电梯专业基础2-工程材料

专业基础—工程材料工程材料专业是关于工程材料的结构、组织与性能的基本理论和基本规律的学科。主要内容：

1.工程材料的分类；

2.金属材料的力学性能；

3.钢材的类别、编号及特点；

4.钢材的热处理；

5.金属材料的成形方法及其特点；

6.电梯常用非金属材料性能及特点。工程材料工程材料第一章工程材料的分类一、材料的概念及性能工程材料是指能为人类制造有用器件的物质。其性能包括工艺与使用性能。1.工艺性能：在冷热加工过程中所表现的性能，包括锻/铸造、焊接、切削加工及热处理性能等；2.使用性能：在使用条件下所表现的性能，包括材料的物理、化学和力学性能等。2通常根据化学成份分类：1.金属材料：黑色金属（如：钢、铸铁、铁合金）、有色金属（黑色金属以外的所有金属及合金，如Cu、Al等）；2.非金属材料：无机材料(陶瓷、玻璃)；高分子材料(塑料、橡胶、纤维等）；3.复合材料：两种或两种以上不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的材料。工程材料3二、材料的分类一、拉伸试验工程材料第二章金属材料的力学性能1）弹性阶段ob（oa阶段的应力与应变成正比）2）屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）3）强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）4）局部径缩阶段ef

41.弹性：金属材料在外力作用下产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的能力。随外力消失而消失的变形称为弹性变形。2.刚度：抵抗材料弹性变形抗力的大小，以弹性模量E的大小表示。使用时如果材料刚度不足弹性变形过大而失效。

3.屈服强度：①对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点（下屈服强度σs）。②对于没有明显屈服极限的材料，产生0.2%塑性变形时所需的应力，用σ0.2表示。工程材料5二、静态力学性能4.抗拉强度(强度极限):表征材料在拉伸条件下所能担负的最大负荷的应力值，即σb。5.塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力，一般用断后伸长率和断面收缩率来表示。（参力学部分）6.硬度：材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，通常硬度越高耐磨性越好。7.强度:指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。主要包括：弹性极限、屈服强度和抗拉强度。

工程材料6二、静态力学性能1.

韧性：是强度和塑性的综合表现，是材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。（1）冲击韧性：材料抵抗外力瞬间冲击载荷的能力，习惯上用材料遭到破坏时单位面积所吸收的功来表示。（2）多冲抗力：在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次数。（3）应用：仅在冲击次数很少的大能量冲击载荷作用下，材料的冲击抗力主要取决于冲击韧性；而冲击能量不大，材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。工程材料7三、动态力学性能2.疲劳强度：被测材料抵抗交变载荷（大小、方向重复循环变化的载荷）的性能。无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂均不产生明显的塑性变形；机器中的零部件疲劳失效率达60%～70%。工程材料8

含碳量低于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，为保证韧性，通常碳钢含碳量都小于1.4%；

含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金称为铸铁。工程材料9第三章钢材的类别、编号及其特点一、钢的分类1.按化学成份分

中碳钢0.25～0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5～10%高合金钢

合金元素总量10%碳素钢合金钢工程材料10钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152.按质量分以磷（冷脆）、硫（热脆）的含量划分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：工程材料113.按用途分

