模块四　常用金属材料（课件）- 高二《机械制造基础》同步教学（劳动版）

第一篇　金属材料及热加工基础 模块四 常用金属材料 1 工业中使用的金属材料分为黑色金属、有色金属和粉末冶金材料。通常把铁及其合金称为黑色金属（主要指钢和铸铁），而把其余金属统称为有色金属，如铝、铜、镁、钛、锡、铅、锌等及其合金。粉末冶金材料是由几种金属粉末或金属与非金属粉末混匀压制成型，并经过烧结而获得的材料。 （一） 按化学成分分类 1．非合金钢 （1）低碳钢：wC<0.25%。（2）中碳钢：0.25%≤wC≤0.60%。（3）高碳钢：wC>0.60%。 2．合金钢 （1）低合金钢：合金元素总含量小于5%。（2）中合金钢：合金元素总含量为5%～10%。（3）高合金钢：合金元素总含量大于10%。 2 （二） 按钢的质量分类 1．普通钢：wS≤0.050%，wP≤0.045%。 2．优质钢：wS≤0.035%，wP≤0.035%。 3．高级优质钢：wS ≤ 0.025%，wP ≤ 0.025%，牌号后加A 表示。 （三）按钢的用途分类 1．结构钢 结构钢主要用于制造各种工程构件和机械零件，其碳含量一般在0.70% 以下。 2．工具钢 工具钢主要用于制造各种刀具、模具和量具，其碳含量一般在0.70% 以上。 3．特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学或力学性能的钢，如不锈钢、耐热钢等。 3 课题 一 结构钢的分类、牌号及选用 任务　轴和齿轮的选材 任务说明 ◎ 通过选择制造车轴和机车主、从动齿轮的材料，掌握轴和齿轮的选材原则及方法。 技能点 ◎ 掌握轴和齿轮的选材原则及方法。 知识点 ◎ 非合金钢中Mn、Si、S、P 等常存元素对性能的影响。 ◎ 合金钢中合金元素对性能的影响。 ◎ 结构钢的分类、牌号及选用。 4 一、任务实施 （一）车轴的选材 1．任务引入 如图4-1 所示为车轴，它用于支承一对火车车轮。试选择制造车轴的材料。 2．分析及解决问题 （1）车轴的工作条件和失效形式 1）工作条件。车轴用于支承转动零件（一对火车车轮），本身承受弯矩作用而不传递转矩。 2）失效形式。过量变形或疲劳断裂（零件在交变载荷作用下，虽然所受应力远低于材料的屈服强度，但在长期使用中会突然发生的断裂）。 5 （2）车轴的力学性能要求及选材 轴杆类零件在工作时受力较复杂，大多要求具有较高的综合力学性能。一般选择中碳钢或中碳合金钢材料进行调质或正火处理。对于某些轴杆类零件（如车床主轴），表面要求耐磨的部位在调质后还需进行表面淬火及低温回火。 如图4-1 所示的车轴就是选用wC=0.45%（属于中碳钢）的45 钢（优质碳素结构钢的牌号）制造，毛坯采用锻件。由于车轴不传递动力，力学性能要求不太高，故进行正火处理。 （二）机车主、从动齿轮的选材 1．任务引入 如图4-2 所示为机车主、从动齿轮。试选择制造该主、从动齿轮的材料。 6 2．分析及解决问题 （1）齿轮的工作条件和失效形式 （2）齿轮的力学性能要求及选材 1）工作条件。工作时齿面承受滚动、滑动造成的强烈摩擦和交变接触应力；因传递动力，齿根承受交变弯曲应力；在换挡、启动或啮合不均匀时，齿轮还要承受冲击力作用。 2）失效形式。齿面磨损、麻点剥落、轮齿折断。 综合力学性能的要求主要是强度（特别是疲劳强度）的要求。主动齿轮（小齿轮）就是选用20CrMnMo 钢（合金渗碳钢的牌号）进行渗碳淬火及低温回火。从动齿轮（大齿轮）就是选用42CrMo 钢（合金调质钢的牌号，wC=0.42%）调质后进行表面淬火及低温回火。 7 二、知识链接 1．硅 硅能溶于铁素体，可提高钢的强度和硬度，所以硅是钢中的有益元素。但硅在钢中少量存在（一般wSi<0.5%）时对钢的性能影响不显著。 2．硫 硫在钢中主要与铁生成化合物FeS。FeS 与铁形成共晶体（Fe+FeS），其熔点较低（985 ℃），当钢材加热到1 000 ～ 1 200 ℃进行轧制或锻造时，沿晶界分布的共晶体（Fe+FeS）已经熔化，晶粒间的连接被破坏，导致钢材开裂，这种现象称为热脆，故硫在钢中是有害元素。 （一）非合金钢中常存元素对钢性能的影响 8 3．锰 锰能溶于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高；此外，锰能与硫形成MnS（因为锰和硫的亲和力比铁和硫的亲和力强），从而减轻硫对钢的危害。所以锰是钢中的有益元素。 4．磷 磷部分溶解在铁素体中，部分在结晶时形成脆性很大的化合物Fe3P，使钢的塑性和韧性急剧下降，尤其是在低温时更为严重，这种现象称为冷脆，故磷在钢中是有害元素。 但是，在易切削钢中适当提高硫、磷的含量，可增加钢的脆性，有利于在切削时形成断裂切屑，从而提高切削加工性。 9 （二）合金钢中合金元素的主要作用 1．强化铁素体 2．形成合金碳化物 3．细化晶粒 4．提高钢的淬透性 5．提高钢的回火稳定性 （三）结构钢的分类、牌号及选用 1．碳