材料學-第十一講 金屬材料的選材與應用

金屬材料的選材與應用2010年6月18日材料選擇要考慮的問題1、根據使用環(huán)境和條件確定所選材料需要什么樣的性能？2、如何生產制造，選擇什么樣的工藝進行處理？3、能夠服役多長時間？4、可接受的生產成本是多少？5、使用多長時間需要檢查維修？6、使用報廢后，廢品怎樣處理？7、若在使用中失效會發(fā)生什么后果？8、生產、處理的過程中對環(huán)境的影響如何？選材的原則一般選用材料，主要應該遵循以下幾個原則：

1）根據設計要求（或圖紙要求），一般圖紙要求了使用哪種材質、采用什么工藝處理就根據圖紙要求來做。

2）若沒有具體規(guī)定使用哪種材質，但指定了性能指標和檢測方法及要求，那么就要根據具體的性能指標選擇比規(guī)定的性能指標高的材質和處理工藝，并用指定的試驗方法檢測，檢測的結果要高于要求的性能指標。

3）若沒有規(guī)定使用什么材質，也沒有指定性能指標，但是給定了使用環(huán)境和使用條件，那么就要根據實際的使用環(huán)境和使用條件進行分析計算，根據分析計算結果來選定材質和處理工藝。

4）在多種材質都能滿足要求的情況下，要選用常見的、市場上容易買到的、處理工藝簡單的、性價比高的材料作為優(yōu)選材料。選擇材料和工藝要參考的標準1、國標（GB）2、國際標準化組織（ISO）3、其它國家標準，如：美國材料與試驗學會（ASTM）、美國鋼鐵學會（AISI）、德國標準（DIN）、日本工業(yè)標準（JIS）4、行業(yè)標準：如中國機械工業(yè)部標準（JB）、冶金工業(yè)部標準（YB）等。舉例一：高強度緊固件緊固件是作緊固連接用且應用極為廣泛的一類機械零件。在各種機械、設備、車輛、船舶、鐵路、橋梁、建筑、結構、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。它的特點是品種規(guī)格繁多，性能用途各異，而且標準化、系列化、通用化的種度也極高。因此也有人把已有國家標準的一類緊固件稱為標準緊固件，或簡稱為標準件。緊固件包括：螺栓、螺柱、螺釘、螺母、墊圈、銷等

螺栓性能等級的含義鋼結構連接用螺栓性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余個等級，其中8.8級及以上螺栓材質為低碳合金鋼或中碳鋼并經熱處理（淬火、回火），通稱為高強度螺栓，其余通稱為普通螺栓。螺栓性能等級標號有兩部分數字組成，分別表示螺栓材料的公稱抗拉強度值和屈強比值。例如：性能等級4.6級的螺栓，其含義是：

1、螺栓材質公稱抗拉強度達400MPa級；

2、螺栓材質的屈強比值為0.6；

3、螺栓材質的公稱屈服強度達400×0.6=240MPa級性能等級10.9級高強度螺栓，其材料經過熱處理后，能達到：

1、螺栓材質公稱抗拉強度達1000MPa級；

2、螺栓材質的屈強比值為0.9；

3、螺栓材質的公稱屈服強度達1000×0.9=900MPa級螺栓性能等級的含義是國際通用的標準，相同性能等級的螺栓，不管其材料和產地的區(qū)別，其性能是相同的，設計上只選用性能等級即可。強度等級所謂8.8級和10.9級是指螺栓的抗剪切應力等級為8.8GPa和10.9GPa

10.9s的s

表示鋼結構舉例一：高強度緊固件舉例二：彈簧彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機件的運動、緩和沖擊或震動、貯蓄能量、測量力的大小等，廣泛用于機器、儀表中。彈簧的種類復雜多樣，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控制機械的運動，如內燃機中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧等。②吸收振動和沖擊能量，如汽車、火車車廂下的緩沖彈簧、聯軸器中的吸振彈簧等。③儲存及輸出能量作為動力，如鐘表彈簧、槍械中的彈簧等。④用作測力元件，如測力器、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。彈簧的材質與性能彈簧的生產工藝流程彈簧的生產工藝流程彈簧的表面處理彈簧在制造、存放、使用等過程中，經常會遭受周圍介質的腐蝕。由于彈簧在工作時是靠彈力發(fā)揮作用，彈簧被腐蝕后彈力會發(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，并延長其使用壽命。

彈簧的防腐方法一般采用保護層，根據保護層的性質可分為：金屬保護層、化學保護層、非金屬保護層和暫時性保護層等，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，所以一般不進行防腐處理。

