1.2常用金属材料(课件）《机械基础--学做一体化》同步教学（西安电子科技大学出版社）

任务一 工程材料的选用 1.1 金属材料的力学性能 1.2 钢的热处理 1.3 常用金属材料 1.4 材料选用的原则和方法 任务一 工程材料的选用 1.3　常用金属材料 1.3.1　工业用钢 　　钢是碳的质量分数在2.11%以下，并含有其他元素的铁碳合金。 　　1. 钢的分类 　　1) 按化学成分分类 　　(1) 碳素钢：按含碳量可分为低碳钢(wC < 0.25%)、中碳钢(wC = 0.25%～0.6%)和高碳钢(wc > 0.6%)。 　　 任务一 工程材料的选用 　　(2) 合金钢：按合金元素含量可分为低合金钢(wMe < 5%)、中合金钢(wMe = 5%～10%)和高合金钢(wMe > 10%)。 　　2) 按用途分类 　　(1) 结构钢：主要有工程结构用钢和机械结构用钢。 　　(2) 工具钢：可分为刃具钢、模具钢与量具钢。 　　(3) 特殊性能钢：主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 任务一 工程材料的选用 　　2. 结构钢 　　1) 碳素结构钢 　　碳素结构钢的平均碳质量分数为0.06%～0.38%，钢中含有较多的有害杂质和非金属夹杂物，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用较广。它通常被轧制成钢板或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、钢筋钢)。 　　表1.1为碳素结构钢的牌号、性能及其用途。由表1.1可看出，Q195、Q215、Q235、Q255为低碳钢，Q275为中碳钢，其中Q235因碳的质量分数及力学性能居中，故最为常用。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 　　2) 低合金高强度结构钢 　　低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的。其性能特点是具有较高的屈服强度与良好的塑性和韧性，并具有良好的焊接性和较好的耐蚀性。 　　低合金结构钢一般在热轧空冷状态下使用，被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。几种低合金结构钢的牌号、性能及其用途见表1.2。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 　　3) 优质碳素结构钢 　　优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。属于沸腾钢的在数字后加标“F”，未标F的都是镇静钢。例如：45表示wC = 0.45%的镇静钢；08F表示wC = 0.08%的沸腾钢。表1.3为常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能及其用途。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 　　4) 合金结构钢 　　合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号+数字”表示。两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍，元素符号代表钢中含的合金元素，其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍。若为高级优质钢，则在牌号后加A。 　　合金调质钢属于中碳合金钢，要经过调质处理后才能使用，调质后还可进行表面淬火或化学热处理。合金调质钢的综合力学性能较好，淬透性好，切削加工性好，更适合在工作中受力大、易出现严重磨损的重要零件。 任务一 工程材料的选用 　　常用合金渗碳钢、合金调质钢的牌号、性能及其应用见表1.4。 任务一 工程材料的选用 　　3. 工具钢 　　1) 碳素工具钢 　　碳素工具钢是一种高碳优质钢，有害杂质含量少，经淬火和低温回火后硬度高(不小于62 HRC)，耐磨性好。但因其热硬性(又称红硬性，即在高温下保持高硬度的性能)很差，当温度超过250℃后，硬度会急剧下降，故多用来制作在常温下使用的低速工具、手动工具、模具和耐磨零件等。 　　碳素工具钢的牌号、性能及其用途见表1.5。随着含碳量的增加，碳素工具钢的硬度和耐磨性增加，但韧性和淬透性降低。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 　　2) 合金工具钢 　　为了满足工具、刃具、量具、模具对钢材的某些特殊要求，可以在碳素工具钢内增加某些合金元素，制成合金工具钢。