1、工程材料分類與用途一、金屬材料一、金屬材料1. 金屬材料的組織結構金屬材料的組織結構晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體：原子在三維空間中有規則的重復排列晶體：原子在三維空間中有規則的重復排列的物質的物質 非晶體：原子無規則排列的物質。非晶體：原子無規則排列的物質。晶體晶體金剛石、金剛石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。非晶體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃蜂蠟、玻璃 等。等。液體液體晶體結構：晶體中原子的排列方式。晶體結構：晶體中原子的排列方式。 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來的用假想的直線將原子中心連接起來的 三維空間格架。三維空間格架。 晶胞：能代表晶格原子排列規律的最小幾何晶胞：能代表晶

2、格原子排列規律的最小幾何 單元。單元。晶格常數：晶胞中各棱邊的尺寸。晶格常數：晶胞中各棱邊的尺寸。 XYZabc常見金屬的晶體結構常見金屬的晶體結構 體心立方晶格體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞是一個立方體。在晶胞的中心體心立方晶格的晶胞是一個立方體。在晶胞的中心和八個角上各有一個原子，和八個角上各有一個原子，9 9個原子組成一個晶個原子組成一個晶胞。胞。 。 致密度：致密度：68%（晶胞中原子占有的體積與該晶（晶胞中原子占有的體積與該晶 胞體積之比）胞體積之比） 屬于這種晶格的金屬有屬于這種晶格的金屬有Cr、-Fe、Mo、W、 V等。等。面心立方晶格面心立方晶格l 面心立方晶格也是一個立方體

3、，原子位于面心立方晶格也是一個立方體，原子位于立方體六個面的中心和八個頂點上。共立方體六個面的中心和八個頂點上。共1414個原個原子組成一個面心立方晶胞。子組成一個面心立方晶胞。l致密度：致密度：74%l屬于這種晶格的金屬有屬于這種晶格的金屬有l - Fe、 Cu、Ni、 Al、 Pb等等。密排六方晶格密排六方晶格 l密排六方晶格的晶胞是一個密排六方晶格的晶胞是一個正六方柱體，原子位于兩個正六方柱體，原子位于兩個底面的中心處和底面的中心處和12個頂點上，個頂點上，柱體內還包含柱體內還包含3個原子。共個原子。共17個原子組成一個晶胞。個原子組成一個晶胞。l致密度：致密度：0.74%l屬于這種晶格

4、的金屬有屬于這種晶格的金屬有Be、Mg、 Zn、Cd等。等。純金屬的結晶純金屬的結晶結晶：金屬由液態轉變為固態晶體的過程。結晶：金屬由液態轉變為固態晶體的過程。 金屬的結晶溫度金屬的結晶溫度實際結晶溫度低于理實際結晶溫度低于理論結晶溫度。論結晶溫度。 過冷度過冷度T：實際結晶：實際結晶溫度與理論結晶溫度之溫度與理論結晶溫度之差。差。冷卻速度越快，過冷冷卻速度越快，過冷度越大，實際結晶溫度越大，實際結晶溫度越低。度越低。結晶過程：結晶過程：lA. 形成晶核：液態金屬中存在著原子排列規形成晶核：液態金屬中存在著原子排列規則的小原子則的小原子 團，它們時聚時散，稱為晶坯。團，它們時聚時散，稱為晶坯。

5、在在T0以下以下,經一段時間后經一段時間后, 一些大尺寸的晶坯將一些大尺寸的晶坯將會長大，形成晶核。會長大，形成晶核。 lB. 晶核長大晶核長大晶體的同素異構晶體的同素異構l一種金屬在不同溫度和壓力下具有不同類型的一種金屬在不同溫度和壓力下具有不同類型的晶格結構，這種現象稱為同素異構性。晶格結構，這種現象稱為同素異構性。 有此特性的金屬：有此特性的金屬：Fe、 Co 、Ti、Mn 、Sn等。等。l鐵的同素異構轉變：鐵的同素異構轉變：l鐵在固態冷卻過程中有兩次晶體結構變化，其鐵在固態冷卻過程中有兩次晶體結構變化，其變化為：變化為：l 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格 體心立方晶

