《机械设计基础》-第２ 章

２.１金属材料的性能金属材料的性能可分为物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。物理性能包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能表现为材料在室温、高温下抵抗各种化学作用的性能,

如耐蚀性、抗氧化性等。工艺性能是指材料对某种加工工艺的适应性,

包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。２.１.１金属材料的力学性能在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时,

大多以其力学性能为主要依据,

所以熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的。因此这里重点介绍力学性能。下一页返回２.１金属材料的性能金属材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的各种性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。金属材料由于受到外力的作用而产生的形状改变称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形两种。弹性变形能随着载荷的去除而消失,

塑性变形则是永久变形,

不能随着载荷的去除而消失。金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同,

它可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种:①静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷。②冲击载荷在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。上一页下一页返回２.１金属材料的性能③交变载荷是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。此外,

根据作用形式的不同,

载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等,

如图２－１所示。１.强度金属材料抵抗塑性变形(永久变形)或断裂的能力称之为强度,

抵抗能力越大,

则强度越高。强度的大小通常用应力来表示。测定强度高低的方法通常采用试验法,

其中拉伸试验应用最普遍。１)拉伸试验上一页下一页返回２.１金属材料的性能做拉伸试验要使用拉伸试验机和试样。为了保证在不同的试验机上试验相同的材料能得到同一结果,

应对试样的形状和尺寸等做出统一规定。在国家标准(ＧＢ/Ｔ６３９７—１９８６)中,

对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确规定。拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两种。最常用的试样(如图２－２所示)为圆形拉伸试样,

其中ｄ０表示原始直径,

ｌ０表示原始标距长度。根据标距长度与直径之间的关系,

试样分长试样(ｌ０＝１０ｄ０)和短试样(ｌ０＝５ｄ０)两种。上一页下一页返回２.１金属材料的性能做拉伸试验时,

先将试样按要求装夹在试验机上,

然后对试样缓慢施加轴向力(又称为拉伸力),

试样会随着拉伸力的增加而逐渐变长,

当载荷达到最大值后,

试样的某处直径发生局部收缩,

这种现象称为“缩颈”。图２－３是某低碳钢的力－伸长曲线。图中明显地表现出下面几个变形阶段:①弹性变形阶段(Ｏｅ段):试样变形完全是弹性的,

此时如果卸载,

试样就会恢复原状。Ｆｅ为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。②屈服阶段(ｅｓ段):当载荷超过Ｆｅ再卸载时,

试样的伸长只能部分地恢复,

而保留一部分残余变形。上一页下一页返回２.１金属材料的性能③强化阶段(ｓｂ段):在屈服阶段以后,

欲使试样继续伸长,

必须不断加载。随着塑性变形增大,

试样变形抗力也逐渐增加,

这种现象称为形变强化(或称加工硬化),

此阶段试样的变形是均匀发生的。Ｆｂ为试样拉伸试验时的最大载荷。④缩颈阶段(ｂｚ段):此阶段也称为局部塑性变形阶段,

当载荷达到最大值Ｆｂ时,

试样的抗拉能力下降,

到ｚ点时,

试样在缩颈处被拉断。２)强度指标为了便于比较,

强度指标(即表征和判定强度所用的指标)采用应力的大小来度量。上一页下一页返回２.１金属材料的性能应力是单位面积上的内力。内力则是指材料受到外力作用后,

为保持其不变形,

在材料内部作用着与外力相对抗的力。做拉伸试验时,

试样没有断裂前处于平衡状态,

可以认为内力与外力(即拉伸力)相等。单位面积上的内力称为应力。应力用符号σ表示,

其单位为Ｐａ(帕)或ＭＰａ(兆帕),１Ｐａ＝１Ｎ/ｍ２,１ＭＰａ＝１０６Ｐａ＝１Ｎ/ｍｍ２。常用的强度指标有三个:弹性极限σｅ、抗拉强度σｂ和屈服点σｓ。它们的计算公式分别为:上一页下一页返回２.１金属材料的性能抗拉强度表示材料在拉断前所承受的最大应力。它是机械零件设计和选材的主要依据之一。屈服点是指试样在试验过程中,

力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力。上一页下一页返回２.１金属材料的性能对于无明显屈服现象的金属材料,

则测定其规定残余伸长应力σ０.２。σ０.２表示试样卸除拉伸载荷后,

其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距０.２％时的应力。机械零件在工作时如受力过大,

则会因过量的塑性变形而失效。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高,

允许的工作应力也越高,

则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此,材料的屈服点或规定残余拉伸应力是机械设计的主要依据,

也是评定金属材料优劣的重要指标。２.塑性塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。塑性好的金属材料便于进行压力加工成形。上一页下一页返回２.１金属材料的性能判断金属材料塑性好坏的主要指标有断后伸长率δ和断面收缩率ψ。它们也可以通过前面提到的拉伸试验进行分析。断后伸长率是试样被拉断后,

标距的伸长量同原始标距的百分比,

即断面收缩率是试样拉断后,

缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比,

即上一页下一页返回２.１金属材料的性能金属材料的伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)数值越大,

表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏,

易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。３.硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形,

特别是局部塑性变形、压痕或划痕的能力,

硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等,

都应具备足够的硬度,

才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等,

也要求有一定的硬度,

以保证足够的耐磨性和使用寿命。上一页下一页返回２.１金属材料的性能因此硬度是衡量材料软硬的指标,

也可以从一定程度上反映材料的综合力学性能。硬度值也可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异。材料的硬度可通过硬度试验来测定。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法、维氏测试法和里氏测试法,

其中前两种方法应用最广泛。１)布氏硬度用布氏测试法测定的硬度称为布氏硬度。布氏测试法的原理如图２－４所示。上一页下一页返回２.１金属材料的性能试验时,按照一定的规范,

用直径为Ｄ的淬火钢球或硬质合金球作为压头,

在规定的试验力Ｆ的作用下,

压入试样表面并保持一段时间,

然后撤去试验力Ｆ,

测量压痕直径ｄ,

以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值,

用符号ＨＢＳ(淬火钢球)或ＨＢＷ(硬质合金球)表示。在实际应用时,

布氏硬度值既不用计算,

也不用标注单位,

只需测出压痕直径ｄ后再查压痕直径与布氏硬度对照表即可。当试验力Ｆ和压头球体直径Ｄ一定时,

布氏硬度值仅与压痕直径ｄ的大小有关。ｄ越小,

布氏硬度值越大,

也就是硬度越高;

相反,

ｄ越大,

布氏硬度值越小,

硬度也越低。上一页下一页返回２.１金属材料的性能布氏硬度的表示方法:布氏硬度值＋压头球体的直径/试验力/试验力保持的时间(１０~１５ｓ不标注)。２)洛氏硬度用洛氏测试法测出的硬度值称为洛氏硬度。洛氏测试法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头,

