3.1 钢铁材料的应用（课件）-《机械基础》同步精品课堂（高教版·第2版）

《机械基础》高教版（第2版） 同步精品课程——中职专业课 第三章 工程材料 钢铁材料的应用 知识目标 了解常用材料的性能及应用。 理解常用非合金钢的分类、牌号、性能和应用。 能力目标 了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 了解钢的热处理的目的、分类和应用。 情感目标 结合机械基础课程内容特点，认识到加入工匠精神、职业道德、节能减排是当下亟需解决的问题，培养学生关注国家时事，让自己成为国家栋梁之材。 学习目标 第三章 工程材料 导入情景 01 材料是人类用以制造各种有用器件的物质，也是人类生产和生活所必需的物质基础。汽车、轮船、火箭及日常使用的工具都是由各种不同的材料制成的(图)。 (a)高速列车 导入情景 01 (b)“神舟”十一号返回舱 (c)“山东号”航母 导入情景 01 (d)汽车 (e)锉刀和手锤 (f)齿轮油泵 新知学习 02 一、金属材料的性能 齿轮油泵是各种润滑液体的输送装置，广泛应用于石油、化工、电力、粮油、食品、医疗、建 材、冶金等行业。图所示为齿轮油泵从动轴的零件图和装配齿轮后的实物图，根据零件图 分析该从动轴所用材料及热处理(含硬度要求)的含义。 新知学习 02 一、金属材料的性能 金属材料的性能 金属材料的性能主要包括使用性能和工艺性能两方面。 02 01 使用性能是金属材料在使用过程 中所表现出来的性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等，决定了材料的应用范围。 新知学习 02 一、金属材料的性能 1.金属材料的物理性能 1 物理性能是指金属材料在固态下所表现出的一系列性能，主要有密度、熔点、导热性、导电 性、热膨胀性和磁性等。 2 由于机器零件的用途不同，对其物理性能要求也有所不同，例如，飞机、 航天器等，为了减轻自重，需要选择密度小而强度高的铝、镁、钛合金来制造； 3 电器熔断器和防 火安全阀用熔点低的金属制造；锅炉、加热炉燃烧室、发动机排气口用难熔金属制造； 新知学习 02 一、金属材料的性能 1.金属材料的物理性能 4 散热器、 热交换器要选用导热性好的铜或铝制造；电线、电缆、电器元件用导电性好的金属制造； 5 变压 器、测量仪器用铁磁性材料制造； 6 在制订焊接、热处理、铸造等工艺及测量工件的尺寸时，都要 考虑到热膨胀的因素。 新知学习 02 一、金属材料的性能 1.金属材料的物理性能 试思考图中各种结构的材料选择。 新知学习 02 一、金属材料的性能 2.金属材料的化学性能 化学性能是指金属材料在室温或高温时抵抗各种化学介质作用时表现出来的性能，如耐 蚀性和抗氧化性等。 (1)耐蚀性金属材料在常温下抵抗周围介质腐蚀破坏的能力称为耐蚀性。金属材料在 空气中很容易被腐蚀，尤其是在酸、碱和盐等腐蚀介质中工作的零件。腐蚀作用对金属的危害 很大，选用材料时，必须考虑金属材料的耐蚀性。 新知学习 02 一、金属材料的性能 2.金属材料的化学性能 化学性能是指金属材料在室温或高温时抵抗各种化学介质作用时表现出来的性能，如耐 蚀性和抗氧化性等。 (2)抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料的氧化 过程随温度升高而加速，如钢铁在铸造、锻造、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅 造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷。为此，常采取措施避免金属材料发生氧化。 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 金属材料的力学性能 动载荷主要 指冲击载荷以及作用力大小和方向做周期性变化的交变载荷，在动载荷作用下表现出来的力 学性能主要有冲击韧度、疲劳强度等。 载荷按作用性质的不同分为静载荷和动载荷。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载 荷，金属材料在静载荷的作用下所表现出来的力学性能主要有强度、塑性、硬度等； 金属材料的力学性能是指在外力(载荷)作用时所表现出来的性能，也称机械性能。 01 02 03 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 (1)强度 强度是指材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。在工程上一般用下 屈服强度R (或规定塑性延伸强度Rp₀.2)、抗拉强度Rm作为强度的主要评定指标。 塑性是材料在载荷作用下，断裂前产生塑性变形的能力。材料的塑性指标有 断后伸长率A 和断面收缩率Z,A、Z 值越大，表示材料的塑性越好，塑性好的材料能比较容易 地进行锻压、轧制等压力加工。 抵抗其他更硬物体压入其表面的能力称为硬度，硬度是评定材料软硬程度的一种力学性能。