ch02工程材料的性能

機械工業(yè)出版社

第二章工程材料的性能產(chǎn)品造型材料與工藝2第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能生產(chǎn)實踐中，由于選材不當(dāng)可造成產(chǎn)品達(dá)不到使用要求或過早失效，因此了解和熟悉材料的性能成為合理選材、充分發(fā)揮工程材料內(nèi)在性能的主要依據(jù)。金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能是指材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能等；工藝性能是指材料對各種加工工藝適應(yīng)的能力，它包括液態(tài)成形性（鑄造性能）、塑性成形性（鍛造性能）、連接成形性（焊接性能）、切削加工性能和熱處理工藝性能等。在機械制造領(lǐng)域選用材料時，大多以力學(xué)性能為主要依據(jù)。3第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同，載荷可分為靜載荷、沖擊載荷、疲勞載荷等三種。(1)靜載荷：大小不變或變動很慢的載荷，例如：機床床頭箱對機床床身的壓力。(2)沖擊載荷：突然增加或消失的載荷，例如：空氣錘錘頭下落時錘桿所承受的載荷。(3)疲勞載荷：周期性的動載荷，例如：在變載荷作用下工作的各種彈簧。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。圖2-1為部分金屬部件和建筑鋼結(jié)構(gòu)實例。4第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能圖2-1為部分金屬部件和建筑鋼結(jié)構(gòu)實例。

5第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.1強度材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度。按照載荷作用方式不同，強度分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度等。工程上以屈服點和抗拉強度作為強度指標(biāo)。為了消除受力截面的影響，強度一般用單位面積上所受的力來表示，稱為應(yīng)力。屈服點或屈服強度（σs）在外力作用下，材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的極限應(yīng)力值即為σs。σs＝Fs/A式中，σs是屈服強度（Nmm－2）；Fs是產(chǎn)生塑性變形時的力（N）；A為試樣截面積（mm2）。6第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.1強度屈服強度表示材料由彈性變形階段過渡到彈-塑性變形的臨界應(yīng)力，是材料對明顯塑性變形的抗力。絕大多數(shù)零件，如緊固螺栓、汽車連桿、機床絲杠等，在工作時都不允許明顯的塑性變形，否則將喪失其自身精度或與其它零件的相對配合受影響，因此屈服強度是其設(shè)計與選材的主要依據(jù)之一。材料產(chǎn)生斷裂時的強度：抗拉強度極限σb，單位為MPa?？估瓘姸龋é襜）材料在受力過程中，所能承受的最大載荷Fb處對應(yīng)的應(yīng)力值即為抗拉強度。σb＝Fb/A式中，σb是抗拉強度（Nmm－2）；Fb是產(chǎn)生斷裂時的力（N）；A為試樣截面積（mm2）。7第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.1強度對塑性較好的材料，σb表示了材料對最大均勻變形的抗力；而對塑性較差的材料，一旦達(dá)到最大載荷，材料迅即發(fā)生斷裂，故σb也是其斷裂抗力（斷裂強度）指標(biāo)。不論何種材料，σb均是其最大允許承載能力的度量，且因σb易于測定，故適合于作為產(chǎn)品規(guī)格說明或質(zhì)量控制標(biāo)志，廣泛出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)、合同、質(zhì)量證明等文件資料中。σb在設(shè)計與選材中的應(yīng)用不及σs普遍，但如鋼絲繩、建筑結(jié)構(gòu)件等對塑性變形要求不嚴(yán)而僅要求不發(fā)生斷裂的零件，σb就是其設(shè)計與選材參數(shù)。8第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.1強度所有強度指標(biāo)均可作為設(shè)計與選材的依據(jù)，為了應(yīng)用的需要，還有一些從強度指標(biāo)派生出來的指標(biāo)：①比強度：強度指標(biāo)與材料密度之比，在對零件自身重量有要求或限制的場合下（如航天航空構(gòu)件、汽車等運行機械），比強度有著重要的應(yīng)用意義。②屈強比：它是材料屈服強度與抗拉強度之比，表征了材料強度潛力的發(fā)揮利用程度和其零件工作時的安全程度。合金化、熱處理及各種冷熱加工可在很大程度上改變材料強度指標(biāo)的大小。9第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.2塑性塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前的塑性變形的能力。在拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等外力作用下材料所產(chǎn)生的伸長、縮短、扭曲、彎曲等都可用來表示材料的塑性。塑性用伸長率δ和斷面收縮率ψ來表示。伸長率試樣拉斷后，伸長量與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，以δ表示。斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，以ψ表示。10第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.2塑性式中，l0是試樣的原始標(biāo)距（mm）；l1是試樣拉斷后標(biāo)距（mm）；S0是試樣原始橫截面積（mm2）；S1是試樣斷裂處的橫截面積（mm2）。伸長率或斷面收縮率越高，材料的塑性越好。良好的塑性可使材料順利成形，可保證零件或構(gòu)件的安全性。一般δ達(dá)5％、ψ達(dá)10％即可滿足絕大多數(shù)零部件的使用要求。材料的塑性與其強度指標(biāo)一樣，也是結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)，可通過各種方法改變之。順便要指出的是，金屬材料之所以有廣泛的應(yīng)用，其主要原因之一并不是它的強度，而恰恰在于其良好的塑性。11第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.3硬度硬度是指材料的軟硬程度，亦即抵抗硬物壓入或劃傷的能力。測定硬度的方法很多，主要有壓入法、刻劃法等。在機械制造中主要采用壓入法。常用的硬度測試方法有布氏硬度(HB)，洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)等，均屬壓入法，即用一定的壓力將壓頭壓入材料表層，然后根據(jù)壓力的大小、壓痕面積或深度確定其硬度值的大小。12第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.3硬度1.布氏硬度(HB)布氏硬度試驗是用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球。以相應(yīng)的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力。測量試樣表面的壓痕直徑，如圖2-2所示。13第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.3硬度1.布氏硬度(HB)布氏硬度HB可用下式計算：式中，HB為布氏硬度；P為試驗載荷；D為壓頭直徑（mm）；d為卸載后試樣表面壓痕直徑（mm）。14第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.3硬度2.洛氏硬度(HR)洛氏硬度常用符號HRC表示,是將金剛石錐體壓入試樣表面，可以在試驗儀器上直接讀出。洛氏硬度的優(yōu)點是操作迅速簡便，壓痕較小，幾乎不損傷工件表面，故而應(yīng)用最廣；但因壓痕較小而代表性、重復(fù)性較差，數(shù)據(jù)分散度也較大。15第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.4韌性韌性就是材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性好的材料在使用過程中不至于產(chǎn)生突然的脆性斷裂，從而保證零件的安全性。沖擊載荷是動載荷的一種主要類型，很多零部件在動載荷下工作，如變速齒輪、飛機起落架等。在沖擊載荷作用下，材料的韌性尤為重要，通常采用帶缺口的試樣使之在沖擊載荷的作用下折斷，以試樣在變形和斷裂的過程中所吸收的能量來表示材料的韌性，這種韌性通常稱之為沖擊韌度。16第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.4韌性最常應(yīng)用的沖擊實驗方法是將具有規(guī)定形狀和尺寸的試樣放在沖擊實驗機的支座上，然后使事先調(diào)整到規(guī)定高度的擺錘下落，產(chǎn)生沖擊載荷使試樣折斷，如圖2-3所示。

