第二章 第二節(jié) 工程材料的分類(lèi)及用途

第二節(jié)工程材料的分類(lèi)及用途工程材料的種類(lèi)：鋼鐵材料:鐵和以鐵為基的合金；1.金屬材料非鐵材料：鋼鐵材料以外的金屬及其合金。2.無(wú)機(jī)非金屬材料3.有機(jī)高分子材料4.復(fù)合材料

一、金屬材料1.金屬材料的組織結(jié)構(gòu)⑴晶體與非晶體①晶體：原子在三維空間中有規(guī)則的重復(fù)排列的物質(zhì)②非晶體：原子無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)。晶體金剛石、NaCl、冰等。非晶體：蜂蠟、玻璃等。液體⑵晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子的排列方式。①晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)的三維空間格架。

②晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。③晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊的尺寸。

XYZabc⑶常見(jiàn)金屬的晶體結(jié)構(gòu)①體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體。在晶胞的中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子，9個(gè)原子組成一個(gè)晶胞。。

致密度：68%（晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積之比）屬于這種晶格的金屬有Cr、α-Fe、Mo、W、V等。②面心立方晶格面心立方晶格也是一個(gè)立方體，原子位于立方體六個(gè)面的中心和八個(gè)頂點(diǎn)上。共14個(gè)原子組成一個(gè)面心立方晶胞。致密度：74%屬于這種晶格的金屬有

γ-

Fe、Cu、Ni、Al、Pb等。③密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六方柱體，原子位于兩個(gè)底面的中心處和12個(gè)頂點(diǎn)上，柱體內(nèi)還包含3個(gè)原子。共17個(gè)原子組成一個(gè)晶胞。致密度：0.74%屬于這種晶格的金屬有Be、Mg、Zn、Cd等。⑷純金屬的結(jié)晶結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程。①金屬的結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度。過(guò)冷度ΔT：實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差。冷卻速度越快，過(guò)冷度越大，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。②結(jié)晶過(guò)程：A.形成晶核：液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱(chēng)為晶坯。在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后,一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，形成晶核。B.晶核長(zhǎng)大⑸晶體的同素異構(gòu)一種金屬在不同溫度和壓力下具有不同類(lèi)型的晶格結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為同素異構(gòu)性。有此特性的金屬：Fe、Co、Ti、Mn、Sn等。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：

體心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結(jié)構(gòu)稱(chēng)為同素異構(gòu)性，物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱(chēng)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。有此特性的金屬：Fe、Co、Ti、Mn、Sn等。⑹合金的晶體結(jié)構(gòu)合金:由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金的相結(jié)構(gòu)：①固溶體合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相稱(chēng)固溶體。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱(chēng)溶劑。其它元素稱(chēng)溶質(zhì)。1)間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等2)置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體.3)固溶強(qiáng)化隨溶質(zhì)含量增加,晶格畸變?cè)龃?，變形時(shí)位錯(cuò)移動(dòng)困難,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性下降，該現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。②化合物溶質(zhì)含量超過(guò)溶劑的溶解度時(shí)，溶質(zhì)元素同溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質(zhì)，即金屬化合物。③機(jī)械混合物⑺常用金屬材料①常用碳鋼的分類(lèi)：

低碳鋼C%≤

0.25%C按鋼的C含量分中碳鋼0.25＜C%＜0.6%高碳鋼

C%

≥0.6%C普通碳素鋼：S%≤0.055%，P%≤0.045%按鋼的S、P含量分優(yōu)質(zhì)碳素鋼：S、P%均≤0.04%高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：S%≤0.03%，P%≤0.035%結(jié)構(gòu)鋼按主要用途分工具鋼特殊性能鋼專(zhuān)業(yè)用鋼汽車(chē)板簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧簧彈絲鋼板齒輪加工方鋼汽輪機(jī)葉片刃具量具模具②鋼的牌號(hào)1)碳素結(jié)構(gòu)鋼與低合金高強(qiáng)度鋼的牌號(hào)Q

235—A·F

碳素結(jié)構(gòu)鋼與低合金高強(qiáng)度鋼牌號(hào)主要的區(qū)別在屈服強(qiáng)度的等級(jí)上，碳素結(jié)構(gòu)鋼的最高強(qiáng)度等級(jí)為275MPa，低合金高強(qiáng)度鋼的最低強(qiáng)度等級(jí)為295MPa。屈服強(qiáng)度235MPa優(yōu)等沸騰鋼螺紋鋼圓鋼南京長(zhǎng)江大橋2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)牌號(hào)：以兩位數(shù)字表示，數(shù)字為平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)。例如45，表示含碳量0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。3）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字該元素含量的百分?jǐn)?shù)碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)A.當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量；B.合金元素的平均含量為1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……時(shí)，在相應(yīng)的合金元素符號(hào)后標(biāo)2、3、4、5……等數(shù)字。3）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字該元素含量的百分?jǐn)?shù)碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)A.當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量；B.合金元素的平均含量為1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……時(shí)，在相應(yīng)的合金元素符號(hào)后標(biāo)2、3、4、5……等數(shù)字。4）鑄鋼ZG

