材料：認(rèn)知、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用第3章

1、第3章 工程材料 表3-1材料按物理化學(xué)屬性分類 材料化學(xué)組成結(jié)合鍵主要性能 金屬材 料 金屬元素金屬鍵 固態(tài)具有晶體結(jié)構(gòu)，良好的延 展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有光 澤且不透明。 陶瓷材 料 金屬和非金屬組成，主要 是氧化物和非氧化物 （如碳化物、硼化物、氮 化物、硅化物） 離子鍵、 共價(jià)鍵 固態(tài)具有晶體或非晶體結(jié)構(gòu)， 優(yōu)異的高溫、 高強(qiáng)和化學(xué)惰性， 熱和電的非導(dǎo)體，硬且脆。 聚合物 材料 有機(jī)化合物，主要是C、 H 和其他非金屬材料（如 O、N 和 Si） 共價(jià)鍵、 分子鍵 分子鏈結(jié)構(gòu)，質(zhì)輕、比強(qiáng)度高， 易老化且高溫性能差 復(fù)合材 料 兩種或兩種以上物理和化 學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合 力學(xué)及理化性能

2、優(yōu)異， 成本較高。 表3-2 鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法（GB221-2008） 鋼類鋼 號(hào) 舉 例表 示 方 法 說 明 結(jié) 構(gòu) 鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼 和低合金結(jié) 構(gòu)鋼 Q235AF 代表屈服強(qiáng)度的拼音字母 Q +強(qiáng)度值(以 N/ mm2或 MPa 為單位) ； 必 要時(shí)標(biāo)出鋼的質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D、E 等） ； 必要時(shí)標(biāo)出脫氧方式，即沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼分別 以 F 、 b 、Z 、TZ表示; 必要時(shí)標(biāo)出產(chǎn)品用途、特性和工藝方法的標(biāo)識(shí)符號(hào)。 低合金高強(qiáng) 度結(jié)構(gòu)鋼 Q345D 16MnR 20MnK 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法同碳素結(jié)構(gòu)鋼； 也可以采用二位阿拉伯?dāng)?shù)字( 表示平均

3、含碳量，以萬分之幾計(jì))加元素 符號(hào)及必要時(shí)加代表產(chǎn)品用途、特性和工藝方法的表示符號(hào)， 按順序表 示。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié) 構(gòu)鋼 08F 50A 50MnE 45AH 65Mn 以二位阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均碳含量(以萬分之兒計(jì)); 必要時(shí)標(biāo)出較高含錳量碳素工具鋼標(biāo)出“Mn”； 必要時(shí)標(biāo)出高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼、特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼分別以 A、E 表示，優(yōu)質(zhì)鋼不用字 母表示; 必要時(shí)標(biāo)出脫氧方式表示符號(hào)，即沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼分別以 F、 b 、 Z表示，但鎮(zhèn)靜鋼表示符號(hào)通常可以省略; 必要時(shí)標(biāo)出產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的標(biāo)識(shí)符號(hào)。 如保證淬透性鋼表 示符號(hào) H 合金結(jié)構(gòu)鋼 20Cr 40CrNiMoA 60Si2Mn 18M

4、nMoNbER 以二位阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均碳含量(以萬分之幾計(jì)); 合金元素含量，以化學(xué)元素符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字表示。平均含量小 于 1.50%，一般不標(biāo)明含量；平均含量為 1.502.49%、2.503.49%則相 應(yīng)數(shù)字為 2，3； 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼、特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼分別以 A、E 表示，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示; 必要時(shí)加產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的表示符號(hào)，如“R”代表鍋爐和壓 力容器用鋼 工 具 鋼 碳素工具鋼 T8 T8Mn T8A T 代表碳素工具鋼； 阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均碳含量(以千分之幾計(jì)); 較高含錳量碳素工具鋼標(biāo)出“Mn”； 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼碳素工具鋼標(biāo)出“A”，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示 合金工具鋼 9SiCr