压入金属表面后,

经规定保持时间后卸除主试验力,

以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。在具体实际工作中,

洛氏硬度值既不用计算,

也不用查表,

可方便地在洛氏硬度测试仪上直接读出。根据试验时采用的压头和试验力的不同,

洛氏硬度常采用三种标尺:ＨＲＡ、ＨＲＢ和ＨＲＣ,

其中ＨＲＣ应用最多。上一页下一页返回２.１金属材料的性能洛氏硬度的表示方法:硬度值＋符号,

例如:４５ＨＲＣ表示用Ｃ标尺测定的洛氏硬度值为４５。各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较,

但可用实验测定的换算表(可查有关资料)相互比较。洛氏测试法的优点是操作简单迅速,

能直接从刻度盘上读出硬度值;

压痕较小,

可以测定成品及较薄工件;

测试的硬度值范围大,

可测从很软到很硬的金属材料。缺点是压痕较小,

当材料的内部组织不均匀时,

硬度数据波动较大,

测量值的代表性差,

通常需要在不同部位测试数次,

取其平均值来代表金属材料的硬度。上一页下一页返回２.１金属材料的性能除了以上两种常用硬度外,

还有维氏硬度(ＨＶ)和里氏硬度(ＨＬ)。要想了解它们的情况,

可查阅有关资料。由于各种硬度的测试条件不同,

不能直接换算,

但它们之间仍有一定的对应关系,

需要时可查阅硬度对照表。４.韧性许多机械零件在工作中,

往往要受到冲击载荷的作用,

如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料,

其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量,

而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。上一页下一页返回２.１金属材料的性能冲击韧性主要反映了金属抵抗冲击力而不断裂的能力,

韧性好的金属抗冲击的能力强。韧性的指标是通过冲击试验确定的。为了使试验结果可以比较,

必须采用标准试样。在国家标准中,

对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确规定。常用的冲击试样一般有１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ的Ｕ形缺口和Ｖ形缺口试样,

其尺寸分别如图２－５和图２－６所示。最常用的冲击试验是摆锤式一次性冲击试验。其工作原理见图２－７。上一页下一页返回２.１金属材料的性能先将带有缺口的试样３放在由摆锤１、机架２、刻度盘４和指针５组成的试验机上,

放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向,

再将摆锤１升到一定的高度Ｈ１,

然后让其自由摆下,将试样冲断,

并记录下摆锤的最后高度Ｈ２。试样被冲断所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功,

称为冲击吸收功,

用ＡＫ表示,

单位为Ｊ。ＡＫ＝ＧＨ１－ＧＨ２＝Ｇ(Ｈ１－Ｈ２)。冲击吸收功(ＡＫ)除以试样缺口处截面积(Ｓ０),

即可得到材料的冲击韧度,

用αＫ表示。其计算公式如下:αＫ＝ＡＫ/Ｓ０(式中Ｓ０为试样缺口底部的横截面积,

单位面积为ｃｍ２)。上一页下一页返回２.１金属材料的性能５.疲劳强度许多机械零件,

如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等,

在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化,

这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下,

虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点,

但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。尽管交变载荷有各种不同的类型,

但疲劳破坏仍有以下共同的特征:疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形,

断裂前没有预兆,

而是突然破坏;

引起疲劳断裂的应力很低,

常常低于材料的屈服点;

疲劳破坏的宏观断口由两部分组成,

即疲劳裂纹的策源地及扩展区(光滑部分)和最后断裂区(粗糙部分),

如图２－８所示。上一页下一页返回２.１金属材料的性能疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。机械零件之所以产生疲劳断裂,

是由于材料表面或内部有缺陷(夹杂、划痕等),

这些地方的局部应力大于屈服点,

从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些应力随循环次数的增加而逐渐扩展,

直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。交变应力与应力循环次数的关系可以通过做疲劳试验来分析。经过对试验数据的整理,

可画出材料的疲劳曲线。某金属材料的疲劳曲线如图２－９所示。金属的疲劳极限受到很多因素的影响,

如工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。上一页下一页返回２.１金属材料的性能

改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度及采取各种表面强化的方法,

都能提高零件的疲劳极限。以下将力学性能的基本指标及其含义小结于表２－１。２.１.２金属材料的加工工艺性能简介金属材料的加工工艺性能,

是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力,

反映了加工的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量,

是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。上一页下一页返回２.１金属材料的性能１.铸造性能金属是否易于用铸造方法制成铸件的性能称为铸造性能(也称为可铸性)。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。１)流动性熔融金属的流动能力称为流动性,

它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型,

从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。２)收缩性铸件在凝固和冷却过程中,

其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。上一页下一页返回２.１金属材料的性能铸件收缩不仅影响尺寸精度,

还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷,

故用于铸造的金属其收缩率越小越好。３)偏析倾向金属凝固后,

内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异,

降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。铸造性能好的金属材料(如灰口铸铁),

其液态时的流动性好,

冷凝时的收缩性小,

凝固后的偏析小(即凝固后各处化学成分的不均匀性小),

铸件的质量较高。２.压力加工性能上一页下一页返回２.１金属材料的性能金属材料在外力的作用下变形成为零件的加工方法称为压力加工,

常分为冷、热压力加工两种类型,

它们是以是否加热工件来区分的。压力加工性能是指材料是否易于用压力加工方法制成零件的性能,

反映了用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度。塑性好的材料(如低碳钢、铜等)一般其压力加工性能较好,

对加工工艺要求不高,加工后工件不易出现裂纹、褶皱等缺陷,

容易达到质量要求。压力加工性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。铸铁则不能锻压。３.焊接性能上一页下一页返回２.１金属材料的性能被焊金属在一定的焊接条件下,

是否易于获得焊接接头的能力称为焊接性能(也称为可焊性)。焊接性能好的材料对焊接条件和工艺要求不高,

便于焊接,

焊后不易产生焊接缺陷(如夹渣、气孔、裂纹等),

焊接接头的力学性能较好。对碳钢和低合金钢,

焊接性主要同金属材料的化学成分有关(其中碳的影响最大)。如低碳钢具有良好的焊接性,

高碳钢、铸铁的焊接性较差。４.切削加工性能金属材料是否易于被刀具切削加工的能力称为切削加工性能(又称可加工性)。切削加工性能一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。上一页下一页返回２.１金属材料的性能影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。切削性能好的材料(如中碳钢)在被切削加工时,

其表面质量较好、切屑容易折断且刀刃不易磨损。一般认为金属材料具有适当硬度(１７０~２３０ＨＢＳ)和足够的脆性时较易切削,

所以铸铁比钢切削加工性能好,

一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理,

是改善钢切削加工性能的重要途径。５.热处理性能金属材料是否易于通过加热、保温、冷却等过程来改变其性能称之为热处理性能。热处理性能好的金属材料工艺简单、生产率高、质量稳定。上一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用热处理是将固态金属或合金采用适当方式进行加热、保温和冷却,

