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第3章机械工程材料3.1金属材料的性能使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。金属材料的性能工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能。使用性能1.物理性能化学性能力学性能铸造性焊接性2.工艺性能锻压性切削加工性热处理性第3章机械工程材料3.1金属材料的性能3.1.1金属材料的物理性能金属的物理性能是金属固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。3.1.2金属材料的化学性能金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧化、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。2.抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。第3章机械工程材料3.1金属材料的性能3.1.3金属材料的力学性能1.力学性能:金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能。2.载荷：金属材料在使用及加工中所受外力称为载荷。3.载荷分类：根据载荷作用性质的不同，可以分为静载荷、冲击载荷及疲劳载荷等三种。4.力学性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。①强度强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。常用的强度有：抗拉强度（σb）和屈服点（σs）。抗拉强度和屈服点可以通过拉伸试验测定。②塑性金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标：延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）。③硬度金属材料抵抗局部变形（特别是塑性变形）、压痕或划痕的能力称为硬度。第3章机械工程材料3.1金属材料的性能3.1.3金属材料的力学性能硬度是衡量金属材料软硬的一个重要指标。常用测量硬度的试验方法有压入硬度试验法。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。④韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。常用一次摆锤冲击弯曲试验测定金属材料的韧性。冲断试样时，在试样横截面的单位面积所消耗的功称为冲击韧性。常用αk表示，单位为J/cm2。多次小能量冲击的，其冲击抗力主要取决于材料的强度和韧性。⑤疲劳强度金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。一般情况下，钢铁材料用107次，对非铁金属用108次所能承受的最大应力表示疲劳强度，对称循环强度用σ-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性。因此要改善零件的结构形状。第3章机械工程材料3.1金属材料的性能3.1.3金属材料的力学性能表3.1常用金属材料的力学性能指标力学性能性能指标符号名称单位强度σb抗拉强度MPa（N/mm2）σs屈服点塑性δ断后伸长率%ψ断面收缩率硬度HB布氏硬度HR洛氏硬度HC维氏硬度韧性αk冲击韧性J/cm2疲劳强度σ-1对称循环强度MPa第3章机械工程材料3.1金属材料的性能3.1.4金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能:是指在各种加工条件下表现出来的适应能力。1.铸造性能金属及合金成型获得优良铸件的能力称为铸造性能。灰铸铁比铸钢的铸造性好。2.锻压性能金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻压性能。一般情况下，低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢较差。3.焊接性能金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性能。一般情况下，低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性较差。4.切削加工性能金属材料切削加工的难易程度称为切削加工性能。铸铁比钢切削加工性能好，碳钢比合金钢切削性能好。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.1碳素钢碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。1.碳素钢的分类（1）按钢的含碳质量分数分类低碳钢含碳质量分数Wc≤0.25%中碳钢含碳质量分数Wc=0.25~0.60%高碳钢含碳质量分数Wc≥0.6%（2）按钢的质量分类根据钢中含有害元素磷、硫质量分数划分。普通碳素钢Ws≤0.035%，Wp≤0.035%优质钢Ws≤0.030%，Wp≤0.030%高级优质钢Ws≤0.020%，Wp≤0.025%第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.1碳素钢碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。1.碳素钢的分类（3）按用途分类碳素结构钢：用于制造各种机械零件和工程结构件。这类钢一般属于低碳、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具和模具。这类钢一般属于高碳钢。（4）按脱氧方法分类沸腾钢：不完全脱氧。镇静钢：完全脱氧。半镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间。在实际使用中，钢厂在给钢的产品命名时，往往将成分、质量和用途三种分类方法结合起来，如将钢称为优质碳素结构钢、高级优质碳素工具钢等。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.1碳素钢2.碳素钢（1）碳素结构钢根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。①普通碳素结构钢牌号：普通碳素结构钢的牌号由“Q”（表示屈服点的汉语拼音字首）、一组数据（表示屈服强度，单位MPa）、质量等级符号（质量分A、B、C、D四个等级）和脱氧方法符号（F—沸腾钢、b—半镇静钢、Z—镇静钢、TZ—特殊镇静钢，通常Z、TZ可省略）四个部分按顺序组成。例如Q235—A·F表示脱氧方法为沸腾钢、质量等级为A级、屈服强度为235MPa的普通碳素结构钢。用途：碳素结构钢Q195、Q215、Q235塑性好、焊接性好、强度较低，主要用于工程结构和制造受力不大的机器零件；Q255、Q275的强度较高，可用于制作受力中等的普通零件。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.1碳素钢2.碳素钢（1）碳素结构钢②优质碳素结构钢牌号：优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字代表钢的平均含碳质量分数的万之一。