第四章 工程材料

工程材料是制造机械零件的原料。机械零件的结构、形状、大小和使用条件不同，对材料的要求也不同。常用的材料有黑色金属、有色金属及非金属。了解各种材料的牌号、性能及应用，以及黑色金属材料的热处理方法，为中职学生了解机械零件的使用和维护提供必备的基础知识。

黑色金属材料具有良好的力学性能，大部分机械零件都选用黑色金属作为零件的材料。因此，黑色金属材料的内容和热处理方法是本章的学习重点。

§4 － 1 金属材料的性能 一、金属的物理性能和化学性能 1 、金属材料性能 ＝使用性能＋工艺性能 使用性能＝物理性能＋化学性能＋力学性能 工艺性能 生产、加工条件下表现的性能。 2 、物理性能＝密度＋熔点＋导热性＋导电性＋热膨胀 性＋磁性 二、金属的力学性能和工艺性能 1 、 力学性能指金属材料在外力作用下表现出来的性能 （ 1 ）强度 安全生产的基本保证和满足机械零件达到设计寿命的 前提，也是机 械设计中必须达到的基本要求，是机械零件强度校 核的根据。 （ 2 ）塑性 （ 3 ）硬度 （ 4 ）冲击韧性

§4 － 1 金属材料的性能

2 、金属材料的工艺性能 包括多种内容，主要有泠加工的切削加工性能，和热

加工的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能。切削加工性能即是否容易将材料切削成所需要的零件形状。一般说来，软材料的硬度小、塑性好，容易加工成形，但表面质量相对差一些；而硬材料的强度相对较高，加工较困难，但表面质量较好。所以具有良好切削性能和较高强度的中碳钢应用较广。

（ 5 ）疲劳强度 机械零件在长期使用中，由于交变应力对材料的影响，可能出现突然的断裂破坏，设计零件的使用寿命必须保证在规定的时间内不能出现疲劳损坏

§4 － 2 黑色金属材料 黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸

铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。

一、钢的分类 1 、 按化学成分分 （ 1 ）碳素钢 含碳质量分数的多少又分成低碳钢、

中碳钢和高碳钢 （ 2 ）合金钢 如果含有合金元素，相应称为低合金

钢、中合金钢和高合金钢 （ 3 ） 铸铁 2 、按钢的品质分 （ 1 ）普通钢

§4 － 2 黑色金属材料 （ 2 ）优质钢 （ 3 ）高级优质钢 3 、按钢的用途分 （ 1 ）结构钢 从制造成本和加工工艺角度出发，

机械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较高的零件。

（ 2 ）工具钢 选用中碳钢作为具有一定强度和硬度要求的零件

（ 3 ）特殊性能钢 强度要求较高，又具有较好的塑性，则应用合金钢对于一般，重要的齿轮或轴选用中碳合金钢。

§4 － 2 黑色金属材料 二、钢的编号 1 、碳钢的编号方法 (1)碳素结构钢 用 Q代表屈服强度，如 Q235 (2)优质碳素结构钢 用数字直接表示钢中碳的质量分

数的万分之一。如 45 、 35等表示钢中含碳的质量分数为 0.45%、 0.35%。

(3)碳素工具钢 用 T表示，如 T8 A钢。 (4)铸造碳钢 用 ZG表示 ,如 ZG 200－ 400钢。表示屈服强度大于 200MPa, 抗拉强度大于 400MPa。

如果数字后加注A、 B等符号表示质量等级。 A为高级。

§4 － 2 黑色金属材料 2 、合金钢的编号方法 (1) 低合金高强度结构钢 如 Q390A (2) 合金结构钢 如 40Cr, 40表示含碳质量分数的万分之一； 30CrMoA，合金的元素符号及含量的百分之 1.5 ，末位加 A表示优质。

