矿物加工机械设计基础课件二 工程材料

1第二章工程材料第一节

材料的分类一、工程材料2二、钢的分类3二、钢的分类4三、钢产品的种类与代号见教材P20

表2-15第二节金属材料的性能一、力学性能

1、强度与塑性

1）强度：金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。通过拉伸试验得到。61、强度与塑性图2-3拉伸试样图2-4低碳钢的力—伸长量曲线71、强度与塑性图2-4低碳钢的力—伸长量曲线（1）屈服点（屈服极限）材料产生明显永久时的最低应力。σS=FS／S0(MPa)式中：Fs—试样屈服时的拉伸力，N；S0—试样原始横截面积，mm2。81、强度与塑性图2-4低碳钢的力—伸长量曲线（2）抗拉强度（强度极限）试样拉断前所能承受的最大拉应力。σb=Fb／S0(MPa)式中

Fb——试样拉断前承受的最大拉伸力，N。91、强度与塑性2）塑性：断裂前金属产生不可逆永久变形的能力。

（1）断后伸长率

δ=(L1－L0)／L0×100％式中：

L0——试样的原始标距长度，mm；

L1——试样拉断后的标距长度，mm。

（2）断面收缩率

ψ=(S0－S1)/S0×100％式中：

S1——试样拉断处的最小横截面积，mm2。102、硬度硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕和划痕的能力。

1)布氏硬度

单位压痕球面积上所承受的试验力。淬火钢球用HBS表示。硬质合金球用HBW表示。如120HBS10/1000／30表示用直径为10mm的淬火钢球作压头，在1000kgf试验力作用下保持30s所测得的布氏硬度值为120。图2-5布氏硬度试验原理112、硬度2)洛氏硬度用主试验力作用下压入试件表面的残余压痕深度增量bd确定硬度值。为测量不同硬度材料的洛氏硬度，可采用不同压头和试验力，对应有HRA、HRB、HRC，其中以HRC应用最广，如62HRC。洛氏硬度试验操作迅速、简便，所能测试的硬度范围大，压痕小，可测试成品表面及较薄件。但测量准确性不高。为此，规定同一试件测三次取平均值为宜。图2-6洛氏硬度试验原理简图123、韧性

冲击韧性：指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

冲击韧性值：一次冲断试样，缺口处单位截面积所消耗的功。冲击韧度的数值越大，材料的韧性越好，抗冲击破坏的能力越强。

13二、其他性能1.物理性能1)密度

单位体积内的质量。如要求质量轻和惯性小的零件，均采用密度小的铝合金制造。2)熔点熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件。3)导热性

金属传导热量的能力称为导热性。一般说，金属纯度越高，其导热能力就越大。制造散热器、热交换器与活塞等零件时，常选用导热性好的金属。

141.物理性能4)导电性

金属传导电流的性能。纯金属的导电性比合金好。常用纯铜、纯铝做导电材料，用导电性差的铜合金和铝合金作电热元件。5)热膨胀性

金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。6)磁性

金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力。铁磁性材料(在外加磁场中，能被强烈磁化到很大程度)、顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性)、抗磁性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料)。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料。152.化学性能1)导耐腐蚀性金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏的能力。

2)2）抗氧化性金属在加热时抵抗氧化作用的能力。163.工艺性能1）铸造性能：金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力。

2)锻造性能：金属利用锻压加工方法成型的难易程度。3)焊接性能：金属在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。4)切削加工性能：金属在切削加工时的难易程度。17第三节

常用金属材料钢是以铁为主要元素，碳的质量分数ωC在2.11%以下，并含有其他元素的铁碳合金。铸铁是碳的质量分数ωC>2.11%，并有较高含硅量的铁碳合金。18第三节

常用金属材料

1.非合金钢（碳钢）

非合金钢的性能可满足许多机械零件和工程结构的使用要求，且工艺性能较好，价格低廉、产量大、品种多、规格全，在工业中应用很广。低碳钢（ωC<0.25%）、中碳钢（ωC=0.25%～0.6%）、高碳钢（ωC>0.6%）。低碳钢的强度、硬度低，塑性、韧性好；中碳钢具有良好的综合力学性能；高碳钢的强度、硬度高，但塑性、韧性较低。普通碳钢、优质碳钢、特殊质量碳钢(以S、P的含量划分)。结构钢主要用于制造机械零件及工程结构件，工具钢主要制造各种刃具、量具和模具等。191.非合金钢

