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第二章 工程材料. 第一节 材料的分类. 一、工程材料. 二、钢的分类. 二、钢的分类. 三、钢产品的种类与代号. 见教材 P20 表 2-1. 第二节 金属材料的性能. 一、力学性能 1 、强度与塑性 1 ）强度 ：金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。通过拉伸试验得到。. 1 、强度与塑性. 图 2-3 拉伸试样. 图 2-4 低碳钢的力 — 伸长量曲线. 1 、强度与塑性. （ 1 ）屈服点（屈服极限） 材料产生明显永久时的最低应力。 σ S = F S ／ S 0 (MPa) 式中：
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第二章 工程材料 第一节材料的分类 一、工程材料
三、钢产品的种类与代号 见教材P20表2-1
第二节 金属材料的性能 一、力学性能 1、强度与塑性 1）强度：金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。通过拉伸试验得到。
1、强度与塑性 图2-3 拉伸试样 图2-4 低碳钢的力—伸长量曲线
1、强度与塑性 （1）屈服点（屈服极限）材料产生明显永久时的最低应力。 σS = FS／S0 (MPa) 式中： Fs—试样屈服时的拉伸力，N； S0—试样原始横截面积，mm2。 图2-4 低碳钢的力—伸长量曲线
1、强度与塑性 （2）抗拉强度（强度极限）试样拉断前所能承受的最大拉应力。 σb = Fb／S0 (MPa) 式中 Fb——试样拉断前承受的最大拉伸力，N。 图2-4 低碳钢的力—伸长量曲线
1、强度与塑性 2）塑性：断裂前金属产生不可逆永久变形的能力。 （1）断后伸长率 δ=(L1－L0)／L0×100％ 式中：L0——试样的原始标距长度，mm； L1——试样拉断后的标距长度，mm。 （2）断面收缩率 ψ= (S0－S1) / S0×100％ 式中：S1——试样拉断处的最小横截面积，mm2。
2、硬度 硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕和划痕的能力。 1)布氏硬度 单位压痕球面积上所承受的试验力。淬火钢球用HBS表示。硬质合金球用HBW表示。如120HBS10/1000／30表示用直径为10mm的淬火钢球作压头，在1000kgf试验力作用下保持30s所测得的布氏硬度值为120。 图2-5布氏硬度试验原理
2、硬度 2)洛氏硬度 用主试验力作用下压入试件表面的残余压痕深度增量bd确定硬度值。为测量不同硬度材料的洛氏硬度，可采用不同压头和试验力，对应有HRA、HRB、HRC，其中以HRC应用最广，如62HRC。 洛氏硬度试验操作迅速、简便，所能测试的硬度范围大，压痕小，可测试成品表面及较薄件。但测量准确性不高。为此，规定同一试件测三次取平均值为宜。 图2-6 洛氏硬度试验原理简图
3、韧性 冲击韧性：指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。 冲击韧性值：一次冲断试样，缺口处单位截面积所消耗的功。冲击韧度的数值越大，材料的韧性越好，抗冲击破坏的能力越强。
二、其他性能 1. 物理性能 1) 密度 单位体积内的质量。如要求质量轻和惯性小的零件，均采用密度小的铝合金制造。 2) 熔点 熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件。 3) 导热性 金属传导热量的能力称为导热性。一般说，金属纯度越高，其导热能力就越大。制造散热器、热交换器与活塞等零件时，常选用导热性好的金属。
