机械基础——工程材料

1、版权所有, 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc. 第六章 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列，原子间以金属键的形式结合。原子间以金属键的形式

2、结合。6.2 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6.2.2 金属的增加增加下降下降加工硬化强化加工硬化强化6.3 材料的力学性能材料的力学性能 材料的力学性能是零件设计、材材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。料选择及工艺评定的主要依据。 工程材料的常用力学性能包括：工程材料的常用力学性能包括：强度、硬度、塑性、冲击韧度等。强度、硬度、塑性、冲击韧度等。 是指在外力作用下材料抵抗塑性变形是指在外力作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。和断裂的能力。 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线 6.3.1强度强度当材料受载荷作用时，

3、单位面积上的内当材料受载荷作用时，单位面积上的内力称为应力力称为应力( ()。即：即：=F/A=F/A0 0(MP(MPa a) )e e= Fe/A0 屈服强度是指材料产生屈服时的最屈服强度是指材料产生屈服时的最小应力。它表达了材料抗塑性变形的能小应力。它表达了材料抗塑性变形的能力。用力。用s表示。表示。sFs/A0 式中：式中：Fs-s点的最小载荷点的最小载荷(N)； A0 -试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2 )。2 2. .屈服强度屈服强度 3.抗拉强度 是指材料所能承受的最大应力。它表征了材料抵抗断裂的能力。用b 表示。b=Fb/A0 式中：Fb -试样在断裂前的最大载荷(N)

4、； A0 -试样原始横截面积(mm2 )。 6.3.2塑性塑性塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是伸长率能力。常用的塑性指标是伸长率()和断面收缩率和断面收缩率()。即：即： = - 100； y = - 100式中：式中：l0 - 试样原标距长度试样原标距长度(mm)；l1 - 试样拉断后标距长度试样拉断后标距长度(mm)；A0 - 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2 )；A1 - 试样断裂处的横截面积试样断裂处的横截面积(mm2 )。l0A0A0-A1l1-l0 6.3.3硬度硬度 硬度硬度是指材料的软

5、硬程度。它表征了材料是指材料的软硬程度。它表征了材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力，也抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力，也就是抵抗硬物压入或划伤表面的能力。常就是抵抗硬物压入或划伤表面的能力。常用的硬度测定方法有布氏硬度用的硬度测定方法有布氏硬度(HB)、洛氏洛氏硬度硬度(HR)和维氏硬度和维氏硬度(HV)等等。布氏硬度布氏硬度(HB) 布氏硬度布氏硬度值是指材料压坑单位球面积值是指材料压坑单位球面积上的抵抗力。其数值越大，则表示上的抵抗力。其数值越大，则表示材料越硬。材料越硬。HBS(W) = （kgf/mm2） = N/mm2 FA 2F9.8 D(D-D2-d2材料的硬度材料的硬度洛氏

6、硬度洛氏硬度(HR) 洛氏硬度洛氏硬度是用是用压痕深度作为测量压痕深度作为测量硬度的依据。根据压印头和载荷硬度的依据。根据压印头和载荷的不同，洛氏硬度的不同，洛氏硬度分为分为若干种。若干种。常用的有常用的有HRA、HRB、HRC。01230123h1h3h2压头被测材料K= 0.2材料的硬度材料的硬度K - h0.002Hv = - = F/d21.85449.8 (N/mm2)FA冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值aK。即：ak= (J/cm2) 式中：W- 冲击试样所消耗的功(J)； A- 试样缺口处的横截面积(cm2 )。WA 3040(a)冲

7、击冲击h试样试样摆锤摆锤 H55108551080.2材料的冲击韧度材料的冲击韧度WA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。碳钢分类碳钢分类碳钢常用的分类方法有三种：1. 按碳含量进行分类 可分为低碳钢(0.25%C)、中碳钢(0.25- 0.55%C)、高碳钢(0.55%C)。2. 按其用途进行分类 可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。3. 按其质量等级分类 可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。2.合金钢合金钢 铁、

8、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 普碳、优碳、工具钢合金钢的牌号、成分、性能自看10分钟40#、Q275, 40Cr, 20CrMnTi、T8钢的碳含量和用途？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

9、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：T1

10、0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。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、

11、模具钢、量具钢 特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢1.普通低合金钢普通低合金钢是一种含碳量较低(0.2%，合金元素总含量一般在3%以下以锰为主要元素的低碳合金钢。主要用于制造桥梁、船舶、车辆、容器、管道和建筑结构件。通常是在热轧成型材经正火状态下使用，不热处理。这类钢的强度显著高于相同含碳量的碳素钢，并有较好的塑性、韧性、焊接性及耐蚀性。 Q295-桥梁，车辆，容器，油罐。2.合金结构钢合金结构钢含碳量为中碳，合金元素总含量较高，力学性能好，应用广泛。一般都要经过热处理，以充分发挥其性能。 40Cr-重要调质零件如齿轮、轴、曲轴、连 杆、螺栓等，表面淬火HR48-55 除钢、铸铁之外的金

12、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 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。名称 密度（g/cm2) 比强度（单位密度下材料的强度）Al 2.7 500-700/2.7 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

13、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效益。名称 密度（g/cm2) 比强度（单位密度下材料的强度）Ti 4.51 1200/4.51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：LF12. 硬铝合金LY： LY113. 超硬铝合金LC： LC94. 锻造铝合金LD：LD5铸造铝合金：

14、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。H623. 青铜：其他铜合金。QSn10-1。比较比较名称 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 1200/4.51Mg 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

15、，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

16、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

17、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

18、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

19、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。 用纯度较高的人工合成原料制造的，能满足高温、高强、功能性等要求的特种陶瓷。 增韧与提高高温断裂强度是发展陶瓷的两大难题。 由两种或更多性质不同的材料复合而成，性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。 复合材料中主要起增强作用的叫强化相；主要起粘接作用的叫基体。 按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基 按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠复合识别下列材料牌号牌号类别12Cr2Ni4A3Cr2W8V40CrNiMoW18Cr4V45T8 ,T12合金结构钢合金工具钢合金结构钢合金工具钢碳素结构钢碳素工具钢识别下列材料牌号牌号类别1Cr18Ni9TiLY12LC4LF11ZLSi12不锈钢硬铝超硬铝防锈铝铸铝钢的热处理钢的热处理热处理是将金属在固态范围内加热到一定温度下,进行必要的保温，并以适当的速度冷却至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理包括退火、正火、淬火和回火等1. 1. 退火退火退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界温度，保温一定时间，随后以极缓慢的速度冷却的一种热处理工艺。