1、1 材料、能源、信息和生物工材料、能源、信息和生物工程已成为当代技术的四大支柱，程已成为当代技术的四大支柱，而材料又是能源与信息发展的物而材料又是能源与信息发展的物质基础。质基础。本章主要介绍常用工程材料本章主要介绍常用工程材料的一些基本知识。的一些基本知识。23 3.1.1金属材料金属材料掌握金属材料的力学性能。理解铁碳合金相图的特点和特性线的含义。3.1.1金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料（1 1）强度：）强度：指金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。试样的拉伸试样的拉伸3.1.1金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线3.1.1
2、金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料（2 2）硬度：）硬度：指金属材料表面抵抗外部压力的能力，分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏硬度测试原理布氏硬度测试原理3.1.1金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料洛氏硬度测试原理洛氏硬度测试原理3.1.1金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料维氏硬度测试原理维氏硬度测试原理3.1.1金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料（3 3）塑性：）塑性：指在外载荷作用下，金属材料断裂前产生永久性变形的能力。（4 4）冲击韧性：）冲击韧性：指金属材料抵抗动载荷冲击的能力。3.1.1金属材料才力学性能3 3.1.1金属材
3、料金属材料摆锤冲击测试原理摆锤冲击测试原理1摆锤2指针3试样4支座3.1.1金属材料的力学性能3 3.1.1金属材料金属材料（5 5）疲劳强度：）疲劳强度：（又称为疲劳极限）指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不被破坏的最大应力。3.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料晶体与晶体中原子的排列晶体与晶体中原子的排列3.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料（1 1）结晶的概念）结晶的概念结晶结晶 绝大多数金属制件都是经过熔化、冶炼和浇注而获得的，这种由液态转变为固态的过程，称为凝固。如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。3.1.2金属与合金的结构3 3.1
4、.1金属材料金属材料（2 2）结晶过程）结晶过程晶核晶核 液态金属的结晶是在一定低温下，从液体中首先形成一些微小而稳定的小晶体，这种小晶体称为晶核。3.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料液态金属结晶过程示意图液态金属结晶过程示意图153.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料（1 1）合金的基本概念）合金的基本概念1）合金）合金 是指由一种金属元素与一种或几种其他元素结合而形成的具有金属特性的新物质。163.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料3）相）相 合金中具有相同的化学成分、相同的晶体结构、相同的物理和化学性能，并与该系统的其他部分以界面分
5、开的组成部分称为相。2）组元）组元 组成合金所必需的并能独立存在的物质称为组元。173.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料（2 2）合金的相结构）合金的相结构1）固溶体）固溶体 一种组元均匀地溶解在另一组元中而形成的晶体相，称为固溶体。2）金属化合物）金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。183.1.2金属与合金的结构3 3.1.1金属材料金属材料置换固溶体与间隙固溶体示意图置换固溶体与间隙固溶体示意图193.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料203.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料铁素体铁素体奥氏体奥氏体3.1.
6、3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料渗碳体的晶格示意图渗碳体的晶格示意图3.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料珠光体的显微组织珠光体的显微组织3.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料3.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料铁碳合金相图的特性点铁碳合金相图的特性点铁碳合金相图的特性线铁碳合金相图的特性线铁碳合金相图的特性相区铁碳合金相图的特性相区3.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料铁碳合金相图中几个特性点的含义铁碳合金相图中几个特性点的含义3.1.3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料铁碳合金相图中几条特性线的含义铁碳合金相图中几条特性线的含义3.1.
