复旦设计与制造课件01工程材料

工程材料

马建敏(Email:jmma@)Fudan

University绪论一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类一、材料科学的重要地位与作用材料是人类用来制造各种有用物件的物质，它是人类社会生存与发展、征服自然和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。在人类社会漫长的进化过程中，材料一直被认为是社会生产力发展的标志。每一种新材料的发展和应用都把人类改造自然的能力提高到一个新的水平，把人类文明带进一个新的阶段。人类使用材料的发展历史无论远古时代，还是生产力高度发达的今天，无论是工业、农业、现代国防，还是日常生活均离不开材料。20世纪的四项重要发明，即原子能、半导体、计算机、激光器都离不开材料科学的发展。公元前10万年石器时代公元前3000年青铜器时代公元前1000年铁器时代公元0年水泥时代公元1800年钢时代公元1950年硅时代公元1990年新材料时代二、工程材料的分类工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。工程材料种类繁多，有许多不同的分类方法。1.按材料的化学组成分类(1)金属材料金属材料可分为黑色金属材料(钢和铸铁)及有色金属材料(除钢铁以外的金属材料)。有色金属材料种类很多，按照它们特性的不同，又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属和放射性金属等多种。金属材料仍然是目前应用最广泛的工程材料。(2)无机非金属材料无机非金属材料包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。它们的主要原料是硅酸盐矿物,又称硅酸盐材料。(3)高分子材料高分子材料按材料来源可分为天然高分子材料(蛋白、淀粉、纤维素等)和人工合成高分子材料(合成塑料、合成橡胶、合成纤维)。按性能及用途可分为塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料。(4)复合材料由于多数金属材料不耐腐蚀,无机非金属材料脆性大,高分子材料不耐高温,人们把上述两种或两种以上的不同材料组合起来,使之取长补短、相得益彰就构成了复合材料。复合材料由基体材料和增强材料复合而成。基体材料有金属、塑料、陶瓷等,增强材料有各种纤维和无机化合物颗粒等。2.按材料的使用性能分类(1)结构材料结构材料是以强度、刚度、塑性、韧性、硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能为性能指标,用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料,可以是金属材料、高分子材料、陶瓷材料或复合材料。(2)功能材料功能材料是以声、光、电、磁、热等物理性能为指标,用来制造具有特殊性能的元件的材料,如大规模集成电路材料、信息记录材料、充电材料、激光材料、超导材料、传感器材料、储氢材料等都属于功能材料。目前功能材料在通讯、计算机、电子、激光和空间科学等领域中扮演着极其重要的角色。第一章工程材料的性能本章主要讨论工程材料的使用性能：即在使用条件下表现出来的性能，包括物理、化学、力学性能。它决定了材料的使用范围与寿命。材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出的抵抗能力。由于载荷的形式不同，材料可表现出不同的力学性能，如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。低碳钢拉伸曲线材料伸长量材料原长试样原始横截面积工程材料的强度强度：在载荷作用下材料抵抗塑性变形或断裂的能力，一般多以抗拉强度作为基本的强度指标（）屈服强度：材料抗塑性变形的能力国家标准规定：残余应变量为0.2%时的应力值作为屈服强度，称为条件屈服强度，即抗拉强度:材料抵抗断裂的能力注:若不允许塑性变形，用来校核强度(空气压缩机机匣螺栓);若只要求不断裂,用校核(一般机械上的连接螺栓)

