復旦設計與制造課件01工程材料

工程材料

馬建敏(Email:jmma@)Fudan

University緒論一、材料科學的重要地位與作用二、工程材料的分類一、材料科學的重要地位與作用材料是人類用來制造各種有用物件的物質，它是人類社會生存與發展、征服自然和改造自然的物質基礎，也是人類社會現代文明的重要支柱。在人類社會漫長的進化過程中，材料一直被認為是社會生產力發展的標志。每一種新材料的發展和應用都把人類改造自然的能力提高到一個新的水平，把人類文明帶進一個新的階段。人類使用材料的發展歷史無論遠古時代，還是生產力高度發達的今天，無論是工業、農業、現代國防，還是日常生活均離不開材料。20世紀的四項重要發明，即原子能、半導體、計算機、激光器都離不開材料科學的發展。公元前10萬年石器時代公元前3000年青銅器時代公元前1000年鐵器時代公元0年水泥時代公元1800年鋼時代公元1950年硅時代公元1990年新材料時代二、工程材料的分類工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔某種功能，被用來制取零件和元件的材料。工程材料種類繁多，有許多不同的分類方法。1.按材料的化學組成分類(1)金屬材料金屬材料可分為黑色金屬材料(鋼和鑄鐵)及有色金屬材料(除鋼鐵以外的金屬材料)。有色金屬材料種類很多，按照它們特性的不同，又可分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬和放射性金屬等多種。金屬材料仍然是目前應用最廣泛的工程材料。(2)無機非金屬材料無機非金屬材料包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。它們的主要原料是硅酸鹽礦物,又稱硅酸鹽材料。(3)高分子材料高分子材料按材料來源可分為天然高分子材料(蛋白、淀粉、纖維素等)和人工合成高分子材料(合成塑料、合成橡膠、合成纖維)。按性能及用途可分為塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料。(4)復合材料由于多數金屬材料不耐腐蝕,無機非金屬材料脆性大,高分子材料不耐高溫,人們把上述兩種或兩種以上的不同材料組合起來,使之取長補短、相得益彰就構成了復合材料。復合材料由基體材料和增強材料復合而成。基體材料有金屬、塑料、陶瓷等,增強材料有各種纖維和無機化合物顆粒等。2.按材料的使用性能分類(1)結構材料結構材料是以強度、剛度、塑性、韌性、硬度、疲勞強度、耐磨性等力學性能為性能指標,用來制造承受載荷、傳遞動力的零件和構件的材料,可以是金屬材料、高分子材料、陶瓷材料或復合材料。(2)功能材料功能材料是以聲、光、電、磁、熱等物理性能為指標,用來制造具有特殊性能的元件的材料,如大規模集成電路材料、信息記錄材料、充電材料、激光材料、超導材料、傳感器材料、儲氫材料等都屬于功能材料。目前功能材料在通訊、計算機、電子、激光和空間科學等領域中扮演著極其重要的角色。第一章工程材料的性能本章主要討論工程材料的使用性能：即在使用條件下表現出來的性能，包括物理、化學、力學性能。它決定了材料的使用范圍與壽命。材料的力學性能是指材料在外力作用下所表現出的抵抗能力。由于載荷的形式不同，材料可表現出不同的力學性能，如強度、硬度、塑性、韌性、疲勞強度等。材料的力學性能是零件設計、材料選擇及工藝評定的主要依據。低碳鋼拉伸曲線材料伸長量材料原長試樣原始橫截面積工程材料的強度強度：在載荷作用下材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，一般多以抗拉強度作為基本的強度指標（）屈服強度：材料抗塑性變形的能力國家標準規定：殘余應變量為0.2%時的應力值作為屈服強度，稱為條件屈服強度，即抗拉強度:材料抵抗斷裂的能力注:若不允許塑性變形，用來校核強度(空氣壓縮機機匣螺栓);若只要求不斷裂,用校核(一般機械上的連接螺栓)