測定試樣在沖擊載荷的作用下折斷時所吸收的功AK，即以沖擊吸收功AK除以試樣缺口橫截面積S0(cm2)所得的商(αk＝AK／S0J/cm2)來表征材料的韌性。

17第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.5疲勞強度疲勞強度是指材料在無數(shù)次循環(huán)應(yīng)力作用下仍不斷裂的最大應(yīng)力，用以表現(xiàn)材料抵抗疲勞斷裂的能力。疲勞強度與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，如圖2-4所示。

18第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.5疲勞強度由圖2-4可以看出，應(yīng)力越小，則材料斷裂前所能承受的循環(huán)次數(shù)越多，當(dāng)應(yīng)力降低到某一值時，曲線趨于水平，即表示在該應(yīng)力作用下，材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂。工程上規(guī)定,材料在循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到某一基數(shù)N而不斷裂時，其最大應(yīng)力就作為該材料的疲勞極限。一般鋼鐵材料的循環(huán)基數(shù)取107次。

19第二章工程材料的性能2.1工程材料的力學(xué)性能2.1.6蠕變耐熱鋼應(yīng)該具有高的熱強性（高溫強度），亦即指鋼在高溫下抵抗塑性變形和斷裂的能力。高溫零件長時間承受載荷時，強度將大大下降；與室溫力學(xué)性能相比，高溫力學(xué)性能還要受溫度和時間的影響。常用的高溫力學(xué)性能指標(biāo)有：蠕變極限材料在高溫長期載荷下對緩慢塑性變形（即蠕變）的抗力；持久強度材料在高溫長期載荷下對斷裂的抗力。

20第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途

工程材料有各種不同的分類方法。若將工程材料按化學(xué)成分可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復(fù)合材料四大類。

金屬材料:

是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。可分為兩大部分：黑色金屬材料是指鐵和以鐵為基的合金（鋼、鑄鐵和鐵合金）；非鐵金屬材料是指黑色金屬以外的所有金屬及其合金，常用的有鋁合金、銅合金、鎂合金和鋅合金等。

無機非金屬材料:

常用造型無機非金屬材料包括玻璃、陶瓷和木材等。

21第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途

工程材料有各種不同的分類方法。若將工程材料按化學(xué)成分可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復(fù)合材料四大類。

金屬材料:

是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金?？煞譃閮纱蟛糠郑汉谏饘俨牧鲜侵歌F和以鐵為基的合金（鋼、鑄鐵和鐵合金）；非鐵金屬材料是指黑色金屬以外的所有金屬及其合金，常用的有鋁合金、銅合金、鎂合金和鋅合金等。

無機非金屬材料:

常用造型無機非金屬材料包括玻璃、陶瓷和木材等。

22第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料一、晶體與非晶體固體金屬可以分為兩類：晶體和非晶體。原子在三維空間中有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體，否則為非晶體。由于晶體與非晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，其性能也有區(qū)別。晶體具有固定的熔點（如鐵為1538℃），且在不同方向上具有不同的性能，即各向異性。而非晶體沒有固定的熔點，是在一個溫度范圍內(nèi)熔化或軟化，因其在各個方向上的原子聚集密度大致相同，故而表現(xiàn)出各向同性。

23第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念1.晶格晶體中原子排列的方式稱為晶體的結(jié)構(gòu)。組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點不同，排列的規(guī)則或周期性不同，就可以形成各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)。原子模型如圖2-5所示。

a）原子排列模型b）晶格c）晶胞

24第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念2.晶胞從晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何組成單元稱為晶胞，如圖2-5c所示。晶胞在三維空間的重復(fù)排列構(gòu)成晶格并形成晶體。

252.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念3.晶格常數(shù)晶胞的棱邊長度（圖2-5c中的a、b、c）稱為晶格常數(shù)。晶格常數(shù)的單位為埃（1?＝10-8cm），金屬的晶格常數(shù)大多為1～7?。第二章工程材料的性能

262.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上使用的金屬元素中，絕大多數(shù)的晶體結(jié)構(gòu)比較簡單，其中最典型最常見的有三種類型，即體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)，如圖2-6所示。1.體心立方晶格原子分布在立方晶胞的八個角上

和立方體的體心，象Cr、α－Fe、

Mo、W、V等30多種金屬具有體心

立方晶格。第二章工程材料的性能

27第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（1）晶胞原子數(shù)。晶胞原子數(shù)是指一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。由于晶格是由大量晶胞堆垛而成，所以晶胞每個角上的原子在空間同時屬于8個相鄰的晶胞，這樣只有1/8個原子屬于這個晶胞，而晶胞中心的原子完全屬于這個晶胞。體心立方晶格中的原子數(shù)為2（即8×1/8＋1＝2)。

28第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（2）致密度。晶胞中原子的體積百分?jǐn)?shù)稱為晶格的致密度。體心立方晶格的致密度為68％。

