第2章 工程材料的性能 Characters of Engineering Materials 适用班级：110109班 主讲教师：李 明 二〇一三年三月

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能等； 2.1 工程材料的力学性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能等； 工艺性能是指材料对各种加工工艺适应的能力 液态成形性（铸造性能） 塑性成形性（锻造性能） 连接成形性（焊接性能） 切削加工性能 热处理工艺性能……

在机械制造领域选用材料时，大多以力学性能为主要依据。 根据载荷作用性质不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等三种。 2.1 工程材料的力学性能 在机械制造领域选用材料时，大多以力学性能为主要依据。 根据载荷作用性质不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等三种。 常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 图2-1 部分金属部件和建筑钢结构实例

𝜎 𝑠 = 𝐹 𝑠 𝑆 材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。 2.1.1 强度 材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。 屈服点或屈服强度（σs） 在外力作用下，材料产生屈服现象的极限应力值即为σs。 式中，σs是屈服强度（MPa）；Fs是产生塑性变形时的力（N）；S为试样截面积（mm2）。 屈服强度表示材料由弹性变形阶段过渡到弹-塑性变形的临界应力，是材料对明显塑性变形的抗力。 𝜎 𝑠 = 𝐹 𝑠 𝑆

𝜎 𝑏 = 𝐹 𝑏 𝑆 (2) 抗拉强度（σb） 材料在受力过程中，所能承受的最大载荷Fb处对应的应力值即为抗拉强度。 2.1.1 强度 (2) 抗拉强度（σb） 材料在受力过程中，所能承受的最大载荷Fb处对应的应力值即为抗拉强度。 式中，σb是抗拉强度（Mpa）；Fb是产生断裂时的力（N）；S为试样截面积（mm2）。 所有强度指标均可作为设计与选材的依据，为了应用的需要，还有一些从强度指标派生出来的指标： 1）比强度 2）屈强比 𝜎 𝑏 = 𝐹 𝑏 𝑆

塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前的塑性变形的能力。 2.1.2 塑性 塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前的塑性变形的能力。 伸长率δ 试样拉断后，伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率。 断面收缩率ψ 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。 式中，l0是试样的原始标距（mm）；l1是试样拉断后标距（mm）；S0是试样原始横截面积（mm2）；S1是试样断裂处的横截面积（mm2）。 δ= 𝑙 1 − 𝑙 0 𝑙 0 ×100% ψ= 𝑆 1 − 𝑆 0 𝑆 0 ×100%

2.1.3 硬度 硬度是指材料的软硬程度，亦即抵抗硬物压入或划伤的能力。 　　硬度是指材料的软硬程度，亦即抵抗硬物压入或划伤的能力。 常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)，洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)等，均属压入法，即用一定的压力将压头压入材料表层，然后根据压力的大小、压痕面积或深度确定其硬度值的大小。 　　布氏硬度试验是用一定直径的钢球或硬质合金球。以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力。测量试样表面的压痕直径，如图2-2所示。 1. 布氏硬度(HBW) HBW= 0.204𝐹 𝜋𝐷 𝐷− 𝐷 2 − 𝑑 2 式中，HBW为布氏硬度；F为试验力（N）；D为压头直径（mm）；d为卸载后试样表面压痕直径（mm）。 7

洛氏硬度常用符号HRC表示，是将金刚石锥体压入试样表面，可以在试验仪器上直接读出。 2.1.3 硬度 2. 洛氏硬度(HR) 洛氏硬度常用符号HRC表示，是将金刚石锥体压入试样表面，可以在试验仪器上直接读出。 洛氏硬度的优点是操作迅速简便，压痕较小，几乎不损伤工件表面，故而应用最广；但因压痕较小而代表性、重复性较差，数据分散度也较大。

2.1.4 韧性 韧性就是材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性好的材料在使用过程中不至于产生突然的脆性断裂，从而保证零件的安全性。 　　韧性就是材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性好的材料在使用过程中不至于产生突然的脆性断裂，从而保证零件的安全性。 图2-3 冲击试验示意图 1-摆锤 2-试样 测定试样在冲击载荷的作用下折断时所吸收的功AK(J)，即以冲击吸收功AK除以试样缺口横截面积S0(cm2)所得的商(ak＝AK／S0，J/cm2)来表征材料的韧性。 9

疲劳强度是指材料在无数次循环应力作用下仍不断裂的最大应力，用以表现材料抵抗疲劳断裂的能力。 2.1.5 疲劳强度 疲劳强度是指材料在无数次循环应力作用下仍不断裂的最大应力，用以表现材料抵抗疲劳断裂的能力。 疲劳强度与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线，如图2-4所示。 图2-4 疲劳曲线 由图2-4可以看出，应力越小，则材料断裂前所能承受的循环次数越多，当应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力作用下，材料经无数次应力循环而不断裂。

2.1.6 蠕变 耐热钢应该具有高的热强性（高温强度），亦即指钢在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。高温零件长时间承受载荷时，强度将大大下降；与室温力学性能相比，高温力学性能还要受温度和时间的影响。 常用的高温力学性能指标有： （1）蠕变极限 材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力； （2）持久强度 材料在高温长期载荷下对断裂的抗力。

2.2 工程材料的分类及用途 （1）金属材料 （2）无机非金属材料 是最重要的工程材料，包括金属和合金。可分为两大部分：钢铁材料是指铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；非铁材料是指钢铁材料以外的所有金属及其合金，常用的有铝合金、铜合金、镁合金和锌合金等。 （2）无机非金属材料 常用造型无机非金属材料包括玻璃、陶瓷和木材等。 12

