第2章工程材料和熱處理

前言

工程材料是構成機械的物質基礎。機械的性能取決于其使用的材料.用于機械制造的材料有上千種,要想在眾多材料中作出正確的選擇。既能保證使用性能、便于加工，經濟性又好。只有了解這些材料，認識這些材料。第2章工程材料和熱處理2.1材料分類

金屬非金屬復合材料碳鋼合金鋼鋁合金銅合金鈦合金鋼鐵有色金屬塑料橡膠陶瓷玻璃石材聚合物聚合物基復合材料金屬基復合材料電子材料2.2

材料的力學性能材料的力學性能是零件設計、材料選擇及工藝評定的主要依據。工程材料的常用力學性能包括：強度、硬度、塑性、沖擊韌度等。是指在外力作用下材料抵抗塑性變形

和斷裂的能力。

低碳鋼的拉伸曲線

2.2.1強度當材料受載荷作用時，單位面積上的內力稱為應力(σ)。即：σ=F/A0(MPa)

1.彈性極限σe材料保持彈性變形時的最大應力

σe=Fe/A0

屈服強度是指材料產生屈服時的最小應力。它表達了材料抗塑性變形的能力。用σs表示。σs＝Fs/A0

式中：Fs-s點的最小載荷(N)；A0-試樣原始橫截面積(mm2)。2.屈服強度

3.抗拉強度是指材料所能承受的最大應力。它表征了材料抵抗斷裂的能力。用σb表示。σb=Fb/A0式中：Fb-試樣在斷裂前的最大載荷(N)；A0-試樣原始橫截面積(mm2)。

2.2.2塑性塑性是指在外力作用下材料產生永久變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標是伸長率(δ)和斷面收縮率(Ψ)。即：

δ=-----·100％；y=----·100％式中：l0-試樣原標距長度(mm)；l1-試樣拉斷后標距長度(mm)；A0-試樣原始橫截面積(mm2)；A1-試樣斷裂處的橫截面積(mm2)。l0

A0A0-A1l1-l0

2.2.3硬度

硬度是指材料的軟硬程度。它表征了材料抵抗表面局部塑性變形及破壞的能力，也就是抵抗硬物壓入或劃傷表面的能力。常用的硬度測定方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)等。布氏硬度(HB)

布氏硬度值是指材料壓坑單位球面積上的抵抗力。其數值越大，則表示材料越硬。HBS(W)=（kgf/mm2）=

N/mm2

FA2F×9.8

πD(D-√D2-d2材料的硬度洛氏硬度(HR)洛氏硬度是用壓痕深度作為測量硬度的依據。根據壓印頭和載荷的不同，洛氏硬度分為若干種。常用的有HRA、HRB、HRC。01230123h1h3h2壓頭被測材料K=0.2材料的硬度HR=K-h0.002維氏硬度(HV)Hv=------=F/d2×1.8544×9.8(N/mm2)FA問題測量鑄鋼件（晶粒粗大）、45鋼淬火件、鉻鍍層硬度，應選用哪種方法？

2.2.3、沖擊韌度

沖擊韌度是材料抵抗沖擊載荷的能力。試樣橫截面單位面積上所消耗的功即為沖擊韌度值aK。即：ak=(J/cm2)式中：W-沖擊試樣所消耗的功(J)；A-試樣缺口處的橫截面積(cm2)。WA

