第四章 工程材料的基本知识

1、回章首回章首 退出退出 第四章第四章 工程材料的基本知识工程材料的基本知识 第 四 章 工 程 材 料 的 基 本 知 识 4-1 工程材料的种类及性能工程材料的种类及性能 4-2 常用金属材料常用金属材料 4-3 非金属材料非金属材料 4-4 金属材料的热处理金属材料的热处理 4-5 材料成型技术材料成型技术简介简介 回章首回章首 退出退出 4-1工程材料的种类及性能工程材料的种类及性能 1. 常用工程材料的种类常用工程材料的种类 2.工程材料的主要性能工程材料的主要性能 回章首回章首 退出退出 金属材料金属材料 : : 包括黑色金属（钢铁）和有色金属材料包括黑色金属（钢铁）和有色金属材料

2、工程陶瓷工程陶瓷 : : 由金属和非金属元素的化合物所构成的由金属和非金属元素的化合物所构成的 各种无机非金属材料各种无机非金属材料 有机高分子材料有机高分子材料 ：工程中常见的有塑料、橡胶和胶：工程中常见的有塑料、橡胶和胶 粘剂粘剂 复合材料复合材料 ：将上述两种或多种单一材料人工合成到：将上述两种或多种单一材料人工合成到 一起的材料一起的材料 1. 常用工程材料的种类常用工程材料的种类 回章首回章首 退出退出 （1）工程材料的力学性能）工程材料的力学性能 2. 工程材料的主要性能工程材料的主要性能 2）塑性）塑性 3）硬度）硬度 4）冲击韧性）冲击韧性 5）疲劳强度）疲劳强度 6）耐磨性）

3、耐磨性 1）强度）强度 （2）工程材料的物理、化学及工艺性能）工程材料的物理、化学及工艺性能 回章首回章首 退出退出 1）强度：）强度： 强度是指在外力作用下材料抵抗变形与断裂的能力强度是指在外力作用下材料抵抗变形与断裂的能力 i）弹性极限）弹性极限 和弹性模量和弹性模量E ii) 屈服极限屈服极限 0 AF E s e iii） 抗拉强度抗拉强度 b 回章首回章首 退出退出 2）塑性）塑性 材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性 断面收缩率断面收缩率 伸长率伸长率 %100 0 01 L LL %100 0 10 A AA 3）硬

4、度）硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，表示材料抵抗硬度是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，表示材料抵抗 局部塑性变形的能力越大，材料的耐磨性也较好局部塑性变形的能力越大，材料的耐磨性也较好 i）布氏硬度）布氏硬度 用用HBS表示表示 ii) 洛氏硬度洛氏硬度 用用HRC表示表示 回章首回章首 退出退出 4）冲击韧性）冲击韧性 冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的一种能力冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的一种能力 用标准试样的冲击吸收功用标准试样的冲击吸收功Ak表示表示 5）疲劳强度）疲劳强度 材料在无数次重复材料在无数次重复“交变应力交变应力”作用下，而不引起断裂的最

5、作用下，而不引起断裂的最 大应力值大应力值 6）耐磨性）耐磨性 材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力 用体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量来评定用体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量来评定 回章首回章首 退出退出 物理性能：指材料在重力、电磁场、热力等物理因素作用物理性能：指材料在重力、电磁场、热力等物理因素作用 下所表现出来的性能或属性，包括材料的密度、熔点、导下所表现出来的性能或属性，包括材料的密度、熔点、导 电性、磁性能、导热性、热膨胀性等电性、磁性能、导热性、热膨胀性等 化学性能：主要指材料的抗氧化性、耐蚀性和耐酸性等，化学性能：主要指材料的抗氧化性、耐蚀

6、性和耐酸性等， 反映了材料在常温或高温环境下抵抗各种化学作用的能力。反映了材料在常温或高温环境下抵抗各种化学作用的能力。 材料工艺性能：指材料对各种加工工艺的适应性材料工艺性能：指材料对各种加工工艺的适应性 （2）工程材料的物理、化学及工艺性能）工程材料的物理、化学及工艺性能 回章首回章首 退出退出 1 . 碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢 2 . 铸铁铸铁 灰铸铁灰铸铁 球墨灰铸铁球墨灰铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 合金铸铁合金铸铁 3 . 有色金属材料有色金属材料 4-2常用金属材料常用金属材料 碳素钢碳素钢 合金钢工具钢合金钢工具钢 碳素钢工具钢碳素钢工具钢 合金钢合金钢 回章首回章首 退出退出