2.2 工程材料的分类及用途 （3）有机高分子材料 （4）复合材料 为有机合成材料，也称聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐蚀性、很好的绝缘性和重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。有机高分子材料种类很多，工程上通常根据力学性能和使用状态将其分为：塑料、橡胶及合成纤维。 （4）复合材料 就是用两种或两种以上不同材料组合成的新材料，其性能是其组成的各单质材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。 13

2.2.1 金属材料 1.晶体与非晶体 固体金属可以分为两类：晶体和非晶体。 原子在三维空间中有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，否则为非晶体。 由于晶体与非晶体内部结构不同，其性能也有区别。 晶体具有固定的熔点（如铁为1538℃），且在不同方向上具有不同的性能，即各向异性。 而非晶体没有固定的熔点，是在一个温度范围内熔化或软化，因其在各个方向上的原子聚集密度大致相同，故而表现出各向同性。 晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。 14

2.晶体结构—（1）晶体学基本概念 晶格 晶体中原子排列的方式称为晶体的结构，简称晶格。组成晶体的物质质点不同，排列的规则或周期性不同，就可以形成各种各样的晶体结构。原子模型如图2-5所示。 晶胞 从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何组成单元称为晶胞，如图2-5c所示。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体。 晶格常数 晶胞的棱边长度（图2-5c中的a、b、c）称为晶格常数。晶格常数的单位为埃（1Å＝10-10m），金属的晶格常数大多为1～7Å。 15

a)体心立方结构 b)面心立方结构 c)密排立方结构 2.晶体结构 （2）典型金属的晶体结构 工业上使用的金属元素中，绝大多数的晶体结构比较简单，其中最典型最常见的有三种类型，即体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，如图2-6所示。 a)体心立方结构 b)面心立方结构 c)密排立方结构 图2-6 最常见的三种晶格 16

1）体心立方结构 原子分布在立方晶胞的八个角上和立方体的体心，象Cr、α-Fe、Mo、W、V等30多种金属具有体心立方结构。 ①晶胞原子数 晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目。由于晶格是由大量晶胞堆垛而成，所以晶胞每个角上的原子在空间同时属于8个相邻的晶胞，这样只有1/8个原子属于这个晶胞，而晶胞中心的原子完全属于这个晶胞。体心立方晶格中的原子数为2（即8×1/8＋1＝2）。 ②致密度 晶胞中原子的体积百分数称为晶格的致密度。体心立方晶格的致密度为68％。 17

原子分布在立方晶胞的八个角上和六个面的中心，γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等约20种金属具有这种晶体结构。 b)面心立方结构 c)密排立方结构 2）面心立方晶格 原子分布在立方晶胞的八个角上和六个面的中心，γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等约20种金属具有这种晶体结构。 晶格的致密度为74％，即面心立方晶格的致密度比体心立方晶格高。 3）密排六方晶格 原子分布在六方晶胞的十二个角上以及上下底面中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里，Zn、Mg、Be、Cd等金属具有密排六方晶格。 对于典型的密排六方晶格金属，其致密度为74％。 18

(1) 结晶条件 将温度随时间变化的关系绘制成曲线，称为冷却曲线，如图2-7所示。 3.纯金属结晶 (1) 结晶条件 将温度随时间变化的关系绘制成曲线，称为冷却曲线，如图2-7所示。 金属的熔化和结晶应在同一温度下进行，这个温度称为平衡结晶温度(T0)，又称为理论结晶温度。 图2-7 纯金属结晶时的冷却曲线 金属在结晶之前温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度T0时并未开始结晶，而是需要冷却到T0温度之下某一温度T1时才能有效地进行结晶。 实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷，二者之差为过冷度，即△Ｔ＝T0－T1。过冷度越大，则实际结晶温度越低，冷却速度越快。

(2) 结晶过程 金属的结晶包括形核与长大两个过程，金属结晶过程如图2-8所示。 3.纯金属结晶 (2) 结晶过程 金属的结晶包括形核与长大两个过程，金属结晶过程如图2-8所示。 图2-8 纯金属结晶过程示意图 随着温度的降低，一些尺寸较大的原子集团开始变的稳定，从而成为结晶核心，即称为晶核。晶核按各自方向吸收液体中的金属原子而逐渐长大，与此同时，在液态中不断产生新的结晶核心，也逐渐长大。如此不断发展，直到相邻晶体相互接触，液体金属耗尽，结晶方才完毕。晶核长大为晶粒，这样就形成一块多晶体金属。

某些金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体结构，这种现象称为同素异构。 4.晶体的同素异构 某些金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体结构，这种现象称为同素异构。 铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，先后发生两次晶格转变，其转变过程如下： 体心立方 𝟏𝟑𝟗𝟒℃ 面心立方 𝟗𝟏𝟐℃ 体心立方

所谓合金，就是由两种或两种以上的金属元素、或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。 5.合金的晶体结构 所谓合金，就是由两种或两种以上的金属元素、或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。 合金的优良性能是由合金各组成相的结构及其形态所决定的。 根据合金元素之间相互作用的不同，合金中的相结构可分成两大类：一类是固溶体，另一类是金属化合物。

（1）固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。 固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变和晶格畸变。 按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 置换固溶体中溶质原子占据了溶剂晶格的一些结点，在这些结点上溶剂原子被溶质原子置换了。合金钢中的锰、铬、镍、硅、钼等各种元素都能与铁形成置换固溶体。 固溶体结构及其晶格畸变如图2-10所示。 a)置换固溶体 b)间隙固溶体 图2-10 固溶体结构及其晶格畸变

