《機(jī)械基礎(chǔ)》課件-第九章 零件的材料選擇

第九章零件的材料選擇第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)和鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

第二節(jié)鐵碳合金及其相圖

第三節(jié)鋼的熱處理

第四節(jié)工業(yè)用鋼

第五節(jié)鑄鐵

第六節(jié)有色金屬及其合金

第七節(jié)工程塑料

第八節(jié)復(fù)合材料

第九節(jié)零件的材料選擇第九章零件的材料選擇工程上所使用的材料統(tǒng)稱為工程材料。它不僅是機(jī)械工程和各種工程的物質(zhì)基礎(chǔ)，又在很大程度上決定了工程的質(zhì)量和成本。因此，材料、能源、信息被人們公認(rèn)為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。歷史學(xué)家常把人類的發(fā)展史分為石器（舊、新）時(shí)代、陶器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代，而21世紀(jì)又將是合成材料的新時(shí)代。由此可見，材料在人類發(fā)展史上的重要作用。通過前面各章的學(xué)習(xí)，已經(jīng)知道:①在零件圖的標(biāo)題欄中，都有一個(gè)材料欄目，填寫為該零件所選用的材料;②在拉、壓、彎、扭等各種基本變形條件下的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，都需要給出所用材料及其相應(yīng)的許用應(yīng)力［σ］（或［τ］），才能進(jìn)行計(jì)算。而材料的許用應(yīng)力不僅取決于材料本身，還與它的熱處理直接相關(guān)。所以機(jī)器零件一定要選擇合適的材料和相應(yīng)的熱處理。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)和鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)從中學(xué)所學(xué)的化學(xué)課程中，我們已經(jīng)知道，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體。而固態(tài)金屬基本上都是晶體物質(zhì)，并且絕大多數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)都屬于體心立方晶格(如α-Fe、Cr、Mo、W、V等)、面心立方晶格(如γ-Fe、Cu、Al、Ni等)和密排六方晶格(如Mg、Zn、Be等)。

二、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變圖9-1鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

多數(shù)金屬在固態(tài)下只有一種晶格類型。但Fe、Ti、Co、Mn、Sn等金屬并不只有一種晶體結(jié)構(gòu)，而是隨著外界條件（如溫度、壓力）的變化而有不同類型的晶體結(jié)構(gòu)。即在固態(tài)下會發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。其中鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變尤為重要，它是鋼能夠進(jìn)行熱處理改變其組織與結(jié)構(gòu)，從而可改善其力學(xué)性能和工藝性能的根本原因。206圖9-1鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變它也是鋼鐵材料性能多種多樣、用途廣泛的主要原因之一。圖9-1所示為純鐵的冷卻曲線及其晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。第二節(jié)鐵碳合金及其相圖一、合金的基本概念純金屬的強(qiáng)度、硬度一般都很低，不能滿足工程需要，而且冶煉困難，價(jià)格較貴（純度越高，價(jià)格越貴），因此在工程上的應(yīng)用受到限制。實(shí)際工程中廣泛使用的是合金。合金是一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素相互熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如碳素鋼就是由鐵和碳組成的（二元）合金，簡稱鐵碳合金。合金除具有較組成合金的純金屬更好的力學(xué)性能外，還可以改變組成元素之間的成分比例，以獲得一系列性能各不相同的合金，例如改變鐵、碳的成分比例，可以得到各種不同牌號和不同性能的碳素鋼。同時(shí)一般還可以通過熱處理來改善其力學(xué)性能和工藝性能。此外，某些合金還具有耐熱、耐蝕、不易生銹等一些特殊的物理和化學(xué)性能，從而可以滿足工程中各種不同的使用要求。組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元稱為組元。組元可以是金屬、非金屬元素和穩(wěn)定化合物。根據(jù)合金中的組元數(shù)相應(yīng)有二元合金、三元合金和多元合金。由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金稱為合金系統(tǒng)，簡稱合金系。二、合金相圖的基本概念1.相(1)固溶體合金在結(jié)晶成固態(tài)時(shí)，組元間會相互溶解，形成在某一組元(稱為溶劑)的晶格中包含有其他組元(稱為溶質(zhì))的新相，這種新相稱為固溶體。

