《机械制造基础》第2版 课件 柳青松 第4、5章 常用的金属材料与非金属材料、零件和工具的选材及热处理

Chapter常用的金属材料与非金属材料4第4章

常用的金属材料与非金属材料

案例导入图4-1国家体育馆“鸟巢”初步分析Q460高强度钢：

修建鸟巢之前一直依赖进口

在工程技术人员和河南舞阳特种钢厂的科研人员共同努力→最终用国产的Q460撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。

材料有金属材料、非金属材料、复合材料及各种新型材料。常用的金属材料和非金属材料第4章

常用的金属材料与非金属材料

4.1工业用钢钢的分类按化学成分类：碳素钢和合金钢按碳的质量分数分类：低碳钢（wc

0.25%）、中碳钢（wc

为0.25~0.6%）和高碳钢（wc

0.6%）按用途分类：结构钢、工具钢和特殊性能钢按质量等级分类：普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级

优质钢。4.1工业用钢4.1.1碳素钢碳素钢简称碳钢：指wc<2.11%并含少量硅、锰、磷、硫等

杂质元素的铁碳合金。碳素钢广泛应用于机械制造工业、

建筑及交通运输中。4.1工业用钢4.1.1.1杂质元素对钢性能的影响硅、锰的影响:硅和锰在钢中均为有益元素，能溶于铁素

体中起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度。

磷、硫的影响:磷在钢中能全部溶于铁素体，可提高钢的强度、硬度，但在室温下会急剧降低钢的塑性、韧性，低温时尤为显著，称为冷脆性。因此，通常情况下，磷、硫是钢中的有害元素。

非金属夹杂物的影响:在炼钢过程中，少量的炉渣、耐火

材料及冶炼中反应物可能进入钢液，形成非金属夹杂物，例如氧化物、硫化物等。4.1工业用钢4.1.1.2碳素钢的分类碳素钢的分类方法主要有以下三种：1.按用途分类

（1）碳素结构钢。（2）碳素工具钢。2.按质量分类

普通碳素钢：wp≤0.045%，ws≤0.050%

优质碳素钢：wp≤0.035%,ws≤0.035%

高级优质碳素钢：wp≤0.030%,ws≤0.030%3.按钢水脱氧程度分类:可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、

特殊镇静钢。4.1工业用钢4.1.1.3碳素钢的牌号性能及用途一、碳素结构钢

碳素结构钢中碳的质量分数低（0.06%～0.38%），所含

有害杂质硫、磷及非金属夹杂物较多，大量用于金属结

构件和不重要的机械零件。碳素结构钢的牌号：由代表屈服强度拼音的字母Q、屈服点

强度值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分依次组成。牌号Q235-AF：表示上屈服强度ReH≥235MPa，质量等级

为A的碳素结构沸腾钢。4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途碳素结构钢的牌号、性能及应用举例(摘自GB/T700-2006)牌号等级质量分数（%），不大于脱氧方法力学性能应用举例CSPReH/MPa不小于Rm/MPaA(%)不小于Q195—0.120.0400.035F、Z195315～43033用于载荷不大的结构件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、开口销、拉杆、螺纹钢筋、冲压件和焊接件。Q215A0.150.0500.045F、Z215335～45031B0.045Q235A0.220.0500.045F、Z235370～50026用于结构件、钢板、螺纹钢筋、型钢、螺栓、螺母、铆钉，拉杆、齿轮、轴、连杆Q235C、D可用作重要焊接结构件。B0.200.045C0.170.0400.040ZD0.0350.035TZQ275A0.240.0500.045F、Z275410～54022强度较高，用于承受中等载荷的零件，如键、链、拉杆、转轴、链轮、链环片、螺栓及螺纹钢筋等。B0.210.0450.045ZC0.220.0400.040ZD0.200.0350.035TZ4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途二、优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的硫、磷含量较低（均不大于0.035%），

力学性能优于碳素结构钢，多用于制造比较重要的机械

零件。优质碳素结构钢：包括普通含锰钢素工具钢都是高碳钢，其

碳的质量普通含锰钢的牌号用两位数字表示，数字代表

钢中碳的质量分数的平均万分数；沸腾钢需在数字后加

字母F，镇静钢不标注。4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途三、碳素工具钢

碳素工具钢都是高碳钢，其碳的质量分数为0.65~1.35%，具有高的硬度、耐磨性，主要用来制造刀具、模具、量具。

按质量分，碳素工具钢有优质和高级优质两种。优质碳素工具钢的牌号用字母T和数字表示，数字表示碳的质量分类的平均千分数。

高级优质碳素工具钢的牌号则在上述钢号后加字母A。4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途碳素工具钢的牌号、成分和用途

