1、机械工程材料应用 主编项目一工程材料与机械制造过程项目二螺栓、螺母的选材碳素结构钢的应用项目三手锯锯条的选材碳素工具钢的应用项目四车床主轴的选材优质碳素结构钢的应用项目五汽车车架的选材低合金钢的应用项目六汽车齿轮的选材合金结构钢的应用项目七车刀的选材合金工具钢的应用项目八叶片的选材特殊性能钢的应用项目九箱体的选材铸铁的应用项目十铝合金车轮的选材非铁金属材料的应用项目十一汽车保险杠的选材非金属材料的应用项目十二机械工程材料选材与质量控制附录综合性实验指导项目一工程材料与机械制造过程1)了解机械工程材料的概念与分类。2)了解工程材料的发展过程。3)了解现代机械制造的基本过程。4)了解工程材料在机械
2、制造过程中的地位和作用。1.1材料的简要发展过程1.2机械工程材料的分类及发展趋势1.3机械制造过程与材料1.4课程学习指导1)了解机械工程材料的概念与分类。2)了解工程材料的发展过程。3)了解现代机械制造的基本过程。4)了解工程材料在机械制造过程中的地位和作用。表1-1单级齿轮减速器部分零件的材料和毛坯选择表1-1单级齿轮减速器部分零件的材料和毛坯选择4)了解工程材料在机械制造过程中的地位和作用。表1-1单级齿轮减速器部分零件的材料和毛坯选择4)了解工程材料在机械制造过程中的地位和作用。图1-1单级齿轮减速器1窥视孔盖2箱盖3螺栓4螺母5弹簧垫圈6箱体4)了解工程材料在机械制造过程中的地位和
3、作用。图1-1单级齿轮减速器(续)7调整环8端盖9齿轮轴10挡油盘11滚动轴承12轴13齿轮1.1材料的简要发展过程1.2机械工程材料的分类及发展趋势1.3机械制造过程与材料图1-5机械制造工艺流程图1.4课程学习指导习题与思考题1.查找资料，了解周礼考工记中有关青铜成分与性能关系的描述，并初步分析为什么不同的铜锡配比会反映出截然不同的性能。2.试举出一个你所了解的反映我国在材料应用方面成就的例子。3.为什么说钢铁材料是机械制造业的支柱？4.请举出10个在你身边不同种类工程材料的应用实例。5.以自行车大链轮为例，试分析其加工工艺过程。6.说明工程材料在机械制造过程中的地位和作用。7.完成一个课
4、程报告。项目二螺栓、螺母的选材碳素结构钢的应用1)了解并分析螺栓、螺母的工作条件。2)重点了解机械工程材料的强度、塑性等常用力学性能。3)了解金属材料内部的晶体结构特点。4)重点了解碳素结构钢的种类、牌号、性能与应用。5)学会螺栓、螺母的选材。2.1螺纹联接件服役条件分析2.2材料的力学性能强度与塑性2.3材料的晶体结构2.4金属材料的分类2.5碳素结构钢及螺纹联接件的选材1)了解并分析螺栓、螺母的工作条件。2)重点了解机械工程材料的强度、塑性等常用力学性能。3)了解金属材料内部的晶体结构特点。4)重点了解碳素结构钢的种类、牌号、性能与应用。5)学会螺栓、螺母的选材。2.1螺纹联接件服役条件分
5、析图2-1螺栓、螺母的工作状态螺纹联接件的失效分析2.2材料的力学性能强度与塑性图2-2拉伸试样与应力-应变曲线1退火低碳钢的应力-应变曲线2拉伸试样3拉断后的试样2.2材料的力学性能强度与塑性2.2.1强度1.弹性极限2.屈服强度3.抗拉强度2.2.2塑性1.断后伸长率2.断面收缩率表2-1新旧标准性能名称对照2.2材料的力学性能强度与塑性表2-1新旧标准性能名称对照2.3材料的晶体结构2.3.1材料的结合方式1.结合键图2-3金属键模型2.3材料的晶体结构2.晶体与非晶体(1)晶体几乎所有的金属、大部分陶瓷以及一些聚合物在其凝固时都要发生结晶，形成原子本身在三维空间按一定几何规律重复排列的
6、有序结构，这种结构称为晶体。(2)非晶体某些工程上常用的材料，包括玻璃、绝大多数的塑料和少数从液态快速冷却下来的金属，还包括人们所熟悉的松香、沥青等，其内部原子无规则地堆垛在一起，这种结构为非晶体。(3)晶体与非晶体的转化非晶体结构从整体上看是无序的，但在有限的小范围内观察，还具有一定的规律性，即是近程有序的；而晶体尽管从整体上看是有序的，但由于有缺陷，在很小的尺寸范围内也存在着无序性。2.3.2金属材料的晶体结构2.3材料的晶体结构1.晶体结构的基本概念图2-4简单立方晶格与晶胞示意图a)晶体中的原子排列b)晶格c)晶胞及晶格参数表示方法2.三种典型的金属晶体结构2.3材料的晶体结构图2-5
7、体心立方晶胞示意图2.3材料的晶体结构图2-6面心立方晶胞示意图3.实际金属的晶体结构2.3材料的晶体结构图2-8多晶体的晶粒与晶界示意图2.3材料的晶体结构(1)单晶体和多晶体如果一块金属晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称为单晶体。(2)晶体缺陷根据晶体缺陷存在形式的几何特点，通常将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。图2-9晶格点缺陷示意图2.3材料的晶体结构1)点缺陷。2)线缺陷。图2-10刃型位错几何模型2.3材料的晶体结构3)面缺陷。图2-11金属强度与位错密度的关系2.3材料的晶体结构图2-12面缺陷示意图a)晶界b)亚晶界2.3材料的晶体结构4.合金的晶体结构图2-13固溶体
