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第三章常用工程材料马建敏常用金属工程材料常用金属工程材料碳钢合金钢铸铁有色金属碳钢的分类碳钢有以下三种分类方法1、按钢的含碳量可分为：低碳钢：含碳量0≤0.25%中碳钢：含碳量（0.25～0.6）%。高碳钢：含碳量0.6%。2、按钢的质量可分为(根据钢中有害杂质S、P的多少来分)：普通钢：S≤0.055%，P≤0.045%优质钢：S、P均≤0.04%高级优质钢：S、P均≤0.03%3、按用途可分为：碳素结构钢：用于制造工程结构(如桥梁、船舶、建筑、高压容器等)和机械零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等)，这类钢一般为低、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等)，这类钢一般为高碳钢。铸铁铸铁广泛应用于机械制造中。按重量计算，汽车、拖拉机中铸铁零件约占(50～70)%；机床中约占(60～90)%。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形状复杂或受压力及摩擦作用的零件，大多用铸铁制成。铸铁之所以应用广泛，除了因为它具有接近共晶的成分，熔点低，流动性好，易于铸造外，还因为它的C、Si含量较高，使碳大部分不以化合(Fe3C)而是呈游离的石墨状态存在，石墨有润滑作用和吸油能力，因而铸铁有良好的减摩性和切削加工性。根据碳在铸铁组织中存在形式不同，可分为以下几类：①白口铸铁②灰口铸铁③可锻铸铁④球墨铸铁⑤蠕墨铸铁合金钢由于碳钢成本低，通常作为制造各种构件的基本材料，但是碳钢有以下局限性：（1）碳钢的强度很难超过690MPa，除非塑性和韧性有明显的下降。（2）厚截面碳钢零件淬火时无法全部得到马氏体组织，即不能淬透。（3）碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。（4）高温强度低，红硬性差。合金钢克服了碳钢的上述缺点，在许多应用中，合金钢是能够满足工程要求的重要材料。合金钢成本高，压力、切削、焊接方面比碳钢差。I.常用合金结构钢合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。这类钢是碳素结构钢的基础上加入一些合金元素以提高其性能的钢。通常分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等几种。其用途最广，用量最大。常用合金结构钢分为以下5类:①低合金结构钢②合金渗碳钢③合金调质钢④合金弹簧钢⑤滚动轴承钢II.合金工具钢工具钢用于制造各种工具，如量具、刃具、模具等。合金工具钢分为:低合金工具钢、高合金工具钢、高速钢。其中高速钢[应用场合]：高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。[性能特点]：具有较高的热硬性，保证在500～600℃时硬度仍不降低，硬度可保持~60HRC。[常用高速钢]：是一种高碳高合金工具钢，wC=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，W、Mo、V是提高热硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，显著提高钢的硬度及耐磨性，Cr可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢，这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95%以上。[热处理]：W18Cr4V钢的最终热处理为高温淬火和多次回火。W18Cr4V钢的淬火温度高达1270～1280℃，淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体（20%～30%）。回火采用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体，使其转变成马氏体；三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物，产生二次硬化，提高热硬性。热处理后高速钢的硬度可达63~65HRC。高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物，这种碳化物硬而脆，若不消除这种碳化物的不均匀性，制成刀具后将出现早期损坏，使刀具易出现“崩刃”，故必须用反复锻打的方法将其击碎，使碳化物细化并均匀分布在基体上。W18Cr4V钢锻造后进行退火，以消除内应力，降低硬度改善切削加工性能，并为淬火做好组织准备。III.不锈钢不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称。应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等腐蚀性介质的腐蚀。不锈钢主要用来制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件，例如化工装置中的管道、阀门、泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。[化学成分]：不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，有些钢的wC甚至低于0.03%(如00Cr12)。不锈钢中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定值时，钢才有耐蚀性。因此，不锈钢一般wCr均在13%以上。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、N、Nb等元素。[不锈钢种类]：不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。IV.高温合金高温合金一般指以铁、钴或镍等为基体，可在高温下使用的合金。高温下使用的零件主要要求热稳定性和热强度二个指标。高温下金属材料抵抗氧化或气体腐蚀的能力称为热稳定性。抵抗塑性变形和断裂的能力称为热强度。[高温合金的分类方法]：按合金基体分为铁基、镍基、钴基、钼基、钽基、铌基等；按合金的高温性能、成型特点及用途分类：①[热强度变形高温合金]=〉热强度高，主要用于高温下承受大载荷及复杂应力条件下工作的零件。②[热稳定变形高温合金]=〉热稳定性很高，强度虽不高，但塑性很好。主要用于受力不大而工作温度很高的零件。③[热强铸造高温合金]=〉热强度很高，塑性低，焊接性能差。通常用于精密铸造的方法直接铸成零件。[高温合金的牌号]以汉语拼音字母的“高合”字头“GH”+序号数字表示。