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1材料的機(jī)械性能指標(biāo)與常用工程材料 工程機(jī)械的機(jī)構(gòu)零件 金屬結(jié)構(gòu) 連接件均由黑色金屬 有色金屬和非金屬等材料加工制成 設(shè)計(jì)工程機(jī)械時(shí) 應(yīng)考慮材料的機(jī)械性能和使用要求合理選擇材料 1 1材料主要機(jī)械性能材料主要機(jī)械性能指標(biāo)有強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 塑性 韌性 硬度和可焊性 1 1 1強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 下圖是常用碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖1 當(dāng)應(yīng)力值小于比例極限 p時(shí) 應(yīng)力與應(yīng)變之間成正比例關(guān)系 其比值即為鋼材的彈性模量E 2 當(dāng)應(yīng)力到達(dá)屈服點(diǎn) s時(shí) 應(yīng)力即使不再增加 應(yīng)變卻會(huì)繼續(xù)增加 應(yīng)力一應(yīng)變曲線成水平段 稱(chēng)為屈服階段 可近似地認(rèn)為鋼材在應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)之前是彈性體 而在屈服點(diǎn)之后是塑性體 3 應(yīng)變超過(guò)屈服界階段之后 鋼由于應(yīng)變硬化 應(yīng)力 應(yīng)變曲線開(kāi)始上升 但應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈線性關(guān)系 而應(yīng)變?cè)黾虞^快 最后達(dá)到曲線的最高點(diǎn) 材料出現(xiàn)頸縮而破壞 稱(chēng)極限強(qiáng)度 b 1 1 2鋼材的塑性和韌性 鋼材的塑性用靜力拉伸試驗(yàn)中的延伸率和載面收縮率來(lái)衡量 延伸率 試件總伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距之比 延伸率是說(shuō)明鋼材塑性的指標(biāo) 延伸率大則鋼的塑性好 加工容易 承載時(shí)雖出現(xiàn)較大變形而并不破壞 鋼材的韌性表征材料破壞前吸收機(jī)械能量的能力 硬度表征材料表面抵抗硬物壓入或刻畫(huà)的能力 硬度試驗(yàn)的方法很多 常用的有布氏硬度和洛氏硬度 1 布氏硬度以一定壓力F將直徑為D的淬硬鋼球或硬質(zhì)合金球壓入表面 并保持一段時(shí)間 10 30s 在試樣表面形成直徑為d的壓痕 以壓痕單位面積上承受的壓力值來(lái)衡量材料的硬度 查表就能得到布氏硬度值 布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確性較高 但因采用的壓力較大 壓痕也較大 故不宜用來(lái)測(cè)試成品零件和較薄的試樣 通常用來(lái)測(cè)試硬度較低的原材料 如退火鋼和銅 鋁等 1 1 3硬度 2洛氏硬度 洛氏硬度也是一種壓入式硬度試驗(yàn)法 以壓痕深度來(lái)衡量材料的硬度 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是壓痕小 測(cè)試簡(jiǎn)便迅速 特別適合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試零件硬度 但其測(cè)量準(zhǔn)確性不及布氏硬度 表1 1 1常用洛氏硬度標(biāo)尺及適用范圍 1 1 4鋼材的可焊性 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)大多為焊接結(jié)構(gòu) 鋼材的可焊性是衡量鋼材焊接工藝好壞的指標(biāo) 人們通常用焊縫及其相鄰的基本金屬的抗裂性和使用性能來(lái)說(shuō)明材料可焊性的優(yōu)劣 碳素結(jié)構(gòu)鋼的可焊性 可以粗略地用碳當(dāng)量來(lái)表示 當(dāng)碳當(dāng)量 0 45 時(shí) 則認(rèn)為鋼材的可焊性良好 1 2黑色金屬材料 1 2 1鋼與鑄鐵1 2 1 1鋼及分類(lèi)鋼是含碳量在0 0218 2 11 之間的鐵碳合金 有些鋼除了含有鐵和碳這兩種必備元素外 還含有其他種類(lèi)的合金元素 這些鋼稱(chēng)為合金鋼 不含合金元素的鋼稱(chēng)為碳素鋼 鋼中常見(jiàn)的合金元素有鉻 Cr 錳 Mn 硅 Si 鎳 Ni 鎢 W 鉬 Mo 等 此外 鋼中還含有少量雜質(zhì)元素 其中硫和磷會(huì)使鋼的性能降低 因此高品質(zhì)的鋼都要嚴(yán)格限制硫和磷的含量 按化學(xué)成份分類(lèi)低碳鋼 含碳量0 60 低合金鋼 合金元素總量10 1 2 1 2鑄鐵及分類(lèi) 鑄鐵是含碳量大于2 11 的鐵碳合金 在常用的鑄鐵中 硅也是一種重要元素 灰口鑄鐵一般含有2 8 3 8 的碳 1 0 3 0 的硅 組織中存在片狀石墨 灰口鑄鐵的強(qiáng)度 