4) 导电性 金属传导电流的性能。纯金属的导电性比合金好。常用纯铜、纯铝做导电材料，用导电性差的铜合金和铝合金作电热元件。 5) 热膨胀性 金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 6) 磁性 金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力。铁磁性材料(在外加磁场中，能被强烈磁化到很大程度)、顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性)、抗磁性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料)。 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料。
2. 化学性能 1) 耐腐蚀性 金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏的能力。 2）抗氧化性 金属在加热时抵抗氧化作用的能力。
3.工艺性能 1） 铸造性能：金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力。 2) 锻造性能：金属利用锻压加工方法成型的难易程度。 3) 焊接性能：金属在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。 4) 切削加工性能：金属在切削加工时的难易程度。
第三节常用金属材料 钢是以铁为主要元素，碳的质量分数ωC在2.11%以下，并含有其他元素的铁碳合金。 <0.02%时称为工业纯铁。 铸铁是碳的质量分数ωC>2.11%，并有较高含硅量的铁碳合金。
第三节常用金属材料 1. 非合金钢（碳钢） 非合金钢的性能可满足许多机械零件和工程结构的使用要求，且工艺性能较好，价格低廉、产量大、品种多、规格全，在工业中应用很广。 低碳钢（ωC<0.25%）、中碳钢（ωC=0.25%～0.6%）、高碳钢（ωC>0.6%）。低碳钢的强度、硬度低，塑性、韧性好；中碳钢具有良好的综合力学性能；高碳钢的强度、硬度高，但塑性、韧性较低。 普通碳钢、优质碳钢、特殊质量碳钢(以S、P的含量划分)。 结构钢主要用于制造机械零件及工程结构件，工具钢主要制造各种刃具、量具和模具等。
1. 非合金钢 1） 碳素结构钢 如Q235-A·F，表示σS≥235 MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。
1. 非合金钢 2) 优质碳素结构钢 如45表示平均碳含量为0．45％的普通锰含量的优质碳素结构钢，65Mn表示平均碳含量为0.65%的较高锰含量的优质碳素结构钢。
1. 非合金钢 3) 碳素工具钢 如T8表示平均碳含量为0.8％的优质碳素工具钢。若牌号末尾加“A”，表示钢中硫、磷含量较少，为高级优质钢，如T10A。
1. 非合金钢 4) 优质铸造碳钢 如ZG200— 400表示。σS≥200 MPa，σb≥400 MPa的铸钢。
2. 低合金高强度结构钢 在低碳钢的基础上加入少量合金元素制成。具有较高强度（σS≥295 MPa）和塑性、一定的耐蚀性以及良好的焊接性能，成本与碳素结构钢相近。牌号与碳素结构钢相同。
3. 合金钢 合金元素的种类和含量高于国标规定范围的钢。合金元素是为改善钢的性能在冶炼时有意加入钢中的元素，常用的合金元素有：Si、Mn、Cr、Ni、V、W、Mo、Al、B等。合金元素的存在，使钢的力学性能得到提高，特别是使钢的淬透性提高。某些合金元素还可使钢具有一些特殊性能，如耐蚀性、抗氧化性等。来制造更加重要的机械零件和工程结构件以及一些在特殊条件下工作的钢件。
3. 合金钢 1) 合金钢的分类与牌号 例：20CrMnTi平均ωC=0.2％，含Cr、Mn、Ti三种合金元素，其含量均在1．5％以下的合金钢。9Mn2V表示平均ωC=0.9％，Mn的平均含量为2％，V的平均含量低于l.5％的合金工具钢。
3. 合金钢 2)合金结构钢 (1)合金渗碳钢：碳含量<0.25%，经渗碳、淬火、低温回火后使用的合金钢。
2)合金结构钢 (2)合金调质钢：碳含量=0.3%∽0.5%，经淬火、高温回火后使用的合金钢。
2)合金结构钢 （3）合金弹簧钢：碳含量=0.46%∽0.64%，经淬火、中温回火后使用的合金钢。