8、结构示意图a)置换固溶体b)间隙固溶体(1)固溶体溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合2.3材料的晶体结构金相称为固溶体。(2)金属化合物金属化合物是合金元素间发生相互作用而生成的具有金属性质的一种新相，其晶格类型和性能不同于合金中的任一组成元素，一般可用分子式来表示。图2-14渗碳体的晶体结构2.4金属材料的分类2.4.1钢的分类1.我国多年来采用的分类方法 按钢的用途，可分为建筑及工程用钢、机械制造用结构钢、工具钢、特殊性能钢、专业用钢(如桥梁用钢、锅炉用钢)等。按钢的品质(有害杂质硫、磷含量)，划分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢。按钢中碳的质量分数可以不太严格地分为低碳钢(w
9、C0.25%)、中碳钢(wC=0.25%0.60%)、高碳钢(wC0.60%)。合金钢按钢中合金元素的总质量分数可分为低合金钢(wMe5%)、中合金钢(wMe510%)、高合金钢(wMe10%)。2.我国实施新的钢分类方法表2-2钢的分类2.4金属材料的分类表2-2钢的分类2.4金属材料的分类表2-2钢的分类3.钢材的分类(1)型材由碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金高强度钢轧制而成。2.4金属材料的分类(2)钢板钢板是厚度远小于长度和宽度的板状钢材。(3)钢管按生产工艺不同可分为无缝钢管和焊接钢管两类。(4)钢丝钢丝是以线材为原料，经拔制加工而成的断面细小的条状钢材。2.4.2铸铁的分类(1
10、)白口铸铁碳全部以碳化物形式存在，其断口呈亮白色。(2)灰铸铁碳主要以片状石墨形式存在，断口呈灰色。(3)可锻铸铁由一定成分的白口铸铁铸件经过较长时间的高温可锻化退火，使白口铸铁中的渗碳体大部分或全部分解成团絮状石墨。(4)球墨铸铁铁液经过球化处理后浇注，铸铁中的碳大部或全部成球状石墨形式存在，用于力学性能要求高的铸件。2.4金属材料的分类(5)蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形态存在于铸铁中，石墨形状介于片状和球状石墨之间，类似于片状石墨，但片短而厚，头部较圆，形似蠕虫。2.4.3非铁金属材料的分类(1)铝合金铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素制成的合金。(2)铜合金铜中加入Zn、Sn、N
11、i、Al、Si等元素制成的合金。2.5碳素结构钢及螺纹联接件的选材表2-3碳素结构钢的牌号、化学成分及用途表2-3碳素结构钢的牌号、化学成分及用途习题与思考题1.什么叫做应力？什么叫做应变？低碳钢拉伸应力-应变曲线可分为哪几个变形阶段？这些阶段各具有什么明显特征？2.5碳素结构钢及螺纹联接件的选材2.由拉伸试验可以得出哪些力学性能指标？在工程上这些指标是怎样定义的？3.有一d0=10.0mm，L0=50mm的低碳钢比例试样，拉伸试验时测得FeL=20.5kN，Fm=31.5kN，d1=6.25mm，LU=66mm，试确定此钢材的ReL、Rm、A、Z。4.传统的金属材料分为几大类？其中钢材和铸铁
12、又可以进一步细分为几类？5.为什么单晶体具有各向异性，而多晶体一般不显示各项异性？6.晶体缺陷有哪些？其对金属材料的力学性能有什么影响？7.合金的结构与纯金属的结构有什么不同？合金的性能为什么优于纯金属？8.试举出几个你认为是碳素结构钢制造的零件。项目三手锯锯条的选材碳素工具钢的应用1)了解并分析手锯锯条的工作条件。2)重点了解机械工程材料的硬度、韧性等常用力学性能。3)了解金属材料的结晶特点，重点掌握铁碳相图及其应用。4)重点了解金属材料热处理基础知识。5)重点了解碳素工具钢的种类、牌号、性能与应用。6)学会手锯锯条的选材。3.1手锯锯条的服役条件分析3.2材料的力学性能硬度与韧性3.3金属
13、的结晶特点与铁碳相图3.4金属材料的热处理3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材1)了解并分析手锯锯条的工作条件。2)重点了解机械工程材料的硬度、韧性等常用力学性能。3)了解金属材料的结晶特点，重点掌握铁碳相图及其应用。4)重点了解金属材料热处理基础知识。5)重点了解碳素工具钢的种类、牌号、性能与应用。6)学会手锯锯条的选材。3.1手锯锯条的服役条件分析图3-1手锯锯条的工作状态a)固定式b)可调式3.1手锯锯条的服役条件分析3.1.1手锯锯条的工作条件3.1.2手锯锯条的失效分析(1)磨损磨损是在正常使用情况下，切削工具最常见的失效形式。(2)崩刃崩刃也是锯条常见的失效形式之一。(3)断裂锯条由于
