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工程材料2021/9/271一、工程材料的机械性能与组织结构大纲l具体内容：l1、工程材料的分类；l2、材料静载的机械性能；l3、材料动载的机械性能；l4、常用金属的晶体结构的类型；l5、金属的实际结构和晶体缺陷；l6、金属的结晶。2021/9/272*1.1工程材料的分类l1、金属材料l2、高分子材料l3、陶瓷材料l4、复合材料2021/9/2731.2材料静载机械性能l1、刚度l2、强度l3、塑性l4、硬度2021/9/2741.3拉伸试验l测定金属的强度和塑性指标2021/9/275*1.4材料的刚度l刚度是指材料对弹性变形的抗力，工程上弹性模量E称为材料的刚度。l弹性模量E越大，刚度越大。2021/9/276*1.5材料的强度指标l屈服强度l抗拉强度2021/9/277*1.6塑性指标l延伸率l断面收缩率2021/9/278*1.7三种硬度的表示方法l1、布氏硬度 HBl2、洛氏硬度 HRA、HRB、HRCl3、维氏硬度HV2021/9/279*1.8材料动载机械性能指标l冲击韧性l疲劳强度l影响疲劳强度的因素l材料本质、材料的表面质量、工作条件、零件的形状、尺寸及表面残余应力等。2021/9/2710*1.9常见金属的晶体结构类型l体心立方结构l面心立方结构l密排六方结构2021/9/27111.10金属的实际结构l是由许多晶粒组成的多晶体，晶体的性能在各个方向上相互补充和抵消，因而表现出各向同性。2021/9/2712*1.11晶体缺陷l点缺陷l线缺陷l面缺陷2021/9/2713*1.12铸态金属晶粒细化的方法l增大过冷度l变质处理l振动、搅拌2021/9/2714二、铁碳合金大纲l具体内容：具体内容：l1、铁碳合金中的基本相；l2、铁碳合金的相图分析；l3、铁碳合金分类；l4、典型铁碳合金的平衡结晶过程分析；l5、含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响；l6、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响；l7、钢锭的种类；l8、碳钢的分类、编号和用途。2021/9/2715*2.1铁碳合金的基本相l铁素体Fl奥氏体Al渗碳体2021/9/2716*2.2铁碳相图分析l珠光体P由铁素体和渗碳体组成，珠光 体的含碳量为0.77%，有较高的强度硬度l莱氏体Le由奥氏体和渗碳体组成 2021/9/27172.3铁碳合金分类l工业纯铁Wc0.0218%l钢0.0218%Wc 2.11%l白口铸铁2.11%Wc 6.69%2021/9/2718*2.4钢的特点及分类l钢的特点：高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，适用于锻造、轧制。l分类：亚共析钢0.0218%Wc 0.77%室温平衡组织为铁素体F+珠光体P 共析钢Wc=0.77%室温平衡组织为珠光体P 过共析钢0.77%Wc 2.11%室温平衡组织为珠光体P和二次渗碳体2021/9/27192.5白口铸铁的特点l流动性好，成分偏析少、分散缩孔少，具有较强的铸造性能，但由于渗碳体量过多，脆性大，不能锻造、轧制，工业上应用较少。2021/9/27202.6典型铁碳合金平衡结晶过程l对所有亚共析钢，含碳量越高，则珠光体越多，铁素体含量越少。2021/9/2721*2.7含碳量对铁碳合金机械性能的影响l铁碳合金随含碳量增加，铁素体量减少，渗碳体量增加，硬度增加，塑性和韧性下降。2021/9/2722*2.8含碳量对铁碳合金工艺性能的影响l1、中碳钢工削加工性能较好；l2、随着含碳量增加，可锻性差，钢加热到高温，具有良好的可锻性；l3、含碳量增加，铸件出现缺陷的倾向增大。2021/9/2723*2.9钢中常存的杂质元素l有益元素：Mn 使钢的强度提高l Si 使钢的强度、硬度、弹性 提高，塑性、韧性下降l有害元素：S 增大钢的热脆性 l P 使钢的塑性、韧性急剧下降，冷脆性增大。