《机械基础》课件-第3章常用金属材料

机械基础授课教师:XXX

授课日期:2020年X月X日目标学习目标理解常用碳钢的分类、牌号、性能和应用。了解合金钢的分类、牌号、性能和应用。了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。了解常用有色金属的分类、牌号、性能和应用。了解材料选用的一般原则、方法及步骤。概述材料的运用一直与人类的生活息息相关，从远古的石器时代，再进步到铜器时代、铁器时代，直至近代的复合材料、陶瓷材料、纳米材料等，都是在追求符合人类需要的过程中发现的新材料。常用作机械零件的材料有金属和非金属两大类。金属材料是现代工业应用最广泛的材料。在工业生产中，一般将金属材料分为黑色金属和有色金属两大类，常用的黑色金属主要有钢和铸铁两种，常用的有色金属有铝和铜两种。非金属材料主要有工程塑料、复合材料及新型工程材料。3.1黑色金属碳素钢1．碳素结构钢碳素结构钢牌号中的Q代表屈服强度，数字表示屈服极限数值，还可以用字母表示质量等级（A、B、C、D）和脱氧方法（沸腾钢——F、镇静钢——Z、特殊镇静钢——TZ）。常用碳素结构钢的牌号、性能特点及用途见表3-1。碳素钢2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢表示方法用两位数字，例如45钢，表示平均ωC=0.45%。常用优质碳素结构钢的牌号、性能特点及用途见表3-2。碳素钢3．碳素工具钢碳素工具钢应具有高硬度和高耐磨性，都是优质钢或高级优质钢，碳素工具钢用代号“T”表示，高级优质钢在数字后面加“A”字，主要用于制造各种工具、量具和模具等。常用碳素工具钢的牌号、性能特点及用途见表3-3.合金钢所谓合金钢是指为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。按合金元素的质量分数分为低合金钢（ωMe＜5%）、中合金钢（ωMe=5%～10%）、高合金钢（ωMe＞10%），按钢中合金元素分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、铬锰钢等，按用途分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。合金钢1．合金结构钢合金结构钢按用途可分为低合金高强度结构钢和机械制造用钢两大类。（1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢材，但具有较高的屈服强度和良好的塑性和韧性，良好的焊接性和一定的耐蚀性。常用低合金高强度结构钢的牌号及用途见表3-4合金钢（2）机械制造用钢机械制造用钢主要用于制造各种机械的零部件。按用途及热处理特点可分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢。常用机械制造用钢的牌号及用途见表3-5。合金钢2．合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善其性能，再加入适量的合金元素所形成的钢。合金工具钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和耐回火性，可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。合金钢3．特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。在机械制造中常用的特殊性能钢有不锈耐酸钢、耐热钢和耐磨钢等，常用来制作具有特殊性能要求的零部件。铸  铁铸铁是工业上广泛应用的一种铸造金属材料。它比碳钢含有较多的硫、磷等杂质元素。铸铁具有优良的铸造性能、切削性能和减振、耐磨等性能，并且成本低廉，因此在机械行业中得到了广泛的应用。1．白口铸铁白口铸铁中的碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件，主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯。2．灰铸铁灰铸铁的石墨形态呈片状。由于片状石墨的存在，割裂了金属基体组织，减少了承载的有效面积，因此其综合力学性能较低，但其减振性、耐磨性、铸造性及可加工性较好，主要用于制造承受压力的床身、箱体、机座、导轨等零件。铸  铁灰铸铁牌号的表示方法为“HT”加数字，其中“HT”是灰铁两字汉语拼音的第一个字母，数字表示最低抗拉强度。常用的灰铸铁牌号为HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等，其牌号、性能特点及用途见表3-8。铸  铁3．球墨铸铁球墨铸铁的牌号用QT和两组数字表示。其中QT表示两字“球铁”的字首，后面两组数字分别表示最小抗拉强度值和最小伸长率。例如，QT400-15表示球墨铸铁的最小抗拉强度为400MPa，最小伸长率为15%。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，与钢相当；具有良好的铸造性能、耐磨性能、减振性能和可加工性，球墨铸铁常用来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等；代替灰铸铁制造强度要求高的箱体类零件和压力容器。铸  铁铸  铁4．可锻铸铁可锻铸铁按化学成分、热处理工艺而导致的性能和金相组织的不同分为两类，第一类为黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁，第二类为白心可锻铸铁。可锻铸铁牌号用KTH（或Z、B）（可铁）+数字（抗拉强度）+数字（最小伸长率）表示，“H”表示黑心可锻铸铁，“Z”表示珠光体可锻铸铁，“B”表示白心可锻铸铁。例如，KTH330—08表示铁素体基体可锻铸铁，其最小抗拉强度为330MPa，最小伸长率为8%。可锻铸铁常用于制造形状复杂的横截面零件，其工作时易受冲击和振动场合，如汽车、拖拉机的后桥壳、轮壳、转向机构及管接头等。铸  铁3.2有色金属铝及铝合金1．纯铝纯铝是一种银白色的金属。它质轻、密度较小，是轻金属之一，常用作各种轻质结构材料的基本组元。由于纯铝具有塑性好以及耐大气腐蚀，易于承受各种压力加工而制成多种型材与制品。工业纯铝的纯度不及高纯度铝，其常见杂质为铁和硅。这类铝主要用于制成管、棒、线等型材以及配制铝合金的原料。铝材的牌号有1070A、1060、1050A、1035、1200等（牌号中的数字越大，代表杂质元素的含量越高）。铝及铝合金2．铝合金由于纯铝的强度很低，不宜用来制作结构零件。在铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可以得到较高强度的铝合金，且仍具有密度小、耐蚀性好、导热性好的特点。铝合金按其成分和工艺特点可分为形变铝合金和铸造铝合金。（1）形变铝合金形变铝合金按其主要性能和用途，分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。防锈铝合金用5A××或3A××表示，如5A05；硬铝合金用2A××表示，如2A11；超硬铝合金用7A××表示，如7A04；锻铝合金用2A××表示，如2A70。铝及铝合金其中防锈铝合金主要用于制造耐蚀性高的容器、防锈及受力小的构件，如油箱、导管及日用器具等；硬铝常用于制造飞机零部件及仪表零件；超硬铝主要用于制造飞机上受力较大的结构件，如飞机大梁；锻铝主要用于制作航空仪表工业中形状复杂、要求强度高的锻件。图3-1所示为铝合金制自行车。铝及铝合金（2）铸造铝合金