3040(a)沖擊h試樣擺錘

H55108551080.2材料的沖擊韌度沖擊韌度值：

ak=

(J/cm2)W----沖擊試樣所消耗的功。A------試樣缺口處的橫截面積。WA問題沖擊韌度公式如何在實驗拉伸儀表盤刻度指示中體現(xiàn)，請分析解釋？

2.3常用工程材料

碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元素為碳，含量在0.1～1.3%之間。由于原料和冶煉工藝的限制，實際使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷等雜質元素。1.碳鋼一、、黑色金屬碳鋼分類碳鋼常用的分類方法有三種：1）按碳含量進行分類可分為低碳鋼(＜0.25%C)、中碳鋼(0.25-0.6%C)、高碳鋼(＞0.6%C)。2）.按其用途進行分類可分為結構鋼和工具鋼兩大類，前者用來制造各種金屬構件和機械零件，后者用來制造各種刀具、模具和量具。3）.按其質量等級分類可分為普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼和高級優(yōu)質碳素鋼。由于碳鋼成本低，是通常制造各種構件的基本材料。但是，碳鋼有以下局限性：(1)碳鋼的強度很難超過690MPa，除非塑性和韌性有明顯的下降。(2)厚截面碳鋼零件淬火時無法全部得到馬氏體組織，即不能淬透。(3)碳鋼的抗腐蝕性和抗氧化性較差。2.合金鋼鐵、碳和合金元素是合金鋼的基本組元。合金鋼的強度高，塑韌性優(yōu)于碳鋼，抗腐蝕性和抗氧化性也好。合金鋼分類1）按合金元素的含量分低合金鋼合金元素總含量＜5%中合金鋼合金元素總含量5-10%高合金鋼合金元素總含量＞10%2）按主要用途分合金結構鋼:滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼普碳、優(yōu)碳、工具鋼合金鋼的牌號、成分40#、Q295,40Cr,20CrMnTi、T8鋼的碳含量和用途？鋼鐵材料的編號方法（一）普通碳素結構鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法符號等四個部分組成。例：Q235A·F其中Q表示屈服點“屈”字漢語拼音第一個字母；235表示鋼材厚度≤16mm時的屈服點值不小于235MPa；A表示質量等級A、B、C、D四級中的A級，F(xiàn)表示沸騰鋼。除此以外b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼鐵材料的編號方法（二）優(yōu)質碳素結構鋼的牌號以平均碳含量的萬分數，用兩位數字表示。例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號表示為45。高級優(yōu)質鋼則在其后加一個“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號方法（三）碳素工具鋼的牌號是以其平均含碳量的千分之幾表示，并在數字之前冠以“T”字。例如：T10鋼表示平均含碳量為1.0%的碳素工具鋼。如為高級優(yōu)質鋼，則在數字之后再加一個“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號方法（四）

合金鋼編號方法用漢字或化學元素符號代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數字表示。對于結構鋼，碳含量以萬分一為單位，用兩位數字表示；對于工具鋼和不銹鋼，碳含量以千分之一為單位，用一位數字表示。合金元素以百分之一為單位，當含量小于1.5%時，一般不標出含量。

例如：牌號為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高級優(yōu)質鋼。合金結構鋼

1.普通低合金鋼

普通低合金鋼是一種含碳量較低(＜0.2%，合金元素總含量一般在3%以下以錳為主要元素的低碳合金鋼。主要用于制造橋梁、船舶、車輛、容器、管道和建筑結構件。通常是在熱軋成型材經正火狀態(tài)下使用，不熱處理。這類鋼的強度顯著高于相同含碳量的碳素鋼，并有較好的塑性、韌性、焊接性及耐蝕性。Q295--橋梁，車輛，容器，油罐。

2.合金結構鋼

合金結構鋼含碳量為中碳，合金元素總含量較高，力學性能好，應用廣泛。一般都要經過熱處理，以充分發(fā)揮其性能。

40Cr--重要調質零件．如齒輪、軸、曲軸、連桿、螺栓等，表面淬火HRＣ48-55

鑄鐵鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質元素的鐵碳合金。常見鑄鐵有灰口鑄鐵（HT100）、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵和球墨鑄鐵（QT400-18）?；铱阼T鐵應用較多，其的抗拉強度比鋼低得多，但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動能量。因石墨有潤滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。鑄鐵價格便宜，好加工。

