第12章機械工程材料

1、第十二章第十二章 機械工程材料機械工程材料 用以制造各種機械零件的材料統(tǒng)稱為機械工程材料。一般將用以制造各種機械零件的材料統(tǒng)稱為機械工程材料。一般將 其分為兩大類：金屬材料和非金屬材料。其分為兩大類：金屬材料和非金屬材料。 第一節(jié)第一節(jié) 金屬材料的主要性能金屬材料的主要性能 一、金屬材料的力學(xué)性能一、金屬材料的力學(xué)性能 1. 1. 彈性彈性 金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來形金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來形 狀的性能，稱為彈性。這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形，狀的性能，稱為彈性。這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形， 其大小與外力成正

2、比。其大小與外力成正比。 金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度。一般的機械零金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度。一般的機械零 件都要求有較好的剛度。件都要求有較好的剛度。 2. 2. 強度強度 強度是指材料在外力作用下抵抗破壞的能力。材料的強度可分為強度是指材料在外力作用下抵抗破壞的能力。材料的強度可分為 抗拉、抗壓、抗彎、抗扭和抗剪等強度。抗拉、抗壓、抗彎、抗扭和抗剪等強度。 為了測定金屬材料的強度，廣泛地采用拉伸試驗。拉伸試驗中，為了測定金屬材料的強度，廣泛地采用拉伸試驗。拉伸試驗中， 施加在試棒施加在試棒( (見圖見圖12-1)12-1)上的載荷上的載荷F F 和試棒發(fā)生相

3、應(yīng)的伸長變形量和試棒發(fā)生相應(yīng)的伸長變形量l l 之間的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線。之間的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線。 圖圖12-1 12-1 拉伸試棒拉伸試棒 a) a) 標(biāo)準(zhǔn)試棒標(biāo)準(zhǔn)試棒 b) b) 拉斷后的試棒拉斷后的試棒 金屬拉伸試驗的步驟可參見ASTM E-8（美國材料與試驗協(xié) 會）標(biāo)準(zhǔn)。塑料拉伸試驗的方法參見ASTM D-638標(biāo)準(zhǔn)、D- 2289標(biāo)準(zhǔn)（高應(yīng)變率）和D-882標(biāo)準(zhǔn)（薄片材）。ASTM D- 2343標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用于玻璃纖維的拉伸試驗方法；ASTM D-897標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了適用于粘結(jié)劑的拉伸試驗方法；ASTM D-412標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了硬橡膠的拉伸試驗方法。 圖圖12-212-2為低碳鋼

4、拉伸曲線。為低碳鋼拉伸曲線。 圖圖12-212-2 低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線 金屬材料的強度指標(biāo)以應(yīng)力表示，即金屬材料的強度指標(biāo)以應(yīng)力表示，即 = = F / AF / A 式中式中 應(yīng)力應(yīng)力 ( (N Nmmmm2 2或或 MPa)MPa)； F F載荷載荷 ( (N)N)； A A試棒的橫截面積試棒的橫截面積 ( (mmmm2 2) )。 拉伸曲線對應(yīng)于拉伸曲線對應(yīng)于F Fs s、F Fb b的應(yīng)力分別稱為材料的屈服點和抗拉強的應(yīng)力分別稱為材料的屈服點和抗拉強 度，它們是金屬材料的主要強度指標(biāo)。度，它們是金屬材料的主要強度指標(biāo)。 3 3塑性塑性 塑性是材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形（即塑

5、性變形）而不塑性是材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形（即塑性變形）而不 斷裂的能力。常用的塑性指標(biāo)有伸長率斷裂的能力。常用的塑性指標(biāo)有伸長率和斷面收縮率和斷面收縮率（見圖見圖 12-112-1）。）。即即 =( ( l l 1- l - l 0 ) )/ /l l 0 100%100% =( (A A0- - A A1) )/ /A A0 100%100% 式中式中 l l 0 試棒的原始標(biāo)距長度試棒的原始標(biāo)距長度 ( (mm)mm)； l l 1試棒拉斷后的標(biāo)距長度試棒拉斷后的標(biāo)距長度 ( (mm)mm)； A A0 0 試棒的原始橫截面積試棒的原始橫截面積 ( (mmmm2 2) )； A A1

6、 1試棒的斷口橫截面積試棒的斷口橫截面積 ( (mmmm2 2) )。 或或愈大，表示材料的塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進愈大，表示材料的塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進 行壓力加工的必要條件，機器零件通常都具備一定的塑性。行壓力加工的必要條件，機器零件通常都具備一定的塑性。 4 4硬度硬度 硬度是指金屬材料抵抗更硬物體壓入的能力。材料的硬度高，硬度是指金屬材料抵抗更硬物體壓入的能力。材料的硬度高， 其耐磨性就好。其耐磨性就好。 工業(yè)生產(chǎn)中常用的是布氏硬度和洛氏硬度。工業(yè)生產(chǎn)中常用的是布氏硬度和洛氏硬度。 (1) (1) 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度的測試原理如圖布氏硬度的測試原理如圖12-3