(2)金屬化合物溶質(zhì)在固溶體中的溶解度一般是有限的，當(dāng)溶質(zhì)的含量超過此溶解度后將產(chǎn)生新相。

2.相平衡(平衡)相平衡是指在合金中參與結(jié)晶或相變過程的各相之間的相對重量和相對濃度不再改變時(shí)的狀態(tài)。這種狀態(tài)是在系統(tǒng)的溫度變化極其緩慢時(shí)，晶格中的原子有充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散的條件下得到的。

3.組織用金相觀察方法看到的，由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體稱為組織。其中用肉眼或借助于放大鏡觀察到的組織稱為宏觀組織(低倍組織)；而借助光學(xué)或電子顯微鏡所觀察到的組織稱為顯微組織。通常所說的組織，一般均指顯微組織。

4.相圖相圖是表達(dá)合金的溫度、成分和相(或組織狀態(tài))之間平衡關(guān)系的圖形，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。即它是表明合金系中不同成分的合金在不同溫度下，由哪些相(或組織)組成以及這些相(或組織)之間平衡關(guān)系的圖形。三、鐵碳合金相圖(一)鐵碳合金的基本相

(二)鐵碳合金相圖

(三)鐵碳合金按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和組織分類

(四)珠光體和萊氏體介紹

(五)典型鐵碳合金的結(jié)晶過程

(六)鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系

(七)鐵碳相圖的應(yīng)用(一)鐵碳合金的基本相1.鐵素體

2.奧氏體

3.滲碳體1.鐵素體碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號“F”(或“α”)表示。由于體心立方晶格的α-Fe的晶格間隙很小，所以碳在α-Fe中的溶解度很低，在727℃時(shí)的最大溶碳量為0.0218%，隨著溫度的降低，溶碳量逐漸下降，在室溫時(shí)僅為0.0008%。所以鐵素體的性能接近于α-Fe，具有良好的塑性和韌性，而強(qiáng)度、硬度都較低。2.奧氏體碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號“F”(或“α”)表示。由于體心立方晶格的α-Fe的晶格間隙很小，所以碳在α-Fe中的溶解度很低，在727℃時(shí)的最大溶碳量為0.0218%，隨著溫度的降低，溶碳量逐漸下降，在室溫時(shí)僅為0.0008%。所以鐵素體的性能接近于α-Fe，具有良好的塑性和韌性，而強(qiáng)度、硬度都較低。3.滲碳體滲碳體是鐵和碳的金屬化合物，它的分子式為Fe3C(也可用“Cm”表示)，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(舊稱含碳量)為6.69%，用符號“ωC”表示。滲碳體的熔點(diǎn)為1227℃，具有很高的硬度(800HBW)，但塑性很差(δ≈0)，是一種硬而脆的組織。在鋼中滲碳體以不同形態(tài)和大小的晶體出現(xiàn)于組織中，對鋼的力學(xué)性能影響很大。(二)鐵碳合金相圖圖9-2Fe-FC相圖1)ACD線(AC線+CD線)——液相線。

2)AECF線(AE線+ECF線)——固相線。

3)GS線(又名A3線)——從奧氏體A中析出鐵素體F的開始線。

4)ES線(又名Acm線)——是碳在γ-Fe中的溶解度曲線，稱為奧氏體的固溶線。

5)PSK線(又名A1線)——共析反應(yīng)線。

6)GP線——從奧氏體中析出鐵素體的終止線。

7)PQ線——碳在α-Fe中的溶解度曲線，稱為鐵素體的固溶線。(三)鐵碳合金按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和組織分類在鐵碳合金中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～2.11%稱為鋼。其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%的鋼稱為共析鋼，其室溫組織為珠光體P；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～0.77%的鋼稱為亞共析鋼，室溫組織為F+P；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%～2.11%的鋼稱為過共析鋼，其室溫組織為P+Fe3C。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%～6.69%時(shí)稱為白口鑄鐵(斷口呈銀白色而得名)，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%時(shí)稱為共晶白口鑄鐵，其室溫組織為低溫萊氏體L′