1）碳素结构钢如Q235-A·F，表示σS≥235MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。201.非合金钢2)优质碳素结构钢如45表示平均碳含量为0．45％的普通锰含量的优质碳素结构钢，65Mn表示平均碳含量为0.65%的较高锰含量的优质碳素结构钢。211.非合金钢3)碳素工具钢如T8表示平均碳含量为0.8％的优质碳素工具钢。若牌号末尾加“A”，表示钢中硫、磷含量较少，为高级优质钢，如T10A。221.非合金钢4)优质铸造碳钢如ZG200—400表示。σS≥200MPa，σb≥400MPa的铸钢。232.低合金高强度结构钢在低碳钢的基础上加入少量合金元素制成。具有较高强度（σS≥295MPa）和塑性、一定的耐蚀性以及良好的焊接性能，成本与碳素结构钢相近。牌号与碳素结构钢相同。243.合金钢

合金元素的种类和含量高于国标规定范围的钢。合金元素是为改善钢的性能在冶炼时有意加入钢中的元素，常用的合金元素有：Si、Mn、Cr、Ni、V、W、Mo、Al、B等。合金元素的存在，使钢的力学性能得到提高，特别是使钢的淬透性提高。某些合金元素还可使钢具有一些特殊性能，如耐蚀性、抗氧化性等。来制造更加重要的机械零件和工程结构件以及一些在特殊条件下工作的钢件。253.合金钢

1)合金钢的分类与牌号如20CrMnTi表示平均ωC=0.2％，含Cr、Mn、Ti三种合金元素，其含量均在1．5％以下的合金钢。9Mn2V表示平均ωC=0.9％，Mn的平均含量为2％，V的平均含量低于l.5％的合金工具钢。263.合金钢

2)合金结构钢(1)合金渗碳钢：碳含量<0.25%，经渗碳、淬火、低温回火后使用的合金钢。27

2)合金结构钢(2)合金调质钢：碳含量=0.3%～0.5%，经淬火、高温回火后使用的合金钢。28

2)合金结构钢

（3）合金弹簧钢：碳含量=0.46%～

0.64%，经淬火、中温回火后使用的合金钢。29

2)合金结构钢

3)合金工具钢合金工具钢按用途分为合金量具刃具钢、高速工具钢、合金模具钢等。4)不锈钢和耐热钢(1)

不锈钢不锈钢是以铬为基本元素，能抵抗大气或其他介质腐蚀的钢。根据使用时的组织分为马氏体、铁素体、奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢等。(2)耐热钢：高温下能保持足够强度和抗氧化性的钢。30

2)合金结构钢

4.铸铁铸铁是具有良好的铸造性能、切削加工性、减震性和减磨性，且价格低廉的铁碳合金材料。314.铸铁1)灰铸铁灰铸铁中的碳全部或部分地以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色。其抗拉强度低、塑性和韧性差。良好的铸造性、切削加工性、减磨性、减震性和低的缺口敏感性。如HT200代表最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。324.铸铁2)球墨铸铁球墨铸铁中的碳以球状石墨的形式存在，球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高得多，强度与部分钢接近。塑性、韧性也大为改善。铸造性能、减振性比灰铸铁差。如QT450-10代表最低抗拉强度为450MPa，最低断后伸长率为10％的球墨铸铁。334.铸铁3)可锻铸铁可锻铸铁中的碳以团絮状石墨的形式存在，可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，且不能锻造成型。如KTH350—10代表最低抗拉强度为350MPa，最低断后伸长率为10％的黑心可锻铸铁；KTZ650—02代表最低抗拉强度为650MPa，最低断后伸长率为2％的珠光体可锻铸铁。34二、有色金属及其合金有色金属及其合金与黑色金属相比有许多优良的性能，如导电性、导热性、耐蚀性、耐高温性，且密度小，因而有色金属及其合金在航空、航海、电器、仪表、化工等领域得到了广泛应用。35二、有色金属及其合金1)纯铝纯铝具有良好的导电性、导热性，抗大气腐蚀能力强，密度小，强度低，塑性好。常加工成板、线、管和型材或配制铝合金。2)铝合金(1)变形铝合金：可用于压力加工的铝合金。它主要包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金。(2)铸造铝合金具有较高强度和耐蚀性，良好铸造性，主要用于铸造重量轻、形状复杂的结构件，如活塞，气缸盖，泵、仪表中的壳体、支架等。362.铜与铜合金纯铜(紫铜)广泛用于制造电线、电缆、铆钉、冷凝管等以及配制铜合金。2)铜合金(1)黄铜:以锌为主要合金元素的铜合金，普通黄铜是由铜和锌组成，具有一定的强度，较好的塑性、耐蚀性和焊接性能，常用于制造弹壳、散热器、螺母、垫片、轴套等。特殊黄铜是在普通黄铜的基础上加入其他合金元素形成的铜合金，其强度、硬度、耐蚀性和切削加工性较高。主要用于力学性能要求较高又耐腐蚀的零件，如螺钉、齿轮、蜗轮、衬套等。铸造黄铜主要用于有较高强度和耐磨性的零件。372.铜与铜合金(2)青铜。除黄铜和白钢(铜镍合金)外的其他铜合金统称为青铜。压力加工锡青铜主要用于弹性件和耐磨件；铸造锡青铜主要用于要求强度高，耐磨性、耐蚀性好的零件，如轴套、齿轮、蜗轮等。铝青铜比锡青铜有更高的强度、硬度，良好的耐磨性、耐蚀性，且价格低，但铸造性能较差。主要用于重要的弹性件、耐磨件，如弹簧、齿轮、轴套等。383.轴承合金用来制造滑动轴承中轴瓦及轴瓦内衬的合金称为轴承合金。轴承合金除具有足够的强度、塑性外，还有良好的导热性、耐蚀性、耐磨性及磨合性，小的膨胀系数及摩擦因数，表面能储存润滑油等特点。39第四节

