材料學(xué)-第十一講 金屬材料的選材與應(yīng)用

金屬材料的選材與應(yīng)用2010年6月18日材料選擇要考慮的問(wèn)題1、根據(jù)使用環(huán)境和條件確定所選材料需要什么樣的性能？2、如何生產(chǎn)制造，選擇什么樣的工藝進(jìn)行處理？3、能夠服役多長(zhǎng)時(shí)間？4、可接受的生產(chǎn)成本是多少？5、使用多長(zhǎng)時(shí)間需要檢查維修？6、使用報(bào)廢后，廢品怎樣處理？7、若在使用中失效會(huì)發(fā)生什么后果？8、生產(chǎn)、處理的過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響如何？選材的原則一般選用材料，主要應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：

1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求（或圖紙要求），一般圖紙要求了使用哪種材質(zhì)、采用什么工藝處理就根據(jù)圖紙要求來(lái)做。

2）若沒(méi)有具體規(guī)定使用哪種材質(zhì)，但指定了性能指標(biāo)和檢測(cè)方法及要求，那么就要根據(jù)具體的性能指標(biāo)選擇比規(guī)定的性能指標(biāo)高的材質(zhì)和處理工藝，并用指定的試驗(yàn)方法檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果要高于要求的性能指標(biāo)。

3）若沒(méi)有規(guī)定使用什么材質(zhì)，也沒(méi)有指定性能指標(biāo)，但是給定了使用環(huán)境和使用條件，那么就要根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境和使用條件進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果來(lái)選定材質(zhì)和處理工藝。

4）在多種材質(zhì)都能滿足要求的情況下，要選用常見(jiàn)的、市場(chǎng)上容易買(mǎi)到的、處理工藝簡(jiǎn)單的、性價(jià)比高的材料作為優(yōu)選材料。選擇材料和工藝要參考的標(biāo)準(zhǔn)1、國(guó)標(biāo)（GB）2、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）3、其它國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如：美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）、美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)（AISI）、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）4、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：如中國(guó)機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)（JB）、冶金工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)（YB）等。舉例一：高強(qiáng)度緊固件緊固件是作緊固連接用且應(yīng)用極為廣泛的一類機(jī)械零件。在各種機(jī)械、設(shè)備、車(chē)輛、船舶、鐵路、橋梁、建筑、結(jié)構(gòu)、工具、儀器、儀表和用品等上面，都可以看到各式各樣的緊固件。它的特點(diǎn)是品種規(guī)格繁多，性能用途各異，而且標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的種度也極高。因此也有人把已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一類緊固件稱為標(biāo)準(zhǔn)緊固件，或簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)件。緊固件包括：螺栓、螺柱、螺釘、螺母、墊圈、銷(xiāo)等

螺栓性能等級(jí)的含義鋼結(jié)構(gòu)連接用螺栓性能等級(jí)分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余個(gè)等級(jí)，其中8.8級(jí)及以上螺栓材質(zhì)為低碳合金鋼或中碳鋼并經(jīng)熱處理（淬火、回火），通稱為高強(qiáng)度螺栓，其余通稱為普通螺栓。螺栓性能等級(jí)標(biāo)號(hào)有兩部分?jǐn)?shù)字組成，分別表示螺栓材料的公稱抗拉強(qiáng)度值和屈強(qiáng)比值。例如：性能等級(jí)4.6級(jí)的螺栓，其含義是：

1、螺栓材質(zhì)公稱抗拉強(qiáng)度達(dá)400MPa級(jí)；

2、螺栓材質(zhì)的屈強(qiáng)比值為0.6；

3、螺栓材質(zhì)的公稱屈服強(qiáng)度達(dá)400×0.6=240MPa級(jí)性能等級(jí)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，其材料經(jīng)過(guò)熱處理后，能達(dá)到：

1、螺栓材質(zhì)公稱抗拉強(qiáng)度達(dá)1000MPa級(jí)；

2、螺栓材質(zhì)的屈強(qiáng)比值為0.9；

3、螺栓材質(zhì)的公稱屈服強(qiáng)度達(dá)1000×0.9=900MPa級(jí)螺栓性能等級(jí)的含義是國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)，相同性能等級(jí)的螺栓，不管其材料和產(chǎn)地的區(qū)別，其性能是相同的，設(shè)計(jì)上只選用性能等級(jí)即可。強(qiáng)度等級(jí)所謂8.8級(jí)和10.9級(jí)是指螺栓的抗剪切應(yīng)力等級(jí)為8.8GPa和10.9GPa