d。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%～4.3%時(shí)稱為亞共晶白口鑄鐵，其室溫組織為P+Fe3C+L′d；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%～6.69%時(shí)稱為過共晶白口鑄鐵，其室溫組織為L′d+Fe3C。(四)珠光體和萊氏體介紹1.珠光體珠光體(P)由于具有珍珠般的光澤而得名，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，它是奧氏體從高溫緩慢冷卻至727℃以下時(shí)，發(fā)生共析反應(yīng)所形成的鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊組成的共析組織。其力學(xué)性能也大體上是鐵素體和滲碳體的平均值，故珠光體的強(qiáng)度較高，硬度適中，又有一定的韌性。

2.萊氏體萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的液態(tài)，在1148℃時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)所形成的奧氏體和滲碳體所組成的共晶組織，用“Ld”表示。(五)典型鐵碳合金的結(jié)晶過程圖9-3共析鋼的結(jié)晶過程示意圖圖9-3所示為共析鋼的結(jié)晶過程示意圖，在點(diǎn)1以上溫度，合金為液相L;當(dāng)合金冷卻至1～2區(qū)間時(shí)，從液相中結(jié)晶出奧氏體，此時(shí)為L+A雙相;到點(diǎn)2時(shí)結(jié)晶完畢，所以2～3區(qū)間為單相奧氏體A;當(dāng)溫度降到727℃的點(diǎn)3時(shí)，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，到點(diǎn)3′反應(yīng)結(jié)束。因此，在33′的反應(yīng)期間，其組織為A+P;到達(dá)3′時(shí)全部成為反應(yīng)產(chǎn)物P;當(dāng)溫度從點(diǎn)3′繼續(xù)降到室溫時(shí)的點(diǎn)4過程中，珠光體中鐵素體的溶碳量沿PQ線變化，相應(yīng)從0.0218%降到0.0008%，并析出滲碳體。由于析出滲碳體的量非常少，且與原珠光體中的滲碳體混合在一起，難以分辨，完全可以忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為3′4區(qū)間的組織均為P。(六)鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系圖9-4碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鋼力學(xué)性能的影響從鐵碳相圖可知，鐵碳合金隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其室溫組織按下列順序變化:F→F+P→P→P+Cm→P+Cm+Ld′→Ld′→Ld′+Cm。不難看到這些組織都是由鐵素體和滲碳體兩相所組成的，而且碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，鐵素體的量越少而滲碳體的量越多，因而隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度相應(yīng)增加，而塑性、韌性則下降，見圖9-4。圖中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.9%時(shí)，鋼的強(qiáng)度有所下降，這是由于鋼中出現(xiàn)了影響強(qiáng)度的網(wǎng)狀滲碳體的緣故。(七)鐵碳相圖的應(yīng)用鐵碳相圖所表明的鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系是選擇鋼鐵材料的依2)鐵碳相圖是制訂鑄、鍛、熱處理工藝的依據(jù)。在鑄造方面，根據(jù)相圖中的液相線可以找出不同成分的鐵碳合金的熔點(diǎn)，從而確定合適的熔化、澆注溫度。此外從相圖中還可以看出，接近共晶成分的合金不僅熔點(diǎn)低，而且凝固溫度區(qū)間小，能較長時(shí)間處于流動性好的液態(tài)，故具有良好的鑄造性能，適宜用于鑄造。圖9-4碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鋼力學(xué)性能的影響在鍛造方面，鋼經(jīng)加熱后獲得奧氏體組織，它的強(qiáng)度低、塑性好，便于塑性變形加工。因此鋼材軋制或鍛造的溫度范圍都選擇在相圖上單一奧氏體組織范圍內(nèi)。在熱處理方面，熱處理與鐵碳相圖有著更為直接的關(guān)系，各種不同的熱處理方法的加熱溫度都是依照相圖來選定的，詳見本章第三節(jié)。第三節(jié)鋼的熱處理一、熱處理的基本概念

