材料：认知、发现和应用第3章

1、第3章 工程材料 表3-1材料按物理化学属性分类 材料化学组成结合键主要性能 金属材 料 金属元素金属键 固态具有晶体结构，良好的延 展性、导电性和导热性，有光 泽且不透明。 陶瓷材 料 金属和非金属组成，主要 是氧化物和非氧化物 （如碳化物、硼化物、氮 化物、硅化物） 离子键、 共价键 固态具有晶体或非晶体结构， 优异的高温、 高强和化学惰性， 热和电的非导体，硬且脆。 聚合物 材料 有机化合物，主要是C、 H 和其他非金属材料（如 O、N 和 Si） 共价键、 分子键 分子链结构，质轻、比强度高， 易老化且高温性能差 复合材 料 两种或两种以上物理和化 学性质不同的物质组合 力学及理化性能

2、优异， 成本较高。 表3-2 钢铁产品牌号表示方法（GB221-2008） 钢类钢 号 举 例表 示 方 法 说 明 结 构 钢 碳素结构钢 和低合金结 构钢 Q235AF 代表屈服强度的拼音字母 Q +强度值(以 N/ mm2或 MPa 为单位) ； 必 要时标出钢的质量等级（A、B、C、D、E 等） ； 必要时标出脱氧方式，即沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢分别 以 F 、 b 、Z 、TZ表示; 必要时标出产品用途、特性和工艺方法的标识符号。 低合金高强 度结构钢 Q345D 16MnR 20MnK 低合金高强度结构钢的牌号表示方法同碳素结构钢； 也可以采用二位阿拉伯数字( 表示平均

3、含碳量，以万分之几计)加元素 符号及必要时加代表产品用途、特性和工艺方法的表示符号， 按顺序表 示。 优质碳素结 构钢 08F 50A 50MnE 45AH 65Mn 以二位阿拉伯数字表示平均碳含量(以万分之儿计); 必要时标出较高含锰量碳素工具钢标出“Mn”； 必要时标出高级优质钢、特级优质钢分别以 A、E 表示，优质钢不用字 母表示; 必要时标出脱氧方式表示符号，即沸腾钢、半镇静钢、镇静钢分别以 F、 b 、 Z表示，但镇静钢表示符号通常可以省略; 必要时标出产品用途、特性或工艺方法的标识符号。 如保证淬透性钢表 示符号 H 合金结构钢 20Cr 40CrNiMoA 60Si2Mn 18M

4、nMoNbER 以二位阿拉伯数字表示平均碳含量(以万分之几计); 合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示。平均含量小 于 1.50%，一般不标明含量；平均含量为 1.502.49%、2.503.49%则相 应数字为 2，3； 高级优质钢、特级优质钢分别以 A、E 表示，优质钢不用字母表示; 必要时加产品用途、特性或工艺方法的表示符号，如“R”代表锅炉和压 力容器用钢 工 具 钢 碳素工具钢 T8 T8Mn T8A T 代表碳素工具钢； 阿拉伯数字表示平均碳含量(以千分之几计); 较高含锰量碳素工具钢标出“Mn”； 高级优质钢碳素工具钢标出“A”，优质钢不用字母表示 合金工具钢 9SiCr

5、 CrWMn 平均碳含量小于 1. 00% 时，采用一位数字表示碳含量 (以千分之几 计 。平均碳含量不小于 1. 00% 时，不标明含碳量数字; 合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示， 表示方法同合金结 构钢。 低铬(平均铬含量小于 1 % )合金工具钢， 在铬含量(以千分之几计) 前加数字 0 。 高速工具钢 W18Cr4V CW6Mo5Cr4V2 高速工具钢牌号表示方法与合金结构钢相同， 但在牌号头部一般不标明 表示碳含量的阿拉伯数字。为了区别牌号，在牌号头部加 “C”表示高碳 高速工具钢 不锈钢和耐热钢 06Cr19 Ni10 022Cr18Ti 20Cr15Mn15Ni2N

