第六章机械工程材料140-159

140第六章机械工程材料知识目标1、掌握金属材料的使用性能和工艺性能；2、了解钢铁材料的分类，掌握非合金钢、合金钢、铸铁和铸钢的分类方法、牌号及应用；3、掌握热处理的一般原理及热处理工艺在实际生产中的应用；4、掌握有色金属材料、非金属材料的分类及应用。材料种类繁多，在机械工程商常用的材料有：钢铁材料、有色金属和非金属材料。各种材料的性能不同，用途也不同。因此，为了正确的选择和使用材料，必须掌握和了解材料的分类、牌号、性能、应用范围及热处理等基本知识。§6—1金属材料的性能材料是机械的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。一、金属材料的物理性能金属的物理性能是金属所固有的属性，包括密度、熔点、导热性、热膨胀性、导电性和磁性等。1．密度金属的密度即是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和重金属。密度小于4.5kg/cm3的金属叫做轻金属，如铝、钛等。密度是金属材料的一个重要物理性能，与材料的使用和检测等都有关系。例如，在航空工业和汽车工业中，为了增加有效载重量，密度是需要考虑的重要因素。2．熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有其固定熔点。如铅的熔点为323℃，刚的熔点为1538℃。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金都非常重要。易熔金属及合金可用来制造熔断器和防火安全阀等零件；难熔金属及合金则用来制造要求耐高温的零件，广泛用于飞船外壳、火箭、导弹、燃气轮机和喷气式飞机等耐高温零件。熔点低于1000℃的金属称为低熔点金属，熔点在1000~2000℃的金属称为中熔点金属，熔点高于2000℃的金属称为高熔点金属。3．导热性金属材料传导热量的能力称为导热性，一般用热导率（导热系数）λ表示金属材料导热性能的优劣。热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。4．热膨胀性141金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。常用线[膨]胀系数αl表示热膨胀性。如铁在0~100℃时αl=11.76×10-6℃-1，即温度升高1℃铁增加11.76μm/m。在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。5．导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、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、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。6．磁性金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表的零件等；无（顺）磁性材料可用作要求避免磁场干扰的零件。二、金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现出的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。1．耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。腐蚀对金属材料危害很大，每年都有大量的钢铁被锈蚀。严重时还会使金属构件遭到破坏而引发重大恶性事故，特别是在腐蚀介质中工作的金属材料制件（如制药、制酸、制碱等化工设备），必须考虑金属材料的耐腐蚀性能。2．抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢铁在锻造、热处理、焊接等加热作业时，会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，长在其周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。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。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。三、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力作用下所表现出来的性能。力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。1．强度强度是金属材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗能力越大，则强度越高；强度越高的材料越能承受较大的外力而不变形和破坏。由于材料承受载荷的方式不同，其变形形式也不同，所以材料的强度又分为抗拉、抗压、142抗扭、抗弯、抗剪等的强度，其中最常用的是抗拉强度或强度极限σb。强度极限σb可以通过拉伸试验测定。σb表示材料在拉伸条件下所能承受的最大应力，是机械设计和选材的主要依据之一。2．塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率Ψ来表示。δ、Ψ值越大，表示材料的塑性越好。材料具有塑性才能进行压力加工，如汽车外壳、不锈钢用品等。塑性好的材料制成的零件在使用时也较安全。3．硬度硬度是衡量金属材料软硬的一个指标。一般认为，硬度是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，是金属材料表面抵抗变形或破坏的能力。它是材料塑性、强度等性能的综合体现。在生产上最常用的硬度有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）和维氏硬度（HV）。布氏硬度用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢以及结构钢调质件的硬度；洛氏硬度应用最广，常用于测定工件的表面硬度，如淬火钢；维氏硬度由于测试手续较繁、应用较少。三种硬度之间没有换算关系，但有对照表可参考。4．韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为韧性。