第2章-常用的工程材料(碳钢、有色金属)

第二章常用工程材料前言

工程材料是构成机械的物质基础。机械的性能取决于其使用的材料.用于机械制造的材料有上千种,要想在众多材料中作出正确的选择。既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。只有了解这些材料，认识这些材料。材料分类

金属非金属复合材料碳钢合金钢铝合金铜合金钛合金钢铁有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料电子材料+++++++++++++++++++++++1.金属的晶体结构

金属原子按一定几何规律作周期性的排列，原子间以金属键的形式结合。材料结构及其特性

(a)(b)(c)2.常见金属的晶体结构钢的分类按化学成分分类非合金钢（碳素钢）低合金钢合金钢按碳含量Wc低碳钢：<0.25%中碳钢：0.25~0.60%高碳钢：>0.60%按质量普通质量碳钢：优质碳钢：特殊质量碳钢：按用途非合金钢分类碳素结构钢：碳素工具钢：碳素铸钢：金属材料

1.非合金钢(碳钢)碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳，含量在0.1～1.3%之间。由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元素。杂质元素和合金元素在钢中的作用钢中的元素杂质元素：

钢中除Fe、C两种主要组成元素外。合金元素：

因冶炼等原因，钢中不

可避免地存在的一些元素。

为改善钢的性能，冶炼

时有目的地加入钢中的元素。不管是杂质元素、还是合金元素，都会对钢的组织和性能产生影响。一、杂质元素对钢性能的影响钢中的常存杂质元素Mn、Si、S、P1、Si的作用来

源有益作用有害影响炼钢时加入的脱氧剂。能消除FeO夹杂对钢的不良影响，少量能溶入F中起固溶强化作用，提高钢的强度、硬度及弹性。过多会造成塑性下降，冲击性能变差。有益元素2、Mn的作用来

源有益作用有害影响炼钢时加入的脱氧剂。能与S化合形成MnS，减轻S的有害影响；少量能溶入F中起固溶强化作用。过多会造成塑性下降。有益元素3、S的作用来

源有益作用有害影响炼钢原料和燃料。在钢中形成FeS,FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体

分布在晶界上，使得对钢进行热加工时容易脆化开裂，这种现象称为热脆。有害元素4、P的作用来

源有益作用有害影响炼钢原料和燃料。引起钢的塑性和韧性急剧下降，尤其在低温时脆性更大，这种现象称为冷脆。有害元素少量能溶入F中，使强度、硬度显著提高。杂质元素总结：元素有益与有害是相对的：硅、锰虽有益，但也不是多多益善；硫、磷虽有害，应该严格控制含量。按质量普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢按主要性能及特性可焊接的低合金高强度结构钢低合金耐热钢低合金钢筋钢低合金钢分类铁道用低合金钢，等按质量优质合金钢特殊质量合金钢按主要性能及特性工程结构用合金钢机械结构用合金钢不锈、耐蚀和耐热钢合金钢分类工具钢轴承钢特殊性能钢非合金钢（碳钢）碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢三、碳素结构钢：Q×××AF屈服点屈服点s的值质量等级：A、B、C、D、E脱氧方法沸腾钢F半镇静钢b镇静钢Z特殊镇静钢TZ例：Q235AF

表示屈服点为235MPa、质量为A级的碳素结构钢，是沸腾钢。Q285B

表示屈服点为285MPa、质量为B级的碳素结构钢，是镇静钢，省略Z。碳素结构钢成

分热

处

理性

能典型牌号含碳量较低，Wc<0.30%正火，使用时不进行热处理。较高的强度，良好的塑性与韧性；并具有良好的焊接性。

Q235如表2-4（P40）Q195、Q215、Q235、Q255、275一般桥梁、建筑结构，普通机械零件，如螺钉、螺母等。可用于受力较大的机械零件，如链轮、拉杆等。应

用四、优质碳素结构钢：

用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。例：45

——表示平均碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。08F

———表示Wc为0.08%的优质碳素结构钢，属沸腾钢。65Mn

———表示Wc为0.65%、含锰量较高（WMn=0.9~1.2%)的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢成

分热

处

理性

能典型牌号Wc=0.05-0.85%，多数为低中碳成分，少数高碳。一般使用时必须进行热处理。较高强度，较好塑性与韧性。性能变化范围较大。

45如表2-5（P40）08F、20、45、65冷冲压件，如汽车和仪表外壳、容器、罩子等。冷冲压件、焊接件和标准件、渗碳件等零件。调质件：机床齿轮、机床主轴、曲轴、连杆等重要零件。弹性件和耐磨件：小尺寸弹簧、低速车轮等应

用五、碳素工具钢：

T（“碳”）+两位数字（表示钢中平均碳的质量分数的千分数）。例：T8

——表示平均碳质量分数为0.8%的碳素工具钢。T12A

——表示平均碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢成

分热

处

理性

能典型牌号Wc=0.70-1.30%，高碳钢必须经淬火回火处理。高的硬度、强度，良好的耐磨性，一定的塑性与韧性。

T8、T10、T12A各类手工工具和低速工具。如表2-6（P41）T7、T8、T10、T12、T13A承受振动、冲击的工具，如冲头、大锤、木工工具。用于需要较高耐磨性和一定韧性的工具，如手工锯条、剪金属用剪刀。不受振动和冲击的耐磨工具，如丝锥、锉刀、乔刀、板牙、量具等。应

