机械工程材料基本知识

机械工程材料基本知识1.1金属材料的力学性能任何机械零件和工具在使用中多受到各种形式的外力的作用。 像起重机的缆索一样，受吊物拉力作用的柴油机的连杆在传递动力时，不仅受拉力的作用，受冲击力作用的轴系部件也受到弯曲力矩、扭矩等作用。 因此，金属材料必须承受机械载荷，具有允许变形和不破坏的能力。 这种能力是材料的力学性能。 金属表现出的弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特点，是金属材料在外力作用下表现力学性能的指标。1.1.1强度强度是指金属材料在静负荷下抵抗变形和破坏的能力。 强度指标通常用作施加在单位面积上的载荷的力来表示，符号表示，单位表示MPa。工程中常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度。 屈服强度是指金属材料在外力作用下发生屈服现象时的应力，或者开始塑性变形时的最低应力值用s表示。 拉伸强度是金属材料在被拉伸力拉伸之前能够承受的最大应力值，用b表示。大多数机械零件在工作中不允许塑性变形，屈服强度是零件强度设计的依据，对于因断裂而发生故障的零件，以抗拉强度为其强度设计的依据。1.1.2塑性塑性是指金属材料在外力作用下塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。 伸长率是试样被撕裂后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号表示。 截面收缩率是指试料切断后，截面缩小的面积与原来的截面积之比用y表示。伸长率和截面收缩率越大，塑性越好，相反塑性越差。 良好的塑性是金属材料冲压加工的必要条件，也是保证机械零件安全、不发生突然脆性破坏的必要条件。1.1.3硬度硬度是指材料表面抵抗比其硬的物体压入的能力。 硬度的测定方法很多，生产中常用的硬度测定方法有布氏硬度的测定方法和洛氏硬度的测定方法两种。(1)布氏硬度试验法布氏硬度试验法以直径d的淬火钢球或硬质合金球为压头，以负荷p压入被试验金属表面，保持一定时间后卸载，测定金属表面形成的压痕的直径d，将压痕的每单位面积的平均压力作为被试验金属的布氏硬度值。布氏硬度的指标有HBS和HBW，前者的压头是淬火钢球，适用于布氏硬度值小于450的金属材料，例如退火钢、淬火钢、调质钢和铸铁、有色金属等的后者的压头是硬质合金，适用于布氏硬度值为450650的金属材料，例如淬火钢等。布氏硬度测量法由于压痕大，测量产品和薄片金属的硬度不好。(2)洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法以圆锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为f1.558mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被试验金属材料表面，根据压痕深度可以直接读取洛氏硬度计的指示盘的硬度值。 常用洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC种。以120金刚石圆锥体为压头，施加压力为600N时，用HRA表示。 其测量范围为6085，适用于合金、表面硬化钢及薄部件的测量。以f1.588mm淬火钢球为压头，施加压力1000N时，用HRC表示，硬度的测量范围为25100，适用于有色金属、退火和淬火钢、锻铁等的测量。以120金刚石圆锥体为压头，施加压力为1500N时，用HRC表示，硬度的测定值范围为2067，适用于淬火钢、调质钢等的测定。洛氏硬度试验操作快、简便、压痕小，适用于产品检查。硬度是材料的重要力学性能指标。 一般材料硬度越高，耐磨性越好。 材料强度越高塑性变形阻力越大，硬度值也越高。1.1.4冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。冲击韧性通常通过夏比冲击弯曲试验测定，以被测定材料为标准冲击试料，利用夏比冲击，测定冲击试料消耗的冲击AK，然后，在试料缺失处的单位截面积f消耗的冲击功AK中显示了冲击韧性。ak值越大，材料的韧性越好。 ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。 齿轮、连杆等很多零件，因为在工作中受到很大的冲击负荷，所以用ak值高的材料制作。 铸铁的ak值较低，灰口铸铁的ak值接近零，因此不能用于制造受到冲击载荷的部件。