第03章工程材料

第三章緒論

3.1概述

3.2金屬材料的組織與性能

3.3金屬材料的熱處理工藝

3.4常用金屬材料及其性質

3.5常用的非金屬材料

3.6新材料的應用

一、材料與材料科學材料是人類生活與社會發(fā)展的主要物質基礎，其品種、數(shù)量和質量是人類文明和社會進步程度的標志。材料作為能制造有用物品的物質，與能源和信息共同構成了人類社會賴以生存與發(fā)展的基本資源，故材料、能源和信息并列為現(xiàn)代科學和現(xiàn)代文明的三大支柱，而在這三者之間，材料又是最重要的基礎。3.1概述材料與材料科學歷史學家把人類社會的發(fā)展按其使用的材料類型劃分為石器時代、青銅時代、鐵器時代，而今正處于人工合成材料的新時代。相關信息復旦大學研制出計算機新材料提速1000億倍目前計算機都是以硅集成電路作為“心臟”。預計到2010年左右，硅集成電路最小線寬即將到達它的極限。在硅基微電子之后是什么器件？分子計算機由“單一的分子”作為“電子開關”。即利用它在適當?shù)碾妶鲎饔孟聲淖兡撤N特性，作為計算機“０”和“１”兩種狀態(tài)。尋找和制備這種分子材料一直被認為屬于國際上的創(chuàng)新性競爭，具有強烈的挑戰(zhàn)性。二、材料的分類

結構材料：工程上要求具有一定力學性能的材料，制作工程結構件和零件

功能材料：具有聲、電、光、磁、熱等效應的材料。金屬材料（用量最大、用途最廣）黑色金屬非鐵金屬或有色金屬（品種很多）高分子材料（塑料、橡膠、合成纖維、粘結劑等）陶瓷材料復合材料普通陶瓷：傳統(tǒng)陶瓷，硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料特種陶瓷：近代陶瓷，純氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結材料。三、材料科學與機械工程材料與產(chǎn)品質量

是產(chǎn)品質量的重要保證

材料與機械設計

正確選擇材料及其加工工藝材料與機械制造

改形和改性工藝

四、工程材料的主要性能（一）、彈性、剛度、強度與塑性

彈性：工程材料承受載荷時產(chǎn)生變形，卸載后又恢復原狀的能力。

σe=Pe/F0MPa(兆帕)

Pe

為彈性極限載荷；F0

為試樣的初始截面積。

剛度：工程材料受力時抵抗彈性變形的能力。

E=σ/ε E為彈性模量；σ為應力；ε為應變。

強度：工程材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。

σs=Ps/F0(Mpa) σs

為屈服強度；Ps為試樣產(chǎn)生屈服時的載荷。

塑性：工程材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。 延伸率δ=（LR-L0）/L0*100%LR為試樣拉斷后的標距長度；L0為試樣的初始標距長度。 斷面收縮率ψ=(F0-FR)/F0*100%F0為試樣的初始截面積；FR為試樣拉斷后的斷口截面積。DLd0L0PP圖3.1拉伸式樣

σ（p）ε（Δl）0bkσbσkσsσese圖3.2普通低碳鋼拉伸曲線圖σe——彈性階段，彈性極限或比例極限；σs——屈服階段，屈服極限；σb——強化階段，強度極限；σk——局部變形階段，斷裂極限（被拉斷）（二）、硬度

硬度：是指工程材料抵抗更硬的物體壓入其表面內的能力，表示材料抵抗局部塑性變形或破壞的性能，是一個綜合反映材料彈性、塑性、強度和韌性的機械性能指標。1、布氏硬度

HB=壓入載荷（N）/壓痕的表面積（mm2）

=0.102*2P/πD2[1-（1-d2/D2）1/2（N/mm2）2、洛氏硬度

HRC(HRA)=100-(h3-h1)/0.002 HRB=130-(h3-h1)/0.002hDdp圖3.3布氏硬度實驗原理圖3.4洛氏硬度實驗原理01320132（三）、沖擊韌性沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷而不斷裂的能力。(見圖3.5)

ak=Ak/FJ/cm2

Ak

為沖斷試樣所消耗的沖擊功；F為試樣缺口處的截面積。（四）、疲勞強度疲勞強度：材料在經(jīng)受無數(shù)次交變應力作用下而不發(fā)生疲勞 斷裂的最大應力。（見圖3.6)（五）、斷裂韌性斷裂韌性：材料抵抗裂紋擴展的能力。AσσmaNANσ-一N

疲勞曲線圖圖3.6圖3.5沖擊實驗簡圖沖擊3.2金屬材料的組織與性能一、金屬的晶體結構1、晶體概念晶體：固體原子按一定次序有規(guī)律排列。非晶體：固體原子不按一定次序有規(guī)律排列。晶格：把每個原子看成一個點，把這點用直線連接起來，形成的空間格子。晶面：各種不同方位的原子平面。晶向：各種不同方向的原子排列。晶胞：組成晶格的最基本單元。2、常見金屬晶格類型體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。二、金屬的結晶1。金屬的結晶溫度理論結晶溫度：平衡結晶溫度T0實際結晶溫度：低于理論結晶溫Tn

度的溫度過冷：只有冷卻到低于T0時才能有效地進行結晶的現(xiàn)象。2。金屬結晶過程結晶是兩個基本過程：生核和長大3。細化晶粒的措施★增加金屬的冷卻速度★進行變質處理★壓力處理、熱處理，結晶附 加振動。理論結晶溫度實際結晶溫度T0Tn時間（s）溫度（℃）圖3.7純金屬的冷卻曲線三、金屬的同素異構轉變金屬的同素異構轉變：金屬在固態(tài)下，其晶格類型隨著溫度的轉變而改變的過程。(圖3.7為純鐵的同素異構轉變冷卻曲線)固態(tài)相變特點：新相晶核在晶界或碎晶處生成。過冷度大，轉變未開始，低溫淬火。相變形成大的內應力。四、合金的晶體結構1。合金的概念合金：兩種或兩種以上金屬或非金屬熔合而成具有金屬特性的物質。組元：組成合金的最基本單元。相：凡化學成分和晶格結構相同，并與其它部分有界面分開的組成部分。2。固態(tài)合金的基本相結構固溶體：固態(tài)下組元之間互相溶解形成的均勻固相。

(如圖3.8)（1）置換固溶體：當金屬晶格中溶劑原子的某些結點位置被溶質原子所占據(jù)時形成的固溶體。（2）間隙固溶體：當溶質原子在溶劑晶格中不是占據(jù)結點位置，而是嵌入各結點之間的間隙時，所形成的固溶體。金屬化合物：合金中個組元的原子按照一定的整數(shù)比化合生成的、具有金屬性質的物質。機械混合物：組成合金的各組元在固態(tài)下既不溶解又不化合，而是以機械的形式按一定比例混合而生成的物質度（℃）時間（s）δ-Feγ-Feα-Fe液相體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格圖3.8純鐵的同素異構轉變冷卻曲線

溶劑原子溶質原子a）置換式固溶體溶劑原子溶質原子b）間隙式固溶體圖3.9固溶體的兩種類型間隙固溶體中的晶格畸變置換固溶體的晶格畸變圖3.10圖3.11五、鐵碳合金鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應用最廣泛的金屬材料。普通碳鋼和鑄鐵均屬于鐵碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵實際上是有意加入合金元素的鐵碳合金。因此，鐵和碳是鋼鐵材料的兩個最基本的組元。為了熟悉鋼鐵材料的組織與性能，以便在生產(chǎn)中合理使用，首先從研究鐵碳合金開始，研究鐵與碳的相互作用，以便認識鐵碳合金的本質并了解鐵碳合金成分、組織結構與性能之間的關系。一）純鐵、鐵碳合金的組織結構及其性能

