1、“十五”国家级规划教材工程材料第3版配套课件,第10章,第10章 工程材料的应用内容提要 本章介绍工程材料在汽车、机床、仪器仪表、热能设备、化工设备和航空航天器等典型设备上的应用情况。学习目标 熟悉工程材料在汽车、机床上的应用情况，一般了解工程材料在仪器仪表、热能设备、化工设备和航空航天器等典型设备上的应用情况。,10.1 汽车用材 10.1.1 汽车用金属材料 汽车主要结构可分为四部分： (1) 发动机 提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成(2) 底盘 包括传动系(离合器、变速箱、后桥等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(方向盘、转向蜗杆等)和制动系
2、(油泵或气泵、刹车片等)。,(3) 车身 驾驶室、货箱等。(4) 电气设备 电源、起动、点火、照明、信号、控制等。,汽车发动机和传动系示意图,一、缸体和缸盖缸体材料应满足下列要求：有足够的强度和刚度；良好的铸造性和切削性；价格低廉。缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。缸盖应选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有：灰铸铁合金铸铁铝合金,二、缸套气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁:高磷铸铁硼铸铁合金铸铁,为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。,三、活塞、
3、活塞销和活塞环活塞材料的要求是热强度高、导热性好、膨胀系数小、密度小, 减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。常用的活塞材料是铝硅合金。,活塞环用合金铸铁或球墨铸铁，经表面处理。镀多孔性铬后可使环的工作寿命提高23倍。其它方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等。,四、连杆,连杆上的三个高应力区域,连杆连接活塞和曲轴。连杆既受交变的拉、压应力，又受弯曲应力。 连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的刚性和韧性。一般采用45钢、40Cr、40MnB等调质钢。,五、气门气门承受较高的机械负荷和热负荷，排气门工作温度高达650 850 。气门头部承受冲击
4、。气门失效：气门座扭曲、气门头部变形、气门座积碳时引起燃烧，气门座烧蚀。气门材料选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。,排气门则要求用高铬耐热钢（4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo)制造。,进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造。,六、汽车半轴 承受扭转力矩和反复变曲、一定的冲击载荷。半轴的失效：花键齿压陷、磨损，半轴断裂。要求半轴材料具有 高的抗弯强度、疲劳强 度和较好的韧性。,半轴易损坏部位,汽车半轴是要求综合机械性能较高的零件，通常选用调质钢制造。中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr。重型汽车用40MnB、40CrNi、40CrMnMo等淬透性较高的合金
5、钢制造。,七、车身、档板等冷冲压零件在汽车零件中，冷冲压零件种类繁多，约占总零件数的50%60%。汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，其中主要是钢板，包括热轧钢板和冷轧钢板。如钢板08、20、25、Q345（16Mn）等。,10.1.2 汽车用塑料一、内饰用塑料内饰用主要塑料为聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和ABS等。内饰塑料制品，主要有：座垫、仪表板、扶手、门内衬板、顶棚衬里、地毯、转向盘等。,聚氨酯汽车座椅,真空助推器,二、汽车用工程塑料1. 聚丙烯 主要用于通风采暖系统、发动机的某些配件以及外装件，如真空助推器，汽车转向盘、仪表板、加速踏板、蓄电池壳、空气滤清器、冷却