剛度與彈性模量剛度是指零件或構件抵抗彈性變形的能力。在構件形狀、尺寸不變的情況下，其剛度決定于材料的彈性模量。在比例極限（）的范圍內有：彈性模量主要取決于金屬的本身性質，與晶格類型和原子間距有關，而熱處理等強化手段對彈性模量影響極小。材料的塑性塑性是指在外力作用下材料產生永久變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標是伸長率（）和斷面收縮率（）注：的大小與試樣的長度有關，而與試樣的尺寸無關，而且對材料的塑性更敏感，更可靠地反映材料的塑性。和的值越大，表示金屬的塑性越好。材料的硬度硬度即材料的堅硬程度，如果過低，那么在材料使用過程中表面會容易產生劃痕、凹坑和磨損。工程上用于測量材料硬度方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。肖氏硬度用來測量橡膠的硬度。布氏硬度（HB）布氏硬度值實際上是指材料壓坑單位球面積上的抵抗力優點：受材料不均勻度影響小，誤差小缺點：當材料太硬（布氏硬度大于650）時，球形壓頭可能變形；也不宜檢測成品、小件、薄件的硬度洛氏硬度（HR）洛氏硬度值的計算深度為兩次壓深的差值（）優點：測量簡便，直接讀數，表面壓坑小，多用于較薄材料或成品檢測缺點：深度過小，誤差較大，常采用不同部位多點測量，取平均值維氏硬度（HV）維氏硬度值的測量方法與布氏硬度法類似（1360）優點：測量精度高，可測硬度范圍寬，特別適宜測定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度缺點：維氏硬度計試驗效率低，要求較高的試驗技術，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗室中使用肖氏硬度（HS）應用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳其中K為常數，金屬彈性極限越高，塑性變形越小，則儲存的彈性能量越高，回跳的高度也越高，表明材料越硬。優點：沖擊力小，產生的壓痕小，對試樣破壞小。肖氏硬度計重量輕，攜帶方便，適應現場測量莫氏硬度應用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發生劃痕，習慣上礦物學或寶石學上都是用莫氏硬度用測得的劃痕的深度分十級來表示硬度：滑石1，石膏2，方解石3，螢石4，磷灰石5，正長石6，石英7，黃玉8，剛玉9，金剛石10應用時作刻劃比較確定硬度。如某礦物能將方解石刻出劃痕，而不能刻螢石，則其莫氏硬度為3～4，其他類推。莫氏硬度僅為相對硬度，比較粗略優點：莫氏硬度應用方便，野外作業時常采用沖擊韌度帶缺口的試件在沖擊破壞時斷裂面上所吸收的能量，是評定材料塑性變形和抵抗沖擊能力的一種實用指標試樣橫截面單位面積上所消耗的功即為沖擊韌度值金屬材料的沖擊韌度值不能直接用于零件的設計計算,但對承受沖擊載荷的零件,有一定的沖擊韌度要求,以保證零件使用的安全性疲勞斷裂和疲勞強度在交變載荷作用下,工作應力遠小于抗拉強度或屈服強度時,長期工作后斷裂的現象叫做疲勞斷裂。機理：材料表面的刀痕、尖角等應力集中處和內部的夾渣、氣孔等缺陷處首先產生裂紋，隨循環周次數的增加，疲勞裂紋不斷擴展，直至零件的有效橫截面積不能承受時突然斷裂材料的應力循環次數達到某一基數而不斷裂的最大應力就為該種材料的疲勞強度提高疲勞強度措施：改進設計（避免尖角、降低表面粗糙度等）和表面強化工藝（表面淬火、化學熱處理、噴丸、滾壓等）材料高溫性能溫度對材料的力學性能影響很大，一般隨溫度的升高，金屬材料的強度和彈性模量降低而塑性增加。但當高溫長時負載時，金屬材料的塑性卻顯著降低，往往出現脆性斷裂現象。注：高溫或低溫是相對金屬的熔點而言，常采用約比溫度，即試驗或工作溫度/金屬熔點，當約比溫度大于0.5時為高溫、反之為低溫蠕變蠕變就是金屬材料長時間的在一定溫度下和應力作用下即使應力小于，也會緩慢地發生塑性變形的現象。蠕變在低溫下也會產生，但只有約比溫度大于0.3時才比較顯著。第一階段：蠕變減速階段，包括瞬時變形和蠕變變形第二階段：穩態蠕變階段或最小蠕變速度階段（變形與時間線性）第三階段：蠕變加速階段，直到斷裂蠕變強度蠕變強度：材料在高溫長時載荷作用下抵抗塑性變形的能力。有兩種表示方法：在規定時間內達到規定變形量的蠕變強度，記為，單位MPa，例如：表示試樣在800經過1000小時，發生0.2%變形量的應力為60MPa，這種蠕變強度一般用于需要提供總蠕變變形的構件設計穩態蠕變速度達到規定值時的蠕變強度，記為，單位MPa，例如：表示試樣在600，穩態蠕變速度為時的蠕變強度為60MPa，這種蠕變強度一般用于受蠕變變形控制的，工作時間較長的構件設計持久強度與高溫疲勞持久強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力。大小用給定溫度T下，恰好使材料經過規定時間t發生斷裂的應力值表示，記為，規定時間是以機組的設計壽命為依據的。對于設計某些在高溫運轉過程中不考慮變形量大小，而只考慮在承受給定應力下使用壽命的零件來說，金屬材料的持久強度是極其重要的性能指標。金屬材料在高溫下的疲勞強度往往是疲勞與蠕變同時作用的結果，一般地，溫度升高，疲勞強度逐漸下降，當溫度超過0.5時，疲勞強度會急劇下降。金屬的物理性能密度小于的金屬為輕金屬，反之為重金屬金屬從固態向液態轉變時的溫度為熔點金屬的導熱性以銀最好，銅、鋁次之。合金導熱性比純金屬差。導熱性通常用導熱率來衡量。金屬導電性以銀最好，銅、鋁次之。合金的導電性比純金屬差。導電性用電阻率來衡量。金屬熱膨脹性用線膨脹系數和體膨脹系數表示。金屬材料分為鐵磁性材料、順磁性材料、抗磁性材料；鐵磁性材料當溫度升高到一定數值（居里點）時，變為順磁體了。高分子材料的物理、化學性能聚合物內部為共價鍵，沒自由電子和離子，為絕緣體。熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高，同金屬相比，高聚物耐熱性較低。是其一大不足。高聚物的化學穩定性很高（塑料王聚四氟乙烯）老化是高聚物的缺點（不可逆），對于橡膠為變脆、龜裂或變軟、發粘；對于塑料是退色、失去光澤和開裂。老化的原因：分子鏈的結構發生了降解和交聯。改進的措施：表面防護；改進高聚物結構，減少各層次結構上的弱點，提高穩定性；加入防老化劑，消除游離基，抑制鏈式反應，阻礙分子鏈降解和交聯，達到防止老化的目的；陶瓷的物理和化學性能熱膨脹性能：陶瓷的線膨脹系數比高聚物低，比金屬低陶瓷的導熱性主要依靠原子的熱振動，由于沒有自由電子的傳熱作用，所以陶瓷導熱性比金屬小，屬絕熱材料熱穩定性為陶瓷在不同溫度范圍波動時的壽命，一般用急冷水中不破裂所能承受的最高溫度來表示。陶瓷的熱穩定性很低，比金屬低得多，這個是陶瓷的缺點。化學穩定性：陶瓷是很好的耐火、耐腐蝕等材料陶瓷導電性變化范圍很廣，大多絕緣體，又有半導體總結：不可燃、高耐熱、高化學穩定性、不老化性、高硬度和良好的抗壓能力，但脆性高，溫度急變抗力低，抗拉、抗彎性能差。陶瓷的物理和化學性能熱膨脹性能：陶瓷的線膨脹系數比高聚物低，比金屬低陶瓷的導熱性主要依靠原子的熱振動，由于沒有自由電子的傳熱作用，所以陶瓷導熱性比金屬小，屬絕熱材料熱穩定性為陶瓷在不同溫度范圍波動時的壽命，一般用急冷水中不破裂所能承受的最高溫度來表示。陶瓷的熱穩定性很低，比金屬低得多，這個是陶瓷的缺點。化學穩定性：陶瓷是很好的耐火、耐腐蝕等材料陶瓷導電性變化范圍很廣，大多絕緣體，又有半導體總結：不可燃、高耐熱、高化學穩定性、不老化性、高硬度和良好的抗壓能力，但脆性高，溫度急變抗力低，抗拉、抗彎性能差。

第二章材料改性方法

（金屬熱處理）金屬的熱處理：是將金屬在固態范圍內加熱到一定溫度下，進行必要的保溫，并以適當的速度冷卻至室溫，以改變其內部組織，從而獲得所需性能的工藝方法。通過熱處理可以提高材料的強度、硬度，改善塑性、韌性及切削性能。機床中熱處理零件占到60-70%，汽車中占80%，飛機上的金屬零件100%要進行熱處理。2.1鐵碳合金狀態圖（相圖）

一、鐵碳合金狀態圖（相圖）下圖為Fe-Fe3C狀態圖，表示各種成分的鐵碳合金，在不同溫度下的狀態圖。

由于C>6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價值，因此相圖成分軸僅標出含碳量小于6.69%的合金部分。二、鐵碳合金狀態圖的應用利用狀態圖可以對鐵碳合金在溫度變化時其狀態的變化進行分析。狀態圖是編制鑄造、鍛造、熱處理等工藝的重要依據和分析合金組織、組織轉變以及合金性能的有力工具。根據鐵碳狀態圖可分析鐵碳合金的結晶過程和加熱時的組織轉變。需要注意的是，狀態圖中的組織轉變是在溫度變化極其緩慢的情況下發生的。溫度變化較快時的組織轉變與狀態圖有差別。主要分為如下五個部分進行說明：（1）分析鐵碳合金的結晶過程（2）分析加熱時的組織轉變（3）分析鐵碳合金組織（4）判斷鐵碳合金的力學性能（5）判斷鐵碳合金熱加工工藝性（6）確定工藝參數2.2熱處理工藝熱處理工藝的基本過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段。常用熱處理工藝可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類。普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火。表面熱處理包括表面淬火、滲碳、滲氮和碳氮共滲等，滲碳、滲氮和碳氮共滲又叫化學熱處理。一、退火退火：將鋼加熱到高于或低于臨界溫度，保溫一段時間后，然后緩慢冷卻(如隨爐或埋入導熱性能較差的介質中)，從而獲得接近于平衡組織的一種熱處理工藝。目的及作用：退火可降低硬度，以利于切削加工，細化晶粒，改善組織，提高力學性能。消除內應力，為下一道淬火工序做好準備。提高鋼的塑性和韌性，便于繼續冷沖壓或拉拔加工。由于退火的目的不同。主要退火工藝有：完全退火、球化退火、等溫退火、去應力退火、再結晶退火和擴散退火。二、正火定義：正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(過共析鋼)以上（30～50）℃的溫度，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝。目的及作用：其冷卻速度較退火快些，所得到的組織較細（索氏體），同樣鋼件在正火后的強度和硬度比退火后高，而且鋼的含碳量越高，用這兩種方法處理后的強度和硬度的差別愈大。對于亞共析鋼主要是細化晶粒，均勻組織，提高力學性能；對于力學性能要求不高的普通結構零件，正火可作為最終熱處理；對于中高碳鋼則應采用退火；因為正火后的硬度可能過高，不利于加工。優點：正火是在爐外冷卻，不占用加熱設備，生產周期比退火短，生產效率高，能量消耗少，工藝簡單、經濟，所以，低碳鋼多采用正火來代替退火。三、淬火定義：將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上（30～50）℃，保溫一定時間使之奧氏體化，然后迅速冷卻至室溫，從而獲得馬氏體組織的工藝。

目的：一般是提高鋼的硬度或獲得馬氏體組織，隨后再配合適當的回火，以獲得多種多樣的使用性能。淬火溫度:碳鋼的加熱溫度主要由鋼中的含C量根據Fe-Fe3C相圖來確定，如圖所示為碳鋼的淬火加熱溫度范圍

