第二章-机械工程材料基础

第二章机械工程材料基础1.材料的主要性能2.金属和合金的晶体结构与结晶3.铁碳合金4.钢中的合金元素5.常用金属材料6.其它工程常用材料2.1材料的主要性能2.1.1工程材料的力学性能1.强度强度：金属材料在外力作用下都会发生一定的变形，甚至引起破坏。其抵抗永久变形和断裂破坏的能力称为强度。

(1)静载强度测定强度的最基本方法是拉伸试验弹性变形指外力去掉后变形能全部消除，恢复原状的变形【oe段】。拉伸曲线为一条直线，完全符合胡克定律。σe为弹性极限。刚度图中Op为直线，表示应力(σ)与应变(ε)成正比。P点是保持这种正比关系的最高点，σp称为比列极限。σp与σe在数值上很接近，应用时两者常取同一数值。刚度指金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在弹性范围内，应力σ与应变ε成正比，其比例常数称为弹性模量E。塑性变形

当载荷超过e点时，试样开始永久变形。屈服当载荷继续增加到s点时，试样所承受的载荷不增加，但也继续产生塑性变形，图中出现了水平线段。s点为屈服点；Re称为屈服极限。“缩颈”现象

当载荷继续增加到b点时，试样的局部截面积缩小。因为缩颈处截面积变小，所能承受的载荷也就下降，当到k点时试样被拉断。抗拉强度金属在拉断前承受的最大拉应力称为抗拉强度Rm。屈强比

Re/Rm的比值。屈强比越小构件可靠性越高，但若太小材料强度的有效利用率太低。工程上在保证安全的前提下希望屈强比高些。（2）变载时的强度零件在交变载荷作用下工作时，经过较长时间使零件发生断裂，这种破坏现象称为疲劳破坏。疲劳断裂时不会产生明显的塑性变形，而是突然发生，危险性极大。疲劳极限（强度）金属材料在经受无数此重复或交变载荷作用而不发生疲劳破坏（断裂）的最大应力。碳素钢：σ-1≈(0.4~0.55)Rm灰铸铁：σ-1≈0.4Rm有色金属：σ-1≈(0.3~0.4)Rm（3）高温强度金属材料在高于一定温度长时间的工作。承受的应力即使低于屈服点σs，也会出现缓慢塑性变形，这就是所谓的“蠕变”。材料的高温强度有蠕变极限和持久强度来表示。蠕变极限是指金属在给定温度下和规定时间内产生一定变形量的应力。如：σ0.1/1000600=88MPa持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内，使材料发生断裂的应力。σ100800=186MPa2.塑性

塑性：金属材料在外力作用下，产生不可逆永久变形而不破坏的能力，称为塑性。伸长率AA=（lu-l0)÷l0×100%式中l0-式样原始的标尺长度（mm）l-式样受拉伸断裂后的长度(mm)断面收缩率ZZ

=（s0-su）÷s0×100%式中s0-式样的原始截面积（mm）Su-式样拉断后的最小截面积（mm）3.硬度

硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力

(1)布氏硬度

布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示材料硬度范围（HB）试样厚度(mm)P/D2钢球直径D(mm)载荷P(kgf)载荷保持时间(s)黑色金属140-4501406-34-2<2>66-3<330101052.51052.53000750187.5100025062.51010铜合金及镁合金36-130>66-3<3101052.5100025062.530铝合金及轴承合金8-35>66-3<32.51052.525062.515.660表2-1布氏硬度试验规范(2)洛氏硬度

指标有HRA、HRB、HRC见P23表1.3(3)维氏硬度

维氏硬度是根据单位压痕面积上所承受的平均压力来计算的，指标HV4.冲击韧度

冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力称为冲击韧度。

冲击韧度用在冲击力作用下材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示，ak=AK/A0

冲击性能受温度的影响很大，多数材料的冲击功随温度下降而减少，材料由韧性变为脆性，该温度称为冷脆转化温度TK。TK越低，材料的低温性能越好。5.断裂韧度断裂韧度：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。K1=Yσa0.5断裂韧度为安全设计提供了一个重要的指标。对于一种特定的材料而言，它是一个常数，可以根据它来确定应力和裂纹尺寸间的关系。高强度材料的断裂韧度低，低强度材料的断裂韧度高。因些，理想的材料是强而韧，在不可兼得的情况，可以略为降低强度来保证足够的韧度较为安全。6.耐磨性