用六、铸造碳钢：

ZG+两组数字（分别表示最小屈服点和最小抗拉强度）。例：ZG310-570

——表示最小屈服点为310MPa、最小抗拉强度为570MPa的铸造碳钢。铸造碳钢成

分热

处

理性

能典型牌号Wc=0.20-0.60%，低中碳铸造成形，经热处理后使用。较高的硬度、强度和塑性、韧性，即综合力学性能较好。

ZG200-400如表2-7（P42）ZG200-400、ZG270-500、ZG310-570用于受力不大，要求良好塑性和焊接性的零件，如机座、变速箱壳体。用于受力较大的复杂零件，如轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体。强度和耐磨性较好，但韧性、焊接性降低。用于重载齿轮、制动轮。应

用碳由于碳钢成本低，是通常制造各种构件的基本材料。但是，碳钢有以下局限性：(1)碳钢的强度很难超过690MPa，除非塑性和韧性有明显的下降。(2)厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织，即不能淬透。(3)碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。2.合金钢铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，抗腐蚀性和抗氧化性也好。合金钢分类1.按合金元素的含量分低合金钢合金元素总含量＜5%中合金钢合金元素总含量5-10%高合金钢合金元素总含量＞10%2.按主要用途分合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢普碳、优碳、工具钢合金钢的牌号、成分、性能40#、Q295,40Cr,20CrMnTi、T8钢的碳含量和用途？钢铁材料的编号方法（一）普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。例：Q235A·F其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母；235表示钢材厚度≤16mm时的屈服点值不小于235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级，F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。钢铁材料的编号方法（二）优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数，用两位数字表示。例如平均碳含量为0.45%的钢，其牌号表示为45。高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。钢铁材料的编号方法（三）碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例如：T10钢表示平均含碳量为1.0%的碳素工具钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一个“A”字，如T10A。钢铁材料的编号方法（四）

合金钢编号方法用汉字或化学元素符号代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位，用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含量以千分之一为单位，用一位数字表示。合金元素以百分之一为单位，当含量小于1.5%时，一般不标出含量。

例如：牌号为30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高级优质钢。(2)按主要用途分:合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢合金结构钢

1.普通低合金钢

普通低合金钢是一种含碳量较低(＜0.2%，合金元素总含量一般在3%以下以锰为主要元素的低碳合金钢。主要用于制造桥梁、船舶、车辆、容器、管道和建筑结构件。通常是在热轧（zha））成型材经正火状态下使用，不热处理。这类钢的强度显著高于相同含碳量的碳素钢，并有较好的塑性、韧性、焊接性及耐蚀性。Q295--桥梁，车辆，容器，油罐。(注：Q295以上为低合金结构钢)

2.合金结构钢

合金结构钢含碳量为中碳，合金元素总含量较高，力学性能好，应用广泛。一般都要经过热处理，以充分发挥其性能。

40Cr--重要调质零件．如齿轮、轴、曲轴、连杆、螺栓等，表面淬火HRＣ48-55

有色金属

除钢、铸铁之外的金属叫有色金属。工程中常用的有色金属有铝、铜、镁、钛金属及其合金等。有色金属材料（一）铝合金比重小，比强度高。在空气中的抗蚀性好。容易加工。用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱翼梁、螺旋桨叶、起落架等。也常用于汽车、摩托车、家用电器、建筑等。有色金属材料（二）钛合金比强度高。抗蚀性好。耐高低温。难加工。价格昂贵。航空航天中，应用广泛。用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零部件。如发动机压气机盘、叶片，蒙皮等。液体燃料火箭的储氢罐也是钛合金制造的，其工作温度为-253℃。许多民用领域如氯碱化工业及海水用泵、阀、管道、换热器、冷凝器等，也广泛采用钛合金，并取得了良好的经济效益。有色金属材料（三）铜合金机械性能好摩擦系数小在空气环境下具有良好的抗蚀性。容易加工。滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件。有色金属的编号方法（一）变形铝合金：1.防锈铝合金LF：LF12.硬铝合金LY：LY113.超硬铝合金LC：LC94.锻造铝合金LD：LD5铸造铝合金：ZALSi12 含硅12%的铸造铝合金。 代号：ZL102有色金属的编号方法（二）铜合金：1.紫铜（纯铜）T1，T2，2.黄铜：铜锌合金。H623.青铜：其他铜合金。QSn10-1。

比较名称密度（g/cm2)比强度（单位密度下材料的强度）Al2.7500-700/2.7Ti4.511200/4.51Mg1.74250-300/1.74钢7.85700-1200/7.85铸铁铸铁是含碳量在2.11%以上，并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。常见铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、合金铸铁和球墨铸铁。灰口铸铁应用较多，其的抗拉强度比钢低得多，但是铸铁中有石墨，能有效地吸收震动能量。因石墨有润滑作用，使铸铁有良好的耐磨性和减磨性。铸铁价格便宜，好加工。6.5非金属及复合材料

