材料：認知、發(fā)現(xiàn)和應用第3章

1、第3章工程材料表3-1材料按物理化學屬性分類材料化學組成結合鍵主要性能金屬材料金屬元素金屬鍵固態(tài)具有晶體結構，良好的延展性、導電性和導熱性，有光澤且不透明。陶瓷材料金屬和非金屬組成，主要是氧化物和非氧化物（如碳化物、硼化物、氮化物、硅化物）離子鍵、 共價鍵固態(tài)具有晶體或非晶體結構，優(yōu)異的高溫、 高強和化學惰性，熱和電的非導體，硬且脆。聚合物材料有機化合物，主要是 C、H 和其他非金屬材料（如O、N 和Si）共價鍵、 分子鍵分子鏈結構，質(zhì)輕、 比強度高，易老化且高溫性能差復合材料兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合力學及理化性能優(yōu)異，成本較高。表3-2 鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法（GB221-2

2、008）鋼類鋼 號 舉 例表 示 方 法 說 明結構鋼碳素結構鋼和低合金結構鋼Q235AF代表屈服強度的拼音字母 Q +強度值(以 N/ mm2或 MPa 為單位) ； 必要時標出鋼的質(zhì)量等級（A、B、C、D、E 等） ；必要時標出脫氧方式，即沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼分別以 F 、 b 、Z 、TZ表示;必要時標出產(chǎn)品用途、特性和工藝方法的標識符號。低合金高強度結構鋼Q345D16MnR20MnK低合金高強度結構鋼的牌號表示方法同碳素結構鋼；也可以采用二位阿拉伯數(shù)字( 表示平均含碳量，以萬分之幾計)加元素符號及必要時加代表產(chǎn)品用途、特性和工藝方法的表示符號， 按順序表示。優(yōu)質(zhì)碳素結

3、構鋼08F50A50MnE45AH65Mn以二位阿拉伯數(shù)字表示平均碳含量(以萬分之兒計);必要時標出較高含錳量碳素工具鋼標出“Mn”；必要時標出高級優(yōu)質(zhì)鋼、特級優(yōu)質(zhì)鋼分別以 A、E 表示，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示;必要時標出脫氧方式表示符號，即沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼分別以 F、 b 、 Z表示，但鎮(zhèn)靜鋼表示符號通?？梢允÷?必要時標出產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的標識符號。 如保證淬透性鋼表示符號 H 合金結構鋼20Cr40CrNiMoA60Si2Mn18MnMoNbER以二位阿拉伯數(shù)字表示平均碳含量(以萬分之幾計);合金元素含量，以化學元素符號及阿拉伯數(shù)字表示。平均含量小 于1.50%，一般不標明含

4、量；平均含量為 1.502.49%、2.503.49%則相應數(shù)字為 2，3；高級優(yōu)質(zhì)鋼、特級優(yōu)質(zhì)鋼分別以 A、E 表示，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示;必要時加產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的表示符號，如“R”代表鍋爐和壓力容器用鋼工具鋼碳素工具鋼T8T8MnT8AT 代表碳素工具鋼；阿拉伯數(shù)字表示平均碳含量(以千分之幾計);較高含錳量碳素工具鋼標出“Mn”；高級優(yōu)質(zhì)鋼碳素工具鋼標出“A”，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示合金工具鋼9SiCrCrWMn平均碳含量小于 1. 00% 時，采用一位數(shù)字表示碳含量( 以千分之幾計 。平均碳含量不小于 1. 00% 時，不標明含碳量數(shù)字;合金元素含量，以化學元素符號及阿拉伯數(shù)字表示，