获得所需要的内部组织和性能的工艺方法。热处理工艺在机械制造业中应用极为广泛。它能提高零件的使用性能,

充分发挥钢材的潜力,

延长零件的使用寿命。此外,

热处理还可改善工件的工艺性能,提高加工质量,

减小刀具磨损。金属材料是否经过热处理对其性能有很大的影响。在机械制造中,

绝大多数零件都需要进行热处理。钢在机械制造中所用的比例最大,

在此主要分析钢的常用热处理方法及其目的。钢的热处理方法可分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理五种。下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用热处理方法虽然很多,

但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。１.退火退火是指将钢件加热至临界温度(相变温度)以上的适当温度,

保温一定时间后再缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺,

其主要目的是降低硬度,

提高塑性,

以利于切削加工及冷变形加工;

细化晶粒,

均匀钢的组织及成分,

改善钢的性能或为以后的热处理作准备;

消除钢中的残余内应力,

以防止变形和开裂。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。完全退火主要用于中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等,

有时也用于焊接结构件。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用球化退火适用于共析钢及过共析钢,

如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。去应力退火适用于锻造、铸造、焊接及切削加工后的工件等。２.正火正火是指将钢件加热到临界温度以上的适当温度,

保温一段时间后放入空气中冷却的热处理工艺。正火与退火的目的基本相同,

但正火的冷却速度比退火稍快,

故正火后得到的珠光体组织较细,

强度、硬度比退火钢高。正火比退火生产周期短,

成本低,

操作方便,

故在可能的条件下应优先采用正火。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用但在零件形状较复杂时,

由于正火的冷却速度较快,

有引起开裂的危险,

则采用退火为宜。正火主要用于改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。一般认为硬度在１６０~２３０ＨＢＳ范围内的钢材,

其切削加工性最好。硬度过高时难以加工,

而且刀具容易磨损。硬度过低,切削时容易“粘刀”,

使刀具发热而磨损,

而且工件的表面质量较低。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用低碳钢和低碳合金钢退火后的硬度在１６０ＨＢＳ以下,

切削加工性不良,

而正火能适当提高其硬度,

改善切削加工性;

正火可细化晶粒,

其组织力学性能较高,

所以当力学性能要求不太高时,

正火可作为最终热处理,

也能满足普通结构零件的性能要求;

消除过共析钢中的网状渗碳体,

改善钢的力学性能,

并为球化退火作组织准备。代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火,

改善它们的组织结构和切削加工性能。３.淬火淬火是指将钢件加热至临界温度以上的适当温度,

保温一定时间后放入淬火介质(又称淬火剂)中急剧冷却的热处理工艺。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用钢的淬火加热温度可根据Ｆｅ－ＦｅＣ３相图来选择。常用的淬火冷却介质有水、盐水、油、碱水等。其主要目的是提高钢的强度和硬度。常用的淬火方法有单液淬火法、双介质淬火法、马氏体分级淬火法、贝氏体等温淬火法。单液淬火时碳钢一般用水作冷却介质,

合金钢可用油作冷却介质。单液淬火操作简单,易实现机械化和自动化,

但单独用水或油进行冷却,

综合的冷却特性不够理想,

容易产生硬度不足或开裂等淬火缺陷。双介质淬火内应力小,

变形及开裂小,

但操作困难,

不易掌握,故主要应用于由碳素工具钢制造的易开裂工件,

如丝锥等。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用马氏体分级淬火,

可以减小淬火应力,

防止工件变形和开裂,

马氏体分级淬火主要应用于合金钢或截面不大、形状复杂的碳钢工件。贝氏体等温淬火的主要目的是强化钢材,

使工件获得强度和韧性的良好配合,

以及较高硬度和较好的耐磨性。贝氏体等温淬火可以显著地减小淬火应力和变形,

基本上避免了工件的淬火开裂,

故常用来处理形状复杂的各种模具、成形刀具等。因淬火时工件内部会产生很大的内应力,

工件会变脆,

故淬火后必须回火。４.回火上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用将淬火后的钢,

再加热到至临界温度以下的某一温度,

保温一定时间,

然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火钢回火的目的是消除内应力,

通过回火减小或消除工件在淬火时产生的内应力,

防止工件在使用过程中的变形和开裂;

通过回火可获得所需要的力学性能,

能够提高钢的韧性,

适当调整钢的强度和硬度,

使工件具有较好的综合力学性能;

回火可稳定组织和尺寸,

从而保证工件在使用过程中尺寸稳定。回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种情况。生产中常把淬火及高温回火的复合热处理称为调质,

其目的是提高工件的综合力学性能。重要零件一般都需要经过调质。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用５.表面热处理表面热处理是使零件表面具有高硬度和耐磨性,

而心部具有足够的塑性和韧性的热处理工艺。在机械中,

有许多零件(如齿轮、轴等)是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件都需要表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。１)表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。火焰加热表面淬火一般适用于单件或小批生产。感应加热表面淬火适用于大批量生产。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用表面淬火主要适用于中碳钢、中碳合金钢。如果含碳量太低,

淬火后硬度低;

而含碳量过高,

则容易淬裂。２)化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温,

使一种或几种元素渗入它的表层,

以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺,

称为化学热处理。化学热处理与其他热处理相比,

不仅改变了钢的组织,

而且钢表层的化学成分也发生了变化。化学热处理的种类很多,

根据渗入元素的不同,

化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等多种。不论哪一种方法,

都是通过分解、吸收和扩散三个基本过程来完成的。上一页下一页返回２.２常用金属材料的热处理方法目的及应用渗碳是将工件在渗碳介质中加热并保温,

使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。目的是为了增加零件表层的含碳量。渗碳可以使零件表面具有硬度高、强度高、耐磨性好,

而心部仍保持原有的韧性和强度,

多应用于受冲击载荷的低碳钢、低碳合金钢或中碳钢零件。渗氮的工艺方法与渗碳类似。由于氮的特殊作用,

使得工件表面的硬度更高,

耐磨性与耐蚀性好。渗氮多用于耐磨性零件(钢件或铸铁件),

特别适用于在潮湿、碱水或燃烧气体介质中工作的零件。上一页返回２.３机械工程常用材料机械工程常用材料分为两大类:金属材料和非金属材料。金属材料又可以分为两大类:钢铁材料(黑色金属)和非铁金属材料(有色金属及其合金)。本书从简明和实用的角度对金属材料按如图２－１０所示进行分类。２.３.１工业用钢钢及铸铁的主要元素铁是地壳中第四种蕴藏丰富的元素。很久以来,

