第二章 常用工程材料

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1、教案三【教学组织】1. 提问5分钟2. 讲解75分钟3. 小结5分钟4. 布置作业5分钟【教学内容】第二章常用工程材料工程材料是指在生活、生产和科技领域中，用于制造结构件、机器、工具和功能部件 的各类材料的统称。工程材料按其特性，可分为金属材料和非金属材料。工程材料按其组成特点，可分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材 料四大类。工程材料按其使用性能，可分为结构材料与功能材料两大类。结构材料是作为承力结构的材料，主要利用的是结构材料的力学性能。功能材料主要利用的是其光、电、磁、热、声等特殊功能性能。从工程材料应用的领域来分，可分为信息材料、能源材料、建筑材料、机械工程材料、 生物

2、材料、航空航天材料等。第一节 非合金钢、低合金钢和合金钢钢材按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。非合金钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下并含有少量其他元素 的钢铁材料。为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能(如耐腐蚀、抗氧化、耐磨、热硬性、 高淬透性等)，在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。含有一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。合金元素含量较少的钢称为低合金钢。一、菲合金钢的分类、牌号及用途1 .非合金钢的分类(1) 按碳的质量分数分类。非合金钢按碳的质量分数大小分类，可分为低碳钢、中碳 钢和高碳钢。低碳钢是指碳的质量分数可(C) 0.60%的铁碳合金

3、。(2) 按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。非合金钢按主要质量等级分为：普 通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。普通质量非合金钢是指对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的非合金钢。优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢。特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的非合金钢。(3) 按用途分类。非合金钢按用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢。碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其碳的质量分数一般都小于 0.70%。此类钢常用于制造齿轮、轴、螺母、弹簧等机械零件，用于制作桥梁、船舶、建筑 等工程结构件。碳素工具钢主要用于制造

4、工具，如制作刃具、模具、量具等，其碳的质量分数一般都 大于0.70%。(4) 非合金钢的其他分类方法。非合金钢还可以从其它角度进行分类，如按专业分类， 可分为锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢等；按冶炼方法进行分类，可分为转炉钢和电炉钢等。2.非合金钢的牌号及用途(1) 普通质量非合金钢中使用最多是碳素结构钢。例如，Q235-AF表示屈服强度大于235Mpa (板材厚度小于16mm时)，质量为A级的 沸腾碳素结构钢。碳素结构钢常用于制作薄板、焊接钢管、线材、铁钉、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件、 屋面板、烟囱、中板、型钢、钢筋、钢管、铆钉、螺栓、连杆、小轴、法兰盘、机壳、桥梁 与建筑结构件、焊接结构件等

5、。(2) 优质非合金钢中使用最多是优质碳素结构钢。08钢、10钢和15钢属于冷冲压钢，塑性好，强度低，焊接性能好，主要用于制作薄板， 用于制造冷冲压零件和焊接件。20钢和25钢属于渗碳钢，塑性和韧性较高，冷冲压性能和焊接性能好，可以制造各种受 力不大但要求高韧性的零件，如焊接容器与焊接件、螺钉、杆件、轴套、冷冲压件等。30钢、35钢、40钢、45钢、50钢、55钢属于调质钢，经过调质处理(淬火加高温回火) 后具有良好的综合力学性能。主要用于制作要求强度、塑性、韧性都较高的零件，如齿轮、 套筒、轴类等零件。这类钢在机械制造中应用很广，特别是40钢和45钢应用最广。60钢、65钢、70钢、75钢、

