1、第四章 工程材料 工程材料是制造機械零件的原料。機械零件的結構、形狀、大小和使用條件不同，對材料的要求也不同。常用的材料有黑色金屬、有色金屬及非金屬。了解各種材料的牌號、性能及應用，以及黑色金屬材料的熱處理方法，為中職學生了解機械零件的使用和維護提供必備的基礎知識。 黑色金屬材料具有良好的力學性能，大部分機械零件都選用黑色金屬作為零件的材料。因此，黑色金屬材料的內容和熱處理方法是本章的學習重點。 41 金屬材料的性能 一、金屬的物理性能和化學性能 1、金屬材料性能 使用性能工藝性能 使用性能物理性能化學性能力學性能 工藝性能 生產、加工條件下表現的性能。 2、物理性能密度熔點導熱性導電性熱膨脹

2、 性磁性 二、金屬的力學性能和工藝性能 1、 力學性能指金屬材料在外力作用下表現出來的性能 （1）強度 安全生產的基本保證和滿足機械零件達到設計壽命的 前提，也是機 械設計中必須達到的基本要求，是機械零件強度校 核的根據。 （2）塑性 （3）硬度 （4）沖擊韌性41 金屬材料的性能 2、金屬材料的工藝性能 包括多種內容，主要有泠加工的切削加工性能，和熱加工的鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能。切削加工性能即是否容易將材料切削成所需要的零件形狀。一般說來，軟材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面質量相對差一些；而硬材料的強度相對較高，加工較困難，但表面質量較好。所以具有良好切削性能和較

3、高強度的中碳鋼應用較廣。 （5）疲勞強度 機械零件在長期使用中，由于交變應力對材料的影響，可能出現突然的斷裂破壞，設計零件的使用壽命必須保證在規定的時間內不能出現疲勞損壞42黑色金屬材料 黑色金屬在機械工業中應用較廣。無論是鋼還是鑄鐵，主要由鐵和碳兩種元素組成，統稱為鐵碳合金。除了鐵和碳以外，還有少量的其他元素，如錳、硅、硫、磷。這些元素與鐵共存在鋼鐵中，對材料的性能產生不同的影響。不含碳的純鐵較軟，應用較少。碳在鋼中的含量多少，對鋼的強度影響較大。 一、鋼的分類 1、 按化學成分分 （1）碳素鋼 含碳質量分數的多少又分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼 （2）合金鋼 如果含有合金元素，相應稱為低合金鋼

4、、中合金鋼和高合金鋼 （3） 鑄鐵 2、按鋼的品質分 （1）普通鋼42黑色金屬材料 （2）優質鋼 （3）高級優質鋼 3、按鋼的用途分 （1）結構鋼 從制造成本和加工工藝角度出發，機械零件常用結構鋼。選用低碳鋼作塑性變形要求較高的零件。 （2）工具鋼 選用中碳鋼作為具有一定強度和硬度要求的零件 （3）特殊性能鋼 強度要求較高，又具有較好的塑性，則應用合金鋼對于一般，重要的齒輪或軸選用中碳合金鋼。42黑色金屬材料 二、鋼的編號 1、碳鋼的編號方法 (1)碳素結構鋼 用Q代表屈服強度，如Q235 (2)優質碳素結構鋼 用數字直接表示鋼中碳的質量分數的萬分之一。如45、35等表示鋼中含碳的質量分數為0

5、.45%、0.35%。 (3)碳素工具鋼 用 T表示，如T8 A鋼。 (4)鑄造碳鋼 用 ZG表示,如 ZG 200400鋼。表示屈服強度大于200MPa, 抗拉強度大于400MPa。 如果數字后加注A、B等符號表示質量等級。 A為高級。42黑色金屬材料 2、合金鋼的編號方法 (1) 低合金高強度結構鋼 如Q390A (2) 合金結構鋼 如40Cr, 40表示含碳質量分數的萬分之一；30CrMoA，合金的元素符號及含量的百分之1.5，末位加A表示優質。 （3）滾動軸承鋼 在含碳質量分數元素符號前加G，如GCr15。 （4）合金工具鋼 含碳質量分數小于1，用一位數表示的含碳質量分數的千分之幾。含

