机械工程材料

机械工程材料第1页/共65页一、概述材料的重要性：机械工程材料和机械产品的关系，是一个双螺旋的关系，呈“攀比”式的上升。产品性能的提升对材料技术提出来日新月异的要求，反之材料技术领域的不断突破，又成为一代又一代新产品诞生的催化剂。

工业界有“一代材料，一代产品”的说法，足见材料技术的发展对工业技术的进步的重要性。

有例为证：第2页/共65页航空材料&航空技术

飞机材料的选择根据飞机设计思想和材料技术的发展，有五个各具特色的发展阶段：

第一阶段：（1903—1919）木材和布料为主

第二阶段：（1920—1949）铝合金和钢材为主

第三阶段：（1950—1969）开始使用钛合金

第四阶段：（1970—20世纪末）开始使用复合材料

第五阶段：（21世纪）复合材料为主第3页/共65页

从1903年到1919年，飞机设计准则是按静强度设计，当时的飞机主要结构材料是木材、蒙皮主要是帆布（亚麻或棉布）。西科斯基“勇士”号莱特兄弟“飞行者一号”第4页/共65页

从1920年到1949年，飞机设计开始融入安全寿命设计准则，飞机材料过渡到以铝合金和钢材为主。世界第一架全金属旅客机F-13第5页/共65页

从1950年到1969年，飞机设计准则从安全寿命转向破损安全，飞机材料引入钛合金的使用，使飞机先后突破了声障和热障，可以说，没有钛合金就没有飞行速度达到三倍音速的“黑鸟”。（1964年首飞，最高时速3.5M）第6页/共65页

从1970年到20世纪末，飞机设计准则开始使用损伤容限设计准则，复合材料开始广泛使用。波音747,1965年设计，铝合金占81%、复合材料占1%波音777,1989年设计，铝合金占70%、复合材料占10%第7页/共65页

从21世纪初起，复合材料开始在飞机材料中占主导地位，其机构重量超过50%。波音787,复合材料占50%A350XWB,复合材料占53%第8页/共65页材料技术进步的困难

俗话说“千金易得，好钢难求”，足见材料技术进步的难度。好的材料需要材料学家通过细致的计算和大量的实验，才能得到最佳的合金比例，而且获得合金比例只是完成第一步，还需要复杂的冶炼工艺来支持。

有例为证：涡轮发动机复合材料钛合金超高强度钢超合金第9页/共65页

超高强度钢一般用于航空发动机主轴，起落架、着陆钩等等。美国上世纪60年代成功研制300M高强度钢，但是它的升级产品Aer—Met100是直到上世纪90年代才得以突破，升级一代材料产品用了30年，足见材料技术进步之困难。第10页/共65页按领域分类

机械工程材料建筑工程材料能源工程材料信息工程材料生物工程材料

……金属材料非金属材料复合材料

二、材料分类第11页/共65页金属材料分类黑色金属有色金属特种金属指除铁、铬、锰以外的金属及其合金如铜、铝、镁等

包括结构金属和功能金属如隐身材料、超导材料、形状记忆材料等指铁、铬、锰及其合金，如生铁、铸铁、钢、合金钢等第12页/共65页三、金属材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能第13页/共65页金属的力学性能1.强度2.硬度在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力。可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度抵抗其他更硬物体压入表面的最大能力。常用的标准有布氏硬度和洛氏硬度。还有维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度以及里氏硬度。3.塑性在外力作用下产生永久变形而不被破坏的最大能力。通常用延伸率和断面收缩率来表示4.韧性在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。表现为材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

与脆性相反。第14页/共65页第15页/共65页金属的工艺性能2.可锻性在压力加工过程中成型而不产生裂纹的难易程度。它包括金属在热态或冷态下能够进行锤锻、轧制、拉伸、挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属的化学成分有关。

法兰锻造第16页/共65页3.可铸性熔化浇铸成为铸件的难易程度。铸造性主要包括流动性、收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能力。收缩性是指铸件凝固时，体积收缩的程度。偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成的金属内部化学成分和组织的不均匀性。

金属的工艺性能第17页/共65页4.可焊性指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。

金属的工艺性能第18页/共65页金属的工艺性能5.热处理性热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。热处理性能的好坏体现了材料通过热处理工艺获得所需组织结构与性能的难易程度。主要包括退火、淬火、正火、回火、调质、化学热处理、固溶处理、沉淀硬化和时效处理等。高频局部热处理第19页/共65页四、常用的钢铁材料1.钢的分类2.钢的编号4.铸铁3.常用合金钢第20页/共65页1、钢的分类1.按化学成分分2.按用途分3.按冶金质量分第21页/共65页按化学成分分：低碳钢：≤0.25%C

碳素钢中碳钢：（0.25～0.6）%C

高碳钢：＞0.6%C

低合金钢：合金元素总量≤5%

合金钢中合金钢：合金元素总量（5～10）%

高合金钢：合金元素总量＞10%第22页/共65页按用途分：结构钢：用来制造工程结构和机器零件。工具钢：用来制造工具、刀具和模具等。特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢等。第23页/共65页按冶金质量分：普通质量钢：W(s,p)≤0.05%

