1、蔡冀中蔡冀中任达公司物料质量部任达公司物料质量部l一、材料和材料科学一、材料和材料科学l二、工程材料的分类二、工程材料的分类l三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展l四、材料的性能四、材料的性能l五、钣金金属材料五、钣金金属材料l六、非金属材料六、非金属材料l七、材料的检验与确认七、材料的检验与确认l八、学习工程材料的意义八、学习工程材料的意义(案例案例)培训说明培训说明l计划、物控、采购、生产人员培训第一计划、物控、采购、生产人员培训第一、二、三、五、六、七章为重点内容。、二、三、五、六、七章为重点内容。l工程、质量人员培训全部章节。工程、质量人员培训全部章节。l一、材料和材料科学
2、一、材料和材料科学l1、材料、材料材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器铁器铁器 象形尊象形尊(西周西周)l石器时代石器时代l青铜器时代青铜器时代l铁器时代铁器时代由于材料的重要性，由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。的标志。材料的发展与人类社会简图材料的
3、发展与人类社会简图龙芯龙芯联想计算机联想计算机l没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。的计算机技术。没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。空工业和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。称作
4、现代文明的三大支柱之一。l前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，年里，在十多所大学中陆续建立了材料在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约科学研究中心，并把约2/3大学的冶金大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。材料科学与工程系。其涉及的材料由金其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，可见，高技术需要先进材料的
5、支持。高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。过重大贡献。l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，年的新石器时代，中华民族的先人就能中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。瓷器，并流传海外。4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水
6、平。司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发 春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图l黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址l春秋晚期春秋晚期l矿井深达矿井深达50m50ml炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040
7、万吨万吨l实属罕见实属罕见 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在家宋应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由型钢铁基地。钢产量由49年的年的15.8万吨上升到现在的
8、万吨上升到现在的一亿吨。一亿吨。中国第一颗人中国第一颗人造卫星造卫星长征火箭大家族长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢原子弹、氢弹的爆炸，弹的爆炸，卫星、飞船卫星、飞船的上天等都的上天等都说明了我国说明了我国在材料的开在材料的开发、研究及发、研究及应用等方面应用等方面有了飞跃的有了飞跃的发展。发展。“神舟二号神舟二号”飞船运往飞船运往发射工位发射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船“神舟神舟”一号一号发射成功发射成功“神舟神舟”二号发射成二号发射成功功“神舟神舟”三号三号发射成功发射成功“神舟神舟”四号四号发射成功发射成功“神舟神舟
9、”三号飞船三号飞船“神舟神舟”四号飞船四号飞船 杨利伟杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱l18631863年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪1932年发明了电子年发明了电子显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（深
10、层次（10-7m）透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下l1934年位错理论的提年位错理论的提出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论计算强度与实验测得计算强度与实验测得的实际强度之间存在的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义。金属钛中的位错金属钛中的位错材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图l主要研究内容：主要研究内容：l 研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系；l 研究材料的形成
11、机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法；l 研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术；l 分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理；l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案l材料科学是以材料为材料科学是以材料为研究对象的一门科学。研究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间研究材料的研究材料的成分成分-组织组织-性能性能之间关系的一门学科之间关系的一门学科基本理基本理 论论 材料科材料科 学学 金属学金属学 高分子高分子 学学 陶瓷陶瓷 学学 l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件
12、并主要要求力学性能的结构材料。要要求力学性能的结构材料。l按组成与结合键分：按组成与结合键分：l 1、金属材料、金属材料l 2、高分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、复合材料、复合材料复合材料复合材料材料应用材料应用金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料 近代工业技术的发展，同样与材料紧密相连，近代工业技术的发展，同样与材料紧密相连，“能源、信息、材料能源、信息、材料”已成为现代技术的三已成为现代技术的三大支柱，而前二者的发展均离不开材料。大支柱，而前二者的发展均离不开材料。金属材料金属材料 黑色金属黑色金属有色金属有色金属 铸铁铸铁 碳钢碳钢 合金钢合金钢 铝
13、合金铝合金 铜合金铜合金 其它有色金属其它有色金属 非金属材料非金属材料 高分子材料高分子材料 陶瓷材料陶瓷材料 复合材料复合材料塑料塑料 橡胶橡胶 合成纤维合成纤维工工程程材材料料l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 l用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为铁及铁合金称为黑色金属黑色金属，即钢铁材料，其世界，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整
14、个用材的个用材的60%以上。以上。带材带材异形材异形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料l以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷三类三类 传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石如黏土、石英、长石等英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷，常用作工
15、程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机l以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等 分子键分子键共价键共价键高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。中被广泛应用。烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金属基复合材料金属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合材料高分子
16、复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料l现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高等优
17、点。高等优点。航空发动机航空发动机三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对
18、产品的要求越来越高。l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。l要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。排加工工艺路线的能力。铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘四、机械工程材料的性质和任务四、机械工程材料的性质和任务l性质：性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课l任务：任务：了解工程材料的一般知识；了解工程材料的一般知
