第2單元

機械工程材料

項目背景

材料是人類生活和生產的物質基礎。機械工程材料是指用于制造各類機械零

件、構件的材料和在機械制

造過程中所應用的工藝材

料。近幾年新材料和新工藝

廣泛應用在國防、航天、軍事等領域，國家綜合實力得到極大提高。通過本單元的學習，應了解機械工程中常用的材料有哪些，有哪些熱處理工

藝，如何根據使用要求選用合適的材料。圖2-1某汽車主要零部件應用的材料第2單元機械工程材料

鋼鐵材料及應用金屬材料的性能非鐵金屬和粉末冶金材料金屬材料的熱處理及應用內容CONTENTS常用非金屬材料思考與練習第2單元機械工程材料

知識目標

1.熟悉常用鋼鐵材料、非鐵金屬、粉末冶金等材料的牌號、種類、性能、用途及選用。

2.了解常用金屬材料的熱處理工藝、特點及應用。3.熟悉高分子材料、陶瓷材料、復合材料的種類、性能、用途。

1.能識別機械行業常用金屬及非金屬材料，并能識讀常用材料的牌號。

2.能依據機械零件的工作要求選用合適的材料。

能力目標第2單元機械工程材料

素質目標

1.強化工程材料國家標準執行的嚴謹性與規范性。

2.培養工程思維與工程安全意識。

1.各種碳素結構鋼、合金

鋼的分類、牌號表示及其熱

處理工藝的選用。2.常見非金屬材料的性能

及選用方法。

學習重點和難點2.1金屬材料的性能

金屬材料是目前應用最廣泛的材料，常用的金屬材料有碳素結構鋼、合金鋼、鑄鐵、非鐵金屬及合金、金屬粉末冶金材料。

金屬材料之所以能大量應用在各行各業中，是由于金屬材料比其他種類的材料有更好的力學性能和工藝性能。

水排鼓風煉鐵2.1金屬材料的性能2.1.1金屬材料力學性能

1.強度

強度：是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。

當材料在滿足強度的載荷作用范圍內是不會發生破壞，只有當材料承受的載荷超過了自身的強度時才會發生斷裂之類的破壞。車軸斷裂飛機起落架斷裂

2.1金屬材料的性能

根據外力作用性質不同，主要有屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等。工程常用的是屈服強度和抗拉強度。相同條件下，材料的強度越高，則構件的承載力也就越高。

材料的強度等力學性能須通過試驗的方法進行測定。此類試驗須按標準（如國家標準、部標準）中規定的方法進行。此處重點介紹低碳鋼的拉伸強度測試實驗。拉伸試驗機2.1金屬材料的性能

為了便于對試驗結果進行比較，試驗時首先要把待測試的材料加工成試樣。我國國家標

準GB/T228.1—2021《金屬材料

拉伸試驗

第1部分：室溫試驗方法》中規定，拉伸試

樣橫截面可采用圓形（見圖2-4a）、矩形、多邊形或環形，長度可根據其橫截面積按規定比

例或不按比例適當選取。按比例選取的試樣規定有長短兩種規格。圓形橫截面長比例試樣其

原始標距（工作段長度）L0=10d0

，短比例試樣

L0=5d0。金屬材料的壓縮試驗，

一般采用短

圓柱形試樣，其高度為直徑

d0

的1.5～3倍圖2-4標準試樣2.1金屬材料的性能

拉伸試驗機在試驗過程中可以繪制出施加的載荷與試樣變形的曲線，一般稱為拉伸力-伸長曲線，如圖2-6所示，拉伸力-伸長曲線與試樣尺寸有關。為了消除尺寸的影響，將拉力除以試樣橫截面的原始面積

S0

，得出試樣橫截面上的正應力，用R表示；伸長量ΔL

除以原

始標距的長度

L0，得出試樣在工作段內的伸長率

e，以R為縱坐標、e為橫坐標繪出的曲線稱為應力-應變曲線，如圖2-7所示，它表明從加載開始到破壞為止，應力與應變的對應關系。2.1金屬材料的性能

拉伸實驗機在實驗過程中可以繪制出施加的載荷與試件變形的線圖分析2.1金屬材料的性能

2.塑性

塑性：是指金屬材料在給定外力的作用下，產生永久變形而不被破壞的能力。金屬材料在

拉伸變形時，長度和橫截面積都要發生變化。因此，金屬的塑性可以用材料的斷后伸長率

A

和斷面收縮率

Z

兩個指標來衡量。一般斷后伸長率和斷面收縮率是根據拉伸試驗的試樣求得的。

2.1金屬材料的性能

2.塑性

(1)斷后伸長率A:試樣拉斷后，工作段的殘余伸長量ΔL=Lu-L0

與標距長度

L0

的比值代表試樣拉斷后塑性變形程度，稱為材料的斷后伸長率，用A表示。即

(2)斷面收縮率Z:試樣斷口處橫截面積的相對變化率稱為斷面收縮率，用Z表示，即

2.1金屬材料的性能

金屬材料的伸長率和截面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。工程上通常把常溫、靜載下伸長率大于5%的金屬材料稱為塑性材料，如低碳鋼；而把伸長率小于5%的金屬材料稱為脆性材料，如灰口鑄鐵等。

