第1章 机械工程材料

§1.1金属材料的性能§1.2常用金属材料

金属材料主要包括三大类：工业用钢

铸铁

有色金属

金属材料

黑色金属有色金属

铸铁碳钢

合金钢

铝合金

铜合金其它有色金属

非金属材料

高分子材料

陶瓷材料复合材料塑料橡胶

合成纤维第一章材料的性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。神舟一号飞船工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。五万吨水压机外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。

二、强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

s0.2屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。

抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：

伸长率：断面收缩率：拉伸试样的颈缩现象四、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。五、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB布氏硬度计五、硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕（二）、材料的物理性能物理性能密度熔点热膨胀性导热性导电性磁性（三）、材料的化学性能化学性能耐腐蚀性高温抗氧化性（四）、材料的工艺性能工艺性能铸造性可锻性焊接性切削加工性§1、2常用金属材料

金属材料主要包括三大类：工业用钢

铸铁

有色金属一、钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）钢的分类：1）以含碳量分（按碳的质量分数ωC%）低碳钢(ωc≤0.25%)中碳钢(0.25%≤ωc≤

0.6%)高碳钢(0.6%<ωc≤

2.11%)2）以化学成份分（按合金成份）碳素钢（以Fe、C成份为主）合金钢（除Fe、C外，还有其它合金元素）3）以钢的品质分（按有害杂质S、P含量）普通钢（ωs≤0.05%;ωp≤0.045%）优质钢（ωs≤0.04%;ωp≤0.04%）高级优质钢（ωs≤0.03%；ωp≤0.035%）4）以钢的用途分（按行业使用）结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）

5）按冶炼时脱氧程度分沸腾钢（不脱氧F）镇静钢（脱氧完全Z）半镇静钢（脱氧不完全b）介绍钢的成份、使用特点及应用、牌号：（一）结构钢牌号：1、普通碳素结构钢字母Q+屈服点数值(Mpa)+质量等级。表示普碳结构钢共分195、215、235、255、275五种。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。如：Q235A；Q215B；成份：ωC=0.06∼0.38%,S、P含量较高，不需热处理。特点与应用：Q195、Q215钢：塑性和韧度好，制造薄板、冲压件和焊接件；Q235钢：强度较高，制造钢板、钢筋、农业机械用钢和不重要的机械零件，拉杆、连杆和转轴。Q255、Q275钢：强度高，质量好制作建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接件。2、优质碳素结构钢牌号：由两位数字组成表示碳的平均万分含量（常用：08∼85）如45（表示ωC≤0.45%的优质碳素结构钢）当ωMn=0.7∼1.2%时，在数字后加Mn如65Mn（表示ωc=0.65%,ωMn=0.7∼1.2%的优质碳钢）。成份：ωC=0.08∼0.85%,S、P含量较低，通常经热处理后使用，以发挥其性能潜力。特点与应用：10—25钢：有较好的塑性、韧度、焊接性和冷成型性，主要用于各种冲压件和焊接件。30—55钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。65—85钢：有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。3、合金结构钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均万分含量元素平均百分含量：<1.5%不标记，表示所含合金元素的名称如：20Cr（表示ωc=0.2%,ωCr<1.5%的合金结构钢)如：38CrMnAl（表示ωc=0.38%,ωCr、ωMnωAl的含量均<1.5%的合金结构钢)如：60Si2Mn（表示ωc=0.6%,ωSi=1.5∼2.49%，的ωMn<1.5%的合金结构钢)成份：ωC=0.1∼0.7%,加入了Cr、Mn、Si、Ni、Ti、V等合金元素，热处理后使用。特点与应用：20Cr、20MnTi、20Cr2Ni4：有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，用于受冲击载荷的重要零件。40Cr、40CrMn、38CrMnAl

：有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重要零件。55Si2Mn、60Si2Mn：具有高屈强比，高疲劳强度，高弹性极限和韧性，用于弹簧等零件。*滚动轴承钢

是合金结构钢中的一类专门用钢。牌号：字母G+合金元素+数字表示滚动轴承用钢表示所含主要合金元素的名称如：GCr9（表示ωCr=0.9%的滚动轴承钢)只标出铬元素平均千分含量，其它不标记，如：GCr15SiMn（表示ωCr=1.5%的滚动轴承钢)成份：ωC=1∼1.15%,加入了Mn、Si等合金元素，热处理后使用。（二）工具钢1、碳素工具钢牌号：字母T+数字+质量级别表示工具钢表示碳的平均千分含量（7∼13）

