機(jī)械機(jī)構(gòu)分析與使用2

第二章機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料：用以制造各種機(jī)械零件的材料的統(tǒng)稱。機(jī)械工程材料金屬材料黑色金屬材料有色金屬材料非金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料常用材料金屬材料鋼鑄鐵共析鋼亞共析鋼過共析鋼黑色金屬有色金屬非金屬材料合金鋼碳鋼白口鑄鐵麻口鑄鐵灰口鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁及其鋁合金銅及其銅合金滑動(dòng)軸承合金無機(jī)非金屬材料（陶瓷）復(fù)合材料（鋼筋混凝土、輪胎）有機(jī)高分子材料塑料橡膠粘結(jié)劑§2-1金屬材料的主要性能及常用金屬材料金屬材料的性能包括工藝性能和使用性能兩類。工藝性能：是材料在被加工過程中，適應(yīng)各種冷熱加工的性能。主要包括熱處理性能、鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能等。使用性能：即材料在使用過程中表現(xiàn)出的性能。它是保證工件的正常工作應(yīng)具備的性能。主要包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。一、金屬材料的性能

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。（一）金屬材料的使用性能

1、金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度是指金屬材料在載荷的作用下抵抗彈性變形、塑性變形和斷裂的能力。屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度采用拉伸實(shí)驗(yàn)法測(cè)定材料的強(qiáng)度指標(biāo)常用強(qiáng)度（1）強(qiáng)度拉伸試樣低碳鋼的力—伸長(zhǎng)量曲線材料的種類繁多，拉伸曲線各異，塑性材料（如低碳鋼等）在斷裂前有明顯塑性變形，這種斷裂稱為韌性斷裂；而脆性材料（如鑄鐵等）在斷裂前無明顯塑性變形，拉伸曲線上無屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮頸”，這種斷裂稱為脆性斷裂。拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)機(jī)退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線（2）塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。常用的塑性指標(biāo)：伸長(zhǎng)率、斷面收縮率通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得的主要強(qiáng)度指標(biāo)有：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。（3）硬度硬度—金屬材料抵抗比它更硬的物體壓入其表面的能力，即抵抗局部塑性變形的能力。硬度直接影響到材料的耐磨性和切削加工性。一般來說，硬度越高，耐磨性越好，強(qiáng)度也比較高。常用的硬度有：布氏硬度:測(cè)量壓痕面積洛氏硬度:測(cè)量壓痕深度（4）沖擊韌性沖擊韌性反映金屬抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。金屬材料的沖擊韌性是通過沖擊試驗(yàn)測(cè)定的。沖擊韌性值的大小與試驗(yàn)溫度、試樣的形狀、表面粗糙度和內(nèi)部組織等因素有關(guān)。（5）疲勞強(qiáng)度

疲勞強(qiáng)度是指金屬材料經(jīng)受無數(shù)次交變載荷作用而不引起斷裂的最大應(yīng)力值。用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。（1）物理性能金屬材料的物理性能包括：比重、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性。（2）化學(xué)性能是指金屬材料在常溫或高溫條件下抵抗外界介質(zhì)對(duì)其化學(xué)浸蝕的能力。包括：耐酸性、耐堿性和抗氧化性。2、金屬材料的物理性能和化學(xué)性能

1、鑄造性鑄造性是指金屬熔化成液態(tài)后，在鑄造成型時(shí)所具有的一種特性。衡量指標(biāo)：流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向。2、鍛造性鍛造性是指金屬材料在鍛壓加工過程時(shí)的難易程度。材料塑性好，變形抗力小，則鍛造性好，反之則差。（二）金屬材料的工藝性能

3、焊接性焊接性是指金屬材料是否容易用焊接的方法形成優(yōu)良接頭的性能。4、切削加工性切削加工性是指金屬材料在切削加工時(shí)的難易程度。（一）碳鋼碳的含量在0.02％～2.11％范圍內(nèi)的鐵碳合金屬于非合金鋼，稱為碳素鋼。其價(jià)格低廉、工藝性好，具有一定使用性能，能滿足許多場(chǎng)合的需要。因而在機(jī)械制造及其它一些工程中得到廣泛使用。二、常用金屬材料常用金屬材料主要指：碳鋼（非合金鋼）、合金鋼、鑄鐵、有色金屬（非鐵金屬合金）。鋼鐵材料的生產(chǎn)過程鐵礦石生鐵鋼(鋼錠）型材

