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1、 机械工程材料机械工程材料 材 料 分 类 金属材料的性能 常用钢铁材料 概 述 概 述 材料的重要性： 机械工程材料和机械产品的关系，是一个双螺旋的 关系，呈“攀比”式的上升。产品性能的提升对材料技术 提出来日新月异的要求，反之材料技术领域的不断突破 ，又成为一代又一代新产品诞生的催化剂。工业界有“ 一代材料，一代产品”的说法，足见材料技术的发展对 工业技术的进步的重要性。 有例为证： 航空材料 & 航空技术 飞机材料的选择根据飞机设计思想和材料技术进步 的发展，有五个各具特色的发展阶段： 第一阶段：（19031919）木材和布料为主 第二阶段：（19201949）铝合金和钢材为主 第三阶段
2、：（19501969）开始使用钛合金 第四阶段：（197020世纪末）开始使用复合材料 第五阶段：（21世纪）复合材料为主 材料技术进步的困难 俗话说“千金易得，好钢难求”，足见材料技术进步的难度。好的材料需要材料学家 通过细致的计算和大量的实验，才能得到最佳的合金比例，而且获得合金比例只是完成第 一步，而最后炼出来的材料能否达到合金的本征特性，还需要复杂的冶炼工艺来支持。 有例为证： 复合材料 钛合金 超高强度钢 超合金 超高强度钢一般用于航空发动机主轴，起落架、着陆钩等等。美国上世纪60年代成功 研制300M高强度钢，但是它的升级产品AerMet100是直到上世纪90年代才得以突破， 升级
3、一代材料产品用了30年，足见材料技术进步之困难。 从1903年到1919年，飞机设计准则是按静强度设计， 当时的飞机主要结构材料是木材、蒙皮主要是帆布（亚麻 或棉布）。 西科斯基“勇士”号 飞行者一号 从1920年到1949年，飞机设计开始融入安全寿命设计 准则，飞机材料过渡到以铝合金和钢材为主。 世界第一架全金属旅客机F-13 从1950年到1969年，飞机设计准则从安全寿命转向 破损安全，飞机材料引入钛合金的使用，使飞机先后突破 了声障和热障，可以说，没有钛合金就没有飞行速度达到 三倍音速的“黑鸟”。（1964年首飞，最高时速3.5M） 从1970年到20世纪末，飞机设计准则开始使用损伤
4、容限设计准则，复合材料开始广泛使用。 波音747,1965年设计，铝合金占81%、复 合材料占1% 波音777,1989年设计，铝合金占70%、复 合材料占10% 从21世纪初起，复合材料开始在飞机材料中占主导 地位，其机构重量超过50%。 波音787,复合材料占50% A350XWB,复合材料占53% 按领域分类 机械工程材料 建筑工程材料 能源工程材料 信息工程材料 生物工程材料 金属材料 非金属材料 复合材料 材 料 分 类 金 属 材 料 分 类 黑色金属 有色金属 特种金属 钢 铸铁 指除铁、铬、锰以外的金属及其合金 如铜、铝、镁等 包括结构金属和功能金属 如隐身材料、超导材料、 形
5、状记忆材料等 金属材料的性能 使用性能 工艺性能 力学性能 物理性能 化学性能 金属的力学性能 1.强度 2.硬度 在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力 。 可分为：抗拉强度、抗弯强度、抗压强度 抵抗其他更硬物体压入表面的最大能力 。常 用的标准有布氏硬度和洛氏硬度。还有维氏 硬度、肖氏硬度、显微硬度以及里氏硬度。 3.塑性在外力作用下产生永久变形而不被破坏的最 大能力 。通常用延伸率和断面收缩率来表示 4.韧性在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 。表现为 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能 力。 与脆性相反。 金属的工艺性能 1.可切削性用切削工具对金属材料进行切削加工的 难易程度。它与金属
6、材料的化学成分、力学性能、导热 性及加工硬化程度等诸多因素有 关。通常是用硬度和韧性作切 削加工性好坏的大致判断。 一般讲，金属材料的硬度愈高愈难 切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。 金属的工艺性能 2.可锻性在压力加工过程中成型而不产生裂纹的难 易程度。它包括金属在热态 或 冷态下能够进行锤锻、轧制 、拉伸、挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属的化学成分有关 。 法兰锻造 3.可铸性熔化浇铸成为铸件的难易程度 。铸造性主要包 括 流动性、收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能 力。收缩性是指铸件凝固时，体 积收缩的程度。偏析是指金属 在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成金属内部
