机械基础（少学时第3版） 课件 第2单元 机械工程材料

第2单元

机械工程材料

项目背景

材料是人类生活和生产的物质基础。机械工程材料是指用于制造各类机械零

件、构件的材料和在机械制

造过程中所应用的工艺材

料。近几年新材料和新工艺

广泛应用在国防、航天、军事等领域，国家综合实力得到极大提高。通过本单元的学习，应了解机械工程中常用的材料有哪些，有哪些热处理工

艺，如何根据使用要求选用合适的材料。图2-1某汽车主要零部件应用的材料第2单元机械工程材料

钢铁材料及应用金属材料的性能非铁金属和粉末冶金材料金属材料的热处理及应用内容CONTENTS常用非金属材料思考与练习第2单元机械工程材料

知识目标

1.熟悉常用钢铁材料、非铁金属、粉末冶金等材料的牌号、种类、性能、用途及选用。

2.了解常用金属材料的热处理工艺、特点及应用。3.熟悉高分子材料、陶瓷材料、复合材料的种类、性能、用途。

1.能识别机械行业常用金属及非金属材料，并能识读常用材料的牌号。

2.能依据机械零件的工作要求选用合适的材料。

能力目标第2单元机械工程材料

素质目标

1.强化工程材料国家标准执行的严谨性与规范性。

2.培养工程思维与工程安全意识。

1.各种碳素结构钢、合金

钢的分类、牌号表示及其热

处理工艺的选用。2.常见非金属材料的性能

及选用方法。

学习重点和难点2.1金属材料的性能

金属材料是目前应用最广泛的材料，常用的金属材料有碳素结构钢、合金钢、铸铁、非铁金属及合金、金属粉末冶金材料。

金属材料之所以能大量应用在各行各业中，是由于金属材料比其他种类的材料有更好的力学性能和工艺性能。

水排鼓风炼铁2.1金属材料的性能2.1.1金属材料力学性能

1.强度

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。车轴断裂飞机起落架断裂

2.1金属材料的性能

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。相同条件下，材料的强度越高，则构件的承载力也就越高。

材料的强度等力学性能须通过试验的方法进行测定。此类试验须按标准（如国家标准、部标准）中规定的方法进行。此处重点介绍低碳钢的拉伸强度测试实验。拉伸试验机2.1金属材料的性能

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样。我国国家标

准GB/T228.1—2021《金属材料

拉伸试验

第1部分：室温试验方法》中规定，拉伸试

样横截面可采用圆形（见图2-4a）、矩形、多边形或环形，长度可根据其横截面积按规定比

例或不按比例适当选取。按比例选取的试样规定有长短两种规格。圆形横截面长比例试样其

原始标距（工作段长度）L0=10d0

，短比例试样

L0=5d0。金属材料的压缩试验，

一般采用短

圆柱形试样，其高度为直径

d0

的1.5～3倍图2-4标准试样2.1金属材料的性能

拉伸试验机在试验过程中可以绘制出施加的载荷与试样变形的曲线，一般称为拉伸力-伸长曲线，如图2-6所示，拉伸力-伸长曲线与试样尺寸有关。为了消除尺寸的影响，将拉力除以试样横截面的原始面积

S0

，得出试样横截面上的正应力，用R表示；伸长量ΔL

除以原

始标距的长度

L0，得出试样在工作段内的伸长率

e，以R为纵坐标、e为横坐标绘出的曲线称为应力-应变曲线，如图2-7所示，它表明从加载开始到破坏为止，应力与应变的对应关系。2.1金属材料的性能

拉伸实验机在实验过程中可以绘制出施加的载荷与试件变形的线图分析2.1金属材料的性能

2.塑性

塑性：是指金属材料在给定外力的作用下，产生永久变形而不被破坏的能力。金属材料在

拉伸变形时，长度和横截面积都要发生变化。因此，金属的塑性可以用材料的断后伸长率

A

和断面收缩率

Z

两个指标来衡量。一般断后伸长率和断面收缩率是根据拉伸试验的试样求得的。

2.1金属材料的性能

2.塑性

(1)断后伸长率A:试样拉断后，工作段的残余伸长量ΔL=Lu-L0

与标距长度

L0

的比值代表试样拉断后塑性变形程度，称为材料的断后伸长率，用A表示。即

(2)断面收缩率Z:试样断口处横截面积的相对变化率称为断面收缩率，用Z表示，即

2.1金属材料的性能

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、静载下伸长率大于5%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、翻边等压力加工的方法来加工出汽车的车身覆盖件。压力加工汽车覆盖件2.1金属材料的性能