7、12-3所示。它是以直所示。它是以直 徑為徑為D D 的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，用規(guī)定的載荷的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，用規(guī)定的載荷F F 將壓頭將壓頭 垂直壓入被測材料表面，材料越軟，壓痕直徑越大，則布氏硬度值垂直壓入被測材料表面，材料越軟，壓痕直徑越大，則布氏硬度值 越低。越低。 布氏硬度指標(biāo)用符號布氏硬度指標(biāo)用符號HBHB表示。當(dāng)用淬火鋼球為壓頭時，寫成表示。當(dāng)用淬火鋼球為壓頭時，寫成HBSHBS， 適用于測量布氏硬度值在適用于測量布氏硬度值在450450以下的金屬材料；當(dāng)用硬質(zhì)合金球為壓以下的金屬材料；當(dāng)用硬質(zhì)合金球為壓 頭時，寫成頭時，寫成HBWHBW，適用于測量布氏硬度值

8、在適用于測量布氏硬度值在450450以上的金屬材料。硬以上的金屬材料。硬 度數(shù)值均標(biāo)寫在布氏硬度符號之前，例如度數(shù)值均標(biāo)寫在布氏硬度符號之前，例如230230HBSHBS、500HBW500HBW。 圖圖12-3 12-3 布氏硬度的測試原理布氏硬度的測試原理 (2) (2) 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度的測試也是用規(guī)定的載荷將壓頭垂洛氏硬度的測試也是用規(guī)定的載荷將壓頭垂 直壓入被測材料的表面，它以壓痕深度來確定硬度值。有三種洛直壓入被測材料的表面，它以壓痕深度來確定硬度值。有三種洛 氏硬度符號：氏硬度符號：HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC。其中，其中，HRAHRA用于表示特硬材料用于

9、表示特硬材料 ( (如如 硬質(zhì)合金、滲碳鋼件等硬質(zhì)合金、滲碳鋼件等) )；HRBHRB用于表示較軟材料用于表示較軟材料 ( (如供應(yīng)狀態(tài)的如供應(yīng)狀態(tài)的 鋼材、銅合金、鋁合金等鋼材、銅合金、鋁合金等) )；HRCHRC用于表示較硬材料用于表示較硬材料 ( (如一般淬火如一般淬火 鋼件鋼件) )。 5 5沖擊韌度沖擊韌度 在沖擊載荷作用下，金屬材料抵抗破壞的能力稱為沖擊韌度，在沖擊載荷作用下，金屬材料抵抗破壞的能力稱為沖擊韌度， 其值以來表征。值越大，材料的韌性就越好。其值以來表征。值越大，材料的韌性就越好。 6 6疲勞強度疲勞強度 金屬材料在無限次交變應(yīng)力作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲金屬材料在

10、無限次交變應(yīng)力作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲 勞強度。當(dāng)應(yīng)力呈對稱循環(huán)時，疲勞強度以符號勞強度。當(dāng)應(yīng)力呈對稱循環(huán)時，疲勞強度以符號-1 -1表示。工程實 表示。工程實 際中有規(guī)定，鋼在經(jīng)受際中有規(guī)定，鋼在經(jīng)受10107 7次、有色金屬在經(jīng)受次、有色金屬在經(jīng)受10108 8次交變應(yīng)力作用次交變應(yīng)力作用 下不發(fā)生破壞時的應(yīng)力作為材料的疲勞強度。下不發(fā)生破壞時的應(yīng)力作為材料的疲勞強度。 二、金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能二、金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能 1. 1. 物理性能物理性能 金屬材料的主要物理性能包括密度、熔點、膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性金屬材料的主要物理性能包括密度、熔點、膨脹系數(shù)

11、、導(dǎo)電性 和導(dǎo)熱性等。由于機械零件的用途不同，對其物理性能方面的要求和導(dǎo)熱性等。由于機械零件的用途不同，對其物理性能方面的要求 也不盡相同。也不盡相同。 2 2化學(xué)性能化學(xué)性能 化學(xué)性能是金屬材料在常溫或高溫時抵抗各種化學(xué)作用的能力。化學(xué)性能是金屬材料在常溫或高溫時抵抗各種化學(xué)作用的能力。 金屬材料的主要化學(xué)性能是耐蝕性。金屬材料的主要化學(xué)性能是耐蝕性。 3 3工藝性能工藝性能 金屬材料的工藝性能是指材料加工成形的難易程度。鑄造、鍛金屬材料的工藝性能是指材料加工成形的難易程度。鑄造、鍛 壓、焊接和切削加工對材料都有不同的工藝性能要求。壓、焊接和切削加工對材料都有不同的工藝性能要求。 第二節(jié)第二

12、節(jié) 常用金屬材料常用金屬材料 一、鋼一、鋼 生產(chǎn)中應(yīng)用的鋼種類繁多，按碳的含量分，有低碳鋼、中碳生產(chǎn)中應(yīng)用的鋼種類繁多，按碳的含量分，有低碳鋼、中碳 鋼和高碳鋼；按化學(xué)成分分，有碳素鋼和合金鋼；按質(zhì)量分，有鋼和高碳鋼；按化學(xué)成分分，有碳素鋼和合金鋼；按質(zhì)量分，有 普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼；按用途分，有結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼；按用途分，有結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和 特殊性能鋼等。特殊性能鋼等。 （一）結(jié)構(gòu)鋼（一）結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼中的碳含量在碳素結(jié)構(gòu)鋼中的碳含量在0.06%0.06%0.38%0.38%之間，硫、磷含量較之間，硫、磷含量較 高，一般在供應(yīng)狀態(tài)下使

