3-1 金属材料的性能 基础
一、性能分类
| 类别 | 内容 | 工程意义 |
|---|---|---|
| 力学性能 | 强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度 | 决定零件承载能力与寿命，是选材首要依据 |
| 物理性能 | 密度、熔点、导电导热性、磁性、热膨胀 | 影响零件的重量、散热、仪表与电器性能 |
| 化学性能 | 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性 | 决定在腐蚀、高温环境中的适用性 |
| 工艺性能 | 铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性 | 决定制造难易与成本 |
二、力学性能指标
- 强度：抵抗塑性变形和断裂的能力，主要指标为屈服点 σs 与强度极限 σb（MPa）。
- 塑性：产生塑性变形而不断裂的能力，用伸长率 δ 和断面收缩率 ψ 表示。
- 硬度：表面抵抗局部压入（或划痕）的能力，反映耐磨性，也可间接估计强度。
- 冲击韧性：抵抗冲击载荷的能力，用冲击吸收功 AK（J）表示，低温时显著下降（冷脆）。
- 疲劳强度：在交变应力下抵抗疲劳破坏的能力，用疲劳极限 σ-1 表示。
三、三种常用硬度
| 硬度 | 压头 | 适用 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 布氏硬度 HBW | 硬质合金球 | 退火、正火、调质后的毛坯件 | 压痕大、数值稳定，不宜测薄件与成品 |
| 洛氏硬度 HRC | 金刚石圆锥 | 淬火钢、工具、成品件 | 压痕小、可直接测成品，最常用 |
| 维氏硬度 HV | 金刚石四棱锥 | 薄层、表面硬化层、显微组织 | 精度高，可测极薄层 |
注意
不同硬度标尺的数值不能直接比较大小，需查换算表。例如“HRC 45”与“HBW 45”完全不是同一个硬度水平。
3-2 钢铁材料 重点
一、碳素钢的分类
| 分类方式 | 类别 | 说明 |
|---|---|---|
| 按含碳量 | 低碳钢 | ωC ≤ 0.25%，塑性好、易焊接，如 Q235、20 钢 |
| 中碳钢 | 0.25%～0.60%，综合力学性能好，如 45 钢 | |
| 高碳钢 | ωC ＞ 0.60%，硬度高、耐磨，如 T10 | |
| 按质量 | 普通碳素钢 | S、P 含量较高（≤0.050%），如 Q235 |
| 优质碳素钢 | S、P ≤ 0.035%，如 45 | |
| 高级优质碳素钢 | S、P ≤ 0.030%，牌号后加 A，如 45A | |
| 按用途 | 结构钢 | 制造零件与工程结构 |
| 工具钢 | 制造刀具、量具、模具 | |
| 特殊性能钢 | 不锈钢、耐热钢、耐磨钢 |
二、常用牌号的含义
- Q235：屈服强度 σs ≥ 235 MPa 的普通碳素结构钢，用于型钢、钢板、焊接结构。
- 45：含碳量约 0.45% 的优质碳素结构钢，调质后综合力学性能好，用于轴、齿轮、连杆。
- T10：含碳量约 1.0% 的碳素工具钢，淬火后硬度高，用于手锯条、锉刀、量具。
- 20CrMnTi：合金渗碳钢，表面渗碳淬火后“表硬心韧”，用于汽车齿轮、凸轮。
- 60Si2Mn：合金弹簧钢，用于板弹簧、螺旋弹簧。
三、铸铁
| 牌号 | 名称 | 组织特点 | 用途 |
|---|---|---|---|
| HT200 | 灰铸铁 | 片状石墨，减振好、易切削，抗拉强度低 | 机床床身、箱体、底座 |
| QT600-3 | 球墨铸铁 | 球状石墨，强度接近钢，有一定韧性 | 曲轴、凸轮轴、齿轮 |
| KT350-10 | 可锻铸铁 | 团絮状石墨，韧性较好 | 薄壁复杂小件 |
牌号读法
HT200 中 “200” 是最小抗拉强度（MPa）；QT600-3 中 “600” 为抗拉强度、“3” 为伸长率（%）。铸铁牌号用强度表示，钢的牌号多用含碳量表示，这是两者的关键差别。
3-3 铁碳合金相图简析 选学
一、基本相与组织
| 名称 | 符号 | 含碳量 | 性能特点 |
|---|---|---|---|
| 铁素体 | F（α） | ≤0.0218% | 软、塑性好、强度低 |
| 奥氏体 | A（γ） | ≤2.11% | 塑性好、易加工，高温组织 |