6、碳質量分數小于1，不予標注。 （5）不銹鋼 含碳較低，用“00”和“0”數字表示含碳質量分數，分別低于0.03%和0.08%，說明了為什么不銹鋼刀具的刀刃硬度比較低，不能用來切割較硬東西的原因。42黑色金屬材料 三、.碳素鋼 含碳質量分數小于2.11%而不特意加入合金元素的鋼。 1、碳素結構鋼 （1）普通碳素結構鋼 含碳質量分數較低，屬于低碳鋼，牌號前有Q表示；如Q215、Q235、Q275。塑性好，但強度低，應用于建筑工程結構和機械零件。42黑色金屬材料（2）優質碳素結構鋼 含碳質量分數較多，為中碳鋼，常用45、35鋼。 2、碳素工具鋼 含碳質量分數在0.7以上，硬度高，如T8A、T10A、

7、T12A。42黑色金屬材料 四、合金鋼 在普通碳素鋼中加入其他合金元素冶煉而成的，當合金元素在鋼中的含量達到一定的比例后，可大大提高鋼材的力學性能，如硅可提高鋼的導磁率，用作電機芯片；錳可提高鋼的耐磨性和強度，應用于履帶；鉻可以提高鋼的耐腐蝕性，應用于不銹鋼制品等。42黑色金屬材料 1、合金結構鋼 低合金結構鋼 16Mn代替Q235作建筑、橋梁材料。20CrMnTi經滲碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有較好的韌性，作汽車變速箱齒輪。42黑色金屬材料（2）機械制造用鋼 中碳合金鋼40Cr代替常用45鋼作重要的軸等機械零件。 高合金鋼60Si2Mn代替65Mn作重要彈簧。 滾動軸承用鋼Gr15用于制

8、造常用滾動軸承。42黑色金屬材料 2、合金工具鋼 （1）刃具鋼 高速鋼 用作加工刀具，鉆頭、各類銑刀。 刀具用鋼 用作攻制螺紋用的絲錐、鉸刀。 （2）模具鋼 用作熱 、泠模具，如Cr12、5CrMnMo。 （3）量具鋼 如游標卡尺、千分尺。42黑色金屬材料 3、特殊性能鋼 （1）鉻不銹鋼 既能防銹又有一定強度的耐腐蝕零件，如彈簧、醫療器械。 鉻鎳不銹鋼 耐腐蝕性強，用于制造耐腐蝕的管道零件。 （2）耐熱鋼 用作鍋爐材料，如42Cr9Si2. (3 ) 耐磨鋼 用作耐磨材料，如坦克履帶用鑄鋼ZGMn13。42黑色金屬材料 鑄鐵的含碳質量分數大于2.11。 鑄鐵按其特性分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄

9、鐵。 1、灰鑄鐵 在工業中應用最廣，用漢語拼音HT表示。如HT150、HT200。力學性能低，鑄造性能好，切削性能好，減振性能好。 2、球墨鑄鐵 高強度的鑄鐵，機械性能接近鋼，如QT400-15 表示最小抗拉強度為400MPa。五、鑄鐵 鑄鐵的價格較低，且穩定性好、加工容易，尤其抗壓強度較高，抗震性好。所以應用很廣，如機床的各類床身、箱體，日常生活中也應用很廣，如炒菜鐵鍋、取暖爐、污井蓋、暖氣片、下水管、水龍頭殼體等等。42黑色金屬材料 3、可鍛鑄鐵 不是可以鍛造的鑄鐵，俗稱馬鐵。如 KTH330-08表示最小抗拉強度為330MPa。 此外，鑄鐵還是煉鋼的生產原料 43鐵碳合金狀態圖分析 鐵碳

10、合金狀態圖又稱鐵碳合金相圖或鐵碳合金平衡圖。反映鋼鐵黑色金屬中鐵和碳元素，隨著溫度和含碳質量分數變化時，內部組織的變化狀態。 一、簡化的Fe-Fe3C狀態的特征 見圖48 1、特性點 A、G、C、E、S點 2、特性線 ACD線、AECF線、ECF水平線、ES線、GS線 3、相區 ACD 線以上、AESGA、 GPQ 、DFK43鐵碳合金狀態圖分析 二、碳的質量分數對鋼的力學性能的影響 橫坐標代表鐵碳合金中含碳的質量分數，可分成三段。 即0.0218%的左側為軟鐵；0.0218%到2.11%中間為最常用的結構鋼；2.11%到6.69%右側為鑄鐵。 縱坐標代表溫度的變化，當超過727時，鐵碳組織的