19、识；建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：间的关系：化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的组成材料各元素在材料中的浓度。浓度。组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。所观察到的金属内部的情景。l习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织称低倍组织或或宏观组织宏观组织。l放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组织显微组织。l在电子显微镜下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几
20、十万倍的组织称精细组织精细组织或或电镜组织电镜组织。l使用性能：使用性能：材料在使用过程中所材料在使用过程中所表现的性能。包括表现的性能。包括力学性能、物力学性能、物理性能和化学性能理性能和化学性能。神舟一号飞船n工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表材料在加工过程中所表现的性能。现的性能。包括铸造、锻压、焊接、包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。热处理和切削性能等。(一一)金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.1.力学性能力学性能: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：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：载荷分类：根据载荷作用性质的不同
21、，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：力学性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。力学性能力学性能性能指标性能指标符号符号名称名称单位单位强强 度度b抗拉强度抗拉强度MPa（N/mm2）s屈服点屈服点塑塑 性性断后伸长率断后伸长率%断面收缩率断面收缩率硬硬 度度HB布氏硬度布氏硬度HR洛氏硬度洛氏硬度HC维氏硬度维氏硬度韧韧 性性k冲击韧性冲击韧性J/cm2疲劳强度疲劳强度-1对称循环强度对称循环强度MPal材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称称为变形。为变形。五万吨水压机五万吨水压机n外力去处后能够恢复的变形称为外力
22、去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。n外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材材料承受最大弹性变形时的应力。料承受最大弹性变形时的应力。）（MPatgE e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金
23、化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。高零件的刚度。n刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变材料受力时抵抗弹性变形的能力形的能力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E。n强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力变形和破坏的能力。s0.2n屈服强度屈服强度 s s：材料发生微量塑材料发生微量塑性变形时的应力值。性变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：残余变形量残余变形量为为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承材料断裂前所
24、承受的最大应力值。受的最大应力值。伸长率：伸长率：%100001 lll%100010 FFF 断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象l是指材料抵抗冲击载荷作用而是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力不破坏的能力。l指标为冲击韧性值指标为冲击韧性值a ak k(通过冲击实验测通过冲击实验测得得)。l材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用脆转变温度。材料的使用温度应高
25、于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面转变温度，而大多数面心立方金属没有。心立方金属没有。建造中的建造中的Titanic Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没的沉没与船体材料的质与船体材料的质量直接有关量直接有关Titanic近代船用钢板近代船用钢板l材料在低于材料在低于 s s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图n材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲疲
26、劳极限劳极限。用。用-1-1表示。表示。n钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107107，有色金属合金为，有色金属合金为108108。通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁度提高表面光洁度，进行进行表面强化表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）l材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。l1 1、布氏硬度、布氏硬度HBHB)(2102.022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计(五五)、硬度、硬度l压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为
27、钢球时，布氏硬度用符号HBSHBS表示，适用于布氏硬度表示，适用于布氏硬度值在值在450450以下的材料以下的材料。l符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬度值之前的数字表示硬度值,符号后面的数字符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30 120HBS10/1000/30 表示直径为表示直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）l载荷作用下保持载荷作用下保持30s30s测得的测得的l布氏硬度值为布氏硬度值为120120。布氏硬度
28、压布氏硬度压痕痕n压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBWHBW表示，适用于布氏硬度表示，适用于布氏硬度在在650650以下的材料。以下的材料。l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁n缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料料。n适于测量适于测量:退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。n材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b b(MPa)(MPa)
29、3.6HB3.6HB 对于高碳钢对于高碳钢：b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁对于铸铁：b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa)0.6(HB-40)0.6(HB-40)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HRHR表示，表示，HR=HR=k k-(-(h h1 1-h h0 0)/0.002)/0.002l根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的常用的标尺为标尺为A A、B B、C C。l符号符号HRHR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前
30、面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRAHRA用于测量用于测量:高硬度材料高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层。合金、表淬层和渗碳层。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕lHRBHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRCHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏
31、硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计n根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。n维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。油轮断裂和北极星导弹发油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与
32、材料中存动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生油轮发生断裂断裂北极星导北极星导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式（二）、材料的物理性能（二）、材料的物理性能 物理性能物理性能:金属的物理性能是金属固有的属性金属的物理性能是金属固有的属性.物理性能物理性能 密度密度 熔点熔点 热膨胀性热膨胀性 导热性导热性 导电性导电性 磁性磁性（三）、材料的化学性能（三）、材料的化学性能:化学性能化学性能:金属的化学性能是指金属在化金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。学作用下所表现的性能。耐腐蚀性耐腐蚀性高温抗氧化性高温抗氧化性化学性能化学性能l 1.