如GH36，表示36号高温合金；铸造高温合金用K+序号数字表示，如K17即17号铸造高温合金。有色金属有色金属重金属(密度＞3.5);Cu、Ni等轻金属(密度＜3.5);Al、Mg等贵重金属;Au、Ag、Pt等稀有金属;W、Ti、Ra、Nb等半金属;Si、Te、B等铝及其合金铝及铝合金其它金属材料相比，具有以下一些特点：1、密度小铝及铝合金的密度接近2.7g/cm3，约为铁或铜的1/3；2、高强度铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度，部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理；3、导电导热性好铝的导电导热性能仅次于银、铜和金；4、耐蚀性好铝的表面易自然生产一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金；5、易加工添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金钛及其合金[钛的十大性能]:密度小，比强度高；弹性模量低；导热系数小；抗拉强度与其屈服强度接近；无磁性、无毒；阻尼性能强；耐热性能好；耐低温性能好；吸气性能；耐腐蚀性能。[钛的三大功能]:记忆功能；超导功能；贮氢功能。①纯钛钛是银白色的高熔点轻金属，密度为4.51g.cm-3，熔点为1700℃，钛有两种同素异构体：温度低于882℃为-Ti，具有密排六方晶格;温度高于882℃为-Ti，具有体心立方晶格。纯钛的强度很高，退火状态下b=300～500MPa，与碳素结构钢相似，热处理后强度可达到b=1000～1400MPa与高强度结构钢相似，且高温下仍具有较高的强度。另外，它的塑性也极好，因此，适宜进行压力加工。镁合金镁合金在常用工程金属中密度最小，为1.8g/cm3，约为铝合金的2/3，钛合金的1/3，钢的1/4。镁合金比铝合金有较大承受冲击载荷的能力，可以用它制造受猛烈撞击的零件，飞机轮毂就是用镁合金铸造的。镁合金具有优良的切削加工和可抛光性，并易于铸造和热加工，但应注意防止其在高温下燃烧。镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。塑料与橡胶为有机高分子材料，与金属相比质量轻，具有金属材料不可比拟的特殊性能，使用极为广泛；陶瓷为无机非金属材料，具有高硬度、耐蚀的性能，除日用陶瓷外，工业上使用的特种陶瓷更具有其独特的性能，在机械加工、航空航天、化学工业等领域都有应用；复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料，具有较好的综合性能，其应用越来越受到广泛的重视，大家熟悉的玻璃钢、塑钢门窗、羽毛球拍等，都是用复合材料制造的。常用非金属工程材料塑料塑料的组成塑料的主要组成是合成树脂和添加剂。合成树酯是具有可塑性的高分子化合物的统称，它是塑料的基本组成物，它决定了塑料的基本性能，塑料中合成树酯含量一般为30%~100%。树酯在塑料中还起粘结剂的作用，许多塑料的名称是以树酯来命名的，如聚苯乙烯塑料的树酯就是聚苯乙烯；添加剂的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。塑料的分类按使用范围：通用塑料、工程塑料、特种塑料按受热性能：[热塑性塑料]：加热时能反复地塑化[热固性塑料]：加热到熔融温度以上时，形状不再发生变化塑料特性质轻、比强度高塑料的密度为0.9～2.2g／cm3，只有钢铁的1／8～1／4。泡沫塑料的密度约0．01g／cm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。化学稳定性好塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。优异的电绝缘性塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。减摩、耐磨性好塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。消声和吸振性好塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。成形加工性好塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。耐热性差多数塑料只能在100℃左右使用，少数品种可在200℃左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1／500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。橡胶橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。橡胶的分类①按其来源不同可分为天然橡胶与合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。②按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶的用量一般较大，主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等；特种橡胶主要用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。陶瓷材料陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。陶瓷是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。复合材料及其分类复合材料是将两种或多种性质不同的材料，通过物理和化学复合组成的多相材料。通常其中的一种作为基体起粘结作用，另一些作为增强材料，提高承载能力。复合材料不仅性能优于组分的任意一个单独的材料，而且还可具有单独组分不具备的独特性能，从而使复合材料具有优良的综合性能复合材料的分类①按增强材料的形状分类可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层叠复合材料等。②按基体不同分类可分为树酯基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料。③按用途分类可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料；功能复合材料是指除力学性能以外还具备其它物理、化学、生物等特殊性能的复合材料。复合材料的性能①比模量和比强度高复合材料的增强物一般都采用了高强度、低密度的材料。一般比模量约为钢的4倍，比强度约为钢的8倍。②抗疲劳性能好复合材料的基体中密布着大量的增强纤维等，而基体的塑性一般较好，而且增强纤维和基体的界面可阻止疲劳裂