第2章_常用的工程材料(碳鋼、有色金屬)

1、 第二章 常用工程材料工程材料前言前言工程材料是構(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，認識這些材料。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，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。原子間以金屬鍵的形式結(jié)合。材料結(jié)構(gòu)及其特性材料結(jié)構(gòu)及其特性 (a)(b)(c)2.常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2、鋼的分類鋼的分類按化學(xué)成分分類非合金鋼（碳素鋼）非合金鋼（碳素鋼）低合金鋼低合金鋼合金鋼合金鋼按碳含按碳含量量Wc低碳鋼：低碳鋼：0.60%按質(zhì)量按質(zhì)量普通質(zhì)量碳鋼：普通質(zhì)量碳鋼：優(yōu)質(zhì)碳鋼：優(yōu)質(zhì)碳鋼：特殊質(zhì)量碳鋼：特殊質(zhì)量碳鋼：按用途按用途非合金鋼分類碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素工具鋼：碳素工具鋼：碳素鑄鋼：碳素鑄鋼：碳鋼碳鋼) 碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元素為碳，含量在0.11.3%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。鋼中的元素雜質(zhì)元素： 鋼中除鋼中除Fe、C兩種主要組成元素外。兩種主要組成元素外。合金元素： 因冶煉等原因，鋼中不因冶煉等原因，鋼中不

3、 可避免地存在的一些元素?？杀苊獾卮嬖诘囊恍┰?。 為改善鋼的性能，冶煉為改善鋼的性能，冶煉 時有目的地加入鋼中的元素。時有目的地加入鋼中的元素。鋼中的常存雜質(zhì)元素來 源有益作用有害影響煉鋼時加入的脫氧劑。煉鋼時加入的脫氧劑。能消除能消除FeO夾雜對鋼的不夾雜對鋼的不良影響，少量能溶入良影響，少量能溶入F中中起固溶強化作用，提高鋼起固溶強化作用，提高鋼的強度、硬度及彈性。的強度、硬度及彈性。過多會造成塑性下降，沖過多會造成塑性下降，沖擊性能變差。擊性能變差。有益元素來 源有益作用有害影響煉鋼時加入的脫氧劑。煉鋼時加入的脫氧劑。能與能與S化合形成化合形成MnS，減，減輕輕S的有害影響；少量能溶的

4、有害影響；少量能溶入入F 中起固溶強化作用。中起固溶強化作用。過多會造成塑性下降。過多會造成塑性下降。有益元素來 源有益作用有害影響煉鋼原料和燃料。煉鋼原料和燃料。在鋼中形成在鋼中形成FeS , FeS與與Fe形成低熔點（形成低熔點（985）共晶共晶體體 分布在晶界上，使得對分布在晶界上，使得對鋼進行熱加工時容易脆化鋼進行熱加工時容易脆化開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。有害元素來 源有益作用有害影響煉鋼原料和燃料。煉鋼原料和燃料。引起鋼的塑性和韌性急劇引起鋼的塑性和韌性急劇下降，尤其在低溫時脆性下降，尤其在低溫時脆性更大，這種現(xiàn)象稱為冷脆。更大，這種現(xiàn)象稱為冷脆。有害元素少量能

5、溶入少量能溶入F中，使強度、中，使強度、硬度顯著提高。硬度顯著提高。按質(zhì)量按質(zhì)量普通質(zhì)量低合金鋼普通質(zhì)量低合金鋼優(yōu)質(zhì)低合金鋼優(yōu)質(zhì)低合金鋼特殊質(zhì)量低合金鋼特殊質(zhì)量低合金鋼按主按主要性要性能及能及特性特性可焊接的低合金高強可焊接的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼度結(jié)構(gòu)鋼低合金耐熱鋼低合金耐熱鋼低合金鋼筋鋼低合金鋼筋鋼低合金鋼分類鐵道用低合金鋼，等鐵道用低合金鋼，等按質(zhì)量按質(zhì)量優(yōu)質(zhì)合金鋼優(yōu)質(zhì)合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼按主按主要性要性能及能及特性特性工程結(jié)構(gòu)用合金鋼工程結(jié)構(gòu)用合金鋼機械結(jié)構(gòu)用合金鋼機械結(jié)構(gòu)用合金鋼不銹、耐蝕和耐熱鋼不銹、耐蝕和耐熱鋼合金鋼分類工具鋼工具鋼軸承鋼軸承鋼特殊性能鋼特殊性能鋼三、碳

