机械基础课件04

1、 按化学成分分 （1）碳素钢 含碳质量分数的多少又分成低碳钢、 中碳钢和高碳钢 （2）合金钢 如果含有合金元素，相应称为低合金 钢、中合金钢和高合金钢 （3） 铸铁 2、按钢的品质分 （1）普通钢
§4－2黑色金属材料
（2）优质钢
（3）高级优质钢 3、按钢的用途分 （1）结构钢 从制造成本和加工工艺角度出发，机 械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较 高的零件。 （2）工具钢 选用中碳钢作为具有一定强度和硬度 要求的零件 （3）特殊性能钢 强度要求较高，又具有较好的塑 性，则应用合金钢对于一般，重要的齿轮或轴选用 中碳合金钢。
§4－4 钢的热处理
淬火后高温回火称为调质，是合金钢常用的一种提 高材料力学性能的有效方法。
二、钢的表面热处理
表面热处理仅处理工件表面，对工件的芯部不作处 理，保持其原来的特性。一般应用在工件表面需要具有 较高的硬度，而芯部又要有较高的韧性，如齿轮传动的 齿面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齿根和齿轮芯部 要有较好的韧性，可以承受较大的抗弯曲能力。齿轮的 材料常选用45钢，对齿面进行表面热处理。如果选用低 碳合金钢表面渗碳处理，提高齿面的含碳质量分数后再 做表面处理是最好的选择。如矿山用的大型载重汽车为 了提高齿轮芯部的韧性，采用20CrMnTi低碳合金钢先作 渗碳，后表面淬火的工艺。
§4－1 金属材料的性能
（5）疲劳强度 机械零件在长期使用中，由于交变应 力对材料的影响，可能出现突然的断裂破坏，设计零件的 使用寿命必须保证在规定的时间内不能出现疲劳损坏
2、金属材料的工艺性能 包括多种内容，主要有泠加工的切削加工性能，和 热加工的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能。 切削加工性能即是否容易将材料切削成所需要的零件形 状。一般说来，软材料的硬度小、塑性好，容易加工成 形，但表面质量相对差一些；而硬材料的强度相对较高， 加工较困难，但表面质量较好。所以具有良好切削性能 和较高强度的中碳钢应用较广。
2、碳素工具钢 含碳质量分数在0.7％以上，硬度高，如T8A、T10A、 T12A。
§4－2黑色金属材料
四、合金钢
在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当 合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高 钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯 片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以 提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。
§4－2黑色金属材料 2、合金钢的编号方法
(1) 低合金高强度结构钢 如Q390A (2) 合金结构钢 如40Cr, 40表示含碳质量分数的万 分之一；30CrMoA，合金的元素符号及含量的百分之 1.5，末位加A表示优质。 （3）滚动轴承钢 在含碳质量分数元素符号前加G， 如GCr15。 （4）合金工具钢 含碳质量分数小于1％，用一位 数表示的含碳质量分数的千分之几。含碳质量分数 小于1％，不予标注。 （5）不锈钢 含碳较低，用“00”和“0”数字表 示含碳质量分数，分别低于0.03%和0.08%，说明了为 什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割 较硬东西的原因。
§4－4 钢的热处理
钢的热处理目的是提高工件的力学性能，满足使用 条件，延长使用寿命。热处理的方法简单、方便、效果 好，要求的设备也不复杂，所以具备较高的使用价值， 应用很广。 热处理的方法分为普通热处理，表面热处理和化学 热处理三种。
一. 普通热处理
普通热处理有“四火”， 1、退火与正火 共同点都是将钢加热到一定的温度，如45钢加热温 度到820℃。但冷却的方式不同，退火是采用缓慢冷却， 如埋入沙、灰中或随炉温逐渐冷却，以消内部应力；正 火是将工件暴露在空气中冷却。相比之下，正火冷却的 速度要快，目的是要得到细化的组织结构，工件的硬度 和强度较退火处理高，一般正火适用于提高低碳钢的硬 度。
§4－4 钢的热处理
1、火焰加热淬火 设备简单，但受热不匀，生产效率低，质量不稳定。 2、高频加热淬火 效率高、质量稳定。在几秒钟内齿面迅速加热到淬火 温度，后均匀喷洒冷却水使表面硬度达到预定值。如铁 道钢轨两端表面的淬火 3、表面化学处理 通过改变化学成分来处理工件表面的方法，如渗碳、 氮化、发黑或发蓝，起到防锈的效果。 表面化学处理的深度较小，如渗碳6小时左右，才能 达到0.2mm的深度。渗碳需要有专用的渗碳炉，工艺较 为复杂，所需的时间较长。氮化的方法与渗碳相似，只 是参与化学处理的元素不同而已。在表面处理中，渗碳 比氮化应用较广。
§4－2黑色金属材料
三、意加入合金元素的钢。 1、碳素结构钢 （1）普通碳素结构钢 含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有Q表示； 如Q215、Q235、Q275。塑性好，但强度低，应用于建 筑工程结构和机械零件。
§4－2黑色金属材料
（2）优质碳素结构钢 含碳质量分数较多，为中碳钢，常用45、35钢。
§4－3铁碳合金状态图分析