工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢工程材料12二、钢的编号1.基本规则我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。工程材料132.常用钢的编号方法（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾工程材料3.钢铁及合金的统一数字代号(GB/T176256—1998)钢铁及合金的类型统一数字代号钢铁及合金的类型统一数字代号合金结构钢A×××××杂类材料M×××××轴承钢B×××××粉末及粉末材料P×××××铸铁、铸钢及铸造合金C×××××快淬金属及合金Q×××××电工用钢和纯铁E×××××不锈、耐蚀和耐热钢S×××××铁合金和生铁F×××××工具钢T×××××高温合金和耐蚀合金H×××××非合金钢U×××××精密合金及其他特殊物理性能材料J×××××焊接用钢及合金W×××××低合金钢L×××××工程材料4.碳钢的编号方法分类编号方法举例碳素结构钢编号：“Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号”Q—“屈服强度”，单位是MPa;（钢材厚度或直径不大于16mm）A、B、C、D、E—质量等级，由A到E，其P和S含量依次下降，质量提高；F—沸腾钢，Z—镇静钢，b—半镇静钢，TZ—特殊镇静钢。Q235-A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢优质碳素结构钢（1）两位阿拉伯数字表示平均含碳量的万分数。（2）高级优质碳素结构钢在优质钢牌号后加A，如45A等；（3）含锰量为0.7%～1%的碳素钢在数字后加Mn。如60Mn钢号45表示平均含碳量0.45%的优质碳素结构钢；工程材料4.碳钢的编号方法(续)分类编号方法举例碳素工具钢T—碳，后面数字表示钢平均含碳量的千分数；高级优质工具钢在优质钢牌号后加“A”或”Mn”。T8;T8A一般工程用铸造碳钢ZG—铸钢，其后第一组数字为屈服强度，第二组数字为钢带抗拉强度ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢工程材料5.合金钢的编号方法分类编号方法举例低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号（A—E）Q345C表示：屈服强度为345MPa，质量等级为C级合金结构钢（1）数字（含碳量，万分数）+化学元素符号+数字（合金元素含量，百分数），含量不大于1.5%时一般不标数字；若为高级优质钢则在后面加A。（2）易切削钢前标Y。（3）滚动轴承钢前标G，含铬量以前分量表示。60Si2Mn表示：平均含碳量0.6%，平均含Si量2%，平均含锰量不大于1.5%。Y40Mn表示：含碳量约0.4%，含锰量不大于1.5%的易切削钢。GCr15SiMn表示：平均含Cr量1.5%、硅锰平均含量小于1.0%的滚动轴承钢工程材料5.合金钢的编号方法（续）分类编号方法举例合金工具钢为避免与结构钢混淆，平均含碳量不小于1.0%时不标出，小于1.0%时以千分数表示；高速钢例外，其平均含量小于1.0%时也不标出；合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同5CrMnMo表示：Cr、Mn、Mo的平均含量小于1.5%，碳的平均含量为0.5%；CrWMn表示：Cr、W、Mn的平均含量小于1.5%，碳的平均含量不小于1.0%。特殊性能钢平均含碳量以千分数表示；平均含碳量不大于0.03%及0.08%时，钢号前分别冠以00及0表示；合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同2Cr13表示：Cr的平均含量为13%，碳的平均含量为0.2%工程材料三、部分钢种的成分特点

类别含碳量范围主要合金元素质量牌号举例结构钢普通碳素钢低中≤0.6%——普通Q235低合金高强度钢低0.2%Mn等普通Q345（16Mn）渗碳钢低0.1%～0.25%碳钢优质15、20合金Cr、Mn、Ti等20Cr调质钢中0.3%～0.5%碳钢优质35、40Mn合金钢Cr、Mn、Si、Ni、Mo等优质或高级优质40Cr、35CrMo铸钢低中0.12%～0.62%ZG200-400工程材料三、部分钢种的成分特点（续）类别含碳量范围主要合金元素质量牌号举例工具钢碳素工具钢高0.7%～1.3%——优质或高级优质T8高速钢高0.7%～1.65%Cr、Mo、W、V等，总量>10%高级优质W18Cr4V不锈钢低中≤0.4%Cr、Ni大量Cr13型特殊钢耐磨钢高0.9%～1.3%Mn（大量）ZGMn13工程材料四、碳钢和合金钢的特点1.碳钢的特点（1）强度、硬度主要取决于含碳量；（2）淬透性低、回火温度性差，应用受到限制；（3）在高温或低温下性能会显著变低；（4）价格便宜，成形工艺和热处理工艺较简单，使用较为广泛。工程材料22四、碳钢和合金钢的特点2.合金钢的特点（1）比碳钢具有更高的强度和韧性；（2）淬硬性能主要取决于含碳量；（3）有的合金钢具有高度热硬性及其他特殊性能；（4）价格较贵，成形工艺和热处理工艺较复杂，多用于尺寸大、形状复杂、要求强化性能高、精度高及其他有特殊要求的零件。工程材料23合金元素对铁素体冲击韧性影响合金元素对铁素体硬度影响五、合金元素在钢中的作用1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体。Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。工程材料242、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Zr、Nb、VW、Mo、CrMn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素工程材料253、对C曲线和淬透性的影响

