机械设计中材料的选材与热处理

2020/4/261机械设计中常用材料的使用及热处理选择武汉元丰汽车零部件有限公司2020/4/262黑色金属有色金属铸铁钢金属材料常用工程材料铝合金铜合金非金属材料橡胶塑料……工程材料分类：2020/4/263铸铁铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。2020/4/264性能：（与钢相比）1.强度、塑性低（石墨对基体有割裂作用）2.抗压强度不低3.减震性好（机器运动时，有减震性好）4.耐磨性好（碳含量高，硬度高，石墨：软，可作为润滑剂）5.加工性好6.成本低铸铁2020/4/265•灰口铸铁：碳以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色•可锻铸铁：团絮状石墨，塑性很低，不能锻造，只有钢能锻造，铸铁不能锻造，经过两个生产过程制得的，首先制得白口铁铸件，然后再经石墨化退火而最终制得可锻铸铁•球墨铸铁：球状石墨•白口铸铁：一般液体铁水冷却下来，发生石墨化，变成石墨，若冷的太快，变不成石墨，而是作为渗碳体保存下来，白口铸铁很硬，没有用，要避免出现•合金铸铁：在铸铁中加入数量不等的合金元素，从而改善铸铁的物理、化学和力学性能，如耐磨性、耐蚀性和耐热性根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态，可将铸铁分类：2020/4/266常用铸铁（其中灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之）•片状石墨•铸铁的性能，但片状石墨对基体的分割作用，和引起应力集中效应，故其抗拉强度远低于钢，其强度、塑性低。铸造性能好(灰铸铁含碳量高，熔点比钢低)，成本最低（冷却下来后直接就可得到）•牌号：HT250（HT：灰铁的汉语拼音首字母，250代表抗拉强度值）•成分（HT250）：碳含量：2.9％～3.5％，硅含量：1.4％～2.1％锰含量：0.7％～1.1％，硫含量≤0.15％，磷含量≤0.12％•常用热处理去应力退火：加工前进行，人工时效处理高温退火：降低硬度，使渗碳体分解成铁和石墨表面淬火：提高表面耐磨性灰口铸铁：制动盘（HT250，190-230HBS）2020/4/267牌号HT100HT150HT200HT250HT300HT350性能强度→切削加工性←表面粗糙度→耐热疲劳性←高温强度→减震性←弹行模量→对缺口敏感程度←耐磨性→铸造工艺性←2020/4/268液体铁水经过球化处理，石墨呈球状分布于基体中•性能：强度、塑性高（与灰口铸铁相比）•牌号：QT500－7（QT：球铁的汉语拼音首字母，500代表最低抗拉强度值，7代表最低延伸率值）•成分（QT500－7）：碳含量：3.6％～3.8％，硅含量：2.5％～2.9％锰含量≤0.6%，硫含量≤0.025％，磷含量≤0.08％•热处理退火：降低应力，表面白口铸铁消除，变成灰口铸铁或球墨正火：得到以珠光体为主的基体组织淬火＋回火：得到回火马氏体、回火托氏体或回火索氏体组织球墨铸铁：卡钳（QT600-3，190-240HBS）支架（QT500-7，180-240HBS）2020/4/269牌号QT400-18QT400-15QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2性能抗拉强度→伸长率←弹行模量→硬度→冲击韧度←减震性←疲劳极限→热疲劳抗力←耐磨性→可加工性←2020/4/2610钢钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。2020/4/2611钢的分类及牌号1.按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢a、碳素钢（简称碳钢，由于钢碳钢具有较好的力学性能和工艺性能，并且产量大，价格较低，使它成为机械工程上应用最广泛的金属材料）按碳含量的多少分为低碳钢：Wc≤0.3中碳钢：Wc＝0.3％～0.6％高碳钢：Wc0.6％2020/4/2612低碳钢：塑性、韧性好，大型支架结构、桥梁中碳钢：综合机械性能好，受力复杂的机器零件高碳钢：硬度高，工具、耐磨零件碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低a、碳素钢2020/4/2613b、合金钢由于现代工业和科学技术的不断发展，对力学性能和物理、化学性能提出了更高的要求，碳钢虽然经过热处理，也不能满足要求，从而就发展了合金钢，合金钢就是为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢的基础上，特意的加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理2020/4/2614a、结构钢：大型结构和机器零件b、工具钢：工具、模具、量具c、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢2、按用途分大平垫（1Cr13）2020/4/2615a、普通钢b、优质钢c、高级优质钢3、按质量分分类方法比较多，按习惯叫即可，如45＃钢可被称为中碳钢、结构钢、优质钢按S、P的含量分的，S、P含量越多，脆性越大，质量也就越差高级优质钢：S、P去的特别好2020/4/26164、牌号⑴普通碳素结构钢：用Q＋数字（屈服强度数值）表示⑵优质碳素结构钢：用钢中平均碳含量分数的两位数字表示，单位为万分之几，也就是说用碳含量万分之几表示⑶碳素工具钢：T＋数字，在钢号前加T（碳的汉语拼音字头），数字：钢号用平均碳含量的千分数的数字表示（千分之几）T8表示平均碳含量为0.8％（千分之八）的碳素工具钢高级优质