机械基础 教案 模块二 机械工程材料基础

电子教案

课程模块二机械工程材料

名称机械基础授课章节基础课时4

单元一金属材料

教学掌握钢的分类、牌号、性能及应用。

目标掌握铸铁的分类、牌号、性能及应用。

重点重点：钢的分类、牌号、性能及应用。铸铁的分类、牌号、性能及应用。

难点难点：金属材料的牌号及应用

教学

讲授法、多媒体演示法

方法

教学内容

钢铁材料与我们的日常生活息息相关，日常生活中的使用的扳手，从小至Iji把

导

瑞士军刀，大到一台挖掘机，都用到了钢铁材料。在这些不同的产品里，所用的钢

入

铁材料有什么不同？它们的性能又如何？

一、钢

1.碳钢

（1）段钢的分类碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。

①按钢的含碳审多少分为三类；

低碳钢，含碳量＜0.25%,强度及硬度低而软，故又称软钢，主要应用于汽车

车框架等零件，

中碳钢.含碳量为0.25%〜0.60%；中碳钢主要用于制造较高强度的运动零件，，

主要应用于加工齿轮等零件。

教学

高碳钢，含碳量＞0.60%。高碳钢常称工具钢，主要应用于锤、撬棍、钳子等

程序

新零件。

授②按钢的质量（即按钢含有害元素S、P的多少）分为三类

普通碳素钢，钢中S、P含量分别W0.055%和0.045%；应用于螺栓等零件的制

内造。

容优质碳素钢，钢中S、P含量均W0.040%；应用于轴等零件的制造。

高级优质碳素钢，钢中S、P含量分别W0.030%和0.035%。应用于游标卡尺等

零件的制造。

③按钢的用途分类分为三类：

碳素结构钢，多为低碳钢和中碳钢（WcWO.70%）。冶炼容易、工艺性好，价廉，

而且在力学性能上也能满足一般工程结构及普通机器零件的要求，所以应用广泛。

用于制造受力不大（如螺钉、螺母、垫圈）承受中等负荷（如小轴、连杆、销子、

农机零件等）的零件。

碳素工具钢，多为高碳钢且为优质钢或高级优质钢（Wc＞0.70%）,有害杂质元

素（C、P）含量较少，质量较高，碳素工具钢主要用于制造刀具、模具和量具的钢。

铸造碳钢，用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件（Wc=0.2%-

0.6%）o

④按冶炼时脱氧程度的不同分为四类c

沸腾钢，为脱氧程度不完全的钢，浇注时产生沸腾现象。其特点是材料利用率

高，成本低，组织不致密，力学性能较低,

镇静钢，为脱氧程度完全的钢，浇注时钢液镇静，没有沸腾现象。其特点是组

织致密，力学性能较高，质量均匀，但成本较高，材料利用率低。

半镇静纲，为脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢，其生产过程较难控制，

故使用量不大。

特殊镇静钢，为采用特殊脱氧工艺冶炼的脱氧完全的钢，其脱氧程度、质审及

性能比镇静纲高。

（2）磔钢牌号的表示方法

①碳素结构钢。碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、

屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部

分按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代

表镇静钢，Z代表镇静钢等。如Q235-A-F表示屈服强度为235Mpa的A级沸腾

碳素结构钢。

②优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表

钢中的平均含碳最的万分之几。例如45钢，表示平均含碳最为0.45%的优质碳素

结构钢。08钢，表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。

③碳素工具钢。碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其

数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“A”。例

如，T12钢，表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。T8钢，表示平均含碳量为0.8%

的碳素工具纲。T12A,表示平均含碳品为1.2%的高级优质碳素工具钢。

（3）段钢的用途举例

①Q195、Q215,用于钾钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。

②Q235、Q255,用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。

③Q275,用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。

④Q345,用于船舶、桥梁、车辆、大型钢结构。

⑤08钢，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷冲压零件。

⑥10、20钢，常用于制造冲压件和焊接件。也常用于制造渗碳件。

⑦35、40、45、50钢属中碳钢，经热处理后可获得良好的综合力学性能，主

要用制造齿轮、套筒、轴类零件等。这几种钢在机械制造中应用非常广泛。

⑧T7、T8钢，用于制造具有较高韧性的工具，如冲头、凿子等。

⑨T9、T10、TU钢，用作要求中等韧性、高硬度的刃具，如钻头、丝锥、锯

条等。

⑩T12、T13钢，用于要求更高硬度、高耐磨性的钾.刀、拉丝模具等。

2、合金钢

（1）合金钢的分类