6、20Cr25Ni20 用两位或三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值(以万分之几或十万分 之几计)。 合金元素含量以化学元素符号及阿拉伯数字表示， 表示方法同合金结构 钢。钢中有意加入的铌、钛、锆、氮等含金元素，虽然含量很低，也应 在牌号中标出。 表3-3 AISI-SAE钢铁材料的编号 钢种编 号钢种编 号 碳钢1钼钢4 普通碳钢100.2-0.25Mo40 易削钢(加硫)11Cr-Mo41 锰钢13Ni-Cr-Mo43 镍钢2铬钢5 0.50Ni20Cr(1.0)51 1.50Ni21Cr(1.5)52 3.50Ni23铬钒钢6 镍铬钢3钨钢7 1.25Ni，0.65-0.80Cr31镍铬钼8

7、 1.75Ni，1.07Cr32硅锰钢9 3.50Ni，1.50-1.57Cr33含硼钢B 3. 0Ni，0.77Cr34钒钢V 表3-4 碳素钢的分类、属性和应用 碳素钢碳含量属性和应用 低碳钢0.25 0.1，软、韧性好、易成形。 0.1- 0.25，强度低，价格低廉、可锻造， 通过渗碳提高表面硬度和耐磨性。 中碳钢0.25-0.60 综合性能好（强度和韧性适中）、耐磨性好; 用于大型零部件、锻件及汽车零部件。 高碳钢0.60-1.0硬度好，用于弹簧和高强度钢绳。 超高碳钢1.0-1.50 非常硬，超过 1.2采用粉末冶金制备， 也被认为是一种高合金碳钢。 图图3-1 常用金属零件中的碳含

8、量常用金属零件中的碳含量 （a）刃具）刃具 （b）模具）模具 （c）量具）量具 图图3-2 工具钢的典型用途工具钢的典型用途 表3-5工具钢的分类、代号、特征和用途 分类 AISI-SAE 代号 特征性能及用途 冷作钢 W水冷硬化 表面耐磨但不适用于高温，可用于冷镦 模具，木工工具等 O油冷硬化短期的冷成型模具、切削工具 A空冷硬化中合金，丝锥、分模、形状复杂模具 D高碳高铬（不锈钢）482下，长期的成形模和冲裁模 抗冲击钢S韧性最好的工具钢中碳低合金，凿子，锤子，铆钉套等 高速钢 TW 基 红硬性好即 550以上保持 6267HRC， 高速切削 MMo 基红硬性好，较 T 型便宜 热作钢H

9、H1H19: Cr 基 H20H39: W 基 H40H59: Mo 基 铝或镁挤压模、压铸模 铁、铜、镍热挤压模和热锻模 特殊用途 L低合金L6 有极佳的韧性 P P1P6 P20P21 渗碳型塑料模具钢 调质型塑料模具 锌压铸模和注塑模 FWC较 W 型耐磨 不锈钢 % C % Cr % Ni 其他 元素 抗拉强 度 /MPa 屈服强 度 /MPa 断后伸 长率/% 状态 奥氏体型不锈钢（2系列：铁-铬-低镍-锰；3系列：铁-铬-镍） 201 (12Cr17Mn6Ni5N) 0.1 5 1756.5% Mn52027540固溶处理 304 (06Cr19Ni10) 0.0 8 191052

10、020540固溶处理 316 (06Cr17Ni12Mo2) 0.0 8 17122.5% Mo52020540固溶处理 铁素体型不锈钢（4系列：铁-铬-低碳） 430 (10Cr17) 0.1 2 1745020522退火 409 (06Cr11Ti) 0.0 8 11 (6xC) % Ti 马氏体型不锈钢（4系列：铁-铬-高碳） 410 (12Cr13) 0.1 5 130.6% Mo54034522淬火+回火 440A (68Cr17) 0.6 8 17 奥氏体-铁素体双相不锈钢 2205 (022Cr23Ni5Mo3N) 0.0 3 2353.0% Mo65545025固溶处理 沉淀硬

