材料学-第十一讲金属材料的选材与应用

1、金属材料的选材与应用2010年6月18日材料选择要考虑的问题 1、根据使用环境和条件确定所选材料需要什么样的性能？ 2、如何生产制造，选择什么样的工艺进行处理？ 3、能够服役多长时间？ 4、可接受的生产成本是多少？ 5、使用多长时间需要检查维修？ 6、使用报废后，废品怎样处理？ 7、若在使用中失效会发生什么后果？ 8、生产、处理的过程中对环境的影响如何？选材的原则 一般选用材料，主要应该遵循以下几个原则： 1）根据设计要求（或图纸要求），一般图纸要求了使用哪种材质、采用什么工艺处理就根据图纸要求来做。 2）若没有具体规定使用哪种材质，但指定了性能指标和检测方法及要求，那么就要根据具体的性能指标

2、选择比规定的性能指标高的材质和处理工艺，并用指定的试验方法检测，检测的结果要高于要求的性能指标。 3）若没有规定使用什么材质，也没有指定性能指标，但是给定了使用环境和使用条件，那么就要根据实际的使用环境和使用条件进行分析计算，根据分析计算结果来选定材质和处理工艺。 4）在多种材质都能满足要求的情况下，要选用常见的、市场上容易买到的、处理工艺简单的、性价比高的材料作为优选材料。选择材料和工艺要参考的标准 1、国标（GB） 2、国际标准化组织（ISO） 3、其它国家标准，如： 美国材料与试验学会（ASTM）、美国钢铁学会（AISI）、德国标准（DIN）、日本工业标准（JIS） 4、行业标准：如中国

3、机械工业部标准（JB）、冶金工业部标准（YB）等。举例一：高强度紧固件 紧固件是作紧固连接用且应用极为广泛的一类机械零件。在各种机械、设备、车辆、船舶、铁路、桥梁、建筑、结构、工具、仪器、仪表和用品等上面，都可以看到各式各样的紧固件。它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化的种度也极高。因此也有人把已有国家标准的一类紧固件称为标准紧固件，或简称为标准件。 紧固件包括：螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、销等螺栓性能等级的含义螺栓性能等级的含义 钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中其中8.8级及

4、以上螺栓材质为低碳合金钢或级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。通螺栓。螺栓性能等级标号有两部分数字组成，分别表示螺栓材料的公称抗拉强度值和屈强比值。例如： 性能等级4.6级的螺栓，其含义是： 1、螺栓材质公称抗拉强度达400MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.6； 3、螺栓材质的公称屈服强度达4000.6=240MPa级 性能等级10.9级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到： 1、螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.9； 3、螺

5、栓材质的公称屈服强度达10000.9=900MPa级 螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。 强度等级所谓8.8级和10.9级是指螺栓的抗剪切应力等级为8.8GPa和10.9GPa 10.9s的的s 表示表示钢结构举例一：高强度紧固件举例二：弹簧 弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。一般用弹簧钢制成。用以控制机件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等，广泛用于机器、仪表中。弹簧的种类复杂多样，按形状分，主要有螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧等。 弹簧的功能 控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控

6、制弹簧等。 吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。 储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。 用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。 弹簧的材质与性能弹簧的生产工艺流程弹簧的生产工艺流程弹簧的表面处理 弹簧在制造、存放、使用等过程中，经常会遭受周围介质的腐蚀。由于弹簧在工作时是靠弹力发挥作用，弹簧被腐蚀后弹力会发生改变而丧失功能。所以防止弹簧的腐蚀可以保证弹簧的工作稳定，并延长其使用寿命。 弹簧的防腐方法一般采用保护层，根据保护层的性质可分为：金属保护层、化学保护层、非金属保护层和暂时性保