淬火冷卻介質要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于該鋼種的臨界冷卻速度，而快冷總是不可避免地要造成很大的內應力，往往會引起鋼件的變形和開裂。因此，冷卻介質對鋼的理想淬火冷卻速度應是“慢――快――慢”，如圖所示。生產中常用的冷卻介質有:水：在（650～400）℃范圍內冷速很大，保證工件獲得馬氏體組織，但在300℃以下冷卻能力仍然很強，工件易發生變形和開裂，這是水的最大弱點。一般用于形狀簡單碳鋼件的淬火。鹽水：冷卻能力比一般清水還強，因為工件表面的結晶鹽發生爆炸，破壞了包圍工件的蒸汽膜，有利于散熱。油類淬火劑：多為礦物油，一般用于合金鋼或小尺寸碳鋼件的淬火。四、回火定義：回火就是將淬火后的鋼重新加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一段時間，然后置于空氣或水中冷卻的熱處理方法。回火的目的:

1.降低淬火鋼的脆性和內應力，防止變形或開裂。2.調整和穩定淬火鋼的結晶組織以保證工件不再發生形狀和尺寸的改變。3.獲得不同需要的力學性能，通過適當的回火來獲得所要求的強度、硬度和韌性，以滿足各種工件的不同使用要求，淬火鋼經回火后，其硬度隨回火溫度的升高而降低，回火，一般也是熱處理的最后一道工序。因此，淬火與回火必須結合起來才能發揮良好的作用。

五、鋼的表面熱處理

機械制造業中，很多機器零件要求表面耐磨損，不易產生疲勞破壞，而心部則要求有足夠的韌性，如齒輪、軸、凸輪等。進行表面熱處理時滿足這類性能要求的最有效的方法。表面熱處理可分為兩類：表面淬火和化學熱處理。

（1）表面淬火目的：使零件表面具有高的強度、硬度、耐磨性和疲勞極限，而心部仍保持足夠的塑性和韌性，即“表硬里韌”。各種齒輪、凸輪、頂桿、套筒及軋輥等工件，經常通過表面熱處理進行強化。

表面淬火適用材料：中碳鋼或中碳合金鋼。工藝特點：快速加熱，使工件表面迅速升溫至淬火溫度，而工件心部仍處于A1以下，這時立即噴水冷卻，使工件表面層被淬硬成為馬氏體，心部仍是原來的組織，保持著良好的韌性。種類：根據加熱方法不同，主要有：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火以及電解液加熱表面淬火等幾種。應用最多的為感應加熱和火焰加熱表面淬火法。①感應加熱表面淬火定義：是采用一定方法使工件表面產生一定頻率的感應電流，將零件表面迅速加熱，然后迅速淬火冷卻的一種熱處理操作方法。原理：電磁感應產生同頻率的感應電流即渦流。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，心部幾乎等于零，而表面電流密度極大，稱為“集膚效應”，頻率愈高，電流密度極大的表面層愈薄。依靠這種電流和工件本身的電阻，使工件表面迅速加熱到淬火溫度，而心部溫度仍接近室溫，然后立即噴水冷卻，使工件表面淬硬。分類：感應加熱可分為三類：(1)高頻加熱常用頻率為（200～300）KHZ，淬硬層深度為（0.5～2.5）mm，適用于中、小型零件，如小模數齒輪、軸類等。(2)中頻加熱常用頻率為（2500～8000）HZ，淬硬層深度為（2～10）mm，適用于直徑較大的軸類和大、中模數齒輪以及鋼軌、機床導軌等。(3)工頻加熱電流頻率為50HZ，不需要頻設備，城市用交流電即可，適用于淬硬層深度為（10～20）mm以上的大型工件或用于穿透加熱。如火車車輪等的表面淬火。

優缺點：感應加熱表面淬火加熱速度快，生產率高，加熱溫度和淬硬層深度容易控制，工件表面氧化和脫碳少，工件變形小，可以使全部淬火過程實現機械化、自動化。其缺點是設備較昂貴，形狀復雜的零件感應圈不易制造，且僅適用于大批量生產。適用過程：調質處理---表面淬火---低溫回火。

②火焰加熱表面淬火定義：火焰加熱表面淬火是用乙炔－氧或煤氣－氧的混合氣體燃燒的高溫火焰，噴射在零件表面上，使它快速加熱達到淬火溫度，而心部溫度仍很低，隨即噴水冷卻，從而獲得高硬度馬氏體組織和淬硬層的一種表面淬火方法，如圖所示。優缺點：淬硬層深度一般為（3～6）mm，若要獲得更深的淬硬層，會引起零件表面嚴重的過熱，且易產生淬火裂紋。由于淬火質量不夠穩定，生產率低，限制了它的廣泛應用。但它具有方法簡便靈活，無需特殊設備、成本低等優點，適用于單件或小批量生產的大型或需要局部淬火的零件。如大型軸、大齒輪、軋輥、齒條、鋼軌面等。（2）化學熱處理定義：是將工件置于特定介質中加熱和保溫，使一種或幾種元素滲入工件表面，以改變表層化學成分組織和性能，并能用低廉的碳鋼或合金鋼來代替某些較昂貴的高合金鋼。近年來化學熱處理發展迅速。通過化學熱處理能有效地提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗疲性等。種類：滲碳、滲氮和碳氮共滲①滲碳：滲碳是向低碳(0.1～0.25C)的碳鋼或合金鋼的表面層滲入碳原子的過程。分類：按滲碳劑的不同，滲碳法可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種。前兩種應用較廣泛。氣體滲碳速度0.2mm/h，一般滲碳層厚度0.5—2mm，滲碳后零件表面含碳量約為0.8%—1.0%，由表面至內部，含碳量逐漸降低。②氮化：是向鋼的表面滲入氮原子的過程。目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度，又叫滲氮。目前廣泛采用氣體氮化。

優缺點：滲氮后不需淬火，因此變形很小。但是氮化生產周期長、工藝復雜，一般要經過幾十小時甚至上百小時，要得到0.2—0.4mm的氮化層而，氮化時間約需30—50小時。且要用合金鋼使鋼種受限制，因此氮化零件的成本較高，它多用于要求耐磨、耐疲勞、耐蝕的工件上，精密機床的主軸、絲桿、高速精密齒輪、鏜床鏜桿、磨床主軸，汽輪機的閥門、閥桿等。③碳氮共滲鋼件表面同時滲入碳和氮原子，形成碳氮共滲層，以以提高工件的硬度、耐磨性和疲勞強度的處理方法，又稱為氰化。2.3熱處理工序安排根據熱處理在整個零件加工過程當中的工序位置不同，可將熱處理分為預先熱處理和最終熱處理。

一、預先熱處理

作用：消除內應力，細化晶粒，改善組織，改善切削加工性能，并最終熱處理作組織準備。主要包括退火、正火、調質等。其工序位置般在毛坯生產（鑄、鍛、焊）之后，或機械粗加工之后，精加工之前。1、退火、正火鑄、鍛、焊等毛坯生產的加工溫度很高，生產出的毛坯晶粒粗糙，而且往往有很高的殘余應力。毛坯生產（鑄、鍛、焊沖壓）→退火或正火→切削加工毛坯生產（鑄、鍛、焊沖壓）→退火或正火→切削加工→中間退火→切削加工2、調質調質主要是為了保證表面淬火或化學熱處理（如氮化）零件心部的力學性能，以及為易變形零件的最終熱處理作準備。鍛造→正火或退火→粗加工→調質→精加工→表面熱處理或淬火+回火二、最終熱處理最終熱處理是決定零件最終組織和性能的熱處理。包括各種淬火、回火及化學熱處理等。最終熱處理后的零件一般硬度較高。除磨削外，不宜進行其它切削加工，所以一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。