29第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.面心立方晶格原子分布在立方晶胞的八個角上和六個面的中心，γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等約20種金屬具有這種晶體結(jié)構(gòu)。晶格的致密度為74％，即面心立方晶格的致密度比體心立方晶格高。

30第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料二、晶體結(jié)構(gòu)（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.密排六方晶格原子分布在六方晶胞的十二個角上以及上下底面中心和兩底面之間的三個均勻分布的間隙里，Zn、Mg、Be、Cd等金屬具有密排六方晶格。對于典型的密排六方晶格金屬，其致密度為74％。

31第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料三、純金屬結(jié)晶1.結(jié)晶條件將溫度隨時間變化的關(guān)系繪制成曲線，稱為冷卻曲線，如圖2-7所示。圖2-7純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線

32第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料三、純金屬結(jié)晶1.結(jié)晶條件金屬的熔化和結(jié)晶應(yīng)在同一溫度下進(jìn)行，這個溫度稱為平衡結(jié)晶溫度(T0)，又稱為理論結(jié)晶溫度。在此溫度下，液體中金屬原子結(jié)晶到晶體上的速度與晶體上的原子熔入液體中的速度相等，晶體與液體處于平衡狀態(tài)。金屬在結(jié)晶之前溫度連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度T0時并未開始結(jié)晶，而是需要冷卻到T0溫度之下某一溫度T1

時才能有效地進(jìn)行結(jié)晶。實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象，稱為過冷，二者之差為過冷度，即△Ｔ＝T0－T1。過冷度越大，則實際結(jié)晶溫度越低，冷卻速度越快。

33第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料三、純金屬結(jié)晶2.結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶包括形核與長大兩個過程，金屬結(jié)晶過程如圖2-8所示。圖2-8純金屬結(jié)晶過程示意圖

34第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料三、純金屬結(jié)晶2.結(jié)晶過程隨著溫度的降低，一些尺寸較大的原子集團(tuán)開始變的穩(wěn)定，從而成為結(jié)晶核心，即稱為晶核。晶核按各自方向吸收液體中的金屬原子而逐漸長大，與此同時，在液態(tài)中不斷產(chǎn)生新的結(jié)晶核心，也逐漸長大。如此不斷發(fā)展，直到相鄰晶體相互接觸，液體金屬耗盡，結(jié)晶方才完畢。晶核長大為晶粒，這樣就形成一塊多晶體金屬。

35第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料四、晶體的同素異構(gòu)大多金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同類型的晶體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)。常見的元素如鐵、鈦、錳、錫等都具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在金屬晶體中，鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變最為典型。鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，先后發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程如下：

36第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料四、晶體的同素異構(gòu)鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程

如圖2-9所示。37第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類及用途2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)由于純金屬力學(xué)性能較低，工業(yè)上多使用合金。所謂合金，就是由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬與非金屬元素所組成的具有金屬特性的物質(zhì)。工業(yè)上廣泛使用的碳鋼和鑄鐵，就是由鐵和碳兩種元素（組元）組成的二元合金。合金的優(yōu)良性能是由合金各組成相的結(jié)構(gòu)及其形態(tài)所決定的。根據(jù)合金元素之間相互作用的不同，合金中的相結(jié)構(gòu)可分成兩大類：一類是固溶體，另一類是金屬化合物。38第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)1.固溶體溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的合金相稱為固溶體。固溶體的點陣結(jié)構(gòu)仍保持溶劑金屬的結(jié)構(gòu)，只引起晶格參數(shù)的改變和晶格畸變。工業(yè)上所使用的金屬材料，絕大部分以固溶體為基體，有的甚至完全由固溶體所組成。例如碳鋼和合金鋼，其基體相均為固溶體。39第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)1.固溶體按溶質(zhì)原子在金屬溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。置換固溶體中溶質(zhì)原子占據(jù)了溶劑晶格的一些結(jié)點，在這些結(jié)點上溶劑原子被溶質(zhì)原子置換了。合金鋼中的錳、鉻、鎳、硅、鉬等各種元素都能與鐵形成置換固溶體。固溶體結(jié)構(gòu)及其晶格畸變?nèi)鐖D2-10所示40第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)1.固溶體固溶體結(jié)構(gòu)及其晶格畸變?nèi)鐖D2-10所示41第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)2.化合物合金中另一類相就是金屬化合物。金屬化合物是合金組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。象碳鋼中的滲碳體（Fe3C）即屬于金屬化合物。42第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)3.機械混合物大多數(shù)工業(yè)上使用的合金既不是由單純的化合物組成，也不是由固溶體組成。因為化合物硬度高，但脆性大；固溶體強度較低。多數(shù)合金是用固溶體作基體和少量化合物所構(gòu)成的混合物。通過調(diào)整固溶體的溶解度和分布于其中的化合物的形態(tài)、數(shù)量、大小及分布，可使合金的力學(xué)性能發(fā)生很大變化，以便滿足不同的性能需要。43第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料五、合金的晶體結(jié)構(gòu)3.機械混合物合金鋼中碳化物的類型不同，其穩(wěn)定性不同，熔點、硬度也不同。例如，在工具鋼中的VC，可提高其耐磨性；高速鋼中的W2C、VC在高溫下比較穩(wěn)定并呈彌散分布，其在高溫下能保持高硬度和切削性能；硬質(zhì)合金中的碳化物（WC、TiC等）的高硬度保證了其優(yōu)越的切削性能。由于不同的金屬和合金具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，也就是它們的微觀結(jié)構(gòu)不同，事實上在材料成分相同的情況下，不同的微觀結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致材料具有不同的性能。44第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)不同，鋼的分類方法有多種。如按化學(xué)成分，分為碳鋼和合金鋼，其中碳鋼按碳含量又可分為低碳鋼（wc≤0.25%）、中碳鋼（wc=0.25%～0.6%）、高碳鋼（wc>0.6%）；合金鋼按合金元素含量也可分為低合金鋼（w≤5%）、中合金鋼（w=5%～10%）、高合金鋼（w>10%）。45第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號1.鋼的分類依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)不同，鋼的分類方法有多種。按鋼的質(zhì)量等級分，有普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼。按鋼的主要用途分為結(jié)構(gòu)鋼（包括一般工程結(jié)構(gòu)鋼和機器零件結(jié)構(gòu)鋼）、工具鋼（包括刀具、模具、量具）、特殊性能鋼、專業(yè)用鋼等。46第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號1.鋼的分類根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13304-91，我國鋼的分類有兩部分：第一部分按化學(xué)成分分類；第二部分按主要質(zhì)量等級、主要性能及使用特性分類。圖2-11為國標(biāo)鋼分類的關(guān)系。47第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料鋼的分類關(guān)系