非金属材料一、塑料1．塑料的特性密度是钢铁材料的1／8～1／4，有着良好的绝缘性，耐蚀性较好，比强度(强度／密度)高，可用普通的机械加工方法制造，也可用挤压、注射、胶粘等方法成型，具有优良的耐磨、减摩性能，吸震性和消声性也很好，耐热性不高、热导系数小、表面硬度低、容易老化等。40一、塑料2.塑料的分类及用途按其用途可分为通用塑料和工程塑料；按树脂的性质分为热固性塑料和热塑性塑料。(1)聚氯乙烯(PVc)。硬质聚氯乙烯强度高，绝缘性、耐腐蚀性好，用于化工设备的衬里及制造储槽、离心泵、阀门管件等。(2)聚乙烯(PE)。低压高密度聚乙烯主要用于制造塑料管、管件及载荷齿轮，超高分子量聚乙烯的冲击韧度高，耐疲劳、耐磨性好。多用作减摩、耐磨传动件。(3）聚丙烯(PP)。聚丙烯的强度高于聚乙烯，刚性、耐热性、耐蚀性和高频绝缘性好。多用于制造机械零件如法兰、齿轮、泵叶轮、汽车零件等。412.塑料的分类及用途(4)聚四氟乙烯(F－4)。聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，耐蚀性极好，能耐绝大多数的强酸、强碱、强氧化剂及溶剂等，有“塑料王”之称。主要用于减震耐磨件、密封件和耐蚀件，如填料、垫片和泵、阀等零件等。(5)聚酰胺(PA)。聚酰胺俗称尼龙，有高的强度和耐磨性，主要用作轴承、齿轮、高压密封圈等。(6)ABS塑料。ABS塑料的韧性、耐热性、耐蚀性、加工工艺性，用于制造轴承、齿轮、叶片、管道、容器。42二、橡胶在较小的载荷下就能产生很大的变形，当去除载荷后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减震材料、传动材料。具有很高的可挠性、伸长率和良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸震以及与其他物质的黏结性等。橡胶主要用于制作轮胎，密封元件，各种胶管，橡胶弹簧，传动带，运输带,电线、电缆、电工绝缘材料和制动件等。43常用橡胶性能及用途44三、合成纤维

纤维：保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料。

合成纤维：以石油、天然气、煤及农副产品等作为原料，经化学合成方法制造的化学纤维。45四、陶瓷以天然硅酸盐或人工合成化合物为原料，经制粉、配料、成型、高温烧结而成的无机化合物。1.陶瓷的性能1)力学性能在外力作用下只产生弹性变形，且变形量小。特种陶瓷的强度高、硬度大、耐磨性好。2）物理性能线膨胀系数小，热导率小，良好的保温性能。抗急冷、急热能力较差，常在热冲击下被破坏，是传统的绝缘材料。3）化学性能不会氧化，可在酸、碱、盐，强腐蚀的工况中应用。462.陶瓷的分类及应用1）普通陶瓷普通陶瓷是指黏土类陶瓷，由黏土、长石、石英按一定配比，并经烧制而成，其性能取决于三种原料的纯度、粒度与比例。2)

