丰田C级标准 机械材料机械.docx
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丰田C级标准机械材料机械
第3编 机械材料
目录
页码
第1章 金属的性质 92 1.机械性性质 92 2.其他性质 93
第2章 金属材料 94
1.主要金属材料 94
2.钢铁的分类 95
3.炭素鋼 95
4.铸铁 96
5.合金钢 97
第3章 非铁金属材料 100
第4章 非金属材料 101
1.木材 101
2.混凝土 101
3.皮革 101
4.橡胶 101
5.合成树脂 101
6.涂料 102
7.纤维 102
8.精制陶瓷 102
第5章 热处理 105
1.正火105
2.退火 105
3.淬火 106
4.回火 106
第6章 表面硬化 109
1.表面效果的目的 109
2.渗碳表面淬火法 109
3.氮化法 109
4.高频淬火法 110
5.火焰淬火法 110
第7章 材料的符号的读法、表示方法 111
1.钢铁符号的读法 111
2.JIS和TMS(丰田规格)的符号比较表 113
第1章金属的性质
1.机械性性质
(1)强度
抵抗拉伸、压缩、弯曲等外力的性质
拉伸强度〔N/mm2〕 材料抵抗拉伸力的强度,常用于表示钢材强度。
压缩强度〔N/mm2〕 抵抗压缩力的强度
弯曲强度 材料在多大的力量下可以被折弯,抵抗这个最大荷重的强度,多表现为抗折力。
(2)伸展率〔%〕
拉伸材料直至拉断,拉伸后的长度相对于原长度的比例
(3)硬度
金属材料的硬度是机械性质中最重要的性质,是了解其耐磨耗性的根据。
硬度的程度表现为材料撞击一定物体时的抵抗力的大小。
其试验方法分为布氏、维氏、洛氏、肖氏4种规格。
(4)冲击值〔J〕
材料抵抗突然受到的压力的强度
(5)韧性
指粘性强度,抵抗冲击和弯曲等外力的反复破坏的性质。
韧性大的物体冲击值也大。
(6)脆性
即使有强度和硬度,延性和冲击值小的材料具有脆性
(7)展性
经过打击、压延等作业,容易成为薄板的性质
(8)延性
能够拉长成为棒或线的性质
展性和延性 通常延性大,展性也大,但这两种性质并不一定平行。
(表1-1)
表1-1 延性和展性排名
排名
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
延性
金
银
白金
铁
镍
铜
铝
锌
锡
铅
展性
金
银
铜
铝
锡
白金
铅
锌
铁
镍
(9)可锻性
锻造、压延、拉拔等作用下变形的性质
(10)可铸性
融化后流动性增加,能够成为铸件的性质。
与可锻性是相反的性质。
2.其他性质
(1)导热度
传导热的容易程度,距离1㎝温度相差1℃的情况下,通过1cm2的横截面1秒钟所传递的热量。
〔导热度由大到小的顺序〕Ag、Cu、Au、Al、W、Mg、Mo、Zn、铁(铜)、铸铁
(2)导电度
电容易通过的性质
〔导电度由大到小的顺序〕Ag、Cu、Au、Al、Mg、W、Zn、Fe
(3)磁性
带有磁力的性质,靠近磁石的时候,具有相互吸引的性质的叫顺磁性体,相互排斥的叫反磁性体。
顺磁性体中有Fe、Ni、Co、Al、Na、K、Pt等,反磁性体中有C、P、Cu、Bi、Sb、Au等。
顺磁性体中,带有特别强的磁力的Fe、Co、Ni叫做强磁性体,或者简单叫做磁性体。
