模塊二 工程材料

工程材料2鋼的熱處理1碳素鋼3合金鋼4鑄鐵5有色金屬6非金屬材料碳素鋼碳素鋼是含碳量小于2.11%，含有少量Si、Mn、S、P等雜質(zhì)的鐵碳合金，簡(jiǎn)稱碳鋼。碳素鋼具有一定的力學(xué)性能和良好的工藝性能。碳素鋼碳對(duì)碳素鋼性能的影響碳是決定鋼性能的主要元素。當(dāng)鋼中的含碳量低于0.77%時(shí)，其含碳量愈高，鋼的強(qiáng)度和硬度也愈高，而塑性和韌性則愈低。當(dāng)超過(guò)1.0%以后，鋼的硬度仍將升高，但鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性都將顯著下降，脆性也增大。含碳量對(duì)鋼的加工工藝性能也有較大的影響。碳素鋼錳對(duì)碳素鋼性能的影響錳是煉鋼時(shí)作為脫氧除硫的元素，它以錳鐵合金形式加入鋼中。碳素鋼的含錳量一般為0.5%—0.8%，錳在鋼中為有益元素。碳素鋼硅對(duì)碳素鋼性能的影響硅在鋼中也是一種有益元素，可以降低鋼的含氧量，可使鋼質(zhì)致密。硅在碳鋼中含量一般小于0.5%，它能溶于鐵素體，使鐵素體強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。碳素鋼硫?qū)μ妓劁撔阅艿挠绊懥蚴请S生鐵、廢鋼和燃料進(jìn)入鋼中的有害元素。當(dāng)對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行軋制和鍛造熱加工時(shí)，由于鋼材的熱壓加工溫度均高于共晶硫化物溫度，而造成共晶硫化物在晶界熔化而引起鋼材的開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。普通鋼含硫量不得大于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)分別小于0.040%和0.030%。碳素鋼磷對(duì)碳素鋼性能的影響磷也是隨同礦石、生鐵和廢鋼進(jìn)入鋼中的有害雜質(zhì)。磷在鋼中全部溶入鐵素體中，可使鋼的強(qiáng)度、硬度有所提高，卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，尤其是低溫更為嚴(yán)重。這種在低溫時(shí)使鋼嚴(yán)重變脆的現(xiàn)象，稱為“冷脆”。碳素鋼碳素鋼的分類普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼鑄鋼碳素鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼價(jià)格便宜，用于要求不高的場(chǎng)合。一般不經(jīng)過(guò)熱處理，直接使用。牌號(hào)：

Q+屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)+脫氧方法碳素鋼例:Q215—A·FQ—表示鋼材的屈服點(diǎn)(Q為“屈”字漢語(yǔ)拼音的字頭)；215—表示鋼材的屈服強(qiáng)度σs≥215MPa；A—表示鋼材的品質(zhì)為A等級(jí)(A、B、C、D等級(jí)硫和磷有害雜質(zhì)含量依次降低)；F—冶煉的脫氧方法，即沸騰鋼(F為沸騰鋼代號(hào)，Z為鎮(zhèn)靜鋼代號(hào)，B為半鎮(zhèn)靜鋼代號(hào)，TZ為特殊鎮(zhèn)靜鋼代號(hào)，在牌號(hào)表示時(shí)“Z”與“TZ”代號(hào)可以省略不寫)。碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能均比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼好，主要用于制造重要的機(jī)械零件。一般多經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化后使用。牌號(hào)：

鋼平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)（鋼中含有較高含量的錳時(shí)，在這兩位數(shù)字后面標(biāo)上符號(hào)Mn）碳素鋼例:15鋼表示含碳量大約為0.15%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。40Mn鋼表示鋼中的平均含碳量為0.40%，且錳含量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素鋼碳素工具鋼含碳量較高，硬度比較高，耐磨性好，塑性較低，主要用于制造各種低速切削刀具、量具和模具。牌號(hào)：

T+鋼平均含碳量的千分?jǐn)?shù)（末尾加A表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼）碳素鋼例:T8表示平均含碳量約為0.8%的碳素工具鋼。T10A表示鋼中平均含碳量為1%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素鋼鑄鋼主要用于形狀復(fù)雜的零件，很難通過(guò)鍛壓等方法加工成形，用鑄鐵又難以滿足性能需要的場(chǎng)合。牌號(hào)：