1、純鐵及其同素異構轉變大多數(shù)金屬在結晶終了之后以及繼續(xù)冷卻過程中，其晶體結構不再發(fā)生變化，但也有一些金屬，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，在結晶之后繼續(xù)冷卻時，還會出現(xiàn)晶體結構變化，從一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格。金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的變化稱為同素異構(晶)轉變。由同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體稱為同素異構(晶)體。

純鐵的冷卻曲線上有三種同素異構體，如圖4-1所示。純鐵的熔點或凝固點為1538℃，因此液態(tài)純鐵在1538℃時開始結晶出具有體心立方晶格的δ-Fe；繼續(xù)緩冷到1394℃時δ-Fe開始轉變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe；再冷卻到912℃時又由γ-Fe轉變?yōu)榫哂畜w心立方晶格的α-Fe；如果再繼續(xù)冷卻直到室溫時，α-Fe的晶格類型不再發(fā)生變化，整個轉變過程可以表示如下：

因為純鐵具有同素異構轉變現(xiàn)象，所以在生產(chǎn)上有可能對鋼和鑄鐵進行相變熱處理，達到改變鋼鐵的內部組織和提高性能的目的。返回金屬(純鐵等)的同素異構轉變是一個重結晶過程，與液態(tài)金屬的結晶過程相似，遵循結晶的一般規(guī)律：有一定的轉變溫度，轉變時需要過冷，有潛熱產(chǎn)生，而且轉變過程也是由晶核的形成和晶核長大來完成的。但是，這種轉變是在固態(tài)下發(fā)生的，原子的擴散較液態(tài)困難得多，因而比液態(tài)結晶需要有更大的過冷度；而且由于轉變時晶格的致密度改變引起晶體的體積變化，因此同素異構轉變往往要產(chǎn)生較大內應力。一般說來，純鐵也并不很純，總是含一些雜質。工業(yè)純鐵常含有W雜=0.1％～0.2％的雜質，含碳量很低，工業(yè)純鐵雖然塑性較好，但強度和硬度都很低，所以很少用它制造機械零件，常用的是鐵碳合金。2、鐵碳合金的相結構及其性能碳在鐵中的存在形式：固態(tài)下碳在鐵碳合金中以三種形態(tài)存在。第一，碳和鐵原子毫無作用，以自由態(tài)石墨存在；第二，碳溶解于鐵的晶體中形成固溶體；第三，碳與鐵作用形成化合物，這里我們主要研究后兩種情況。鐵碳合金中的相結構有以下幾種：1）.鐵素體

碳溶解于a-Fe中所形成的間隙固溶體稱為“鐵素體”，以符號F表示。由于a-Fe是體心立方晶格，其晶格間隙的直徑很小，因而碳在a-Fe中的溶解度很小，最大的溶解度為0.02％（727℃）。隨著溫度下降溶碳量逐漸減小，在室溫時溶碳量僅為0.0008％。這是因為在a-Fe中容納碳原子的空隙半徑很小，通常情況下，a-Fe中晶格的最大空隙半徑為0.36A，而碳原子半徑為0.77A。因此碳原子不可能處于晶格的空隙中，而是存在于a-Fe晶格的缺陷處（如位錯、晶界、空位等）。所以鐵素體含碳量很低，它的顯微組織是由網(wǎng)絡狀的多面體晶粒組成，它的性能幾乎與純鐵相同，即強度和硬度很低，但具有良好的塑性和韌性。鐵素體在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。2）.奧氏體碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體稱為奧氏體，以符號A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格它的致密度雖然高于體心立方晶格的a-Fe，但由于其晶格間隙的直徑要比a-Fe大，故溶碳能力也較大。在1148℃時溶碳量最大可達2.11％，碳通常填充在γ-Fe中的八面體間隙中。隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃時的溶碳量為Wc=0.77％。奧氏體只存在于727℃以上的高溫范圍內。因此加熱到高溫時可以得到單一的A組織。由于A是易產(chǎn)生滑移的面心立方晶格，奧氏體的硬度較低而塑性較高，易于鍛壓成型。奧氏體為非鐵磁性相。3）.滲碳體滲碳體的分子式為Fe3C，它是一種具有復雜晶格的間隙化合物。滲碳體含碳6.69％；熔點為1227℃；不發(fā)生同素異晶轉變；但有磁性轉變，它在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230℃以上則失去鐵磁性；硬度很高，能輕易地刻劃玻璃，而塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。在室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金（鋼）中的碳大多以滲碳體形式存在于組織中。滲碳體中碳原子可被氮等小尺寸原子置換，而鐵原子則可被其他金屬原子(如Cr、Mn等)置換。這種以滲碳體為溶劑的固溶體稱為合金滲碳體，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等。滲碳體在鋼和鑄鐵中與其他相共存時呈片狀、球狀、網(wǎng)狀或板狀。它的形態(tài)與分布對鋼的性能有很大影響。當滲碳體的形狀和分布合適時，可提高鋼的強度和耐磨性。因此它是鐵碳合金中重要的強化相。同時，F(xiàn)e3C在一定條件下會發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳。Fe3C→3Fe+C（石墨）

以上是碳在鐵中的存在形式，也是鐵碳合金中的基本組織，除此三種之外，鐵碳合金中還有另外兩種組織，即珠光體和萊氏體。珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用P表示，其平均含碳量為0.77％。萊氏體分為高溫萊氏體和低溫萊氏體。高溫萊氏體是由A和Fe3C組成的機械混合物，用Ld表示，存在于727℃以上；低溫萊氏體是由P和Fe3C組成的機械混合物，用L’d表示。二）、Fe－Fe3C相圖分析

鐵與碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，而穩(wěn)定的化合物可以作為一個獨立的組元，因此整個Fe－C相圖可視為由Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C、Fe2C－FeC等一系列二元相圖組成。但實際上只有含碳量Wc<5％的鐵碳合金才有實際意義；而Wc>5％的鐵碳合金性能很脆，無實用價值，因此鐵碳合金相圖中只需研究Fe－Fe3C部分，即含碳量小于6.69％的部分。

Fe-Fe3C相圖是研究鐵碳合金以及熱處理的基礎，如圖所示。

Fe-Fe3C相圖中的特性點1、Fe-Fe3C相圖的特性點與特性線1.Fe-Fe3C相圖中的特性點2.Fe-Fe3C相圖中的特性線

ABCD為液相線，AHJECF為固相線。

ES線——碳在奧氏體中的固溶線，通常稱為Acm線。從該線看出，碳在奧氏體中的最大溶解度是在1148℃，此時可溶解2.11％C，而在727℃時只能溶解0.77％C。故凡含碳量大于0.77％的鐵碳合金自1148℃冷至727℃時，均會從奧氏體中沿晶界析出滲碳體，稱為二次滲碳體（Fe3CII），以區(qū)別于從液體中直接結晶的一次滲碳體（Fe3CI）。PQ線——碳在鐵素體中的固溶線。鐵素體在727℃時溶碳量最大為0.02％，室溫時僅溶解0.008％C，所以一般鐵碳合金自727℃緩冷至室溫時，均可能從鐵素體中沿晶界析出滲碳體，稱為三次滲碳體（Fe3CIII）。但其數(shù)量較少，除在極低碳的鋼中外，在一般鋼中作用不大，因此往往忽略而不予考慮。這里所謂的一次、二次、三次滲碳體僅在其來源和分布方面有所不同，而并無本質區(qū)別，其含碳量、晶體結構和本身的性質均相同。