5.合金的晶体结构 （2）化合物 金属化合物是合金组元之间发生相互作用而形成的一种新相。象碳钢中的渗碳体（Fe3C）即属于金属化合物。 （3）机械混合物 大多数工业上使用的合金既不是由单纯的化合物组成，也不是由固溶体组成。因为化合物硬度高，但脆性大；固溶体强度较低。多数合金是用固溶体作基体和少量化合物所构成的混合物。通过调整固溶体的溶解度和分布于其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能发生很大变化，以便满足不同的性能需要。 合金钢中碳化物的类型不同，其稳定性不同，熔点、硬度也不同。例如，在工具钢中的VC，可提高其耐磨性；高速钢中的W2C、VC在高温下比较稳定并呈弥散分布，其在高温下能保持高硬度和切削性能；硬质合金中的碳化物（WC、TiC等）的高硬度保证了其优越的切削性能。 由于不同的金属和合金具有不同的晶体结构，也就是它们的微观结构不同，事实上在材料成分相同的情况下，不同的微观结构可导致材料具有不同的性能。

(1) 钢的分类及牌号 6.常用金属材料 1) 钢的分类。依据分类标准不同，钢的分类方法有多种。 如按化学成分，分为碳钢和合金钢， 其中碳钢按碳含量又可分为低碳钢（wc≤0.25%）、中碳钢（wc=0.25%～0.6%）、高碳钢（wc>0.6%）； 合金钢按合金元素含量也可分为低合金钢（w合金钢≤5%）、中合金钢（w合金钢=5%～10%）、高合金钢（w合金钢>10%）。 按钢的质量等级分，有普通钢、优质钢和高级优质钢。 按钢的主要用途分为结构钢（包括一般工程结构钢和机器零件结构钢）、工具钢（包括刀具、模具、量具）、特殊性能钢、专业用钢等。 根据国家标准GB/T13304-1991，我国钢的分类有两部分：第一部分按化学成分分类；第二部分按主要质量等级、主要性能及使用特性分类。图2-11为国标钢分类的关系。

图2-11 钢的分类关系

2) 钢的牌号 ①碳素结构钢和低合金高强度钢 6.常用金属材料 这两类钢的牌号反映钢的屈服强度、钢的质量等级和脱氧方法。 牌号由代表屈服点的汉语拼音字母“Q”(屈)、屈服点数值、质量等级、脱氧方法符号顺序排列组成。如：Q235-A·F表示屈服点不小于235MPa、质量等级为A级的碳素结构沸腾钢(F)。 碳素结构钢和低合金高强度钢在牌号上的最主要区别在屈服强度等级上，碳素结构钢的最高强度等级为275MPa，而低合金高强度钢的最低强度等级为295MPa。

2) 钢的牌号 ②优质碳素结构钢 ③合金结构钢 优质碳素结构钢的牌号反映钢的化学成分（碳的质量分数）。 牌号通常由两位数字组成，该数字表示钢中碳的平均质量分数的万分数。如45表示碳的质量分数平均为万分之四十五，即0.45％的优质碳素结构钢。 ③合金结构钢 合金结构钢的牌号反映钢的化学成分（碳的质量分数和合金元素质量分数）。 牌号组成形式为：数字（两位）＋元素符号＋数字＋元素符号＋数字＋…，最前面的两位数字表示钢中碳的质量分数的万分数。元素符号和其后的数字表明钢中所含合金元素种类及其质量分数：合金元素质量分数小于1.5％时，不标明含量；当合金元素质量分数为1.5％～2.5％时标2；合金元素质量分数为2.5％～3.5％时标3；依此类推。高级优质钢在牌号末尾加A，特级优质钢在牌号末尾加E。如40Cr表示碳的质量分数为万分之四十（即0.4％）、wCr＜1.5％的优质合金结构钢。

④其它结构钢 2) 钢的牌号 铸钢的牌号一种用强度表示，另一种用化学成分表示。 用强度表示的铸钢牌号由“ZG”（铸钢）和其后的两组数字组成，第一组数字为最低屈服强度值，第二组数字为最低抗拉强度值，如ZG200-400表示最低屈服强度为200MPa、最低抗拉强度为400MPa的铸钢。 用化学成分表示的铸钢牌号由“ZG”和其后的表示化学成分的符号组成（GB/T5613-1995）。易切削钢的牌号反映钢的切削加工性能和化学成分特点，牌号用“Y”（易）和碳的质量分数的万分数组成，含Pb、Ca或含Mn量较高时在末尾加相应的元素符号，如Y15Pb。

2) 钢的牌号 ⑤碳素工具钢 ⑥合合工具钢和高速工具钢 碳素工具钢的牌号反映钢材的用途和化学成分（碳的质量分数）。 牌号由代表碳素工具钢的汉语拼音字母“T”（碳）和其后的数字组成，该数字表示钢中碳的平均质量分数的千分数。如T10表示碳的平均质量分数为1.0％的优质碳素工具钢。 ⑥合合工具钢和高速工具钢 合金工具钢和高速工具钢的牌号反映钢的化学成分。 牌号组成形式与合金结构钢相似，但最前面的一位数字表示钢中碳的质量分数的千分数；当钢的wc≥1.0％时，不标明碳的质量分数。如9SiCr表示碳的质量分数为0.9％，Si、Cr的质量分数均小于1.5％的合金工具钢。