2.3.3有色金屬

除鋼、鑄鐵之外的金屬叫有色金屬。工程中常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、鈦金屬及其合金等。有色金屬材料（一）鋁合金比重小，比強度高。在空氣中的抗蝕性好。容易加工。用以制造飛行器各種承力構件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱翼梁、螺旋槳葉、起落架等。也常用于汽車、摩托車、家用電器、建筑等。有色金屬材料（二）鈦合金比強度高?？刮g性好。耐高低溫。難加工。價格昂貴。應用廣泛。用于制造工作溫度不超過400℃的各種飛機結構和發(fā)動機零部件。如發(fā)動機壓氣機盤、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲氫罐也是鈦合金制造的，其工作溫度為-253℃。許多民用領域如氯堿化工業(yè)及海水用泵、閥、管道、換熱器、冷凝器等，也廣泛采用鈦合金，并取得了良好的經濟效益。有色金屬材料（三）銅合金機械性能好摩擦系數小在空氣環(huán)境下具有良好的抗蝕性。容易加工?；瑒虞S承、耐水蝕零件、導熱零件。有色金屬的編號方法（一）變形鋁合金：1.防銹鋁合金LF：LF12.硬鋁合金LY：LY113.超硬鋁合金LC：LC94.鍛造鋁合金LD：LD5鑄造鋁合金：ZALSi12 含硅12%的鑄造鋁合金。 代號：ZL102有色金屬的編號方法（二）銅合金：1.紫銅（純銅）T1，T2，2.黃銅：銅鋅合金。H623.青銅：其他銅合金。QSn10-1。

比較名稱密度（g/cm2)比強度（單位密度下材料的強度）Al2.7500-700/2.7Ti4.511200/4.51Mg1.74250-300/1.74鋼7.85700-1200/7.852.3.4非金屬及復合材料

高分子---分子量特別大的一類化合物，高分子的分子量高達幾萬-上百萬。一個高分子中包含成千上萬個原子，原子之間以共價鍵連接。天然高分子材料：淀粉、蛋白、纖維素等。合成高分子材料：塑料、橡膠、纖維等。酚醛塑料-1907年問世的第一個高分子材料。高分子的化學組成：

1組成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等2以許多簡單的重復單元連接例：聚乙烯CH2-CH2-CH2-……….重復單元-CH2-CH2-也叫做鏈節(jié)高聚物的力學狀態(tài)

線形非晶態(tài)高聚物的熱機械曲線1.塑料-

塑料是由聚合物為基礎添加各種助劑而成的混合體系。塑料組成樹脂：樹脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結其它組分，對塑料的性能起決定性作用。填充劑：彌補或改善樹脂的性能不足，另外可以顯著地降低成本。增塑劑:增加材料塑性。固化劑：使線型高分子交聯(lián)成體型網絡結構。穩(wěn)定劑：用來抵抗老化延長塑料壽命物質。其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤滑劑等等.

塑料分類通用塑料、工程塑料、功能塑料通用塑料-產量很高、價格低廉、應用范圍很廣泛。聚乙烯（PE）（CH2-CH2)

（結構單元）聚氯乙烯（PVC）CH2-CH（結構單元）

Cl聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。

工程塑料工程塑料-強度、剛度和韌性好，耐高溫、耐輻照、耐腐蝕，能在機械設備和工程結構中應用的一類塑料。

OH聚酰胺CN尼龍聚甲醛、聚碳酸脂ABS塑料-丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S的三元共聚物。2.橡膠

橡膠-在寬闊的溫度范圍內有良好高彈性的高分子材料。由柔性高分子量線形高分子鏈，經硫化組成，

HCH3HH

CCCC

HSSH它具有高彈性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的彈性材料、密封材料和減震材料。

橡膠組成(1)生膠：未經硫化的橡膠叫生膠，是橡膠主要成份，對橡膠性能起決定作用，但單純生膠高溫發(fā)粘，低溫性脆，常加入各種助劑并經硫化制成工業(yè)用橡膠材料。(2)硫化劑：提高橡膠的彈性和強度，常用的是硫磺。(3)軟化劑：增加橡膠塑性、降低硬度，常用的是凡士林等油酯類。(4)補強劑：提高橡膠強度，耐磨性。目前效果最好的補強劑是碳黑。此外還有硫化促進劑、填充劑、防老化劑、著色劑等。橡膠分類

