機(jī)械工程概論課件

機(jī)械工程概論課件第一頁，共38頁。黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料低碳鋼

(08F)中碳鋼

(45)高碳鋼(60)合金鋼

(1Cr18）…灰鑄鐵

(HT300)

球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金

(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)高分子材料復(fù)合材料陶瓷非金屬材料---塑料、橡膠、合成纖維。---強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。--強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕。第二頁，共38頁。鋁合金鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號(hào)，以供使用者選用。

鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點(diǎn)，但機(jī)械性能明顯提高。鋁合金材料的應(yīng)用有以下三個(gè)方面：一是作為受力構(gòu)件；二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料；三是作為裝飾和絕熱材料。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進(jìn)行著色的特點(diǎn)，制成各種裝飾品。鋁合金板材、型材表面可以進(jìn)行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。

第三頁，共38頁。鋁合金飛行器中應(yīng)用較早、使用最廣的有色輕金屬結(jié)構(gòu)材料。常用鋁材有板、棒、管、絲、箔、擠壓件、鍛件和鑄件。1903年萊特兄弟飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和機(jī)匣已采用鑄造鋁合金。1906年德國A.維爾姆研制出變形鋁合金，取名杜拉鋁。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列鋁－銅－鎂系合金，在中國統(tǒng)稱為硬鋁。德國H.瑞斯尼爾用杜拉鋁設(shè)計(jì)和制造出第一架全金屬結(jié)構(gòu)的單翼機(jī)。

1937年日本五十嵐.勇研制出強(qiáng)度更高的變形鋁合金,取名ESD。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鋁－鋅－鎂－銅系合金，在中國統(tǒng)稱為超硬鋁。ESD合金曾被用作日本零式戰(zhàn)斗機(jī)的翼梁材料。硬鋁和超硬鋁是航空器和航天器中用量最大的兩類鋁合金。

各種飛機(jī)都以鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)材料。飛機(jī)上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造。

第四頁，共38頁。橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。

塑料--塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

陶瓷材料

典型的電和熱的絕緣體且比金屬和高分子材料更耐高溫和腐蝕性環(huán)境。陶瓷材料塑性變形能力差，其機(jī)械性質(zhì)大多質(zhì)硬耐壓，但十分脆，因此大大限制其工業(yè)上的應(yīng)用范圍。陶瓷材料是金屬和非金屬元素間的化合物。常見陶瓷材料大多是由粘土礦物、水泥和玻璃所組成的陶瓷。第五頁，共38頁。非金屬材料的產(chǎn)品第六頁，共38頁。三、材料科學(xué)與機(jī)械工程材料與機(jī)械制造：“改形”和“改性”工藝材料科技的四大方向?qū)扔胁牧霞右詳U(kuò)展應(yīng)用層面，配合機(jī)械、化工、電機(jī)等需求，針對(duì)新的應(yīng)用，設(shè)計(jì)、制造新材料。材料與產(chǎn)品質(zhì)量：是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證材料與機(jī)械設(shè)計(jì)：正確選擇材料及其加工工藝材料制造運(yùn)用熔煉，鑄造、鍛造，熱處理，粉末冶金等方法把材料制成可用的狀態(tài)。材料鑒定鑒定材料的性質(zhì)及其顯微鏡組織，以確保材料的品質(zhì)。基本研究研究從原子排列到整塊材料的各種相關(guān)現(xiàn)象，以明了影響材料性質(zhì)的根本原因。材料應(yīng)用第七頁，共38頁。(4)塑性加工變形能力佳，富延性及展性金屬材料(Metal)

