机械工程常用材料及其工程性能.ppt

第四章 机械工程常用材料及其工程性能,41 概述,42 金属材料的机械性能,43 常用工程材料,44 金属材料的热处理与表面精饰,材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 机械工程材料是用于机械制造的材料，其主要包括金属材料和非金属材料两大类。,42 金属材料的机械性能,金属材料在外力作用下所表现出的特性称为机械性能，包括强度、刚度、塑性、硬度、疲劳强度、冲击韧性和线膨胀系数等指标。,1）力伸长曲线 拉伸实验中，依据拉力F与伸长量L之间的关系在直角坐标系中绘出的曲线称为力伸长曲线。,强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和防止出现断裂的能力。,2.1 强度,2）强度指标,屈服强度:屈服强度是当金属材料呈现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点,材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度,抗拉强度b,弹性模量E是用于表示材料刚度的重要参数，E值越大材料刚度越大。 表4-1是不同金属材料的弹性模量。,刚度是指材料在外力作用下抵抗弹性变形保持原有形状的能力。,2.2 刚度,2.3 塑性,材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力称为塑性,断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率,1）断后伸长率A,断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率,2）断面收缩率Z,1）布氏硬度 布氏硬度的测定是在布氏硬度试验机上进行的，其试验原理是用直径为D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定压力F作用下压入被测金属表面至规定时间后，卸除压力，金属表面留有压痕，压力F与压痕表面积A的比值称为布氏硬度，用符号HBW（压头为硬质合金球）表示。,2.4 硬度,硬度是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力。,2）洛氏硬度,洛氏硬度的测定是在洛氏硬度试验机上进行的，是用一个顶角为120的金刚石圆锥，或直径为1.5875mm的淬火钢球为压头，在一定载荷下压入被测金属材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。压痕深度越小，硬度值越高，材料越硬。,金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号-1表示。,机器和很多零件，受到随时间作周期性变化的应力作用，这种应力称为交变应力。构件在交变应力作用下的破坏称为疲劳破坏。 当应力循环次数达到106107次时材料不出现损坏，则认为材料不会出现疲劳损坏。,2.5 疲劳强度,疲劳断口,特点为:破坏时构件内的最大应力远低于强度极限，甚至低于屈服极限；破坏前没有明显的塑性变形；破坏断口表面明显分成光滑区及粗糙区。 因此疲劳破坏无明显的预兆，容易造成严重的后果。,线膨胀系数是指材料温度每升高1，零件单位长度的伸长率。 表4-3是常用材料的线膨胀系数。,2.6 线膨胀系数,2.7 冲击韧性,冲击韧性是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，冲击韧性值用k表示,k越大，材料抗冲击能力越强。,2.8 金属材料的工艺性能,工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力，它标志着制成成品的难易程度，包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。,1）铸造性 铸造性是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能，包括液态流动性、吸气性，冷却时的收缩性和偏析性等。,2）锻造性 锻造性是指金属材料锻造时的难易程度。锻造性好，表明该金属易锻造成形。,3）焊接性,4）切削加工性及热处理性能 切削加工性是指金属材料被切削加工的难易程度。