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第四章机械工程材料工程材料是制造机械零件的原料。机械零件的结构、形状、大小和使用条件不同，对材料的要求也不同。常用的材料有黑色金属、有色金属及非金属。了解各种材料的牌号、性能及应用，以及黑色金属材料的热处理方法，为中职学生了解机械零件的使用和维护提供必备的基础知识。黑色金属材料具有良好的力学性能，大部分机械零件都选用黑色金属作为零件的材料。因此，黑色金属材料的内容和热处理方法是本章的学习重点。§4－1钢铁材料一、金属的物理性能和化学性能1、金属材料性能＝使用性能＋工艺性能使用性能＝物理性能＋化学性能＋力学性能工艺性能生产、加工条件下表现的性能。2、物理性能＝密度＋熔点＋导热性＋导电性＋热膨胀性＋磁性二、金属的力学性能和工艺性能1、力学性能指金属材料在外力作用下表现出来的性能（1）强度安全生产的基本保证和满足机械零件达到设计寿命的前提，也是机械设计中必须达到的基本要求，是机械零件强度校核的根据。（2）塑性（3）硬度（4）冲击韧性2、金属材料的工艺性能包括多种内容，主要有泠加工的切削加工性能，和热加工的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能。切削加工性能即是否容易将材料切削成所需要的零件形状。一般说来，软材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面质量相对差一些；而硬材料的强度相对较高，加工较困难，但表面质量较好。所以具有良好切削性能和较高强度的中碳钢应用较广。（5）疲劳强度机械零件在长期使用中，由于交变应力对材料的影响，可能出现突然的断裂破坏，设计零件的使用寿命必须保证在规定的时间内不能出现疲劳损坏黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。一、钢的分类1、按化学成分分（1）碳素钢含碳质量分数的多少又分成低碳钢、中碳钢和高碳钢（2）合金钢如果含有合金元素，相应称为低合金钢、中合金钢和高合金钢（3）铸铁2、按钢的品质分（1）普通钢（2）优质钢（3）高级优质钢3、按钢的用途分（1）结构钢从制造成本和加工工艺角度出发，机械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较高的零件。（2）工具钢选用中碳钢作为具有一定强度和硬度要求的零件（3）特殊性能钢强度要求较高，又具有较好的塑性，则应用合金钢对于一般，重要的齿轮或轴选用中碳合金钢。二、钢的编号1、碳钢的编号方法(1)碳素结构钢用Q代表屈服强度，如Q235(2)优质碳素结构钢用数字直接表示钢中碳的质量分数的万分之一。如45、35等表示钢中含碳的质量分数为0.45%、0.35%。(3)碳素工具钢用T表示，如T8A钢。(4)铸造碳钢用ZG表示,如ZG200－400钢。表示屈服强度大于200MPa,抗拉强度大于400MPa。如果数字后加注A、B等符号表示质量等级。A为高级。2、合金钢的编号方法(1)低合金高强度结构钢如Q390A(2)合金结构钢如40Cr,40表示含碳质量分数的万分之一；30CrMoA，合金的元素符号及含量的百分之1.5，末位加A表示优质。（3）滚动轴承钢在含碳质量分数元素符号前加G，如GCr15。（4）合金工具钢含碳质量分数小于1％，用一位数表示的含碳质量分数的千分之几。含碳质量分数小于1％，不予标注。（5）不锈钢含碳较低，用“00”和“0”数字表示含碳质量分数，分别低于0.03%和0.08%，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬东西的原因。三、.碳素钢含碳质量分数小于2.11%而不特意加入合金元素的钢。1、碳素结构钢（1）普通碳素结构钢含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有Q表示；如Q215、Q235、Q275。塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件。（2）优质碳素结构钢含碳质量分数较多，为中碳钢，常用45、35钢。