3.硬度

硬度：是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力,是衡量材料软硬程度的指标。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。硬度是由硬度计测试出来的。硬度测试原理硬度计2.1金属材料的性能

硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套：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。布氏硬度测试原理洛氏硬度测试原理维氏硬度测试原理2.1金属材料的性能

硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套：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。表2-2三种硬度试验简介和比较2.1金属材料的性能

4.韧性

韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。

通常以冲击强度的大小、晶状断面率来衡量。韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击实验来测定的。冲击试验原理冲击韧性测试机2.1金属材料的性能

5.疲劳性能

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。

疲劳性能可以通过疲劳实验测出，主要设备为疲劳试验机，经过试验可以将实验数据整理成线图，即为疲劳曲线。疲劳试验机疲劳曲线2.1金属材料的性能

2.1.2金属材料工艺性能

1.焊接性能

金属的焊接性能又叫可焊性，一般是指两块相同的金属材料或两块不同的金属材料，在局部加热到熔融状态下，能够牢固地焊合在一起的性能。焊接性能好的金属，在焊缝部位不易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷，同时焊接接头具有一定的机械性能。常用焊接形式2.1金属材料的性能

2.切削性能

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HBWl60-200范围内时，具有良好的切削加工性。常用切削加工方式2.1金属材料的性能

3.压力加工性能

压力加工性能：就是指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高低（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。常用压力成型工艺2.1金属材料的性能

4.铸造性能

铸造性能：就是指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。典型铸造件

基础能力训练

自行车是常用的交通工具，如图2-22～图2-24所示。老式自行车都是用管材焊接而成；

现在使用最多的轻便自行车，为了强度和美观，还需要对管材弯曲成型加工；山地自行车则是为高速行驶设计的。试分析这样三款自行车在选材方面各有哪些性能要求。

图2-22老式自行车

图2-23轻便自行车

图2-24山地赛车2.2钢铁材料及应用

案例导入：在日常生活中到处都能看到钢铁材料的产品，从生活中的直尺到工程中的扳手，从小到一把瑞士军刀大到一台挖掘机。在这些不同的产品里，所用的钢铁材料有什么不同？它们的性能又如何？

常见钢铁制品2.2钢铁材料及应用

2.2.1工业用钢

1.普通碳素钢

（1）碳素钢的应用与生产

碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业。工业用钢主要是由冶金厂生产的板材、棒材、型材、管材及线材等。钢材生产的主要流程是：炼铁、炼钢、铸锭、压力加工成各种规格的钢材。

常用钢铁型材2.2钢铁材料及应用

（２）碳素钢中的化学成分及其影响

碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降。所以工程结构用钢，常限制含碳量。

碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这些影响有时互相加强，有时互相抵销。其中影响比较显著的有：1)硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。2)残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。3)除硫和氧降低强度外，其他杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。4)几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。

2.2钢铁材料及应用

图2-28钢材生产流程示意图2.2钢铁材料及应用

（３）碳素结构钢的牌号

按照国家标准GB/T221-2008，碳素结构钢牌号分为四个部分，见表2-3。

表2-3碳素结构钢牌号2.2钢铁材料及应用

2.优质碳素结构钢

（1）优质碳素钢分类与性能

优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类，见表2-4。

2.2钢铁材料及应用

（2）优质碳素钢的牌号

按照国家标准GB/T221-2008，优质碳素结构钢牌号分为五个部分，见表2-5。

2.2钢铁材料及应用

3.合金结构钢

（1）合金结构钢的性能

在普通碳素结构钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金称为低合金高强度结构钢。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。

合金结构钢的主要合金元素有：硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、

铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在机械工程材料适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形