刚度与弹性模量刚度是指零件或构件抵抗弹性变形的能力。在构件形状、尺寸不变的情况下，其刚度决定于材料的弹性模量。在比例极限（）的范围内有：弹性模量主要取决于金属的本身性质，与晶格类型和原子间距有关，而热处理等强化手段对弹性模量影响极小。材料的塑性塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是伸长率（）和断面收缩率（）注：的大小与试样的长度有关，而与试样的尺寸无关，而且对材料的塑性更敏感，更可靠地反映材料的塑性。和的值越大，表示金属的塑性越好。材料的硬度硬度即材料的坚硬程度，如果过低，那么在材料使用过程中表面会容易产生划痕、凹坑和磨损。工程上用于测量材料硬度方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。肖氏硬度用来测量橡胶的硬度。布氏硬度（HB）布氏硬度值实际上是指材料压坑单位球面积上的抵抗力优点：受材料不均匀度影响小，误差小缺点：当材料太硬（布氏硬度大于650）时，球形压头可能变形；也不宜检测成品、小件、薄件的硬度洛氏硬度（HR）洛氏硬度值的计算深度为两次压深的差值（）优点：测量简便，直接读数，表面压坑小，多用于较薄材料或成品检测缺点：深度过小，误差较大，常采用不同部位多点测量，取平均值维氏硬度（HV）维氏硬度值的测量方法与布氏硬度法类似（1360）优点：测量精度高，可测硬度范围宽，特别适宜测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度缺点：维氏硬度计试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用肖氏硬度（HS）应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳其中K为常数，金属弹性极限越高，塑性变形越小，则储存的弹性能量越高，回跳的高度也越高，表明材料越硬。优点：冲击力小，产生的压痕小，对试样破坏小。肖氏硬度计重量轻，携带方便，适应现场测量莫氏硬度应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10应用时作刻划比较确定硬度。如某矿物能将方解石刻出划痕，而不能刻萤石，则其莫氏硬度为3～4，其他类推。莫氏硬度仅为相对硬度，比较粗略优点：莫氏硬度应用方便，野外作业时常采用冲击韧度带缺口的试件在冲击破坏时断裂面上所吸收的能量，是评定材料塑性变形和抵抗冲击能力的一种实用指标试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值金属材料的冲击韧度值不能直接用于零件的设计计算,但对承受冲击载荷的零件,有一定的冲击韧度要求,以保证零件使用的安全性疲劳断裂和疲劳强度在交变载荷作用下,工作应力远小于抗拉强度或屈服强度时,长期工作后断裂的现象叫做疲劳断裂。机理：材料表面的刀痕、尖角等应力集中处和内部的夹渣、气孔等缺陷处首先产生裂纹，随循环周次数的增加，疲劳裂纹不断扩展，直至零件的有效横截面积不能承受时突然断裂材料的应力循环次数达到某一基数而不断裂的最大应力就为该种材料的疲劳强度提高疲劳强度措施：改进设计（避免尖角、降低表面粗糙度等）和表面强化工艺（表面淬火、化学热处理、喷丸、滚压等）材料高温性能温度对材料的力学性能影响很大，一般随温度的升高，金属材料的强度和弹性模量降低而塑性增加。但当高温长时负载时，金属材料的塑性却显著降低，往往出现脆性断裂现象。注：高温或低温是相对金属的熔点而言，常采用约比温度，即试验或工作温度/金属熔点，当约比温度大于0.5时为高温、反之为低温蠕变蠕变就是金属材料长时间的在一定温度下和应力作用下即使应力小于，也会缓慢地发生塑性变形的现象。蠕变在低温下也会产生，但只有约比温度大于0.3时才比较显著。第一阶段：蠕变减速阶段，包括瞬时变形和蠕变变形第二阶段：稳态蠕变阶段或最小蠕变速度阶段（变形与时间线性）第三阶段：蠕变加速阶段，直到断裂蠕变强度蠕变强度：材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力。有两种表示方法：在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，记为，单位MPa，例如：表示试样在800经过1000小时，发生0.2%变形量的应力为60MPa，这种蠕变强度一般用于需要提供总蠕变变形的构件设计稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为，单位MPa，例如：表示试样在600，稳态蠕变速度为时的蠕变强度为60MPa，这种蠕变强度一般用于受蠕变变形控制的，工作时间较长的构件设计持久强度与高温疲劳持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。大小用给定温度T下，恰好使材料经过规定时间t发生断裂的应力值表示，记为，规定时间是以机组的设计寿命为依据的。对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的零件来说，金属材料的持久强度是极其重要的性能指标。金属材料在高温下的疲劳强度往往是疲劳与蠕变同时作用的结果，一般地，温度升高，疲劳强度逐渐下降，当温度超过0.5时，疲劳强度会急剧下降。金属的物理性能密度小于的金属为轻金属，反之为重金属金属从固态向液态转变时的温度为熔点金属的导热性以银最好，铜、铝次之。合金导热性比纯金属差。导热性通常用导热率来衡量。金属导电性以银最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。导电性用电阻率来衡量。金属热膨胀性用线膨胀系数和体膨胀系数表示。金属材料分为铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料；铁磁性材料当温度升高到一定数值（居里点）时，变为顺磁体了。高分子材料的物理、化学性能聚合物内部为共价键，没自由电子和离子，为绝缘体。热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高，同金属相比，高聚物耐热性较低。是其一大不足。高聚物的化学稳定性很高（塑料王聚四氟乙烯）老化是高聚物的缺点（不可逆），对于橡胶为变脆、龟裂或变软、发粘；对于塑料是退色、失去光泽和开裂。老化的原因：分子链的结构发生了降解和交联。改进的措施：表面防护；改进高聚物结构，减少各层次结构上的弱点，提高稳定性；加入防老化剂，消除游离基，抑制链式反应，阻碍分子链降解和交联，达到防止老化的目的；陶瓷的物理和化学性能热膨胀性能：陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属低陶瓷的导热性主要依靠原子的热振动，由于没有自由电子的传热作用，所以陶瓷导热性比金属小，属绝热材料热稳定性为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷水中不破裂所能承受的最高温度来表示。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多，这个是陶瓷的缺点。化学稳定性：陶瓷是很好的耐火、耐腐蚀等材料陶瓷导电性变化范围很广，大多绝缘体，又有半导体总结：不可燃、高耐热、高化学稳定性、不老化性、高硬度和良好的抗压能力，但脆性高，温度急变抗力低，抗拉、抗弯性能差。陶瓷的物理和化学性能热膨胀性能：陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属低陶瓷的导热性主要依靠原子的热振动，由于没有自由电子的传热作用，所以陶瓷导热性比金属小，属绝热材料热稳定性为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷水中不破裂所能承受的最高温度来表示。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多，这个是陶瓷的缺点。化学稳定性：陶瓷是很好的耐火、耐腐蚀等材料陶瓷导电性变化范围很广，大多绝缘体，又有半导体总结：不可燃、高耐热、高化学稳定性、不老化性、高硬度和良好的抗压能力，但脆性高，温度急变抗力低，抗拉、抗弯性能差。

第二章材料改性方法

（金属热处理）金属的热处理：是将金属在固态范围内加热到一定温度下，进行必要的保温，并以适当的速度冷却至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。通过热处理可以提高材料的强度、硬度，改善塑性、韧性及切削性能。机床中热处理零件占到60-70%，汽车中占80%，飞机上的金属零件100%要进行热处理。2.1铁碳合金状态图（相图）