则在钢号后加A，如T10A2020/4/2617⑷合金结构钢：数字＋元素＋数字表示4、牌号如：60Si2Mn（60：碳含量的万分之几，即0.6％；Si、Mn：合金元素；2：表示前边合金元素的平均质量分数，当含量≥1.5%时，是四舍五入后的数字，当1.5％时，数字省略）⑸合金工具钢：数字＋合金元素＋数字如：9CrSi(9：碳含量的千分之几即0.9％，当碳含量≥1时，此数字省略；Cr、Si含量都小于1.5％)⑹滚动轴承钢：GCr＋数字（G：滚；数字：Cr质量分数的千分之几）2020/4/26184、牌号数字：碳含量以千分之几表示，当碳质量分数≤0.03％及≤0.08％时，分别以00及0表示⑺特殊性能钢：数字＋合金元素＋数字⑻铸钢：ZG＋数字＋数字（前边数字表示屈服强度值，后边数字表示抗拉强度值）如：ZG270-5002020/4/2619结构钢㈠普通结构钢普通碳素结构钢1、普通碳素结构钢：碳含量是在0.06％～0.38％，杂质比较多，但价格便宜，成本低，适用于要求不高的机械零件和工程构件如压板（Q235A→30）、推动板（Q235A）普通低合金结构钢2020/4/26202、普通合金结构钢㈠普通结构钢a、成分特点：低碳（C％0.2％）、低合金、＋Mn（以Mn为主加元素，因为锰的资源丰富，强化铁素体的效果明显，能降低钢的冷脆温度，另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，以而进一步提高强度）b、典型钢号：16Mn（16：万分之几，Mn含量1.5％，数字省略）碳含量很低，只有0.16％c、性能：①塑性、韧性号（低碳）②强度高（与没加合金元素的低碳钢相比，高30％～50％，但不要与45＃钢相比）③焊接性好（焊接最麻烦的是断裂，应力大，但是塑性、韧性好的材料不易开裂）④大型结构、桥梁（不易断裂，有以上特点，价格也低，工艺很成熟）2020/4/2621㈡优质结构钢硫、磷含量较低，非金属夹杂物也较少，强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好，常用于制造较重要的零件如齿轮(Q235A→45)，支点圆柱（45→40Cr）应用最广泛的是45钢（也被称为外能钢），经调质处理后，可获得良好的综合力学性能1、优质碳素结构钢2020/4/2622㈡优质结构钢2、渗碳钢•成分特点：低碳（碳含量很低，属于低碳钢）•作用：①强化②提高淬透性•性能：心部韧性好，表面硬度特别高•应用：受冲击同时要表面高硬度、高耐磨性的零件压力臂（20CrMnTi），大滚针副托架（15CrMo）2020/4/2623㈡优质结构钢3、调质钢•淬火＋高温回火后获得综合机械性能，即强度与韧性的配合•应用：受力复杂的重要零件，最普通的调质钢为35，40，45，但由于热处理后变形大，实际都加合金元素，随合金量增加强度增加，顺序为40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo•为提高某些部位耐磨性，通常要局部高频淬火或表面氮化；需提高表面疲劳抗力，有时要进行喷丸处理主轴（40Cr，260-300HBS,表面离子氮化）长导套（45，260-300HBS，高频淬火）2020/4/2624㈡优质结构钢3、调质钢•35CrMo，调质后，具有高的静强度、冲击韧度和较高的疲劳强度•42CrMo，与35CrMo性能相近，强度和淬透性更好调整六方头（35CrMo，淬火50-55）转向节（42CrMo与40Cr）2020/4/2625㈡优质结构钢4、弹簧钢•碳含量：0.6％～0.9％•最普通弹簧钢是Mn系列和Cr系列Mn系列选择原则65Mn→60Si2Mn→55SiMnMoVNbCr系列选择原则50CrMn→50CrV→50CrMnV•淬火＋中温回火，获得高弹性和高韧性，通常需要进行喷丸处理获得表面压应力弹簧有大有小，制作方式也不一样，主要有两种：冷成型和热成型2020/4/2626㈡优质结构钢弹簧钢的特性基准座挡圈（65Mn），回位弹簧、波形弹簧（60Si2Mn）大小扭簧（60Si2Mn→70）•高碳钢如65，70，85，经热处理和冷拔硬化后，可得较高强度和适当韧性塑性，淬透性差只适用较小尺寸弹簧•65Mn，热处理后，综合性能优于碳钢•60Si2Mn，Si与Mn提高弹性极限、屈强比、淬透性和抗松弛稳定性2020/4/2627㈡优质结构钢4、滚动轴承钢•有高而均匀的硬度、提高耐磨性•有高的接触疲劳强度和弹性极限滚针（GCr15）2020/4/2628铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜轴套，衬套（巴氏合金）有色金属2020/4/2629高分子材料复合材料陶瓷--塑料、橡胶、合成纤维。--强度高、弹性模量大、质量轻。非金属材料--强度高、弹性模量大、质量轻。塑料--塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。2020/4/2630橡胶--橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。螺杆防尘罩（DF6454）非金属材料2020/4/2631非金属材料复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。刹车片（M432A)2020/4/2632陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。非金属材料陶瓷材料2020/4/2633•普通热处理：退火、正火、淬火、回火•表面热处理：渗碳、渗氮、高频淬火钢的热处理在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的“成分－组织－性能”的