末尾标，表示是高级优质如T7（表示含碳量为ωC≈0.7%的碳素工具钢）；如T10（表示含碳量为ωC≈1.0%的碳素工具钢）；成份：ωC=0.65∼1.35%,有少量的Si和Mn，热处理后使用。特点与应用：T7——T13:有一定的硬度和耐磨性，但热硬性和韧度较差，用于低速工具（如凿子、木工具、剪刀、冲头、丝锥、锉刀、刮刀、冷冲模具等）。2、合金工具钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量,>1%不标记表示所含合金的名称元素平均百分含量：<1.5%不标记，成份：ωC=0.3∼1.7%,加入了Cr、Mn、Si、Mn、W、V等合金元素，热处理后使用。如：9CrSi（表示含碳量为ωC≈0.9%，ωCr<1.5%的ωSi<1.5%合金工具钢）；如：CrWMn（表示含碳量为ωC>1%，ωW<1.5%的ωMn<1.5%合金工具钢）；如：3Cr2W8V

（表示含碳量为ωC≈0.3%，ωCr≈2%的ωW≈8%，ωV<1.5%合金工具钢）；特点与应用：9CrSi、9Cr2：量具刃具钢（丝锥、钻头、铣刀、手术刀、量规、冷冲模等）；Cr12MoV、CrWMn：冷模具钢；5CrNiMo、4Cr5W2VSi：热模具钢;W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：高热硬性，用于刀具等。*高速工具钢（锋钢）是合金工具钢中的一类专门用钢。（表达特殊）

ωC<1.0%ωw=18%ωCr=4%ωV<1.5%（三）特殊性能钢1、不锈钢（主要合金元素为Cr和Ni）牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量，<0.08%时用0表示表示所含合金的名称元素平均百分含量如：1Cr13（表示ωc≈0.1%,ωCr≈13%的不锈钢)；如：1Cr18Ni9（表示ωc≈0.1%,ωCr≈18%，ωNi≈9%的不锈钢)；如：2Cr13（表示ωc≈0.2%,ωCr≈13%的不锈钢)；成份：ωC<0.45%,有较高含量的Cr和Ni。特点与应用：铬不锈钢（如1Cr13、3Cr13）：随含碳量增加，强度、硬度上升，韧度、耐腐蚀性下降。用于水、蒸汽、硝酸等弱腐蚀性场合，如汽轮机、水压机的零件，医疗器械，食品设备。铬镍不锈钢（如1Cr18Ni9）：耐腐蚀性、塑性、韧性、焊接性优良。用于腐蚀性较大的酸碱、有机酸等化工设备、管道以及医疗器械。2、耐热钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量，<0.08%时用0表示表示所含合金的名称元素平均百分含量<1.5%不标记，如：4Cr10Si2Mo（表示ωc≈0.4%,ωCr≈10%，ωSi≈2%，ωMo<1.5%的耐热钢)；如：5Cr2Mn9Ni4N（表示ωc≈0.5%,ωCr≈2%，ωMn≈9%，ωNi≈

4,ωN<1.5%的耐热钢)；如：0Cr13Al（表示ωc<0.08%,ωCr≈13%，ωAl<1.5%的耐热钢)；特点与应用：抗氧化钢（如3Cr18Mn12Si2N）：

Cr、Si、Al等合金元素，容易在钢表面形成稳定的氧化物保护膜。主要用于800∼1000℃的锅炉加热、内燃机等设备零件。热强钢（如4Cr10Si2Mo）：

Ti、Nb、V、W、Mo、Ni等合金元素，可提高钢的高温强度。主要用于高温高载荷的汽车发动机、气轮机等机器中的零件。ωC<0.45%,加入Cr、Si、Al或

Ti、Nb、V、W、Mo、Ni等合金元素。成份：牌号：字母+数字—数字表示钢片的轧制方法表示钢片“铁热损值”×10后的值表示钢片的磁化频率比如：JDR540—5050Hz的磁化频率铁损值为5.4热轧DQ133—30冷轧有取向DW133—30冷轧无取向3、软磁钢（硅钢片）成份：钢中ωSi=1∼4.5%,含杂质较少。特点与应用：有较高的磁通性能，主要用于变压器中的硅钢片。（四）铸钢牌号：字母ZG+数字—数字表示铸钢表示抗拉强度σb（Mpa）表示屈服点σs（Mpa）成份：可分为铸造碳钢、铸造低合金钢、铸造高合金钢。一般ωC=0.2∼0.6%,铸造合金钢中加入了Cr、Mo、Si、V等合金元素.如ZG230—450（表示含碳量屈服点为σs=230MPa,抗拉强度为的σb=450Mpa的碳素铸钢）；特点与应用：

