金属材料-机械设计课件.ppt

1、机械零件的材料及其选用原则机械零件的材料及其选用原则 机械零件所用的材料是各种各样的，即使同一种零件也可以选择不同的材料。因此，如何选择零件的材料是零件设计的重要环节。设计时应考虑： 机械零件的使用要求主要有以下几点： l 零件承受工作载荷的能力，主要从载荷的特点、强度、及刚度等方面考虑；l 零件的工作条件（运动速度等）及工作环境（温度、潮湿、腐蚀等）；l 耐磨性、寿命、可靠性等要求；l 零件尺寸和质量的要求。 设计零件应以零件承受工作载荷的能力为主，综合考虑其他因素，合理地选择材料。如零件受力较大且有较大的冲击载荷，工作速度较高、可靠性要高，而且要求零件的尺寸较小、重量较轻，应采用高强度合金

2、钢制造，并要热处理及精加工。 脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件。在有冲击的情况下，应选择塑性材料。 在湿热环境下工作的零件，其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力，例如选用不锈钢、铜合金等。 工作温度对材料选择的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或者使配合松动；另一方面要考虑材料的机械性能随温度而变化的情况。 在熟悉材料的工艺性的前提下，根据零件的结构复杂程度、尺寸大小、生产批量的大小、毛坯制造及机械加工的特点，分析比较，合理选择机械零件的材料。 零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增加耐磨性。因此，应

3、选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。 此外，零件尺寸和质量的大小还和材料的强重比有关，应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。 零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。 结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。 对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。铸造材料的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。锻造材料的工艺性是指材料的延展性、热脆性

4、及冷态和热态下塑性变形的能力等。焊接材料的工艺性是指材料的焊接性及焊缝产生裂纹的倾向性等。材料的热处理工艺性是指材料的可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力等。冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。材料的经济性主要从以下几个方面考虑： l 材料的相对价格：同样能满足使用要求的前提下，应采用价格相对低的材料；l 考虑不同材料的加工（毛坯制造、机械加工及热处理等）成本；l 采用局部品质的原则，如蜗轮的齿圈用铜合金，轮芯采用铸铁或碳钢；l 材料的利用率，如采用无切削或少切削的材料及工艺；l 考虑材料的供应状况及储运成本。 选材时还应考虑到当时当地

5、材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。 机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用得最多和最广。此外各种新技术材料，如纳米材料等，在机械中的应用也将逐渐增多。 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等 。铜合金铸铁：含碳量2%钢： 含碳量 2%常用金属材料铁碳合金l 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。l 钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐

6、热钢、耐酸钢等)、碳素结 构钢、合金结构钢、铸钢等。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法 改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。我国资源丰富 价格便宜且供应充分 l 铜合金特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性 和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。青铜：含锡青铜、不含锡青铜黄铜：铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍轴承合金（巴氏合金）l 橡胶：橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震 器的弹性元件、带

7、传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑 的轴承衬。 l 塑料：塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料 具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦 系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。 l 其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。 纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的颗粒。这些颗粒的尺寸只有几个纳米。 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。实验发现如果将金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作固体火箭的燃料、催化剂。 l 材料世界中的大力士-纳米金属块体：金属纳米颗粒粉

8、体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。 纳米金属铜的超延展性l 奇妙的碳纳米管：碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。轻而柔软又非常结实是作防弹背心的最好材料。如果用碳纳米管做绳索，则是从月球上挂到地球表面而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。 碳纳米管l 善变颜色的纳米氧化物材料：氧化物

9、纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色，可作成士兵防护激光枪的眼镜。如作广告板，在电、光的作用下，广告会变得更加绚丽多彩。 l 刚柔并济的纳米陶瓷：纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性、高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷l 爱清洁的纳米材料：把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。 l 法力无边的半导体纳米材料：半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它

10、还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能。 l 运送药物的导弹：把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部，这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大地提高。 把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，电子运动或能量被量子化了。结果表现为若在金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。这样一来，原本在宏观世界内被奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。 还有一种奇怪的现

11、象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，切断了电流的连续性，也使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，所谓单电子器件。 单电子器件的尺寸很小，一旦实现并把它们集成起来作成计算机芯片，计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而，事情不是像人们所设想的那么简单，起码有两个方面的问题向当前的科学技术提出了挑战。实际上，被囚禁的电子可不是那么老实，按照量子力学的规律，有时它可以穿过监狱的壁逃逸出来，一方面在新一代芯片中似乎不用连线而相互关联在一起，当然，需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路；另一方面也会

12、使芯片的动作不可控制。归根到底，在这一世界中电子应被看成是波而不是一个粒子。所以尽管单电子器件已经在实验室里得以实现，但是真正要用在工业上，要假以时日，它将是明天或后天的技术。 囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是它会使材料发出强的光。量子点列阵激光器或级联激光器的尺寸小，发光的强度高，驱动它们发光的电压低，可发生蓝光和绿光，用它来读写光盘可使光盘的存储密度提高几倍。还有甚者，如果用囚禁原子的小颗粒量子点来存储数据，制成量子磁盘，存储量可提高成千上万倍，会给信息存储技术带来一场革命。微米尺寸的微机械 绝对零度(10nK)附近囚禁原子，原子的热运动十分弱。在磁场中，同时在三个方向上用激光照射被冷

13、却的原子，原子将停留在激光的电场波动的谷内。实验上已经可以将成千上万个原子囚禁在一个很小的范围内。有趣的是所有的原子还具有同样的动量，发射出来，一束原子具有与激光一样的性质，即空间和时间的相干性。人们正在思考如何利用这一束原子激光。初步认为在通信和物质探索上会有重要的应用。 实验装置和实验情形 被激光囚禁的铷原子云 按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料，这一技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术是纳米科学的重要基础，包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。在纳米世界内，所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑。 纳米集成技术使不同材质的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可以探测到电磁波、光波(包括可见红外光、紫外线等)的信号，还同时能完成计算机命令的动作。 总而言之，本世纪是生命科学技术、信息科学技术大有作为的时代，而纳米科学的发展将给它们带来更多的机会和工具。纳米科学这一未知而又神奇的世界正等待人们去探索和发掘。 放在指尖上的400支排列整齐的无痛型微型针