任務三 機械零件常用材料的認識與選擇
一、機械零件的常用材料
機械零件常用的材料有黑色金屬、有色金屬、非金屬材料及各種復合材料。其中，黑色金屬和有色金屬應用最為廣泛。目前，非金屬材料和復合材料以其特有的制造性能和使用性能，在機械零件制造業中日益得到廣泛應用。
（一）黑色金屬
黑色金屬，主要成分為鐵元素和碳元素，所以也稱為鐵碳合金。其中包括各種牌號的鋼、鑄鋼和鑄鐵。一般有較高的強度，以及良好的塑性、韌性和可加工性，并且可以通過熱處理改善其力學性能，因而得到廣泛應用。
黑色金屬的分類和應用見表0-1。
表0-1 黑色金屬材料的分類和應用
續表
（二）有色金屬合金
有色金屬合金具有黑色金屬所沒有的某些特殊性能，如耐磨性、耐蝕性、韌性、延展性、導電性、導熱性等。有的有色金屬合金密度小、強度高（如鋁合金），有的有色金屬合金具有良好的減磨性、跑合性（如軸承合金），故在機械零件中的應用也相當廣泛。但是有色金屬的地礦含量少，產量較低，所以價格較高，過多使用將使零件造價增高。有色金屬的種類和應用見表0-2。
表0-2 有色金屬的分類和應用
（三）非金屬材料
目前，常用的非金屬材料包括塑料和橡膠。塑料具有重量輕、耐磨、耐蝕、易于加工成形的特點，加入填充劑后可獲得較高的機械強度，是非金屬材料中發展最快、應用最廣的材料。橡膠重量輕，彈性好，能吸收較多沖擊能量，具有較高的絕緣性、耐磨性和抗沖擊性能，應用也十分廣泛。目前，隨著材料科學的新發展，各種新型復合材料及陶瓷材料等也日益廣泛地用于制造機械零件。常用的非金屬材料的種類和應用見表0-3。
表0-3 常用非金屬材料的分類和應用
二、材料選用的基本原則
機械零件所用材料與零件的工作可靠性和經濟性關系十分密切。因此，設計時必須從零件的使用要求、制造工藝要求和經濟要求等幾方面予以慎重考慮。
（一）保證使用性能要求
零件的使用條件是指零件受力狀況，即指零件所受載荷的類型、大小、形式及特點；零件工作環境狀況是指零件工作時所處的環境溫度、環境介質；對零件的特殊要求是指零件所應具備的特殊性能，如導電性、導熱性、導磁性等性能。一般要求如下。
（1）根據零件所受載荷和應力情況，確保零件滿足強度和剛度的要求，使零件在預期壽命內不失效。
（2）對零件尺寸和質量的限制。對嚴格要求尺寸和重量的零件，應選用高強度鋼、鋁合金等；對要求剛度大、重量輕的零件，可選用鋁或欽的合金。減輕重量是設計零件的主要要求之一。
（3）根據零件工作的重要程度，確保零件所用材料性能的可靠。對關系到設備及人身安全的零件，必須選用性能可靠的材料，如合金鋼等。
（4）滿足零件的工作條件要求。要滿足零件工作的繁重性、摩擦磨損程度、工作環境及溫度等條件要求，應選用適當性能的材料。
（二）符合工藝性能要求
工藝要求主要考慮零件及其毛坯制造的可能性和難易程度。對形狀復雜、尺寸較大的零件，可優先選用鑄造材料或焊接材料；對尺寸較小、外形簡單、批量大的零件，可選用適合沖壓或模鍛的高塑性材料。同時，應考慮材料的切削性和熱加工性良好。
（三）滿足經濟性要求
零件所用材料的成本直接影響著機械零件的成本，因此對所選用材料的經濟性要求也應從以下幾方面予以認真考慮。
（1）材料的價格。在滿足使用要求的前提下，應盡可能選用廉價材料或代用材料。
（2）材料的加工費用。如箱體零件，單件生產時選用鋼板焊接，可以節省制模費用，比鑄造經濟。
（3）材料的利用率。采用無切削或少切削的毛坯，可以提高材料的利用率，如精鑄、沖壓、粉末冶金等。
（4）節約使用稀有材料。對零件不同部位采用相應性能的材料，既可以降低零件成本，又可以滿足零件的使用要求，同時節省了稀有貴重材料。
三、鋼的熱處理
鋼的熱處理就是將鋼在固態溫度范圍內加熱到一定溫度后，保溫一段時間，再以一定速度冷卻的工藝過程，是改善鋼的機械性能的主要方法。一般包括退火、正火、淬火、回火及表面處理，如圖0-2所示。
圖0-2 鋼的熱處理示意圖
1．退火
退火是把鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間后隨爐溫下降，冷卻至室溫的工藝處理方法。退火可以細化鋼的晶粒，降低硬度，消除內應力。
2．正火
正火實質是退火的一種特殊形式，與退火的目的相似。它們的區別是正火采用空氣冷卻，因而冷卻速度較快，可以提高鋼的硬度和強度。對有些重要零件，正火可作為淬火前的預處理，以減少淬火時的變形和開裂。
3．淬火
淬火是把零件加熱到一定溫度，并保溫一段時間后，將零件放入液態冷卻介質中急速冷卻的工藝處理方法。淬火的目的是提高鋼的強度、硬度和耐磨性。但使材料的韌性下降，并產生附加內應力，使零件有開裂和嚴重變形的趨勢。冷卻介質有油、水和水基鹽溶液。
4．回火
回火是將經過淬火處理的零件重新加熱到一定溫度（低于淬火溫度），保溫一段時間后，在空氣或油中冷卻至室溫的工藝處理方法。回火可以消除淬火產生的內應力，保證鋼的強度和硬度，提高材料的塑性和韌性，從而提高材料的綜合機械性能。回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。
5．表面熱處理
對零件表面有較高的硬度和強度要求，而要求其心部有足夠的塑性和韌性的零件，可以進行表面熱處理。如表面淬火和表面化學處理。
（1）表面淬火是快速將零件表面迅速加熱到淬火溫度（而零件心部溫度較低）后，迅速冷卻的熱處理工藝過程。表面淬火可以使零件表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部仍保持材料的原有塑性和韌性，提高了零件的抗沖擊能力。
（2）表面化學熱處理是將某些化學元素滲入鋼的表層，改變鋼的表層化學成分、組織和性能，從而獲得高的硬度、耐磨和抗疲勞等性能的熱處理工藝方法。
按滲入零件表層元素的不同，表面化學熱處理有滲碳、滲氮、氟化處理等。
思考題
1．機械零件常用材料有哪些？
2．選擇材料的原則是什么？
3．鋼的熱處理方法有哪些？