机械制造工程第四章节

1、教学目的与要求: 1.掌握常用金属材料的种类、牌号、成份、性能及应用情况。 2.了解常用非金属材料和复合材料的特点及应用。 3.掌握选材的原则及一般方法。教学内容： 1.碳钢、合金钢、铸铁、有色金属合金的牌号、成份、热处理、组织、性能、用途。 2.硬质合金、高温合金、轴承合金的种类、牌号、性能及用途。 3.工程材料选用的原则及方法步骤。重点、难点： 重点：材料的分类与牌号的识别。 难点：合金钢中合金元素的作用。第一节 金属材料金属材料分类：1. 钢铁材料-铁和以铁为基的合金； 2. 非铁金属材料-钢铁材料以外的所有金属及其合金）。一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分

2、类及应用一、钢铁材料的分类及应用一、钢铁材料的分类及应用( (一一) ) 碳素钢碳素钢1.1.常存元素对碳钢性能的影响常存元素对碳钢性能的影响 (1) (1) 硅和锰硅和锰 (2) (2) 硫硫 (3) (3) 磷磷（1）碳素钢的分类a.按钢中的含碳量分：2.碳素钢的分类、牌号和用途低碳钢、中碳钢、高碳钢 b.按钢的质量分： 普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢c.按钢的用途分：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸造碳钢d.按钢的冶炼方法分： 平炉钢、转炉钢、电炉钢 e.按钢在冶炼时脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢 （2）碳素钢的牌号和用途 碳素结构钢牌号组成：由Q-屈服点数值、质

3、量等级符号、脱氧方法四部分自左向右顺序组成。Q-“屈”字汉语拼音字首；A、B、C、D-质量等级符号，从左至右，质量依次提高；F、b、Z、TZ-依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢；例如：Q235-AF表示屈服点为235Mpa、质量为A 级的沸腾钢。常用碳素结构钢：Q195、Q215、Q235A、Q235B Q235C、Q235DQ255、Q275碳素结构钢 的一些应用： 优质碳素结构钢牌号：用平均碳质量分数的万分数的数字表示。例如：20、45若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。 常用优质碳素结构钢：08F1

4、0、20钢35、40、45、50钢60、65钢优质碳素结构钢的一些应用 碳素工具钢牌号:用平均碳质量分数的千分数的数字表示，数字之前冠以“T”（“碳”的汉语拼音字头）。例如:T9T12A碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。常用碳素工具钢:T7、T8T9、T10、T11T12、T13 碳素工具钢使用前都要进行热处理（淬火+低温回火）。 碳素工具钢的一些应用碳素工具钢的一些应用 铸造碳钢牌号:以“铸钢”二字的汉语拼音字首“ZG”与其后的两组数字构成。第一组数字表示厚度为100mm以下的铸件的室温屈服强度；第二组数字表示该铸件的抗拉强度。例如:ZG200400 常用铸造碳钢：ZG270-500

5、铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、轴等。铸钢铸钢的一的一些应些应用用外壳轧辊重型机械齿轮(二)合金钢概念：是指为提高钢的机械性能与工艺性能，或者为获得某些特殊物理、化学性能，特地向碳钢中加入定量其他元素（称合金元素）的钢。1、合金元素在钢中的作用 （1）提高机械性能 A.形成合金铁素体； B.形成合金碳化物； C.细化晶粒；（2）提高热处理工艺性 A.提高钢的淬透性； B.提高钢的回火稳定性（3）获得特殊的物理、化学性能 （1）合金钢的分类a.按钢中合金元素含量分：2.合金钢的分类、牌号和用途低合金钢、中合金钢、高合金钢 b.按合金钢的性能和用途分：

6、合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢(2) 合金钢的牌号牌号: 首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢以万分之一为单位的数字（2位数）；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（1位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数, 平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时,相应地标以2、3。 合金结构钢：40Cr合金工具钢：5CrMnMo例如：滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”：GCr15 易切削钢： Y40Mn专用钢用其用途的汉语拼音字

7、首来标明：高级优质钢，在钢的末尾加“A”字表明：如 20Cr2Ni4Aa. 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢(3) 合金钢的用途合金结构钢b. 合金渗碳钢合金渗碳钢c. 合金调质钢合金调质钢d. 合金弹簧钢合金弹簧钢e. 滚动轴承钢滚动轴承钢该种钢该种钢是在碳素结构钢基础上加入少量合金元素（主要有Mn、V、Ti、Nb、Cu等），由于少量合金元素的加入，使钢的强度有了显著地提高，所以称这类钢为低合金高强度钢。 牌号表示方法与碳素结构钢相似 。主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 a. 低合金高强度结构钢低合金低合金高强度高强度结构钢结构钢的一些的一些应用