除此之外的顺磁性体、反磁性体所带有的磁性都很微弱,因此统一叫做非磁性体。
(4)合金性
混合融化能够成为合金的性质。
(5)加工硬化
一般在常温下加工金属材料的话,硬度和拉伸强度会增加,相反、伸长和拉伸会减小,变脆。
这种性质叫做加工硬化。
冷加工和热加工 从其金属的再结晶温度(变形结晶变回正常组织的温度)到低的温度下加工叫做冷加工,再结晶温度以上的加工叫做热加工。
冷加工影响到金属的机械性质 引起加工硬化
① 强度、降伏点、弾性限度高。
② 硬度増加。
③ 伸长、拉伸減少。
第2章金属材料
1.主要金属
从元素周期表来看,全部元素约80%为金属元素。
但是,受到种种制约(资源量、利用技术、成本等)的影响,能够成为各种构成物和部品的材料而被使用的金属,现在一般实际使用的金属种类并不多。
主要金属如表2-1所示。
表2-1 主要金属的性质
金属名
元素
符号
密度
[g/cm3]
熔点
[℃]
特 征
铝
Al
2.7
660
比重轻,电、热的传导性良好。
非磁性、柔软。
锌
Zn
7.1
419
硬而脆,在电镀、压铸中被使用。
金
Au
19.3
1063
耐蚀性良好,是金属中具有最好的延展性的贵金属
银
Ag
10.5
961
富有延展性,是金属中电、热传导性最好的。
锡
Sn
7.3
232
熔点低,富有延展性,耐蚀性也相当好
钛
Ti
4.5
1680
耐蚀、耐热性优越,比强度高于钢。
铁
Fe
7.9
1536
在地壳中的存有量仅次于Al的最重要的金属。
铜
Cu
8.9
1083
富有延展性,电、热传导性仅次于银。
铅
Pb
11.3
327
柔软、強度低但耐蚀性良好。
镍
Ni
8.9
1453
耐热、耐蚀性优越。
强磁性
镁
Mg
1.7
659
実用金属中最轻的,但活性大耐蚀性不好。
一般纯金属富有柔软的延展性,但是有强度低的缺点。
因此,利用金属作为材料的时候,除去特殊情况,几乎没有直接使用纯金属的情况。
为了提高其金属性质弥补缺陷,大多数情况使其合金化后应用于实际。
2.铁钢的分类
根据铁钢的成分,分类如下。
(1)(纯)铁:
碳素量0.006~0.035%的铁
(2)碳素钢:
包含碳素量0.035~1.7%的铁的碳素合金
(3)铸 铁:
包含碳素量1.7~4.3%的铁的碳素合金
(4)合金钢:
将碳素钢与1种以上的金属或非金属进行合金,对其性质进行了实用性的改善
3.碳素钢
(1)组成
碳素钢是,含有0.035~1.7%碳的Fe―C合金,在制造工程中必然会混入的微量Si0.3%、Mn0.2%~0.8%、微量P0.06%、微量S0.06%等不纯成分。
碳素钢的C含量不同,其机械性质也不同,分类如表2-2所示。
(2)机械性质
一般碳素钢在200~300℃时,其拉伸强度和硬度最大,伸展和拉深度最小。
并且冲击值在400~500℃时为最小値。
因此,碳素钢在200~300℃时具有比在室温下要硬,并且脆的性质,因此加工时要避开这个温度。
并且,在此温度下由于氧化呈现出蓝色,叫做青热脆性。
蠕变限度,在温度上升到300℃以上的同时,碳素钢中含有的大量S(硫黄)急速减少,在赤热温度范围内变脆,高温加工中、容易沿加工方向成直角产生龟裂。
这种现象叫做热脆性或高温脆性。
温度降到常温以下的话,随着温度的降低,拉伸强度、降伏点、硬度以及疲労限度都会增加,但是伸长、拉深以及冲击值会减少。