由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难以切削加工、尺寸大，难以锻造加工的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。二、铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）1、白口铸铁牌号：无牌号标记成份：ωC=2.11∼6.69%,碳以Fe3C（化合物）的形式存在，并含有Si、Mn、P、S等杂质特点与应用：断面呈白色，性能硬而脆，不能切削加工，一般不用来制造机械零件，主要用作炼钢的原料。2、灰口铸铁牌号：字母HT+数字表示灰口铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）如：HT150(表示最低抗拉强度为σb=150MPa的灰口铸铁）；成份：ωC=2.8∼4.0%,有一定含量的Si、Mn及杂质。在钢的基体上分布着片层状石墨（碳）组织，断面呈灰色。特点与应用：强度、塑性、韧性不如钢，软而脆；片层状石墨上的微裂纹尖端会产生应力集中，故抗压强度高，抗拉强度低。有良好的耐磨性、减震性和切削性；石墨有自润滑作用。常用于床身、机架、底座、箱体、壳体、导轨、缸体、活塞环、带轮等零件。3、可锻铸铁牌号：字母KTH(KTZ)+数字—数字KTH表示“黑心”可锻铸铁KTZ表示“珠光体”可锻铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）表示最低伸长率δ（%）如：KTH300—06(表示最低抗拉强度为σb=300MPa，δ=6%的黑心可锻铸铁）；如：KTZ450—04(表示最低抗拉强度为σb=450MPa，δ=4%的珠光体可锻铸铁）；成分：ωC=3.8∼4.0%,有一定含量的Si、Mn及杂质。在白口铸铁基础上经“可锻化处理”（长时高温退火），在钢的基体上分布着团絮状石墨（碳）组织。特点与应用：黑心可铁：塑性、韧性高、强度低。珠光体可铁：强度、硬度和耐磨性较高；团絮状石墨对基体割裂作用小，宜制造形状复杂，要求一定塑性、韧性，承受冲击和震动的薄壁铸件。如汽车、拖拉机零件、管道、阀门等。4、球墨铸铁牌号：字母QT+数字—数字表示球墨铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）表示最低伸长率δ（%）如：QT400—18(表示最低抗拉强度为σb=400MPa，δ=18%的球墨铸铁）；成分：ωC=3.8∼4.0%,有一定含量的Si、Mn、Mg及杂质。在浇注前加入球化剂，在钢的基体上产生球状石墨（碳）组织。特点与应用：球状石墨对基体的割裂作用小，综合力学性能较高，并具有良好的减震性和耐磨性，有些性能指标接近.于钢。可代替部分钢和合金钢制造一些受力复杂、强度韧性和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗杆、伐门、机座、汽车后桥等。三、有色金属——除钢铁（黑色金属）以外的其它金属材料。1、铝及铝合金（1）纯铝旧牌号：L1、L2、L3、L4、----序号越大，纯度越低新牌号：1070、1060、1050、1040、----纯度依次降低特点及应用：轻，密度低→配置铝合金导电导热性好→导线、电容抗大气腐蚀→包覆材料加工性能好→包装材料强度低→不能作为承受载荷的结构材料应用（2）铝合金牌号：LF2（防锈）、LY11（硬铝）、LC3（超硬铝）LD5（锻铝）----（旧）变形铝合金（新）变形铝合金5A02（防锈）、2A11（硬铝）、7A03（超硬铝）2A50（锻铝）----铸造铝合金（代号）ZL╳╳╳铝合金组别（表示除铝以外的主要合金）A表示原始合金,其它字母为改型合金区分同组的不同合金表示所含合金成分特点及应用：

铝锰合金（防锈铝合金）：抗蚀性高，塑性好。应用于油箱、油管（罐）、铆钉等。铝铜合金（又称硬铝）：强度较高，塑性好。主要用于飞机构件，如飞机蒙皮、螺旋桨、叶片等重要零件。铝锌合金（超硬铝）：强度很高，耐热性、抗蚀性差。应用于飞机大梁、起落架等主要受力构件。铝镁合金（锻铝合金）：塑性好、易于压力加工。应用于航空工业中的管道、铆钉等。

变形铝合金：制成各种型材、棒料、板、管、线、箔等。

铸造铝合金（以硅和铝元素形成的铝合金称作“硅铝明”）：力学性能不如变形铝合金，铸造性能好，用于生产形状复杂，或体积很大的零件。

简单硅铝明ZL102（ZALSi12）：铸造性能好，强度低，用于形状复杂、受力不大的零件，如仪表外壳等。

复杂硅铝明（在AL—Si基础上加入其它合金元素Cu,Mn,Ni,Mg等）：铸造性能好，有较高的强度和耐磨性、耐热性。用于制造形状复杂中等强度的零件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片、液压泵壳体等。2、铜及铜合金（1）纯铜（紫铜）牌号：T1、T2、T3、T4、----序号越大，纯度越低特点及应用：玫瑰红色,表面形成氧化膜后呈紫色,故一般称为紫铜。有良好的导电性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。（2）铜合金（a）黄铜（铜锌合金）牌号：普通黄铜：H××平均含铜量的