切削加工性好的金属材料，加工时刀具不易磨损，加工表面的粗糙度较小。,热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等（将在钢的热处理中详细论述）,焊接性是指在一定的焊接工艺条件下金属材料获得优良焊接接头的难易程度。,工程材料可以分为金属材料和非金属材料，非金属材料又分为高分子材料和无机材料。,43 常用的工程材料,1）灰铸铁 在灰铸铁中碳主要以石墨形式存在，其断口呈暗灰色，故称灰铸铁。以“HT+材料抗拉强度”表示牌号，如HT150。 常用于制造形状复杂而力学性能要求不高的工件，承受压力、要求消振的工件，以及一些耐磨工件。 常用的热处理工艺有去应力退火，消除白口组织的退火和表面淬火。,3.1.1 铸铁,是指含碳量大于2.11%的铁碳合金，并且含有较多的硅、锰、硫、磷等元素。,3.1 黑色金属,球墨铸铁常用于制造载荷较大且受磨损和冲击作用的重要零件，如汽车、拖拉机的曲轴，连杆和机床的蜗杆、蜗轮等。 球墨铸铁常用的热处理方式有退火、正火、调质及等温淬火。 以“QT+材料抗拉强度”表示牌号如QT400表示球墨铸铁，其最低抗拉强度为400MPa。,2）球墨铸铁,铁液经球化处理和孕育处理，使石墨全部或大部分呈球状的铸铁称为球墨铸铁。,3.1.2 碳素钢,1）杂质对碳素钢性能的影响,碳含量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢。,a）硅、锰：材料硬度、强度提高。 b）硫：材料热脆性增强。 c）磷：材料冷脆性增强。 D）氢：材料脆性增强。,2）碳素钢的分类,a）根据碳的质量分数分类: 低碳钢：C0.25%。 中碳钢：0.25%C0.60%。 高碳钢：C0.60%。,b）按分类: 普 通 钢:S0.050%，P0.045%。 优 质 钢:S0.035%，P0.035%。 高级优质钢:S0.025%，P0.025%。,c）根据钢的用途分类: 碳素结构钢:其C0.70% 碳素工具钢:其C0.70% 碳素铸钢:主要用于制作形状复杂、难以锻造成形的铸钢件。,3）普通碳素结构钢 以“Q+材料屈服极限的平均值”作为牌号，如Q235，表示S235MPa的普通碳素结构钢。常用于制造结构件以及其他载荷不大的构建。,4）优质碳素结构钢 以“材料所含碳的万分比”进行命名，如45钢，表示碳的平均质量分数为0.45%的优质碳素钢，含碳量较低时其延展性强常用于制造冲压件，含碳量较高时常用于制造较重要零部件。,5）碳素工具钢 以“T+材料所含碳的千分比” 进行命名，如T9表示碳的平均质量分数为0.90%的碳素工具钢。,1）根据合金元素总质量分数分类 低合金钢:合金元素总质量分数小于5%； 中合金钢:合金元素总质量分数为5%10%； 高合金钢:合金元素的总质量分数大于10%。,3.1.3 合金钢,特意加入一种或数种合金元素的钢称为合金钢。它比碳钢具有较高的强度、韧性或具有特殊性能。,2)根据用途分类 合金结构钢:用于制造机械零件和工程结构的钢。 合金工具钢:用于制造各种工具的钢。 特殊性能钢:指具有某种特殊物理和化学性能的钢。,3）合金结构钢,以“材料含碳量的万分比+合金元素符号+合金含量的百分比”表示其牌号，如60Si2Mn钢，表示碳的含量为0.60%，含硅量为2%，含锰量小于1.5%的合金结构钢。 合金结构钢一般各项性能优于相同碳含量的优质碳素钢，因此常用于制造载荷复杂的零部件。,以“材料含碳量的千分比+合金元素符号+合金含量的百分比”表示其牌号，如9SiCr钢，表示碳的含量为0.90%、硅的含量和铬的含量均小于1.5%的合金工具钢。,4）合金工具钢,a）合金量具钢 指用于制造测量工具（即量具）的合金钢，这类钢具有高硬度、高耐磨性、高尺寸稳定性。 用于制造高精度的量规和量块。有Cr12、9Mn2V、CrWMn等。,是指用于制造冲压、热锻、压铸等成形模具的合金钢。 根据工作条件不同分为冷作模具钢和热作模具钢。,c）合金模具钢,指主要用于制造金属切削刀具的合金钢，其含碳量一般在0.8%1.4%。常用的合金刃具钢有9SiCr、9Mn2V、Cr2、CrMn、CrWMn和CrW5等。 主要用于制造铰刀、丝锥、板牙等。,b）合金刃具钢,指在空气、水不锈钢属于具有特殊物理、化学性能的特殊性能钢，它是指在空气、水、弱酸、碱和盐溶液或其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的合金钢的总称。