48第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（1)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼。這兩類鋼的牌號反映鋼的屈服強度、鋼的質(zhì)量等級和脫氧方法。牌號由代表屈服點的漢語拼音字母“Q”(屈)、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級、脫氧方法符號順序排列組成。如：Q235一A·F表示屈服點不小于235MPa、質(zhì)量等級為A級的碳素結(jié)構(gòu)沸騰鋼（F）。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼在牌號上的最主要區(qū)別在屈服強度等級上，碳素結(jié)構(gòu)鋼的最高強度等級為275MPa，而低合金高強度鋼的最低強度等級為295MPa。49第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號反映鋼的化學(xué)成分(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。牌號通常由兩位數(shù)字組成，該數(shù)字表示鋼中碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)。如45表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為萬分之四十五，即0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。50第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（3)合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號反映鋼的化學(xué)成分(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù))。牌號組成形式為：數(shù)字(兩位)＋元素符號＋數(shù)字＋元素符號＋數(shù)字＋…,最前面的兩位數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)。元素符號和其后的數(shù)字表明鋼中所含合金元素種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5％時，不標(biāo)明含量；當(dāng)合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％～2.5％時標(biāo)2；合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5％～3.5％時標(biāo)3；依此類推。高級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號末尾加A，特級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號末尾加E。如40Cr表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為萬分之四十(即0.4％)、WCr＜1.5％的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。51第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（4)其它結(jié)構(gòu)鋼。鑄鋼的牌號一種用強度表示，另一種用化學(xué)成分表示。用強度表示的鑄鋼牌號由“ZG”(鑄鋼)和其后的兩組數(shù)字組成，第一組數(shù)字為最低屈服強度值，第二組數(shù)字為最低抗拉強度值，如ZG200—400表示最低屈服強度為200MPa、最低抗拉強度為400MPa的鑄鋼。用化學(xué)成分表示的鑄鋼牌號由“ZG”和其后的表示化學(xué)成分的符號組成(GB／T5613—1995)。易切削鋼的牌號反映鋼的切削加工性能和化學(xué)成分特點，牌號用“Y”(易)和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)組成，含Pb、Ca或含Mn量較高時在末尾加相應(yīng)的元素符號，如Y15Pb。52第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（5)碳素工具鋼。碳素工具鋼的牌號反映鋼材的用途和化學(xué)成分(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。牌號由代表碳素工具鋼的漢語拼音字母“T”(碳)和其后的數(shù)字組成，該數(shù)字表示鋼中碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)。如T10表示碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0％的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。53第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（6)合合工具鋼和高速工具鋼。合金工具鋼和高速工具鋼的牌號反映鋼的化學(xué)成分。牌號組成形式與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，但最前面的—位數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)；當(dāng)鋼的Wc≥1.0％時，不標(biāo)明碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如9SiCr表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9％，Si、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.5％的合金工具鋼。54第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（一）鋼的分類及牌號2.鋼的牌號（7)滾動軸承鋼。滾動軸承鋼的牌號反映其用途和化學(xué)成分。牌號由代表滾動軸承鋼的漢語拼音字母“G“(滾)和其后表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、合金元素種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)字和元素符號組成。在使用最為廣泛的高碳鉻軸承鋼中，合金元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用千分?jǐn)?shù)表示，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為0.95％一1.15％，不予標(biāo)注。如GCr15表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0％、鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％的高碳鉻軸承鋼。55第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼是各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼。根據(jù)其化學(xué)成分、力學(xué)性能和冶金質(zhì)量特點，結(jié)構(gòu)鋼可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等。碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼易于冶煉，價格便宜，性能能滿足一般工程結(jié)構(gòu)件的要求，大量用于制造各種金屬結(jié)構(gòu)和要求不高的機器零件，也是目前產(chǎn)量最大、使用最多的一類鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和應(yīng)用見表2-1。56第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼57第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級，A級、B級為普通質(zhì)量鋼，C級、D級為優(yōu)質(zhì)鋼。這類鋼的力學(xué)性能隨鋼材厚度或直徑的增大而降低，如Q235在鋼材厚度或直徑≤16mm時，其屈服點σs為235MPa，伸長率δ為26％，當(dāng)鋼材厚度或直徑＞150mm時，其σs下降到185MPa，δ下降到21％。58第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼2.低合金高強度鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼強度等級較低，難以滿足重要工程結(jié)構(gòu)的要求。在碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素形成的低合金高強度鋼，其強度等級較高，加工工藝性能良好，可滿足橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道等大型重要鋼結(jié)構(gòu)對性能的要求，并且能減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材。59第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼2.低合金高強度鋼低合金高強度鋼中的合金元素主要有Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti，其中Mn、Si、Cr、Ni等元素主要起固溶強化作用，以提高基體固溶體相的強度；V、Ti、Nb等元素均為強碳化物形成元素，可形成細(xì)小彌散分布的碳化物，并可細(xì)化晶粒，從而通過彌散強化和細(xì)晶強韌化提高鋼的強度、塑性和韌性。常見低合金高強度鋼的牌號和用途舉例見表2-2。60第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼2.低合金高強度鋼牌號(GB/T1591－1994)主要用途Q295（A、B）橋梁、車輛、鍋爐、容器Q345(A~E)橋梁、車輛、壓力容器、化工容器、船舶、建筑結(jié)構(gòu)Q390(A~E)橋梁、船舶、壓力容器、電站設(shè)備、起重設(shè)備、管道Q420(A~E)大型橋梁、高壓容器、大型船舶Q460(C、D、E)大型重要橋梁、大型船舶61第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼2.低合金高強度鋼低合金高強度鋼的供貨狀態(tài)通常為熱軋狀態(tài)或控制軋制狀態(tài)，也可根據(jù)用戶要求以正火或正火加回火狀態(tài)供應(yīng)；Q420、Q460的C級、D級、E級鋼也可按淬火＋回火狀態(tài)供應(yīng)。用戶在使用時通常均不進(jìn)行熱處理。同碳素結(jié)構(gòu)鋼相類似，低合金高強度鋼的強度、塑性也與鋼材的尺寸有關(guān)。62第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種重要的機器零件和彈簧。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能和用途見表2-3。63第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼64第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能主要取決于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熱處理狀態(tài)，從選材角度來看，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低、其強度、硬度越低，塑性、韌性越高；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其強度、硬度越高，塑性、韌性越低；錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的鋼，強度、硬度也較高。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用來制造比較重要的機械零件，因此它既保證化學(xué)成分、又保證力學(xué)性能，一般經(jīng)熱處理后使用。65第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入一種或幾種合金元素而形成的能滿足更高性能要求的鋼種。合金結(jié)構(gòu)鋼可以根據(jù)其熱處理特點和主要用途分為合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼和合金彈簧鋼。66第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼

(1)合金滲碳鋼。指經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后使用的結(jié)構(gòu)鋼。滲碳鋼基本上都是低碳鋼和低碳合金鋼，主要用于制造高耐磨性、高疲勞強度和要求具有較高韌性的零件，如各種變速齒輪及凸輪軸等。低碳滲碳鋼淬透性低，經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后雖可獲得高的表面硬度，但心部強度低，只適用于制造受力不大的小型滲碳零件，而對性能要求高，尤其是對整體強度要求高或截面尺寸較大的零件則應(yīng)選用合金滲碳鋼。67第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼

(1)合金滲碳鋼。滲碳鋼可根據(jù)淬透性高低分為低淬透性、中淬透性和高淬透性滲碳鋼。低淬透性滲碳鋼在水中的臨界淬透直徑為20～35mm，中淬透性滲碳鋼在油中的臨界淬透直徑為25～60mm，高淬透性滲碳鋼在油中的臨界淬透直徑在100mm以上。常見滲碳鋼的牌號、熱處理、力學(xué)性能及用途見表2-4。68第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(1)合金滲碳鋼。69第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(2)合金調(diào)質(zhì)鋼。合金調(diào)質(zhì)鋼適用于對強度要求高、截面尺寸大的重要零件。合金調(diào)質(zhì)鋼為中碳合金鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.25％~0.50％之間，合金元素主要有Mn、Si、Cr、Ni、B、Ti、V、W、Mo等。合金元素提高鋼的淬透性、產(chǎn)生固溶強化、形成高穩(wěn)定性碳化物，起細(xì)晶強韌化作用，Mo、W還能防止產(chǎn)生高溫回火脆性。70第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(2)合金調(diào)質(zhì)鋼。合金調(diào)質(zhì)鋼根據(jù)淬透性的高低分為低淬透性、中淬透性和高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，它們在油中的臨界淬透直徑相應(yīng)為20～40mm、40～60mm、60～100mm。常用調(diào)質(zhì)鋼的牌號、熱處理、力學(xué)性能和用途見表2-5。71第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(2)合金調(diào)質(zhì)鋼。72第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(3)合金彈簧鋼合金彈簧鋼因主要用于制造彈簧而得名。彈簧鋼應(yīng)具有高的彈性極限、高的疲勞強度和足夠的塑性與韌性。73第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(3)合金彈簧鋼彈簧鋼一般為高碳鋼和中碳合金鋼、高碳合金鋼。高碳彈簧鋼(如65鋼、70鋼、85鋼)的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常較高，以保證高的強度、疲勞強度和彈性極限，但其淬透性較差，不適于制造大截面彈簧。合金彈簧鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.45％~0.70％之間，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會導(dǎo)致塑性、韌性下降較多。74第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(3)合金彈簧鋼合金彈簧鋼含有Si、Mn、Cr、B、V、Mo、W等合金元素，由于有合金元素的強化作用，既可提高淬透性又可提高強度和彈性極限，可用于制造截面尺寸較大、對強度要求高的重要彈簧。常用的彈簧鋼的牌號、性能特點和用途見表2-6。75第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(3)合金彈簧鋼76第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(3)合金彈簧鋼

圖2-12彈簧鋼制造的部分零部件77第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(4)滾動軸承鋼滾動軸承鋼是指主要用于制造各類滾動軸承的內(nèi)圈、外圈以及滾珠、滾柱、滾針等滾動體的專用鋼，簡稱為軸承鋼。滾動軸承鋼應(yīng)具有高的抗壓強度和接觸疲勞強度、高的硬度和耐磨性，同時應(yīng)具有一定的韌性和耐腐蝕性。

78第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼4.合金結(jié)構(gòu)鋼(4)滾動軸承鋼高碳鉻軸承鋼約占滾動軸承鋼總量的90％，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.95～1.15％，可保證高強度、高硬度和高耐磨性。在高碳鉻軸承鋼中以GCrl5最為常用；GCr15也常用于制造量具和冷作模具，均在淬火后低溫回火狀態(tài)下使用。

79第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼5.鑄鋼鑄鋼是指用鑄造方法成形的結(jié)構(gòu)鋼。按鑄鋼的化學(xué)成分可將鑄鋼區(qū)分為碳素鑄鋼(常為鑄造碳鋼)和合金鑄鋼。碳素鑄鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.12％～0.62％之間，為提高鑄鋼的力學(xué)性能可在碳素鑄鋼的基礎(chǔ)上加入Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V等合金元素形成合金鑄鋼。當(dāng)要求特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能時，可加入較多合金元素形成特殊鑄鋼，如耐蝕鑄鋼、耐熱鑄鋼、耐磨鑄鋼(如ZGMnl3)等。