优质钢：W(s,p)≤0.04%

高级优质钢：W(s,p)≤0.03%第24页/共65页

1.普通碳素结构钢牌号由代表屈服点的拼音首字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法四部分组成。质量等级分为A、B、C、D、E五个级别。脱氧方法有四种分别用F、ｂ、Z、TZ表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。（Q235—A•F

）碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应，主要用来制造各种型材、薄板、冲压件或焊接结构件以及一些力学性能要求不高的机器零件。碳素钢的编号第25页/共65页2.优质碳素结构钢牌号用两位阿拉伯数字表示，代表平均含碳量的万分数。如果含锰量较高时须在数字后面表出Ｍn元素，如45Mn。

08、10、15、20、25…

45

…60…85

其中08、10、15、20、25等牌号属于低碳钢，常用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴等。30、35、40、45、50、55等牌号属于中碳钢。常用来制造轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等。60、65、70、75等牌号属于高碳钢。常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。

碳素钢的编号第26页/共65页3.碳素工具钢牌号用“T+数字”表示，其中“T”为碳的汉语拼音字首，数字表示钢中平均含碳量的千分数，如果是高级优质碳素工具钢在数字后面加上“A”。

T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13A

上述各牌号钢淬火后硬度相近，但随含碳量增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。因此T7、T8适宜制作承受一定冲击的工具，如钳工錾子等。T9、T10、T11适宜制作冲击较小而硬度、耐磨性要求较高的小丝锥、钻头等；T12、T13则适宜制作耐磨而不承受冲击的锉刀、刮刀等。碳素钢的编号第27页/共65页铸钢一般工程用铸造碳钢的标准（GB5676-85）将铸造碳钢按照室温下的机械性能分为5个牌号，即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。屈服强度310Mpa，抗拉强度570Mpa。铸钢的编号第28页/共65页为了提高钢的力学性能、工艺性能和某些特殊性能，在冶炼中有目的地加入一些合金元素，这种钢称为合金钢。生产中常用的合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛等。通过合金化，大大提高了材料的性能，因此，合金钢在制造机器零件、工具、模具及特殊性能工件方面，得到了广泛的应用。合金钢的牌号、性能和用途第29页/共65页1低合金高强度结构钢

16Mn15MnVN14MnTi

该类钢具有高的强度、韧性和屈强比；良好的焊接性能和冷热加工性能及一定的抗腐蚀能力。属低碳、环保的建筑和工程结构用钢，主要用于制造高压容器、船舶、车辆、锅炉、桥梁、管道等。合金钢的牌号、性能和用途第30页/共65页2合金渗碳钢

20Cr20CrMnTi8Cr2Ni

此类钢经渗碳淬火后，应具有表面耐磨、而心部抗冲击的特点。主要用于制造承受强烈冲击、摩擦和磨损的重要机械零件，如变速齿轮、曲轴、凸轮轴等。合金钢的牌号、性能和用途第31页/共65页3合金调质钢

40Cr40MnB35CrMo40CrNiMo此类钢经热处理后具有高的强度和良好的塑性、冲击韧性，即良好的综合力学性能。广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类零件、连杆、高强度螺栓等。合金钢的牌号、性能和用途第32页/共65页4合金弹簧钢

60Si2Mn50CrV65Mn

此类钢具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳极限，足够的塑性和冲击韧性。属专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。合金钢的牌号、性能和用途第33页/共65页5滚动轴承钢

GCr15GCr15SiMnGSiMnMoV

此类钢具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性及足够的韧性和淬透性。属专用结构钢，主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈等。

合金钢的牌号、性能和用途第34页/共65页6合金工具钢

9SiCrW18Cr4VCr12

此类钢具有高的硬度、耐磨性、热硬性，足够的塑性、韧度和强度。用于制造各种刃具、量具、模具等加工和测量工具。合金钢的牌号、性能和用途第35页/共65页7特殊性能钢

不锈钢耐热钢耐磨钢此类钢具有某些特殊的物理、化学和力学性能，因而能在特殊的工作环境和工作条件下使用。如各种不锈钢阀门，热处理电炉中的炉底板等。合金钢的牌号、性能和用途第36页/共65页管材角钢板材圆钢普通碳素结构钢的应用第37页/共65页低碳钢的应用第38页/共65页中碳钢的应用第39页/共65页高碳钢的应用第40页/共65页钳工錾子第41页/共65页丝锥钻头第42页/共65页锉刀刮刀第43页/共65页阀体铸钢件第44页/共65页军舰高压容器第45页/共65页曲轴重型车变速齿轮第46页/共65页弹簧自行车重型汽车板簧第47页/共65页轴承套、体第48页/共65页刃具量具第49页/共65页不锈钢阀门热处理炉第50页/共65页铸铁的分类碳在铸铁中是以石墨的形式存在的，按照石墨在铸铁中的存在状态将铸铁划分为以下四种。

灰口铸铁（片状石墨）

球墨铸铁（球状石墨）

蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）

可锻铸铁（团絮状石墨）第51页/共65页铸铁牌号、性能和用途灰口铸铁

HT100、HT150…HT350

抗拉强度（MPa）

灰口铸铁抗拉强度、塑性、韧性较低，但抗压强度、硬度、耐磨性好，并具有铸铁的其它优良性能，因此广泛应用