13、用，不需進行熱處理。這類鋼的塑性、高，一般在供應(yīng)狀態(tài)下使用，不需進行熱處理。這類鋼的塑性、 韌性好，適于制作鋼筋、鋼板等建筑用材和一般機械構(gòu)件。韌性好，適于制作鋼筋、鋼板等建筑用材和一般機械構(gòu)件。 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號如碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號如235-235-AFAF，各項的具體含義是：各項的具體含義是： 鋼材料屈服點鋼材料屈服點“屈屈”字漢語拼音首位字母；字漢語拼音首位字母； 數(shù)字數(shù)字屈服點屈服點s s 的數(shù)值（ 的數(shù)值（MPaMPa）；）； 質(zhì)量等級符號質(zhì)量等級符號用、表示四個等級，其中級用、表示四個等級，其中級 質(zhì)量最差，級質(zhì)量最好；質(zhì)量最差，級質(zhì)量最好； 脫氧方法符號脫氧方法符號用、表示。為沸騰

14、鋼，是用、表示。為沸騰鋼，是 不脫氧鋼；為半鎮(zhèn)靜鋼，是半脫氧鋼；、分別為鎮(zhèn)靜鋼和不脫氧鋼；為半鎮(zhèn)靜鋼，是半脫氧鋼；、分別為鎮(zhèn)靜鋼和 特殊鎮(zhèn)靜鋼，是完全脫氧鋼（、通常省略不寫）。特殊鎮(zhèn)靜鋼，是完全脫氧鋼（、通常省略不寫）。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是按力學(xué)性能和化學(xué)成分供應(yīng)的。常用于制優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是按力學(xué)性能和化學(xué)成分供應(yīng)的。常用于制 造比較重要的機械零件，一般要進行熱處理。牌號由兩位數(shù)字組造比較重要的機械零件，一般要進行熱處理。牌號由兩位數(shù)字組 成，如成，如4545鋼表示鋼表示w w C C 0.45%0.45%。 w wC C 0.25%0.25%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其塑

15、性、韌性很好，焊接性能的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其塑性、韌性很好，焊接性能 優(yōu)良，易于沖壓加工，但強度較低，主要用于制造各種沖壓件和優(yōu)良，易于沖壓加工，但強度較低，主要用于制造各種沖壓件和 焊接件。焊接件。 w wC C 0.3%0.3%0.5%0.5%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其強度較高，塑性、韌的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其強度較高，塑性、韌 性稍低。經(jīng)過熱處理后，可獲得良好的綜合力學(xué)性能。它主要用性稍低。經(jīng)過熱處理后，可獲得良好的綜合力學(xué)性能。它主要用 于制造齒輪、軸類零件及重要的銷子、螺栓等。于制造齒輪、軸類零件及重要的銷子、螺栓等。 w wC C 0.55%0.55%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過熱處理可獲得高的有高

16、的的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過熱處理可獲得高的有高的 彈性和硬度，主要用來制造彈簧和耐磨的零件彈性和硬度，主要用來制造彈簧和耐磨的零件。 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素，如硅、錳、鉻、在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素，如硅、錳、鉻、 鉬、釩等，即構(gòu)成合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼中加入適量的合金元素，改善了鉬、釩等，即構(gòu)成合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼中加入適量的合金元素，改善了 熱處理性能，提高了強度和韌性。合金結(jié)構(gòu)鋼常用于制造各種重要熱處理性能，提高了強度和韌性。合金結(jié)構(gòu)鋼常用于制造各種重要 的機械零件和工程構(gòu)件。的機械零件和工程構(gòu)件。 （二）工具鋼（二）工具鋼 工具鋼是用來制造各種刃具

17、、量具和模具的材料。它應(yīng)滿足刀具工具鋼是用來制造各種刃具、量具和模具的材料。它應(yīng)滿足刀具 在硬度、耐磨性、強度和韌性等方面的要求。在硬度、耐磨性、強度和韌性等方面的要求。 碳素工具鋼碳素工具鋼 碳素工具鋼是碳素工具鋼是 w w C C 0.7%0.7%1.3%1.3%的高碳鋼。牌號用的高碳鋼。牌號用“”表示鋼表示鋼 的種類，后面的數(shù)字表示碳的平均千分含量。常用的碳素工具鋼有的種類，后面的數(shù)字表示碳的平均千分含量。常用的碳素工具鋼有T8T8、 T10T10、T10AT10A、T12AT12A（A A表示高級優(yōu)質(zhì)鋼）等。由于碳素工具鋼的熱硬性表示高級優(yōu)質(zhì)鋼）等。由于碳素工具鋼的熱硬性 較差，熱處理

18、變形較大，僅適用于制造不太精密的模具、木工工具和較差，熱處理變形較大，僅適用于制造不太精密的模具、木工工具和 金屬切削的低速手用刀具（銼刀、鋸條、手用絲錐）等。金屬切削的低速手用刀具（銼刀、鋸條、手用絲錐）等。 合金工具鋼合金工具鋼 合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素（合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素（SiSi、MnMn、 CrCr、W W、V V等）制成的。由于合金元素的加入，提高了材料的熱硬性，等）制成的。由于合金元素的加入，提高了材料的熱硬性， 改善了熱處理性能。合金工具鋼常用來制造各種量具、模具或切削刀改善了熱處理性能。合金工具鋼常用來制造各種量具、模具或