1、淬火整體淬火和表面淬火的工序位置相同。但表面淬火件為了保證心部力學性能，獲得細馬氏體組織，在淬火前先調質或正火。

整體淬火件鍛造→退火或正火→粗加工、半精加工→淬火+回火→精加工（磨削）。

表面淬火件粗加工→調質→半精加工→淬火、低溫回火→精加工（磨削）或者正火→粗加工、半精加工→調質→表面淬火、低溫回火→精加工（磨削）2、滲碳滲碳分整體滲碳和局部滲碳兩種。局部滲碳時，非滲碳部位可采用鍍銅防滲或多留加工余量，滲碳后再去除該處的滲碳層。滲碳后還要進行淬火、回火。滲碳后鋼件表面組織為珠光體和滲碳體，硬度不高。淬火回火后成為馬氏體和滲碳體，硬度大大提高。滲碳后的鋼心部為鐵素體和珠光體，淬火后得到的板條馬氏體具有高強度、高韌性，所以滲碳后必須淬火及低溫回火。整體滲碳粗加工→滲碳→半精加工→淬火、低溫回火→精加工（磨削）局部滲碳粗加工→滲碳→去除局部滲碳→淬火、低溫回火→精加工（磨削）或者粗加工→鍍銅→滲碳→半精加工→淬火、低溫回火→退銅→粗加工3、氮化氮化前先要調質，以保證心部的力學性能。因氮化溫度低，產生的變形小，而且氮化層很薄、很脆，所以氮化前零件一般應精加工到粗磨工序，氮化后只進行精磨或研磨。為了防止因切削加工產生的殘余應力引起氮化件變形，在氮化前常進行去應力退火。對局部氮化零件，可采用鍍錫防滲或留加工余量，氮化后再磨去該余量，氮化的一般加工路線為：粗加工→調質→粗加工→去應力退火→粗磨→氮化→精磨或研磨實際生產中，可根據實際情況對熱處理工序進行調整，幾種零件熱處理的安排如下表。2.4淬火變形及零件的結構工藝性由于淬火時的溫度變化劇烈，工件各部冷卻速度不同，淬火后工件不可避免地會產生變形，工件內部也會有殘余內應力。特別是當淬火零件結構不對稱、壁厚不均勻或操作不當時，工件會產生很大的內應力、變形甚至開裂。殘余應力會在后續加工或以后的使用過程中釋放出來，引起工件變形甚至開裂。可通過淬火后的回火或時效消除應力。在設計零件時，也應考慮到零件結構對淬火應力的影響。在滿足使用要求的前提下，零件的結構形狀應盡量對稱，壁厚均勻，必要時可增加工藝孔或采用組合結構；避免出現尖角、盲孔；在截面變化時應有過度孔；孔與邊緣和尖角的距離不能太近；對某些易變形的零件，還可在淬火前留筋，淬火后切除。金屬的表面處理為防止金屬腐蝕而采用各種防護方法叫金屬表面防護常用的方法有表面涂層和表面轉化膜工藝。表面涂層是在材料表面施以涂層得表面防護方法。常用的有:電鍍、化學鍍、噴鍍、熱鍍、噴漆、電泳涂裝、噴塑等。轉化膜是用化學和電化學的方法使金屬表面層發生反應，形成有自身參與的氧化物或金屬鹽類防護膜層，也可起到防護作用。最常用的工藝有：黑色金屬的氧化和磷化以及鋁合金的陽極化。熱噴涂為材料經熱源加熱至溶化或半溶化狀態，用高壓氣流使其霧化或噴射于工件上，從而形成涂層的一種表面加工方法。金屬的表面改性金屬的表面改性也叫表面優化，就是借助于離子束、激光、等離子體等新技術手段，改變材料表面及近表面的組分、結構與性質，從而獲得用傳統的冶金和表面處理技術無法得到的新薄層材料，或者使傳統材料具有更好的性能。現代先進的材料表面改性技術主要有物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、等離子體化學氣相沉積（PVCD）、離子注入和離子束沉積物理氣相沉積：蒸發鍍膜、濺射沉積和離子膜等物理方法的總稱，是用物理方法將源物質轉移到氣相中，在基材上形成覆蓋層的方法。化學氣相沉積：利用氣態物質在一固體材料表面上進行化學反應，生成固態沉積物的過程。利用化學氣相沉積法，可以在中等溫度下利用高氣壓反應劑氣體源來沉積高熔點的相。塑料的強化改性目的：[1]提高或改善使用性能；[2]改善加工性能；[3]降低成本；[4]制備具有嶄新性能的新型高分子材料。改性方法：高分子材料的改性一般分為化學改性和物理改性。化學改性：通常在一定條件下通過化學反應來實現，不同的聚合物分子鏈或鏈段之間存在化學鍵。分為接枝共聚改性、嵌段共聚改性合輻射交聯改性等。物理改型：分為填充改性、增強改性和共混改性等。陶瓷的增韌強化陶瓷特別是工程陶瓷材料實用化的主要障礙是陶瓷的脆性。晶須和纖維增韌是解決陶瓷脆性的主要辦法。陶瓷的增韌機理：[1]微裂紋增韌；[2]相變增韌；[3]裂紋擴展受阻；[4]裂紋偏轉；[5]纖維（晶須）拔出。基體材料的選擇：要求基體材料有較高的耐高溫性能，與纖維增強體有良好的界面相容性，同時應考慮到復合材料制造的工藝性能。可選擇的基體材料有玻璃、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷材料纖維增強陶瓷基復合材料能顯著提高沖擊韌性和抗熱震性，降低陶瓷的脆性，同時陶瓷又保護纖維，適之在高溫下不被氧化，因此具有較高的高溫強度和彈性模量。第三章常用工程材料

馬建敏(Email:jmma@)Fudan

University常用金屬工程材料常用金屬工程材料碳鋼合金鋼鑄鐵有色金屬碳鋼的分類碳鋼有以下三種分類方法1、按鋼的含碳量可分為：低碳鋼：含碳量0≤0.25%中碳鋼：含碳量（0.25～0.6）%。高碳鋼：含碳量>0.6%。2、按鋼的質量可分為(根據鋼中有害雜質S、P的多少來分)：普通鋼：S≤0.055%，P≤0.045%優質鋼：S、P均≤0.04%高級優質鋼：S、P均≤0.03%3、按用途可分為：碳素結構鋼：用于制造工程結構(如橋梁、船舶、建筑、高壓容器等)和機械零件(如齒輪、軸、螺釘、螺母、連桿等)，這類鋼一般為低、中碳鋼。碳素工具鋼：用于制造各種工具(如刃具、模具和量具等)，這類鋼一般為高碳鋼。鑄鐵鑄鐵廣泛應用于機械制造中。按重量計算，汽車、拖拉機中鑄鐵零件約占(50～70)%；機床中約占(60～90)%。常見的機床床身、工作臺、箱體、底座等形狀復雜或受壓力及摩擦作用的零件，大多用鑄鐵制成。鑄鐵之所以應用廣泛，除了因為它具有接近共晶的成分，熔點低，流動性好，易于鑄造外，還因為它的C、Si含量較高，使碳大部分不以化合(Fe3C)而是呈游離的石墨狀態存在，石墨有潤滑作用和吸油能力，因而鑄鐵有良好的減摩性和切削加工性。根據碳在鑄鐵組織中存在形式不同，可分為以下幾類：白口鑄鐵灰口鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵合金鋼由于碳鋼成本低，通常作為制造各種構件的基本材料，但是碳鋼有以下局限性：（1）碳鋼的強度很難超過690MPa，除非塑性和韌性有明顯的下降。（2）厚截面碳鋼零件淬火時無法全部得到馬氏體組織，即不能淬透。（3）碳鋼的抗腐蝕性和抗氧化性較差。（4）高溫強度低，紅硬性差。合金鋼克服了碳鋼的上述缺點，在許多應用中，合金鋼是能夠滿足工程要求的重要材料。合金鋼成本高，壓力、切削、焊接方面比碳鋼差。常用合金結構鋼合金結構鋼是用于制造各種機器零件和各類工程結構的鋼。這類鋼是碳素結構鋼的基礎上加入一些合金元素以提高其性能的鋼。通常分為低合金結構鋼、合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼及滾動軸承鋼等幾種。其用途最廣，用量最大。常用合金結構鋼分為以下5類:低合金結構鋼合金滲碳鋼合金調質鋼合金彈簧鋼滾動軸承鋼合金工具鋼工具鋼用于制造各種工具，如量具、刃具、模具等。合金工具鋼分為:低合金工具鋼、高合金工具鋼、高速鋼。其中高速鋼[應用場合]：高速鋼主要用來制造中、高速切削刀具，如車刀、銑刀、鉸刀、拉刀、麻花鉆等。[性能特點]：具有較高的熱硬性，保證在500～600℃時硬度仍不降低，硬度可保持~60HRC。[常用高速鋼]：是一種高碳高合金工具鋼，wC=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，W、Mo、V是提高熱硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，顯著提高鋼的硬度及耐磨性，Cr可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V為較常用的高速鋼，這三個鋼號的產量占目前國內生產和使用的95