14、承受较大的冲击力或因工具自身的脆性较大有时会产生整体断裂、破碎现象。3.2材料的力学性能硬度与韧性3.2.1硬度1.布氏硬度图3-2布氏硬度试验原理示意图3.2材料的力学性能硬度与韧性表3-1布氏硬度试验规范表3-1布氏硬度试验规范2.洛氏硬度3.2材料的力学性能硬度与韧性图3-3洛氏硬度试验原理示意图表3-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围3.2材料的力学性能硬度与韧性表3-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围3.维氏硬度和显微硬度3.2材料的力学性能硬度与韧性图3-4维氏硬度试验原理示意图3.2材料的力学性能硬度与韧性3.2.2冲击韧度图3-5冲击试验原理图3.3金属的结晶特点与
15、铁碳相图3.3.1金属的结晶特点图3-6纯金属的冷却曲线3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-7金属的结晶过程3.3.2铁碳合金相图3.3金属的结晶特点与铁碳相图1.铁碳合金的基本组元与基本相(1)纯铁的同素异构转变图3-8纯铁的冷却曲线及晶体结构变化3.3金属的结晶特点与铁碳相图(2)铁碳合金的基本相及其性能在液态下，铁和碳可以互溶成均匀的液体。1)液相。2)铁素体。图3-9铁素体显微组织3.3金属的结晶特点与铁碳相图3)奥氏体。4)渗碳体。2.Fe-Fe3C相图分析图3-10Fe-FC相图3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-11简化后的Fe-FC相图(1)主要特性点3.3金属的结晶特点与铁碳
16、相图1)A点和D点：A点是铁的熔点(1538)；D点是渗碳体的熔点(1227)。2)G点：G点是铁的同素异构转变点，温度为912。3)E点和P点：E点是碳在-Fe中的最大溶解度点，wC=2.11，温度为1148；P点是碳在-Fe中的最大溶解度点，wC=0.0218，温度为727。4)Q点：Q点是室温下碳在-Fe中的溶解度，wC=0.0008。5)C点：C点为共晶点，液相在1148同时结晶出奥氏体和渗碳体。6)S点：S点为共析点，奥氏体在727同时析出铁素体和渗碳体。(2)主要特性线3.3金属的结晶特点与铁碳相图1)ACD线和AECF线：ACD线是液相线，该线以上为完全液相；AECF线是固相线，
17、该线以下是完全固相。2)ECF线：ECF线是共晶线(1148)，相图中，凡是wC=2.116.69的铁碳合金都要发生共晶转变。3)PSK线：PSK线是共析线(727)，相图中，凡是wC=0.02186.69的铁碳合金都要发生共析转变。4)GS线：GS线是冷却时奥氏体开始析出铁素体，或加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线。5)ES线：ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。6)PQ线：PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。(3)相区1)单相区：简化的Fe-Fe3C相图中有F、A、L和 Fe3C四个单相区。3.3金属的结晶特点与铁碳相图2)两相区：简化的Fe-Fe3C相图中有五个两相区，即L+A两相区、L
18、+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相区和F+Fe3C两相区。3.典型合金的结晶过程及组织1)工业纯铁(wC0.0218)。2)钢(0.0218wC2.11)。3)白口铸铁(2.11wC6.69)。1)共析钢的结晶过程分析。图3-12共析钢结晶过程组织转变示意图3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-13共析钢的显微组织2)亚共析钢的结晶过程分析。3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-140.5%的亚共析钢结晶过程组织转变示意图3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-15亚共析钢的显微组织3)过共析钢的结晶过程分析。3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-16过共析钢结晶过程组织转变示意图图3-1
19、7过共析钢的显微组织3.3金属的结晶特点与铁碳相图4)白口铸铁的结晶过程分析。图3-18共晶白口铸铁结晶过程组织转变示意图3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-19共晶白口铸铁的显微组织3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-20亚共晶白口铸铁显微组织3.3金属的结晶特点与铁碳相图图3-21过共晶白口铸铁的显微组织4.碳的质量分数与铁碳合金组织及性能的关系3.3金属的结晶特点与铁碳相图(1)铁碳合金中碳的质量分数与组织的关系根据对铁碳合金结晶过程中组织转变的分析，我们已经了解了在不同碳的质量分数情况下铁碳合金的组织构成。图3-22室温下铁碳合金中碳的质量分数与相和组织的关系3.3金属的结晶特点与铁碳
