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文檔簡介
任務一工程材料的選用1.1金屬材料的力學性能1.2鋼的熱處理1.3常用金屬材料1.4材料選用的原則和方法
1.1金屬材料的力學性能
金屬材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性,稱為力學性能。它主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。
1.強度
金屬材料抵抗塑性變形(永久變形)和斷裂的能力稱為強度。抵抗能力越大,則強度越高。
測定強度高低的方法通常用試驗法,其中拉伸試驗應用最普遍。如圖1-1所示為低碳鋼的拉伸曲線,試樣在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段。常用的強度判據(jù)有抗拉強度σb和屈服強度σs。其中,屈服強度為選用塑性材料的重要依據(jù),抗拉強度為選用脆性材料的重要依據(jù)。圖1-1低碳鋼的拉伸曲線
2.塑性
塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆的永久變形的能力。塑性較好的金屬材料便于進行壓力加工。
判斷金屬材料塑性好壞的主要判據(jù)有斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ。如圖1-2所示為拉伸試樣,l0、l1分別為試樣的原始長度和被拉斷后的長度,d0、d1分別為標距內(nèi)試樣的原始直徑和斷口處直徑。圖1-2拉伸試樣
3.硬度
硬度是指金屬材料抵抗局部變形,尤其是局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力,是衡量材料軟硬的判據(jù),也可以從一定程度上反映材料的綜合力學性能。材料的硬度可通過硬度試驗來測定。常用的硬度試驗方法有布氏測試法、洛氏測試法、維氏測試法和里氏測試法,其中前兩種方法應用較廣泛。
在實際應用時,布氏硬度值既不用計算,又不用標注單位,只需測出壓痕直徑D?(見圖1-3)?后,再查壓痕直徑與布氏硬度對照表即可。圖1-3布氏硬度測試法
4.沖擊韌性
擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程中常用沖擊韌度值aK的大小表示材料沖擊韌性的好壞,aK值越大,金屬抵抗沖擊的能力越強。測定沖擊韌性最常用的沖擊試驗是飛擺錘式一次性沖擊試驗,其工作原理如圖1-4所示。
圖1-4沖擊試驗
5.疲勞強度
許多零件工作時其內(nèi)部都存在著變應力,如果這種變應力做周期性變化,則稱之為循環(huán)應力或交變應力。
某金屬材料的疲勞曲線如圖1-5所示。圖1-5疲勞曲線
1.2鋼?的?熱?處?理
鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻,以獲得所需組織結構與性能的工藝。熱處理是改善鋼材性能的重要工藝措施,它不僅可提高機械零件的使用性能,還可用于改善鋼材的工藝性能。
熱處理的方法雖然很多,但任何熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的,只是在工藝要素(溫度、時間)上有所區(qū)別。因此,熱處理工藝通常采用如圖1-6所示的以溫度和時間為坐標的工藝曲線來表示。鋼的加熱是熱處理的第一道工序,其主要目的是使鋼轉變成均勻的奧氏體,為后續(xù)冷卻轉變做好組織準備。圖1-7表示不同成分的鋼在加熱與冷卻時相變臨界點的位置。圖1-6熱處理工藝曲線圖1-7鋼在加熱(冷卻)時的相變臨界點
1.2.1鋼的退火與正火
退火與正火是鋼的基本熱處理工藝之一,其目的主要在于消除鋼材經(jīng)熱加工所引起的某些缺陷,或者為以后的加工做好準備,故稱為預備熱處理。
1.退火
將鋼加熱到適當溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為退火。退火工藝的主要特點是緩慢冷卻。退火的主要目的是:
(1)降低硬度,提高塑性。
(2)細化晶粒,消除組織缺陷。
(3)消除內(nèi)應力。
2.正火
正火是把工件加熱到Ac3或Ac1以上30~50℃,然后在空氣中冷卻的工藝。與退火相比,正火冷卻速度稍快,因此正火后的組織比較細,強度、硬度比退火高一些。生產(chǎn)中常用正火來改善低碳鋼的切削加工性能。對于力學性能要求不太高的普通零件,可考慮采用正火處理作為最終熱處理。
