《机械工程材料及其选用》
机械工程材料及其选用
（一）教学目标：
1、了解金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的基本性能
2、初步了解产品的设计、制造与维修时材料的选用问题。
3、查阅相关材料手册和标准
（二）扩展内容：相关材料手册和标准
（三）教学方法：课堂讲授
（四）教学环节及手段:利用课件对一些内容理论讲解、教学。
（五）教学内容
为了合理使各种材料，了解金属及非金属材料的工程性，充分地利用材料的性能，达到提高产品质量的目的。
3.1 金属材料工程性能
使用性能：指材料在使用时所表现出来的特性，如力学性能，物理性能和化学性能。
工艺性能：指材料加工时所表现出来的特性，如热处理性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削性能等。
1 零件破坏的主要形式
（1）变形
零件在外力作用下，其尺寸和形状的改变称为变形。
（2）断裂
断裂是指零件在外力(有时也可能由于内应力)作用下其上某部分与整体断开或者产生影响性能的宏观裂纹现象。
（3）磨损
磨损是指在零件间互相接触并产生相对运动的工作表面，经过工作中的摩擦，在零件表面出现了微观的断裂和剥伤，从而改变零件的尺寸和形状。
（4）金属腐蚀
金属腐蚀是指金属或合金与周围接触的气体或液体进行化学反应而产生损耗的过程。
2 力学性能
(1)强度
(2) 塑性
(3）硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的力学性能。
(4）、韧性
韧性是指材料抵抗冲击载荷的能力。
(5)．线膨胀系数α
由于物体具有热膨胀性，所以一个零件的尺寸在不同温度下会有不同的数值。零件尺寸与温度之间的变化关系可表示如下
（3.3） 3.2 常用的金属材料
.1 黑色金属
(1) 常用工业用钢分类
按化学成分可把钢分为碳素钢和合金钢二大类。
按用途可把钢分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。
钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质合金结构钢、合金工具钢等。
（2）碳素钢
按含碳量分，碳素钢可分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢
按钢的质量分，主要根据钢中所含有害杂质硫、磷的多少而分为：普通碳素
钢 、 优质碳素钢、高级优质碳素钢
按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢
下面简要介绍几种常用的钢。
1） 普通碳素钢
A类钢在机械和仪器制造中用于不重要的零件。B类钢按保证化学成分供应。C 类钢则根据用户要求供应。一般尽量选A类钢。
2）优质碳素结构钢
这类钢生产时必须同时保证钢的化学成分与机械性能。这种钢的产量大，价格相对来说不高，
3）碳素工具钢
这类钢的编号原则是“T”字后面附以数字来表示，数字表示钢的平均含碳量，以0·1％为单位。其牌号有T7，T8，…，T13，T7A，T8A，．．，T13A
（3）合金钢
为了改善钢的性能，专门在钢中加入一种或数种合金元素的钢叫做合金钢。
1）合金结构钢
合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号+数字”表示。两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍，元素符号代表钢中含的合金元素，其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍。
2）合金工具钢
合金工具钢按用途分刃具钢、模具钢和量具钢三类。
① 刃具钢用于制造各种刀具。刀具的硬度必须大大高于被加工材料的硬度时才能进行切削，切削金属所用刀具的硬度一般都在HRC60以上。它的含碳量一般都在0.6～1.5％的较高范围内。
②模具钢