20、相图(2)铁碳合金中碳的质量分数与力学性能的关系在铁碳合金中，碳的质量分数和存在形式对合金的力学性能有直接的影响。图3-23碳的质量分数对缓冷钢力学性能的影响3.3金属的结晶特点与铁碳相图5.铁碳合金相图的应用(1)在选材方面的应用铁碳相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。图3-24铁碳相图与铸锻工艺的关系3.3金属的结晶特点与铁碳相图(2)在铸造方面的应用由相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。(3)在压力加工方面的应用奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。(4)在焊接方面的应用焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，由Fe-Fe3C相图可知
21、，受不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能会出现不同的组织与性能。3.4金属材料的热处理图3-25钢的热处理工艺曲线(1)钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序。3.4金属材料的热处理图3-26加热和冷却时Fe-FC相图上各相变点的位置3.4金属材料的热处理图3-27共析钢中奥氏体形成过程示意图(2)钢在冷却时的转变钢经加热奥氏体化后，可以通过采用不同的冷却条件，获得需要的组织和性能。表3-345钢经840加热后，不同条件冷却后的力学性能3.4金属材料的热处理表3-345钢经840加热后，不同条件冷却后的力学性能3.4金属材料的热处理图3-28两种冷却方式示意图1)珠光体型转变：珠光体转变发
22、生在A1550温度范围内。3.4金属材料的热处理表3-4珠光体型组织的形成温度和硬度表3-4珠光体型组织的形成温度和硬度2)贝氏体型转变：贝氏体转变发生在550Ms温度范围内。3.4金属材料的热处理图3-29下贝氏体组织a)金相显微组织b)示意图3.4金属材料的热处理3)马氏体转变：当奥氏体被迅速过冷至马氏体点Ms以下时则发生马氏体转变。图3-30板条状马氏体的组织a)金相显微组织b)示意图3.4金属材料的热处理图3-31片状马氏体的组织a)金相显微组织b)示意图(3)钢的普通热处理钢的最基本的热处理工艺有退火、正火、淬3.4金属材料的热处理火和回火等。1)钢的退火。完全退火与等温退火：完全退
23、火是把钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间，随炉冷至600以下，出炉空冷。完全退火可获得接近平衡状态的组织，主要用于亚共析钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构。完全退火目的在于细化晶粒，消除过热组织，降低硬度和改善切削加工性能。过共析钢不宜采用完全退火，以避免二次渗碳体以网状形式沿奥氏体晶界析出，给切削加工和以后的热处理带来不利影响。3.4金属材料的热处理 球化退火：球化退火是将钢加热到Ac1以上2040，充分保温后，随炉冷却到600以下出炉空冷。球化退火主要用于过共析钢。其目的是使钢中的渗碳体球状化，以降低钢的硬度，改善切削加工性，并为以后的热处理工序做好组织准备。若钢的原始组织中有严重的渗
24、碳体网，则在球化退火前应进行正火消除，以保证球化退火效果。去应力退火：去应力退火又称低温退火，是将钢加热到Ac1以下某一温度(一般约为500600)，保温一定时间，然后随炉冷却。去应力退火过程中不发生组织的转变，目的是为了消除铸、锻、焊件和冲压件的残余应力。2)钢的正火。3.4金属材料的热处理 对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。对低、中碳钢可用正火作为预备热处理，以调整硬度，改善切削加工性。对过共析钢，正火可抑制渗碳体网的形成，为球化退火做好组织准备。图3-32碳钢的各种退火、正火加热温度范围及工艺曲线a)加热温度规范b)工艺曲线3.4金属材料的
25、热处理3)钢的淬火。图3-33碳钢淬火加热温度范围3.4金属材料的热处理 淬火加热温度。钢的淬火加热温度主要根据其相变点来确定。图3-33为碳钢的淬火加热温度范围。常用淬火冷却方法。理想的冷却应是既保证工件淬火后得到马氏体(一般需要较快的冷速)，又要保证淬火质量，减小淬火应力和变形与开裂的倾向(冷速慢些有利)，这样采用适宜的淬火介质和适当的淬火方法就很重要。常用的冷却介质有水、盐或碱的水溶液和油等。常用的淬火方法有以下几种：3.4金属材料的热处理 钢的淬透性。钢的淬透性是钢在淬火冷却时，获得马氏体组织深度的能力，是钢的一种重要的热处理工艺性能，其高低以钢在规定的标准淬火条件下能够获得的有效淬硬