铸造铝合金是指具有较好的铸造性能，宜于用铸造工艺生产铸件的铝合金。铸造铝合金具有优良的铸造性能，耐蚀性好，用于制造轻质、耐蚀、形状复杂的零件，如活塞、仪表外壳、发动机缸体等，如图3-2所示。铸造铝合金代号用“ZL”及三位数字表示，如ZL101。铜及铜合金1．纯铜纯铜是玫瑰红色的，外观为紫红色。由于纯铜是用电解法制造出来的，又名电解铜。它具有良好的导电性、导热性、耐蚀性，强度不高，硬度很低，塑性较好，易于冷、热压力加工。纯铜价格较贵，为贵重金属，一般不作结构零件，主要用于制作导电材料及配制铜合金的原料。2．铜合金铜合金根据主加元素不同，可分为黄铜、青铜、白铜。在工业上最常用的是黄铜和青铜。铜及铜合金1）普通黄铜。仅由铜和锌组成的铜合金称为普通黄铜，其牌号用H加数字表示。普通黄铜中常用的牌号有H80（铜的质量分数约为80%，锌的质量分数约为20%），颜色呈美丽的金黄色，又称金黄铜，可作装饰品；H70（铜的质量分数约为70%，锌的质量分数约为30%），又称三七黄铜，它具有较好的塑性和冷成形性，用于制造弹壳、散热器等；H62（铜的质量分数约为60%，锌的质量分数约为40%），又称四六黄铜，是普通黄铜中强度最高的一种，同时又具有好的热塑性、可加工性、焊接性和耐蚀性，价格较便宜，故工业上应用较多，如制造弹簧、垫圈、金属网等。铜及铜合金2）特殊黄铜。在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的铜合金，称为特殊黄铜。常加入的元素有锡、硅、铅、铝等，分别称为锡黄铜、硅黄铜、铅黄铜等。加入合金元素是为了改善黄铜的使用性能或工艺性能（耐蚀性、可加工性、强度、耐磨性等）。特殊黄铜常用的牌号有HPb59-1（铅黄铜，铜的质量分数约为59%，铅的质量分数约为1%，锌的质量分数约为40%），主要用于制造大型轴套、垫圈等；HMn58-2（锰黄铜，铜的质量分数约为58%，锰的质量分数约为2%，锌的质量分数约为40%），主要用于制造在腐蚀条件下工作的零件，如气阀、滑阀等。铜及铜合金（2）青铜青铜是指铜与锌或镍以外的元素组成的合金。按化学成分不同，分为普通青铜(锡青铜)、特殊青铜(无锡青铜)两类。普通青铜即锡青铜是人类历史上应用最早的一种合金，如图3-3所示。锡青铜具有耐磨、耐蚀和良好的铸造性能，用于制造蜗轮、轴承和弹簧等，以及工艺品。铜及铜合金特殊青铜的力学性能、耐磨性、耐蚀性一般都优于普通青铜，而铸造性能不及普通青铜，主要用于制造高强度耐磨零件，如轴承保持架（图3-4）、蜗轮等。3.3材料的选择原则材料的选择原则1．选材的一般原则（1）材料的特性必须满足使用条件使用性能是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。选材时，首要任务是正确地分析零件的工作条件和主要的失效形式，准确地判断零件所要求的主要力学性能指标。（2）选择稳定性良好的材料在许多工程应用中，材料在其环境中的稳定性是重要的考虑因素之一。稳定性良好的材料能够具有耐腐蚀、耐放射线的照射以及遇热体积变化小等特性。（3）材料的加工性好加工性包括切削性、铸造性、熔解性等。如果多种材料的特性相当，宜选择加工性最佳者使用。（4）充分考虑经济性价格低廉的材料可以降低成本，合乎经济原则。（5）选用无公害或低公害的材料低公害材料对生活环境的污染与操作工人的伤害减至最低，而无公害的材料还能保证大众的健康不受到影响。材料的选择原则2．选材的方法大多数零件是在多种应力作用下工作的，每个零件的受力情况又不同。因此，应根据零件的工作条件