5、 CrWMn 平均碳含量小于 1. 00% 時(shí)，采用一位數(shù)字表示碳含量 (以千分之幾 計(jì) 。平均碳含量不小于 1. 00% 時(shí)，不標(biāo)明含碳量數(shù)字; 合金元素含量，以化學(xué)元素符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字表示， 表示方法同合金結(jié) 構(gòu)鋼。 低鉻(平均鉻含量小于 1 % )合金工具鋼， 在鉻含量(以千分之幾計(jì)) 前加數(shù)字 0 。 高速工具鋼 W18Cr4V CW6Mo5Cr4V2 高速工具鋼牌號(hào)表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同， 但在牌號(hào)頭部一般不標(biāo)明 表示碳含量的阿拉伯?dāng)?shù)字。為了區(qū)別牌號(hào)，在牌號(hào)頭部加 “C”表示高碳 高速工具鋼 不銹鋼和耐熱鋼 06Cr19 Ni10 022Cr18Ti 20Cr15Mn15Ni2N

6、20Cr25Ni20 用兩位或三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示碳含量最佳控制值(以萬分之幾或十萬分 之幾計(jì))。 合金元素含量以化學(xué)元素符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字表示， 表示方法同合金結(jié)構(gòu) 鋼。鋼中有意加入的鈮、鈦、鋯、氮等含金元素，雖然含量很低，也應(yīng) 在牌號(hào)中標(biāo)出。 表3-3 AISI-SAE鋼鐵材料的編號(hào) 鋼種編 號(hào)鋼種編 號(hào) 碳鋼1鉬鋼4 普通碳鋼100.2-0.25Mo40 易削鋼(加硫)11Cr-Mo41 錳鋼13Ni-Cr-Mo43 鎳鋼2鉻鋼5 0.50Ni20Cr(1.0)51 1.50Ni21Cr(1.5)52 3.50Ni23鉻釩鋼6 鎳鉻鋼3鎢鋼7 1.25Ni，0.65-0.80Cr31鎳鉻鉬8

7、 1.75Ni，1.07Cr32硅錳鋼9 3.50Ni，1.50-1.57Cr33含硼鋼B 3. 0Ni，0.77Cr34釩鋼V 表3-4 碳素鋼的分類、屬性和應(yīng)用 碳素鋼碳含量屬性和應(yīng)用 低碳鋼0.25 0.1，軟、韌性好、易成形。 0.1- 0.25，強(qiáng)度低，價(jià)格低廉、可鍛造， 通過滲碳提高表面硬度和耐磨性。 中碳鋼0.25-0.60 綜合性能好（強(qiáng)度和韌性適中）、耐磨性好; 用于大型零部件、鍛件及汽車零部件。 高碳鋼0.60-1.0硬度好，用于彈簧和高強(qiáng)度鋼繩。 超高碳鋼1.0-1.50 非常硬，超過 1.2采用粉末冶金制備， 也被認(rèn)為是一種高合金碳鋼。 圖圖3-1 常用金屬零件中的碳含

8、量常用金屬零件中的碳含量 （a）刃具）刃具 （b）模具）模具 （c）量具）量具 圖圖3-2 工具鋼的典型用途工具鋼的典型用途 表3-5工具鋼的分類、代號(hào)、特征和用途 分類 AISI-SAE 代號(hào) 特征性能及用途 冷作鋼 W水冷硬化 表面耐磨但不適用于高溫，可用于冷鐓 模具，木工工具等 O油冷硬化短期的冷成型模具、切削工具 A空冷硬化中合金，絲錐、分模、形狀復(fù)雜模具 D高碳高鉻（不銹鋼）482下，長期的成形模和沖裁模 抗沖擊鋼S韌性最好的工具鋼中碳低合金，鑿子，錘子，鉚釘套等 高速鋼 TW 基 紅硬性好即 550以上保持 6267HRC， 高速切削 MMo 基紅硬性好，較 T 型便宜 熱作鋼H