5、 表示方法同合金結構鋼。 低鉻(平均鉻含量小于 1 % )合金工具鋼， 在鉻含量(以千分之幾計)前加數(shù)字 0 。高速工具鋼W18Cr4VCW6Mo5Cr4V2高速工具鋼牌號表示方法與合金結構鋼相同， 但在牌號頭部一般不標明表示碳含量的阿拉伯數(shù)字。為了區(qū)別牌號，在牌號頭部加“C”表示高碳高速工具鋼不銹鋼和耐熱鋼06Cr19 Ni10022Cr18Ti20Cr15Mn15Ni2N20Cr25Ni20用兩位或三位阿拉伯數(shù)字表示碳含量最佳控制值(以萬分之幾或十萬分之幾計)。合金元素含量以化學元素符號及阿拉伯數(shù)字表示， 表示方法同合金結構鋼。鋼中有意加入的鈮、鈦、鋯、氮等含金元素，雖然含量很低，也應在牌

6、號中標出。表3-3 AISI-SAE鋼鐵材料的編號鋼種編 號鋼種編 號碳鋼1鉬鋼4普通碳鋼100.2-0.25Mo40易削鋼(加硫)11Cr-Mo41錳鋼13Ni-Cr-Mo43鎳鋼2鉻鋼50.50Ni20Cr(1.0)511.50Ni21Cr(1.5)523.50Ni23鉻釩鋼6鎳鉻鋼3鎢鋼71.25Ni，0.65-0.80Cr31鎳鉻鉬81.75Ni，1.07Cr32硅錳鋼93.50Ni，1.50-1.57Cr33含硼鋼B3. 0Ni，0.77Cr34釩鋼V表3-4 碳素鋼的分類、屬性和應用碳素鋼碳含量屬性和應用低碳鋼0.250.1，軟、韌性好、易成形。0.1- 0.25，強度低，價格低廉

7、、可鍛造，通過滲碳提高表面硬度和耐磨性。中碳鋼0.25-0.60綜合性能好（強度和韌性適中）、耐磨性好;用于大型零部件、鍛件及汽車零部件。高碳鋼0.60-1.0硬度好，用于彈簧和高強度鋼繩。超高碳鋼1.0-1.50非常硬，超過 1.2采用粉末冶金制備，也被認為是一種高合金碳鋼。圖圖3-1 常用金屬零件中的碳含量常用金屬零件中的碳含量（a）刃具）刃具 （b）模具）模具 （c）量具）量具圖圖3-2 工具鋼的典型用途工具鋼的典型用途表3-5工具鋼的分類、代號、特征和用途分類AISI-SAE代號特征性能及用途冷作鋼W水冷硬化表面耐磨但不適用于高溫，可用于冷鐓模具，木工工具等O油冷硬化短期的冷成型模具、

8、切削工具A空冷硬化中合金，絲錐、分模、形狀復雜模具D高碳高鉻（不銹鋼）482下，長期的成形模和沖裁?？箾_擊鋼S韌性最好的工具鋼中碳低合金，鑿子，錘子，鉚釘套等高速鋼TW 基紅硬性好即 550以上保持 6267HRC，高速切削MMo 基紅硬性好，較 T 型便宜熱作鋼HH1H19: Cr 基H20H39: W 基H40H59: Mo 基鋁或鎂擠壓模、壓鑄模鐵、銅、鎳熱擠壓模和熱鍛模特殊用途L低合金L6 有極佳的韌性PP1P6P20P21滲碳型塑料模具鋼調(diào)質(zhì)型塑料模具鋅壓鑄模和注塑模FWC較 W 型耐磨不銹鋼%C%Cr%Ni其他元素抗拉強度/MPa屈服強度/MPa斷后伸長率/%狀態(tài)奧氏體型不銹鋼（2

9、系列：鐵-鉻-低鎳-錳；3系列：鐵-鉻-鎳）201(12Cr17Mn6Ni5N)0.151756.5% Mn52027540固溶處理304 (06Cr19Ni10)0.08191052020540固溶處理316(06Cr17Ni12Mo2)0.0817122.5% Mo52020540固溶處理鐵素體型不銹鋼（4系列：鐵-鉻-低碳）430 (10Cr17)0.121745020522退火409 (06Cr11Ti)0.0811(6xC) %Ti馬氏體型不銹鋼（4系列：鐵-鉻-高碳）410 (12Cr13)0.15130.6% Mo54034522淬火+回火440A (68Cr17)0.6817奧

