第3章机械工程材料

第3章机械工程材料金属材料的性能3.1常用金属材料3.2钢的热处理3.3常用非金属材料3.4新材料简介3.5企业现场参观、材料选用调查3.6现代材料种类繁多，在机械工程上常用的材料有金属材料和非金属材料。为了正确选择和使用工程材料，我们必须熟悉常用工程材料的分类、牌号、性能、用途和热处理等基础知识，并及时了解新材料的性能和用途。3.1金属材料的性能3.1.1金属材料的物理性能金属材料的物理性能是金属固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。1．密度密度是指单位体积金属的质量，其单位为kg/m3。根据密度的大小，金属材料可分为轻金属（密度小于4.5×103kg/m3）和重金属（密度大于4.5×103kg/m3）。密度是金属材料的特性之一，与材料的使用和监测等都有关系，通过测量金属的密度可以鉴别金属和确定铸件的致密程度。在航空工业和汽车工业中，为增加有效载重量，密度是选材需要考虑的重要因素。2．熔点熔点是指金属或合金从固态向液态转变时的温度，其单位一般用摄氏温度（℃）表示。金属都有固定的熔点，合金的熔点取决于它的成分。熔点对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。3．导热性导热性是指金属材料传导热量的能力。导热性的大小通常用热导率来衡量，热导率的单位是W/(m·K)。导热率大表示金属的导热性好，一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好，纯金属的导热性比合金好。金属导热性最好的是银，其次是铜和铝。4．导电性导电性是指金属材料传导电流的性能。衡量金属材料导电性能的指标是电阻率ρ，电阻率的单位是Ω·m，电阻率越小，金属导电性越好。金属导电性最好的是银，其次是铜和铝。工业上常用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝等用于制造仪表零件或电热元件，如电热丝等。5．热膨胀性金属材料在受热时体积会增大，冷却时体积则收缩，这种现象称为热膨胀性。常用线膨胀系数1表示热膨胀性，亦即温度变化1℃时，材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。6．磁性金属材料导磁的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料（如铁、钴等）、顺磁性材料（如锰、铬等）和抗磁性材料（如铜、锌等）3类。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768℃以上转变为顺磁体。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机和测量仪表等；抗磁性材料则可用于制作要求避免电磁场干扰的零件和结构。3.1.2金属材料的化学性能1．耐腐蚀性耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。2．抗氧化性抗氧化性是指金属材料抵抗氧化作用的能力。3．化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。3.1.3金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能，是材料抵抗外力的能力。力学性能指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。1．强度2．塑性3．硬度4．韧性5．疲劳强度小结常用金属材料的力学性能指标，如表3.1所示。3.1.4金属材料的工艺性能1．铸造性能2．锻压性能3．焊接性能4．切削加工性能5．热处理性能3.2常用金属材料现代金属材料种类繁多。常用的金属材料有碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属和硬质合金等。3.2.1碳素钢1．碳素钢的分类碳素钢的分类很多，常用的分类方法见表3.2。2．碳素结构钢碳素结构钢根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。（1）普通碳素结构钢常用普通碳素结构钢的牌号、特性和用途等如表3.3所示。（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的部分牌号、性能和应用如表3.4所示。3．碳素工具钢碳素工具钢是用来制造刃具、量具和模具及其他工具的钢。这些工具都要求高硬度和高耐磨性，因此，碳素工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，一般属于高碳钢，有害杂质元素（S、P）含量较少，都属于优质钢和高级优质钢。碳素工具钢的牌号、性能和用途如表3.5所示。3.2.2合金钢随着工业生产和科技的不断进步，对钢材的某些性能提出了更高的要求。所谓合金钢是为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。合金元素是通过与钢中的铁和碳发生作用，以及合金元素之间的相互作用，从而影响钢的组织和改善钢的热处理性能等，以满足各种使用性能的要求。1．合金钢的分类合金钢的分类方法很多，常用的分类如表3.6所示。2．合金结构钢合金结构钢按用途可分为低合金结构钢和机械制造用钢两大类。（1）低合金结构钢（2）机械制造用钢3．合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善其性能，再加入适量的合金元素的钢。这种钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。4．特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。3.2.3铸铁铸铁是含碳质量分数大于2.11%，并含有硅、锰、硫、磷杂质元素的铁碳合金。铸铁具有良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性及消振性，经合金化处理后具有良好的耐热性和耐蚀性等，生产简单、价格便宜。但铸铁塑性、韧性较差，一般的铸铁抗拉强度较低，因此，铸铁一般用于形状复杂不能用锻造、轧制、拉丝等方法成形的零件。3.2.4有色金属及合金有色金属是指除钢铁材料以外的其他金属材料，如铝、铜、镁、锌、铬等金属及其合金。1．铝及铝合金（1）铝和铝合金的性能特点和牌号①铝和铝合金的性能特点。铝是一种具有良好导电性、导热性和延展性的轻金属。铝的导电性仅次于银、铜，具有很高的导电能力，被大量用于电气设备和高压电缆，如今铝也广泛应用于制造金属器具、体育设备及工具等。纯铝是银白色金属，主要特性是密度小，强度低，不适宜作结构材料，如加入适量的铜、镁、锰等合金元素而形成铝合金，则可提高强度，且仍具密度小、导热性好、耐蚀性好等特点。②铝和铝合金的牌号。（2）铝和铝合金的分类和用途①纯铝，纯铝按纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝3类。