第2章_常用的工程材料(碳钢、有色金属)

1、 第二章 常用工程材料工程材料 前言前言 工程材料是构成机械的物质 基础。机械的性能取决于其使用 的材料.用于机械制造的材料有上 千种,要想在众多材料中作出正确 的选择。既能保证使用性能、便 于加工，经济性又好。只有了解 这些材料，认识这些材料。 金 属 非 金 属 复合材料 碳钢 合金钢 铝合金 铜合金 钛合金 钢铁 有色金属 塑料 橡胶 陶瓷 聚合物 聚合物基复合材料 金属基复合材料 电子材料 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1.金属的晶体结构金属的晶体结构 金属原子按一定几何规律作周期性的排列，金属原子按一定几何规律作周期性的排

2、列， 原子间以金属键的形式结合。原子间以金属键的形式结合。 材料结构及其特性材料结构及其特性 (a) (b) (c) 2.常见金属的晶体结构常见金属的晶体结构 钢的分类钢的分类 按化学成分分类 非合金钢（碳素钢）非合金钢（碳素钢） 低合金钢低合金钢 合金钢合金钢 按碳含按碳含 量量Wc 低碳钢：低碳钢： 0.60% 按质量按质量 普通质量碳钢：普通质量碳钢： 优质碳钢：优质碳钢： 特殊质量碳钢：特殊质量碳钢： 按用途按用途 非合金钢分类 碳素结构钢：碳素结构钢： 碳素工具钢：碳素工具钢： 碳素铸钢：碳素铸钢： 碳钢碳钢) 碳钢又称碳素钢，其主要合金元 素为碳，含量在0.11.3%之间。由于 原

3、料和冶炼工艺的限制，实际使用的 钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元 素。 钢中的元素 杂质元素： 钢中除钢中除Fe、C两种主要组成元素外。两种主要组成元素外。 合金元素： 因冶炼等原因，钢中不因冶炼等原因，钢中不 可避免地存在的一些元素。可避免地存在的一些元素。 为改善钢的性能，冶炼为改善钢的性能，冶炼 时有目的地加入钢中的元素。时有目的地加入钢中的元素。 钢中的常存杂质元素 来 源 有益作用 有害影响 炼钢时加入的脱氧剂。炼钢时加入的脱氧剂。 能消除能消除FeO夹杂对钢的不夹杂对钢的不 良影响，少量能溶入良影响，少量能溶入F中中 起固溶强化作用，提高钢起固溶强化作用，提高钢 的强度、硬度及弹性

4、。的强度、硬度及弹性。 过多会造成塑性下降，冲过多会造成塑性下降，冲 击性能变差。击性能变差。 有益元素 来 源 有益作用 有害影响 炼钢时加入的脱氧剂。炼钢时加入的脱氧剂。 能与能与S化合形成化合形成MnS，减，减 轻轻S的有害影响；少量能溶的有害影响；少量能溶 入入F 中起固溶强化作用。中起固溶强化作用。 过多会造成塑性下降。过多会造成塑性下降。 有益元素 来 源 有益作用 有害影响 炼钢原料和燃料。炼钢原料和燃料。 在钢中形成在钢中形成FeS , FeS与与Fe 形成低熔点（形成低熔点（985）共晶共晶 体体 分布在晶界上，使得对分布在晶界上，使得对 钢进行热加工时容易脆化钢进行热加工时

5、容易脆化 开裂，这种现象称为热脆。开裂，这种现象称为热脆。 有害元素 来 源 有益作用 有害影响 炼钢原料和燃料。炼钢原料和燃料。 引起钢的塑性和韧性急剧引起钢的塑性和韧性急剧 下降，尤其在低温时脆性下降，尤其在低温时脆性 更大，这种现象称为冷脆。更大，这种现象称为冷脆。 有害元素 少量能溶入少量能溶入F中，使强度、中，使强度、 硬度显著提高。硬度显著提高。 按质量按质量 普通质量低合金钢普通质量低合金钢 优质低合金钢优质低合金钢 特殊质量低合金钢特殊质量低合金钢 按主按主 要性要性 能及能及 特性特性 可焊接的低合金高强可焊接的低合金高强 度结构钢度结构钢 低合金耐热钢低合金耐热钢 低合金钢