低碳鋼是一種塑性極好的材料，在汽車制造業中常用這種材料通過沖裁、拉延、翻邊等壓力加工的方法來加工出汽車的車身覆蓋件。壓力加工汽車覆蓋件2.1金屬材料的性能

3.硬度

硬度：是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力,是衡量材料軟硬程度的指標。例如將一個堅硬的鋼球壓入鋼板的表面，就會在鋼板表面留下圓形痕跡，這個痕跡的大小就反映了材料的軟硬程度。硬度是由硬度計測試出來的。硬度測試原理硬度計2.1金屬材料的性能

硬度是由硬度計測試出來的。常用的硬度標準有三套：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，這三種硬度標準有不同的測試方法和應用范圍。布氏硬度測試原理洛氏硬度測試原理維氏硬度測試原理2.1金屬材料的性能

硬度是由硬度計測試出來的。常用的硬度標準有三套：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，這三種硬度標準有不同的測試方法和應用范圍。表2-2三種硬度試驗簡介和比較2.1金屬材料的性能

4.韌性

韌性表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小。韌性可在材料科學及冶金學上，韌性是指當承受應力時對折斷的抵抗，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。

通常以沖擊強度的大小、晶狀斷面率來衡量。韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。衡量材料抗沖擊能力的指標用沖擊韌度來表示。沖擊韌度是通過沖擊實驗來測定的。沖擊試驗原理沖擊韌性測試機2.1金屬材料的性能

5.疲勞性能

許多機械零件和工程構件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應力水平低于材料的屈服極限，但經過長時間的應力反復循環作用以后，也會發生突然脆性斷裂，這種現象叫做金屬材料的疲勞。由于疲勞不易發現，所以對安全的影響是極大的。

疲勞性能可以通過疲勞實驗測出，主要設備為疲勞試驗機，經過試驗可以將實驗數據整理成線圖，即為疲勞曲線。疲勞試驗機疲勞曲線2.1金屬材料的性能

2.1.2金屬材料工藝性能

1.焊接性能

金屬的焊接性能又叫可焊性，一般是指兩塊相同的金屬材料或兩塊不同的金屬材料，在局部加熱到熔融狀態下，能夠牢固地焊合在一起的性能。焊接性能好的金屬，在焊縫部位不易產生裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，同時焊接接頭具有一定的機械性能。常用焊接形式2.1金屬材料的性能

2.切削性能

切削加工性能是指金屬材料在用切削刀具進行加工時，所表現出來的難易程度。它主要用切削速度、加工表面光潔度和刀具耐用度來衡量。通常灰鑄鐵有良好的切削加工性，鋼的硬度在HBWl60-200范圍內時，具有良好的切削加工性。常用切削加工方式2.1金屬材料的性能

3.壓力加工性能

壓力加工性能：就是指金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度，例如將材料加熱到一定溫度時其塑性的高低（表現為塑性變形抗力的大小），允許熱壓力加工的溫度范圍大小，熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機械性能有關的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導熱性能等。常用壓力成型工藝2.1金屬材料的性能

4.鑄造性能

鑄造性能：就是指反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現為熔化狀態時的流動性、吸氣性、氧化性、熔點，鑄件顯微組織的均勻性、致密性，以及冷縮率等。典型鑄造件

基礎能力訓練

自行車是常用的交通工具，如圖2-22～圖2-24所示。老式自行車都是用管材焊接而成；

現在使用最多的輕便自行車，為了強度和美觀，還需要對管材彎曲成型加工；山地自行車則是為高速行駛設計的。試分析這樣三款自行車在選材方面各有哪些性能要求。

圖2-22老式自行車

圖2-23輕便自行車

圖2-24山地賽車2.2鋼鐵材料及應用

案例導入：在日常生活中到處都能看到鋼鐵材料的產品，從生活中的直尺到工程中的扳手，從小到一把瑞士軍刀大到一臺挖掘機。在這些不同的產品里，所用的鋼鐵材料有什么不同？它們的性能又如何？

常見鋼鐵制品2.2鋼鐵材料及應用

2.2.1工業用鋼

1.普通碳素鋼

（1）碳素鋼的應用與生產

碳素鋼是近代工業中使用最早、用量最大的基本材料。目前碳素鋼的產量在各國鋼總產量中的比重，約保持在80%左右，它不僅廣泛應用于建筑、橋梁、鐵道、車輛、船舶和各種機械制造工業。工業用鋼主要是由冶金廠生產的板材、棒材、型材、管材及線材等。鋼材生產的主要流程是：煉鐵、煉鋼、鑄錠、壓力加工成各種規格的鋼材。

