机械工程材料

,*,第四章 机械工程材料,工程材料是制造机械零件的原料。机械零件的结构、形状、大小和使用条件不同，对材料的要求也不同。常用的材料有黑色金属、有色金属及非金属。了解各种材料的牌号、性能及应用，以及黑色金属材料的热处理方法，为中职学生了解机械零件的使用和维护提供必备的基础知识。,黑色金属材料具有良好的力学性能，大部分机械零件都选用黑色金属作为零件的材料。因此，黑色金属材料的内容和热处理方法是本章的学习重点。,4,1,钢铁材料,一、金属的物理性能和化学性能,1,、金属材料性能 使用性能工艺性能,使用性能物理性能化学性能力学性能,工艺性能 生产、加工条件下表现的性能。,2,、物理性能密度熔点导热性导电性热膨胀 性磁性,二、金属的力学性能和工艺性能,1,、,力学性能指金属材料在外力作用下表现出来的性能,（,1,）,强度,安全生产的基本保证和满足机械零件达到设计寿命的 前提，也是机 械设计中必须达到的基本要求，是机械零件强度校 核的根据。,（,2,）,塑性,（,3,）,硬度,（,4,）,冲击韧性,2,、金属材料的工艺性能,包括多种内容，主要有泠加工的切削加工性能，和热加工的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能。切削加工性能即是否容易将材料切削成所需要的零件形状。一般说来，软材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面质量相对差一些；而硬材料的强度相对较高，加工较困难，但表面质量较好。所以具有良好切削性能和较高强度的中碳钢应用较广。,（,5,）,疲劳强度,机械零件在长期使用中，由于交变应力对材料的影响，可能出现突然的断裂破坏，设计零件的使用寿命必须保证在规定的时间内不能出现疲劳损坏,黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。,一、钢的分类,1,、 按化学成分分,（,1,）碳素钢 含碳质量分数的多少又分成低碳钢、中碳钢和高碳钢,（,2,）合金钢 如果含有合金元素，相应称为低合金钢、中合金钢和高合金钢,（,3,） 铸铁,2,、按钢的品质分,（,1,）普通钢,（,2,）优质钢,（,3,）高级优质钢,3,、按钢的用途分,（,1,）结构钢 从制造成本和加工工艺角度出发，机械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较高的零件。,（,2,）工具钢 选用中碳钢作为具有一定强度和硬度要求的零件,（,3,）特殊性能钢 强度要求较高，又具有较好的塑性，则应用合金钢对于一般，重要的齿轮或轴选用中碳合金钢。,二、钢的编号,1,、碳钢的编号方法,(1),碳素结构钢 用,Q,代表屈服强度，如,Q235,(2),优质碳素结构钢 用数字直接表示钢中碳的质量分数的万分之一。如,45,、,35,等表示钢中含碳的质量分数为,0.45%,、,0.35%,。,(3),碳素工具钢 用,T,表示，如,T8 A,钢。,(4),铸造碳钢 用,ZG,表示,如,ZG 200,400,钢。表示屈服强度大于,200MPa,抗拉强度大于,400MPa,。,如果数字后加注,A,、,B,等符号表示质量等级。,A,为高级。,2,、合金钢的编号方法,(1),低合金高强度结构钢 如,Q390A,(2),合金结构钢 如,40Cr, 40,表示含碳质量分数的万分之一；,30CrMoA,，合金的元素符号及含量的百分之,1.5,，末位加,A,表示优质。,（,3,）滚动轴承钢 在含碳质量分数元素符号前加,G,，如,GCr15,。,（,4,）合金工具钢 含碳质量分数小于,1,，用一位数表示的含碳质量分数的千分之几。含碳质量分数小于,1,，不予标注。,（,5,）不锈钢 含碳较低，用,“,00,”,和,“,0,”,数字表示含碳质量分数，分别低于,0.03%,和,0.08%,，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬东西的原因,。,三、,.,碳素钢,含碳质量分数小于,2.11%,而不特意加入合金元素的钢。,1,、碳素结构钢,（,1,）普通碳素结构钢,含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有,Q,表示；如,Q215,、,Q235,、,Q275,。塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件。,（,2,）优质碳素结构钢,含碳质量分数较多，为中碳钢，常用,45,、,35,钢。,2,、碳素工具钢,含碳质量分数在,0.7,以上，硬度高，如,T8A,、,T10A,、,T12A,。,四、合金钢,在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。,1,、合金结构钢, 低合金结构钢,16Mn,代替,Q235,作建筑、桥梁材料。