33、1.耐腐蚀性耐腐蚀性l 金属材料在常温下抵抗氧化、水蒸气及其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。他化学介质腐蚀破坏作用的能力。l 2.2.抗氧化性抗氧化性l金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。性。l3.3.化学稳定性化学稳定性l化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。性的总称。（四）、材料的工艺性能（四）、材料的工艺性能 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。工艺性能工艺性能铸造性铸造性可锻性可锻性焊接性焊接性切削加工性切削加工性l1.
34、1.铸造性能铸造性能l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。l 2.锻压性能锻压性能l 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。l3.3.焊接性能焊接性能l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。l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。l4.4.切削加工性能切削加工性能l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。l碳素钢碳素钢l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
35、的钢，称为碳素钢。l 1.碳素钢的分类l（1）按钢的含碳质量分数分类l 低碳钢 含碳质量分数Wc0.25%l 中碳钢 含碳质量分数Wc=0.250.60%l 高碳钢 含碳质量分数Wc0.6%l（2）按钢的质量分类）按钢的质量分类l 根据钢中含有害元素磷、硫质量分数划分。l 普通碳素钢 Ws0.035%Wp0.035%l 优质钢 Ws0.030%Wp0.030%l 高级优质钢 Ws0.020%Wp0.025%l（3）按用途分类）按用途分类l 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。l 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。l（4）按脱氧
36、方法分类l 沸腾钢：不完全脱氧。l 镇静钢：完全脱氧。l 半镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间。l 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。l碳素结构钢碳素结构钢l 根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。l 普通碳素结构钢普通碳素结构钢l牌号：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Q2
37、35AF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。l。l用途：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l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l优质碳素结构钢优质碳素结构钢l牌号：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。l按照钢中锰的含量不同，可分为普通含锰量钢（WMn0.80%）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
38、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。l用途：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l3.碳素工具钢碳素工具钢l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。l牌号：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 l千分之几。l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l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。l用
39、途：用途：主要用于制造刃具、模具、量具以及其他工具l合金钢合金钢l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。l 1.合金钢的分类合金钢的分类l （1）按用途分）按用途分 l 合金结构钢：合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。l 合金工具钢：合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具只要用于制造重要的刃具、量具和模具l 特殊性能钢：特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等热钢、耐磨钢等
40、。l l（2）按所含合金元素总含量分）按所含合金元素总含量分l 低合金钢低合金钢 合金元素总含量合金元素总含量5%l 中合金钢中合金钢 合金元素总含量合金元素总含量510%l 高合金钢高合金钢 合金元素总含量合金元素总含量10%2.合金结构钢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1.52.5%时，则标为2；如果平均含量为2.53.5%时标为3；以此类推）。（2）低合金
41、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。（3）机械制造用钢 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=0.100.25%，加入合金元素主要有铬（WCr2%）、镍（WNi4%）、锰（WMn2%）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.20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。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