合金钢的分类方法有多种，常见的有以下两种。

①按用途分为三类：

合金结构钢，用于制造各种性能要求更高的机械零件和工程构件；

合金工具钢，用丁制造各种性能耍求更高的刃具、量具和模具；

特殊性能钢，具有特殊物理和化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

②按合金元素总含量多少分为三类：

低合金钢，合金元素总含量小于5乐

中合金纲，合金元素总含量为5%〜10机

高合金纲，合金兀素思含量大于10%<>

（2）合金钢牌号的表示方法

合金钢是按钢材的含碳量以及所含合金元素的种类和数最编号的。

①钢号首部是表示含碳量以及所含合金结构钢与碳素结构钢相同，以万分之一

的碳作为单位，如首部数字为45,则表示平均含碳量为0.45%；合金工具钢以千分

之一的含碳量作为单位，如首部数字为5,则表示平均含碳量为0.5乳

②在表示含碳量的数字后面，用元素的化学符号表示出所含的合金元素。合金

元素的含量以百分之几表示，当平均含量小于1.5%时，只标明元素符号，不标含

量。如25Mn2V,表示平均含碳量为0.25%,含锌量约为2%,含帆量小于1.5%的合

金结构钢。又如9SiCr,表示平均含碳量为0.9%,含硅、铭都少于1.5%的合金工

具钢。

③对于含碳量超过1.0$的合金工具钢，则在牌号中不表示含碳量。如CrWMn

钢，表示含碳量大于1.0印并含有铝、鸨、铳三种合金元素的合金工具钢。但也有

特例，高速钢的含碳量小于L0乐牌号中也不表示含碳量。如晅8Cr4V钢，其含

碳量仅为0.7%〜0.8%。

④特殊性能钢牌号中也不表示方法基本上与合金工具钢相同。如2Crl3,表示

平均含碳量为0.2%,含铭量约为13%的不锈钢。

⑤有些特殊用钢，则用专门的表示方法，如滚动轴承钢，其牌号以G表示，不

标含碳量，格的平均含量用千分之几表示。如GCH5,表示含格量为L5%的滚动轴

承钢。

⑥对于高级优质钢，在钢号末尾加一个“A”字，如38CrMoAIA。

（3）合金钢的用途举例

l）09MnNb.16Mn.15MnTi钢属低合金结构钢,用于制造桥梁、车辆、锅炉、

油罐、建筑结构和化工容器等。

2）14MnVTiRe>14MnMoV>18MnNb.14CrMnMoVB钢用于制造大型船舶、重要桥

梁、电站设备及锅炉、化工、石油等中高压容器。

3)20Cr、20MnV钢,适于制造渗碳小齿轮、小轴、活塞销等。

4)20CrMnTi钢，常用于制造汽车、拖拉机上的齿轮.

5)18Cr2Ni4WA>15CrMn2SiMo>20Cr2N14A钢，常用于制造大型渗碳齿轮和轴

类件。

6)40MnBs40Cr、35CrMo、40CrMnM。钢,用于制造重要调质件，如主轴、曲轴、

连连杆和齿轮等机械零件。

7)65Mn.60Si2Mn钢属弹簧钢，主要月于制造截面小于25nmi的弹簧，如车箱

板簧和机车板簧、扭杆簧等。

8)GCrl5、GsiMnMoV钢属轴承钢，主要用于制造滚动釉承的内圈、外圈和滚动

体，也可用于制造冷冲模、冷轧辑等。

9)CrWMn、CrMn>9Mn2V钢,用于制造测量工具,如卡尺、千分尺、量规、块

规塞规等。

10)W18Cr4V.W6Mo5c4V2钢,用于制造高速切削的刃具，如钻头、铳刀、滚刀、

拉刀、较刀车刀等。

H)5CrMnMo.3Cr2W8V钢，属热模具钢，用于制造热锻模、热压模、压铸模等。

12)Crl2.Crl2MoV钢，属冷模具钢，用于制造冷冲模具、冷切剪刀具等。

13)1613、2cH3、3Crl3>4Crl3钢,属马氏体不锈钢,用于制造抗弱腐蚀性

介质并承受冲击载荷的零件，还可用来制造具有较高硬度和耐磨性的医疗工具等。

14)lCrl8Ni9、lCrl8Ni9Ti钢,属奥氏体不锈钢,用于制造耐硝酸、冷磷酸、

有机酸及盐、碱溶液腐蚀的设备零件。

15)Mnl3钢，属耐磨钢，用于制造拖拉机链轨板、挖掘机铲齿、球磨机衬板、

铁路道岔等。

16)15CrMo、4CrlOSi2Mo钢，属耐热钢，用于制造在高温下工作的零件或构件。

二、铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，它含有比碳钢更多的硅、锌、硫、磷等

杂质。工业上常用的铸铁含碳量为2.5%〜4.0%。

1.铸铁的具体分类与应用

(I)灰口铸铁

含碳量较高(2.7%〜4.0%),碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称

灰铁。熔点诋（1145-1250*0,凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，

减箧性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。

（2）白口铸铁

碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大,

易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件

和制作耐磨损的零部件。

（3）可锻铸铁

由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，

耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。

（4）球墨铸铁

灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析巴的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口

铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。

2.铸铁的牌号

组成

表示内容补充说明应用举例

部分

由代号和表示力学性主要代号有：例1：HT200

第一

能特征值的阿拉伯数字组灰口铸铁为HT、该牌号表示

类型白口铸铁为BT、最低抗拉强度为

成

可锻铸铁为KT、200MPa的灰口

球墨铸铁为QT、铸铁。

由代号和主要合金元

第二蠕墨铸铁RuTo例2：

素的元素符号及名义百分

类型表示力学特QT400—15

含量组成

性的数字是用拉该牌号表示

由代号和主要合金元伸强度值。最低抗拉强度为

第三索的元素符号及名义百分表示合金元400MPa,延伸率

类型含量和和表示力学性能特素含量是用质量为15%的球墨铸

征值的阿拉伯数字组成。分数表示。铁。

二.铸钢

铸钢也是一种重要的铸造合金，其应用仅次于铸铁。铸钢件的力学性能优于各

类铸件，井具有优良的焊接性能，适于采用铸焊联合工艺制造重型铸件。

1铸钢的类型

常用的寿钢有碳素铸钢和合金铸钢两大类，其中碳索铸钢应用较广，约占铸钢

件的80%o

2铸钢的牌号

般工程用铸钢的牌号由“ZG”加两组数字表示。其中“ZG”为铸钢二字汉

语拼音第一个字母,后面两位数字分别表示材料的最小屈服强度值和最小抗拉强度

值。如ZG2CXM00、ZG270-500.ZG340-640等

3铸钢的应用

生产上等钢主要用于制造形状复杂、难于锻造而又需承受冲击载荷的零部件。

如机车车架、火车车轮、水压机的缸和立柱、大型齿轮、轧钢机机架等。

四、钢铁材料的现场鉴别

钢铁材料品种繁多，性能各异，因此对钢铁材料的鉴别是非常必要的。常用的

鉴别方法有火花鉴别法、色标鉴别法、断口鉴别法和音色鉴别法等。

1、火花鉴别法

根据钢铁材料在磨削过程中所出现的火花爆裂形状、流线、色泽、发火点等特

点区别钢铁材料化学成分差异的方法，称为火花鉴别法。

火花鉴别专用电动砂轮机的功率为0.20〜0.75kW,转速高于3000i7min。所用

砂轮粒度为40〜60目，中等硬度，直径为4>150〜200m磨削时施加压力以20〜

60N为宜，轻压看合金元素，重压看含碳显。

火花鉴别的要点是：详细观察火花的欠束粗细、长短、花次层叠程度和它的色

泽变化情况。注意观察组成火束的流线形态，火花束根部、中部及尾部的特殊情况

和它的运动规律，同时还要观察火花爆裂形态、花粉大小和多少。

（1）常用钢铁材料的火花特征

碳是钢铁材料火花的基本元素，也是火花鉴别法测定的主要成分。由于含碳量

的不同，其火花形状不同。

①碳素纲火花的特征

低碳钢火花束较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色,

无花粉。

中碳钢火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次

花，花粉较多，发光较强，颜色橙。

高碳钢火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，又分叉多且多为三次

花，发光较亮。

②铸铁的火花特征

铸铁的火花束很粗，流线较多，一般为二次花，花粉多，爆花多，尾部渐粗下

垂成弧形，颜色多为橙红。火花试验时，手感较软。

③合金钢的火花特征。

合金钢的火花特征与其含有的合金元素有关。一股情况下，银、硅、铝、鸨等

元素抑制火花爆裂，而钵、钮铭等元素却可助长火花爆裂。所以对合金钢的鉴别难

掌握。

一般铝钢的火花束白亮，流线稍粗而长，爆裂多为一次花、花型较大，呈大星

形，分叉多而细，附的碎花粉，爆裂的火花心较明凫。

银铭不锈钢的火花束细，发光较暗，爆裂为一次花，五、六根分叉，呈星形,

尖端微有爆裂。

高速钢火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽呈暗红色，根部和中部为

断续流线，晶花呈弧状。

2.色标鉴别法

生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，常做一定的标记，如涂色、打印、

挂牌等。金属材料的涂色标志是表示钢号、钢种的，涂在材料一端的端面或端部。

具体的涂色方法在有关标准中做了详细规定，现举例如下：

（I）碳素结构钢Q235钢为红色；

（2）优质碳素结构钢20钢为棕色加绿色，45钢为白色加棕色；

（3）合金结构钢20CrMnTi钢为黄色加黑色，40CrM。钢为绿色加紫色；

（4）格轴承钢GCH5钢为蓝色；

（5）高速钢W18CMV钢为棕色加蓝色；

（6）不锈钢lCrl8Ni9Ti钢为绿色国蓝色；

<7）热作模具钢5CrMnMo钢为紫色加白色。

3.断口宏观鉴别法

材料或零部件因受某些物理.、化学或机械作用的影响而导致破断，此时所形成

的自然表面称为断口。生产现场根据断口的自然形态判定材料的韧脆性，从而推断

材料含碳量的高低。若断口呈纤维状，无金属光泽，，颜色发暗，无结晶颗粒，且

断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性,含碳量较低。

若断I」齐平.呈银灰色，且具有明显的金属光泽和结晶颗粒，则表明属脆性材料。

而过共析钢或合金经淬火后，断口呈亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细究器断口特

征。常用钢铁材料的断口特点大致如下：

(1)低碳钢不易敲断，断口边缘有明显的塑性变形特征，有微量颗粒；

(2)中碳钢的断口边缘的塑性变形特征没有低碳钢明显，断口颗粒较细、较

多；

(3)高碳钢的断口边缘无明显塑性变形特征，断口颗粒很细密；

(4)铸铁极易敲断，断口无塑性变形，晶粒粗大，呈暗灰色。

4.音色鉴别法

根据钢铁敲击时发出的声音不同，以区别钢和铸铁的方法称为音色鉴别法。敲

击时，发出比较清脆声音的材料为钢，发出较低沉声音的材料为铸铁。

为了准确地鉴别材料，在以上几种现场鉴别的基础上，一般还可采用化学分析、

金相检验以及硬度试验等手段进行鉴别。

一、钢

1碳钢

分类应用牌号

2合金钢

归分类应用牌号

二、铸铁

纳分类应用牌号

小三、铸钢

分类应用牌号

结四、钢铁材料的现场鉴别

1火花鉴别法

2色标鉴别法

3断口鉴别法

4音色鉴别法

作

机械基础配套习题集《金属材料》

业

电子教案

课程模块二机械工程材料基础

机械基础授课章节课时4

名称亘元二金属材料的性能

教学了解金属材料的物理性能。

目标掌握金属材料的力学性能、加工性能。

重点重点：金属材料的力学性能、加工性能

难点难点：金属材料的力学性能、加工性能

教学

讲授法、多媒体演示法

方法

教学内容

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料为保证机械