一、铁碳合金状态图（相图）下图为Fe-Fe3C状态图，表示各种成分的铁碳合金，在不同温度下的状态图。

由于C>6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因此相图成分轴仅标出含碳量小于6.69%的合金部分。二、铁碳合金状态图的应用利用状态图可以对铁碳合金在温度变化时其状态的变化进行分析。状态图是编制铸造、锻造、热处理等工艺的重要依据和分析合金组织、组织转变以及合金性能的有力工具。根据铁碳状态图可分析铁碳合金的结晶过程和加热时的组织转变。需要注意的是，状态图中的组织转变是在温度变化极其缓慢的情况下发生的。温度变化较快时的组织转变与状态图有差别。主要分为如下五个部分进行说明：（1）分析铁碳合金的结晶过程（2）分析加热时的组织转变（3）分析铁碳合金组织（4）判断铁碳合金的力学性能（5）判断铁碳合金热加工工艺性（6）确定工艺参数2.2热处理工艺热处理工艺的基本过程包括加热、保温和冷却三个阶段。常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等，渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理。一、退火退火：将钢加热到高于或低于临界温度，保温一段时间后，然后缓慢冷却(如随炉或埋入导热性能较差的介质中)，从而获得接近于平衡组织的一种热处理工艺。目的及作用：退火可降低硬度，以利于切削加工，细化晶粒，改善组织，提高力学性能。消除内应力，为下一道淬火工序做好准备。提高钢的塑性和韧性，便于继续冷冲压或拉拔加工。由于退火的目的不同。主要退火工艺有：完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火、再结晶退火和扩散退火。二、正火定义：正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上（30～50）℃的温度，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺。目的及作用：其冷却速度较退火快些，所得到的组织较细（索氏体），同样钢件在正火后的强度和硬度比退火后高，而且钢的含碳量越高，用这两种方法处理后的强度和硬度的差别愈大。对于亚共析钢主要是细化晶粒，均匀组织，提高力学性能；对于力学性能要求不高的普通结构零件，正火可作为最终热处理；对于中高碳钢则应采用退火；因为正火后的硬度可能过高，不利于加工。优点：正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单、经济，所以，低碳钢多采用正火来代替退火。三、淬火定义：将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上（30～50）℃，保温一定时间使之奥氏体化，然后迅速冷却至室温，从而获得马氏体组织的工艺。

目的：一般是提高钢的硬度或获得马氏体组织，随后再配合适当的回火，以获得多种多样的使用性能。淬火温度:碳钢的加热温度主要由钢中的含C量根据Fe-Fe3C相图来确定，如图所示为碳钢的淬火加热温度范围

淬火冷却介质要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于该钢种的临界冷却速度，而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂。因此，冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢――快――慢”，如图所示。生产中常用的冷却介质有:水：在（650～400）℃范围内冷速很大，保证工件获得马氏体组织，但在300℃以下冷却能力仍然很强，工件易发生变形和开裂，这是水的最大弱点。一般用于形状简单碳钢件的淬火。盐水：冷却能力比一般清水还强，因为工件表面的结晶盐发生爆炸，破坏了包围工件的蒸汽膜，有利于散热。油类淬火剂：多为矿物油，一般用于合金钢或小尺寸碳钢件的淬火。四、回火定义：回火就是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的热处理方法。回火的目的:

1.降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。2.调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。3.获得不同需要的力学性能，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求，淬火钢经回火后，其硬度随回火温度的升高而降低，回火，一般也是热处理的最后一道工序。因此，淬火与回火必须结合起来才能发挥良好的作用。

五、钢的表面热处理

机械制造业中，很多机器零件要求表面耐磨损，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有足够的韧性，如齿轮、轴、凸轮等。进行表面热处理时满足这类性能要求的最有效的方法。表面热处理可分为两类：表面淬火和化学热处理。

（1）表面淬火目的：使零件表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性和韧性，即“表硬里韧”。各种齿轮、凸轮、顶杆、套筒及轧辊等工件，经常通过表面热处理进行强化。

表面淬火适用材料：中碳钢或中碳合金钢。工艺特点：快速加热，使工件表面迅速升温至淬火温度，而工件心部仍处于A1以下，这时立即喷水冷却，使工件表面层被淬硬成为马氏体，心部仍是原来的组织，保持着良好的韧性。种类：根据加热方法不同，主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火以及电解液加热表面淬火等几种。应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火法。①感应加热表面淬火定义：是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。原理：电磁感应产生同频率的感应电流即涡流。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，心部几乎等于零，而表面电流密度极大，称为“集肤效应”，频率愈高，电流密度极大的表面层愈薄。依靠这种电流和工件本身的电阻，使工件表面迅速加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬。分类：感应加热可分为三类：(1)高频加热常用频率为（200～300）KHZ，淬硬层深度为（0.5～2.5）mm，适用于中、小型零件，如小模数齿轮、轴类等。(2)中频加热常用频率为（2500～8000）HZ，淬硬层深度为（2～10）mm，适用于直径较大的轴类和大、中模数齿轮以及钢轨、机床导轨等。(3)工频加热电流频率为50HZ，不需要频设备，城市用交流电即可，适用于淬硬层深度为（10～20）mm以上的大型工件或用于穿透加热。如火车车轮等的表面淬火。

优缺点：感应加热表面淬火加热速度快，生产率高，加热温度和淬硬层深度容易控制，工件表面氧化和脱碳少，工件变形小，可以使全部淬火过程实现机械化、自动化。其缺点是设备较昂贵，形状复杂的零件感应圈不易制造，且仅适用于大批量生产。适用过程：调质处理---表面淬火---低温回火。

②火焰加热表面淬火定义：火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧的混合气体燃烧的高温火焰，喷射在零件表面上，使它快速加热达到淬火温度，而心部温度仍很低，随即喷水冷却，从而获得高硬度马氏体组织和淬硬层的一种表面淬火方法，如图所示。优缺点：淬硬层深度一般为（3～6）mm，若要获得更深的淬硬层，会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。由于淬火质量不够稳定，生产率低，限制了它的广泛应用。但它具有方法简便灵活，无需特殊设备、成本低等优点，适用于单件或小批量生产的大型或需要局部淬火的零件。如大型轴、大齿轮、轧辊、齿条、钢轨面等。（2）化学热处理定义：是将工件置于特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层化学成分组织和性能，并能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢。近年来化学热处理发展迅速。通过化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗疲性等。种类：渗碳、渗氮和碳氮共渗①渗碳：渗碳是向低碳(0.1～0.25C)的碳钢或合金钢的表面层渗入碳原子的过程。分类：按渗碳剂的不同，渗碳法可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。前两种应用较广泛。气体渗碳速度0.2mm/h，一般渗碳层厚度0.5—2mm，渗碳后零件表面含碳量约为0.8%—1.0%，由表面至内部，含碳量逐渐降低。②氮化：是向钢的表面渗入氮原子的过程。目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度，又叫渗氮。目前广泛采用气体氮化。