特别是在冲击值开始急速下降的温度,C含量越来越少。
温度达到零下时变脆的现象叫做低温脆性。
表2-2 碳素钢的分类
种 类
极软钢
软 钢
半软钢
半硬钢
硬 钢
最硬钢
C量〔%〕
<0.12
0.12~0.20
0.20~0.35
0.35~0.50
0.50~0.80
0.80~1.70
(3)构造用碳素钢
碳素钢,从0.035%C非常软的到1.7%C非常硬的,其中C含量比较低的用于构造用材料,含量高的用于工具用材料。
用途有,棒钢、形钢、钢板、帯钢、线材、钢管等圧延钢材以及锻造品等,机械、建筑、桥梁、铁道车辆、船舶等构造用材料,应用广泛。
(4)碳素钢铸钢
铸钢品多数由碳素钢作成。
具有强韧性,因此作为机械部品应用广泛。
碳素钢铸钢品,按照C〔%〕含量分类如下。
表2-3 碳素钢铸钢品的规格(JIS G 5101-1969)
种类
符号
拉伸试验
摘 要
降伏点
〔N/mm2〕
拉伸强度
〔N/mm2〕
伸展
〔%〕
拉深
〔%〕
1种
SC37
180以上
370以上
26以上
35以上
电动机部品用
2种
SC42
210以上
420以上
24以上
35以上
一般构造用
3种
SC46
230以上
460以上
22以上
30以上
一般构造用
4种
SC49
250以上
490以上
20以上
25以上
一般构造用
P以及S含有量在0.05%以下
① 低碳素钢:
C<0.2%
② 中碳素钢:
C0.2~0.5%
③ 高碳素钢:
C>0.5%
在表2-3种显示出生产量大的低碳素钢以及中碳素钢铸钢品的规格。
铸钢品的大部分,为了改善其机械性质比铸件状态要好,要进行正火,或者退火后使用。
4.铸铁
(1)普通铸铁(灰铸铁)是指
铸铁的定义是含有C1.7%以上到6.67%的铁合金,但一般所说的铸铁C含量限定在2.0~4.0%的范围。
(2)普通铸铁的特性
① 机械性质、物理性质的概要
1)压缩强度是拉伸强度的3~4倍。
2)弹性系数低于钢。
3)导热性高于钢,特别是品种越低导热性越大。
4)比电阻大,品种越低比电阻越大。
(3)耐磨损性
灰铸铁的耐磨损性一般良好,用于轴承、齿轮、汽缸、活塞环、工作机器头、制动片等用途广泛。
(4)减震能力
灰铸铁具有这样的性质,如果受到振动,能够迅速吸收其能量。
这种特性叫做减震能力。
石墨到结出粗大结晶的程度,减震能力提高,因此重视此功能的时候,最好不要选择强度太高的品种。
钢的比减震能力为2~3%,与之相比,铸铁的比减震能力要大5~10倍。
(5)耐腐蚀性
灰铸铁的耐腐蚀性不好,特别是对于酸来说,可以说是完全不耐酸。
但是有例外情况,浓度在65%以上的浓硫酸会生成硫化铁的皮膜,耐腐蚀性很好。
并且,耐碱性很好,常用于火碱浓缩用或者溶解用的容器
对于水的耐腐蚀性和耐电腐蚀性也很好,要好于钢。
因此常用于水管、水管阀门。
5.合金钢
(1)组成
合金钢是指,在碳素钢中加入1种或多种合金元素,改善其性质,适用于各种目的的钢。
(2)合金的一般性质
① 强度
一般拉伸强度比成分金属要大。
② 硬度
虽然会增加,但是会因加工度、热处理而变化。
③ 可铸性
一般变好。
④ 可锻性
一般低下。
⑤ 耐蚀性
一般会增加。
⑥ 延性及展性
一般变差。
⑦ 导热、导电度
一般大幅度减少。
⑧ 熔化点
一般变低,熔汤流动变好。