零件或工具正常工作应具备的性能。使用性能包括机械性能（或力学性能）、物理

性能和化学性能等。工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适

导应各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种成形加工方法制成成品的难易

入程度。工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能以及切削加工性

能等。

同学们.你知道金属材料的性能为什么包含这么多方面以及它们各自有仆么含

义吗？

教学一、金属材料的物理性能

金属的物理性能主要考虑：

程序

1.密度（比重）

P=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米，式中P为重量，V为体积。在实际应

用中，除了根据密度计算金属零件的重量外,很重要的一点是考虑金属的比强度（强

新度。b与密度P之比）来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗（密

度p与声速C的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力

授等等。

内2熔.点

金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并

容与材料的高温性能有很大关系。

3.热膨胀性

随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，

多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化时，材料长度的增减量与其0℃时的长度

之比。热膨胀性与材料的比热有关。在实际应用中还要考虑比容（材料受温度

等外界影响时，单位重量的材料其容积的增减，即容积与质量之比），特别是对于

在高温环境下工作,或者在冷、热交替环境中工作的金属零件,必须考虑其膨胀性

能的影响。

4.磁性

能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应

强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。

5.电学性能

主要考虑其电导率，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。

二、金属材料的机械性能（力学性能）

1.应力的概念

物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应

力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应

力、加工过程结束后留存下来的残余应力等等）。

2.机械性能

金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称

为金属材料的机械性能（也称为力学性能%金属材料承受的载荷有多种形式，它

可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、

弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料

机械性能的指标主要有以下几项：

（1）强度

①定义

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。当材料在满足

强度的载荷作用范围内是不会发生破坏，只有当材料承受的载荷超过了自身的强度

时才会发生断裂之类的破坏。

②拉伸实验

根据外力作用性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。

工程常用的是屈服强度和抗拉强度，一般在拉伸试验机上实验测得，相同条件下，

材料的强度越高，则构件的承载力也就越高。

为了便于对试验结果进行比较，试验时首先要把待测试的材料加工成试件。

我国国家标;隹GB/T228-1987《金属拉力试验法》中规定，拉伸试件截面可采用圆

形或矩形，长度可根据其截面尺寸按规定比例或不按比例适当选取。按比例选取的

试件长短两种规格。圆截面长试件其工作段长度（也称标距）10=10d0,短试件

10=5d0o金属材料的压缩实验，一般采用短圆柱形试件其高度为直径dO的1.5-3

倍。

③四个阶段

第I阶段（弹性变形阶段）试件受力以后，长度增加，产生变形，这时如将外

力卸去，试件工作段的变形可以消失，恢复原状。此类变形称为弹性变形，因此,

称第I阶段为弹性变形阶段。

第II阶段（屈服阶段）弹性变形阶段以后，试件的伸长显著增加，但外力却滞

留在很小的范围内上下波动。外力不需增加,变形却继续增大,这种现象称为屈服

或流动。屈服阶段中拉力波动的最低值称为屈服载荷，用Fs表示。所对应的应力

称为屈服极限，用。$表示。

第in阶段(强化阶段)过了屈服阶段以后，继续增加变形，需要加大外力，试

件对变形的抵抗能力乂获得增强，力与变形是非线性的关系。此阶段称为强化阶段。

第IV阶段(颈缩阶段)当拉力继续增大达某一确定数值时，可以看到，试件某

处突然开始逐渐局部变细，形同细颈，称颈缩现象。因此，第IV阶段称为颈缩阶段。

颈缩出现前.试件所能承受的拉力最大值，称为最大载附，用林表示。所对应的

应力称为强度极限，用。b表不。

(3)塑性

①定义

塑性是指金属材料在给定载荷外力的作用下，产生永久变形而不被破坏的能

力。金属材料在受到拉伸变形时，长度和横截面枳都要发生变化。因此，金属的塑

性可以用材料的伸长率6和截面收缩率力两个指标来衡量。

②伸长率6

试件拉断后，工作段的残余伸长量△1=1071与标距长度10的比值，代表试

件拉断后塑性变形程度，

称为材料的伸长率，用6表示。即

S二仁3100%

1。

③截面收缩率小试件断口处横截面面积的相对变化率称为截面收缩率，

用力表示.即

"/=上工1000。

4

金属材料的伸长率和截面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受

较大的塑性变形而不破坏。工程上通常把常温、静栽下伸长率大于5与的金属材料

称为塑性材料，如低碳钢；而把伸长率小于5%的金属材料称为脆性材料，如灰口

铸铁等。

低碳钢是一种塑性极好的材料，在汽车制造业中常用这种材料通过冲裁、拉

延、翻边等玉力加工的方法来加工。

(3)硬度

①定义

金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，或者说是材料对局部塑

性变形的抵抗能力。例如将一个坚硬的钢球压入钢板的表面，就会在钢板表面留下

