第六講工業(yè)產品選材-金屬材料

2024/3/31工業(yè)產品開發(fā)概論主講蔣亞南副教授第八講金屬材料概述2013年9月工業(yè)產品開發(fā)概論主講蔣亞南副教授第六講工業(yè)產品選材—金屬材料2015年8月寧波市數字圖書館第二批高校網絡（MOOC）課程2024/3/3講次內容內容體系第一講了解工業(yè)產品介紹及其開發(fā)流程第一篇工業(yè)產品開發(fā)第二講結合實例介紹硬件產品開發(fā)步驟和方法第三講結合實例介紹服務產品的開發(fā)步驟和方法第四講工業(yè)產品工程設計第二篇產品設計方法基礎第五講工業(yè)產品造型設計第六講

工業(yè)產品選材—金屬材料第七講工業(yè)產品選材—非金屬材料第八講產品表達圖示技術基礎第三篇產品工程表達基礎第九講

產品圖樣表達方法—基本視圖第十講產品圖樣表達方法—剖視斷面第十一講產品圖紙表達—零件圖第十二講產品圖紙表達—裝配圖第十三講工業(yè)產品加工方法—熱加工第四篇工業(yè)產品生產加工第十四講工業(yè)產品加工方法—金屬切削加工第十五講工業(yè)產品加工方法—非金屬加工第十六講先進制造技術介紹2024/3/33工程材料是構成工業(yè)產品的物質基礎。同時產品的性能取決于其使用的材料。既能保證使用性能、便于加工，經濟性又好。2024/3/34一、選材的一般原則和步驟正確選材是工業(yè)產品設計的一項重要任務，它必須使選用的材料保證零件在使用過程中具有良好的工作能力，保證零件便于加工制造，同時保證零件的總成本盡可能低。優(yōu)異的使用性能、良好的加工工藝性和便宜的價格是工業(yè)產品零件選材的最基本原則。2024/3/35使用性能原則使用性能是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件。在大多數情況下，它是選材首先要考慮的因素。使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應該具有的力學性能、物理性能和化學性能。2024/3/36工藝性能原則工業(yè)產品零件都是由設計選用的工程材料，通過一定的加工方式制造出來的:金屬材料有鑄造、壓力加工、焊接、機械加工、熱處理等加工方式。陶瓷材料通過粉末壓制燒結成型，有的還須進行磨削加工、熱處理。高分子材料利用有機物原料，通過熱壓、注塑、熱擠等方法成型，有的再進行切削加工、焊接等加工過程。2024/3/37經濟性原則在滿足使用性能和工藝性能的前提下，材料的經濟性是選材的重要原則。2024/3/38

2024/3/39二、材料的幾種分類法1.歷史分類法第一代：石器時代的木片、石器、骨器第二代：陶、青銅和鐵器第三代：高分子材料，主要來自石油、煤等礦物第四代：復合材料2024/3/3102.物質結構分類法2024/3/3113.材料加工度分類法天然材料有機材料竹、木、棉、毛、皮革；無機材料粘土、礦石、寶石、金屬、大理石、煤等加工材料膠合板、細木工板、紙張、黏膠纖維、玻璃紙人造材料利用天然材料制成：人造皮革、人造大理石、人造水晶利用化學反應制成：塑料、玻璃2024/3/3124.材料形態(tài)分類顆粒材料線狀材料面狀材料塊狀材料2024/3/313三、材料的性能和特性1.基本性能：材料密度力學性能1、強度2、塑性3、硬度4、沖擊韌性5、疲勞6、斷裂韌度（性）熱學性能：熔點、比熱、熱脹熱導、耐熱、耐火、耐燃電學性能：導電、絕緣光學性能：反射、折射、透射化學性能：耐蝕、抗氧化、耐氣候性2024/3/314材料的特性2.工藝特性加工成型性環(huán)境形狀保持性表面工藝性2024/3/315四、黑色金屬金屬材料包括黑色金屬（鋼、鑄鐵）和有色金屬，前者應用最多。習慣上常說的鋼鐵是對鋼和鐵的總稱。所謂鋼鐵，主要由兩個元素構成，即鐵和碳，一般碳和鐵元素形成化合物，叫鐵碳合金。含碳量多少對鋼鐵的性質影響極大，含碳量增加到一定程度后就會引起質的變化。2024/3/3161.鋼與鐵的區(qū)別

含碳量多少是區(qū)別鋼鐵的主要標準。生鐵含碳量大于2.0％；鋼含碳量小于2.0％。鋼不僅有良好塑性，而且鋼制品具有強度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊、易提煉等優(yōu)良物化應用性能，因此被廣泛利用。生鐵含碳量高，硬而脆，幾乎沒有塑性。由鐵原子構成的物質叫純鐵，純鐵雜質很少，一般含碳量小于0.02%的叫熟鐵或純鐵熟鐵軟，塑性好，容易變形，強度和硬度均較低，用途不廣。