（ 3 ）滚动轴承钢 在含碳质量分数元素符号前加G，如 GCr15 。

（ 4 ）合金工具钢 含碳质量分数小于 1％，用一位数表示的含碳质量分数的千分之几。含碳质量分数小于 1％，不予标注。

（ 5 ）不锈钢 含碳较低，用“ 00”和“ 0”数字表示含碳质量分数，分别低于 0.03%和 0.08%，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬东西的原因。

§4 － 2 黑色金属材料 三、 .碳素钢 含碳质量分数小于 2.11%而不特意加入合金元素的钢。 1 、碳素结构钢 （ 1 ）普通碳素结构钢 含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前有 Q表示；

如 Q215 、 Q235 、 Q275 。塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件。

§4 － 2 黑色金属材料（ 2 ）优质碳素结构钢 含碳质量分数较多，为中碳钢，常用 45 、 35

钢。

2 、碳素工具钢 含碳质量分数在 0.7 ％以上，硬度高，如 T8A、 T10A、 T12A。

§4 － 2 黑色金属材料

四、合金钢 在普通碳素钢中加入其他合金元素冶炼而成的，当

合金元素在钢中的含量达到一定的比例后，可大大提高钢材的力学性能，如硅可提高钢的导磁率，用作电机芯片；锰可提高钢的耐磨性和强度，应用于履带；铬可以提高钢的耐腐蚀性，应用于不锈钢制品等。

§4 － 2 黑色金属材料 1 、合金结构钢 ⑴ 低合金结构钢 16Mn代替Q235 作建筑、桥梁材

料。 20CrMnTi 经渗碳后淬火可提高表面硬度，芯部具有较好的韧性，作汽车变速箱齿轮。

§4 － 2 黑色金属材料（ 2 ）机械制造用钢

中碳合金钢 40Cr 代替常用 45 钢作重要的轴等机械零件。

高合金钢 60Si2Mn代替 65Mn作重要弹簧。 滚动轴承用钢 Gr15 用于制造常用滚动轴承。

§4 － 2 黑色金属材料 2 、合金工具钢

（ 1 ）刃具钢 高速钢 用作加工刀具，钻头、各类铣刀。 刀具用钢 用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。 （ 2 ）模具钢 用作热 、泠模具，如 Cr12 、 5CrMnMo。 （ 3 ）量具钢 如游标卡尺、千分尺。

§4 － 2 黑色金属材料 3 、特殊性能钢 （ 1 ）铬不锈钢 既能防锈又有一定强度的耐腐蚀

零件，如弹簧、医疗器械。 铬镍不锈钢 耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。

（ 2 ）耐热钢 用作锅炉材料，如 42Cr9Si2. (3 ) 耐磨钢 用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢 ZGMn13 。

§4 － 2 黑色金属材料

铸铁的含碳质量分数大于 2.11％。 铸铁按其特性分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 1 、灰铸铁 在工业中应用最广，用汉语拼音HT表示。

如 HT150、 HT200。力学性能低，铸造性能好，切削性能好，减振性能好。

2 、球墨铸铁 高强度的铸铁，机械性能接近钢，如QT400-15 表示最小抗拉强度为 400MPa。

五、铸铁 铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗震性好。所以应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等等。

§4 － 2 黑色金属材料 3 、可锻铸铁 不是可以锻造的铸铁，俗称马铁。如 KTH330-08表示最小抗拉强度为 330MPa。 此外，铸铁还是炼钢的生产原料

§4 － 3 铁碳合金状态图分析 铁碳合金状态图又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。反映钢铁黑色金属中铁和碳元素，随着温度和含碳质量分数变化时，内部组织的变化状态。

一、简化的 Fe-Fe3C状态的特征 见图 4 － 8 1 、特性点 A、 G、 C、 E、 S点 2 、特性线 ACD线、 AECF 线、 ECF 水平线、 ES线、 GS线