10.9s的s

表示鋼結(jié)構(gòu)舉例一：高強(qiáng)度緊固件舉例二：彈簧彈簧是一種利用彈性來(lái)工作的機(jī)械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機(jī)件的運(yùn)動(dòng)、緩和沖擊或震動(dòng)、貯蓄能量、測(cè)量力的大小等，廣泛用于機(jī)器、儀表中。彈簧的種類復(fù)雜多樣，按形狀分，主要有螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧等。彈簧的功能①控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，如內(nèi)燃機(jī)中的閥門(mén)彈簧、離合器中的控制彈簧等。②吸收振動(dòng)和沖擊能量，如汽車(chē)、火車(chē)車(chē)廂下的緩沖彈簧、聯(lián)軸器中的吸振彈簧等。③儲(chǔ)存及輸出能量作為動(dòng)力，如鐘表彈簧、槍械中的彈簧等。④用作測(cè)力元件，如測(cè)力器、彈簧秤中的彈簧等。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。彈簧的材質(zhì)與性能彈簧的生產(chǎn)工藝流程彈簧的生產(chǎn)工藝流程彈簧的表面處理彈簧在制造、存放、使用等過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遭受周?chē)橘|(zhì)的腐蝕。由于彈簧在工作時(shí)是靠彈力發(fā)揮作用，彈簧被腐蝕后彈力會(huì)發(fā)生改變而喪失功能。所以防止彈簧的腐蝕可以保證彈簧的工作穩(wěn)定，并延長(zhǎng)其使用壽命。

彈簧的防腐方法一般采用保護(hù)層，根據(jù)保護(hù)層的性質(zhì)可分為：金屬保護(hù)層、化學(xué)保護(hù)層、非金屬保護(hù)層和暫時(shí)性保護(hù)層等，在此著重介紹前三種方法。

不銹鋼彈簧和銅線彈簧本身就具有一定防腐能力，所以一般不進(jìn)行防腐處理。

1、彈簧的金屬保護(hù)層

金屬保護(hù)層種類很多，就彈簧而言，一般是用電鍍金方法以獲得金屬保護(hù)層。電鍍保護(hù)層不但可以保護(hù)不受腐蝕，同時(shí)能改善彈簧的外觀。有些電鍍金屬還能改善彈簧的工作性能，例如提高表面硬度，增加抗磨損力，提高熱穩(wěn)定性，防止射線腐蝕等。但如果單純?yōu)榱藦椈傻母g，一般應(yīng)選用電鍍鋅層與電鍍鎘層。一般鍍鋅層后經(jīng)鈍化處理，鈍化可提高鍍層的保護(hù)性能和增加表面美觀。

在海洋性或高溫的大氣中，以及與海水接觸的彈簧，在70°C熱水中使用的彈簧，鎘比較安定，耐腐蝕性能較強(qiáng)。鎘鍍層比鋅鍍層光亮美觀、質(zhì)軟、可塑性比鋅好，鍍層氫脆性小，最適宜于彈簧作保護(hù)層。但鉻稀少、價(jià)昂貴、且鎘鹽毒性大，對(duì)環(huán)境污染很厲害。因此，在使用上受到限制。故大多數(shù)只在航空、航海及電子工業(yè)所用的彈簧才使用鎘鍍層作保護(hù)層。為了提高鎘鍍層的防蝕性能，可在鍍后進(jìn)行鈍化處理。

彈簧的鍍鋅和鍍鎘是在氰化電解液中進(jìn)行的。在電鍍過(guò)程中，除鍍上鋅或鎘外，還有一部分還原的氫滲透入到鍍層和基體金屬的晶格中去，造成內(nèi)應(yīng)力，使彈簧上的鍍層和彈簧變脆，也叫氫脆。由于彈簧材料的強(qiáng)度很高，再加上彈簧成形時(shí)的變形很大，因此，對(duì)氫脆特別敏感，如不及時(shí)去氫，往往會(huì)造成彈簧的斷裂。為了消除電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的一些缺陷，改善彈簧的物理化學(xué)性能，延長(zhǎng)彈簧的使用壽命，提高鍍層的抗蝕能力，必須進(jìn)行鍍后處理，即除氫處理。除氫處理是在電鍍后，立即或者在幾小時(shí)之內(nèi)進(jìn)行。將電鍍后的彈簧在200~215°C的溫度中，加熱1~2h(或2h以上,如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易產(chǎn)生鉻脆)，即可達(dá)到除氫的目的。