常見的金屬有鐵、銅、鋅、鉛、鋁、錫、鎂、鉻、鈷、鎳、鉬、鈦、鎢、金、銀等。

合金常指兩種以上的金屬或金屬與非金屬結(jié)合而成且具有金屬特性之材料。特性：理論上，凡是把含碳量小于2%，含雜質(zhì)比較少的鐵碳合金稱為鋼。鋼及其特性含碳量超過2%，稱為生鐵；含碳量小于0.08%，稱為工業(yè)純鐵。(1)固體狀態(tài)下具結(jié)晶結(jié)構(gòu)(2)具有獨(dú)特的金屬光澤且不透明(3)電與熱之良導(dǎo)體第八頁，共38頁。晶體和非晶體晶體的原子是按一定的幾何形狀作有規(guī)律的排列，如金剛石、金屬與合金、石墨等，有固定的熔點(diǎn)，各向異性。非晶體的原子是無規(guī)則雜亂地堆積的，如松香、玻璃、瀝青等，沒有固定的熔點(diǎn)，各向同性。晶體非晶體第九頁，共38頁。晶體和非晶體的比較第十頁，共38頁。第十一頁，共38頁。第十二頁，共38頁。鋼具有強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的韌性；工藝性能良好，易于加工；但是，鋼材易銹蝕。1、鋼的冶煉方法白口鐵液態(tài)生鐵吹入空氣或氧氣鋼澆注成鋼錠脫氧熔融2.鋼的分類鋼按冶煉方法按脫氧程度平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼酸性鋼堿性鋼按爐襯材料分沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼電爐鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼第十三頁，共38頁。鋼非合金鋼合金鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼＜5%中合金鋼5%～10%高合金鋼＞10%C＜0.25％C=0.25%～0.60％C＞0.25％普通質(zhì)量鋼鋼特殊質(zhì)量鋼優(yōu)質(zhì)鋼S——使鋼在高溫下呈脆性，稱為熱脆性；P——使鋼在常溫和低溫下呈脆性，稱為冷脆性。鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼建筑鋼碳素工具鋼合金工具鋼高速工具鋼特殊性能鋼不銹鋼耐酸鋼耐熱鋼磁鋼第十四頁，共38頁。亞共析鋼第十五頁，共38頁。共析鋼第十六頁，共38頁。冷彎性能可焊性切削性合金鋼的牌號(hào)、性能、用途碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)及用途鑄鐵的牌號(hào)、應(yīng)用及說明有色金屬極其合金的牌號(hào)、應(yīng)用（3）力學(xué)性能拉伸性能沖擊韌性疲勞強(qiáng)度硬度（4）工藝性能種類牌號(hào)性能及選用范圍普通低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼9Mn2、10MnSiCu、16Mn強(qiáng)度較高、塑性良好、具有焊接性和耐蝕性橋梁、車輛、船舶等滲碳鋼20CrMnTi、20Mn2V20Mn2TiB心部的強(qiáng)度高、用于制造重要的或承受重載荷的大型滲碳零件調(diào)質(zhì)鋼40Cr、40Mn2、30CrMo具有良好的綜合力學(xué)性能，復(fù)雜的重要零件彈簧鋼65Mn、60Si2Mn、60Si2CrVA淬透性好，熱處理后組織可以得到強(qiáng)化滾動(dòng)軸承鋼GCr9，GCr15SiMn，GCrMnMoV用于制造滾動(dòng)軸承的滾珠、套圈第十七頁，共38頁。名稱牌號(hào)應(yīng)用舉例說明灰鑄鐵HT150“HT”---灰鑄鐵150----最低抗拉強(qiáng)度HT200球墨鑄鐵QT400-18QT450-10具有較高的強(qiáng)度和塑性。用于受磨損和受沖擊的零件“QT”----球墨鑄鐵；400---最低抗拉強(qiáng)度；18----最低伸長率可鍛鑄鐵KTH300-06KTH330-08用于受沖擊、振動(dòng)的零件“KTH”、“KTZ”----黑心、白心可鍛鑄鐵；300---最低抗拉強(qiáng)度；06---最低伸長率名稱牌號(hào)應(yīng)用舉例說明普通黃銅H62散熱器、墊圈等“H”---黃銅；、62---質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.5~63.5%鑄錳黃銅ZCuZnPb2軸瓦、軸套鑄鋁合金ZL102耐磨性中上等零件Z----鑄；L---鋁；102---順序號(hào)純銅T1電線、導(dǎo)電螺釘?shù)萒`1---四種純銅中的第一種；99.50%第十八頁，共38頁。第十九頁，共38頁。復(fù)合材料(compositematerial)復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，能滿足各種不同的要求定義由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的工程材料。區(qū)別：各種組成材料在性能上能互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。基本組成基體增強(qiáng)材料非金屬金屬合成樹脂、碳、石墨、陶瓷鋁、鎂、銅和它們的合金玻璃、碳、合成纖維，金屬絲，硬質(zhì)細(xì)粒分類金屬與金屬金屬與非金屬非金屬與非金屬復(fù)合材料組成結(jié)構(gòu)纖維復(fù)合材料層疊復(fù)合材料細(xì)粒復(fù)合材料骨架復(fù)合材料第二十頁，共38頁。玻璃纖維增強(qiáng)塑料(glass-fiberreinforcedplastics，GFRP)具有優(yōu)異的耐蝕性、輕量性、強(qiáng)度特性、瞬時(shí)的耐高溫性能被用來制造人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈和火箭的外殼（耐燒蝕層）玻璃鋼不反射無線電波，微波透過性好，是制造雷達(dá)罩的理想材料碳纖維增強(qiáng)塑料(carbon-fiberreinforcedplastics，CFRP)是最有代表性、性能最優(yōu)越的塑料(即樹脂)基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)碳纖維的強(qiáng)度比鋼大四倍，重量只有鋼的1／4，比鋁還輕。①很高的耐腐蝕性；②優(yōu)良的熱特性(絕熱性，隔熱性和尺寸穩(wěn)定性等)；③一定的電性能(通電發(fā)熱，防靜電干擾，導(dǎo)電性等)；④滑動(dòng)特性(耐磨性，潤滑性)；⑤減振性能(減振防噪等)；⑥放射線特性(X射線透過性)等。與玻璃鋼相比，強(qiáng)度高0.5～1倍，彈性模量高2～4倍。第二十一頁，共38頁。過濾器團(tuán)狀玻璃纖維第二十二頁，共38頁。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（碳／鋁復(fù)合材料）原料及加工成本低、比強(qiáng)度和比剛度高、高溫性能和抗拉強(qiáng)度好以及摩擦系數(shù)小且抗磨等優(yōu)點(diǎn)，是電和熱的良導(dǎo)體而且尺寸穩(wěn)定；是最有前途的金屬基復(fù)合材料。制造直升飛機(jī)的主要材料；坦克上的傳動(dòng)箱、底盤和裝甲部件；衛(wèi)星上的設(shè)備支架、天線及望遠(yuǎn)鏡的扇形鏡面，是輕便野戰(zhàn)橋梁的理想材料。碳纖維外殼，更輕，更結(jié)實(shí)全纏繞碳纖維復(fù)合氣瓶第二十三頁，共38頁。七、材料應(yīng)用和研究的總趨勢(shì)