耐磨性：一定的工作条件下材料抵抗磨损的能力。

耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。

耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模量的影响。在大多数情况下，材料的硬度越大，则耐磨性越好。7.粘弹性

粘弹性：材料在外力作用下，产生的变形随时间呈线性增加，而当外力去除后，剩余应变随时间不断松驰的特性，具体表现为蠕变、应力松驰、滞后和内耗。

蠕变：在高温下长时间工作的金属材料或常温使用的高聚物均可能发生的缓慢的塑性变形。

应力松驰：材料受力变形后所产生应力随时间而逐渐衰减的现象称为应力松驰。

滞后和内耗：加载和卸载时，应力和应变不一致的情况，见P26图1.321.电性能导电性能：材料传递电流的能力。介电性能：电介质或介电体在电场作用下，虽然没有电荷的传输，但材料仍对电场表现出某些特性，这就是介电性能。2.磁性能磁性能对磁场的响应特性。3.光学性能指材料在受到波或粒子的辐射时所呈现的反应特性。4.热性能热性能包括热容、热导率和热膨胀系数。2.1.2工程材料的物理性能1.抗氧化性

金属的抗氧化性并不是说在高温下不氧化，而是指在高温下迅速氧化后形成一层致密的氧化膜，覆盖在金属表面，使钢不再继续氧化。2.抗腐蚀性能指材料抵抗环境而造成的化学或电化学反应所引起的损坏能力。2.1.3工程材料的化学性能2.1.4工程材料的工艺性能

主要指铸造性可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性等2.2.1金属的晶体结构

1.金属理想的晶体结构晶体：当材料处于固体状态时，若组成它的离子、原子或分子在三维空间呈有规则的长距离（大大超过原子或分子尺寸）的周期性重复排列，即具有长程有序，这一类固体物质称为晶体。（绝大多数物质都是晶体如：金刚石、石墨及一切固态的金属和合金）非晶体：原子作不规则排列、无固定熔点、表现为各向同性

（只有少数物质属于非晶体如：松香、普通玻璃、沥青、石蜡和赛璐珞等）2.2金属和合金的晶体结构与结晶

晶体中原子排列示意图晶格或点阵：把晶体中的原子想象成几何结点，并用直线从其中心连接起来而构成的空间格架。结点：晶格中直线的交点，代表原子在晶体中平衡位置晶面：通过结点的任一平面。晶面：通过结点任一直线所指的方向。晶胞：能反映空间晶体排列方式的基本单元称为晶胞。它代表着整个晶格的原子排列规律。常见纯金属的晶格类型（1）体心立方结构▲原子数：1＋8×1/8=2▲典型金属：

-Fe、Cr、Mo、W、V等▲性能特点：强度很高，塑性较好▲致密度：68％（原子占有晶胞体积的百分数）

（2）面心立方晶格▲原子数：6×(1/2)＋8×(1/8)=4▲典型金属：

-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt▲性能特点：塑性极好▲致密度：74％

(3)密排六方晶格▲原子数3＋2×(1/2)＋12×(1/6)=6▲典型金属：Be、Mg、Zn、Cd、

-Ti、

-Co▲性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间▲致密度：74％2.金属实际晶体结构单晶体:

结晶方位完全一致的晶体。多晶体:

由多晶粒组成的晶体结构。每个小晶体的晶格是一样的，而各个小晶体之间彼此方位不同，且具有不规则的颗粒状外形，故每个小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界限称为晶界。常温下，晶粒越细小，强度越高，塑性，韧性越好。单晶体

多晶体晶格缺陷：a.点缺陷b.线缺陷c.面缺陷（晶界和亚晶界）3.合金的晶体结构

（1）合金的相、组织及其关系

由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质称为合金组成合金的最基本、最独立的物质称为组元。一般来说组元就是组成合金的化学元素，或是稳定的化合物。有两种组元组成的合金称为二元合金液态合金结晶时，合金组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相，相是指合金中成分相同、结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分