合金工具钢主要包括量具刃具钢、冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等。其中9SiCr应用最广泛，多用来制造要求变形小的薄刃刀具，如板牙、丝锥、铣刀、铰刀等。各种合金工具钢的详细情况可参阅有关资料。 任务一 工程材料的选用 　　3) 高速工具钢 　　高速工具钢简称高速钢。高速工具钢从本质上讲也是一种合金工具钢，但因其发展较早、应用广泛，故在此单独列出。与量具刃具钢相比，高速钢除了具有更高的硬度、更好的耐磨性和韧性之外，最大的优点是热硬性好，即使在600℃高温下工作，也能保证其硬度在60 HRC以上，多用来制造各种中速切削刀具。 　　常用合金工具钢和高速工具钢的牌号、成分、性能及其应用见表1.6。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 1.3.2　铸铁 　　铸铁是一系列主要由铁、碳、硅(Si)组成的合金。根据碳的存在形式不同，常将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁三大类。 　　1. 灰铸铁 　　灰铸铁中的石墨大部分以层片状存在于基体中，故灰铸铁的铸造性能、可加工性、减振性、减摩性均较好，且价格低廉，但也存在着塑性差、韧性差、抗拉强度低、焊接性能较差等缺点，多用来制造固定设备的床身、形状特别复杂或承受较大摩擦力的可批量生产的零件。灰铸铁的牌号、力学性能及其应用见表1.7。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 　　2. 球墨铸铁 　　球墨铸铁中的石墨是以球状存在的，故球墨铸铁与灰铸铁相比具有强度高(与钢差不多)、工艺要求高的特点，适宜做重要零件。球墨铸铁的牌号用“QT”(表示“球铁”)和其后的两组数字组成。两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率，如QT600-3表示σb≥600MPa、δ≥3%的球墨铸铁。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 1.4　材料选用的原则和方法 1.4.1　零件的失效形式和选材原则 　　1. 机械零件的失效形式 　　所谓失效是指机械零件在使用过程中，由于某种原因而丧失预定功能的现象。一般机械零件的失效形式有以下三类： 　　(1) 断裂：包括静载荷或冲击载荷下的断裂、疲劳断裂、应力腐蚀破裂等。 　　(2) 表面损伤：包括过量磨损、接触疲劳(点蚀或剥落)、表面腐蚀等。 　　(3) 过量变形：包括过量的弹性变形、塑性变形和蠕变等。 任务一 工程材料的选用 　　2. 选材的基本原则 　　(1) 材料的使用性能应满足零件的工作要求：使用性能是保证零件工作安全可靠、经久耐用的必要条件。不同的机械零件要求材料的使用性能是不一样的，这主要是因为不同机械零件的工作条件和失效形式不同。因此，选材时首先要根据零件的工作条件和失效形式来判断所要求的主要使用性能。 　　表1.9列出了几种零件的工作条件、失效形式及要求的主要力学性能。在对零件的工作条件和失效形式进行全面分析，并根据零件在工作中所受的载荷计算确定出主要力学性能的指标值后，即可利用手册确定出与之相适应的材料。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 　　(2) 材料的工艺性应满足的加工要求：材料的工艺性是指材料适应某种加工的能力。材料工艺性能的好坏，对于零件加工的难易程度、生产率和生产成本都有着决定性的影响。 　　(3) 材料还应具有较好的经济性：据资料统计，在一般的工业部门中，材料的价格占产品价格的30%～70%。在保证使用性能的前提下，选用价廉、加工方便、总成本较低的材料，可以取得最大的经济效益。表1.10为我国部分常用工程材料的相对价格。 任务一 工程材料的选用 任务一 工程材料的选用 1.4.2　减速器典型零件的选材方法 　　1. 螺栓 　　由表1.9可知，螺栓主要承受拉、切应力，其应力大小一般不变。为了防止过量变形，要求零件整个截面应具有较高的强度和较好的韧性，再者考虑到工艺性和经济性的因素，碳素结构钢即为一个适合的选项。 　　2. 传动轴 　　对于截面上不均匀地受到循环应力、冲击载荷作用的机械零件，疲劳破坏是最常见的破坏形式。 任务一 工程材料的选用 　　3. 箱体 　　各种机器的箱体一般都会承受压应力，同时机器均有一定的振动，这就要求箱体材料须具有较好的耐压能力和减振能力；箱体形状一般较复杂，大多是通过铸造方式获得的，故铸造性就很必要，再者出于对成本的考虑，灰铸铁即为一个很好的选择。 任务一 工程材料的选用 $$