优缺点：渗氮后不需淬火，因此变形很小。但是氮化生产周期长、工艺复杂，一般要经过几十小时甚至上百小时，要得到0.2—0.4mm的氮化层而，氮化时间约需30—50小时。且要用合金钢使钢种受限制，因此氮化零件的成本较高，它多用于要求耐磨、耐疲劳、耐蚀的工件上，精密机床的主轴、丝杆、高速精密齿轮、镗床镗杆、磨床主轴，汽轮机的阀门、阀杆等。③碳氮共渗钢件表面同时渗入碳和氮原子，形成碳氮共渗层，以以提高工件的硬度、耐磨性和疲劳强度的处理方法，又称为氰化。2.3热处理工序安排根据热处理在整个零件加工过程当中的工序位置不同，可将热处理分为预先热处理和最终热处理。

一、预先热处理

作用：消除内应力，细化晶粒，改善组织，改善切削加工性能，并最终热处理作组织准备。主要包括退火、正火、调质等。其工序位置般在毛坯生产（铸、锻、焊）之后，或机械粗加工之后，精加工之前。1、退火、正火铸、锻、焊等毛坯生产的加工温度很高，生产出的毛坯晶粒粗糙，而且往往有很高的残余应力。毛坯生产（铸、锻、焊冲压）→退火或正火→切削加工毛坯生产（铸、锻、焊冲压）→退火或正火→切削加工→中间退火→切削加工2、调质调质主要是为了保证表面淬火或化学热处理（如氮化）零件心部的力学性能，以及为易变形零件的最终热处理作准备。锻造→正火或退火→粗加工→调质→精加工→表面热处理或淬火+回火二、最终热处理最终热处理是决定零件最终组织和性能的热处理。包括各种淬火、回火及化学热处理等。最终热处理后的零件一般硬度较高。除磨削外，不宜进行其它切削加工，所以一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。

1、淬火整体淬火和表面淬火的工序位置相同。但表面淬火件为了保证心部力学性能，获得细马氏体组织，在淬火前先调质或正火。

整体淬火件锻造→退火或正火→粗加工、半精加工→淬火+回火→精加工（磨削）。

表面淬火件粗加工→调质→半精加工→淬火、低温回火→精加工（磨削）或者正火→粗加工、半精加工→调质→表面淬火、低温回火→精加工（磨削）2、渗碳渗碳分整体渗碳和局部渗碳两种。局部渗碳时，非渗碳部位可采用镀铜防渗或多留加工余量，渗碳后再去除该处的渗碳层。渗碳后还要进行淬火、回火。渗碳后钢件表面组织为珠光体和渗碳体，硬度不高。淬火回火后成为马氏体和渗碳体，硬度大大提高。渗碳后的钢心部为铁素体和珠光体，淬火后得到的板条马氏体具有高强度、高韧性，所以渗碳后必须淬火及低温回火。整体渗碳粗加工→渗碳→半精加工→淬火、低温回火→精加工（磨削）局部渗碳粗加工→渗碳→去除局部渗碳→淬火、低温回火→精加工（磨削）或者粗加工→镀铜→渗碳→半精加工→淬火、低温回火→退铜→粗加工3、氮化氮化前先要调质，以保证心部的力学性能。因氮化温度低，产生的变形小，而且氮化层很薄、很脆，所以氮化前零件一般应精加工到粗磨工序，氮化后只进行精磨或研磨。为了防止因切削加工产生的残余应力引起氮化件变形，在氮化前常进行去应力退火。对局部氮化零件，可采用镀锡防渗或留加工余量，氮化后再磨去该余量，氮化的一般加工路线为：粗加工→调质→粗加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨或研磨实际生产中，可根据实际情况对热处理工序进行调整，几种零件热处理的安排如下表。2.4淬火变形及零件的结构工艺性由于淬火时的温度变化剧烈，工件各部冷却速度不同，淬火后工件不可避免地会产生变形，工件内部也会有残余内应力。特别是当淬火零件结构不对称、壁厚不均匀或操作不当时，工件会产生很大的内应力、变形甚至开裂。残余应力会在后续加工或以后的使用过程中释放出来，引起工件变形甚至开裂。可通过淬火后的回火或时效消除应力。在设计零件时，也应考虑到零件结构对淬火应力的影响。在满足使用要求的前提下，零件的结构形状应尽量对称，壁厚均匀，必要时可增加工艺孔或采用组合结构；避免出现尖角、盲孔；在截面变化时应有过度孔；孔与边缘和尖角的距离不能太近；对某些易变形的零件，还可在淬火前留筋，淬火后切除。金属的表面处理为防止金属腐蚀而采用各种防护方法叫金属表面防护常用的方法有表面涂层和表面转化膜工艺。表面涂层是在材料表面施以涂层得表面防护方法。常用的有:电镀、化学镀、喷镀、热镀、喷漆、电泳涂装、喷塑等。转化膜是用化学和电化学的方法使金属表面层发生反应，形成有自身参与的氧化物或金属盐类防护膜层，也可起到防护作用。最常用的工艺有：黑色金属的氧化和磷化以及铝合金的阳极化。热喷涂为材料经热源加热至溶化或半溶化状态，用高压气流使其雾化或喷射于工件上，从而形成涂层的一种表面加工方法。金属的表面改性金属的表面改性也叫表面优化，就是借助于离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料表面及近表面的组分、结构与性质，从而获得用传统的冶金和表面处理技术无法得到的新薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。现代先进的材料表面改性技术主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、等离子体化学气相沉积（PVCD）、离子注入和离子束沉积物理气相沉积：蒸发镀膜、溅射沉积和离子膜等物理方法的总称，是用物理方法将源物质转移到气相中，在基材上形成覆盖层的方法。化学气相沉积：利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，生成固态沉积物的过程。利用化学气相沉积法，可以在中等温度下利用高气压反应剂气体源来沉积高熔点的相。塑料的强化改性目的：[1]提高或改善使用性能；[2]改善加工性能；[3]降低成本；[4]制备具有崭新性能的新型高分子材料。改性方法：高分子材料的改性一般分为化学改性和物理改性。化学改性：通常在一定条件下通过化学反应来实现，不同的聚合物分子链或链段之间存在化学键。分为接枝共聚改性、嵌段共聚改性合辐射交联改性等。物理改型：分为填充改性、增强改性和共混改性等。陶瓷的增韧强化陶瓷特别是工程陶瓷材料实用化的主要障碍是陶瓷的脆性。晶须和纤维增韧是解决陶瓷脆性的主要办法。陶瓷的增韧机理：[1]微裂纹增韧；[2]相变增韧；[3]裂纹扩展受阻；[4]裂纹偏转；[5]纤维（晶须）拔出。基体材料的选择：要求基体材料有较高的耐高温性能，与纤维增强体有良好的界面相容性，同时应考虑到复合材料制造的工艺性能。可选择的基体材料有玻璃、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷材料纤维增强陶瓷基复合材料能显著提高冲击韧性和抗热震性，降低陶瓷的脆性，同时陶瓷又保护纤维，适之在高温下不被氧化，因此具有较高的高温强度和弹性模量。第三章常用工程材料