19、切削刀 具等。具等。 （三）特殊性能鋼（三）特殊性能鋼 特殊性能鋼是一種含有較多合金元素、并具有某些特殊物理性特殊性能鋼是一種含有較多合金元素、并具有某些特殊物理性 能和化學(xué)性能的鋼。常用的有不銹鋼、耐熱鋼及軟磁鋼（又名硅鋼能和化學(xué)性能的鋼。常用的有不銹鋼、耐熱鋼及軟磁鋼（又名硅鋼 片）等。片）等。 （四）鑄鋼（四）鑄鋼 鑄鋼的種類很多，按照化學(xué)成分，可分為兩類：鑄造碳鋼和鑄鑄鋼的種類很多，按照化學(xué)成分，可分為兩類：鑄造碳鋼和鑄 造合金鋼。在生產(chǎn)中，鑄鋼是制作形狀復(fù)雜零件的重要材料。造合金鋼。在生產(chǎn)中，鑄鋼是制作形狀復(fù)雜零件的重要材料。 二、鑄鐵二、鑄鐵 鑄鐵是鑄鐵是 w w C C2.11%

20、2.11%的鐵碳合金。的鐵碳合金。 白口鑄鐵白口鑄鐵 白口鑄鐵中的碳以化合物白口鑄鐵中的碳以化合物 FeFe3 3C C的形式存在，斷面呈白色。其性的形式存在，斷面呈白色。其性 能硬而脆，不能進行切削加工，主要用作煉鋼的原料。能硬而脆，不能進行切削加工，主要用作煉鋼的原料。 灰鑄鐵灰鑄鐵 灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨的形式存在，斷面呈灰色?；诣T鐵灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨的形式存在，斷面呈灰色?；诣T鐵 軟而脆，鑄造性能好，并具有良好的耐磨性、耐熱性、減振性和切削軟而脆，鑄造性能好，并具有良好的耐磨性、耐熱性、減振性和切削 加工性。因而工業(yè)上常用來制造各種機床床身、罩蓋、支架、底座、加工性。因而工

21、業(yè)上常用來制造各種機床床身、罩蓋、支架、底座、 帶輪、齒輪和箱體等。帶輪、齒輪和箱體等。 灰鑄鐵的牌號由灰鑄鐵的牌號由“HTHT”及表示最低抗拉強度的數(shù)字組成。例如，及表示最低抗拉強度的數(shù)字組成。例如， HT200HT200即表示最低抗拉強度為即表示最低抗拉強度為200 200 MPaMPa的灰鑄鐵。的灰鑄鐵。 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵中的碳大部分或全部以團絮狀石墨的形式存在。因此，可鍛鑄鐵中的碳大部分或全部以團絮狀石墨的形式存在。因此， 材料的力學(xué)性能得到了改善，其強度、韌性都比灰鑄鐵高?？慑戣T材料的力學(xué)性能得到了改善，其強度、韌性都比灰鑄鐵高?？慑戣T 鐵常用于鑄造承受沖擊振動的薄壁零件。

22、鐵常用于鑄造承受沖擊振動的薄壁零件。 可鍛鑄鐵的牌號由三個漢語拼音字母及兩組數(shù)字構(gòu)成，如可鍛鑄鐵的牌號由三個漢語拼音字母及兩組數(shù)字構(gòu)成，如 KTH350-10KTH350-10、KTZ550-04KTZ550-04，其中的漢語拼音字母分別表示黑心可鍛鑄其中的漢語拼音字母分別表示黑心可鍛鑄 鐵、珠光體可鍛鑄鐵，前一組數(shù)字表示其最低抗拉強度（單位為鐵、珠光體可鍛鑄鐵，前一組數(shù)字表示其最低抗拉強度（單位為 MPaMPa），），后一組數(shù)字表示其最低伸長率（百分數(shù)）。后一組數(shù)字表示其最低伸長率（百分數(shù)）。 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 在高溫液態(tài)鑄鐵中加入球化劑（如純鎂或稀土鎂合金）進行球在高溫液態(tài)鑄鐵中加入球化劑

23、（如純鎂或稀土鎂合金）進行球 化處理，使鑄鐵中的碳大部或全部以球狀石墨的形式存在，便化處理，使鑄鐵中的碳大部或全部以球狀石墨的形式存在，便 制制 成了球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有良好的力學(xué)性能，其抗拉強度甚至高成了球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有良好的力學(xué)性能，其抗拉強度甚至高 于碳鋼，塑性、韌性和耐磨性等比灰鑄鐵好，因此廣泛用于機械制于碳鋼，塑性、韌性和耐磨性等比灰鑄鐵好，因此廣泛用于機械制 造、交通、冶金等工業(yè)部門。造、交通、冶金等工業(yè)部門。 球墨鑄鐵的牌號由球墨鑄鐵的牌號由“QTQT”及兩組數(shù)字構(gòu)成，例如及兩組數(shù)字構(gòu)成，例如QT600-3QT600-3，其最其最 低抗拉強度為低抗拉強度為600600MP

