第2章-常用的工程材料(碳鋼、有色金屬)

第二章常用工程材料前言

工程材料是構(gòu)成機械的物質(zhì)基礎(chǔ)。機械的性能取決于其使用的材料.用于機械制造的材料有上千種,要想在眾多材料中作出正確的選擇。既能保證使用性能、便于加工，經(jīng)濟性又好。只有了解這些材料，認(rèn)識這些材料。材料分類

金屬非金屬復(fù)合材料碳鋼合金鋼鋁合金銅合金鈦合金鋼鐵有色金屬塑料橡膠陶瓷聚合物聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料電子材料+++++++++++++++++++++++1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬原子按一定幾何規(guī)律作周期性的排列，原子間以金屬鍵的形式結(jié)合。材料結(jié)構(gòu)及其特性

(a)(b)(c)2.常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)鋼的分類按化學(xué)成分分類非合金鋼（碳素鋼）低合金鋼合金鋼按碳含量Wc低碳鋼：<0.25%中碳鋼：0.25~0.60%高碳鋼：>0.60%按質(zhì)量普通質(zhì)量碳鋼：優(yōu)質(zhì)碳鋼：特殊質(zhì)量碳鋼：按用途非合金鋼分類碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素工具鋼：碳素鑄鋼：金屬材料

1.非合金鋼(碳鋼)碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元素為碳，含量在0.1～1.3%之間。由于原料和冶煉工藝的限制，實際使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素。雜質(zhì)元素和合金元素在鋼中的作用鋼中的元素雜質(zhì)元素：

鋼中除Fe、C兩種主要組成元素外。合金元素：

因冶煉等原因，鋼中不

可避免地存在的一些元素。

為改善鋼的性能，冶煉

時有目的地加入鋼中的元素。不管是雜質(zhì)元素、還是合金元素，都會對鋼的組織和性能產(chǎn)生影響。一、雜質(zhì)元素對鋼性能的影響鋼中的常存雜質(zhì)元素Mn、Si、S、P1、Si的作用來

源有益作用有害影響煉鋼時加入的脫氧劑。能消除FeO夾雜對鋼的不良影響，少量能溶入F中起固溶強化作用，提高鋼的強度、硬度及彈性。過多會造成塑性下降，沖擊性能變差。有益元素2、Mn的作用來

源有益作用有害影響煉鋼時加入的脫氧劑。能與S化合形成MnS，減輕S的有害影響；少量能溶入F中起固溶強化作用。過多會造成塑性下降。有益元素3、S的作用來

源有益作用有害影響煉鋼原料和燃料。在鋼中形成FeS,FeS與Fe形成低熔點（985℃）共晶體

分布在晶界上，使得對鋼進(jìn)行熱加工時容易脆化開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。有害元素4、P的作用來

源有益作用有害影響煉鋼原料和燃料。引起鋼的塑性和韌性急劇下降，尤其在低溫時脆性更大，這種現(xiàn)象稱為冷脆。有害元素少量能溶入F中，使強度、硬度顯著提高。雜質(zhì)元素總結(jié)：元素有益與有害是相對的：硅、錳雖有益，但也不是多多益善；硫、磷雖有害，應(yīng)該嚴(yán)格控制含量。按質(zhì)量普通質(zhì)量低合金鋼優(yōu)質(zhì)低合金鋼特殊質(zhì)量低合金鋼按主要性能及特性可焊接的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金耐熱鋼低合金鋼筋鋼低合金鋼分類鐵道用低合金鋼，等按質(zhì)量優(yōu)質(zhì)合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼按主要性能及特性工程結(jié)構(gòu)用合金鋼機械結(jié)構(gòu)用合金鋼不銹、耐蝕和耐熱鋼合金鋼分類工具鋼軸承鋼特殊性能鋼非合金鋼（碳鋼）碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼三、碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q×××AF屈服點屈服點s的值質(zhì)量等級：A、B、C、D、E脫氧方法沸騰鋼F半鎮(zhèn)靜鋼b鎮(zhèn)靜鋼Z特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ例：Q235AF

表示屈服點為235MPa、質(zhì)量為A級的碳素結(jié)構(gòu)鋼，是沸騰鋼。Q285B

表示屈服點為285MPa、質(zhì)量為B級的碳素結(jié)構(gòu)鋼，是鎮(zhèn)靜鋼，省略Z。碳素結(jié)構(gòu)鋼成

分熱

處

理性

能典型牌號含碳量較低，Wc<0.30%正火，使用時不進(jìn)行熱處理。較高的強度，良好的塑性與韌性；并具有良好的焊接性。

Q235如表2-4（P40）Q195、Q215、Q235、Q255、275一般橋梁、建筑結(jié)構(gòu)，普通機械零件，如螺釘、螺母等。可用于受力較大的機械零件，如鏈輪、拉桿等。應(yīng)