（摘自GB/T1299-2014）牌号化学成分（%）退火硬度HB不大于淬火

温度℃淬火硬度HRC用

途

举

例SiMnSP不大于T70.65~0.74≤0.35≤0.400.0300.035187800~820≥62承受冲击，韧性较好、硬度适当的工具，如扁铲、冲头、手钳、大锤、改锥、木工工具、压缩空气工具T80.75~0.84≤0.35≤0.400.0300.035187780~800T8Mn0.80~0.90≤0.350.40~0.600.0300.035187同上，但淬透性较大，可制断面较大的工具T90.85~0.94≤0.35≤0.400.0300.035192760~780韧性中等，硬度高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具T100.95~1.04≤0.35≤0.400.0300.035197不受剧烈冲击、高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条T111.05~1.14≤0.35≤0.400.0300.035207T121.15~1.24≤0.35≤0.400.0300.035207不受冲击、要求高硬度高耐磨的工具、如锉刀、刮刀、精车刀、丝锥、量具T131.25~1.35≤0.35≤0.400.0300.0352174.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途四、碳素铸钢：有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机

架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻压方法成型，

又因力学性能要求较高。钢号C(%)力学性能(不小于)应用举例ReH/MPaRm

/MPaA/%Z/%K/ZG230-4500.22~0.30230450223245外壳、轴承座、底板、阀体等ZG270-5000.30~0.38270500182535轧钢机机架、轴承盖、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等ZG310-5700.40~0.50310570252130大齿轮、缸体、制动轮等碳素铸钢的牌号、力学性能和用途(摘自GB/T5613-2014)4.1工业用钢4.1.2合金钢合金钢：为了提高钢的性能，常常在钢中加入一定量的合金元素，形成合金钢。合金元素是在冶炼时为了改善钢的性能或使之具有某些特殊性能而有意加入的元素。

常见的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝和稀土等。4.1工业用钢4.1.2.1合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用

形成合金铁素体

形成合金碳化物

提高共析温度并使S、E点

细化晶粒

提高淬透性

提高耐回火性4.1工业用钢合金元素在钢中的作用图4-2合金元素对C曲线的影响4.1工业用钢4.1.2.2合金钢的分类与排号合金钢的分类按用途分类

合金结构钢

主要用于制造重要的机械零件和工程结构件。

合金工具钢

主要用于重要的刀具、量具和模具等。

特殊钢

用于有特殊性能要求的零件。按合金元素总的质量分数分类

低合金钢

合金元素总的质量分数小于5%。

中合金钢

合金元素总的质量分数为5%~10%。

高合金钢

合金元素总的质量分数大于10%。4.1工业用钢4.1.2.3合金结构钢4.2.1、低合金结构钢⑴性能要求

强度高于碳素结构钢，具有足够的塑性、韧性

及良好的焊接性能。⑵成分特点

碳的质量分数≤0.2%，以满足对塑性、韧性、

可焊性及冷加工性能的要求。⑶热处理特点

大多在热轧状态下使用，考虑到零件加工特

点，有时也可在正火及正火加回火状态下使用。⑷典型钢种

Q355是应用最广、用量最大的低合金高强度

结构钢，其综合性能好，广泛用于制造石油化工设备、

船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。4.1工业用钢4.1.2.3合金结构钢4.2.2、合金渗碳钢