各種退火與正火的工藝曲線如圖1-8所示。圖1-8各種退火、正火工藝曲線
1.2.2鋼的淬火
淬火是將鋼件加熱到相變點Ac3或Ac1以上30~50℃,保溫一定時間,然后快速冷卻,獲得馬氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝。淬火是強化鋼鐵零件最重要的熱處理方法。
1.淬火的目的
淬火的主要目的是使鋼件得到馬氏體(或貝氏體)組織,零件通過適當回火,獲得所需要的使用性能。
2.淬火的方法及其應用
為了保證鋼淬火后得到馬氏體,同時又防止鋼件產(chǎn)生變形和開裂,應選擇合適的淬火方法。常用的淬火方法如圖1-9所示。圖1-9常用淬火方法示意圖
(1)單液淬火(圖1-9中的①):操作簡單,易實現(xiàn)機械化,應用廣泛。缺點是水淬變形開裂傾向大,油淬冷卻速度小,容易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻現(xiàn)象。
(2)雙液淬火(圖1-9中的②):其優(yōu)點在于能將兩種不同冷卻能力介質(zhì)的長處結合起來,既可保證獲得馬氏體組織,又可減小淬火應力,防止工件的變形與開裂。雙液液火的關鍵是要準確控制工件由第一種介質(zhì)轉入第二種介質(zhì)時的溫度。
(3)分級淬火(圖1-9中的③):主要用于形狀復雜、尺寸較小的零件。
(4)等溫淬火(圖1-9中的④):產(chǎn)生的內(nèi)應力很小,工件不容易變形與開裂,常用于形狀復雜,尺寸要求精確,強度、韌性要求較高的小型工件,如各種模具、成形刃具和彈簧等。
1.2.3回火
將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度,保溫一定時間,然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。它是緊接淬火的熱處理工序。
1.回火的目的
回火的目的是減少內(nèi)應力;穩(wěn)定組織,使工件形狀、尺寸穩(wěn)定;調(diào)整組織,消除脆性,以獲得工件所需要的使用性能。
2.回火的方法及其應用
(1)低溫回火(150~250℃):回火后的硬度一般為58~64?HRC。低溫回火的主要目的是降低工件內(nèi)應力,減少脆性,保持淬火后的高硬度和高耐磨性。
(2)中溫回火(350~500℃):中溫回火后的硬度為35~50?HRC。其目的是獲得較高的彈性極限和屈服點,并保持一定的韌性。
(3)高溫回火(500~650℃)(調(diào)質(zhì)處理):高溫回火后的硬度一般為220~330?HBW。通常將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理,其目的是獲得強度、硬度和塑性、韌性都較好的綜合力學性能。
1.2.4鋼的表面熱處理
表面熱處理又分為兩類:一類是只改變表面組織而不改變表面化學成分的熱處理工藝,稱之為表面淬火;另一類是同時改變表面化學成分及組織的熱處理工藝,稱之為化學熱處理。
1.鋼的表面淬火
表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度,而中心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。它是通過快速加熱,使鋼件表面層很快達到淬火溫度,在熱量來不及傳到中心時就立即迅速冷卻,實現(xiàn)表面淬火。常用的表面淬火有感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。
(1)感應加熱表面淬火:在一個感應圈中通過一定頻率的交流電,在感應圈周圍就會產(chǎn)生一個頻率相同的交變磁場,將工件置于磁場中,它就會產(chǎn)生與感應圈頻率相同、方向相反的封閉的感應電流,這個電流叫作渦流,它主要集中分布在工件表面。如圖1-10所示,感應加熱表面淬火是依靠感應電流的熱效應,使工件表層在幾秒內(nèi)快速加熱到淬火溫度,然后立即冷卻,達到表面淬火的目的。圖1-10感應加熱表面淬火示意圖
(2)火焰加熱表面淬火:應用氧—乙炔或其他可燃氣的火焰對工件表面進行加熱,然后快速冷卻的淬火工藝(見圖1-11)。圖1-11火焰加熱表面淬火示意圖
2.鋼的化學熱處理