2024/3/317在工業(yè)上，人們是在高爐中把鐵礦同焦炭、石灰石等混合在一起，在高溫下煉制鐵。從高爐中煉出來的是生鐵。生鐵還需放入轉爐或平爐、電爐中，除去部分碳，煉制成鋼。2024/3/318四、鋼

鋼的品種多，性能好，是最常用的工程材料。根據化學成分的不同，鋼可分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼的生產批量大，價格低，供應充足。2024/3/3191.碳素鋼

碳鋼常用的分類方法有三種：1）按碳含量進行分類

可分為低碳鋼(＜0.25%C)、中碳鋼(0.25-0.55%C)、高碳鋼(＞0.55%C)。碳素鋼的性能主要取決于碳的質量分數。碳的質量分數越高，鋼的強度越高，塑性越低。2）按其用途進行分類

可分為結構鋼和工具鋼兩大類，前者用來制造各種金屬構件和機械零件，后者用來制造各種刀具、模具和量具。3）

按其質量等級分類

可分為普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼和高級優(yōu)質碳素鋼。2024/3/320鋼的韌性好，機械強度又高，在工業(yè)上的用途最廣。由于低碳鋼的性能與熟鐵近似，而成本比熟鐵低得多，現在工業(yè)上大都用低碳鋼代替熟鐵，如制造鐵絲、鉚釘、白鐵皮（鍍鋅Zn）、馬口鐵（鍍錫Sn）等。碳素鋼廣泛的被用來制造各種機器零件，如齒輪、凸輪、螺帽、鐵軌、鋼筋等等；日常生活中用的刀、手表殼、鋼筆尖、針、剪刀等。2024/3/3212.合金鋼

為了改善鋼的性能，根據不同要求加入一種或幾種合金元素而形成的鋼稱為合金鋼。合金鋼的性能不僅與化學成分有關，在很大程度上還取決于適當的熱處理。合金鋼價格較貴。不同的合金元素，使鋼獲得不同的性能。如鉻能提高硬度、高溫強度和耐腐蝕性；鎳能提高強度而不降低韌性；錳能提高強度、韌度和耐磨性；硅可提高彈性極限和耐磨性，但降低韌性。合金結構鋼牌號的表示方法是用兩位數字表示含碳量的萬分數，并在其后加注所含各主要合金元素的符號及其質量分數。2024/3/322如含鎳（Ni）36%的鎳鋼幾乎不因冷熱而熱脹冷縮，用來制造精密儀表零件；含18%鎢(W)的鎢鋼，即使已熾熱，仍非常堅硬，用來制造高速切割的車刀；含少量釩(V)的釩鋼，可使鋼的彈性增加一倍，用來制造各種彈簧；含2.5%硅(S)i的硅鋼做成硅鋼片，用作變壓器的鐵心，不僅可減少變壓器發(fā)熱現象，而且大量節(jié)約了電能。2024/3/323蘇泊爾“問題鍋”或被下架停售東方網10月18日消息：據《新聞晚報》報道，近日，蘇泊爾不銹鋼產品被曝其金屬含量比例不合格，而跟蹤調查了其三年的哈爾濱工商局表示，將勒令其問題產品下架。滬上各大家電賣場也紛紛準備停售蘇泊爾問題產品。上海消費者保護協會趙姣黎秘書長表示，如果蘇泊爾偷工減料，就侵害了消費者的公平交易權，涉嫌欺詐。不銹鋼變高錳鋼根據最先披露此事件的哈爾濱工商局的對外公告，實際上他們在2008年初就已經接到了相關舉報。他們表示經過多次檢驗，蘇泊爾的大部分不銹鋼制品中的鉻、鎳元素達不到標準，與此同時錳的含量卻非常高。在三年多的調查時間中，總共81種型號的不銹鋼鍋具被檢不合格，而200元以下的低價不銹鋼鍋具更是幾乎“全員陣亡”。

2024/3/324記者在調查后發(fā)現，我國規(guī)定的不銹鋼產品中的鉻和鎳含量標準，分別應為18%和8%。由于不銹鋼具有的抗氧化性和耐腐蝕性都來自于鉻（ge）、鎳這兩種元素，如果這兩項金屬含量不達標，那么產品根本就稱不上是不銹鋼。另一方面，如果含錳量過高，產品就會變成“高錳鋼”，一般用來制造鐵軌、橋梁和軸承等部件，雖然其耐磨，但抗腐蝕和抗氧化能力遠遠比不上不銹鋼，較容易生銹。由于我國錳礦資源豐富，用錳來偷梁換柱可有效地降低成本，但最終的成品卻難符“不銹鋼”的名稱。2024/3/325四、鑄鐵鑄鐵是脆性材料，其抗拉強度、塑性、韌性均較差，不能進行輾壓和鍛造。鑄鐵的減振性和耐磨性較好，成本較低。由于它具有良好的液態(tài)流動性，因此常用于鑄造各種形狀復雜的零件。常用鑄鐵有灰鑄鐵和球墨鑄鐵。2024/3/3261.灰鑄鐵