高分子---分子量特别大的一类化合物，高分子的分子量高达几万-上百万。一个高分子中包含成千上万个原子，原子之间以共价键连接。天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。酚醛塑料-1907年问世的第一个高分子材料。高分子的化学组成：

1组成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等2以许多简单的重复单元连接例：聚乙烯CH2-CH2-CH2-……….重复单元-CH2-CH2-也叫做链节高聚物的力学状态

线形非晶态高聚物的热机械曲线1.塑料-

塑料是由聚合物为基础添加各种助剂而成的混合体系。塑料组成树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其它组分，对塑料的性能起决定性作用。填充剂：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以显著地降低成本。增塑剂:增加材料塑性。固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。其它诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等.

塑料分类通用塑料、工程塑料、功能塑料通用塑料-产量很高、价格低廉、应用范围很广泛。聚乙烯（PE）（CH2-CH2)

（结构单元）聚氯乙烯（PVC）CH2-CH（结构单元）

Cl聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。

工程塑料工程塑料-强度、刚度和韧性好，耐高温、耐辐照、耐腐蚀，能在机械设备和工程结构中应用的一类塑料。

OH聚酰胺CN尼龙聚甲醛、聚碳酸脂ABS塑料-丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S的三元共聚物。2.橡胶

橡胶-在宽阔的温度范围内有良好高弹性的高分子材料。由柔性高分子量线形高分子链，经硫化组成，

HCH3HH

CCCC

HSSH它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的弹性材料、密封材料和减震材料。

橡胶组成(1)生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业用橡胶材料。(2)硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是硫磺。(3)软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度，常用的是凡士林等油酯类。(4)补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果最好的补强剂是碳黑。此外还有硫化促进剂、填充剂、防老化剂、着色剂等。橡胶分类

橡胶种类繁多，若以原料来区分，有天然橡胶与合成橡胶，按合成橡胶性能及用途又可分为通用橡胶及特种橡胶。几种橡胶的性能丁苯橡胶δ：400-500%氯丁橡胶δ：100-800%硅橡胶δ：600%金属δ：10%

6.5.3陶瓷

属于无机材料。由金属元素和非金属元素通过化合键结合在一起。Al2O3TiO2CaF2常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶(晶须)、纤维、薄膜及超细粉体等。用纯度较高的人工合成原料制造的，能满足高温、高强、功能性等要求的特种陶瓷。增韧与提高高温断裂强度是发展陶瓷的两大难题。

6.4.6复合材料

由两种或更多性质不同的材料复合而成，性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。复合材料中主要起增强作用的叫强化相；主要起粘接作用的叫基体。按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠复合

天然复合材料骨骼---柔软的胶原蛋白和又硬又脆的矿物质磷灰石木材----柔软的纤维素和刚硬的木质素常用复合材料(1)纤维增强复合材料：常用纤维增强复合材料有玻璃纤维增强复合材料、碳纤维复合材料等。玻璃纤维增强复合材料：玻璃拉成纤维后，比强度和比模量均高于钢。以玻璃纤维和塑料基体复合，组成玻璃纤维—树脂复合材料，俗称玻璃钢。玻璃钢的比强度高，可超过高级合金钢，耐蚀性、介电性高，加工成型性好，但刚度差、易变形、耐热性差、易老化和易蠕变。玻璃钢主要用于自重轻的受力构件，如汽车和机车车身、轻型船体、飞机螺旋桨等以及耐腐蚀结构件，如化工管道、阀门等。碳纤维复合材料

碳纤维的抗拉强度高于玻璃纤维，弹性模量是玻璃纤维的4—6倍，它的高温性能也很好。碳纤维—树脂复合材料是目前比强度和比模量最高的复合材料，它的抗冲击性能、减摩耐磨性能、耐蚀性及耐热性都很优良。碳纤维复合材料目前主要用于制作承载、耐磨、耐腐蚀零件，如齿轮、连杆、轴承、密封圈、活塞、化工泵体、管道、容器等制作。此外，它还用于制作航空航天的构件，如飞机尾翼、起落架，发动机的压气机叶片，火箭喷嘴等。层合复合材料和颗粒复合材料

SF型三层复合材料：以钢板为基体。烧结铜网或多孔性青铜为中间层，塑料为表面层的一种自润滑材料。常用于表面层的塑料为聚四氟乙烯(SF-1型)和聚甲醛(SF-2型)，目前已用于汽车、矿山和化工机械方面。颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料。如混凝土是非金属—非金属复合材料，常用的硬质合金是WC、TiC陶瓷和Co金属组成的陶瓷—金属复合材料。复合材料的性能特点(1)比强度、比模量高：如碳纤维增强塑料的比强度是钢材的七倍，比模量是钢材的三倍。(2)疲劳强度高：如碳纤维增强塑料的疲劳强度是拉伸强度的70％-80％，而金属材料的疲劳强度只有拉伸强度的40％-50％。(3)抗