成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，

一般以原子状态存在于

固溶体中。

2.2钢铁材料及应用

（2）合金结构钢牌号

按照国家标准GB/T221-2008，合金结构钢牌号分为四个部分，如表2-6。

2.2钢铁材料及应用

4.合金工具钢

（1）合金工具钢的分类与性能

合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、

钒等合金元素，以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、

刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。通常分为三类，见表2-7。

2.2钢铁材料及应用

（2）合金工具钢牌号

按照国家标准GB/T221—2008，合金工具钢牌号分为两个部分，

见表2-8。

2.2钢铁材料及应用

（2）合金工具钢牌号

按照国家标准GB/T221—2008，合金工具钢牌号分为两个部分，

见表2-8。

2.2钢铁材料及应用

课程思政案例1：项目2-2如图2-32所示，国家体育馆“鸟巢”主体钢架结构所采用的材料是Q460,是一种低合金高强度结构钢。Q460中碳的质量分数为0.20%，并含有锰、钒、钛、铌、铬、镍、铝等合金元素，其屈服强度为460MPa。锰起到增加强度的作用，钒、钛、铌能优化综合力学性能，铬、镍能提高材料的冲击韧度，铬、镍、铝能提高钢的抗腐蚀能力。Q460比一般建筑用钢的强度要高一倍左右。

请查阅国家游泳中心“水立方”和广州新电视塔主体钢架结构采用何种材料，并撰写一篇调研建筑钢架材料使用分析报告。

国家体育馆“鸟巢”国家游泳中心“水立方”2.2钢铁材料及应用

2.2.2铸铁

1.铸铁分类与性能

铸铁是碳的质量分数在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁中碳的质量分数为2%～4%。

碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。铸铁的分类与性能介绍见表2-9。

2.2钢铁材料及应用

2.铸铁牌号

按照国家标准GB/T5612—2008，铸铁牌号的组成有以下三种类型，见表2-10。

2.2钢铁材料及应用

思考与分析

某设备使用45钢加工的齿轮机构实现动力传递。假设某齿轮发生断齿，需加工一个同样参数的齿轮替换。现只有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁三种材料，试分析应选用哪一种。

发生断齿的齿轮2.3非铁金属和粉末冶金材料

2.3.1铝和铝合金

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有色金属，小到钥匙大到飞机有色金属在实际生活和工程中随处可见。本节就要介绍常用有色金属的相关性能和应用。

有色金属应用案例2.3非铁金属和粉末冶金材料

2.3.1铝和铝合金

纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11。2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-1）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-2）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-3）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-4）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-5）2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3.2铜和铜合金

铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜三大类，如表2-12。2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜三大类，如表2-12。2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3.3轴承合金

轴承合金又称轴瓦合金，用于制造滑动轴承的材料。轴承合金的组织是在软相基体上均匀分布着硬相质点，或硬相基体上均匀分布着软相质点。轴承合金具有如下性能：良好的耐磨性能和减磨性能；有一定的抗压强度和硬度，有足够的疲劳强度和承载能力；塑性和冲击韧性良好；具有良好的抗咬合性；良好的顺应性；好的嵌镶性；要有良好的导热性、耐蚀性和小的热膨胀系数。用于各类轴承材料。图2-36滑动轴承图2-37汽车轴承2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3.4粉末冶金材料

用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。

粉末冶金材料具粉末冶金材料有传统熔铸工艺所无法获得独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。通常按用途分为7类，如表2-13。

2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3非铁金属和粉末冶金材料2.4金属材料的热处理及应用

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。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。2.4金属材料的热处理及应用

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。常用热处理设备2.4金属材料的热处理及应用2.4.1金属材料整体热处理

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有正火、退火、淬火和回火等基本工艺，见表2-14。2.4金属材料的热处理及应用

2.4.2金属材料表面热处理

1.表面淬火

表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种

局部淬火的方法。表面淬火是通过快速加热，使钢件表面很快升到淬火的温度，在热量

来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。

表面淬火的目的在于获得高硬度、高

耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于齿轮、花键、机床导轨等。常用表面热处理2.4金属材料的热处理及应用

2.渗碳淬火

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25％)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。

渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。2.5常用非金属材料

非金属材料是由非金属元素或化合物构成的材料。自19世纪以来，随着生产和科学技术的进步，尤其是无机化学和有机化学工业的发展，人类以天然的矿物、植物、石油等为原

料，制造和合成了许多新型的非金属材料，如水泥、人造石墨、特种陶瓷、合成橡胶、合成树脂、合成纤维等。特种陶瓷合成橡胶瓷2.5常用非金属材料

2.5.1高分子材料

高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。

高分子材料按来源分为：天然、半合成和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期