第三章 常用工程材料.ppt

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1、第三章 常用工程材料,马建敏(Email:) Fudan University,常用金属工程材料,碳钢的分类,碳钢有以下三种分类方法 1、按钢的含碳量可分为： 低碳钢：含碳量00.25% 中碳钢：含碳量（0.250.6）%。 高碳钢：含碳量0.6%。 2、按钢的质量可分为(根据钢中有害杂质S、P的多少来分)： 普通钢：S0.055%，P0.045% 优质钢：S、P均0.04% 高级优质钢：S、P均0.03% 3、按用途可分为： 碳素结构钢：用于制造工程结构(如桥梁、船舶、建筑、 高压容器等)和机械零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等)， 这类钢一般为低、中碳钢。 碳素工具钢：用于制造各种工具(

2、如刃具、模具和量具等)，这类钢一般为高碳钢。,铸铁,铸铁广泛应用于机械制造中。按重量计算，汽车、拖拉机中铸铁零件约占(5070)%；机床中约占(6090)%。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件，大多用铸铁制成。 铸铁之所以应用广泛，除了因为它具有接近共晶的成分，熔点低，流动性好，易于铸造外，还因为它的C、Si含量较高， 使碳大部分不以化合(Fe3C)而是呈游离的石墨状态存在，石墨有润滑作用和吸油能力，因而铸铁有良好的减摩性和切削加工性。根据碳在铸铁组织中存在形式不同，可分为以下几类： 白口铸铁 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁,合金钢,由于碳钢成本低，通

3、常作为制造各种构件的基本材料，但是碳钢有以下局限性： （1）碳钢的强度很难超过690MPa，除非塑性和韧性有明显的下降。 （2）厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织，即不能淬透。 （3）碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。 （4）高温强度低，红硬性差。 合金钢克服了碳钢的上述缺点，在许多应用中，合金钢是能够满足工程要求的重要材料。 合金钢成本高，压力、切削、焊接方面比碳钢差。,常用合金结构钢,合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。这类钢是碳素结构钢的基础上加入一些合金元素以提高其性能的钢。通常分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等几种。其用途最广，用量

4、最大。 常用合金结构钢分为以下5类: 低合金结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢,合金工具钢,工具钢用于制造各种工具，如量具、刃具、模具等。合金工具钢分为:低合金工具钢、高合金工具钢、高速钢。 其中高速钢应用场合：高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。性能特点：具有较高的热硬性，保证在500600时硬度仍不降低，硬度可保持60HRC。常用高速钢：是一种高碳高合金工具钢，wC=0.701.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，W、Mo、V是提高热硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，显著提高钢的硬度及耐磨性，Cr可提高淬透性。 W1

5、8Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢，这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95 %以上。热处理：W18Cr4V钢的最终热处理为高温淬火和多次回火。W18Cr4V钢的淬火温度高达12701280，淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体（20%30%）。回火采用560三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体，使其转变成马氏体；三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物，产生二次硬化，提高热硬性。热处理后高速钢的硬度可达6365HRC。高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物，这种碳化物硬而脆，若不消除这种碳化物的不均匀性，制成刀具后

6、将出现早期损坏，使刀具易出现“崩刃”，故必须用反复锻打的方法将其击碎，使碳化物细化并均匀分布在基体上。W18Cr4V钢锻造后进行退火，以消除内应力，降低硬度改善切削加工性能，并为淬火做好组织准备。,不锈钢,不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称。应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等腐蚀性介质的腐蚀。不锈钢主要用来制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件，例如化工装置中的管道、阀门、泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。 化学成分：不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，有些钢的wC甚至低于0.03%(如00Cr12)。不锈钢中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定值时，钢才有