1、彈簧的金屬保護層

金屬保護層種類很多，就彈簧而言，一般是用電鍍金方法以獲得金屬保護層。電鍍保護層不但可以保護不受腐蝕，同時能改善彈簧的外觀。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，一般應選用電鍍鋅層與電鍍鎘層。一般鍍鋅層后經鈍化處理，鈍化可提高鍍層的保護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。鎘鍍層比鋅鍍層光亮美觀、質軟、可塑性比鋅好，鍍層氫脆性小，最適宜于彈簧作保護層。但鉻稀少、價昂貴、且鎘鹽毒性大，對環(huán)境污染很厲害。因此，在使用上受到限制。故大多數只在航空、航海及電子工業(yè)所用的彈簧才使用鎘鍍層作保護層。為了提高鎘鍍層的防蝕性能，可在鍍后進行鈍化處理。

彈簧的鍍鋅和鍍鎘是在氰化電解液中進行的。在電鍍過程中，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，造成內應力，使彈簧上的鍍層和彈簧變脆，也叫氫脆。由于彈簧材料的強度很高，再加上彈簧成形時的變形很大，因此，對氫脆特別敏感，如不及時去氫，往往會造成彈簧的斷裂。為了消除電鍍過程中產生的一些缺陷，改善彈簧的物理化學性能，延長彈簧的使用壽命，提高鍍層的抗蝕能力，必須進行鍍后處理，即除氫處理。除氫處理是在電鍍后，立即或者在幾小時之內進行。將電鍍后的彈簧在200~215°C的溫度中，加熱1~2h(或2h以上,如果時間過長容易產生鉻脆)，即可達到除氫的目的。

金屬保護層，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，彈簧設計者可根據彈簧工作的場合選擇鍍層。2、彈簧的化學保護層

利用化學反應的方法使彈簧表面生成一層致密的保護膜，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、發(fā)黑、煮黑。氧化處理后，彈簧表面生成保護性的磁性氧化鐵，此氧化膜一般呈藍色或黑色，也有時呈黑褐色。

氧化處理的方法有：咸性氧化法、無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，生成磁性氧化鐵。

(2)磷化處理將彈簧放進含有錳、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。經噴砂處理后不能耽置太久，應隨即進行磷化。若無噴砂設備，亦可采用化學去油及酸洗方法去除油污。彈簧在磷化過程中產生大量的氫氣，因此經磷化后的彈簧具有氫脆現象。對于關鍵部位的彈簧，經磷化處理后應進行去氫處理。3、彈簧的非金屬保護層

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

非金屬保護層，膜層較厚，化學穩(wěn)定性好，有較好的機械防腐蝕作用，但硬度較低，易于刮傷損壞，同時膜層有老化現象。

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、機械強度、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，防銹性能好，但漆膜機械強度及光澤性差。酚醛面漆漆膜堅硬，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韌，附著力強，機械性能好，有極好的光澤，良好的耐久性并具有一定的耐油、絕緣性能。其缺點是表面干結快而粘手時間長，易起皺、不耐水、不耐堿。

d．環(huán)氧漆環(huán)氧漆附著力極強，硬度高，且韌性好，耐屈撓、耐沖擊、硬而不脆，對水、酸、堿及許多有機溶劑都有極好的抵抗力，特別以耐堿更為突出。其缺點是表面粉化快，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，經過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，適應性強，而且漆膜厚薄比較均勻、平整、光滑。但噴涂法對油漆的有效利用率僅70%~80%左右，同時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噴腔口時的一瞬間，感應上負電荷，在庫倉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層，一般保溫時間為40~60min。

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

其他隨著主機結構的變化和彈簧在工作時工況條件的日趨苛刻，為了提高彈簧的使用壽命，如氣門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)來替代傳統(tǒng)的氧化或鍍層處理。

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

①

傳遞扭矩，齒根部承受較大的交變彎曲應力；②

齒面嚙合并發(fā)生相對滑動與滾動，承受較大的交變接觸應力及強烈的摩擦；③

啟動、換檔或嚙合不良，齒輪承受一定的沖擊力；④

有時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足夠的齒心部強韌性，以防沖擊過載斷裂。

低碳鋼及低碳合金鋼20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通過退火或正火來改善切削加工性能，通過滲碳后淬火＋低溫回火來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低于低碳鋼滲碳淬火齒輪。其中Q275只宜制作低速、輕載、無沖擊的非重要齒輪，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，依據具體工作條件不同，可在正火、調質、表面淬火狀態(tài)下使用；40Cr、40MnB合金鋼的綜合力學性能優(yōu)于40、45碳鋼，可用做相對重要的齒輪，多在表面淬火狀態(tài)使用，少數情況也可在調質狀態(tài)使用。中碳氮化鋼40Cr、35CrMo、38CrMoAl鋼，經調質處理后再表面滲氮處理，力學性能優(yōu)良、變形微小，主要用做高精度、高速齒輪。機床齒輪

運行平穩(wěn)無強烈沖擊、載荷不