6、格體心立方晶格 三、金屬的同素異構轉變三、金屬的同素異構轉變l一種金屬具有兩種或兩一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結構稱為同種以上的晶格結構稱為同素異構性，物質在固態下素異構性，物質在固態下晶體結構隨溫度變化的現晶體結構隨溫度變化的現象稱同素異構轉變。象稱同素異構轉變。有此特性的金屬：有此特性的金屬：Fe、lCo 、Ti、Mn 、Sn等。等。合金的晶體結構合金的晶體結構 合金合金: 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。 合金的相結構：合金的相結構： 固溶體固溶體l合金中其結構與組成元素之一的

7、晶體結構相同合金中其結構與組成元素之一的晶體結構相同的固的固相稱固溶體。相稱固溶體。 與合金晶體結構相同的元素稱溶劑。其它元素與合金晶體結構相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質。稱溶質。l1) 間隙固溶體間隙固溶體l溶質原子嵌入溶劑晶格溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。間隙所形成的固溶體。l形成間隙固溶體的溶質形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較元素是原子半徑較l小的非金屬元素，如小的非金屬元素，如C、N、 B等等2)置換固溶體置換固溶體 溶質原子占據溶劑晶格某些結點位置所形溶質原子占據溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體成的固溶體.3)固溶強化固溶強化 隨溶質含量增加隨溶質含量增加, 晶格畸

8、變增大，變晶格畸變增大，變 形時位錯移動困難形時位錯移動困難, 固溶體的強度、硬固溶體的強度、硬 度增加，塑性、韌度增加，塑性、韌性下降，該現象稱性下降，該現象稱為固溶強化。為固溶強化。 化合物化合物 溶質含量超過溶劑的溶解度時，溶質元素同溶溶質含量超過溶劑的溶解度時，溶質元素同溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質，即金屬化合物。的新物質，即金屬化合物。機械混合物機械混合物常用金屬材料常用金屬材料常用碳鋼的分類：常用碳鋼的分類： 低碳鋼低碳鋼 C% 0.25%C按鋼的按鋼的C含量分含量分 中碳鋼中碳鋼 0.25C % 0.6% 高碳鋼高碳鋼

9、 C% 0.6%C 普通碳素鋼：普通碳素鋼：S%0.055%，P%0.045% 按鋼的按鋼的S、P含量分含量分 優質碳素鋼：優質碳素鋼：S、 P%均均0.04% 高級優質碳素鋼：高級優質碳素鋼： S%0.03%， P%0.035% 結構鋼結構鋼按主要用途分按主要用途分 工具鋼工具鋼 特殊性能鋼特殊性能鋼 專業用鋼專業用鋼汽車板簧汽車板簧大型熱卷彈簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧熱卷大彈簧簧彈絲簧彈絲齒輪加工齒輪加工方鋼方鋼汽輪機葉片汽輪機葉片刃刃 具具量量 具具模模 具具鋼的牌號鋼的牌號1)碳素結構鋼與低合金高強度鋼的牌號碳素結構鋼與低合金高強度鋼的牌號 Q 235 A F 碳素結構鋼與低合金高強度鋼

10、牌號主要的區別在屈服強碳素結構鋼與低合金高強度鋼牌號主要的區別在屈服強度的等級上，碳素結構鋼的最高強度等級為度的等級上，碳素結構鋼的最高強度等級為275MPa，低，低合金高強度鋼的最低強度等級為合金高強度鋼的最低強度等級為295MPa。屈服強度屈服強度235 MPa優等優等沸騰鋼沸騰鋼南京長江大橋南京長江大橋2）優質碳素結構鋼的牌號）優質碳素結構鋼的牌號l 牌號：以兩位數字表示，數字為平均含碳量牌號：以兩位數字表示，數字為平均含碳量的萬分數。例如的萬分數。例如45，表示含碳量，表示含碳量0.45%的優質的優質碳素結構鋼。碳素結構鋼。3）合金結構鋼的牌號）合金結構鋼的牌號 數字數字+元素符號元素

11、符號+數字數字 該元素含量的百分數該元素含量的百分數 碳含量的萬分數碳含量的萬分數 A. 當合金元素的平均含量小于當合金元素的平均含量小于1.50%時，只標元素時，只標元素 符號，不標含量；符號，不標含量； B.合金元素的平均含量為合金元素的平均含量為1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、時，在相應的合金元時，在相應的合金元素符號后標素符號后標2、3、4、5 等數字。等數字。3）合金結構鋼的牌號）合金結構鋼的牌號 數字數字+元素符號元素符號+數字數字 該元素含量的百分數該元素含量的百分數 碳含量的萬分數碳含量的萬分數 A. 當合金元素的平均含量小于當

