1

机械学基础课程电子教案

机械学基础多媒体系列 CAI 课件

授课教师：马惠萍授课教师：马惠萍

联系方式：联系方式： 8641312086413120

EmailEmail ：： mhp@hit.edu.cnmhp@hit.edu.cn

哈工大电气工程及自动化学院哈工大电气工程及自动化学院

自动化测试与控制系自动化测试与控制系

2

第 5 章 机械工程常用材料及其工程性能5.1 概述

材料

金属材料 :

无机非金属材料－陶瓷

有机材料－塑料，橡胶，合成纤维非金属材料 :

黑色金属材料－铁基金属合金

有色金属材料－铜、铝、镁

零部件机构设计（材料、热处理、形状、尺寸）定原理方案后

保证零部件的工作能力依据

3

5.2 金属材料的机械性能

机械性能

强度

刚度

塑性

材料抵抗塑性变形和断裂的能力

材料抵抗弹性变形的能力

在外力作用下金属产生塑性变形而不产生断裂的能力

硬度 材料抵抗局部塑性变形能力的性能指标－－硬度保证强度、耐磨性和寿命

金属的疲劳 当应力的周期循环次数增加到某一数值 N后，材料也会产生断裂

线膨胀系数 α 0l la t t

4

延伸率 : 试件拉断后单位长度内产生残余伸长的百分数；

%1000

01

l

ll延伸率：

收缩率 : 试件拉断后横截面积相对收缩的百分数；

%1000

01

A

AA收缩率：

5

5.3 常用的工程材料

黑色金属

铸铁 : 含碳量大于 2.06 ％的铁碳合金；制作底座、支架、工作台

合金钢 : 为改善钢的性能，在钢中加入一种或数种合金元素的钢－铬、锰、镍、硅、铝、钨

碳素钢 :

（含碳量 0.04%-1.7 ％的铁碳合金称为钢）

普通碳素结构钢－ Q255 、 Q275 、 Q235A 制造强度要求高的零件－连杆、轴优质碳素结构钢－钢号 10 、 15 、 20 、 85 －一般零部件应用（ 0.01％）碳素工具钢－ T8 、 T12A （高级优质碳素工具刚）－一般零部件应用（ 0.1％）－高硬度和耐磨性

6

铸铁分类

白口铸铁：碳以 Fe3O 存在，断口呈白亮色－硬度高、脆性大

灰口铸铁：碳以片状石墨存在，断口呈暗灰色－良好的工艺性能和机械性能－ HT100

可锻铸铁 : 石墨呈团絮状存在，白口铸铁经退火后获得－塑性和韧性好

球墨铸铁 : 石墨呈球状存在－强度高、铸造性好— QT400-17

铸铁特点：含碳量为 2.5 ％－ 4 ％的铁碳合金，杂质（硅、锰、琉、磷）含量比钢多，具有良好的铸造性、耐磨性和切削加工性，生产简单、价格便宜；

蠕墨铸铁 : 石墨呈蠕虫状存在；

7

碳素钢分类

按含碳量分 :

低碳钢（含碳 <0.25 ％）

中碳钢（含碳 0.25 ％－ 0.6 ％）

高碳钢（含碳 >0.6 ％）

普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢

按钢的质量分 :（有害杂质 S 、 P 含量）

按用途分 :

碳素结构钢 : （用于工程构件和零件－齿轮、轴、杆－是低碳钢和中碳钢）

碳素工具钢 : （用于制造刀具、模具、量具－是高碳钢）

8

合金钢分类

合金结构钢：

刃具钢量具钢模具钢

合金工具钢

特殊功能钢 :

低合金机构钢

机械制造用钢

不锈钢

耐热钢耐磨钢

铸钢 :

合金钢优点：加入合金元素可使钢获得一般碳素钢达不到的性能 (如硬度、强度、塑性和韧性等 ) ；提高耐磨、防腐、防酸性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等；

9

有色金属

形状记忆合金 在宇航、电子、医疗等方面应用

铜及铜合金

不宜制造结构零件，常制作电元件和耐磨件，价格贵 ;T1,T2

纯铜

铜与锌合金， H80 、 H59 ( 铜含量 ) 、 HPb59-1 、 HMn58-2 （特殊）

黄铜

铜与锡铅等元素的合金－锡青铜（铜锡合金）－无锡青铜（含铝铍锰等元素）

青铜

铝及铝合金

铸铝合金变形铝合金超硬铝合金

工业纯铝： L1 （纯度最高）、 L2 、…、 L7

10

非金属材料

工程塑料

陶瓷材料

密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易加工；

硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀

人工合成矿物

宝石

石英

橡 胶 耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；

11

5.4 金属材料的热处理与表面精饰钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。

铸造、锻造或焊接

晶粒粗大、加工硬化、内应力较大

零件毛坯 加工方法

存在缺陷

解决热处理

钢的热处理：改善钢的加工工艺性能；提高钢的机械性能；增加寿命和耐磨性 ;

12

热处理

普通热处理

表面热处理

退火正火

淬火

回火

表面淬火

化学热处理

火焰加热

感应加热渗碳氮化

氰化

13

普通热处理

退火将钢加热稍高于临界温度－保持一定时间－缓慢冷却；目的：软化钢件，以利于切削，细化晶粒，改善组织以提高化学性能；消除残余应力，以防止变形、干裂；

正火

淬火

回火

将钢加热稍高于临界温度－保持一定时间－在空气中冷却；目的：强度硬度比退火后高；利于切削加工将钢加热高于临界温度－保温－在水或油中迅速冷却；目的：提高零件硬度和耐磨性；将淬火后零件－重新加热低于临界温度－保温－在水或油中迅速冷却；目的：消除淬火时冷却过快产生的内应力；是淬火后必须程序；

14

5.4 金属材料的热处理与表面精饰

表面热处理

表面淬火

化学热处理

快速加热－－迅速冷却目的：使表面变硬；内部塑性和韧性较好；－－齿轮、蜗杆、丝杆、轴颈；将工件在一定介质中加热和保温－使介质中活性原子渗入表层－改变表层化学成分和组织－使具有特殊的力学或物理化学性能；渗碳；氮化；氰化

金属零件的表面精饰

电镀

化学处理

涂漆

目的：在金属表面加覆盖层，以达到防腐、改善性能和装饰作用；

15

5.5 机械零件材料的选择选择零件材料的总原则：在满足零部件使用性能的前提下，同时兼顾材料的加工工艺性和经济型。

使用性能：

物理性能：电、磁、热等；

化学性能：表面氧化、电化学腐蚀等；力学性能：强度、塑性、硬度、韧性等－－主要指标

分析零件的工作条件（受力、振动、冲击、摩擦等）

分析失效形式（变形、表面损伤、磨损、断裂）

结合力学计算确定零件应具有的力学性能指标选择材料

生产

定热处理方法

16

工艺性能：

铸造性：

可锻性：焊接性：切削加工性：热处理工艺性：

17

习题：1. 高碳钢、中碳钢、低碳钢是怎样划分的？

2. 下列牌号表示什么铸铁？牌号中的数字表示什么含义？ HT250 QT700-2 HT100 QT500-7

3. 下列牌号表示什么材料？牌号中的数字表示什么含义？ H82 HMn58-1 Q235A 20Mn

4. 下列牌号表示什么材料？ L1 ZQAL9-4

5. 制作锉刀用 T13 钢还是 30 钢？

6. 制作齿轮用 45 钢还是 Q235A？7. 铸铁有何优点？