合金的组织是用金相显微镜观察法，在金属及合金内部看到的涉及各相（晶体或晶粒）大小、方向、形状、排列状况等组成关系和构造情况。

（2）固溶体

当合金由液态结晶为固态时，合金组元间仍能互相溶解而形成单一均匀、并能保持某一组元晶格的合金固相，称为固溶体。如碳的原子能够溶解到铁的晶格里，这时铁是溶剂，碳是溶质。（1）置换固溶体－－溶质原子取代部分溶剂原子而占据晶格的结点位置所形成的固溶体。（当溶剂和溶质原子直径相近时易形成）（2）间隙固溶体－－溶质原子不是占据晶格结点位置而是分布在晶格间隙所形成的固溶体。（当溶质原子直径与溶剂原子直径之比小于0.59时才能形成）溶剂原子溶质原子a）置换式固溶体溶剂原子溶质原子b）间隙式固溶体固溶体的两种类型

（3）金属间化合物

当合金中溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶体结构与合金其它组元的相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组元，则新相是组元间形成的一种新物质——化合物。如Fe3C金属化合物的性能：熔点高、硬度高，脆性较大，适于做合金的强化相。当它们与固溶体适当配合时，对材料的强度、硬度耐磨性、高温硬性以及工艺性能均有非常重要的意义。

（4）合金性能

①固溶体和固溶强化在固溶体中，溶质原子的溶入将造成晶格畸变，并随着溶质原子浓度的增加，晶格畸变增大，从而导致固溶体的强度和硬度升高，其他性能未发生变化，这种现象称为固溶强化。②化合物与第二相强化

化合物的性能特点是高熔点、高硬度和高脆性。因此，化合物很少作为单相合金材料，而是与固溶体组成复相合金材料。化合物作为第二相可提高合金材料的强度，又称第二相强化。

形成置换固溶体时的晶格畸变形成间隙固溶体的晶格畸变

1.金属的结晶过程

2.2.2金属的结晶过程和同素异构转变

由液体金属冷却时温度和时间的变化关系作出冷却曲线。△t为理论结晶温度，t为实际结晶温度过冷度t=t-t液态金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内进行的。首先是晶格的形成，其次是晶核的长大。在晶核长大的过程中，又不断形成新的晶核，它们也同样地形成晶体。所以结晶过程实质上是晶核不断形成、不断长大的过程形核（自发形核、非自发形核）长大晶核的长大有平面长大和树枝状长大两种方式树枝晶的形成由于金属容易过冷，因此实际金属结晶时一般均以长大方式结晶。在一些金属铸锭表面可见到呈浮雕状的树枝晶1）自发形核从液体内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。2）非自发形核实际金属往往是不纯净的，内部含有很多杂质。那些晶体结构和晶格参与金属晶体相似的杂质的存在，常常能够成为晶核的基底，容易在其上长出晶核。这种依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。平面长大在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。晶体沿最密排列的垂直方向长大速度最慢。树枝状长大当冷却速度过大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形式长大。

（该方式比较普遍）2.金属的同素异构转变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。同素异构转变属于相变之一——固态相变。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：1394℃912℃

-Fe⇄-Fe⇄-Fe铁的同素异构转变（1）匀晶相图匀晶相图特点：液态、固态均无限互溶同类：Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等3.合金的结晶匀晶相图匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程杠杆定律：组成相相对量的计算方法

假设：合金的总量为1QL＝(x/-K)/(x/-x)

