第六讲工业产品选材—金属材料

工业产品开发概论2019/8/241工业产品开发概论主讲蒋亚南副教授第八讲金属材料概述2013年9月工业产品开发概论主讲蒋亚南副教授第六讲工业产品选材—金属材料2015年8月宁波市数字图书馆第二批高校网络（MOOC）课程工业产品开发概论2019/8/24讲次内容内容体系第一讲了解工业产品介绍及其开发流程第一篇工业产品开发第二讲结合实例介绍硬件产品开发步骤和方法第三讲结合实例介绍服务产品的开发步骤和方法第四讲工业产品工程设计第二篇产品设计方法基础第五讲工业产品造型设计第六讲工业产品选材—金属材料第七讲工业产品选材—非金属材料第八讲产品表达图示技术基础第三篇产品工程表达基础第九讲产品图样表达方法—基本视图第十讲产品图样表达方法—剖视断面第十一讲产品图纸表达—零件图第十二讲产品图纸表达—装配图第十三讲工业产品加工方法—热加工第四篇工业产品生产加工第十四讲工业产品加工方法—金属切削加工第十五讲工业产品加工方法—非金属加工第十六讲先进制造技术介绍工业产品开发概论2019/8/243•工程材料是构成工业产品的物质基础。•同时产品的性能取决于其使用的材料。•既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。工业产品开发概论2019/8/244一、选材的一般原则和步骤•正确选材是工业产品设计的一项重要任务，它必须使选用的材料保证零件在使用过程中具有良好的工作能力，保证零件便于加工制造，同时保证零件的总成本尽可能低。•优异的使用性能、良好的加工工艺性和便宜的价格是工业产品零件选材的最基本原则。工业产品开发概论2019/8/245使用性能原则•使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在大多数情况下，它是选材首先要考虑的因素。使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的力学性能、物理性能和化学性能。工业产品开发概论2019/8/246工艺性能原则•工业产品零件都是由设计选用的工程材料，通过一定的加工方式制造出来的:•金属材料有铸造、压力加工、焊接、机械加工、热处理等加工方式。•陶瓷材料通过粉末压制烧结成型，有的还须进行磨削加工、热处理。•高分子材料利用有机物原料，通过热压、注塑、热挤等方法成型，有的再进行切削加工、焊接等加工过程。工业产品开发概论2019/8/247经济性原则•在满足使用性能和工艺性能的前提下，材料的经济性是选材的重要原则。工业产品开发概论2019/8/248工业产品开发概论2019/8/249二、材料的几种分类法•1.历史分类法–第一代：石器时代的木片、石器、骨器–第二代：陶、青铜和铁器–第三代：高分子材料，主要来自石油、煤等矿物–第四代：复合材料工业产品开发概论2019/8/24102.物质结构分类法工业产品开发概论2019/8/2411•3.材料加工度分类法–天然材料•有机材料竹、木、棉、毛、皮革；•无机材料粘土、矿石、宝石、金属、大理石、煤等–加工材料•胶合板、细木工板、纸张、黏胶纤维、玻璃纸–人造材料•利用天然材料制成：人造皮革、人造大理石、人造水晶•利用化学反应制成：塑料、玻璃工业产品开发概论2019/8/2412•4.材料形态分类–颗粒材料–线状材料–面状材料–块状材料工业产品开发概论2019/8/2413三、材料的性能和特性•1.基本性能：–材料密度–力学性能•1、强度2、塑性•3、硬度4、冲击韧性•5、疲劳6、断裂韧度（性）–热学性能：熔点、比热、热胀热导、耐热、耐火、耐燃–电学性能：导电、绝缘–光学性能：反射、折射、透射–化学性能：耐蚀、抗氧化、耐气候性工业产品开发概论2019/8/2414材料的特性•2.工艺特性–加工成型性–环境形状保持性–表面工艺性工业产品开发概论2019/8/2415四、黑色金属•金属材料包括黑色金属（钢、铸铁）和有色金属，前者应用最多。•习惯上常说的钢铁是对钢和铁的总称。•所谓钢铁，主要由两个元素构成，即铁和碳，一般碳和铁元素形成化合物，叫铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。工业产品开发概论2019/8/24161.