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工程材料及热处理材料是一切事物的物质基础，一种新技术的实现，往往需要新材料的支持。为了正确、合理的选择和使用材料，充分发挥其作用，必须掌握工程材料的基本知识。本章中将重点介绍金属材料的性能、分类、应用以及材料的热处理工艺。1.1材料的性能1.1.1材料性能概述工程材料的性能可分为使用性能和工艺性能两个方面。1.使用性能在正常工作条件下，材料应具备的性能。包括力学性能（机械性能）、物理性能（比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）和化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性）等。2.工艺性能材料在加工制造中表现出的制造难易程度，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。在机械行业中选取材料时，一般将材料的力学性能作为主要依据。1.1.2材料的力学性能材料的力学性能是指金属材料在外力（载荷）作用下所表现出来的特性，主要包括：弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。1.强度材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。材料的强度可以由拉伸试验测定，图1-1所示为低碳钢拉伸应力σ—应变ε曲线。图1-1低碳钢拉伸应力σ—应变ε曲线工程中常用的强度指标有以下几个：（1）弹性极限σe：材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力。（2）屈服极限σs：材料开始发生明显塑性变形时的应力。大部分材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服强度σ0.2来表示，即产生0.2%残余伸长率时的应力。（3）抗拉强度σb：材料断裂前所能承受的最大应力，即材料的强度极限。2.塑性材料在外力作用下产生永久变形的能力称为塑性。主要指标是断后伸长率δ和断面收缩率ψ。δ和ψ越大，材料的塑性越好，工程上一般讲δ5%的材料称为塑性材料。（1）伸长率δ：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。（2）断面收缩率ψ：材料在拉伸断裂后，缩颈断口处横截面积与原横截面积的百分比。3.硬度材料在外力作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度，它是恒量材料软硬程度的性能指标。材料的硬度是用专门的硬度试验机测定，常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。（1）布氏硬度布氏硬度试验采用淬硬钢球或硬质合金钢球为压头，以规定的压力压入材料表面，经过规定的载荷保持时间后卸载，测量压痕直径。通过查压痕直径与布氏硬度对照表可得出布氏硬度。布氏硬度用HB表示，当压头采用淬硬钢球时，记为HBS；当压头采用硬质合金钢球时，记为HBW。布氏硬度测量数值稳定、准确，但操作慢，不适用批量生产和薄形件。主要用于铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质处理的钢等零件的硬度测量。（2）洛氏硬度洛氏硬度试验常采用顶角为120°的金刚石锥体或直径为1.59mm的淬硬钢球为压头。根据压头的种类和载荷的大小，洛氏硬度常用表示方法见表1-1。洛氏硬度测量操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件。主要用于淬火钢，调质钢等。表1-1洛氏硬度分类符号压头载荷适用范围HRC120°的金刚石锥体150N淬火钢等HRBФ1.59mm的淬硬钢球100N退火钢及有色金属HRA120°的金刚石锥体60N薄板或硬脆材料（3）维氏硬度维氏硬度试验常采用顶角为136°的金刚石正四棱锥体为压头，且所加压力较小。可测量从极软到极硬的各种金属材料，也可测量薄形件，还可测量渗碳、渗氮层的硬度。4.冲击韧度ak材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。国际标准规定，用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的夏氏冲击试样（10×10×55mm，带2mm深的V形缺口）进行一次性打击，摆锤冲断试样所做的功称为冲击吸收功，用Ak值表示，单位为J（焦耳）。