QS＝(K-x)/(x/-x)则：QL＋QS＝1

QL*x＋QS*x/=1*K类似于杠杆定律

枝晶偏析

由于冷却速度较快，使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散。以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同，先结晶出来的固相含高熔点组元量较，成为晶内偏析。而金属的结晶多以枝晶方式长大，所以这种偏析多呈树枝状，先结晶的枝轴与后结晶的枝间成分不同，又称为枝晶偏析。枝晶偏析会严重影响合金的力学性能，解决方法是扩散退火。（2）共晶相图共晶相图：液态无限互溶，在固态有限互溶（或不溶），并在结晶时发生共晶转变，形成共晶组织共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶结晶过程：共晶合金结晶过程：亚共晶合金结晶过程：过共晶合金组织和相的关系（3）包晶相图包晶相图：Le+

c

d（4）共析相图S1

S2+S3

c

d＋e（5）相图与性能的关系a、使用性能与相图的关系b、合金铸造性能与相图的关系2.3.1Fe-Fe3C相图

2.3铁碳合金1.铁碳合金的基本组织（1）液相（L）：高温下铁和碳的溶液（2）δ相（高温铁素体）：只存在于1394-1538℃（3）铁素体相（F）：力学性能与纯铁相近是钢铁材料在室温时的重要相，常作为基本相存在（4）奥氏体相（A）：无磁性塑性韧性良好只在高温存在（5）渗碳体相：铁与碳形成的稳定化合物Fe3C硬而脆强度极低在高温长期保温条件下可分解成铁和石墨2.铁碳合金状态图P7271148GCE0A3AcmA1DABJH液体液体+一次渗碳体FKLFeC%6.690.020.772.114.3奥氏体一次渗碳体+低温莱氏体珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体珠光体+二次渗碳体铁素体+珠光体t温度（℃）S珠光体一次渗碳体+高温莱氏体液体+

奥氏体NQ液体+高温铁素体高温铁素体高温铁素体+

奥氏体铁素体+奥氏体二次渗碳体+奥氏体三次渗碳体+铁素体铁素体二次渗碳体+奥氏体+高温莱氏体珠光体高温莱氏体低温莱氏体表Fe－Fe3C状态图中主要点的坐标及含义点的代号t/℃ωc

(％)

说明ABCDEGHJNPSQ15381495114812271148912149514951394727727室温00.534.306.692.1100.090.1700.020.770.0008纯铁熔点胞晶反映时液态合金的碳质量分数共晶点，LC←→Ae＋Fe3C＝Ld渗碳体熔点（计算值）碳在γ－Fe中的最大溶解度α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点（A3）碳在δ－Fe中的最大溶解度包晶点，LB＋δH←→AJγ-Fe←→δ-Fe同素异构转变点（A4）碳在α-Fe中的最大溶解度共析点，As←→Fp＋Fe3C＝P(Al)室温下，碳在α-Fe中的溶解度ABCD线为液相线。温度高于此线时铁碳合金均是液相。AHJECF线为固相线。温度降到此线下铁碳合金全部结晶为固体HJB线为包晶线。温度达到1495℃时含碳量ωc=0.09%～0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反映。

1495℃

LB+δHAJECF线为共晶线。温度达到1148℃时含碳量ωc=2.11%～6.69%的铁碳合金均会发生共晶反映。

1148℃

Lc(Ae+Fe3C)PSK线为共析线，代号为A1。温度达到727℃时含碳量ωc=0.0218%～6.69%的铁碳合金均会发生共析反应。

727℃

As(Fp+Fe3C)GS线是相变线，代号为A3。ES线为固溶线，代号为Acm。温度降到此线时奥氏体A中多余的碳以渗碳体Fe3C形式析出。PQ线是固溶线。温度降到此线铁素体F中多余的碳以Fe3C析出

1．铁碳合金相图上的各种合金，一般分为三类：1）工业纯铁（＜0.02%C），室温组织为α固溶体；2）钢（0.02～2.11％C），根据室温组织不同，分为：①亚共析钢（＜0.77％C）②共析钢（≈0.77％C）③过共析钢（＞0.77％C）2.3.2铁碳合金在平衡状态下的相变

3）白口铸铁（2.11～6.67％C），根据室温的不同，分为：①亚共晶白口铸铁②共晶白口铸铁（≈4.3％C）③过共晶白口铸铁（＞4.3％C）亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁工业铁纯共析钢共晶白口铁亮白色为铁素体单一珠光体白色网格状为二次渗碳体暗黑色为珠光体暗黑色为珠光体(a)亚共晶白口铁(b)共晶白口铁(c)过共晶白口铁黑色枝晶状为珠光体暗黑色细条或斑点为珠光体暗黑色斑点状为莱氏体斑点状为莱氏体亮白色为共晶渗碳体亮白色粗大条状为一次渗碳体含碳量与相的相对量关系：

