机械制造中常用的材料

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以及一些非金属材料。这些材料的牌号、性能大多有国家标准或部颁标准，可在机械设计手册中查阅。

1.钢

钢是含碳量低于2%的铁碳合金。钢的强度较高，塑性较好，制造机件时可以轧制、锻造、冲压、焊接和铸造，并且可以用热处理方法（见表1-3）获得高的机械性能或改善切削性能，因此钢是机械制造中应用最广和极为重要的材料。

表1-3　钢的常用热处理方法及其应用

钢的种类很多，按化学成分可分为碳素钢和合金钢；按含碳量多少可分为低碳钢（含碳量低于0.25%）、中碳钢（含碳量为0.25%～0.5%）和高碳钢（含碳量大于0.5%）；按质量可分为普通钢和优质钢。

表1-4摘列出常用钢的机械性能及应用举例。

表1-4　常用钢的机械性能及其应用举例

续表

注：①对于普通碳钢，表中σS 为尺寸≤16mm 时值，当尺寸为＞16～40mm、＞40～60mm、＞60～100mm 时，σS 应逐段降低10%。
②优质碳钢硬度为交货状态值，合金钢硬度为退火或高温回火供应状态值，铸钢σB、σS 及HBS均为回火状态值。

碳素钢在机械设计中最为常用，优质碳素钢如35、45钢等能同时保证机械性能和化学成分，一般用来制造需经热处理的较重要的机件，普通碳素钢如Q235等一般只保证机械强度而不保证化学成分，不适宜作热处理，故一般只用于不太重要的或不需热处理的机件和工程结构件。碳素钢的性能主要决定于其含碳量。低碳钢可淬性较差，一般用于退火状态下强度不高的机件，如螺钉、螺母、小轴，也用于锻件和焊接件，还可经渗碳处理用于制造表面硬、耐磨并承受冲击负荷的机件。中碳钢可淬性以及综合机械性能均较好，可进行淬火、调质或正火处理，用于制造受力较大的螺栓、键、轴、齿轮等机件。高碳钢可淬性更好，经热处理后有较高的硬度和强度，主要用于制造弹簧、钢丝绳等高强度机件。一般而言，碳钢的含碳量低于0.4%的可焊性好，含碳量高于0.5%的可焊性变差。而且，随着含碳量的增加，其可焊性越来越差。

合金钢是由碳钢在其中加入某些合金元素冶炼而成。每一种合金元素含量低于2%或合金元素总含量低于5%的称低合金钢，每一种合金元素含量为2%～5%或合金元素总含量为5%～10%的称中合金钢，每一种合金元素含量高于5%或合金元素总含量高于10%的称高合金钢。合金元素不同时，钢的机械性能有较大的变动并具有各种特殊性质。例如，铬能提高钢的硬度，并能在高温时防锈耐酸；镍使钢具有很高的强度、塑性与韧性；钼能提高钢的硬度和强度，特别能使钢具有较高的耐热性；锰使钢具有良好的淬透性、耐磨性；少量的钒能使钢提高弹性极限。同时含有几种合金元素的合金钢（如铬锰钢、铬钒钢、铬镍钢），其性能的改变更为显著。但合金钢较碳素钢价格贵，对应力集中亦较敏感，一般在碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。还须指出，合金钢如不经热处理，其机械性能并不明显优于碳素钢，为充分发挥合金钢的作用，合金钢机件一般都需经过热处理。

无论是碳素钢还是合金钢，用浇铸法所得的铸件毛坯均称为铸钢。铸钢通常用于形状复杂、体积较大、承受重载的机件。但铸钢存在易于产生缩孔等缺陷，非必要时不采用。

钢材供应除钢锭外，往往轧制成各种型材，如板材（包括厚、薄钢板）、圆钢、方钢、六角钢棒料，角钢、槽钢、工字钢、钢轨以及无缝钢管等。各种型钢的具体规格可查阅机械设计手册。