24、aMPa，最低伸長率為最低伸長率為3%3%。 三、有色金屬三、有色金屬 通常將鋼鐵材料稱為黑色金屬，而其它金屬材料則稱為有色金屬。通常將鋼鐵材料稱為黑色金屬，而其它金屬材料則稱為有色金屬。 鋁和鋁合金鋁和鋁合金 純鋁的顯著優(yōu)點是密度小（約為鐵的純鋁的顯著優(yōu)點是密度小（約為鐵的1/31/3），導(dǎo)電性能好（稍次于），導(dǎo)電性能好（稍次于 銅），塑性好，在空氣中有良好的抗蝕性，但強度、硬度低。純鋁主銅），塑性好，在空氣中有良好的抗蝕性，但強度、硬度低。純鋁主 要用作導(dǎo)電材料或制造耐蝕零件，一般不作結(jié)構(gòu)材料用。要用作導(dǎo)電材料或制造耐蝕零件，一般不作結(jié)構(gòu)材料用。 工業(yè)上廣泛使用鋁合金。在鋁中加入適量的銅、

25、錳、硅、鎂等合工業(yè)上廣泛使用鋁合金。在鋁中加入適量的銅、錳、硅、鎂等合 金元素，可提高其力學(xué)性能。金元素，可提高其力學(xué)性能。 根據(jù)合金成分和工藝特點的不同，鋁合金可分為變形鋁合金和鑄根據(jù)合金成分和工藝特點的不同，鋁合金可分為變形鋁合金和鑄 造鋁合金兩大類。變形鋁合金主要用作各類型材和結(jié)構(gòu)件，如各式容造鋁合金兩大類。變形鋁合金主要用作各類型材和結(jié)構(gòu)件，如各式容 器、發(fā)動機機架、飛機的大梁等；鑄造鋁合金則主要用作各種輕型鑄器、發(fā)動機機架、飛機的大梁等；鑄造鋁合金則主要用作各種輕型鑄 件，如活塞、氣缸蓋和氣缸體等。件，如活塞、氣缸蓋和氣缸體等。 銅和銅合金銅和銅合金 純銅又稱紫銅。純銅具有很高的導(dǎo)電

26、性、導(dǎo)熱性和耐蝕性，并具純銅又稱紫銅。純銅具有很高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐蝕性，并具 有良好的塑性，但其強度較低，主要用于各種導(dǎo)電材料和配制銅合金。有良好的塑性，但其強度較低，主要用于各種導(dǎo)電材料和配制銅合金。 機械制造生產(chǎn)中廣泛使用銅合金。按合金成分的不同，銅合金可分為機械制造生產(chǎn)中廣泛使用銅合金。按合金成分的不同，銅合金可分為 黃銅、白銅和青銅三大類。黃銅、白銅和青銅三大類。 黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金，主要用于制造散熱器、彈黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金，主要用于制造散熱器、彈 簧、墊片、襯套及耐蝕零件等?；伞|片、襯套及耐蝕零件等。 白銅是以鎳為主要合金元素的銅合金，它具有優(yōu)良的塑

27、性、耐蝕白銅是以鎳為主要合金元素的銅合金，它具有優(yōu)良的塑性、耐蝕 性、耐熱性和特殊的電性能，是制造精密機械零件和電器元件不可缺性、耐熱性和特殊的電性能，是制造精密機械零件和電器元件不可缺 少的材料。少的材料。 青銅是指除黃銅和白銅以外的銅合金，如以錫為主要合金元素的青銅是指除黃銅和白銅以外的銅合金，如以錫為主要合金元素的 合金稱為錫青銅，以鋁為主要合金元素的合金稱為鋁青銅，此外還有合金稱為錫青銅，以鋁為主要合金元素的合金稱為鋁青銅，此外還有 鉛青銅、硅青銅、錳青銅、鈦青銅等。青銅主要用于制造軸瓦、蝸輪鉛青銅、硅青銅、錳青銅、鈦青銅等。青銅主要用于制造軸瓦、蝸輪 及耐磨、耐蝕零件等。及耐磨、耐蝕

28、零件等。 四、粉末冶金與硬質(zhì)合金四、粉末冶金與硬質(zhì)合金 （一）粉末冶金（一）粉末冶金 將金屬粉末（或摻入部分非金屬粉末）放在模具內(nèi)加壓成型，并將金屬粉末（或摻入部分非金屬粉末）放在模具內(nèi)加壓成型，并 通過燒結(jié)而成為合金制品的生產(chǎn)方法，稱為粉末冶金。由粉末冶金法通過燒結(jié)而成為合金制品的生產(chǎn)方法，稱為粉末冶金。由粉末冶金法 制得的材料是粉末冶金材料。制得的材料是粉末冶金材料。 粉末冶金既是制取具有特殊性能金屬材料的方法，也是一種精密粉末冶金既是制取具有特殊性能金屬材料的方法，也是一種精密 的無切屑或少切屑的加工方法。的無切屑或少切屑的加工方法。 粉末冶金材料應(yīng)用很廣。在普通機器制造業(yè)中，常用的有減

29、摩材粉末冶金材料應(yīng)用很廣。在普通機器制造業(yè)中，常用的有減摩材 料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料及硬質(zhì)合金等。在其他工業(yè)部門中，用以制料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料及硬質(zhì)合金等。在其他工業(yè)部門中，用以制 造難熔金屬材料、特殊電磁性能材料、過濾材料等。造難熔金屬材料、特殊電磁性能材料、過濾材料等。 （二）硬質(zhì)合金（二）硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是以難熔的金屬碳化物（碳化鎢、碳化鈦等）為基體，硬質(zhì)合金是以難熔的金屬碳化物（碳化鎢、碳化鈦等）為基體， 以鈷、鎳等金屬作粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成的一種合金材料。常以鈷、鎳等金屬作粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成的一種合金材料。常 用硬質(zhì)合金主要有以下三類：用硬質(zhì)合金主要有以下三類： （