6、筋钢低合金钢筋钢 低合金钢分类 铁道用低合金钢，等铁道用低合金钢，等 按质量按质量 优质合金钢优质合金钢 特殊质量合金钢特殊质量合金钢 按主按主 要性要性 能及能及 特性特性 工程结构用合金钢工程结构用合金钢 机械结构用合金钢机械结构用合金钢 不锈、耐蚀和耐热钢不锈、耐蚀和耐热钢 合金钢分类 工具钢工具钢 轴承钢轴承钢 特殊性能钢特殊性能钢 三、碳素结构钢：三、碳素结构钢： QAF 屈服点屈服点 屈服点屈服点 s的值的值 质量等级：质量等级：A、B、C、D、E 脱氧脱氧 方法方法 沸腾钢沸腾钢F 半镇静钢半镇静钢b 镇静钢镇静钢Z 特殊镇静钢特殊镇静钢TZ 例：例：Q235AF 表示屈服点为表

7、示屈服点为235MPa、 质量为质量为A级的碳素结构钢，是沸级的碳素结构钢，是沸 腾钢。腾钢。 Q285B 表示屈服点为表示屈服点为285MPa、 质量为质量为B级的碳素结构钢，是镇级的碳素结构钢，是镇 静钢，省略静钢，省略Z。 成成 分分 热热 处处 理理 性性 能能 典型牌号典型牌号 含碳量较低，含碳量较低，WcWc0.30%0.30% 正火，使用时不进行热处理正火，使用时不进行热处理。 较高的强度，良好的塑性与较高的强度，良好的塑性与 韧性；并具有良好的焊接性韧性；并具有良好的焊接性。 Q235Q235 如表如表2-42-4（P40P40） Q195Q195、Q215Q215、Q235Q

8、235、Q255Q255、275275 一般桥梁、建筑结一般桥梁、建筑结 构，普通机械零件，构，普通机械零件， 如螺钉、螺母等。如螺钉、螺母等。 可用于受力较可用于受力较 大的机械零件，大的机械零件， 如链轮、拉杆如链轮、拉杆 等。等。 应应 用用 四、优质碳素结构钢：四、优质碳素结构钢： 用两位数字表示钢中平均碳的用两位数字表示钢中平均碳的 质量分数的万分数。质量分数的万分数。 例：例： 45 表示平均碳质量分数为表示平均碳质量分数为 0.45%的优质碳素结构钢。的优质碳素结构钢。 08F 表示表示Wc为为0.08%的优的优 质碳素结构钢，属沸腾钢。质碳素结构钢，属沸腾钢。 65Mn 表示表

9、示Wc为为0.65%、含、含 锰量较高（锰量较高（WMn=0.91.2%)的优质的优质 碳素结构钢。碳素结构钢。 成成 分分 热热 处处 理理 性性 能能 典型牌号典型牌号 WcWc=0.05-0.85%=0.05-0.85%，多数为，多数为 低中碳成分，少数高碳。低中碳成分，少数高碳。 一般使用时必须进行热处理一般使用时必须进行热处理。 较高强度，较好塑性与韧性。较高强度，较好塑性与韧性。 性能变化范围较大。性能变化范围较大。 4545 如表如表2-52-5（P40P40） 08F08F、 2020、 4545、 6565 冷冲压件，冷冲压件， 如汽车和如汽车和 仪表外壳、仪表外壳、 容器、

10、罩容器、罩 子等。子等。 冷冲压件、冷冲压件、 焊接件和焊接件和 标准件、标准件、 渗碳件等渗碳件等 零件。零件。 调质件：机调质件：机 床齿轮、机床齿轮、机 床主轴、曲床主轴、曲 轴、连杆等轴、连杆等 重要零件。重要零件。 弹性件和弹性件和 耐磨件：耐磨件： 小尺寸弹小尺寸弹 簧、低速簧、低速 车轮等车轮等 应应 用用 五、碳素工具钢：五、碳素工具钢： T（“碳碳”）+两位数字两位数字（表示（表示 钢中平均碳的质量分数的千分数）。钢中平均碳的质量分数的千分数）。 例：例： T8 表示平均碳质量分数为表示平均碳质量分数为 0.8%的碳素工具钢。的碳素工具钢。 T12A 表示平均碳质量分数表示平

11、均碳质量分数 为为1.20%的高级优质碳素工具钢。的高级优质碳素工具钢。 成成 分分 热热 处处 理理 性性 能能 典型牌号典型牌号 WcWc=0.70-1.30%=0.70-1.30%，高碳钢，高碳钢 必须经淬火回火处理。必须经淬火回火处理。 高的硬度、强度，良好的耐高的硬度、强度，良好的耐 磨性，一定的塑性与韧性。磨性，一定的塑性与韧性。 T8T8、T10T10、T12AT12A 各类各类手工工具和低速工具。手工工具和低速工具。 如表如表2-62-6（P41P41） T7T7、T8T8、 T10T10、 T12T12、T13AT13A 承受振动、承受振动、 冲击的工冲击的工 具，如冲具，如