塑性和韌性都較低 但有良好的鑄造性 吸震性和可切削性且成本低廉 制造箱體 球墨鑄鐵組織中存在球狀石墨 力學(xué)性能明顯優(yōu)于灰口鑄鐵 與鋼接近 但鑄造性能不及灰口鑄鐵 成本也稍高 制造曲軸 連桿等機(jī)械零件 1 2 1 3工程機(jī)械常用鋼 工程機(jī)械大都以泥沙 巖石為作業(yè)對(duì)象 工作環(huán)境惡劣 在作業(yè)中承受較大的沖擊載荷和強(qiáng)烈磨料磨損 因此 工程機(jī)械用材要求具有耐疲勞性能 耐磨性 耐沖擊性 低溫韌性 耐腐蝕性和良好的可焊性 大部分材料采用碳鋼和低合金鋼 如Q235 16Mn 20CrMnTi 30CrMnSi等 其中高強(qiáng)度低合金鋼 以其高強(qiáng)度 延伸性 耐磨性 低溫韌性和可焊性良好而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 在節(jié)省材料 減輕自重 提高耐磨性方面起到很好的作用 如美國(guó)卡特皮勒公司992B裝載機(jī)鏟斗選用的低合金鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到990MPa 1 2 2鋼的熱處理 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下進(jìn)行加熱 保溫和冷卻 使鋼得到預(yù)期的組織和性能的工藝方法 鋼在進(jìn)行加熱或冷卻的過(guò)程中 內(nèi)部組織將發(fā)生變化 機(jī)械性能發(fā)生變化 但不改變其形狀和尺寸 熱處理在機(jī)械零件制造中占有重要的地位 例如 鋼件毛坯在切削加工之前 可以通過(guò)熱處理降低其硬度 以便于切削 加工成零件之后 又可通過(guò)熱處理提高力學(xué)性能 使零件具有良好的使用性能和較長(zhǎng)的使用壽命 熱處理的方法很多 不同的熱處理工藝 主要在于加熱溫度高低 保溫時(shí)間長(zhǎng)短和冷卻速度快慢的不同 熱處理可分為普通熱處理工藝和表面熱處理 1 2 2 1鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理工藝是生產(chǎn)中應(yīng)用最普通的熱處理工藝 包括退火 正火 淬火與回火四種 1 退火退火是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上某一溫度保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝 對(duì)鋼進(jìn)行退火的目的是 降低硬度以便切削加工 提高塑性 韌性以便于進(jìn)行變形加工 冷沖壓及冷拔等 消除內(nèi)應(yīng)力 改善某些不良組織 2 正火正火是將鋼加熱到完全奧氏體狀態(tài) 然后從爐中取出 在空氣中冷卻的熱處理工藝 正火主要用于改善中 低碳鋼的可切削性 消除某些鋼中的不良組織 一些性能要求不高的中碳鋼零件 也可以在正火后使用 而不必淬火 回火 3 淬火淬火是將鋼件加熱到臨界點(diǎn)以上并保溫一段時(shí)間 然后快速冷印 使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝 為了獲得足夠快的冷卻速度 淬火時(shí)通常是將鋼件置于水或油中冷卻 由于馬氏體具有高硬度 高碳馬氏體 或高強(qiáng)度 低碳馬氏體 所以淬火是使鋼強(qiáng)化最有效 最重要的方法之一 4 回火 回火是將淬水后的鋼件加熱到臨界點(diǎn)以下某一溫度 保溫一般時(shí)間后冷卻到室溫的熱處理工藝 鋼件在淬火后強(qiáng)度和硬度將顯著提高 但韌性往往降低很多 此外 淬火時(shí)急劇冷卻將使鋼件產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力可能導(dǎo)致零件變形甚至開(kāi)裂 因此鋼件在淬火后必須及時(shí)進(jìn)行回火 根據(jù)回火溫度的高低 回火工藝分為以下三種 低溫回火 溫度為150 250 可減小鋼件的內(nèi)應(yīng)力 使韌性有所改善 同時(shí)保持高的硬度和強(qiáng)度 低溫回火適用于要求硬度高 耐磨性好的零件 如刀具 量具 冷沖模 滾動(dòng)軸承等 中溫回火 溫度為350 500 可顯著減小鋼件淬火后的內(nèi)應(yīng)力 提高彈性 適用于彈簧 高溫回火 溫度為500 650 可消除內(nèi)應(yīng)力 使鋼件獲得較好的韌性與較高的強(qiáng)度 亦即通常所說(shuō)的獲得良好的綜合力學(xué)性能 鋼的這種淬火并高溫回火的工藝又稱(chēng)為調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)處理適用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的且要求具有良好綜合力學(xué)性能的零件 如軸 螺栓 連桿 曲軸等 1 2 2 2鋼的表面熱處理 有些機(jī)構(gòu)零件如齒輪 活塞銷(xiāo) 凸輪軸等 在工作時(shí)表面易磨損 整體又受較大的動(dòng)負(fù)荷 這些零件的表面應(yīng)具備高的硬度和耐磨性 心部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性 