3机械工程材料基本知识

在此输入书名第×章第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。

我国合金钢的牌号是按照合金钢中的含碳量及所含合金元素的种类（元素符号）和含量来编制的。

一般牌号的首部是表示的平均含碳量的数字，数字含义与优质碳素结构钢是一致的。

对于结构钢，数字表示平均含碳量的万分之几，对于工具钢数字表示平均含碳量的千分之几。

当钢中某合金元素（如Me ）的平均含量W Me < 1.5％时，牌号中只标出元素符号，不标明含量；当W Me = 1.5％～2.5％、2.5％～3.5％、……时，在该元素后面相应地用整数2、3、……注出其平均含量。

（2）合金钢的牌号1）合金结构钢，例如60Si2Mn，表示平均Wc= 0.60％、Wsi= 2％、WMn< l.5％的合金结构钢；2）合金工具钢，当平均W c <1.0％时，如前所述，牌号前数字以千分之几（一位数）表示；当Wc≥1％时，为了避免与合金结构钢相混淆，牌号前不标数字。

例如9Mn2V表示平均Wc = 0.9％，WMn= 2％，含Wv < 1.5％的合金工具钢。

CrWMn表示钢中平均W c≥1.0％，Ww<1.5％，WMn <1.5％的合金工具钢。

3）滚动轴承钢，牌号前面冠以汉语拼音字母G，其后为铬元素符号Cr，其铬含量以千分之几表示，其余合金元素与合金结构钢牌号规定相同，例如GCr15SiMn钢。

（3）合金结构钢合金结构钢按用途不同，可分为：低合金高强度结构钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢等。

1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素（合金元素的质量分数总和小于3%）而制成，是一类低碳低合金钢。

它与非合金钢相比具有较高的强度、韧性、耐蚀性及良好的焊接性，而且价格也与非合金钢相接近,采用低合金高强度结构钢代替普通碳素结构钢可减轻结构重量，保证使用可靠，节约钢材。

因此，广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、容器、建筑钢筋、结构件等。

2）合金渗碳钢。

属于低碳合金结构钢，需经渗碳、淬火、低温回火后才能使零件达到“表硬心韧”的特点。

常用来制造承受强烈冲击载荷和摩擦、磨损的零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮、内燃机上的凸轮轴、活塞等。

合金渗碳钢的碳含量一般在0.1％～0.25%之间，加入的主要合金元素是铬、镍、锰、硼等，还加入少量的钒、钛等元素。

20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。

表3-3 常用渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途3）合金调质钢调质钢是指经调质（淬火+高温回火）处理后使用的钢。

合金调质钢的碳含量在0.25％～0.50％之间，主加合金元素为锰、铬、硅、镍、硼等，还加入少量的钼、钨、钒、钛等元素。

合金调质钢多用来制造大、中截面承受交变载荷的零件，如内燃机的连杆，电力机车的从动齿圈，汽车的传动轴齿轮和传动轴，机床的主轴和蜗杆等零件。

40Cr钢是合金调质钢中最常用的一种，其强度比40钢高20％，并有良好的韧性。

表3-4常用调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途4）滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承的内、外套圈以及滚动体的特殊质量的合金结构钢。

此外还可制造某些工具，例如模具、量具等。

这类钢一般含碳量为Wc= 0.95％～1.15％，铬含量在0.6％～1.65％之间，经淬火、低温回火后具有高而均匀的硬度和耐磨性、高抗拉强度和接触疲劳强度、足够的韧性和对大气的耐蚀能力。

常用的滚动轴承钢有GCr9、GCrl5、GCrl5SiMn等。

铸 钢将熔炼好的钢液直接铸成零件或毛坯，这种铸件称为铸钢件。

与铸铁相比，铸钢的力学性能，特别是抗拉强度、塑性、韧性较高。

因此，铸钢一般用于制造形状复杂、综合力学性能要求较高的零件（如轧钢机支架、水泵体等）。

而这类零件由于形状复杂，在工艺上难于用锻造或机械加工的方法制造，在性能上又不能用力学性能较低的铸铁制造。

碳素铸钢又叫铸造碳钢，简称铸钢。

铸钢的碳含量一般在0.15％-0.60％。

铸钢的牌号用ZG后面加两组数字组成。

如ZG200—400表示屈服强度不低于200 MPa，抗拉强度或强度极限不低于400MPa的铸钢。

若牌号末尾标字母H(焊)表示该钢是焊接结构用碳素铸钢。

3.3 铸钢1.退火将钢材或钢件加热到适当温度，保持一定时间，随后缓慢冷却的热处理工艺称退火。

一般缓冷常用炉冷、灰冷、砂冷等。

退火主要目的是为了降低钢的硬度，提高塑性和韧性，便于切削加工和冷变形加工；消除内应力，细化晶粒、改善组织、为后续工序作组织准备，消除钢中的残余应力，防止变形和开裂。

退火种类及应用根据钢的成分、原始组织和不同目的，退火可分为：均匀化退火(扩散退火)、完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火和再结晶退火等。

2.正火正火是将钢材或钢件加热到材料规定的正火温度，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。

正火的应用普通结构件以正火作为最终热处理，提高其力学性能；低碳钢正火可以改善其切削加工性能；过共析钢正火可消除网状二次渗碳体，为球化退火和淬火工艺作好组织准备。

正火与退火的应用区别正火与退火从所得到的组织上没有本质区别，其目的均可细化晶粒、改善组织和改善切削加工性能，但正火的生产效率高、成本低。

因此，一般普通结构件应尽量采用正火代替退火。

3.淬火淬火是指将钢件加热到材料规定的淬火温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却到室温的热处理工艺。

淬火目的淬火主要是为了提高钢的强度、硬度和耐磨性，经过回火后，使工件获得高硬度和耐磨性，提高弹性和韧性，以达到强化材料的目的。

例如：提高工具、轴承等的硬度和耐磨性；提高弹簧的弹性极限；提高轴类零件的综合力学性能等。