圆形痕迹，这个痕迹的大小就反映了材料的软硬程度。

②硬度到成

硬度是由硬度订测试出来的。常用的便度标准有三套：布氏硬度、洛氏硬度、

维氏硬度，这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。

类别测试方法应用范围

用一定大小的试验力F,把直径为D的淬火钢球或布氏硬度测量

硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间法适用于铸

布氏后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径铁、非铁合金、

硬度d,然后按公式求出-布氏硬度HB值，或者根据d各种退火及调

(HB从已备好的布氏硬度表中查出HB值。质的钢材，不

)宜测定太硬、

太小、太薄的

工件。

洛氏硬度（HR）试验方法是用一个顶角为120度测试当被测样

洛氏的金刚石圆锥体或直径为/的钢球，在一定载荷品过小或者布

硬度下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬氏硬度（HB）

(HR度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同大于450时，

)标度来表示：HRA、HRB、ERCo其中以HRC为最就改用洛氏硬

常用。度计星

维氏硬度测定原理与布氏硬度相似，将相对面夹适用于较大工

角为136。的正四棱锥体金刚石作为压头，试验件和较深表面

维氏

时在规定的试验力F（49.0：广980.7N）作用下，层的硬度测

硬度

压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，定。还适用于

(HV

用测微仪器测出压痕的对角线长度，算出两对角较薄工件、工

)

线长度的平均值d后,查GB4340.4-2009附表就具表面或镀层

可得出维氏硬度值。的硬度测定。

（4）韧性

①定义

韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。

金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K（单位是J）指标来衡量。

②夏比摆锤冲击试验

夏比摆睢冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种。夏比摆锤冲击试验方

法：是在摆锤式冲击试验机上进行的。试验时，将带有缺口的标准试样安放在试验

机的机架上，使试样的缺口位于两支座中间，并背向摆锤的冲击方向。将一定质量

的棋锤升高到规定高度hl,则摆锤具有势能AKV1（V型缺口试样）或AKUMU型缺口

试样）。当摆锤落下将试样冲断后，摆锤继续向前升高到h2,此时摆锤的剩余势能

为AKV2或AKU2,则搜锤冲断试样过程中所失去的势能就等于冲击试样的吸收能量

Ko

吸收能量K是表征金属材料韧性的重要指标。显然，吸收能量大，表示金属材

料抵抗冲击;式验力而不破坏的能力越强。

吸收能量对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口

和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面

的质量。

③温度对吸收能量的影响

吸收能量对温度非常敏感，随着试验温度的降低，吸收能量总的变化趋势是随

着温度的降诋而降低，。

金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧

转变的温度区域,称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指

标。

（5）疲劳强度

①疲劳:许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作

用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限,但经过长时间的应力反复循环作用以后，

也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。由于疲劳不易发现，所以

对安全的影响是极大的。

②疲劳强度：金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最

大应力值称为金属材料的疲劳强度。金属材料承受一定的循环应力。与断裂时相应

的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，这种曲线称为。-N曲线。这种曲线

可以在一定程度上反映金属材料的实际服役过程。

由于大部分机械零件的损坏是由疲劳造成的，消除或减少疲劳失效，对于提高零

件使用寿命有着重要意义。影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减轻

零件应力集中外，改善零件表面粗糙度，减少缺口效应，均可提高零件的疲劳强度

三、金属材料的工艺性能

金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下四个

方面:

1.切削加工性能

切削加工性能是指金属材料在用切削刀具进行加工时，所表现出来的难易程

度。它主要用切削速度、加工表面光洁度和刀具耐用度来衡量。通常灰铸铁有良好

的切削加工性，钢的硬度在HBW160-200范围内时，具有良好的切削加工性。

2.锻造性能

反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度，例如将材料加热到一定温度

时其塑性的岛•低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小,

热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的

流动性、导热性能等。

3.铸造性能

反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸

气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。

4.焊接性能

反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从

而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸

气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织

的相关性、对机械性能的影响等。

一、金属材料的物理性能

二、金属材料的机械性能(力学性能)

