金属材料-机械设计课件

机械零件的材料及其选用原则机械零件所用的材料是各种各样的，即使同一种零件也可以选择不同的材料。因此，如何选择零件的材料是零件设计的重要环节。设计时应考虑：1、满足零件的使用要求机械零件的使用要求主要有以下几点：零件承受工作载荷的能力，主要从载荷的特点、强度、及刚度等方面考虑；零件的工作条件（运动速度等）及工作环境（温度、潮湿、腐蚀等）；耐磨性、寿命、可靠性等要求；零件尺寸和质量的要求。机械零件的材料及其选用原则机械零件所用的材料是各设计零件应以零件承受工作载荷的能力为主，综合考虑其他因素，合理地选择材料。如零件受力较大且有较大的冲击载荷，工作速度较高、可靠性要高，而且要求零件的尺寸较小、重量较轻，应采用高强度合金钢制造，并要热处理及精加工。脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件。在有冲击的情况下，应选择塑性材料。在湿热环境下工作的零件，其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力，例如选用不锈钢、铜合金等。工作温度对材料选择的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或者使配合松动；另一方面要考虑材料的机械性能随温度而变化的情况。设计零件应以零件承受工作载荷的能力为主，综合考虑2、满足零件的工艺性要求在熟悉材料的工艺性的前提下，根据零件的结构复杂程度、尺寸大小、生产批量的大小、毛坯制造及机械加工的特点，分析比较，合理选择机械零件的材料。零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增加耐磨性。因此，应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。此外，零件尺寸和质量的大小还和材料的强重比有关，应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。2、满足零件的工艺性要求在熟悉材料的工艺性的前提结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。铸造材料的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。锻造材料的工艺性是指材料的延展性、热脆性及冷态和热态下塑性变形的能力等。焊接材料的工艺性是指材料的焊接性及焊缝产生裂纹的倾向性等。材料的热处理工艺性是指材料的可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力等。冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元3、满足经济性要求材料的经济性主要从以下几个方面考虑：材料的相对价格：同样能满足使用要求的前提下，应采用价格相对低的材料；考虑不同材料的加工（毛坯制造、机械加工及热处理等）成本；采用局部品质的原则，如蜗轮的齿圈用铜合金，轮芯采用铸铁或碳钢；材料的利用率，如采用无切削或少切削的材料及工艺；考虑材料的供应状况及储运成本。选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。3、满足经济性要求材料的经济性主要从以下几个方面考虑：材机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用得最多和最广。此外各种新技术材料，如纳米材料等，在机械中的应用也将逐渐增多。机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。金属材料铜合金铸铁：含碳量>2%钢：含碳量≤2%常用金属材料铁碳合金铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。我国资源丰富价格便宜且供应充分钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳铜合金特点：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。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。青铜：含锡青铜、不含锡青铜黄铜：铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍轴承合金（巴氏合金）非金属材料橡胶：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。铜合金特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好塑料：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。其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。塑料：塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑神通广大的纳米材料

纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的"颗粒"。这些"颗粒"的尺寸只有几个纳米。（一）脾气暴躁、易燃易爆的纳米金属颗粒

金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。实验发现如果将金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作固体火箭的燃料、催化剂。

材料世界中的大力士--纳米金属块体：金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。纳米金属铜的超延展性神通广大的纳米材料纳米颗粒是纳米材料基元。用

奇妙的碳纳米管：碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状"纤维"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。轻而柔软又非常结实是作防弹背心的最好材料。如果用碳纳米管做绳索，则是从月球上挂到地球表面而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。碳纳米管奇妙的碳纳米管：碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲

善变颜色的纳米氧化物材料：氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色，可作成士兵防护激光枪的眼镜。如作广告板，在电、光的作用下，广告会变得更加绚丽多彩。

刚柔并济的纳米陶瓷：纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性、高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷

爱清洁的纳米材料：把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。善变颜色的纳米氧化物材料：氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场法力无边的半导体纳米材料：半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能。运送药物的"导弹"：把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部，这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大地提高。（二）被囚禁的电子和未来的电子学器件

把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，电子运动或能量被量子化了。结果表现为若在金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。这样一来，原本在宏观世界内被奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。法力无边的半导体纳米材料：半导体纳米材料的最大用处是可以发

还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，切断了电流的连续性，也使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小，一旦实现并把它们集成起来作成计算机芯片，计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而，事情不是像人们所设想的那么简单，起码有两个方面的问题向当前的科学技术提出了挑战。实际上，被囚禁的电子可不是那么"老实"，按照量子力学的规律，有时它可以穿过"监狱"的壁逃逸出来，一方面在新一代芯片中似乎不用连线而相互关联在一起，当然，需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路；另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根到底，在这一世界中电子应被看成是"波"而不是一个粒子。所以尽管单电子器件已经在实验室里得以实现，但是真正要用在工业上，要假以时日，它将是明天或后天的技术。

还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到

囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是它会使材料发出强的光。"量子点列阵激光器"或"级联激光器"的尺寸小，发光的强度高，驱动它们发光的电压低，可发生蓝光和绿光，用它来读写光盘可使光盘的存储密度提高几倍。还有甚者，如果用"囚禁"原子的小颗粒量子点来存储数据，制成量子磁盘，存储量可提高成千上万倍，会给信息存储技术带来一场革命。微米尺寸的微机械

囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是它会使材料（三）囚禁冷却的原子和“原子激光”绝对零度(10nK)附近囚禁原子，原子的热运动十分弱。在磁场中，同时在三个方向上用激光照射被冷却的原子，原子将停留在激光的电场波动的谷内。实验上已经可以将成千上万个原子囚禁在一个很小的范围内。有趣的是所有的原子还具有同样的动量，发射出来，一束原子具有与激光一样的性质，即空间和时间的相干性。人们正在思考如何利用这一束原子"激光"。初步认为在通信和物质探索上会有重要的应用。实验装置和实验情形

被激光囚禁的铷原子云（三）囚禁冷却的原子和“原子激光”绝对零度(1（四）纳米加工技术－通向纳米世界的桥梁按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料，这一技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术是纳米科学的重要基础，包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。在纳米世