%以上。[熱處理]：W18Cr4V鋼的最終熱處理為高溫淬火和多次回火。W18Cr4V鋼的淬火溫度高達1270～1280℃，淬火冷卻后得到馬氏體、碳化物和殘余奧氏體（20%～30%）。回火采用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火組織中較多的殘余奧氏體，使其轉變成馬氏體；三次回火還能使馬氏體中析出更多的碳化物，產生二次硬化，提高熱硬性。熱處理后高速鋼的硬度可達63~65HRC。高速鋼屬于萊氏體鋼，鑄態組織中有粗大魚骨狀的合金碳化物，這種碳化物硬而脆，若不消除這種碳化物的不均勻性，制成刀具后將出現早期損壞，使刀具易出現“崩刃”，故必須用反復鍛打的方法將其擊碎，使碳化物細化并均勻分布在基體上。W18Cr4V鋼鍛造后進行退火，以消除內應力，降低硬度改善切削加工性能，并為淬火做好組織準備。不銹鋼不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統稱。應能夠抵抗空氣、蒸汽、酸、堿、鹽等腐蝕性介質的腐蝕。不銹鋼主要用來制造在各種腐蝕介質中工作的零件或構件，例如化工裝置中的管道、閥門、泵，醫療手術器械，防銹刃具和量具等。[化學成分]：不銹鋼的耐蝕性隨含碳量的增加而降低，因此，大多數不銹鋼的含碳量均較低，有些鋼的wC甚至低于0.03%(如00Cr12)。不銹鋼中的主要合金元素是Cr，只有當Cr含量達到一定值時，鋼才有耐蝕性。因此，不銹鋼一般wCr均在13%以上。不銹鋼中還含有Ni、Ti、Mn、N、Nb等元素。[不銹鋼種類]：不銹鋼常按組織狀態分為：馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼等。另外，可按成分分為：鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳氮不銹鋼等。高溫合金高溫合金一般指以鐵、鈷或鎳等為基體，可在高溫下使用的合金。高溫下使用的零件主要要求熱穩定性和熱強度二個指標。高溫下金屬材料抵抗氧化或氣體腐蝕的能力稱為熱穩定性。抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為熱強度。[高溫合金的分類方法]：按合金基體分為鐵基、鎳基、鈷基、鉬基、鉭基、鈮基等；按合金的高溫性能、成型特點及用途分類：[熱強度變形高溫合金]=〉熱強度高，主要用于高溫下承受大載荷及復雜應力條件下工作的零件。[熱穩定變形高溫合金]=〉熱穩定性很高，強度雖不高，但塑性很好。主要用于受力不大而工作溫度很高的零件。[熱強鑄造高溫合金]=〉熱強度很高，塑性低，焊接性能差。通常用于精密鑄造的方法直接鑄成零件。[高溫合金的牌號]以漢語拼音字母的“高合”字頭“GH”+序號數字表示。如GH36，表示36號高溫合金；鑄造高溫合金用K+序號數字表示，如K17即17號鑄造高溫合金。有色金屬有色金屬重金屬(密度＞3.5);Cu、Ni等輕金屬(密度＜3.5);Al、Mg等貴重金屬;Au、Ag、Pt等稀有金屬;W、Ti、Ra、Nb等半金屬;Si、Te、B等鋁及其合金鋁及鋁合金其它金屬材料相比，具有以下一些特點：1、密度小鋁及鋁合金的密度接近2.7g/cm3，約為鐵或銅的1/3；

2、高強度鋁及鋁合金的強度高。經過一定程度的冷加工可強化基體強度，部分牌號的鋁合金還可以通過熱處理進行強化處理；

3、導電導熱性好鋁的導電導熱性能僅次于銀、銅和金；

4、耐蝕性好鋁的表面易自然生產一層致密牢固的Al2O3保護膜，能很好的保護基體不受腐蝕。通過人工陽極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金；

5、易加工添加一定的合金元素后，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金鈦及其合金[鈦的十大性能]:密度小，比強度高；彈性模量低；導熱系數小；抗拉強度與其屈服強度接近；無磁性、無毒；阻尼性能強；耐熱性能好；耐低溫性能好；吸氣性能；耐腐蝕性能。[鈦的三大功能]:記憶功能；超導功能；貯氫功能。純鈦鈦是銀白色的高熔點輕金屬，密度為4.51g.cm-3，熔點為1700℃，鈦有兩種同素異構體：溫度低于882℃為

-Ti，具有密排六方晶格;溫度高于882℃為

-Ti，具有體心立方晶格。純鈦的強度很高，退火狀態下

b=300～500MPa，與碳素結構鋼相似，熱處理后強度可達到

b=1000～1400MPa與高強度結構鋼相似，且高溫下仍具有較高的強度。另外，它的塑性也極好，因此，適宜進行壓力加工。鎂合金鎂合金在常用工程金屬中密度最小，為1.8g/cm3，約為鋁合金的2/3，鈦合金的1/3，鋼的1/4。鎂合金比鋁合金有較大承受沖擊載荷的能力，可以用它制造受猛烈撞擊的零件，飛機輪轂就是用鎂合金鑄造的。鎂合金具有優良的切削加工和可拋光性，并易于鑄造和熱加工，但應注意防止其在高溫下燃燒。鎂合金分為變形鎂合金和鑄造鎂合金兩大類。塑料與橡膠為有機高分子材料，與金屬相比質量輕，具有金屬材料不可比擬的特殊性能，使用極為廣泛；陶瓷為無機非金屬材料，具有高硬度、耐蝕的性能，除日用陶瓷外，工業上使用的特種陶瓷更具有其獨特的性能，在機械加工、航空航天、化學工業等領域都有應用；復合材料是由兩種或多種材料組成的多相材料，具有較好的綜合性能，其應用越來越受到廣泛的重視，大家熟悉的玻璃鋼、塑鋼門窗、羽毛球拍等，都是用復合材料制造的。常用非金屬工程材料塑料塑料的組成

塑料的主要組成是合成樹脂和添加劑。合成樹酯是具有可塑性的高分子化合物的統稱，它是塑料的基本組成物，它決定了塑料的基本性能，塑料中合成樹酯含量一般為30%~100%。樹酯在塑料中還起粘結劑的作用，許多塑料的名稱是以樹酯來命名的，如聚苯乙烯塑料的樹酯就是聚苯乙烯；添加劑的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加劑有填充劑、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、固化劑、著色劑等。塑料的分類

按使用范圍：通用塑料、工程塑料、特種塑料按受熱性能：[熱塑性塑料]：加熱時能反復地塑化[熱固性塑料]：加熱到熔融溫度以上時，形狀不再發生變化塑料特性質輕、比強度高塑料的密度為0.9～2.2g／cm3，只有鋼鐵的1／8～1／4。泡沫塑料的密度約0．01g／cm3。塑料的強度比金屬低，但比強度高。這對減輕機械產品的重量具有重要意義。化學穩定性好

塑料能耐大氣、水、堿、有機溶劑等的腐蝕。例如，聚四氟乙烯在沸騰的“王水”中仍很穩定。優異的電絕緣性

塑料有良好的電絕緣性，介質損耗小，其電絕緣性可與陶瓷、橡膠等絕緣材料相媲美。減摩、耐磨性好

塑料的硬度低于金屬，但多數塑料的摩擦系數小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龍等)具有自潤滑性。因此，塑料可用于制作在無潤滑條件下工作的某些零件。消聲和吸振性好