1.应力的概念

2机.械性能

(1)强度

归(2)塑性

(3)硬度

纳(4)韧性

小(5)疲劳强度

三、金属材料的工艺性能

结

(1)切削加工性能

(2)锻造性能

(3)铸造性能

(4)焊接性能

作

机械基础配套习题集《金属材料的性能》

业

电子教案

课程模块二机械工程材料基础

机械基础授课章节课时4

名称单元三其他金属材料

了解铝及铝合金的性能、分类、牌号、及应用。

了解铜及铜合金的性能、分类、牌号、及应用。

教学

了解钛及钛合金合金的性能、分类、牌号、及应用

目标了解滑动轴承合金的分类、牌号、性能及应用

了解粉硬质合金材料的分类、牌号、性能及应用

重点重点：金属材料的分类、牌号、及应用

难点难点：金属材料的分类、牌号、及应用

教学

讲授法、多媒体演示法

方法

教学内容

钢铁材料虽然有很好的性能，但是还有很多金属制品不是选用钢材而是选用了

非铁金属，丰铁金属是除钢铁材料以外的其他金属材料的总称，如铝、镁、铜、锌、

导锡、铅、银、钛、金、银、伯、锐、铝等金属及其合金就属于非铁金属。常用的非

入铁金属有：铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、滑动轴承合金、硬质合金等，

小到钥匙大到飞机非铁金属在实际生活和工程中随处可见。本课题就要介绍常用非

铁金属的相关性能和应用。

一.铝及铝合金

1.纯铝的性能、牌号和用途

⑴性能

铝含量不低于99.00%时称为纯铝。纯铝是银白色的轻金属，密度小(2.7g/cm3),

熔点低(660C)；纯铝具有良好的导电性和导热性；纯铝的塑性好(Z^80%),但强

度低(Rm%80〜100MPa),不能用热处理强化，冷变形强化是提高纯铝强度的主要

教学

手段。

程序(2)牌号

新纯铝牌号用IXXX四位数字或四位字符表示，牌号的最后两位数字表示最低铝

授百分含量。当最低铝百分含量精确到0.01%时，牌号的最后两位数字就是最低铝百

分含量中小数点后面的两位。例如，1A99(原LG5),其\咕1=99.99%；1A97(原LG4),

内其wAl-99.97%。

容(3)用途

纯铝主要用于熔炼铝合金，制造电线、电缆、电器元件、换热器件以及要求制作

质轻、导热与导电、耐大气腐蚀但强度要求不高•的机电构件等。

2.铝金合的性能、牌号和用途

在纯铝中加入一种或几种其他元素(如铜、镁、硅、钵、锌等)形成的非铁金属称

为铝合金。

(1)铝合金的分类。

铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。

(2)铝合金的牌号和用途

①变形铝合金的牌号和用途.