9、H1H19: Cr 基 H20H39: W 基 H40H59: Mo 基 鋁或鎂擠壓模、壓鑄模 鐵、銅、鎳熱擠壓模和熱鍛模 特殊用途 L低合金L6 有極佳的韌性 P P1P6 P20P21 滲碳型塑料模具鋼 調(diào)質(zhì)型塑料模具 鋅壓鑄模和注塑模 FWC較 W 型耐磨 不銹鋼 % C % Cr % Ni 其他 元素 抗拉強(qiáng) 度 /MPa 屈服強(qiáng) 度 /MPa 斷后伸 長率/% 狀態(tài) 奧氏體型不銹鋼（2系列：鐵-鉻-低鎳-錳；3系列：鐵-鉻-鎳） 201 (12Cr17Mn6Ni5N) 0.1 5 1756.5% Mn52027540固溶處理 304 (06Cr19Ni10) 0.0 8 191052

10、020540固溶處理 316 (06Cr17Ni12Mo2) 0.0 8 17122.5% Mo52020540固溶處理 鐵素體型不銹鋼（4系列：鐵-鉻-低碳） 430 (10Cr17) 0.1 2 1745020522退火 409 (06Cr11Ti) 0.0 8 11 (6xC) % Ti 馬氏體型不銹鋼（4系列：鐵-鉻-高碳） 410 (12Cr13) 0.1 5 130.6% Mo54034522淬火+回火 440A (68Cr17) 0.6 8 17 奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼 2205 (022Cr23Ni5Mo3N) 0.0 3 2353.0% Mo65545025固溶處理 沉淀硬

11、化型不銹鋼（6系列或-PH:鐵-鉻-低碳-沉淀元素） 630 (17-4PH) (05Cr17Ni4Cu4Nb) 0.0 7 1740.4% Nb1310118010 固溶+ 480C 時(shí) 效 表表3-6 常用不銹鋼的主要成分與性能常用不銹鋼的主要成分與性能 圖圖3-3 不銹鋼的典型應(yīng)用不銹鋼的典型應(yīng)用 （a）灰鑄鐵 （b）白口鑄鐵 （c）可鍛鑄鐵 （d）球墨鑄鐵 （e）蠕墨鑄鐵 圖3-4 五類鑄鐵組織示意圖 鑄 鐵 名 稱 石墨 形態(tài) 基體 組織編 號(hào) 方 法 牌號(hào)實(shí) 例 灰 鑄 鐵 片狀 FHT + 一組數(shù)字 表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa 灰鑄鐵 HT100 F+PHT150 PHT200

12、可 鍛 鑄 鐵 團(tuán)絮 狀 FKTH + 兩 組 數(shù)字 KTH、 KTB、 KTZ 分別為黑心、 白心、 珠光體可鍛鑄鐵；第一組數(shù)字表示最 低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表 示最低延伸率值，% KTH300 -06 表 F、 心 P KTB + 兩 組 數(shù)字 KTB350 -04 PKTZ + 兩組數(shù) 字 KTZ450 -06 球 墨 鑄 鐵 球狀 F QT + 兩組數(shù)字第一組數(shù)字表示最 低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字 表示最低延伸率值，% 球墨鑄鐵 QT400-1 5 F+PQT600-3 PQT700-2 蠕 墨 鑄 鐵 蠕蟲 狀 FRuT + 一組數(shù)字 表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa 蠕墨