常用鋼鐵型材2.2鋼鐵材料及應用

（２）碳素鋼中的化學成分及其影響

碳素鋼的性能主要取決于鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態下，隨含碳量的增加，鋼的強度和硬度升高，而塑性和沖擊韌性下降。所以工程結構用鋼，常限制含碳量。

碳素鋼中的殘余元素和雜質元素如錳、硅、鎳、磷、硫、氧、氮等，對碳素鋼的性能也有影響。這些影響有時互相加強，有時互相抵銷。其中影響比較顯著的有：1)硫、氧、氮都能增加鋼的熱脆性，而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。2)殘余元素除錳、鎳外都降低鋼的沖擊韌性，增加冷脆性。3)除硫和氧降低強度外，其他雜質元素均在不同程度上提高鋼的強度。4)幾乎所有的雜質元素都能降低鋼的塑性和焊接性。

2.2鋼鐵材料及應用

圖2-28鋼材生產流程示意圖2.2鋼鐵材料及應用

（３）碳素結構鋼的牌號

按照國家標準GB/T221-2008，碳素結構鋼牌號分為四個部分，見表2-3。

表2-3碳素結構鋼牌號2.2鋼鐵材料及應用

2.優質碳素結構鋼

（1）優質碳素鋼分類與性能

優質碳素結構鋼和普通碳素結構鋼相比，硫、磷及其他非金屬夾雜物的含量較低。根據含碳量和用途的不同，這類鋼大致又分為三類，見表2-4。

2.2鋼鐵材料及應用

（2）優質碳素鋼的牌號

按照國家標準GB/T221-2008，優質碳素結構鋼牌號分為五個部分，見表2-5。

2.2鋼鐵材料及應用

3.合金結構鋼

（1）合金結構鋼的性能

在普通碳素結構鋼基礎上添加適量的一種或多種合金元素而構成的鐵碳合金稱為低合金高強度結構鋼。根據添加元素的不同，并采取適當的加工工藝，可獲得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。

合金結構鋼的主要合金元素有：硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、

銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在機械工程材料適當條件下，就能形成各自的碳化物，當缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態進入固溶體中；錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態進入固溶體中，另一部分形

成置換式合金滲碳體；鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，

一般以原子狀態存在于

固溶體中。

2.2鋼鐵材料及應用

（2）合金結構鋼牌號

按照國家標準GB/T221-2008，合金結構鋼牌號分為四個部分，如表2-6。

2.2鋼鐵材料及應用

4.合金工具鋼

（1）合金工具鋼的分類與性能

合金工具鋼是在碳素工具鋼基礎上加入鉻、鉬、鎢、

釩等合金元素，以提高淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性的一類鋼種。它主要用于制造量具、

刃具、耐沖擊工具和冷、熱模具及一些特殊用途的工具。通常分為三類，見表2-7。

2.2鋼鐵材料及應用

（2）合金工具鋼牌號

按照國家標準GB/T221—2008，合金工具鋼牌號分為兩個部分，

見表2-8。

2.2鋼鐵材料及應用

（2）合金工具鋼牌號

按照國家標準GB/T221—2008，合金工具鋼牌號分為兩個部分，

見表2-8。

2.2鋼鐵材料及應用

課程思政案例1：項目2-2如圖2-32所示，國家體育館“鳥巢”主體鋼架結構所采用的材料是Q460,是一種低合金高強度結構鋼。Q460中碳的質量分數為0.20%，并含有錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳、鋁等合金元素，其屈服強度為460MPa。錳起到增加強度的作用，釩、鈦、鈮能優化綜合力學性能，鉻、鎳能提高材料的沖擊韌度，鉻、鎳、鋁能提高鋼的抗腐蝕能力。Q460比一般建筑用鋼的強度要高一倍左右。

請查閱國家游泳中心“水立方”和廣州新電視塔主體鋼架結構采用何種材料，并撰寫一篇調研建筑鋼架材料使用分析報告。

國家體育館“鳥巢”國家游泳中心“水立方”2.2鋼鐵材料及應用

2.2.2鑄鐵

1.鑄鐵分類與性能

鑄鐵是碳的質量分數在2%以上的鐵碳合金。工業用鑄鐵中碳的質量分數為2%～4%。

碳在鑄鐵中多以石墨形態存在，有時也以滲碳體形態存在。鑄鐵的分類與性能介紹見表2-9。

2.2鋼鐵材料及應用

2.鑄鐵牌號

按照國家標準GB/T5612—2008，鑄鐵牌號的組成有以下三種類型，見表2-10。

2.2鋼鐵材料及應用

思考與分析

某設備使用45鋼加工的齒輪機構實現動力傳遞。假設某齒輪發生斷齒，需加工一個同樣參數的齒輪替換。現只有灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵三種材料，試分析應選用哪一種。

