3机械工程材料基本知识

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第3章

机械工程材料基本知识

机械工程材料基本知识

3.1　金属材料的力学性能

3.2　钢

3.3　铸钢

3.4　钢的热处理

3.5　铸铁

3.6　非铁金属

3.7　工程塑料

3.8　机械工程材料的选用

们日常生活很多用品

图3-1自行车

所示的运动自行车，齿盘、飞轮和链条、辐条

制造，车把、车架和车圈是用铝合制造，车的轮胎用的是非金属材料--橡胶，车座的上

非金属材料—工程塑料。

在机械工程上常用的材料有：钢铁材料，非铁金属(如铜、铝及其合金)及非金属材料(如塑料、橡胶等)。各种材料的性能均有差异，尤其是钢铁材料通过热处理后，其性能变化更大。实践证明，材料的性能差异主要与它们的化学成分、内部组织结构、工作温度及热处理工艺等有关。因此，为了进行零部件的设计、制造、维修等，必须掌握和了解工程材料的分类、牌号、成分、性能特点、应用范围及热处理等有关基本知识。

由于目前机械工程材料中应用最广泛的是钢铁材料，故本章重点介绍钢铁材料的基本知识，同时简介非铁金属和非金属材料的基本知识。

金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能。力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性等。

1.强度

金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。

2.塑性

金属材料在断裂前产生永久变形的能力称为塑性。

3. 硬度

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。

工程上最常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

4.冲击韧度

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为冲击韧度。

钢

钢和铸铁是机械工业中广泛应用的金属材料，它们是以铁和碳两种元素为基本组元的复杂合金，统称为铁碳合金。

钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2.11％以下，并含有其他元素的材料。

铸铁是碳含量大于2.11％的铁碳合金。含碳量2.11％通常是钢和铸铁的分界线。

根据钢中所含各种合金元素规定含量界限值，将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。

按主要质量等级、主要性能及使用特性可分为普通质量、优质和特殊质量钢，而合金钢只有优质和特殊质量钢。

非合金钢也称碳素钢或碳钢，是碳的质量分数小于2.11％，并含有少量的硫、磷、锰、硅等杂质元素的铁碳合金。

（1）碳素钢的分类

1）按钢的含碳量分类

低碳钢：碳的质量分数Wc﹤0.25％

中碳钢：碳的质量分数Wc = 0.25％～0.6％。

高碳钢：碳的质量分数Wc﹥0.6％。

2）按钢的质量分类

碳钢质量的高低，主要根据钢中杂质硫的质量分数和磷的质量分数来划分。可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。

普通钢： Ws ≤ 0.035％， Wp≤0.035％。

优质钢： Ws ≤0.030％， Wp≤0.030％。

高级优质钢： Ws≤0.020％， Wp≤0.025％。

3）按用途分类

碳素结构钢：用于制造金属结构、机械零件。

碳素工具钢：用于制造刃具、量具和模具。

（2）碳素结构钢

凡用于制造机械零件和各种工程结构件的钢都称为结构钢。根据质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

1）碳素结构钢

含碳量Wc 一般在0.06％～0.38％之间，硫、磷的含量较高，工艺性能（焊接性、冷成形性）优良；其价格便宜，产量较大，用途广。碳素结构钢是建筑及工程用非合金结构钢，经轧制成各种型材，（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），一般不经过热处理，在热轧态直接使用，大量用于制造金属结构件及普通机械零件。

碳素结构钢和低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音首位字母、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）、脱氧方法符号（F——沸腾钢、B——半镇静钢、Z——镇静钢、TZ——特殊镇静钢，其中Z和TZ可省略）等四个部分按顺序组成。

表3-1 常用碳素结构钢的牌号、性能特点及用途

2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢是用来制造较为重要机械零件的非合金结构钢。其特点是：化学成分准确、力学性能可靠；硫、磷有害杂质元素含量较少，钢的质量较高；并可经过热处理来进一步改善力学性能。可制造齿轮、连杆、轴类零件等。

优质碳素结构钢，牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。若钢中锰的含量较高时，在数字后面附化学元素符号Mn。

表3-2 常用优质碳素结构钢的牌号、性能特点及用途

3）碳素工具钢

含碳量Wc一般在0.65％～1.35％之间。碳素工具钢用来制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具和量具等。其特点是：均属于高碳特殊质量的非合金工具钢；均需要热处理（淬火与回火）；硫、磷有害杂质元素含量较少，质量较高。

碳素工具钢的牌号是用T（碳的汉语拼音首位字母）的后面加数字表示，数字表示钢的平均含碳量的千分之几。碳素工具钢都是优质钢，含锰量较高的钢要在数字后面标注“Mn”，高级优质钢在钢号后面标注“A”，例如T10、T10A、T8Mn等。

合金钢就是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的的加入一些其它元素的钢。加入的元素称合金元素。合金中常加入的元素有硅、锰、镍、钨、钒、钛、铝、硼、铌、锆和稀土元素等。

（1）合金钢的分类

合金结构钢：主要用于制造重要的机械零件和工程结构。

合金工具钢：主要用于制造各种刃具、量具和模具。

特殊钢：做特殊用途和具有特殊性能的钢。如不锈钢

、耐热钢、耐磨钢和磁钢等。