10、氏體-鐵素體雙相不銹鋼2205(022Cr23Ni5Mo3N)0.032353.0% Mo65545025固溶處理沉淀硬化型不銹鋼（6系列或-PH:鐵-鉻-低碳-沉淀元素）630 (17-4PH)(05Cr17Ni4Cu4Nb)0.071740.4% Nb1310118010固溶+480C 時效表表3-6 常用不銹鋼的主要成分與性能常用不銹鋼的主要成分與性能圖圖3-3 不銹鋼的典型應用不銹鋼的典型應用（a）灰鑄鐵 （b）白口鑄鐵 （c）可鍛鑄鐵 （d）球墨鑄鐵 （e）蠕墨鑄鐵圖3-4 五類鑄鐵組織示意圖鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編 號 方 法牌號實例灰鑄鐵片狀FHT + 一組數(shù)字表示最低抗拉強度

11、值，MPa灰鑄鐵HT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團絮狀FKTH+ 兩 組數(shù)字KTH、 KTB、 KTZ 分別為黑心、 白心、珠光體可鍛鑄鐵；第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低延伸率值，%KTH300-06表 F、心 PKTB+ 兩 組數(shù)字KTB350-04PKTZ + 兩組數(shù)字KTZ450-06球墨鑄鐵球狀FQT + 兩組數(shù)字第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低延伸率值，%球墨鑄鐵QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT + 一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa蠕墨鑄鐵RuT260F+PRuT300PRuT

12、420表表3-7 鑄鐵的石墨形態(tài)、基體組織和牌號表示方法鑄鐵的石墨形態(tài)、基體組織和牌號表示方法名稱元素符號原子序數(shù)密度g/cm3晶體結構熔點/C彈性模量/GPa熱導率W/(mK)電阻率/nm(20 C)鋁Al132.70面心立方6606923728.2銅Cu298.94面心立方108411040116.78鈦Ti224.51密排六方體心立方166811721.9420鋅Zn307.14密排六方41910811659鎂Mg121.74密排六方6504815643.9鎳Ni288.90面心立方145320990.969.3鐵Fe267.87體心立方面心立方153820980.496.1表表3-8

13、常用有色金屬與鐵的性能比較常用有色金屬與鐵的性能比較鋁及鋁合金主加合金元素及牌號強化方法主要特點應用變形鋁合金純鋁1系列可加工硬化高的成形性、耐蝕性和電導率；強度低電氣工程和兼顧成形性與耐蝕性的領域Al-Mn 系3系列可加工硬化中等強度；良好的成形性和焊接性兼顧成形性和焊接性的場合Al-Mg 系5系列可加工硬化中等強度；優(yōu)異的耐蝕性，良好的成形性和焊接性建筑結構、汽車、 海洋和低溫工程領域Al-Cu 系2系列可熱處理高的強度； 低的焊接性、低的耐大氣腐蝕性航空工業(yè)、緊固件Al-Si系4系列含 Mg 可熱處理中等強度，優(yōu)異的焊接性鍛件和熔焊焊條Al-Mg-Si系6系列可熱處理中等強度；優(yōu)異的耐蝕

14、性和優(yōu)異的擠壓性能建筑結構、汽車Al-Zn-Mg-Cu 系7系列可熱處理非常高的強度；常用機械方式連接航空工業(yè)其他元素（Fe、Ni）8系列可熱處理高的電導率、強度和硬度電氣工程和航空工業(yè)鑄造鋁合金Al-Si系ZL1不可熱處理優(yōu)異的鑄造性能；中等強度適于復雜鑄件Al-Cu 系ZL2可熱處理高的強度；有熱裂和疏松傾向良好耐磨性和較高溫度下具有一定強度Al-Mg 系ZL3不可熱處理優(yōu)異的耐蝕性和切削性能門窗構件Al-Zn 系ZL4可熱處理優(yōu)異的切削性能要求表面光潔和一定硬度的領域 表表3-9 鋁及鋁合金分類、特點及應用鋁及鋁合金分類、特點及應用表3-10 銅及銅合金的類型、牌號、特性及應用圖3-5

