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机械设计基础. 制作人：陈 红. 机械设计基础主要内容. 工程材料 螺纹联接 平面机构的运动简图及自由度 平面连杆机构 凸轮机构 间歇运动机构 齿 轮 传 动 齿 轮 系 带 传 动 链 传 动 轴 /轴承/联轴器. Unit 1 工程材料. 金属及合金的性能 钢热处理概念 钢铁材料编号 有色金属材料 非金属材料 功能材料 思考题与作业. 一、金属及合金的性能. 机械性能 物理性能 化学性能 工艺性能. 机械性能.
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机械设计基础 制作人：陈 红
机械设计基础主要内容 • 工程材料 • 螺纹联接 • 平面机构的运动简图及自由度 • 平面连杆机构 • 凸轮机构 • 间歇运动机构 • 齿 轮 传 动 • 齿 轮 系 • 带 传 动 • 链 传 动 • 轴/轴承/联轴器
Unit 1 工程材料 • 金属及合金的性能 • 钢热处理概念 • 钢铁材料编号 • 有色金属材料 • 非金属材料 • 功能材料 思考题与作业
一、金属及合金的性能 机械性能 物理性能 化学性能 工艺性能
机械性能 1、机械性能（力学性能）——金属材料在外力作用下表现出的特性 （1）强度——在外力作用下，金属材料抵抗（变形）与断裂的能力 （2）塑性——金属材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力 延伸率: δ=(L-L0)/L0 ---δ与标距长度L0成反比。 收缩率：ψ=（S0-S）/S0
机械性能 （3）硬度—金属材料抵抗集中力作用的能力 布氏硬度——钢球HBS,硬质合金球HBW 洛氏硬度——HRA、HRC （金刚石锥1200），HRB（直径1.588钢球） （4）冲击韧性—金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力 αk=AK/S (J/cm2) （5）疲劳强度—金属材料经无数次应力循环而不破坏的最大应力
物理、化学、工艺性能 2、物理性能：密度（密度<5g/cm3轻金属），导热性，导电性，熔点，热膨胀性和磁性 3、化学性能：耐酸、碱性，耐热性（抗高温氧化），耐蚀性（抗大气、水、水蒸气等侵蚀能力 4、工艺性能：金属材料的加工难易程度，用较少消耗，保证质量。是材料的力学、物力、化学性能的综合表现
二、钢的热处理概念 1、纯铁的晶体结构
纯铁的结晶过程（续） 1、纯铁的结晶过程 >15380C——纯铁液体状态 15380C--13940C——为 体心立方 晶胞，δ-Fe。 13940C--9120C——为 面心立方 晶胞，γ-Fe。 <9120C—为 —— 体心立方 晶胞，α-Fe。 晶体——固体内部原子作规则排列的物质 晶胞（晶格中一个能代表晶格类型的基本单元 同素异构转变——在固态下，由于温度改变而发生晶格改变的现象
（1）铁碳合金的基本组织 A（奥实体）——C溶于γ-Fe中间隙固溶体，最大 含碳量2.11% F（铁素体）——C溶于α-Fe中间隙固溶体，最大 含碳量0.0218% Fe3C(化合物)——具有复杂晶格类型；含碳量6.69% P(珠光体)——（F+ Fe3C）混合物，含碳量0.77%
（2）铁碳合金状态图特性点 A ——纯铁的熔点 G ——纯铁同素异构转变点 P ——C在α-Fe中最大溶解度点 Q —— C在α-Fe中室温最大溶解度点 S ——共析点（F+Fe3C）—P E ——C在γ-Fe中最大溶解度点 B ——共晶点（A+ Fe3C）—Ld
（3）转变线 ACD ——液相线 AECF ——固相线 GS ——F析出线 ES ——C在A中溶解度曲线 ECF ——共晶线（ A+ Fe3CI ） PSK ——共析线