特种陶瓷(1)氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分的陶瓷。熔点高、硬度高、强度高，具有良好的抗化学腐蚀能力和介电性能。但脆性大，抗冲击性能和抗热振性差，不能承受环境温度的剧烈变化。刚玉常用于旋流器的衬里。472)特种陶瓷(2)氮化硅陶瓷化学性能稳定、耐磨性好、摩擦因数小、热膨胀系数小，本身具有润滑性；可用于耐磨、耐腐蚀的泵和阀、高温轴承、燃汽轮的转子叶片及金属切削工具。(3)碳化硅陶瓷高温时强度高，具有很高的热传导能力，并耐磨、耐蚀、抗蠕变性能高。可用于火箭尾喷管的喷嘴。(4)氮化硼陶瓷立方氮化硼的硬度与金刚石相近，是优良的耐磨材料，用于制作磨料和金属切削刀具。

48第五节

复合材料——玻璃钢

由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料。玻璃钢：用玻璃纤维增强工程塑料基的复合材料。

玻璃纤维的性能特点：①具有高的抗拉强度。②耐热性低。③化学稳定性高。④脆性较大，价格便宜。热固性玻璃钢大约是用质量分数为60％～70％的玻璃纤维和30％～40％的热固性树脂复合而成。环氧树脂性能较好、应用最普遍。主要优点是成形工艺简单、质轻、比强度高、耐腐蚀，介电性高、电波穿透性好，与热塑性玻璃钢相比，耐热性更高一些。主要缺点是弹性模量低(只为钢的1／5～1／10)，刚性差，耐热温度不超过250℃，容易老化、容易蠕变。49几种热塑性玻璃钢的性能比较50第六节

耐磨材料五种磨损形式的机理特点及实例51第六节

耐磨材料各种磨损类型要求材料具备的性能52第六节

耐磨材料各种工作条件下建议选用的工程材料53第六节

耐磨材料各种磨损类型所建议选用的金属材料54二、常用金属耐磨材料1.耐磨铸铁1)中锰球墨铸铁(5％～10%Mn)：主要用于制作农机用的耙片、犁铧、球磨机衬板、磨球，选煤机的旋流器及破碎机颚板等。2)高磷合金铸铁(0.4～0.6％P)：是广泛应用于柴油机汽缸的一种耐磨铸铁。3)普通白口铁：生产简便，可以在冲天炉中熔炼，价格便宜，主要用做犁铧、球磨机磨球，清理设备中的铁丸等。551.耐磨铸铁4)镍硬白口铁：加入镍(3．3%～5％)主要用于某些泵的壳体、叶片及球磨机的衬板等。5)铬系白口铸铁高铬铸铁(Cr=15％～30％)在滑动接触的磨料磨损条件下，表现出很高的耐磨性；而在高角度冲蚀磨损条件下，耐磨性则大大下降，甚至还不如低碳钢。低铬铸铁的铬含量在5％以下，优点是成本低，但耐磨性也相对差一点，低铬铸铁可用来制作球磨机的磨球、衬板等耐磨件。562.耐磨钢

主要包括：高锰钢、低合金钢、抗磨耐蚀不锈钢、轴承钢及一些中、高合金钢。

特点：具有一定的耐磨性、强度和较高的韧性，适合制作在冲击负荷下工作的耐磨件。特别是高锰钢适合在大冲击负荷下工作，它能够很好的满足零件对韧性的要求，同时可充分发挥其加工硬化的特性。572.耐磨钢

1)高锰钢及应用

高锰钢：锰含量13%，热处理后为单相A组织，韧性好，硬度不高，具有显著的加工硬化能力，铸件在经受强烈冲击或挤压时表面发生加工硬化，硬度和耐磨性提高，而心部仍保持单相A组织。582.耐磨钢

