第四章 常用机械工程材料
材料、信息和能源是现代科学技术的三大支柱。任何一项科学技术的发展，都需要解决相应的材料问题。在机械制造系统中，用以制造各种设备、产品的结构和零部件，以及各种加工用模具的材料，统称为机械工程材料，其中金属材料占主要地位（约80%左右）。进入20世纪以后，现代科学技术和生产飞速发展，新材料不断涌现，日前已形成一个规模庞大的材料体系。
本章将对各类机械工程材料进行讨论，重点介绍应用最广泛的金属材料，同时也将对非金属材料、复合材料及一些新型材料作简单介绍。
第一节 工程金属材料
机械制造工业上把金属材料分为两大部分：
1—出铁口 2—进料口 3—煤气出口 4—热风炉 ５—进风口 ６—出渣口
图4-1 高炉炼铁
1. 钢铁材料---铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）
2. 非铁金属材料---钢铁材料以外的所有金属及其合金（硬质合金、高温合金等特殊合金除外）。
金属材料中的钢铁材料工程性能比较优越，价格也较便宜，是应用最广泛的金属材料。
一、钢铁材料生产简介
（一）炼铁
炼铁的主要原料有铁矿石、焦炭和石灰石。炼铁的本质是将铁矿石中的氧化铁还原为铁，并同其它元素的化合物相分离。炼铁的主要设备是高炉，如图4-1所示。冶炼时，炉料不断从进料口2加入高炉内，空气经热风炉
４预热后由进风口5进入炉中，炉料充满高炉
并不断下降，进入炉中的空气与之发生化学反
应，生成气体组成炉气沿炉料缝隙上升，经煤气出口3排出并回收，还原生成的铁水下沉，其中溶有碳、硅、锰、硫、磷等元素，同时焦炭燃烧后形成的灰粉及矿石中的废石也与铁混在一起。当加入石灰石后，通过造渣反应，使灰粉、废石等反应生成熔点较低、密度较小的熔渣，浮在铁液上面。冶炼一定时间后，打开出渣口6将熔渣排出，再打开出铁口1出铁。
高炉冶炼的铁不是纯铁，而是含有碳、硅、锰、硫、磷等元素的合金，称为生铁。生铁按硅含量分为炼钢生铁（Wsi<1.25%，主要用于炼钢）和铸造生铁（Wsi=1.25～3.2%,主要用于铸造）。
（二）炼钢
钢和生铁最主要的区别在于碳含量不同，钢中的碳含量低于2.11%。
炼钢的实质就是利用氧化的方法大幅度降低生铁中的含碳量，同时氧化清除生铁中的硅、锰、硫、磷等杂质，使其化学成份达到标准规定的要求。根据炼钢设备的不同，目前主要有转炉炼钢法、电炉炼钢法等几种炼钢方法。炼好的钢常浇注成钢锭或连铸成钢坯，按炼钢脱氧过程中脱氧是否完全把钢分为镇静钢和沸腾钢。
二、钢铁材料的分类及应用
根据国际标准ISO4908/1，钢按其化学成分可以分为非合金钢、低合金钢和合金钢。根据国际标准ISO4948/2，按主要质量等级及使用特性和主要性能又可以将钢分类为:
(一) 碳素钢
碳素钢简称碳钢，是含碳量小于2.11%的以铁为基的铁碳合金。从理论上讲，碳钢就是第二章中讲到的亚共析钢、共析钢和过共析钢。碳钢中除主要成份铁、碳外，实际生产中应用的碳钢还含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质元素，这些元素对碳钢的性能及质量有很大影响。
1.常存元素对碳钢性能的影响
(1) 硅和锰 在炼铁、炼钢的生产过程中，由于原料中存在硅、锰以及使用硅、锰作为脱氧剂，使碳钢中常含有少量的硅、锰元素，当硅和锰在碳钢中的含量较小时（WSi<0.4% ，WMn<1.2%），能溶于铁素体，产生固溶强化作用，使碳钢的强度和硬度增高。因此，一般来说，硅和锰在钢中是两种有益的元素。
(2) 硫 硫在碳钢中几乎不溶于铁，而以FeS形式存在，FeS与Fe形成低熔点的共晶体（熔点为985℃），分布在奥氏体晶界上。当钢件在1000～1200℃进行热加工时，共晶体熔化，使晶粒脱开，所以钢变得很脆，这种在高温下的脆性现象称作热脆性。因此，硫在碳钢中是有害杂质元素。
(3) 磷 磷的存在使
钢在结晶时容易产生偏析现象，并且当磷溶于铁素体中时，会使室温下钢的塑性、韧性急剧下降，使钢呈现脆性，这种现象称作冷脆性。因此，磷在碳钢中也是有害杂质元素。
2.碳素钢的分类、牌号和用途
（1）碳素钢的分类
按钢中的含碳量分： 低碳钢：C≤0.25%
中碳钢：0.25%
高碳钢：C>0.6%
按钢中硫、磷的含量分：普通碳素钢：S≤0.055% P≤0.045%
优质碳素钢：S≤0.040% P≤0.040%
高级优质碳素钢：S≤0.030% P≤0.035%
按钢的用途分：碳素结构钢
优质碳素结构钢
碳素工具钢
铸造碳钢
生产中碳素钢的分类经常选用的是按其用途划分的方法。
（2）碳素钢的牌号和用途
碳素钢的种类很多，为了便于生产、管理和使用，必须对各种碳钢进行统一编号。
A.碳素结构钢