6、风扇、风扇护罩、散热器格栅、分电器盖、灯壳等。,2. 聚乙烯 可用于制造汽油箱、挡泥板、转向盘、各种液体储罐以及衬板。聚乙烯在汽车上最重要的用途是用于制造汽油箱。,5. 聚酰胺(尼龙) 制造燃油滤清器、空气滤清器、水泵壳、水泵叶轮、风扇、雨刷器齿轮、速度表齿轮。,三、汽车外装及结构件用纤维增强塑料复合材料常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。用于制造汽车顶棚、空气导流板、前灯壳、发动机罩、挡泥板等外装件。用碳纤维增强塑料复合材料制成的汽车零件有传动轴、悬挂弹簧、保险杠、转向节、车门、座椅骨架、发动机罩等。,10.1.3 汽车用橡胶汽车的主要橡胶件是轮胎，此外还有各种橡胶软管、密封件、减震垫等
7、。生胶是轮胎最重要的原材料。轿车轮胎以合成橡胶为主。载重轮胎以天然橡胶为主。,轮胎,10.1.4 汽车用陶瓷材料 汽车发动机火花塞采用Al2O3制造。绝热发动机上采用工程陶瓷。使用的陶瓷有ZrO2、Si3N4等。采用Si3N4制造气阀头、活塞顶、气缸套、摇臂镶块、气门挺杆等。,陶瓷摇臂镶块,10.2 机床用材10.2.1 机身、底座用材 机身、机床底座、油缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件以及其它一些如牛头刨床的滑枕、皮带轮、导杆、摆杆、载物台等。零件重量大、形状复杂。,牛头刨床结构简图,材料：灰口铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁。 成本低、铸造性好、切削加工性优异、对缺口不敏感、减震性好，有良好的
8、耐磨性，非常适合铸造上述零部件。石墨有良好的润滑作用、并能储存润滑油、很适宜制造导轨。,常使用球墨铸铁：QT40017、QT42010、QT5005、QT6002。,常使用灰铸铁：HT150、HT200，孕育铸铁HT250、HT300、HT350、HT400。,10.2.2 机床齿轮用材 开式齿轮选用HT250、HT300 和HT400，和铸铁的大齿轮啮合的小齿轮可用Q235、Q255制造。 闭式齿轮多采用40、45钢 （调质处理）,机床零件,高速、重载或受强烈冲击的齿轮，采用40Cr或20Cr、20CrMnTi。 不重要的齿轮可使用Q255（不热处理）。 球墨铸铁QT450-5、可锻铸铁KT
9、Z450-5、KTZ500-4制造尺寸较大或形状复杂的传动齿轮。,10.2.3 机床轴类零件用材 一般轴件采用45钢（调质）制造。 不重要的或低载的轴可以采用Q235、Q255等钢制造。,承受重载，轴颈耐磨性高的轴，用40Cr等调质钢或20Cr等渗碳钢。 曲轴和主轴用QT600-2、KTZ600-3等球墨铸铁和可锻铸铁制造,10.2.4 机床其它零件用材 一、螺旋传动件用材 不热处理的螺旋传动件用45、50钢制造； 热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等制造。 螺母的材料用锡青铜ZQSn6-6-3、ZQSn10-2，较小载荷及低速传动时用耐磨铸铁。,二、蜗轮传动件用材 1.蜗轮 当滑
10、动速度较大时，用锡青铜ZQSn10、ZQSn10-1或ZQSn6-6-3等。 滑动速度较低时,性能要求不高时用HT150、HT200、HT250。 直径大于100 mm200 mm的青铜蜗轮，轮芯应采用灰口铸铁制造。,2.蜗杆 用15、20钢和15Cr、20Cr钢，表面渗碳淬硬到56 HRC62 HRC； 45、40Cr钢，表面高频淬火到45 HRC50 HRC。,三、滑动轴承材料 ChSnSb11-6、ChPbSb14-10-18，用于最高速重载条件下的轴承衬。ZQSn10-1、ZQAl9-2、ZQPb30、ZQPb12-8用于高速和重载条件下衬套、轴承。,HT250、HT350用于低速、轻
11、载条件下。铁石墨含油轴承用于V 4 m/s的轴承。,ABS塑料、尼龙、聚四氟乙烯等塑料轴承用于低速、轻载以及在无油润滑条件下工作或在水、腐蚀性液体介质中工作时使用。,四、滚动轴承材料滚动轴承的内外圈和滚动体一般用GCr9、GCr15、GCr15SiMn等高碳铬或铬锰轴承钢和GSiMnV等无铬轴承钢制造。热处理后一般要求硬度在61 HRC65 HRC之间。保持架材料多用低碳钢薄板、铜合金、塑料或轻合金制造。,10.3 仪器仪表用材 10.3.1 壳体材料 仪器仪表的壳体（包括面板、底盘）用材广泛。 低碳钢：Q195、Q215、Q235 不锈钢：1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti
12、铝：工业纯铝L5及防锈铝LF5、LF11、LF21 黄铜：H62、H68等,ABS可制造仪表壳、仪表盘等。聚甲醛用作各种仪表板和外壳。 玻璃纤维增强尼龙可制作仪表盘、玻璃纤维增强聚乙烯可制作转矩变换器、干燥器壳体。,10.3.2 轴类零件用材 仪器仪表中的轴可以使用Q235等钢、聚甲醛等工程塑料制造。 LY12、LY11和HAL60-1-1多用于制造需要耐蚀的轴销等零件。,二、仪器齿轮用普通碳素钢Q275（不热处理）制造。 QAl10-4-4、QAl11-6-6可用来制造400500以下工作的齿轮。 QBe2、QBe1.7制造钟表等仪表齿轮。 ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛等工程塑料也可制造仪
13、表齿轮。,10.4 热能设备用材 10.4.1 锅炉设备用钢 一、锅炉管道用钢 1. 锅炉管道的工作条件和对材料的要求 在高温、应力和腐蚀介质作用下长期工作，会产生蠕变、氧化和腐蚀。足够高的蠕变极限和持久温度； 高的抗氧化性能和耐腐蚀性能； 良好的组织稳定性； 良好的工艺性能，特别是焊接性能要好。,2. 锅炉管道用钢 (1) 壁温较低的过热器管和蒸汽管道 一般选用优质碳素结构钢，常用20钢。(2) 壁温较高的过热器管和蒸汽管道 15CrMo钢，在500 550 具有较高的热强性、足够的抗氧化性和良好的工艺性能。 (3) 壁温高的过热器管和蒸汽管道 12Cr1MoV钢应用最广泛。该钢加入0.2%
14、的钒，其耐热性能比铬钼钢高, 工艺性能也很好。,(4) 壁温超过600过热器管和壁温超过550 的蒸汽管道 12Cr2MoWVB和12Cr3MoVSiTiB钢。 采用微量多元合金化，具有更高的组织稳定性和化学稳定性，耐热性能更好，使用温度更高。Cr12%马氏体型耐热钢。(5)过热器壁温超过650 、蒸汽管道壁温超过600 使用奥氏体耐热钢，有较高的高温强度和耐蚀性，最高使用温度可达700 左右。,二、锅炉汽包用钢 1.低压锅炉汽包 12Mng、16Mng、15MnVg（g表示锅炉专用钢）综合机械性能比碳钢高，减轻锅炉汽包的重量。,2.高压锅炉汽包 (1) 14MnMoVg、14MnMoVBRE
15、g钢 屈服极限为500 MPa。Mo 提高屈服强度及中温机械性能。屈服极限比碳钢高一倍, 有良好的综合机械性能。钢的强度更高。 (2) 14CrMnMoVBg钢 屈服极限很高（650 MPa700 MPa），强度高，塑性、韧性也较好，焊接性能也好，能耐湿度较大地区的大气腐蚀。,10.4.2 汽轮机用钢 汽轮机主要零部件包括汽轮机叶片汽轮机转子汽轮机定子,汽轮机,一、汽轮机叶片 (1) 铬不锈钢(1Cr13和2Cr13) 在工作温度下具有足够的强度，有高的耐腐蚀性和减振性, 是使用最广泛的汽轮机叶片材料。 1Cr13在汽轮机中用于前几级动叶片； 2Cr13多用于后几级动叶片。,1Cr13和2Cr
16、13钢的热强性不高, 当温度超过500 时, 热强性明显下降。1Cr13钢的最高工作温度为480 左右, 2Cr13为450 左右。,(2) 强化型铬不锈钢 在1Cr13和2Cr13基础上加入钼、钨、钒、铌、硼等强化元素，得到Cr11MoV、Cr12WMoNbVB、1Cr11Ni2W2MoV等强化型铬不锈钢, 它们的热强性比1Cr13和2Cr13高, 可在560 600 下长期工作。,(3) 铬-镍不锈钢 在600 温度以上工作的叶片, 应选用铬-镍奥氏体不锈钢或高温合金, 如Cr17Ni13W、Cr15Ni35W3Ti3AlB等。,二、汽轮机转子 (1) 34CrMo钢 采用正火(或淬火)+
17、高温回火处理, 工作温度480 以下的汽轮机叶轮和主轴。有较好的工艺性能和较高的热强性, 长时期使用组织比较稳定。但工作温度超过480 时热强性明显降低。,(2) 35CrMoV钢 加入了钒, 使钢的室温和高温强度均超过34CrMo钢, 制造要求较高强度的锻件, 如用于工作温度500 520 以下的叶轮和汽轮机叶轮。,(3) 34CrNi3Mo、33Cr3MoWV、20Cr3WMoV钢 制造工作温度450 550 发电机转子和汽轮机整锻转子及叶轮。,10.5 化工设备用材化学工业部门的主要设备有压力容器、换热器、塔设备和反应釜等。这些设备使用条件比较复杂，温度从低温到高温；压力从真空(负压)到