鑄鐵軋制、擠壓、拉拔、鍛造等壓力加工方法1、生鐵的冶煉原料：鐵礦石燃料：焦炭熔劑：石灰石設(shè)備：高爐2、鋼的冶煉原料：生鐵、廢鋼燃料：焦炭熔劑：石灰石；氧化劑，脫氧劑設(shè)備：電弧爐（鋼板、型鋼、鋼管）3、鑄鐵的冶煉原料：生鐵燃料：焦炭溶劑：石灰石設(shè)備：轉(zhuǎn)爐高爐電弧爐1.碳素鋼的分類按鋼中碳含量的多少分，可分為：⑴低碳鋼wc≤0.25％⑵中碳鋼0.25％＜wc≤0.6％⑶高碳鋼wc＞0.6％按鋼的質(zhì)量分，可分為：⑴普通鋼⑵優(yōu)質(zhì)鋼⑶高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼按鋼的用途分，主要有：⑴普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88）⑵優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB699-88）⑶碳素工具鋼（GB1298-86）⑷一般工程用鑄造碳素鋼件（GB11352-89）2、碳素鋼的性能和用途（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按S、P雜質(zhì)多少來分。以A、B、C、D四個(gè)符號(hào)代表四個(gè)等級(jí)。其中A級(jí)磷、硫含量相對(duì)較高，D級(jí)最低。用途：這類鋼通常是熱軋后空冷供貨（板材、型材及異型材），用戶一般不需要再進(jìn)行熱處理而是直接使用。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼中磷、硫等有害雜質(zhì)含量較低，夾雜物也少，化學(xué)成分控制較嚴(yán)格，質(zhì)量較好。常用于較為重要的機(jī)件。可以通過各種熱處理調(diào)整零件的力學(xué)性能。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，隨著鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，具有不同的力學(xué)性能，可用來制作各種機(jī)械零件。例如：08F鋼塑性好，強(qiáng)度低。可用于各種冷變形加工成型件。10～25等低碳鋼焊接性和冷沖壓工藝性好，可用來制造各種標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。也可通過適當(dāng)熱處理（滲碳、淬火、回火）制成表面高硬度、心部有較高韌度和強(qiáng)度的耐磨損耐沖擊的零件。如齒輪、凸輪、銷軸摩擦片、水泥釘?shù)取?5等中碳鋼通過適當(dāng)熱處理（調(diào)質(zhì)、表面淬火等）可獲得良好的綜合力學(xué)性能的機(jī)件及表面耐磨、心部韌性好的零件。如傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、機(jī)床齒輪等。高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)適當(dāng)熱處理后，可獲得足夠的韌性和耐磨性?？捎糜谥圃煨【€徑的彈簧、重鋼軌、軋輥、鐵鍬、鋼絲繩等。牌號(hào)：用“T”加數(shù)字表示，該數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千倍。如：T8，T9等。T8：表示碳的平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。用途：用來制作各種刀具、量具和模具。（3）碳素工具鋼用于澆注成鑄件的鋼。其強(qiáng)度高于各類鑄鐵，同時(shí)具有良好的塑性和韌性，適于制造形狀復(fù)雜、強(qiáng)度和韌性要求高的零件，如火車輪、大齒輪等。（4）鑄鋼（二）合金鋼合金元素對(duì)鋼性能的影響（2）提高了鋼的淬透性（3）使鋼具有某些特殊性能

鈦、釩等合金元素的加入提高了鋼的強(qiáng)度和硬度，細(xì)化了晶粒，也提高了塑性與韌性。鉻、硅、鎳、錳、硼等合金元素的加入提高鋼的淬透性。

鉻、錳等合金元素的加入使鋼具有了耐高溫、耐熱、耐磨、不生銹等特殊性能。在碳鋼中加入一定量的合金元素便成為合金鋼。（1）提高了鋼的力學(xué)性能合金鋼的分類１、按合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分低合金鋼合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜５％中合金鋼合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)５％－１０％高合金鋼合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞１０％2、按主要用途分結(jié)構(gòu)鋼建筑用工程結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼、鋼筋鋼機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼和滾動(dòng)軸承鋼工具鋼合金工具鋼高速工具鋼磨具鋼特殊性能鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼合金結(jié)構(gòu)鋼1、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼

低碳，合金含量小于3%。主加元素為Mn，使材料韌性提高。在建筑、橋梁、車輛、船舶中應(yīng)用廣泛。以16Mn為最廣。船舶橋梁和碳素結(jié)構(gòu)鋼相比有較高的強(qiáng)度（高１０－３０％）2、合金滲碳鋼含碳量為0.1%--0.2%,以保障心部具有足夠的韌性，合金含量小于3%。主加元素為Cr、Mn、鈦、釩，提高了淬透性，使晶粒細(xì)化，耐磨性提高。（常用滲碳鋼）

主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足夠強(qiáng)度和韌性的零件，如：汽車變速箱的齒輪等。以20Cr、20CrTiMn為最廣。變速齒輪撥叉3、合金調(diào)質(zhì)鋼

含碳量為0.25%--0.5%,主加元素為Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和強(qiáng)化鐵素體.調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。

合金調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其它機(jī)器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿等。