7、化学成分 和组织的不均匀性。 金属的工艺性能 4.可焊性指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在 一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难 易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一 定 的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使 用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使 用要求的适用性。 金属的工艺性能 金属的工艺性能 5.热处理性热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、 保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的 加工方法。热处理性能的好坏体现了材料通过热处理工艺获得 所需组织结构与性能的难易程度。主要包括退火、淬火、正火、 回火、调质、化学热处
8、理 、固溶处理 、沉淀硬化 和时效处理等 。 高频局部热处理 常用的钢铁材料 1.钢 的 分 类 2.钢 的 编 号 3.铸 铁 钢的分类 1.按化学成分分 2.按用途分 3.按冶金质量分 按化学成分分： 低碳钢：0.25%C 碳素钢 中碳钢：（0.250.6）%C 高碳钢：0.6%C 低合金钢：合金元素总量5% 合金钢 中合金钢：合金元素总量（510）% 高合金钢：合金元素总量10% 按用途分： 结构钢：用来制造工程结构和机器零件。 工具钢：用来制造工具、刀具和模具等。 特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢等。 按冶金质量分： 普通质量钢：Ws,p0.05% 优质钢：Ws,p0.04% 高级优质钢：
9、Ws,p0.03% 1 .普通碳素结构钢 牌号由代表屈服点的拼音首字母“Q”、屈服 点数值、质量等级符号和脱氧方法四部分组成。 质量等级分为A、B、C、D、E五个级别。 脱氧方法有四种分别用F、Z、TZ表示沸 腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 （Q235AF ） 碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应，主要用来制 造各种型材、薄板、冲压件或焊接结构件以及一 些力学性能要求不高的机器零件。 碳素钢的编号 2 .优质碳素结构钢 牌号用两位阿拉伯数字表示，代表平均含碳量的 万分数。 如果含锰量较高时须在数字后面表出n元 素，如45Mn。 08、10、15、20、25 45 60 85 其中08、10、
10、15、20、25等牌号属于低碳钢， 常用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴等。30、35、 40、45、50、55等牌号属于中碳钢。常用来制造轴 、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等 。60、65、70、75等牌号属于高碳钢。，常用来制 造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。 碳素钢的编号 3 .碳素工具钢 牌号用“T+数字”表示，其中“T”为碳的汉语拼 音字首，数字表示钢中平均含碳量的千分数，如 果是高级优质碳素工具钢在数字后面加上“A”。 T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13A 上述各牌号钢淬火后硬度相近，但随含碳量增加， 钢的耐磨性增加，韧性降低。因此T7、T8适宜制作承受 一