30、）（）YGYG（鎢鈷）類鎢鈷）類 由碳化鎢和鈷組成。由碳化鎢和鈷組成。YGYG類硬質(zhì)合金刀具適類硬質(zhì)合金刀具適 宜加工鑄鐵工件。含鈷量越高，強度、韌性也越好，而耐磨性和硬度宜加工鑄鐵工件。含鈷量越高，強度、韌性也越好，而耐磨性和硬度 降低。降低。 （）（）YTYT（鎢鈷鈦）類鎢鈷鈦）類 由碳化鎢、碳化鈦由碳化鎢、碳化鈦 和鈷組成。由于碳和鈷組成。由于碳 化鈦比碳化鎢熔點更高，故其熱硬性比化鈦比碳化鎢熔點更高，故其熱硬性比YGYG類好，但強度比類好，但強度比YGYG類差。類差。YTYT 類硬質(zhì)合金刀具適宜于加工鋼件。類硬質(zhì)合金刀具適宜于加工鋼件。 （）（）YWYW（鎢鈷鈦鉭）類鎢鈷鈦鉭）類 它是

31、在它是在YTYT類合金中加入部分碳化鉭而類合金中加入部分碳化鉭而 制成的。碳化鉭的加入改善了合金的切削性能。制成的。碳化鉭的加入改善了合金的切削性能。YWYW類硬質(zhì)合金刀具既類硬質(zhì)合金刀具既 可加工鑄鐵，又可加工鋼?？杉庸よT鐵，又可加工鋼。 第三節(jié)第三節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理 鋼的熱處理是特鋼在固體狀態(tài)下通過加熱、保溫和以不同的鋼的熱處理是特鋼在固體狀態(tài)下通過加熱、保溫和以不同的 方式冷卻，來改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的工藝方方式冷卻，來改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的工藝方 法。法。 一、金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu) 1 1金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶 純金屬的結(jié)

32、晶是在一定的溫度下進行的，它的結(jié)晶過程可以用純金屬的結(jié)晶是在一定的溫度下進行的，它的結(jié)晶過程可以用 圖圖12-412-4所示的冷卻曲線來說明。所示的冷卻曲線來說明。 2 2金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 原子在晶體中排列的空間格式稱為晶格。常見的晶格有三種，原子在晶體中排列的空間格式稱為晶格。常見的晶格有三種， 即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如圖即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如圖12-512-5所示。所示。 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的 現(xiàn)象，稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。現(xiàn)象，稱為金屬

33、的同素異晶轉(zhuǎn)變。 圖圖12124 4 純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線 a) a) 理論曲線理論曲線 b) b) 實際曲線實際曲線 圖圖12-5 12-5 常見金屬晶格的類型常見金屬晶格的類型 a) a) 體心立方晶格體心立方晶格 b) b) 面心立方晶格面心立方晶格c) c) 密排六方晶格密排六方晶格 液態(tài)純鐵在液態(tài)純鐵在15381538時結(jié)晶成具有體心立方晶格的時結(jié)晶成具有體心立方晶格的-Fe-Fe，繼續(xù)繼續(xù) 冷卻到冷卻到13941394時，發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，體心立方晶格的時，發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，體心立方晶格的-Fe-Fe轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 為面心立方晶格的為面心立方晶格的-Fe-Fe，再

34、繼續(xù)冷卻到再繼續(xù)冷卻到912912時又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)時又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn) 變，面心立方晶格的變，面心立方晶格的-Fe-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe-Fe。若再繼續(xù)若再繼續(xù) 冷卻，晶格的類型不再發(fā)生變化。冷卻，晶格的類型不再發(fā)生變化。 正是由于純鐵能夠發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)中才有可能對鋼和正是由于純鐵能夠發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)中才有可能對鋼和 鑄鐵進行熱處理來改變其組織與性能。鑄鐵進行熱處理來改變其組織與性能。 3. 3. 合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu) 合金在固態(tài)時的結(jié)構(gòu)一般可分為以下三類：合金在固態(tài)時的結(jié)構(gòu)一般可分為以下三類： (1) (1) 化合物化合物 化合物具有與組元原來晶格

35、不同的特殊晶格，其化合物具有與組元原來晶格不同的特殊晶格，其 性能與組元的性能也有顯著的不同，它的熔點高，硬度高，脆性大。性能與組元的性能也有顯著的不同，它的熔點高，硬度高，脆性大。 (2) (2) 固溶體固溶體 固溶體仍保留基本組元固溶體仍保留基本組元 ( (溶劑溶劑) ) 的晶格。固溶體的晶格。固溶體 不但有較高的強度和硬度，并且還保持有足夠的韌性和塑性。不但有較高的強度和硬度，并且還保持有足夠的韌性和塑性。 (3) (3) 機械混合物機械混合物 機械混合物各組元的原子仍保持原來的晶格機械混合物各組元的原子仍保持原來的晶格 和性能。和性能。 二、鐵碳合金及其狀態(tài)圖二、鐵碳合金及其狀態(tài)圖 (