18、超高压；物料有易燃、易爆、剧毒或强腐等。,10.5.1 化工设备用金属材料一、化工设备用合金钢1. 低合金结构钢除要求强度外，还要求有较好的塑性和焊接性，以利设备的加工制造。常用的钢种有16MnR、15MnVR18MnMoNbR,2. 不锈钢(1) 铬不锈钢 1Cr13、2Cr13 在海水、蒸汽和潮湿大气中有足够的耐蚀性。但在硫酸、盐酸中耐蚀性较低。用作受力不大的耐蚀零件：轴、活塞杆、阀件、螺栓等。 OCr13、OCr17Ti具有较好的塑性，耐氧化性酸和硫化氢气体腐蚀。用于化工设备，如用于维纶生产设备。,(2) 铬镍不锈钢 1Cr18Ni9、OCr18Ni11Ti、OCr17Ni12Mo2 有
19、耐蚀要求的压力容器。固溶处理后有良好的耐蚀性、耐热性。,3. 耐热钢1Cr13Si3、1Cr25Si2 铁素体钢, 不宜承受冲击负荷, 但抗氧化性好, 在含硫的气氛中有好的抗蚀性。最高使用温度900 1150 。制造过热器吊架、喷嘴、热交换器。,1Cr23Ni13、1Cr25Ni20Si2 奥氏体钢, 有较高的高温强度及抗氧化性。最高使用温度1050 1200 。制造热裂解管、炉内传送带、炉内支架、高温加热炉管、燃烧室构件。,二、化工设备用有色金属及其合金1. 铜及其合金纯铜 耐中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸的腐蚀。对淡水、大气和碱类溶液的耐蚀能力很好。不耐硝酸、氨和铵盐溶液。用于制造有机合成和
20、有机酸工业上用的蒸发器、蛇管等。,黄铜 耐蚀性与纯铜相似，大气中耐蚀性要比铜好，应用很广。H80、H68塑性好, 制造容器零件。H62机械性能较高, 做深冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。,锡青铜 强度、硬度高，铸造性能好，耐蚀性好。用来铸造耐蚀和耐磨零件，如泵外壳、阀门、齿轮、轴瓦、蜗轮等零件。,2. 铝及其合金工业纯铝 广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫的药剂等生产所用设备。如反应器、热交换器、槽车和管件等。,防锈铝 防锈铝的耐蚀性比纯铝高。用作空气分离的蒸馏塔、热交换器、各式容器和防锈蒙皮等。,3. 铅及其合金铅在许多介质中，特别是在热硫酸和冷硫酸中，具有很高的耐蚀性。铅的
21、强度和硬度低，不适宜单独制作化工设备零件，主要作设备衬里。,10.5.1 化工设备用非金属材料一、无机非金属材料1. 化工陶瓷 化工陶瓷化学稳定性很高，主要用于制作塔、泵、管道、耐酸瓷砖和设备衬里。,陶瓷转盘 陶瓷密封圈,2. 玻璃 化工生产上常见的为硼-硅酸玻璃(耐热玻璃)和石英玻璃，用来制造管道、离心泵、热交换器管、精馏塔等设备,3. 天然耐酸材料 花岗石耐酸性高，常用以砌制硝酸和盐酸吸收塔，以替代不锈钢和某些贵重金属。 中性长石热稳定性好，耐酸性高，可以衬砌设备或配制耐酸水泥。 石棉可用做绝热(保温)和耐火材料，也用于设备密封衬垫和填料。,二、有机非金属材料 1. 工程塑料 耐酸酚醛塑料
22、用于制作搅拌器、管件、阀门、设备衬里等。 硬聚氯乙烯塑料可用于制造塔器、贮槽、离心泵、管道、阀门等。 聚四氟乙烯塑料常用作耐蚀、耐温的密封元件，无油润滑的轴承、活塞环及管道。,2. 不透性石墨 用各种树脂浸渍石墨消除孔隙得到不透性石墨。它具有很高的化学稳定性，可作换热设备，如氯乙烯车间的石墨换热器等。,10.6 航空航天器用材航空航天器用材很广泛：工程塑料、橡胶、陶瓷材料和各种金属。 这些材料或是比强度高，或是具有特殊的使用性能，如较好的热强性、抗氧化性和耐蚀性。,10.6.1 中碳调质钢 Cr-Mn-Si钢：30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVACr-Ni-M