用四、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：

用兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)。例：45

——表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。08F

———表示W(wǎng)c為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬沸騰鋼。65Mn

———表示W(wǎng)c為0.65%、含錳量較高（WMn=0.9~1.2%)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成

分熱

處

理性

能典型牌號Wc=0.05-0.85%，多數(shù)為低中碳成分，少數(shù)高碳。一般使用時必須進(jìn)行熱處理。較高強度，較好塑性與韌性。性能變化范圍較大。

45如表2-5（P40）08F、20、45、65冷沖壓件，如汽車和儀表外殼、容器、罩子等。冷沖壓件、焊接件和標(biāo)準(zhǔn)件、滲碳件等零件。調(diào)質(zhì)件：機床齒輪、機床主軸、曲軸、連桿等重要零件。彈性件和耐磨件：小尺寸彈簧、低速車輪等應(yīng)

用五、碳素工具鋼：

T（“碳”）+兩位數(shù)字（表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)）。例：T8

——表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的碳素工具鋼。T12A

——表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.20%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素工具鋼成

分熱

處

理性

能典型牌號Wc=0.70-1.30%，高碳鋼必須經(jīng)淬火回火處理。高的硬度、強度，良好的耐磨性，一定的塑性與韌性。

T8、T10、T12A各類手工工具和低速工具。如表2-6（P41）T7、T8、T10、T12、T13A承受振動、沖擊的工具，如沖頭、大錘、木工工具。用于需要較高耐磨性和一定韌性的工具，如手工鋸條、剪金屬用剪刀。不受振動和沖擊的耐磨工具，如絲錐、銼刀、喬刀、板牙、量具等。應(yīng)

用六、鑄造碳鋼：

ZG+兩組數(shù)字（分別表示最小屈服點和最小抗拉強度）。例：ZG310-570

——表示最小屈服點為310MPa、最小抗拉強度為570MPa的鑄造碳鋼。鑄造碳鋼成

分熱

處

理性

能典型牌號Wc=0.20-0.60%，低中碳鑄造成形，經(jīng)熱處理后使用。較高的硬度、強度和塑性、韌性，即綜合力學(xué)性能較好。

ZG200-400如表2-7（P42）ZG200-400、ZG270-500、ZG310-570用于受力不大，要求良好塑性和焊接性的零件，如機座、變速箱殼體。用于受力較大的復(fù)雜零件，如軋鋼機機架、軸承座、連桿、曲軸、缸體。強度和耐磨性較好，但韌性、焊接性降低。用于重載齒輪、制動輪。應(yīng)

用碳由于碳鋼成本低，是通常制造各種構(gòu)件的基本材料。但是，碳鋼有以下局限性：(1)碳鋼的強度很難超過690MPa，除非塑性和韌性有明顯的下降。(2)厚截面碳鋼零件淬火時無法全部得到馬氏體組織，即不能淬透。(3)碳鋼的抗腐蝕性和抗氧化性較差。2.合金鋼鐵、碳和合金元素是合金鋼的基本組元。合金鋼的強度高，塑韌性優(yōu)于碳鋼，抗腐蝕性和抗氧化性也好。合金鋼分類1.按合金元素的含量分低合金鋼合金元素總含量＜5%中合金鋼合金元素總含量5-10%高合金鋼合金元素總含量＞10%2.按主要用途分合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼普碳、優(yōu)碳、工具鋼合金鋼的牌號、成分、性能40#、Q295,40Cr,20CrMnTi、T8鋼的碳含量和用途？鋼鐵材料的編號方法（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分組成。例：Q235A·F其中Q表示屈服點“屈”字漢語拼音第一個字母；235表示鋼材厚度≤16mm時的屈服點值不小于235MPa；A表示質(zhì)量等級A、B、C、D四級中的A級，F(xiàn)表示沸騰鋼。除此以外b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼鐵材料的編號方法（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以平均碳含量的萬分?jǐn)?shù)，用兩位數(shù)字表示。例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號表示為45。高級優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號方法（三）碳素工具鋼的牌號是以其平均含碳量的千分之幾表示，并在數(shù)字之前冠以“T”字。例如：T10鋼表示平均含碳量為1.0%的碳素工具鋼。如為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號方法（四）

合金鋼編號方法用漢字或化學(xué)元素符號代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。對于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬分一為單位，用兩位數(shù)字表示；對于工具鋼和不銹鋼，碳含量以千分之一為單位，用一位數(shù)字表示。合金元素以百分之一為單位，當(dāng)含量小于1.5%時，一般不標(biāo)出含量。

例如：牌號為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高級優(yōu)質(zhì)鋼。(2)按主要用途分:合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼合金結(jié)構(gòu)鋼