塑料軸承和齒輪工作時平穩無聲，大大減小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。成形加工性好

塑料有注射、擠壓、模壓、澆塑等多種成形方法，且工藝簡單，生產率高。耐熱性差

多數塑料只能在100℃左右使用，少數品種可在200℃左右使用；易老化(因光、熱、載荷、水、堿、酸、氧等的長期作用，使塑料變硬、變脆、開裂等現象，稱老化)；導熱性差，約為金屬的1／500；熱膨脹系數大，約為金屬的3至10倍。橡膠橡膠是具有高彈性的高分子材料，它在較小的載荷下就能產生很大的變形，當載荷去除后又能很快恢復原狀，是常用的彈性材料、密封材料、防震和減振材料、傳動材料。橡膠的分類按其來源不同可分為天然橡膠與合成橡膠兩類。天然橡膠是橡膠樹的液狀乳汁經采集和適當加工而成，天然橡膠的主要化學成分是聚異戊二烯；合成橡膠主要成分是合成高分子物質，其品種較多，丁苯橡膠和順丁橡膠是較常用的合成橡膠。按其用途可分為通用橡膠和特種橡膠，通用橡膠的用量一般較大，主要用于制作輪胎、輸送帶、膠管、膠板等，主要品種有丁苯橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠等；特種橡膠主要用于高溫、低溫、酸、堿、油和輻射介質條件下的橡膠制品，主要有丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠等。陶瓷材料陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機非金屬材料通稱。工業上應用的典型的傳統陶瓷產品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現代科技的發展，出現了許多性能優良的新型陶瓷。陶瓷是用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。可用作結構材料、刀具材料，由于陶瓷還具有某些特殊的性能，又可作為功能材料。

復合材料及其分類復合材料是將兩種或多種性質不同的材料，通過物理和化學復合組成的多相材料。通常其中的一種作為基體起粘結作用，另一些作為增強材料，提高承載能力。復合材料不僅性能優于組分的任意一個單獨的材料，而且還可具有單獨組分不具備的獨特性能，從而使復合材料具有優良的綜合性能復合材料的分類按增強材料的形狀分類可分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料、層疊復合材料等。按基體不同分類可分為樹酯基復合材料、陶瓷基復合材料、金屬基復合材料。按用途分類可分為結構復合材料和功能復合材料。結構復合材料主要作為承力結構使用的材料；功能復合材料是指除力學性能以外還具備其它物理、化學、生物等特殊性能的復合材料。復合材料的性能比模量和比強度高復合材料的增強物一般都采用了高強度、低密度的材料。一般比模量約為鋼的4倍，比強度約為鋼的8倍。抗疲勞性能好復合材料的基體中密布著大量的增強纖維等，而基體的塑性一般較好，而且增強纖維和基體的界面可阻止疲勞裂紋擴展，從而有效地提高復合材料的疲勞極限，碳纖維增強復合材料的疲勞極限是抗拉強度的70%~80%。安全性好

復合材料每平方厘米截面上獨立的纖維有幾千甚至幾萬根，當構件過載并有少量纖維斷裂后，會迅速進行應力重新分配，由未斷裂的纖維來承載，使構件在短時間內不會失去承載能力，提高使用的安全性。高溫性能良好

增強纖維的熔點或軟化溫度一般都較高，除玻璃纖維的軟化點僅為700℃~900℃外，其它如Al2O3、C、BN、SiC、B等纖維的軟化點都在2000℃以上，所以復合材料一般都具有較高的高溫強度。

減振性良好

機構的自振頻率與材料比彈性模量的平方根成正比，由于復合材料的比模量大，自振頻率很高，不易產生共振，同時纖維與基體的界面具有吸振能力，故振動阻尼高。此外復合材料一般都具有良好的化學穩定性、而且制造工藝簡單、這些優點使之得到廣泛應用，復合材料是近代重要的工程材料。已大量用于飛機結構件；汽車、輪船、壓力容器、管道、傳動零件等，其應用量呈逐年增加趨勢。功能材料功能材料是指那些具有優良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領域的高新技術材料。功能材料的分類：功能材料按其功能可分為電功能材料、磁功能材料、熱功能材料、光功能材料、智能功能材料等；按照其特性又可分為超導材料、形狀記憶材料、儲能材料、永磁材料、光敏材料、隱形材料等。當前國際功能材料及其應用技術正面臨新的突破，諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態環境材料、生物醫用材料及材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發展之中，發展功能材料技術正在成為一些發達國家強化其經濟及軍事優勢的重要手段。形狀記憶材料形狀記憶材料(shapememorymaterials，簡稱SMM)：是指具有一定初始形狀的材料經形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學刺激的處理又可恢復成初始形狀的材料。工業應用：（1）利用單程形狀記憶效應的單向形狀恢復。如管接頭、天線、套環等。（2）外因性雙向記憶恢復。即利用單程形狀記憶效應并借助外力隨溫度升降做反復動作，如熱敏元件、機器人、接線柱等。（3）內因性雙向記憶恢復。即利用雙程記憶效應隨溫度升降做反復動作，如熱機、熱敏元件等。但這類應用記憶衰減快、可靠性差，不常用。（4）超彈性的應用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。醫學應用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應和超彈性的醫學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內針、人工關節、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。智能材料智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現代高技術新材料發展的重要方向之一。國外在智能材料的研發方面取得很多技術突破，如英國宇航公司的導線傳感器，用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間僅為10分鐘；形狀記憶合金還已成功在應用于衛星天線等、醫學等領域。另外，還有壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料等功能材料。智能材料使飛機可變形納米材料納米本是一個尺度（1nm=10-9m），納米科學技術是一個融科學前沿的高技術于一體的完整體系，它的基本涵義是在納米尺寸范圍內認識和利用自然，通過直接操作和安排原子、分子創新物質。納米科技主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學七個方面。納米材料是納米科技領域中最富活力、研究內涵十分豐富的科學分支。用納米來命名材料是20世紀80年代，納米材料是指由納米顆粒構成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米。納米材料的制備與合成技術是當前主要的研究方向，雖然在樣品的合成上取得了一些進展，但至今仍不能制備出大量的塊狀樣品，因此研究納米材料的制備對其應用起著至關重要的作用。磁性材料之軟磁材料軟磁材料是指那些易于磁化并可反復磁化的材料，但當磁場去除后，磁性即隨之消失。這類材料的特性標志是：磁導率（μ=B/H）高，即在磁場中很容易被磁化，并很快達到高的磁化強度；但當磁場消失時，其剩磁很小。這種材料在電子技術中廣泛應用于高頻技術。如磁芯、磁頭、存儲器磁芯；在強電技術中可用于制作變壓器、開關繼電器等。目前常用的軟磁體有鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬。Fe-(3%~4%)Si的鐵硅合金是最常用的軟磁材料，常用作低頻變壓器、電動機及發電機的鐵芯；鐵鎳合金的性能比鐵硅合金好，典型代表材料為坡莫合金（Permalloy），其成分為79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁導率（磁導率μ為鐵硅合金的10~20倍）、低的損耗；并且在弱磁場中具有高的磁導率和低的矯頑力，廣泛用于電訊工業、電子計算機和控制系統方面，是重要的電子材料；非晶金屬（金屬玻璃）與一般金屬的不同點是其結構為非晶體。它們是由Fe、Co、Ni及半金屬元素B、Si所組成，其生產工藝要點是采用極快的速度使金屬液冷卻，使固態金屬獲得原子無規則排列的非晶體結構。非晶金屬具有非常優良的磁性能，它們已用于低能耗的變壓器、磁性傳感器、記錄磁頭等。另外，有的非晶金屬具有優良的耐蝕性，有的非晶金屬具有強度高、韌性好的特點。磁性材料之硬磁材料永磁材料（硬磁材料）經磁化后，去除外磁場仍保留磁性，其性能特點是具有高的剩磁、高的矯頑力。利用此特性可制造永久磁鐵，可把它作為磁源。如常見的指南針、儀表、微電機、電動機、錄音機、電話及醫療等方面。永磁材料包括鐵氧體和金屬永磁材料兩類。鐵氧體的用量大、應用廣泛、價格低，但磁性能一般，用于一般要求的永磁體。金屬永磁材料中，最早使用的是高碳鋼，但磁性能較差。高性能永磁材料的品種有鋁鎳鈷（Al-Ni-Co）和鐵鉻鈷（Fe-Cr-Co）；稀土永磁，如較早的稀土鈷（Re-Co）合金（主要品種有利用粉末冶金技術制成的SmCo5和Sm2Co17），以及現在廣泛采用的鈮鐵硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，鈮鐵硼磁體不僅性能優，而且不含稀缺元素鈷，所以很快成為目前高性能永磁材料的代表，已用于高性能揚聲器、電子水表、核磁共振儀、微電機、汽車啟動電機等。第