80第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼5.鑄鋼鑄鋼常用于制造結(jié)構(gòu)件(如機座、箱體等)，通常不進(jìn)行熱處理。用于制造機器零件的鑄造碳鋼(如ZG200—400等)和鑄造合金鋼(如ZG20SiMn、ZG40Cr等)一般應(yīng)進(jìn)行正火或退火處理，以改善組織、消除殘余應(yīng)力，重要零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，要求表面耐磨的零件可進(jìn)行表面淬火、低溫回火處理。

81第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼5.鑄鋼碳素鑄鋼按用途分為一般工程用碳素鑄鋼和焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼，前者在國家標(biāo)準(zhǔn)GB11352－89中列有5個鋼號；后者的焊接性良好，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB7659－87中列有3個鋼號。表2-7列舉了碳素鑄鋼的牌號、力學(xué)性能和用途舉例。

82第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（二）結(jié)構(gòu)鋼5.鑄鋼

83第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（三）工具鋼用于制造各種工具的鋼稱為工具鋼。工具鋼按用途分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。刃具鋼刃具鋼是制造各種切削工具的鋼，如車刀、鉆頭、絲錐和鋸條等。刃具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、熱硬性，并具有一定的強度和韌性，因此刃具鋼通常為高碳鋼和高碳合金鋼。

84第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（三）工具鋼常用的刃具鋼有碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼。(1)碳素工具鋼。碳素工具鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O.65％～1.35％，屬高碳鋼，經(jīng)淬火、低溫回火后使用。碳素工具鋼的回火穩(wěn)定性小，熱硬性差，而且其淬透性低，淬火變形大。因此，碳素工具鋼適宜制作尺寸小、形狀簡單的低速切削刃具，如絲錐、板牙、銼刀、鉆頭等。常用碳素工具鋼的牌號、成分及用途見表2-8。

85第二章工程材料的性能2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、常用金屬材料（三）工具鋼(1)碳素工具鋼。

86第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼(2)合金工具鋼。

合金工具鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.85％～1.50％，加入的合金元素常為Cr、Mn、Si、W、V等。主要用于制造截面尺寸較大、形狀復(fù)雜、要求變形小的較低切削速度的刃具，以及冷作模具與精密模具。部分常用低合金工具鋼的牌號、熱處理工藝、性能及用途見表2-9。87第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼(2)合金工具鋼88第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼(3)高速鋼。高速鋼主要用來制造高速切削刃具，如車刀、銑刀、鉆頭等。經(jīng)熱處理后所獲得的高硬度(63～66HRC)與高耐磨性，在600℃左右仍具有良好的熱硬性。高速鋼的淬透性很高，淬火加熱后，在空氣中冷卻也能淬硬，故俗稱“風(fēng)鋼”。89第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼(3)高速鋼90第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼(3)高速鋼高速鋼的強化熱處理為淬火與回火，由于高速鋼導(dǎo)熱性差、塑性低，而淬火溫度又很高，因此在淬火之前要進(jìn)行預(yù)熱。高速鋼刃具淬火回火后，還可進(jìn)一步施以表面處理，如蒸汽處理、液體氮碳共滲、離子滲氮、氣相沉積等，以提高其表面硬度、耐磨性、熱硬性和耐蝕性。91第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼(3)高速鋼

圖2-13刃具鋼制造的部分刀具92第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼制造各種模具的鋼稱為模具鋼，如冷沖模、冷擠壓模、熱鍛模等。模具鋼根據(jù)其用途可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼等。93第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼

(1)冷作模具鋼。冷作模具鋼是指主要用于制造冷沖模、冷擠壓模、拉絲模等使被加工材料在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形的模具用鋼。冷作模具鋼應(yīng)具有高強度、高硬度和高耐磨性，一定的韌性和較高的淬透性，因此冷作模具鋼通常為高碳鋼和高碳合金鋼。常用的模具鋼有碳素工具鋼和合金工具鋼。碳素工具鋼用于制造要求不太高、尺寸較小的模具，合金工具鋼中的9Mn2V、CrWMn主要用于制造要求較高、尺寸較大的模具。Crl2、Cr12MoV用于制造要求更高的大型模具。94第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼

(2)熱作模具鋼。用于制造熱鍛模、熱擠壓模等使被加工材料在熱態(tài)下發(fā)生塑性變形的模具用鋼。應(yīng)具有較高的強度、良好的塑性和韌性、較高的熱硬性和高的熱疲勞抗力。為中碳合金鋼，可保證較高的強度、硬度，較好的塑性、韌性以及熱疲勞抗力；Cr、Ni、Mn、Mo、W、V等合金元素可提高鋼的淬透性、強度和回火穩(wěn)定性，Mo可防止高溫回火脆性，W、Mo、V還能產(chǎn)生二次硬化，提高鋼的熱硬性。在淬火后中溫或高溫回火狀態(tài)下使用，以獲得良好的塑性、韌綜合性能性。95第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼

（3）塑料模具。無論是熱塑性塑料還是熱固性塑料，成形過程都是在加熱加壓條件下完成的；但一般加熱溫度不高(150～250℃)，成形壓力也不大(大多為40～200MPa），故與冷、熱模具相比，塑料模具用鋼的常規(guī)力學(xué)性能要求不高。然而塑料制品形狀復(fù)雜、尺寸精密、表面光潔，成形加熱過程中還可能產(chǎn)生某些腐蝕性氣體。因此要求塑料模具鋼具有優(yōu)良的工藝性能（切削加工性、冷擠壓成形性和表面拋光性等），較高的硬度（～45HRC）和耐磨、耐蝕性以及足夠的強韌性。96第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼（3）塑料模具