2、碳素工具钢含碳质量分数在0.7％以上，硬度高，如T8A、T10A、T12A。四、合金钢在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。1、合金结构钢⑴低合金结构钢16Mn代替Q235作建筑、桥梁材料。20CrMnTi经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好的韧性，作汽车变速箱齿轮。§4－2黑色金属材料（2）机械制造用钢中碳合金钢40Cr代替常用45钢作重要的轴等机械零件。高合金钢60Si2Mn代替65Mn作重要弹簧。滚动轴承用钢Gr15用于制造常用滚动轴承。2、合金工具钢（1）刃具钢高速钢用作加工刀具，钻头、各类铣刀。刀具用钢用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。（2）模具钢用作热、泠模具，如Cr12、5CrMnMo。（3）量具钢如游标卡尺、千分尺。3、特殊性能钢（1）铬不锈钢既能防锈又有一定强度的耐腐蚀零件，如弹簧、医疗器械。铬镍不锈钢耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。（2）耐热钢用作锅炉材料，如42Cr9Si2.(3)耐磨钢用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢ZGMn13。铸铁的含碳质量分数大于2.11％。铸铁按其特性分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。1、灰铸铁在工业中应用最广，用汉语拼音HT表示。如HT150、HT200。力学性能低，铸造性能好，切削性能好，减振性能好。2、球墨铸铁高强度的铸铁，机械性能接近钢，如QT400-15表示最小抗拉强度为400MPa。五、铸铁铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。3、可锻铸铁不是可以锻造的铸铁，俗称马铁。如KTH330-08表示最小抗拉强度为330MPa。此外，铸铁还是炼钢的生产原料§4－3铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。反映钢铁黑色金属中铁和碳元素，随着温度和含碳质量分数变化时，内部组织的变化状态。一、简化的Fe-Fe3C状态的特征见图4－81、特性点A、G、C、E、S点2、特性线ACD线、AECF线、ECF水平线、ES线、GS线3、相区ACD线以上、AESGA、GPQ、DFK§4－2钢的热处理钢的热处理目的是提高工件的力学性能，满足使用条件，延长使用寿命。热处理的方法简单、方便、效果好，要求的设备也不复杂，所以具备较高的使用价值，应用很广。热处理的方法分为普通热处理，表面热处理和化学热处理三种。一.普通热处理普通热处理有“四火”，1、退火与正火共同点都是将钢加热到一定的温度，如45钢加热温度到820℃。但冷却的方式不同，退火是采用缓慢冷却，如埋入沙、灰中或随炉温逐渐冷却，以消内部应力；正火是将工件暴露在空气中冷却。相比之下，正火冷却的速度要快，目的是要得到细化的组织结构，工件的硬度和强度较退火处理高，一般正火适用于提高低碳钢的硬度。§4－2钢的热处理2、淬火目的是提高材料的硬度和强度，只能适用于中碳钢或高碳钢工件。如45钢加热到830℃左右，快速放入水、油或盐溶中冷却，使工件的温度快速冷却而得到较高的硬度、强度，是一种常用的重要的热处理方法。钢中含碳质量分数的高低，决定了淬火后工件的硬度大小，含碳质量分数越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火温度过高，将会使工件产生裂纹。3、回火消除淬火时产生的内应力，按回火温度分成三个：（1）低温回火150～250度（2）中温回火250～500度（3）高温回火500～650度§4－2钢的热处理淬火后高温回火称为调质，是合金钢常用的一种提高材料力学性能的有效方法。二、钢的表面热处理表面热处理仅处理工件表面，对工件的芯部不作处理，保持其原来的特性。