42、碳质量分数一般在0.250.50%之间，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。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：用途：合金弹簧钢主要适用于各种机构和仪表、弹性元件。热处理方法热处理方法：淬火后进行
43、中温回火处理。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。用途：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：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。3.合金工具钢
44、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：用途：可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。分类：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）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 (2)刃具钢 低合金刃具钢定义：定义：低合金刃具钢是在碳素钢
45、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：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：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：常用热处理的方法：球化退火、淬火加低温回火。高速钢 定义：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：基本性能：红硬性高达6000C，有高的强度、硬度、耐磨性和淬透性。(2)刃具钢高速钢高速钢用途：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
46、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)模具钢模具钢定义：定义：主要用来制造各种模具的钢称为模具钢。冷变形模具钢用于制造冷态金属成形的钢称为冷变形模具钢。如冷冲模、冷压模等。冷变形模具钢的性能特点是高的硬度和高耐磨性，具有足够的强度、韧性和疲劳强度。常用的冷变形模具钢有9SiCr、Cr12和Cr12MoV等。热变形模具钢用于制造使金属在高温下成形的模具。如热锻模、压铸模等。性能特点是在高温下能保持足够的强度、韧性和耐磨性，以及较高的抗热疲劳性和导热性。其最终热处理一般为淬火后中温或高温回火.目前常采用5CrMnMo和5CrNiMo制作热锻模
47、，采用了3Cr2W8制作热挤压模等。（4）合金量具钢）合金量具钢定义：定义：合金量具钢是用于制造测量工具（如游标卡尺、千分尺、塞规、量规等）的钢。主要性能主要性能：高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。一般采用微变形钢制造精度要求较高的量具，如CrWMn、CrMn、GCr15等。一般的量具 可以用碳素工具钢、合金工具钢和滚珠轴承钢来制造。4.特殊性能钢特殊性能钢 定义：定义：特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。（1）不锈耐酸钢不锈耐酸钢是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢，又称为不锈钢。常用的不锈钢主要有铬不锈钢和铬镍不锈钢。铬不锈钢用途：用途：铬不锈钢主要用于制造在海水、蒸气
48、、酸性环境下工作的零件。常见牌号：常见牌号：1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13，常称为Cr13型不锈钢。常用的热处理方法：常用的热处理方法：淬火+低温回火。用途：用途：1Cr13、2Cr13适于制造汽轮机叶片、水压机阀等。3Cr13、4Cr13适于制造弹簧、医 疗器械及在弱腐蚀条件下工作而要求高强度的耐蚀零件。铬镍不锈钢定义：定义：铬镍不锈钢主要用于制造在强腐蚀介质（硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等）中工 作的设备。常见的牌：常见的牌：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9。用途：用途：适于制造吸收塔、贮槽、管道及容器等。（2）耐热钢）耐热钢钢的耐热性是高温抗氧化性和高温强度的总称。耐热
49、钢通常分为抗氧化钢和热强钢。抗氧 化钢主要用于如加热炉底板、渗碳箱等的零件，常用牌号有4Cr9Si2、1Cr13SiAl。热强钢主要适用于高温强度的汽油机、柴油机的排气阀、汽轮机叶片、转子等。常见牌号有15CrMo、4Cr14Ni4WMo。（3）耐磨钢定义：定义：耐磨钢是指在强烈冲击载荷下发生冲击硬化，从而获得很高的耐磨性的高锰钢。牌号：牌号：这种钢基本上都是铸造成型的。因而钢号写成ZGMn13即铸造高锰钢。用途：用途：主要用于制造铁路道岔、坦克覆带、挖土机铲齿等。3.2.3 铸铁铸铁定义：定义：铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。分类：分类：根据碳在铸铁中的存在形式和形态不同，铸铁可
50、分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。1.灰铸铁 定义：定义：灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色，故称灰铸铁。牌号：牌号：以“HT加数字组成”表示，其中“HT”是“灰”与“铁”的汉语拼音字首表示灰口铸铁，数字表示其最低的抗拉强度。如HT100表示最低抗拉强度为100MPa的灰铸铁。热处理可以改变灰铸铁的基体组织，但不能改变其石墨形态和分布，因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大。2.可锻铸铁铸铁中石墨呈紧密的团絮状，它是用白口铸铁经长期退火后获得的。由于石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用。因此这种铸铁强度较高，韧性好。并由此得名“可锻”，但实际上并不可锻。分类