偏析 - 金属材料的成分和不纯物在凝固时分布不均,产生部分浓度不同的现象
叫做偏析。
(3)合金钢铸钢
为了达到提高碳素钢铸钢性质的目的、也就是提高強度、耐蚀性、耐热性、耐磨损性,添加了各种金属而生产出来了合金铸钢。
它分为低合金铸钢和高合金铸钢。
① 不锈钢铸钢
不锈钢铸钢是指,放置在温度大约500℃以下的腐蚀物质环境中,具有耐腐蚀性质的铸钢。
高Cr系属于被称作13铬不锈钢的钢种,高Cr-Ni系属于18-8不锈钢的钢种,在耐蚀性方面比13铬系的耐腐蚀的范围更广。
含Mo多的对稀硫酸的耐蚀性强,切削性也好。
并且,加入Cu的耐酸性更好。
② 高锰铸钢
高Mn铸钢有含Mn11~14%、C0.9~1.3%を的钢种,耐受到冲击的磨损。
因此,被广泛用于耐磨耗的物品,多用于轨道交叉口、各种粉碎机的部品。
表2-4主要合金钢的主要成分、特性、用途。
表2-4 主要合金钢材一览表
名 称
主成分〔%〕
特 性
用 途
铬钢
镍铬钢
Cr1
Cr11~18
(不锈钢)
Ni1~3.5
Cr1
Ni8、Cr18
(不锈钢)
硬度大。
耐有机酸、耐海水。
硬度、强度大。
耐蚀性大(18-8钢)
轴承球、滚子
蒸汽涡轮的叶片
高级齿轮、餐具、
涡轮的叶片
需耐蚀部品
镍铬钼钢
Ni0.4~4.5
Cr0.4~1.8
Mo0.15~0.7
C 0.12~0.5
最优秀的构造用钢
韧性大
淬火性大
弾性极限大
高级内燃机的曲轴、其他主要机械部品
低锰钢
(低锰结构钢)
高锰钢
(哈德菲尔的高锰钢)
Mn0.5~0.9
Mn12
强度、硬度大
非磁性、耐磨损性
轨道、土建用、船舶用
曲线滑道、碎石机
铬钼钢
铬钒钢
硅钢
钨钢
高速度钢
弹簧钢
Cr0.13~0.48
Mo0.2
Cr1、V0.2
Si3
W1~8
W18、Cr4、
V1
Si0.15~2.2
Mn0.30~1.0
高温下强度大
焊接性良好
强韧、耐冲击。
电流损失少
硬度大、高温下不可软化、保持磁性。
赤熱硬化性
强韧、弾性限度大
曲轴、齿轮
弹簧、工具
发电机、变压器
錾子、磁石
切削工具
弹簧
<课题>2-1
接触实物,观察并理解。
将以下金属材料的序号填入表中的( )内。
50〔㎜〕
50〔㎜〕
10〔㎜〕
( )
( )
( )
( )
( )
( )
1 铸件
2 铝
3 铁
4 铜
5 不锈钢
6 黄铜
第3章非铁金属材料
非铁系金属材料,使用量少,与铁系材料不能相比,但是种类繁多,活用各自的特征被广泛应用。
表3-1中为主要种类。
表3-1 非铁系材料的主要种类
大分类
中分类
种类、特征、用途等
构造用材料
铜合金
黄铜(Cu-Zn)、青铜(Cu-Sn)、铝青銅(Cu-Al)、洋白(Cu-Ni-Zn)等多种合金。
铝合金
Al-Mn系、Al-Si系、Al-Mg系、Al-Cu-Mn系等多种类,用于建筑、汽车、电气用等。
镁合金
有Mg-Al系、Mg-Zn系等。
在轻量化方面是很适合的材料,但是比铝成本高,所以很少使用。
锌合金
用于压铸有Zn-Al系、Zn-Al-Cu系。
熔点低、铸造性优越,机械性质也好。
钛
钛不用合金化强度也很高,耐蚀、耐热性优越。
合金的话一般添加Al和V。
特殊用途材料
轴承用合金
能够分为Cu系、Sn-Pb系、Al系。
Cu系和Al系适用于高速高荷重。
Sn-Pb系被称为白合金,用途广泛。
耐热用合金