四章

工程材料的選擇

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University4.1選材的原則機械零件的選材是一項十分重要的工作。選材是否恰當，特別是一臺機器中關鍵零件的選材是否恰當，將直接影響到產品的使用性能、使用壽命及制造成本。選材不當，嚴重的可能導致零件的完全失效。選材的一般原則:滿足零件的使用性能，使零件在一定的壽命期內正常工作；具有良好的工藝性能，以便于加工，并易于保證加工質量；有較好的經濟性能。選材的任務就是求得三者之間的統一。

4.2零件的使用性能與選材機械零件（構件）在正常工作情況下材料應具備的性能，即使用性能，是選材時考慮的最主要根據。不同零件所要求的使用性能是很不一樣的，有的零件主要要求高強度，有的則要求高的耐磨性，而另外一些甚至無嚴格的性能要求，僅僅要求有美麗的外觀。因此，在選材時，首要的任務就是準確地判斷零件所要求的主要使用性能。對所選材料使用性能的要求，是在對零件的工作條件及零件的失效分析的基礎上提出的。

4.2.1使用性能要求分析

1、根據零件工作條件分析使用性能零件的工作條件是復雜的，要從受力狀態、載荷性質、工作溫度、環境介質等幾個方面全面分析。受力狀態有拉、壓、彎、扭等；載荷性質有靜載、沖擊載荷、交變載荷等；工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度；環境介質為與零件接觸的介質，如潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等。為了更準地了解零件的使用性能，還必須分析零件的失效方式，從而找出對零件失效起主要作用的性能指標。2、根據零件的失效形式分析使用性能所謂失效是指：（1）零件完全破壞，不能繼續工作；（2）嚴重損傷，繼續工作很不安全；（3）雖能安全工作，但已不能滿意地起到預定的作用。只要發生上述三種情況中的任何一種，都認為零件已經失效。零件的失效可以由多種原因引起，大體上可分為設計、材料、加工和安裝使用四個方面.零件失效的形式零件的失效形式有變形失效、斷裂失效和表面磨損三大類型。必須指出，實際零件在工作中往往不只是一種失效方式起作用。例如，一個齒輪，齒面之間的摩擦導致表面磨損失效，而齒根可能產生疲勞斷裂失效，兩種方式同時起作用。但一般來說，造成一個零件失效時總是一種方式起主導作用，很少有兩種方式同時都使零件失效。另外，各類基本失效方式可以互相組合，形成更復雜的復合失效方式，如腐蝕疲勞，蠕變疲勞，腐蝕磨損等等。4.2.2以綜合力學性能為主的選材若零件工作時承受循環與沖擊載荷，失效形式主要是過量變形與疲勞破壞，則要求材料的強度、疲勞極限、韌性與塑性能有較好的配合，即要求材料具有優良的綜合性能。對一般機器零件，通常選用調質或正火狀態的中碳鋼，調質、正火或等溫淬火狀態的球墨鑄鐵或選用淬火、低溫回火的低碳鋼等制造。但對航空零件，如起落架、渦輪軸、機翼大梁等，由于受力復雜，工作條件比較苛刻，可選用強度較高的合金調質鋼和超高強度鋼，以保證在整個大截面上具有均勻的綜合性能。當零件受力較小并要求有較高的比強度與比剛度時，應考慮選擇鋁合金、鎂合金、鈦合金或工程塑料與復合材料等4.2.3以耐磨損為主要性能的選材機器運轉中兩零件發生摩擦時，其磨損量與其解除壓力、相對速度、潤滑條件及摩擦副材料等有關。材料的耐磨性是抵抗磨損能力的指標，它主要與材料的硬度，顯微組織有關。根據零件工作條件不同，其選材也可分為以下兩種情況：（1）受力較小而摩擦情況嚴重的制品，對其材料的基本要求是耐磨性和高硬度，如各種量具、鉆套、頂尖、刀具、冷沖模等。適應這種工作條件下的零件或工具所選材料一般為經過淬火及低溫回火后的過共析鋼、高碳合金鋼以及制造一般零件常用的鑄鐵、青銅、塑料等。鑄鐵中的石墨是優良的固體潤滑劑，石墨脫落后，孔隙中可儲存潤滑油，所以也常用鑄鐵做耐磨零件，如機床導軌等。（2）同時受磨損與循環載荷及沖擊載荷的零件，如傳動齒輪、凸輪等，所選材料還應根據零件工作條件而定，同時采用相應的表面硬化方法。4.2.4要求抗蝕性或熱強度為主的選材當受力不大，要求抗蝕性較高時，一般可以考慮選用奧氏體不銹鋼，例如發動機尾錐體，飛機蒙皮。選用奧氏體不銹鋼，不僅耐蝕，而且具有一定的耐熱性，同時成型工藝性好。當零件受力較大(例如壓氣機盤、葉片)而又要求抗蝕性時，則以選用馬氏體型不銹鋼為宜。為減輕結構重量，也可考慮選用鈦合金。從熱強度角度選用材料，必須了解零件的工作溫度，介質的性質，所受載荷的大小和性質。不同類型的材料，具有不同水平的耐熱性。耐熱鋁合金和鎂合金，一般只能在300—400℃以下工作，而且能夠承受的工作應力較小。往往是為了減輕結構重量，或因零件形狀較復雜，需要鑄造成型時選用。不銹鋼和鈦合金的耐熱水平相近，大致都可在500—6000C以下工作，但不銹鋼零件的結構重量較大。在工作應力，溫度和腐蝕條件允許時，選用鈦合金可以減小結構重量。工作溫度在700—10000C之間的零件，應采用高溫合金制造，如飛機發動機的燃燒室，渦輪等。工作溫度更高的零件可考慮用陶瓷，陶瓷基復合材料，碳—碳復合材料等。以電絕緣性，抗腐性為主的而機械性能不作要求的非承力零件則應更多地考慮選用工程塑料，橡膠及其復合材料。各種材料的機械性能可從有關材料手冊中查到。但應注意手冊中所列的機械性能數據，是在實驗條件下測得的，實際使用的零件不僅形狀較試件復雜，而且工作時所處的應力狀態也復雜得多。因此，應用手冊上的機械性能數據選材，必須結合零件的實際工作條件與形狀、尺寸等，予以適當修正。材料的性能不僅與化學成分有關，還與加工工藝、熱處理等密切相關，金屬材料尤其明顯。所以要注意手冊中數據相應的加工、熱處理條件。材料的機械性能一般隨截面尺寸增大而降低，即具有尺寸效應，鋼的尺寸還與淬透性有關。選材時應進行適當的修正。金屬材料尤其明顯。所以要注意手冊中數據相應的加工、熱處理條件。材料的機械性能一般隨截面尺寸增大而降低，即具有尺寸效應，鋼的尺寸還與淬透性有關。選材時應進行適當的修正。4.3零件的工藝性能與選材任何零件都是由不同的工程材料通過一定的加工工藝制造出來的。因此材料的工藝性能，即加工零件的難易程度，自然應是選材時必須考慮的重要問題，它直接影響到零件的加工質量和加工費用。與使用性能的要求比較，工藝性能處于次要的地位，但它卻又確保產品質量，提高加工效率，降低工藝成本的重要條件之一。特別是在大批量生產時材料工藝性能應受到足夠的重視。熟悉材料的加工工藝路線及材料的工藝性能，對于正確選材是相當重要的。下面簡要介紹各種加工工藝對金屬材料所要求的工藝性。金屬材料的主要加工工藝有；鑄造、鍛壓、焊接、機械加工、熱處理及粉末冶金等。4.3.1鑄造性能材料的鑄造性能一般按流動性、收縮特點和偏析（合金凝固時化學成分的不均勻析出）傾向等綜合評定。成分接近共晶點的合金的鑄造性能最好，因此鑄造材料成分接近共晶點，例如硅鋁明、鑄鐵等。一些承載不大、受力簡單而結構復雜，尤其是一些有復雜內腔結構的零部件，如機床床身、減速器機殼、發動機氣缸等，應選用含有共晶體的鑄鐵、鑄造鋁合金等材料。4.3.2鍛壓性能鍛壓加工的方法很多，大體上可分為兩類：熱加工，主要有熱鍛、熱壓(如熱擠壓)等；冷加工，主要有冷沖壓、冷鐓、冷擠壓等。在選材時，承載較大，受力復雜的構件，如重要的軸、內燃機連桿、變速箱齒輪等、應選用中、低碳鋼或合金結構鋼、鍛鋁等具有良好可鍛性的材料進行鍛造成形，并進行必要的熱處理，以強化組織，提高機械性能。許多輕工業產品一般承載不大，但要求色澤美觀、重量輕、而且批量大，如自行車、家用電器中的金屬構件，宜選用塑性優良的低碳鋼、有色合金，以便冷壓成形，并進行必要的表面防護、裝飾處理4.3.3焊接性能在機械工業中，焊接的主要對象是各種鋼，其焊接性能可大致由碳當量來評價。當碳當量超過0.44％時，焊接性能大大惡化，因此鋼的含碳量越高，合金元素含量越高，則焊接性能越差。碳當量過高的鋼，不宜采用焊接成形法來制造零件毛坯。許多容器，輸送管道，蒸汽鍋爐等產品以及某些工程結構，一般體積較大，要求氣密性好，能承受一定的壓力，應選擇低碳鋼、低合金鋼等可焊性好的材料焊接成形。鋁合金、鈦合金極易氧化，需要在保護氣氛(如氫氣)中焊接，焊接性能不好。4.3.4機械加工性能各種機械加工，主要是切削加工及磨削加工，是工業中應用最廣的一種金屬加工方法。絕大多數機器零件都要進行切削加工，應選用硬度適中(170一230HBS)，可切削性好的材料。鋁及其合金的切削加工性就好，而奧氏體不銹鋼及高速鋼的加工性能卻很差；當材料的切削加工性差時，可采用必要的熱處理以調整它的硬度，或改進切削加工工藝，才能保證切削質量。4.3.5熱處理工藝性能許多金屬構件都要進行熱處理，尤其是淬火和回火處理，才能達到所要求的機械性能。因而選材時不能忽視熱處理的工藝性能，特別是淬透性。對于要求整體淬透或比較復雜的工件，應選用淬透性高的合金鋼；而對于只需要表層強化或形狀簡單的工件，則可以選用淬透性較低的材料，進行必要的表面強化處理，如表面淬火、滲碳、滲氮等。4.4選材的經濟性選材的經濟性除了使用性能與工藝性能外，經濟性也是選材必須考慮的重要問題。選材的經濟性不單單指選用的材料本身的價格應便宜，更重要的是采用所選材料來制造零件時，可使產品的總成本降至最低，同時所選材料應符合國家的資源狀況和供應情況，等等。選擇價格低廉，易于加工的材料。如在金屬材料中，碳鋼和鑄鐵的價格比較低，加工工藝性能較好，所制零件成本較低。優先采用國產材料，積極推廣新材料，合理選擇代用材料。如根據我國情況，盡量考慮以含Mn、Si。B、Mo、V等元素的合金鋼代Cr、Ni合金鋼；以鋁基軸承合金代替巴氏合金（白色低熔點高耐磨性合金，由美國人L.Babbit發明，有錫基和鉛基）及銅基軸承合金；以球墨鑄鐵代替鑄鋼或鍛鋼；以表面防護代替不銹鋼以及有色金屬合金；以及努力擴大工程塑料的應用范圍等。盡量降低加工費用。例如低碳鋼滲碳淬火與中碳鋼感應加熱表面淬火相比，兩者材料費用相差無幾，但前者的加工費用要高得多。又如制造某些變速箱體，雖然鑄鐵原料比鋼板低廉，但在單件或小批生產時，選用鋼板焊接反而經濟，因可省掉制造模型的費用。特別要注意，強化方法應根據實際需要選擇，不要盲目提出過高要求。如對于尺寸很大的45鋼工件，正火與調質后所能達到的機械性能相近，而正火比調質要經濟得多，故應采用正火而不必采用調質。此外，將熱處理與切削加工的工序配合好，可因材料切削加工性能提高而降低切削加工成本。降低維護、修理費用和回收利用成本：如游艇的殼體，可以用鋼材制造。但由于鋼材容易生銹，需要定期除銹、刷漆、維護費用較高。若采用玻璃鋼制作就不需要除銹、刷漆、節省了維護費用。4.5零件材料選擇的步驟選材一般可分為以下幾個步驟：在分析零件的服役條件、形狀尺寸與應力狀態后，確定零件的技術條件。通過分析或實驗，結合同類零件失效分析的結果，找出零件在實際使用中的主要很次要的失效抗力指標，以此作為選材的依據。根據力學計算，確定零件應具有的主要力學性能指標，正確選擇材料。決定熱處理方法（或其他強化方法），并提出所選原材料在供應狀態下的技術要求。審核所選材料的生產經濟性（包括熱處理的生產成本等）試驗、投產