一般应用在工件表面需要具有较高的硬度，而芯部又要有较高的韧性，如齿轮传动的齿面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齿根和齿轮芯部要有较好的韧性，可以承受较大的抗弯曲能力。齿轮的材料常选用45钢，对齿面进行表面热处理。如果选用低碳合金钢表面渗碳处理，提高齿面的含碳质量分数后再做表面处理是最好的选择。如矿山用的大型载重汽车为了提高齿轮芯部的韧性，采用20CrMnTi低碳合金钢先作渗碳，后表面淬火的工艺。CrMnTi§4－2钢的热处理1、火焰加热淬火设备简单，但受热不匀，生产效率低，质量不稳定。2、高频加热淬火效率高、质量稳定。在几秒钟内齿面迅速加热到淬火温度，后均匀喷洒冷却水使表面硬度达到预定值。如铁道钢轨两端表面的淬火3、表面化学处理通过改变化学成分来处理工件表面的方法，如渗碳、氮化、发黑或发蓝，起到防锈的效果。表面化学处理的深度较小，如渗碳6小时左右，才能达到0.2mm的深度。渗碳需要有专用的渗碳炉，工艺较为复杂，所需的时间较长。氮化的方法与渗碳相似，只是参与化学处理的元素不同而已。在表面处理中，渗碳比氮化应用较广。§4－3有色金属材料除黑色金属以外的其他金属都称为有色金属，由于其特殊性质，在工业上得到广泛的应用，常用的有色金属以铝、铜及其合金。钛及其合金的重量较轻，又有其特殊的性能，在工业上的应用也越来越广，但是价格较高。一、铝及铝合金1、铝铝金属在生活中应用很广，如建筑上用的铝制窗口、飞机外壳等，其显著特点是重量轻、不生锈。2、铝合金在纯铝中加入合金元素而成，比纯铝的性能好。铝合金中通过加入不同的元素来改变其强度等力学性能，常用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。（1）形变铝合金由铝锭加工成各种形状材料，如铝板、铝管和各种异型材料。§4－3有色金属材料不同的元素来改变其强度等力学性能，常用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。二、铜及铜合金在工业上有广泛的用途，主要特点是导电、导热性好，塑性好。1、铜纯铜常用来制作导电产品，如电线、电接触开关及油管等。2、铜合金在纯铜中加入适量的锌、锡、铅、硅等。按元素成分的不同分为黄铜、青铜和白铜，一般制成型材，如（2）铸造铝合金通过铸造成型的铝制零件，如摩托车的内燃机外壳缸体、汽车活塞体等。应用于形状结构较为复杂的零件中，硬度和强度比变形铝合金好。铝合金中通过加入§4－3有色金属材料板材、管材和棒料，铜合金较多地应用作机械零件，但是由于价格较高，常用于制作蜗轮的轮齿和各种滑动轴承的轴瓦。学生应记住黄铜的牌号，如H70表示含铜量为70%的铜合金。如有其它合金材料，常在H的后面标注上，如HMn58-2表示含锰的黄铜。而常用作轴瓦材料的铸造铜合金为ZCuSn10P1，其中ZCu表示铸造铜，其中Sn10和P1分别表含锡量和含磷量分别为10%和1%。铜合金用于制造轴瓦和蜗轮齿面主要是利用其良好的耐磨性、散热好及适应性。同时由于与蜗轮相啮合蜗杆和与轴瓦相配合的轴都选用钢§4－3有色金属材料三、轴承合金为了改善滑动轴承轴瓦的性能，在轴瓦表面上铸上一层金属衬，以提轴瓦的磨合能力、减磨性，称该金属衬为轴承衬。“衬”是很薄的一层材料。轴承合金也称之为巴氏合金。巴氏合金是以锡、铅或铝为基体，加入其他金属元素制造而成，通常呈现为白色。无论是哪一种材料的巴氏合金，都是通过铸造的方法铸到轴瓦上的，所以其牌号前均有“Z”表示。铸造后的轴瓦还需经过切削加工和刮研工序才能使用。常见的牌号有：锡基轴承合金ZSnSb11Cub；铝基轴承合金ZPbSb10Sn16Cu2和铝基轴承合金等。§4－3有色金属材料四、钛及钛合金钛属于稀有金属，其金属具有记忆功能，且质量很轻，熔点高，常用于制作航天零件，在通用机械中应用较少。§4－4非金属材料在工业上应用很广，可代替金属材料，常见的非金属材料有工程塑料、复合材料和新型材料等。一、工程塑料在许多结构形状复杂的零件中，工程塑料应用最多，工程塑料具有重量轻，可制作成各种形状，且用模具大量成批生产、价格低廉等优点。如汽车零件中，有10%的零件是用工程塑料制成的。在日常生活中也离不开工程塑料的应用，如手机、电脑、电话、灯具等。工程塑料的名称较难记忆，应了解常用代号，如PC、PPR、ABS、尼龙等都是比较常用的。如表4－4。§