6、素結(jié)構(gòu)鋼：三、碳素結(jié)構(gòu)鋼：QAF屈服點屈服點屈服點屈服點 s的值的值質(zhì)量等級：質(zhì)量等級：A、B、C、D、E脫氧脫氧方法方法沸騰鋼沸騰鋼F半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼b鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼Z特殊鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ例：例：Q235AF 表示屈服點為表示屈服點為235MPa、質(zhì)量為質(zhì)量為A級的碳素結(jié)構(gòu)鋼，是沸級的碳素結(jié)構(gòu)鋼，是沸騰鋼。騰鋼。Q285B 表示屈服點為表示屈服點為285MPa、質(zhì)量為質(zhì)量為B級的碳素結(jié)構(gòu)鋼，是鎮(zhèn)級的碳素結(jié)構(gòu)鋼，是鎮(zhèn)靜鋼，省略靜鋼，省略Z。成成 分分熱熱 處處 理理性性 能能典型牌號典型牌號含碳量較低，含碳量較低，WcWc0.30%0.30%正火，使用時不進行熱處理正火，使用時不進行熱處理。

7、較高的強度，良好的塑性與較高的強度，良好的塑性與韌性；并具有良好的焊接性韌性；并具有良好的焊接性。 Q235Q235如表如表2-42-4（P40P40）Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255、275275一般橋梁、建筑結(jié)一般橋梁、建筑結(jié)構(gòu)，普通機械零件，構(gòu)，普通機械零件，如螺釘、螺母等。如螺釘、螺母等?？捎糜谑芰^可用于受力較大的機械零件，大的機械零件，如鏈輪、拉桿如鏈輪、拉桿等。等。應(yīng)應(yīng) 用用四、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：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用兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬分數(shù)。質(zhì)量分數(shù)的萬分數(shù)。例：例： 45 表示平均碳質(zhì)量分數(shù)為表示

8、平均碳質(zhì)量分數(shù)為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。08F 表示表示W(wǎng)c為為0.08%的優(yōu)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬沸騰鋼。質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬沸騰鋼。65Mn 表示表示W(wǎng)c為為0.65%、含、含錳量較高（錳量較高（WMn=0.91.2%)的優(yōu)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼。成成 分分熱熱 處處 理理性性 能能典型牌號典型牌號WcWc=0.05-0.85%=0.05-0.85%，多數(shù)為，多數(shù)為低中碳成分，少數(shù)高碳。低中碳成分，少數(shù)高碳。一般使用時必須進行熱處理一般使用時必須進行熱處理。較高強度，較好塑性與韌性。較高強度，較好塑性與韌性。性能變化范圍較大。性能變化范圍較大。 4545如表如表2-

9、52-5（P40P40）08F08F、 2020、 4545、 6565冷沖壓件，冷沖壓件，如汽車和如汽車和儀表外殼、儀表外殼、容器、罩容器、罩子等。子等。冷沖壓件、冷沖壓件、焊接件和焊接件和標準件、標準件、滲碳件等滲碳件等零件。零件。調(diào)質(zhì)件：機調(diào)質(zhì)件：機床齒輪、機床齒輪、機床主軸、曲床主軸、曲軸、連桿等軸、連桿等重要零件。重要零件。彈性件和彈性件和耐磨件：耐磨件：小尺寸彈小尺寸彈簧、低速簧、低速車輪等車輪等應(yīng)應(yīng) 用用五、碳素工具鋼：五、碳素工具鋼： T（“碳碳”）+兩位數(shù)字兩位數(shù)字（表示（表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的千分數(shù)）。鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的千分數(shù)）。例：例： T8 表示平均碳質(zhì)量分數(shù)為

10、表示平均碳質(zhì)量分數(shù)為0.8%的碳素工具鋼。的碳素工具鋼。T12A 表示平均碳質(zhì)量分數(shù)表示平均碳質(zhì)量分數(shù)為為1.20%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。成成 分分熱熱 處處 理理性性 能能典型牌號典型牌號WcWc=0.70-1.30%=0.70-1.30%，高碳鋼，高碳鋼必須經(jīng)淬火回火處理。必須經(jīng)淬火回火處理。高的硬度、強度，良好的耐高的硬度、強度，良好的耐磨性，一定的塑性與韌性。磨性，一定的塑性與韌性。 T8T8、T10T10、T12AT12A各類各類手工工具和低速工具。手工工具和低速工具。如表如表2-62-6（P41P41）T7T7、T8T8、 T10T10、 T12T12、T13