钢与铁的区别•含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0％；钢含碳量小于2.0％。•钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能，因此被广泛利用。•生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。•由铁原子构成的物质叫纯铁，纯铁杂质很少，一般含碳量小于0.02%的叫熟铁或纯铁–熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广。•工业产品开发概论2019/8/2417•在工业上，人们是在高炉中把铁矿同焦炭、石灰石等混合在一起，在高温下炼制铁。•从高炉中炼出来的是生铁。生铁还需放入转炉或平炉、电炉中，除去部分碳，炼制成钢。工业产品开发概论2019/8/2418四、钢钢的品种多，性能好，是最常用的工程材料。根据化学成分的不同，钢可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的生产批量大，价格低，供应充足。工业产品开发概论2019/8/24191.碳素钢•碳钢常用的分类方法有三种：•1）按碳含量进行分类•可分为低碳钢(＜0.25%C)、中碳钢(0.25-0.55%C)、高碳钢(＞0.55%C)。•碳素钢的性能主要取决于碳的质量分数。碳的质量分数越高，钢的强度越高，塑性越低。•2）按其用途进行分类•可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。•3）按其质量等级分类•可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。工业产品开发概论2019/8/2420•钢的韧性好，机械强度又高，在工业上的用途最广。•由于低碳钢的性能与熟铁近似，而成本比熟铁低得多，现在工业上大都用低碳钢代替熟铁，如制造铁丝、铆钉、白铁皮（镀锌Zn）、马口铁（镀锡Sn）等。•碳素钢广泛的被用来制造各种机器零件，如齿轮、凸轮、螺帽、铁轨、钢筋等等；日常生活中用的刀、手表壳、钢笔尖、针、剪刀等。工业产品开发概论2019/8/24212.合金钢为了改善钢的性能，根据不同要求加入一种或几种合金元素而形成的钢称为合金钢。合金钢的性能不仅与化学成分有关，在很大程度上还取决于适当的热处理。合金钢价格较贵。不同的合金元素，使钢获得不同的性能。如铬能提高硬度、高温强度和耐腐蚀性；镍能提高强度而不降低韧性；锰能提高强度、韧度和耐磨性；硅可提高弹性极限和耐磨性，但降低韧性。合金结构钢牌号的表示方法是用两位数字表示含碳量的万分数，并在其后加注所含各主要合金元素的符号及其质量分数。工业产品开发概论2019/8/2422•如含镍（Ni）36%的镍钢几乎不因冷热而热胀冷缩，用来制造精密仪表零件；•含18%钨(W)的钨钢，即使已炽热，仍非常坚硬，用来制造高速切割的车刀；•含少量钒(V)的钒钢，可使钢的弹性增加一倍，用来制造各种弹簧；•含2.5%硅(S)i的硅钢做成硅钢片，用作变压器的铁心，不仅可减少变压器发热现象，而且大量节约了电能。工业产品开发概论2019/8/2423苏泊尔“问题锅”或被下架停售•东方网10月18日消息：据《新闻晚报》报道，近日，苏泊尔不锈钢产品被曝其金属含量比例不合格，而跟踪调查了其三年的哈尔滨工商局表示，将勒令其问题产品下架。沪上各大家电卖场也纷纷准备停售苏泊尔问题产品。•上海消费者保护协会赵姣黎秘书长表示，如果苏泊尔偷工减料，就侵害了消费者的公平交易权，涉嫌欺诈。•不锈钢变高锰钢•根据最先披露此事件的哈尔滨工商局的对外公告，实际上他们在2008年初就已经接到了相关举报。他们表示经过多次检验，苏泊尔的大部分不锈钢制品中的铬、镍元素达不到标准，与此同时锰的含量却非常高。在三年多的调查时间中，总共81种型号的不锈钢锅具被检不合格，而200元以下的低价不锈钢锅具更是几乎“全员阵亡”。•工业产品开发概论2019/8/2424•记者在调查后发现，我国规定的不锈钢产品中的铬和镍含量标准，分别应为18%和8%。由于不锈钢具有的抗氧化性和耐腐蚀性都来自于铬（ge）、镍这两种元素，如果这两项金属含量不达标，那么产品根本就称不上是不锈钢。