工业产品选材—金属材料.ppt

2019/12/6,1,工业产品开发概论,主讲蒋亚南副教授,第八讲金属材料概述,2013年9月,工业产品开发概论,主讲蒋亚南副教授,第六讲工业产品选材金属材料,2015年8月,宁波市数字图书馆第二批高校网络（MOOC）课程,2019/12/6,2019/12/6,3,工程材料是构成工业产品的物质基础。同时产品的性能取决于其使用的材料。既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。,2019/12/6,4,一、选材的一般原则和步骤,正确选材是工业产品设计的一项重要任务，它必须使选用的材料保证零件在使用过程中具有良好的工作能力，保证零件便于加工制造，同时保证零件的总成本尽可能低。优异的使用性能、良好的加工工艺性和便宜的价格是工业产品零件选材的最基本原则。,2019/12/6,5,使用性能原则,使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在大多数情况下，它是选材首先要考虑的因素。使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的力学性能、物理性能和化学性能。,2019/12/6,6,工艺性能原则,工业产品零件都是由设计选用的工程材料，通过一定的加工方式制造出来的:金属材料有铸造、压力加工、焊接、机械加工、热处理等加工方式。陶瓷材料通过粉末压制烧结成型，有的还须进行磨削加工、热处理。高分子材料利用有机物原料，通过热压、注塑、热挤等方法成型，有的再进行切削加工、焊接等加工过程。,2019/12/6,7,经济性原则,在满足使用性能和工艺性能的前提下，材料的经济性是选材的重要原则。,2019/12/6,8,2019/12/6,9,二、材料的几种分类法,1.历史分类法第一代：石器时代的木片、石器、骨器第二代：陶、青铜和铁器第三代：高分子材料，主要来自石油、煤等矿物第四代：复合材料,2019/12/6,10,2.物质结构分类法,2019/12/6,11,3.材料加工度分类法天然材料有机材料竹、木、棉、毛、皮革；无机材料粘土、矿石、宝石、金属、大理石、煤等加工材料胶合板、细木工板、纸张、黏胶纤维、玻璃纸人造材料利用天然材料制成：人造皮革、人造大理石、人造水晶利用化学反应制成：塑料、玻璃,2019/12/6,12,4.材料形态分类颗粒材料线状材料面状材料块状材料,2019/12/6,13,三、材料的性能和特性,1.基本性能：材料密度力学性能1、强度2、塑性3、硬度4、冲击韧性5、疲劳6、断裂韧度（性）热学性能：熔点、比热、热胀热导、耐热、耐火、耐燃电学性能：导电、绝缘光学性能：反射、折射、透射化学性能：耐蚀、抗氧化、耐气候性,2019/12/6,14,材料的特性,2.工艺特性加工成型性环境形状保持性表面工艺性,2019/12/6,15,四、黑色金属,金属材料包括黑色金属（钢、铸铁）和有色金属，前者应用最多。习惯上常说的钢铁是对钢和铁的总称。所谓钢铁，主要由两个元素构成，即铁和碳，一般碳和铁元素形成化合物，叫铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。,2019/12/6,16,1.钢与铁的区别,含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0；钢含碳量小于2.0。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能，因此被广泛利用。生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。由铁原子构成的物质叫纯铁，纯铁杂质很少，一般含碳量小于0.02%的叫熟铁或纯铁熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广。,2019/12/6,17,在工业上，人们是在高炉中把铁矿同焦炭、石灰石等混合在一起，在高温下炼制铁。从高炉中炼出来的是生铁。生铁还需放入转炉或平炉、电炉中，除去部分碳，炼制成钢。,2019/12/6,18,四、钢钢的品种多，性能好，是最常用的工程材料。根据化学成分的不同，钢可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的生产批量大，价格低，供应充足。,2019/12/6,19,1.碳素钢,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)。碳素钢的性能主要取决于碳的质量分数。碳的质量分数越高，钢的强度越高，塑性越低。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。,2019/12/6,20,钢的韧性好，机械强度又高，在工业上的用途最广。由于低碳钢的性能与熟铁近似，而成本比熟铁低得多，现在工业上大都用低碳钢代替熟铁，如制造铁丝、铆钉、白铁皮（镀锌Zn）、马口铁（镀锡Sn）等。碳素钢广泛的被用来制造各种机器零件，如齿轮、凸轮、螺帽、铁轨、钢筋等等；日常生活中用的刀、手表壳、钢笔尖、针、剪刀等。,2019/12/6,21,2.合金钢为了改善钢的性能，根据不同要求加入一种或几种合金元素而形成的钢称为合金钢。合金钢的性能不仅与化学成分有关，在很大程度上还取决于适当的热处理。合金钢价格较贵。不同的合金元素，使钢获得不同的性能。如铬能提高硬度、高温强度和耐腐蚀性；镍能提高强度而不降低韧性；锰能提高强度、韧度和耐磨性；硅可提高弹性极限和耐磨性，但降低韧性。合金结构钢牌号的表示方法是用两位数字表示含碳量的万分数，并在其后加注所含各主要合金元素的符号及其质量分数。,2019/12/6,22,如含镍（Ni）36%的镍钢几乎不因冷热而热胀冷缩，用来制造精密仪表零件；含18%钨(W)的钨钢，即使已炽热，仍非常坚硬，用来制造高速切割的车刀；含少量钒(V)的钒钢，可使钢的弹性增加一倍，用来制造各种弹簧；含2.5%硅(S)i的硅钢做成硅钢片，用作变压器的铁心，不仅可减少变压器发热现象，而且大量节约了电能。