它已成为重要的基本金属。随着铁及铁合金技术的不断发展,

还将继续扩大它们在机械工程中的用途。要充分发挥铁碳合金的性能,

了解钢及铸铁的有关知识是必要的。下一页返回２.３机械工程常用材料１.钢的分类、编号与成分特点钢的品种繁多,

为了便于管理和使用,

必须将钢加以分类和编号。①按用途分为结构钢、工具钢、专门用途钢和特殊性能钢;②按含碳量的多少分为低碳钢(ｗ(Ｃ)≤０.２５％)、中碳钢(ｗ(Ｃ)＝０.２５％~０.６０％)、高碳钢(ｗ(Ｃ)>０.６０％);③生产上根据钢中有害杂质元素Ｓ、Ｐ含量,

把钢分为普通质量钢(ｗ(Ｓ)<０.０５５％、ｗ(Ｐ)<０.０４５％)、优质钢(ｗ(Ｓ、Ｐ)<０.０４０％)、高级优质钢(ｗ(Ｓ)<０.０３０％、ｗ(Ｐ)<０.０３５％)。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料④按合金元素含量的多少分为非合金钢、低合金钢和合金钢,

其界限值见表２－２。在保证有害杂质不超标和采用合适的热处理工艺的情况下,

影响钢性能的主要因素是钢中含碳量与合金元素含量。在此,

我们先简要介绍«钢铁及合金牌号统一数字代号体系»(ＧＢ/Ｔ１７６１６—１９９８)和各种钢产品牌号的编号方法。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料«钢铁及合金牌号统一数字代号体系»规定,

统一数字代号由一个大写的拉丁字母接５位阿拉伯数字组成,

并规定每一个数字代号只适用于一个产品牌号、反之亦然,

还规定凡列入国家标准和行业标准的钢铁及合金产品应同时列入产品牌号和统一数字代号并相互对照,两种表示方法均为有效。非合金钢(即碳素钢)牌号的编号方法见表２－３。低合金钢牌号的编号方法是用字母“Ｑ”(表示屈服点,

是“屈”汉语拼音首字母)起头,

接着是屈服点值及质量等级(从低到高用Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ表示),

如Ｑ２９５Ａ、Ｑ３４５Ｂ等。合金钢牌号的编号方法见表２－４。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料２.钢的牌号、性能和应用１)碳素钢含碳量大于０.０２１８％但小于２.１１％,

且不含有特意加入的合金元素的铁碳合金,

称为碳素钢,

简称碳钢。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能,

且冶炼方便,

价格便宜,

故在机械制造、建筑、交通运输等许多工业部门中得到广泛的应用。(１)碳素结构钢碳素结构钢为低碳钢或中碳钢,

力学性能一般,

加工工艺性好,

价格便宜,

使用时不用进行热处理,

多用来制造一般工程结构件和不重要的机械零件。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料碳素结构钢的牌号性能与应用见表２－５。(２)优质碳素结构钢优质碳素结构钢的有害杂质含量较少,

化学成分准确,

力学性能可靠,

常用来制造比较重要的机械零件。优质碳素结构钢一般都要进行热处理,

以便充分发挥其良好的力学性能。常用优质碳素结构钢的牌号、性能和应用见表２－６,

其中最常用的是４５钢。(３)碳素工具钢碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性,

故碳素工具钢含碳量均在０.７０％以上,

都是优质钢或高级优质钢,

有害杂质含量少,经淬火和低温回火后硬度高(不小于６２ＨＲＣ)、耐磨性好。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料但因其热硬性(又称红硬性,即在高温下保持高硬度的性能)很差,

当温度超过２５０℃后,

硬度会急剧下降,

故多用来制作在常温下使用的低速工具,

手动工具、模具和耐磨零件等。碳素工具钢的牌号有Ｔ７、Ｔ８、Ｔ８Ａ、Ｔ８Ｍｎ、Ｔ８ＭｎＡ、Ｔ９、Ｔ９Ａ、Ｔ１０、Ｔ１０Ａ、Ｔ１１、Ｔ１１Ａ、Ｔ１２、Ｔ１２Ａ、Ｔ１３、Ｔ１３Ａ等。随着含碳量的增加,

碳素工具钢的硬度和耐磨性增加但韧性和淬透性降低。碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途如表２－７所示。(４)铸造碳钢上一页下一页返回２.３机械工程常用材料铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件,

这些零件形状复杂,

很难用锻造或机械加工的方法制造,

又由于力学性能要求较高,

不能用铸铁来铸造。铸造碳钢广泛应用于铸造重型机械的某些零件,

如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。铸造碳钢的含碳量一般在０.２０％~０.６０％之间,

如果含碳量过高,

则塑性变差,

而且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两汉字的汉语拼音首字母“ＺＧ”后面加两组数字组成:第一组数字代表屈服点,

第二组数字代表抗拉强度值。铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能如表２－８所示。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料不同牌号的铸造碳钢用于不同使用要求的零件。ＺＧ２００－４００有良好的塑性、韧性和焊接性,

用于受力不大、要求具有一定韧性的零件,

如机座、变速箱体等。ＺＧ２３０－４５０有一定的强度和较好的塑性、韧性,

焊接性良好,

切削性能尚可,

用于受力不大、要求具有一定韧性的零件,

如砧座、轴承盖、外壳、阀体、底板等。ＺＧ２７０－５００有较高强度和较好塑性,铸造性能良好,

焊接性较差,

切削性能良好,

是用途较广的铸造碳钢,

用作轧钢机机架、连杆、箱体、缸体、曲轴、轴承座等。ＺＧ３１０－５７０强度和切削性能良好,

塑性、韧性较差,用于负荷较高的零件,

如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等。ＺＧ３４０－６４０有高的强度、硬度和耐磨性,

切削性能中等,

焊接性差,

裂纹敏感性大,

用作齿轮、棘轮等。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料许多形状复杂或尺寸很大的批量生产零件可以用铸钢来制造。铸钢的铸造性能比铸铁稍差,

但力学性能和焊接性能却大大优于铸铁,

故多用在工程机械和车辆中。目前应用较多的是铸造碳钢。在碳素钢钢水中加入某些合金元素同样可以改善其性能,

可得到不锈钢铸件、耐热钢铸件等。２)合金钢碳素钢的冶炼、加工简单,

价格便宜,

并且通过热处理可以得到不同的性能,

以满足工业生产上的各种需要。但是,

碳素钢的淬透性差,

缺乏良好的综合性能,

如重型机械的传动轴、汽轮机叶片、汽车和拖拉机的一些重要零件,

若选用碳素钢,

就达不到性能要求。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料此外碳素钢缺乏一些特殊性能,

如耐热性、耐腐蚀性、高磁性、无磁性、耐磨性等。因此,

随着现代工业和技术的发展,

人们在机械制造中还广泛采用合金钢。所谓合金钢就是为了改善钢的性能,

在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。这类钢中除含有硅、锰、硫、磷外,

还根据钢种要求向钢中加入一定数量的合金元素,

如铬、镍、钼、钨、钒、钴、硼、铝、钛及稀土等合金元素。合金钢按用途分类,

可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类。(１)合金结构钢上一页下一页返回２.３机械工程常用材料常用的合金结构钢有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等,