试样断口处单位横截面积上所消耗的冲击功记为冲击韧度，用ak表示，单位为J/m2。材料的韧度通常随着加载速度的提高、温度的降低、应力程度的加剧而下降。冲击韧度对材料内部的缺陷很敏感，可用于鉴定材料的冶金质量、热处理质量等。1.2常用金属材料常用的金属材料包括：黑色金属，即铁和以铁为基体的合金，如钢、铸铁等，是现代工业应用最为广泛的金属材料；有色金属（又称非铁金属），如铜和铜合金、铝和铝合金等。1.2.1钢工业上将含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢。下面简单介绍几种常用钢的牌号、性能和用途。1.碳素钢碳素钢也称为碳钢，它除含铁、碳外，还含有少量的锰、硅、硫、磷、氧、氮和氢等元素。碳钢具有良好的力学性能和工艺性能，并且冶炼方便，价格便宜，所以应用十分广泛。碳素钢的分类方法有多种，按照钢的含碳量可以分为：低碳钢（含碳量小于等于0.25％）、中碳钢（含碳量在0.25％～0.6％之间）和高碳钢（含碳量大于等于0.6％）；按照钢的冶炼质量（即钢中杂质硫、磷的含量）可以分为普通碳素钢（S≤0.055％，P≤0.045％）、优质碳素钢（S≤0.04％，P≤0.04％）和高级优质碳素钢（S≤0.03％，P≤0.035％）；按照钢的用途可以分为碳素结构钢、碳素工具钢和特殊性能用钢。在实际使用中，钢厂在给钢的产品命名时，往往将成分、质量和用途这三种分类方法结合起来，如优质碳素结构钢、高级优质碳素工具钢等。（1）普通碳素结构钢含碳量在0.06%～0.38%之间，硫、磷的含量较高，—般在供应状态下使用，不需进行热处理。牌号用Q+数字表示，“Q”表示屈服点，数字表示屈服强度的数值，单位为MPa。若牌号后标注字母A、B、C、D，则表示钢材中硫、磷的质量分数不同，其中A级钢含硫、磷的质量分数最高，钢材质量最低。普通碳素结构钢价格便宜、产量较大，大量用于金属结构和机械零件，主要用于制造各种型钢、薄板、焊接件、螺钉、螺母、垫圈等一些力学性能要求不高的机器零件。典型牌号为Q235A。（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢中的杂质元素含量较少，表面质量、组织结构的均匀性较好。具有较好的综合力学性能，并可经过热处理进一步改善力学性能，常用于制造各种机器零件和工程构件，如齿轮、轴、连杆等。牌号用两位数字表示钢的平均碳的质量分数（含碳量）的万分数，如20钢表示含碳量为0.2%。典型牌号40钢、45钢。（3）优质碳素工具钢牌号为T+数字，数字表示钢的平均碳的质量分数的千分数，如T7表示含碳量0.7%。主要用于制造各种刀具、模具和量具。典型牌号T7、T8、T10等。2.合金钢为了提高钢的性能，在碳素钢的基础上加入各种合金元素所获得的钢种。（1）合金结构钢牌号用两位数字（平均碳的质量分数的万分数）+合金元素符号+数字（合金元素质量分数，小于1.5%不标；1.5%～2.5%标2；2.5%～3.5%标3，其余依次类推）表示。如40Cr，表示含碳量0.4%，含铬量1.5%。合金结构钢的力学性能高于碳素结构钢，包括低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢等。在制造机械零件、工具、模具以及特殊性能工件方面有广泛应用。（2）合金工具钢当平均碳含量≥1.0%时，不标出碳含量，牌号用元素符号+数字（合金元素质量分数）表示，如Cr12；当平均碳含量＜1.0%时，以碳质量分数的千分之几表示。如9Mn2V，表示碳的质量分数为0.9%，Mn含量为2%，钒含量1.5%。高速工具钢的钢号一般不标出碳含量，只标出各种合金元素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号表示为W18Cr4V，其碳的平均质量分数为0.7%～0.8%。（3）特殊性能钢具有特殊的物理性能和化学性能或作特殊用途的钢称为特殊性能钢。如不锈耐酸钢、耐热钢和耐磨钢等。牌号与合金工具钢的表示方法相同，例如不锈钢2Cr13，其平均碳含量为0.2%，Cr的平均质量分数为13%。当钢中含碳量≤0.01%时，牌号前加0；当钢中含碳量≤0.03%时，牌号前加00。例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni9等。（4）特殊专用钢为表示钢的用途，在钢的牌号前加以汉语拼音字母，而不标明含碳量。例如滚动轴承钢前面标注“G”，如GCr15SiMn。1.2.2铸铁铸铁是含碳量大于2.11%，并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁的抗拉强度较低，韧性和塑性差，不能锻造。但铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，且具有良好的铸造性能、切削加工型、减震性、减磨性，因此应用广泛。铸铁中的碳以渗碳体或游离态的石墨形式存在，按照碳的存在形式可分为如下几种。1.白口铸铁碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体形式存在，断口呈银白色，硬度高、脆性大、难切削，工业上很少直接用于制造机器零件，一般用作可锻铸铁的坯件。2.麻口铸铁碳既以化合状态的渗碳体形式存在，又以游离状态的石墨形式存在，断口夹杂着银白色的渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铸铁。3.灰铸铁碳大部分或全部以游离态的片状石墨存在于铸铁中，断口呈灰色。硬度较低，塑性和韧性较差，但铸造性能和切削性能较好。主要用于制造机床床身、齿轮箱、刀架等（如箱体等）。灰铸铁的牌号为HT+数字，数字表示最低抗拉强度（单位MPa）。典型牌号有HT200、HT300等。4.可锻铸铁石墨以团絮状存在于铸铁中，性能优于灰铸铁（但并不可锻），工艺复杂。主要用于制造具有一定承载能力的结构件。可锻铸铁得牌号为KT+字母+数字，字母表示类别，数字表示最低抗拉强度和最低伸长率。典型牌号有KTH350—10。5.球墨铸铁（球铁）石墨以球状存在于铸铁中，性能在铸铁中最好，综合力学性能接近钢，在冲击负荷不大时可代替钢（如柴油机曲轴）。主要用于制造受力比较复杂的零件，如曲轴、齿轮、连杆等。球墨铸铁的牌号为QT+数字，数字表示最低抗拉强度和最低伸长率。典型牌号有QT450—10。6.蠕墨铸铁石墨以蠕虫状存在于铸铁中，力学性能明显优于灰铸铁、劣于球铁，加工性能等优于球铁。常用于生产汽缸套、汽缸盖、液压阀等铸件。典型牌号有RuT300等。1.2.3有色金属及其合金1.铝及铝合金（1）纯铝纯铝为银白色轻金属，具有良好的导电性、导热性和抗大气腐蚀能力，较好的塑性和加工工艺性，但强度和硬度较低，不适宜制造承受载荷的结构零件。（2）变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可以通过压力加工制造各种型材。常用的有防锈铝合金（LF）、硬铝铝合金（LY）和锻铝铝合金（LD）。（3）铸造铝合金具有良好的铸造性能和抗蚀性，广泛应用于航空、仪表以及机械制造等工业部门。按照主加元素的不同，可以分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。铸造铝合金的牌号为ZL+三位数字表示，第一位数字表示合金类别，如1表示铝硅合金、2表示铝铜合金、3表示铝镁金、4表示铝锌合金，后两位数字表示铝合金的顺序号。如ZL102表示2号铝硅铸造铝合金。2.铜及铜合金（1）纯铜纯铜（又称紫铜），具有良好的导电性、导热性和抗大气腐蚀能力，较好的塑性，易于进行冷、热压力加工。常用于制造电线、电缆、电刷、铜管、铜棒和配制合金，不适宜制造受力较大的机器零件。（2）黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜，按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜(Cu—Zn)：铜和锌的合金，锌加入铜中提高了强度、硬度、塑性和耐蚀性，并改善了铸造性能和切削性能。牌号为H+数字，数字表示铜的平均含量百分数。常用于制造弹壳、热交换器等零件。特殊黄铜：是在普通黄铜的基础上加入少量Mn、Si、Pb、Sn、Al等元素，具有更好的力学性能和耐蚀性。特殊黄铜可分为压力加工用黄铜和铸造用黄铜两种。压力加工黄铜加入的合金元素较少，以保证其具有足够的变形能力。而铸造黄铜对塑性要求不高，为提高其强度和铸造性能，可加入较多的合金元素。特殊黄铜的牌号为H+主加元素符号+数字，数字依次为铜和主加元素的平均含量百分数。典型牌号：H96(加工黄铜)，HPb60—1(特殊黄铜)，ZH(铸造黄铜)。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。（3）青铜除了黄铜和白铜以外的其他铜合金统称为青铜。按主加元素的不同可以分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。青铜也可分为压力加工青铜和铸造青铜两类。压力加工青铜的牌号为Q+主加元素符号和含量+其他加入元素含量，例如QAl5表示平均Al含量为5％的铝青铜。铸造青铜的牌号用ZCu+主加元素符号和含量+其他加入元素符号和含量表示。例如ZCuSn3Zn8Pb6Ni1表示