模具钢按使用要求可分为热模具钢(用于锻模、压铸模)和冷模具钢(用于落料模、剪切模、弯曲模)两种。热模具钢常用5CrMnMo和5CrNiMo。冷模具钢常用Crl2、Crl2W、Crl2MoV等。
③量具钢
量具钢要求有一定的硬度及耐磨性，经热处理后不易变形，而且有良好的加工工艺性。块规可用变形小的钢，如CrMn、GCrl5、SiMn等。简单的量具除用T10A、T12A外，还可用9SiCr等。样板、量规可用60Mn、65Mn等量具是机械加工中使用的检测工具，如块规、塞规、样板等。
(4) 特殊性能合金钢
1)不锈钢 在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀性能的钢称为不锈钢，
2)耐热钢 是指在高温条件下具有抗氧化性或不起皮和足够强度的钢。
3)抗磨钢 指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。
(5) 铸铁
铸铁是含碳量大于2．06％的铁碳合金。
2 有色金属
有色金属是指除钢铁(黑色金属)以外的其他金属。粉末冶金材料是指通过粉末冶金的方法制取的材料。
(1) 铜及铜合金
1) 纯铜
纯铜呈紫红色，故又称为紫铜，其密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃。它具有良好的导电、导热性能，
2) 铜合金
按照化学成分不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。
① 黄铜
黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。它的色泽美观，有良好的防腐性能与机械加工性能，强度比起单独的铜和锌都要高。
② 青铜
铜合金中的主要加入元素不是锌而是锡、铅等其它元素者，统称为青铜它又分为普通青铜(锡青铜)和特殊青铜两种。
(2) 铝及铝合金
（1）铝及铝合金
1）纯铝
纯铝呈银白色，是一种轻金属，其密度只有铜的1／3(2.7g/cm2)，熔点低(660℃)，是一种导电性好的金属。
2）铝合金
①防锈铝 其特点是耐蚀性好，塑性好，焊接性能良好，均不能用热处理方法强化，只能用冷变形强化。
②硬铝 这类铝合金主要性能特点是强度大、硬度高。
③超硬铝 与硬铝合金相比，超硬铝合金时效中能产生更多的强化相，强化效果更显著，所以其强度、硬度更高。
④锻铝 这类合金在加热状态下有良好的塑性较好的耐热性和良好的锻造性。进行淬火时效后有较高的强度，其强度和硬度可与硬铝合金相媲美。
⑤铸造铝合金 铸造铝合金多用于制造质量轻、耐腐蚀、形状复杂、要求有一定力学性能的铸件。
3 粉末冶金材料
粉末冶金是一种用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经压制成形和烧结获取金属材料或零件的生产方法，是一种不熔炼的冶金方法。
粉末冶金可以生产多种具有特殊性能的金属材料，如硬质合金、耐热材料、减摩材料、摩擦材料、过滤材料、热交换材料、磁性材料及核燃料元件等，而且还可直接制造很多机械零件，如齿轮、凸轮、轴承、摩擦片、含油轴承等。
(1) 硬质合金简介
硬质合金是将一些难熔金属的碳化物(如碳化钨、碳化钛、碳化钽等)的粉末和起粘结作用的金属钴粉混合、加压成形，再经烧结而制成的一种粉末冶金制品。硬质合金具有高硬度(69～81HRC)、高耐热性(可达900～1000℃)、高耐磨性和较高抗压强度，用它制造刀具，其切削速度比高速钢高4～7倍、寿命提高5～8倍。硬质合金通常制成一定规格的刀片，装夹或镶焊在刀体上使用。
目前常用的硬质合金有下列几种：
1) 钨钴类硬质合金
2) 钨钴钛硬质合金
3) 通用硬质合金
3.3 金属的热处理与表面精饰
1 热处理的概念
根据加热和冷却方法不同，常用的热处理方法大致分类如下：
热处理的方法虽然很多，但任何热处理工艺都是由加热，保温和冷却三个阶段组成，只是工艺要素(温度、时问)上有区别。因此，热处理工艺通常用如图3—10所示的温度一时间为坐标的工艺曲线来表示。
2 金属零件的表面精饰
表面精饰是在金属表面附上一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。通常分 电镀、化学处理和涂漆三种。