其中低合金结构钢主要用于各种工程结构件,

如桥梁、建筑、船舶等;

其他钢则主要用于制造各种机械零件,

通常是优质或高级优质合金结构钢,

它们都用来制造重要机械零件。使用合金结构钢可以明显减小零件的尺寸和质量,

从而使整机小而轻。合金结构钢的品种多,

性能各有千秋,

但价格较高,

可根据需要进行合理选用。①低合金高强度结构钢上一页下一页返回２.３机械工程常用材料在低碳碳素结构钢中加入少量的锰、钒、钛、铌、铬、镍等合金元素(以锰为主)后,可以制成一种新钢种:低合金高强度结构钢。因该钢种与碳素结构钢相比具有较高的强度,较好的韧性、焊接性和耐蚀性,

较高的性能价格比,

故在桥梁、船舶、车辆、容器和建筑结构制造中得到了广泛的应用。按ＧＢ/Ｔ１５９１—１９９４,

低合金高强度结构钢的牌号从Ｑ２９５至Ｑ４６０有多个。最常用的是Ｑ３４５钢。因低合金高强度结构钢经过热轧后一般都进行了退火或正火处理,

故使用时不再进行热处理。低合金高强度结构钢的牌号、力学性能和应用见表２－９。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料②合金渗碳钢合金渗碳钢属于低碳合金钢,

它们的表面硬度高(可达５８~６４ＨＲＣ),

心部韧性好,

切削加工性好,

要经过渗碳、淬火、低温回火后才能使用。合金渗碳钢是用来制造既有优良的耐磨性、耐疲劳性,

又能承受冲击载荷的作用的零件,

如汽车、拖拉机中的变速齿轮,

内燃机中的凸轮和活塞销等。合金渗碳钢的含碳量在０.１０％~０.２５％之间,

可保证心部有足够的塑性和韧性;

加入铬、镍、锰、硅、硼等合金元素以提高钢的淬透性,

使零件在热处理后,

表层和心部均得到强化;

加入钒、钛等合金元素,

主要是为了防止在高温长时间渗碳过程中的晶粒长大。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料２０ＣｒＭｎＴｉ是最常用的合金渗碳钢,

适用于截面径向尺寸小于３０ｍｍ的高强度渗碳零件。常用合金渗碳钢的牌号、力学性能和用途见表２－１０。③合金调质钢合金调质钢属于中碳合金钢,

含碳量一般为０.２５％~０.５０％。含碳量过低,

硬度不足;含碳量过高,

则韧性不足。合金调质钢的综合力学性能良好,

淬透性好,

切削加工性好,

用来制造一些受力复杂、易出现严重磨损的重要零件。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料合金调质钢中常加入少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性,

使铁素体强化并提高韧性。加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素,

可阻止奥氏体晶粒长大,

提高钢的回火稳定性,

以进一步改善钢的性能。合金调质钢的热处理工艺是调质,

即淬火后高温回火,

处理后获得回火索氏体组织,

使零件具有良好的综合力学性能。若要求零件表面有很高的耐磨性,

可在调质后再进行表面淬火或化学热处理。常用的合金调质钢的牌号、力学性能和应用见表２－１１。④合金弹簧钢上一页下一页返回２.３机械工程常用材料弹簧是多种机器和仪表中的重要零件,

它主要在动载荷下工作,

即在冲击、振动的条件下,

或在交变应力作用下工作,

利用弹性变形来吸收冲击能量,

起缓冲作用。由于弹簧经常承受振动且长期在交变应力作用下工作,

主要是疲劳破坏,

故弹簧钢必须具有高的弹性极限和高疲劳极限。此外,

还应有足够的韧性和塑性,

以防止在冲击力作用下突然脆断。在工艺性能方面,

弹簧钢应具有较好的淬透性和低的脱碳敏感性,

降低弹簧表面粗糙度能提高疲劳寿命。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料为了获得所需要的性能,

弹簧钢必须具有较高的含碳量,

其含碳量在０.４５％~０.７０％之间,

加入的合金元素有Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ等,

它们的主要作用是提高淬透性与回火稳定性,

强化铁素体和细化晶粒,

有效地改善钢的力学性能,

其中Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ还能提高钢的高温强度。合金弹簧钢用于制造截面尺寸较大的弹簧。根据制造方法不同,

弹簧一般分为两类:一类是在热状态下成型的弹簧(直径或厚度一般在１０ｍｍ以上),

称为热成型弹簧;

一类是在冷状态下成型的弹簧(直径或厚度一般在１０ｍｍ以下),

称为冷成型弹簧。这两种弹簧在成型之后都必须经过热处理,

才能满足使用要求。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料热成型弹簧制造时多数将热成型和热处理结合在一起进行的,

而螺旋弹簧则大多数是在热成型后再进行热处理。这类弹簧钢的热处理方法是淬火后中温回火,

热处理后的组织为回火托氏体,

这种组织的弹性极限和屈服极限高,

硬度为４０~４５ＨＲＣ,

并有一定的韧性。热成型弹簧一般用于大型弹簧或形状复杂的弹簧。冷成型弹簧采用冷拉弹簧钢丝冷绕成型,

由于弹簧钢丝在生产过程中(冷拉或铅浴淬火)已具备了很好的性能,

所以冷绕成形后,

不再淬火,

只需作２５０℃~３００℃的去应力退火,

以消除在冷绕过程中产生的应力,

并使弹簧定型。冷成型弹簧一般用于小型弹簧。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料常用合金弹簧钢的牌号有:６０Ｓｉ２Ｍｎ、５０ＣｒＶＡ、５５Ｓｉ２Ｍｎ、６０Ｓｉ２ＣｒＶＡ等。⑤滚珠轴承钢滚动轴承钢不仅用于制造各种轴承的内外圈及滚动体(滚珠、滚柱、滚针),

常常也用来制造要求高耐磨性的其他零件和部分模具及量具。轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性,

高弹性极限和接触疲劳强度,

足够的韧性和良好的淬透性,

同时在大气或润滑油中具有一定的抗蚀能力。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料应用最广的轴承钢是高碳铬钢,

其一般含碳量为０.９５％~１.１０％,

以保证其具有高强度、高弹性和高耐磨性。钢中加入含量为０.４０％~１.６５％的铬,

可增加钢的淬透性,

并使钢中的碳化物Ｆｅ３Ｃ、Ｃｒ３Ｃ呈均匀、细密分布,

以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。制造大型轴承时,

为了进一步提高淬透性,

还可以加入硅、锰等元素。滚动轴承钢对有害元素及杂质的限制极高,

一般规定含Ｓ小于０.０２％,

含Ｐ小于０.０２７％;