马建敏(Email:jmma@)Fudan

University常用金属工程材料常用金属工程材料碳钢合金钢铸铁有色金属碳钢的分类碳钢有以下三种分类方法1、按钢的含碳量可分为：低碳钢：含碳量0≤0.25%中碳钢：含碳量（0.25～0.6）%。高碳钢：含碳量>0.6%。2、按钢的质量可分为(根据钢中有害杂质S、P的多少来分)：普通钢：S≤0.055%，P≤0.045%优质钢：S、P均≤0.04%高级优质钢：S、P均≤0.03%3、按用途可分为：碳素结构钢：用于制造工程结构(如桥梁、船舶、建筑、高压容器等)和机械零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等)，这类钢一般为低、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等)，这类钢一般为高碳钢。铸铁铸铁广泛应用于机械制造中。按重量计算，汽车、拖拉机中铸铁零件约占(50～70)%；机床中约占(60～90)%。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件，大多用铸铁制成。铸铁之所以应用广泛，除了因为它具有接近共晶的成分，熔点低，流动性好，易于铸造外，还因为它的C、Si含量较高，使碳大部分不以化合(Fe3C)而是呈游离的石墨状态存在，石墨有润滑作用和吸油能力，因而铸铁有良好的减摩性和切削加工性。根据碳在铸铁组织中存在形式不同，可分为以下几类：白口铸铁灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁合金钢由于碳钢成本低，通常作为制造各种构件的基本材料，但是碳钢有以下局限性：（1）碳钢的强度很难超过690MPa，除非塑性和韧性有明显的下降。（2）厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织，即不能淬透。（3）碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。（4）高温强度低，红硬性差。合金钢克服了碳钢的上述缺点，在许多应用中，合金钢是能够满足工程要求的重要材料。合金钢成本高，压力、切削、焊接方面比碳钢差。常用合金结构钢合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。这类钢是碳素结构钢的基础上加入一些合金元素以提高其性能的钢。通常分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等几种。其用途最广，用量最大。常用合金结构钢分为以下5类:低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢合金工具钢工具钢用于制造各种工具，如量具、刃具、模具等。合金工具钢分为:低合金工具钢、高合金工具钢、高速钢。其中高速钢[应用场合]：高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。[性能特点]：具有较高的热硬性，保证在500～600℃时硬度仍不降低，硬度可保持~60HRC。[常用高速钢]：是一种高碳高合金工具钢，wC=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，W、Mo、V是提高热硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，显著提高钢的硬度及耐磨性，Cr可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢，这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95

%以上。[热处理]：W18Cr4V钢的最终热处理为高温淬火和多次回火。W18Cr4V钢的淬火温度高达1270～1280℃，淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体（20%～30%）。回火采用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体，使其转变成马氏体；三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物，产生二次硬化，提高热硬性。热处理后高速钢的硬度可达63~65HRC。高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物，这种碳化物硬而脆，若不消除这种碳化物的不均匀性，制成刀具后将出现早期损坏，使刀具易出现“崩刃”，故必须用反复锻打的方法将其击碎，使碳化物细化并均匀分布在基体上。W18Cr4V钢锻造后进行退火，以消除内应力，降低硬度改善切削加工性能，并为淬火做好组织准备。不锈钢不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称。应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等腐蚀性介质的腐蚀。不锈钢主要用来制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件，例如化工装置中的管道、阀门、泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。[化学成分]：不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，有些钢的wC甚至低于0.03%(如00Cr12)。不锈钢中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定值时，钢才有耐蚀性。因此，不锈钢一般wCr均在13%以上。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、N、Nb等元素。[不锈钢种类]：不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。高温合金高温合金一般指以铁、钴或镍等为基体，可在高温下使用的合金。高温下使用的零件主要要求热稳定性和热强度二个指标。高温下金属材料抵抗氧化或气体腐蚀的能力称为热稳定性。抵抗塑性变形和断裂的能力称为热强度。[高温合金的分类方法]：按合金基体分为铁基、镍基、钴基、钼基、钽基、铌基等；按合金的高温性能、成型特点及用途分类：[热强度变形高温合金]=〉热强度高，主要用于高温下承受大载荷及复杂应力条件下工作的零件。[热稳定变形高温合金]=〉热稳定性很高，强度虽不高，但塑性很好。主要用于受力不大而工作温度很高的零件。[热强铸造高温合金]=〉热强度很高，塑性低，焊接性能差。通常用于精密铸造的方法直接铸成零件。[高温合金的牌号]以汉语拼音字母的“高合”字头“GH”+序号数字表示。如GH36，表示36号高温合金；铸造高温合金用K+序号数字表示，如K17即17号铸造高温合金。有色金属有色金属重金属(密度＞3.5);Cu、Ni等轻金属(密度＜3.5);Al、Mg等贵重金属;Au、Ag、Pt等稀有金属;W、Ti、Ra、Nb等半金属;Si、Te、B等铝及其合金铝及铝合金其它金属材料相比，具有以下一些特点：1、密度小铝及铝合金的密度接近2.7g/cm3，约为铁或铜的1/3；