⑴性能要求

表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的

韧性和强度，即表硬里韧；具有良好的热处理工艺性能。⑵成分特点

碳的质量分数一般为0.1~0.25%，以保证心部

有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。⑶热处理特点

渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正

火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度

为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低

温回火。4.1工业用钢4.1.2.3合金结构钢4.2.3、合金调质钢⑴性能要求

具有良好的综合力学性能，即具有高的强度、

硬度和良好的塑性、韧性。具有良好的淬透性。⑵成分特点

调质钢碳的质量分数为0.25%~0.50%，碳低则强

度不够，碳高则韧性不足。主加合金元素铬、镍、硅、

锰、硼，以提高淬透性和耐回火性，并起固溶强化作用。⑶热处理特点

调质件一般的工艺路线为：下料→锻造→退

火→粗机加工→调质→精机加工。预备热处理采用退火

（或正火），其目的是调整硬度、便于切削加工；改善

锻造组织、消除缺陷、细化晶粒，为淬火做组织准备。4.1工业用钢4.1.2.3合金结构钢4.2.4、合金弹簧钢

⑴性能要求

弹簧是利用弹性变形来贮存能量或缓和震动和

冲击的零件。⑵成分特点

中高碳，通常情况下合金弹簧钢的碳的质量分

数为0.45~0.7%。合金元素：主加元素是硅、锰，其主

要作用是提高淬透性、强化铁素体。⑶热处理特点

对于钢丝直径小于10mm的弹簧，通过冷拔

（或冷拉）、冷卷成型。直径大于10~15mm的大截面

弹簧一般采用热成型，热成型后需淬火、中温回火，以

获得回火托氏体组织。4.1工业用钢4.1.2.4合金工具钢4.2.1、合金刃具钢

⑴低合金工具钢:在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素

（≤5%）形成的。其在保持高的碳的质量分数（0.75～1.50%）同时，加入了铬、锰、硅、钨、钒等合金元素。⑵高速钢:制造高速切削刀具用钢。它的主要性能特点是热硬

性高。高速钢的淬透性高，空冷即可淬火，俗称“风

钢”。高速钢常用来制造形状复杂的、切削速度较高

的刀具，如钻头、铣刀、机用锯条等。4.1工业用钢4.1.2.4合金工具钢4.2.2、合金模具钢

⑴冷作模具钢

冷作模具钢主要用于制造各种冷成型模具，

如冷冲模、冷挤压模、冷镦模和拔丝模等，工作温度一

般不超过200~300℃。这类模具要求有高的硬度和耐磨，

较高的强度和一定的韧性。。⑵热作模具钢

热作模具钢主要用于制造使加热金属或液态

金属成型的模具，如热锻模、热压模、热挤压模和压铸

模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。

热作模具碳钢的质量分数在0.3~0.6%之间，以保证其

强度、硬度和韧性。4.1工业用钢4.1.2.5特殊性能钢

reshuxi4.2.特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、

耐热钢和耐磨钢等。不锈钢

在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢，一般称为不

锈钢。不锈钢主要在石油、化工、海洋开发等领域用于

制造在各种腐蚀性介质中工作的零件和结构。耐热钢

耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强

性的特殊钢。耐磨钢

耐磨钢主要是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的

高锰钢。4.2铸铁铸铁

铸铁不是纯铁，是wc>2.11%(一般为2.5％~4.0％)的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素的多元合金。

为了提高铸铁的力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。4.2铸铁4.2.1铸铁的石墨化及其影响因素1.铸铁的石墨化

铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程称

为铸铁的石墨化。石墨化过程主要受铸铁化学成分和铸

件冷却速度的影响。2.影响石墨化的因素⑴化学成分的影响

碳和硅是强烈促进石墨化的元素，合金

中碳和硅的质量分数越高，石墨化越易进行。磷对石墨

化稍有促进作用。硫是强烈阻碍石墨化的元素。⑵冷却速度的影响

铸件的冷却速度对其石墨化的影响也很

大。冷却速度越慢，原子扩散时间越充分，越有利于石

墨化的进行。4.2铸铁4.2.2铸铁的分类及性能1.铸铁的分类⑴根据碳存在的形式

可分为三种类型。

①白口铸铁（简称白口铁）

②灰口铸铁（简称灰口铁）

③麻口铸铁（简称麻口铁）⑵根据铸铁中石墨形态的

①灰口铸铁

铸铁中的石墨形状呈片状。

②可锻铸铁

铸铁中的石墨是不规则团絮状。

③球墨铸铁

铸铁中的石墨呈球状。

④蠕墨铸铁

铸铁中的石墨大部分为短小蠕虫状。4.2铸铁4.2.2铸铁的分类及性能2.铸铁的性能特点

铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。

铸铁的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，铁水流动性好，由于石墨结晶时体积膨胀，所以传送收缩率小，其铸造性能优于钢，因而通常采用铸造方法制成铸件使用，故称之为铸铁。