7、耐蚀性。因此，不锈钢一般wCr均在13%以上。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、N、Nb等元素。 不锈钢种类：不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。,高温合金,高温合金一般指以铁、钴或镍等为基体，可在高温下使用的合金。 高温下使用的零件主要要求热稳定性和热强度二个指标。高温下金属材料抵抗氧化或气体腐蚀的能力称为热稳定性。抵抗塑性变形和断裂的能力称为热强度。 高温合金的分类方法：按合金基体分为铁基、镍基、钴基、钼基、钽基、铌基等； 按合金的高温性能、成型特点及用途分类： 热强度变形高温合金=热强度高，主要用于高温下承受大载

8、荷及复杂应力条件下工作的零件。 热稳定变形高温合金=热稳定性很高，强度虽不高，但塑性很好。主要用于受力不大而工作温度很高的零件。 热强铸造高温合金=热强度很高，塑性低，焊接性能差。通常用于精密铸造的方法直接铸成零件。 高温合金的牌号 以汉语拼音字母的“高合”字头“GH”+ 序号数字表示。如 GH36，表示36号高温合金；铸造高温合金用K+序号数字表示，如K17 即17号铸造高温合金。,有色金属,铝及其合金,铝及铝合金其它金属材料相比，具有以下一些特点： 1、密度小 铝及铝合金的密度接近2.7g/cm3，约为铁或铜的1/3； 2、高强度铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度，部分

9、牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理； 3、导电导热性好 铝的导电导热性能仅次于银、铜和金； 4、耐蚀性好铝的表面易自然生产一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金； 5、易加工添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金,钛及其合金,钛的十大性能:密度小，比强度高；弹性模量低；导热系数小；抗拉强度与其屈服强度接近；无磁性、无毒；阻尼性能强；耐热性能好；耐低温性能好；吸气性能；耐腐蚀性能。 钛的三大功能:记忆功能；超导功能；贮氢功能。 纯钛 钛是银白色的高熔点轻金

10、属，密度为4.51g.cm-3，熔点为1700，钛有两种同素异构体：温度低于882为-Ti，具有密排六方晶格;温度高于882为-Ti，具有体心立方晶格。 纯钛的强度很高，退火状态下b=300500MPa，与碳素结构钢相似，热处理后强度可达到b=10001400MPa与高强度结构钢相似，且高温下仍具有较高的强度。另外，它的塑性也极好，因此，适宜进行压力加工。,镁合金,镁合金在常用工程金属中密度最小，为1.8g/cm3，约为铝合金的2/3，钛合金的1/3，钢的1/4。 镁合金比铝合金有较大承受冲击载荷的能力，可以用它制造受猛烈撞击的零件，飞机轮毂就是用镁合金铸造的。 镁合金具有优良的切削加工和可抛

11、光性，并易于铸造和热加工，但应注意防止其在高温下燃烧。 镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。,塑料与橡胶为有机高分子材料，与金属相比质量轻，具有金属材料不可比拟的特殊性能，使用极为广泛；陶瓷为无机非金属材料，具有高硬度、耐蚀的性能，除日用陶瓷外，工业上使用的特种陶瓷更具有其独特的性能，在机械加工、航空航天、化学工业等领域都有应用；复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料，具有较好的综合性能，其应用越来越受到广泛的重视，大家熟悉的玻璃钢、塑钢门窗、羽毛球拍等，都是用复合材料制造的。,常用非金属工程材料,塑料,塑料的组成 塑料的主要组成是合成树脂和添加剂。合成树酯是具有可塑性的高分子化合物的统

12、称，它是塑料的基本组成物，它决定了塑料的基本性能，塑料中合成树酯含量一般为30%100%。树酯在塑料中还起粘结剂的作用，许多塑料的名称是以树酯来命名的，如聚苯乙烯塑料的树酯就是聚苯乙烯；添加剂的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。 塑料的分类 按使用范围：通用塑料、工程塑料、特种塑料按受热性能：热塑性塑料：加热时能反复地塑化热固性塑料：加热到熔融温度以上时，形状不再发生变化,塑料特性,质轻、比强度高 塑料的密度为0.92.2gcm3，只有钢铁的1814。泡沫塑料的密度约001gcm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机