一般情况下材料的硬度越高，其耐磨性就越好。 (2)塑性 (3)硬度材料 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 在规定的静态试验载荷下， 将压头压入材料表层，然后根据载荷的大小、压痕表而积或深度确定其硬度值。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法，如图所示。 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 1)布氏硬度测定 布氏硬度用硬质合金球压头，根据压痕单位面积上的载荷大小来计算 硬度值，适用于测定硬度较低的材料 又因压痕较大，故不宜测定成品零件及薄片零件。 布氏 硬度的符号为HBW, 如45钢调质后的布氏硬度值为220,表示为220HBW。 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 2)洛氏硬度 洛氏硬度是采用顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588 mm 的硬质合 金球为压头，根据压入深度来计算出材料的硬度值。 其中HRC 应用最广，例如碳素工具钢T10的淬火硬度表示为62 HRC。 洛氏硬度用符号HR 表示，常用的洛氏硬 度有HRA、HRB、HRC三个标尺，分别用于高硬度材料与钢材薄板、硬度较低的材料、硬度较 高的材料。 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 3)维氏硬度 维氏硬度压头是两相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥 根据压痕对角 线长度d 得到硬度值 其适用面广，软、硬、厚、薄的金属均可测量。维氏硬度用符号HV 表示。 新知学习 02 一、金属材料的性能 3.金属材料的力学性能 金属材料在交变应力作用下，经历无限次循环而不破坏的最大应力称为 疲劳强度或疲劳极限 (5)疲劳强度 冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力， 常用标准试样的冲击吸收能量来衡量，由冲击试验测得，它是将带有U形或V 形缺口的标准 试样放在冲击试验机上，用摆锤将试样冲断，所消耗的能量即为冲击吸收能量，分别用KU 或 KV表示，其单位为J 。KU或 KV的值越大，材料的韧性越好，能承受的冲击载荷越大。 (4)冲击韧性 新知学习 02 一、金属材料的性能 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在制造、加工过程中所表现出来的各种性能，包括铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。 (1)铸造性金属材料适合于铸造成形的能力称为铸造性。金属材料熔化后的流动性以 及金属在液态凝固和冷却过程中的收缩性，是决定铸造性能的主要因素。常用材料中，铸造铝 合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，而铸铁又优于铸钢。 新知学习 02 一、金属材料的性能 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在制造、加工过程中所表现出来的各种性能，包括铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。 (2)锻压性锻压性是指金属材料能否用锻压方法制成优良锻压件的性能。锻压性与 材料的塑性及其塑性变形抗力有关，材料的塑性好，变形抗力小，则锻压性也好。低碳钢的锻 压性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差；低合金钢锻压性近似于中碳钢，高合金钢锻压性比碳 钢差。 新知学习 02 一、金属材料的性能 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在制造、加工过程中所表现出来的各种性能，包括铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。 (3)焊接性焊接性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。 焊接性好的金属，焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣等缺陷，且有较高的力学性能。低碳钢 有较好的焊接性，高碳钢较差，铸铁则更差。铜合金、铝合金的焊接性一般都比碳钢差。 新知学习 02 一、金属材料的性能 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在制造、加工过程中所表现出来的各种性能，包括铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。 (4)切削加工性切削加工性是指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程 度。切削加工性好的材料容易把工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸 和表面质量。材料具有适当的硬度和足够的脆性时较易切削。铸铁比钢的切削加工性好，碳 钢比高合金钢的切削加工性好。 新知学习 02 一、金属材料的性能 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在制造、加工过程中所表现出来的各种性能，包括铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。 (5)热处理性热处理性是指金属材料接受热处理的能力。热处理性包括淬透性、淬硬 性、淬火变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。 新知学习 02 二、钢铁材料 钢铁材料是钢和铸铁的总称，也称黑色金属，是以铁和碳为主要元素的合金，故也称为铁 碳合金，是工业上使用最多的金属材料。 钢是以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。 钢按化学成分可分为非合金钢(即碳钢)、低合金钢、合金钢。 1 2 3 新知学习 02 二、钢铁材料 1.非合金钢 (1)非合金钢的分类非合金钢的分类方法很多，比较常用的有三种。 1)按碳的质量分数分类可分为：低碳钢(wc≤0.25%) 、 中碳钢(0.25%<wc≤0.60%) 和高碳钢(wc>0.60%)。wc 表示碳的质量分数。 2)按钢的质量分类可分为：普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢，有 害元素硫(S)、磷(P) 的含量依次减少。 3)按钢的用途分类分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、非合金工具钢等。 新知学习 02 二、钢铁材料 (2)非合金钢的牌号和用途 1)碳素结构钢这类钢主要保证力学性能，其牌号由代表屈服强度的字母“Q”、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成，例如： 新知学习 02 二、钢铁材料 (2)非合金钢的牌号和用途 2)优质碳素结构钢 其牌号采用两位数字 表示钢中碳的平均质量分数的万分数(即wc×10000) 。 例如，45钢表示钢中碳的平均质量 分数为0.45%;08钢表示钢中碳的平均质量分数为0.08%。 这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。 新知学习 02 二、钢铁材料 (2)非合金钢的牌号和用途 牌 号   wc(%)   Rm /MPa R.或 Rpo2MPa   A (%)   Z (%)   Ku /J 硬度 (未热处理) /HBW   应用举例   08   0.05～0.11   325   195   33   60     131 塑性好、韧性高，具有优良的冷成 形性能和焊接性能，常冷轧成薄板、 用于制作仪表外壳，汽车和拖拉机 上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机 驾驶室等   10   0.07～0.13   335   205   31   55     137   20 0.17~0.23   410   245   25   55   ——   156 强度低、塑性好、用于制作尺寸较 小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强 度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样 板等；也可用于制造焊接件、冲压件 25 0.22～0.29 450 275 23 50 71 170 新知学习 02 二、钢铁材料 部分优质碳素结构钢的性能及用途 牌 号   wc(%)   Rm /MPa R.或 R/MPa   A (%)   Z (%)   Ku 1J 硬度 (未热处理) /HBW   应用举例 35 0.32~0.39 530 315 20 45 55 197 具有良好的综合力学性能，用于 制作轴类、齿轮等零件。