7、3铁碳合金3 3.1.1金属材料金属材料铁碳合金相图中几个特性相区的含义铁碳合金相图中几个特性相区的含义3 3.2 2碳碳 钢钢理解碳钢的分类。掌握常用碳钢的牌号、性能和用途。3 3.2 2碳碳 钢钢3.2.1碳钢的分类低碳钢低碳钢（wC0.25%）中碳钢中碳钢（0.25%wC0.6%）高碳钢高碳钢（wC0.6%）普通碳钢普通碳钢（wS0.045，wP0.045)优质碳钢优质碳钢（wS0.035，wP0.035)高级优质碳钢高级优质碳钢（wS0.030，wP0.030)碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢3 3.2 2碳碳 钢钢3.2.2常用碳钢的牌号、性能和用途12碳素结构钢碳素结构钢碳
8、素工具钢碳素工具钢3 3.2 2碳碳 钢钢常用碳素结构钢的牌号、化学成分和用途常用碳素结构钢的牌号、化学成分和用途3 3.2 2碳碳 钢钢常用碳素结构钢的牌号、化学成分和用途常用碳素结构钢的牌号、化学成分和用途3 3.3 3合金钢合金钢了解低合金高强度结构钢。了解合金弹簧钢。了解滚动轴承刚。了解合金工具钢。3.3.1低合金高强度结构钢3 3.3 3合金钢合金钢3.3.1低合金高强度结构钢3 3.3 3合金钢合金钢常用低合金高强度结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途常用低合金高强度结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途3.3.2合金弹簧钢3 3.3 3合金钢合金钢3.3.2合金弹簧钢3 3.3
9、 3合金钢合金钢常用低合金弹簧钢的牌号、化学成分、力学性能和用途常用低合金弹簧钢的牌号、化学成分、力学性能和用途3.3.3滚动轴承钢3 3.3 3合金钢合金钢3.3.3滚动轴承钢3 3.3 3合金钢合金钢常用滚动轴承刚的牌号、化学成分、力学性能和用途常用滚动轴承刚的牌号、化学成分、力学性能和用途（2 2）模具钢）模具钢（3 3）量具钢）量具钢（1 1）刃具钢）刃具钢3.3.4合金工具钢3 3.3 3合金钢合金钢3 3.4 4铸铸 铁铁了解灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁的牌号和用途。3 3.4 4铸铸 铁铁3.3.4合金工具钢铸铁中石墨的形态铸铁中石墨的形态3 3.4 4铸铸 铁铁3.4.
10、1灰铸铁 灰铸铁的牌号用“HT”加一组数字表示，数字表示最低抗拉强度。常用的灰铸铁牌号为HT150和HT200。灰铸铁中碳的质量分数为2.74.0，碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称为灰铁；熔点低（1 1451 250），凝固量小，抗压强度和硬度接近碳钢，减振性好；用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。3 3.4 4铸铸 铁铁3.4.1灰铸铁（1）消除内应力退火（2）消除白口组织退火（3）表面淬火3 3.4 4铸铸 铁铁3.4.2球墨铸铁 球墨铸铁的牌号用“QT”加两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和断后伸长率。球墨铸铁将灰铸铁铁水经过球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称为球
11、铁。与灰铸铁相比，球墨铸铁中碳的质量分数较高，一般为过共晶成分，有利于石墨球化，且具有较高的强度、较好的塑性和韧度，用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。3 3.4 4铸铸 铁铁3.4.2球墨铸铁3 3.4 4铸铸 铁铁3.4.3蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的牌号用“RuT”加一组数字表示，数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁将灰铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。其力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件，如钢锭模、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。3 3.4 4铸铸 铁铁3.4.4可锻铸铁 可锻铸
12、铁的牌号用“KT”加两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和断后伸长率。可锻铸铁由白口铸铁经过退火处理后获得，石墨呈团絮状分布。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧度，常用于制造形状复杂且能承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金了解铝及铝金属。了解铜及铜金属。了解轴承合金。3.5.1铝及铝合金3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金 纯铝具有银白色金属光泽，密度为2.7 g/cm3，熔点为660，具有面心立方晶格结构，无同素异构转变，具有良好的导电性和导热性，电导率仅次于银、铜、金，具有良好的耐大气腐