曲軸

連桿

（常用調(diào)質(zhì)鋼）

4、合金彈簧鋼它具有高的彈性、疲勞強(qiáng)度及沖動(dòng)韌度。含碳量為0.5%--0.7%,主加元素為Cr、Mn、Si等以提高淬透性和彈性極限。

合金彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。拉力彈簧

離合器彈簧

（常用彈簧鋼）

5、滾動(dòng)軸承鋼

主要用來制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體（滾珠、滾柱、滾針）、內(nèi)外套圈等，屬專用結(jié)構(gòu)鋼。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.95%--1.10%，以保證其高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)度。鉻為基本合金元素，鉻含量為0.40%--1.65%。高碳低鉻。如：GCr15(滾珠軸承鋼)

合金工具鋼

合金工具鋼是制造刃具、量具和模具的鋼種。不僅有更高的硬度和耐磨性,還具有更高的紅硬性。1、合金刃具鋼

用途：主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、鉆頭等。

性能：（1）高硬度，60HRC以上；（2）高的耐磨性；（3）高熱硬性；（4）足夠的塑性和韌性。銑刀英制模板刀2、合金量具鋼

用途：量具用鋼用于制造各種測(cè)量工具，如卡尺、千分尺、塊規(guī)。性能要求：(1)高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；

(2)高尺寸穩(wěn)定性，在存放和使用過程中，尺寸不發(fā)生變化。螺紋規(guī)

游標(biāo)卡尺

千分尺

3、合金模具鋼合金模具鋼按其用途分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類。

冷作模具鋼

用途：冷模具用于制造各種冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模和拉絲模等，工作溫度不超過200℃～300℃。熱作模具鋼

用途：熱作模具鋼用于制造各種熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模和壓鑄模等，工作時(shí)型腔表面溫度可達(dá)600℃以上。性能要求：①高硬度，58～62HRC;②高耐磨性;③足夠的韌性和疲勞抗力特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊物理和化學(xué)性能的一種高合金鋼.它主要包括不銹鋼,耐磨鋼等.1、不銹鋼

能抵抗大氣,酸,咸或其它介質(zhì)腐蝕的鋼。

不銹鋼在石油化工、國(guó)防工業(yè)和一些尖端科學(xué)技術(shù)及日常生活中都得到廣泛應(yīng)用，例如化工裝置中的各種管道、閥門和泵，醫(yī)療手術(shù)器械，防銹刃具和量具等。2、耐磨鋼

（就是高錳鋼如:ZGMn13）

履帶

鐵軌分道叉

破碎機(jī)顎板挖掘機(jī)斗齒箱體啟動(dòng)閥鑄鐵是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%、并常含有較多的硅、錳、硫、磷等元素的鐵碳合金。

用于制造機(jī)床的床身、床頭箱,發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、機(jī)器的底座等，是工程上最常用的金屬材料之一。

（三）鑄鐵根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式不同，可分為：

白口鑄鐵(Fe3C)麻口鑄鐵(石墨、萊氏體)灰口鑄鐵(石墨)灰鑄鐵石墨呈片狀球墨鑄鐵石墨呈球狀蠕墨鑄鐵石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀F+片狀石墨（F+P）+片狀石墨P+片狀石墨灰鑄鐵的組織灰鑄鐵的應(yīng)用葉輪

發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪

球墨鑄鐵的應(yīng)用具有與鋼相近的力學(xué)性能，可代替鋼和合金鋼使用。球墨鑄鐵管道接口

曲軸、連桿、缸套、活塞特殊性能鑄鐵

在鑄鐵中加入某些合金元素，得到一些具有各種特殊性能的合金鑄鐵。

1、耐磨鑄鐵（加鉻）

2、耐熱鑄鐵

（Al、Si、Cr

）扇形擴(kuò)散器托架

襯板彎管（四）有色金屬及其合金有色金屬是指除鋼、鐵、錳以外的其他金屬。具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫和一些特殊的物理、化學(xué)性能，廣泛用于航空航天技術(shù)原子能、計(jì)算機(jī)等新型工業(yè)。1、鋁及其鋁合金

鋁是自然界中分布最廣的金屬元素。地殼中鋁的含量接近8%，僅次于氧和硅。其主要特性是密度小，相對(duì)密度只有鋼鐵的1/3。某些鋁合金的機(jī)械強(qiáng)度甚至超過結(jié)構(gòu)鋼。各種鋁合金（如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等）廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)。此外，導(dǎo)彈、宇宙飛船、人造衛(wèi)星也大量使用鋁及其合金。鋁是熱的良導(dǎo)體。鋁的熱導(dǎo)率大約是鐵的3倍，不銹鋼的10倍。

鋁合金廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、建筑、輕工、化工、儀表、機(jī)械等部門，以及包裝和家用器具等方面。如今