15、銅合金及其應用鈦合金合金元素性能特點典型牌號及應用型鋁、硼等穩(wěn)定元素室溫強度較低，但高溫強度很高?？寡趸?、抗蠕變性以及焊接性能良好。不能淬火強化，只能固溶強化TA7(Ti-5Al-2.5Sn)500以下長期工作的結構件和各種模鍛件，短時使用可達900， 亦可作超低溫部件 （-253）型足夠多的鉬、鉻、釩等穩(wěn)定元素強度高，沖壓性能好，可通過淬火和時效熱處理獲得強化。TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)350以下工作的零件如板材沖壓件和焊接件，如壓氣機葉片、輪盤、軸類等重載荷旋轉(zhuǎn)件以及飛機的構件等+型穩(wěn)定元素和穩(wěn)定元素塑性好，容易鍛造、壓延和沖壓，可通過熱加工和熱處理較大范圍內(nèi)調(diào)整顯微組

16、織和結構。TC4(Ti-6Al-4V)400以下長期工作的零件， 各種容器、泵等低溫部件，船舶耐壓殼體，坦克上的履帶等表3-11 鈦合金的分類、性能特點、典型牌號及應用表3-12 鎂合金的牌號（美國）、主要特性和應用領域牌號AZASAMAEQEWE合金元素Al, ZnAl, SiAl, MnAl, ReAg, ReY, Re主要特性及應用領域低密度和高阻尼：可用于減重、減震和隔音領域。良好的機加工性能：可用于制造夾具。在堿性環(huán)境中良好的耐蝕性：可制造水泥工具鎳及鎳基合金工業(yè)純鎳其他合金沉淀強化固溶強化純 Ni變形 Ni陽極 NiNi-Cu (Monel)Ni-Fe (Nilo、Incoloy)

17、Ni-Cr-Fe (Inconel)Ni- Fe- Cr (Incoloy)Ni-Cr-Mo-WNi-Fe-Cr-MoNi-Cr-Co-MoNi- Cr -Mo（Hastelloy、Rene、Rene、Astroloy、Waspaloy、Mar-M、Udimet）Ni-Al-TiNi-Cu-Al-TiNi-Cr-Al-TiNi-Cr-NbNi-Fe-Cr-Nb-Al-TiNi-Al金屬間化合物氧化物彌散強化（ODS）鎳基合金圖3-6 鎳及鎳基合金的分類名稱剛玉莫來石瓷剛玉瓷剛玉瓷牌號75 瓷95 瓷99 瓷主晶相-Al2O3和 3 Al2O32SiO2-Al2O3-Al2O3抗彎強度（MPa）

18、250300280350370450熱膨脹系數(shù)（106）55.55.57.56.7密度（g/cm3）3.23.43.53.9介電強度(KV/mm)253015182530體積電阻系數(shù)（m）101010121010101210121013燒結溫度（）136020165020170010成形方法擠制、壓制注漿、熱壓注漿、熱壓表3-13 氧化鋁陶瓷的基本性能 圖3-7 氧化鋁陶瓷管、棒圖3-8 氧化鋁耐磨陶瓷球、 陶瓷片和陶瓷板名稱熱壓 Si3N4反 應 燒 結Si3N4賽倫陶瓷（一例）結晶形態(tài)六方晶系六方晶系(Si、Al)(O、N)4四面體與硅氧四面體空間連接理論密度（g/cm3）3.343.053.12體積密度（g/cm3）3.242.42.62.90顯氣孔率（）213185抗彎強度（MPa）490590166206（四點抗彎：350）硬度（努氏硬度 2.9kg裂表面能（J/m2, 20）132.833.540.6泊松比（20）0.2900.2880.288熱 膨 脹系 數(shù) （ 106/, 20 1000）3.282.993熱擴散系數(shù)（cm2/s,300）0.07