,20CrMnTi,经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好的韧性，作汽车变速箱齿轮。,4,2,黑色金属材料,（,2,）机械制造用钢,中碳合金钢,40Cr,代替常用,45,钢作重要的轴等机械零件。,高合金钢,60Si2Mn,代替,65Mn,作重要弹簧。,滚动轴承用钢,Gr15,用于制造常用滚动轴承,。,2,、合金工具钢,（,1,）刃具钢,高速钢 用作加工刀具，钻头、各类铣刀。,刀具用钢 用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。,（,2,）模具钢 用作热 、泠模具，如,Cr12,、,5CrMnMo,。,（,3,）量具钢 如游标卡尺、千分尺。,3,、特殊性能钢,（,1,）铬不锈钢 既能防锈又有一定强度的耐腐蚀零件，如弹簧、医疗器械。,铬镍不锈钢 耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。,（,2,）耐热钢 用作锅炉材料，如,42Cr9Si2.,(3 ),耐磨钢 用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢,ZGMn13,。,铸铁的含碳质量分数大于,2.11,。,铸铁按其特性分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。,1,、灰铸铁,在工业中应用最广，用汉语拼音,HT,表示。如,HT150,、,HT200,。力学性能低，铸造性能好，切削性能好，减振性能好。,2,、球墨铸铁,高强度的铸铁，机械性能接近钢，如,QT400-15,表示最小抗拉强度为,400MPa,。,五、铸铁,铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。,3,、可锻铸铁,不是可以锻造的铸铁，俗称马铁。如,KTH330-08,表示最小抗拉强度为,330MPa,。,此外，铸铁还是炼钢的生产原料,4,3,铁碳合金状态图分析,铁碳合金状态图又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。反映钢铁黑色金属中铁和碳元素，随着温度和含碳质量分数变化时，内部组织的变化状态。,一、简化的,Fe-Fe3C,状态的特征,见图,4,8,1,、特性点,A,、,G,、,C,、,E,、,S,点,2,、特性线,ACD,线、,AECF,线、,ECF,水平线、,ES,线、,GS,线,3,、相区,ACD,线以上、,AESGA,、,GPQ,、,DFK,4,2,钢的热处理,钢的热处理目的是提高工件的力学性能，满足使用条件，延长使用寿命。热处理的方法简单、方便、效果好，要求的设备也不复杂，所以具备较高的使用价值，应用很广。,热处理的方法分为普通热处理，表面热处理和化学热处理三种。,一,.,普通热处理,普通热处理有,“,四火,”,，,1,、退火与正火,共同点都是将钢加热到一定的温度，如,45,钢加热温度到,820,。但冷却的方式不同，退火是采用缓慢冷却，如埋入沙、灰中或随炉温逐渐冷却，,以消内部应力,；正火是将工件暴露在空气中冷却。相比之下，正火冷却的速度要快，目的是要得到细化的组织结构，工件的硬度和强度较退火处理高，一般正火适用于提高低碳钢的硬度。,4,2,钢的热处理,2,、淬火,目的是提高材料的硬度和强度,，只能适用于中碳钢或高碳钢工件。如,45,钢加热到,830,左右，快速放入水、油或盐溶中冷却，使工件的温度快速冷却而得到较高的硬度、强度，是一种常用的重要的热处理方法。,钢中含碳质量分数的高低，决定了淬火后工件的硬度大小，含碳质量分数越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火温度过高，将会使工件产生裂纹。,3,、回火,消除淬火时产生的内应力,，按回火温度分成三个：,（,1,）低温回火,150,250,度,（,2,）中温回火,250,500,度,（,3,）高温回火,500,650,度,4,2,钢的热处理,淬火后高温回火称为调质,，是合金钢常用的一种提高材料力学性能的有效方法。,二、钢的表面热处理,表面热处理仅处理工件表面,，对工件的芯部不作处理，保持其原来的特性。一般应用在工件表面需要具有较高的硬度，而芯部又要有较高的韧性，如齿轮传动的齿面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齿根和齿轮芯部要有较好的韧性，可以承受较大的抗弯曲能力。齿轮的材料常选用,45,钢，对齿面进行表面热处理。如果选用低碳合金钢表面渗碳处理，提高齿面的含碳质量分数后再做表面处理是最好的选择。如矿山用的大型载重汽车为了提高齿轮芯部的韧性，采用,20CrMnTi,低碳合金钢先作渗碳，后表面淬火的工艺。,4,2,钢的热处理,1,、火焰加热淬火,设备简单，但受热不匀，生产效率低，质量不稳定。