(1) 电镀
电镀是应用电解原理在某些金属(或非金属)表面镀上一薄层其它金属或合金的过程。
1) 镀铬 适用于钢件、铜及铜合金件。镀铬层的化学稳定性高，外观颜色好，在潮湿的大气中能保持外观不变。铬层有很高的硬度和耐磨性。镀铬层经抛光后其反射系数可达70%左右。
2) 镀镍 适用于钢、铜及铜合金、铝合金零件。镍具有较高的硬度(略低于铬)和良好的导电性。镀镍层呈黄白色，容易抛光。镍层有抵抗空气腐蚀的作用，也有抵抗碱和弱酸的作用。
3) 镀锌 是一种应用最广泛的电镀，适用于钢、铜及铜合金，镀层具有中等硬度，在大气条件下具有很高的防护性能，但在湿热性地带及海洋蒸气地区，锌层的防腐蚀性能比镉层低
4) 镀镉 适用于钢、铜及铜合金。镉的化学稳定性超过锌，有极强的防腐性能，主要用于直接受海水作用或在饱含海水蒸气的大气条件下工作的零件，也用于零件的外观装饰。但镀镉零件不宜用于含有二氧化硫的大气中。
5) 镀银 镀银层有很高的化学稳定性和良好的导电性。银层抛光后反射率可达90％以上。镀银主要用于铜合金零件。镀银层在氯和硫化物作用下会变黑。
(2) 化学处理
金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。氧化是在零件表面形成该金属的氧化膜， 以保护金属不受侵蚀，并起美化作用；磷化是在金属表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。
1) 黑色金属的氧化与磷化 将零件放入浓碱和氧化剂溶液中加热氧化，使其表
面生成一层厚约0.6～0.8μm的Fe
3O
4
薄膜。
2)铝及铝合金的阳极氧化 铝的氧化膜的化学性能十分稳定，膜层与基体结合牢固，提高了铝及铝合金的耐磨性及硬度，也提高了防腐蚀性能。铝及铝合金的阳极氧化还能染成不同的颜色，纯铝可以染成任何颜色。而硅铝合金只能染成灰黑色。
3)铜及铜合金的氧化 铜的氧化膜层为黑色，在大气条件下容易变色。膜层不影响尺寸精度及表面粗糙度，它的耐磨能力不强。黄铜用氨液氧化后能获得良好的氧化膜层，膜层很薄，其表面不易附着灰尘，适用于与光学零件接触的零件及形状复杂的零件。
(3) 涂漆
涂漆是在零件或制品的表面涂上漆，使零件或制品表面与外界环境中的有害作用机械地隔开，并对零件、制品起装饰作用，有时还可起绝缘作用。
常用的油漆种类很多，按性能分有清油、清漆和磁漆(色漆)三大类，可按手册中的规格及性能要求来选用。
3.4 非金属材料
1 高分子材料
高分子材料是以高分子化合物为主要组成的材料，高分子化合物是相对分子质量大于5000的化合物，往往一个分子中包含成千上万甚至几十万个原子。高分子化合物分为天然的和合成的两类，机械中应用的主要是合成高分子材料。如塑料、橡胶、粘结剂等。
(1) 工程塑料
1) 塑料的组成
塑料是以合成树脂(合成高分子化合物)为主要成分，加入某些添加剂丽制成的高分子材料，是目前工业上应用最多的非金属材料。
2) 塑料的分类
通用塑料：有聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料6
大品种，其产量大，价格低，用于社会生活各个方面
工程塑料：用作结构材料在机械和仪器仪表中使用，具有优良的工程性能。常用品种有，聚甲醛、聚酰胺塑料(尼龙)、聚碳酸脂、聚砜、AB8、聚苯醚、环氧树脂等。 ，
特殊塑料：可满足特殊要求而具有特殊性能的塑料，如医用塑料、体育用塑料。
工程塑料和通用塑料按其成型工艺特点可分为热塑性塑料与热固性塑料，热塑性塑料在加工成型中经过三个步骤：加热塑化，使塑料变为粘性流体；流动成型，即在压力作用下注入模具中；冷却固化为制成品。上述过程可反复进行。热固性塑料则在加温加压过程中发生化学反应而固化，这种成型的固化反应是不可逆的，故已固化的塑料不能重复使用。
工程塑料的成型方法有挤压成型、注塑成型和压延成型三种。已经成型的半成品如棒材、板材，可以进行机械加工、焊接、粘接等工艺的再加工。为了提高塑料零件的机械强度和耐磨、防潮及耐油性能，防止老化和静电聚集，还可在塑料表面电镀及涂覆涂层。