变形铝合金是通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化的铝合

金，变形铝合金包括：防锈铝、硬铝、超便铝、锻铝。

②铸造铝合金的性能、牌号和用途。

铸造铝合金是指可用金属铸造成形工艺直接获得零件的铝合金。按其所加合金

元素的不同,铸造铝合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系合金等。

铸造铝合金牌号由铝和主要合金元素的化学符号，以及表示主要合金元素名义

质量百分含量的数字组成,并在其牌号前面冠以“铸”字的汉语拼音字母的字首“Z”。

例如,ZA如-2表示wSi=12%,wAl=88%的铸造铝合金。

二.铜和铜合金

1.纯铜

纯铜呈紫红色，又称紫铜，工业上使用的纯铜称为加工铜。纯铜密度为8.96克/

立方厘米，溶点为1083℃,具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。

加工铜的牌号用“T+数字”表示，“T”为“铜”的汉语拼音字母的字首，阿拉

伯数字“3”表示顺序号，如T3表示3号纯铜。顺序号数字越大，则其纯度越低。

加工铜有Tl、T2、T3三个牌号。

加工铜的强度低，不宜作为结构材料使用，主要用于制造电线、电缆、目子器件、

导热器件以及作为冶炼铜合金的原料等。

2.铜合金的性能、分类、牌号和用途

铜合金是以铜为基体，加入合金元素形成的非铁金属。铜合金与工业纯铜比较，

不仅强度高，而且还具有优良的物理性能和化学性能，在工业上得到广泛使用。

铜合金按其化学成分，可分为黄铜、白铜和青铜三类。根据生产方法的不同，铜

合金分为加工铜合金与铸造铜合金两类，其中加工铜合金包括加工黄铜、加工青铜

和加工白铜。

黄铜是指以铜为基体，以锌为主加元素的铜合金。普通黄铜是铜锌二元合金；在

普通黄铜中加入其它元素所形成的铜合金称为特殊黄铜，如铅黄铜、镒黄铜、铝黄

铜等。

白铜是指以铜为基体，以银为主加元素的铜合金。普通白铜是铜银二元合金；在

普通白铜中加入其它元素时所形成的铜合金称为特殊白铜，如锌白铜、镒白铜、铁

白铜等。

青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金，如以锡为合金元素的铜合金称为锡青铜，

以铝为主要合金元素的铜合金称铝青铜。比外，还有被青铜、硅青铜、锦青铜等。

与黄铜、白铜一样，各种青铜中还可加入其他合金元素，以改善其性能。

(1)加工黄铜的性能、牌号和用途

①普通黄铜的牌号用“H+数字”表示，“H”为“黄”字汉语拼音字母的字首，“数

字”表示平均铜的质量分数，如H70表示铜的质量分数为70%,锌的质量分数为30%

的单相黄铜。

普通黄铜色泽美观，具有良好的耐蚀性，加工性能较好。当锌的质量分数不超过

45%时，黄铜的强度、硬度随着锌的质量分数的增加而升高。常用的普通黄铜有H90、

H80、H70、H62等。

②特殊黄铜的的牌号是用“H+主加合金元素符号+铜的平均质景分数+主加合金元

素平均质量分数”表示，如HPb59-l表示铜的质量分数为59%,铅的质量分数为1%

的铅黄铜。

加入铅可以改善黄铜的切削加工性；加入硅能提高黄铜的强度和硬度，改善其铸

造性能；加入锡能增加黄铜的强度及在海水中的耐蚀性，因此，锡黄铜又有海军黄

铜之称。

（2）加工白铜的性能、牌号和用途

普通白铜的牌号用“B+数字”表示。“B”是“白”字的汉语拼音字母的字首，“数

字”表示平均银的质量分数，如B19表示立均银的质量分数为19乐平均铜的质量

分数为8K的普通白铜。普通白铜具有优良的塑性、耐腐蚀性、耐热性和特殊的电

性能，它是制造精密机械零件、仪表零件、冷凝器、蒸播器、热交换器和电器元件

不可缺少的材料。

特殊白铜的牌号用“B+主加元素符号+数字+数字”表示，“数字”依次表示镇和

主加元素平均质量分数，如BMn3-12表示平均银的质量分数3%、锦的质量分数为

12%的钵白铜。合金元素的加入是为了改善白铜的力学性能、工艺性能和电热性能

以及获得某些特殊性能，如镒白铜（又称炭铜）具有较高的电阻率、热电势、较低

的电阻温度系数、良好的耐热性和耐腐蚀性，常用来制造热电偶、变阻器及加热器

等。

（3）加工青铜的性能、牌号和用途

加工青铜的牌号用“Q+第一个主加元素的化学符号及数字+其它元素符号及数

字”表示，“Q”是“青”字汉语拼音字母的字首，“数字”依次表示第一个主加元

索和其它加入元素的平均质量分数，如QSn4-3,即为锡的平均质量分数为4以锌

的平均质量分数3斩其余为铜的锡青铜。

（4）铸造铜合金的性能、牌号和用途

铸造铜合金是指以铜为基适用于铸造成形的铜合金。

铸造铜合金的牌号表示方法是用“ZCu+主加元素符号+主加元素质量分数+其他加

入元素符号和质量分数”组成。例如，ZCuZn38表示锌的质量分数为38%的铸造铜

合金。常用的铸造黄铜合金有ZCuZn38、Z1uZn25AlFe3Mn3等。常用的铸造青铜合

金有ZCuSnlOZn2、ZCuPb30等。

铸造锡青铜是非铁金属中收缩率最小的合金,适合于铸造对外形及尺寸要求较高

的铸件以及形状复杂、壁厚较大的零件。

三.钛及钛合金

1.纯钛的性能、牌号和用途

纯钛呈银3色，密度为4.508g/cm3,熔点为1677C,热膨胀系数小。纯钛塑性

好，强度低，容易加工成形。钛与氧和氮的亲和力较大，非常容易与氧和氮结合形

成一层致密的氧化物和氮化物薄膜，其稳定性高于铝及不锈钢的氧化膜，故在许多

介质中钛的耐腐蚀性比不锈钢更优良，尤其是抗海水腐蚀的能力非常突出。

工业纯钛（加工钛）的牌号用“TA+顺序号”表示，如TA2表示2号工业纯钛。

工业纯钛的牌号有TAI、TA2、TA3、TA4,顺序号越大,杂质含量越多。

纯钛在航空部门用于制造飞机骨架、蒙皮、发动机部件；在化工部门用于制造热

交换器、泵体、搅拌器等；制造海水净化装置及舰船零部件。

2.加工钛合金的分类、牌号和用途

加工钛合金按其使用组织状态的不同，可分为a型钛合金、B型钛合金和（a+

B）型钛合金。

加工钛合金的牌号用“T+合金类别代号+顺序号”表示。“T”是“钛”字汉语拼

音字母的字首，合金类别代号分别用A、B、C表示a型钛合金、8型钛合金、a+

B型钛合金。例如，TA7表示7号a型钛合金；TB2表示2号8型钛合金；TC4表

示4号a+B型钛合金。