6、80钢、85钢属于弹簧钢，经热处理后可获得较高的弹性极限， 主要用于制造尺寸较小的弹簧、弹性零件及耐磨零件，如机车车辆及汽车上的螺旋弹簧、板 弹簧、气门弹簧、弹簧发条等。(3) 其它专用优质非合金钢。专用优质非合金钢在优质碳素结构钢基础上发展起来的 专门用途的钢，如易切削结构钢、锅炉用钢、焊接用钢丝、矿用钢、钢轨钢、桥梁钢等，这 些专用钢在钢号的首部或尾部用专用符号标明其用途。例如，25MnK即表示在25Mn钢的基础上发展起来的矿用钢，钢中平均碳的质量分数为 0.25%，锰的质量分数较高。例如，Y12钢表示其平均碳的质量分数为0.12%的易切削钢。例如，20g钢、22g钢、16Mng钢等是锅炉

7、用钢。例如，H08MnA中，H表示焊接用钢，08表示碳的质量分数为0.08%，Mn表示锰的质量分数 为1%，A表示优质焊接用钢。例如，ZG200-400表示屈服强度大于200Mpa，抗拉强度大于400Mpa的一般工程用铸造碳 钢。(4) 特殊质量非合金钢中使用最多是碳素工具钢。例如，T8表示平均碳的质量分数为0.80%的碳素工具钢。二、低合金钢的分类、牌号及用途1 .低合金钢的分类低合金钢的分类是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。(1) 按主要质量等级分类。低合金钢按主要质量等级可分为：普通质量低合金钢、优 质低合金钢和特殊质量低合金钢。(2) 按主要性能及使用特性分类。低合金钢按主

8、要性能及使用特性分类，可分为可焊 接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金专业用钢。2. 低合金钢的牌号及用途例如，Q390A表示屈服强度N390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。例如，Q295HP表示焊接气瓶用钢、Q345R表示压力容器用钢、Q390g表示锅炉用钢、Q420q 表示桥梁用钢、06TiL表示汽车用低合金钢、20MnSi表示低合金钢筋钢、20MnK表示矿用低合 金钢等。例如，Q355NHC表示屈服强度大于355Mpa，质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。此类耐 候钢适用于桥梁、建筑及其他要求耐候性的钢结构。三、合金钢的分类、牌号及用途1. 合金钢的分类(1)按主要质量等级

9、分类。合金钢按主要质量等级可分为：优质合金钢和特殊质量合 金钢。(2)按主要性能及使用特性分类。合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为工程结 构用合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等)；机械结构用合金钢(如 调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等)；不锈、耐蚀和耐热钢(如不锈 钢、抗氧化钢和热强钢等)；工具钢(如合金工具钢、高速工具钢)；轴承钢(如高碳铬轴承钢、 不锈轴承钢等)；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢等；其它，如铁道用合金钢 等。2 .合金钢的牌号及用途(1) 合金钢的牌号例如，60Si2Mn表示W(C)=0.60%、W(Si)=2%、W(M

10、n)1.5%的合金结构钢；09Mn2表示 W(C)=0.09%、W(Mn)=2%的合金结构钢。例如，9Mn2V表示W(C)=0.9%, W(Mn)=2%、W(V)1.5%的合金工具钢；CrWMn表示钢中W(C) N1.0%、W(Cr)1.5%、W(W)1.5%、W(Mn)1.5%的合金工具钢；高速工具钢牌号不标出碳 的质量分数值，如W18Cr4V钢。例如，GCr15SiMn表示滚动轴承钢。不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当W(C)0.04%时，推荐 取两位小数；在W(C)W0.03%时，推荐取3位小数。例如，10Cr17Mn9Ni4N钢、022Cr17Ni7N 钢等。(2

11、) 合金钢的用途。 耐磨钢常用于制造坦克和拖拉机的履带板、球磨机衬板、挖掘机铲齿、破碎机牙板、 铁路道岔等。常用的耐磨钢牌号有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4和ZGMn13-5 等。耐磨钢的加工工艺路线是：耐磨钢一铸造一铸件一水韧处理一耐磨零件一检验一投入使用。 合金渗碳钢用于制造渗碳零件的，如部分重要零件如轴、活塞销、汽车用齿轮等，要 求表面具有高硬度(5565HRC)和高耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性要求。常用的合金渗碳钢牌号有：20Cr钢、20CrMnTi钢、20CrMnMo钢、20MnVB钢等。合金渗碳 钢的加工工艺路线是：下料f锻造f预备