7、碳素结构钢碳素结构钢 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 碳素钢碳素钢 代号代号 Q + 数字数字 字母字母 + 字母字母 屈服强度值屈服强度值 质量等级符号质量等级符号 脱氧方法脱氧方法 应用应用 Q235AF , KT 350, 用于各种工程结构，少量用于制造零件用于各种工程结构，少量用于制造零件 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 两位数字组成两位数字组成 表示钢中平均含碳量的万分之几表示钢中平均含碳量的万分之几 代号代号 30、35、40、45、50 应用应用用于制造各种零件用于制造各种零件 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 回章首回章首 退出退出 代号代号 T + 数字

8、数字 + A 表示含碳量的千分之几表示含碳量的千分之几 高级优质高级优质 应用应用 T12 , T12A 用于制造各种刀具用于制造各种刀具 碳素工具钢碳素工具钢 碳素铸钢碳素铸钢 ZG + 数字数字 + 数字数字 最低屈服强度最低屈服强度 最低抗拉强度最低抗拉强度 代号代号 ZG200-400 应用应用用于制造各种零件用于制造各种零件 - 碳碳 素素 工工 具具 钢钢 回章首回章首 退出退出 合金钢合金钢 合金结构钢合金结构钢 低合金结构钢低合金结构钢用于桥梁、船舶、车辆、压力容器等大型构件用于桥梁、船舶、车辆、压力容器等大型构件 渗碳钢与调质钢渗碳钢与调质钢 制造高速、中等载荷、耐冲击耐磨损

9、零件制造高速、中等载荷、耐冲击耐磨损零件 弹簧钢弹簧钢 制造各种弹簧或要求高弹性的其他零件制造各种弹簧或要求高弹性的其他零件 滚动轴承钢滚动轴承钢 回章首回章首 退出退出 合金工具钢合金工具钢 合金工具钢用来制造切削刃具、量具和模具，以高硬、耐磨为基本特征合金工具钢用来制造切削刃具、量具和模具，以高硬、耐磨为基本特征 具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊钢，包括不锈钢、耐具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊钢，包括不锈钢、耐 热钢和耐磨钢等热钢和耐磨钢等 不锈钢系指在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢不锈钢系指在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢 耐热钢用来制造在高温下工作的零件，如锅炉、蒸汽涡轮、燃气涡

10、轮耐热钢用来制造在高温下工作的零件，如锅炉、蒸汽涡轮、燃气涡轮 耐磨钢主要具有很高的耐磨性，用于制造经受严重磨损和强烈冲击的耐磨钢主要具有很高的耐磨性，用于制造经受严重磨损和强烈冲击的 零件，如坦克的履带、粉碎机的颚板、铁轨道岔零件，如坦克的履带、粉碎机的颚板、铁轨道岔 特殊钢特殊钢 回章首回章首 退出退出 特点特点 代号代号HT + 数字数字(表示最小抗拉强度表示最小抗拉强度) 应用应用 灰铸铁灰铸铁 HT 200, HT 350, 抗压强度高，耐磨性、消振性好，抗压强抗压强度高，耐磨性、消振性好，抗压强 度低，韧性差度低，韧性差 机器箱体体、支架等机器箱体体、支架等 回章首回章首 退出退出

11、 特点特点 代号代号QT + 数字数字 + 数字数字 最小抗拉强度最小抗拉强度 断后延长率断后延长率 应用应用 球墨灰铸铁球墨灰铸铁 QT 200, QT 350, 保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点 发动机曲轴、连杆等发动机曲轴、连杆等 回章首回章首 退出退出 特点特点 代号代号KT + H + 数字数字 + 数字数字 最小抗拉强度最小抗拉强度 断后延长率断后延长率 应用应用 可锻铸铁可锻铸铁 KT 200, KT 350, 保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点 发动机曲轴、连杆等发动机曲轴、连杆等 回章首回章首 退出退出 特点特点 代号代号

12、KT + H + 数字数字 + 数字数字 最小抗拉强度最小抗拉强度 断后延长率断后延长率 应用应用 合金铸铁合金铸铁 KT 200, KT 350, 保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点 发动机曲轴、连杆等发动机曲轴、连杆等 回章首回章首 退出退出 铝及其合金铝及其合金 铜及其合金铜及其合金 3 有色金属材料有色金属材料 质量轻、比强度和比刚度高、导电导热性好、耐腐蚀，因而广泛用于飞机质量轻、比强度和比刚度高、导电导热性好、耐腐蚀，因而广泛用于飞机 制造业，成为宇航、航空等工业的主要原材料制造业，成为宇航、航空等工业的主要原材料 黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合金黄铜是

