第5章　机械常用材料和制造公艺性

5.1　复习笔记

一、机械常用材料

机械常用材料有铁碳合金、有色合金、非金属材料和各种复合材料。钢和铸铁都是铁碳合金，应用最广。

二、金属材料的力学、加工和使用性能

1．应力极限

由静拉伸试验所得的应力极限，是静强度计算时确定许用应力的依据。如图5-1所示为低碳钢的应力-应变曲线。

图5-1  低碳钢的应力-应变曲线

（1）比例极限σ_p

比例极限是指应力与应变成正比（Oa段）的最大应力。在这一区段加载后卸载，仍沿Oa回至O点，无残余变形，即材料处于弹性阶段。

（2）屈服极限σ_s

继续加载，曲线ab出现微小波动，应力几乎不变而应变增加，称为屈服阶段。卸载时，沿be线回至e点，Oe即残余变形。没有明显屈服现象的塑性材料，通常以永久塑性变形量为0.2％时的应力值定为屈服极限，用σ0.2表示。

（3）强度极限σ_B

强度极限是指材料在断裂前的最大应力（图5-1的c点）。

（4）超过屈服极限

若应力超过屈服极限，卸载时将沿与Oa平行的fg直线下降，Og为永久塑性变形，gh为弹性变形。再次加载时，σ—ε曲线则变为gfcd，相当于提高了屈服极限。

（5）冷作硬化

冷作硬化是指在常温下经过塑性变形使材料强度提高、塑性降低的现象。在机械零件中常利用冷作硬化提高强度。

2．弹性模量E

在比例极限范围内，应力σ与应变ε成正比，比例常数E（=σ/ε）即为弹性模量。弹性模量是衡量材料刚度的性能指标。弹性模量愈小，应力—应变曲线的斜率愈小，材料的刚度亦愈小。不同钢种的弹性模量相差甚微。

3．延展性

延展性是衡量材料塑性性能的指标，包括伸长率和断面收缩率两项。

（1）伸长率δ

伸长率是指试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率。δ＞5％者为塑性材料，δ＜5％者为脆性材料。

（2）断面收缩率φ

试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率称为断面收缩率。

伸长率或断面收缩率愈大，材料的塑性愈高。需要进行压力加工的零件，应选用塑性高的材料，以免加工时开裂。

4．冲击韧度a_k

冲击韧度是指在有缺口的试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功，其是衡量材料承受冲击载荷能力的性能指标。受冲击载荷的零件由于外力具有瞬时冲击的性质，由此而产生的变形和应力，远比静载荷作用时大，这些零件的材料应具有较高的冲击韧度。

5．弹性能Ee和韧性能Et

（1）弹性能的定义

物体受外力作用产生变形时，外力所做的功，在数值上等于应变能。在弹性变形范围内，应变能将以势能的形式贮存在材料内部，撤去外力又立即全部释放。这种应变能称为弹性能，

见图5-2所示中的三角形面积E_e。

（2）韧性能的定义

若应力超过比例极限，材料就要产生永久变形，应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上，并以热的形式散失。材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能，如图5-2所示中的面积E_t。

（3）材料的选择

用以储存能量的弹性元件，要求用弹性能大的材料制造；用以承受冲击载荷的零件，要求用韧性能大的材料制造。

图5-2  材料的最大弹性能和最大韧性能

6．硬度

（1）硬度的含义

硬度是指材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。材料硬度愈高，强度（包括接触强度）和耐磨性亦愈高，但塑性愈低。

（2）常用的硬度指标

常用的硬度指标有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）和维氏硬度（HV）。

7．加工性能

（1）加工性能包括铸造性能、切削性能、焊接性能、冲压性能、热处理性能等。

（2）热处理性能包括淬硬性、淬透性、变形开裂倾向性和回火脆性等。

三、影响钢材力学性能的主要因素

1．含碳量的影响

钢的含碳量愈高，材料强度和硬度亦愈高，但塑性显著降低，切削性、锻造性、焊接性、导电性和导热性等亦随之下降。

2．合金元素的影响

合金钢是指在冶炼过程中加入合金元素的钢。常用的合金元素有铬、锰、硅、镍、钼、钨、钛、钒、稀土元素等。通过合金化，可以做到：

（1）提高和改善钢的综合力学性能；

（2）提高和改善钢的淬透性、焊接性能、回火稳定性和切削性等;