4.6典型零件選材舉例之

機床主軸機床主軸是典型的受扭轉—彎曲復合作用的軸件，它受的應力不大（中等載荷），承受的沖擊載荷也不大，如果使用滑動軸承，軸頸處要求耐磨。因此大多采用45鋼制造，并進行調質處理，軸頸處由表面淬火來強化。載荷較大時則用40Cr等低合金結構鋼來制造。對C620車床主軸的選材結果如下：材料：45鋼。熱處理：整體調質，軸頸及錐孔表面淬火。性能要求：整體硬度HB220～HB240；軸頸及錐孔處硬度HRC52。工藝路線：鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→表面淬火及低溫回火→磨削。該軸工作應力很低，沖擊載荷不大，45鋼處理后屈服極限可達400MPa以上，完全可滿足要求。現在有部分機床主軸已經可以用球墨鑄鐵制造。汽車半軸汽車半軸是典型的受扭矩的軸件，但工作應力較大，且受相當大的沖擊載荷，其結構如下圖所示。最大直徑達50mm左右，用45鋼制造時，即使水淬也只能使表面淬透深度為10%半徑。為了提高淬透性，并在油中淬火防止變形和開裂，中、小型汽車的半軸一般用40Cr制造，重型車用40CrMnMo等淬透性很高的鋼制造。

例：130載重車半軸

材料：40Cr。

熱處理：整體調質。

性能要求：桿部HRC37～HRC44；盤部外圓HRC24～HRC34。

工藝路線：

下料→鍛造→正火→機械加工→調質→盤部鉆孔→磨花鍵。

機床齒輪機床齒輪工作條件較好，工作中受力不大，轉速中等，工作平穩無強烈沖擊，因此其齒面強度、心部強度和韌性的要求均不太高，一般用45鋼制造，采用高頻淬火表面強化，齒面硬度可達HRC52左右，這對彎曲疲勞或表面疲勞是足夠了。齒輪調質后，心部可保證有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的沖擊韌性，能滿足工作要求。對于一部分要求較高的齒輪，可用合金調質鋼（如40Cr等）制造。這時心部強度及韌性都有所提高，彎曲疲勞及表面疲勞抗力也都增大。

例：普通車床床頭箱傳動齒輪。

材料：45鋼。

熱處理：正火或調質，齒部高頻淬