26、深度来表示。用不同钢种制造的相同形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，有效淬硬深度深的钢淬透性好。钢的淬透性是机械设计制造过程中，合理选材和正确制定热处理工艺的重要依据。图3-34淬硬层深度和的力学性能的关系(阴影部分表示淬透层)3.4金属材料的热处理4)钢的回火。低温回火(150250)。回火后的组织是回火马氏体。它基本保持马氏体的高硬度和耐磨性，钢的内应力和脆性有所降低。低温回火主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件。中温回火(350500)。回火后的主要组织为回火托氏体，具有较高的弹性极限和屈服强度，具有一定的韧性和硬度。中温回火主要用于各种弹簧和模具等。高温回火(500650)。
27、回火后的组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。高温回火广泛用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构零件，如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。通常将淬火和高温回火相结合的热处理称为调质处理。3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材3.5.1碳素工具钢表3-5碳素工具钢的牌号、成分、硬度和用途3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材表3-5碳素工具钢的牌号、成分、硬度和用途3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材表3-5碳素工具钢的牌号、成分、硬度和用途3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材3.5.2碳素工具钢的热处理1.碳素工具钢的退火2.碳素工具钢的淬火和回火3.手锯锯条的热处理表3-6高碳钢手
28、用锯条的热处理规范表3-6高碳钢手用锯条的热处理规范习题与思考题1.在生产中，冲击试验有何重要作用?什么叫韧脆转变温度?2.强化金属材料的基本途径有哪几条？强化方法与金属的晶体结构、显微组织有什么联系？3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材3.说明铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等基本组织的显微特征及其性能，分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。4.默画简化的Fe-Fe3C相图，说明图中主要点、线的意义，填出各相区的相和组织组成物。5.对应简化的Fe-Fe3C相图绘出碳的质量分数分别为0.45%、0.77%、1.2%三种钢的冷却曲线、组织示意图，并指出组织与
29、性能的关系。6.根据Fe-Fe3C相图，解释下列现象：1)在室温下wC=0.8%的碳钢比wC=0.4%碳钢硬度高，比wC=1.2%的碳钢强度高。2)钢铆钉一般用低碳钢制造。3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材3)绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝)，而起重机吊重物时都用钢丝绳(用60钢、65钢等制成)。4)在1100时，wC=0.4%的钢能进行锻造，而wC=4.0%的铸铁不能进行锻造。5)钳工锯削T8、T10、T12等退火钢料(wC分别为0.8%、1.0%、1.2%)比锯削10、20钢(wC分别为0.1%、0.2%)费力且锯条易磨钝。6)钢适宜压力加工成型，而铸铁适宜铸造成形。7.指出Ac1、Ac3
30、和Accm各相变点的意义，简述共析钢奥氏体形成的主要特点。8.试归纳共析钢过冷奥氏体在A1温度以下不同温度发生转变的产物和性能。9.试述马氏体转变的特点。3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材10.将45钢(wC=0.45%)和T8钢(wC=0.8%)分别加热到600、760、840，然后在水中冷却，试说明各获得什么组织？性能(硬度)如何变化？11.正火和退火的主要区别是什么?生产中应如何选择正火和退火?12.指出下列零件正火的主要目的和正火后的组织。20钢齿轮；45钢小轴；T12钢锉刀。13.简述各种淬火方法及其适用范围。14.为什么淬火钢回火后的性能主要取决于回火温度，而不是冷却速度？15.试分
31、析以下几种说法是否正确？为什么？3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高；共析钢奥氏体化后，冷却形成的组织主要取决于加热温度；同一种钢材在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好；钢中合金元素含量越多，淬火后硬度越高。16.指出下列工件的淬火和回火温度，并说明回火后得到的组织和大致硬度。45钢小轴(要求综合力学性能好)；60钢弹簧；T12钢锉刀。17.用T10钢制造形状简单的车刀和用45钢制造较重要的螺栓，工艺路线均为：锻造热处理机加工热处理精加工，对两种工件：说明预备热处理的工艺方法及其作用；制定最终热处理工艺规范(温度、冷却介质)，并指