8、应用含碳量: 0.15%0.25%，属于低碳钢。合金渗碳钢是因为在热处理工序上要进行渗碳后淬火加低温回火而得名。 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。b.合金渗碳钢合金渗碳钢 拨叉齿轮凸轮机构合金渗碳钢合金渗碳钢的一些应用的一些应用含碳量：0.35%0.50%，属于中碳钢 。合金调质钢是因为在热处理上要进行调质处理而得名。合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。 c. 合金调质钢合金调质钢的一些应用含碳量：0.45%0.70%之间常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、V、等，尤以Mn

9、、Si元素应用最广。 合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 d. 合金弹簧钢合金弹簧钢的一些应用含碳量：0.95%1.10%，可以保证硬度及耐磨性，加入铬提高的淬透性，并使铬碳化合物均匀细小。主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。 e. 滚动轴承钢滚动轴承钢的一些应用滚珠滚珠轴承a. 刃具钢刃具钢b. 模具钢模具钢c. 量具钢量具钢合金工具钢刃具钢主要指制造车刀、铣刀、钻头等切削刀具的钢种，工作任务就是通过切削加工将钢材或坯料加工成为工件。 根据刃具的工作

10、条件，对刃具钢提出的性能要求： 高硬度和高耐磨性能； 足够的强度、塑性和冲击韧性；高红硬性。分类：低合金刃具钢和高合金刃具钢。a. 刃具钢适于制造截面较大、形状复杂、受力较大、要求耐磨性较好的刃具，但不适合高速和强力切削条件。 典型钢种：9SiCr、CrWMn(a) 低合金刃具钢又名：高速钢、锋钢高速钢、锋钢 典型钢种：W18Cr4V 、W6Mo5Cr4V2 (b) 高合金刃具钢刃具钢的一些应用铣刀英制模板刀 冷作模具钢应具有的性能要求： 高硬度和高耐磨性能； 高强度和足够的韧性；良好的工艺性。b. 模具钢（a）冷作模具钢 工件在冷态下成形的模具钢常用钢种： Cr12、Cr12MoV 等热作模

11、具钢应具有的性能要求： 足够的硬度和耐磨性； 良好的强韧性；良好的抗热疲劳性、抗氧化性；良好的导热性。（b）热作模具钢 工件在热态下成形的模具钢常用钢种： 5CrMnMo、5CrNiMo等模具钢的应用模 具量具钢是用以制造量具（如：量规、块规、卡尺等）的钢种 应具备的性能要求：高硬度、高耐磨性、高尺寸稳定性；良好的磨削加工性及较小的淬火变形；良好的耐腐蚀性能。c. 量具钢常用钢种： CrWMn、GCr15、9Cr18等量具钢的一些应用a. 不锈钢不锈钢b. 耐热钢耐热钢c. 耐磨钢耐磨钢 特殊性能钢d. 低温用钢低温用钢a. 不锈钢在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀性能的钢称作不锈钢，应具有抵抗空气、

12、水、碱、盐类溶液或其他介质腐蚀作用的能力 。不锈钢的分类：按耐酸钢分：不锈钢、耐酸钢；按金相组织分：铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。按成分分：Cr不锈钢、CrNi不锈钢、CrNiTi不锈钢不锈机理：提高基体的电极电位； 形成单相组织；形成钝化膜；表面防腐 ；降低钢的含碳量 。 常用的不锈钢： 1Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9 Ti等不锈钢的一些应用不锈钢剪刀1Cr18Ni9Ti不锈钢表带不锈钢容器不锈钢船用螺旋桨耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。 （a）抗氧化钢（又称不起皮钢）抗氧化钢（又称不起皮钢） 具有很好的抗氧化性能的钢称为抗氧化钢。耐

13、热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al，特别是Cr ，他们分别在钢表面形成Cr2O3、SiO2和Al2O3薄膜，有效地阻挡外界氧原子向内部扩散。典型合金：1Cr13Si13b.b.耐热钢耐热钢（b b）热强钢）热强钢在高温下既具有良好的抗氧化能力又具有较高强度的合金钢称为热强钢。Mo、W、V、Ti等元素加入钢中，能形成细小弥散的碳化物，起弥散强化的作用，提高室温和高温强度。典型合金：4Cr9Si2 、1Cr18Ni9Ti耐热钢的应用耐热钢的应用燃气轮机c.耐磨钢又称高锰钢，是一种在强烈冲击载荷作用下才表现出高耐磨性的特殊钢种。 成分特点：高碳、高锰、一定量的硅典型合金：Mn13钢（常写为Z