11、狀態發生變化，即由F+P狀態變成F+A狀態。隨著溫度的升高，當溫度超過GS線時，由F+A狀態進入A狀態，成為奧氏體；當溫度超過AE線時，金屬開始部分溶化，進入L+A區域, 既有奧氏體又有液態金屬混合在一起。建議以45鋼為例來說明，即在橫坐標0.45處畫一條縱坐標線來講課。43鐵碳合金狀態圖分析三、鐵碳合金狀態圖的應用 1、鋼鐵材料的選用 韌性好、塑性好選低碳鋼 韌性好、塑性好、強度高選中碳鋼 強度高、耐磨性好選高碳鋼 2、制定熱加工工藝 （1）鑄造 液相線以上50100度 （2）鍛造 始鍛11501250度；終鍛750850度 （3）熱處理 碳鋼淬火在GS 或SE線以上3050度43鐵碳合金狀

12、態圖分析 45鋼的鑄造、鍛造、熱處理溫度參考： 當溫度超過727時，金屬內部組織要開始相變，進入F+A區。 當溫度超過約800時，45鋼金屬內部全部進入A區，即奧氏體區。 當溫度超過約1450時，45鋼的金屬開始熔化，進入L+A區。 當溫度超過約1500,45鋼的金屬全部融化，進入L區。 從鐵碳合金狀態圖中，以45鋼為例，可以得出： 45鋼的鑄造溫度約在17001600之間。圖中上右斜線區。 45鋼的開始鍛造溫度在12501150之間，圖中A區內的右斜線區。 45鋼的熱處理溫度在800850之間，圖中A區內打“”的線區。 44 鋼的熱處理 鋼的熱處理目的是提高工件的力學性能，滿足使用條件，延長

13、使用壽命。熱處理的方法簡單、方便、效果好，要求的設備也不復雜，所以具備較高的使用價值，應用很廣。 熱處理的方法分為普通熱處理，表面熱處理和化學熱處理三種。 一. 普通熱處理 普通熱處理有“四火”， 1、退火與正火 共同點都是將鋼加熱到一定的溫度，如45鋼加熱溫度到820。但冷卻的方式不同，退火是采用緩慢冷卻，如埋入沙、灰中或隨爐溫逐漸冷卻，以消內部應力；正火是將工件暴露在空氣中冷卻。相比之下，正火冷卻的速度要快，目的是要得到細化的組織結構，工件的硬度和強度較退火處理高，一般正火適用于提高低碳鋼的硬度。44 鋼的熱處理 2、淬火 目的是提高材料的硬度和強度，只能適用于中碳鋼或高碳鋼工件。如45鋼

14、加熱到830左右，快速放入水、油或鹽溶中冷卻，使工件的溫度快速冷卻而得到較高的硬度、強度，是一種常用的重要的熱處理方法。 鋼中含碳質量分數的高低，決定了淬火后工件的硬度大小，含碳質量分數越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火溫度過高，將會使工件產生裂紋。 3、回火 消除淬火時產生的內應力，按回火溫度分成三個： （1）低溫回火 150250度 （2）中溫回火 250500度 （3）高溫回火 500650度44 鋼的熱處理 淬火后高溫回火稱為調質，是合金鋼常用的一種提高材料力學性能的有效方法。二、鋼的表面熱處理 表面熱處理僅處理工件表面，對工件的芯部不作處理，保持其原來的特性。一般應用在工件表面需要

15、具有較高的硬度，而芯部又要有較高的韌性，如齒輪傳動的齒面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齒根和齒輪芯部要有較好的韌性，可以承受較大的抗彎曲能力。齒輪的材料常選用45鋼，對齒面進行表面熱處理。如果選用低碳合金鋼表面滲碳處理，提高齒面的含碳質量分數后再做表面處理是最好的選擇。如礦山用的大型載重汽車為了提高齒輪芯部的韌性，采用20CrMnTi低碳合金鋼先作滲碳，后表面淬火的工藝。44 鋼的熱處理 1、火焰加熱淬火 設備簡單，但受熱不勻，生產效率低，質量不穩定。 2、高頻加熱淬火 效率高、質量穩定。在幾秒鐘內齒面迅速加熱到淬火溫度，后均勻噴灑冷卻水使表面硬度達到預定值。如鐵道鋼軌兩端表面的淬火 3、表面