碳素结构钢的牌号是由Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分自左向右顺序组成。
Q---“屈”字汉语拼音字首
A、B、C、D---质量等级符号，从左至右，质量依次提高
F、b、Z、TZ---依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢
例如Q235—A•F表示屈服点为235Mpa、质量为A 级的沸腾钢。
碳素结构钢约占钢材总产量的70%左右，含碳量较低（小于0.38%），硫、磷元素含量的限制较宽，总的性能特点是硬度较低、塑性较好，广泛应用于机械制造的各个领域。
碳素结构钢也可以在冷变形后使用。如汽车制造中使用的大量冲压钢板，食品工业中使用的大量镀锌、镀锡钢板，日常生活中使用的各种搪瓷制品等。经冷变形后的材料不仅表面质量好，而且性能也大大提高。
在受力不大，性能要求不高的情况下，这类钢还可以经锻造、机械加工、热处理后制成各种零件（如齿轮、轴、螺栓等）。
常用碳素结构钢牌号、化学成份、力学性能及用途如表4-1所示。表中数据摘自GB700-88。
碳素结构钢可以在热加工后直接使用，如广泛用于建筑、桥梁、造船、大型容器的各种型材（槽钢、工字钢、角钢等）都是经热轧后不再经过热处理而直接使用。为了提高这类钢材的强度，通常还可以在冶炼时加入少量的其它元素，如Cu 、Ti 、V、 Mn等。
表4-1 常用碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途
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牌号
|
等级
|
化学成份/（%）
|
脱 氧
方 法
|
力学性能
|
应用举例
|
|
C
|
S
|
P
|
σS/Mpa
Φ﹥40～60㎜
|
σb/MPa
|
δ5/(%)
Φ﹥40～60㎜
|
|
Q195
|
一
|
0.06～0.12
|
≤0.050
|
≤0.045
|
F, b, Z
|
_
|
315～390
|
_
|
承受载荷不大的金属结构件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件及焊接件
|
|
Q215
|
A
|
0.09～0.15
|
≤0.050
|
≤0.045
|
F, b, Z
|
195
|
335～410
|
29
|
|
B
|
≤0.045
|
|
Q235
|
A
|
0.14～0.22
|
≤0.050
|
≤0.045
|
F, b,Z
|
215
|
275～460
|
24
|
金属结构件、钢板、钢筋、型钢、螺栓、螺母、短轴、心轴Q235C、D可用作重要焊接结构件
|
|
B
|
0.12～0.20
|
≤0.045
|
|
C
|
≤0.18
|
≤0.040
|
≤0.040
|
Z
|
|
D
|
≤0.17
|
≤0.035
|
≤0.035
|
TZ
|
|
Q255
|
A
|
0.18～0.28
|
≤0.050
|
0.045
|
Z
|
235
|
410～510
|
22
|
强度较高，用于制造承受中等载荷的零件如键、销、转轴、拉杆、链轮、链环片等
|
|
B
|
≤0.045
|
|
Q275
|
|
0.2～0.38
|
≤0.050
|
≤0.045
|
Z
|
255
|
490～610
|
18
|
B．优质碳素结构钢
根据化学成份不同，优质碳素结构钢又分作正常含锰量钢和较高含锰量钢两种。正常含锰量的优质碳素结构钢的牌号以两位数字表示。数字表示钢中平均含碳量的万分数。例如“08”表示平均含碳量是0.08%的优质碳素结构钢，“45” 表示平均含碳量是0.45%的优质碳素结构钢。
较高含锰量的优质碳素结构钢的牌号则在两位数字后面
加“Mn”。例如“65Mn”表示平均含碳量是0.65%的较高含锰量的优质碳素结构钢。
优质碳素结构钢中的硫、磷含量较少、质量较优，从而保证具有较好的力学性能，所以常用来制作较为重要的零件，如齿轮、连杆、轴等。较高含锰量的优质碳素结构钢，受锰元素的有益影响，更适合于制做载面尺寸较大或强度要求较高的零件。
常用优质碳素结构钢的牌号、化学成份、力学性能及用途如表4-2所示。表中数据摘自GB11352-89。
表4-2 优质碳素结构钢的牌号、化学成份、力学性能及用途
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钢号
|
含碳量（%）
|
力学性能
|
应用举例
|
|
σb
（MPa）
|
σS
（MPa）
|
δ5
（%）
|
ψ