4.2铸铁4.2.3灰口铸铁1.组织特点

灰铸铁的组织由金属基体和片状石墨组成，由

于石墨的强度、硬度很低，塑性、韧性几乎为零。2.性能特点

由于片状石墨割裂了金属基体，并容易引起应

力集中，故灰铸铁的抗拉强度低，塑性、韧性很差。3.常用热处理

灰铸铁的常用热处理是消除内应力退火。

铸铁在冷却过程中会产生铸造内应力，导致铸件在加工

和使用过程中产生变形。因此，有些形状复杂的铸件需

进行消除内应力退火。4.2铸铁4.2.3灰口铸铁灰铸铁的编号及选用（摘自GB/T9439-2010）类别编号方法主要性能特点应用示例说明常用牌号用途举例灰铸铁HT200“HT”为“灰铁”汉语拼音字首，其后数字为抗拉强度最低值（N/mm2）力学性能较低，铸造性、切削加工性、减震性、耐磨性好，缺口敏感性低HT100低载荷，不重要零件，如手轮、防护罩等HT150中的载荷零件，如机座、变速箱体、支架等HT200HT250较大载荷的重要零件，如机体、床身、轴承座等HT300HT350高载荷、高耐磨的重要零件，如凸轮、齿轮等4.2铸铁4.2.4其他铸铁1.可锻铸铁

可锻铸铁（又称马铁、玛钢、韧铁）：是白口

铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组

织或成分，而获得的有较高韧性的铸铁。可锻铸铁由于

处理工艺的不同又可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。2.球墨铸铁

球墨铸铁是铁液经过球化剂处理而不是经过热

处理，使石墨大部或全部呈球状，有时少量为团絮状的

铸铁。已用于生产受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要

求较高的零件。3.蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是铁液经过蠕化处理，大部分石墨为

蠕虫状石墨的铸铁。4.3有色金属有色金属

钢铁材料通常称为黑色金属。黑色金属以外的各种纯金属及合金，称为有色金属。有色金属具有不同于钢铁的材料，如铝、镁、钛及其合金比重小，铜、铝及其合金导电性好，镍、钼及其合金能耐高温等。因此，在机械制造，电器制造，航空及国防等工业部门，除大量使用黑色金属外，有色金属也得到广泛的应用。4.3有色金属4.3.1铝及其合金1.纯铝

铝是地壳中蕴藏最丰富的元素之一。纯铝的熔点660℃，面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝有良好的导电和导热性，在大气中有良好的耐蚀性。纯铝强度低、塑性好，能通过各种压力加工，制成丝、管、板等型材。2.铝合金

工业上广泛使用铝合金。在铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可提高其力学性能。根据合金成分和工艺特点的不同，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。4.3有色金属4.3.1铝及其合金常用变形铝合金的编号方法(摘自GB/T3190-2020)类别编号方法主要性能特点应用示例说明常用牌号用途举例防锈铝合金5A43左起第一位表示组别（1表示纯铝、2~8依次表示铜、锰、硅、镁、硅、锌和其他元素为主要合金元素制造的铝合金），第二位表示改型情况，最后两位数字表示同一组中纯度不同的铝合金强度、塑性、韧性、耐蚀性、抗疲劳强度高5A02用于油介质工作的结构件及管道，中等载荷用焊条、铆钉等塑性、焊接性、耐蚀性高，强度较低，切削加工性差5A05用于制作焊接油箱、油管、铆钉及中载零件、制品等塑性好，成本低5A43用于民用制品，如餐具、用具等强度、硬度低3A21用于制作焊接油箱、油管、铆钉、焊条及轻载零件等硬铝合金2A11抗剪强度、点焊性好，耐蚀性差2A10用于工作温度低于100℃的要求较高强度的铆钉标准硬铝。点焊性、切削性好，耐蚀性差2A11用于中选强度的零件，如空气螺旋桨叶片、螺栓等高强度硬铝。点焊性、切削性好，耐蚀性差2A12用于制作高负荷零件，如飞机骨架、翼梁等耐热硬铝。切削性、焊接性号，热状态下塑性好2A16用于制造高温（250~350℃）下工作的零件，如容器等超硬铝合金7A04强度、硬度高，点焊性、热处理后切削性好，塑性低7A04用做主要承力结构件，如飞机大梁、接头、起落架等综合力学性能、耐蚀性号7003用于制作型材，自行车的车圈等锻铝合金2A50强度中等，塑性、焊接性好6B02用于电子工业装箱板及各种壳体等热塑性、耐热性、焊接性好，强度高2A50用于制作中等强度、且形状复杂的锻件和冲击件热塑性、耐热性、焊接性好，强度高。属热锻铝2A70用于制作高温下工作的锻件、结构件，如内燃机活塞、叶轮，焊接冲压结构件4.3有色金属4.3.2铜及其合金1.纯铜