32、出最终热处理后的显微组织及大致硬度。3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材18.现有20钢和40钢制造的齿轮各一个，为提高齿面的硬度和耐磨性，宜采用何种热处理工艺？热处理后两者在组织和性能上有何不同？19.甲、乙两厂同时生产一种45钢零件，硬度要求为220250HBW。20.为什么工件淬火容易产生变形，甚至开裂？减少淬火变形和防止开裂有哪些措施？项目四车床主轴的选材优质碳素结构钢的应用1)了解并分析车床主轴的工作条件。2)了解材料疲劳强度的有关知识。3)了解钢的表面热处理和热处理新技术，掌握热处理工艺的应用。4)了解材料表面处理的基础知识。5)重点了解优质碳素结构钢的种类、牌号、性能与应用。6)学会
33、车床主轴的选材。4.1车床主轴的服役条件分析4.2材料的力学性能疲劳极限4.3钢的表面热处理和热处理新技术4.4热处理工艺的应用优质碳素结构钢的应用4.5工程材料的表面处理4.6优质碳素结构钢及车床主轴的选材1)了解并分析车床主轴的工作条件。2)了解材料疲劳强度的有关知识。3)了解钢的表面热处理和热处理新技术，掌握热处理工艺的应用。4)了解材料表面处理的基础知识。5)重点了解优质碳素结构钢的种类、牌号、性能与应用。6)学会车床主轴的选材。4.1车床主轴的服役条件分析4.1.1机床主轴的工作条件图4-1C6140卧式车床1主轴箱2刀架部件3尾座4床身5、7床脚6溜板箱8进给箱4.1车床主轴的服役
34、条件分析图4-2车床主轴简图1.承受摩擦与磨损4.1车床主轴的服役条件分析2.承受多种载荷4.1.2车床主轴的失效分析4.2材料的力学性能疲劳极限图4-3疲劳曲线示意图4.3钢的表面热处理和热处理新技术4.3.1钢的表面热处理图4-5感应加热表面淬火示意图4.3钢的表面热处理和热处理新技术1.表面淬火2.化学热处理图4-6气体渗碳示意图4.3钢的表面热处理和热处理新技术4.3.2热处理新技术简介1.可控气氛热处理2.真空热处理3.形变热处理4.激光热处理和电子束淬火4.4热处理工艺的应用1.热处理的技术条件0400.eps4.4热处理工艺的应用表4-1热处理工艺分类及代号(GB/T126032
35、005)2.热处理工序位置的确定4.4热处理工艺的应用(1)确定热处理工序位置的实例车床主轴是传递力的重要零件，它承受一般载荷，轴颈处要求耐磨。(2)热处理工序位置确定的一般规律预备热处理包括退火、正火、调质等。3.常见热处理缺陷及其预防(1)钢在加热时出现的缺陷1)欠热：又称加热不足。2)过热：加热温度偏高而使奥氏体晶粒粗大，淬火后得到粗大的马氏体，导致零件性能变脆。3)过烧：加热温度过高，使钢的晶界氧化或局部熔化，致使零件报废。4.4热处理工艺的应用4)氧化：钢的表面在氧化性介质中加热时与氧原子形成氧化铁的现象叫氧化。5)脱碳：钢表层的碳被氧化而导致表层的碳的质量分数降低的现象叫脱碳。(2
36、)钢在淬火时出现的缺陷1)淬火变形：淬火变形是零件在淬火时由于热应力与组织应力的综合作用引起的尺寸和形状的偏差。2)淬火裂纹：淬火裂纹的产生原因主要为冷却速度过快，另外零件结构设计不合理等因素也会引起此类缺陷。4.热处理零件结构的工艺性4.4热处理工艺的应用图4-7零件结构设计改进示意图4.5工程材料的表面处理4.5.1表面处理概述1)提高材料在腐蚀性介质中的耐蚀性或抗高温氧化性能。2)提高工件耐磨、减摩、润滑及抗疲劳性能。3)防止金属材料及其制品在生产、储运和使用过程中发生锈蚀。4)根据需要赋予材料及其制品表面各种特殊的功能，如绝缘、导电、反光、光的选择吸收、电磁性、焊接性、可胶接性等及制造
37、特殊新型表面材料及复层金属板材。5)赋予金属或非金属制品表面光泽、色彩、图纹等优美外观。6)修复磨损或腐蚀损坏的工件，挽救加工超差的产品。1.表面强化处理4.5工程材料的表面处理(1)表面覆盖层强化法在材料表面获得特殊性能的覆盖层(如气相沉积层、镀覆层、热喷涂层等)，以达到提高强度、耐磨、耐蚀、耐疲劳等目的的工艺方法。(2)表面形变强化法表面通过喷丸、滚压、挤压等产生形变强化层，从而获得较高的疲劳强度的工艺方法。(3)表面热处理强化法通过化学热处理(如渗碳、氮、硼及铬等金属或非金属元素)、表面淬火(感应加热、火焰加热、激光、电子束淬火)等方法使表面强化。(4)表面复合处理强化法将两种以上的表面