13、以锌作为主要合金元素的铜合金 锡青铜以锡青铜以Sn为主加元素，有高的耐磨性、耐腐蚀性，好的力学性能为主加元素，有高的耐磨性、耐腐蚀性，好的力学性能 与铸造性能，常用来制造耐磨、减摩及耐蚀零件与铸造性能，常用来制造耐磨、减摩及耐蚀零件 无锡青铜又称特殊青铜，比锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性和无锡青铜又称特殊青铜，比锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性和 耐蚀性，主要有：铝青铜，铍青铜，硅青铜。耐蚀性，主要有：铝青铜，铍青铜，硅青铜。 回章首回章首 退出退出 4-3 非金属材料非金属材料 1 .常用高分子材料常用高分子材料 2 . 陶瓷陶瓷 3 .复合材料复合材料 (1) 塑料塑料(2) 橡胶橡胶

14、回章首回章首 退出退出 (1) 塑料塑料 分类分类 以树脂为主要成分的有机高分子固体材料以树脂为主要成分的有机高分子固体材料 质量轻、比强度高，耐腐蚀性好，绝缘性能优异，减摩、耐磨及自润滑质量轻、比强度高，耐腐蚀性好，绝缘性能优异，减摩、耐磨及自润滑 性能突出，消音吸振性强，易成型加工，以及其它特殊性能性能突出，消音吸振性强，易成型加工，以及其它特殊性能 按树脂受热后性质：热塑性塑料、热固性塑料按树脂受热后性质：热塑性塑料、热固性塑料 按塑料使用范围按塑料使用范围 ：通用塑料、工程塑料和特种塑料：通用塑料、工程塑料和特种塑料 1 .常用高分子材料常用高分子材料 回章首回章首 退出退出 (2)

15、橡胶橡胶 分类分类 以生胶为基础加入适量的填加剂组成的高分子弹性体以生胶为基础加入适量的填加剂组成的高分子弹性体 天然橡胶：从天然植物中采集到的一种聚乙戊二烯天然橡胶：从天然植物中采集到的一种聚乙戊二烯 为主要成分的高聚物，用来制造轮胎，也可用作胶带、为主要成分的高聚物，用来制造轮胎，也可用作胶带、 胶管及各种橡胶制品，如刹车皮碗胶管及各种橡胶制品，如刹车皮碗 合成橡胶合成橡胶 ：基本性能和用途与天然橡胶相似，可用于：基本性能和用途与天然橡胶相似，可用于 某些特殊场合，如耐高温、低温的硅橡胶，耐油的聚某些特殊场合，如耐高温、低温的硅橡胶，耐油的聚 硫橡胶和丁腈橡胶，特别耐腐蚀的氟橡胶等。硫橡胶

16、和丁腈橡胶，特别耐腐蚀的氟橡胶等。 回章首回章首 退出退出 2. 2. 陶瓷陶瓷 分类分类 用各种粉状原料做成一定形状后，在高温窑炉中烧制而成的用各种粉状原料做成一定形状后，在高温窑炉中烧制而成的 一种无机非金属固体材料一种无机非金属固体材料 具有硬度高、抗压强度大、耐高温、不怕氧化和腐蚀、隔热具有硬度高、抗压强度大、耐高温、不怕氧化和腐蚀、隔热 绝缘性能好等特性绝缘性能好等特性 普通陶瓷：广泛用作建筑、日用、卫生、化工、纺织、高低压普通陶瓷：广泛用作建筑、日用、卫生、化工、纺织、高低压 电气等行业的结构件和用品电气等行业的结构件和用品 特种陶瓷：特种陶瓷： 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 、碳化物陶瓷

17、、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷 回章首回章首 退出退出 3 . 复合材料复合材料 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 复合材料至少由两大类组成：基体相和增强相复合材料至少由两大类组成：基体相和增强相 1）复合材料的组成及性能特点）复合材料的组成及性能特点 2）常用复合材料）常用复合材料 具有高比强度和比刚度、高的抗疲劳性、高的断裂韧性、具有高比强度和比刚度、高的抗疲劳性、高的断裂韧性、 强的减震能力、高温性能好、抗蠕变能力强、以及优良的强的减震能力、高温性能好、抗蠕变能力强、以及优良的 减摩性和耐蚀性等特点，它还有良好的工艺性能减摩性和耐蚀性等特点，它还有良好的工艺性能 骨架复合材料骨架复

18、合材料 层迭增强复合材料层迭增强复合材料 颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 回章首回章首 退出退出 4-4 金属材料热处理金属材料热处理 回章首回章首 退出退出 退火退火 正火正火 1. 钢的整体热处理钢的整体热处理 将钢件加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却将钢件加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却 以获得接近平衡状态组织的热处理工艺以获得接近平衡状态组织的热处理工艺 目的是使组织与成分均匀化、或是消除形变强化、或是目的是使组织与成分均匀化、或是消除形变强化、或是 消除内应力、或是消除钢种的氢消除内应力、或是消除钢种的氢 钢件加热到某一温度以上，保温适当时间后，在空气中钢件加热到