GS線——不同含碳量的奧氏體，在冷卻時析出鐵素體的溫度線；或在加熱時鐵素體完全轉變?yōu)閵W氏體的溫度線。通常稱為A3線。

GP線——含碳量在0.02％以下的鐵碳合金，在冷卻時奧氏體完全轉變?yōu)殍F素體，或在加熱時鐵素體開始轉變?yōu)閵W氏體的溫度線。下面分析三條三相平衡的水平線：HJB線——包晶線。在這條線上發(fā)生包晶反應：LB+δHAJ。包晶反應的結果形成了奧氏體。此反應僅可能在含碳量為0.09～0.53％的鐵碳合金中發(fā)生。ECF線——共晶線。在這條線上發(fā)生共晶反應：LCAE+Fe3C。共晶反應的結果形成了奧氏體與滲碳體的共晶混合物，稱為萊氏體，用Ld表示；冷至室溫時成為變態(tài)萊氏體，用L’d表示。共晶反應發(fā)生于所有含碳量大于2.11％而小于6.69％的鐵碳合金中。萊氏體具有很高的硬度（HB>700），脆性很大。PSK線——共析線（又稱A1線）。在這條線上發(fā)生共析反應：ASFP+Fe3C。共析反應的結果形成了鐵素體與滲碳體的共析混合物，即前述的珠光體。所有含碳量超過0.02％的鐵碳合金，即實際在工程上常用的鐵碳合金均能發(fā)生共析轉變。AHN和GPQ的左方分別為δ和α鐵素體區(qū)域；NJESG所包圍的為奧氏體區(qū)域。2、典型鐵碳合金結晶過程分析Fe－Fe3C相圖上的合金，按其含碳量和組織的不同，一般分為三類：（1）工業(yè)純鐵(C<0.02％)；（2）鋼(0.02％~2.11％C)：其特點是高溫組織為單相的A，具有良好的壓力加工性能。根據(jù)低溫組織的不同，以可分為以下三類：亞共析鋼（<0.77%C）、共析鋼（0.77％C）、過共析鋼（>0.77%C）。圖4-2

Fe－Fe3C相圖上六種典型合金位置（3）白口鑄鐵（2.11％～6.69％C)。其特點是液相結晶時都有共晶反應，因而鑄造性能較好。但共晶反應后獲得以滲碳體為基體的組織，性質很脆，不能進行壓力加工。根據(jù)低溫組織的不同，白口鐵可分作三類：亞共晶白口鑄鐵（<4.3%C）、共晶白口鑄鐵（4.3％C）和過共晶白口鑄鐵（>4.3%C）。熱處理是通過加熱和冷卻兩個過程來完成的，借助于鐵碳合金圖可以分析合金在緩慢加熱或冷卻時組織的變化。根據(jù)從特殊到一般的認識規(guī)律，我們在各種鋼和白口鑄鐵中各選一例，分析其結晶過程。應用1、選用材料：由鐵碳相圖可知，合金中隨著含碳量的不同，其組織各不相同，從而導致其力學性能不同。因此，我們就可以根據(jù)機器零件所要求的性能來選擇不同含碳量的材料。2、叛斷切削加性能：低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，加工性不好；中碳鋼中鐵素體含量比例適當，鋼的硬度適當，易于加工。3、制定熱加工工藝：在鑄造工藝方面，根據(jù)相圖可以確定合適的熔化溫度和澆注溫度，含碳量為4.3%的鑄鐵鑄造性最好；在鍛造工藝方面，可以選擇鋼材的軋制和鍛造的溫度范圍應在奧氏體區(qū)。4、應用于熱處理生產(chǎn)：由相圖可知合金在固態(tài)加熱和冷卻過程中均有組織的變化，可以進行熱處理。并且可以正確選擇加熱溫度。3.3、熱處理的概念及常用工藝

熱處理是將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻過程，改變其內部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。它的特點是：只改變金屬材料內部組織結構，獲得所需性能，盡量避免改變零件的形狀。同樣的材料經(jīng)過不同的熱處理方法，可以得到不同的內部組織，因此，熱處理工藝可以最大限度地發(fā)揮材料的潛力。鋼的常用熱處理方法有：退火、正火、淬火和回火。

常用熱處理方法的工藝曲線示意圖

退火正火淬火回火1.退火

退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時間，隨后在爐中或埋入導熱性較差的介質中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的目的：

a.

降低硬度，以利于切削加工；

b.

細化晶粒，改善組織，提高機械性能；

c.

消除內應力，為下一道熱處理作好準備；

d.

提高金屬材料的塑性、韌性，便于進行冷沖壓或冷拉拔加工。退火的缺點：占用設備；生產(chǎn)率低。2.正火

正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細組織的一種熱處理工藝。正火的作用與退火相似，與退火不同之處是：

a.正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細。

b.正火后的強度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。

c.不占用設備；生產(chǎn)率高。3.淬火

淬火是將金屬制件加熱到這種金屬的臨界溫度以上30～50℃，經(jīng)保溫一定時間，隨后在水或油中快速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。淬火的目的：提高金屬材料的強度和硬度，增加耐磨性，并在回火后獲得高強度和一定韌性相配合的性能。4.回火

回火是把淬火后的金屬制件重新加熱到某一溫度，保溫一段時間，然后置于空氣或油中冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬哪康模簽榱讼慊饡r因冷卻過快而產(chǎn)生的內應力，降低金屬材料的淬性，使它具有一定的韌性。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。

（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。低溫回火能消除一定的內應力，適當?shù)亟档弯摰拇嘈?，提高韌性，同時工件仍保持高硬度、高耐磨性，應用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350～500℃。中溫回火可大大減小鋼的內應力，提高了彈性、韌性，但硬度有所降低，應用于彈簧和熱鍛模等。（3）高溫回火：回火溫度為500～650℃。高溫回火可以消除內應力，硬度有顯著的下降，可獲得具有強度、塑性、韌性等綜合機械性能，應用于齒輪、連桿、曲軸等。5.調質處理淬火后再經(jīng)高溫回火的熱處理工藝，稱為調質處理。一般要求具有較高綜合機械性能的重要結構零件，都要經(jīng)過調質處理。

3.4（1）金屬材料—黑色金屬材料是最重要的工程材料，工業(yè)上將金屬及其合金分為兩大類型：黑色金屬—鐵和鐵為基的合金（鋼、鑄鐵和鐵合金）；占工業(yè)用材的95％。有色金屬—除黑色金屬以外的所有金屬及其合金；僅占工業(yè)用材的5％。

碳鋼和鑄鐵是現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的金屬材料，它主要由鐵和碳兩種元素組成的合金。因此，要掌握碳鋼和鑄鐵的性能及用途，首先要了解鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖（Fe～Fe3C）純鐵（含碳0～0.0218％

）鑄鐵（含碳2.11～6.69％）碳鋼（含碳0.0218～2.11％）純鐵熔點（1538℃）Fe3CA滲碳體熔點（1227℃）共晶點（1148℃）碳在γ－Fe中的最大溶解度（1148℃）共析線滲碳體（含碳6.69％）G純鐵的同素異晶轉變點（912℃）碳在α－Fe中的最大溶解度（727℃）共析點（727℃）一.鑄鐵

含碳量在2.11～6.69％的鐵碳合金稱為鑄鐵。

鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、切削加工性能以及減震性、耐磨性，鑄鐵生產(chǎn)工藝簡單、成本低，應用廣泛。特別是球墨鑄鐵和合金鑄鐵的應用，提高了鑄鐵的機械性能，形成了以鐵代鋼的趨勢。

在汽車上，約50％～70％的金屬材料為鑄鐵。如氣缸體、氣缸蓋、活塞環(huán)、變速箱外殼、后橋殼等等。（一）、鑄鐵的石墨化影響鑄鐵組織和性能的關鍵是碳在鑄鐵中存在的形式、形態(tài)、大小和分布。鑄鐵中碳的存在形式有兩種：

1、化合狀態(tài)的滲碳體（Fe3C）如果鑄鐵中碳幾乎全部以滲碳體形式存在，其斷口呈銀白色，則稱為白口鑄鐵。其性能硬而脆，（硬度達HB800，塑性和韌度幾乎等于零）很難進行切削加工，因此，工業(yè)上很少用它來制造機械零件，主要用作可鍛鑄鐵的毛坯。