12、合金元素的平均含量小于1.50%時，只標元素時，只標元素 符號，不標含量；符號，不標含量； B.合金元素的平均含量為合金元素的平均含量為1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、時，在相應的合金元時，在相應的合金元素符號后標素符號后標2、3、4、5 等數字。等數字。ZG 200 - 400最低抗拉最低抗拉b 400MPa最低屈服強度最低屈服強度s 200MPa鑄鋼鑄鋼T 12 A高級優質高級優質 Wc = 12%0碳素工具鋼碳素工具鋼5）碳素工具鋼牌號）碳素工具鋼牌號 由由T后加一組數字組成，數字為平均含碳量的千分后加一組數字組成，數字為平均含碳量的千分

13、數。例：數。例：T8、T12。分別表示平均含碳量為。分別表示平均含碳量為0.8%，1.2%6)合金工具鋼合金工具鋼 數字數字+元素符號元素符號+數字數字 該元素含量的百分數該元素含量的百分數 碳含量的千分數碳含量的千分數(一般是一位數一般是一位數)l當平均碳含量當平均碳含量1.0%時，不標碳含量數字。時，不標碳含量數字。 高速鋼不標含碳量高速鋼不標含碳量結構鋼的性能和應用結構鋼的性能和應用1）碳素結構鋼）碳素結構鋼A. 特點：易冶煉，價格便宜，強度低，可特點：易冶煉，價格便宜，強度低，可 滿足一般工程結構件的要求。滿足一般工程結構件的要求。 力學性能隨板材厚度或直徑增大而下降。力學性能隨板材厚

14、度或直徑增大而下降。B. 應用場合：板材、型材。用于制造各種金屬應用場合：板材、型材。用于制造各種金屬構件和要求不高的機器零件。構件和要求不高的機器零件。2）低合金高強度鋼）低合金高強度鋼A.性能特點：性能特點： 良好的焊接性能和耐腐蝕性能；良好的焊接性能和耐腐蝕性能； 良好的塑性和韌性；良好的塑性和韌性； 較高的強度。較高的強度。B.B.使用特點：使用特點： 可減小構件截面積可減小構件截面積，用于船舶、橋梁、車輛，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結構。等大型鋼結構。C.主要合金元素主要合金元素 Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti3）優質碳素結構鋼）優質碳素結構鋼 A.特性：含碳量越低，其強度

15、、硬度越低，塑性、特性：含碳量越低，其強度、硬度越低，塑性、 韌性越高；韌性越高； 含碳量越高，其強度、硬度越高，塑性、含碳量越高，其強度、硬度越高，塑性、 韌性越低；韌性越低； B.用于制造較重要的機械零件。用于制造較重要的機械零件。4）合金結構鋼）合金結構鋼 在優質碳素結構鋼的基礎上加入合金元素所形在優質碳素結構鋼的基礎上加入合金元素所形成的鋼種。成的鋼種。A.合金滲碳鋼合金滲碳鋼 滲碳、淬火和低溫回火后的結構鋼，一般為低滲碳、淬火和低溫回火后的結構鋼，一般為低碳鋼。碳鋼。 用于制造高耐磨性、高疲勞強度和較高韌性的用于制造高耐磨性、高疲勞強度和較高韌性的材料。材料。B.合金調質鋼合金調質鋼

16、 含碳量在含碳量在0.25%0.50%之間。之間。 用于強度要求較高、截面尺寸大的重要零件。用于強度要求較高、截面尺寸大的重要零件。C.合金彈簧鋼合金彈簧鋼 含碳量在含碳量在0.45%0.70%之間。之間。 具有較高的彈性極限、疲勞強度及較好的塑性具有較高的彈性極限、疲勞強度及較好的塑性和韌性。和韌性。汽車板簧汽車板簧大型熱卷彈簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧熱卷大彈簧簧彈絲簧彈絲D.滾動軸承鋼滾動軸承鋼 具有高的抗壓強度、具有高的抗壓強度、高的接觸疲勞強度、高的接觸疲勞強度、高的硬度和耐磨性，高的硬度和耐磨性，用于各種滾動軸承。用于各種滾動軸承。5）鑄鋼）鑄鋼 含碳量在含碳量在0.12%0.62%之