3 、相区 ACD 线以上、 AESGA、 GPQ 、 DFK

§4 － 3 铁碳合金状态图分析 二、碳的质量分数对钢的力学性能的影响 横坐标代表铁碳合金中含碳的质量分数，可分成三段。 即 0.0218%的左侧为软铁； 0.0218%到 2.11%中间为最常用的结构钢； 2.11%到 6.69%右侧为铸铁。 纵坐标代表温度的变化，当超过 727°时，铁碳组织的状态发生变化，即由 F+P状态变成 F+A状态。随着温度的升高，当温度超过GS线时，由 F+A状态进入A状态，成为奥氏体；当温度超过AE线时，金属开始部分溶化，进入 L+A区域 , 既有奥氏体又有液态金属混合在一起。建议以 45 钢为例来说明，即在横坐标 0.45 处画一条纵坐标线来讲课。

§4 － 3 铁碳合金状态图分析三、铁碳合金状态图的应用 1 、钢铁材料的选用 韧性好、塑性好－选低碳钢 韧性好、塑性好、强度高－选中碳钢 强度高、耐磨性好－选高碳钢 2 、制定热加工工艺 （ 1 ）铸造 液相线以上 50～ 100 度 （ 2 ）锻造 始锻 1150～ 1250 度；终锻 750～ 850 度 （ 3 ）热处理 碳钢淬火在 GS 或 SE线以上 30～ 50 度

§4 － 3 铁碳合金状态图分析 45 钢的铸造、锻造、热处理温度参考： ①当温度超过 727°时，金属内部组织要开始相变，进入F+A区。

② 当温度超过约 800°时， 45 钢金属内部全部进入A区，即奥氏体区。

③ 当温度超过约 1450°时， 45 钢的金属开始熔化，进入L+A区。

④当温度超过约 1500℃,45 钢的金属全部融化，进入 L区。

从铁碳合金状态图中，以 45 钢为例，可以得出： ①45 钢的铸造温度约在 1700 ～ 1600° 之间。图中上右斜线区。

②45 钢的开始锻造温度在 1250° ～ 1150° 之间，图中 A区内的右斜线区。

③45 钢的热处理温度在 800° ～ 850° 之间，图中 A区内打“×”的线区。

§4 － 4 钢的热处理 钢的热处理目的是提高工件的力学性能，满足使用

条件，延长使用寿命。热处理的方法简单、方便、效果好，要求的设备也不复杂，所以具备较高的使用价值，应用很广。

热处理的方法分为普通热处理，表面热处理和化学热处理三种。

一 . 普通热处理 普通热处理有“四火”， 1 、退火与正火 共同点都是将钢加热到一定的温度，如 45 钢加热温度到 820℃。但冷却的方式不同，退火是采用缓慢冷却，如埋入沙、灰中或随炉温逐渐冷却，以消内部应力；正火是将工件暴露在空气中冷却。相比之下，正火冷却的速度要快，目的是要得到细化的组织结构，工件的硬度和强度较退火处理高，一般正火适用于提高低碳钢的硬度。

§4 － 4 钢的热处理 2 、淬火 目的是提高材料的硬度和强度，只能适用于中碳钢

或高碳钢工件。如 45 钢加热到 830℃左右，快速放入水、油或盐溶中冷却，使工件的温度快速冷却而得到较高的硬度、强度，是一种常用的重要的热处理方法。

钢中含碳质量分数的高低，决定了淬火后工件的硬度大小，含碳质量分数越高，淬火后的硬度越大。但是如果淬火温度过高，将会使工件产生裂纹。

3 、回火 消除淬火时产生的内应力，按回火温度分成三个： （ 1 ）低温回火 150～ 250 度 （ 2 ）中温回火 250～ 500 度 （ 3 ）高温回火 500～ 650 度