例如45表示平均含碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。按照钢中锰的含量不同，可分为普通含锰量钢（WMn≤0.80%）和较高含锰量钢（WMn=0.7%～1.2%）两种，如果是后一种钢，则在两位数字后面加上Mn，如45Mn表示平均含碳量分数为0.45%的较高锰优质碳素结构钢。用途：优质碳素结构钢既保证力学性能又保证化学成分，而且钢中的有害杂质硫、磷质量分数较低，质量较高，故广泛用于制造较重要的零件。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.1碳素钢3.碳素工具钢由于碳素结构钢要求高硬度和高耐磨性，故工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，都是优质钢和高级优质钢。牌号：以汉语拼音字母“T”后面加阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳质量分数的千分之几。例如T8表示含碳质量分数为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母A，如T12A表示平均含碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。用途：主要用于制造刃具、模具、量具以及其他工具第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢合金钢：为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。1.合金钢的分类（1）按用途分合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具。特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。（2）按所含合金元素总含量分低合金钢合金元素总含量＜5%中合金钢合金元素总含量5～10%高合金钢合金元素总含量＞10%第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢2.合金结构钢合金结构钢按用途可分为：低合金结构钢和机械制造用钢两大类。（1）合金结构钢牌号表示方法：合金结构钢的牌号采用两位数字（表示平均含碳质量分数万分之几）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，凡合金元素含量＜1.5%时不标出；如果平均含量为1.5～2.5%时，则标为2；如果平均含量为2.5～3.5%时标为3；以此类推）。（2）低合金结构钢低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶、车辆等领域。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢（3）机械制造用钢①合金渗碳钢：指用于制造渗碳零件的钢。合金渗碳钢的含碳质量分数WC=0.10～0.25%，加入合金元素主要有铬（WCr＜2%）、镍（WNi＜4%）、锰（WMn＜2%）等，经过渗碳后，再进行淬火+低温回火，从而达到表面高硬度、高耐磨性和心部高强度并有足够韧性。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。②合金调质钢合金调质钢：一般指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的合金结构钢，合金调质钢的基本性能是具有良好的综合力学性能。合金调质钢的含碳质量分数一般在0.25~0.50%之间，主加合金元素有铬、镍、锰、硅等，以增加淬透性，同时还能起固溶强化作用。用途：用于制造重载作用下同时承受冲击载荷作用的一些重要零件。一般的热处理方法是淬火后高温回火，如果除要求材料具有良好的综合力学性能外还要求表面层有良好的耐磨性，对调质处理零件还要进行表面淬火及低温回火处理。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢（3）机械制造用钢③合金弹簧钢定义：合金弹簧钢是用于制造各种弹簧的专用合金结构钢。基本性能：是具有高的弹簧极限、高疲劳强度，足够的塑性和韧性，良好的表面质量。合金弹簧钢的含碳质量分数一般在0.5%~0.7%之间。用途：合金弹簧钢主要适用于各种机构和仪表、弹性元件。热处理方法：淬火后进行中温回火处理。④滚动轴承钢定义：滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚动体和内外套圈的专用钢。基本性能：是具有高的接触疲劳强度、高硬度和高耐磨性，高的弹性极限和一定的冲击韧性，并有一定的抗蚀性。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢（3）机械制造用钢④滚动轴承钢用途：常用于制造刃具、冷冲模具、量具以及性能要求与滚动轴承相似的零件。热处理方法：球化退火、淬火和低温回火。牌号：为表示钢的用途在钢号前冠以汉语拼音，而不标出含碳质量分数，铬的含量用千分之几表示，其余元素含量仍与其他合金结构钢表示方法相同。如GCr15表示为含铬质量分数为1.5%的滚动轴承钢。GCr15SiMn表示含铬质量分数为1.5%，含硅、锰质量分数均小于1.5%的滚动轴承钢。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢3.合金工具钢定义：合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善性能，再加入适量的合金元素的钢。基本性能：比碳素工具钢具有更高硬度、耐磨性、更好的淬透性、红硬性和回火稳定性等。用途：可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。分类：合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。（1）合金工具钢的牌号一位数字（表示平均含碳质量分数的千分数）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，表示方法与合金结构钢相同）。如9SiCr表示其中平均含碳质量分数为0.9%，Si、Cr的质量分数都小于1.5%的合金工具钢第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢3.合金工具钢(2)刃具钢①低合金刃具钢定义：低合金刃具钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素（一般为3%～5%）形成的钢。基本性能：硬度、耐磨性、强度和淬透性都比碳素工具钢好。用途：主要适宜于制造形状复杂、尺寸较大、切削用量较大的刀具，如车刀、刨刀、钻头、铰刀等。常用热处理的方法：球化退火、淬火加低温回火。②高速钢定义：高速钢是一种红硬性、耐磨性较高的高合金工具钢。基本性能：红硬性高达6000C，有高的强度、硬度、耐磨性和淬透性。第3章机械工程材料3.2常用金属材料3.2.2合金钢3.合金工具钢(2)刃具钢②高速钢用途：主要适宜于制造切削速度较高的刃具（如车刀、钻头等）和形状复杂、负载较重的成形刀具（如铣刀、拉刀等）。此外高速钢还可用于制造冷冲模、冷挤压模以及某些耐磨零件。常用的高速钢有钨系高速钢，如W18Cr4V；钼系高速钢，如W6Mo5Cr4V2等。(3)模具钢定义：主要用来制造各种模