2) 钢的牌号 ⑦滚动轴承钢 滚动轴承钢的牌号反映其用途和化学成分。牌号由代表滚动轴承钢的汉语拼音字母“G“（滚）和其后表示碳的质量分数、合金元素种类及质量分数的数字和元素符号组成。在使用最为广泛的高碳铬轴承钢中，合金元素铬的质量分数用千分数表示，碳的质量分数通常为0.95％~1.15％，不予标注。如GCr15表示碳的质量分数为1.0％、铬的质量分数为1.5％的高碳铬轴承钢。

（2）结构钢 结构钢是各种工程构件和机器零件用钢。根据其化学成分、力学性能和冶金质量特点，结构钢可分为碳素结构钢、低合金高强度钢、优质碳素结构钢、合金结构钢等。 1）碳素结构钢 易于冶炼，价格便宜，性能能满足一般工程结构件的要求，大量用于制造各种金属结构和要求不高的机器零件，也是目前产量最大、使用最多的一类钢。碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和应用见表2-1。 碳素结构钢的质量等级分为A、B、C、D四级，A级、B级为普通质量钢，C级、D级为优质钢。这类钢的力学性能随钢材厚度或直径的增大而降低，如Q235在钢材厚度或直径≤16mm时，其屈服点σs为235MPa，伸长率δ为26％，当钢材厚度或直径＞150mm时，其σs下降到185MPa，δ下降到21％。

（2）结构钢 2) 低合金高强度钢 在碳素结构钢基础上加入少量合金元素形成的低合金高强度钢，其强度等级较高，加工工艺性能良好，可满足桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道等大型重要钢结构对性能的要求，并且能减轻结构自重、节约钢材。 低合金高强度钢中的合金元素主要有Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti，其中Mn、Si、Cr、Ni等元素主要起固溶强化作用，以提高基体固溶体相的强度；V、Ti、Nb等元素均为强碳化物形成元素，可形成细小弥散分布的碳化物，并可细化晶粒，从而通过弥散强化和细晶强韧化提高钢的强度、塑性和韧性。常见低合金高强度钢的牌号和用途举例见表2-2。

表2-2 常用低合金高强度结构钢的牌号与用途举例 牌号(GB/T1591-1994) 主要用途 Q295（A、B） 桥梁、车辆、锅炉、容器 Q345(A~E) 桥梁、车辆、压力容器、化工容器、船舶、建筑结构 Q390(A~E) 桥梁、船舶、压力容器、电站设备、起重设备、管道 Q420(A~E) 大型桥梁、高压容器、大型船舶 Q460(C、D、E) 大型重要桥梁、大型船舶 低合金高强度钢的供货状态通常为热轧状态或控制轧制状态，也可根据用户要求以正火或正火加回火状态供应；Q420、Q460的C级、D级、E级钢也可按淬火＋回火状态供应。用户在使用时通常均不进行热处理。同碳素结构钢相类似，低合金高强度钢的强度、塑性也与钢材的尺寸有关。

3)优质碳素结构钢 优质碳素结构钢主要用于制造各种重要的机器零件和弹簧。优质碳素结构钢的牌号、性能和用途见表2-3。 （2）结构钢 3)优质碳素结构钢 优质碳素结构钢主要用于制造各种重要的机器零件和弹簧。优质碳素结构钢的牌号、性能和用途见表2-3。 优质碳素结构钢的力学性能主要取决于碳的质量分数及热处理状态，从选材角度来看，碳的质量分数越低、其强度、硬度越低，塑性、韧性越高；碳的质量分数越高，其强度、硬度越高，塑性、韧性越低；锰的质量分数较高的钢，强度、硬度也较高。优质碳素结构钢用来制造比较重要的机械零件，因此它既保证化学成分、又保证力学性能，一般经热处理后使用。

（2）结构钢 4）合金结构钢 合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，加入一种或几种合金元素而形成的能满足更高性能要求的钢种。合金结构钢可以根据其热处理特点和主要用途分为合金渗碳钢、合金调质钢和合金弹簧钢。 ①合金渗碳钢 指经渗碳、淬火和低温回火后使用的结构钢。渗碳钢基本上都是低碳钢和低碳合金钢，主要用于制造高耐磨性、高疲劳强度和要求具有较高韧性的零件，如各种变速齿轮及凸轮轴等。低碳渗碳钢淬透性低，经渗碳、淬火和低温回火后虽可获得高的表面硬度，但心部强度低，只适用于制造受力不大的小型渗碳零件，而对性能要求高，尤其是对整体强度要求高或截面尺寸较大的零件则应选用合金渗碳钢。 渗碳钢可根据淬透性高低分为低淬透性、中淬透性和高淬透性渗碳钢。低淬透性渗碳钢在水中的临界淬透直径为20～35mm，中淬透性渗碳钢在油中的临界淬透直径为25～60mm，高淬透性渗碳钢在油中的临界淬透直径在100mm以上。常见渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途见表2-4。

②合金调质钢 （2）结构钢 合金调质钢适用于对强度要求高、截面尺寸大的重要零件。 合金调质钢为中碳合金钢，碳的质量分数通常在0.25％~0.50％之间，合金元素主要有Mn、Si、Cr、Ni、B、Ti、V、W、Mo等。合金元素提高钢的淬透性、产生固溶强化、形成高稳定性碳化物，起细晶强韧化作用，Mo、W还能防止产生高温回火脆性。 合金调质钢根据淬透性的高低分为低淬透性、中淬透性和高淬透性调质钢，它们在油中的临界淬透直径相应为20～40mm、40～60mm、60～100mm。常用调质钢的牌号、热处理、力学性能和用途见表2-5。