13、鑄鐵 RuT260 F+PRuT300 PRuT420 表表3-7 鑄鐵的石墨形態(tài)、基體組織和牌號(hào)表示方法鑄鐵的石墨形態(tài)、基體組織和牌號(hào)表示方法 名稱 元素符 號(hào) 原子 序數(shù) 密度 g/cm3 晶體結(jié)構(gòu) 熔點(diǎn) /C 彈性 模量 /GPa 熱導(dǎo)率 W/(mK) 電阻率 /nm (20C) 鋁Al132.70面心立方6606923728.2 銅Cu298.94面心立方108411040116.78 鈦Ti224.51 密排六方 體心立方 166811721.9420 鋅Zn307.14密排六方41910811659 鎂Mg121.74密排六方6504815643.9 鎳Ni288.90面心立方14

14、5320990.969.3 鐵Fe267.87 體心立方 面心立方 153820980.496.1 表表3-8 常用有色金屬與鐵的性能比較常用有色金屬與鐵的性能比較 鋁及鋁合 金 主加合金 元素及牌 號(hào) 強(qiáng)化方法主要特點(diǎn)應(yīng)用 變形鋁合 金 純鋁 1系列 可加工硬 化 高的成形性、耐蝕性和 電導(dǎo)率；強(qiáng)度低 電氣工程和兼顧成 形性與耐蝕性的領(lǐng) 域 Al-Mn 系 3系列 可加工硬 化 中等強(qiáng)度；良好的成形 性和焊接性 兼顧成形性和焊接 性的場(chǎng)合 Al-Mg 系 5系列 可加工硬 化 中等強(qiáng)度；優(yōu)異的耐蝕 性，良好的成形性和焊 接性 建筑結(jié)構(gòu)、汽車、 海 洋和低溫工程領(lǐng)域 Al-Cu 系 2系列 可

15、熱處理 高的強(qiáng)度； 低的焊接性、 低的耐大氣腐蝕性 航空工業(yè)、緊固件 Al-Si系 4系列 含 Mg 可 熱處理 中等強(qiáng)度，優(yōu)異的焊接 性 鍛件和熔焊焊條 Al-Mg-Si 系 6系列 可熱處理 中等強(qiáng)度；優(yōu)異的耐蝕 性和優(yōu)異的擠壓性能 建筑結(jié)構(gòu)、汽車 Al-Zn-Mg- Cu 系 7系列 可熱處理 非常高的強(qiáng)度；常用機(jī) 械方式連接 航空工業(yè) 其他元素 （Fe、Ni） 8系列 可熱處理 高的電導(dǎo)率、強(qiáng)度和硬 度 電氣工程和航空工 業(yè) 鑄造鋁合 金 Al-Si系 ZL1 不可熱處 理 優(yōu)異的鑄造性能；中等 強(qiáng)度 適于復(fù)雜鑄件 Al-Cu 系 ZL2 可熱處理 高的強(qiáng)度；有熱裂和疏 松傾向 良好耐

16、磨性和較高 溫度下具有一定強(qiáng) 度 Al-Mg 系 ZL3 不可熱處 理 優(yōu)異的耐蝕性和切削性 能 門窗構(gòu)件 Al-Zn 系 ZL4 可熱處理優(yōu)異的切削性能 要求表面光潔和一 定硬度的領(lǐng)域 表表3-9 鋁及鋁合金分類、特點(diǎn)及應(yīng)用鋁及鋁合金分類、特點(diǎn)及應(yīng)用 表3-10 銅及銅合金的類型、牌號(hào)、特性及應(yīng)用 圖3-5 銅合金及其應(yīng)用 鈦合金合金元素性能特點(diǎn)典型牌號(hào)及應(yīng)用 型 鋁、硼等穩(wěn)定 元素 室溫強(qiáng)度較低，但高溫強(qiáng)度 很高?？寡趸?、抗蠕變性 以及焊接性能良好。不能淬 火強(qiáng)化，只能固溶強(qiáng)化 TA7(Ti-5Al-2.5Sn) 500以下長期工作的結(jié)構(gòu)件 和各種模鍛件，短時(shí)使用可達(dá) 900， 亦可作超