1.普通低合金鋼

普通低合金鋼是一種含碳量較低(＜0.2%，合金元素總含量一般在3%以下以錳為主要元素的低碳合金鋼。主要用于制造橋梁、船舶、車輛、容器、管道和建筑結(jié)構(gòu)件。通常是在熱軋（zha））成型材經(jīng)正火狀態(tài)下使用，不熱處理。這類鋼的強度顯著高于相同含碳量的碳素鋼，并有較好的塑性、韌性、焊接性及耐蝕性。Q295--橋梁，車輛，容器，油罐。(注：Q295以上為低合金結(jié)構(gòu)鋼)

2.合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量為中碳，合金元素總含量較高，力學(xué)性能好，應(yīng)用廣泛。一般都要經(jīng)過熱處理，以充分發(fā)揮其性能。

40Cr--重要調(diào)質(zhì)零件．如齒輪、軸、曲軸、連桿、螺栓等，表面淬火HRＣ48-55

有色金屬

除鋼、鑄鐵之外的金屬叫有色金屬。工程中常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、鈦金屬及其合金等。有色金屬材料（一）鋁合金比重小，比強度高。在空氣中的抗蝕性好。容易加工。用以制造飛行器各種承力構(gòu)件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱翼梁、螺旋槳葉、起落架等。也常用于汽車、摩托車、家用電器、建筑等。有色金屬材料（二）鈦合金比強度高。抗蝕性好。耐高低溫。難加工。價格昂貴。航空航天中，應(yīng)用廣泛。用于制造工作溫度不超過400℃的各種飛機結(jié)構(gòu)和發(fā)動機零部件。如發(fā)動機壓氣機盤、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲氫罐也是鈦合金制造的，其工作溫度為-253℃。許多民用領(lǐng)域如氯堿化工業(yè)及海水用泵、閥、管道、換熱器、冷凝器等，也廣泛采用鈦合金，并取得了良好的經(jīng)濟效益。有色金屬材料（三）銅合金機械性能好摩擦系數(shù)小在空氣環(huán)境下具有良好的抗蝕性。容易加工。滑動軸承、耐水蝕零件、導(dǎo)熱零件。有色金屬的編號方法（一）變形鋁合金：1.防銹鋁合金LF：LF12.硬鋁合金LY：LY113.超硬鋁合金LC：LC94.鍛造鋁合金LD：LD5鑄造鋁合金：ZALSi12 含硅12%的鑄造鋁合金。 代號：ZL102有色金屬的編號方法（二）銅合金：1.紫銅（純銅）T1，T2，2.黃銅：銅鋅合金。H623.青銅：其他銅合金。QSn10-1。

比較名稱密度（g/cm2)比強度（單位密度下材料的強度）Al2.7500-700/2.7Ti4.511200/4.51Mg1.74250-300/1.74鋼7.85700-1200/7.85鑄鐵鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。常見鑄鐵有灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵和球墨鑄鐵?；铱阼T鐵應(yīng)用較多，其的抗拉強度比鋼低得多，但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動能量。因石墨有潤滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。鑄鐵價格便宜，好加工。6.5非金屬及復(fù)合材料

高分子---分子量特別大的一類化合物，高分子的分子量高達(dá)幾萬-上百萬。一個高分子中包含成千上萬個原子，原子之間以共價鍵連接。天然高分子材料：淀粉、蛋白、纖維素等。合成高分子材料：塑料、橡膠、纖維等。酚醛塑料-1907年問世的第一個高分子材料。高分子的化學(xué)組成：

1組成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等2以許多簡單的重復(fù)單元連接例：聚乙烯CH2-CH2-CH2-……….重復(fù)單元-CH2-CH2-也叫做鏈節(jié)高聚物的力學(xué)狀態(tài)

線形非晶態(tài)高聚物的熱機械曲線1.塑料-

塑料是由聚合物為基礎(chǔ)添加各種助劑而成的混合體系。塑料組成樹脂：樹脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結(jié)其它組分，對塑料的性能起決定性作用。填充劑：彌補或改善樹脂的性能不足，另外可以顯著地降低成本。增塑劑:增加材料塑性。固化劑：使線型高分子交聯(lián)成體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定劑：用來抵抗老化延長塑料壽命物質(zhì)。其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤滑劑等等.