,2019/12/6,23,苏泊尔“问题锅”或被下架停售,东方网10月18日消息：据新闻晚报报道，近日，苏泊尔不锈钢产品被曝其金属含量比例不合格，而跟踪调查了其三年的哈尔滨工商局表示，将勒令其问题产品下架。沪上各大家电卖场也纷纷准备停售苏泊尔问题产品。上海消费者保护协会赵姣黎秘书长表示，如果苏泊尔偷工减料，就侵害了消费者的公平交易权，涉嫌欺诈。不锈钢变高锰钢根据最先披露此事件的哈尔滨工商局的对外公告，实际上他们在2008年初就已经接到了相关举报。他们表示经过多次检验，苏泊尔的大部分不锈钢制品中的铬、镍元素达不到标准，与此同时锰的含量却非常高。在三年多的调查时间中，总共81种型号的不锈钢锅具被检不合格，而200元以下的低价不锈钢锅具更是几乎“全员阵亡”。,2019/12/6,24,记者在调查后发现，我国规定的不锈钢产品中的铬和镍含量标准，分别应为18%和8%。由于不锈钢具有的抗氧化性和耐腐蚀性都来自于铬（ge）、镍这两种元素，如果这两项金属含量不达标，那么产品根本就称不上是不锈钢。另一方面，如果含锰量过高，产品就会变成“高锰钢”，一般用来制造铁轨、桥梁和轴承等部件，虽然其耐磨，但抗腐蚀和抗氧化能力远远比不上不锈钢，较容易生锈。由于我国锰矿资源丰富，用锰来偷梁换柱可有效地降低成本，但最终的成品却难符“不锈钢”的名称。,2019/12/6,25,四、铸铁,铸铁是脆性材料，其抗拉强度、塑性、韧性均较差，不能进行辗压和锻造。铸铁的减振性和耐磨性较好，成本较低。由于它具有良好的液态流动性，因此常用于铸造各种形状复杂的零件。常用铸铁有灰铸铁和球墨铸铁。,2019/12/6,26,1.灰铸铁灰铸铁是应用最广的一种铸铁，碳以片状石墨存在于铁的基体中，因此其断口呈灰色。灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度，切削性能好，但不宜承受冲击载荷。常用于制造受压状态下工作的零件，如机器底座、机架等。灰铸铁牌号的表示方法是在符号“HT”后加注一组表示抗拉强度的数字，如HT200，其抗拉强度为200MPa。2.球墨铸铁球墨铸铁中的碳以球状石墨存在于铁的基体中，故其力学性能显著提高。除伸长率和韧性稍低外，其它力学性能基本与钢接近，同时兼有灰铸铁的优点，但是球墨铸铁的铸造工艺性能要求较高，品质不易控制。用球墨铸铁制造的曲轴、齿轮等，其成本低于锻钢件。球墨铸铁牌号的表示方法是在符号“QT”后加注两组数字，如QT40015，表示抗拉强度为400MPa，伸长率为15。,2019/12/6,27,铁的用途,生铁很脆，一般是浇铸成型，所以又称“铸铁”，如铁锅、火炉等，在工业上用来制造机床的床身、蒸汽机和内燃机的汽缸等，它的成本比较低廉、耐磨，但没有延性和展性，不能锻打。熟铁所含杂质少，接近于纯铁，韧性强，可以锻打成型，所以又叫“锻铁”，如铁勺、锅铲等。,2019/12/6,28,五、有色金属,有色金属是指铁和铁基合金(如锰、铬)以外的83种金属。与铁和铁基合金相比，有色金属的冶炼比较复杂，成本高。但是，由于有色金属具有许多优良特性，因而已成为现代工业，特别是航空航天工业中不可缺少的材料。工程中常用的有色金属有轻有色金属：铝、镁、钠、钾等；重有色金属：铜、镍、铅、锡、锌等；贵金属如金、银和铂族元素；稀有金属如钨、钛等有色金属合金：铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等。,2019/12/6,29,一、铝及其合金比重小，比强度高。在空气中的抗蚀性好。容易加工。硬铝（铝铜镁）经热处理后强度比纯铝高六倍,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。,2019/12/6,30,二、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。黄铜（铜锌合金）、白铜（铜镍合金）除上述两种金属以外的青铜（如锡青铜、铝青铜）、,滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件。,2019/12/6,31,三形状记忆合金,形状记忆合金(shapememoryalloy)是指某些合金材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，合金材料会自动恢复到变形前原有的形状，并对以前的形状保持记忆，这种合金材料就称为形状记忆合金。目前形状记忆合金材料主要有NiTi系、Cu系和Fe系合金等。,2019/12/6,32,研究起始：1963年，美国海军的武器实验室奉命研制一种新式装备，在一次实验中他们需要一些TiNi合金丝，领回的TiNi合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便，于是将这些TiNi合金丝一根根地拉直。在试验过程中，出现了奇怪的现象：当温度升到一定值时，这些已被拉直的TiNi合金丝，突然又全部恢复到弯弯曲曲的形状，和原来一模一样，丝毫不差。经反复多次试验，结果都是这样。,2019/12/6,33,到80年代，科学家终于突破了TiNi合金研究中的难点，对形状记忆效应机制的研究得到深入。应用：在机械、电子、化工、宇航、运输、建筑、医疗、能源和日常生活中均获得应用。医学上如制造血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形弓丝、接骨板、人工关节、妇女胸罩、人造心脏等。开发形状记忆合金机器人，如小型外科手术、显微镜下精细作业的毫米级微型机械手和微型机器人。形状记忆合金是一种“有生命的合金”，相信在若干年或几十年后一定会出现重大突破。,2019/12/6,34,脊柱装上形状记忆合金矫正,NiTi记忆合金自扩张式,2019/12/6,35,记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。,2019/12/6,36,作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金