將固態(tài)金屬或合金，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝稱為熱處理。其中鋼的熱處理是鋼材最有效的強(qiáng)化手段，可以顯著提高鋼的力學(xué)性能和改善鋼的工藝性能。因而機(jī)械工程中的大多數(shù)零件都要進(jìn)行熱處理，如滾動軸承和各種工具幾乎百分之百的要進(jìn)行熱處理。下面是采用45鋼制造機(jī)床齒輪的典型工藝路線:下料→鍛造→正火（或退火）→齒坯加工→淬火→高溫回火→切齒→高頻表面淬火→低溫回火→磨削。全部10道工序中就有5道工序是熱處理，熱處理的地位由此可見一斑。熱處理的工藝過程一般可以用熱處理工藝曲線（溫度、時(shí)間關(guān)系曲線）來表達(dá)，見圖9-5。圖9-5熱處理工藝曲線二、金屬(鋼)熱處理工藝分類及代號1)基礎(chǔ)分類和代號。

2)附加分類和代號。

3)熱處理工藝代號。三、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變圖9-6共析鋼中奧氏體的形成過程示意圖

a)奧氏體生核b)奧氏體長大c)殘留滲碳體溶解d)奧氏體均勻化在鋼的熱處理工藝中，首先要進(jìn)行加熱并保溫，以獲得全部（或部分）奧氏體組織，稱為鋼的奧氏體化。雖然奧氏體是高溫狀態(tài)的組織，但它的成分、晶粒大小及其均勻化程度將直接影響鋼冷卻后的組織和性能。下面就以共析鋼為例來說明在加熱、保溫時(shí)，其組織轉(zhuǎn)變過程。共析鋼加熱到Ac1

線以上時(shí)，鋼中的珠光體將向奧氏體轉(zhuǎn)變，并經(jīng)歷生核、長大、殘留滲碳體的溶解和奧氏體均勻化四個(gè)階段，見圖9-6。四、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變相同的鋼，在同樣的加熱和保溫條件下，獲得奧氏體組織后，如在不同的冷卻方式和冷卻速度下冷卻將獲得不同的組織，從而在性能上也會有明顯的差別。也就是說，人們可以采用不同的冷卻條件，以期獲得所需要的性能?？梢?，鋼的冷卻過程在熱處理工藝中也是至關(guān)重要的。下面以共析鋼為例來說明冷卻方式對鋼的組織和性能的影響。(一)過冷奧氏體在等溫冷卻方式下的轉(zhuǎn)變1)在A1線～550℃溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體等溫分解為鐵素體和滲碳體的混合物——珠光體。

2)在550℃～Ms溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫉馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定過飽和程度的鐵素體和極分散的滲碳體的混合物，稱為貝氏體，用符號“B”表示。

3)當(dāng)奧氏體急冷至Ms線以下時(shí)(冷卻曲線不穿過C曲線)，由于轉(zhuǎn)變溫度非常低，奧氏體中的碳原子無法擴(kuò)散與鐵形成滲碳體，而是直接由奧氏體晶格改組為鐵素體晶格，因此碳原子原封不動地保留在鐵素體晶格中，這種碳在α-Fe中過飽和的固溶體稱為馬氏體，用符號“M”表示。圖9-7共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線——C曲線(二)共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

熱處理工藝多數(shù)采用連續(xù)冷卻方式，但由于連續(xù)冷卻曲線的測定比較困難，所以在粗略分析時(shí)，一般仍用等溫冷卻曲線來分析連續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。五、鋼的熱處理工藝(一)整體熱處理