11、定冲击的工具，如钳工錾子等。T9、T10、T11适宜制 作冲击较小而硬度、耐磨性要求较高的小丝锥、钻头等 ；T12、T13则适宜制作耐磨而不承受冲击的锉刀、刮刀 等。 碳素钢的编号 铸钢 一般工程用铸造碳钢的标准（GB5676-85 ）将铸造碳钢按照室温下的机械性能分为5个 牌号，即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500 、ZG310-570和ZG340-640。 屈服强度310Mpa，抗拉强度570Mpa。 铸钢的编号 为了提高钢的力学性能、工艺性能和某 些特殊性能，在冶炼中有目的地加入一些合 金元素，这种钢称为合金钢。生产中常用的 合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、
12、 钛等。通过合金化，大大提高了材料的性能 ，因此，合金钢在制造机器零件、工具、模 具及特殊性能工件方面，得到了广泛的应用 。 合金钢的牌号、性能和用途 1 低合金高强度结构钢 16Mn 15MnVN 14MnTi 该类钢具有高的强度、韧性和屈强比；良好 的焊接性能和冷热加工性能及一定的抗腐蚀 能力。属低碳的建筑和工程结构用钢，主要 用于制造高压容器、船舶、车辆、锅炉、桥 梁、管道等。 合金钢的牌号、性能和用途 2 合金渗碳钢 20Cr 20CrMnTi 8Cr2Ni 此类钢经渗碳淬火后，应具有表面耐磨、 而心部抗冲击的特点。主要用于制造承受强 烈冲击、摩擦和磨损的重要机械零件，如变 速齿轮、曲
13、轴、凸轮轴等。 合金钢的牌号、性能和用途 3 合金调质钢 40Cr 40MnB 35CrMo 40CrNiMo 此类钢经热处理后具有高的强度和良好 的塑性、冲击韧度，即良好的综合力学性能 。广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他 机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类零件 、连杆、高强度螺栓等。 合金钢的牌号、性能和用途 4 合金弹簧钢 60Si2Mn 50CrV 65Mn 此类钢具有高的弹性极限和屈强比，高的 疲劳极限，足够的塑性和冲击韧性。属专用 结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件 。 合金钢的牌号、性能和用途 5 滚动轴承钢 GCr15 GCr15SiMn GSiMnMoV 此类钢具有高的
14、接触疲劳强度、高的硬度 和耐磨性及足够的韧性和淬透性。属专用结 构钢，主要用来制造滚动轴承的滚动体、内 外套圈等。 合金钢的牌号、性能和用途 6 合金工具钢 9SiCr w18Cr4V Cr12 此类钢具有高的硬度、耐磨性、热硬性 ，足够的塑性、韧度和强度。用于制造各种 刃具、量具、模具等加工和测量工具。 合金钢的牌号、性能和用途 7 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 此类钢具有某些特殊的物理、化学和力学 性能，因而能在特殊的工作环境和工作条件 下使用。如热处理电炉中的炉底板，各种不 锈钢阀门等。 合金钢的牌号、性能和用途 管 材 角 钢 板 材圆 钢 普通碳素结构钢的应用 低碳钢的应用 中
15、碳钢的应用 高碳钢的应用 钳工錾子 丝锥 钻头 锉刀刮刀 阀 体 铸 钢 件 军 舰高 压 容 器 曲 轴 重 型 车 变 速 齿 轮 弹 簧 自 行 车 轴 承 套、体 刃 具 量 具 不 锈 钢 阀 门热 处 理 炉 铸铁的分类 碳在铸铁中是以石墨的形式存在 的，按照石墨在铸铁中的存在状态将 铸铁划分为以下四种。 灰口铸铁（片状石墨） 球墨铸铁（球状石墨） 蠕墨铸铁（蠕虫状石墨） 可锻铸铁（团絮状石墨） 铸铁牌号、性能和用途 灰口铸铁 HT100、HT150 HT350 抗拉强 度（MPa） 灰口铸铁抗拉强度、 塑性、韧性较低，但抗压 强度、硬度、耐磨性好， 并具有铸铁的其它优良性 能，因
16、此广泛应用于机床 床身、箱体、底座、手轮等。 灰口铸铁的应用 铸铁编号、性能和用途 球墨铸铁 抗拉强度（MPa） QT6003 延伸率（） 球墨铸铁通过热处理强化后力学 性能有较大提高，应用 范围很广，可代替中碳钢 制造汽车、拖拉机中的 曲轴、连杆、齿轮等。 曲柄 连杆 铸铁编号、性能和用途 蠕墨铸铁 RuT340 抗拉强度（MPa） 蠕墨铸铁强度、韧性、疲劳强度 等均比灰口铸铁高，但比球墨铸铁低 。主要用于制造柴油机 气缸盖、气缸套、阀体等。 汽缸盖 阀 体 铸铁编号、性能和用途 可锻铸铁 KTH30006 H、B或Z H黑心 B白心 Z球光体 可锻铸铁力学性能优于灰口铸铁，因此 常用以制造管接头、 农具及连杆类零件等。 收割机 连 杆 管接头 拉力、压力试验机 抗弯实验 洛氏硬度计布氏硬度计 便携式硬度计 摆锤式冲击试验