非金属夹杂物(氧化物、硅化物、硅酸盐等)的含量必须很低,

否则会降低轴承钢的力学性能,

影响轴承的使用寿命。可见轴承钢都是高级优质钢。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料滚动轴承钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理采用球化退火,

其目的是为了获得球状珠光体组织,

以降低锻造后钢的硬度,

便于切削加工,

并为淬火做好组织上的准备。最终热处理为淬火加低温回火,

其目的是获得极细的回火马氏体和细小均匀分布的碳化物组织,

以提高轴承的硬度和耐磨性,

硬度可达６１~６５ＨＲＣ。目前应用最多的滚动轴承钢有:ＧＣｒ１５主要用于中小型滚动轴承;

ＧＣｒ１５ＳｉＭｎ主要用于较大的滚动轴承。近年来,

我国也研制成功了无铬轴承钢,

其性能已达到或超过铬轴承钢,但耐蚀性能、切削性能稍差。无铬轴承钢正逐步扩大应用范围。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料(２)合金工具钢工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两种。碳素工具钢容易加工,

价格便宜,

但是淬透性差,

容易变形和开裂,

而且当切削过程温度升高时容易软化(热硬性只有２００℃)。因此,

尺寸大、精度高和形状复杂的模具、量具以及切削速度较高的刀具均采用合金工具钢制造。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。①合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、高耐磨性、高热硬性及足够的强度和韧性等。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速工具钢两种。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料ａ.低合金刃具钢低合金刃具钢中主要加入铬、锰、硅等元素,

其目的是提高钢的淬透性,

同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素,

是为了提高钢的硬度和耐磨性,

并防止加热时过热,

保持晶粒细小。低合金刃具钢与碳素工具钢相比提高了淬透性,

能制造尺寸较大的刀具,

可在冷却较缓慢的介质(如油)中淬火,

使变形倾向减小。这类钢的强度和耐磨性也比碳素工具钢高。由于合金元素加入量不大,

故一般工作温度不得超过３００℃。低合金刃具钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理为球化退火,

最终热处理为淬火后低温回火。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料９ＳｉＣｒ和ＣｒＷＭｎ是最常用的低合金刃具钢。９ＳｉＣｒ钢由于加入铬和硅,

使其有较高的淬透性和回火稳定性,

碳化物细小均匀,

热硬性可达３００℃。因此,

适用于制造要求变形小的薄刃刀具,

如板牙、丝锥、铣刀、绞刀。ＣｒＷＭｎ钢的含碳量为０.９０％~１.０５％,

铬、钨、锰同时加入,

使钢具有很高的硬度(６４~６６ＨＲＣ)和耐磨性,

但热硬性不如９ＳｉＣｒ。ＣｒＷＭｎ钢热处理后变形小,

又称微变形钢,

主要用来制造较精密的低速刀具,

如长铰刀、拉刀等。ｂ.高速工具钢高速工具钢简称高速钢,

又被称之为风钢、锋钢、白钢。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料

高速工具钢发展较早,

应用广泛。它是一种具有高热硬性、高耐磨性的高合金工具钢。钢中含有较多的碳(０.７％~１.５０％)和大量的钨、铬、钒、铝等强碳化物形成元素。高的含碳量是为了保证形成足够量的合金碳化物,

并使高速钢具有高的硬度和耐磨性;

钨、钼是提高钢热硬性的主要元素;

铬主要提高钢的淬透性;

钒能显著提高钢的硬度、耐磨性和热硬性,

并能细化晶粒。高速钢只有经过适当的热处理以后才能获得较好的组织和性能。其热处理为一次高温淬火(一般为１２２０℃~１２８０℃)后必须在５５０℃~５７０℃温度下进行多次回火(一般二次或三次)。热处理后硬度可达６３~６６ＨＲＣ,

从而提高了钢的硬度和耐磨性。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料与量具钢、刃具钢相比,

高速钢除了具有更高的硬度、更好的耐磨性、韧性和足够的强度之外,

最大的优点是热硬性好,

即使在６００℃高温下工作,

也能保证其硬度在６０ＨＲＣ以上,

多用来制造切削速度较高的刀具(如车刀、铣刀、钻头等)和形状复杂、载荷较大的成形刀具(如齿轮铣刀、拉刀等)。此外,

高速钢还可用于制造冷挤压模及某些耐磨零件。常用高速钢的牌号、成分、热处理及应用见表２－１２。②合金模具钢根据模具的用途、结构和工作条件可分为冷作模具钢和热作模具钢两类。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料用于冷态金属成型的模具钢称为冷作模具钢,

这类模具工作时的工作温度一般不超过２００℃~３００℃。用于热态金属成形的模具称为热作模具钢,

这种模具工作时型腔表面工作温度可达６００℃以上。ａ.冷作模具钢冷作模具钢工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦,

因此应具有高的硬度和高的耐磨性,

足够的强度、韧性和疲劳强度,

要保证模具在工作时,

能承受各种载荷,

而不发生断裂或疲劳断裂。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料此外,

对于形状复杂的模具,

要求钢材热处理变形小,

大型模具还要求有良好的淬透性。冷作模具钢是用于制造使金属在冷态下变形的模具,

如冷冲模、冷挤压模、拉丝模等。小型冷作模具可用碳素工具钢和低合金刃具钢来制造,

如Ｔ１０Ａ、Ｔ１２、９ＳｉＣｒ、ＣｒＷＭｎ、９Ｍｒ２Ｖ等。大型冷作模具一般采用Ｃｒ１２、Ｃｒ１２ＭｏＶ等高碳高铬钢制造。这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。ｂ.热作模具钢上一页下一页返回２.３机械工程常用材料由于被加工工件在热状态成型,

模具除承受很大的冲击负荷外,

还受到高温(模具工作温度在３００℃~４００℃,

局部可达５００℃~６００℃)的影响,

以及空气、油、水的反复冷却。因此要求热模具钢具有高的热强性和热硬性、高温耐磨性和高的抗氧化性,

以及较高的抗热疲劳性,

良好的导热性、淬透性、冲击韧度和加工工艺性。一般采用中碳(含碳量为０.３％~０.６％)合金钢制造。含碳量过高会使韧性下降,

导热性也差;

含碳量太低则不能保证钢的强度和硬度。加入合金元素铬、镍、锰、硅等是为了强化钢的基体和提高钢的淬透性。加入钼、钨、钒等是为了细化晶粒,

提高钢的回火急定性和耐磨性。热作模具钢的最终热处理是淬火后加中温回火(或高温回火),

以保证其有足够的韧性。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料热作模具钢是用来制造使金属在高温下成形的模具,