(二)表面熱處理

(三)化學(xué)熱處理1.退火與正火表9-1常用的退火工藝(GB/T12603—2005、GB/T16923—2008)1.退火與正火圖9-9各種退火和正火工藝的加熱溫度范圍和工藝曲線

a)加熱溫度范圍b)工藝曲線2.淬火與回火將鋼件加熱到Ac3或Ac1

線以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度（一般大于臨界冷卻速度）冷卻，獲得馬氏體和（或）貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火的主要目的是獲得具有很高硬度和耐磨性的馬氏體組織。因此對于亞共析鋼，必須加熱到Ac3+（30+50）℃，使鋼完全奧氏體化，快速冷卻后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并有少量未轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體A″，即A→M+A″。如果只加熱到Ac1～Ac3溫度區(qū)間，則鋼件部分奧氏體化，其組織為A+F，冷卻后的組織為M+F+A″，鐵素體的存在將顯著影響淬火鋼的硬度。而對于共析鋼、過共析鋼，只需加熱到Ac1+（30～50）℃，使鋼部分奧氏體化，組織為A+Cm

，且晶粒216細(xì)小，冷卻后的組織為細(xì)晶粒的M+Cm+A″;滲碳體的存在有利于提高鋼的硬度和耐磨性，并可降低奧氏體的含碳量，減小馬氏體的脆性;同時(shí)還可減少殘留奧氏體的數(shù)量，也有利于鋼的硬度。反之，如加熱到Accm

以上溫度，使鋼完全奧氏體化，則情況與上述恰恰相反，故不可取。(1)淬透性圖9-10碳鋼與合金鋼試件在同樣冷卻條件下的淬透情況比較

a)碳鋼b)合金鋼表9-2幾種常用鋼材的臨界直徑(mm)(2)淬硬性1)降低淬火鋼的脆性，提高韌性。

2)穩(wěn)定組織，使工件在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變和形狀、尺寸的變化。

3)消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止工件在使用過程中的變形和開裂傾向。

4)通過不同的回火工藝，可調(diào)整鋼的強(qiáng)度和硬度搭配，即獲得不同的力學(xué)性能，以滿足不同的使用要求。圖9-11馬氏體和淬火鋼的硬度

與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系表9-3回火的種類、加熱溫度、組織、性能及應(yīng)用(二)表面熱處理表9-4常用的表面淬火方法的比較(三)化學(xué)熱處理1.滲碳

2.滲氮

3.其他化學(xué)熱處理1.滲碳表9-5表面淬火和滲碳的比較2.滲氮1)由于氮化處理加熱溫度較低(在相變溫度Ac1以下，鋼件不經(jīng)過奧氏體化)，所以工件的內(nèi)應(yīng)力低，變形很小。

2)氮化需要用含有Cr、Mo、Al等合金元素的專用氮化鋼，如38CrMoAl等。

3)滲氮速度特別慢，故生產(chǎn)周期更長、成本更高。3.其他化學(xué)熱處理在一定溫度下(約820～860℃)，同時(shí)將碳、氮滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。碳氮共滲后也需要進(jìn)行淬火和低溫回火。主要用于形狀復(fù)雜、要求變形小的耐磨零件。第四節(jié)工業(yè)用鋼碳素鋼（簡稱碳鋼）冶煉方便，加工容易，價(jià)格低廉，其性能可以滿足一般工程使用要求，所以是制造各種機(jī)器、工程結(jié)構(gòu)和量具、刀具等最主要的材料。碳鋼是以鐵和碳為主要成分的鐵碳合金，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～2.11%，并含有少量的有益元素硅和錳，有害元素硫和磷。碳鋼的主要分類方法有:1）按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可分為低碳鋼（ωC≤0.25%）、中碳鋼（0.25%<ωC≤0.60%）和高碳鋼（ωC>0.60%）。2）按質(zhì)量（主要根據(jù)硫、磷含量）可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼。