2)合金结构钢 3) 合金工具钢 合金工具钢按用途分为合金量具刃具钢、高速工具钢、合金模具钢等。 4) 不锈钢和耐热钢 (1)不锈钢 不锈钢是以铬为基本元素，能抵抗大气或其他介质腐蚀的钢。根据使用时的组织分为马氏体、铁素体、奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢等。 (2)耐热钢：高温下能保持足够强度和抗氧化性的钢。
2)合金结构钢 4. 铸铁 铸铁是具有良好的铸造性能、切削加工性、减震性和减磨性，且价格低廉的铁碳合金材料。
4. 铸铁 1) 灰铸铁 灰铸铁中的碳全部或部分地以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色。其抗拉强度低、塑性和韧性差。良好的铸造性、切削加工性、减磨性、减震性和低的缺口敏感性。如HT200代表最低抗拉强度为200 MPa的灰铸铁。
4. 铸铁 2)球墨铸铁 球墨铸铁中的碳以球状石墨的形式存在，球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高得多，强度与部分钢接近。塑性、韧性也大为改善。铸造性能、减振性比灰铸铁差。如QT450-10代表最低抗拉强度为450MPa，最低断后伸长率为10％的球墨铸铁。
4. 铸铁 3) 可锻铸铁 可锻铸铁中的碳以团絮状石墨的形式存在，可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，且不能锻造成型。如KTH350—10代表最低抗拉强度为350 MPa，最低断后伸长率为10％的黑心可锻铸铁；KTZ650—02代表最低抗拉强度为650 MPa，最低断后伸长率为2％的珠光体可锻铸铁。
二、有色金属及其合金 有色金属及其合金与黑色金属相比有许多优良的性能，如导电性、导热性、耐蚀性、耐高温性，且密度小，因而有色金属及其合金在航空、航海、电器、仪表、化工等领域得到了广泛应用。
二、有色金属及其合金 1)纯铝 纯铝具有良好的导电性、导热性，抗大气腐蚀能力强，密度小，强度低，塑性好。常加工成板、线、管和型材或配制铝合金。 2)铝合金 (1)变形铝合金：可用于压力加工的铝合金。它主要包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金。 (2) 铸造铝合金具有较高强度和耐蚀性，良好铸造性，主要用于铸造重量轻、形状复杂的结构件，如活塞，气缸盖，泵、仪表中的壳体、支架等。
2. 铜与铜合金 纯铜(紫铜) 广泛用于制造电线、电缆、铆钉、冷凝管等以及配制铜合金。 2) 铜合金 (1) 黄铜:以锌为主要合金元素的铜合金，普通黄铜是由铜和锌组成，具有一定的强度，较好的塑性、耐蚀性和焊接性能，常用于制造弹壳、散热器、螺母、垫片、轴套等。特殊黄铜是在普通黄铜的基础上加入其他合金元素形成的铜合金，其强度、硬度、耐蚀性和切削加工性较高。主要用于力学性能要求较高又耐腐蚀的零件，如螺钉、齿轮、蜗轮、衬套等。铸造黄铜主要用于有较高强度和耐磨性的零件。
2. 铜与铜合金 (2) 青铜。除黄铜和白钢(铜镍合金)外的其他铜合金统称为青铜。 压力加工锡青铜主要用于弹性件和耐磨件；铸造锡青铜主要用于要求强度高，耐磨性、耐蚀性好的零件，如轴套、齿轮、蜗轮等。 铝青铜比锡青铜有更高的强度、硬度，良好的耐磨性、耐蚀性，且价格低，但铸造性能较差。 主要用于重要的弹性件、耐磨件，如弹簧、齿轮、轴套等。
3. 轴承合金 用来制造滑动轴承中轴瓦及轴瓦内衬的合金称为轴承合金。轴承合金除具有足够的强度、塑性外，还有良好的导热性、耐蚀性、耐磨性及磨合性，小的膨胀系数及摩擦因数，表面能储存润滑油等特点。
第四节非金属材料 一、塑料 1． 塑料的特性 密度是钢铁材料的1／8～1／4，有着良好的绝缘性，耐蚀性较好，比强度(强度／密度)高，可用普通的机械加工方法制造，也可用挤压、注射、胶粘等方法成型，具有优良的耐磨、减摩性能，吸震性和消声性也很好，耐热性不高、热导系数小、表面硬度低、容易老化等。