14、GMn13）成形工艺：水韧处理主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机鄂板和铁轨分道叉等。 耐磨钢的一些应用履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿d.低温用钢用于生产工作温度低于0的零件的钢种。 应具备的性能要求：冷脆转变温度低、低温冲击韧性高；一定的强度与耐蚀性；优良的焊接性能与冷塑性成形性能。多应用于钢铁冶炼、化工、冷冻设备等。（三）铸铁（三）铸铁1. 碳在铸铁中的存在形式和形态 存在形式：化合态的渗碳体和游离态的石墨（G）铸铁的组织：由金属基体和石墨组成的。 金属基体分类：铁素体、珠光体、铁素体+珠光体铸铁的组织特点：可以看成是在钢的基体上分布着不同形状

15、的石墨。 影响铸铁石墨化的因素:(1)化学成分的影响(a) C和Si (b) S (c) Mn (d) P (2) 冷却速度的影响铸铁中的石墨形态（1）片状石墨（2）球状石墨（3）团絮状石墨2. 铸铁的性能特点（和钢相比）（1）力学性能低；（2）使用性能： 优良的耐磨性与减震性 。（3）工艺性能： 优良的铸造性 ；良好的切削加工性。 （4）价格便宜 。3. 铸铁的分类、牌号和用途（1）铸铁的分类 a. 白口铸铁 b. 麻口铸铁 c. 灰口铸铁（2）常用灰口铸铁的牌号及用途 普通灰铸铁牌号： “HT” 和一组数字表示 (“HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。 例如：HT150、HT250、

16、HT400 石墨形态：石墨呈片状基体组织：铁素体、珠光体和铁素体加珠光体灰口铸铁的显微组织应用：主要用于制造汽车、拖拉机的汽缸、汽缸盖、刹车带、摩擦片，以及机床的床身、底座、支柱等耐压、耐磨件。 灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织普通灰铸铁的应用 可锻铸铁a. 牌号：KTH（可铁黑的汉语拼音字首）和两组数字，数字的含义分别表示最低抗拉强度和最低延伸率。例如：KTH350-10 石墨形态： F+团絮状G，其中心呈黑灰色，故称黑心可锻铸铁。b. 牌号：KTZ（可铁珠的汉语拼音字首）和两组数字，数字的含义同黑心可锻铸铁。例如：KTZ600-3石墨形态： P+团絮状G，称为珠光体可锻铸铁。可锻铸铁的

17、显微组织应用：常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。 可锻铸铁的显微组织 球墨铸铁牌号：用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。例如：QT400-15、QT600-3、QT800-2 石墨形态：呈球状 基体组织：铁素体、铁素体和珠光体、珠光体球墨铸铁的显微组织应用：用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的应用球墨铸铁管道接口 特殊性能铸铁加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，可获得耐磨铸铁；加入Al、Si、Cr等合金元素，可获得耐热铸铁。二、非铁金属材料（有色金属）（一）铝及铝合金 1

18、、铝及铝合金的特点 (1) 密度小、比强度高； (2) 有优良的物理、化学性能； (3) 加工性能良好。 （1）变形铝合金）变形铝合金2、铝合金（2）铸造铝合金）铸造铝合金（1）变形铝合金）变形铝合金 防锈铝合金牌号：用“LF+顺序号”表示，“LF”是“铝防”二字的汉语拼音字首，顺序号表示化学成分。典型合金：LF21（Al-Mn）；LF5、LF11（Al-Mg ）应用：多用于制造要求受力小、质轻、耐腐蚀的冲压、焊接结构件，如油箱、油管、铆钉、制冷装置结构件以及日用器皿等 。 硬铝合金牌号：用“LY+顺序号”表示，“LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首，顺序号表示化学成分。 典型合金：YF11 应

19、用：主要是用来制造中等强度的飞机隔框、翼肋、铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件。 超硬铝合金牌号：用“LC+顺序号”表示，“LC”是“铝超”二字的汉语拼音字首，顺序号表示化学成分。 典型合金：LC4应用：超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。 锻铝合金牌号：用“LD+顺序号”表示，“LD” 是 “铝锻”二字的汉语拼音字首，顺序号同样也是表示化学成分。典型合金：LD5应用：用于制造形状复杂、比强度要求较高的受力结构件，如离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等。变形铝合金的一些应用变形铝合金的一些应用（2）铸造铝合金 铝硅系合金 铝铜系合金 铝镁系合金 铝锌系合金牌号：用“铸铝