38、强化工艺复合用于同一工件上，在性能上可以发挥各自优点的处理方法。2.表面防腐与保护处理3.表面装饰加工4.5工程材料的表面处理4.5.2气相沉积1.化学气相沉积图4-8CVD装置示意图1进气系统2反应器3工件4加热炉体5加热炉丝6加热炉电源及测量仪表7卡具8排气管9机械泵10废气处理系统2.物理气相沉积4.5工程材料的表面处理图4-9真空蒸镀原理示意图表4-2TiC、TiN镀层应用实例及效果4.5工程材料的表面处理表4-2TiC、TiN镀层应用实例及效果4.5.3化学转化膜技术1.钢铁发蓝处理2.铝及铝合金的发蓝处理3.钢铁的磷化处理4.5.4电镀和化学镀(1)防护性镀层主要是防止金属在大气以
39、及其他环境下的腐蚀，如钢铁工件镀锌、镀铬、镀锌镍耐蚀合金等。4.5工程材料的表面处理(2)修复性镀层增大零件尺寸或覆盖耐磨性镀层，如镀铬、镀铜、镀铁等。(3)装饰性镀层使基体金属既能防止腐蚀又有美观装饰的镀层，如镀铬、镀金、镀银、镀镍、镀黄铜(仿金)等合金以及镀层组合等。(4)特殊用途镀层如耐磨镀层(硬铬镀层)、防止局部渗碳镀层(镀铜)、电气特性的镀层(镀银、铜、锡)等。4.5.5涂料和涂装工艺1.涂料2.涂装工艺4.6优质碳素结构钢及车床主轴的选材4.6.1优质碳素结构钢表4-3优质碳素结构钢的用途举例表4-3优质碳素结构钢的用途举例4.6优质碳素结构钢及车床主轴的选材表4-3优质碳素结构钢
40、的用途举例4.6优质碳素结构钢及车床主轴的选材表4-3优质碳素结构钢的用途举例4.6优质碳素结构钢及车床主轴的选材4.6.2车床主轴的选材和热处理习题与思考题1.什么叫疲劳极限?为什么表面强化处理能有效地提高疲劳极限?2.渗碳后的零件为什么必须淬火和回火？淬火、回火后表层和心部性能有何不同？为什么？3.指出材料表面处理方法分类及主要目的。4.比较CVD和PVD两种气相沉积方法。5.比较钢铁的发蓝与磷化工艺。6.指出生活中常见的建筑设施、家具、电器、工具等所采用的表面处理技术。7.试指出几个你认为应是优质碳素结构钢制造的零件。项目五汽车车架的选材低合金钢的应用1)了解并分析汽车车架的工作条件。2
41、)重点了解合金元素在钢中的作用。3)了解合金钢的钢号表示方法。4)重点了解低合金钢的种类、牌号、性能与应用。5)学会汽车车架的选材。5.1汽车车架的服役条件分析5.2合金元素在钢中的作用5.3合金钢及其钢号的表示方法5.4汽车车架的选材与低合金钢1)了解并分析汽车车架的工作条件。2)重点了解合金元素在钢中的作用。3)了解合金钢的钢号表示方法。4)重点了解低合金钢的种类、牌号、性能与应用。5)学会汽车车架的选材。5.1汽车车架的服役条件分析1.车架的工作条件图5-1汽车车架示意图2.车架的失效分析5.2合金元素在钢中的作用1.合金元素对钢基本相的影响图5-2合金元素对铁素体力学性能的影响a)对硬
42、度的影响b)对韧性的影响2.合金元素对FeFe3C相图的影响5.2合金元素在钢中的作用(1)合金元素对奥氏体相区的影响Ni、Mn等合金元素使单相奥氏体区扩大，即使A1线、A3线下降。(2)合金元素对S、E点的影响合金元素都使FeFe3C相图的S点和E点向左移，即使钢的共析含碳量和奥氏体对碳的最大固溶度降低。3.合金元素对钢热处理的影响(1)对加热时奥氏体化及奥氏体晶粒长大的影响合金钢的奥氏体形成过程基本上与非合金钢相同，但合金钢的奥氏体化比非合金钢需要的温度更高，保温时间更长。(2)对冷却时过冷奥氏体转变的影响除Co外，大多数合金元素(如Cr、Ni、Mn、Si、Mo、B等)溶于奥氏体后都使钢的
43、过冷奥氏体的稳定性提高，从而使钢的淬透性提高。5.2合金元素在钢中的作用图5-3=0.35%Mo钢的回火温度与硬度关系曲线5.2合金元素在钢中的作用(3)对回火转变的影响由于淬火时溶入马氏体的合金元素阻碍马氏体的分解，所以合金钢回火到相同的硬度，需要比非合金钢更高的加热温度，这说明合金元素提高了钢的耐回火性。5.3合金钢及其钢号的表示方法(1)合金结构钢例如60Si2Mn，表示平均wC=0.6%、wSi1.5%、wMn1.5%的合金结构钢；09Mn2表示平均wC=0.09%、wMn1.5%的合金结构钢。(2)合金工具钢当平均wC1.0%时，如前所述，牌号前以千分数(一位数)表示；当wC1%时，
44、为了避免与结构钢相混淆，牌号前不标数字。(3)特殊性能钢的牌号表示法与合金工具钢基本相同，只是当wC0.08%及wC0.03%时，在牌号前面分别冠以“0”及“00”，例如0Cr19Ni9，0Cr13Al等。5.4汽车车架的选材与低合金钢1.低合金高强度结构钢表5-1新旧低合金高强度钢标准牌号对照及用途举例表5-1新旧低合金高强度钢标准牌号对照及用途举例2.低合金专业用钢习题与思考题1.碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢各自有何性能特点？非合金钢共同的性能不足是什么？5.4汽车车架的选材与低合金钢2.指出下列元素哪些是强碳化物形成元素，哪些是弱碳化物形成元素，哪些是非碳化物形成元素?它们对奥
45、氏体的形成及晶粒长大起何作用?对钢的热处理有何影响?3.合金元素提高钢的耐回火性，使钢在使用性能方面有何益处?4.试举出几个你认为是低合金钢制造的构件。项目六汽车齿轮的选材合金结构钢的应用1)了解并分析汽车齿轮的工作条件。2)重点了解机械结构用合金钢的种类、牌号、性能与应用。3)学会汽车齿轮的选材和工艺分析。6.1汽车齿轮服役条件分析6.2机械结构用合金钢6.3汽车齿轮的选材和热处理1)了解并分析汽车齿轮的工作条件。2)重点了解机械结构用合金钢的种类、牌号、性能与应用。3)学会汽车齿轮的选材和工艺分析。6.1汽车齿轮服役条件分析6.1.1齿轮的工作条件图6-1齿轮的工作状态示意图a)圆柱齿轮b