45钢的铸造、锻造、热处理温度参考： ①当温度超过727°时，金属内部组织要开始相变，进入 F+A区。 ② 当温度超过约800°时，45钢金属内部全部进入A区， 即奥氏体区。 ③ 当温度超过约1450°时，45钢的金属开始熔化，进入 L+A区。 ④当温度超过约1500℃,45钢的金属全部融化，进入L区。 从铁碳合金状态图中，以45钢为例，可以得出： ①45钢的铸造温度约在1700～1600°之间。图中上右斜线 区。 ②45钢的开始锻造温度在1250°～1150°之间，图中A区 内的右斜线区。 ③45钢的热处理温度在800°～850°之间，图中A区内打 “×”的线区。
§4－5
有色金属材料
除黑色金属以外的其他金属都称为有色金属，由于 其特殊性质，在工业上得到广泛的应用，常用的有色金 属以铝、铜及其合金。钛及其合金的重量较轻，又有其 特殊的性能，在工业上的应用也越来越广，但是价格较 高。
一、铝及铝合金
1、铝 铝金属在生活中应用很广，如建筑上用的铝制窗口、 飞机外壳等，其显著特点是重量轻、不生锈。 2、铝合金 在纯铝中加入合金元素而成，比纯铝的性能好。铝合 金中通过加入不同的元素来改变其强度等力学性能，常 用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。 （1）形变铝合金 由铝锭加工成各种形状材料，如铝板、铝管和各种 异型材料。
§4－2黑色金属材料
3、可锻铸铁 不是可以锻造的铸铁，俗称马铁。如 KTH330-08表示最小抗拉强度为330MPa。 此外，铸铁还是炼钢的生产原料
§4－3铁碳合金状态图分析
铁碳合金状态图又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡 图。反映钢铁黑色金属中铁和碳元素，随着温度和含碳 质量分数变化时，内部组织的变化状态。 一、简化的Fe-Fe3C状态的特征 见图4－8 1、特性点
（1）铬不锈钢
§4－2黑色金属材料
五、铸铁
铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压 强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、 箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污 井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。
铸铁的含碳质量分数大于2.11％。 铸铁按其特性分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 1、灰铸铁 在工业中应用最广，用汉语拼音HT表示。 如HT150、HT200。力学性能低，铸造性能好，切削性 能好，减振性能好。 2、球墨铸铁 高强度的铸铁，机械性能接近钢，如 QT400-15 表示最小抗拉强度为400MPa。
第四章 工程材料
工程材料是制造机械零件的原料。机械零 件的结构、形状、大小和使用条件不同，对材 料的要求也不同。常用的材料有黑色金属、有 色金属及非金属。了解各种材料的牌号、性能 及应用，以及黑色金属材料的热处理方法，为 中职学生了解机械零件的使用和维护提供必备 的基础知识。 黑色金属材料具有良好的力学性能，大部 分机械零件都选用黑色金属作为零件的材料。 因此，黑色金属材料的内容和热处理方法是本 章的学习重点。
§4－1 金属材料的性能 一、金属的物理性能和化学性能
1、金属材料性能 ＝使用性能＋工艺性能 使用性能＝物理性能＋化学性能＋力学性能 工艺性能 生产、加工条件下表现的性能。 2、物理性能＝密度＋熔点＋导热性＋导电性＋热膨胀 性＋磁性
二、金属的力学性能和工艺性能
1、 力学性能指金属材料在外力作用下表现出来的性能 （1）强度 安全生产的基本保证和满足机械零件达到 设计寿命的 前提，也是机 械设计中必须达到的基本要 求，是机械零件强度校 核的根据。 （2）塑性 （3）硬度 （4）冲击韧性
§4－3铁碳合金状态图分析
三、铁碳合金状态图的应用
1、钢铁材料的选用 韧性好、塑性好－选低碳钢 韧性好、塑性好、强度高－选中碳钢 强度高、耐磨性好－选高碳钢 2、制定热加工工艺 （1）铸造 液相线以上50～100度 （2）锻造 始锻1150～1250度；终锻750～850度 （3）热处理 碳钢淬火在GS 或SE线以上30～50度
§4－2黑色金属材料
1、合金结构钢
⑴ 低合金结构钢 16Mn代替Q235作建筑、桥梁材料。 20CrMnTi经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好 的韧性，作汽车变速箱齿轮。
§4－2黑色金属材料
（2）机械制造用钢
中碳合金钢40Cr代替常用45钢作重要的轴等机械零件。 高合金钢60Si2Mn代替65Mn作重要弹簧。 滚动轴承用钢Gr15用于制造常用滚动轴承。
A、G、C、E、S点
2、特性线 ACD线、AECF线、ECF水平线、ES线、GS线 3、相区 ACD 线以上、AESGA、 GPQ 、DFK
§4－3铁碳合金状态图分析
二、碳的质量分数对钢的力学性能的影响
横坐标代表铁碳合金中含碳的质量分数，可分成三段。 即0.0218%的左侧为软铁；0.0218%到2.11%中间为最常用 的结构钢；2.11%到6.69%右侧为铸铁。 纵坐标代表温度的变化，当超过727°时，铁碳组织的 状态发生变化，即由F+P状态变成F+A状态。随着温度的 升高，当温度超过GS线时，由F+A状态进入A状态，成为 奥氏体；当温度超过AE线时，金属开始部分溶化，进入 L+A区域, 既有奥氏体又有液态金属混合在一起。建议以 45钢为例来说明，即在横坐标0.45处画一条纵坐标线来讲 课。