2、高强度铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度，部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理；

3、导电导热性好铝的导电导热性能仅次于银、铜和金；

4、耐蚀性好铝的表面易自然生产一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金；

5、易加工添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金钛及其合金[钛的十大性能]:密度小，比强度高；弹性模量低；导热系数小；抗拉强度与其屈服强度接近；无磁性、无毒；阻尼性能强；耐热性能好；耐低温性能好；吸气性能；耐腐蚀性能。[钛的三大功能]:记忆功能；超导功能；贮氢功能。纯钛钛是银白色的高熔点轻金属，密度为4.51g.cm-3，熔点为1700℃，钛有两种同素异构体：温度低于882℃为

-Ti，具有密排六方晶格;温度高于882℃为

-Ti，具有体心立方晶格。纯钛的强度很高，退火状态下

b=300～500MPa，与碳素结构钢相似，热处理后强度可达到

b=1000～1400MPa与高强度结构钢相似，且高温下仍具有较高的强度。另外，它的塑性也极好，因此，适宜进行压力加工。镁合金镁合金在常用工程金属中密度最小，为1.8g/cm3，约为铝合金的2/3，钛合金的1/3，钢的1/4。镁合金比铝合金有较大承受冲击载荷的能力，可以用它制造受猛烈撞击的零件，飞机轮毂就是用镁合金铸造的。镁合金具有优良的切削加工和可抛光性，并易于铸造和热加工，但应注意防止其在高温下燃烧。镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。塑料与橡胶为有机高分子材料，与金属相比质量轻，具有金属材料不可比拟的特殊性能，使用极为广泛；陶瓷为无机非金属材料，具有高硬度、耐蚀的性能，除日用陶瓷外，工业上使用的特种陶瓷更具有其独特的性能，在机械加工、航空航天、化学工业等领域都有应用；复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料，具有较好的综合性能，其应用越来越受到广泛的重视，大家熟悉的玻璃钢、塑钢门窗、羽毛球拍等，都是用复合材料制造的。常用非金属工程材料塑料塑料的组成

塑料的主要组成是合成树脂和添加剂。合成树酯是具有可塑性的高分子化合物的统称，它是塑料的基本组成物，它决定了塑料的基本性能，塑料中合成树酯含量一般为30%~100%。树酯在塑料中还起粘结剂的作用，许多塑料的名称是以树酯来命名的，如聚苯乙烯塑料的树酯就是聚苯乙烯；添加剂的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。塑料的分类

按使用范围：通用塑料、工程塑料、特种塑料按受热性能：[热塑性塑料]：加热时能反复地塑化[热固性塑料]：加热到熔融温度以上时，形状不再发生变化塑料特性质轻、比强度高塑料的密度为0.9～2.2g／cm3，只有钢铁的1／8～1／4。泡沫塑料的密度约0．01g／cm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。化学稳定性好

塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。优异的电绝缘性

塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。减摩、耐磨性好

塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。消声和吸振性好

塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。成形加工性好

塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。耐热性差

多数塑料只能在100℃左右使用，少数品种可在200℃左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1／500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。橡胶橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。橡胶的分类按其来源不同可分为天然橡胶与合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶的用量一般较大，主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等；特种橡胶主要用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。陶瓷材料陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。陶瓷是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。

复合材料及其分类复合材料是将两种或多种性质不同的材料，通过物理和化学复合组成的多相材料。通常其中的一种作为基体起粘结作用，另一些作为增强材料，提高承载能力。复合材料不仅性能优于组分的任意一个单独的材料，而且还可具有单独组分不具备的独特性能，从而使复合材料具有优良的综合性能复合材料的分类按增强材料的形状分类可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层叠复合材料等。按基体不同分类可分为树酯基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料。按用途分类可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料；功能复合材料是指除力学性能以外还具备其它物理、化学、生物等特殊性能的复合材料。复合材料的性能比模量和比强度高复合材料的增强物一般都采用了高强度、低密度的材料。一般比模量约为钢的4倍，比强度约为钢的8倍。抗疲劳性能好复合材料的基体中密布着大量的增强纤维等，而基体的塑性一般较好，而且增强纤维和基体的界面可阻止疲劳裂纹扩展，从而有效地提高复合材料的疲劳极限，碳纤维增强复合材料的疲劳极限是抗拉强度的70%~80%。安全性好

复合材料每平方厘米截面上独立的纤维有几千甚至几万根，当构件过载并有少量纤维断裂后，会迅速进行应力重新分配，由未断裂的纤维来承载，使构件在短时间内不会失去承载能力，提高使用的安全性。高温性能良好

增强纤维的熔点或软化温度一般都较高，除玻璃纤维的软化点仅为700℃~900℃外，其它如Al2O3、C、BN、SiC、B等纤维的软化点都在2000℃以上，所以复合材料一般都具有较高的高温强度。