13、械产品的重量具有重要意义。 化学稳定性好 塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。 优异的电绝缘性 塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。 减摩、耐磨性好 塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。 消声和吸振性好 塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。 成形加工性好 塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。 耐热性差 多数塑料只能在100左右使用，少数

14、品种可在200左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。,橡胶,橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。 橡胶的分类 按其来源不同可分为天然橡胶与合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。 按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，

15、通用橡胶的用量一般较大，主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等；特种橡胶主要用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。,陶瓷材料,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。 工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。 陶瓷是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。,复合材料及其分类,复合材料是将两种

16、或多种性质不同的材料，通过物理和化学复合组成的多相材料。通常其中的一种作为基体起粘结作用，另一些作为增强材料，提高承载能力。复合材料不仅性能优于组分的任意一个单独的材料，而且还可具有单独组分不具备的独特性能，从而使复合材料具有优良的综合性能 复合材料的分类 按增强材料的形状分类 可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层叠复合材料等。 按基体不同分类 可分为树酯基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料。 按用途分类 可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料；功能复合材料是指除力学性能以外还具备其它物理、化学、生物等特殊性能的复合材料。,复合材料的性能,比模量

17、和比强度高 复合材料的增强物一般都采用了高强度、低密度的材料。一般比模量约为钢的4倍，比强度约为钢的8倍。 抗疲劳性能好 复合材料的基体中密布着大量的增强纤维等，而基体的塑性一般较好，而且增强纤维和基体的界面可阻止疲劳裂纹扩展，从而有效地提高复合材料的疲劳极限，碳纤维增强复合材料的疲劳极限是抗拉强度 的70%80%。 安全性好 复合材料每平方厘米截面上独立的纤维有几千甚至几万根，当构件过载并有少量纤维断裂后，会迅速进行应力重新分配，由未断裂的纤维来承载，使构件在短时间内不会失去承载能力，提高使用的安全性。 高温性能良好 增强纤维的熔点或软化温度一般都较高，除玻璃纤维的软化点仅为700900外，

18、其它如Al 2O 3、C、BN、 SiC、B等纤维的软化点都在2000以上，所以复合材料一般都具有较高的高温强度。减振性良好 机构的自振频率与材料比弹性模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量大，自振频率很高，不易产生共振，同时纤维与基体的界面具有吸振能力，故振动阻尼高。 此外复合材料一般都具有良好的化学稳定性、而且制造工艺简单、这些优点使之得到广泛应用，复合材料是近代重要的工程材料。已大量用于飞机结构件；汽车、轮船、压力容器、管道、传动零件等，其应用量呈逐年增加趋势。,功能材料,功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能

19、完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料的分类： 功能材料按其功能可分为电功能材料、磁功能材料、热功能材料、光功能材料、智能功能材料等； 按照其特性又可分为超导材料、形状记忆材料、储能材料、永磁材料、光敏材料、隐形材料等。 当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。,形状记忆材料,形状记忆材料(shape memory mate

20、rials，简称SMM)：是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。 工业应用： （1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。 （2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。 （3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。 （4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。 医学应用： TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多

21、。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。,智能材料,智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。 另外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等

22、功能材料。,智能材料使飞机可变形,纳米材料,纳米本是一个尺度（1nm=10-9m），纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系，它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和利用自然，通过直接操作和安排原子、分子创新物质。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面。纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支。用纳米来命名材料是20世纪80年代，纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米。纳米材料的制备与合成技术是当前主要的研究方向，虽然在样品的合成上取得了一些进展，但至今仍不能

23、制备出大量的块状样品，因此研究纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。,磁性材料之软磁材料,软磁材料 是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。 Fe-(3%4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Pe

24、rmalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率为铁硅合金的1020倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si 所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。,磁性材料之硬磁材料,永磁材料

25、（硬磁材料）经磁化后，去除外磁场仍保留磁性，其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁，可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。 铁氧体的用量大、应用广泛、价格低，但磁性能一般，用于一般要求的永磁体。 金属永磁材料中，最早使用的是高碳钢，但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴（Al-Ni-Co）和铁铬钴（Fe-Cr-Co）；稀土永磁，如较早的稀土钴（Re-Co）合金（主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17），以及现在广泛采用的铌铁硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，铌铁硼磁体不仅