橡膠種類繁多，若以原料來區(qū)分，有天然橡膠與合成橡膠，按合成橡膠性能及用途又可分為通用橡膠及特種橡膠。幾種橡膠的性能丁苯橡膠δ：400-500%氯丁橡膠δ：100-800%硅橡膠δ：600%金屬δ：10%

2.3.5陶瓷

屬于無機材料。由金屬元素和非金屬元素通過化合鍵結合在一起。Al2O3TiO2CaF2常見的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特種陶瓷除燒結體外還包括單晶(晶須)、纖維、薄膜及超細粉體等。用純度較高的人工合成原料制造的，能滿足高溫、高強、功能性等要求的特種陶瓷。增韌與提高高溫斷裂強度是發(fā)展陶瓷的兩大難題。

2.3.6復合材料

由兩種或更多性質不同的材料復合而成，性能優(yōu)于單一材料的合成材料。如玻璃鋼。復合材料中主要起增強作用的叫強化相；主要起粘接作用的叫基體。按基體分：聚合物基、金屬基、陶瓷基按強化相分：顆粒增強、纖維增強、層疊復合

天然復合材料骨骼---柔軟的膠原蛋白和又硬又脆的礦物質磷灰石木材----柔軟的纖維素和剛硬的木質素常用復合材料(1)纖維增強復合材料：常用纖維增強復合材料有玻璃纖維增強復合材料、碳纖維復合材料等。玻璃纖維增強復合材料：玻璃拉成纖維后，比強度和比模量均高于鋼。以玻璃纖維和塑料基體復合，組成玻璃纖維—樹脂復合材料，俗稱玻璃鋼。玻璃鋼的比強度高，可超過高級合金鋼，耐蝕性、介電性高，加工成型性好，但剛度差、易變形、耐熱性差、易老化和易蠕變。玻璃鋼主要用于自重輕的受力構件，如汽車和機車車身、輕型船體、飛機螺旋槳等以及耐腐蝕結構件，如化工管道、閥門等。碳纖維復合材料

碳纖維的抗拉強度高于玻璃纖維，彈性模量是玻璃纖維的4—6倍，它的高溫性能也很好。碳纖維—樹脂復合材料是目前比強度和比模量最高的復合材料，它的抗沖擊性能、減摩耐磨性能、耐蝕性及耐熱性都很優(yōu)良。碳纖維復合材料目前主要用于制作承載、耐磨、耐腐蝕零件，如齒輪、連桿、軸承、密封圈、活塞、化工泵體、管道、容器等制作。此外，它還用于制作航空航天的構件，如飛機尾翼、起落架，發(fā)動機的壓氣機葉片，火箭噴嘴等。層合復合材料和顆粒復合材料

SF型三層復合材料：以鋼板為基體。燒結銅網或多孔性青銅為中間層，塑料為表面層的一種自潤滑材料。常用于表面層的塑料為聚四氟乙烯(SF-1型)和聚甲醛(SF-2型)，目前已用于汽車、礦山和化工機械方面。顆粒復合材料是由一種或多種材料的顆粒均勻分散在基體材料內所組成的材料。如混凝土是非金屬—非金屬復合材料，常用的硬質合金是WC、TiC陶瓷和金屬組成的陶瓷—金屬復合材料。復合材料的性能特點(1)比強度、比模量高：如碳纖維增強塑料的比強度是鋼材的七倍，比模量是鋼材的三倍。(2)疲勞強度高：如碳纖維增強塑料的疲勞強度是拉伸強度的70％-80％，而金屬材料的疲勞強度只有拉伸強度的40％-50％。(3)抗斷裂安全性好：纖維增強復合材料在過載時會發(fā)生部分纖維斷裂，由于應力迅速重新分布，可避免材料整體斷裂。(4)減震性能好：復合材料的增強材料和基體之間的界面有較強的吸振能力，它的自振頻率高，不易產生共振。(5)高溫性能好：用碳纖維或硼纖維增強的復合材料可顯著提高基體材料的高溫強度。此外，復合材料還具有良好的減摩、耐磨、化學穩(wěn)定性等。識別下列材料牌號牌號 類別 12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12