23、o钢：40CrNiMoA、34CrNi3MoA超高强钢：H-11（0.35C-5Cr-1.5Mo-1.0Si-0.4V）用于火箭发动机外壳、喷气涡轮机轴、喷气式客机的起落架、超音速喷气机机体等。,10.6.2 高合金耐热钢 1Cr13、2Cr25N、0Cr25Ni20、0Cr12Ni20Ti3AlB 用于制造涡轮泵及火箭发动机，航空发动机转子和其它零件。,10.6.3 高温合金 TD-Ni、TD-NiCr（在镍或镍-20%铬基体中加入2%左右弥散分布的氧化钍ThO2颗粒，产生弥散强化的高温合金）。制造燃气涡轮发动机的燃烧室等高温工作构件和航天飞机的隔热材料。,K403（Ni-11Cr-5.25
24、Co-4.65W-4.3Mo-5.6Al）等铸造镍基合金。制造涡轮工作叶片和导向器叶片。,铁基高温合金GH2018(Fe-42Ni-19.5Cr-2.0W-4.0Mo-0.55Al-2.0Ti)，制造在500 700 下承受较大应力的构件，如机匣、燃烧室外套等。,航天飞机,10.6.4 镍基耐蚀合金 镍与镍基耐蚀合金是在高温、高压、高浓度等苛刻腐蚀环境工作的结构材料。 锻造镍（镍200、镍201）韧性、塑性优良，能适应多种腐蚀环境。制造航天器及导弹元件。,镍基耐蚀合金，如Monel K-500（Ni-29.5Cu），强度与硬度较高；Inconel 718（Ni-19Cr-18.5Fe-5.1N
25、b-3Mo-0.9Ti)从-250 705 均具有优良的力学性能； 制造泵轴、涡轮等航空发动机零部件。,10.6.5 铝及其合金 LF5、LF11、LF21制造油箱、油管，制造铆钉。LY11 制造螺旋桨叶片、蒙皮、梁、螺栓和铆钉等中等强度的结构零件。,ZL101、ZL104、ZL109、ZL201 铸造飞机零件、壳体、发动机机匣、气缸体、活塞、支臂、挂架梁等。,LC4、LC6 制造飞机大梁、起落架等结构中的主要受力件。 LD7、LD10 适合制造高温下工作的复杂锻件，板材可做高温下工作的结构件。,10.6.6 镁合金 镁的熔点为651 ，密度仅为1.74 g/cm3，比铝还轻。 镁合金具有较高
26、的比强度和比刚度，并具有高的抗震能力，能承受比铝及其合金更大的冲击载荷，切削加工能力优良，易于铸造和锻压。在航天航空工业中获得较大应用。 铸造高强镁合金ZM1(Mg-4.5Zn-0.75Zr)变形耐热镁合金MB8(Mg-2.0Mn-0.2Ce),10.6.7 钛及其合金 TA7钛合金 制造机匣，压气机内环等。 TC4、TC10合金 制造机翼转轴、进气道框架、机身桁条、发动机壳体、压气机盘、叶片、压力容器、卫星蒙皮、航天飞机机身、尾翼、梁等。,10.6.8 钨、钼、铌及其合金 钨、钼及其合金可作为火箭发动机喷管材料。铌为航天热防护材料和结构材料。,10.6.9 复合材料 玻璃纤维增强尼龙玻璃纤维
27、增强聚苯乙烯玻璃纤维增强聚乙烯广泛应用于直升飞机机身、机翼，各种航天器内置结构件，如仪表盘、底盘、仪器壳体等。,碳纤维树脂复合材料和硼纤维树脂复合材料制造宇宙飞船、人造卫星壳体。,人造卫星,第10章 小结 1.汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占一定的比例。常用材料有调质钢、渗碳钢、铸铁、铸铝、轴瓦合金等。 2.机床常用材料有铸铁、调质钢、铜合金、工程塑料等。 3.仪器仪表用材情况：调质钢、铜合金、铝合金、工程塑料等。,4.热能设备（锅炉和汽轮机）主要零件采用耐热钢、高温合金等制造。5.化工设备用材：不锈钢、耐热钢、铜合金、铝合金、非金属材料（陶瓷、工程塑料）。 6.航空航
28、天器用材:高合金耐热钢、高温合金、镍基耐蚀合金、铝合金、镁合金和钛合金等。,工程材料课程 总 结 工程材料课程从机械工程的应用角度出发，阐明了机械工程材料的基本理论，详细介绍了材料的成分，加工工艺、组织、结构与性能之间的关系；介绍了常用机械工程材料及其应用等基本知识。,同学们通过学习，应当在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力。,工程材料课程由三部分内容组成：第一部分为基本理论部分，阐述了工程材料的结构、组织和性能以及它们之间的关系；金属材料组织与性能的影响因素和规律；表面技术等。,第二部分为工程材料知识部分，介绍了常用金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料的成分、组织、性能及其应用知识。,第三部分为工程材料的应用部分，介绍机械零件的失效与选材知识，以及工程材料在汽车、机床等领域的应用情况。 课程的重点是第2章、第3章和第9章。,希望同学们深刻领会课程内容，认真复习，掌握重点内容，取得优秀的学习成绩！,同学们再见！,