2、游離狀態(tài)的石墨（常用G來表示）石墨很軟強度極低，如果鑄鐵中碳主要以石墨形式存在，則其斷口呈暗灰色，俗稱灰口鑄鐵。它是機械制造中應用最多的一種鑄鐵。分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵等。（二）、影響石墨化的因素：影響鑄鐵石墨化的因素主要是鑄鐵的化學成分和冷卻速度。

1、化學成分的影響主要是碳、硅、硫、磷、錳等元素含量多少的影響。

2、冷卻速度的影響主要是指鐵水從澆注冷卻到600℃左右的冷卻速度，冷卻速度越小，越有利于石墨化。（三）、鑄鐵的組織特征和分類根據(jù)碳的存在形式，鑄鐵分為下列幾種：

1、白口鑄鐵白口鑄鐵中碳全部或大部分以化合物滲碳體的形式存在，其斷口呈銀白色。性能硬而脆，很難切削加工，一般用來煉鋼，又叫煉鋼生鐵，也可經(jīng)熱處理后變?yōu)榭慑戣T鐵使用。鑄鐵要成為白口，除化學成分有要求外，還和冷卻速度有關。如EQ1091發(fā)動機中的氣門挺桿，為了得到表層的高硬度和耐磨性，常用激冷的方法使表層獲得白口鑄鐵的組織而心部由于冷卻速度較慢仍為灰口鑄鐵組織。

2、灰口鑄鐵灰口鑄鐵中的碳絕大部分以片狀石墨形式存在，其斷口呈暗灰色而稱之為灰口鑄鐵。它是工業(yè)中應用最廣泛的一種鑄鐵，有一定的機械性能和良好的切削加工性能。

3、可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是經(jīng)白口鑄鐵長時間的退火處理而成的。其碳以團絮狀石墨形式存在。其塑性和韌度比灰口鑄鐵好，主要用于要求韌度較好的薄壁類零件。

4、球墨鑄鐵碳以球狀石墨形態(tài)存在，故稱為球墨鑄鐵。它的強度、韌度比灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵高，可替代鋼材制造某些重要的機械零件。5、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是在灰鑄鐵的鐵水中加入蠕化劑（鎂鈦合金等）和孕育劑（硅鐵）進行蠕化－孕育處理后，得到具有蠕蟲狀石墨的鑄鐵。（四）、鑄鐵的成分、牌號及在汽車上的應用：1、灰鑄鐵：成分：含碳2.8％～3.6％、含硅1.1％～2.5％、含錳0.6％～1.2％、含硫小于或等于0.15％、含磷小于或等于0.5％。牌號：由HT和一組數(shù)字組成。其中HT為灰鑄鐵的代號，代號后面的數(shù)字表示其抗拉強度值σb（MPa）

。如HT150表示抗拉強度為150MPa的灰鑄鐵。應用舉例：牌號車型零件名稱HT150EQ1092進排氣歧管、變速器殼體等HT200EQ1092氣缸體、氣缸蓋、飛輪殼、正時齒輪、前后制動鼓等HT250CA1093氣缸體、飛輪、曲軸皮帶輪等2、球墨鑄鐵：成分：成分：含碳3.8％～4.0％、含硅2.0％～2.8％、含錳0.6％～0.8％、含硫小于或等于0.04％、含磷小于或等于0.1％含鎂0.03％～0.05％、含稀土小于或等于0.05％。牌號：由QT和兩組數(shù)字組成。其中QT為球墨鑄鐵的代號，代號后面的兩組數(shù)字分別表示其抗拉強度σb（MPa）和伸長率δ（％）

。如QT450－10表示抗拉強度為450MPa、伸長率為10％的球墨鑄鐵。應用舉例：牌號車型零件名稱QT450－10EQ1092前后輪轂、轉向器殼、制動蹄等CA1093輔助鋼板彈簧支架、拖拽鉤襯套等QT600－13EQ1092曲軸、搖臂、鋼板彈簧側墊板及滑塊等3、可鍛鑄鐵：

成分：含碳2.2％～2.8％、含硅1.2％～2.0％、含錳0.6％～1.2％、含硫小于或等于0.2％、含磷小于或等于0.1％。

牌號：由KTH（或KTZ、KTB）和兩組數(shù)字組成。其中KT為可鍛鑄鐵的代號，H表示黑心可鍛鑄鐵，Z表示珠光體可鍛鑄鐵，B表示白心可鍛鑄鐵，代號后面的兩組數(shù)字分別表示其抗拉強度σb（MPa）和伸長率δ（％）。如KTH370－12表示抗拉強度為370MPa、伸長率為12％的黑心可鍛鑄鐵。應用舉例：牌號車型零件名稱KTH350－10EQ1092后橋殼、差速器殼、減震器殼、后輪轂等CA1093后橋殼、差速器殼、減震器殼、輪轂、制動蹄片等4、蠕墨鑄鐵：

成分：含碳3.7％～3.9％、含硅2.0％～2.8％、含錳0.3％～0.6％、含硫小于或等于0.025％、含磷小于或等于0.06％、含鈦0.08％～0.20％、含鎂0.015％～0.03％、含稀土小于或等于0.01％

牌號：由RuT和一組數(shù)字組成。其中RuT為蠕墨鑄鐵的代號，代號后面的數(shù)字表示其抗拉強度σb（MPa）。如RuT300表示抗拉強度為300MPa的蠕墨鑄鐵。應用舉例：牌號零件名稱RuT260活塞環(huán)、氣缸套、制動盤、制動鼓等RuT340排氣管、變速器殼、氣缸蓋等5、合金鑄鐵：在灰口鑄鐵和球墨鑄鐵中加入一定量的合金元素后的鑄鐵稱為合金鑄鐵。加入合金后可使鑄鐵具有耐熱、耐酸或耐磨的特殊性能。⑴耐熱鑄鐵：為了提高鑄鐵的耐熱性，可在球墨鑄鐵中加入鋁、硅、鉻等元素，使鑄鐵表層形成一層致密的氧化保護膜（如Al2O3、SiO2、CrO3），這類鑄鐵叫耐熱鑄鐵，用于制造進、排氣門及排氣管密封環(huán)等。⑵耐磨鑄鐵：把灰口鑄鐵的含磷量提高到0.4％～0.6％，再加入Cr、W、Cu、Ti等合金元素構成合金高磷鑄鐵。它的強度、韌度和耐磨性都較高。這類鑄鐵叫那么鑄鐵?，F(xiàn)代汽車的氣缸套和活塞環(huán)一般用耐磨合金鑄鐵制造。⑶耐蝕鑄鐵：在灰口鑄鐵中加入Si、Al、Cr、Ni等元素可得到耐蝕鑄鐵。加入合金元素的目的是提高鑄鐵基體的電位，并使表面形成一層致密的保護性氧化膜。耐蝕鑄鐵分高硅耐蝕鑄鐵、高鋁耐蝕鑄鐵及高鉻耐蝕鑄鐵等。其中廣泛應用的是高硅耐蝕鑄鐵，它的含硅量為14％～18％。這種鑄鐵在酸性介質中的耐蝕性很好。為了提高其在堿性介質中的耐蝕性，可加入6.5％～8.5％的Cu；為了提高它的機械性能，可加入微量的硼元素和進行球化處理。⑷高強度鑄鐵：在稀土鎂球墨鑄鐵中加入Cu、Mo等合金元素，能提高鑄鐵的強度和硬度，可得到高強度合金鑄鐵?？捎糜诓裼蜋C曲軸、連桿及主軸承蓋等。經(jīng)等溫淬火后可替代18CrMnTi制造變速器齒輪。應用舉例：車型零件名稱EQ1092活塞環(huán)（鎢鉻鉬鑄鐵）、氣缸套（高磷鑄鐵）等CA1093活塞環(huán)（鈮鉻鑄鐵）、氣缸套（鈮磷鑄鐵）、氣缸蓋（銅鉬鑄鐵）等二.碳素鋼碳素鋼又稱碳鋼，通常指含碳量小于2.11％的鐵碳合金。實際使用的碳鋼，其含碳量一般不超過1.4％。（一）、碳鋼中常存元素對鋼性能的影響：