12、冲 头、大锤、头、大锤、 木工工具。木工工具。 用于需要较高用于需要较高 耐磨性和一定耐磨性和一定 韧性的工具，韧性的工具， 如手工锯条、如手工锯条、 剪金属用剪刀。剪金属用剪刀。 不受振动和冲不受振动和冲 击的耐磨工具，击的耐磨工具， 如丝锥、锉刀、如丝锥、锉刀、 乔刀、板牙、乔刀、板牙、 量具等。量具等。 应应 用用 六、铸造碳钢：六、铸造碳钢： ZG+两组数字两组数字（分别表示最小（分别表示最小 屈服点和最小抗拉强度）。屈服点和最小抗拉强度）。 例：例： ZG310-570 表示最小屈服表示最小屈服 点为点为310MPa、最小抗拉强度为、最小抗拉强度为 570MPa的铸造碳钢。的铸造碳钢

13、。 成成 分分 热热 处处 理理 性性 能能 典型牌号典型牌号 WcWc=0.20-0.60%=0.20-0.60%，低中碳，低中碳 铸造成形，经热处理后使用。铸造成形，经热处理后使用。 较高的硬度、强度和塑性、较高的硬度、强度和塑性、 韧性，即综合力学性能较好。韧性，即综合力学性能较好。 ZG200-400ZG200-400 如表如表2-72-7（P42P42） ZG200-400ZG200-400、ZG270-500ZG270-500、ZG310-570ZG310-570 用于受力不大，用于受力不大， 要求良好塑性要求良好塑性 和焊接性的零和焊接性的零 件，如机座、件，如机座、 变速箱壳体

14、。变速箱壳体。 用于受力较大用于受力较大 的复杂零件，的复杂零件， 如轧钢机机架、如轧钢机机架、 轴承座、连杆、轴承座、连杆、 曲轴、缸体。曲轴、缸体。 强度和耐磨性强度和耐磨性 较好，但韧性、较好，但韧性、 焊接性降低。焊接性降低。 用于重载齿轮、用于重载齿轮、 制动轮。制动轮。 应应 用用 碳碳 2.合金钢合金钢 铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。 合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，抗腐 蚀性和抗氧化性也好。 合金钢分类合金钢分类 1. 按合金元素的含量分 低合金钢 合金元素总含量5% 中合金钢 合金元素总含量5-10% 高合金钢 合金元素总含量10% 2. 按主要用途分 合金结构钢:渗碳

15、钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢 合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢 特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢 钢铁材料的编号方法（一）钢铁材料的编号方法（一） 普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服 点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分 组成。例：Q235 AF 其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母； 235表示钢材厚度16mm时的屈服点值不小于 235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级， F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇 静钢，TZ表示特殊镇静钢。 钢铁材料的编号方法（二）钢铁材料的编号方法（二） 优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数， 用两位

16、数字表示。 例如平均碳含量为0.45%的钢，其牌号表示为45。 高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。 钢铁材料的编号方法（三）钢铁材料的编号方法（三） 碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千 分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例 如：T10钢表示平均含碳量为1.0%的碳素工具 钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一 个“A”字，如T10A。 钢铁材料的编号方法（四）钢铁材料的编号方法（四） 合金钢编号方法用汉字或化学元素符号 代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字 表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位， 用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含 量以千分之一为单位，用一位数字表示

17、。合金 元素以百分之一为单位，当含量小于1.5%时， 一般不标出含量。 例如：牌号为30CrMnSiA表示含0.30%C、 0.95%Cr、1.05% Mn、1%Si的高级优质钢。 (2)按主要用途分: 合金结构钢:渗碳钢、调质钢、 弹簧钢、轴承钢 合金工具钢:刃具钢、模具钢、 量具钢 特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、 耐磨钢、磁钢 40Cr-重要调质零件如齿轮、轴、曲轴、连重要调质零件如齿轮、轴、曲轴、连 杆、螺栓等，表面淬火杆、螺栓等，表面淬火HR48-55 除钢、铸铁之外的金属叫有色金属。 工程中常用的有色金属有铝、铜、 镁、钛金属及其合金等。 有色金属材料（一）有色金属材料（一） 铝合金

