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4常見問題
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作為一個機械設計人員,在選材時必須了解工業發展趨勢,按國家標準,結合我國資源和生產條件,從實際出發全面考慮材料及其選擇機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵,其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等,在機械制造中也具有獨特的使用價值。

金屬材料

1、鑄鐵

鑄鐵和鋼都是鐵碳合金,它們的區別主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的鐵碳合金稱為鋼,含碳量大于2%的稱為鑄鐵。鑄鐵具有適當的易熔性,良好的液態流動性,因而可鑄成形狀復雜的零件。此外,它的減震性、耐磨性、切削性(指灰鑄鐵)均較好且成本低廉,因此在機械制造中應用甚廣。常用的鑄鐵有:灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料,不能進行輾壓和鍛造。在上述鑄鐵中,以灰鑄鐵應用最廣,球墨鑄鐵次之。

2、鋼

與鑄鐵相比,鋼具有高的強度、韌性和塑性,并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得,因此其應用極為廣泛。按照用途,鋼可分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼。結構鋼用于制造各種機械零件和工程結構的構件;工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具;特殊鋼(如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)用于制造在特殊環境下工作的零件。按照化學成分,鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼的性質主要取決于含碳量,含碳量越高則鋼的強度越高,但塑性越低。為了改善鋼的性能,特意加入了一些合金元素的鋼稱為合金鋼。)碳素結構鋼這類鋼的含碳量一般不超過0.7%。含碳量低于0.25%的低碳鋼,它的強度極限和屈服極限較低,塑性很高,且具有良好的焊接性,適于沖壓、焊接,常用來制作螺釘、螺母、墊圈、軸、氣門導桿和焊接構件等。含碳量在0.l%~0.2%的低碳鋼還用以制作滲碳的零件,如齒輪、活塞銷、鏈輪等。通過滲碳淬火可使零件表面硬而耐磨,心部韌而耐沖擊。如果要求有更高強度和耐沖擊性能時,可采用低碳含金鋼。含碳量在0.3%~0.5%的中碳鋼,它的綜合力學性能較好,既有較高的強度,又有一定的塑性和韌性,常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。含碳量在0.55%一0.7%的高碳鋼,具有高的強度和彈性,多用來制作普通的板彈簧、螺旋彈簧或鋼絲繩等。

(2)合金結構鋼

鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。例如:鎳能提高強度而不降低鋼的韌性;鉻能提高硬度、高溫強度、耐腐蝕性和提高高碳鋼的耐磨性;錳能提高鋼的耐磨性、強度和韌性;鋁的作用類似于錳,其影響更大些;釩能提高韌性及強度;硅可提高彈性極限和耐磨性,但會降低韌性。合金元素對鋼的影響是很復雜的,特別是當為了改善鋼的性能需要同時加入幾種合金元素時。應當注意,合金鋼的優良性能不僅取決于化學成分,而且在更大程度上取決于適當的熱處理。

(3)鑄鋼

鑄鋼的液態流動性比鑄鐵差,所以用普通砂型鑄造時,壁厚常不小于10mm。鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大,故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡部分均應比鑄鐵件大些。選擇鋼材時,應在滿足使用要求的條件下,盡量采用價格便宜供應充分的碳素鋼,必須采用合金鋼時也應優先選用硅、錳、硼、釩類合金鋼。

3、銅合金

銅合金有青銅與黃銅之分。黃銅是銅和鋅的合金,并含有少量的錳、鋁、鎳等,它具有很好的塑性及流動性,故可進行碾壓和鑄造。青銅可分為含錫青銅和不含錫青銅兩類,它們的減摩性和抗腐蝕性均較好,也可輾壓和鑄造。此外,還有軸承合金(或稱巴氏合金),主要用于制作滑動軸承的軸承襯。

非金屬材料

1、橡膠

橡膠富于彈性,能吸收較多的沖擊能量,常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。

2、塑料

塑料的比重小,易于制成形狀復雜的零件,而且各種不同塑料具有不同的特點,如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等,所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。以木屑、石棉纖維等作填充物,用熱固性樹脂壓結而成的塑料稱為結合塑料,可用來制作儀表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體,用熱固性樹脂壓結而成的塑料稱為層壓塑料,可用來制作無聲齒輪、軸承村和摩擦片等。設計機械零件時,選擇合適的材料是一項復雜的技術經濟問題。設計者應根據零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮。這就要求設計者在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經驗。前面所述,僅是一些概略的說明。各種材料的化學成分和力學性能可在有關的國家標準、行業標準和機械設計手冊中查得。

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