3) 塑料的性能
化学性能:塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀，其中聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蚀。
物理性能: 塑料的密度小(为钢的1／4~1／9)，因而可以大大减少制品质量；塑料的耐热性与导热性较差，导热性能不如金属，遇热易老化、分解塑料的热膨胀系数比金属材料大，且具有一定的吸湿性，在相对湿度较大的情况下会引起零件的膨胀。
力学性能：一般塑料的强度、刚度和韧性都较差，其强度仅为30～150MPa；塑料容易出现蠕变与应力松弛，受力后容易变形，不宜用于受力较大的场合；塑料具有良好的减摩性，塑料还具有良好的减振性和消声性。
4）常用工程塑料
（2) 橡胶
橡胶也是一种高分子材料，与塑料的不同之处是它在使用温度范围内处于高弹性状态，即在较小外力作用下就能产生很大的变形，当外力取消后又能很快恢复原状。同时，橡胶还具有良好的耐磨性、隔声性和绝缘性。因此，橡胶被广泛用于制造密封件、减振防振件、传动件、轮胎以及绝缘件等。
1）橡胶的组成
橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂制成的高分子材料。其中生胶又分为天然与合成两类，橡胶制品的性质主要取决于生胶的性质。合成橡胶的品种很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。
配合剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。橡胶配合剂的种类很多，如硫化剂及其促进剂、软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂等。如硫化剂的作用类似热固性塑料中的固化剂，它能改变橡胶分子的结构，提高橡胶的力学性能，并使橡胶具有既不溶解，也不熔融的性质，克服橡胶因温度升高而变软发粘的缺点。因此，橡胶制品只有经硫化后才能使用。天然橡胶常以硫磺作硫化剂。
2）常用的橡胶
根据橡胶的应用范围，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。常用橡胶的种类、性能及用途见表3.2。
2 其他非金属材料
(1) 陶瓷材料
陶瓷是各种无机非金属材料的通称，它同金属材料、高分子材料一起被称为三大固体工程材料。
（2）矿 物
矿物是仪器仪表中又一种应用的材料，它分天然和人工合成两种。天然的有玛瑙、天然宝石、钻石、花岗石等；人工合成的有人造刚玉(即人造红宝石、蓝宝石)及石英等。
3.5 金属、非金属材料的选用
机械工程中，合理地选用材料对于保证产品质量、降低生产成本有着极为重要的作用。
所以，在零件的设计过程中，材料的选择是一个十分重要的环节，虽然有很多材料手册可供参考，但仅靠手册往往难以正确选择材料，要想合理地选择材料，除了要熟悉常用机械工程材料的性能、用途及热处理外，还必须能针对机器或仪器零件的工作条件，失效形式，零件的加工工艺性，生产的经济性等，提出材料的性能要求，根据性能要求选择合适的材料。
1、机器或仪器零件的工作、使用条件
2．机械零件的失效形式
所谓失效是指机械零件在使用过程中，由于某种原因而丧失预定功能的现象。
（1）断裂
断裂是材料最严重的失效形式，特别是在没有明显塑性变形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性事故。
（2）表面损伤
包括过量磨损、接触疲劳(点蚀或剥落)、表面腐蚀等。
（3）过量变形
包括过量的弹性变形、塑性变形和蠕变等。
3选材的基本原则
（1)材料的使用性能应满足零件的工作要求
(2)材料的工艺性应满足加工要求
(3)材料还应具有较好的经济性
总之，在选用材料时，必须从实际情况出发，全面考虑材料的使用性能、工艺性能和经济性等方面的因素，以保证产品取得最佳的技术经济效益
3.5.4 零件选材的方法
（1）以综合力学性能为主时的选材
（2）以疲劳强度为主时的选材
（3）以磨损为主时的选材