18、比重小，比强度高。 在空气中的抗蚀性好。 容易加工。 用以制造飞行器各 种承力构件，如蒙皮、 壁板、桨叶、活塞及火 箭上的液体燃料箱翼梁 、螺旋桨叶、起落架等 。也常用于汽车、摩托 车、家用电器、建筑等 。 有色金属材料（二有色金属材料（二） 钛合金 比强度高。 抗蚀性好。 耐高低温。 难加工。 价格昂贵。 航空航天中，应用广泛。用于制 造工作温度不超过400的各种 飞机结构和发动机零部件。如发 动机压气机盘、叶片，蒙皮等。 液体燃料火箭的储氢罐也是钛合 金制造的，其工作温度为-253 。许多民用领域如氯碱化工业及 海水用泵、阀、管道、换热器、 冷凝器等，也广泛采用钛合金， 并取得了良好的经济

19、效益。 有色金属材料（三）有色金属材料（三） 铜合金 机械性能好 摩擦系数小 在空气环境下 具有良好的抗 蚀性。 容易加工。 滑动轴承、耐 水蚀零件、导 热零件。 有色金属的编号方法（一）有色金属的编号方法（一） 变形铝合金： 1. 防锈铝合金LF：LF1 2. 硬铝合金LY： LY11 3. 超硬铝合金LC： LC9 4. 锻造铝合金LD：LD5 铸造铝合金： ZALSi12含硅12%的铸造铝合金。 代号：ZL102 有色金属的编号方法（二）有色金属的编号方法（二） 铜合金： 1. 紫铜（纯铜）T1，T2， 2. 黄铜：铜锌合金。H62 3. 青铜：其他铜合金。QSn10-1。 比较比较 名

20、称 密度（g/cm2) 比强度（单位密度下材料的强度） Al 2.7 500-700/2.7 Ti 4.51 1200/4.51 Mg 1.74 250-300/1.74 钢 7.85 700-1200/7.85 铸铁铸铁 铸铁是含碳量在2.11%以上，并含有硅、 锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。 常见铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、合金铸 铁和球墨铸铁。 灰口铸铁应用较多，其的抗拉强度比钢低 得多，但是铸铁中有石墨，能有效地吸收 震动能量。因石墨有润滑作用，使铸铁有 良好的耐磨性和减磨性。铸铁价格便宜， 好加工。 高分子-分子量特别大的一类化合物，高分子的分 子量高达几万-上百万。一个高分子中包含

21、成千上 万个原子，原子之间以共价键连接。 天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。 合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。 酚醛塑料-1907年问世的第一个高分子材料。 高分子的化学组成： 1 组成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等 2 以许多简单的重复单元连接 例：聚乙烯 CH2-CH2-CH2-. 重复单元-CH2-CH2- 也叫做链节 高聚物的力学状态高聚物的力学状态 线形非晶态高聚物的热机械曲线线形非晶态高聚物的热机械曲线 1.塑料- 塑料是由聚合物为基础添加各种助剂 而成的混合体系。 塑料组成 树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其 它组分，对塑料的性能起决定性作用。 填充剂：弥

22、补或改善树脂的性能不足，另外可以 显著地降低成本。 增塑剂:增加材料塑性。 固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。 稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。 其它诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等. 塑料分类 通用塑料、工程塑料、功能塑料通用塑料、工程塑料、功能塑料 通用塑料通用塑料-产量很高、价格低廉、应用范围很广泛。产量很高、价格低廉、应用范围很广泛。 聚乙烯（聚乙烯（PE）（）（ CH2-CH2) （结构单元）结构单元） 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC） CH2-CH （结构单元）结构单元） Cl 聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。 工程塑料 工程塑

23、料-强度、刚度和韧性好，耐高温、 耐辐照、耐腐蚀，能在机械设备和工程结 构中应用的一类塑料。 O H 聚酰胺 C N 尼龙 聚甲醛、聚碳酸脂 ABS塑料-丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S的 三元共聚物。 2.橡胶 橡胶-在宽阔的温度范围内有良好高弹性的高分子材 料。由柔性高分子量线形高分子链，经硫化组成， H CH3 H H C C C C H S S H 它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺 少的弹性材料、密封材料和减震材料。 橡胶组成 (1)生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要 成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发 粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业 用橡胶材料。 (2)硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是 硫磺。 (3)软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度，常用的 是凡士林等油酯类。 (4)补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果 最好的补强剂是碳黑。 此外还有硫化促进剂、填充剂、防老化剂、着色剂 等。 橡胶分类橡胶分类 橡胶种类繁多，若以原料来区分， 有天然橡胶与合成橡胶，按合成橡胶性 能及用途又可分为通用橡胶及特种橡胶。 6.5.3 陶瓷 属于无机材料。由金属元素和非金属元 素通过化合键结合在一起。 Al2O3 TiO2 CaF2 常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼 化物等，而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶 (晶须)、纤维、薄膜及超细粉体等。 用纯度较