3、钢的热处理工艺 热处理——钢固态下加热、保温，以不同速度冷却改变钢内部组织结构从而改善，提高其性能的工艺。——不允许改变钢件的形状和尺寸 （1）退火——加热AC3、AC1以上200C-300C，约8000C -9000C ，保温，随炉或埋沙缓慢冷却。 （2）正火——加热AC3、ACm以上300C-500C，约8200C -9200C，保温，空气中冷却。 （3）淬火——加热AC3、AC1以上300C-500C，约7800C -8800C保温，在水或油中快速冷却，形成 马氏体（碳在α-Fe中过饱和）
钢的热处理工艺（续） （4）回火——加热到AC1以下某温度，保温，冷却。 低温（1500C-2500C）-保持高硬度，消脆—工、量具HRC58-64。 中温（3500C-5000C）-获高弹性--弹簧等弹性零件HRC35-50。 高温（5000C-6500C）-有硬度，又有塑性—齿轮，轴，连杆等HBS200-330。 调质处理=“淬火+高温回火”
4、表面热处理 （1）表面淬火——以极快的速度将零件表面加热到淬火温度（火焰加热、感应加热），然后快速冷却下来，使表面组织转变，表面硬度提高 。 （2）化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等
三、钢铁材料编号 碳钢和铸铁均是以Fe和C为主的合金。 钢含碳量<2.11%，通常使用钢含碳量<1.4%； 铸铁含碳量在(2.11%-6.69%)范围，通常使用铸铁含碳量在(2.5%-4.0%)范围
1、钢分类 （1）按化学成分分类 碳素钢：低碳钢（C<0.25%），中碳钢（C=0.25%-0.55%），高碳钢（C>0.60%） 合金钢：钢中加入（Mn、Si 、Cr、Ni、Mo、W）等元素,可以改善钢的力学性能和工艺性 能（强度、硬度、耐热性），有时可以 使钢获得特殊的物理性能和化学性能
1、钢分类 （2）按冶炼质量分类——S使钢热脆、P使钢冷脆 普通钢（S≤0.050%，P≤0.045%） 优质钢（S≤0.035%，P≤0.035%） 高级优质钢（S≤0.020%，P≤0.030%） 脱氧方法：F-沸腾钢，b-半镇静钢，Z-镇静钢，TZ-特殊镇静钢。（Z、ZT—通常可以省略） （3）按用途分类 结构钢、工具钢、特殊性能钢
Q235-A.F 沸腾钢——型钢、螺栓、螺母 质量等级A（S≤0.050%，P≤0.040%）、B、C、D （S≤0.035%，P≤0.035%） 屈服强度值σS=235N/mm2 屈服强度拼音首字母 2、钢编号 （1）碳素结构钢 Q屈拼音首位字母+屈服强度值——质量等级*脱氧方法
T8A——高级优质钢 ——平均含碳量8/1000=0.80% 钢编号（续） （2）优质碳素结构钢 两位阿拉伯数字——表示平均含碳量的万分之几 低碳钢 20——平均含碳量20/10000=0.20% 中碳钢 45——平均含碳量45/10000=0.45% 高碳钢 60——平均含碳量60/10000=0.60% （3）碳素工具钢(含C>0.70%) T+平均含碳量的千分之几+质量表示
20Cr2Ni4 合金元素Ni含量4%左右。含量小于1.5%时不标出，平均含量超过1.5%，2.5%，3.5%时，相应标明2，3，4等 合金元素Cr含量2%左右 平均含碳量20/10000=0.20% 钢编号（续） （4）合金钢 合金结构钢 ：两位数字+合金元素+合金含量百分数
钢编号（续） 合金工具钢 ：含碳量的千分之几(碳≥1.0%时不标出) +合金元素+含合金百分数 低合金刃具钢 9SiCr——平均含碳量 9/1000=0.90% （5）特殊性能钢 与合金工具钢相同，当前面的数字为0时，这表示其平均含碳量小于0.1% 不锈钢 Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti
KTH370-12——延伸率δ≥12% 抗拉强度σb≥370 N/mm2 3、铸铁 （1）白口铸铁——碳全部以Fe3C形式存在(铁锅、犁头等。主要作炼钢原料) （2）灰口铸铁—— 碳大部分以片状石墨形式存在,易铸造、切削 HT150——抗拉强度σb≥150 N/mm2(Mpa) （3）可锻铸铁——由白口铸铁经过石墨化退火而获得的一种铸铁；H-表示黑心，B-表示白心，Z-表示珠光体。抗拉强度、塑性和韧性比灰口铸铁高