1.2常用金属材料金属材料丰富，使用性能优良，是机械工程中最普遍的材料，常用于制造机械设备、工具、模具，广泛应用于工程结构。金属材料大致分为黑色金属。 黑色金属通常指钢和铸铁的有色金属是指黑色以外的金属及其合金，例如铜合金、铝和铝合金等。1.2.1钢钢分为碳钢(简称碳钢)和合金两类。碳钢是指碳量不足2.11%，含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金。 工业用碳钢碳含量一般为0.05%1.35% .为了提高钢的力学性能、技术性能或特殊性能(例如耐腐蚀性、耐热性、耐磨损性等)，在冶炼中目的添加合金元素(例如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、w、v、Ti等)，将该钢称为合金钢.碳钢1 .碳钢的分类碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。(1)根据钢的碳含量分为三类低碳钢，碳含量0.25%；中碳钢，碳含量为0.25%0.60%；含碳量为0.60%的高碳钢。(2)以钢质量(即钢含有有害元素s、p的量)分类，则分为3种普通碳钢、钢中s、p含量分别为0.055%、0.045%；优质碳钢，钢中s、p含量均为0.040%；高级碳钢、钢中s、p含量分别为0.030%和0.035% .(3)按钢的用途分为两类碳素结构钢主要用于制造各种工程部件和机械部件碳素工具钢主要用于各种工具、测量仪器、模具等的制造。2 .碳钢品种的表示方法(1)碳素结构钢的碳素结构钢的品牌由屈服点“屈服”字中文拼音的最初的文字q、屈服点的数值、品质等级记号(a、b、c、d )和脱氧方法记号(f、b、z )这4个部分依次构成。 其中质量等级按a、b、c、d的顺序升高，f为沸腾钢，b为镇静钢，z为镇静钢等。 Q235-AF表示屈服强度为235Mpa的a级沸腾碳结构钢。(2)优质碳素结构钢的优质碳素结构钢的品牌用两位数字表示。 这两位数字表示钢中平均碳含量的万分之一。 例如，45钢表示平均碳含量为0.45%的优质碳结构钢。 08钢表示平均碳含量为0.08%的优质碳结构钢。(3)碳素工具钢的品种用碳字汉语拼音的首字母t和数字来表示。 那个数字表示钢的平均碳含量的千分之一。 高级优质时，数字后加“a”。 例如，T12钢表示平均碳含量为1.2%的碳工具钢。 T8钢表示平均碳含量为0.8%的碳工具钢。 T12A表示平均碳含量为1.2%的高级优质碳工具钢。3 .碳钢的用途实例q95、Q215用于铆钉、开口销等冲压零件和焊接部件。Q235、Q255用于螺栓、螺母、拉杆、连杆和建筑以及桥梁结构。Q275用于强度高的旋转轴、主轴、齿轮等。Q345用于船舶、桥梁、车辆和大型钢结构。08钢含碳量低，塑性好，主要用于冷压零件的制备。10、20钢常用于冲压零件和焊接零件的制造。 它也常用于制造渗碳零件。35、40、45、50钢为中碳钢，经热处理可获得良好的综合力学性能，主要生产齿轮、套筒、轴类零件等。 这些钢广泛应用于机械制造。T7、T8钢用于制造冲头、凿子等韧性高的工具。T9、T10、T11钢作为钻头、丝锥、锯屑等要求中等韧性、高硬度的刀具使用。T12、T13钢用于要求更高硬度、更高耐磨性的锉、拉丝模具等。(2)合金钢合金钢的分类方法有很多种，常见的有以下两种。(1)按用途分类，可分为三类：合金结构钢用于生产各种性能要求高的机械部件和工程部件合金结构钢用于制造对各种性能要求很高的刀具，测定器，模具特殊性能钢，具有特殊物理和化学性能的钢，例如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。(2)铵合金元素总含量分为几类，分为三类低合金钢、合金元素总含量低于5%；中合金钢、合金元素总含量为5%10%；高合金钢、合金元素总含量超过10%。2 .合金钢品种的表示方法合金钢按钢材的碳含量和所含合金元素的种类和数量进行编号。钢序号的开头是碳含量及含合金结构钢与碳结构钢相同，以万分之一的碳为单位，开头的数字是45，平均碳含量是0.45%； 合金工具钢以千分之一的碳为单位，如果前头的数字为5，则平均碳含量为0.5%。在表示碳含量的数字之后，用元素的化学符号表示所含的合金元素。 合金元素的含量用几%表示，平均含量不足1.5%时，只显示元素符号，不显示含量。 如25Mn2V，显示出平均碳含量为0.25%、锰含量约为2%、钒含量不足1.5%合金结构钢. 另外，9SiCr表示平均碳含量为0.9%，硅、铬均不足1.5%的合金工具钢。碳含量超过1.0%的合金工具钢，品牌上不显示碳含量。 