C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓2.3.3含碳量对铁碳合金组织性能的影响

1.在选材上的应用

Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。若需要塑性、韧性好的材料，应选用低碳钢，如冲压件、焊接件、抗冲击结构件等。若需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用中碳钢，如轴、齿轮。若需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用的高碳钢，如各种工具钢。纯铁强度低、但导磁率高、矫顽力低，可作软磁材料，如各种电机的铁芯。白口铸铁硬而脆不易切削加工，也不能塑性加工，但其铸造性能优良，耐磨性好，可用于制造要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如冷轧辊、犁铧等。2.3.4铁碳相图的应用

2.在铸造方面的应用

从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50~100℃，铸钢（Wc=0.15%~0.6%区间的铸造性能相对较好）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。3.在锻压加工方面的应用

由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。

4.在热处理方面的应用

Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。热处理常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。这将在下一章中详细阐述。

2.4.1钢中的杂质元素对钢性能的影响

2.4钢中的合金元素

工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢除铁、碳元素之外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素。这些少量的元素称为杂质元素。合金钢是为了改善和提高钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢的基础上，特意加入某些合金元素而得到的钢种。这些加入的元素称为合金元素。杂质元素对性能的影响（1）硅的影响在钢中是有益元素，能使钢的强度、硬度、弹性均有提高，但塑性、韧性降低。含量超过0.4％时作为合金元素。（2）锰的影响在钢中也是有益元素，能提高钢材的强度和硬度。含量超过0.8％时作为合金元素。（3）硫的影响在钢中是有害的杂质元素。在固态下，硫不溶于铁，而以FeS的形式存在于钢中。FeS能与铁形成低熔点的共晶体，存在于晶界上。当钢在一定温度下进行加工时，低熔点共晶体已成液态，受力后使晶粒分离，导致钢沿晶界开裂，这种现象称为钢的热脆性。（4）磷的影响在钢中也是一种有害元素。在室温下能使钢的塑性和韧性急剧降低。磷还使钢的脆性转化温度升高，这种脆化现象在低温时更为严重，称为冷脆性。（5）氧、氢、氮的影响在钢中都是有害杂质元素。当钢中的氧化物较多时，钢的力学性能明显降低，特别是严重降低钢的疲劳强度。当钢中含有少量氢时，会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆”。当钢中含有氮时氮与铁素体作用的结果会发生“蓝脆”现象。常用的合金元素按它们与碳的亲和能力，可分为非碳化物形成元素（硅、镍、钴、铝、铜）和碳化物形成元素（锰、铬、钨、钼、钒、钛）

大多数合金元素特别是非碳化物形成的元素，基本上都可以溶于铁素体中形成合金铁素体。硅和锰对钢的强化作用很大。加入钢中的碳化物形成元素，可溶于渗碳体形成合金渗碳体，也可和碳直接结合形成特殊合金碳化物。这些合金碳化物的熔点，硬度和稳定性很高。

合金铁素体的固熔强化和合金碳化物的弥散强化，是合金元素对钢中基本相影响的结果，并使合金钢克服了碳钢基本相软弱的不足。2.4.2合金元素对钢中基本相的影响

2.4.3钢中的合金元素对铁碳合金图的影响Fe－Fe3C状态图形状发生变化：奥氏体区（γ区）的扩大（锰、镍、碳、氮）或缩小（铬、钨、钼、硅）。E点和S点的左移：能扩大γ区的合金元素均使之向左下方移；能缩小γ区的合金元素均使之向左上方移动。1.对钢在加热时奥氏体化的影响大多数合金元素（除镍、钴）都会减缓奥氏体化过程。大多数合金元素（除锰、磷）都会阻碍奥氏体晶粒长大。其中钛、铌、钒、铝可强烈减慢奥氏体的形成速度，钨、钼、铬等起到一定的阻碍作用。2.4.4钢中的合金元素对热处理及性能的影响2.对过冷奥氏体化分解的影响除钴外，几乎所有合金元素溶入奥氏体后都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。。除钴、铝外，大多数元素都使MS下降，增加钢中残余奥氏体的数量。3.对回火转变的影响（1）提高耐回火性