ZG+屈服強(qiáng)度+抗拉強(qiáng)度（工程用鑄鋼）ZG+平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)（鑄造用鑄鋼）碳素鋼例:ZG230—450表示屈服強(qiáng)度(σs)為230MPa、抗拉強(qiáng)度(σb)為450MPa的工程用鑄鋼。ZG45表示平均含碳量為0.45%的鑄造用鑄鋼。鋼的熱處理熱處理是對(duì)固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)方式加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的加工方法。熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。鋼的熱處理加熱保溫冷卻鋼的熱處理熱處理整體熱處理退火正火淬火回火表面熱處理表面淬火化學(xué)熱處理鋼的熱處理1.退火過(guò)程：將鋼加熱至A3、A1以上某一溫度范圍，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）目的：消除殘余應(yīng)力降低硬度，提高塑性細(xì)化晶粒，改善組織鋼的熱處理2.正火過(guò)程：將鋼加熱至A3或Acm以上某一溫度范圍，保溫一定時(shí)間，然后在空氣中冷卻目的：比退火硬度稍高比退火綜合力學(xué)性能好成本低鋼的熱處理3.淬火過(guò)程：將鋼加熱至A3或A1以上某一溫度范圍，保溫一定時(shí)間，然后急劇冷卻（如水冷、油冷、鹽堿冷卻等）目的：獲得馬氏體，提高硬度強(qiáng)化工件鋼的熱處理4.回火過(guò)程：把已經(jīng)淬火的工件重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后再以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度淬火后高溫回火的復(fù)合熱處理方式稱為調(diào)質(zhì)。目的：減低脆性，減小內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定組織，穩(wěn)定形狀和尺寸鋼的熱處理5.表面淬火過(guò)程：快速加熱，使表層奧氏體化，在內(nèi)部組織尚未發(fā)生改變時(shí)，立即淬火冷卻。表面淬火根據(jù)加熱方式不同分為火焰淬火、感應(yīng)淬火、激光淬火等。目的：表層高硬度、高耐磨性心部塑性和韌性較好鋼的熱處理6.表面化學(xué)熱處理過(guò)程：置于化學(xué)介質(zhì)中，通過(guò)加熱和保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素滲入工件表層，改變表層化學(xué)成分和組織。常見(jiàn)的表面化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮等。目的：改變表層化學(xué)成分和組織心部組織不變合金鋼碳鋼的基礎(chǔ)上有目的地加入一種或幾種合金元素所形成的鐵基合金。合金鋼性能較碳鋼好，提高了淬透性和綜合力學(xué)性能。合金鋼的沖壓、切削性能一般比較差，價(jià)格較貴。合金鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)：

平均碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)（兩位數(shù)字）+元素符號(hào)+元素含量百分?jǐn)?shù)（小于1.5%不標(biāo)）合金鋼例:40Cr表示平均含碳量0.4%，平均含鉻量小于1.5%。60Si2Mn表示平均含碳量為0.60%，平均含硅量為2%，平均含錳量小于1.5%。合金鋼在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最廣的是合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼——低合金結(jié)構(gòu)鋼比相同含碳量的碳素結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度(特別是屈服點(diǎn))要高得多，并且具有良好的塑性、韌性和焊接性，在大氣和海水中的耐蝕性也比碳素鋼好。低合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、船舶、車輛和大型鋼結(jié)構(gòu)等。合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼——合金滲碳鋼用來(lái)制造既要有優(yōu)良的耐磨性、耐疲勞性，又要承受沖擊載荷的作用而有足夠高的韌性和足夠高強(qiáng)度的零件。合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼——合金調(diào)質(zhì)鋼用來(lái)制造一些受力復(fù)雜的重要零件，它們既要求有很高的強(qiáng)度，又要有良好的塑性和韌性。調(diào)質(zhì)后零件有良好的綜合性能。若零件表面有耐磨性要求，調(diào)質(zhì)后再進(jìn)行表面淬火或化學(xué)熱處理。合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼——合金彈簧鋼材料具有高的彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及足夠的塑性和韌性。合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼——滾動(dòng)軸承鋼牌號(hào)：G+元素符號(hào)+元素含量百分?jǐn)?shù)（如含鉻，則Cr+含鉻量的千分?jǐn)?shù)），如GCr15SiMn。用來(lái)制造各種滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和套圈的，也用來(lái)制造各種工具和耐磨零件。合金鋼合金工具鋼牌號(hào)：