金屬保護(hù)層，除上述的鍍鋅和鍍鎘外，還有鍍銅、鍍鉻、鍍鎳、鍍錫、鍍銀、鍍鋅鈦合金等，彈簧設(shè)計(jì)者可根據(jù)彈簧工作的場(chǎng)合選擇鍍層。2、彈簧的化學(xué)保護(hù)層

利用化學(xué)反應(yīng)的方法使彈簧表面生成一層致密的保護(hù)膜，以防止彈簧腐蝕。通常采用氧化處理與磷化處理。

氧化處理與磷化處理，成本低、生產(chǎn)效率高，一般彈簧制造廠均采用氧化處理，作為防腐蝕性處理。

(1)氧化處理鋼的氧化處理亦稱發(fā)藍(lán)、發(fā)黑、煮黑。氧化處理后，彈簧表面生成保護(hù)性的磁性氧化鐵，此氧化膜一般呈藍(lán)色或黑色，也有時(shí)呈黑褐色。

氧化處理的方法有：咸性氧化法、無(wú)堿氧化法和電解氧化法。以采用堿性氧化法為多。

堿性氧化法是將彈簧放入溫度140°C左右，含有氧化劑的氫氧化鈉溶液中浸泡一定時(shí)間，氧化劑和氫氧化鈉與鐵作用，生成亞鐵酸鈉和鐵酸鈉，再相互反應(yīng)，生成磁性氧化鐵。

(2)磷化處理將彈簧放進(jìn)含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中，在金屬表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜的方法叫做磷化。磷化膜的外觀呈暗灰色、灰色或黑灰色、不具光澤。磷化膜的厚度一般在5~20μm。磷化膜在一般大氣條件下較穩(wěn)定，其抗蝕能力為發(fā)藍(lán)膜的6~24倍。

磷化膜能耐400~500°C的高溫，因此，某些高溫下工作的彈簧，例如炮彈發(fā)射部分的彈簧，常用磷化處理。

彈簧在磷化前最好是采用噴砂處理。經(jīng)噴砂處理后不能耽置太久，應(yīng)隨即進(jìn)行磷化。若無(wú)噴砂設(shè)備，亦可采用化學(xué)去油及酸洗方法去除油污。彈簧在磷化過(guò)程中產(chǎn)生大量的氫氣，因此經(jīng)磷化后的彈簧具有氫脆現(xiàn)象。對(duì)于關(guān)鍵部位的彈簧，經(jīng)磷化處理后應(yīng)進(jìn)行去氫處理。3、彈簧的非金屬保護(hù)層

非金屬保護(hù)層是在彈簧表面上浸涂或噴涂一層有機(jī)物質(zhì)，如油漆、瀝青、塑料等，以保護(hù)彈簧免遭腐蝕。

非金屬保護(hù)層，膜層較厚，化學(xué)穩(wěn)定性好，有較好的機(jī)械防腐蝕作用，但硬度較低，易于刮傷損壞，同時(shí)膜層有老化現(xiàn)象。

用于彈簧油漆層的油漆通常有下列幾種：

a．瀝青漆瀝青漆具有良好的耐水、防潮、耐蝕性，特別有優(yōu)異是耐酸性和良好的耐堿性。但附著力、機(jī)械強(qiáng)度、裝飾性差。

b．酚醛漆酚醛漆分為底漆與面漆兩種，酚醛底漆附著力強(qiáng)，防銹性能好，但漆膜機(jī)械強(qiáng)度及光澤性差。酚醛面漆漆膜堅(jiān)硬，光澤性好，但耐氣候性較差，漆膜易變黃。

c．醇酸漆醇酸漆漆膜堅(jiān)韌，附著力強(qiáng)，機(jī)械性能好，有極好的光澤，良好的耐久性并具有一定的耐油、絕緣性能。其缺點(diǎn)是表面干結(jié)快而粘手時(shí)間長(zhǎng)，易起皺、不耐水、不耐堿。

d．環(huán)氧漆環(huán)氧漆附著力極強(qiáng)，硬度高，且韌性好，耐屈撓、耐沖擊、硬而不脆，對(duì)水、酸、堿及許多有機(jī)溶劑都有極好的抵抗力，特別以耐堿更為突出。其缺點(diǎn)是表面粉化快，溶劑選擇性大。水溶性環(huán)氧漆用于電泳涂漆。