③合金弹簧钢 （2）结构钢 合金弹簧钢因主要用于制造弹簧而得名。弹簧钢应具有高的弹性极限、高的疲劳强度和足够的塑性与韧性。 弹簧钢一般为高碳钢和中碳合金钢、高碳合金钢。高碳弹簧钢（如65钢、70钢、85钢）的碳的质量分数通常较高，以保证高的强度、疲劳强度和弹性极限，但其淬透性较差，不适于制造大截面弹簧。合金弹簧钢碳的质量分数通常在0.45％~0.70％之间，碳的质量分数过高会导致塑性、韧性下降较多。合金弹簧钢含有Si、Mn、Cr、B、V、Mo、W等合金元素，由于有合金元素的强化作用，既可提高淬透性又可提高强度和弹性极限，可用于制造截面尺寸较大、对强度要求高的重要弹簧。常用的弹簧钢的牌号、性能特点和用途见表2-6。

（2）结构钢 ④滚动轴承钢 滚动轴承钢是指主要用于制造各类滚动轴承的内圈、外圈以及滚珠、滚柱、滚针等滚动体的专用钢，简称为轴承钢。滚动轴承钢应具有高的抗压强度和接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，同时应具有一定的韧性和耐腐蚀性。 高碳铬轴承钢约占滚动轴承钢总量的90％，其碳的质量分数为0.95～1.15％，可保证高强度、高硬度和高耐磨性。在高碳铬轴承钢中以GCrl5最为常用；GCr15也常用于制造量具和冷作模具，均在淬火后低温回火状态下使用。

5)铸钢 铸钢是指用铸造方法成形的结构钢。 按铸钢的化学成分可将铸钢区分为碳素铸钢（常为铸造碳钢）和合金铸钢。 （2）结构钢 5)铸钢 铸钢是指用铸造方法成形的结构钢。 按铸钢的化学成分可将铸钢区分为碳素铸钢（常为铸造碳钢）和合金铸钢。 碳素铸钢碳的质量分数通常在0.12％～0.62％之间，为提高铸钢的力学性能可在碳素铸钢的基础上加入Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V等合金元素形成合金铸钢。当要求特殊的物理、化学和力学性能时，可加入较多合金元素形成特殊铸钢，如耐蚀铸钢、耐热铸钢、耐磨铸钢（如ZGMn13）等。

5)铸钢 铸钢常用于制造结构件（如机座、箱体等），通常不进行热处理。用于制造机器零件的铸造碳钢（如ZG200-400等）和铸造合金钢（如ZG20SiMn、ZG40Cr等）一般应进行正火或退火处理，以改善组织、消除残余应力，重要零件进行调质处理，要求表面耐磨的零件可进行表面淬火、低温回火处理。 碳素铸钢按用途分为一般工程用碳素铸钢和焊接结构用碳素铸钢，前者在国家标准GB11352-1989中列有5个钢号；后者的焊接性良好，在国家标准GB7659-1987中列有3个钢号。表2-7列举了碳素铸钢的牌号、力学性能和用途举例。

1）刃具钢 刃具钢是制造各种切削工具的钢，如车刀、钻头、丝锥和锯条等。 （3）工具钢 用于制造各种工具的钢称为工具钢。工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。 1）刃具钢 刃具钢是制造各种切削工具的钢，如车刀、钻头、丝锥和锯条等。 刃具钢应具有高硬度、高耐磨性、热硬性，并具有一定的强度和韧性，因此刃具钢通常为高碳钢和高碳合金钢。 常用的刃具钢有碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。

①碳素工具钢 碳素工具钢中碳的质量分数为0.65％～1.35％，属高碳钢，经淬火、低温回火后使用。 1）刃具钢 ①碳素工具钢 碳素工具钢中碳的质量分数为0.65％～1.35％，属高碳钢，经淬火、低温回火后使用。 碳素工具钢的回火稳定性小，热硬性差，而且其淬透性低，淬火变形大。因此，碳素工具钢适宜制作尺寸小、形状简单的低速切削刃具，如丝锥、板牙、锉刀、钻头等。常用碳素工具钢的牌号、成分及用途见表2-8。

1）刃具钢 ②合金工具钢 合金工具钢中碳的质量分数一般为0.85％～1.50％，加入的合金元素常为Cr、Mn、Si、W、V等。主要用于制造截面尺寸较大、形状复杂、要求变形小的较低切削速度的刃具，以及冷作模具与精密模具。部分常用低合金工具钢的牌号、热处理工艺、性能及用途见表2-9。

1）刃具钢 ③高速钢 高速钢主要用来制造高速切削刃具，如车刀、铣刀、钻头等。经热处理后所获得的高硬度（63～66HRC）与高耐磨性，在600℃左右仍具有良好的热硬性。高速钢的淬透性很高，淬火加热后，在空气中冷却也能淬硬，故俗称“风钢”。

1）刃具钢 高速钢的强化热处理为淬火与回火，由于高速钢导热性差、塑性低，而淬火温度又很高，因此在淬火之前要进行预热。高速钢刃具淬火回火后，还可进一步施以表面处理，如蒸汽处理、液体氮碳共渗、离子渗氮、气相沉积等，以提高其表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性。 图2-13 刃具钢制造的部分刀具

