机械工程材料

版权所有,1997(c)DaleCarnegie&Associates,Inc.第六章工程材料前言工程材料是构成机械的物质基础。机械的性能取决于其使用的材料.用于机械制造的材料有上千种,要想在众多材料中作出正确的选择。既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。只有了解这些材料，认识这些材料。6.1材料分类金属非金属复合材料碳钢合金钢铝合金铜合金钛合金钢铁有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料电子材料+++++++++++++++++++++++1.金属的晶体结构金属原子按一定几何规律作周期性的排列，原子间以金属键的形式结合。6.2材料结构及其特性(a)(b)(c)2.常见金属的晶体结构6.2.2金属的塑性变形和再结晶塑性变形对金属组织和性能的影响•强度•硬度•塑性•韧性增加下降加工硬化强化回复与再结晶•回复----加热温度不太高，内应力大部分消除。•强度硬度下降，塑性有所提高。•再结晶---继续升高加热温度，强度硬度显著下降，塑性、韧性明显上升。6.3材料的力学性能材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。工程材料的常用力学性能包括：强度、硬度、塑性、冲击韧度等。是指在外力作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。低碳钢的拉伸曲线6.3.1强度当材料受载荷作用时，单位面积上的内力称为应力(σ)。即：σ=F/A0(MPa)1.弹性极限σe•材料保持弹性变形时的最大应力σe=Fe/A0屈服强度是指材料产生屈服时的最小应力。它表达了材料抗塑性变形的能力。用σs表示。σs＝Fs/A0式中：Fs-s点的最小载荷(N)；A0-试样原始横截面积(mm2)。2.屈服强度3.抗拉强度是指材料所能承受的最大应力。它表征了材料抵抗断裂的能力。用σb表示。σb=Fb/A0式中：Fb-试样在断裂前的最大载荷(N)；A0-试样原始横截面积(mm2)。6.3.2塑性塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是伸长率(δ)和断面收缩率(Ψ)。即：δ=-----·100％；y=----·100％式中：l0-试样原标距长度(mm)；l1-试样拉断后标距长度(mm)；A0-试样原始横截面积(mm2)；A1-试样断裂处的横截面积(mm2)。l0A0A0-A1l1-l06.3.3硬度硬度是指材料的软硬程度。它表征了材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力，也就是抵抗硬物压入或划伤表面的能力。常用的硬度测定方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)等。问题•测量铸钢件（晶粒粗大）、45钢淬火件、铬镀层硬度，应选用哪种方法？布氏硬度(HB)布氏硬度值是指材料压坑单位球面积上的抵抗力。其数值越大，则表示材料越硬。HBS(W)=（kgf/mm2）=N/mm2FA2F×9.8πD(D-√D2-d2材料的硬度洛氏硬度(HR)•洛氏硬度是用压痕深度作为测量硬度的依据。根据压印头和载荷的不同，洛氏硬度分为若干种。常用的有HRA、HRB、HRC。01230123h1h3h2压头被测材料K=0.2材料的硬度•HR=K-h0.002维氏硬度(HV)Hv=------=F/d2×1.8544×9.8(N/mm2)FA6.3.4、冲击韧度冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值aK。即：ak=(J/cm2)式中：W-冲击试样所消耗的功(J)；A-试样缺口处的横截面积(cm2)。WA°3040(a)冲击h试样摆锤H55108551080.2材料的冲击韧度•冲击韧度值：•ak=(J/cm2)•W----冲击试样所消耗的功。•A------试样缺口处的横截面积。WA问题•冲击韧度公式如何在实验拉伸仪表盘刻度指示中体现，请分析解释？6.4金属材料1.碳钢碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳，含量在0.1～1.3%之间。由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元素。碳钢分类碳钢常用的分类方法有三种：1.按碳含量进行分类可分为低碳钢(＜0.25%C)、中碳钢(0.25-0.55%C)、高碳钢(＞0.55%C)。2.按其用途进行分类可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。3.按其质量等级分类可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。由于碳钢成本低，是通常制造各种构件的基本材料。但是，碳钢有以下局限性：•(1)碳钢的强度很难超过690MPa，除非塑性和韧性有明显的下降。•(2)厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织，即不能淬透。•(3)碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。2.合金钢•铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。•合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，抗腐蚀性和抗氧化性也好。合金钢分类1.按合金元素的含量分低合金钢合金元素总含量＜5%中合金钢合金元素总含量5-10%高合金钢合金元素总含量＞10%2.按主要用途分合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢•普碳、优碳、工具钢合金钢的牌号、成分、性能自看10分钟40#、Q295,40Cr,20CrMnTi、T8钢的碳含量和用途？钢铁材料的编号方法（一）•普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。例：Q235A·F•其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母；235表示钢材厚度≤16mm时的屈服点值不小于235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级，F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。钢铁材料的编号方法（二）•优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数，用两位数字表示。例如平均碳含量为0.45%的钢，其牌号表示为45。高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。钢铁材料的编号方法（三）•碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例如：T10钢表示平均含碳量为1.0%的碳素工具钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一个“A”字，如T10A。