QT400-15——延伸率δ≥15% 抗拉强度σb≥400 N/mm2 铸铁（续） （4）球墨铸铁——铸铁组织中石墨呈圆球状，具有比灰口铸铁高得多的强度、塑性和韧 性，可代替钢材制造一些重要的零件：曲轴、连杆等 （5）蠕墨铸铁-RuT——蠕虫状石墨,高耐磨
四、有色金属材料 1、铝及铝合金 形变铝： 防锈铝合金LF11——焊接油箱、油管等 硬铝合金LY11——中、高强度结构件。 超硬铝合金LC4——结构中主要受力件。 锻铝合金LD7——内燃机活塞和在高温下工作的复杂件 铸造铝合金： 分Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn四类
2、铜及铜合金 紫铜（纯铜）——导线、油管 黄铜（Cu+Zn）H68——齿轮、衬管、散热器—耐蚀件 青铜（Cu+Sn）QSn4-3——轴承衬套 白铜（Cu+Ni）B19B5——医疗器件、海船耐蚀件 有色金属材料（续） 3、粉末冶金——以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料，经过成型和烧结而制成的金属制品 含油滑动轴承材料——粉末压型时轴瓦中存在大量孔隙，烧结后将轴瓦浸入油中让孔隙吸入润滑油；工作时轴转动摩擦生热及轴与轴瓦之间形成局部真空，轴瓦孔隙中的油流到表面形成油膜而起润滑作用；运转停止后，润滑油在毛细管作用下又吸回到孔隙中，实现自动润滑.
五、非金属材料 1、高分子材料——塑料、橡胶、合成纤维、合成胶 粘剂等 2、陶瓷材料——硬度高、耐磨性好、高温强度高、化 学稳定性好和抗酸碱盐及其它介质腐蚀的能力强、绝缘性能优越等特点。但塑性及低、强度不高、易脆裂、导 热性差等 。 3、复合材料——两种或两种以上物理性质与化学性质 不同的物质经人工组合而成的多相 态材，克服单一材料的弱点。
六、功能材料 1、磁性材料——天然磁石(Fe3O4) 2、超导材料——某些纯金属、合金和化合物在温度接近绝对零度时，对应于某一特定温度附近，其电阻突然变为零，没有电能损失，同时失去磁通而成为抗磁性物质 3、形状记忆合金——将记忆合金材料加工成所需要的形状并加热到高温，让它记住这个形状，随后淬火冷却到马氏体相变区，施加外力使试件发生一定的变形，再将温度升高，试件将完全恢复到原来的形状。
思考题一 1、试说明铁碳合金状态图中，A、G、P、E点的含义？及A、F分别代表什么组织？各自机械性能有什么特点？ 2、图示纯铁冷却线中，δ-Fe，γ-Fe，α-Fe分别为何种晶胞？ 3、什么是热处理？ 4、在低碳钢拉伸曲线上可测得哪些机械性能指标？ 5、布氏硬度和洛氏硬度的测定方法有和区别？它们宜测什么材料？ 6、我国碳钢是怎样进行分类和编号的？指出下列刚号的主要化学成分和用途：45号钢、65锰、T10A、W6Mo5Cr4V2。
思考题一 7、金属材料的机械性能通常用哪几个指标来衡量？ 8、何为同素异构转变？纯铁在15380--13940--9120温度 下的晶格变化如何？ 9、何为奥氏体，铁素体，渗碳体，珠光体？ 10、常用热处理工艺有哪几种？ 11、淬火的主要目的是什么？钢淬火后通常必须回火，为什么？ 12、试从下列钢号中估计出其主要元素的大至含量：20，40，T10，65Mn，40Cr 13、下列零件可采用什么牌号的钢材制造？并说明理由。地脚螺钉，摩擦轮
思考题一 14、铸铁和普通钢在化学成分和机械性能上有何差别？ 15、灰口铸铁和球墨铸铁的组织有何区别？哪一种强度较高？为什么？ 16、要做到合理选用金属材料，应综合考虑哪些因素？ 17、退火，正火和淬火在冷却方式上有什么不同？什么是回火？回火有哪几种？
作业一 试总结下述蜗杆减速器零件所采用材料的种类、牌号，并简要描述所用不同牌号材料的强度、硬度、耐磨性等性能特点。