减振性良好

机构的自振频率与材料比弹性模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量大，自振频率很高，不易产生共振，同时纤维与基体的界面具有吸振能力，故振动阻尼高。此外复合材料一般都具有良好的化学稳定性、而且制造工艺简单、这些优点使之得到广泛应用，复合材料是近代重要的工程材料。已大量用于飞机结构件；汽车、轮船、压力容器、管道、传动零件等，其应用量呈逐年增加趋势。功能材料功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料的分类：功能材料按其功能可分为电功能材料、磁功能材料、热功能材料、光功能材料、智能功能材料等；按照其特性又可分为超导材料、形状记忆材料、储能材料、永磁材料、光敏材料、隐形材料等。当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。形状记忆材料形状记忆材料(shapememorymaterials，简称SMM)：是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。工业应用：（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。医学应用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。智能材料智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。另外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。智能材料使飞机可变形纳米材料纳米本是一个尺度（1nm=10-9m），纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系，它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和利用自然，通过直接操作和安排原子、分子创新物质。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面。纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支。用纳米来命名材料是20世纪80年代，纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米。纳米材料的制备与合成技术是当前主要的研究方向，虽然在样品的合成上取得了一些进展，但至今仍不能制备出大量的块状样品，因此研究纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。磁性材料之软磁材料软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（μ=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Permalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率μ为铁硅合金的10~20倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。磁性材料之硬磁材料永磁材料（硬磁材料）经磁化后，去除外磁场仍保留磁性，其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁，可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。铁氧体的用量大、应用广泛、价格低，但磁性能一般，用于一般要求的永磁体。金属永磁材料中，最早使用的是高碳钢，但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴（Al-Ni-Co）和铁铬钴（Fe-Cr-Co）；稀土永磁，如较早的稀土钴（Re-Co）合金（主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17），以及现在广泛采用的铌铁硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，铌铁硼磁体不仅性能优，而且不含稀缺元素钴，所以很快成为目前高性能永磁材料的代表，已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。第

四章

工程材料的选择

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University4.1选材的原则机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。选材的一般原则:满足零件的使用性能，使零件在一定的寿命期内正常工作；具有良好的工艺性能，以便于加工，并易于保证加工质量；有较好的经济性能。选材的任务就是求得三者之间的统一。

4.2零件的使用性能与选材机械零件（构件）在正常工作情况下材料应具备的性能，即使用性能，是选材时考虑的最主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基础上提出的。