a型钛合金（如TA7）一般用于制造使用温度不超过500℃的零件，如航空发

动机压气机叶片和管道，导弹的燃料缸，超音速飞机的涡轮机匣及火箭、飞船的高

压低温容器等。

B型钛合金（如TB2）一般用于制造使用温度在350℃以下的结构零件和紧固

件,如压气机叶片、轴、轮盘及航空航天结构件等。

a+B型钛合金（如TC4）一般用于制造使用温度在400℃以下和低温下工作的

结构零件，如火箭发动机外壳、航空发动机压气机叶片、火箭和导弹的液氢燃料箱

部件等。钛合金中a型钛合金可以适应各种不同的用途，是目前应用最广泛的

一种钛合金。如图2-3-4所示钛合金应用于航空、钛合金自行车、钛合金眼镜框。

常用钛合金有TA5、TA6、TA7、TB2、TB3、TB4、TC3、TC4、TC10等。

四.滑动轴承合金的分类、牌号和用途

滑动轴承合金是用于制造滑动轴承中内衬或轴瓦的铸造合金。

1.滑动轴承合金的分类和牌号

滑动轴承合金有：锡基、铅基、钢基、侣基等滑动轴承合金。

滑动轴承合金牌号由字母“Z+基体金属元素符号+主添加合金元素的化学符号+

数字+辅添加合金元素的化学符号+数字”组成。其中“Z”是“铸”字汉语拼音字

母的字首。例如，ZSnSbUCu6表示平均睇的质量分数为11%、铜的质量分数为6K

其余锡的质量分数为83%的锡基滑动轴承合金。

2.滑动轴承合金的用途

①锡基滑动轴承合金（锡基巴氏合金）是以锡为基，加入睇（Sb）、铜等元素组成

的滑动轴承合金。锡基滑动轴承合金具有适中的硬度、低的摩擦系数、较好的塑性

和韧性、优良的导热性和耐腐蚀性。锡基滑动轴承合金常用于制造重要滑动轴承,

如制造汽轮机、发动机、压缩机等高速滑动轴承。常用锡基滑动轴承合金有

ZSnSb8Cu4xZSnSbllCu6.ZSnSb4Cu4等。

②铅基滑动轴承合金（铅基巴氏合金）是以铅为基，加入睇、锡、铜等元素组成

的滑动轴承合金。铅基滑动轴承合金的强度、硬度、韧性均低于锡基滑动轴承合金,

摩擦系数较大，故适用于中等负荷的低速轴承，如汽车、拖拉机、轮船的曲轴滑动

轴承，电动机、空压机、减速器的滑动轴承等。常用铅基滑动轴承合金有

ZPbSbl6Snl6Cu2>ZPbSbl5SnlO等。

③铜基滑动轴承合金是以铜合金作为滑动轴承合金材料的合金，如锡青铜、铅

青铜、铝青铜、被青铜等均可作为滑动轴承材料。

铜基滑动轴承合金是锡基滑动轴承合金的代用品，可以承受较大的压力。常用

牌号是ZCuPb30铸造铅青铜，其平均铅的质量分数为30%,广泛用于制造高速、重

载荷下工作的发动机滑动轴承，如航空发动机、大功率汽轮机、柴油机等高速机器

的主滑动轴承和连杆滑动轴承。

④铝基滑动釉承合金是以铝为基体元素，加入睇、锡或镁等合金元素形成的

的滑动轴承合金。铝基滑动轴承合金具有原料丰富、价格低廉、导热性好、疲劳强

度高和耐腐败性好等优点，广泛用于高速直载汽车、拖拉机及柴油机滑动轴承。它

的主要缺点是线膨胀系数较大，运转时易与轴咬合，尤其在冷起动时危险性更大。

常用铝基滑动轴承合金有：铝睇镁合金和铝锡合金，如高锡铝基滑动轴承合金

ZAlSn6CulNiU

五.硬质合金的分类、牌号和用途

1.硬质合金性能特点

硬质合金是由作为主要组元的一种或几种难熔金属碳化物和金属粘结剂相组成

的烧结材料。难熔金属碳化物主要以碳化鸽（WC）,碳化钛（TiC）、碳化祖（TaC）.

碳化银（NbC）等粉末为主要成分，金属粘结剂主要以钻（C。）粉末为主，经混合

均匀后，放人压模中压制成形，最后经高温（1400v1500aC）烧结后形成硬质合金

材料。

硬质合金的硬度高（最高可达92HRA）,高于高速钢（63、70HRC）；热硬性高，在

800~1000℃时，硬度可保持60HRC以上，其热硬性远高于高速钢（500%50C）；耐

磨性好.比高速钢要高15~20倍。这是因为组成硬质合金的主要成分设、TiC、

TaC和NbC都具有很高的硬度、耐磨性和热稳定性。

硬质合金的抗压强度高，但抗弯强度低；冲击吸收能量K较低，仅为L6、4.8J,

为淬火钢的30Q50%；线膨胀系数小，导热性差。

2.硬质合金的分类、代号和用途

硬质合金按用途范围不同，可分为切削加工用硬质合金，地质、矿山工具用硬质

合金，耐磨零件用硬质合金。

根据GB/T18376.1—2008规定，切削工具用硬质合金牌号按使用领域的不同，

可分为P、M、K、N、S、H六类。各个类别为满足不同的使用要求，以及根据切削

工具用硬质合金材料的耐磨性和韧性的不同，可将切削工具用硬质合金分成若干个

组，并用01、10、20等两位数字表示组号,如P01、PIO、P20、P30、P40、M01、

MIO.M20、M30、M40、KOI、K10、K20、K30、K40、N01、N10、N20、N30、SOUS10、

S20、S30、HOI、H10、H20、H30。必要时,可在两个组号之间插入一个补充组号,

用05、15、25等表示。

在机械制造中，硬质合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具及耐磨零件。

另外，在采矿、采煤、石油和地质钻探等行业，也使用硬质合金制造凿岩用钎头和

钻头等。

一.铝及铝合金

1.纯铝的性能、牌号和用途

2.铝金合的性能、牌号和用途

二.铜和铜合金

1.纯铜

归2.铜合金的性能、分类、牌号和用途

纳三.钛及钛合金

1.纯钛的性能、牌号和用途

小2.加工钛合金的分类、牌号和用途

结四.滑动轴承合金的分类、牌号和用途

1.滑动轴承合金的分类和牌号

2.滑动轴承合金的用途

五.硬质合金的分类、牌号和用途

1.硬质合金性能特点

2.硬质合金的分类、代号和用途

作

机械基础配套习题集《其他金属材料》

业

电子教案

课程模块二机械工程材料基础

机械基础授课章节课时2

名称单元四非金属材料

了解高分子材料的种类、特性及应用

教学

了解陶瓷材料的种类、特性及应用

目标了解复合材料的种类、特性及应用

重点：高分子材料的种类、特性及应用；陶瓷材料的种类、特性及应用；复合材料的种类、

重点

特性及应用

难点难点：特性及应用

教学

讲授法、多媒体演示法

方法

教学内容

导非金属材料在实际生活和工程中随处可见，从日常生活用品到航空航天领域都

有广泛的应用。同学们，既然非金属材料有非常广泛的应用，你知道常用的非金属

入材料有那