第2章工程材料和热处理

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。第2章工程材料和热处理2.1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玻璃石材聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料电子材料2.2

材料的力学性能材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。工程材料的常用力学性能包括：强度、硬度、塑性、冲击韧度等。是指在外力作用下材料抵抗塑性变形

和断裂的能力。

低碳钢的拉伸曲线

2.2.1强度当材料受载荷作用时，单位面积上的内力称为应力(σ)。即：σ=F/A0(MPa)

1.弹性极限σe材料保持弹性变形时的最大应力

σe=Fe/A0

屈服强度是指材料产生屈服时的最小应力。它表达了材料抗塑性变形的能力。用σs表示。σs＝Fs/A0

式中：Fs-s点的最小载荷(N)；A0-试样原始横截面积(mm2)。2.屈服强度

3.抗拉强度是指材料所能承受的最大应力。它表征了材料抵抗断裂的能力。用σb表示。σb=Fb/A0式中：Fb-试样在断裂前的最大载荷(N)；A0-试样原始横截面积(mm2)。

2.2.2塑性塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是伸长率(δ)和断面收缩率(Ψ)。即：

δ=-----·100％；y=----·100％式中：l0-试样原标距长度(mm)；l1-试样拉断后标距长度(mm)；A0-试样原始横截面积(mm2)；A1-试样断裂处的横截面积(mm2)。l0

A0A0-A1l1-l0

2.2.3硬度

硬度是指材料的软硬程度。它表征了材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力，也就是抵抗硬物压入或划伤表面的能力。常用的硬度测定方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)等。布氏硬度(HB)

布氏硬度值是指材料压坑单位球面积上的抵抗力。其数值越大，则表示材料越硬。HBS(W)=（kgf/mm2）=

N/mm2

FA2F×9.8

πD(D-√D2-d2材料的硬度洛氏硬度(HR)洛氏硬度是用压痕深度作为测量硬度的依据。根据压印头和载荷的不同，洛氏硬度分为若干种。常用的有HRA、HRB、HRC。01230123h1h3h2压头被测材料K=0.2材料的硬度HR=K-h0.002维氏硬度(HV)Hv=------=F/d2×1.8544×9.8(N/mm2)FA问题测量铸钢件（晶粒粗大）、45钢淬火件、铬镀层硬度，应选用哪种方法？

2.2.3、冲击韧度

冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值aK。即：ak=(J/cm2)式中：W-冲击试样所消耗的功(J)；A-试样缺口处的横截面积(cm2)。WA

3040(a)冲击h试样摆锤

H55108551080.2材料的冲击韧度冲击韧度值：

ak=

(J/cm2)W----冲击试样所消耗的功。A------试样缺口处的横截面积。WA问题冲击韧度公式如何在实验拉伸仪表盘刻度指示中体现，请分析解释？

2.3常用工程材料

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。1.碳钢一、、黑色金属碳钢分类碳钢常用的分类方法有三种：1）按碳含量进行分类可分为低碳钢(＜0.25%C)、中碳钢(0.25-0.6%C)、高碳钢(＞0.6%C)。2）.按其用途进行分类可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。3）.按其质量等级分类可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。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。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。

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

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（HT100）、可锻铸铁、合金铸铁和球墨铸铁（QT400-18）。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。

2.3.3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。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7.85700-1200/7.852.3.4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%

2.3.5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。

2.3.6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)抗断裂安全性好：纤维增强复合材料在过载时会发生部分纤维断裂，由于应力迅速重新分布，可避免材料整体断裂。(4)减震性能好：复合材料的增强材料和基体之间的界面有较强的吸振能力，它的自振频率高，不易产生共振。(5)高温性能好：用碳纤维或硼纤维增强的复合材料可显著提高基体材料的高温强度。此外，复合材料还具有良好的减摩、耐磨、化学稳定性等。识别下列材料牌号牌号 类别 12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12

合金结构钢合金工具钢合金结构钢合金工具钢碳素结构钢碳素工具钢识别下列材料牌号牌号 类别 1Cr18Ni9TiLY12LC4LF11ZLSi12不锈钢 硬铝 超硬铝 防锈铝 铸铝 2.4钢的热处理热处理是将金属在固态范围内加热到一定温度下,进行必要的保温，并以适当的速度冷却至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理包括退火、正火、淬火和回火等1.退火

退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界温度，保温一定时间，随后以极缓慢的速度冷却的一种热处理工艺。退火能降低硬度。2.正火正火是将钢件加热、保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火可消除内应力，提高钢的塑性和韧性,同样钢件在正火后强度和硬度比退火高.3.淬火

将钢加热、保温后，迅速冷却至室温(一般为油冷或水冷)，从而获得马氏体组织的工艺叫淬火。淬火的主要目的在于提高钢的硬度，或得到马氏体,以便通过回火调整组织、性能。

4.回火

将淬火后的钢加热、保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。回火后硬度下降，韧性大大提高，消除了淬火产生的内应力，降低了淬火钢的脆性。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。调质处理：正火+高温回火渗碳渗氮碳氮共渗

金属表面防护

金属表面防护是用各种方法在材料表面施以涂层，既不改变基体材料的性质，又能提高其耐蚀性，是控制金属腐蚀的一门技术。工艺主要有电镀、化学镀、喷镀、热镀等。其中电镀是目前我国应用最广的一种价廉而有效的防护方法阴极：主反应 Zn2++2eZn副反应 2H++2eH2阳极：主反应 ZnZn2++2e副反应 4OH-2H2O+O2+4e2.6电工电子材料

根据材料的电导率不同分为导体、绝缘体和半导体。导体的电导率大于1S/m,绝缘体的电导率小于10-6S/m，半导体的电导率介于1~10-6S/m之间。S-

西门子导体铜银金半导体绝缘体

材料的电导率固态材料中的电子能带结构常用导电材料

室温电导率σ/(S/m)银2.8×107铜2.0×107金4.3×107铝3.8×107铁1.0×107黄铜(铜:铸=70:30)1.6×107低碳钢0.6×107不锈钢0.2×107

铜和铜系导电材料

性能稳定，抗腐蚀、延展性好，抗疲劳，可拉成很细的丝，适于做海底同轴电缆的外部软线，也用于太阳能电池

铝和铝系导电材料

居导电材料第四位(仅次于Ag、Cu、Au)，但密度只有Cu的1/3。目前国际上通用的铝线有硬铝（HAl）线，主要用做送电线、配电线。16OKV以上的高压线可用钢丝增强的铝电缆(ACESR)、合金增强铝线(ACAR)和全铝合金铝导线(AAAC)，都是铝材代替铜线做配电线用。HA1线只能在90℃连续使用，而耐热铝合金（如含Zr的TAD）可在150℃下连续工作，用做大容量高压输电导线。而超耐热铝合金（SSTAD）可在200℃下连续工作，主要用做变电所的母线。

常用绝缘材料

几种非金属材料的室温电阻率体积电阻率/Ω·m石墨10-5氧化铝1010~1012瓷1010~1015酚醛树脂109~1010尼龙66