材料的冲击韧性一般在摆锤冲击试验机上进行测试，测得试样在冲断时断口单位面积所消耗的冲击吸收功，称为冲击韧度或冲击值，常用aK表示，其单位为J/cm2。aK值越大，冲击韧度越高。5．疲劳强度金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验，一般试验时规定，钢在经受107次、有色金属经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环变化时，所得的疲劳强度用σ-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性，所以要选择抗疲劳强度较好的材料来制造承受交变载荷的机器零件，如轴、齿轮、弹簧等。四、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指在各种加工条件下表现出来的适应能力，包括铸造性、锻压性、焊接性和可加工性等。1．铸造性金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能，称为铸造性或可铸性。铸造性能主要决定于金属材料熔化后金属液体的流动性、冷却时的收缩率等。不同的金属材料，其铸造性差异较大。常用金属材料中，灰铸铁具有优良的铸造性能，铸钢的铸造性低于铸铁。铸造铝合金和铸造铜合金的铸造性也较好。2．锻压性金属材料能否用锻压方法制成锻压件的性能，称为锻压性或可锻性。锻压性一般与材料的塑性及其塑性变形抗力有关。在一般情况下，材料塑性好，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，高碳钢则较次。低合金钢的锻压性近似于中碳钢，高合金钢的锻压性比碳钢差。3．焊接性金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性或可焊性。143它取决于焊缝是否产生裂纹气孔等缺陷。焊缝接头有一定的力学性能。低碳钢有较好的可焊性，高碳钢较差，铸铁则更差。铜、铝合金的可焊性一般比碳钢差。4．可加工性金属材料切削加工的难易程度称为可加工性或切削加工性。可加工性好的金属材料，在切削加工时刀具磨损小，加工表面好。一般认为，硬度过高或过低的金属材料，其切削加工性能较差。切削时切屑易于折断，也表明材料切削加工性好。§6—2钢铁材料钢铁材料是钢和铸铁的统称。钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2%通常是钢和铸铁的分界线。根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。一、非合金钢（碳素钢）非合金钢也称碳素钢或碳钢，是含碳量wC小于2%的铁碳合金。它还含有少量的硫、磷、锰、硅等杂质，其中硫、磷是炼钢时由原料进入钢中，炼钢时难于除尽的有害杂质。硫有热脆性，磷有冷脆性。锰、硅是在炼钢时加入脱氧剂时带入钢中的，是有益元素。1.碳素钢的分类碳素钢有多种分类方法，常用的分类方法有三种：（1）按钢的含碳量分类低碳钢：含碳量wC≤0.25%。中碳钢：含碳量wC＞0.25%~0.6%高碳钢：含碳量wC≥0.6%（2）按钢的质量分类碳钢质量的高低，主要根据钢中杂质硫的质量分数和磷的质量分数来划分。可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。普通钢：wS≤0.035%，wP≤0.035%优质钢：wS≤0.030%，wP≤0.030%高级优质钢：wS≤0.025%，wP≤0.025%（3）按用途分类碳素结构钢：用于制造金属结构、零件。碳素工具钢：用于制造刃具、量具和模具。钢还可以从其他角度来分类，如按脱氧方法不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。2.碳素结构钢凡用于制造机械零件和各种工程结构件的钢都称为结构钢。根据质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。(1)普通碳素结构钢普通碳素结构钢治炼容易，不消耗贵重的合金元素，价格低廉，性能能满足一般工程结构、日常生活用品和普通机械零件的要求，所以是各类钢中用量最大的一类。这种钢的牌号是有代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个144部分顺序组成。①前缀符号Q（屈服强度中“屈”字汉语拼音字母字头）+屈服强度值（单位MPa）。②质量等级符号A、B、C、D级，从A到D依次提高。③（必要时）脱氧方法符号F—沸腾钢、B—半镇静钢、Z—镇静钢、TZ—特殊镇静钢，Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。④（必要时）在牌号尾加产品用途、特性和工艺方法表示符号。如压力容器用钢—R、锅炉用钢—G、桥梁用钢—Q等。例如Q235-A·F，其中“Q”代表屈服点，数值235表示在一定拉伸试验条件下的屈服点值不小于235MPa，“A”表示质量等级为A级，“F”表示脱氧方法即为沸腾钢。这类钢主要用于焊接、铆焊、栓结构件，如铆钉、螺钉、螺母等。这些结构在常温有冲击在和条件下工作，可选用相应牌号的B级钢；在低温有冲击载荷条件下工作或重要的焊接构件可选用C、D级钢。在各牌号钢中，Q235应用最多。（2）优选碳素结构钢这类钢中有害杂质元素S、P较少，质量优良。大多数用于制造重要的机械零件，使用前一般热处理改善和提高其力学性能。它的牌号是以0.01%为单位，用两位数字表示钢中平均含碳量的万分数。例如45，表示平均含碳量为0.45%的钢，称为45钢。如果优质碳素钢中含锰量较高（含锰量在0.7%-1.0%范围内），还应在表明含碳量的两位数字后面，附以汉字“锰”或Mn的元素符号，如20Mn表示平均含碳量为0.20%的含锰量钢，称为20锰钢。优质碳素结构钢的牌号共有31种，其化学成分见下表08~25钢的含碳量低，属于低碳钢。这类钢的强度、硬度较低，塑性、韧性及焊接性能良好，主要用于制造冲压件、焊接结构件及强度要求不高的机械零件、渗碳件，如压力容器、小轴、销子、法兰盘、螺钉和垫圈等。30~55钢属于中碳钢。这类钢具有较高的强度和硬度，其塑性和韧性随着含碳量的增加而逐步降低，切削性能良好。这类钢经调质后，能获得良好的综合力学性能，主要用于制造受力较大的机械零件，如连杆、曲轴、齿轮和联轴器等。60钢以上的牌号属于高碳钢。这类钢具有较高的强度、硬度和弹性，但焊接性能不好，切削性能较差，冷变形塑性差，主要用于制造具有较高强度、耐磨性和弹性