20、”二字的汉语拼音字首“ZL”加三位数字来表示，第一位数字表示合金系别：1为铝硅系合金；2为铝铜系合金；3为铝镁系合金；4为铝锌系合金，后两位数字是合金的序号，表示不同的化学成分。例如：ZL102铸造铝合金的一些应用铝合金发动机缸体和缸盖（二）铜及铜合金 1、铜及铜合金的特点（1）优异的物理、化学性能 ；（2）良好的加工性能 ；（3）具有某些特殊机械性能 ；（4）色泽美观 。2、铜合金 （1）黄铜（2）青铜（3）白铜（1）黄铜黄铜 普通黄铜组成成分：铜、锌 代号：用“H+数字”来表示，“H”是“黄”字的汉语拼音字首，数字表示含铜量的百分数。例如：H80典型合金：H80、H70、H68 H62、H

21、59以锌为主要合金元素的铜合金。 特殊黄铜 组成成分：在普通黄铜中加入其它如Sn、Si、Pb、Fe等合金元素。牌号：用“H+主加元素符号（锌除外）+铜含量的百分数+主加元素含量的百分数”表示。例如：HPb63-3若为铸造用黄铜，则以“Z”（铸字的汉语拼音字首）+Cu+其他元素符号+数字来表示，数字表示前边元素的百分含量。黄铜的一些应用（2）白铜）白铜普通白铜 组成成分：Cu、Ni牌号：用“B+主加元素的平均含量百分数”。例如：B5应用：主要用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。以镍为主要合金元素的铜合金。B.特殊白铜组成成分：普通白铜+锌、锰等其它合金元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜

22、等。牌号：表示方法是：“B+除Ni以外的主加元素符号+镍平均含量的百分数+主加元素平均含量的百分数” 。例如：BZn15-20（2）青铜 普通青铜组成成分：以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜 。牌号：用“Q+主加元素符号+主加元素平均含量的百分数+其他合金元素平均含量的百分数”。例如：QSn10-1应用：锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用。除了以锌或镍为主加元素的铜合金外，均为青铜。特殊青铜 组成成分：不含锡的青铜合金牌号：特殊青铜的表示方法与普通青铜类似。例如：QAl9-4表示主加元素铝含量为9%左右，含其他元素平均含量为4%的铝青铜。 应用：铝青铜具有耐磨、耐蚀性好、价格低廉

23、的特点； 铍青铜具有较高的弹性极限和疲劳极限。 三、其它金属材料（一）硬质合金硬质合金是以一种或几种难熔、高硬度的金属碳化物（如WC、TiC等）粉末为主要成分，以铁族元素（常用钴、镍）作粘结剂，经粉末冶金方法生产的一种多相组合材料，是重要的刀具材料。 2. 硬质合金的分类、牌号与用途（1）钨钴类硬质合金）钨钴类硬质合金 牌号：用“硬”“钴”汉语拼音字首YG加数字表示，数字表明钴的平均百分含量。例如：YG61. 性能特点（2）钨钛钴类硬质合金牌号：用“硬”“钛”的汊语拼音字首YT加数字表示，数字表明碳化钛的平均含量。例如：YT14（3）通用硬质合金牌号:有YW1、YW2，其中“YW”是硬”、“钨

24、”的汉语拼音字首。通用硬质合金的红硬性极好，常用来加工不锈钢、耐热钢、高速钢等难以加工的钢材，所以也被称作“万能硬质合金”。（二）高温合金 高温合金是以高熔点金属Ni、Co、Nb、Mo等为基体，加入一定量的其它元素所构成的在高温（700以上）下使用的金属材料。1. 高温合金的性能特点2. 高温合金的分类、牌号与用途（1）变形高温合金 变形高温合金按基体组元和强化方法的不同，分为四种：（“1”）固溶强化型铁基合金； （“2”）时效强化型铁基合金； （“3”）固溶强化型镍基合金； （“4”）时效强化型镍基合金。牌号：“GH”加四位数字，“GH”是“高合”的汉语拼音字首，第一位数字表示分类号，后面三位数字则表示化学成分。例如：GH2302（2）铸造高温合金 牌号：“K”加三位数字，其中第一位数字表示分类号（同变形高温合金），后两位数字表示化学成分。例如：K417（三）轴承合金滑动轴承的结构 1.性能要求2.组织要求（1）在软的基体上孤立地分布有硬