2.铸铁

含碳量大于2%的铁碳合金称为铸铁。最常用的是灰铸铁，属脆性材料，不能碾压和锻造，不易焊接；但具有适当的易熔性和良好的液态流动性，因此可以铸造出形状复杂的铸件。此外，铸铁的抗拉强度差，但抗压性、耐磨性、减振性均较好，对应力集中敏感性小，其机械性能虽不如钢，但价格便宜，通常广泛用作机架或壳座。另外，还有一种球墨铸铁，它是使铸铁中所含石墨（即碳）经特殊处理后使之呈球状。球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性，目前已部分用来代替铸钢和锻钢制造机件。(www.xing528.com)

表1-5摘列了常用灰铸铁和球墨铸铁的机械性能及应用举例。

表1-5　常用铸铁的机械性能及应用举例

3.有色金属合金

有色金属合金具有某些特殊性能，如良好的减摩性、跑合性、抗腐蚀性、抗磁性、导电性等，在机械制造中主要应用的是铜合金、轴承合金和轻合金，因其产量较少，价格较贵，使用时要尽量节约。

铜合金可分为黄铜和青铜两类。黄铜为铜和锌的合金，不生锈，不腐蚀，具有良好的塑性及流动性，能碾压和铸造成各种型材和机件。青铜有锡青铜和无锡青铜。锡青铜为铜和锡的合金，它与黄铜相比有较高的耐磨性和减磨性，而且铸造性能和切削加工性能良好，常用铸造方法制造耐磨机件。无锡青铜是铜和铝、铁、锰等元素的合金，其强度较高，耐热性等也很好，在一定条件下可用来代替高价的锡青铜。轴承合金为铜、锡、铅、锑的合金，其减摩性、导热性、抗胶合性都很好，但强度低且较贵，通常把它浇注在强度较高的基体金属的表面形成减摩表层使用。表1-6摘列出常用铜合金、轴承合金的机械性能及应用举例。

轻合金一般是指比重小于2.9的合金，生产中最常用的是铝合金，它具有足够的强度、塑性和良好的耐腐蚀能力，且大部分铝合金可用热处理方法使之强化，主要用于航空、汽车制造中要求重量轻而强度高的机件。

表1-6　常用铜合金、轴承合金的机械性能及应用举例

注：黄铜和青铜表中值为砂模铸造，括号中值为金属模铸造。

4.非金属材料

机械制造中应用的非金属材料种类很多，有塑料、橡胶、木料、毛毡、皮革、压纸板等。

塑料是非金属材料中发展最快、前途最广的材料。其种类很多，工业上常用的有：热塑性塑料（加热时变软或熔融，可以多次重塑），如聚氯乙烯、尼龙、聚甲醛等；热固性塑料（加热时逐渐变硬，只能塑制一次），如酚醛、环氧树脂、玻璃钢等。塑料重量轻、绝缘、耐磨、耐蚀、消声、抗震，易于加工成形，加入填充剂后可以获得较高的机械强度。目前某些齿轮、蜗轮、滚动轴承的保持架和滑动轴承的轴承衬均有用塑料制造的，但一般工程塑料耐热性差，且因逐步老化而使性能逐渐变差。

橡胶富有弹性，有较好的缓冲、减振、耐磨、绝缘等性能，常用作弹性联轴器和缓冲器中的弹性元件、橡胶带、轴承衬、密封装置以及绝缘材料等。

还需指出，随着高科技的发展，出现了将两种或两种以上不同性质的材料通过不同的工艺方法人工合成多相的复合材料，它既可保持组成材料各自最佳特性，又可具有组合后的新特性。这样就可根据机件对材料性能的要求进行材料设计，从而最合理地利用材料。此外，材料科学的研究重心，也由结构材料转向功能材料和智能材料。例如，记忆合金、能够自我修复的防弹材料等，本身具有自我诊断、自我调节、自我修复的功能。有人预言，21世纪将是复合材料、功能材料和智能材料迅速发展的时代。由于篇幅所限，此处不一一介绍了。