1）在材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，將從顯微構(gòu)造層次（～1um）向分子、原子層次（1～10um）及電子層次（0.1～1um）發(fā)展（研制微米、納米材料）。2）將有機(jī)、無機(jī)和金屬三大類材料在原子、分子水平上混合而構(gòu)成所謂“雜化”（Hybrid）材料的構(gòu)思設(shè)想，以探索合成材料新途徑。3）在新材料研制中，在數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫存的基礎(chǔ)上，利用微機(jī)進(jìn)行新材料的性能預(yù)報(bào)、模擬，以揭示新材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。4）深入研究各種條件下材料的生產(chǎn)過程，運(yùn)用新思維、新技術(shù)來開發(fā)新材料，進(jìn)行半導(dǎo)體超晶格材料的設(shè)計(jì)。第二十四頁，共38頁。八、材料的改性技術(shù)在不改變材料的化學(xué)成分或不改變材料基體的化學(xué)成分的條件下，采用物理或化學(xué)的方法，改變材料整體或局部的組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能或加工工藝性能的方法。傳統(tǒng)改性技術(shù)：熱處理現(xiàn)代改性技術(shù)：等離子體技術(shù)、“三束技術(shù)”、表面沉積和鍍膜技術(shù)、材料復(fù)合技術(shù)等鋼的常用熱處理方法：退火、正火、淬火和回火。

1、常規(guī)熱處理技術(shù)將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻過程，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。只改變金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得所需性能，盡量避免改變零件的形狀。同樣的材料經(jīng)過不同的熱處理方法，可以得到不同的內(nèi)部組織，因此，熱處理工藝可以最大限度地發(fā)揮材料的潛力。特點(diǎn)：第二十五頁，共38頁。常用熱處理方法的工藝曲線示意圖