4.2.1使用性能要求分析

1、根据零件工作条件分析使用性能零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。为了更准地了解零件的使用性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。2、根据零件的失效形式分析使用性能所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。零件的失效可以由多种原因引起，大体上可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面.零件失效的形式零件的失效形式有变形失效、断裂失效和表面磨损三大类型。必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。例如，一个齿轮，齿面之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。但一般来说，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。另外，各类基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳，蠕变疲劳，腐蚀磨损等等。4.2.2以综合力学性能为主的选材若零件工作时承受循环与冲击载荷，失效形式主要是过量变形与疲劳破坏，则要求材料的强度、疲劳极限、韧性与塑性能有较好的配合，即要求材料具有优良的综合性能。对一般机器零件，通常选用调质或正火状态的中碳钢，调质、正火或等温淬火状态的球墨铸铁或选用淬火、低温回火的低碳钢等制造。但对航空零件，如起落架、涡轮轴、机翼大梁等，由于受力复杂，工作条件比较苛刻，可选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。当零件受力较小并要求有较高的比强度与比刚度时，应考虑选择铝合金、镁合金、钛合金或工程塑料与复合材料等4.2.3以耐磨损为主要性能的选材机器运转中两零件发生摩擦时，其磨损量与其解除压力、相对速度、润滑条件及摩擦副材料等有关。材料的耐磨性是抵抗磨损能力的指标，它主要与材料的硬度，显微组织有关。根据零件工作条件不同，其选材也可分为以下两种情况：（1）受力较小而摩擦情况严重的制品，对其材料的基本要求是耐磨性和高硬度，如各种量具、钻套、顶尖、刀具、冷冲模等。适应这种工作条件下的零件或工具所选材料一般为经过淬火及低温回火后的过共析钢、高碳合金钢以及制造一般零件常用的铸铁、青铜、塑料等。铸铁中的石墨是优良的固体润滑剂，石墨脱落后，孔隙中可储存润滑油，所以也常用铸铁做耐磨零件，如机床导轨等。（2）同时受磨损与循环载荷及冲击载荷的零件，如传动齿轮、凸轮等，所选材料还应根据零件工作条件而定，同时采用相应的表面硬化方法。4.2.4要求抗蚀性或热强度为主的选材当受力不大，要求抗蚀性较高时，一般可以考虑选用奥氏体不锈钢，例如发动机尾锥体，飞机蒙皮。选用奥氏体不锈钢，不仅耐蚀，而且具有一定的耐热性，同时成型工艺性好。当零件受力较大(例如压气机盘、叶片)而又要求抗蚀性时，则以选用马氏体型不锈钢为宜。为减轻结构重量，也可考虑选用钛合金。从热强度角度选用材料，必须了解零件的工作温度，介质的性质，所受载荷的大小和性质。不同类型的材料，具有不同水平的耐热性。耐热铝合金和镁合金，一般只能在300—400℃以下工作，而且能够承受的工作应力较小。往往是为了减轻结构重量，或因零件形状较复杂，需要铸造成型时选用。不锈钢和钛合金的耐热水平相近，大致都可在500—6000C以下工作，但不锈钢零件的结构重量较大。在工作应力，温度和腐蚀条件允许时，选用钛合金可以减小结构重量。工作温度在700—10000C之间的零件，应采用高温合金制造，如飞机发动机的燃烧室，涡轮等。工作温度更高的零件可考虑用陶瓷，陶瓷基复合材料，碳—碳复合材料等。以电绝缘性，抗腐性为主的而机械性能不作要求的非承力零件则应更多地考虑选用工程塑料，橡胶及其复合材料。各种材料的机械性能可从有关材料手册中查到。但应注意手册中所列的机械性能数据，是在实验条件下测得的，实际使用的零件不仅形状较试件复杂，而且工作时所处的应力状态也复杂得多。因此，应用手册上的机械性能数据选材，必须结合零件的实际工作条件与形状、尺寸等，予以适当修正。材料的性能不仅与化学成分有关，还与加工工艺、热处理等密切相关，金属材料尤其明显。所以要注意手册中数据相应的加工、热处理条件。材料的机械性能一般随截面尺寸增大而降低，即具有尺寸效应，钢的尺寸还与淬透性有关。选材时应进行适当的修正。金属材料尤其明显。所以要注意手册中数据相应的加工、热处理条件。材料的机械性能一般随截面尺寸增大而降低，即具有尺寸效应，钢的尺寸还与淬透性有关。选材时应进行适当的修正。4.3零件的工艺性能与选材任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题，它直接影响到零件的加工质量和加工费用。与使用性能的要求比较，工艺性能处于次要的地位，但它却又确保产品质量，提高加工效率，降低工艺成本的重要条件之一。特别是在大批量生产时材料工艺性能应受到足够的重视。熟悉材料的加工工艺路线及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。下面简要介绍各种加工工艺对金属材料所要求的工艺性。金属材料的主要加工工艺有；铸造、锻压、焊接、机械加工、热处理及粉末冶金等。4.3.1铸造性能材料的铸造性能一般按流动性、收缩特点和偏析（合金凝固时化学成分的不均匀析出）倾向等综合评定。成分接近共晶点的合金的铸造性能最好，因此铸造材料成分接近共晶点，例如硅铝明、铸铁等。一些承载不大、受力简单而结构复杂，尤其是一些有复杂内腔结构的零部件，如机床床身、减速器机壳、发动机气缸等，应选用含有共晶体的铸铁、铸造铝合金等材料。4.3.2锻压性能锻压加工的方法很多，大体上可分为两类：热加工，主要有热锻、热压(如热挤压)等；冷加工，主要有冷冲压、冷镦、冷挤压等。在选材时，承载较大，受力复杂的构件，如重要的轴、内燃机连杆、变速箱齿轮等、应选用中、低碳钢或合金结构钢、锻铝等具有良好可锻性的材料进行锻造成形，并进行必要的热处理，以强化组织，提高机械性能。许多轻工业产品一般承载不大，但要求色泽美观、重量轻、而且批量大，如自行车、家用电器中的金属构件，宜选用塑性优良的低碳钢、有色合金，以便冷压成形，并进行必要的表面防护、装饰处理4.3.3焊接性能在机械工业中，焊接的主要对象是各种钢，其焊接性能可大致由碳当量来评价。当碳当量超过0.44％时，焊接性能大大恶化，因此钢的含碳量越高，合金元素含量越高，则焊接性能越差。碳当量过高的钢，不宜采用焊接成形法来制造零件毛坯。许多容器，输送管道，蒸汽锅炉等产品以及某些工程结构，一般体积较大，要求气密性好，能承受一定的压力，应选择低碳钢、低合金钢等可焊性好的材料焊接成形。铝合金、钛合金极易氧化，需要在保护气氛(如氢气)中焊接，焊接性能不好。4.3.4机械加工性能各种机械加工，主要是切削加工及磨削加工，是工业中应用最广的一种金属加工方法。绝大多数机器零件都要进行切削加工，应选用硬度适中(170一230HBS)，可切削性好的材料。铝及其合金的切削加工性就好，而奥氏体不锈钢及高速钢的加工性能却很差；当材料的切削加工性差时，可采用必要的热处理以调整它的硬度，或改进切削加工工艺，才能保证切削质量。4.3.5热处理工艺性能许多金属构件都要进行热处理，尤其是淬火和回火处理，才能达到所要求的机械性能。因而选材时不能忽视热处理的工艺性能，特别是淬透性。对于要求整体淬透或比较复杂的工件，应选用淬透性高的合金钢；而对于只需要表层强化或形状简单的工件，则可以选用淬透性较低的材料，进行必要的表面强化处理，如表面淬火、渗碳、渗氮等。4.4选材的经济性选材的经济性除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单单指选用的材料本身的价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源状况和供应情况，等等。选择价格低廉，易于加工的材料。如在金属材料中，碳钢和铸铁的价格比较低，加工工艺性能较好，所制零件成本较低。优先采用国产材料，积极推广新材料，合理选择代用材料。如根据我国情况，尽量考虑以含Mn、Si。B、Mo、V等元素的合金钢代Cr、Ni合金钢；以铝基轴承合金代替巴氏合金（白色低熔点高耐磨性合金，由美国人L.Babbit发明，有锡基和铅基）及铜基轴承合金；以球墨铸铁代替铸钢或锻钢；以表面防护代替不锈钢以及有色金属合金；以及努力扩大工程塑料的应用范围等。尽量降低加工费用。例如低碳钢渗碳淬火与中碳钢感应加热表面淬火相比，两者材料费用相差无几，但前者的加工费用要高得多。又如制造某些变速箱体，虽然铸铁原料比钢板低廉，但在单件或小批生产时，选用钢板焊接反而经济，因可省掉制造模型的费用。特别要注意，强化方法应根据实际需要选择，不要盲目提出过高要求。如对于尺寸很大的45钢工件，正火与调质后所能达到的机械性能相近，而正火比调质要经济得多，故应采用正火而不必采用调质。此外，将热处理与切削加工的工序配合好，可因材料切削加工性能提高而降低切削加工成本。降低维护、修理费用和回收利用成本：如游艇的壳体，可以用钢材制造。但由于钢材容易生锈，需要定期除锈、刷漆、维护费用较高。若采用玻璃钢制作就不需要除锈、刷漆、节省了维护费用。4.5零件材料选择的步骤选材一般可分为以下几个步骤：在分析零件的服役条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。通过分析或实验，结合同类零件失效分析的结果，找出零件在实际使用中的主要很次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。决定热处理方法（或其他强化方法），并提出所选原材料在供应状态下的技术要求。审核所选材料的生产经济性（包括热处理的生产成本等）试验、投产

4.6典型零件选材举例之

机床主轴机床主轴是典型的受扭转—弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。对C620车床主轴的选材结果如下：材料：45钢。热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度HB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。汽车半轴汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如下图所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。

例：130载重车半轴

材料：40Cr。

热处理：整体调质。

性能要求：杆部HRC37～HRC44；盘部外圆HRC24～HRC34。

工艺路线：

下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。

机床齿轮机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。

例：普通车床床头箱传动齿轮。

材料：45钢。

热处理：正火或调质，齿部高频淬