7、护层等，在此着重介绍前三种方法。 不锈钢弹簧和铜线弹簧本身就具有一定防腐能力，所以一般不进行防腐处理。 1、弹簧的金属保护层 金属保护层种类很多，就弹簧而言，一般是用电镀金方法以获得金属保护层。电镀保护层不但可以保护不受腐蚀，同时能改善弹簧的外观。有些电镀金属还能改善弹簧的工作性能，例如提高表面硬度，增加抗磨损力，提高热稳定性，防止射线腐蚀等。但如果单纯为了弹簧的腐蚀，一般应选用电镀锌层与电镀镉层。 一般镀锌层后经钝化处理，钝化可提高镀层的保护性能和增加表面美观。 在海洋性或高温的大气中，以及与海水接触的弹簧，在70C热水中使用的弹簧，镉比较安定，耐腐蚀性能较强。镉镀层比锌镀层光亮美观、质软、

8、可塑性比锌好，镀层氢脆性小，最适宜于弹簧作保护层。但铬稀少、价昂贵、且镉盐毒性大，对环境污染很厉害。因此，在使用上受到限制。故大多数只在航空、航海及电子工业所用的弹簧才使用镉镀层作保护层。 为了提高镉镀层的防蚀性能，可在镀后进行钝化处理。 弹簧的镀锌和镀镉是在氰化电解液中进行的。在电镀过程中，除镀上锌或镉外，还有一部分还原的氢渗透入到镀层和基体金属的晶格中去，造成内应力，使弹簧上的镀层和弹簧变脆，也叫氢脆。由于弹簧材料的强度很高，再加上弹簧成形时的变形很大，因此，对氢脆特别敏感，如不及时去氢，往往会造成弹簧的断裂。为了消除电镀过程中产生的一些缺陷，改善弹簧的物理化学性能，延长弹簧的使用寿命，提

9、高镀层的抗蚀能力，必须进行镀后处理，即除氢处理。除氢处理是在电镀后，立即或者在几小时之内进行。将电镀后的弹簧在200215C的温度中，加热12h(或2h以上,如果时间过长容易产生铬脆)，即可达到除氢的目的。 金属保护层，除上述的镀锌和镀镉外，还有镀铜、镀铬、镀镍、镀锡、镀银、镀锌钛合金等，弹簧设计者可根据弹簧工作的场合选择镀层。 2、弹簧的化学保护层 利用化学反应的方法使弹簧表面生成一层致密的保护膜，以防止弹簧腐蚀。通常采用氧化处理与磷化处理。 氧化处理与磷化处理，成本低、生产效率高，一般弹簧制造厂均采用氧化处理，作为防腐蚀性处理。(1)氧化处理 钢的氧化处理亦称发蓝、发黑、煮黑。氧化处理后，

10、弹簧表面生成保护性的磁性氧化铁，此氧化膜一般呈蓝色或黑色，也有时呈黑褐色。氧化处理的方法有：咸性氧化法、无碱氧化法和电解氧化法。以采用碱性氧化法为多。 碱性氧化法是将弹簧放入温度140C左右，含有氧化剂的氢氧化钠溶液中浸泡一定时间，氧化剂和氢氧化钠与铁作用，生成亚铁酸钠和铁酸钠，再相互反应，生成磁性氧化铁。 (2)磷化处理 将弹簧放进含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中，在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜的方法叫做磷化。磷化膜的外观呈暗灰色、灰色或黑灰色、不具光泽。磷化膜的厚度一般在520m。磷化膜在一般大气条件下较稳定，其抗蚀能力为发蓝膜的624倍。 磷化膜能耐 400500C的高温，因此，某些

11、高温下工作的弹簧，例如炮弹发射部分的弹簧，常用磷化处理。 弹簧在磷化前最好是采用喷砂处理。经喷砂处理后不能耽置太久，应随即进行磷化。若无喷砂设备，亦可采用化学去油及酸洗方法去除油污。弹簧在磷化过程中产生大量的氢气，因此经磷化后的弹簧具有氢脆现象。对于关键部位的弹簧，经磷化处理后应进行去氢处理。 3、弹簧的非金属保护层 非金属保护层是在弹簧表面上浸涂或喷涂一层有机物质，如油漆、沥青、塑料等，以保护弹簧免遭腐蚀。 非金属保护层，膜层较厚，化学稳定性好，有较好的机械防腐蚀作用，但硬度较低，易于刮伤损坏，同时膜层有老化现象。 用于弹簧油漆层的油漆通常有下列几种： a沥青漆 沥青漆具有良好的耐水、防潮、