11、化型不锈钢（6系列或-PH:铁-铬-低碳-沉淀元素） 630 (17-4PH) (05Cr17Ni4Cu4Nb) 0.0 7 1740.4% Nb1310118010 固溶+ 480C 时 效 表表3-6 常用不锈钢的主要成分与性能常用不锈钢的主要成分与性能 图图3-3 不锈钢的典型应用不锈钢的典型应用 （a）灰铸铁 （b）白口铸铁 （c）可锻铸铁 （d）球墨铸铁 （e）蠕墨铸铁 图3-4 五类铸铁组织示意图 铸 铁 名 称 石墨 形态 基体 组织编 号 方 法 牌号实 例 灰 铸 铁 片状 FHT + 一组数字 表示最低抗拉强度值，MPa 灰铸铁 HT100 F+PHT150 PHT200

12、可 锻 铸 铁 团絮 状 FKTH + 两 组 数字 KTH、 KTB、 KTZ 分别为黑心、 白心、 珠光体可锻铸铁；第一组数字表示最 低抗拉强度值，MPa；第二组数字表 示最低延伸率值，% KTH300 -06 表 F、 心 P KTB + 两 组 数字 KTB350 -04 PKTZ + 两组数 字 KTZ450 -06 球 墨 铸 铁 球状 F QT + 两组数字第一组数字表示最 低抗拉强度值，MPa；第二组数字 表示最低延伸率值，% 球墨铸铁 QT400-1 5 F+PQT600-3 PQT700-2 蠕 墨 铸 铁 蠕虫 状 FRuT + 一组数字 表示最低抗拉强度值，MPa 蠕墨

13、铸铁 RuT260 F+PRuT300 PRuT420 表表3-7 铸铁的石墨形态、基体组织和牌号表示方法铸铁的石墨形态、基体组织和牌号表示方法 名称 元素符 号 原子 序数 密度 g/cm3 晶体结构 熔点 /C 弹性 模量 /GPa 热导率 W/(mK) 电阻率 /nm (20C) 铝Al132.70面心立方6606923728.2 铜Cu298.94面心立方108411040116.78 钛Ti224.51 密排六方 体心立方 166811721.9420 锌Zn307.14密排六方41910811659 镁Mg121.74密排六方6504815643.9 镍Ni288.90面心立方14

14、5320990.969.3 铁Fe267.87 体心立方 面心立方 153820980.496.1 表表3-8 常用有色金属与铁的性能比较常用有色金属与铁的性能比较 铝及铝合 金 主加合金 元素及牌 号 强化方法主要特点应用 变形铝合 金 纯铝 1系列 可加工硬 化 高的成形性、耐蚀性和 电导率；强度低 电气工程和兼顾成 形性与耐蚀性的领 域 Al-Mn 系 3系列 可加工硬 化 中等强度；良好的成形 性和焊接性 兼顾成形性和焊接 性的场合 Al-Mg 系 5系列 可加工硬 化 中等强度；优异的耐蚀 性，良好的成形性和焊 接性 建筑结构、汽车、 海 洋和低温工程领域 Al-Cu 系 2系列 可

15、热处理 高的强度； 低的焊接性、 低的耐大气腐蚀性 航空工业、紧固件 Al-Si系 4系列 含 Mg 可 热处理 中等强度，优异的焊接 性 锻件和熔焊焊条 Al-Mg-Si 系 6系列 可热处理 中等强度；优异的耐蚀 性和优异的挤压性能 建筑结构、汽车 Al-Zn-Mg- Cu 系 7系列 可热处理 非常高的强度；常用机 械方式连接 航空工业 其他元素 （Fe、Ni） 8系列 可热处理 高的电导率、强度和硬 度 电气工程和航空工 业 铸造铝合 金 Al-Si系 ZL1 不可热处 理 优异的铸造性能；中等 强度 适于复杂铸件 Al-Cu 系 ZL2 可热处理 高的强度；有热裂和疏 松倾向 良好耐