钢铁材料的编号方法（四）•合金钢编号方法用汉字或化学元素符号代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位，用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含量以千分之一为单位，用一位数字表示。合金元素以百分之一为单位，当含量小于1.5%时，一般不标出含量。例如：牌号为30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高级优质钢。•(2)按主要用途分:•合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢•合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢•特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢•合金结构钢1.普通低合金钢•普通低合金钢是一种含碳量较低(＜0.2%，合金元素总含量一般在3%以下以锰为主要元素的低碳合金钢。主要用于制造桥梁、船舶、车辆、容器、管道和建筑结构件。通常是在热轧成型材经正火状态下使用，不热处理。这类钢的强度显著高于相同含碳量的碳素钢，并有较好的塑性、韧性、焊接性及耐蚀性。•Q295--桥梁，车辆，容器，油罐。2.合金结构钢•合金结构钢含碳量为中碳，合金元素总含量较高，力学性能好，应用广泛。一般都要经过热处理，以充分发挥其性能。40Cr--重要调质零件．如齿轮、轴、曲轴、连杆、螺栓等，表面淬火HRＣ48-556.4.3有色金属除钢、铸铁之外的金属叫有色金属。工程中常用的有色金属有铝、铜、镁、钛金属及其合金等。有色金属材料（一）•铝合金•比重小，比强度高。•在空气中的抗蚀性好。•容易加工。用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱翼梁、螺旋桨叶、起落架等。也常用于汽车、摩托车、家用电器、建筑等。有色金属材料（二）•钛合金•比强度高。•抗蚀性好。•耐高低温。•难加工。•价格昂贵。航空航天中，应用广泛。用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零部件。如发动机压气机盘、叶片，蒙皮等。液体燃料火箭的储氢罐也是钛合金制造的，其工作温度为-253℃。许多民用领域如氯碱化工业及海水用泵、阀、管道、换热器、冷凝器等，也广泛采用钛合金，并取得了良好的经济效益。有色金属材料（三）•铜合金•机械性能好•摩擦系数小•在空气环境下具有良好的抗蚀性。•容易加工。滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件。有色金属的编号方法（一）变形铝合金：1.防锈铝合金LF：LF12.硬铝合金LY：LY113.超硬铝合金LC：LC94.锻造铝合金LD：LD5铸造铝合金：ZALSi12含硅12%的铸造铝合金。代号：ZL102有色金属的编号方法（二）铜合金：1.紫铜（纯铜）T1，T2，2.黄铜：铜锌合金。H623.青铜：其他铜合金。QSn10-1。比较名称密度（g/cm2)比强度（单位密度下材料的强度）Al2.7500-700/2.7Ti4.511200/4.51Mg1.74250-300/1.74钢7.85700-1200/7.85铸铁•铸铁是含碳量在2.11%以上，并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。•常见铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、合金铸铁和球墨铸铁。•灰口铸铁应用较多，其的抗拉强度比钢低得多，但是铸铁中有石墨，能有效地吸收震动能量。因石墨有润滑作用，使铸铁有良好的耐磨性和减磨性。铸铁价格便宜，好加工。6.5非金属及复合材料高分子---分子量特别大的一类化合物，高分子的分子量高达几万-上百万。一个高分子中包含成千上万个原子，原子之间以共价键连接。天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。酚醛塑料-1907年问世的第一个高分子材料。高分子的化学组成：1组成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等2以许多简单的重复单元连接例：聚乙烯CH2-CH2-CH2-……….重复单元-CH2-CH2-也叫做链节高聚物的力学状态线形非晶态高聚物的热机械曲线1.塑料-塑料是由聚合物为基础添加各种助剂而成的混合体系。塑料组成•树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其它组分，对塑料的性能起决定性作用。•填充剂：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以显著地降低成本。•增塑剂:增加材料塑性。•固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。•稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。•其它诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等.塑料分类•通用塑料、工程塑料、功能塑料•通用塑料-产量很高、价格低廉、应用范围很广泛。•聚乙烯（PE）（CH2-CH2)（结构单元）•聚氯乙烯（PVC）CH2-CH（结构单元）Cl•聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。工程塑料•工程塑料-强度、刚度和韧性好，耐高温、耐辐照、耐腐蚀，能在机械设备和工程结构中应用的一类塑料。•OH•聚酰胺CN尼龙•聚甲醛、聚碳酸脂•ABS塑料-丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S的三元共聚物。2.橡胶橡胶-在宽阔的温度范围内有良好高弹性的高分子材料。由柔性高分子量线形高分子链，经硫化组成，HCH3HHCCCCHSSH它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的弹性材料、密封材料和减震材料。橡胶组成•(1)生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业用橡胶材料。•(2)硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是硫磺。•(3)软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度，常用的是凡士林等油酯类。•(4)补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果最好的补强剂是碳黑。•此外还有硫化促进剂、填充剂、防老化剂、着色剂等。橡胶分类•橡胶种类繁多，若以原料来区分，有天然橡胶与合成橡胶，按合成橡胶性能及用途又可分为通用橡胶及特种橡胶。几种橡胶的性能•丁苯橡胶δ：400-500%•氯丁橡胶δ：100-800%•硅橡胶δ：600%•金属δ：10%6.5.3陶瓷属于无机材料。由金属元素和非金属元素通过化合键结合在一起。Al2O3TiO2CaF2常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶(晶须)、