例如45钢 常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、一 般机床主轴、机床齿轮和其他受力 不大的轴类零件 45 0.42～0.50 600 355 16 40 39 229 50 0.47～0.55 630 375 14 40 31 241   60   0.57-0.65   675   400   12   35     255 具有高的弹性极限，常用于制作 负荷不大、尺寸较小(截面尺寸小于 12～15 mm)的弹簧、板簧，如调压 和调速弹簧、柱塞弹簧、冷卷弹簧等   65   0.62~0.70   695   410   10   30   —   255 新知学习 02 二、钢铁材料 (2)非合金钢的牌号和用途 3)非合金工具 这类钢的牌号用T+ 数字表示，其中“T” 为“碳”字的汉语拼 音字首，数字表示钢中碳的平均质量分数的千分数(即wc×1000) 例如T8 表示钢中平均 wc为0.80%的非合金工具钢。 钢非合金工具钢用于制造各种刃具、模具等， 一般为高碳钢，在质量 上都是优质钢或高级优质钢。 新知学习 02 二、钢铁材料 非合金工具钢经热处理(淬火+低温回火)后具有高硬度，用于制造尺寸较小、要求耐磨 性高的刃具和模具等，如锉刀、锯条等(图)。 新知学习 02 二、钢铁材料 非合金工具钢的牌号及用途见表3-2。 牌号 wc(%) 退火状态 硬度/HB W   应用   T7   0.65～0.74   187 用于制造承受冲击负荷不大，且要求具有适当硬度和耐磨 性、较好韧性的工具 T8 0.75～0.84 187 适用于制作小型拉拔、拉伸、挤压模具   T8Mn   0.80～0.90   187 用于制造断面较大的木工工具、手用钢锯条、刻印工具、铆 钉冲模、煤矿用凿等   T9   0.85~0.94   192 用于制造要求较高硬度且有一定韧性的各种工具，如刻印 工具、铆钉冲模、冲头、木工工具、凿岩工具等 T10 0.95～1.04 197 适合制作要求耐磨性较高而受冲击载荷较小的模具   T11   1.05～1.14   207 用于制造在工作时切削刃不变热的工具，如锯、丝锥、锉刀、 刮刀、扩孔钻、板牙、尺寸不大和断面无急剧变化的冷冲模及 木工刀具等   T12   1.15～1.24   207 用于制造不受冲击负荷、切削速度不高、切削刃口不变热 的工具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥、锉刀、刮刀、扩孔钻、板牙 及断面尺寸小的冷切边模和冲孔模等   T13   1.25～1.35   217 用于制造不受冲击负荷，但要求极高硬度的金属切削工具， 如剃刀、刮刀、拉丝工具、锉刀、刻纹用工具，以及坚硬岩石加 工用工具和雕刻用工具等 课堂小结 03 小试牛刀 1.金属材料的韧性是指： A. 材料的硬度 B. 材料的塑性 C. 材料的弹性 D. 材料的脆性 答案：B 解析：韧性是指金属材料在受到冲击或拉伸等外力作用时，能够吸收较大能量并产生塑性变形而不破坏的性质。 小试牛刀 2.金属的疲劳强度是指： A. 抗拉强度 B. 屈服强度 C. 材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力 D. 硬度 答案：C 解析：疲劳强度是指金属材料在交变载荷作用下，经过一定循环次数后发生疲劳破坏时的最大应力。 小试牛刀 3.金属材料的硬度是指： A. 材料的耐磨性 B. 材料的抗拉强度 C. 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力 D. 材料的韧性 答案：C 解析：硬度是材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，是衡量材料抵抗塑性变形和划痕的指标。 小试牛刀 4.金属的工艺性能包括： A. 铸造性、锻压性 B. 焊接性、热处理性 C. 切削加工性 D. 所有上述因素 答案：D 解析：金属的工艺性能包括铸造性、锻压性、焊接性、热处理性、切削加工性等，这些都是评价金属材料加工难易的重要指标。 小试牛刀 5.金属材料的弹性变形是指： A. 永久变形 B. 塑性变形 C. 可恢复的变形 D. 不可逆变形 答案：C 解析：弹性变形是指在外力作用下材料发生的形状或尺寸变化，在撤去外力后能够恢复原状的变形。 小试牛刀 6.金属的塑性变形是指： A. 可恢复的变形 B. 永久变形 C. 弹性变形 D. 不可逆变形 答案：B 解析：塑性变形是指材料在外力作用下发生的形状或尺寸变化，在撤去外力后不能恢复原状的变形。 小试牛刀 7.金属材料的屈服强度是指： A. 材料在静载荷作用下产生断裂时的最大应力 B. 材料在静载荷作用下产生塑性变形的最小应力 C. 材料在交变载荷作用下产生疲劳破坏时的最大应力 D. 材料的硬度 答案：B 解析：屈服强度是材料在静载荷作用下，从弹性变形过渡到塑性变形的应力值。 小试牛刀 8.金属的抗拉强度是指： A. 材料在静载荷作用下产生断裂时的最大应力 B. 材料在静载荷作用下产生塑性变形的最小应力 C. 材料在交变载荷作用下产生疲劳破坏时的最大应力 D. 材料的硬度 答案：A 解析：抗拉强度是材料在拉伸过程中，从开始到断裂时所承受的最大应力。 作业布置 04 1.简述金属材料的硬度与其耐磨性之间的关系。 2.什么是金属材料的屈服强度，它对材料的应用有何意义？ 3.描述金属材料的疲劳强度及其重要性。 感谢观看 $$