耐回火性：淬火钢在回火时抵抗软化的能力。原因：a.推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才开始分解和转变)b.提高铁素体的再结晶温度提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。

（2）产生二次硬化

二次硬化：淬火钢在回火时随着回火温度的升高，硬度不下降反而升高的现象。（3）增大回火脆性

回火脆性：在某些温度区间回火时，或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间将出现回火脆性。在300度度附近产生第一类回火脆性，无法消除，因此应避免。含铬、锰、镍等元素的合金钢在500-600度左右回火，将发生第二类回火脆性。这是由于某些元素在原奥氏体晶界上偏聚有关。消除方法：①快冷；②加入Mo或W2.5.1钢2.5常用金属材料1.钢的分类（1）按化学成分分：按含量：中碳钢0.3-0.6%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%碳素钢合金钢按种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢钢类碳素钢合金钢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≤0.015

（2）按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。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：

（3）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耐磨钢特殊性能钢挤压模具

2、钢的编号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。（见P122表6.1和表6.2）用大量用于汽车、机床、农机中。与钢比抗拉强度、塑性和韧性较差，但它熔炼简便，价格低，铸造性、切削性、耐磨性和减震性好。根据铸铁中石墨的形态不同，可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。2.5.2铸铁

2.5.3有色金属及其合金（黑色金属（铁锰铬）外都是有色金属

）1.铝及铝合金：应用于航空航天、电力及日常用品，不宜做承力结构材料。2.铜及铜合金：用于制造电缆、导热零件及配制各种合金。3.轴承合金：工作平稳无噪声，广泛用于机床、轧机和发动机。

一、塑料（一）塑料的概念、分类及特性塑料：树脂为主要原料,加入某些添加剂,能塑性成形按热性能:热塑性和热固性塑料按用途:通用和工程塑料（二）塑料的成型方法和机械加工性

注射成形挤压成形模压成形；机械加工性能较好，导热性和耐热性差，有弹性，加工时应适当调整刀具角度、冷却方式及切屑用量。二、橡胶

有高弹性的有机高分子材料，具有优良的伸缩性和可贵的积储能量的能力，常用作密封件、减振防振件。三、陶瓷

1500HV耐磨性好，冲击韧度和断裂韧度很低四、复合材料

有两种或两种以上不同性质的材料通过人工合成的固体材料。如轮胎是橡胶和纤维的复合体，硬质合金是金属和陶瓷复合而成。混凝土是水泥、沙子和石头组成的复合材料。五、粉末冶金