16、化學處理 通過改變化學成分來處理工件表面的方法，如滲碳、氮化、發黑或發藍，起到防銹的效果。 表面化學處理的深度較小，如滲碳6小時左右，才能達到0.2mm的深度。滲碳需要有專用的滲碳爐，工藝較為復雜，所需的時間較長。氮化的方法與滲碳相似，只是參與化學處理的元素不同而已。在表面處理中，滲碳比氮化應用較廣。45 有色金屬材料 除黑色金屬以外的其他金屬都稱為有色金屬，由于其特殊性質，在工業上得到廣泛的應用，常用的有色金屬以鋁、銅及其合金。鈦及其合金的重量較輕，又有其特殊的性能，在工業上的應用也越來越廣，但是價格較高。 一、鋁及鋁合金 1、鋁 鋁金屬在生活中應用很廣，如建筑上用的鋁制窗口、飛機外殼等，其

17、顯著特點是重量輕、不生銹。 2、鋁合金 在純鋁中加入合金元素而成，比純鋁的性能好。鋁合金中通過加入不同的元素來改變其強度等力學性能，常用的合金元素有銅、鎂、鋅、硅等。 （1）形變鋁合金 由鋁錠加工成各種形狀材料，如鋁板、鋁管和各種異型材料。45 有色金屬材料不同的元素來改變其強度等力學性能，常用的合金元素有銅、鎂、鋅、硅等。二、 銅及銅合金 在工業上有廣泛的用途，主要特點是導電、導熱性好，塑性好。 1、銅 純銅常用來制作導電產品，如電線、電接觸開關及油管等。 2、銅合金 在純銅中加入適量的鋅、錫、鉛、硅等。按元素成分的不同分為黃銅、青銅和白銅，一般制成型材，如 （2）鑄造鋁合金 通過鑄造成型的

18、鋁制零件，如摩托車的內燃機外殼缸體、汽車活塞體等。應用于形狀結構較為復雜的零件中，硬度和強度比變形鋁合金好。鋁合金中通過加入45 有色金屬材料 板材、管材和棒料，銅合金較多地應用作機械零件，但是由于價格較高，常用于制作蝸輪的輪齒和各種滑動軸承的軸瓦。 學生應記住黃銅的牌號，如H70表示含銅量為70%的銅合金。如有其它合金材料，常在H的后面標注上，如HMn58-2表示含錳的黃銅。而常用作軸瓦材料的鑄造銅合金為ZCuSn10P1，其中ZCu表示鑄造銅，其中Sn10和P1分別表含錫量和含磷量分別為10%和1%。銅合金用于制造軸瓦和蝸輪齒面主要是利用其良好的耐磨性、散熱好及適應性。同時由于與蝸輪相嚙合

19、蝸桿和與軸瓦相配合的軸都選用鋼 45 有色金屬材料 三、軸承合金 為了改善滑動軸承軸瓦的性能，在軸瓦表面上鑄上一層金屬襯，以提軸瓦的磨合能力、減磨性，稱該金屬襯為軸承襯。 “襯”是很薄的一層材料。 軸承合金也稱之為巴氏合金。巴氏合金是以錫、鉛或鋁為基體，加入其他金屬元素制造而成，通常呈現為白色。無論是哪一種材料的巴氏合金，都是通過鑄造的方法鑄到軸瓦上的，所以其牌號前均有“Z”表示。鑄造后的軸瓦還需經過切削加工和刮研工序才能使用。常見的牌號有：錫基軸承合金ZSnSb11Cub；鋁基軸承合金ZPbSb10Sn16Cu2和鋁基軸承合金等。 45 有色金屬材料 四、鈦及鈦合金 鈦屬于稀有金屬，其金屬具

20、有記憶功能，且質量很輕，熔點高，常用于制作航天零件，在通用機械中應用較少。46 非金屬材料 在工業上應用很廣，可代替金屬材料，常見的非金屬材料有工程塑料、復合材料和新型材料等。一、工程塑料 在許多結構形狀復雜的零件中，工程塑料應用最多，工程塑料具有重量輕，可制作成各種形狀，且用模具大量成批生產、價格低廉等優點。如汽車零件中，有10%的零件是用工程塑料制成的。在日常生活中也離不開工程塑料的應用，如手機、電腦、電話、燈具等。工程塑料的名稱較難記憶，應了解常用代號，如PC、PPR、ABS、尼龍等都是比較常用的。如表44。46 非金屬材料 二、復合材料 復合材料是多種材料復合而成，如建筑上用的復合鋼板，外表面是噴涂的鋼板，里面是一層很厚的保溫層；可隨意彎曲的鋁塑管、鋁塑板等。 復合材料將各種材料的優點集合成一體，如鋁塑管作自來水管，其內壁光滑，鋁材