在實際生產(chǎn)中使用的碳鋼不單純是鐵碳合金，還包含有一些雜質元素，（硅、錳、硫、磷等），它們對碳鋼的性能有一定的影響。1、硅（Si）：在碳鋼中，硅的含量一般小于0.4％。硅能溶于鐵素體，具有強化作用（可使鋼致密，提高強度和硬度）。同時也會降低鋼的韌度和塑性。當含量較小時，其影響并不明顯。2、錳（Mn）：在碳鋼中，錳的含量一般為0.25％～0.8％。錳大部分溶于鐵素體形成置換固溶體。因此具有固溶強化作用；錳與硫結合可形成高熔點（1620℃）的MnS，從而消除硫的有害作用（熱脆性）。錳還能提高鋼的強度。但當錳的含量較小時，其作用并不明顯。3、硫（S）：硫在鋼中常以FeS的形式存在，而FeS與Fe形成熔點較低（985℃）的共晶體，當鋼加熱到1000℃～1200℃進行熱加工時FeS共晶體已經(jīng)熔化，這將造成鋼材在熱加工過程中開裂，使鋼材變得極脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性。硫對鋼的焊接有不良影響，會導致焊縫的熱裂現(xiàn)象；在焊接過程中，硫易于氧化而形成SO2氣體，使焊縫中產(chǎn)生氣孔。因此，須嚴格控制硫的含量。4、磷（P）:室溫下，鋼中的磷全部溶于鐵素體中，能使鋼的強度、硬度增加，但也使其室溫特別是低溫時塑性和韌度大大下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆性（易產(chǎn)生脆裂）。因此，應嚴格控制磷的含量。但磷的冷脆性也可利用，如在炮彈鋼中加入較多的磷，可使炮彈爆炸時的碎片增多，提高殺傷力。（二）、碳鋼的分類：1、按含碳量分：⑴低碳鋼（含碳量小于或等于0.25％）；⑵中碳鋼（含碳量為0.25％～0.60％）；⑶高碳鋼（含碳量大于0.60％）。2、按材質（主要根據(jù)硫、磷的含量）分：⑴普通鋼（含硫小于0.055％、含磷小于0.045％）；⑵優(yōu)質鋼（含硫小于0.040％、含磷小于0.040％）；⑶高級優(yōu)質鋼（含硫小于0.030％、含磷小于0.035％）；⑷特級優(yōu)質鋼（含硫小于0.025％、含磷小于0.030％）。3、按用途分：⑴碳素結構鋼：用于制造各種機器零件和工程結構件。多為低碳鋼和中碳鋼；⑵碳素工具鋼：用于制造各種刀具、量具和模具。多為高碳鋼。4、按冶煉方法分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。5、按煉鋼的脫氧程度分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。（三）、碳鋼的編號、性能及用途：1、普通碳素結構鋼：根據(jù)國家標準（GB700－88），碳素結構鋼的牌號和化學成分如下表所示。這類鋼主要保證機械性能，一般用于制造要求不高的零部件，故其牌號性能體現(xiàn)機械性能。⑴牌號：用Q＋數(shù)字表示。其中“Q”屈服點“屈”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示屈服強度值。例如：Q275表示屈服強度為275MPa。若牌號后面標注字母A、B、C、D，則表示鋼材質量等級不同，即磷、硫含量不同。其中A級鋼硫、磷含量最高，D級硫、磷含量最低。若牌號后面標注字母“F”則為沸騰鋼，標注“b”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標注“F”或“b”者則為鎮(zhèn)靜鋼。例如Q235－A·F表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。Q235－C表示屈服強度為235MPa的C級鎮(zhèn)靜鋼⑵、化學成分及力學性能：⑶、應用舉例：2、優(yōu)質碳素結構鋼：優(yōu)質碳素結構鋼中所含的有害雜質元素（S、P等）和非金屬夾雜物較少，機械性能和鋼材的表面質量較好，其組織也較均勻。此類鋼主要應用于經(jīng)過熱處理且技術性能要求較高的零件。根據(jù)其化學成分不同，優(yōu)質碳素結構鋼又分為普通含錳量鋼和較高含錳量鋼兩類。⑴牌號：普通含錳量優(yōu)質碳素結構鋼的牌號用兩位數(shù)字表示。兩位數(shù)字代表鋼中平均含碳量的百分數(shù)。例如：45表示平均含碳量為0.45％的普通含錳量的優(yōu)質碳素結構鋼。較高含錳量優(yōu)質碳素結構鋼的牌號為兩位數(shù)字后面附以Mn（錳元素符號）。例如：45Mn表示平均含碳量為0.45％的較高含錳量優(yōu)質碳素結構鋼。⑵、化學成分及力學性能：3、應用舉例：3、碳素工具鋼：⑴用途：碳素工具鋼主要用來制造各種刃具、量具和模具⑵要求：硬度高、強度大、耐磨性好。⑶含碳量：碳素工具鋼的含碳量為0.65％～1.3％（高碳鋼）⑷牌號：碳素工具鋼的牌號由T＋數(shù)字組成。數(shù)字表示含碳量的千分數(shù)。如：T8－表示含碳量為0.8％的碳素工具鋼。

T8Mn－表示含碳量為0.8％的較高含錳量碳素工具鋼。

T10A－表示含碳量為1.0％的高級優(yōu)質碳素工具鋼。三合金鋼所謂合金鋼，就是在碳鋼的基礎上，為了獲得某種特定的性能，有目的地加入一種或多種其他元素的鋼。加入的元素稱為合金元素。（一）、合金元素對鋼性能的影響

1、鉻（Cr）：鉻是一種常用的合金元素，含碳量低的鋼加入鉻能提高鋼的強度和硬度。它是不銹鋼和耐熱鋼的主要成分，若和Mn、Mo、Si等元素配合，更能顯示出它的特性。常用的合金元素有：鉻（Cr）、錳（Mn）、鎳（Ni）、硅（Si）、鋁（Al）、硼（B）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）、鈦（Ti）、鈷（Co）及稀土元素（Re）等。

2、鎳（Ni）：含鎳在6％以下時能使鋼具有高強度和高韌度。含鎳8％～11％與鉻配合可組成鎳鉻不銹鋼。含鎳超過20％可成為耐熱鋼。

3、錳（Mn）：錳在碳素鋼中自然含量為0.5％～0.8%。錳能提高鋼的強度、硬度，使鋼具有較高的耐磨性。通常情況下，普通低合金鋼中含錳1％～2%；當含錳量在11％～14％時便成為高錳耐熱鋼。

4、硅（Si）：硅已成為我國合金鋼中的主要元素之一。硅能提高鋼的強度、硬度、疲勞強度、耐蝕性和抗氧化性。硅的含量一般不超過1.4％，否則鋼的脆性會顯著提高。當含硅量在2.5％～4.4％時，是很好的軟磁材料，可制變壓器或電動機線圈的鐵心。

5、鎢（W）：鎢能提高鋼的強度及耐磨性，使鋼具有良好的熱硬性。

6、鋁（Ai）：鋁能細化鋼的晶粒，并能提高鋼的抗氧化性和耐熱性。

7、鈦（Ti）：鈦能細化晶粒，使組織致密，并能提高鋼的綜合機械性能。

8、硼（B）：微量的硼能提高鋼的強度，并能大大提高鋼的淬透性。

9、釩（V）：釩能使鋼的強度和韌度同時提高，并提高鋼的耐磨性和回火穩(wěn)定性。

10、稀土元素（Re）：稀土元素是一個族，共有17種元素，如鑭（Ld）、鈰（Ce）、鐠（Pr）等。稀土元素對冶煉和鑄造有良好的作用，還能提高鋼的塑性和韌度，改善鋼的特殊性能（耐熱、耐蝕、抗氧化等）。