2021/9/2724*2.10钢锭的种类l镇静钢l沸腾钢l半镇静钢2021/9/2725*2.11镇静钢与沸腾钢的比较l1、沸腾钢成本低、成材率高；l2、沸腾钢表面质量好，冲压性能好，焊接性能好；l3、镇静钢的钢材质量好，用于重要结构锅炉、化工容器用钢和机械上需经热处理的受力零件；2021/9/2726*2.12普通碳素结构钢编号lQ235ClQ为屈服强度“屈”字汉语拼音第一个字母l235表示屈服强度数值，lABCD则表示钢材质量等级不同，等级依次提高2021/9/27272.13优质碳素结构钢编号l45Mnl牌号用两位数字表示，表示钢中平均含碳量的万分之几，若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，如含锰量为0.7%1.2%的钢，牌号为45Mn2021/9/27282.14铸钢编号lZG200-400l第一组数字代表最低屈服强度值l第二组数字代表最低抗拉强度值2021/9/2729三、金属的塑性变形与再结晶 大纲l具体内容：具体内容：l1、单晶体和多晶体金属的塑性变形；l2、塑性变形对金属的组织和性能的影响；l3、再结晶的温度的计算；l4、材料热加工对金属组织和性能的影响。2021/9/27303.1单晶体金属的塑性变形方式 l滑移l孪生2021/9/2731*3.2塑性变形对金属组织和性能的影响l1、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性l2、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化l3、织构现象的产生l4、残余内应力2021/9/2732*3.3再结晶温度lT再=（0.350.4）T溶l金属的熔点越高，再结晶温度越高。2021/9/2733*3.4热加工对金属组织的性能的影响l1、通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密得以提高；l2、通过热加工，从而使晶粒细化，机械性能提高；l3、通过热加工，可使铸态金属形成流线，增大纵向的强度、塑性和韧性，可提高零件使用寿命。2021/9/2734四、钢的热处理大纲l具体内容：具体内容：l1、热处理的概念；l2、钢在加热时的转变；l3、钢的冷却转变；l4、钢的退火与正火，钢的淬火，钢的回火；l5、钢的表面热处理；l6、热处理的缺陷及防止方法。2021/9/2735*4.1热处理概念l热处理是用来改变金属材料组织和性能的一种非常重要的工艺方法。2021/9/27364.2钢在加热时的转变l钢材加热，珠光体转变为奥氏体。2021/9/2737*4.3钢的冷却转变l在等温冷却转变情况下，转变温度、转变时间和转变产物之间的关系曲线称之为过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）l钢经奥氏体化后在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体的转变产物，转变开始及转变终了时间与转变温度之间的曲线称过冷奥氏体连续冷却曲线（CCT曲线）2021/9/2738*4.4退火与正火时机选择及区别l一般安排在锻造或铸造之后，切削加工之前，l正火与退火的区别是冷却速度快，组织细，强度和硬度有所提高。2021/9/2739*4.5退火与正火工艺的选择l对低、中碳结构钢以正火作为预先热处理；高碳结构钢和工具钢及合金钢则以退火为宜；l如工件性能要求不高，一般采用正火，零件形状复杂，则采用退火；l正火比退火生产周期短，耗能少，操作方便，应优先考虑正火。2021/9/2740*4.6钢的退火的应用l完全退火和等温退火，用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时用于焊接结构。l球化退火用于共析成分的碳钢、合金钢l去应力退火（低温退火）用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工后零件的残余内应力。l再结晶退火主要用于冷拔、冷拉和冷冲压等冷变形工件。2021/9/2741*4.7最常用的淬火方法l单液淬火法l双液淬火法l分级淬火法l等温淬火法2021/9/2742*4.8钢的淬硬性l主要取决于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。2021/9/2743*4.9钢的回火的目的l降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。l获得工艺要求的机械性能。l稳定工件尺寸。l对一些高淬透性的合金钢，采用高温回火，使碳化物聚集长大，降低硬度，以利切削加工，同时可缩短软化周期。