如热锻模、热挤压模和压铸模等。目前一般采用５ＣｒＭｎＭｏ和５ＣｒＮｉＭｏ钢制作热锻模,

采用３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢制作热挤压模和压铸模。为节约热锻模用钢,

常在结构上采用型槽用热锻模钢。③合金量具钢量具钢主要用于制造测量零件尺寸的各种量具,

如游标卡尺、量规、千分尺、塞规、样板等。量具在使用中,

经常与被测零件接触而受到磨损,

因此,

它们的工作部分一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性、抗蚀性和足够的韧性。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料量具钢的的热处理方法与低合金刃具钢相似,

进行球化退火,

淬火和低温回火。淬火后要在１５０℃~１７０℃下长时间低温回火,

以稳定尺寸。对精密量具,

为了保证使用过程中的尺寸稳定性,

淬火后要进行－７０℃~－８０℃的冷处理,

促使残余奥氏体的转变,

然后再进行长时间的低温回火。在精磨后或研磨前,

还要进行时效处理(在１２０℃~１５０℃保温２４~３６ｈ),

以进一步消除内应力。量具用钢应具有较高的含碳量,

一般采用过共析钢。制造量具没有专用钢种,

碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢均可用来制造量具。(３)特殊性能钢上一页下一页返回２.３机械工程常用材料为了满足某些场合对钢的特殊性能要求,

人们制造出了许多具有特殊性能的钢。对具有特殊物理、化学性能的钢,

称之为特殊性能钢。这类钢种类很多,

在机械制造业中常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。①不锈钢不锈钢按其成分可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等,

常用的是铬不锈钢和铬镍不锈钢两种。常用铬不锈钢的牌号有１Ｃｒ１３、２Ｃｒ１３和３Ｃｒ１３等,

通称Ｃｒ１３型不锈钢。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料钢中的铬使钢有良好的耐蚀性,

而碳则保证钢有适当的强度。随着钢中含碳量的增加,

钢的强度和硬度提高,

而韧性和耐蚀性则下降。含碳量较低的１Ｃｒ１３和２Ｃｒ１３钢,

具有良好的抗大气、海水、蒸汽等介质腐蚀的能力,

塑性和韧性很好,

适用于制造在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件。如汽轮机叶片、水压机阀门等。含碳量较高的３Ｇ１３、３Ｃｒ１３Ｍ０、７Ｃｒ１３等,

经淬火、低温回火后,

其硬度可达５０ＨＲＣ左右,

用于制造弹簧、轴承、医疗器械及在弱腐蚀条件下工作且要求高强度的零件。常用的铬镍不锈钢的牌号有０Ｃｒ１９Ｎｉ９、１Ｃｒ１８Ｎｉ９等,

通称１８－８型不锈钢。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料这类钢含碳量低,

含镍量高,

经热处理后,

呈单相奥氏体组织,

无磁性,

其耐蚀性、塑性和韧性均较Ｃｒ１３型不锈钢好。铬镍不锈钢主要用于制造强腐蚀介质(硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等)中工作的零件,

如吸收塔壁、贮槽、管道及容器等。②耐热钢在高温下具有高的抗氧化性能和较高强度的钢称为耐热钢。耐热钢可分为抗氧化钢与热强钢两类。抗氧化钢是在高温下有较好的抗氧化能力且具有一定强度的钢。这类钢主要用于制造长期在高温下工作但强度要求不高的零件,

如各种加热炉的炉底板、渗碳处理用的渗碳箱等。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料抗氧化钢中加入的合金元素为铬、硅、铝等,

它们在钢表面形成致密的、高熔点的、稳定的氧化膜,

牢固地覆盖在钢的表面,

使钢与高温氧化性气体隔绝,

从而避免了钢的进一步氧化。常用的抗氧化钢有４Ｃｒ９Ｓｉ２、１Ｃｒ１３ＳｉＡｌ等。热强钢是在高温下具有良好抗氧化能力且具有较高的高温强度的钢。为了提高钢的抗氧化能力和高温下的强度,

常在钢中加入铬及钨、钼、钛、钒等合金元素。常用的热强钢有１５ＣｒＭｏ、４Ｃｒ１４Ｎｉ１４Ｗ２Ｍｏ等。１５ＣｒＭｏ钢是典型的锅炉用钢,

可以制造在３００℃~５００℃条件下长期工作的零件。４Ｃｒ１４Ｎｉ１４Ｗ２Ｍｏ钢可以制造在６００℃以下工作的零件,

如汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料③耐磨钢耐磨钢主要用于承受严重摩擦和强烈冲击的零件,

如车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗和铁道道岔等。因此,

要求耐磨钢具有良好的韧性和耐磨性。高锰钢是典型的耐磨铟,

含碳量为０.９％~１.４％,

含锰量为１１％~１４％,

其牌号为ＺＧＭｎ１３。高锰钢耐磨、耐冲击的原因是在热处理后具有单相奥氏体组织。为了使高锰钢获得单相奥氏体组织,

应进行“水韧处理”。当其在工作中受到强烈的冲击和压力而变形时,

表面会产生强烈的硬化使其硬度显著提高(５０ＨＲＣ以上),

从而获得高的耐磨性,

而心部仍保持很高的塑性和韧性。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料即这种钢只有在受到强大冲击和压力的条件下,

才有高的耐磨性,

否则,

并不耐磨。由于高锰钢极易加工硬化,

切削加工困难,

故高锰钢零件大多采用铸造成形。２.３.２铸铁铸铁是含碳量大于２.１１％的铁碳合金。工业上常用的铸铁,

含碳量一般在２.５％~４.０％的范围内,

此外还含有硅、锰、硫、磷等元素。铸铁和钢相比,

虽然力学性能较低,

但是它具有铸造性能好、切削性能好、减振性好、减磨性好、价格低廉、耐压、耐磨性好等性能,但也存在着塑性差、韧性差、抗拉强度低、焊接性能较差等缺点。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料铸铁有着广泛的应用,

生铁可以用来炼钢,

也可以用来铸造,

形成铸铁件,

它在汽车、拖拉机中的应用占３０％~５０％。１.白口铸铁白口铸铁中的碳主要是以游离碳化铁(Ｆｅ３Ｃ)形式出现的,

其断口呈亮白色,

所以称为白口铸铁。这类铸铁的性能是硬度高、脆性大,

很难进行切削加工,

所以很少直接用来制造机器零件,

多用来炼钢或制造可锻铸铁件的毛坯。２.灰口铸铁铸铁中的碳主要是以石墨的形式出现的,

其断口呈灰色。在灰口铸铁中,

石墨大部分为层片状的称为灰铸铁。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料灰铸铁具有良好的铸造性能、切削性能、减振性、减磨性及低的缺口敏感性,