12、耐蚀性，特别有优异是耐酸性和良好的耐碱性。但附着力、机械强度、装饰性差。 b酚醛漆 酚醛漆分为底漆与面漆两种，酚醛底漆附着力强，防锈性能好，但漆膜机械强度及光泽性差。酚醛面漆漆膜坚硬，光泽性好，但耐气候性较差，漆膜易变黄。 c醇酸漆 醇酸漆漆膜坚韧，附着力强，机械性能好，有极好的光泽，良好的耐久性并具有一定的耐油、绝缘性能。其缺点是表面干结快而粘手时间长，易起皱、不耐水、不耐碱。 d环氧漆 环氧漆附着力极强，硬度高，且韧性好，耐屈挠、耐冲击、硬而不脆，对水、酸、碱及许多有机溶剂都有极好的抵抗力，特别以耐碱更为突出。其缺点是表面粉化快，溶剂选择性大。水溶性环氧漆用于电泳涂漆。 浸涂法 浸涂法就是

13、将弹簧放入油漆槽中浸渍，然后取出，让表面多余的油漆液自然滴落，经过干燥后在弹簧表面上被覆盖一层漆膜。 喷涂法 喷涂是利用喷枪将油漆喷成雾状微小颗粒在弹簧表面上均匀沉积一层漆膜。 喷涂法工效高，施工方便，适应性强，而且漆膜厚薄比较均匀、平整、光滑。但喷涂法对油漆的有效利用率仅70%80%左右，同时比其他方法需要更多的溶剂，这些溶剂又将全部挥发，而损耗太大。另外，由于油漆雾粒扩散弥漫及溶剂的挥发，造成环境污染，影响工人健康。 静电喷涂法 将热固性粉末通过喷腔口时的一瞬间，感应上负电荷，在库仓与压缩空气的作用下，将塑粉均匀地敷于弹簧的表面。然后将喷涂好的弹簧经150180C的温度在烘箱中加热保温(塑

14、化)，形成一种光洁牢固的表面保护层，一般保温时间为4060min。 这种工艺生产具有效率高，适宜流水作业生产，产品质量好，漆膜厚度均匀，附着力好等优点。目前该种方法在弹簧制造业中日趋广泛应用。 其他 随着主机结构的变化和弹簧在工作时工况条件的日趋苛刻，为了提高弹簧的使用寿命，如气门弹簧等的表面防蚀处理改为在弹簧清洗后，上特殊防锈油(脂)来替代传统的氧化或镀层处理。举例三：齿轮 应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。运动速度或方向。工作条件工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；传递扭矩，

15、齿根部承受较大的交变弯曲应力； 齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；的摩擦； 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力； 有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。要求等。主要性能要求主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。 足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿

16、面损伤。 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。 低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢 2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等，等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度使用性能。具有表面高硬度(565662HRC62HRC)和和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合极限，心部具有足够高的强韧性；故

17、适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。 中碳钢表面淬火齿轮中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275Q275只宜制作只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；接使用；4040、4545钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；火状态下使用；40Cr40

18、Cr、40MnB40MnB合金钢的综合力学性能优合金钢的综合力学性能优于于4040、4545碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。状态使用，少数情况也可在调质状态使用。 中碳氮化钢中碳氮化钢40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。高速齿轮。 机床齿轮机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(4040、4545钢钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达回火，其齿面硬度可达50HRC50HRC，齿心硬度为，齿心硬度为220220250HBS250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢中碳合金钢(40Cr40Cr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB等等)制造，其齿面硬度制造，其齿面硬度可提高到可提高到58HRC5