用于制造各种模具的钢称为模具钢，如冷冲模、冷挤压模、热锻模等。模具钢根据其用途可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。 2）模具钢 用于制造各种模具的钢称为模具钢，如冷冲模、冷挤压模、热锻模等。模具钢根据其用途可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。 ①冷作模具钢 冷作模具钢是指主要用于制造冷冲模、冷挤压模、拉丝模等使被加工材料在冷态下进行塑性变形的模具用钢。冷作模具钢应具有高强度、高硬度和高耐磨性，一定的韧性和较高的淬透性，因此冷作模具钢通常为高碳钢和高碳合金钢。 常用的模具钢有碳素工具钢和合金工具钢。碳素工具钢用于制造要求不太高、尺寸较小的模具，合金工具钢中的9Mn2V、CrWMn主要用于制造要求较高、尺寸较大的模具。Crl2、Cr12MoV用于制造要求更高的大型模具。

2）模具钢 ②热作模具钢 用于制造热锻模、热挤压模等使被加工材料在热态下发生塑性变形的模具用钢。应具有较高的强度、良好的塑性和韧性、较高的热硬性和高的热疲劳抗力。 热作模具钢为中碳合金钢，可保证较高的强度、硬度，较好的塑性、韧性以及热疲劳抗力；Cr、Ni、Mn、Mo、W、V等合金元素可提高钢的淬透性、强度和回火稳定性，Mo可防止高温回火脆性，W、Mo、V还能产生二次硬化，提高钢的热硬性。 在淬火后中温或高温回火状态下使用，以获得良好的塑性、韧综合性能性。

2）模具钢 ③塑料模具钢 无论是热塑性塑料还是热固性塑料，成形过程都是在加热加压条件下完成的；但一般加热温度不高(150～250℃)，成形压力也不大(大多为40～200MPa），故与冷、热模具相比，塑料模具用钢的常规力学性能要求不高。然而塑料制品形状复杂、尺寸精密、表面光洁，成形加热过程中还可能产生某些腐蚀性气体。因此要求塑料模具钢具有优良的工艺性能（切削加工性、冷挤压成形性和表面抛光性等），较高的硬度（～45HRC）和耐磨、耐蚀性以及足够的强韧性。

常用塑料模具用钢包括工具钢、结构钢、不锈钢和耐热钢等。通常按模具制造方法分为：切削成形塑料模具用钢和冷挤压成形塑料模具用钢。 ③塑料模具钢 常用塑料模具用钢包括工具钢、结构钢、不锈钢和耐热钢等。通常按模具制造方法分为：切削成形塑料模具用钢和冷挤压成形塑料模具用钢。 a.切削成形塑料模具用钢 这类模具主要是通过切削加工成形，故对钢的切削加工性能有较高要求，它包括三小类： ①调质钢：其碳的质量分数在0.30%～0.60%之间，典型钢种有3Cr2Mo（美国牌号P20）； ②易切削预硬钢：典型牌号8Cr2MnWMoS（代号8Cr2S）、5CrNiMnMoVSCa（代号5NiSCa）； ③时效硬化型：典型牌号有马氏体时效钢（如18Ni）和低镍时效钢（如10Ni3MoCuAl，代号PMS）。

③塑料模具钢 b.冷挤压成形塑料模具钢 此类钢是低碳、超低碳或无碳，以保证高的冷挤压成形性；经渗碳淬火后提高表面硬度和耐磨性。典型牌号有工业纯铁、低碳钢或低碳合金钢以及专用钢0Cr4NiMoV（代号LJ）等，这类钢适合于制造形状复杂的塑料模。 由于塑料模具钢涉及面广，几乎包括了所有钢材：从纯铁到高碳钢，从普通钢到专用钢，甚至还可用非铁合金（如铜合金、铝合金、锌合金等）。实际生产中应根据塑料制品的种类、形状、尺寸大小与精度以及模具使用寿命和制造周期来选用。如塑料成形时若有腐蚀性气体放出，则多用不锈钢（3Cr13、4Cr13）制模，若用普通钢材则须进行表面镀铬。

量具钢是指用于制造各种测量工具的钢，如卡尺、千分尺等。量具钢应具有硬度、高耐磨性和高的尺寸稳定性。 3）量具钢 量具钢是指用于制造各种测量工具的钢，如卡尺、千分尺等。量具钢应具有硬度、高耐磨性和高的尺寸稳定性。 量具钢多为高碳钢和高碳合金钢。很多碳素工具钢和合金刃具都可作为量具钢使用。低碳钢（如20钢）经渗碳、淬火和低温回火，中碳钢（如50钢）经表面淬火和低温回火后也可用于要求不太高的量具。

（4）不锈钢 不锈钢通常是不锈钢（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质腐蚀的钢）和耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀的钢）的统称，全称不锈耐酸钢。广泛用于化工、石油、卫生、食品、建筑、航空、原子能等行业。 1）性能要求 ①优良的耐蚀性。 ②合适的力学性能。 ③良好的工艺性能。

2）成分特点 3）分类与常用牌号 （4）不锈钢 ①碳含量。不锈钢的碳含量范围很宽，wc=0.03%～0.95%。 ②合金元素。不锈钢是高合金钢，其合金元素的主要作用有提高钢基体的电极电位、在基体表面形成钝化膜及影响基体组织类型等，这些是不锈钢具有高耐蚀性的根本原因。 3）分类与常用牌号 不锈钢按其正火组织不同可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、双相型及沉淀硬化型等五类；其中以奥氏体型不锈钢应用最广泛，约占不锈钢总产量的70％左右。不锈钢的类型、牌号、成分、性能及应用举例见表2-11。

（5）铸铁 铸铁是碳的质量分数大于2.11％的铁碳合金。铸铁的抗拉强度、塑性和韧性不如钢，无法进行锻造，但它具有良好的铸造性、减摩性、减震性和切削加工性，且熔炼简便，成本低廉，在工业上应用较广。 图2-1 铸造产品