除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。4、满足材料的一些特殊性能

如加入合金元素形成单相组织,在表面形成致密的氧化膜等来形成不锈钢。合金钢中常用的合金元素有锰、硅、钛、镍、铝、钨、钒、钴、铝、稀土等。工程材料26（一）碳素结构钢1.成分：平均含C

<0.4%，P、S量较多。2.性能：可焊性、塑性好。3.热处理：热轧空冷态下使用。4.用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%。广泛用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。热轧钢板六、结构钢特征工程材料27（二）低合金高强度结构钢1、性能要求:⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。

2、成分特点：低碳(≤0.2%C)、主加Mn①Mn:强化铁素体,增加珠光体的量,降低脆转温度。②V、Ti、Nb:起细化晶粒和弥散强化作用。③Cu、P可提高耐蚀性，RE可提高韧性、疲劳极限。工程材料28压力容器南京长江大桥3.热处理：热轧空冷后使用4.用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。工程材料29（三）渗碳钢—制造渗碳零件的钢种1、性能要求：⑴表硬里韧⑵良好淬透性和渗碳能力。2、成分特点：低碳(0.1-0.25%C),加Cr、Mn、Ni、B等元素①Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性②Cr、Mn、Ni：强化铁素体③W、Mo、Ti、V：细化晶粒渗碳件渗碳回火炉工程材料303、常用钢号及用途（1）低淬透性钢：20、20Cr，用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。（2）中淬透性钢：20CrMnTi，用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。（3）高淬透性钢：18Cr2Ni4WA，用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

柴油机凸轮轴柴油机曲轴活塞销(20Cr)工程材料31（四）调质钢——调质后使用的钢种1.成分特点中碳(0.3～0.5%C)，合金元素作用为：①提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体：Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒：Ti、V④防止第二类回火脆性：W、Mo工程材料32圆锥齿轮柴油机凸轮轴2.性能：良好的综合力学性能。3.常用钢号及用途

常用钢号为45、40Cr、40CrNi。用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的40CrNiM等。

工程材料33特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢。七、特殊性能钢的特征工程材料341.不锈钢：在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。2.不锈钢中合金元素的作用（1）低碳：碳高，则降低耐蚀性（2）Cr：是提高耐蚀性的主要元素①形成稳定致密的Cr2O3氧化膜.②Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。③提高基体电极电位（服从n/8规律）。（3）Ni：获得单相奥氏体组织。Mo：耐有机酸腐蚀。（4）Ti、Nb：防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀。工程材料35一、基本概念1.热处理：通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其内部组织结构，以获得所需性能的一种加工工艺。2.热处理作用：改善材料力学性能、满足对材料的特殊性能。3.金属腐蚀：当金属与其周围的化学介质接触时，表面与化学介质发生化学的或电化学的作用，以极细的颗粒不断失落的过程。金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。工程材料36第四章钢的热处理3.热处理原理加热转变→奥氏体转变冷却转变珠光体转变贝氏体转变马氏体转变工程材料374.常见热处理工艺普通热处理表面热处理退火淬火正火回火表面淬火化学热处理工程材料385.加热和冷却时各相变点的位置Ac1、Ac3、Accm和Ar1、Ar3、Arcm为加热和冷却时的实际临界点（1）A1、A3、Acm是平衡条件下的临界点；（2）在A1临界点以下加热，钢件组织结构不发生相变；（3）在临界点以上加热，钢件部分或全部处于奥氏体状态；（4）奥氏体塑性好，变形抗力低，所以，通常把钢加热到奥氏体状态进行压力加工。二、钢的预备热处理工程材料39常见的制造工艺路线：预备热处理包括退火和正火，用于降低硬度、提高韧性、恢复塑性、消除残余应力等力学性能，便于材料的后续加工！