（二）、合金鋼的分類和牌號1、合金鋼的分類：⑴按用途分為：A、合金結構鋼：用來制造各種機器零件及工程結構。B、合金工具鋼：用來制造各種重要的工具、量具、刃具等。C、特殊性能鋼：用來制造有特殊性能要求的結構件和機器零件等⑵按合金元素的含量分為：A、低合金鋼－合金元素總含量小于5％。B、中合金鋼－合金元素總含量小于5％～10％。C、高合金鋼－合金元素總含量大于10％。2、合金鋼的牌號：國家標準規(guī)定，合金鋼的牌號用“數(shù)字＋合金元素符號＋數(shù)字”的方法來表示。

⑴合金結構鋼：牌號的前兩位數(shù)字表示含碳量的萬分數(shù)，合金元素符號后面的數(shù)字表示該元素的含量（若合金元素的含量小于1.5％，一般不標出）。例如：55Si2Mn，表示含碳量為0.55％，含硅量為2％，含錳量小于1.5％的合金結構鋼。⑵合金工具鋼：牌號的前一位數(shù)字表示含碳量的千分數(shù)（若碳的含量超過1％時，一般不標出），合金元素符號后面的數(shù)字表示該元素的含量（若合金元素的含量小于1.5％，一般不標出）。例如：9SiCr，表示含碳量為0.9％，硅和錳的含量小于1.5％的合金工具鋼。

⑶滾動軸承鋼：其表示方法基本與合金工具鋼相似，因其含碳量一般都等于或等于1％，故一般不標出。要注意的是鉻元素后面的數(shù)字是表示含鉻的千分數(shù)，并在牌號前冠以“G”或“滾”字。例如：GCr15SiMn，“G”表示滾動軸承鋼，鉻的含量為1.5％，硅和錳的含量小于1.5％。

⑷特殊性能鋼：表示方法與合金工具鋼相同。只是當碳的含量小于0.1％時，用“0”表示，含碳≤0.03％時，用“00”表示。例如：0Cr13，表示含碳量小于0.1％，含鉻量為13％的不銹鋼。3、合金結構鋼合金結構鋼是在優(yōu)質或高級優(yōu)質碳素結構鋼的基礎上加入適量合金元素的鋼。⑴用途：制造各種重要的機器零件和受力工程結構。⑵要求：有較高的機械性能和較好的加工工藝性能。⑶分類：合金結構鋼工程用鋼（低合金結構鋼）機器制造用鋼合金滲碳鋼合金調質鋼合金彈簧鋼滾動軸承鋼1）低合金結構鋼：低合金結構鋼含碳量在0.1％～0.25％之間，所加入的合金元素含量不大于3％。成分特點：為低碳、低合金，所加入的合金元素主要有錳、釩、鈦等。強度：比普通碳素鋼高30％～50％，故又稱之為的合金高強度鋼。性能：具有良好的塑性、韌度、焊接性及較好的耐磨性和耐蝕性。用途：主要用于制造工程結構如汽車大梁、前保險杠等。2）合金滲碳鋼：合金滲碳鋼是在滲碳鋼的基礎上，加入一定量的合金元素而形成的。含碳量在0.15％～0.25％之間，以保證其具有良好的韌性。性能：經(jīng)過滲碳，其表層含碳量較高（0.85％～1.05％），再經(jīng)淬火，表層硬度較高（HRC＞60），從而獲得良好的耐磨性；為了提高其心部的強度，可在鋼中加入錳、鉻、鉬、鎢、鈦、硼等元素。用途：主要用于制造工作在高速、重負荷、劇烈摩擦和強烈沖擊等條件下的零件。如汽車傳動系的齒輪、萬向節(jié)十字軸及活塞銷和氣門挺桿等。常用合金滲碳鋼的牌號、機械性能及用途（見教材P16表2－7）。3）合金調質鋼：合金調質鋼是在調質鋼中加入一定量的合金元素而形成的。含碳量在0.30％～0.50％之間。含碳量過低，則影響強度；過高則韌性較差。同時，為了獲得優(yōu)良的綜合機械性能，常加入鉻、鎳、錳、硅等元素，再經(jīng)調質處理后使用。用途：主要用于制造承受較大載荷的零件。如汽車上的半軸、連桿、萬向節(jié)叉及變速器第二軸等。常用合金調質鋼的牌號、機械性能及用途（見教材P16表2－8）。4）合金彈簧鋼：合金彈簧鋼是在彈簧鋼中加入一定量的合金元素而形成的。含碳量在0.45％～0.70％之間。要求：有較高的疲勞強度和抗拉強度，良好的工藝性和足夠的韌度與塑性。5）滾動軸承鋼：滾動軸承鋼是用來制造滾動軸承的滾動體和內外圈的專用鋼。含碳量較高，在0.95％～1.15％之間。主要加入鉻（Cr）元素（含量為0.4％～1.65％）及適量的硅和錳元素。要求：硬度高、耐磨性好、抗蝕性強及較高的彈性和疲勞強度。常用的滾動軸承鋼為GCr15、GCr15SiMn等。4、合金工具鋼合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素（Si、Mn、Cr、W、V等）制成的。用途：制造各種量具、刃具和模具等。分類：按用途分為三種：合金刃具鋼、合金模具鋼和合金量具鋼。注：各類合金工具鋼沒有嚴格的使用界線，可以交叉使用。1）合金刃具鋼用途：制造各種切削刀具，例如車刀、銑刀、鉸刀、鉆頭等。與碳素工具鋼相比，具有較高的耐磨性、足夠的韌性、熱硬性高、并改善了熱處理性能。特性：⑴高的熱硬性：在高溫下保持高的硬度。⑵高的耐磨性：延長使用壽命。⑶足夠的強度和韌性：防止切削時崩刃和脆性斷裂。⑷含碳量在0.8％～1.5％之間。分類：根據(jù)合金元素含量的不同分為低合金工具鋼和高速鋼兩類。⑴低合金工具鋼：所含合金元素總量不超過3％～5％，工作溫度不超過250℃。主要用于低速切削（0.20～0.25m/s）刀具的制作，如鉸刀、絲錐、板牙和比較精密的模具、量具等。常用的低合金工具鋼有9SiCr、CrWMn、CrMn等。⑵高速鋼：（切削速度可達0.5～0.67m/s）所含合金元素超過10％，具有很高的熱硬性，當工作溫度高達550℃左右時，硬度仍無明顯下降。主要用于制造一些重要的、形狀復雜的高速切削刀具，如刨刀、銑刀等；還可以制造冷擠壓模具、沖頭以及受熱耐磨的零件。常用的高速鋼有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。2）合金模具鋼用途：主要用來制造沖壓、成型、鍛造等模具。分類：根據(jù)工作條件不同，分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。⑴冷作模具鋼：主要用來制作拉絲模、冷沖模和冷擠模等。這類模具工作時受到很大的沖擊力、壓力和摩擦力，要求具備高的硬度和耐磨性（其含碳量為0.8％～1.7％之間），并具有一定的韌性。常用的冷作模具鋼有：CrWMn、9Mn2V、Cr12、Cr12MoV等