26、性能优，而且不含稀缺元素钴，所以很快成为目前高性能永磁材料的代表，已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。,第 四章 工程材料的选择,马建敏Email: Fudan University,4.1 选材的原则,机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。 选材的一般原则: 满足零件的使用性能，使零件在一定的寿命期内正常工作； 具有良好的工艺性能，以便于加工，并易于保证加工质量； 有较好的经济性能。 选材的任务就是求得三者之间的统一。,4.

27、2 零件的使用性能与选材,机械零件（构件）在正常工作情况下材料应具备的性能，即使用性能，是选材时考虑的最主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基础上提出的。,4.2.1 使用性能要求分析,1、根据零件工作条件分析使用性能零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击载荷、

28、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。为了更准地了解零件的使用性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。,2、根据零件的失效形式分析使用性能,所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。 零件的失效可以由多种原因引起，大体上可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面.,零件失效的形式,零件的失效形式有变形失效、断裂失效和表面磨损三大类型。 必须指出，实际

29、零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。例如，一个齿轮，齿面之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。但一般来说，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。另外，各类基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳，蠕变疲劳，腐蚀磨损等等。,4.2.2 以综合力学性能为主的选材,若零件工作时承受循环与冲击载荷，失效形式主要是过量变形与疲劳破坏，则要求材料的强度、疲劳极限、韧性与塑性能有较好的配合，即要求材料具有优良的综合性能。对一般机器零件，通常选用调质或正火状态的中碳钢，调质、正火或等温淬火状态的球墨铸铁或选用

30、淬火、低温回火的低碳钢等制造。但对航空零件，如起落架、涡轮轴、机翼大梁等，由于受力复杂，工作条件比较苛刻，可选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。当零件受力较小并要求有较高的比强度与比刚度时，应考虑选择铝合金、镁合金、钛合金或工程塑料与复合材料等,4.2.3 以耐磨损为主要性能的选材,机器运转中两零件发生摩擦时，其磨损量与其解除压力、相对速度、润滑条件及摩擦副材料等有关。材料的耐磨性是抵抗磨损能力的指标，它主要与材料的硬度，显微组织有关。根据零件工作条件不同，其选材也可分为以下两种情况： （1）受力较小而摩擦情况严重的制品，对其材料的基本要求是耐磨性和高

31、硬度，如各种量具、钻套、顶尖、刀具、冷冲模等。适应这种工作条件下的零件或工具所选材料一般为经过淬火及低温回火后的过共析钢、高碳合金钢以及制造一般零件常用的铸铁、青铜、塑料等。 铸铁中的石墨是优良的固体润滑剂，石墨脱落后，孔隙中可储存润滑油，所以也常用铸铁做耐磨零件，如机床导轨等。 （2）同时受磨损与循环载荷及冲击载荷的零件，如传动齿轮、凸轮等，所选材料还应根据零件工作条件而定，同时采用相应的表面硬化方法。,4.2.4要求抗蚀性或热强度为主的选材,当受力不大，要求抗蚀性较高时，一般可以考虑选用奥氏体不锈钢，例如发动机尾锥体，飞机蒙皮。选用奥氏体不锈钢，不仅耐蚀，而且具有一定的耐热性，同时成型工艺

32、性好。当零件受力较大(例如压气机盘、叶片)而又要求抗蚀性时，则以选用马氏体型不锈钢为宜。为减轻结构重量，也可考虑选用钛合金。 从热强度角度选用材料，必须了解零件的工作温度，介质的性质，所受载荷的大小和性质。不同类型的材料，具有不同水平的耐热性。耐热铝合金和镁合金，一般只能在300400以下工作，而且能够承受的工作应力较小。往往是为了减轻结构重量，或因零件形状较复杂，需要铸造成型时选用。不锈钢和钛合金的耐热水平相近，大致都可在500600 0C以下工作，但不锈钢零件的结构重量较大。在工作应力，温度和腐蚀条件允许时，选用钛合金可以减小结构重量。工作温度在7001000 0C之间的零件，应采用高温合