2021/9/27444.10回火种类及应用l低温回火，150-250 58-64HRC 工模具、滚动轴承等l中温回火，350-500 35-45HRC 各类弹簧等l高温回火（调质）500-650 25-35HRC 连接和传动的结构零件2021/9/2745*4.11钢的表面热处理（渗碳）l向钢的表面层渗入碳原子的过程。l目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性。2021/9/2746*4.12热处理缺陷l过热和过烧l氧化和脱碳2021/9/2747五、合金钢大纲l具体内容：具体内容：l1、合金元素在钢中的作用；l2、合金钢的分类及牌号；l3、合金结构钢的概念；l4、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢的相关内容。2021/9/27485.1碳钢在性能方面的不足l碳钢的淬透性低l碳钢的回火抗力差l碳钢不能满足一些特殊性能的要求2021/9/27495.2合金元素对淬火钢回火转变过程的影响l提高回火稳定性l产生二次硬化现象l消除回火脆性2021/9/27505.3合金的分类（按主要用途分）l合金结构钢l合金工具钢l特殊性能钢2021/9/2751*5.4合金结构钢l在碳素结构钢基础上加入一种或几种合金元素的钢以提高钢的性能、减轻工程结构和零件的重量，延长使用寿命。l对于形状复杂、截面较大、要求较高机械性能的工程结构件或零件采用合金结构钢。2021/9/2752*5.5合金结构钢的分类l工程用钢，低合金高强度钢，不进行热处理l机器用钢，经热处理，调质钢、渗碳钢、易切削钢、弹簧钢、轴承钢。2021/9/27535.6低合金高强度钢性能特点l较高的强度l具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能。l具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度。2021/9/2754*5.7调质钢性能特点l具有良好的综合机械性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。l具有良好的淬透性。2021/9/2755*5.8调质钢典型牌号、用途l低淬透性合金调质钢 40Crl中淬透性合金调质钢40CrMn 40CrNil高淬透性合金调质钢40CrMnMo2021/9/27565.9渗碳钢的性能特点l具有高硬度和高耐磨性,心部具有足够的韧性和强度,表硬里韧.l具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力。2021/9/2757*5.10渗碳钢的典型牌号和用途l低淬透性合金渗碳钢20Cr小轴、小齿轮、活塞销l中淬透性合金渗碳钢20CrMn汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器l高淬透性合金渗碳钢20Cr2Ni42021/9/2758*5.11弹簧钢的性能特点l具有高的弹性极限l具有高的疲劳强度l具有足够的塑性和韧性2021/9/2759*5.12滚动轴承钢性能要求l高强度、硬度和耐磨性l高的接触疲劳强度和弹性极限l良好的尺寸稳定性2021/9/27605.13常用的不锈钢分类（按组织特点分）l马氏体不锈钢，铁素体不锈钢，奥氏体不锈钢，奥氏体-铁素体型不锈钢，沉淀硬化不锈钢2021/9/2761六、铸铁大纲l具体内容：具体内容：l 1、铸铁、铸铁的石墨化的概念；l 2、灰铸铁、可锻铸铁的、球墨铸铁的性能和应用。2021/9/27626.1铸铁、铸铁石墨化的概念l铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。l铸铁的石墨化就是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程。2021/9/27636.2灰口铸铁的分类（按石墨的形态分类）l灰铸铁 石墨形态 片状 HTl可锻铸铁 团絮状 KTl球墨铸铁 球状 QTl蠕墨铸铁 蠕虫状 RT 2021/9/2764*6.3灰铸铁的性能与应用l灰铸铁具有优良的铸造性能、良好的切削加工性、耐磨性、减振性、抗压性能和低的缺口敏感性。l灰铸铁主要用于制造承压力和振动的零部件。l如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体、卡盘。2021/9/2765*6.4可锻铸铁的性能与应用l强度、塑性和韧性均比灰铸铁高，接近于铸钢。