常见金属材料及选材-机械基础

知识要求：

1．了解钢、铸铁的分类；

2．掌握各类钢的成分特点、性能特点及钢的牌号编制方法；

3．掌握各类钢的牌号表示方法。

技能要求：

1．能分析零件的工作环境；

2．能选择合适的材料及热处理方法。

前面我们学习了金属材料的力学性能，以汽车发动机曲轴为例，思考曲轴一般选用什么材料及何种热处理方式。现在我们来学习本任务的有关知识点。

金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。金属材料通常分为黑色金属和有色金属。其中钢铁材料是应用最为广泛的工程材料，一般分为非合金钢、合金钢及铸铁。

1．非合金钢

非合金钢是指以铁、碳为主要成分，还含有少量锰、硅、硫、磷等长存杂质元素的钢。非合金钢价格低廉，便于获得，容易加工，具有较好的力学性能和工艺性能，可以满足一般的工程结构。

（1）非合金钢的分类

非合金钢的分类方法很多，主要的有以下三种，见表5－3。

表5－3　非合金钢的分类

（2）非合金钢的性能、用途、牌号

1）普通碳素结构钢。

由于它的有害杂质元素S、P含量相对较高，综合机械性能和耐蚀性较差，故不宜用在较重要的场合，但普通碳素钢价格便宜，故工程上常用于各种钢构架和支吊架等。

根据GB／T700—2006《碳素结构钢》的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（单位为MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）和脱氧方法符号4部分按顺序组成。牌号中采用的符号及其代表的含义：Q——钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头；A、B、C、D——质量等级；F——沸腾钢；B——半镇静钢；Z——镇静钢；TZ——特殊镇静钢。

例如Q235—AF牌号的含义：

Q表示“屈”字汉语拼音首字母；

235表示材料的屈服强度值为235MPa；

A表示质量等级为A级；

F表示沸腾钢。

2）优质碳素结构钢。

优质碳素结构钢则采用平炉或纯氧顶吹转炉冶炼，脱氧较好，杂质含量较低，其综合机械性能、耐蚀性等均优于普通碳素钢，故常用于制造重要的机械零件。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢平均碳质量分数的万分数。例如，45号钢代表碳的质量分数为0.45％的优质碳素结构钢。

3）碳素工具钢。

用于制造刀具、模具和量具的钢称为碳素工具钢。由于大多数工具都要求高硬度、高耐磨性，故碳素工具钢中碳的质量分数均在0.7％以上，都属于优质钢或高级优质钢。

碳素工具钢的牌号以“碳”的汉语拼音首字母“T”及后面的阿拉伯数字表示，其中数字表示钢中碳的含量的千分数，比如T8，表示平均碳含量为0.8％的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则通常在后面再加符号A。

2．合金钢

为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能，通常有意识地向钢中加入一些合金元素，由此得到的钢就叫合金钢。

（1）合金钢的分类

合金钢种类繁多，按照用途分类（如表5－4所示）可以分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢；常用的其他分类还有按合金元素总含量分为低合金钢（合金元素总质量分数小于5.0％）、中合金钢（合金元素总质量分数5.0％～10.0％）和高合金钢（合金元素总质量分数大于10.0％）。

表5－4　合金钢的分类

（2）合金钢的牌号

合金钢的牌号是采用合金元素符号和数字来表示的，即数字＋合金元素符号＋数字。

1）合金元素符号最前的数字表示含碳量。低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢用二位数字表示平均含碳量（以万分之几计）。不锈耐酸钢、耐热钢等，一般用一位数字表示平均含碳量（以千分之几计）；平均含碳量小于千分之一的用“0”表示，含碳量不大于0.03％的用“00”表示。

2）紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量。平均合金含量小于1.5％时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量。当平均合金含量≥1.5％、2.5％、3.5％…时，则相应地以2、3、4…表示。高碳铬轴承钢，其含铬量用千分之几计，并在牌号头部加符号“G”。例如，平均含铬量为0.9％的轴承钢，其牌号表示为“GCr9”。

3）高级优质合金钢（含S、P较低），在牌号尾部加符号“A”。

4）为了表示钢的专门用途，在牌号头部（或尾部）附以相应用途符号。例如，滚动轴承钢前加“G”（“滚”字的汉语拼音字首，如GCr15）；又如20MnK，牌号后附以符号K，则表示此合金多为矿用。

例如25Cr2MoVA牌号的含义：

25表示含碳量0.25％（两位数字表示）；

Cr2表示铬元素含量为1.5％～2.49％；

Mo和V表示这两类金属元素含量＜1.5％；

A表示为高级优质合金钢。

3．铸铁

铸铁：含碳量大于2.11％（一般碳的质量分数为2.5％～5.0％），并含有硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁的可焊性、塑性、韧性和强度均比较差，一般不能锻，但它具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性能，价格便宜，因此在工业上得到了广泛的应用。

（1）白口铸铁

碳以渗碳体形态存在的铸铁，其断面为银白色，这类铸铁既硬又脆，很难进行切削加工，所以很少直接用来制造机器零件。

（2）灰口铸铁

石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称为灰口铸铁，其断口呈灰色，灰口铸铁也因此而得名。灰口铸铁的各项机械性能均较差，工程上很少使用。

（3）球墨铸铁

球墨铸铁是通过在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理，并加入少量的孕育剂以促进石墨化，在浇注后直接获得具有球状石墨结晶的铸铁。(www.xing528.com)