（5）铸铁 1）常见铸铁的类型 根据铸铁中碳的存在形态不同，分为灰铸铁和白口铸铁。根据灰铸铁中石墨存在的形态不同，又可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁等。 ①白口铸铁。白口铸铁中碳大多以渗碳体（Fe3C）的形式存在，断口呈银白色。其性硬而脆，很难进行切削加工，工业上很少用来直接加工零件，主要用于制造可锻铸铁。 ②灰铸铁。灰铸铁中碳以片状石墨存在。由于石墨存在尖角作用，造成其力学性能降低很多，塑性、韧性低，呈脆性。然而正因为石墨的存在，才使铸铁具有耐磨、减震、缺口敏感性低等优良性能。

1）常见铸铁的类型 ③球墨铸铁 ④可锻铸铁 ⑤蠕墨铸铁 球墨铸铁中石墨呈球状。球墨铸铁具有较高的强度，并具有一定的塑性和韧性。可用来制造受力复杂、力学性能要求高的零件，如曲轴、凸轮轴等。 球墨铸铁牌号的表示方法为：“QT”表示球墨铸铁，后面的第一组数字表示最低抗拉强度(MPa)，第二组数字表示最低伸长率(％)，如QT600-2，表示抗拉强度和伸长率分别不小于600MPa和2％的球墨铸铁。球墨铸铁的牌号和力学性能见表2-13。 ④可锻铸铁 可锻铸铁中石墨呈团絮状。由于石墨有较大程度改善，减弱了石墨对基体的割裂作用，使力学性能、尤其是塑性韧性显著提高。 ⑤蠕墨铸铁 碳全部或大部分以蠕虫状石墨方式存在的铸铁，性能介于球墨铸铁和灰铸铁之间。

（5）铸铁 2）铸铁的热处理 对铸铁可进行热处理，以改善其性能，如去应力退火、石墨化退火、正火、淬火和回火、等温淬火。其中石墨化退火是为了消除铸件表层和壁厚较薄的部位可能出现的白口组织，便于切削加工。

（6）铝及其合金 1）工业纯铝 2）铝合金 铝的密度约为2.7g／cm3。纯铝的熔点为660℃，具有良好的导电性能，具有良好的耐大气腐蚀性。 固态的铝强度、硬度很低(σb仅为80～100MPa)，塑性很好(δ为30％～40％)。 工业纯铝主要用于制造电缆和强度要求不高的日用器皿等。 2）铝合金 铝与Si、Cu、Mg、Mn、Zn等元素组成的合金，具有比纯铝较高的强度。铝合金由于其质量较轻，在航空工业中得到了广泛应用，还可用于制造承受较大载荷的结构件和机器零件。 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金经压力加工后，制成板、管等型材，用于制造螺旋桨、螺栓、螺钉等；铸造铝合金一般用于制造形状复杂、耐蚀的零件，如内燃机汽缸体、活塞等。常用铸造铝合金的牌号、代号、化学成分和力学性能见表2-14。

①铝硅系 ②铝镁系 ③铝铜系 ④铝锌系 （6）铝及其合金 只含铝和硅元素的简单铝硅合金，具有良好的铸造性能，但强度较低。可加入Cu、Mg等元素提高强度。 ②铝镁系 这类合金具有密度小、耐蚀性好、强度较高等优点，铸造性能较差。 ③铝铜系 这类合金具有较高的强度和塑性，在300℃以下使用时仍能保持较高的强度，但铸造性能和耐蚀性差。 ④铝锌系 这类合金具有良好的铸造性能和较高的强度。

（7）铜及其合金 1）工业纯铜 纯铜表面形成的氧化膜外观呈紫红色，故又称紫铜。纯铜的密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃，具有优良的导电性、导热性能，在大气、淡水和非氧化性酸中有良好的耐蚀性，但不耐海水、氧化性酸和各种盐类的腐蚀。 纯铜的塑性较好，具有良好的加工性能，易进行各种冷、热加工成形。纯铜的价格高，不适于制造工程结构件和机器零件，主要用于制造电线、热交换器和油管等。 工业纯铜按照其杂质含量不同，可分为T1(99.95％Cu)、T2(99.90％Cu)、T3(99.70％Cu)、T4(99.50％Cu)等四个牌号(T为铜的汉语拼音字头)。工业中广泛应用的是铜的合金。按照化学成分，常用的铜合金有黄铜和青铜两大类。

（7）铜及其合金 2）铜合金 ①黄铜 ②青铜 以锌为主要添加元素的铜合金，其加工性能好，主要用于制造弹簧、衬套及耐蚀零件等。 常用的黄铜有H80、H70等。“H”为“黄”的汉语拼音字首，数字表示平均含Cu量。常用于制作冷轧板材、管材、形状复杂的深冲零件、镀层、工艺美术装饰品等。黄铜不仅有良好的变形加工性能，而且有优良的铸造性能。由于结晶温度间隔很小，它的流动性很好，易形成集中缩孔，铸件组织致密，偏析倾向较小。 ②青铜 青铜是以锡为主要添加元素的铜合金，习惯上称锡青铜。青铜主要用于制造轴瓦、蜗轮、雕塑及要求耐磨、耐蚀的零件等。 锡青铜在铸造凝固时，由于结晶温度范围很宽，冷凝后体积收缩很小，充满铸模型腔的能力很强，能获得完全符合铸模内形的铸件，但其致密程度较差，故一般仅用于制造形状复杂、气密性差的铸件。