12、热处理f机械加工(粗加工、半精加工)渗碳f机械加工(精加工) 一淬火、低温回火一磨削一检验一入库。 合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如机床主轴、发动机轴、车轴、连杆及 传动齿轮等。常用合金调质钢的牌号有：40B钢、40Cr钢、40MnB钢、40CrNi钢、40CrMnM。钢等。合金 调质钢的加工工艺路线是：下料f锻造f预备热处理(正火或退火)f机械加工(粗加工、半精加工)f调质f机械加 工(精加工)f表面淬火或渗氮f磨削f检验1入库。 合金弹簧钢可用来制造截面积较大、屈服强度较高的重要弹簧。常用合金弹簧钢牌号有：55Si2Mn、60Si2Mn、55SiMnVB、60Mn、55CrVA等

13、。弹簧根据加工工艺的不同可分为：冷成形弹簧和热成形弹簧。冷成形弹簧的加工工艺路线是：下料一卷簧成形一去应力退火一试验一验收一入库。热成形弹簧的加工工艺路线是:下料一加热一卷簧成形一淬火一中温回火一试验一验收 入库。 滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承中的钢球、钢柱、钢针及套圈（内圈和外圈），也 可用来制造高耐磨性的量具、模具、低合金刃具等。最常用的滚动轴承钢是GCr15钢、GCr9钢、GCr15SiMn钢。滚动轴承钢的加工工艺路线是:下料一锻造一预备热处理（球化退火）一机械加工一淬火 -低温回火一机械加工（精加工）一低温回火一检验一入库。 合金工具钢用于制作重要的刃具、量具、耐冲击工具和模具。常用

14、的制作刃具、量具的合金工具钢有：9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、Cr2钢和9Mn2V 钢等。常用的制作耐冲击工具的合金工具钢有：4CrW2Si钢、5CrW2Si钢、6CrW2Si钢等。常用的制作冷作模具的合金工具钢有：Cr12MoV钢、Cr12钢、9Mn2V钢、CrWMn钢等。常用的制作热作模具的合金工具钢有：5CrNiM。钢、5CrMnM。钢、3Cr2W8V钢、8Cr3钢等。 常用的高速工具钢有：W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢、W9Mo3Cr4V钢、W18Cr4V2Co8钢等。 不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬的质量分数至少为10.5%，碳的质量分 数最大不超过1.

15、2%的钢。常用的不锈钢主要是铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。 耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢。钢的耐热性包括钢在高温下具有抗氧化性（热稳定性）和高温热强性（蠕变强度）两个方 面。高温抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的抗力。热强性是指钢在高温下对机械载荷作用的抗力。例如，26Cr18Mn12Si2N钢、22Cr20Mn10Ni2Si2N等钢用于制造各种加热炉内结构件、渗 碳炉构件、加热炉传送带料盘、燃气轮机的燃烧室等。 特殊物理性能钢是指具有特殊磁性、电性、弹性、膨胀性等物理性能的钢。它包括永 磁钢、软磁钢、无磁钢、高电阻钢及其合金。永磁钢（硬磁钢）是指钢材被磁化后，除去外磁场后仍然具有较高剩磁的钢材。永磁 钢主要用于制造无线电及通讯器材里的永久磁铁装置以及仪表中的马蹄形磁铁。软磁钢（硅钢片）是指钢材容易被反复磁化，并在外磁场除去后磁性基本消失的钢材。 软磁钢常用于制作电动机的转子与定子、变压器（图2-15）、继电器等。无磁钢是指在电磁场作用下，不引起磁感或不被磁化的钢材。无磁钢常用于制作电机绑扎钢丝绳和护环，变压器的盖板，电动仪表壳体与指针等。四、钢铁