36、 (一一) ) 鐵碳合金鐵碳合金 在鐵碳合金中出現(xiàn)以下幾種基本組織：在鐵碳合金中出現(xiàn)以下幾種基本組織： (1) (1) 鐵素體鐵素體 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中所形成的固溶體稱為鐵素體，用符中所形成的固溶體稱為鐵素體，用符 號號 F F 表示。碳在表示。碳在-Fe-Fe中的溶解度極小。體鐵素體的強度、硬度很低，中的溶解度極小。體鐵素體的強度、硬度很低， 但具有良好的塑性和韌性。但具有良好的塑性和韌性。 (2) (2) 奧氏體奧氏體 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中所形成的固溶體稱為奧氏體，用符中所形成的固溶體稱為奧氏體，用符 號號A A表示。碳在表示。碳在-Fe-Fe中的溶解度比在中的溶解度比在-F

37、e-Fe中大得多。奧氏體具有良中大得多。奧氏體具有良 好的塑性和較低的變形抗力。好的塑性和較低的變形抗力。 (3) (3)滲碳體滲碳體 滲碳體是鐵和碳的化合物，分子式為滲碳體是鐵和碳的化合物，分子式為 FeFe3 3C C，w w C C 6.696.69。鋼中含碳量越高，滲碳體所占比重越大，則其強度、硬度越鋼中含碳量越高，滲碳體所占比重越大，則其強度、硬度越 高，而塑性、韌性越差。滲碳體在加熱到高溫的條件下，可以分解成高，而塑性、韌性越差。滲碳體在加熱到高溫的條件下，可以分解成 鐵和自由狀態(tài)的石墨。鐵和自由狀態(tài)的石墨。 (4) (4) 珠光體珠光體 鐵素體和滲碳體組成的機械混合物稱為珠光體，

38、鐵素體和滲碳體組成的機械混合物稱為珠光體， 用符號用符號 P P表示。由于珠光體是硬的滲碳體片和軟的鐵素體片相間組表示。由于珠光體是硬的滲碳體片和軟的鐵素體片相間組 成的混合物，故其機械性能介于兩者之間。珠光體的平均含碳量為成的混合物，故其機械性能介于兩者之間。珠光體的平均含碳量為 w w C C0.770.77，它的強度較好，硬度適中它的強度較好，硬度適中 (180 (180HBS)HBS)，并具有一定并具有一定 的塑性。的塑性。 (5) (5) 萊氏體萊氏體 奧氏體和滲碳體組成的機械混合物稱為萊氏體，奧氏體和滲碳體組成的機械混合物稱為萊氏體， 用符號用符號 L Ld d表示。由于奧氏體在表

39、示。由于奧氏體在727727時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以727727以以 下的萊氏體由珠光體和滲碳體所組成，通常稱之為低溫萊氏體，用下的萊氏體由珠光體和滲碳體所組成，通常稱之為低溫萊氏體，用 符號符號 L Ld d 表示。表示。 萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。 ( (二二) ) 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金狀態(tài)圖是表示在極緩慢冷卻鐵碳合金狀態(tài)圖是表示在極緩慢冷卻 ( (或加熱或加熱) ) 的情況下，不同的情況下，不同 成分的鐵碳合金在不同溫度時所具有的組織或狀態(tài)的圖形。成分的鐵碳合金在不同溫度時所具有的組織或狀

40、態(tài)的圖形。 圖圖12-612-6是一種經(jīng)過簡化的是一種經(jīng)過簡化的Fe-FeFe-Fe3 3C C狀態(tài)圖。狀態(tài)圖。 1 1Fe- FeFe- Fe3 3C C狀態(tài)圖中點、線的含義狀態(tài)圖中點、線的含義 (1) (1) 特性點特性點 主要特性點的意義、溫度及成分見表主要特性點的意義、溫度及成分見表12-112-1。 (2) (2) 特性線特性線 特性線是鐵碳合金組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的界線。特性線是鐵碳合金組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的界線。 ACD ACD線線 即液相線。即液相線。 AECFAECF線線 即固相線。即固相線。 GSGS線線 又稱又稱A A3 3線。線。 ES ES線線 又稱又稱A Acm cm線。 線。 E

41、CFECF線線 稱為共晶線。稱為共晶線。 PSKPSK線線 稱為共析線，又稱稱為共析線，又稱A A1 1線線 圖圖12-6 12-6 簡化的簡化的Fe-FeFe-Fe3 3C C狀態(tài)圖狀態(tài)圖 點的符號點的符號 溫度溫度 / / w w C C(%)(%)意義意義 A A 153815380 0純鐵熔點純鐵熔點 C C114811484.3 4.3 共晶點共晶點LA+FeLA+Fe3 3C C D D122712276.69 6.69 滲碳體熔點滲碳體熔點 E E114811482.11 2.11 碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度點中的最大溶解度點 G G9129120 0 -Fe-Fe-Fe

42、-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點 S S7277270.77 0.77 共析點共析點AF+ FeAF+ Fe3 3C C 表表12-1 12-1 Fe-FeFe-Fe3 3C C狀態(tài)圖中的主要特性點狀態(tài)圖中的主要特性點 2 2鐵碳合金的分類鐵碳合金的分類 根據(jù)狀態(tài)圖所示含碳量的多少，鐵碳合根據(jù)狀態(tài)圖所示含碳量的多少，鐵碳合 金可分為三類：金可分為三類： (1) (1) 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 (2) (2) 鋼鋼 (3) (3) 生鐵生鐵 三、鋼的熱處理基本原理三、鋼的熱處理基本原理 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和以不同的方式冷鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和以不同的方式冷 卻，