化學熱處理的基本過程:活性介質(zhì)在一定溫度下通過化學反應進行分解,形成滲入元素的活性原子;活性原子被工件表面吸收;被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內(nèi)部擴散,形成一定深度的滲層。
(1)鋼的滲碳:滲碳是將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫,使碳原子滲入表層的熱處理工藝(見圖1-12)。圖1-12氣體滲碳示意圖
(2)鋼的滲氮:滲氮是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。滲氮又叫作氮化,其目的是提高工件表層的硬度、耐磨性、紅硬性、疲勞強度和抗蝕性。
滲氮主要適用于表面要求耐磨、耐高溫、耐腐蝕的精密零件,如精密齒輪、精密機床主軸、氣缸套、閥門等。
(3)鋼的碳氮共滲:碳氮共滲是碳、氮原子同時滲入工件表面的一種化學熱處理工藝。這種工藝是滲碳與滲氮的綜合,兼有二者的優(yōu)點。目前生產(chǎn)中應用較廣的有碳氮共滲(以滲碳為主)和氮碳共滲(以滲氮為主)兩種方法。前者主要用于低碳及中碳結構鋼零件,如汽車和機床上的各種齒輪、蝸輪、蝸桿和軸類零件等;后者常用于模具、量具、刃具和小型軸類零件。
1.3常用金屬材料
1.3.1工業(yè)用鋼鋼是碳的質(zhì)量分數(shù)在2.11%以下,并含有其他元素的鐵碳合金。
1.鋼的分類1)按化學成分分類(1)碳素鋼:按含碳量可分為低碳鋼(wC?<?0.25%)、中碳鋼(wC?=?0.25%~0.6%)和高碳鋼(wc?>?0.6%)。
(2)合金鋼:按合金元素含量可分為低合金鋼(wMe?<?5%)、中合金鋼(wMe?=?5%~10%)和高合金鋼(wMe?>?10%)。
2)按用途分類
(1)結構鋼:主要有工程結構用鋼和機械結構用鋼。
(2)工具鋼:可分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。
(3)特殊性能鋼:主要有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。
2.結構鋼
1)碳素結構鋼
碳素結構鋼的平均碳質(zhì)量分數(shù)為0.06%~0.38%,鋼中含有較多的有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物,但性能上能滿足一般工程結構及普通零件的要求,因而應用較廣。它通常被軋制成鋼板或各種型材(圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋鋼)。
表1.1為碳素結構鋼的牌號、性能及其用途。由表1.1可看出,Q195、Q215、Q235、Q255為低碳鋼,Q275為中碳鋼,其中Q235因碳的質(zhì)量分數(shù)及力學性能居中,故最為常用。
2)低合金高強度結構鋼
低合金結構鋼是在碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素制成的。其性能特點是具有較高的屈服強度與良好的塑性和韌性,并具有良好的焊接性和較好的耐蝕性。
低合金結構鋼一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用,被廣泛用于橋梁、船舶、車輛、建筑、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道等。幾種低合金結構鋼的牌號、性能及其用途見表1.2。
3)優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼
優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼主要用于制造機械零件。優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的牌號用兩位數(shù)字表示,兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分數(shù)的萬倍。屬于沸騰鋼的在數(shù)字后加標“F”,未標F的都是鎮(zhèn)靜鋼。例如:45表示wC?=?0.45%的鎮(zhèn)靜鋼;08F表示wC?=?0.08%的沸騰鋼。表1.3為常用優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的牌號、力學性能及其用途。