wc%＜1%時(shí)，平均碳量的千分?jǐn)?shù)+元素符號(hào)+元素含量百分?jǐn)?shù)wc%≥1%時(shí)，元素符號(hào)+元素含量百分?jǐn)?shù)合金鋼例:9SiCr表示平均含碳量0.9%，平均含硅量小于1.5%，平均含鉻量小于1.5%。W18Cr4V表示平均含碳量大于1%，平均含鎢量為18%，平均含鉻量為4%，平均含釩量小于1.5%。合金鋼用來(lái)制造切削刃具、量具和模具，淬透性、耐磨性、熱硬性和熱處理變形比合金結(jié)構(gòu)鋼好。合金刀具鋼合金模具鋼合金量具鋼合金鋼合金工具鋼——合金刀具鋼合金刀具鋼分為低合金刀具鋼和高速鋼。低合金刀具鋼常用于制造低速或手動(dòng)工具或刀具。高速鋼也稱白鋼或鋒鋼，具有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。合金鋼合金工具鋼——合金模具鋼主要用于制造各種金屬成型用的工、模具,可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。冷作模具鋼主要用于使金屬冷態(tài)下變形的模具。熱作模具鋼主要用于使金屬在高溫下成型的模具。合金鋼合金工具鋼——合金量具鋼材料具有高硬度、高耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性及足夠的韌性合金鋼特殊性能鋼具有特殊物理、化學(xué)性能,用來(lái)制造有特殊性能要求的零件。不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼合金鋼特殊性能鋼——不銹鋼在腐蝕介質(zhì)中具有高的抗腐蝕能力，常用的有鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩類。鉻不銹鋼含鉻量越高，耐蝕性越好，含碳量高，強(qiáng)度和硬度高。鉻鎳不銹鋼具有良好的耐蝕性、塑性、焊接性和低溫韌性及高溫強(qiáng)度。合金鋼特殊性能鋼——耐熱鋼在高溫下不發(fā)生氧化并有較高強(qiáng)度?？煞譃榭寡趸摵蜔釓?qiáng)鋼兩類?？寡趸撚休^好的鑄造性，用來(lái)制造鑄件。熱強(qiáng)鋼主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門，航空、船舶、載重汽車的內(nèi)燃機(jī)排氣閥。合金鋼特殊性能鋼——耐磨鋼具有較高耐磨性能，目前多采用高錳鋼來(lái)制造高耐磨零件。高錳鋼機(jī)械加工性能差，但有良好的鑄造性能。合金鋼練習(xí)：判斷下列牌號(hào)是屬于合金結(jié)構(gòu)鋼還是合金工具鋼，并解釋牌號(hào)的含義。09MnNb8MnSiGCr15SiMn20CrNi3Cr1216Mn40Cr鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。鑄鐵力學(xué)性能較低。鑄鐵的鑄造性、減摩性、切削加工性、消振性、缺口敏感性優(yōu)良。鑄鐵鑄鐵白口鑄鐵灰口鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵合金鑄鐵鑄鐵鑄鐵——白口鑄鐵硬度高、脆性大，極難切削加工。一般不用于制造機(jī)械零件，主要用作煉鋼原料。鑄鐵鑄鐵——灰口鑄鐵軟而脆，具有良好的鑄造性、耐磨性、減振性和切削加工性。生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，使用最廣。牌號(hào)：

HT+最小抗拉強(qiáng)度值鑄鐵例:HT200表示抗拉強(qiáng)度為200MPa的灰鑄鐵。鑄鐵鑄鐵——可鍛鑄鐵具有較高的力學(xué)性能，塑性和韌性比灰口鑄鐵好?？慑戣T鐵并不可鍛造。牌號(hào)：