主要为Ni基和Co基的合金,在其中添加Cr和Fe等合金元素。
低熔点合金
Pb-Sn系的焊锡、Pb-Sb-Sn系的活字用合金,还有熔点更低的Bi系合金。
电气用材料
导电用有纯铜和纯铝,电阻线有Cu-Ni系、Cu-Mn-Ni系等的合金,电热线有Ni-Cr系合金。
磁性材料
Ni-Fe合金的强磁性铁镍合金应用于磁心材料等。
超硬合金
以钨为主题,将粉末材料成形焼結制作出来。
用于工具和耐磨损机械部品。
形状记忆合金
已开发的Ti-Ni系、Ti-Ni-Cu系、Cu-Zn-Al系等,一部分应用于实际。
第4章非金属材料
1.木材
木材作为木型以及辅助构造材料被使用。
表4-1 木型用木材
木 材
特 征
(价格)
用 途
日本白松
有粘性,易加工
(廉价)
普通木型用
扁柏
致密、易加工
(廉价)
稍微坚硬的木型用
日本厚朴
质地均匀、易加工
(昂贵)
复杂的小型木型用
杉
质软、易弯曲
(廉价)
大型木型用
樱
致密、强韧
(昂贵)
复杂的长时间使用的木型用
2.混凝土
3.皮革
将生皮涂上丹宁等,具有耐水、耐蚀、耐油、耐磨损耗性。
4.橡胶
(1)硫化橡胶(天然橡胶)
由橡胶树液中取得的生橡胶,在其中加入硫黄和添加剂加工而成的,普通的天然橡胶基本上是
硫化橡胶。
① 性质
1)富有弹性和柔软性,随时间推移发生老化现象。
2)热和电气的不良导体
3)耐水性大、具有耐药性,缺乏耐油性。
4)防音、吸振作用优越。
② 用途
作为皮带、垫圈、软管、轮胎、内胎等缓冲防震材料,在工业中被广泛使用。
硬质橡胶 硬橡胶是代表。
在橡胶中加入大量硫黄(15%~35%),长时间加热制成的。
硬而脆,但加工性良好,电气绝缘性大,具有耐油性、耐热性、耐老化性。
对化学药品也很强。
被广泛应用于电气部品的绝缘材料。
(2)合成橡胶
替代天然橡胶,化学合成的橡胶。
有丁晴橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等多个种类。
根据其性质,被广泛应用于不同领域。
一般比天然橡胶更具有耐油性、耐热性,不易老化。
5.合成树脂
合成树脂(塑料)是化学合成的高分子有机化合物的总称,有非常多的种类。
大体分类的话,可分为热可塑性塑料和热硬化性塑料2种。
(特征)
① 比重小。
(1.05~1.35)
② 具有耐油、耐酸、耐碱、耐药品性。
③ 电气绝缘性良好。
④ 塑性大
⑤ 具有不可燃性。
(1)热可塑性塑料
常温下为固体,加热后软化流动。
但是,冷却后会变回原状。
代表有氯乙烯、苯乙烯树脂、聚乙烯等。
氯乙烯由―由乙炔气、氯化氢构成。
① 性质
1)強度大
2)富有加工性。
3)耐蚀性、耐酸性、耐水性良好。
4)具有电气绝缘性
② 用途
电气部品、电气绝缘物、机械部品、建材、胶卷、薄板、塑料模型、粘着剂、纤维品等
(2)热硬化性塑料
成形之前为液体、粉末状,加热成形后硬化,冷却后也不会变回原状。
代表有酚醛树脂(胶木)、尿素树脂(脲醛树脂)、聚醛、聚氨基甲酸乙脂等。
酚醛树脂(胶木)―也叫做酚醛塑料,由石炭酸、甲酚等,与福尔马林发生反应得到的。
① 性质
1)电气绝缘性好。
2)具有耐热性、耐蚀性。
3)硬,抗冲击、抗弯曲能力强。
② 用途
多用于电气机械的绝缘部品,也被使用在纺织机械等机械部品的容器上。
6.涂料
涂装的目的是,与外界隔离,保护物体表面,赋予色彩、光泽的美化效果。