如CrWMn钢，碳含量超过1.0%，表示含有铬、钨、锰3种合金元素的合金工具钢。 但是，也有特殊情况，高速钢的碳含量不足1.0%，品牌上也不显示碳含量。 如W18Cr4V钢那样，碳含量仅为0.7%0.8% .特殊性能钢的品牌也基本上不表示与合金工具钢相同的方法。 如2Cr13所示，表现出平均碳含量为0.2%、铬含量约为13%的不锈钢。特殊用钢中，用滚动轴承钢那样的特殊表示方法，其品种用g表示，不含碳量，铬的平均含量用千分之几表示。 如GCr15所示，铬含量为1.5%的滚动轴承钢。高级高品质钢时，在钢编号的末尾加上“a”的文字。 例如38CrMoAIA。3 .合金钢用途实例09MnNb、16Mn、15MnTi钢为低合金钢结构，用于桥梁、车辆、锅炉、储罐、建筑结构和化工容器等的生产。14MnVTiRe、14MnMoV、18MnNb、14CrMnMoVB钢用于大型船舶、重要桥梁、电站设备及锅炉、化工、石油等中高压容器的制造。20Cr、20MnV钢适用于渗碳小齿轮、小齿轮、活塞销等的制造。20CrMnTi钢常用于汽车和拖拉机齿轮的制造。18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo、20Cr2Ni4A钢常用于大型渗碳齿轮和轴类的制造。40MnB、40Cr、35CrMo、40CrMnMo钢用于制造主轴、曲轴、连杆、齿轮等机械部件。65Mn、60Si2Mn钢为弹簧钢，主要用于制造截面小于25mm的弹簧，如车辆板簧和机车板簧、扭杆等。GCr15、GsiMnMoV钢是轴承钢，主要用于滚动轴承的内圈、外圈和滚动体的制造，也用于冷模、冷辊等的制造。CrWMn、CrMn、9Mn2V钢用于游标卡尺、千分尺、量规、块量规等测量工具的制造。W18Cr4V、W6Mo5C4V2钢用于制造钻头、立铣刀、滚刀、拉刀、铰刀等高速切削的刀具。5CrMnMo、3Cr2W8V钢是热模具钢，制造热锻模具、热压模具、模具等。Cr12、Cr12MoV钢是冷作模具钢，用于冷作模具、冷切刀等的制造。1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13钢是马氏体系不锈钢，制造弱腐蚀性介质，用于承受冲击载荷的部件，也用于具有高硬度和耐磨损性的医疗工具等。1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti钢为奥氏体不锈钢，制造硝酸、冷磷酸、有机酸及盐、耐碱溶液腐蚀的设备零件。Mn13钢是耐磨钢，用于制造拖拉机链板、挖掘机叶片、球磨机背板、铁路过渡线等。15CrMo、4Cr10Si2Mo钢是耐热钢，用于制造在高温下工作的部件和部件。1.2.2铸铁铸铁是碳含量超过2.11%的铁碳合金，比碳钢含有更多的硅、锰、硫、磷等杂质。 工业常用铸铁的碳含量为2.5%4.0%。根据铸铁中碳的存在形态，铸铁可分为白口铸铁和灰口铸铁。白口铸铁白口铸铁中的碳大部分以Fe3的形式存在，切口为银白色，性能坚硬脆弱，切削加工困难，工业上用于机械零件的制造极少。 主要用作炼钢原料或铸铁的原材料。灰口铸铁灰口铸铁中大部分或全部碳作为自由状态石墨存在，切口呈暗灰色。 根据灰口铸铁中石墨的存在形态，可分为普通灰口铸铁、锻造铸铁、球墨铸铁等。1 .普通灰口铸铁简称灰口铸铁，石墨形态呈板状。 由于片状石墨的存在，金属基质组织被切断，积载的有效面积减少，其综合力学性能低，但减振性、耐磨损性、铸造性及切削加工性好，主要用于承受应力的床、壳体、床、轨道等部件的制造。灰口铸铁品牌的表示方法是在“HT”上加上数字，“HT”是灰铁二字汉语拼音的第一个字母，数字表示最低抗拉强度。 常用的灰口铸铁品牌有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等。2 .可以锻炼铸铁锻造铸铁由白口铸铁石墨化退火而成，其后的油墨形态呈团棉状。 其石墨呈棉状，对金属基体的分断作用减少，因此其拉伸强度、塑性、韧性高于灰口铸铁，主要用于制造形状复杂且在工作中受到一定冲击载荷的薄壁小型部件，如管接头、农具等。锻炼铸铁的品牌由“KTH”或“KTZ”两组数字构成。 其中“KT”是可铁二字汉语拼音的第一个字母，后面的“h”表示黑心锻炼铸铁，“z”表示珍珠岩锻炼铸铁。 其后的2组数字分别表示材料的最低拉伸强度的数值和最小伸长率的数值。 其主要品种有KTH350-10、KTZ550-04等。3 .球墨铸铁球墨铸铁中石墨的形态呈球状。 由于球状石墨对金属基质的分断作用小，具有较高的强度、塑性和韧性，因此应用广泛，有时可以替代中碳钢。 主要用于制造受力复杂、负荷大的机械部件，如曲轴