第4章 机械工程材料

工程材料与机械制造基础第4章机械工程材料本章目录01工业用钢碳素钢、合金钢

及其分类和应用02工业常用有色金属及轻合金铜及铜合金、铝及铝合金

钛及钛合金03工业常用非金属材料高分子材料（塑料）

及其他非金属材料简介CONTENTS4.1工业用钢：碳素钢定义碳素钢是含碳量在0.0218%~2.11%之间，且不含有特意加入的合金元素的铁碳合金。注：它是工业中应用最广泛的基础钢材，生产成本低、工艺性能良好，占据了钢铁产量的绝大部分。分类🔸按含碳量划分•低碳钢(C≤0.25%)

•中碳钢(0.25%<C≤0.60%)

•高碳钢(C>0.60%)🔸按用途划分•碳素结构钢：用于工程结构与机械零件

•碳素工具钢：用于制造刃具、量具和模具典型应用▌碳素结构钢普通碳素结构钢(例:Q235)

广泛用于建筑工程构件、桥梁、车辆外壳等一般结构件。优质碳素结构钢(例:45钢)

性能均衡，常用于制造齿轮、轴类等重要机械零件，需热处理。▌碳素工具钢(例:T10A)硬度高、耐磨性好，用于制造低速切削刀具、量规、冷冲模具等。4.1工业用钢：合金钢DEFINITION·定义在碳素钢基础上，有目的地加入一种或几种合金元素（如硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌等），以改善钢的组织结构和性能，满足各种特殊要求的钢种。强化铁素体通过合金元素原子融入铁素体晶格产生畸变，产生显著的固溶强化效果。形成碳化物形成硬度极高的合金碳化物，显著提高钢的硬度、耐磨性及高温性能。细化晶粒阻碍奥氏体晶粒长大，热处理后获得细小晶粒，实现强度与韧性的同步提升。提高淬透性使零件在淬火冷却时，从表面到心部都能获得均匀的马氏体组织，整体强化。热稳定性提高回火稳定性，使钢在高温下保持高硬度，获得优异的热硬性。合金结构钢用于制造工程结构和机械零件合金工具钢用于制造刃具、模具和量具特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢等4.1合金结构钢低合金高强度

结构钢典型牌号：Q345

特点：强度高，塑性和韧性好

用途：桥梁、船舶、车辆、厂房等工程结构合金渗碳钢典型牌号：20CrMnTi

特点：表面耐磨，心部强韧

用途：制造汽车齿轮、活塞销、凸轮轴等合金调质钢典型牌号：40Cr

特点：综合力学性能优良

用途：机床主轴、汽车半轴、连杆等重要零件合金弹簧钢典型牌号：60Si2Mn

工艺：淬火+中温回火

用途：制造汽车板簧、弹簧垫圈等弹性元件滚动轴承钢典型牌号：GCr15

工艺：球化退火+淬火+低温回火

用途：制造各类精密轴承的滚珠、滚柱及套圈4.1合金工具钢低合金刃具钢典型牌号：9SiCr

性能特点：淬透性、耐磨性较好，热处理变形小。

应用：制造丝锥、板牙等低速切削刀具。合金模具钢分类与代表：

•冷作模具钢(Cr12)：高硬度、高耐磨性

•热作模具钢(5CrNiMo)：高热强性、抗热疲劳性能好合金量具钢典型牌号：CrWMn

要求：高硬度、高耐磨性及极高的尺寸稳定性。高速钢(High-SpeedSteel)典型牌号：W18Cr4V

核心优势：具有优异的热硬性，即使在500-600℃高温下切削，硬度也无明显下降，可实现高速切削。

热处理特点：需经高温淬火和多次(通常3次)高温回火，才能获得最佳的红硬性和强度。工艺曲线参考右图展示了典型高速钢的淬火与回火温度控制过程。通过精确控制加热与冷却速度，析出细小的合金碳化物，从而赋予材料卓越的切削性能。4.2工业常用有色金属及轻合金01/铜及铜合金具有优异的导电性、导热性和良好的耐蚀性。

工业中主要分为两大类：

•黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金。

•青铜：除锌和镍以外，加入其他元素组成的铜合金。02/铝及铝合金特点是密度小、比强度高，耐蚀性较好，是轻量化设计的理想材料。工业上按加工方式主要分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。03/钛及钛合金被誉为“太空金属”，拥有极高的比强度和优异的耐蚀性。广泛应用于航空航天、生物医疗、化工等对材料性能要求极高的领域。04/镁及镁合金目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有良好的阻尼减震性能。主要用于制造便携式电子产品、汽车零部件及航空航天部件，以实现极致的轻量化。4.3工业常用非金属材料：高分子材料01/塑料定义塑料是一种以高分子聚合物为主要成分，通常还含有填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等助剂，在加工过程中能流动成形的材料。它是现代工业中不可或缺的基础材料之一，广泛应用于各行各业。02/主要特性✅核心优点•密度小，质量轻，比强度高

•化学稳定性好，耐腐蚀性强

•电绝缘性、绝热性优异

•耐磨减摩性好，易于加工成形⚠主要局限•耐热性和热稳定性较差

•力学强度和硬度普遍低于金属

•在长时间光照或高温下易老化03/成形方法🔧注射成形(InjectionMolding)最常用的方法之一，生产效率高，能成形形状复杂、精度高的零件，如外壳、齿轮等。⚡挤出