33、金制造，如飞机发动机的燃烧室，涡轮等。工作温度更高的零件可考虑用陶瓷，陶瓷基复合材料，碳碳复合材料等。,以电绝缘性，抗腐性为主的而机械性能不作要求的非承力零件则应更多地考虑选用工程塑料，橡胶及其复合材料。 各种材料的机械性能可从有关材料手册中查到。但应注意手册中所列的机械性能数据，是在实验条件下测得的，实际使用的零件不仅形状较试件复杂，而且工作时所处的应力状态也复杂得多。因此，应用手册上的机械性能数据选材，必须结合零件的实际工作条件与形状、尺寸等，予以适当修正。材料的性能不仅与化学成分有关，还与加工工艺、热处理等密切相关，金属材料尤其明显。所以要注意手册中数据相应的加工、热处理条件。材料的机械

34、性能一般随截面尺寸增大而降低，即具有尺寸效应，钢的尺寸还与淬透性有关。选材时应进行适当的修正。金属材料尤其明显。所以要注意手册中数据相应的加工、热处理条件。材料的机械性能一般随截面尺寸增大而降低，即具有尺寸效应，钢的尺寸还与淬透性有关。选材时应进行适当的修正。,4.3 零件的工艺性能与选材,任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题，它直接影响到零件的加工质量和加工费用。与使用性能的要求比较，工艺性能处于次要的地位，但它却又确保产品质量，提高加工效率，降低工艺成本的重要条件之一。特别是在大批量生产时材料工

35、艺性能应受到足够的重视。熟悉材料的加工工艺路线及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。 下面简要介绍各种加工工艺对金属材料所要求的工艺性。 金属材料的主要加工工艺有；铸造、锻压、焊接、机械加工、热处理及粉末冶金等。,4.3.1 铸造性能,材料的铸造性能一般按流动性、收缩特点和偏析（合金凝固时化学成分的不均匀析出）倾向等综合评定。成分接近共晶点的合金的铸造性能最好，因此铸造材料成分接近共晶点，例如硅铝明、铸铁等。一些承载不大、受力简单而结构复杂，尤其是一些有复杂内腔结构的零部件，如机床床身、减速器机壳、发动机气缸等，应选用含有共晶体的铸铁、铸造铝合金等材料。,4.3.2 锻压性能,锻压加工的

36、方法很多，大体上可分为两类：热加工，主要有热锻、热压(如热挤压)等；冷加工，主要有冷冲压、冷镦、冷挤压等。在选材时，承载较大，受力复杂的构件，如重要的轴、内燃机连杆、变速箱齿轮等、应选用中、低碳钢或合金结构钢、锻铝等具有良好可锻性的材料进行锻造成形，并进行必要的热处理，以强化组织，提高机械性能。许多轻工业产品一般承载不大，但要求色泽美观、重量轻、而且批量大，如自行车、家用电器中的金属构件，宜选用塑性优良的低碳钢、有色合金，以便冷压成形，并进行必要的表面防护、装饰处理,4.3.3 焊接性能,在机械工业中，焊接的主要对象是各种钢，其焊接性能可大致由碳当量来评价。当碳当量超过0.44时，焊接性能大大

37、恶化，因此钢的含碳量越高，合金元素含量越高，则焊接性能越差。碳当量过高的钢，不宜采用焊接成形法来制造零件毛坯。许多容器，输送管道，蒸汽锅炉等产品以及某些工程结构，一般体积较大，要求气密性好，能承受一定的压力，应选择低碳钢、低合金钢等可焊性好的材料焊接成形。铝合金、钛合金极易氧化，需要在保护气氛(如氢气)中焊接，焊接性能不好。,4.3.4 机械加工性能,各种机械加工，主要是切削加工及磨削加工，是工业中应用最广的一种金属加工方法。绝大多数机器零件都要进行切削加工，应选用硬度适中(170一230HBS)，可切削性好的材料。铝及其合金的切削加工性就好，而奥氏体不锈钢及高速钢的加工性能却很差；当材料的切