价格低廉,

但也存在着塑性差、韧性差、抗拉强度低、焊接性能较差等缺点。灰铸铁多用来制造固定设备的床身、形状特别复杂或承受较大摩擦力的批量零件。灰铸铁是目前工业生产中应用最广泛的一种铸铁。灰铸铁的牌号由“灰铁”两字的汉语拼音首字母“ＨＴ”及后面一组数字组成,

数字表示最低抗拉强度。表２－１３是灰铸铁的牌号、力学性能和应用。３.球墨铸铁上一页下一页返回２.３机械工程常用材料铁水经过球化处理而使石墨大部分或全部呈球状的铸铁称为球墨铸铁。由于球墨铸铁中的石墨呈球状,

其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小,

可以充分发挥金属基体的性能,

所以,

它的强度和塑性已超过灰铸铁和可锻铸铁,

接近铸钢。球墨铸铁不仅具有远远超过灰铸铁的力学性能,

而且同样也具有灰铸铁的一系列优点,如良好的铸造性、耐磨性、切削加工性和低的缺口敏感性等。球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字的汉语拼音的首字母“ＱＴ”及两组数字组成,

两组数字分别代表其最低抗拉强度和伸长率。表２－１４是球墨铸铁的牌号、力学性能和应用。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料４.可锻铸铁可锻铸铁俗称玛钢、马铁。它是将白口铸件加热至９００℃~９８０℃后长时间保温并分阶段石墨化,

使其内部石墨变成团絮状石墨的铸铁。由于石墨呈团絮状,

减轻了石墨对金属基体的割裂作用且应力集中,

因而可锻铸铁相对灰铸铁有较高的强度,

塑性和韧性也有很大的提高。因其具有一定的塑性变形的能力,

故得名可锻铸铁,

实际上可锻铸铁并不能锻造。可锻铸铁的牌号是由三个字母及两组数字组成。前两个字母“ＫＴ”是“可铁”两字的汉语拼音首字母,

第三个字母代表可锻铸铁的类别。后面两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料可锻铸铁具有铁水处理简单、质量稳定、容易组织流水生产、低温韧性好等优点,

常应用于汽车、拖拉机制造行业,

用来制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁、中小型零件。由于可锻铸铁退火时间长、生产过程复杂、生产效率低、成本高,

现已少用。２.３.３有色金属及硬质合金通常把钢铁称为黑色金属,

而把黑色金属以外的金属称为有色金属,

也称非铁金属。机械工程上除了大量采用钢铁材料外,

在某些场合还要使用非铁金属材料。有色金属是现代工业,

特别是国防工业不可缺少的材料。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料常用的非铁金属材料有铜及铜合金、铝及铝合金、滑动轴承合金、硬质合金等。１.铜及铜合金１)工业纯铜工业纯铜呈紫红色,

故又称为紫铜。纯铜的导电性和导热性仅次于金和银,

是最常用的导电、导热材料。纯铜在大气及淡水中有良好的抗蚀性能。纯铜的塑性非常好,

易于冷、热压力加工。由于铜的强度不高,

所以一般用作结构零件。常用冷加工方法制造电线、电缆、铜管以及配制铜合金等。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料工业纯铜的序号有Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４,

分别称之为１号铜、２号铜、３号铜、４号铜。序号中的数字代表纯度,

数字越大,

纯度越低。２)铜合金常用的铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。一般机械工业中应用较广是黄铜、青铜,而白铜(Ｃｕ－Ｎｉ合金)主要是制造精密机械与仪表的耐蚀件及电阻器、热电偶等。(１)黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金。按照化学成分的不同黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜。按照成形方法分为压力加工黄铜和铸造黄铜。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料与纯铜相比,

普通黄铜的强度较高,

塑性和耐蚀性较好,

价格较低,

应用广泛。普通黄铜的牌号用“Ｈ”＋数字表示。其中“Ｈ”表示普通黄铜的“黄”字汉语拼音首字母,数字表示平均含铜量的百分数。铸造黄铜的代号表示方法由“ＺＣｕ”＋主加元素的元素符号＋主加元素的含量＋其他加入元素的元素符号及含量组成.在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的合金,

称为特殊黄铜。特殊黄铜常加入的合金元素有锡、硅、锰、铅和铝等,

分别称为锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜和铝黄铜等。铅使黄铜的力学性能恶化,

但却能改善其切削工艺性能。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料硅能提高黄铜的强度和硬度,

与铅一起还能提高黄铜的耐磨性。锡提高了黄铜的强度和在海水中的抗蚀性,

又称海军黄铜。特殊黄铜的代号由“Ｈ”＋主加元素的元素符号(锌除外)＋铜含量的百分数＋主加元素含量的百分数组成。常用黄铜的牌号、力学性能及用途见表２－１５。(２)青铜除黄铜、白铜外,

其余铜合金统称青铜。青铜可分为普通青铜(锡青铜)和特殊青铜(无锡青铜)两类。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料青铜的代号由“Ｑ”＋主加元素的元素符号及含量＋其他加入元素的含量组成,

其中“Ｑ”表示青铜的“青”字汉语拼音字母的字头。工业用的锡青铜,

其含锡量一般在３％~１４％,

通常含锡量小于８％的锡青铜,

具有较好的塑性和适当的强度,

适于压力加工,

含锡量大于１０％的锡青铜,

由于塑性较差,

只适于铸造,

锡青铜在铸造时,

因体积收缩小,

易形成分散细小的缩孔,

可铸造形状复杂的铸件,但铸件的致密性差,

在高压下易渗漏,

故不适合制造密封性要求高的铸件。锡青铜在大气及海水中的耐蚀性好,

故广泛用于制造耐蚀零件。在锡青铜中加入磷、锌、铅等元素,

可以改善锡青铜的耐磨性、铸造性及切削加工性,

使其性能更佳。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料特殊青铜按添加元素不同又分为铝青铜、铍青铜、硅青铜等。通常铝青铜的含铝量为５％~１２％。铝青铜比黄铜和锡青铜具有更好的耐蚀性、耐磨性和耐热性,

并具有更好的力学性能,

还可以进行淬火和回火以进一步强化其性能,

常用来铸造承受重载、耐蚀和耐磨的零件。常用铍青铜的含铍量为１.７％~２.５％。铍在铜中的溶解度随温度的增加而增加,

因此,经淬火后加以人工时效可获得较高的强度、硬度、抗蚀性和抗疲劳性,

还具有良好的导电性和导热性,

是一种综合性能较好的结构材料,

主要用于弹性零件和有耐磨性要求的零件。硅青铜具有很高的力学性能和耐蚀性能,

并具有良好的铸造性能和冷、热变形加工性能,

常用来制造耐蚀和耐磨零件。上一页下一页返回２.３机械工程常用材料２.铝及铝合金铝及铝合金是