l可锻铸铁常用于制造形状复杂且承受冲击载荷的薄壁零件。l如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。2021/9/2766*6.5球墨铸铁的性能l球墨铸铁具有高的机械性能、良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性。2021/9/2767*6.6球墨铸铁的应用l球墨铸铁可部分替代中碳钢和某些合金钢用于制造载荷较大、受力复杂的重要零件。l通常珠光体球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮及大型水压机活塞等。铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门、机器底座及汽车后轮壳等。2021/9/2768七、有色金属及合金大纲l具体内容：具体内容：l 1、铝及铝合金的性能特点；l 2、铝合金的热处理的工艺；l3、铝及铝合金分类牌号和用途；l 4、铜及铜合金的性能特点；l 5、铜及铜合金分类牌号和用途。2021/9/27697.1铝及铝合金的性能特点l纯铝密度小、熔点低、导电性、导热性能优良，碳化率低，抗大气腐蚀性能好，还具有极好的塑性和较低的强度，易于加工成形，并有良好的低温性能。l铝合金的比强度高和抗疲劳性好，铸造性能好。2021/9/2770*7.2铝合金的热处理l常用的热处理工艺分为退火、固溶处理（淬火）和时效处理。l退火的目的在于消除工件的冷变形强化，内应力及成分偏析，并提高工件的塑性。2021/9/27717.3时效处理l在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热，使过饱和的固溶体分解出强化相并过渡到稳定状态，合金的强度、硬度明显升高的现象。l自然时效-室温下进行l人工时效-加热条件下进行2021/9/2772*7.4铝合金的分类及用途l1、变形铝合金 l防锈铝合金 焊接油箱、油管、铆钉等。l硬铝合金 冲压件、螺旋浆叶片、大型铆钉、航空模锻件。l超硬铝合金 飞机的大梁、起落架等。l锻铝合金 航空发动机活塞、直升机浆片、压气机叶片。l2、铸造铝合金2021/9/27737.5铜及铜合金的性能特点l纯铜导电性、导热性、抗磁性优良，塑性、焊接性能好。l铜合金具有优良的减磨性、耐磨性、高的弹性极限和疲劳极限等。2021/9/2774*7.6铜及铜合金分类牌号l纯铜三个牌号：T1 T2 T3l铜合金按化学成分为：l黄铜 以Zn为主加合金元素的铜合金l青铜 除黄铜白铜外的其他铜。l白铜 以镍为主加合金元素的铜合金2021/9/2775八、非金属 大纲l具体内容：具体内容：l 1、非金属的分类；l 2、高分子材料的基本知识、性能、常用高分子材料及其应用；l 3、陶瓷材料的基本知识、性能、常用陶瓷材料及其应用；l 4、复合材料的基本知识、性能、常用复合材料及其应用。2021/9/2776*8.1非金属的分类l高分子材料l陶瓷材料l复合材料2021/9/27778.2高分子化合物的合成方法l由低分子化合物合成高分子化合物的反应称为聚合反应。l聚合方法：加成聚合反应、缩合聚合反应2021/9/2778*8.3高分子材料的分类l接材料来源分：天然高分子材料、合成高分子材料l接材料性能和用途分：塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂、高分子合金和聚合物基复合材料。2021/9/2779*8.4塑料加工成型方法l塑料加工成型主要工序：l配料-混练-半成品-加工成型和产品l加工成型主要方法有：l注射-挤出-压延-吹塑及模压2021/9/2780*8.5橡胶制品加工成型工艺过程l生胶的塑炼、胶料的混炼、成型与硫化。2021/9/2781*8.6高分子材料的性能l机械性能：低强度、高弹性和低弹性模量、粘弹性、高耐磨性、韧性好。l物理化学性能：高绝缘性、低耐热性、低导热性、高热膨胀性、高化学稳定性。2021/9/2782*8.7塑料的分类l按成型工艺分：热塑性塑料、热固性塑料l按应用范围分：通用塑料、工程塑料、特种塑料2021/9/2783*8.8常用的热塑性工程塑料l聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚氯乙烯（PVC）聚苯乙烯（PS）2021/9/2784*8.9常用的热固性塑料l酚醛塑料（PF）l 环氧塑料（EP）2021/9/2785*8.10橡胶的分类l按橡胶来源分：l天然橡胶l合成橡胶2021/9/2786*8.11常用合成纤维的品种l涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶和氯纶2021/9/2787*8.12胶粘剂及应用l胶粘剂是以各种树脂、橡胶、淀粉等为基体材料，添加各种辅料制成。