任务三 机械零件常用材料的认识与选择
一、机械零件的常用材料
机械零件常用的材料有黑色金属、有色金属、非金属材料及各种复合材料。其中，黑色金属和有色金属应用最为广泛。目前，非金属材料和复合材料以其特有的制造性能和使用性能，在机械零件制造业中日益得到广泛应用。
（一）黑色金属
黑色金属，主要成分为铁元素和碳元素，所以也称为铁碳合金。其中包括各种牌号的钢、铸钢和铸铁。一般有较高的强度，以及良好的塑性、韧性和可加工性，并且可以通过热处理改善其力学性能，因而得到广泛应用。
黑色金属的分类和应用见表0-1。
表0-1 黑色金属材料的分类和应用
续表
（二）有色金属合金
有色金属合金具有黑色金属所没有的某些特殊性能，如耐磨性、耐蚀性、韧性、延展性、导电性、导热性等。有的有色金属合金密度小、强度高（如铝合金），有的有色金属合金具有良好的减磨性、跑合性（如轴承合金），故在机械零件中的应用也相当广泛。但是有色金属的地矿含量少，产量较低，所以价格较高，过多使用将使零件造价增高。有色金属的种类和应用见表0-2。
表0-2 有色金属的分类和应用
（三）非金属材料
目前，常用的非金属材料包括塑料和橡胶。塑料具有重量轻、耐磨、耐蚀、易于加工成形的特点，加入填充剂后可获得较高的机械强度，是非金属材料中发展最快、应用最广的材料。橡胶重量轻，弹性好，能吸收较多冲击能量，具有较高的绝缘性、耐磨性和抗冲击性能，应用也十分广泛。目前，随着材料科学的新发展，各种新型复合材料及陶瓷材料等也日益广泛地用于制造机械零件。常用的非金属材料的种类和应用见表0-3。
表0-3 常用非金属材料的分类和应用
二、材料选用的基本原则
机械零件所用材料与零件的工作可靠性和经济性关系十分密切。因此，设计时必须从零件的使用要求、制造工艺要求和经济要求等几方面予以慎重考虑。
（一）保证使用性能要求
零件的使用条件是指零件受力状况，即指零件所受载荷的类型、大小、形式及特点；零件工作环境状况是指零件工作时所处的环境温度、环境介质；对零件的特殊要求是指零件所应具备的特殊性能，如导电性、导热性、导磁性等性能。一般要求如下。
（1）根据零件所受载荷和应力情况，确保零件满足强度和刚度的要求，使零件在预期寿命内不失效。
（2）对零件尺寸和质量的限制。对严格要求尺寸和重量的零件，应选用高强度钢、铝合金等；对要求刚度大、重量轻的零件，可选用铝或钦的合金。减轻重量是设计零件的主要要求之一。
（3）根据零件工作的重要程度，确保零件所用材料性能的可靠。对关系到设备及人身安全的零件，必须选用性能可靠的材料，如合金钢等。
（4）满足零件的工作条件要求。要满足零件工作的繁重性、摩擦磨损程度、工作环境及温度等条件要求，应选用适当性能的材料。
（二）符合工艺性能要求
工艺要求主要考虑零件及其毛坯制造的可能性和难易程度。对形状复杂、尺寸较大的零件，可优先选用铸造材料或焊接材料；对尺寸较小、外形简单、批量大的零件，可选用适合冲压或模锻的高塑性材料。同时，应考虑材料的切削性和热加工性良好。
（三）满足经济性要求
零件所用材料的成本直接影响着机械零件的成本，因此对所选用材料的经济性要求也应从以下几方面予以认真考虑。
（1）材料的价格。在满足使用要求的前提下，应尽可能选用廉价材料或代用材料。
（2）材料的加工费用。如箱体零件，单件生产时选用钢板焊接，可以节省制模费用，比铸造经济。
（3）材料的利用率。采用无切削或少切削的毛坯，可以提高材料的利用率，如精铸、冲压、粉末冶金等。
（4）节约使用稀有材料。对零件不同部位采用相应性能的材料，既可以降低零件成本，又可以满足零件的使用要求，同时节省了稀有贵重材料。
三、钢的热处理
钢的热处理就是将钢在固态温度范围内加热到一定温度后，保温一段时间，再以一定速度冷却的工艺过程，是改善钢的机械性能的主要方法。一般包括退火、正火、淬火、回火及表面处理，如图0-2所示。
图0-2 钢的热处理示意图
1．退火
退火是把钢加热到一定温度，保温一段时间后随炉温下降，冷却至室温的工艺处理方法。退火可以细化钢的晶粒，降低硬度，消除内应力。
2．正火
正火实质是退火的一种特殊形式，与退火的目的相似。它们的区别是正火采用空气冷却，因而冷却速度较快，可以提高钢的硬度和强度。对有些重要零件，正火可作为淬火前的预处理，以减少淬火时的变形和开裂。
3．淬火
淬火是把零件加热到一定温度，并保温一段时间后，将零件放入液态冷却介质中急速冷却的工艺处理方法。淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨性。但使材料的韧性下降，并产生附加内应力，使零件有开裂和严重变形的趋势。冷却介质有油、水和水基盐溶液。
4．回火
回火是将经过淬火处理的零件重新加热到一定温度（低于淬火温度），保温一段时间后，在空气或油中冷却至室温的工艺处理方法。回火可以消除淬火产生的内应力，保证钢的强度和硬度，提高材料的塑性和韧性，从而提高材料的综合机械性能。回火分为低温回火、中温回火和高温回火。
5．表面热处理
对零件表面有较高的硬度和强度要求，而要求其心部有足够的塑性和韧性的零件，可以进行表面热处理。如表面淬火和表面化学处理。
（1）表面淬火是快速将零件表面迅速加热到淬火温度（而零件心部温度较低）后，迅速冷却的热处理工艺过程。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韧性，提高了零件的抗冲击能力。
（2）表面化学热处理是将某些化学元素渗入钢的表层，改变钢的表层化学成分、组织和性能，从而获得高的硬度、耐磨和抗疲劳等性能的热处理工艺方法。
按渗入零件表层元素的不同，表面化学热处理有渗碳、渗氮、氟化处理等。
思考题
1．机械零件常用材料有哪些？
2．选择材料的原则是什么？
3．钢的热处理方法有哪些？