11、AT13A承受振動、承受振動、沖擊的工沖擊的工具，如沖具，如沖頭、大錘、頭、大錘、木工工具。木工工具。用于需要較高用于需要較高耐磨性和一定耐磨性和一定韌性的工具，韌性的工具，如手工鋸條、如手工鋸條、剪金屬用剪刀。剪金屬用剪刀。不受振動和沖不受振動和沖擊的耐磨工具，擊的耐磨工具，如絲錐、銼刀、如絲錐、銼刀、喬刀、板牙、喬刀、板牙、量具等。量具等。應(yīng)應(yīng) 用用六、鑄造碳鋼：六、鑄造碳鋼： ZG+兩組數(shù)字兩組數(shù)字（分別表示最?。ǚ謩e表示最小屈服點和最小抗拉強度）。屈服點和最小抗拉強度）。例：例： ZG310-570 表示最小屈服表示最小屈服點為點為310MPa、最小抗拉強度為、最小抗拉強度為570MP

12、a的鑄造碳鋼。的鑄造碳鋼。成成 分分熱熱 處處 理理性性 能能典型牌號典型牌號WcWc=0.20-0.60%=0.20-0.60%，低中碳，低中碳鑄造成形，經(jīng)熱處理后使用。鑄造成形，經(jīng)熱處理后使用。較高的硬度、強度和塑性、較高的硬度、強度和塑性、韌性，即綜合力學(xué)性能較好。韌性，即綜合力學(xué)性能較好。 ZG200-400ZG200-400如表如表2-72-7（P42P42）ZG200-400ZG200-400、ZG270-500ZG270-500、ZG310-570ZG310-570用于受力不大，用于受力不大，要求良好塑性要求良好塑性和焊接性的零和焊接性的零件，如機座、件，如機座、變速箱殼體。變速

13、箱殼體。用于受力較大用于受力較大的復(fù)雜零件，的復(fù)雜零件，如軋鋼機機架、如軋鋼機機架、軸承座、連桿、軸承座、連桿、曲軸、缸體。曲軸、缸體。強度和耐磨性強度和耐磨性較好，但韌性、較好，但韌性、焊接性降低。焊接性降低。用于重載齒輪、用于重載齒輪、制動輪。制動輪。應(yīng)應(yīng) 用用碳碳2.合金鋼合金鋼 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

14、具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼鋼鐵材料的編號方法（一）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：Q235 AF 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）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數(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

15、在其后加一個“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號方法（三）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）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，當含量小于1.5%時，一般不標出含量。 例如：牌號為30CrMnSiA

16、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 40Cr-重要調(diào)質(zhì)零件如齒輪、軸、曲軸、連重要調(diào)質(zhì)零件如齒輪、軸、曲軸、連 桿、螺栓等，表面淬火桿、螺栓等，表面淬火HR48-55 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）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

17、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）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?；瑒虞S承、耐水蝕零件、導(dǎo)熱零件。

18、有色金屬的編號方法（一）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）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。比較比較名稱 密度（g/cm2) 比強度（單位密度下材料的強度）Al 2.7 500-700/2.7 Ti 4.51 1200/4.51Mg 1.74 250-300/1.74鋼 7.85 700-120

19、0/7.85鑄鐵鑄鐵 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。 灰口鑄鐵應(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。高分子-分子量特別大的一類化合物，高分子的分子量高達幾萬-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

20、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)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、工

21、程塑料、功能塑料 通用塑料通用塑料-產(chǎn)量很高、價格低廉、應(yīng)用范圍很廣泛。產(chǎn)量很高、價格低廉、應(yīng)用范圍很廣泛。 聚乙烯（聚乙烯（PE）（）（ CH2-CH2) （結(jié)構(gòu)單元）結(jié)構(gòu)單元） 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC） CH2-CH （結(jié)構(gòu)單元）結(jié)構(gòu)單元） 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-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。 O H 聚酰胺 C N 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

22、性高分子量線形高分子鏈，經(jīng)硫化組成， H CH3 H H C C C C H S S H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。 此外還有硫化促進劑、填充劑、防老化劑、著色劑等。橡膠分類橡膠分類 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。 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。 Al2O3 TiO2 CaF2 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、