l在许多场合下可替代传统的螺栓、铆接、焊接等工艺。2021/9/2788*8.13陶瓷材料分类l玻璃l玻璃陶瓷l工程陶瓷（普通陶瓷、特种陶瓷）2021/9/2789*8.14普通陶瓷分类及应用l1、日用陶瓷 用作日用器皿，瓷器l2、工业陶瓷l建筑陶瓷 装饰板、卫生洁具l化工陶瓷 接触强腐蚀介质的塔、储槽、容器、风机、管道等l电工陶瓷 （高压陶瓷）电器绝缘陶瓷，用于制作电隔离机械支撑及连接用瓷质绝缘器件。2021/9/2790*8.15陶瓷材料的性能l机械性能 高硬度、高弹性模量和高脆性、低抗拉强度和高抗压强度、低塑性、低韧性。l物理化学性能 高的耐热性、耐热冲击性能较大、化学稳定性能、电学性能。l其它性能 光学性能、磁性、生物体性能2021/9/27918.16复合材料的概念l就是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料陶瓷自身或者相互之间进行优势互补、获得单一材料无法比拟的具有综合优异性能的新型材料。l钢筋混凝土 l汽车用玻璃纤维挡泥板l黄铜片和铁片复合成的自动控温开关2021/9/2792九、机械零件的选材及工艺分析大纲l具体内容：具体内容：l 1、机械零件选材的基本原则；l2、轴类、齿轮类等典型零部件选材及工艺分析；l 3、化工、压力容器、热能设备等典型设备的选材。2021/9/2793*9.1判断零件选材是否合理的标志l是否满足必须的使用性能l是否具有良好的工艺性能l是否有好的经济性2021/9/2794*9.2轴类零件的选材l低速、轻载或不重要的轴，可选用Q235、Q255、Q275等碳素结构钢，不进行热处理l中等载荷且转速、精度要求不高的轴，常选用中碳优质碳素钢，35、40、45、50 热处理，正火调质或表面淬火及低温回火处理。l承受较大载荷要求高耐磨高精度及限制外形尺寸的轴，常用合金钢20Cr、40Cr等，热处理，调质表面淬火、渗碳、渗氮等。2021/9/27959.3轴类零件加工艺路线l下料锻造正火粗加工-调质-精加工-局部表面淬火及低温回火-精磨-产品2021/9/2796*9.4齿轮类零件选材l机床齿轮 45（40Cr）l汽车、拖拉机齿轮 20Cr 20CrMnTi2021/9/2797*9.5化工设备选材的原则l选材时应全面考虑设备具体工作条件，如工作温度、工作压力、介质性质及使用环境等，使所选择材料的机械性能、耐腐蚀性能、工艺性能及经济性应与之相适应。2021/9/2798*9.6常用压力容器的选材l当压力容器设计压力较小、直径较大时，尽量选用碳素钢l当压力设计较高时，应根据容器的具体工作条件和制造加工要求选用适当强度级别的低合金结构钢。l高温运行的压力容器应选用高温用钢l低温运行的压力容器应选用低温用钢2021/9/2799*9.7锅炉的主要零部件l锅炉管道、锅炉汽包、吹灰器及支撑零件等2021/9/27100*9.8汽轮机主要零部件l汽轮机叶片、汽轮机转子和汽轮机静子2021/9/27101计算分析题一l解(2)T再=（0.350.4)T溶l =（0.350.4)(1538+273)l =639K724Kl =366 451 l (3)813-273=540 l 2021/9/27102计算分析题二l解:设钢中珠光体的含量为X,则有l 200X+80(1-X)=150l X=58%l 则铁素体的质量分数为l 1-58%=42%l 由于珠光体中含碳量为0.77%l 所以有WC=58%*0.77%=0.45%2021/9/27103计算分析题三l已知某退火钢中珠光体的质量分数为50%，珠光体、铁素体的硬度分别为200HB和80HB，试求：l（1）该钢中铁素体的质量分数？l（2）该钢的硬度？l（3）该钢中碳的质量分数？（计算时忽略铁素体中的碳的质量分数）2021/9/27104计算分析题三l解（1）铁素体的质量分数为l 1-50%=50%l （2）该钢的硬度为l 200*50%+80*50%=140HBl （3）钢中的质量分数为l 50%*0.77%=0.385%2021/9/27105谢谢大家！再见2021/9/27106