§4 － 4 钢的热处理 淬火后高温回火称为调质，是合金钢常用的一种提

高材料力学性能的有效方法。二、钢的表面热处理 表面热处理仅处理工件表面，对工件的芯部不作处

理，保持其原来的特性。一般应用在工件表面需要具有较高的硬度，而芯部又要有较高的韧性，如齿轮传动的齿面要求硬度高，有很好的耐磨性，而齿根和齿轮芯部要有较好的韧性，可以承受较大的抗弯曲能力。齿轮的材料常选用 45 钢，对齿面进行表面热处理。如果选用低碳合金钢表面渗碳处理，提高齿面的含碳质量分数后再做表面处理是最好的选择。如矿山用的大型载重汽车为了提高齿轮芯部的韧性，采用 20CrMnTi低碳合金钢先作渗碳，后表面淬火的工艺。

§4 － 4 钢的热处理 1 、火焰加热淬火 设备简单，但受热不匀，生产效率低，质量不稳定。

2 、高频加热淬火 效率高、质量稳定。在几秒钟内齿面迅速加热到淬火温度，后均匀喷洒冷却水使表面硬度达到预定值。如铁道钢轨两端表面的淬火

3 、表面化学处理 通过改变化学成分来处理工件表面的方法，如渗碳、氮化、发黑或发蓝，起到防锈的效果。

表面化学处理的深度较小，如渗碳 6小时左右，才能达到 0.2mm的深度。渗碳需要有专用的渗碳炉，工艺较为复杂，所需的时间较长。氮化的方法与渗碳相似，只是参与化学处理的元素不同而已。在表面处理中，渗碳比氮化应用较广。

§4 － 5 有色金属材料 除黑色金属以外的其他金属都称为有色金属，由于其

特殊性质，在工业上得到广泛的应用，常用的有色金属以铝、铜及其合金。钛及其合金的重量较轻，又有其特殊的性能，在工业上的应用也越来越广，但是价格较高。

一、铝及铝合金 1 、铝 铝金属在生活中应用很广，如建筑上用的铝制窗口、飞机外壳等，其显著特点是重量轻、不生锈。

2 、铝合金 在纯铝中加入合金元素而成，比纯铝的性能好。铝合

金中通过加入不同的元素来改变其强度等力学性能，常用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。

（ 1 ）形变铝合金 由铝锭加工成各种形状材料，如铝板、铝管和各种异型材料。

§4 － 5 有色金属材料

不同的元素来改变其强度等力学性能，常用的合金元素有铜、镁、锌、硅等。

二、 铜及铜合金 在工业上有广泛的用途，主要特点是导电、导热性

好，塑性好。 1 、铜 纯铜常用来制作导电产品，如电线、电接触开关及油管等。

2 、铜合金 在纯铜中加入适量的锌、锡、铅、硅等。按元素成

分的不同分为黄铜、青铜和白铜，一般制成型材，如

（ 2 ）铸造铝合金 通过铸造成型的铝制零件，如摩托车的内燃机外壳缸体、汽车活塞体等。应用于形状结构较为复杂的零件中，硬度和强度比变形铝合金好。铝合金中通过加入

§4 － 5 有色金属材料

板材、管材和棒料，铜合金较多地应用作机械零件，但是由于价格较高，常用于制作蜗轮的轮齿和各种滑动轴承的轴瓦。

学生应记住黄铜的牌号，如 H70表示含铜量为 70%的铜合金。如有其它合金材料，常在 H的后面标注上，如 HMn58-2 表示含锰的黄铜。而常用作轴瓦材料的铸造铜合金为 ZCuSn10P1 ，其中 ZCu表示铸造铜，其中 Sn10和 P1 分别表含锡量和含磷量分别为 10%和1%。铜合金用于制造轴瓦和蜗轮齿面主要是利用其良好的耐磨性、散热好及适应性。同时由于与蜗轮相啮合蜗杆和与轴瓦相配合的轴都选用钢