3）按用途可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼（用于制造各種機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)件）和碳素工具鋼（用于制造各種刀具、量具和模具）。一、碳素鋼(一)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T700—2006)的規(guī)定，它的牌號由代表屈服強(qiáng)度的字母(Q)、屈服強(qiáng)度σs的數(shù)值(MPa)、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)和脫氧方法符號(F——沸騰鋼，Z——鎮(zhèn)靜鋼，TZ——特殊鎮(zhèn)靜鋼)等四個(gè)部分按順序排列組成。在牌號組成表示方法中，“Z”與“TZ”符號可省略。(二)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB/T699—1999)(1)滲碳鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.25%，常用的為20鋼。

(2)調(diào)質(zhì)鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.50%，屬于中碳鋼，常用的牌號為45、35等。

(3)彈簧鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%～0.9%，通常多進(jìn)行淬火和中溫回火，以獲得高的彈性極限。表9-6優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能(摘自GB/T699—1999)(三)鑄鋼鑄鋼是將熔化的鋼液直接澆注到鑄型中去，冷卻后即獲得零件毛坯(或零件)的一種鋼材。國家標(biāo)準(zhǔn)《一般工程用鑄造碳鋼件》(GB/T11352—2009)中規(guī)定，鑄鋼的牌號有：ZG200—400、ZG230—450、ZG270—500、ZG310—570和ZG340—640等5種。其中代號ZG表示鑄鋼，代號后面的兩組數(shù)字分別表示屈服強(qiáng)度σs(或σ0.2)和抗拉強(qiáng)度σb的值，單位均為MPa。鑄鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.6%，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～0.9%，硫、磷含量均小于0.035%。二、合金鋼合金鋼是在碳鋼中有意識地加入一些合金元素后而得到的鋼種。常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni等。它與碳鋼相比，熱處理工藝性較好，力學(xué)性能指標(biāo)更高，還能滿足某些特殊性能要求。但合金鋼的冶煉、加工都比較困難，價(jià)格也較貴，經(jīng)濟(jì)性差，所以一般只有在碳鋼不能滿足工程使用要求時(shí)才使用合金鋼。合金鋼可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三類。這里僅對合金結(jié)構(gòu)鋼做扼要介紹。合金結(jié)構(gòu)鋼（廣義）又可分為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、鑄造低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和滾動軸承鋼等。1.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼它的牌號由代表屈服強(qiáng)度的字母“Q”、屈服強(qiáng)度數(shù)值(MPa)、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D、E)三個(gè)部分組成。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的牌號有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690八種。2.低合金鑄鋼它的牌號由表示鑄鋼的字母“ZG”、表示低合金(鑄鋼)的字母“D”和屈服強(qiáng)度數(shù)值、抗拉強(qiáng)度數(shù)值(MPa)按順序排列。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14408—1993《一般工程與結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼件》中規(guī)定的牌號有ZGD270—480、ZGD290—510、ZGD345—570…ZGD840—1030等共8種。主要用于一般碳素鑄鋼不能滿足使用要求的工程與結(jié)構(gòu)的鑄件。3.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號用數(shù)字、合金元素符號和數(shù)字組成。前面的數(shù)字表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)，合金元素符號后面的數(shù)字表示該元素含量的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)平均含量低于1.5%時(shí)，僅標(biāo)出元素符號，如60Si2Mn表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5%。