,2,、高频加热淬火,效率高、质量稳定。在几秒钟内齿面迅速加热到淬火温度，后均匀喷洒冷却水使表面硬度达到预定值。如铁道钢轨两端表面的淬火,3,、表面化学处理,通过改变化学成分来处理工件表面的方法，如渗碳、氮化、发黑或发蓝，起到防锈的效果。,表面化学处理的深度较小，如渗碳,6,小时左右，才能达到,0.2mm,的深度。渗碳需要有专用的渗碳炉，工艺较为复杂，所需的时间较长。氮化的方法与渗碳相似，只是参与化学处理的元素不同而已。在表面处理中，渗碳比氮化应用较广。,4,3,有色金属材料,除黑色金属以外的其他金属都称为有色金属，由于其特殊性质，在工业上得到广泛的应用，常用的有色金属以铝、铜及其合金。钛及其合金的重量较轻，又有其特殊的性能，在工业上的应用也越来越广，但是价格较高。,一、铝及铝合金,1,、铝,铝金属在生活中应用很广，如建筑上用的铝制窗口、飞机外壳等，其显著特点是重量轻、不生锈。,2,、铝合金,在纯铝中加入合金元素而成，比纯铝的性能好。铝合金中通过加入不同的元素来改变其强度等力学性能，常用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。,（,1,）形变铝合金,由铝锭加工成各种形状材料，如铝板、铝管和各种异型材料。,4,3,有色金属材料,不同的元素来改变其强度等力学性能，常用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。,二、 铜及铜合金,在工业上有广泛的用途，主要特点是导电、导热性好，塑性好。,1,、铜,纯铜常用来制作导电产品，如电线、电接触开关及油管等。,2,、,铜合金,在纯铜中加入适量的锌、锡、铅、硅等。按元素成分的不同分为黄铜、青铜和白铜，一般制成型材，如,（,2,）铸造铝合金,通过铸造成型的铝制零件，如摩托车的内燃机外壳缸体、汽车活塞体等。应用于形状结构较为复杂的零件中，硬度和强度比变形铝合金好。铝合金中通过加入,4,3,有色金属材料,板材、管材和棒料，,铜合金较多地应用作机械零件，但是由于价格较高，常用于制作蜗轮的轮齿和,各种,滑动轴承的轴瓦。,学生应记住黄铜的牌号，如,H70,表示含铜量为,70%,的铜合金。如有其它合金材料，常在,H,的后面标注上，如,HMn58-2,表示含锰的黄铜。而常用作轴瓦材料的铸造铜合金为,ZCuSn10P1,，其中,ZCu,表示铸造铜，其中,Sn10,和,P1,分别表含锡量和含磷量分别为,10%,和,1%,。铜合金用于制造轴瓦和蜗轮齿面主要是利用其良好的耐磨性、散热好及适应性。同时由于与蜗轮相啮合蜗杆和与轴瓦相配合的轴都选用钢,4,3,有色金属材料,三、轴承合金,为了改善滑动轴承轴瓦的性能，在轴瓦表面上铸上一层金属衬，以提轴瓦的磨合能力、减磨性，称该金属衬为轴承衬。,“,衬,”,是很薄的一层材料。,轴承合金也称之为巴氏合金。巴氏合金是以锡、铅或铝为基体，加入其他金属元素制造而成，通常呈现为白色。无论是哪一种材料的巴氏合金，都是通过铸造的方法铸到轴瓦上的，所以其牌号前均有,“,Z,”,表示。铸造后的轴瓦还需经过切削加工和刮研工序才能使用。常见的牌号有：锡基轴承合金,ZSnSb11Cub,；铝基轴承合金,ZPbSb10Sn16Cu2,和铝基轴承合金等。,4,3,有色金属材料,四、钛及钛合金,钛属于稀有金属，,其金属具有记忆功能，且质量很轻，熔点高，常用于制作航天零件，在通用机械中应用较少。,4,4,非金属材料,在工业上应用很广，可代替金属材料，常见的非金属材料有工程塑料、复合材料和新型材料等。,一、工程塑料,在许多结构形状复杂的零件中，工程塑料应用最多，工程塑料具有重量轻，可制作成各种形状，且用模具大量成批生产、价格低廉等优点。如汽车零件中，有,10%,的零件是用工程塑料制成的。在日常生活中也离不开工程塑料的应用，如手机、电脑、电话、灯具等。工程塑料的名称较难记忆，应了解常用代号，如,PC,、,PPR,、,ABS,、尼龙等都是比较常用的。如表,4,4,。,4,4,非金属材料,二、复合材料,复合材料是多种材料复合而成，如建筑上用的复合钢板，外表面是喷涂的钢板，里面是一层很厚的保温层；可随意弯曲的铝塑管、铝塑板等。,复合材料将各种材料的优点集合成一体，如铝塑管作自来水管，其内壁光滑，铝材料不与水形成污垢，可延长水管的使用寿命，同时容易弯曲，便于安装。复合材料的许多优点是单一材料所没有的，如用丁基复合橡胶制作的内胎可以保持三个月以上不用加气，而天然橡胶制成的内胎只能使用,10,天左右，就得补充气体。所以复合材料的应用越来越广。,4,4,非金属材料,4,4,非金属材料,三、新型工程材料,新型工程材料的开发与应用，推动了科学的发展与进步，如半导体元件的发明与应用，使人们进入了电脑的时代。新型材料的发明和应用，将推动了科学技术的快速发展。,1,、形状记忆合金,如形状记忆合金弹簧,2,、纳米材料,如纳米领带 纳米隔热玻璃,3,、超导材料,如磁悬浮列车,4,4,非金属材料,