13、蚀能力，但不耐酸、碱、盐的腐蚀。纯铝的强度较低（仅为80100 MPa），但塑性极高，易进行冷热变形及切削加工。其比强度比一般的高强度钢高得多。3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金 纯铝的力学性能不高，不宜用作承受较大载荷的结构零件。为了提高纯铝的力学性能，有效地方法是在纯铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，以制成铝合金。像钢一样，铝合金可借助热处理进行强化，但与钢的热处理不同，固态铝无同素异构转变，只能通过热处理提高其力学性能，并且这些铝合金仍具有纯铝原有的密度小、耐蚀性好、导热性好的特点。3.5.1铝及铝合金3.5.2铜及铜合金3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金
14、纯铜又称为紫铜，其密度为8.96 g/cm3，熔点为1 083，具有面心立方晶格结构，无同素异构转变，无磁性，具有良好的导电性、导热性及耐大气腐蚀性，是重要的导电材料，广泛用作电工导体、防磁器械及传热体（如锅炉、制氧机中的冷凝器、散热器、热交换器等）。纯铜的强度低，塑性好，具有良好的压力加工性能和焊接性能，易采用冷、热加工成形。3.5.2铜及铜合金3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金 按合金成分不同，铜合金可分为黄铜、白铜和青铜。黄铜是纯铜和锌的合金，主要用于制造转向节衬套、轴套等耐磨件，也可用于制造散热器、冷凝器。铝青铜主要用于制造强度及耐磨性要求较高的摩擦零件，如齿轮、蜗轮、轴套
15、等。铍青铜主要用于制造精密仪器、仪表中各种重要用途的弹性元件，耐蚀、耐磨件，如仪表中齿轮，航海罗盘仪中零件及防爆工具等。3.5.3轴承合金3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金 Click to add Text Click to add Text轴承合金的性能轴承合金的性能12 在工作温度下具有足够的强度、硬度，特别是抗压强度、疲劳强度和冲击韧性，承受轴的压力和在交变载荷下不产生疲劳损坏。具有较小的摩擦系数，减摩性好，储油性好，以减少轴的磨损。3.5.3轴承合金3 3.5 5有色金属及其合金有色金属及其合金 Add your text in here Click to add Tex
16、t Click to add Text34 具有较高的磨合性能和抗咬合能力，具有足够的塑性及韧度，可使负荷均匀分布，并能承受冲击和振动。具有良好的耐蚀性、导热性和较小的膨胀系数，可保证轴承不因温度升高而软化或熔化。3 3.6 6非金属材料非金属材料了解塑料、橡胶、陶瓷的特性。3 3.6 6非金属材料非金属材料3.6.1塑料 塑料是指以合成树脂高分子化塑料是指以合成树脂高分子化合物（有时用单体直接在加工过程合物（有时用单体直接在加工过程中聚合）作为主要成分，加入某些中聚合）作为主要成分，加入某些添加剂后且在一定温度、压力下塑添加剂后且在一定温度、压力下塑制成形的材料或制品的总称。它具制成形的材料
17、或制品的总称。它具有质量轻、摩擦系数小、耐磨、吸有质量轻、摩擦系数小、耐磨、吸振、耐腐蚀、绝缘、可以着色、易振、耐腐蚀、绝缘、可以着色、易加工成形等优点，因此，被广泛应加工成形等优点，因此，被广泛应用。用。3 3.6 6非金属材料非金属材料3.6.2橡胶 橡胶是高聚物中具有高弱性的橡胶是高聚物中具有高弱性的一种高分子材料，其所处的高弱态一种高分子材料，其所处的高弱态温度范围很宽，在较小外力作下能温度范围很宽，在较小外力作下能产生很大的变形，取消外力后又能产生很大的变形，取消外力后又能很快恢复原状。橡胶常用于制造高很快恢复原状。橡胶常用于制造高弹性、密封、减振、防振零件。弹性、密封、减振、防振零
18、件。3 3.6 6非金属材料非金属材料3.6.2橡胶 橡胶的性能特点（1 1）高弹性高弹性（2 2）耐磨性耐磨性（3 3）老化老化3 3.6 6非金属材料非金属材料3.6.3陶瓷 陶瓷是无机物非金属材料中的一种，一般可分为：普通陶瓷和特种陶瓷。广义上的陶瓷应包括：陶器、瓷器、玻璃、搪瓷、耐火材料等。陶瓷性能的优点是：硬度极高，抗压强度高，耐磨性、耐腐蚀性好，耐高温和抗氧化能力强等；缺点是质脆易碎，延展性差，抗急冷急热性能差等。3 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择熟悉零件材料的选择。3 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择3.7.1零件材料选择的一般原则123使用性能使用性能工艺性能工艺
19、性能经济性能经济性能3 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择3.7.1零件材料选择的一般原则对外形、材料和加工方对外形、材料和加工方法进行综合考虑。法进行综合考虑。决定产品每个构件决定产品每个构件所要求的性能，对所要求的性能，对各种候选材料在性各种候选材料在性能上进行比较。能上进行比较。对产品功能要求，对产品功能要求，包括互相矛盾，包括互相矛盾，确定相对优先次确定相对优先次序要求。序要求。零件选材的零件选材的 基本步聚基本步聚（1）（3）（2）3 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择3.7.2典型零件的选材及工艺路线C620 型车床主轴的结构简图型车床主轴的结构简图3 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择3.7.2典型零件的选材及工艺路线663 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择3.7.2典型零件的选材及工艺路线汽车后桥圆锥主动齿轮汽车后桥圆锥主动齿轮3 3.7 7零件材料的选择零件材料的选择3.7.2典型零件的选材及工艺路线