纯铜（紫铜）的特性为：⑴良好的导电性和导热性

铜的导电性和导热性仅次于银，

位居第二。广泛用作导电、冷凝、散热等器材。⑵化学稳定性高，抗蚀性好。

⑶塑性变形能力高

铜属于面心立方点阵，具有很高的塑性

变形能力，可用

各种冷、热加工（压延、挤压和拉伸

等）制成板、带和线材。

4.3有色金属4.3.2铜及其合金2.铜合金

铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。⑴黄铜

以Zn为主要合金元素的铜合金叫黄铜。普通黄铜是Cu-Zn二元合金，以H表示，其后的数字表示合金的含

铜量。如H68表示含铜量为68%的黄铜。

⑵青铜

青铜又分为锡青铜和无锡青铜，无锡青铜也叫作特

殊青铜。

铜和锡的合金叫锡青铜。⑶白铜

以镍为主要合金元素的铜合金叫作白铜。以B表示。

其编号方法与青铜相似。

如BAl6-1.5表示含6%Ni以及1.5%Al的铝白铜。

4.3有色金属4.3.2铜及其合金黄铜的编号方法与应用举例

（摘自GB/T21652-2017)

类别编号方法主要性能应用示例说明常用牌号用途举例普通黄铜H65“H”表示黄铜，数字表示铜的平均质量分数（%）强度、硬度高，塑性差，价格低H59用于制作机械、电器用零件、焊接件及热冲压件有良好的力学性能，能承受冷、热加工H65用于制作小五金、日用品、螺钉等强度高，塑性可切削性、焊接性、耐蚀性好H70用于制作弹壳、热交换器、造纸用管、机器、电气用零件特殊黄铜铅黄铜HPb59-1左起“H”表示黄铜，后面的元素符号表示主加元素，“-”号后面的数字是主加元素的平均质量分数（%）力学性能、可切削性好，可承受冷、热压力加工HPb59-1适于切削和冲压加工的各种结构件，如垫片、衬套、销子等锡黄铜力学性能、切削性好，耐蚀性高HSn62-1用于与海水接触的船舶零件或其他零件铝黄铜强度、耐蚀性高，冷态下塑性略差HAl60-1-1制作各种耐蚀结构零件，如齿轮、轴等锰黄铜强度、硬度高，塑性差，耐蚀性号HMn57-3-1制作耐蚀性零件硅黄铜力学性能良好，耐蚀性高、耐蚀性好HSi80-3制作船舶用零件、蒸汽及水管配件等4.3有色金属4.3.3滑动轴承合金常用的滑动轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金、铜基

轴承合金、铝基轴承合金等。1、巴氏合金

锡基轴承合金和铅基轴承合金通称为巴氏合金，

其牌号与用途如下表。类别编号方法主要性能应用示例说明常用牌号用途举例锡基轴承合金ZSnSb12Pb10Cu4

“Z”（表示“铸”字汉语拼音的字首）+基体元素与主加元素的化学符号+主加元素的质量分数（%）+辅加元素化学符号+辅加元素的质量分数摩擦系数小，塑性和导热性好，是优良的减摩材料，疲劳强度较低，价格贵ZSnSb12Pb10Cu4一般发动机的主轴承，但不适于高温工作ZSnSb11Cu61500kW以上蒸汽机、370kW涡轮压缩机，涡轮泵及高速内燃机轴承ZSnSb8PCu4一般大机器轴承及高载荷汽车发动机的双金属轴承衬ZSnSb4PCu4涡轮内燃机的高速轴承及轴承衬铅基轴承合金ZPbSb16Sn16Cu2强度、塑性、韧性及导热性、耐蚀性较锡基轴承合金低，摩擦系数较大，但价格较便宜ZPbSb16Sn16Cu2110~880kW蒸汽涡轮机和小于1500kW起重机及重载荷推力轴承ZPbSb15Sn10中等压力的机械，也适用于高温轴承ZPbSb15Sn5低速、轻压力机械轴承ZPbSb10Sn6重载荷、耐蚀、耐磨轴承4.3有色金属4.3.3滑动轴承合金2、铜基轴承合金