46、)锥齿轮c)蜗轮蜗杆6.1.2齿轮的失效分析1.啮合齿面间的摩擦力及齿面磨损2.啮合齿面的接触应力及接触疲劳6.1汽车齿轮服役条件分析(1)表面麻点麻点的形成与金属表面的塑性变形相关，而且由于摩擦力的存在，疲劳裂纹大多在表面萌生，裂纹的扩展则是润滑油挤入的结果。(2)浅层剥落当接触表面下某一点其最大切应力大于材料的抗剪强度时，就可能产生疲劳裂纹，最后经扩展引起层状剥落。(3)深层剥落经表面硬化处理的齿轮，在硬化层与心部交界处往往是薄弱环节，当接触载荷在层下交界处形成的最大切应力与材料的抗剪强度达到某一界限值之后，就可能形成疲劳裂纹，经扩展最后导致较深的硬化层剥落。3.齿轮的弯曲应力及弯曲疲劳6
47、.2机械结构用合金钢1.合金渗碳钢(1)用途与性能特点合金渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的合金钢。(2)常用钢种及热处理特点20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于制造汽车拖拉机的变速齿轮、轴等零件。表6-1常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能与用途表6-1常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能与用途6.2机械结构用合金钢表6-1常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能与用途2.合金调质钢(1)用途与性能特点合金调质钢是指经调质后使用的钢。(2)常用钢种及热处理特点最典型的钢种是40Cr，用于制造一般尺寸的重要零件。表6-2常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途6.2机械
48、结构用合金钢表6-2常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途6.2机械结构用合金钢表6-2常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途6.2机械结构用合金钢表6-2常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途6.2机械结构用合金钢3.合金弹簧钢(1)用途与性能特点合金弹簧钢是专用结构钢，主要用于制造弹簧等弹性元件。(2)常用钢种及热处理特点60Si2Mn是典型的合金弹簧钢。表6-3常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能与用途表6-3常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能与用途4.滚动轴承钢6.2机械结构用合金钢(1)用途与性能特点滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承的内、外套圈以及滚动体，此外还
49、可用于制造某些工具，例如模具、量具等。(2)常用钢种及热处理特点我国目前以铬轴承钢应用最广。表6-4常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途表6-4常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途6.3汽车齿轮的选材和热处理6.3.1渗碳钢的合金化1.使钢具有适当的含碳量2.提高淬透性3.渗层碳含量、深度和表层硬度4.减少钢的过热敏感性，细化晶粒5.渗层中的表面氧化6.过载抗力6.3.2汽车齿轮热处理(1)淬透性淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。(2)变形开裂倾向齿轮在淬火时因加热或冷却速度太快，加热或冷却不均匀都可能造成工件变形甚至开裂。(3)淬硬性淬硬性主要取决于钢中的含碳量。6.
50、3汽车齿轮的选材和热处理习题与思考题1.说明下列钢中合金元素的作用：2.为什么合金渗碳钢一般采用低碳，合金调质钢采用中碳？3.指出下列每个牌号钢的类别、碳的质量分数、热处理工艺和主要用途：4.为什么汽车变速齿轮常采用20CrMnTi钢制造,而机床上同样是变速齿轮却采用45钢或40Cr钢制造?5.试为下列机械零件或用品选择适用的钢种及牌号：6.试举出几个你认为应是合金结构钢制造的零件。项目七车刀的选材合金工具钢的应用1)了解并分析车刀的工作条件。2)重点了解合金工具钢的种类、牌号、性能与应用。3)学会车刀的选材。7.1车刀的服役条件分析7.2合金工具钢和高速工具钢7.3车刀的选材和热处理1)了解