另一方面，如果含锰量过高，产品就会变成“高锰钢”，一般用来制造铁轨、桥梁和轴承等部件，虽然其耐磨，但抗腐蚀和抗氧化能力远远比不上不锈钢，较容易生锈。由于我国锰矿资源丰富，用锰来偷梁换柱可有效地降低成本，但最终的成品却难符“不锈钢”的名称。工业产品开发概论2019/8/2425四、铸铁•铸铁是脆性材料，其抗拉强度、塑性、韧性均较差，不能进行辗压和锻造。•铸铁的减振性和耐磨性较好，成本较低。•由于它具有良好的液态流动性，因此常用于铸造各种形状复杂的零件。•常用铸铁有灰铸铁和球墨铸铁。工业产品开发概论2019/8/24261.灰铸铁灰铸铁是应用最广的一种铸铁，碳以片状石墨存在于铁的基体中，因此其断口呈灰色。灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度，切削性能好，但不宜承受冲击载荷。常用于制造受压状态下工作的零件，如机器底座、机架等。灰铸铁牌号的表示方法是在符号“HT”后加注一组表示抗拉强度的数字，如HT200，其抗拉强度为200MPa。2.球墨铸铁球墨铸铁中的碳以球状石墨存在于铁的基体中，故其力学性能显著提高。除伸长率和韧性稍低外，其它力学性能基本与钢接近，同时兼有灰铸铁的优点，但是球墨铸铁的铸造工艺性能要求较高，品质不易控制。用球墨铸铁制造的曲轴、齿轮等，其成本低于锻钢件。球墨铸铁牌号的表示方法是在符号“QT”后加注两组数字，如QT400－15，表示抗拉强度为400MPa，伸长率为15％。工业产品开发概论2019/8/2427铁的用途•生铁很脆，一般是浇铸成型，所以又称“铸铁”，如铁锅、火炉等，在工业上用来制造机床的床身、蒸汽机和内燃机的汽缸等，它的成本比较低廉、耐磨，但没有延性和展性，不能锻打。•熟铁所含杂质少，接近于纯铁，韧性强，可以锻打成型，所以又叫“锻铁”，如铁勺、锅铲等。工业产品开发概论2019/8/2428五、有色金属•有色金属是指铁和铁基合金(如锰、铬)以外的83种金属。•与铁和铁基合金相比，有色金属的冶炼比较复杂，成本高。但是，由于有色金属具有许多优良特性，因而已成为现代工业，特别是航空航天工业中不可缺少的材料。•工程中常用的有色金属有轻有色金属：铝、镁、钠、钾等；重有色金属：铜、镍、铅、锡、锌等；贵金属如金、银和铂族元素；稀有金属如钨、钛等•有色金属合金：铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等。工业产品开发概论2019/8/2429•一、铝及其合金•比重小，比强度高。•在空气中的抗蚀性好。•容易加工。•硬铝（铝铜镁）经热处理后强度比纯铝高六倍用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱翼梁、螺旋桨叶、起落架等。也常用于汽车、摩托车、家用电器、建筑等。工业产品开发概论2019/8/2430•二、铜合金•机械性能好•摩擦系数小•在空气环境下具有良好的抗蚀性。•容易加工。•黄铜（铜锌合金）、白铜（铜镍合金）•除上述两种金属以外的青铜（如锡青铜、铝青铜）、滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件。工业产品开发概论2019/8/2431三形状记忆合金•形状记忆合金(shapememoryalloy)是指某些合金材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，合金材料会自动恢复到变形前原有的形状，并对以前的形状保持记忆，这种合金材料就称为形状记忆合金。•目前形状记忆合金材料主要有Ni—Ti系、Cu系和Fe系合金等。工业产品开发概论2019/8/2432研究起始：1963年，美国海军的武器实验室奉命研制一种新式装备，在一次实验中他们需要一些TiNi合金丝，领回的TiNi合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便，于是将这些TiNi合金丝一根根地拉直。在试验过程中，出现了奇怪的现象：当温度升到一定值时，这些已被拉直的TiNi合金丝，突然又全部恢复到弯弯曲曲的形状，和原来一模一样，丝毫不差。经反复多次试验，结果都是这样。工业产品开发概论2019/8/2433到80年代，科学家终于突破了TiNi合金研究中的难点，对形状记忆效应机制的研究得