有锡青铜、铅青铜等。

锡青铜的组织中存在较多的分散缩孔，有利于储存润滑

油，这种合金能承受较大的载荷，广泛应用于中等速度

及受较大的固定载荷的轴承，如电动机、泵。3、铝基轴承合金

其特点是原料丰富，价格便宜，导热性好，疲劳强度与

高温硬度较高，能承受较大压力与速度。常用的铝基轴

承合金是以铝为基体元素，锡为主加元素所组成的合金。

目前在汽车、拖拉机、内燃机车上广泛使用。4.3有色金属4.3.4切削工具用硬质合金切削工具用硬质合金

由难熔的金属碳化物和金属粘结剂的粉末，经过高压成

形，并在高温（1500℃左右）下烧结而成。具有极高的

硬度，很好的耐磨性和红硬性，更高的抗压强度；缺点

是抗弯强度低、脆性大、怕振动、制造工艺性差。硬质合金刀具

切削速度可达100m/min以上，能够切削淬火钢等硬材

料。硬质合金主要用来制造高速切削刀具的刀片，有时

也可用来制造冷作模具或受冲击小、振动小的耐磨零件。4.3有色金属4.3.5新型材料1.功能材料

指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理

化效应的各种新材料。2.功能梯度材料

指构成材料的要素在材料整体上沿某一个或几个方向连

续变化，从而使材料的物理性质和功能也产生响应梯度

变化的新型复合材料。4.3有色金属4.3.5新型材料3纳米材料

又称超微细材料，其粒子粒径范围在1~100nm

（1nm=10-9m）之间，即指至少在一维方向上受纳米

尺寸（0.1~100nm）调制的各种固体超细材料。4.4非金属材料4.4.1高分子材料高分子材料

是以高分子化合物为主要组成物的材料。高分子化合物通常是指相对分子质量大于5000的化合物，它是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。

工程上应用的高分子物质主要是人工合成的物质，如聚苯乙烯、聚氯乙烯等，是由低分子乙烯或低分子氯乙烯组成。

机械制造中常用的塑料和橡胶。4.4非金属材料4.4.1高分子材料1.塑料⑴塑料的组成

①合成树脂

②添加剂

⑵塑料的特性

①密度小

②耐腐蚀

③绝缘性能良

④良好的减摩性⑶塑料的分类

①按应用范围

可分为通用塑料和工程塑料两类。

②按加热和冷却后的表现

可分为热塑性塑料和热固性塑料两类。4.4非金属材料4.4.1高分子材料2.橡胶

⑴橡胶的组成

①生胶

②配合剂⑵橡胶的性能

①高弹性。②较高的强度，良好的耐磨性等。⑶橡胶的分类

按生胶来源，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。

按应用范围，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。4.4非金属材料4.4.2陶瓷1.陶瓷的性能

⑴刚度大，硬度和抗压强度高，韧性差。

⑵良好的抗氧化性和耐酸、碱、盐的能力。

⑶熔点高，导热性小，有高的热硬性和优良的隔热性能。

⑷大多数陶瓷有高的绝缘性能。2.常用陶瓷

⑴普通陶瓷

⑵工程陶瓷

⑶金属陶瓷4.4非金属材料4.4.3复合材料1.复合材料的性能特点

⑴比强度和比模量大

比强度大，可减小零件自重；比模量大，可提高零件刚度。如碳纤维增强环氧树脂的比强度是钢的7倍，比模量是钢的3倍多。

⑵抗疲劳性好

碳纤维增强复合材料的疲劳极限可达其抗拉强度的70%~80%，而金属材料的疲劳极限只有其抗拉强度的40%~50%。2.常用复合材料

⑴玻璃纤维增强复合材料

⑵碳纤维增强复合材料

【知识梳理与总结】1.工业用钢分类方法2.常用碳素钢的性能特点3.合金元素在钢中的作用4.常用合金结构钢的特点5.常用合金工具钢的特点6.铸铁7.有色金属8.新型材料9.非金属材料Chapter零件和工具的选材及热处理5第5章