4.滾動軸承鋼滾動軸承鋼(或其鑄鋼)是專門用于制造滾動軸承內(nèi)、外套圈和滾動體的合金結(jié)構(gòu)鋼(也可用于制造量具、刃具、冷沖模以及要求與滾動軸承相似的耐磨零件)。第五節(jié)鑄鐵一、概述如前已述，在鐵碳相圖中，ωC為2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為白口鑄鐵(斷口呈銀白色)，其中的碳極大部分是以滲碳體形式存在，這類鑄鐵由于硬而脆，很難進(jìn)行切削加工，因此很少直接用來制造機(jī)器零件，實(shí)用價(jià)值不大。實(shí)際上，在鑄鐵中的碳，如果經(jīng)過石墨化過程，就可以以石墨(碳的一種同素異構(gòu)物，用符號“G”表示)的形式存在。二、灰鑄鐵灰鑄鐵因斷口呈暗灰色而得名，按國家標(biāo)準(zhǔn)《灰鑄鐵件》(GB/T9439—2010)的規(guī)定，灰鑄鐵的牌號有：HT100、HT150、HT200、HT225、HT250、HT275、HT300和HT350八種。其中“HT”為灰鑄鐵的代號，代號后面的數(shù)字表示其抗拉強(qiáng)度值(MPa)。三、球墨鑄鐵球墨鑄鐵是在灰鑄鐵的鐵液中加入球化劑(稀土鎂合金等)和孕育劑(硅鐵)進(jìn)行球化—孕育處理后得到的。其石墨呈球狀，故名球墨鑄鐵。按國家標(biāo)準(zhǔn)《球墨鑄鐵件》(GB/T1348—2009)中的規(guī)定，球墨鑄鐵的牌號有：QT350—22、QT400—18、QT400—15、QT450—10、QT500—7、QT500—5、QT600—3、QT700—2、QT800—2和QT900—2十種，其中“QT”為球墨鑄鐵的代號，代號后面的兩組數(shù)字分別表示抗拉強(qiáng)度σb(MPa)和伸長率δ(%)。第六節(jié)有色金屬及其合金有色金屬具有黑色金屬所不具備的許多特殊的物理和化學(xué)性能，又有一定的力學(xué)性能和較好的工藝性能，所以也是不可缺少的工程材料。但有色金屬產(chǎn)量少、價(jià)格貴，應(yīng)節(jié)約使用。各種純有色金屬的力學(xué)性能都較差，所以工程上使用的多為有色金屬合金，如鋁合金、銅合金、軸承合金、鋅合金、鎂合金和鈦合金等。各種有色金屬合金根據(jù)其適用于變形（壓力加工）或鑄造進(jìn)一步分成變形有色金屬合金和鑄造有色金屬合金。其中鑄造有色金屬合金的牌號（GB/T8063—1994）由“Z”和基體金屬的化學(xué)元素符號、主要合金化元素符號（其中混合稀土元素符號統(tǒng)一用RE表示）以及表明合金化元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)字組成。合金化元素符號按其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞減的次序排列，合金化元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，一般不標(biāo)明含量。在牌號后面標(biāo)注大寫字母“A”表示優(yōu)質(zhì)。如ZAlSi7MgA、ZMgZn4RE1Zr。一、鋁合金鋁及鋁合金具有密度?。s為銅、鐵的1/3），比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）高，抗蝕性好以及優(yōu)良的塑性和冷熱加工工藝性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格較低、資源豐富，故廣泛用于航空、航天、電氣、汽車等工程領(lǐng)域，是工程中用量最大的有色金屬。(一)變形鋁合金變形鋁合金一般可直接采用國際四位數(shù)字××××體系牌號;而未命名為國際四位數(shù)字體系牌號的變形鋁合金，則采用四位字符牌號×○××（×表示數(shù)字，○表示字母）。兩者第一位數(shù)字2～8均分別表示以銅（2）、錳（3）、硅（4）、鎂（5）、鎂和硅（6）、鋅（7）和其224他合金元素（8）為主要合金元素的鋁合金;第二位數(shù)字或字母表示原始合金的改型情況（0或A表示原始合金，1～9或B～Y表示改型合金）;牌號最后兩位數(shù)字用來區(qū)分和識別同一組中的不同合金。(二)鑄造鋁合金(GB/T1173—1995)對于共晶成分附近的鋁合金，因其組織中存在低熔點(diǎn)共晶體，故流動性好，塑性相對較差，只適用于鑄造，故稱為鑄造鋁合金。它的牌號按鑄造有色金屬合金牌號的表示方法。此外也可用代號表示，代號由字母“ZL”及其后的三位數(shù)字組成:“ZL”表示鑄鋁，ZL后面的第一個(gè)數(shù)字1、2、3、4分別表示鋁硅、鋁銅、鋁鎂、鋁鋅系列，后面第二、第三兩個(gè)數(shù)字表示順序號。鋁硅合金是最常用的鑄造鋁合金，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～13%，俗稱硅鋁明。當(dāng)只有鋁、硅兩種成分時(shí)稱為簡單硅鋁明，如ZAlSi12（代號ZL102），其抗拉強(qiáng)度較低，約為150MPa;若再加入銅、鎂、鋅等合金元素，則稱為特殊硅鋁明，如ZAlSi5Cu1Mg（ZL105）、ZAlSi5Zn1Mg（ZL115）等，其抗拉強(qiáng)度可提高到200MPa以上。二、銅合金銅合金一般具有良好的耐蝕性和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，又有較高的力學(xué)性能，所以也是工程中應(yīng)用很普遍的一種有色金屬。它可分為黃銅、青銅和白銅。這里僅介紹應(yīng)用較多的黃銅和青銅(一)黃銅(1)普通黃銅它是銅、鋅兩元合金，其中鋅的含量對銅性能的影響見圖9-12。

