第二章 第二节 工程材料的分类及用途

第二节工程材料的分类及用途工程材料的种类：钢铁材料:铁和以铁为基的合金；1.金属材料非铁材料：钢铁材料以外的金属及其合金。2.无机非金属材料3.有机高分子材料4.复合材料

一、金属材料1.金属材料的组织结构⑴晶体与非晶体①晶体：原子在三维空间中有规则的重复排列的物质②非晶体：原子无规则排列的物质。晶体金刚石、NaCl、冰等。非晶体：蜂蜡、玻璃等。液体⑵晶体结构：晶体中原子的排列方式。①晶格：用假想的直线将原子中心连接起来的三维空间格架。

②晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。③晶格常数：晶胞中各棱边的尺寸。

XYZabc⑶常见金属的晶体结构①体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，9个原子组成一个晶胞。。

致密度：68%（晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比）属于这种晶格的金属有Cr、α-Fe、Mo、W、V等。②面心立方晶格面心立方晶格也是一个立方体，原子位于立方体六个面的中心和八个顶点上。共14个原子组成一个面心立方晶胞。致密度：74%属于这种晶格的金属有

γ-

Fe、Cu、Ni、Al、Pb等。③密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体，原子位于两个底面的中心处和12个顶点上，柱体内还包含3个原子。共17个原子组成一个晶胞。致密度：0.74%属于这种晶格的金属有Be、Mg、Zn、Cd等。⑷纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态晶体的过程。①金属的结晶温度实际结晶温度低于理论结晶温度。过冷度ΔT：实际结晶温度与理论结晶温度之差。冷却速度越快，过冷度越大，实际结晶温度越低。②结晶过程：A.形成晶核：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,经一段时间后,一些大尺寸的晶坯将会长大，形成晶核。B.晶核长大⑸晶体的同素异构一种金属在不同温度和压力下具有不同类型的晶格结构，这种现象称为同素异构性。有此特性的金属：Fe、Co、Ti、Mn、Sn等。铁的同素异构转变：铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：

体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格三、金属的同素异构转变一种金属具有两种或两种以上的晶格结构称为同素异构性，物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。有此特性的金属：Fe、Co、Ti、Mn、Sn等。⑹合金的晶体结构合金:由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。合金的相结构：①固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。1)间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等2)置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体.3)固溶强化随溶质含量增加,晶格畸变增大，变形时位错移动困难,固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，该现象称为固溶强化。②化合物溶质含量超过溶剂的溶解度时，溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不同于任一组元晶格的新物质，即金属化合物。③机械混合物⑺常用金属材料①常用碳钢的分类：

低碳钢C%≤

0.25%C按钢的C含量分中碳钢0.25＜C%＜0.6%高碳钢

C%

≥0.6%C普通碳素钢：S%≤0.055%，P%≤0.045%按钢的S、P含量分优质碳素钢：S、P%均≤0.04%高级优质碳素钢：S%≤0.03%，P%≤0.035%结构钢按主要用途分工具钢特殊性能钢专业用钢汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝钢板齿轮加工方钢汽轮机叶片刃具量具模具②钢的牌号1)碳素结构钢与低合金高强度钢的牌号Q

235—A·F

碳素结构钢与低合金高强度钢牌号主要的区别在屈服强度的等级上，碳素结构钢的最高强度等级为275MPa，低合金高强度钢的最低强度等级为295MPa。屈服强度235MPa优等沸腾钢螺纹钢圆钢南京长江大桥2）优质碳素结构钢的牌号牌号：以两位数字表示，数字为平均含碳量的万分数。例如45，表示含碳量0.45%的优质碳素结构钢。3）合金结构钢的牌号数字+元素符号+数字该元素含量的百分数碳含量的万分数A.当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；B.合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。3）合金结构钢的牌号数字+元素符号+数字该元素含量的百分数碳含量的万分数A.当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；B.合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。4）铸钢ZG

200-400最低抗拉σb

≥400MPa最低屈服强度σs≥200MPa铸钢T

12

A高级优质Wc=12%0碳素工具钢5）碳素工具钢牌号由T后加一组数字组成，数字为平均含碳量的千分数。例：T8、T12。分别表示平均含碳量为0.8%，1.2%6)合金工具钢数字+元素符号+数字该元素含量的百分数碳含量的千分数(一般是一位数)当平均碳含量＞1.0%时，不标碳含量数字。高速钢不标含碳量③结构钢的性能和应用1）碳素结构钢A.特点：易冶炼，价格便宜，强度低，可满足一般工程结构件的要求。力学性能随板材厚度或直径增大而下降。B.应用场合：板材、型材。用于制造各种金属构件和要求不高的机器零件。2）低合金高强度钢A.性能特点：良好的焊接性能和耐腐蚀性能；良好的塑性和韧性；较高的强度。B.使用特点：可减小构件截面积，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。C.主要合金元素Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti3）优质碳素结构钢A.特性：含碳量越低，其强度、硬度越低，塑性、韧性越高；含碳量越高，其强度、硬度越高，塑性、韧性越低；B.用于制造较重要的机械零件。4）合金结构钢在优质碳素结构钢的基础上加入合金元素所形成的钢种。A.合金渗碳钢渗碳、淬火和低温回火后的结构钢，一般为低碳钢。用于制造高耐磨性、高疲劳强度和较高韧性的材料。B.合金调质钢含碳量在0.25%～0.50%之间。用于强度要求较高、截面尺寸大的重要零件。C.合金弹簧钢含碳量在0.45%～0.70%之间。具有较高的弹性极限、疲劳强度及较好的塑性和韧性。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝D.滚动轴承钢具有高的抗压强度、高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，用于各种滚动轴承。5）铸钢含碳量在0.12%～0.62%之间。用于形状复杂、不易锻造、用铸铁不能满足要求的零件。④工具钢的性能与用途1）刃具钢A.碳素工具钢高碳钢淬火、低温回火后使用。性能：热硬性差，淬透性低，淬火变形大。用途：适宜制作尺寸小、形状简单的低速切削工具。B.合金工具钢C.高速钢刃具2）模具钢A.冷作模具钢用途：制造各种冷成型模具。

性能要求:高硬度、高耐磨性、高强度和高韧性。

化学成分及特点:高含碳量：1～2%;合金元素:Cr、Mo、W、V、Mn。常用牌号：Cr12，Cr12MoV，CrWMn，9Mn2V，W18Cr4VB.热作模具钢用途：用于热锻模、热挤压模等。性能要求:足够的硬度、强度、良好的塑性韧性，较高的热硬性和热疲劳抗力。化学成分特点:含碳量：0.4～0.6%;合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V常用牌号：5CrMnMo，制造中型模具;5CrNiMo，制造形状复杂、冲击载荷大的大型模具。C.塑料模具钢

3）量具钢性能要求:

高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;高的心部韧性。量具4）不锈钢特点：在腐蚀介质中具有较高抗腐蚀能力。A.性能要求：优良的耐蚀性；合适的力学性能；良好的工艺性能。B.成分：碳含量：0.03%～0.95%合金元素⑤铸铁含碳量大于2.11%1）铸铁的基本性能：A.力学性能低。B.耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。C.消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。D.铸造性能好。E.切削性能好。F.成本低廉铸铁曲轴2)铸铁的常见类型A.灰铸铁：其中的碳以片状石墨存在。性能：塑性、韧性低，耐磨、减振性能好。牌号：HT+最低抗拉强度值例：HT100表示最低抗拉强度为100MPa的灰铸铁。灰铸铁的显微组织

铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌B.球墨铸铁：其中的石墨为球状。性能：强度