灰鑄鐵是應用最廣的一種鑄鐵，碳以片狀石墨存在于鐵的基體中，因此其斷口呈灰色?；诣T鐵的抗壓強度高于抗拉強度，切削性能好，但不宜承受沖擊載荷。常用于制造受壓狀態(tài)下工作的零件，如機器底座、機架等?；诣T鐵牌號的表示方法是在符號“HT”后加注一組表示抗拉強度的數字，如HT200，其抗拉強度為200MPa。2.球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的碳以球狀石墨存在于鐵的基體中，故其力學性能顯著提高。除伸長率和韌性稍低外，其它力學性能基本與鋼接近，同時兼有灰鑄鐵的優(yōu)點，但是球墨鑄鐵的鑄造工藝性能要求較高，品質不易控制。用球墨鑄鐵制造的曲軸、齒輪等，其成本低于鍛鋼件。球墨鑄鐵牌號的表示方法是在符號“QT”后加注兩組數字，如QT400－15，表示抗拉強度為400MPa，伸長率為15％。

2024/3/327鐵的用途生鐵很脆，一般是澆鑄成型，所以又稱“鑄鐵”，如鐵鍋、火爐等，在工業(yè)上用來制造機床的床身、蒸汽機和內燃機的汽缸等，它的成本比較低廉、耐磨，但沒有延性和展性，不能鍛打。熟鐵所含雜質少，接近于純鐵，韌性強，可以鍛打成型，所以又叫“鍛鐵”，如鐵勺、鍋鏟等。2024/3/328五、有色金屬有色金屬是指鐵和鐵基合金(如錳、鉻)以外的83種金屬。與鐵和鐵基合金相比，有色金屬的冶煉比較復雜，成本高。但是，由于有色金屬具有許多優(yōu)良特性，因而已成為現代工業(yè)，特別是航空航天工業(yè)中不可缺少的材料。工程中常用的有色金屬有輕有色金屬：鋁、鎂、鈉、鉀等；重有色金屬：銅、鎳、鉛、錫、鋅等；貴金屬如金、銀和鉑族元素；稀有金屬

如鎢、鈦等有色金屬合金：鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳合金等。2024/3/329一、鋁及其合金比重小，比強度高。在空氣中的抗蝕性好。容易加工。硬鋁（鋁銅鎂）經熱處理后強度比純鋁高六倍用以制造飛行器各種承力構件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱翼梁、螺旋槳葉、起落架等。也常用于汽車、摩托車、家用電器、建筑等。2024/3/330二、銅合金機械性能好摩擦系數小在空氣環(huán)境下具有良好的抗蝕性。容易加工。黃銅（銅鋅合金）、白銅（銅鎳合金）除上述兩種金屬以外的青銅（如錫青銅、鋁青銅）、滑動軸承、耐水蝕零件、導熱零件。2024/3/331三形狀記憶合金

形狀記憶合金(shapememoryalloy)是指某些合金材料在某一溫度下受外力而變形，當外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當溫度上升到某一溫度，合金材料會自動恢復到變形前原有的形狀，并對以前的形狀保持記憶，這種合金材料就稱為形狀記憶合金。目前形狀記憶合金材料主要有Ni—Ti系、Cu系和Fe系合金等。2024/3/332研究起始：

1963年，美國海軍的武器實驗室奉命研制一種新式裝備，在一次實驗中他們需要一些TiNi合金絲，領回的TiNi合金絲是彎彎曲曲的，使用起來不方便，于是將這些TiNi合金絲一根根地拉直。在試驗過程中，出現了奇怪的現象：當溫度升到一定值時，這些已被拉直的TiNi合金絲，突然又全部恢復到彎彎曲曲的形狀，和原來一模一樣，絲毫不差。經反復多次試驗，結果都是這樣。2024/3/333到80年代，科學家終于突破了TiNi合金研究中的難點，對形狀記憶效應機制的研究得到深入。

應用：在機械、電子、化工、宇航、運輸、建筑、醫(yī)療、能源和日常生活中均獲得應用。醫(yī)學上如制造血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形弓絲、接骨板、人工關節(jié)、婦女胸罩、人造心臟等。開發(fā)形狀記憶合金機器人，如小型外科手術、顯微鏡下精細作業(yè)的毫米級微型機械手和微型機器人。形狀記憶合金是一種“有生命的合金”，相信在若干年或幾十年后一定會出現重大突破。

2024/3/334脊柱裝上形狀記憶合金矯正NiTi記憶合金自擴張式2024/3/335記憶合金同我們的日常生活也同樣休