38、削加工性差时，可采用必要的热处理以调整它的硬度，或改进切削加工工艺，才能保证切削质量。,4.3.5 热处理工艺性能,许多金属构件都要进行热处理，尤其是淬火和回火处理，才能达到所要求的机械性能。 因而选材时不能忽视热处理的工艺性能，特别是淬透性。对于要求整体淬透或比较复杂的工件，应选用淬透性高的合金钢；而对于只需要表层强化或形状简单的工件，则可以选用淬透性较低的材料，进行必要的表面强化处理，如表面淬火、渗碳、渗氮等。,4.4 选材的经济性,选材的经济性除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单单指选用的材料本身的价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可

39、使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源状况和供应情况，等等。 选择价格低廉，易于加工的材料。如在金属材料中，碳钢和铸铁的价格比较低，加工工艺性能较好，所制零件成本较低。 优先采用国产材料，积极推广新材料，合理选择代用材料。如根据我国情况，尽量考虑以含Mn、Si。B、Mo、V等元素的合金钢代Cr、Ni合金钢；以铝基轴承合金代替巴氏合金（白色低熔点高耐磨性合金，由美国人L.Babbit发明，有锡基和铅基）及铜基轴承合金；以球墨铸铁代替铸钢或锻钢；以表面防护代替不锈钢以及有色金属合金；以及努力扩大工程塑料的应用范围等。,尽量降低加工费用。例如低碳钢渗碳淬火与中碳钢感应加热表面淬火相比，

40、两者材料费用相差无几，但前者的加工费用要高得多。又如制造某些变速箱体，虽然铸铁原料比钢板低廉，但在单件或小批生产时，选用钢板焊接反而经济，因可省掉制造模型的费用。特别要注意，强化方法应根据实际需要选择，不要盲目提出过高要求。如对于尺寸很大的45钢工件，正火与调质后所能达到的机械性能相近，而正火比调质要经济得多，故应采用正火而不必采用调质。此外，将热处理与切削加工的工序配合好，可因材料切削加工性能提高而降低切削加工成本。 降低维护、修理费用和回收利用成本：如游艇的壳体，可以用钢材制造。但由于钢材容易生锈，需要定期除锈、刷漆、维护费用较高。若采用玻璃钢制作就不需要除锈、刷漆、节省了维护费用。,4.

41、5 零件材料选择的步骤,选材一般可分为以下几个步骤： 在分析零件的服役条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。 通过分析或实验，结合同类零件失效分析的结果，找出零件在实际使用中的主要很次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。 根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。 决定热处理方法（或其他强化方法），并提出所选原材料在供应状态下的技术要求。 审核所选材料的生产经济性（包括热处理的生产成本等） 试验、投产,4.6 典型零件选材举例之,机床主轴机床主轴是典型的受扭转弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。

42、因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。对C620车床主轴的选材结果如下：材料：45钢。热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度HB220HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火及低温回火磨削。该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。,汽车半轴,汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如下图所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也

43、只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。例：130载重车半轴 材料：40Cr。 热处理：整体调质。 性能要求：杆部HRC37HRC44；盘部外圆HRC24HRC34。 工艺路线： 下料锻造正火机械加工调质盘部钻孔磨花键。,机床齿轮,机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220

44、左右的硬度及大于4kgm/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。 例：普通车床床头箱传动齿轮。 材料：45钢。 热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。 性能要求：齿轮心部硬度为HB220HB250；齿面硬度HRC52。 工艺路线： 下料锻造正火或退火粗加工调质或正火精加工高频淬火低温回火 （拉花键孔）精磨。,汽车齿轮,汽车齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强