⑵熱作模具鋼：主要用來制作熱鍛模具和熱壓力鑄造（簡稱壓鑄）模具等。這類模具工作時不僅受到很大的沖擊力，而且其工作表面與熾熱的金屬接觸，溫度高達400～600℃；同時還反復受到高溫金屬與冷卻介質（油、水、空氣）的交替接觸。要求具備高強度高韌性和優(yōu)良的疲勞強度、導熱性以及良好的淬透性。常用的熱鍛模具材料有：5CrMnMo、5CrNiMo、4CrW2Si等。其含碳量在0.45％～0.60％之間。而壓鑄模具是使液態(tài)金屬在其型腔內加高壓成型的一種模具，如汽油泵和化油器殼體以及現(xiàn)代汽車上的萬向球節(jié)等都是在壓鑄模中成型的。最常用的材料是3Cr2W8V，其含碳量在0.305～0.40％之間。3）合金量具鋼用途：制作各種量具。如游標卡尺、千分尺、量規(guī)、深度尺等。要求：為了保證量具的高精度及測量時的不磨損性。合金量具鋼應具有很高的硬度和耐磨性，且熱處理變形小，同時還要有良好的加工工藝性。常用的材料主要有CrWMn、9Mn2V/CrMn等。5、特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊物理性能和化學性能的鋼。1）不銹鋼：不銹鋼具有抵抗空氣、水、酸、堿溶液或其他介質腐蝕作用的能力。常用的有鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩類。⑴鉻不銹鋼鉻不銹鋼含鉻量在13％左右，含碳量在0.08％～0.4％之間，主要用于制作能抵抗自然條件下銹蝕的零件。常用的材料主要有1Cr13、2Cr1、3Cr13、4Cr13等。⑵鉻鎳不銹鋼鉻鎳不銹鋼含鉻量在18％左右，含鎳量在8％左右。它比鉻不銹鋼更具有抗銹蝕2）、耐熱鋼

高溫抗氧化性——材料在高溫下對氧化作用的抗力，即是否能在高溫下迅速氧化后形成一層致密的氧化膜，覆蓋在金屬表面，使其不再繼續(xù)氧化。

高溫強度——材料在高溫下承受機械負荷的能力。

蠕變——高溫下工作的金屬零件在恒定應力作用下，隨時間的延長會發(fā)生緩慢的塑性變形。

在高溫下，金屬的強度用蠕變強度（極限）和持久強

度表示

蠕變強度（極限）——在一定溫度下，一定時間內，產(chǎn)生一定變形量所能承受的最大應力。

持久強度——在一定溫度下，一定時間內，所能承受的最大斷裂應力。

3.4（2）常用金屬材料---有色金屬有色金屬材料——黑色金屬（鐵、鉻、錳及其合金）以外的所有金屬及其合金。如Au、Ag、Cu、Sn、Pb、Al、Mg、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Be等

一、鋁及其合金

（一）、工業(yè)純鋁的主要特性

鋁呈銀白色，具有面心立方晶格

d=2.7g/cm3tm=660℃σb

≈50MN/m2δ≈40%ψ≈85%HB≈25

具有優(yōu)良的導熱性、導電性；在大氣和淡水中有良好抗蝕性；磁化率極低；

具有優(yōu)良的鍛造性能、切削加工性能和鑄造性能。

工業(yè)純鋁：L1、L2、……L7（數(shù)字大，純度低）

高純鋁（＞99.93%）：LG1、LG2……（數(shù)字大，純度高）（三）、鋁合金的強化方法

1、固溶強化

Cu、Mg、Mn、Si、Zn等均可溶于Al中，其溶解度隨溫度變化而變化

2、時效強化

時效過程——把含0.5~5.7%Cu的Al-Cu合金加熱到α單相區(qū)，形成單相

α固溶體，隨后水冷（固溶處理），在室溫得到不穩(wěn)定的過飽和α固溶體，它有向穩(wěn)定狀態(tài)（

α+CuAl2)轉變的趨勢。由過飽和固溶體中沉淀析出強化相的過程。分為自然時效和人工時效。

（二）、鋁合金的分類

可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。（四）、鑄造鋁合金

1、鑄造鋁合金分類

1）Al-Si基鑄造鋁合金ZL101、ZL102、……ZL111

2）Al-Cu基鑄造鋁合金ZL201、ZL202、ZL203

3）

Al-Mg基鑄造鋁合金ZL301、ZL302

4）

Al-Zn基鑄造鋁合金ZL401、ZL402

2、鑄造鋁合金的變質處理

Al-Si基鑄造鋁合金一般稱為硅鋁明，具有鑄造性好、線收縮系數(shù)小、熱裂傾向小等優(yōu)點，但鑄造后由粗大針狀Si晶體和α固溶體組成的共晶體組織。

變質處理——在澆注前往合金溶液中加入2~3%wt的變質劑（2/3NaF+1/3NaCl）。變質后組織：共晶Si由粗針狀變成細小點狀，并產(chǎn)生初晶α相，其力學性能顯著提高。（五）、形變鋁合金

1、防銹鋁合金（Al-Mg、Al-Mn）——LF不能熱處理強化制造油箱、油管、鉚釘?shù)?/p>

2、硬鋁合金(Al-Cu-Mg)——LY可熱處理強化

制造螺旋槳葉片、支柱等

3、超硬鋁合金(Al-Zn-Mg-Cu)——LC可熱處理強化

制造飛機大梁、起落架等

4、鍛鋁合金(Al-Mg-Si)——LD可熱處理強化

制造鍛件、模鍛件等

二、銅及其合金

（一）、工業(yè)純銅的性質及用途

純銅呈紫紅色，具有面心立方晶格

d=8.9g/cm3tm=1083℃σb=230~250MPa

δ=40~50%ψ=65~75%HB=30~40

具有良好的導電、導熱性及抗大氣腐蝕性，具有抗磁性純銅具有良好的鍛造性能

工業(yè)純銅四個牌號：T1、T2、T3、T4。（數(shù)字大，純度低）

（二）、黃銅

1、普通黃銅——Cu-Zn合金

具有良好的力學性能，易加工成形，鑄造黃銅的鑄造性能良好，對大氣、海水有相當好的抗蝕能力

牌號：普通黃銅H6262——含銅量62%

鑄造普通黃銅ZCuZn3838——含Zn量38%

常用黃銅：H80（單相黃銅）、H62（雙相黃銅）

2、特殊黃銅——在普通黃銅基礎上，加入Al、Mn、Si、Pb等元素的黃銅。

牌號：HCuZn23Al6Fe3Mn2含66%Cu、23%Zn、6%Al、3%Fe、2%Mn的鑄造鋁黃銅

還有錫黃銅、錳黃銅、硅黃銅、鉛黃銅、鎳黃銅等（三）、青銅

——原指Cu-Sn合金，現(xiàn)把除Ni和Zn以外的其他元素為主加元素的銅基合金，也稱為青銅。

牌號：Q+主加元素符號+主加元素含量百分數(shù)

分為壓力加工青銅和鑄造青銅。

鈹青銅（QBe2等）是極優(yōu)良的彈性材料

三、滑動軸承合金

（一）、滑動軸承工作條件及對性能、組織的要求

軸承合金——制造滑動軸承中的軸瓦及內襯的合金。

性能要求：

1、具有足夠的強度和硬度，以承受軸頸施加的較大壓力

2、塑性和韌性好，以保證與軸配合良好并耐沖擊、振動

3、與軸有良好磨合能力、較小摩擦系數(shù)，能保持潤滑油

4、有良好的導熱性和抗蝕性

5、有良好的工藝性，容易制造，價格低廉

組織要求：

1、其基體應采用對鋼、鐵互溶性小的元素，如Sn、Pb、Al、Cu、Zn等，這樣對鋼鐵軸頸的粘著性與擦傷性小

2、應是軟的基體上分布著均勻的硬質點或硬的基體上分布著均勻的軟質點

3、應含有適量的低熔點元素

（二）、各類軸承合金簡介

1、錫基軸承合金（錫基巴氏合金）

常用牌號：ZChSnSb11-6(含11%Sb、6%Cu的錫基軸承合金）

特點：軟基體（Sb在Sn中的α固溶體呈暗黑色）+硬質點（白色星狀或放射狀η+白色塊狀β’）。摩擦系數(shù)小、膨脹系數(shù)小，并具有良好的導熱性、塑性和耐蝕性；但疲勞強度較差，工作溫度低（＜150℃）