以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料通过成形和烧结所制成具有金属性质的材料的方法。2.6其它工程常用材料第五节常用金属材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的碳含量一般在0.65％～1.35％，钢号从T70到T13。为了使渗碳体呈球状并且均匀分布，改善切削加工性，为最终热处理作好组织准备，碳素工具钢必须进行球化退火。碳素工具钢的热处理工艺为淬火+低温回火。碳素工具钢在性能上有两个缺点、一个不足即淬透性低、红硬性差、耐磨性不高碳素工具钢在热处理时必须注意以下几点：①碳素刃具钢淬透性低，为了淬火后获得马氏体组织，淬火时工件要在强烈的淬火介质（如水、盐水、碱水等）中冷却，因而淬火时产生的应力大，将引起较大的变形甚至开裂，故而淬火后应及时回火。②碳素钢在淬火前经球化退火处理，在退火处理过程中，由于加热时间长、冷却速度慢，会有石墨析出，使钢脆化（称为黑脆），应引起重视。③碳素工具钢由于含碳量高，在加热过程中易氧化脱碳，所以加热时必须注意保护，一般用盐浴炉火在保护气氛条件下加热。2.合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入某些合金元素发展起来的，如锰、硅、钨、钼、钒等元素。这些元素的合金元素的加入克服钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。合金工具钢的wC=0.75％～1.5％，w合金元素则在5％以下，所以又称低合金工具钢。加入的合金元素中，Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性；Cr、Mn、W和V还可以细化晶粒；Cr、Mn等可溶入渗碳体，形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。目录合金工具钢特点：淬透性较碳素工具钢好，淬火冷却可在油中进行，故热处理变形和开裂倾向小，耐磨性和红硬性也有所提高。但合金元素的加入，提高了钢的临界点，故一般淬火温度较高，是脱碳倾向增大。合金工具钢主要用于制作：①截面尺寸较大且形状复杂的刃具；②精密的刃具；。③切削刃在心部的刃具，此时要求钢的组织均匀性要好；④切削速度较大的刃具等。合金工具钢在淬火前必须经过球化退火，得到粒状珠光体的原始组织，以利于切削加工，并且淬火过热倾向小。球化退火一般采用等温退火工艺，由退火温度以30～40℃/h冷至700℃左右，等温4h，再炉冷到600℃出炉3.高速钢高速钢是一种高碳且含有大量W、Mo、Cr、V及Co等合金元素的工具钢。经热处理后，在600℃以下仍然保持高的硬度，可达HRC60以上，故可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性。高速钢的分类：按照其成分和性能特点可分为以下几类：①钨系高速钢：典型牌号为W18Cr4V，是广泛应用的钢种。②钨钼系高速钢：③一般含钴高速钢：如W18Cr4VCo5、W6M05Cr4V2Co5。这类钢红硬性高，但是价格昂贵。④超硬高速钢（三）模具钢模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种，其品种繁多，在我国国标中多达数十种。但是，根据模具的使用性质可以分为两大类：使金属在冷状态下变形的冷模具钢，其冷模的工作温度一般小于250℃；使金属在热状态下变形的热模具钢，其模腔的表面温度高于600℃。1.冷作模具钢冷作模具钢包括制造冲裁用的模具(落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀)、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等。冷作模具钢的工作条件及性能要求冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损，也有因断裂、崩刃和变形超差而提前失效的。目录2.热作模具钢热作模具的工作条件热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别，因此会带来以下两方面的问题：

(1)模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时，其模腔表面温度可达300～400℃以上；热挤压模可达500～800℃以上，这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，在使用中易发生打垛。back(2)模腔表层金属产生热疲劳(龟裂)。热模的工作特点是具有间歇性，每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。热模的工作状态是反复受热和冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用，其结果引起模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象。热模具钢的提出了第二个基本使用性能要求，即具有高的热疲劳抗力。目录（四）量具钢量具是用来度量工件尺寸的工具，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。由于量具在使用过程中经常受到工件的磨擦与碰撞，而量具本身又必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性。量具钢要求具有以下性能：(1)高硬度和高耐磨性，以此保证在长期使用中不致被很快磨损，而失去其精度。(2)高的尺寸稳定性，以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定。(3)足够的韧性，以保证量具在使用时不致因偶然因素——碰撞而损坏。(4)在特殊环境下具有抗腐蚀性。（五）特殊性能钢不锈耐酸钢(或简称为不锈钢)是指一些在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢类。有时仅把能够抵抗大气腐蚀的钢叫做不锈钢，而把在某些浸蚀性强烈的介质中，能够抗腐蚀的钢叫耐酸钢。因此，不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢却同时又是不锈钢。1.不锈钢的种类与特点铁素体不锈钢铁素体不锈钢都是高Cr钢。由于Cr稳定。相的作用，在Cr含量达到13％以上时，铬合金将无丁相变，从高温到低温一直保持。铁素体相组织。铁素体不锈钢Cr含量在13％～30％范围。随着Cr含量的增加，耐蚀性不断提高。1.1常用铁素体不锈钢及特点铁素体不锈钢主要有三种类型：①Crl3型，如0Crl3、0Crl3A1、0Cr11Ti等；②Crl7型，如1Crl7、0Crl7Ti、1Crl7Mo等；③Cr25-30型，如1Cr28、1Cr25Ti、00Cr30Mo2等。目录1.1.2铁素体不锈钢的脆性铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度要高，但铁素体不锈钢的冲击韧度低而韧—脆转化温度高。要改善铁素