机械零件的常用材料特性及应用

机械零件的常用材料特性及应用机械制造中最常用的材料是钢和铝合金(有色金属材料)。非金属材料如塑料、橡胶等。世纪方舟——李志锐机械工程材料金属材料非金属材料黑色金属钢有色金属铸铁合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金一、金属材料1.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁常用金属材料钢铜合金----含碳量2%----含碳量≤2%铁碳合金特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。选用原则：优选碳素钢(A3.S45C)，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢,特殊硬度可以选合金工具钢（Cr12).一、金属材料铸铁常用金属材料铜合金----含碳量≤2%热处理方式：退火、正火、淬火和回火四种基本工艺，俗称金属热处理的“四把火”。1.退火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。2.正火：是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。3.淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。(S45C可以达到42-50HRC,Cr12可以达到52-60HRC)4.回火：是为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火金属热处理方式表面处理：鍍Cr高硬度,耐磨性,耐蝕性鋼/銅及合金鍍Ni耐蝕性,穩定性鋼/銅及合金鍍Zn防腐性,不脫落銅發藍防蝕性鋼染黑防蝕性鋼陽極處理防蝕性,防氧化鋁2.选材原则——材料的经济性总成本=材料本身价格+加工费+其他（运费、安装费等）•降低成本，就近取材；•考虑材料生产、供应情况；•选材少而集中，便于采购和管理从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能、生产成本。3.不同用途下的選材外部構造用材料轴用材料齿轮用材料凸轮用材料滑动用材料外部構造用材料要求:經濟性/充分強度/耐蝕性/耐疲勞性/耐衝擊性/良好吸震性/易加工性選用铸铁FC(考慮成本時用,另吸震性最佳)A3(用途最廣之一般經濟材料)S45C(較A3性能略佳,价格略高)SUS304(最佳耐蝕性,但昂貴,難加工)轴用材料要求:充分強度/耐磨性/耐疲勞性/充分硬度/充分橈度選用一般用軸材料(A3/S10C/S45C)強力用軸材料(SNCM240(价高)/42CrMo)齿轮用材料要求:充分強度/耐磨性/充分硬度/耐衝擊性/易加工性選用高周波淬火處理材料(S45C/42CrMo)滲碳淬火處理材料(42CrMo)氮化處理材料(42CrMo)凸轮用材料要求:耐磨性/充分硬度/良好吸震性/易加工性/易熱處理性選用鑄鐵FC(考慮成本時,低中速、小負載時)高周波淬火處理材料(S45C/42CrMo)滲碳淬火處理材料(SCM415)氮化處理材料(42CrMo/SCr440)滑動用材料要求:耐磨性/充分硬度/易加工性/易熱處理性/導熱性選用考慮成本時(S45C)考慮韌性時(SCM440/SK2)考耐磨性時(SKS3/SKD11/SKH61)特点：防锈铝(抗蚀性、压力加工性与焊接性能好，但强度较低)硬铝（力学性能高）超硬铝（硬度强度最高）锻铝(锻造性能好.耐热性能好)型材(铝型材比别的常用金属密度小，质量轻)2.铝合金：防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝、型材等。3.铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料1.橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。2.塑料以功能來分:依其機械、電氣、熱學及其他性質功能來分。1)泛用塑膠：通常以美觀及低功能使用要求，為訴求重點。如：PE、PVC、PMMA、ABS2)工程塑膠：常用以取代鋁、鐵等金屬鑄造及高功能要求的精密零件上。如：POM、PBT、NYLON﹑PC3)高級工程塑膠：運用於特別要求之電子精密零件。如：LCP、PES、PEEK、PEI•成分：苯乙烯改性聚甲基丙烯酸甲酯•优点：透明性极好,机械强度较高,有一定的耐热,耐寒和耐气候性，耐腐蚀，绝缘性良好，综合性能超过聚苯乙烯(PS)•缺点：质脆，易溶于有机溶剂，如作透光材料，其表面硬度稍低，容易擦毛、划伤。缺口冲击强度底，易产生应力开裂，•用途：减摩零件传动零件管件、骨架、外壳仪器仪表外壳常用塑胶材料-PMMA•成分：聚甲醛（俗称赛钢）•优点：有优异的机械性能，尤其是弹性模量很高，刚性和表面硬度都很高，其他塑料所不能比拟的。冲击强度及耐疲劳强度都十分突出，为所有塑料之冠。具有卓越的耐磨性和自润滑性，仅次于尼龙。耐有机溶剂。•缺点：收缩率大，热稳定性差，易分解老化。•用途：可代替大部分有色金属、汽车、机床、仪表内件、轴承、紧固件、齿轮、弹簧片、管道、运输带配件、电水煲、泵壳、沥水器、水龙头等.常用塑胶材料-POM•成分：尼龙•优点：坚硬、耐磨、耐疲劳、耐油、耐水、结晶性能很高，具有优良的力学性能，刚度尚逊于金属，但比强度高于金属，可代替金属使用，冲击强度良好比PC、POM低•缺点：热稳定性差，制品一般只能在80-100度下使用•用途：适于制作各种开关、齿轮、家用电器部件、电子设施、大型汽车电子接插件、接线头和手控电动工具部件等常见塑胶材料-PA•成分：酚醛树酯•优点：电木的特性是不吸水、不导电、耐高温、强度高，表面坚硬，质脆易碎，敲击有木板声，多为不透明深色(棕色或黑色)，在热水中不变软。是绝缘体。•缺点：表面坚硬，质脆易碎.机械性能较差，也不耐油和化学腐蚀•用途：适用于PCB业钻孔用垫板、配电箱、治具板、模具夹板、高低压配线箱、包装机、梳子等常见塑胶材料-电木•成分：聚氨脂（简称PU)•优点：聚氨脂弹性体具有耐磨耗、耐化学腐蚀、抗张强度、高弹性、耐高压荷重、耐磨耗强度高、吸震性强、耐撕裂，耐辐射，高强度，高承载和减震缓冲等良好性能。•缺点：内生热大，不耐强极性溶剂和酸碱性介质•用途：重型机械、大型冲压设备的减震垫板、垫块、弹簧，以及做各种金属板、管的冲材模等常见塑胶材料-优力胶二、机械零件的工艺性及标准化一、工艺性零件设计要求使用要求----具备所要求的工作能力；制造要求----制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2)结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4)尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。二、标准化内容：1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、附表常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚10~20材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ235375-46023526d≤162041024525456003551620CrMnTi107983410d≤15