制造汽車、拖拉機、汽輪機等高速軸瓦

2、鉛基軸承合金（鉛基巴氏合金）

常用牌號：ZChPbSb16-16-2（含16%Sb、16%Sn、2%Cu的鉛基軸承合金）

特點：軟基體+硬質點。其硬度、強度、韌性和耐蝕性、導熱性比錫基軸承合金低，工作溫度小于120℃；價廉；

常制作低速、低負荷的軸承，如汽車、拖拉機的曲軸軸承及電動機、破碎機軸承。

此外，還有鋁基軸承合金、銅基軸承合金等。

四、鈦及其合金

純鈦為銀白色金屬，tm=1680℃,d=4.54g/cm3

鈦具有很高的強度、比強度（強度/相對密度），具有很高的塑性、耐蝕性，既是良好的耐熱材料，也是優(yōu)良的低溫材料。故在航空、化工、航天、導彈等方面應用廣泛。

3.5

機械工程常用的非金屬材料

一、高分子材料

（一）高分子材料定義

——以高分子化合物為主要組成部分的材料。高分子化合物的分子量很大，一般在103~107

之間。

高分子化合物有天然的和人工合成的。松香、纖維素、蛋白質、天然橡膠是天然高分子材料；塑料、合成橡膠、合成纖維屬于人工合成高分子材料。

（二）組成

高分子化合物是由一種或幾種簡單的低分子化合物重復連接而成，具有鏈狀結構。如聚乙烯、聚氯乙烯分別由乙烯、氯乙烯聚合而成。

聚合——由單體變成高分子的過程。單體——組成聚合物的低分子化合物（乙烯、氯乙烯）。

鏈節(jié)——組成大分子鏈的基本結構單元。

單體和鏈節(jié)不同，聚合前為單體，聚合后鍵打開時為鏈節(jié)。

聚合度——一條高分子鏈中所含有的鏈節(jié)數(shù)目。

高分子化合物的分子量是鏈節(jié)的分子量與聚合度的乘積。同一種高分子化合物，各分子所含的鏈節(jié)不同，即聚合度不同，其分子量也不同。高分子化合物是由許多不同長度的分子組成的混合物，故其分子量是指平均分子量。

（三）高分子材料的分類

1、按性能和用途分類

塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑

2、按聚合反應的類型分類

（1）加聚物——單體經(jīng)加聚合成高聚物，鏈節(jié)結構的化學式與單體分子式相同。

（2）縮聚物——單體經(jīng)縮聚合成高聚物，縮聚過程有小分子副產(chǎn)物析出，鏈節(jié)的化學結構和單體的化學結構不完全相同。

3、按聚合物的熱行為分類

（1）熱塑性聚合物——加熱后軟化，冷卻后又硬化成形，隨溫度變化可以反復進行，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

（2）熱固性聚合物——受熱發(fā)生化學變化而固化成形，成形后再受熱也不會軟化變形，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂。

4、按主鏈上的化學組成分類

有：碳鏈聚合物、雜鏈聚合物、元素有機聚合物

（四）高分子材料的性能特點

1、低強度——σb≈100MPa

2、高彈性和低彈性模量——如橡膠的彈性變形率為100~1000%，金屬一般為1%；

E塑料≈E金屬/10E橡膠

≈E金屬/1000

3、高耐磨性———比金屬好

4、高絕緣性

5、低耐熱性

6、低導熱性——是金屬的1/100~1/1000

7、高熱膨脹性——線脹系數(shù)約為金屬的3~10倍

8、高的化學穩(wěn)定性——許多高分子材料在酸、堿等溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能

9、老化——在使用過程中，受氧、光、熱、機械力、水氣及微生物等外部因素作用，性能逐漸惡化，直至喪失使用價值。

二、工程塑料

塑料——以合成樹脂為主要成分，加入各種添加劑，在加工過程中能塑制成形的材料。

合成樹脂——由低分子化合物經(jīng)聚合反應所得到的高分子化合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料等。起黏結作用，

塑料的性能主要取決于樹脂。

添加劑——其目的是彌補塑料的某些性能不足。有填料或增強材料、增塑劑、固化劑、潤滑劑、穩(wěn)定劑、著色劑、阻燃劑。塑料的成型方法

注射成型、擠壓成型、吹塑成型、壓制成型、澆注成型

常用工程塑料：

1、熱塑性塑料

聚乙烯（PE）——無毒，可作食品袋等

聚氯乙烯（PVC）

——可制做水管接頭、建筑材料等

聚丙烯（PP）——可制機械零件、醫(yī)療器械、生活用具

聚苯乙烯（PS）——透光率僅次于有機玻璃，可制作絕緣件、儀表外殼、日用裝飾品、食品盒

ABS塑料——可制作齒輪、葉輪、設備外殼、化工容器管道、電氣儀表配件

聚酰胺（PA）——亦稱尼龍或錦綸?？芍戚S套、齒輪及機床導軌

聚甲醛（POM）

——許多性能優(yōu)于尼龍，可制軸承、齒輪、凸輪、儀表外殼、表盤

聚碳酸酯（PC）——可制造齒輪、凸輪、蝸論、電器儀表零件、燈罩、防護玻璃、飛機駕駛室風擋

聚四氟乙烯（PTFE）（F-4）——“塑料王”，極好的電絕緣體

有機玻璃（化學名：聚甲基丙烯酸甲酯）(PMMA)

——目前最好的透明材料,比普通玻璃好，相對密度僅為玻璃的一半，拉伸極限比普通玻璃高7~18倍。

2、熱固性塑料

酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧塑料

三、合成橡膠和合成纖維

（一）、橡膠

性能特點——高彈性，在外力作用下變形量100~1000%；其彈性模數(shù)很低，只有1MN/m。

橡膠分為天然橡膠和合成橡膠。

合成橡膠主要有：丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠、乙丙橡膠、丁腈橡膠等

硫化處理——橡膠的性能會隨溫度變化而改變，在高溫時發(fā)粘，低溫時發(fā)脆，并能被溶劑溶解。經(jīng)硫化處理后的橡膠具有一定的機械強度、耐磨性和剛性，其性能在很大溫度范圍內是穩(wěn)定的，并具有不溶、不熔的特性。

（二）、合成纖維

常用的合成纖維有：

滌綸（的確良）、尼龍（錦綸）、腈綸（奧綸、開司米綸）、維綸、丙綸、氯綸

四、合成膠粘劑和涂料（略）

3.6新材料的應用

————無機非金屬材料（陶瓷）

陶瓷材料的組織結構：晶相、玻璃相、氣相

陶瓷也是由許多位向不同的晶粒組成的多晶體；玻璃相是一種非晶態(tài)的固體；氣相即陶瓷孔隙中的氣體。

性能特點：

塑性變形能力很低，脆性大；剛性好，其彈性模量大多高于金屬；硬度比金屬高得多，（如金剛石HV﹥6000）；抗壓強度大；熔點高、高溫強度大、高溫下不易氧化，但不耐溫度的急劇變化；對酸、鹽等有極好的抗腐蝕能力；大部分陶瓷可作絕緣材料，有的可作半導體材料、磁性材料等

工業(yè)陶瓷有：普通陶瓷、氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物陶瓷等，可用來制造刀具、化工零件、耐熱耐高溫零件等。

————復合材料

復合材料——由兩種或兩種以上性質不同的材料組合起來的一種多相固體材料，它保留了組成材料各自的優(yōu)點，獲得單一材料無法具備的優(yōu)良綜合性能。按增強劑的種類和形狀，復合材料可分為纖維增強復合材料、層狀復合材料和顆粒復合材料三類。

纖維增強復合材料是以樹脂、塑料、橡膠或金屬為基體，以無機纖維為增強材料。有玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料等。玻璃纖維增強復合材料俗稱玻璃鋼，是以樹脂為黏結劑，以玻璃纖維或其制品為增強材料制成的。

鋼和玻璃鋼的性能比較：