淬火

回火

工程材料40三、钢的最终热处理（1）概念：淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃获得奥氏体，保温一定时间后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体（或下贝氏体）的一种操作。（2）目的：获得马氏体（或下贝氏体）。为提高淬火后的钢韧性和所需力学性能，淬火后要进行回火。通过淬火和低温回火，可改善钢的强度、硬度、韧性及耐磨性等综合力学性能。工程材料411.淬火

（1）概念：回火是将淬火钢加热到临界点Acl以下的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。

目的：减少或消除应力、稳定组织和尺寸、获得要求的机械性能。（2）淬火钢在回火时的组织转变残余奥氏体转变200-300℃碳化物的转变250-400℃渗碳体聚集长大和α相再结晶400℃以上马氏体分解80-350℃工程材料422.回火

（1）淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，主要取决于合金元素的含量；（2）淬硬性：淬火时能达到的最高硬度值，主要取决于钢的碳含量；（3）回火稳定性：淬火后的回火过程中抵抗强度、硬度下降的能力，主要取决于合金元素，尤以Si、Cr、Mo等作用较显著。工程材料433.淬火钢的三大特性工程材料44四、金属材料的表面改性

感应加热表面淬火

火焰加热表面淬火

接触电阻加热表面淬火

电解液加热表面淬火

激光加热表面淬火工程材料45第五章金属材料成型一、金属冲压工艺方法及特点二、金属焊接工艺方法及特点三、金属气割工艺方法及特点一、冲压1.冲压：通过冲压模具和冲压设备实现塑性加工的基本方法之一，主要用于加工板料零件，所以又称为板料冲压。2.特点：（1）经济方面：省原材料、利用率高，操作工艺方便，生产效率高，便于机械化与自动化，单件成本低；但制模成本高，不适合单件和小批量生产。工程材料462.特点：（2）技术方面

—可以获得用其他加工工艺难以加工的各种形状复杂的零件与制品，但技术要求高；

—尺寸精度较高，质量稳定，互换性良好（一般IT8～10,最高达IT7）；

—在材料消耗不大的情况下，可获得强度高、刚度大、重量轻的零件。工程材料473.冲压工艺的工序和分类由于冲压加工的零件形状、尺寸、精度要求、批量大小、原材料性能等不同，当前在生产中所采用的冲压工艺方法也是多种多样的。但是，概括起来可以分为两大类：

——分离工序(shearing)——成形工序(forming)工程材料48冷冲压基本工序分类图冷冲压工序

分离工序成形工序冲裁弯曲拉深成形体积冲压剖切落料冲孔切口切边弯曲扭曲拉深起伏成形压印冲眼工程材料49

焊接:是利用加热或加压，借助于金属原子的结合与扩散，使分离的两部分金属牢固地、永久地结合起来的工艺过程。常用的焊接方法可分为熔焊、压焊和钎焊三大类。熔焊：气焊、手弧焊、埋弧焊压焊：电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊及高频焊钎焊：硬钎焊和软钎焊（被焊金属虽加热但不熔化）二、焊接工程材料50焊接优点：（1）工艺简单，操作方便；（2）减轻结构质量，节省金属材料；（3）焊接件的强度高、紧密性好、结构刚性较大；（4）方便多种金属、各种形状结构的连接，适应面广；（5）大幅降低所需锻件的质量等级并减小运输困难。焊接缺点：（1）焊接处多存在低温冷脆性问题；（2）易产生焊接应力与变形；（3）可拆性差。工程材料511.气割原理

气割是利用气体火焰的热量，将待切割处预热到一定温度后，喷出高速氧气流使其燃烧，以实现金属气割的方法。气割过程:预热→燃烧→吹渣其实质是：铁在纯氧中的燃烧过程,而不是熔化过程。三、气割工程材料522.特点（1）效率高。（2）比较经济。（3）气割设备轻便，携带方便。（4）切割尺寸精度低。（5）存在发生火灾及烧伤操作工的危险。工程材料53工程材料54第六章常用非金属材料一、润滑油二、胶粘剂三、涂料1.润滑:在相互接触、相对运动的两固体摩擦表面间，引入润滑剂（流体或固体等物质），将摩擦表面分开的方法。

2.润滑油作用:润滑，冷却，