2)低合金钢耐磨钢及应用低合金耐磨钢的合金成分总量小于5％，其主要合金元素有：锰、硅、铬、钼、镍等。主要要求硬度、强度和韧性。59三、非金属耐磨材料及应用

1、耐磨陶瓷

特点：高硬度和高耐磨性。1）氧化物陶瓷（主要是氧化铝）。2）非氧化物工程陶瓷（主要是碳化物、硼化物、氮化物和硅化物。60三、非金属耐磨材料及应用

2、铸石

配方：玄武岩83.5%，角闪石15%和铬铁矿1.5%。

制造工艺：炉料在1350～1400℃熔化后浇进铸模，在马沸炉中于830～900℃条件下结晶，再在隧道炉内冷却14～16h。

特点：铸石耐磨、耐腐蚀、抗压强度高、绝缘性好，但铸石与陶瓷一样，性脆易碎，不宜承受冲击力和过大的重力。用于受剧烈磨损和酸碱浸蚀的设备，用作旋流器衬里时，耐磨性比锰高5～10倍，比一般碳钢高10倍，耐腐蚀性优于不锈钢、铅和橡胶。61三、非金属耐磨材料及应用

3.碳化硅制备工艺：把硅、炭、木屑等混合料用电弧加热到2700℃，以引发碳热还原反应，然后在2000℃下直接反应完成，其产品主要成分为多晶α-SiC。制作碳化硅耐磨件时，先将SiC与C的混合物压制成型，然后再干燥、渗C、熔结等。

特点：耐磨性非常优异，用做旋流器底流管时寿命是铸石的20多倍。但价格较贵。62三、非金属耐磨材料及应用

4.高分子材料高分子材料虽然硬度较低，但由于其为大分子结构，故其抗磨和耐磨撕裂性好；塑料摩擦系数小，甚至还有自润滑性能，而橡胶虽然摩擦系数较大，但由于其好的黏弹性，故也很耐磨。由于塑料耐磨性好，因此作为工作负荷不大的耐磨材料很有用途。现在不少设备上使用尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯、改性塑料等制造轴承、齿轮、导轨等零件，用聚氨脂和耐磨橡胶制作旋流器衬里等，机器使用寿命大为提高。63四、提高金属材料耐磨性的

表面处理技术表面淬火、渗碳或渗氮、堆焊或热喷涂、表面形变强化等。表面处理技术包括：64五、工程、矿山机械耐磨件选材工程机械、矿山机械，大都是以泥沙、矿石为作业对象，承受强烈的磨料磨损和冲击磨损；工况多变，较大的冲击，露天，严寒，工作环境恶劣。挖掘机斗齿、球磨机衬板、拖拉机履带板等常用高、中锰钢和其他低合金耐磨铸钢，近年来也推广高铬铸铁。动力传动机构的重要零件以碳钢和低合金钢为主，广泛采用表面强化处理。651.颚式破碎机齿板(疲劳磨损、磨料磨损)。美国Climax钼公司得出耐磨性由高到低的顺序是：Cr15Mo3高铬白口铁、6Mn-1Mo-Ti中锰不稳定奥氏体钢、Mnl3奥氏体钢、合金结构钢。我国耐磨性顺序是：高锰钢、贝氏体和马氏体混合组织钢、高铬白口铁。五、工程、矿山机械耐磨件选材662.球磨机衬板(磨料磨损、疲劳磨损)。所用材料大多数为高锰钢。高锰钢并不是理想的衬板材料，因为衬板所受到的接触应力得不到高的加工硬化程度，合金化高锰钢，是有效的。也有用高碳中锰钢、高铬模具钢及白口铸铁制作衬板。五、工程、矿山机械耐磨件选材673.常见工程、矿山机械耐磨件的材料与热处理技术五、工程、矿山机械耐磨件选材68第七节

通用钢材一、钢板按其材料、轧制方法、厚度、用途和特性等命名。材料有碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢等。轧制方法分为冷轧和热轧两种。厚度>4mm常称为厚钢板，≤4mm为薄钢板，厚板常采用热轧，薄板冷、热轧制均可。特殊用途钢板有锅炉钢板和压力容器钢板等。特性钢板有不锈钢板和耐热钢板等。69第七节

通用钢材二、型钢1、热轧等边角钢（GB/T9787—1988）

b——边宽度d——边厚度r——内圆弧半径r1——边端内圆弧半径

70第七节

通用钢材2、热轧槽钢（GB/T707—1988）

h——高度b——腿宽度d——腰厚度t——平均腿厚度r——内圆弧半径

71第七节

通用钢材3、热轧工字钢（GB/T706-1988）h—