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作为一个机械设计人员,在选材时必须了解工业发展趋势,按国家标准,结合我国资源和生产条件,从实际出发全面考虑材料及其选择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,在机械制造中也具有独特的使用价值。

金属材料

1、铸铁

铸铁和钢都是铁碳合金,它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金称为钢,含碳量大于2%的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性,良好的液态流动性,因而可铸成形状复杂的零件。此外,它的减震性、耐磨性、切削性(指灰铸铁)均较好且成本低廉,因此在机械制造中应用甚广。常用的铸铁有:灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料,不能进行辗压和锻造。在上述铸铁中,以灰铸铁应用最广,球墨铸铁次之。

2、钢

与铸铁相比,钢具有高的强度、韧性和塑性,并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得,因此其应用极为广泛。按照用途,钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件;工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具;特殊钢(如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)用于制造在特殊环境下工作的零件。按照化学成分,钢又可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量,含碳量越高则钢的强度越高,但塑性越低。为了改善钢的性能,特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。)碳素结构钢这类钢的含碳量一般不超过0.7%。含碳量低于0.25%的低碳钢,它的强度极限和屈服极限较低,塑性很高,且具有良好的焊接性,适于冲压、焊接,常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。含碳量在0.l%~0.2%的低碳钢还用以制作渗碳的零件,如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨,心部韧而耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时,可采用低碳含金钢。含碳量在0.3%~0.5%的中碳钢,它的综合力学性能较好,既有较高的强度,又有一定的塑性和韧性,常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。含碳量在0.55%一0.7%的高碳钢,具有高的强度和弹性,多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。

(2)合金结构钢

钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。例如:镍能提高强度而不降低钢的韧性;铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性;锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性;铝的作用类似于锰,其影响更大些;钒能提高韧性及强度;硅可提高弹性极限和耐磨性,但会降低韧性。合金元素对钢的影响是很复杂的,特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。应当注意,合金钢的优良性能不仅取决于化学成分,而且在更大程度上取决于适当的热处理。

(3)铸钢

铸钢的液态流动性比铸铁差,所以用普通砂型铸造时,壁厚常不小于10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大,故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。选择钢材时,应在满足使用要求的条件下,尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢,必须采用合金钢时也应优先选用硅、锰、硼、钒类合金钢。

3、铜合金

铜合金有青铜与黄铜之分。黄铜是铜和锌的合金,并含有少量的锰、铝、镍等,它具有很好的塑性及流动性,故可进行碾压和铸造。青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜两类,它们的减摩性和抗腐蚀性均较好,也可辗压和铸造。此外,还有轴承合金(或称巴氏合金),主要用于制作滑动轴承的轴承衬。

非金属材料

1、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、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。

2、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。以木屑、石棉纤维等作填充物,用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料,可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体,用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料,可用来制作无声齿轮、轴承村和摩擦片等。设计机械零件时,选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。这就要求设计者在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。前面所述,仅是一些概略的说明。各种材料的化学成分和力学性能可在有关的国家标准、行业标准和机械设计手册中查得。

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