常用塑料模具用鋼包括工具鋼、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和耐熱鋼等。通常按模具制造方法分為：切削成形塑料模具用鋼和冷擠壓成形塑料模具用鋼。97第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼（3）塑料模具1）切削成形塑料模具用鋼這類模具主要是通過切削加工成形，故對鋼的切削加工性能有較高要求，它包括三小類：①調(diào)質(zhì)鋼：其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.30%～0.60%之間，典型鋼種有3Cr2Mo（美國牌號P20）；②易切削預(yù)硬鋼：典型牌號8Cr2MnWMoS（代號8Cr2S）、5CrNiMnMoVSCa（代號5NiSCa）；③時效硬化型：典型牌號有馬氏體時效鋼（如18Ni）和低鎳時效鋼（如10Ni3MoCuAl，代號PMS）。98第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼（3）塑料模具2）冷擠壓成形塑料模具鋼此類鋼是低碳、超低碳或無碳，以保證高的冷擠壓成形性；經(jīng)滲碳淬火后提高表面硬度和耐磨性。典型牌號有工業(yè)純鐵、低碳鋼或低碳合金鋼以及專用鋼0Cr4NiMoV（代號LJ）等，這類鋼適合于制造形狀復(fù)雜的塑料模。99第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼（3）塑料模具由于塑料模用鋼涉及面廣，它幾乎包括了所有鋼材：從純鐵到高碳鋼，從普通鋼到專用鋼，甚至還可用非鐵合金（如銅合金、鋁合金、鋅合金等）。實際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)塑料制品的種類、形狀、尺寸大小與精度以及模具使用壽命和制造周期來選用。如塑料成形時若有腐蝕性氣體放出，則多用不銹鋼（3Cr13、4Cr13）制模，若用普通鋼材則須進(jìn)行表面鍍鉻。100第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼圖2-14刃具鋼制造的量具101第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（三）工具鋼2.模具鋼（3）塑料模具塑料模用鋼所有鋼材：從純鐵到高碳鋼，從普通鋼到專用鋼，甚至還可用非鐵合金（銅合金、鋁合金、鋅合金等）。實際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)塑料制品的種類、形狀、尺寸大小與精度以及模具使用壽命和制造周期來選用。如塑料成形時若有腐蝕性氣體放出，則多用不銹鋼（3Cr13、4Cr13）制模，若用普通鋼材則須進(jìn)行表面鍍鉻。102第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼不銹鋼通常是不銹鋼（耐大氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼）和耐酸鋼（耐酸、堿、鹽等強腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼）的統(tǒng)稱，全稱不銹耐酸鋼。廣泛用于化工、石油、衛(wèi)生、食品、建筑、航空、原子能等行業(yè)。103第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼1.性能要求（1）優(yōu)良的耐蝕性。耐蝕性是不銹鋼的最重要性能。應(yīng)指出的是：不銹鋼的耐蝕性對介質(zhì)具有選擇性，即某種不銹鋼在特定的介質(zhì)中具有耐蝕性，而在另一種介質(zhì)中則不一定耐蝕，故應(yīng)根據(jù)零件的工作介質(zhì)來選擇不銹鋼的類型。（2）合適的力學(xué)性能。（3）良好的工藝性能（如冷塑性加工、切削加工、焊接性等）。104第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼2.成分特點（1）碳含量。不銹鋼的碳含量范圍很寬，wc＝0.03%～0.95%。從耐蝕性角度考慮，碳含量越低越好，因為碳易于與鉻生成碳化物（如Cr23C6），這樣將降低基體的Cr含量進(jìn)而降低了電極電位并增加微電池數(shù)量，從而降低了耐蝕性，故大多數(shù)不銹鋼的碳約為

wc＝0.1%～0.2%；若從力學(xué)性能角度考慮，增加碳含量雖然損害了耐蝕性，但可提高鋼的強度、硬度和耐磨性，可用于制造要求耐蝕的刀具、量具和滾動軸承。105第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼2.成分特點（2）合金元素。不銹鋼是高合金鋼，其合金元素的主要作用有提高鋼基體的電極電位、在基體表面形成鈍化膜及影響基體組織類型等，這些是不銹鋼具有高耐蝕性的根本原因。106第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼3.不銹鋼分類與常用牌號不銹鋼按其正火組織不同可分為馬氏體型、鐵素體型、奧氏體型、雙相型及沉淀硬化型等五類；其中以奧氏體型不銹鋼應(yīng)用最廣泛，約占不銹鋼總產(chǎn)量的70％左右。不銹鋼的類型、牌號、成分、性能及應(yīng)用舉例見表2-11。107第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼3.不銹鋼分類與常用牌號108第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（四）不銹鋼3.不銹鋼分類與常用牌號

圖2-15不銹鋼及其產(chǎn)品109第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金。鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性不如鋼，無法進(jìn)行鍛造，但它具有良好的鑄造性、減摩性、減震性和切削加工性，且熔煉簡便，成本低廉，在工業(yè)上應(yīng)用較廣。

圖2-16鑄造產(chǎn)品110第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金常見鑄鐵的類型根據(jù)鑄鐵中碳的存在形態(tài)不同，分為灰鑄鐵和白口鑄鐵。根據(jù)灰鑄鐵中石墨存在的形態(tài)不同，又可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵等。(1)白口鑄鐵。白口鑄鐵中碳大多以滲碳體（Fe3C）的形式存在，斷口呈銀白色。其性硬而脆，很難進(jìn)行切削加工，工業(yè)上很少用來直接加工零件，主要用于制造可鍛鑄鐵。

111第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金(2)灰鑄鐵?；诣T鐵中碳以片狀石墨存在。由于石墨存在尖角作用，造成其力學(xué)性能降低很多，塑性、韌性低，呈脆性。然而正因為石墨的存在，才使鑄鐵具有耐磨、減震、缺口敏感性低等優(yōu)良性能?；诣T鐵的牌號我國灰鑄鐵的牌號為HT×××，其中“HT”表示“灰鐵”二字的漢語拼音字首，而后面的×××為最低抗拉強度值，單位為MPa?；诣T鐵牌號共六種，其中HT100、HT150、HT200為普通灰鑄鐵；HT250、HT300、HT350為孕育鑄鐵，灰鑄鐵的牌號和力學(xué)性能見表2-12。

