在金屬制品的表面上涂以清漆或磁漆的薄膜，使制品表面與外界環(huán)境中的有害物質(zhì)隔開(kāi)，對(duì)制品起保護(hù)和裝飾作用。 也有的是起到消光(xio un)作用或絕緣作用。第32頁(yè)/共39頁(yè)第三十二頁(yè)，共40頁(yè)。第六

17、節(jié)第六節(jié) 材料材料(cilio)(cilio)的選擇原則的選擇原則 材料(cilio)的選擇與應(yīng)用是精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工作中重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，自始至終地影響整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。使用要求使用要求工藝工藝(gngy)要要求求經(jīng)濟(jì)要求經(jīng)濟(jì)要求第33頁(yè)/共39頁(yè)第三十三頁(yè)，共40頁(yè)。一、使用一、使用(shyng)要求要求 分析零件的工作(gngzu)條件，確定其使用性能： 受力情況： 如載荷性質(zhì)（靜載、變載荷）、形式（拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切）、分布（均勻分布、集中分布）與大小，應(yīng)力狀態(tài)； 工作(gngzu)環(huán)境： 如溫度（常溫、高溫、低溫或變溫），介質(zhì)（有無(wú)腐蝕介質(zhì)、潤(rùn)滑劑），摩擦性質(zhì)； 對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的限

18、制：第34頁(yè)/共39頁(yè)第三十四頁(yè)，共40頁(yè)。按使用要求選材按使用要求選材(xun ci)的一般原則：的一般原則： 零件的尺寸(ch cun)取決于強(qiáng)度，且尺寸(ch cun)和質(zhì)量受到某些限 制選強(qiáng)度較高的材料； 剛度彈性模量較大的材料； 接觸強(qiáng)度可進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的材料 滑動(dòng)摩擦下工作的零件減摩性好的材料； 高溫下工作的零件耐熱材料； 腐蝕性介質(zhì)工作的零件耐腐蝕性材料； 熱處理工藝第35頁(yè)/共39頁(yè)第三十五頁(yè)，共40頁(yè)。二、工藝二、工藝(gngy)要求要求 考慮 （1）工藝方法 （2）生產(chǎn)(shngchn)條件 （3）毛坯的制取方法理想情況下，所選材料應(yīng)具有良好的工藝性能，即技術(shù)難度小、工藝簡(jiǎn)單、能量消耗低、材料利用率高。第36頁(yè)/共39頁(yè)第三十六頁(yè)，共40頁(yè)。三、經(jīng)濟(jì)三、經(jīng)濟(jì)(jngj)要求要求 所謂經(jīng)濟(jì)性選材原則，不僅是指選擇價(jià)格最便宜的材料、或是生產(chǎn)成本最低的產(chǎn)品，而是綜合考慮材料對(duì)產(chǎn)品的功能與成本的影響，以達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。（1）材料本身的相對(duì)價(jià)格。（2）材料的加工費(fèi)用。（3）材料的利用率。（4）節(jié)約(jiyu)稀有材料 、材料的供應(yīng)狀況。第37頁(yè)/共39頁(yè)第三十七頁(yè)，共40頁(yè)。本章(bn zhn)