17、間。之間。 用于形狀復雜、不易鍛造、用鑄鐵不能滿足用于形狀復雜、不易鍛造、用鑄鐵不能滿足要求的零件。要求的零件。工具鋼的性能與用途工具鋼的性能與用途1）刃具鋼）刃具鋼 A.碳素工具鋼碳素工具鋼 高碳鋼淬火、低溫回火后使用。高碳鋼淬火、低溫回火后使用。 性能：熱硬性差，淬透性低，淬火變形大。性能：熱硬性差，淬透性低，淬火變形大。 用途：適宜制作尺寸小、形狀簡單的低速切用途：適宜制作尺寸小、形狀簡單的低速切 削工具。削工具。B.合金工具鋼合金工具鋼C.高速鋼高速鋼刃刃 具具2）模具鋼）模具鋼A.冷作模具鋼冷作模具鋼 用途：制造各種冷成型模具。用途：制造各種冷成型模具。 性能要求性能要求: 高硬度、

18、高耐磨性、高強度和高韌性。高硬度、高耐磨性、高強度和高韌性。 化學成分及特點化學成分及特點: 高含碳量：高含碳量： 12 %; 合金元素合金元素: Cr、 Mo、W、V、Mn。 常用牌號：常用牌號： Cr12， Cr12MoV，CrWMn， 9Mn2V， W18Cr4VB.熱作模具鋼熱作模具鋼 用途：用于熱鍛模、熱擠壓模等。用途：用于熱鍛模、熱擠壓模等。 性能要求性能要求: 足夠的硬度、強度、良好的塑性韌足夠的硬度、強度、良好的塑性韌 性，較高的熱硬性和熱疲勞抗力。性，較高的熱硬性和熱疲勞抗力。 化學成分特點化學成分特點: 含碳量：含碳量：0.40.6 %; 合金元素：合金元素：Cr、 Mn、

19、 Ni、 Mo、W、V常用牌號：常用牌號： 5CrMnMo，制造中型模具，制造中型模具 ; 5CrNiMo，制造形狀復雜、沖擊載荷大的，制造形狀復雜、沖擊載荷大的 大型模具。大型模具。C.塑料模具鋼塑料模具鋼 3）量具鋼）量具鋼 性能要求性能要求: 高的硬度高的硬度, HRC62; 高的耐磨性高的耐磨性;l高的尺寸穩定性高的尺寸穩定性; 高的心部韌性。高的心部韌性。量量 具具4）不銹鋼）不銹鋼 特點：在腐蝕介質中具有較高抗腐蝕能力。特點：在腐蝕介質中具有較高抗腐蝕能力。 A.性能要求：性能要求： 優良的耐蝕性；優良的耐蝕性； 合適的力學性能；合適的力學性能； 良好的工藝性能。良好的工藝性能。

20、B.成分：成分： 碳含量：碳含量：0.03%0.95% 合金元素合金元素鑄鐵鑄鐵 含碳量大于含碳量大于2.11% 1）鑄鐵的基本性能：）鑄鐵的基本性能：lA.力學性能低。力學性能低。lB. 耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。lC. 消振性能好。由于石墨可以吸收振動能量。消振性能好。由于石墨可以吸收振動能量。lD. 鑄造性能好。鑄造性能好。lE.切削性能好。切削性能好。lF. 成本低廉成本低廉鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸2)鑄鐵的常見類型鑄鐵的常見類型A.灰鑄鐵：其中的碳以片狀石墨存在。灰鑄鐵：其中的碳以片狀石墨存在。 性能：塑性、韌性低，耐磨、減振性能好。性能：塑性、

21、韌性低，耐磨、減振性能好。 牌號：牌號：HT+最低抗拉強度值最低抗拉強度值 例：例：HT100表示最低抗拉強度為表示最低抗拉強度為100MPa的的 灰鑄鐵。灰鑄鐵。鐵素體灰鑄鐵鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵石墨片的三維形貌石墨片的三維形貌B.球墨鑄鐵：其中的石墨為球狀。球墨鑄鐵：其中的石墨為球狀。 性能：強度高，具有一定的塑性和韌性。性能：強度高，具有一定的塑性和韌性。 牌號：牌號：QT+最低抗拉強度最低抗拉強度+最低伸長率最低伸長率 例：例：QT500-7表示最低抗拉強度為表示最低抗拉強度為500MPa, 最低伸長率為最低伸長率為7% 用途：可用