43、以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的工藝方法。卻，以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的工藝方法。 1 1鋼的加熱與保溫（見圖鋼的加熱與保溫（見圖12-612-6） 2 2奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（見圖奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（見圖12-712-7） 3 3奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（見圖奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（見圖12-812-8） 圖圖12-7 12-7 共析鋼奧氏體共析鋼奧氏體 等溫轉(zhuǎn)變曲線等溫轉(zhuǎn)變曲線 圖圖12-8 12-8 在共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線上估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線上估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 四、鋼的熱處理工藝四、鋼的熱處理工藝 熱處理的工藝過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段

44、。熱處理工熱處理的工藝過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段。熱處理工 藝曲線如圖藝曲線如圖12-912-9所示。所示。 應(yīng)用熱處理工藝的四種熱處理方法：應(yīng)用熱處理工藝的四種熱處理方法： 1 1退火退火 2 2正火正火 3 3淬火淬火 4 4回火回火 （1 1）低溫回火）低溫回火 （2 2）中溫回火）中溫回火 （3 3）高溫回火。）高溫回火。 圖圖12-9 12-9 熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線 五、鋼的表面熱處理五、鋼的表面熱處理 1. 1. 表面淬火表面淬火 (1) (1) 火焰表面淬火（圖火焰表面淬火（圖12-1012-10） (2) (2) 感應(yīng)加熱表面淬火（圖感應(yīng)加熱表面淬火（圖12-11

45、12-11） 2 2鋼的化學(xué)熱處理鋼的化學(xué)熱處理 （1 1）滲碳）滲碳 （2 2）滲氮）滲氮 圖圖12-10 12-10 火焰表面淬火火焰表面淬火 a a淬硬層淬硬層 b b加熱層加熱層 1 1燒嘴燒嘴2 2噴水管噴水管3 3工件工件 圖圖12-11 12-11 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 第四節(jié)第四節(jié) 非金屬工程材料非金屬工程材料 主要對機械工程中常用的幾種非金屬材料，如工程塑料、橡膠、主要對機械工程中常用的幾種非金屬材料，如工程塑料、橡膠、 陶瓷及復(fù)合材料等，分別作簡要介紹。陶瓷及復(fù)合材料等，分別作簡要介紹。 一、工程塑料一、工程塑料 工程塑料是以合成樹脂為主要成分的高分子有機化合物

46、。它具工程塑料是以合成樹脂為主要成分的高分子有機化合物。它具 有質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)小、耐磨、吸震、耐腐蝕、絕緣、可以著色、有質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)小、耐磨、吸震、耐腐蝕、絕緣、可以著色、 易于加工成型等優(yōu)點，因此得到廣泛的應(yīng)用。易于加工成型等優(yōu)點，因此得到廣泛的應(yīng)用。 工程塑料可分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩大類。熱固性塑料工程塑料可分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩大類。熱固性塑料 可在常溫或受熱后起化學(xué)反應(yīng)，固化成型。再加熱時不可能恢復(fù)成可在常溫或受熱后起化學(xué)反應(yīng)，固化成型。再加熱時不可能恢復(fù)成 型前的化學(xué)結(jié)構(gòu)，也就是說不可回收再生。熱塑性塑料受熱后軟化、型前的化學(xué)結(jié)構(gòu)，也就是說不可回收再生。熱塑性塑料受

47、熱后軟化、 熔融，冷卻后固化，可以多次反復(fù)而化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。熔融，冷卻后固化，可以多次反復(fù)而化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。 1 1熱固性塑料熱固性塑料 最常用的熱固性塑料是酚醛塑料和氨基塑料。酚醛塑料最常用的熱固性塑料是酚醛塑料和氨基塑料。酚醛塑料般為黃般為黃 褐色，俗稱電木，常用作電器產(chǎn)品的殼體及開關(guān)等。氨基塑料一般無褐色，俗稱電木，常用作電器產(chǎn)品的殼體及開關(guān)等。氨基塑料一般無 色透明，并可以著色，俗稱電玉，多用作器具及電工器材等。色透明，并可以著色，俗稱電玉，多用作器具及電工器材等。 將酚醛樹脂液浸泡的布料或紙壓制成板料或各種形狀的制品，將酚醛樹脂液浸泡的布料或紙壓制成板料或各種形狀的制品， 稱為層壓塑料，俗稱膠木。稱為層壓塑料，俗稱膠木。 它可以切削加工，許多齒輪、軸套、墊板及電器都用它制成。它可以切削加工，許多齒輪、軸套、墊板及電器都用它制成。 2 2熱塑性塑料熱塑性塑料 熱塑性塑料的種類很多，常用的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙熱塑性塑料的種類很多，常用的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙 烯和聚酰胺等。烯和聚酰胺等。 聚氯乙烯是應(yīng)用最廣的塑料，分軟硬兩種。硬聚氯乙烯可代替金聚氯乙烯是應(yīng)用最廣的塑料，分軟硬兩種。硬聚氯乙烯可代替金 屬材料制作各種機械零件，它耐酸、耐堿，但耐熱性差；軟聚氯乙烯屬材料制作各種機械零件，它耐