（3）获得某些特殊的物理和化学性能，如耐热、耐蚀等。

3．温度的影响

一般地说，高温零件的强度和硬度均随温度升高而降低，塑性则增高。绝大多数钢在低温下强度有所增加，而塑性和冲击韧性则有所下降。冷脆是指低温下材料变脆的现象。

4．热处理工艺的影响

热处理可改变金属材料的内部组织，以发挥强度潜力、改善使用性能、提高产品质量和延长使用寿命。主要热处理工艺的目的和应用如表5-1所示。

表5-1  主要热处理工艺的目的和应用

四、材料的选用原则

选择材料主要应考虑三个方面问题：使用要求、工艺要求和经济要求。

1．使用要求

使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。按使用要求选择材料的一般原则是：

（1）若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制时，应选用强度较高的材料；

（2）零件尺寸取决于接触强度的，应选用可进行表面强化处理的材料，如调质钢、渗碳钢、氮化钢；

（3）若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料；

（4）滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料。在高温下工作的零件应选用耐热材料。在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等；

（5）由于减轻质量常是设计机器的主要要求之一，故可采用质量指标对零件质量进行评定。要求不同时，质量指标也不同。

2．工艺要求

零件形状和尺寸对材料也有一定要求。形状复杂、尺寸较大的零件难以锻造。如果采用铸造或焊接，则其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能，在结构上也要适应铸造或焊接的要求。至于选用铸造还是焊接，则应视批量大小而定。

3．经济要求

经济性首先表现为材料的相对价格。当零件质量不大而加工量很大时，加工费用在零件总成本中要占很大比例。这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能。

影响经济性的因素还有材料的利用率、零件的结构等。

局部品质原则：在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。局部品质也可以用渗碳、表面淬火、表面喷镀、表面辗压等方法获得。

4．其他要求

在选择材料时，还应考虑材料的可获得性。

五、毛坯的选择

选择不同材料和毛坯首先应满足零件的功能要求。毛坯选择是一项复杂问题，要从功能、制造、使用、成本等多方面综合考虑。通常，对毛坯和零件的成本可按以下三方面进行评价：

1．材料价格；

2．制造毛坯的费用；

3．毛坯加工的费用。

六、公差与配合的选择

1．公差等级

尺寸精确程度是以公差等级（代号为IT01、IT0、IT1、…、IT18）表示的，等级代号数字愈大，其公差等级愈低，尺寸精确程度亦愈低。

2．公差等级的选择

选择公差等级时，除必须满足功能要求外，也要考虑工艺的可能性和经济性。此外，公差等级还应和互相配合零件的精度、结构设计、加工及装配方法相适应。

3．配合制的选择

机械中广泛采用基孔制配合，但纺织机械、农业机械和某些仪器中采用不需要后继加工的精拉钢轴，滚动轴承外圈和孔的配合，以及光轴的不同部位装有不同配合要求的零件时，则采用基轴制。

在选择具体配合时，还应考虑零件相对运动特性、载荷性质、工作温度、结合长度、装配条件以及材料等因素。

表5-2  常用优先配合的公差带示意图和应用举例

注：本表中的公差带按φ50查得的值绘出。——孔；——轴

七、表面粗糙度的选择

1．表面粗糙度的评定参数

表面粗糙度是一种表面微观几何形状误差，评定参数有：轮廓算术平均偏差R_a、微观不平度十点高度R_z和轮廓最大高度R_y。R_a主要用于经过切削加工所获得的表面，R_z主要用于未加工表面和非常精细的精加工表面。

2．表面粗糙度的选择原则

（1）满足零件的功能要求和符合生产的经济性要求

（2）尺寸公差等级相同时轴比孔的R_a值小

（3）宜选用较小的R_a值的要求

①降低应力集中，提高零件的疲劳强度；

②提高接触强度；

③降低摩擦；

④减轻腐蚀；

⑤提高密封性能。

（4）应考虑零件材料的性质

八、机械零件的制造工艺性的要求

1．与生产条件、批量大小及获得毛坯的方法相适应

2．造型简单化

形状愈复杂，制造愈困难，产品成本愈高。

3．加工的可能性、方便性、精确性和经济性

画出来的零件不一定都能制造，能制造的零件不一定都加工方便，加工方便的零件也未必都能满足精度要求，不能满足精度要求的零件将是废品。

4．满足热处理的要求

为避免热处理时变形、开裂或降低热处理质量，零件的几何形状应简单、对称，长径比不可太大，尽量减少应力集中源，截面均匀，无锐边和尖角，避免盲孔、配作孔和局部渗碳、局部渗氮等。

5．装拆的可能性和方便性

机器工作一定期限之后，需要进行检修。