17、低溫部件 （-253） 型 足夠多的鉬、 鉻、釩等穩(wěn)定 元素 強(qiáng)度高，沖壓性能好，可通 過淬火和時(shí)效熱處理獲得強(qiáng) 化。 TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) 350以下工作的零件如板材 沖壓件和焊接件，如壓氣機(jī)葉片、 輪盤、軸類等重載荷旋轉(zhuǎn)件以及飛 機(jī)的構(gòu)件等 +型 穩(wěn)定元素和 穩(wěn)定元素 塑性好，容易鍛造、壓延和 沖壓，可通過熱加工和熱處 理較大范圍內(nèi)調(diào)整顯微組織 和結(jié)構(gòu)。 TC4(Ti-6Al-4V) 400以下長期工作的零件， 各 種容器、泵等低溫部件，船舶耐壓 殼體，坦克上的履帶等 表3-11 鈦合金的分類、性能特點(diǎn)、典型牌號(hào)及應(yīng)用 表3-12 鎂合金的牌號(hào)（美國）、主要特性和應(yīng)

18、用領(lǐng)域 牌號(hào)AZASAMAEQEWE 合金元素Al,ZnAl,SiAl,MnAl,ReAg,ReY,Re 主要特性及應(yīng) 用領(lǐng)域 低密度和高阻尼：可用于減重、減震和隔音領(lǐng)域。 良好的機(jī)加工性能：可用于制造夾具。 在堿性環(huán)境中良好的耐蝕性：可制造水泥工具 鎳及鎳基合金 工業(yè)純鎳其他合金沉淀強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 純 Ni 變形 Ni 陽極 Ni Ni-Cu (Monel) Ni-Fe (Nilo、Incoloy) Ni-Cr-Fe (Inconel) Ni- Fe- Cr (Incoloy) Ni-Cr-Mo-W Ni-Fe-Cr-Mo Ni-Cr-Co-Mo Ni- Cr -Mo（Hastelloy、 R

19、ene、Rene、Astroloy、 Waspaloy、Mar-M、 Udimet） Ni-Al-Ti Ni-Cu-Al-Ti Ni-Cr-Al-Ti Ni-Cr-Nb Ni-Fe-Cr-Nb-Al-Ti Ni-Al金屬間化合物 氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）鎳基合金 圖3-6 鎳及鎳基合金的分類 名稱剛玉莫來石瓷剛玉瓷剛玉瓷 牌號(hào)75 瓷95 瓷99瓷 主晶相-Al2O3和 3Al2O32SiO2-Al2O3-Al2O3 抗彎強(qiáng)度（MPa）250300280350370450 熱膨脹系數(shù)（10 6） 55.55.57.56.7 密度（g/cm3）3.23.43.53.9 介電強(qiáng)度(KV/mm)25

20、3015182530 體積電阻系數(shù) （m） 101010121010101210121013 燒結(jié)溫度（）136020165020170010 成形方法擠制、壓制注漿、熱壓注漿、熱壓 表3-13 氧化鋁陶瓷的基本性能 圖3-7 氧化鋁陶瓷管、棒 圖3-8 氧化鋁耐磨陶瓷球、 陶瓷片和陶瓷板 名稱熱壓 Si3N4 反 應(yīng) 燒 結(jié) Si3N4 賽倫陶瓷（一例） 結(jié)晶形態(tài)六方晶系六方晶系 (Si、Al)(O、N)4四面體與硅 氧四面體空間連接 理論密度（g/cm3）3.343.053.12 體積密度（g/cm3）3.242.42.62.90 顯氣孔率（）213185 抗彎強(qiáng)度（MPa）490590166206（四點(diǎn)抗彎：350） 硬度（努氏硬度 2.9kg破裂表面能（J/m2, 20）132.833.540.6 泊松比（20）0.2900.2880.288 熱 膨 脹系 數(shù) （10 6/, 20 1000） 3.282.993 熱擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s,300）0.07000.05500.0195 電阻率（10