200-400最低抗拉σb

≥400MPa最低屈服強(qiáng)度σs≥200MPa鑄鋼T

12

A高級(jí)優(yōu)質(zhì)Wc=12%0碳素工具鋼5）碳素工具鋼牌號(hào)由T后加一組數(shù)字組成，數(shù)字為平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。例：T8、T12。分別表示平均含碳量為0.8%，1.2%6)合金工具鋼數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字該元素含量的百分?jǐn)?shù)碳含量的千分?jǐn)?shù)(一般是一位數(shù))當(dāng)平均碳含量＞1.0%時(shí)，不標(biāo)碳含量數(shù)字。高速鋼不標(biāo)含碳量③結(jié)構(gòu)鋼的性能和應(yīng)用1）碳素結(jié)構(gòu)鋼A.特點(diǎn)：易冶煉，價(jià)格便宜，強(qiáng)度低，可滿足一般工程結(jié)構(gòu)件的要求。力學(xué)性能隨板材厚度或直徑增大而下降。B.應(yīng)用場(chǎng)合：板材、型材。用于制造各種金屬構(gòu)件和要求不高的機(jī)器零件。2）低合金高強(qiáng)度鋼A.性能特點(diǎn)：良好的焊接性能和耐腐蝕性能；良好的塑性和韌性；較高的強(qiáng)度。B.使用特點(diǎn)：可減小構(gòu)件截面積，用于船舶、橋梁、車(chē)輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。C.主要合金元素Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼A.特性：含碳量越低，其強(qiáng)度、硬度越低，塑性、韌性越高；含碳量越高，其強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越低；B.用于制造較重要的機(jī)械零件。4）合金結(jié)構(gòu)鋼在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素所形成的鋼種。A.合金滲碳鋼滲碳、淬火和低溫回火后的結(jié)構(gòu)鋼，一般為低碳鋼。用于制造高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和較高韌性的材料。B.合金調(diào)質(zhì)鋼含碳量在0.25%～0.50%之間。用于強(qiáng)度要求較高、截面尺寸大的重要零件。C.合金彈簧鋼含碳量在0.45%～0.70%之間。具有較高的彈性極限、疲勞強(qiáng)度及較好的塑性和韌性。汽車(chē)板簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧簧彈絲D.滾動(dòng)軸承鋼具有高的抗壓強(qiáng)度、高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的硬度和耐磨性，用于各種滾動(dòng)軸承。5）鑄鋼含碳量在0.12%～0.62%之間。用于形狀復(fù)雜、不易鍛造、用鑄鐵不能滿足要求的零件。④工具鋼的性能與用途1）刃具鋼A.碳素工具鋼高碳鋼淬火、低溫回火后使用。性能：熱硬性差，淬透性低，淬火變形大。用途：適宜制作尺寸小、形狀簡(jiǎn)單的低速切削工具。B.合金工具鋼C.高速鋼刃具2）模具鋼A.冷作模具鋼用途：制造各種冷成型模具。

性能要求:高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度和高韌性。

化學(xué)成分及特點(diǎn):高含碳量：1～2%;合金元素:Cr、Mo、W、V、Mn。常用牌號(hào)：Cr12，Cr12MoV，CrWMn，9Mn2V，W18Cr4VB.熱作模具鋼用途：用于熱鍛模、熱擠壓模等。性能要求:足夠的硬度、強(qiáng)度、良好的塑性韌性，較高的熱硬性和熱疲勞抗力?；瘜W(xué)成分特點(diǎn):含碳量：0.4～0.6%;合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V常用牌號(hào)：5CrMnMo，制造中型模具;5CrNiMo，制造形狀復(fù)雜、沖擊載荷大的大型模具。C.塑料模具鋼

3）量具鋼性能要求:

高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸穩(wěn)定性;高的心部韌性。量具4）不銹鋼特點(diǎn)：在腐蝕介質(zhì)中具有較高抗腐蝕能力。A.性能要求：優(yōu)良的耐蝕性；合適的力學(xué)性能；良好的工藝性能。B.成分：碳含量：0.03%～0.95%合金元素⑤鑄鐵含碳量大于2.11%1）鑄鐵的基本性能：A.力學(xué)性能低。B.耐磨性能好。由于石墨本身有潤(rùn)滑作用。C.消振性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。D.鑄造性能好。E.切削性能好。F.成本低廉鑄鐵曲軸2)鑄鐵的常見(jiàn)類(lèi)型A.灰鑄鐵：其中的碳以片狀石墨存在。性能：塑性、韌性低，耐磨、減振性能好。牌號(hào)：HT+最低抗拉強(qiáng)度值例：HT100表示最低抗拉強(qiáng)度為100MPa的灰鑄鐵。灰鑄鐵的顯微組織

鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵石墨片的三維形貌B.球墨鑄鐵：其中的石墨為球狀。性能：強(qiáng)度