零件和工具的选材及热处理

案例导入

国内某纺织机械公司出现多起电子多臂式开口织机中阅读臂零件断裂失效的现象（如图5-1）。因为该产品出口量占到公司总销售量的40%以上，造成维修成本高和生产效率低等问题，给企业带来的经济损失较大。

根据现有阅读臂零件的加工工序安排和实际工艺要求执行情况分析，阅读臂零件装机使用之后出现如图5-1所示断裂现象，其断裂位置均位于工作区域内的R弧根部。断裂周期为3个月，断裂比例为160:1，平均每20台机器出现一个破断样品，而一只阅读臂零件的断裂失效就会造成整台设备无法正常使用。第5章

零件和工具的选材及热处理

学习目标1、机械零件的失效形式与失效的原因。2、选用材料的一般原则及零件主要性能指标的确定。3、零件热处理的技术条件、热处理工序位置的确定及零件加工工艺路线。4、典型零件的选材、热处理及工艺路线安排。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则5.1.1机械零件的失效形式任何机器零件或结构件都具有一定的功能，如在载荷，温度，介质等作用下保持一定的几何形状和尺寸，实现规定的机械运动，传递力和能等。如果零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设计要求的效能，即为失效。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则一般机器零件常见的失效形式有以下三种：1.断裂。断裂是材料最严重的失效形式，特别是在没有明显塑性变形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性事故。2.表面损伤。机械零件磨损过量后，工作就会恶化，甚至不能正常工作而报废。磨损不仅消耗材料，损坏机器，而且耗费大量能源。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则3、过量变形。不论哪种过量变形，都会造成零件(或工具)尺寸和形状的改变，影响它们的正确使用位置，破坏零件或部件间相互配合的关系，使机器不能正常工作，甚至造成事故。引起零件失效的原因很多，涉及到零件的结构设计、材料的选择与使用、加工制造、装配及维护保养等方面。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则10.1.2选材的基本原则：要做到合理选材，必须进行全面的分析及综合考虑，一般是从其使用性能、工艺性能、经济性等几个方面考虑。1、材料的选用应满足零件的使用性能要求

在选材时，首先要正确地判断零件要求哪方面的性能，然后再确定主要的性能指标。具体方法如下:5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则

第一：分析零件的工作条件，零件的工作环境，如介质、工作温度等；零件的特殊性能要求，如电性能、磁性能、热性能等。第二：进行零件失效分析零件最关键的性能指标通常要根据零件的失效形式来确定，因此，要分析同类零件的失效形式，其主要使用性能应是弹性极限、疲劳极限，所以应以弹性弹性极限和疲劳强度为主要指标来设计、制造弹簧。第三：确定主要的性能指标在零件工作条件分析、失效形式分析的基础上，确定零件的主要使用性能指标，作为零件选材的基本出发点。

5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则

零件名称工作条件关键性能指标重要螺栓交变拉应力σ5、σ-1、HBS重要传动齿轮交变弯曲应力、交变接触压应力、冲击载荷、齿面受摩擦

σ5、σ-1、HRC、接触疲劳强度曲轴、轴类交变弯曲应力、扭曲压应力、冲击载荷、颈部摩擦σb、σ-1、HRC弹簧交变应力、振动σe、σ5/σb、σ-1、滚动轴承点接触下的交变应力、滚动摩擦σb、σ-1、HRC表5-1几种典型零件的工作条件及主要性能指标5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则1、通常的机械零件大多在弹性范围内工作，故常以强度作为主要性能指标，即以屈服强度为强度计算的原始设计数据；2、在设计计算中着重考虑的是材料的强度，并不采用伸长率、断面收缩率等塑性指标。3、在确定材料的性能指标后，可在有关设计手册中查阅材料的有关数据，选择几种性能满足要求的材料。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则2、材料的工艺性能应满足加工要求任何零件都是由所选材料经过加工制造出来的，因此材料工艺性能的好坏也是选材时必须考虑的重要问题。并不是要求某一材料具有所有的工艺性能，而是具有所要求的工艺性能就足够了。对于尺寸较大，形状较复杂的零件，就要求材料的具有良好的铸造性能或焊接性能。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则1、当零件用冷拔工艺制造时，应考虑材料的塑性，并考虑形变后强化对材料的力学性能的影响。2、对于需要切削加工的零件，应考虑材料的切削加工性能。3、材料的工艺性能在某些情况下甚至成为选择材料的主导因素。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则3、选材时应充分考虑经济性能