發生斷齒的齒輪2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

2.3.1鋁和鋁合金

鋼鐵材料雖然有很好的性能，但是還有很多金屬制品不是選用鋼材而是選用了有色金屬，小到鑰匙大到飛機有色金屬在實際生活和工程中隨處可見。本節就要介紹常用有色金屬的相關性能和應用。

有色金屬應用案例2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

2.3.1鋁和鋁合金

純鋁的密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的1/3，熔點低（660℃），鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材。抗腐蝕性能好；但是純鋁的強度很低，故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。

鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度。這樣使得其“比強度”（強度與比重的比值）勝過很多合金鋼，成為理想的結構材料，廣泛用于運輸機械、動力機械及航空工業等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可減輕50%以上。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續-1）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續-2）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續-3）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續-4）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的鋁合金材料見表2-11（續-5）2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3.2銅和銅合金

銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構成的合金。純銅呈紫紅色﹐又稱紫銅。純銅密度為8.96﹐熔點為1083℃﹐具有優良的導電性﹑導熱性﹑延展性和耐蝕性。主要用于制作發電機﹑母線﹑電纜﹑開關裝置﹑變壓器等電工器材和熱交換器﹑管道﹑太陽能加熱裝置的平板集熱器等導熱器材。常用的銅合金分為黃銅﹑青銅﹑白銅三大類，如表2-12。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料

常用的銅合金分為黃銅﹑青銅﹑白銅三大類，如表2-12。2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3.3軸承合金

軸承合金又稱軸瓦合金，用于制造滑動軸承的材料。軸承合金的組織是在軟相基體上均勻分布著硬相質點，或硬相基體上均勻分布著軟相質點。軸承合金具有如下性能：良好的耐磨性能和減磨性能；有一定的抗壓強度和硬度，有足夠的疲勞強度和承載能力；塑性和沖擊韌性良好；具有良好的抗咬合性；良好的順應性；好的嵌鑲性；要有良好的導熱性、耐蝕性和小的熱膨脹系數。用于各類軸承材料。圖2-36滑動軸承圖2-37汽車軸承2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3.4粉末冶金材料

用粉末冶金工藝制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有傳統熔鑄工藝所無法獲得的獨特的化學組成和物理、力學性能，如材料的孔隙度可控，材料組織均勻、無宏觀偏析（合金凝固后其截面上不同部位沒有因液態合金宏觀流動而造成的化學成分不均勻現象），可一次成型等。用粉末冶金工藝制得的多孔、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傳統熔鑄工藝所無法獲得獨特的化學組成和物理、力學性能，如材料的孔隙度可控，材料組織均勻、無宏觀偏析（合金凝固后其截面上不同部位沒有因液態合金宏觀流動而造成的化學成分不均勻現象），可一次成型等。通常按用途分為7類，如表2-13。

2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.3非鐵金屬和粉末冶金材料2.4金屬材料的熱處理及應用

熱處理是對固態金屬或合金采用適當方式加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結構與性能的加工方法。

金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。2.4金屬材料的熱處理及應用

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。常用熱處理設備2.4金屬材料的熱處理及應用2.4.1金屬材料整體熱處理

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有正火、退火、淬火和回火等基本工藝，見表2-14。2.4金屬材料的熱處理及應用

2.4.2金屬材料表面熱處理

1.表面淬火

表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態的一種

局部淬火的方法。表面淬火是通過快速加熱，使鋼件表面很快升到淬火的溫度，在熱量

來不及穿到工件心部就立即冷卻，實現局部淬火。

表面淬火的目的在于獲得高硬度、高

耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韌性，常用于齒輪、花鍵、機床導軌等。常用表面熱處理2.4金屬材料的熱處理及應用

2.滲碳淬火

滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程，也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25％)。滲碳后﹐鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度﹐并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。

滲碳工藝廣泛用于飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。2.5常用非金屬材料

非金屬材料是由非金屬元素或化合物構成的材料。自19世紀以來，隨著生產和科學技術的進步，尤其是無機化學和有機化學工業的發展，人類以天然的礦物、植物、石油等為原

料，制造和合成了許多新型的非金屬材料，如水泥、人造石墨、特種陶瓷、合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等。特種陶瓷合成橡膠瓷2.5常用非金屬材料

2.5.1高分子材料

高分子材料是以高分子化合物為基礎的材料。高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。

高分子材料按來源分為：天然、半合成和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和進化的基礎。人類社會一開始就利用天然高分子材料作為生活資料和生產資料，并掌握了其加工技術。如利用蠶絲、棉、毛織成織物，用木材、棉、麻造紙等。19世紀30年代末期