112第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金(2)灰鑄鐵

113第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金(3)球墨鑄鐵。球墨鑄鐵中石墨呈球狀。球墨鑄鐵具有較高的強度，并具有一定的塑性和韌性?？捎脕碇圃焓芰?fù)雜、力學(xué)性能要求高的零件，如曲軸、凸輪軸等。球墨鑄鐵的牌號“QT”表示球墨鑄鐵，后面的第一組數(shù)字表示最低抗拉強度(MPa)，第二組數(shù)字表示最低伸長率(％)，如QT600—2，表示抗拉強度和伸長率分別不小于600MPa和2％的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的牌號和力學(xué)性能見表2-13。

114第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金(3)球墨鑄鐵

115第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金(4)可鍛鑄?？慑戣T鐵中石墨呈團(tuán)絮狀。由于石墨有較大程度改善，減弱了石墨對基體的割裂作用，使力學(xué)性能、尤其是塑性韌性顯著提高。(5)蠕墨鑄鐵。碳全部或大部分以蠕蟲狀石墨方式存在的鑄鐵，性能介于球鐵和灰鑄鐵之間。

116第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（五）鑄鐵合金2.鑄鐵的熱處理對鑄鐵可進(jìn)行熱處理，以改善其性能，如去應(yīng)力退火、石墨化退火、正火、淬火和回火、等溫淬火。其中石墨化退火是為了消除鑄件表層和壁厚較薄的部位可能出現(xiàn)的白口組織，便于切削加工。

117第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（六）鋁及其合金工業(yè)純鋁鋁的密度約為2.7g／cm3。純鋁的熔點為660℃，具有良好的導(dǎo)電性能。鋁在大氣中易于形成致密的三氧化二鋁保護(hù)膜，故具有良好的耐大氣腐蝕性。固態(tài)的鋁強度、硬度很低(σb僅為80～100MPa)，塑性很好(δ為30％～40％)。工業(yè)純鋁主要用于制造電纜和強度要求不高的日用器皿等。

118第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（六）鋁及其合金2.鋁合金鋁與Si、Cu、Mg、Mn、Zn等元素組成的合金，具有比純鋁較高的強度。鋁合金由于其質(zhì)量較輕，在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，還可用于制造承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件和機器零件。鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。變形鋁合金經(jīng)壓力加工后，制成板、管等型材，用于制造螺旋槳、螺栓、螺釘?shù)?；鑄造鋁合金一般用于制造形狀復(fù)雜、耐蝕的零件，如內(nèi)燃機汽缸體、活塞等。

119第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（六）鋁及其合金

120第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（六）鋁及其合金2.鋁合金（1)鋁硅系。只含鋁和硅元素的簡單鋁硅合金，具有良好的鑄造性能，但強度較低?？杉尤隒u、Mg等元素提高強度。（2)鋁鎂系。這類合金具有密度小、耐蝕性好、強度較高等優(yōu)點，鑄造性能較差。（3)鋁銅系。這類合金具有較高的強度和塑性，在300℃以下使用時仍能保持較高的強度，但鑄造性能和耐蝕性差。（4)鋁鋅系。這類合金具有良好的鑄造性能和較高的強度。

121第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（七）銅及其合金工業(yè)純銅純銅表面形成的氧化膜外觀呈紫紅色，故又稱紫銅。純銅的密度為8.9g/cm3，熔點為1083℃，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性能，在大氣、淡水和非氧化性酸中有良好的耐蝕性，但不耐海水、氧化性酸和各種鹽類的腐蝕。純銅的塑性較好，具有良好的加工性能，易進(jìn)行各種冷、熱加工成形。純銅的價格高，不適于制造工程結(jié)構(gòu)件和機器零件，主要用于制造電線、熱交換器和油管等。

122第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（七）銅及其合金工業(yè)純銅工業(yè)純銅按照其雜質(zhì)含量不同，可分為Tl(99.95％Cu)、T2(99.90％Cu)、T3(99.70％Cu)、T4(99.50％Cu)等四個牌號(T為銅的漢語拼音字頭)。工業(yè)中廣泛應(yīng)用的是銅的合金。按照化學(xué)成分，常用的銅合金有黃銅和青銅兩大類。

123第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（七）銅及其合金2.銅合金(1)黃銅。以鋅為主要添加元素的銅合金，其加工性能好，主要用于制造彈簧、襯套及耐蝕零件等。常用的黃銅有H80、H70等?！癏”為“黃”的漢語拼音字首，數(shù)字表示平均含Cu量。常用于制作冷軋板材、管材、形狀復(fù)雜的深沖零件、鍍層、工藝美術(shù)裝飾品等。黃銅不僅有良好的變形加工性能，而且有優(yōu)良的鑄造性能。由于結(jié)晶溫度間隔很小，它的流動性很好，易形成集中縮孔，鑄件組織致密，偏析傾向較小。

124第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.1金屬材料六、金屬材料（七）銅及其合金2.銅合金(2)青銅青銅是以錫為主要添加元素的銅合金，習(xí)慣上稱錫青銅。青銅主要用于制造軸瓦、蝸輪、雕塑及要求耐磨、耐蝕的零件等。錫青銅在鑄造凝固時，由于結(jié)晶溫度范圍很寬，冷凝后體積收縮很小，充滿鑄模型腔的能力很強，能獲得完全符合鑄模內(nèi)形的鑄件，但其致密程度較差，故一般僅用于制造形狀復(fù)雜、氣密性差的鑄件。

125第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.2有機高分子材料有機高分子化合物由大量的大分子構(gòu)成，而大分子是由一種或多種低分子化合物通過聚合連接起來的鏈狀或網(wǎng)狀大分子。因此有機高分子化合物又稱高聚物或聚合物。由于分子的化學(xué)組成及聚集狀態(tài)的不同而形成性能各異的高聚物。常用有機高分子材料主要有塑料、橡膠和膠粘劑等。1.有機高分子化合物的力學(xué)性能有機高分子材料的性能主要包括高彈性、粘彈性（蠕變和應(yīng)力松弛、滯后和內(nèi)耗）、強度和韌性以及耐磨性等。

126第二章工程材料的性能

2.2工程材料的分類與結(jié)構(gòu)2.2.2有機高分子材料2.有機高分子化合物的物理化學(xué)性能有機高分子化合物的物理化學(xué)性能主要包括：電學(xué)性能、