7.纤维
棉、麻、合成纤维等的纤维质物品。
8.精制陶瓷
(1)陶瓷的定义
陶瓷这个词是指,陶磁器、玻璃、砖等窑业制品的意思,自古一直在使用。
与金属、塑料等组成3大材料。
并且,是由金属元素和非金属元素组合而成的化合物,是非金属无机固体材料。
这种窑业制品的主要成分为珪石、粘土等的珪氧化合物,将这些烧制坚固后,珪石本来就具有的耐热、耐蚀、硬质的特性没有损失,还能得到足够的強度。
完善其缺点,作为新素材而开发出来的就是精制陶瓷。
(2)精制陶瓷的定义
为了增加陶瓷的強度,最初使用的是氧化铝(Al2O3),将这种原料的高纯度粉末的成形物烧制坚固,可以制造出在此之前没有的高強度陶瓷。
之后,假如各种人工无机物质为原料,可以制作出各种特征的陶瓷。
这样利用了高纯度物质所具有的特性所制作出来的叫做精制陶瓷。
要给精制陶瓷下定义的话,「将高纯度的人工粉末在严密的控制下,成形、烧结而成的非金属无机质固体材料」。
(3)精制陶瓷的特征
陶瓷具有金属材料和有机材料没有的特征。
这些特征是
① 能够在高温下使用。
② 电气绝缘性良好。
③ 高強度。
④ 富有耐磨性。
⑤ 对酸・碱的耐蚀性优越。
等等。
相对于陶瓷,精制陶瓷是更加能够发挥这些特征的制品。
(表4-2)
表4-2 精制陶瓷的一般性质
材 料
熔点
〔℃〕
最高使用温度
〔℃〕
莫氏
硬 度
热膨胀系数
〔×10-7/℃〕
〔℃〕
热冲击抵抗性
Al2O3(氧化铝)
2,050
1,950
9
80
20~1,500
良好
MgO(氧化镁)
2,800
2,400
6
140
20~1,400
不好
SiO2(石英)
―
1,200
7
5
20~1,000
优良
ZrO2(氧化锆)
2,600
2,500
7~8
100
20~1,400
普通
3Al2O3・2SiO2(莫来石)
1,830
1,800
8
45
20~1,300
良好
MgO Al2O3(尖晶石)
2,110
1,900
8
90
20~1,250
不好
ZrO2・SiO2(锆石)
2,420
1,870
(氧化气流中)
7.5
55
20~1,200
良好
(4)精制陶瓷的用途
氧化物系陶瓷(Al2O3、ZrO2等),因为其本身是烧结性良好的物质,通过常压烧结能够得到陶瓷。
非氧化物系陶瓷(Si3N4、SiC等),是不易烧结物质,研究、开发了很多众烧结方法。
其种类有,反应烧结法、常压烧结法、气氛加压烧结法、热冲压法等多种方法。
通过这些烧结法得到的烧结体的用途如下。
① Al2O3・・・・
滑动部品、喷嘴、切削工具
② Si3N4・・・・
高温用、汽缸套、涡轮叶片
③ SiC・・・・・・
高温用、涡轮叶片、机械密封、热交换器
④ ZrO2・・・・・
切削工具、剪刀
第5章热处理
将金属材料经过加热、冷却等操作,调整材质的作业叫做热处理。
1.正火
正火是指,由于锻造时过热产生的粗大结晶组织或者铸造组织被细微化,并且通过低温加工、从高温急冷等去除内部应变,使金属材料的材质呈现标准状态的作业。
其方法有,将金属加热之各自合适的温度,在此温度下保持一段时间后取出放在空气中冷却的普通正火,以及放入坑和箱子中慢慢冷却的2段正火。
2.退火
退火
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