22、與制造受力復雜的零件。如曲軸、用途：可用與制造受力復雜的零件。如曲軸、 凸輪軸等。凸輪軸等。鐵素體加珠光體球墨鑄鐵鐵素體加珠光體球墨鑄鐵 鐵素體球墨鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵 珠光體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵 球墨鑄鐵中的石墨球球墨鑄鐵中的石墨球 C.可鍛鑄鐵：其中的石墨為團絮狀可鍛鑄鐵：其中的石墨為團絮狀 性能：性能：較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。部分代替碳鋼。 黑心可鍛鑄黑心可鍛鑄鐵鐵 珠光體可鍛鑄珠光體可鍛鑄鐵鐵 可鍛鑄鐵的石墨化退火可鍛鑄鐵的石墨化退火D.蠕墨鑄鐵：碳以蠕蟲狀石墨方式存在。蠕墨鑄鐵：碳以蠕蟲狀石墨方式存在。 性能介于球墨鑄鐵與灰鑄鐵之

23、間。性能介于球墨鑄鐵與灰鑄鐵之間。蠕墨鑄鐵中的石蠕墨鑄鐵中的石墨墨珠光體基體珠光體基體鐵素體基體鐵素體基體3）鑄鐵的熱處理）鑄鐵的熱處理 對鑄鐵可進行熱處理，常用的方法有去應力對鑄鐵可進行熱處理，常用的方法有去應力退火、石墨化退火、正火、淬火和回火、等溫退火、石墨化退火、正火、淬火和回火、等溫淬火等。淬火等。鋁及其合金鋁及其合金 1)工業純鋁工業純鋁 A. 物理性能：密度小（物理性能：密度小（2.7kg/cm3），熔點低），熔點低 （660），導電、導熱性能優良，耐大），導電、導熱性能優良，耐大 氣腐蝕。氣腐蝕。 B. 機械性能：強度硬度低、塑性好。機械性能：強度硬度低、塑性好。 C. 用途：

24、主要用于制造電纜和強度要求不高的用途：主要用于制造電纜和強度要求不高的 日用器皿。日用器皿。2）鋁合金）鋁合金l性能：鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優良性能：鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優良l 特性特性 。l 鋁合金常加入的元素主要有鋁合金常加入的元素主要有Si、 Cu、 Mg、l Mn、 Zn等等l用途：制造板材、型材、形狀復雜耐腐蝕的零用途：制造板材、型材、形狀復雜耐腐蝕的零l 件。件。鋁合金型材鋁合金型材鋁鑄件鋁鑄件銅及其合金銅及其合金1）工業純銅）工業純銅l性能：純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，密度為性能：純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，密度為8.9 2.7kg/cm3，熔點為，熔點為1083。

25、純銅具有優良。純銅具有優良的導電性和導熱性，在大氣、淡水和非氧化酸的導電性和導熱性，在大氣、淡水和非氧化酸中有良好的耐蝕性，塑性好。中有良好的耐蝕性，塑性好。l用途：電纜、銅管、熱交換器等。用途：電纜、銅管、熱交換器等。l牌號：牌號：T1、T2、T3、T42）黃銅）黃銅以鋅為主要合金元素的銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。合金稱為黃銅。性能：塑性、流動性及鑄性能：塑性、流動性及鑄造性能好，加工性能造性能好，加工性能 好，鑄件組織致密。好，鑄件組織致密。用途：主要用于彈簧、襯用途：主要用于彈簧、襯套、耐腐蝕零件等。套、耐腐蝕零件等。牌號：牌號：H80、H70等。等。冷凝器管冷凝器管汽車機油泵襯套汽車機油泵襯套3）青銅）青銅l是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為314%。 l性能：結晶溫度范圍寬，但體積收縮率在有色性能：結晶溫度范圍寬，但體積收縮率在有色l 金屬中最小，充型能力強金屬中最小，充型能力強 ，致密度差，致密度差，l 易滲漏。易滲漏。l用途：用于制造形狀復雜，氣密性差，耐磨、用途：用于制造形狀復雜，氣密性差，耐磨、l 耐腐蝕的零件（軸瓦、蝸輪、雕塑等）耐腐蝕的零件（軸瓦、蝸輪、雕塑等）l牌號：牌號：QSn4-3、等、等二、有機高分子材料二、有機高分子材料 高分子材料是以高分子化合物為主要組分的高分子材料是以高