4)合金結構鋼
合金結構鋼的牌號用“兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字”表示。兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分數(shù)的萬倍,元素符號代表鋼中含的合金元素,其后面的數(shù)字表示該元素平均質(zhì)量分數(shù)的百倍。若為高級優(yōu)質(zhì)鋼,則在牌號后加A。
合金調(diào)質(zhì)鋼屬于中碳合金鋼,要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后才能使用,調(diào)質(zhì)后還可進行表面淬火或化學熱處理。合金調(diào)質(zhì)鋼的綜合力學性能較好,淬透性好,切削加工性好,更適合在工作中受力大、易出現(xiàn)嚴重磨損的重要零件。
常用合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號、性能及其應用見表1.4。
3.工具鋼
1)碳素工具鋼
碳素工具鋼是一種高碳優(yōu)質(zhì)鋼,有害雜質(zhì)含量少,經(jīng)淬火和低溫回火后硬度高(不小于62?HRC),耐磨性好。但因其熱硬性(又稱紅硬性,即在高溫下保持高硬度的性能)很差,當溫度超過250℃后,硬度會急劇下降,故多用來制作在常溫下使用的低速工具、手動工具、模具和耐磨零件等。
碳素工具鋼的牌號、性能及其用途見表1.5。隨著含碳量的增加,碳素工具鋼的硬度和耐磨性增加,但韌性和淬透性降低。
2)合金工具鋼
為了滿足工具、刃具、量具、模具對鋼材的某些特殊要求,可以在碳素工具鋼內(nèi)增加某些合金元素,制成合金工具鋼。合金工具鋼主要包括量具刃具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼等。其中9SiCr應用最廣泛,多用來制造要求變形小的薄刃刀具,如板牙、絲錐、銑刀、鉸刀等。各種合金工具鋼的詳細情況可參閱有關資料。
3)高速工具鋼
高速工具鋼簡稱高速鋼。高速工具鋼從本質(zhì)上講也是一種合金工具鋼,但因其發(fā)展較早、應用廣泛,故在此單獨列出。與量具刃具鋼相比,高速鋼除了具有更高的硬度、更好的耐磨性和韌性之外,最大的優(yōu)點是熱硬性好,即使在600℃高溫下工作,也能保證其硬度在60?HRC以上,多用來制造各種中速切削刀具。
常用合金工具鋼和高速工具鋼的牌號、成分、性能及其應用見表1.6。
1.3.2鑄鐵
鑄鐵是一系列主要由鐵、碳、硅(Si)組成的合金。根據(jù)碳的存在形式不同,常將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵三大類。
1.灰鑄鐵
灰鑄鐵中的石墨大部分以層片狀存在于基體中,故灰鑄鐵的鑄造性能、可加工性、減振性、減摩性均較好,且價格低廉,但也存在著塑性差、韌性差、抗拉強度低、焊接性能較差等缺點,多用來制造固定設備的床身、形狀特別復雜或承受較大摩擦力的可批量生產(chǎn)的零件?;诣T鐵的牌號、力學性能及其應用見表1.7。
2.球墨鑄鐵
球墨鑄鐵中的石墨是以球狀存在的,故球墨鑄鐵與灰鑄鐵相比具有強度高(與鋼差不多)、工藝要求高的特點,適宜做重要零件。球墨鑄鐵的牌號用“QT”(表示“球鐵”)和其后的兩組數(shù)字組成。兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強度和最低伸長率,如QT600-3表示σb≥600MPa、δ≥3%的球墨鑄鐵。
1.4材料選用的原則和方法1.4.1零件的失效形式和選材原則1.機械零件的失效形式所謂失效是指機械零件在使用過程中,由于某種原因而喪失預定功能的現(xiàn)象。一般機械零件的失效形式有以下三類:(1)斷裂:包括靜載荷或沖擊載荷下的斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕破裂等。(2)表面損傷:包括過量磨損、接觸疲勞(點蝕或剝落)、表面腐蝕等。(3)過量變形:包括過量的彈性變形、塑性變形和蠕變等。
2.選材的基本原則
(1)材料的使用性能應滿足零件的工作要求:使用性能是保證零件工作安全可靠、經(jīng)久耐用的必要條件。不同的機械零件要求材料的使用性能是不一樣的,這主
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