16、磨性和较高 温度下具有一定强 度 Al-Mg 系 ZL3 不可热处 理 优异的耐蚀性和切削性 能 门窗构件 Al-Zn 系 ZL4 可热处理优异的切削性能 要求表面光洁和一 定硬度的领域 表表3-9 铝及铝合金分类、特点及应用铝及铝合金分类、特点及应用 表3-10 铜及铜合金的类型、牌号、特性及应用 图3-5 铜合金及其应用 钛合金合金元素性能特点典型牌号及应用 型 铝、硼等稳定 元素 室温强度较低，但高温强度 很高。抗氧化性、抗蠕变性 以及焊接性能良好。不能淬 火强化，只能固溶强化 TA7(Ti-5Al-2.5Sn) 500以下长期工作的结构件 和各种模锻件，短时使用可达 900， 亦可作超

17、低温部件 （-253） 型 足够多的钼、 铬、钒等稳定 元素 强度高，冲压性能好，可通 过淬火和时效热处理获得强 化。 TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) 350以下工作的零件如板材 冲压件和焊接件，如压气机叶片、 轮盘、轴类等重载荷旋转件以及飞 机的构件等 +型 稳定元素和 稳定元素 塑性好，容易锻造、压延和 冲压，可通过热加工和热处 理较大范围内调整显微组织 和结构。 TC4(Ti-6Al-4V) 400以下长期工作的零件， 各 种容器、泵等低温部件，船舶耐压 壳体，坦克上的履带等 表3-11 钛合金的分类、性能特点、典型牌号及应用 表3-12 镁合金的牌号（美国）、主要特性和应

18、用领域 牌号AZASAMAEQEWE 合金元素Al,ZnAl,SiAl,MnAl,ReAg,ReY,Re 主要特性及应 用领域 低密度和高阻尼：可用于减重、减震和隔音领域。 良好的机加工性能：可用于制造夹具。 在碱性环境中良好的耐蚀性：可制造水泥工具 镍及镍基合金 工业纯镍其他合金沉淀强化固溶强化 纯 Ni 变形 Ni 阳极 Ni Ni-Cu (Monel) Ni-Fe (Nilo、Incoloy) Ni-Cr-Fe (Inconel) Ni- Fe- Cr (Incoloy) Ni-Cr-Mo-W Ni-Fe-Cr-Mo Ni-Cr-Co-Mo Ni- Cr -Mo（Hastelloy、 R

19、ene、Rene、Astroloy、 Waspaloy、Mar-M、 Udimet） Ni-Al-Ti Ni-Cu-Al-Ti Ni-Cr-Al-Ti Ni-Cr-Nb Ni-Fe-Cr-Nb-Al-Ti Ni-Al金属间化合物 氧化物弥散强化（ODS）镍基合金 图3-6 镍及镍基合金的分类 名称刚玉莫来石瓷刚玉瓷刚玉瓷 牌号75 瓷95 瓷99瓷 主晶相-Al2O3和 3Al2O32SiO2-Al2O3-Al2O3 抗弯强度（MPa）250300280350370450 热膨胀系数（10 6） 55.55.57.56.7 密度（g/cm3）3.23.43.53.9 介电强度(KV/mm)25

20、3015182530 体积电阻系数 （m） 101010121010101210121013 烧结温度（）136020165020170010 成形方法挤制、压制注浆、热压注浆、热压 表3-13 氧化铝陶瓷的基本性能 图3-7 氧化铝陶瓷管、棒 图3-8 氧化铝耐磨陶瓷球、 陶瓷片和陶瓷板 名称热压 Si3N4 反 应 烧 结 Si3N4 赛伦陶瓷（一例） 结晶形态六方晶系六方晶系 (Si、Al)(O、N)4四面体与硅 氧四面体空间连接 理论密度（g/cm3）3.343.053.12 体积密度（g/cm3）3.242.42.62.90 显气孔率（）213185 抗弯强度（MPa）490590166206（四点抗弯：350） 硬度（努氏硬度 2.9kg破裂表面能（J/m2, 20）132.833.540.6 泊松比（20）0.2900.2880.288 热 膨 胀系 数 （10 6/, 20 1000） 3.282.993 热扩散系数（cm2/s,300）0.07000.05500.0195 电阻率（10