45、化表面不能保证要求，所以汽车的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国汽车齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC13单位，耐用性可提高711倍。,例：北京牌吉普车后桥圆锥主动齿轮。 材料：20CrMnTi钢。 热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm1.6mm。 性能要求：齿面硬度HRC58HRC62，心部硬度HRC33HRC48。 工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火、低温回火磨加工。,飞机起落架的选材,1、

46、起落架的工作条件及性能要求 起落架是飞机起飞、降落的关键性部件，它承受着飞机的全部重量。飞机起飞、降落滑行时，由于跑道不可能绝对平整，所以起落架承受着强烈的振动和交变载荷；飞机降落时，与跑道发生冲击，所以又承受着巨大的冲击负载。每一次起飞和降落，在承受飞机重量条件下，起落架的振动和冲击等载荷都将受到一次循环。因此，起落架失效形式主要是疲劳破坏。根据起落架的工作条件，它必须具有： 高的强度，以承受飞机载荷； 高的疲劳强度，以抵抗疲劳破坏； 高的冲击韧性，以抵抗冲击负荷,2、选材分析,起落架的支柱是主要受力部件，是由模锻，机械加工的上接头和下筒焊接而成。因此材料的选择，在首先考虑强度要求的同时，还

47、要考虑工艺性。 上图是某机主起落架支柱上接头和下筒焊接装备件简图。根据计算，上接头和下筒所选用的材料，应具有的抗拉强度 a b1700MPa。显然，选用的钢种属于超高强度钢。在航空常用结构钢中，抗拉强度可以达到1700MPa的钢种，及其使用状态和性能比较见表55。由表可知，30CrMnSiNi2A，30CrMnSiA以及40CrNiMoA的抗拉强度都可以达到要求，但是后两种钢的韧性和塑性不及30CrMnSiNi2A。从淬透性方面来分析，30CrMnSiNi2A的淬透深度在三种钢中最大，当淬火双面冷却时，简形零件的厚度小于40毫米，可以淬透，因而可满足起落架支柱淬透性要求。起落架支柱是焊接件，选

48、用钢材应有良好的焊接性。30CrMnSiA的焊接性略高于30CrMnSiNi2，而40CrNiMoA的焊接性差。30CrMnSiNiZA钢可用电弧焊焊接；若用氩弧焊，则更易焊接，可以满足焊接生产要求：切削加工性，三种钢中30CrMnSiA退火状态最好。但30CrMnSiNi2A钢在不完全退火或正火后可以图7l起落架支柱焊接装配件简图切削加工。从机械性能和工艺性方面综合考虑，所以应选用30CrMnSiNi2A。,3、工艺分析,工艺流程：模锻正火+低温回火机械加工焊接去应力退火(600650C) 等温淬火(900 0C加热、保温后于180230 0C等温60分钟) 低温回火(250300) 探伤磷

49、化 正火+低温回火；改善模锻后组织，同时改善切削加工性。去应力退火：消除焊接应力，避免焊接裂纹。等温淬火+低温回火：获得最终组织为贝氏体和马氏体。再通过低温回火进一步消除应力，提高韧性，磷化：防止大气腐蚀，用来代替电镀进行表面防护。这里选用的超强钢常用来制造大型、高速飞机的起落架支柱、起落架轮叉、机翼主梁、翼梁接头等特别重要的零件。,发动机涡轮轴的选材,1、涡轮轴的工作条件及性能要求 涡轮轴是高速旋转的零件，向压气机传递巨大的功率，因此承受着巨大扭矩，涡轮轴还承受着转子的重力，转子不平衡所造成的不平衡惯性力，以及飞机偏冲、爬高时所造成的陀螺力矩。此外，还承受弯矩和振动。涡轮轴与涡轮轴连接的一端，通常还受有一定的温度作用。飞机涡轮轴工作示意图，发动机每经一次起动、停车，涡轮轴所受的各种力，都将经历一次循环，因此会产生低循环疲劳。综上所述，涡轮轴应具有：1高的强度、硬度，高的韧性与塑性的配合，即有高的综合机械性能。2高的疲劳强度；3在一定温度作用下，屈服强度不能明显降低,