19、某一温度以上，保温适当时间后，在空气中 冷却的热处理工艺冷却的热处理工艺 目的改善钢的组织和性能目的改善钢的组织和性能 ，可作为最终热处理而直接使用，可作为最终热处理而直接使用 淬火淬火 回火回火 将钢件加热到某一温度以上，保温一段时间，然后以大将钢件加热到某一温度以上，保温一段时间，然后以大 于临界冷却速度冷却，获得马氏体组织的热处理工艺于临界冷却速度冷却，获得马氏体组织的热处理工艺 回火就是把已经淬火的钢件重新加热到某一温度，适当保温回火就是把已经淬火的钢件重新加热到某一温度，适当保温 后，冷却到室温的热处理工艺后，冷却到室温的热处理工艺 调质调质 淬火后高温回火淬火后高温回火 回章首回章

20、首 退出退出 2. 钢的表面热处理钢的表面热处理 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理 通过快速加热，使钢件表层奥氏体化通过快速加热，使钢件表层奥氏体化 目的是使表层获得高硬度、高耐磨性的马氏体组织，而心部仍保持原目的是使表层获得高硬度、高耐磨性的马氏体组织，而心部仍保持原 来的塑性和韧性都较好的退火、正火或调质状态的组织来的塑性和韧性都较好的退火、正火或调质状态的组织 钢件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层、钢件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层、 从而通过改变表层的化学成分和组织来改变其性能的一种热处理工艺从而通过改变表层的化学成分和组织来

21、改变其性能的一种热处理工艺 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等 2. 的的 处处 理理 回章首回章首 退出退出 4-5 材料成型技术简介材料成型技术简介 1. 铸造铸造 2. 塑性加工塑性加工 3. 焊接焊接 4. 非金属材料成型简介非金属材料成型简介 回章首回章首 退出退出 1. 铸造铸造 砂型铸造：将金属或合金液浇注到砂型内，冷却凝固后获得砂型铸造：将金属或合金液浇注到砂型内，冷却凝固后获得 铸件，应用最为广泛铸件，应用最为广泛 。 熔模铸造熔模铸造 ：铸件精度与表面质量高、可获得形状复杂铸件，：铸件精度与表面质量高、可获得形状复杂铸件， 适合

22、各种难加工合金的成型适合各种难加工合金的成型 金属型铸造金属型铸造 ：将金属液浇注到金属铸型中获得铸件的方法：将金属液浇注到金属铸型中获得铸件的方法 铸件组织致密、力学性能高，尺寸精度和表铸件组织致密、力学性能高，尺寸精度和表 质量好，劳动条件改善；但铸型成本高质量好，劳动条件改善；但铸型成本高 压力铸造压力铸造 ：生产率高，便于实现自动化；铸件尺寸和表面精度：生产率高，便于实现自动化；铸件尺寸和表面精度 高，能生产较复杂的薄壁件；铸件质量好高，能生产较复杂的薄壁件；铸件质量好 砂型铸造基本工艺砂型铸造基本工艺 回章首回章首 退出退出 砂砂 型型 铸铸 造造 基基 本本 工工 艺艺 回章首回章

23、首 退出退出 2. 塑性加工塑性加工 利用金属的塑性，使其在外力作用下成形的一种加工方法。利用金属的塑性，使其在外力作用下成形的一种加工方法。 主要有：自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔主要有：自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔 自由锻自由锻 ：利用自由锻设备的上下砧块或一些简单的通用工具，直接：利用自由锻设备的上下砧块或一些简单的通用工具，直接 使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件 模锻模锻 ：利用：利用模具模具使坯料变形而获得比自由锻质量更高的锻件的锻造使坯料变形而获得比自由锻质量更高的锻件的锻造 板料冲压板料冲压 ：利用

24、安装在压力机上的冲模对板料加压，使其产生分离：利用安装在压力机上的冲模对板料加压，使其产生分离 或变形，以获得零件的一种工艺方法。主要有或变形，以获得零件的一种工艺方法。主要有冲裁冲裁、弯曲弯曲、拉伸拉伸 回章首回章首 退出退出 模模 锻锻 模模 具具 回章首回章首 退出退出 冲裁冲裁 回章首回章首 退出退出 弯曲弯曲 回章首回章首 退出退出 拉伸拉伸 回章首回章首 退出退出 3. 焊接焊接 通过加热或加压，依靠金属原子的结合与扩散作用，使分离金属材通过加热或加压，依靠金属原子的结合与扩散作用，使分离金属材 料牢固地连接起来料牢固地连接起来 熔化焊：利用热源，将被焊金属结合处局部加热到熔化状态，并与熔化熔化焊：利用热源，将被焊金属结合处局部加热到熔化状态，并与熔化 的焊条金属混合，冷却时凝固结晶，使之焊合在一起的焊条金属混合，冷却时凝固结晶，使之焊合在一起 压力焊：利用加压力（或同时加热）