第二十六頁，共38頁。退火的目的：

a.降低硬度，以利于切削加工；

b.細(xì)化晶粒，改善組織，提高機(jī)械性能；c.消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道熱處理作好準(zhǔn)備；

d.提高金屬材料的塑性、韌性，便于進(jìn)行冷沖壓或冷拉拔加工。1.退火退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的缺點(diǎn)：占用設(shè)備；生產(chǎn)率低。2.正火正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細(xì)組織的一種熱處理工藝。

a.正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細(xì)。

b.正火后的強(qiáng)度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。

c.不占用設(shè)備；生產(chǎn)率高。第二十七頁，共38頁。淬火的目的：提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，增加耐磨性，并在回火后獲得高強(qiáng)度和一定韌性相配合的性能?；鼗鸬哪康模簽榱讼慊饡r(shí)因冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬材料的淬性，使它具有一定的韌性。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。3.淬火淬火是將金屬制件加熱到這種金屬的臨界溫度以上30～50℃，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在水或油中快速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。4.回火回火是把淬火后的金屬制件重新加熱到某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣或油中冷卻的熱處理工藝。第二十八頁，共38頁。5.調(diào)質(zhì)處理淬火后再經(jīng)高溫回火的熱處理工藝，稱為調(diào)質(zhì)處理。一般要求具有較高綜合機(jī)械性能的重要結(jié)構(gòu)零件，都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。低溫回火能消除一定的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈裕岣唔g性，同時(shí)工件仍保持高硬度、高耐磨性，應(yīng)用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350～500℃。中溫回火可大大減小鋼的內(nèi)應(yīng)力，提高了彈性、韌性，但硬度有所降低，應(yīng)用于彈簧和熱鍛模等。（3）高溫回火：回火溫度為500～650℃。高溫回火可以消除內(nèi)應(yīng)力，硬度有顯著的下降，可獲得具有強(qiáng)度、塑性、韌性等綜合機(jī)械性能，應(yīng)用于齒輪、連桿、曲軸等。鋼的硬度隨回火溫度的變化（flash格式）第二十九頁，共38頁。2、表面處理技術(shù)

表面技術(shù)是利用各種物理的、化學(xué)的或機(jī)械的方法，使金屬表面獲得特殊的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，從而提高金屬零件或構(gòu)件使用壽命的技術(shù)。

①只需進(jìn)行表面改性或強(qiáng)化，可以節(jié)約材料。②可以獲得特殊的表面層。③表面涂層很薄，涂層用料少。④可以用于修復(fù)已損壞、失效的零件。

鍍層（電鍍、化學(xué)鍍等）、熱噴涂、涂料涂裝、陶瓷涂敷、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、堆焊、氣相沉積、著色染色等。特點(diǎn)：表面技術(shù)的分類①表面覆層第三十頁，共38頁。各種表面淬火（感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱）、表面形變強(qiáng)化（如噴丸、滾壓）等。②表面合金化表面擴(kuò)滲、噴焊堆焊、激光合金化、離子注入等③表面處理法國西普氧化鋯陶瓷噴丸(Zirblast)第三十一頁，共38頁。汽車配件清洗前后第三十二頁，共38頁?！?-2新型工程材料最近發(fā)展或正在發(fā)展的具有比傳統(tǒng)材料更優(yōu)異性能的材料新型工程材料

高分子材料：由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠大的有機(jī)化合物。微晶：通過快速冷凝工藝獲得的晶粒尺寸小于5微米（μm)的金屬和非金屬材料稱為微晶材料。

非晶體材料：采用超速驟冷的方法，金屬原子來不及有規(guī)則地排列就凝固了，得到的將是原子排列雜亂無章的非晶體材料。

第三十三頁，共38頁。

納米材料：納米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超細(xì)顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維、三維材料的總稱。

超導(dǎo)材料：電阻等于零的材料

形狀記憶合金：是能將自身的塑性變形在某一特定溫度下自動(dòng)恢復(fù)為原始形狀的合金。

超硬材料：材料的硬度值接近或超過金剛石硬度的材料第三十四頁，共38頁。一、納米材料1、定義納米材料(nanomaterial)又稱為超微顆粒材料，是尺寸在1nm～100nm間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到納米粒子的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家。他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法做了超微粒子，并發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱納米微粒的特性：具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)：當(dāng)微粒分割到達(dá)一定程度時(shí)，其性質(zhì)將會(huì)發(fā)生根本性的變化。表面效應(yīng)：納米微粒尺寸