KT+H/Z+最小抗拉強(qiáng)度+最小延伸率鑄鐵例:KTH350—10表示抗拉強(qiáng)度不低于350MPa，延伸率不小于10%的黑心可鍛鑄鐵。鑄鐵鑄鐵——球墨鑄鐵具有良好的力學(xué)性能。牌號(hào)：

QT+最小抗拉強(qiáng)度+最小延伸率鑄鐵例:QT400—18表示最小抗拉強(qiáng)度為400MPa，最小延伸率為18%的球墨鑄鐵。鑄鐵鑄鐵——合金鑄鐵合金鑄鐵耐熱高強(qiáng)度耐磨鑄鐵鑄鐵——合金鑄鐵耐熱鑄鐵：在鑄鐵中加入Al、Si、Cr等合金元素，可以在鑄件表面形成致密的保護(hù)性氧化膜，使鑄鐵在高溫下具有抗氧化的能力。鑄鐵鑄鐵——合金鑄鐵耐磨鑄鐵：當(dāng)灰口鑄鐵的含磷量提高到0.4%—0.6%，再加入Cr、W、Cu、Ti等合金元素構(gòu)成合金高磷鑄鐵。它的強(qiáng)度、韌性和耐磨性都較高。鑄鐵鑄鐵——合金鑄鐵高強(qiáng)度鑄鐵：在球墨鑄鐵中加入少量銅(Cu)鉬(Mo)等合金元素，使鑄鐵的強(qiáng)度較高。有色金屬1.鋁及鋁合金純鋁塑性好、強(qiáng)度與硬度低，一般不適合作結(jié)構(gòu)材料使用。密度低、無(wú)磁性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)良，抗大氣腐蝕能力強(qiáng)，主要用來(lái)制作電線、電纜及電氣元件。純鋁的導(dǎo)電導(dǎo)熱性隨其純度降低而變差。有色金屬1.鋁及鋁合金鋁合金強(qiáng)度與硬度比純鋁高?？梢酝ㄟ^(guò)變形或熱處理等方法進(jìn)一步強(qiáng)化。有色金屬變形鋁合金含合金元素少。塑性優(yōu)良。有色金屬鑄造鋁合金熔點(diǎn)比變形鋁合金低，鑄造流動(dòng)性好。強(qiáng)度低，塑性和韌性差。有色金屬2.銅及銅合金純銅呈紫紅色，俗稱紫銅。強(qiáng)度硬度不高，塑性好。導(dǎo)電導(dǎo)熱優(yōu)良?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，耐蝕性強(qiáng)。有色金屬2.銅及銅合金黃銅鋅為主要合金元素。具有美觀的黃色。有色金屬2.銅及銅合金白銅鎳為主要合金元素。力學(xué)性能、物理性能較其他銅合金金都要好。價(jià)格比較昂貴。有色金屬2.銅及銅合金青銅錫為主要合金元素?，F(xiàn)在泛指除黃銅和白銅以外的銅合金。有色金屬3.軸承合金按主要化學(xué)成分分為錫基、鉛基、鋁基和銅基。錫基和鉛基軸承合金稱為巴氏合金。非金屬材料非金屬材料是指除金屬材料以外的一切材料的總稱。它包括工程塑料、橡膠、陶瓷及復(fù)合材料等。非金屬材料工程塑料用以代替金屬材料作為工程構(gòu)件的塑料,稱為工程塑料。優(yōu)點(diǎn)：密度小、耐蝕性能好、電絕緣性能好、減振、耐磨、隔音性能好、生產(chǎn)效率高、成本低、較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、耐熱性差、導(dǎo)熱性也很差、易老化、易燃燒。非金屬材料橡膠具有高的彈性,在較小的外力作用下能產(chǎn)生很大的變形。具有優(yōu)良的伸縮性、良好的吸振能力和積儲(chǔ)能量的能力。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗缶哂幸欢ǖ哪臀g性。具有良好耐磨性、電絕緣性、隔音性和一定的強(qiáng)度。橡膠的耐高溫、透氣性、耐臭氧性、耐