一、塑料 2. 塑料的分类及用途 按其用途可分为通用塑料和工程塑料；按树脂的性质分为热固性塑料和热塑性塑料。 (1) 聚氯乙烯(PVc)。硬质聚氯乙烯强度高，绝缘性、耐腐蚀性好，用于化工设备的衬里及制造储槽、离心泵、阀门管件等。 (2) 聚乙烯(PE)。低压高密度聚乙烯主要用于制造塑料管、管件及载荷齿轮，超高分子量聚乙烯的冲击韧度高，耐疲劳、耐磨性好。多用作减摩、耐磨传动件。 (3）聚丙烯(PP)。聚丙烯的强度高于聚乙烯，刚性、耐热性、耐蚀性和高频绝缘性好。多用于制造机械零件如法兰、齿轮、泵叶轮、汽车零件等。
2. 塑料的分类及用途 (4) 聚四氟乙烯(F－4)。聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，耐蚀性极好，能耐绝大多数的强酸、强碱、强氧化剂及溶剂等，有“塑料王”之称。主要用于减震耐磨件、密封件和耐蚀件，如填料、垫片和泵、阀等零件等。 (5) 聚酰胺(PA)。聚酰胺俗称尼龙，有高的强度和耐磨性，主要用作轴承、齿轮、高压密封圈等。 (6) ABS塑料。ABS塑料的韧性、耐热性、耐蚀性、加工工艺性，用于制造轴承、齿轮、叶片、管道、容器。
二、 橡胶 在较小的载荷下就能产生很大的变形，当去除载荷后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减震材料、传动材料。具有很高的可挠性、伸长率和良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸震以及与其他物质的黏结性等。橡胶主要用于制作轮胎，密封元件，各种胶管，橡胶弹簧，传动带，运输带, 电线、电缆、电工绝缘材料和制动件等。
三、合成纤维 纤维：保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料。 合成纤维：以石油、天然气、煤及农副产品等作为原料，经化学合成方法制造的化学纤维。
四、陶瓷 以天然硅酸盐或人工合成化合物为原料，经制粉、配料、成型、高温烧结而成的无机化合物。 1. 陶瓷的性能 1) 力学性能 在外力作用下只产生弹性变形，且变形量小。特种陶瓷的强度高、硬度大、耐磨性好。 2） 物理性能 线膨胀系数小，热导率小，良好的保温性能。抗急冷、急热能力较差，常在热冲击下被破坏，是传统的绝缘材料。 3） 化学性能 不会氧化，可在酸、碱、盐，强腐蚀的工况中应用。
2. 陶瓷的分类及应用 1） 普通陶瓷 普通陶瓷是指黏土类陶瓷，由黏土、长石、石英按一定配比，并经烧制而成，其性能取决于三种原料的纯度、粒度与比例。 2)特种陶瓷 (1) 氧化铝陶瓷 以Al2O3为主要成分的陶瓷。熔点高、硬度高、强度高，具有良好的抗化学腐蚀能力和介电性能。但脆性大，抗冲击性能和抗热振性差，不能承受环境温度的剧烈变化。刚玉常用于旋流器的衬里。
2) 特种陶瓷 (2) 氮化硅陶瓷 化学性能稳定、耐磨性好、摩擦因数小、热膨胀系数小，本身具有润滑性；可用于耐磨、耐腐蚀的泵和阀、高温轴承、燃汽轮的转子叶片及金属切削工具。 (3) 碳化硅陶瓷 高温时强度高，具有很高的热传导能力，并耐磨、耐蚀、抗蠕变性能高。可用于火箭尾喷管的喷嘴。 (4) 氮化硼陶瓷 立方氮化硼的硬度与金刚石相近，是优良的耐磨材料，用于制作磨料和金属切削刀具。
第五节复合材料——玻璃钢 由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料。 玻璃钢：用玻璃纤维增强工程塑料基的复合材料。 玻璃纤维的性能特点：① 具有高的抗拉强度。② 耐热性低。③ 化学稳定性高。④ 脆性较大，价格便宜。热固性玻璃钢大约是用质量分数为60％～70％的玻璃纤维和30％～40％的热固性树脂复合而成。环氧树脂性能较好、应用最普遍。主要优点是成形工艺简单、质轻、比强度高、耐腐蚀，介电性高、电波穿透性好，与热塑性玻璃钢相比，耐热性更高一些。主要缺点是弹性模量低(只为钢的1／5～1／10)，刚性差，耐热温度不超过250 ℃，容易老化、容易蠕变。
第六节 耐磨材料 五种磨损形式的机理特点及实例