§4 － 5 有色金属材料 三、轴承合金 为了改善滑动轴承轴瓦的性能，在轴瓦表面上铸上

一层金属衬，以提轴瓦的磨合能力、减磨性，称该金属衬为轴承衬。 “衬”是很薄的一层材料。

轴承合金也称之为巴氏合金。巴氏合金是以锡、铅或铝为基体，加入其他金属元素制造而成，通常呈现为白色。无论是哪一种材料的巴氏合金，都是通过铸造的方法铸到轴瓦上的，所以其牌号前均有“Z”表示。铸造后的轴瓦还需经过切削加工和刮研工序才能使用。常见的牌号有：锡基轴承合金 ZSnSb11Cub；铝基轴承合金 ZPbSb10Sn16Cu2 和铝基轴承合金等。

§4 － 5 有色金属材料 四、钛及钛合金 钛属于稀有金属，其金属具有记忆功能，且质量很轻，熔点高，常用于制作航天零件，在通用机械中应用较少。

§4 － 6 非金属材料

在工业上应用很广，可代替金属材料，常见的非金属材料有工程塑料、复合材料和新型材料等。

一、工程塑料 在许多结构形状复杂的零件中，工程塑料应用最多，

工程塑料具有重量轻，可制作成各种形状，且用模具大量成批生产、价格低廉等优点。如汽车零件中，有 10%的零件是用工程塑料制成的。在日常生活中也离不开工程塑料的应用，如手机、电脑、电话、灯具等。工程塑料的名称较难记忆，应了解常用代号，如 PC、 PPR、ABS、尼龙等都是比较常用的。如表 4 － 4 。

§4 － 6 非金属材料

二、复合材料 复合材料是多种材料复合而成，如建筑上用的复合

钢板，外表面是喷涂的钢板，里面是一层很厚的保温层；可随意弯曲的铝塑管、铝塑板等。

复合材料将各种材料的优点集合成一体，如铝塑管作自来水管，其内壁光滑，铝材料不与水形成污垢，可延长水管的使用寿命，同时容易弯曲，便于安装。复合材料的许多优点是单一材料所没有的，如用丁基复合橡胶制作的内胎可以保持三个月以上不用加气，而天然橡胶制成的内胎只能使用 10天左右，就得补充气体。所以复合材料的应用越来越广。

§4 － 6 非金属材料

§4 － 6 非金属材料 三、新型工程材料 新型工程材料的开发与应用，推动了科学的发展与进步，如半导体元件的发明与应用，使人们进入了电脑的时代。新型材料的发明和应用，将推动了科学技术的快速发展。

1 、形状记忆合金 如形状记忆合金弹簧 2 、纳米材料 如纳米领带 纳米隔热玻璃 3 、超导材料 如磁悬浮列车

§4 － 6 非金属材料

§4 － 7 材料选择及应用 正确选择材料，既能够满足使用条件的要求，又能

达到节约成本，取得较好经济效益的目的。通常从以下几个方面为出发点来选择材料 。

一、零件的失效形式 保证零件的使用寿命不发生失效是选择材料的依据之

一，要从零件使用中可能出现的失效形式来考虑选择相适应的材料。

1 、断裂 增大零件的外形尺寸或更换材料以提高强度。 2 、过度变形 提高轴的刚度，加大外径或采用空心轴的方法，既不增

加自重，又提高刚度；用合金钢热处理代替低碳钢等。 3 、表面损伤 提高表面硬度，抵抗表面损伤和磨损，采用表面淬火。

§4 － 7 材料选择及应用 二、选材的原则、方法和步骤 1 、选材的原则 （ 1 ）满足使用性能 （ 2 ）兼顾材料的工艺性能 （ 3 ）考虑经济性 2 、选材的方法 （ 1 ）综合力学性能为依据 （ 2 ）以磨损、疲劳强度为依据 3 、选材的步骤 （ 1 ）确定性能要求 （ 2 ）比较同类零件 （ 3 ）作关键位置的强度计算。