(2)特殊黃銅在普通黃銅的基礎(chǔ)上再加入少量的其他合金元素而得到的銅合金稱為特殊黃銅。

(3)鑄造黃銅將上述黃銅合金熔化后澆注到鑄型中去而獲得零件毛坯的材料稱為鑄造黃銅，常用牌號有：ZCuZn38、ZCuZn40Pb2、ZCuZn40Mn2、ZCuZn16Si4等。圖9-12鋅含量對黃銅力學(xué)性能的影響(二)青銅加入元素分別為錫、鋁、硅、鈹、錳、鉛、鈦等的銅合金統(tǒng)稱為青銅。當(dāng)加入元素為錫時(shí)相應(yīng)稱為錫青銅，依此類推。青銅按工藝特點(diǎn)可分為壓力加工青銅和鑄造青銅兩類。(三)鑄造軸承合金(GB/T1174—1992)軸承合金是用來制造滑動軸承(軸瓦和軸承襯)的專用合金。當(dāng)軸在軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，軸承的表面要承受一定的交變載荷，并與軸發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦。為了減少軸承對軸的磨損，保證軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和機(jī)器的正常工作，軸承合金應(yīng)具備如下性能要求：足夠的強(qiáng)度、硬度和耐磨性；足夠的塑性和韌性；較小的摩擦系數(shù)和較好的磨合能力；良好的導(dǎo)熱性、抗蝕性和低的膨脹系數(shù)等。第七節(jié)工程塑料(1)熱塑性塑料受熱時(shí)軟化，冷卻后變硬，再受熱時(shí)又軟化，具有可塑性和重復(fù)性，可以再生使用的塑料。

(2)熱固性塑料加熱固化后將不再軟化，形成不溶、不熔物，不能再生使用的塑料。塑料是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種非金屬材料。由于它具有一系列的優(yōu)良性能（有些則是金屬材料所不具備的），因此正在逐步取代部分金屬材料而成為最主要的工程結(jié)構(gòu)材料之一。人們預(yù)言，21世紀(jì)工程塑料的應(yīng)用將超過金屬材料。塑料是以合成樹脂為主要成分，再加入用來改善性能的各種添加劑（如填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、著色劑、固化劑、阻燃劑等）制成的。塑料一般均具有良好的耐磨性、耐蝕性和電絕緣性，以及密度小、易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于機(jī)械、電信、化工、儀表等各個(gè)部門，用來制造工程結(jié)構(gòu)、機(jī)器零件、工業(yè)容器和設(shè)備等。其不足之處是強(qiáng)度、硬度較低，耐熱性較差，容易老化、蠕變，這些都有待改進(jìn)和提高。根據(jù)樹脂的熱性能，塑料可分為下列兩類:第八節(jié)復(fù)合材料

由兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工合成后的材料稱為復(fù)合材料。它不僅具有各組成材料