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优异，成本较高。表3-2 钢铁产品牌号表示方法（GB221-2

2、008）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Q345D16MnR20MnK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

3、构钢08F50A50MnE45AH65Mn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20Cr40CrNiMoA60Si2Mn18MnMoNbER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

4、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T8T8MnT8AT 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9SiCrCrWMn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，

5、 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W18Cr4VCW6Mo5Cr4V2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 Ni10022Cr18Ti20Cr15Mn15Ni2N20Cr25Ni20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

6、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50.50Ni20Cr(1.0)511.50Ni21Cr(1.5)523.50Ni23铬钒钢6镍铬钢3钨钢71.25Ni，0.65-0.80Cr31镍铬钼81.75Ni，1.07Cr32硅锰钢93.50Ni，1.50-1.57Cr33含硼钢B3. 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0.250.1，软、韧性好、易成形。0.1- 0.25，强度低，价格低廉

7、、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、

8、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HH1H19: 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PP1P6P20P21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

9、系列：铁-铬-低镍-锰；3系列：铁-铬-镍）201(12Cr17Mn6Ni5N)0.151756.5% Mn52027540固溶处理304 (06Cr19Ni10)0.08191052020540固溶处理316(06Cr17Ni12Mo2)0.0817122.5% Mo52020540固溶处理铁素体型不锈钢（4系列：铁-铬-低碳）430 (10Cr17)0.121745020522退火409 (06Cr11Ti)0.0811(6xC) %Ti马氏体型不锈钢（4系列：铁-铬-高碳）410 (12Cr13)0.15130.6% Mo54034522淬火+回火440A (68Cr17)0.6817奥

10、氏体-铁素体双相不锈钢2205(022Cr23Ni5Mo3N)0.032353.0% Mo65545025固溶处理沉淀硬化型不锈钢（6系列或-PH:铁-铬-低碳-沉淀元素）630 (17-4PH)(05Cr17Ni4Cu4Nb)0.071740.4% 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

11、值，MPa灰铸铁HT100F+PHT150PHT200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 PKTB+ 两 组数字KTB350-04PKTZ + 两组数字KTZ450-06球墨铸铁球状FQT + 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QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT + 一组数字表示最低抗拉强度值，MPa蠕墨铸铁RuT260F+PRuT300PRuT

12、420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(20 C)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145320990.969.3铁Fe267.87体心立方面心立方153820980.496.1表表3-8

13、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

14、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

15、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

16、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 NiNi-Cu (Monel)Ni-Fe (Nilo、Incoloy)

17、Ni-Cr-Fe (Inconel)Ni- Fe- Cr (Incoloy)Ni-Cr-Mo-WNi-Fe-Cr-MoNi-Cr-Co-MoNi- Cr -Mo（Hastelloy、Rene、Rene、Astroloy、Waspaloy、Mar-M、Udimet）Ni-Al-TiNi-Cu-Al-TiNi-Cr-Al-TiNi-Cr-NbNi-Fe-Cr-Nb-Al-TiNi-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 3 Al2O32SiO2-Al2O3-Al2O3抗弯强度（MPa）

18、250300280350370450热膨胀系数（106）55.55.57.56.7密度（g/cm3）3.23.43.53.9介电强度(KV/mm)253015182530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裂表面能（J/m2, 20）132.833.540.6泊松比（20）0.2900.2880.288热 膨 胀系 数 （ 106/, 20 1000）3.282.993热扩散系数（cm2/s,300）0.07