,5）特殊性能钢,6）高速钢,是一种含钨、铬、钒等多种元素的高合金刃具钢，加入的主要合金元素为钨、钼、钒等，其合金总含量达到10%15%。,7）滚动轴承钢,如GCr15钢，则表示平均铬的质量分数为1.5%的滚动轴承钢。,3.2.1 纯铜及其合金,3.2 有色金属,有色金属通常指除钢铁之外的其他金属（又称非铁金属），常用的有色金属种类有铜及其合金、铝及其合金、钛及其合金等,1）纯铜（紫铜） 通常呈紫红色，具有良好的导电性、导热性及抗大气腐蚀性能，还具有强度低，塑性好，便于冷热压力加工的优点 常用于制造导线、散热器、铜管、防磁器材及配制合金等,2）黄铜:是以锌为主要合金元素的铜合金，因 其颜色呈黄色，故称黄铜 普通黄铜:当铜中加入锌时所组成的合金称为普通黄铜. 特殊黄铜:在普通黄铜中加入铅、铝、硅、锡等元素所组成合金称为特殊黄铜,3）青铜:是指黄铜和白铜以外的所有铜合金 锡青铜:以锡为主加元素的铜合金。锡青铜分为压力加工锡青铜和铸造青铜 特殊青铜:特殊青铜有铍青铜、铝青铜,1）纯铝 纯铝呈银白色，是一种密度仅为2.72g/cm的轻金属，是自然界中储量最为丰富的金属元素，产量仅次于钢铁。,3.2.2 铝及其合金,2）铝合金 当纯铝中加入适量的硅、铜、锰、镁、锌等合金元素，可形成强度较高的铝合金。,（1）变形铝合金 有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金等。,铝硅铸造铝合金（俗称硅铝明）:铸造性能较好，但铸造组织粗大，在浇注时应进行变质处理细化晶粒，以提高其力学性能；,铝铜铸造铝合金:具有较好的高温性能，但铸造性和抗蚀性较差，而且密度大，主要用于制造要求高强度或在高温条件下工作的零件；,（2）铸造铝合金 按加入主元素的不同，铸造铝合金主要有铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系四类，其中,铝硅系应用最为广泛。,铝镁铸造铝合金:具有较高的强度和良好的耐腐蚀性能，密度小，铸造性能差，主要用于制造在腐蚀性介质中工作的零件；,铝锌铸造铝合金:具有较高的强度，热稳定性和铸造性能也较好，但密度大，耐蚀性差，主要用于制造结构形状复杂的汽车、飞机零件等；,3.3 非金属材料,1）塑料的组成 塑料是以有机合成树脂为主要成分，并加入多种添加剂的高分子材料。 添加剂的种类有:填料、增强材料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂等。,3.3.1 工程塑料,3）热塑性塑料 常用的有聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等。,4）热固性塑料 常用的有环氧塑料和酚醛塑料等,环氧塑料（EP）是由环氧树脂加入固化剂后形成的热固性塑料。它强度较高，韧性较好，并具有良好的化学稳定性、绝缘性以及耐热、耐寒性，成形工艺性好。,酚醛塑料（PF）是由酚类和醛类经缩聚反应而制成的树脂。根据不同性能要求加入各种填料便制成各种酚醛塑料。常用的酚醛树脂是由苯酚和甲醛为原料制成的。,1）橡胶的类型 橡胶分为天然橡胶与合成橡胶二种。 天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得。,3.3.2 橡胶,2）橡胶的性能 橡胶是绝缘体，不容易导电，但如果沾水或不同的温度的话，有可能变成导体。 橡胶在制造过程中可以通过加入不同添加剂获得不同的性能。,由人工合成，而各方面特性均与天然产出的矿物相同或密切相似的产物称为人工合成矿物，如人造金刚石人造宝石、人造水晶等。,3.3.3 人工合成矿物,1）人造宝石（人造刚玉）,刚玉主要成分是Al2O3。其硬度仅次于金刚石。 由于刚玉具有优良的高温性质及机械强度等性能，因而被广泛应用到了冶金、机械、化工、电子、航空和国防等众多工业领域。,刚玉的主要用途如下：,由于刚玉有耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，故常用于制作用于冶炼稀贵金属、特种合金、高纯金属的坩埚及器皿，用做浇钢滑动水口，各种高温炉窑的内衬（墙和管），理化器皿、火花塞、耐热抗氧化涂层；,由于其有硬度大、耐磨性好、强度高的特点，在化工系统中，用作各种反应器皿和管道，化工泵的部件；作机械零部件、各种模具的模嘴等；作刀具、磨具磨料、防弹材料、人体关节、密封磨环等；,由于其有高温绝缘性，故被用作热电偶的套丝管和保护管，原子反应堆中用得绝缘性依旧优良；,由于其分子结构很稳定，在高频、高压和较高的温度下使用其绝缘性优良，加之损耗不大，介电常数也不大，在电子工业中被广泛用于固体挤成电路基板管座、外壳、瓷架、导弹雷达天线保护罩等；,刚玉制品气密性好，即使在高温下也严密不透气，因此在电真空中得到广泛应用，如用刚玉制作各种大型电子管壳、固体微电路中的双列直插式封装外壳。