（4）可锻铸铁

经过长时间石墨化退火，使石墨以团絮状存在于铸铁组织中，此类铸铁称为可锻铸铁。根据断面颜色或组织的不同，可锻铸铁又分为黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁三种。常用的是黑心可锻铸铁。

1．金属材料的热处理

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

（1）退火

退火是指将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却（冷却速度最慢），目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火做组织准备。

（2）正火

正火是指将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，对一些要求不高的零件也有将其用作最终热处理。

（3）淬火

淬火是指将工件加热至临界温度以上保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时也会变脆。

淬火按照其冷却方式的不同进行分类，一般分为单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。

（4）回火

回火是指为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却。

其目的是消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。

（5）调质处理

调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。调质可以使钢的性能、材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。

2．金属材料的选用原则

金属材料的选用同其他各类材料一样，是一个比较复杂的问题，正确、合理选材是保证产品最佳性能、工作寿命、使用安全和经济性的基础。

（1）所选用材料必须满足产品零件工作的要求

各种机械产品，由于它们的用途、工作条件等的不同，对其组成的零部件也自然有着不同的要求，具体表现在受载大小、形式、性质及受力状态、工作温度、环境介质、摩擦条件等的不同。

例如，对于航空用燃气涡轮发动机来说，涡轮叶片是整机中工作环境最恶劣的零件，因此，对燃气涡轮工作叶片来说要求是比较高的，对材料的要求也高，要求材料能够耐高温、抗腐蚀，并且有高的耐蠕变和抗疲劳性能，以及在高温下的机械强度等。因此，通常使用镍基高温合金和钴基合金。另外，由于航空发动机是多次使用，所选的材料也直接影响到使用寿命。对于火箭发动机来说，由于它是短时间的一次使用，故在选材方面是不同的，只要短时间性能好就可以。

（2）所选材料必须满足产品零件工艺性能的要求

材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率和生产成本等方面都起着十分重要的作用。

（3）所选材料应满足经济的要求

在满足零件使用性能和质量的前提下，应注意材料的经济性。

对设计选材来说，保证经济性的前提是准确的计算，按零件使用的受力、温度、耐腐蚀等条件选用适合的材料，而不单纯追求某一项指标，能用碳钢的不用合金钢，能用低合金钢的不用高合金钢，能用普通钢的不用不锈耐热钢。

非金属材料是指除金属材料以外的几乎所有的材料，主要有各类高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、部分胶黏剂等）、陶瓷材料（各种陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代无机非金属材料等）和各种复合材料等。

工程材料仍然以金属材料为主，这大概在相当长的时间内不会改变。但近年来高分子材料、陶瓷等非金属材料的急剧发展，在材料的生产和使用方面均有重大的进展，正在越来越多地应用于各类工程中。非金属材料已经不再是金属材料的代用品，而是一类独立使用的材料，有时甚至是一种不可取代的材料。

这里为大家介绍几种有特点的非金属材料。

1．高强度结构材料

非金属材料的密度较钢、铁、铜、铅等金属材料小得多，有些比铝、镁、钛等还轻。按比强度计算，有的纤维树脂复合材料的常温比强度超过高强度钢和高强度铝。这些材料被用来制造手轮、手柄、支架、罩壳、仪表板等一般轻质结构件，也可用来制造飞机机翼和叶片、整体船艇、汽车车身和传动轴、高压容器等高强度结构件，这样可以减轻自重、增加运载能力或提高运行速度，节约能源。

2．减摩耐磨材料

某些无机非金属材料因硬度高而耐磨，如用金刚石、碳化硅、刚玉等制作的砂轮、砂布（纸）、油石、研磨剂和刀具等，可供磨削和切削之用；有些材料因有高弹性而耐磨，如橡胶轮胎和运输皮带能抵抗泥砂、矿石、煤炭等颗粒的磨损；有些材料借其自身固有的润滑性能与低摩擦系数而能减少摩擦和磨损，如塑料、石墨、氮化硅等制成的轴承、导轨、活塞环、密封圈等机械零件，能在无油干摩擦或少油润滑条件下安全运行，这对忌油脂或不便供给油润滑的场合特别有利。

3．耐腐蚀材料

如陶瓷、搪瓷、石墨、铸石、塑料等的大多数品种都能耐酸、碱、盐、有机溶剂和很多其他化学药品，如不透性石墨能抵抗浓酸和浓碱，聚四氟乙烯塑料几乎能耐所有化学药品，甚至在氧化性最强的沸腾王水中也不受侵蚀。这些材料适于制造化工用的容器、塔器、鼓风机、泵、管、阀等机械设备和零部件。

为汽车发动机曲轴选材并选择合理的热处理方法。

（1）汽车发动机曲轴（如图5－4所示）的工作条件分析

图5－4　汽车发动机中的曲轴

观察汽车发动机曲轴，并分析其工作环境和工作条件，并将其工作环境和条件记录下来。

（2）汽车发动机曲轴的材料选择

中、小功率内燃机曲轴最常用的材料是45钢、40Cr等。

（3）汽车发动机曲轴的热处理

曲轴加工工艺路线：下料—锻造—退火—粗加工（留调质余量）—调质—精加工（留磨削余量）—表面淬火、低温回火—精磨。

1．常用的金属材料有________和________。

2．常见的金属材料的工艺性能要求有________。

3．常用的热处理方式有________、________、________和________。

4．热处理一般包括________、________和________三个步骤。

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(1) 屈服现象指当应力达到一定值时，应力虽不增加（或者在小范围内波动），但变形却急剧增长的现象。