浸涂法浸涂法就是將彈簧放入油漆槽中浸漬，然后取出，讓表面多余的油漆液自然滴落，經(jīng)過(guò)干燥后在彈簧表面上被覆蓋一層漆膜。

噴涂法噴涂是利用噴槍將油漆噴成霧狀微小顆粒在彈簧表面上均勻沉積一層漆膜。

噴涂法工效高，施工方便，適應(yīng)性強(qiáng)，而且漆膜厚薄比較均勻、平整、光滑。但噴涂法對(duì)油漆的有效利用率僅70%~80%左右，同時(shí)比其他方法需要更多的溶劑，這些溶劑又將全部揮發(fā)，而損耗太大。另外，由于油漆霧粒擴(kuò)散彌漫及溶劑的揮發(fā)，造成環(huán)境污染，影響工人健康。

靜電噴涂法將熱固性粉末通過(guò)噴腔口時(shí)的一瞬間，感應(yīng)上負(fù)電荷，在庫(kù)倉(cāng)與壓縮空氣的作用下，將塑粉均勻地敷于彈簧的表面。然后將噴涂好的彈簧經(jīng)150~180°C的溫度在烘箱中加熱保溫(塑化)，形成一種光潔牢固的表面保護(hù)層，一般保溫時(shí)間為40~60min。

這種工藝生產(chǎn)具有效率高，適宜流水作業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量好，漆膜厚度均勻，附著力好等優(yōu)點(diǎn)。目前該種方法在彈簧制造業(yè)中日趨廣泛應(yīng)用。

其他隨著主機(jī)結(jié)構(gòu)的變化和彈簧在工作時(shí)工況條件的日趨苛刻，為了提高彈簧的使用壽命，如氣門(mén)彈簧等的表面防蝕處理改為在彈簧清洗后，上特殊防銹油(脂)來(lái)替代傳統(tǒng)的氧化或鍍層處理。

舉例三：齒輪應(yīng)用極廣的重要機(jī)械零件，其主要作用有傳遞扭矩（力或能），改變運(yùn)動(dòng)速度或方向。工作條件

①

傳遞扭矩，齒根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力；②

齒面嚙合并發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)與滾動(dòng)，承受較大的交變接觸應(yīng)力及強(qiáng)烈的摩擦；③

啟動(dòng)、換檔或嚙合不良，齒輪承受一定的沖擊力；④

有時(shí)有其它特殊條件要求，如耐高、低溫要求，耐蝕要求，抗磁性要求等。主要性能要求①高的彎曲疲勞強(qiáng)度，防止輪齒的疲勞斷裂。②足夠高的齒面接觸疲勞極限和高的硬度、耐磨性，以防齒面損傷。③足夠的齒心部強(qiáng)韌性，以防沖擊過(guò)載斷裂。

低碳鋼及低碳合金鋼20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通過(guò)退火或正火來(lái)改善切削加工性能，通過(guò)滲碳后淬火＋低溫回火來(lái)保證齒輪的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的彎曲疲勞極限和接觸疲勞極限，心部具有足夠高的強(qiáng)韌性；故適合于制造高速、大沖擊的中載和重載齒輪。中碳鋼表面淬火齒輪的工作速度、載荷及受沖擊的程度應(yīng)低于低碳鋼滲碳淬火齒輪。其中Q275只宜制作低速、輕載、無(wú)沖擊的非重要齒輪，一般在正火狀態(tài)直接使用；40、45鋼可用作低中速、輕中載、小沖擊的齒輪，依據(jù)具體工作條件不同，可在正火、調(diào)質(zhì)、表面淬火狀態(tài)下使用；40Cr、40MnB合金鋼的綜合力學(xué)性能優(yōu)于40、45碳鋼，可用做相對(duì)重要的齒輪，多在表面淬火狀態(tài)使用，少數(shù)情況也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用。中碳氮化鋼40Cr、35CrMo、38CrMoAl鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后再表面滲氮處理，力學(xué)性能優(yōu)良、變形微小，主要用做高精度、高速齒輪。機(jī)床齒輪

運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)強(qiáng)烈沖擊、載荷不