,2）人造水晶,水晶是一种无色透明的大型石英结晶体矿物。它的主要化学成份是二氧化硅，化学式为SiO2。 由于石英具有压电效应和逆压电效应，因此常用于制造压电传感器和石英振荡器。,陶瓷是以粘土以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料，陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差，同时具有耐高温、抗氧化等特点。,3.3.4 陶瓷,陶瓷的主要可以分为日用陶瓷、艺术（工艺）陶瓷和工业陶瓷三大类。 工业陶瓷指应用于各种工业的陶瓷材料和制品。,工业陶瓷又分以下6各方面：,建筑卫生陶瓷；,化工（化学）陶瓷： 用于各种化学工业的耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反应锅的耐酸砖、灰等；,电瓷： 用于电力工业高低压输电线路上的绝缘子。电机用套管，支柱绝缘子、低压电器和照明用绝缘子，以及电讯用绝缘子，无线电用绝缘子等；,特种陶瓷： 用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等。,3.4 复合材料,复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。 各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。,3.4.1 复合材料的类型,1）复合材料按其组成分为： 金属与金属复合材料 非金属与金属复合材料 非金属与非金属复合材料。,纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。,2）按其结构特点又分为：,层叠复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。 层叠复合材料又分为实心夹层和蜂窝夹层两种。,颗粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。,骨架复合材料。,3.4.2 纤维增强复合材料的性能,复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。,1）具有比重小、比强度和比模量大的特点。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，,2）具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。,3）纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。,3.5 新型材料,合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。,形状记忆合金,科学家在镍-钛合金中添加其他元素，进一步研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金；除此以外还有其他种类的形状记忆合金，如:铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。,4.1 热处理概述,钢的热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方法，从而改变其组织结构，满足性能要求的一种加工工艺。,钢在加热和冷却时的特性线,44 金属材料的热处理与表面精饰,热处理目的在于改善工件的加工工艺性，为后续的工序作组织准备，提高劳动生产率;显著提高钢的力学性能，充分发挥钢的使用性能，延长使用寿命。,钢材的热处理主要分为普通热处理和表面热处理两大类。,4.2 钢的普通热处理工艺,4.2.1 退火 退火是把钢加热到某一工艺预定温度，保温一段时间，随后在炉中或导热性较差的介质中缓慢冷却的热处理方法。 