②铝合金。2．铜及铜合金铜元素在地壳中储量较小，它是人类史上应用最早的金属。由于铜和铜合金具有良好的导热性、导电性、抗磁性、耐蚀性和工艺性，故在仪表工业、电气工业、机械制造业和造船业中应用广泛。现代工业上使用的铜及铜合金主要有工业纯铜、黄铜和青铜，白铜应用较少。（1）工业纯铜（2）铜合金常用铜合金的牌号及应用情况如表3.15所示。3．轴承合金在滑动轴承中，制造轴瓦或内衬的合金称为轴承合金。3.2.5硬质合金随着现代制造业水平的不断提高，要求机器的切削速度不断提高，不少刀具的刀刃部分工作温度已超过700℃，一般高速工具钢已很难胜任，这时就要采用硬质合金。3.3钢的热处理热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。我们把材料和形状完全相同的两把斧头（钢制），用同样的力砍到一木制包装箱的钉子上，发现右边的那把斧头的刀刃坏了，而左边一把却完好无损（见图3.2）；我们把材料和形状完全相同的两根弹簧，让它们受到同样的压力，去掉压力以后，发现一根能恢复原状，仍有弹性，而另一根不能恢复原状，是没弹性了？图3.2斧头受力刀刃的变化3.3.1退火与正火1．钢的退火退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的如下。（1）降低硬度、提高塑性、改善切削加工和压力加工性能；（2）细化晶粒、改善内部组织和性能；（3）为以后的热处理作准备。根据钢的成分和退火目的的不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等。2．正火正火是将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。3.3.2钢的淬火淬火是将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是得到马氏体或贝氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。淬火常见的冷却介质有水、盐水和矿物油。3.3.3钢的回火回火是将淬火钢重新加热到低于727℃的某一温度，保温一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺。回火的目的如下。（1）消除残余应力，防止变形和开裂；（2）调整工件硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；（3）稳定组织与尺寸，保证精度；（4）改善和提高加工性能。3.3.4钢的表面热处理在冲击载荷、扭转载荷及表面摩擦条件下工作的零件，如齿轮、凸轮、曲轴、活塞销等，它们要求表面具有很高硬度和耐磨性，而心部需要足够的塑性和韧性。在这种情况下，若采用前述的热处理方法，很难满足要求，这就需要进行表面热处理。3.3.5典型零件热处理分析热处理是机械制造过程中的重要工序。正确理解热处理的技术条件，合理安排零件的加工工艺路线，对于改善钢的切削加工性能、保证零件的质量、满足使用要求，具有重要意义。1．热处理的技术条件的标注2．热处理工序位置安排（1）预先热处理（2）最终热处理①淬火件工序位置分整体淬火件和表面淬火件两种。整体淬火件加工路线一般为下料—锻造—退火（或正火）—粗加工、半精加工（留磨削余量）—淬火、回火（低、中温）—磨削。表面淬火件加工路线一般为下料—锻造—退火（或正火）—粗加工—调质—半精加工（留磨削余量）—表面淬火、低温回火—磨削。②渗碳件加工路线一般为下料—锻造—正火—粗加工、半精加工（留防渗余量和镀铜）—渗碳—淬火、低温回火—磨削。3.4常用非金属材料3.4.1高分子材料1．塑料塑料是以树脂（天然、合成）为主要成分，加入填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂、润滑剂等制成的。常用的工程塑料的分类、特性和应用如表3.20所示。分类方法类别主要特性应用按应用范围通用塑料产量高、用途广、价格低用于制造日常生活用品、包装材料和工农业生产用的一般机械零件；常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等工程塑料在工程技术中作结构材料。具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射等特殊性能可部分代替金属，特别是有色金属来制作某些机械构件或某些特殊用途的构件；常用的有聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、ABS、有机玻璃等特种塑料耐高温、产量小、价格贵具有特殊性能和特种用途，如耐高温塑料、医用塑料等按热性能分类热塑性塑料由聚合树脂加入少量稳定剂、润滑剂制成。加工成型简单、力学性能较高，但耐热差、刚性差常用的有聚酰胺（尼龙）、聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚苯乙烯等热固性塑料大多以缩聚树脂为基础，加入各种添加剂而成。耐热性高，受热不易变形，但力学性能差常用的有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等表3.20常用的工程塑料的分类、特性和应用2．橡胶橡胶是一种有机高分子材料，是以生胶为主要原料，加适当的硫化剂、软化剂、填充剂等制成。橡胶具有弹性好、易挠曲、绝缘性好、耐磨性好的优点，有隔音、吸振能力，有一定的耐蚀性和强度，但易老化，可加入防老化剂以延长和减轻老化。常用橡胶的分类、特性和应用如表3.21所示。分类方法类别主要特性及应用按生胶来源天然橡胶属于天然树脂，是从橡胶树的浆汁中制取的。它的抗拉强度与回弹性比多数合成橡胶好、绝缘性好，但耐热性、抗老化性、耐介质性等较差。一般作胶带、电线、电缆和轮胎等合成橡胶是从石油、天然气、煤和农副产品中提炼制得的合成产物，可以代替天然橡胶。常用的有氯丁橡胶、丁苯橡胶、聚氨酯橡胶等按应用范围通用橡胶常用的有天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等特种橡胶能在特殊条件下（如高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的橡胶；常用的有乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶等表3.21常用橡胶的分类、特性和应用3．胶粘剂胶粘剂（粘接剂），它能把同种或不同种的材料牢固黏合起来。常用胶粘剂的分类、特性和应用如表3.22所示。类别名称用途天然胶粘剂天然胶粘剂如松香等，应用范围不如合成胶粘剂合成胶粘剂环氧胶粘剂（又称万能胶）广泛应用于船舶、机械、电子仪表、化工、宇航工业等聚氨酯胶粘剂（又称乌利当）用于液氮等低温设备的粘接特种胶粘剂电子工业、宇航中具有特殊性能要求的零部件的胶接表3.22常用胶粘剂的分类、特性和应用3.4.2陶瓷材料陶瓷是以天然硅酸盐或人工合成无机化合物为原料，用粉