塑料分類通用塑料、工程塑料、功能塑料通用塑料-產(chǎn)量很高、價格低廉、應(yīng)用范圍很廣泛。聚乙烯（PE）（CH2-CH2)

（結(jié)構(gòu)單元）聚氯乙烯（PVC）CH2-CH（結(jié)構(gòu)單元）

Cl聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。

工程塑料工程塑料-強度、剛度和韌性好，耐高溫、耐輻照、耐腐蝕，能在機械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的一類塑料。

OH聚酰胺CN尼龍聚甲醛、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.橡膠

橡膠-在寬闊的溫度范圍內(nèi)有良好高彈性的高分子材料。由柔性高分子量線形高分子鏈，經(jīng)硫化組成，

HCH3HH

CCCC

HSSH它具有高彈性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的彈性材料、密封材料和減震材料。

橡膠組成(1)生膠：未經(jīng)硫化的橡膠叫生膠，是橡膠主要成份，對橡膠性能起決定作用，但單純生膠高溫發(fā)粘，低溫性脆，常加入各種助劑并經(jīng)硫化制成工業(yè)用橡膠材料。(2)硫化劑：提高橡膠的彈性和強度，常用的是硫磺。(3)軟化劑：增加橡膠塑性、降低硬度，常用的是凡士林等油酯類。(4)補強劑：提高橡膠強度，耐磨性。目前效果最好的補強劑是碳黑。此外還有硫化促進(jìn)劑、填充劑、防老化劑、著色劑等。橡膠分類

橡膠種類繁多，若以原料來區(qū)分，有天然橡膠與合成橡膠，按合成橡膠性能及用途又可分為通用橡膠及特種橡膠。幾種橡膠的性能丁苯橡膠δ：400-500%氯丁橡膠δ：100-800%硅橡膠δ：600%金屬δ：10%

6.5.3陶瓷

屬于無機材料。由金屬元素和非金屬元素通過化合鍵結(jié)合在一起。Al2O3TiO2CaF2常見的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特種陶瓷除燒結(jié)體外還包括單晶(晶須)、纖維、薄膜及超細(xì)粉體等。用純度較高的人工合成原料制造的，能滿足高溫、高強、功能性等要求的特種陶瓷。增韌與提高高溫斷裂強度是發(fā)展陶瓷的兩大難題。

6.4.6復(fù)合材料

由兩種或更多性質(zhì)不同的材料復(fù)合而成，性能優(yōu)于單一材料的合成材料。如玻璃鋼。復(fù)合材料中主要起增強作用的叫強化相；主要起粘接作用的叫基體。按基體分：聚合物基、金屬基、陶瓷基按強化相分：顆粒增強、纖維增強、層疊復(fù)合

天然復(fù)合材料骨骼---柔軟的膠原蛋白和又硬又脆的礦物質(zhì)磷灰石木材----柔軟的纖維素和剛硬的木質(zhì)素常用復(fù)合材料(1)纖維增強復(fù)合材料：常用纖維增強復(fù)合材料有玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料等。玻璃纖維增強復(fù)合材料：玻璃拉成纖維后，比強度和比模量均高于鋼。以玻璃纖維和塑料基體復(fù)合，組成玻璃纖維—樹脂復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼。玻璃鋼的比強度高，可超過高級合金鋼，耐蝕性、介電性高，加工成型性好，但剛度差、易變形、耐熱性差、易老化和易蠕變。玻璃鋼主要用于自重輕的受力構(gòu)件，如汽車和機車車身、輕型船體、飛機螺旋槳等以及耐腐蝕結(jié)構(gòu)件，如化工管道、閥門等。碳纖維復(fù)合材料

碳纖維的抗拉強度高于玻璃纖維，彈性模量是玻璃纖維的4—6倍，它的高溫性能也很好。碳纖維—樹脂復(fù)合材料是目前比強度和比模量最高的復(fù)合材料，它的抗沖擊性能、減摩耐磨性能、耐蝕性及耐熱性都很優(yōu)良。碳纖維復(fù)合材料目前主要用于制作承載、耐磨、耐腐蝕零件，如齒輪、連桿、軸承、密封圈、活塞、化工泵體、管道、容器等制作。此外，它還用于制作航空航天的構(gòu)件，如飛機尾翼、起落架，發(fā)動機的壓氣機葉片，火箭噴嘴等。層合復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料

SF型三層復(fù)合材料：以鋼板為基體。燒結(jié)銅網(wǎng)或多孔性青銅為中間層，塑料為表面層的一種自潤滑材料。常用于表面層的塑料為聚四氟乙烯(SF-1型)和聚甲醛(SF-2型)，目前已用于汽車、礦山和化工機械方面。顆粒復(fù)合材料是由一種或多種材料的顆粒均勻分散在基體材料內(nèi)所組成的材料。如混凝土是非金屬—非金屬復(fù)合材料，常用的硬質(zhì)合金是WC、TiC陶瓷和Co金屬組成的陶瓷—金屬復(fù)合材料。復(fù)合材料的性能特點(1)比強度、比模量高：如碳纖維增強塑料的比強度是鋼材的七倍，比模量是鋼材的三倍。(2)疲勞強度高：如碳纖維增強塑料的疲勞強度是拉伸強度的70％-80％，而金屬材料的疲勞強度只有拉伸強度的40％-50％。(3)抗