退火的目的是降低钢的硬度、均匀成分、消除内应力、细化组织，从而改善钢的力学性能和加工性能，为后续的机械加工和淬火做好准备。,1）完全退火 完全退火简称退火，是将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温一段时间，随后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的退火方法。 其目的是细化晶粒、改善组织和提高力学性能。,（2）球化退火 球化退火是将过共析钢加热到Ac1以上2030，保温一段时间，随后缓慢冷却的退火方法。 其目的在于降低钢的硬度，改善切削加工性，并为以后淬火处理作好组织准备。,（3）去应力退火 去应力退火又称低温回火，是将钢件加热至500650左右，保温一段时间后缓慢冷却的退火方法。其目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余应力，以稳定尺寸，减少变形。,正火是将钢加热到Ac3或Accm以上3050，使钢的组织完全转变为奥氏体后，适当保温，从炉中取出，在静止的空气中冷却至室温的热处理方法 正火冷却速度稍快，所得到的组织比退火细，强度、硬度有所提高,退火和正火的加热温度,4.2.2 正火,淬火是将钢加热到Ac3或Ac1线以上3050，保温一定时间后，在水、盐水或油中急剧冷却，以获得马氏体组织的一种热处理方法。 淬火目的在于得到马氏体或下贝氏体组织，然后配以适当的回火温度，以获得多样的使用性能。,4.2.3 淬火,4.2.4 回火,回火是把淬火后的钢加热到Ac1线以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理方法。 回火的主要目的在于降低脆性，减少内应力，防止变形开裂；获得工件所要求的机械性能；稳定钢件的组织，保证工件的尺寸、形状稳定。,各种普通热处理示意图,1）低温回火 加热到150250，保温后空冷，得到组织为回火马氏体。 其目的在于降低淬火内应力和脆性，保证高硬度和耐磨性。主要用于刀具、量具、冲压模、滚动轴承等的处理。,2）中温回火 加热到350450，保温后空冷，得到回火屈氏体，这种组织具有高的弹性和屈服极限，并有一定韧性和硬度。,（3）高温回火 加热到500650，保温后空冷，得到回火索氏体，这种组织具有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性。 通常把淬火再进行高温回火的热处理方法称为调质处理。,4.4 钢的表面热处理,利用快速加热的方法，使工件表面迅速加热至淬火温度，不等热量传到心部就立即冷却的热处理方法称为表面淬火。,表面淬火可分为火焰加热表面淬火、感应加热（高频、中频、工频）表面淬火和电接触加热表面淬火等。,4.4.1 表面淬火,将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使工件表面具有某些特殊的力学或物理化学性能的一种热处理工艺,4.4.2 化学热处理,是向钢的表层渗入碳原子，提高钢表层含碳量的过程。 主要用于低碳钢和低碳合金钢，渗碳后经过淬火、低温回火，材料表层具有较高的硬度、抗疲劳性和耐磨性，而心部仍保持良好的塑性和韧性,1）渗碳,是在工件表层渗入氮原子，形成一个富氮硬化层的过程。 其目的在于提高材料表面硬度、抗疲劳性、耐磨性和耐蚀能力，并且渗氮性能优于渗碳。,2）渗氮,是指碳、氮同时渗入工件表层的过程。 其目的在于提高表面硬度、抗疲劳性、耐磨性和耐蚀能力，并兼具渗碳和渗氮的优点。,3）碳氮共渗,4.5 金属零件的表面精饰,电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。,4.5.1 电镀,1）镀铜：打底用，增进电镀层附着能力，及抗蚀能力。 铜容易氧化，氧化后，铜绿不再导电，所以镀铜产品一定要做铜保护。,2）镀镍：打底用或做外观，增进抗蚀能力及耐磨能力。 现在许多电子产品不再使用镍打底，主要是由于镍有磁性。,3）镀金：改善导电接触阻抗，增进信号传输。 金最稳定，也最贵。,4）镀钯镍：改善导电接触阻抗，增进信号传输，耐磨性高于金。,5）镀锡铅：增进焊接能力，快被其他替物取代。,6）镀银：改善导电接触阻抗，增进信号传输。 银性能最好，容易氧化，氧化后也导电。,采用化学或电化学处理使金属表面生成一层稳定化合物的方法称为化学处理。,4.5.2 化学处理,