（%）
|
HBS
|
|
热轧
|
退火
|
|
不大于
|
|
10
|
0.07～0.14
|
335
|
205
|
31
|
55
|
137
|
—
|
钢板、钢带、钢丝、型材等
|
|
20
|
0.17～0.24
|
410
|
245
|
25
|
55
|
156
|
—
|
拉杆、轴套、螺钉、渗碳件（如链条、齿轮）
|
|
45
|
0.42～0.50
|
600
|
355
|
16
|
40
|
229
|
197
|
蒸气涡轮机、压缩机、泵的运动零件以及齿轮、轴、活塞等
|
|
65
|
0.62～0.70
|
695
|
410
|
10
|
30
|
255
|
229
|
用于制造弹簧圈、轴、轧辊及钢丝绳等
|
|
20Mn
|
0.17～0.24
|
430
|
275
|
24
|
50
|
197
|
—
|
应用范围基本等同于相对应的普通锰含量钢，但因淬透性和强度高，可用于制做截面尺寸较大或强度要求较高的零件
|
|
45Mn
|
0.42～0.50
|
620
|
375
|
15
|
40
|
241
|
217
|
|
65Mn
|
0.62～0.70
|
735
|
430
|
9
|
30
|
285
|
229
|
C．碳素工具钢
碳素工具钢的牌号以“T”（碳字的汉语拼音字首）加数字来表示。数字表示钢中平均含碳量的千分数，若为高级优质碳素工具钢，则在数字后面加上“A”。例如“T8A”表示平均含碳量是0.8％高级优质碳素工具钢。
碳素工具钢Wc＝0.65%～1.35%。这类钢材均以退火状态供货，以便用户切削加工。由于这类钢材的淬透性不高，并在250℃左右就失去高硬度，所以这类钢材的工作温度一般不超过200℃。因此，碳素工具钢只适宜制作一些小型、形状简单且转速不高的工具，如鎯头、丝锥、板牙等。
常用碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能及用途如表4-3所示。表中数据摘自GB1298-86。
表4-3 碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能及用途
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钢号
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含碳量（％）
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硬度
|
应 用 举 例
|
|
供应状态
|
淬火后
|
|
HBS不大于
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HRC不小于
|
|
T8，T8A
|
0.75～0.84
|
187
|
62
|
适于做承受冲击、硬度适当、具有一定韧性的工具，如冲头、扁铲、改锥及木工工具等。
|
|
T10，T10A
|
0.95～1.04
|
197
|
62
|
适于做不受剧烈冲击、要求较高硬度的工具，如冲模、丝锥、板牙等。
|
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T12，T12A
|
1.15～1.24
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207
|
62
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适于做不受冲击、要求硬度高、极耐磨的工具，如锉刀、丝锥、刮刀、拉丝模、量具等。
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D．铸造碳钢
铸造碳钢的牌号以“铸钢“二字的汉语拼音字首“ZG”与其后的两组数字构成。第一组数字表示厚度为100mm以下的铸件的室温屈服强度；第二组数字表示该铸件的抗拉强度。例如ZG200－400，表示σS=200MPa，σb=400MPa的铸造碳钢。
铸造碳钢的组织粗大、致密度低、强度和塑性也低，必须经完全退火或正火处理以改善其性能，必要时还需进行扩散退火，以消除或减轻其成分和组织偏析。
铸造碳钢多用于制造形状复杂、尺寸较大、机械性能要求较高、难以用锻压方法成形的零件，如机座、联轴器、变速箱壳等。例如，ZG270-500有较高的强度和较好的塑性，铸造性良好，焊接性较好，切削加工性好，可用作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等。