合金結構鋼合金工具鋼合金結構鋼合金工具鋼碳素結構鋼碳素工具鋼識別下列材料牌號牌號 類別 1Cr18Ni9TiLY12LC4LF11ZLSi12不銹鋼 硬鋁 超硬鋁 防銹鋁 鑄鋁 2.4鋼的熱處理熱處理是將金屬在固態(tài)范圍內加熱到一定溫度下,進行必要的保溫，并以適當的速度冷卻至室溫，以改變其內部組織，從而獲得所需性能的工藝方法。熱處理包括退火、正火、淬火和回火等1.退火

退火是將鋼件加熱到高于或低于鋼的臨界溫度，保溫一定時間，隨后以極緩慢的速度冷卻的一種熱處理工藝。退火能降低硬度。2.正火正火是將鋼件加熱、保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火可消除內應力，提高鋼的塑性和韌性,同樣鋼件在正火后強度和硬度比退火高.3.淬火

將鋼加熱、保溫后，迅速冷卻至室溫(一般為油冷或水冷)，從而獲得馬氏體組織的工藝叫淬火。淬火的主要目的在于提高鋼的硬度，或得到馬氏體,以便通過回火調整組織、性能。

4.回火

將淬火后的鋼加熱、保溫一定時間，然后取出空冷或油冷的熱處理工藝過程稱為回火?；鼗鸷笥捕认陆?，韌性大大提高，消除了淬火產生的內應力，降低了淬火鋼的脆性。根據加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。調質處理：正火+高溫回火滲碳滲氮碳氮共滲

金屬表面防護

金屬表面防護是用各種方法在材料表面施以涂層，既不改變基體材料的性質，又能提高其耐蝕性，是控制金屬腐蝕的一門技術。工藝主要有電鍍、化學鍍、噴鍍、熱鍍等。其中電鍍是目前我國應用最廣的一種價廉而有效的防護方法陰極：主反應 Zn2++2eZn副反應 2H++2eH2陽極：主反應 ZnZn2++2e副反應 4OH-2H2O+O2+4e2.6電工電子材料

根據材料的電導率不同分為導體、絕緣體和半導體。導體的電導率大于1S/m,絕緣體的電導率小于10-6S/m，半導體的電導率介于1~10-6S/m之間。S-

西門子導體銅銀金半導體絕緣體

材料的電導率固態(tài)材料中的電子能帶結構常用導電材料

室溫電導率σ/(S/m)銀2.8×107銅2.0×107金4.3×107鋁3.8×107鐵1.0×107黃銅(銅:鑄=70:30)1.6×107低碳鋼0.6×107不銹鋼0.2×107

銅和銅系導電材料

性能穩(wěn)定，抗腐蝕、延展性好，抗疲勞，可拉成很細的絲，適于做海底同軸電纜的外部軟線，也用于太陽能電池

鋁和鋁系導電材料

居導電材料第四位(僅次于Ag、Cu、Au)，但密度只有Cu的1/3。目前國際上通用的鋁線有硬鋁（HAl）線，主要用做送電線、配電線。16OKV以上的高壓線可用鋼絲增強的鋁電纜(ACESR)、合金增強鋁線(ACAR)和全鋁合金鋁導線(AAAC)，都是鋁材代替銅線做配電線用。HA1線只能在90℃連續(xù)使用，而耐熱鋁合金（如含Zr的TAD）可在150℃下連續(xù)工作，用做大容量高壓輸電導線。而超耐熱鋁合金（SSTAD）可在200℃下連續(xù)工作，主要用做變電所的母線。

常用絕緣材料

幾種非金屬材料的室溫電阻率體積電阻率/Ω·m石墨10-5氧化鋁1010~1012瓷1010~1015酚醛樹脂109~1010尼龍66