采用普通熱處理難以使鋼件兼顧到這樣表里不一致的性能要求 鋼的表面熱處理卻能解決這個(gè)問(wèn)題 表面淬火 表面淬火是對(duì)鋼件快速加熱 在熱量來(lái)不及傳到心部的情況下 表面溫度就升到臨界以上 產(chǎn)生奧氏體組織 隨即快速冷卻 使表面獲得馬氏體組織 從而提高表面硬度和耐磨性 鋼件心部仍保持原來(lái)的組織和性能 此外還有化學(xué)熱處理 滲碳 滲氮 滲硼 滲鋁和滲鉻等 以改變表面的化學(xué)成分 從而改變表層的組織和性能 1 2 3型材及應(yīng)用特點(diǎn) 由鋼材軋制成的鋼板和型鋼是制造工程機(jī)械最基本的元件 鋼板有厚鋼板和薄鋼板 制造支撐板 蓋板和封板 型鋼包括等邊角鋼 不等邊角鋼 槽鋼 普通工字鋼 槽鋼等 角鋼多用作承受軸向力桿件和支撐桿件 槽鋼和工字鋼主要用于承受橫向彎曲的桿件 鋼管由于截面對(duì)稱(chēng) 截面積分布合理 是中心受壓桿件的理想截面 有色金屬是指除鋼鐵 黑色金屬 以外的其他金屬 有色金屬具有某些特殊的性能 如耐磨性 耐蝕性 導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性等 所以也是工業(yè)上的重要材料 常用的有鋁 銅 鎂 鈦及其合金 但有色金屬一般價(jià)格昂貴 只有在需滿足某些特殊性能要求時(shí)才采用 1 3 1鋁及鋁合金1 3 1 1純鋁純鋁呈白色 密度小 2 7g cm3 熔點(diǎn)低 865 導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?xún)H次于銀和銅 在大氣中有良好的抗腐蝕性 1 3有色金屬材料 1 3 1 2鋁合金 在鋁中加入銅 鎂 錳和硅等元素制成的鋁合金 強(qiáng)度較純鋁有大幅度提高 成為重要的結(jié)構(gòu)材料 鋁合金具有容重小 26500 2800N m3 強(qiáng)度不比其他鋼材低 低溫沖擊韌性好 耐腐蝕強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 在工程機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)中是一種有發(fā)展前途的材料 可以制成重量輕又承受較高負(fù)荷的零件 如飛行器外殼 所以鋁合金是一種重要的航空結(jié)構(gòu)材料 國(guó)外采用鋁合金制造汽車(chē)起重機(jī)吊臂 使起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)自重降低40 鋁合金的可焊性較差 彈性模數(shù)小 只有鋼的三分之一 線膨脹系數(shù)高 疲勞強(qiáng)度低 價(jià)格昂貴 1 3 2銅及銅合金 1 純銅純銅呈紅色 又稱(chēng)紫銅 密度為8 9g cm3 熔點(diǎn)為1083 具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性 化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定 有一定耐腐蝕性 塑性好 40 50 但強(qiáng)度低 230 250MPa 純銅不宜用作結(jié)構(gòu)材料 主要用于制造導(dǎo)電器材和配制各種合金 銅合金按照化學(xué)成分及外觀色澤的特點(diǎn)分為黃銅 青銅和白銅三大類(lèi) 機(jī)械工程上常用的是黃銅和青銅 黃銅的機(jī)械性能 抗腐蝕性和工藝性能都比較好 并有美觀的金黃色光澤 價(jià)格較純銅和其他銅合金便宜 因此是應(yīng)用較廣泛的銅合金 青銅的彈性 耐磨性及耐蝕性?xún)?yōu)于黃銅 可用來(lái)制造彈性 耐磨性 耐蝕性更高的零件 2 銅合金 1 4其它工程材料 1 4高分子聚合物材料聚合物是以石油 天然氣 煤及動(dòng)植物等為原料 用化學(xué)方法提煉 合成 生產(chǎn)出的材料 由于其分子量很大 所以又稱(chēng)為高分子聚合物材料 簡(jiǎn)稱(chēng)高聚物 高聚物可分為塑料和橡膠兩大類(lèi) 1 4 1塑料 相對(duì)于橡膠而言 塑料是在常溫下具有較高強(qiáng)度和剛性的高聚合物材料 按照應(yīng)用范圍 塑料可分為通用塑料和工程塑料兩大類(lèi) 通用塑料是指產(chǎn)量大 價(jià)格低 應(yīng)用廣泛的塑料 有聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯烯 聚丙烯 酚醛和氨基塑料六大品種 工程塑料是指具有優(yōu)良性能的塑料 主要用于電器 機(jī)械 化工等工業(yè)部門(mén) 工程塑料一般具有較高的強(qiáng)度 耐熱性 尺寸穩(wěn)定性和抗老化性 1 4 2橡膠 橡膠是在常溫下具有很高彈性的高聚物材料 橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類(lèi) 橡膠的主要性能特點(diǎn)是彈性很好 受力時(shí)能產(chǎn)生100 1000 的彈性變性 此外還具有很好的耐磨性 氣密性 耐蝕性和電絕緣性 常用于制造輪胎 電纜絕緣層 氣體和液體的輸送管道及容器 彈性元件 減震元件 密封元件等