2.2.2 有机高分子材料 有机高分子化合物又称高聚物或聚合物。 1.有机高分子化合物的力学性能 2.有机高分子化合物的物理化学性能 有机高分子材料的性能主要包括高弹性、粘弹性（蠕变和应力松弛、滞后和内耗）、强度和韧性以及耐磨性等。 2.有机高分子化合物的物理化学性能 有机高分子化合物的物理化学性能主要包括：电学性能、热性能、化学稳定性等。 3.有机高分子化合物的老化及防止 有机高分子化合物在长期存放和使用过程中，由于受光、热、氧、机械力、化学介质和微生物等因素的长期作用，性能逐渐变差，如变硬、变脆、变色，直到失去使用价值的过程称为老化。老化的主要原因是在外界因素作用下，大分子链的结构发生交联或裂解。

2.2.3 无机非金属材料 1.陶瓷材料 2.玻璃 陶瓷材料一般由晶相、玻璃相和气相组成。其显微结构由原料、组成和制造工艺决定。 陶瓷材料的性能包括：力学性能、物理化学性能等。 陶瓷的熔点很高，大多在2000℃以上，因此具有很高的耐热性能。 陶瓷的线膨胀系数小，导热性和抗热震性都较差，受热冲击时容易破裂。 陶瓷的化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性。 陶瓷有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶瓷具有半导体性质。 许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能等。 2.玻璃 玻璃是熔融物冷却凝固所得到的非晶态无机材料。工业上大量生产的普通玻璃是以石英为主要成分的硅酸盐玻璃。在生产过程中若加入适量的硼、铝、铜、铬等金属氧化物，可制成各种性质不同的高级特种玻璃，如石英玻璃、微晶玻璃、光敏玻璃、耐热玻璃等。 玻璃具有坚硬、透明、气密性、装饰性、化学耐蚀性、耐热性及电学、光学等性能；能用吹、拉、压、铸、槽沉等多种成形和加工方法制成各种形状和大小的制品。 玻璃的主要性质主要包括：强度、硬度、光学性质、电学性质、热性质、化学稳定性等。

2.2.4 复合材料 1.复合材料的力学性能 （1）比强度和比模量大 复合材料的强度与密度之比(比强度)和模量与密度之比(比模量)均较大，如碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度高达1.03×105J/kg；比模量可达0.97×107J/kg，超过一般钢材和铝合金。 （2）抗疲劳性能好 多数金属的疲劳极限是抗拉强度的40％～50％，而碳纤维增强聚合物复合材料则可达70％～80％，这是由于在应力状态下裂纹扩展过程完全不同，纤维增强复合材料在应力状态下，裂纹扩展方向要改变，裂纹尖端的应力状态也发生变化，在一定程度上阻止了裂纹的扩展。此外，由于纤维对基体的分割作用，使裂纹扩展路程更为曲折，对疲劳强度的提高也有显著影响。 （3）耐磨和自润滑性能好 当选用合适的塑料与钢构成复合材料时，钢具有较高的强度，而塑料摩擦系数比较低，有的还对油有吸附作用和自润滑性能，这样形成的复合材料就具有塑料与钢的共同优点。如聚四氟乙烯或聚甲醛和多孔青铜层、钢板组成的三层复合材料，便具有聚四氟乙烯的自润滑性及钢、青铜的高强度和高耐磨性等性能，成为滑动轴承的良好材料。

2.2.4 复合材料 2.复合材料的应用 纤维增强复合材料是以树脂、金属等为基体，以无机纤维为增强材料。这种材料既有树脂的化学性能、电性能和密度小、易加工等特性，又有无机纤维的高模量、高强度的性能。常用的有玻璃纤维、碳纤维和硼纤维增强复合材料。 由陶瓷颗粒与金属结合的颗粒增强复合材料称为金属陶瓷。材料中的陶瓷为氧化物、碳化物、硼化物和氯化物，起强化作用，金属Ti、Cr、Ni、Co及其合金起粘结作用。陶瓷和金属的类型及相对量决定金属陶瓷的性能，以陶瓷为主的多为工具材料，金属含量较多的多为结构材料。目前应用较多的是氧化物基和碳化物基金属陶瓷。 材料以层状的金属与塑料相复合，具有金属的力学、物理性能和塑料的表面耐磨擦、磨损性能。如塑料-青铜-钢形成的复合材料，在钢与塑料之间以青铜网为媒介，使三者获得可靠的结合力。一旦塑料磨损，露出青铜亦不致严重磨伤轴颈，因为许多滑动轴承都是由耐磨性优良的青铜制成。应用较多的有以聚四氟乙烯为表面层的SF-1型和以聚甲醛为表面层的SF-2型两种。这种材料已用于制造各种机械、车辆等无润滑或少润滑的轴承。

复习思考题 2-1简述工程材料的分类及主要用途。 2-2什么是金属材料的力学性能?其衡量指标主要有哪些? 2-3对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？ 2-4在零件设计与选材时，如何合理选择材料的σs、σb性能指标？各举一例说明。 2-5实际生产中，为什么零件设计图或工艺卡上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？ 2-6常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？ 2-7如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小： ⑴金属型浇注与砂型浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用震动与不采用震动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 2-8为自行车的下列零件选择其合适材料：①链条；②座位弹簧；③大梁；④链条罩；⑤前轴。 2-9试分析选择模具材料时应考虑的主要因素。 2-10有形状和尺寸完全相同的灰铸铁和低碳钢棒料各一根，请用简便方法区分。 2-11机床的床身和箱体为什么宜采用灰铸铁铸造？能否用钢板焊接制造？ 2-12简述纯铜及各类铜合金的牌号表示方法、性能特点及应用。 67

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