选材时应注意降低零件的总成本。据资料统计，在一般的工业部门中，材料的价格要占产品价格的30%-70%。因此，在保证使用性能的前提下，应尽可能选用价廉、货源充足、加工方便、总成本低的材料，以取得最大的经济效益，提高产品在市场上竞争力。5.1机械零件的失效形式和选材原则

失效形式和选材原则

在选用材料时，还应立足于本地或国内的资源，并考虑国内的生产和供应情况。对于同一企业来说，所选用的材料种类、规格应尽量少而集中，以便于采购和管理，减少不必要的附加费用。总之，作为一个工程技术人员，在选用材料时，必须了解我国的资源和生产情况，从实际出发，全面考虑材料的使用性能、工艺性能和经济等方面的因素，以保证产品性能优良、成本低廉和经济效益最佳。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析5.2.1轴类零件轴类零件是回转体零件，其长度远大于直径，常见的有光轴、阶梯轴、凸轮轴和曲轴等。1.工作条件轴类零件在机器中起支承回转零件并传递运动和扭矩的作用。所有作回转运动的轴所受应力都是对称循环变化的，即在交变应力状态下工作。轴在花键、轴颈等部位和与其配合零件(如轮上有花键孔或滑动轴承)之间有摩擦磨损。此外，轴还会受到一定程度的过载和冲击。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析2.主要失效形式由于受力复杂，而且轴的尺寸、结构和载荷差别很大，因此，轴的失效较多。主要存在有以下几种：①断裂，大多是疲劳断裂。②轴的相对运动表面的过度磨损。③发生过量扭转或弯曲变形(包括弹性的和塑性的)。④有时还可能发生腐蚀失效。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析3.使用性能要求

为满足工作条件的要求，具有足够抵抗失效的能力，轴类零件的材料应具备如下性能要求：(1)具有高的强度，足够的刚度及良好的韧性，以防止断裂及过量变形。(2)具有较高的疲劳强度，防止疲劳断裂。(3)在相对运动的摩擦部位，如轴颈、花键等处，应具有较高的硬度和耐磨性。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析4.选材及热处理

(1)轻载、低速，不重要的轴，可选用Q235、Q255、Q275等碳素结构钢。(2)受中等载荷而且精度要求一般的轴类零件，常用优质碳素结构钢，常选45钢。(3)受较大载荷或要求精度高的轴以及处于强烈摩擦或高、低温等恶劣条件下工作的轴，应选用合金钢。常用20Cr、40MnB、40Cr等。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析5.典型轴类零件的选材、热处理及工序安排（1）机床主轴：机床主轴承受中等载荷作用、中等转速并承受一定冲击。一般选用45钢制造。载荷较大时，选用40Cr钢制造。机床主轴的工艺路线为：下料锻造正火粗切削加工调质半精切削加工局部表面淬火、低温回火粗磨精磨。有些机床主轴如万能铣床主轴，可用球墨铸铁代替45钢来制造。对于要求高精度、高稳定性及高耐磨性的主轴，如镗床主轴，往往用38CrMoAlA钢制造，经调质处理后再渗氮。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析（2）内燃机曲轴：曲轴是内燃机中形状复杂而又非常重要的零件之一，通常根据内燃机转速不同选用不同的材料低速内燃机曲轴用正火的45钢或球墨铸铁制造；中速内燃机曲轴选用调质45钢或球墨铸铁、调质中碳低合金钢，如40Cr、45Mn2等钢制造；高速内燃机曲轴选用高强度合金钢35CrMo、42GrMo制造。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析5.2.2齿轮类零件齿轮是各类机械、仪表中应用最广的传动零件。1.工作条件

齿轮工作的关键部位是齿根与齿面。

2.主要失效形式

(1)轮齿折断；(2)齿面点蚀；(3)齿面磨损；(4)齿面塑性变形。5.2

典型零件的选材及工艺分析零件的选材及工艺分析3.主要性能要求由于齿轮受力和损坏形式的错综复杂，为保证齿轮的正常运转，防止早期失效，对齿轮材料主要有如下性能要求：(1)齿面有高的硬度和耐磨性。(2)齿面具有高的接触疲劳强度和齿根具有高的弯曲疲劳强度。(3)轮齿的心部要有足够