| 渗碳体 | Fe3C | 6.69% | 硬而脆，是强化相 |
| 珠光体 | P | 0.77% | 铁素体与渗碳体交替排列，综合性能较好 |
| 莱氏体 | Ld | 4.3% | 奥氏体与渗碳体的共晶组织，硬脆 |
二、相图上的关键点与线
- 共析点 S：0.77% C、727 ℃，奥氏体在此同时析出铁素体与渗碳体，形成珠光体。
- 共晶点 C：4.3% C、1148 ℃，液相同时结晶出奥氏体与渗碳体（莱氏体）。
- E 点：2.11% C，是钢与铸铁的分界线。
- PSK 线（A1）：727 ℃ 共析转变线，是热处理加热温度的重要参考。
三、含碳量对组织与性能的影响
| 含碳量 | 组织（室温） | 性能变化 |
|---|---|---|
| ＜0.77%（亚共析钢） | F + P | 随碳量增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降 |
| = 0.77%（共析钢） | 全部 P | 强度较高，塑性中等 |
| 0.77%～2.11%（过共析钢） | P + Fe3CII | 硬度高、脆性大，用于工具钢 |
| ＞2.11%（铸铁） | 含莱氏体 | 硬脆，不能锻造，可铸造 |
为什么相图重要
相图给出了不同成分、不同温度下的组织状态，是制定锻造加热温度、退火/正火/淬火加热温度的理论依据。例如亚共析钢淬火加热到 A3 以上 30～50 ℃，共析钢、过共析钢则加热到 A1 以上 30～50 ℃。
3-4 钢的热处理 重点
一、热处理的作用
把钢加热到一定温度、保温一定时间、以一定方式冷却，以改变其内部组织、从而获得所需性能的工艺，称为热处理。热处理不改变零件形状，却能大幅提高强度、硬度、耐磨性和使用寿命。
二、四种基本热处理
| 工艺 | 加热温度 | 冷却方式 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 退火 | 亚共析钢 A3 以上 30～50 ℃（完全退火） | 炉冷，缓慢冷却 | 降低硬度便于切削、消除内应力、细化晶粒、改善组织 |
| 正火 | 同上 | 空气中冷却（比退火快） | 细化晶粒、提高强度硬度；常作预备热处理或低碳钢的最终处理 |
| 淬火 | 亚共析钢 A3 以上、过共析钢 A1 以上 30～50 ℃ | 水、油或盐浴中快冷 | 获得马氏体，大幅提高硬度和耐磨性 |
| 回火 | 淬火后立即加热至 A1 以下某温度 | 空冷 | 消除淬火应力、降低脆性、稳定组织，获得所需综合性能 |
三、三种回火
| 回火 | 温度 | 组织 | 性能与用途 |
|---|---|---|---|
| 低温回火 | 150～250 ℃ | 回火马氏体 | 保持高硬度高耐磨，用于刀具、量具、轴承、渗碳件 |
| 中温回火 | 350～500 ℃ | 回火托氏体 | 高弹性极限与屈服强度，用于弹簧、锻模 |
| 高温回火 | 500～650 ℃ | 回火索氏体 | 强度、塑性、韧性配合良好，用于轴、齿轮、连杆 |
调质
淬火 + 高温回火称为调质处理，是轴类、齿轮类零件最常用的热处理工艺，可获得良好的综合力学性能。
四、表面热处理与化学热处理
- 表面淬火：感应加热或火焰加热后立即喷水冷却，只使表层硬化，心部保持韧性。用于齿轮、凸轮、机床导轨。
- 渗碳：在含碳介质中加热（900～950 ℃），使表层增碳后再淬火，实现“表硬心韧”。用于承受冲击、磨损的齿轮、销轴（低碳钢或低碳合金钢）。
- 渗氮：在氨气中 500～570 ℃ 保温，表层形成硬而耐磨的氮化物层，变形小，用于精密齿轮、镗杆、模具。
淬火缺陷
变形与开裂（冷却过快、截面不均）、氧化脱碳（未保护加热）、软点（冷却不均）、过热过烧（加热温度过高）。淬火后必须及时回火，否则内应力大、极易开裂。
3-5 非铁金属 基础
一、铝及铝合金
铝密度小（约 2.7 g/cm³）、导电导热好、耐蚀，但强度低。通过合金化与强化处理可显著提高强度。
| 类别 | 牌号示例 | 特点与用途 |
|---|---|---|
| 纯铝 | 1060、1200 | 导电导热好，用于电线、散热器、包装 |
| 防锈铝 | 5A02（LF2） | 耐蚀、可焊，用于油箱、船舶结构 |
| 硬铝 | 2A12（LY12） | 强度高、可热处理强化，用于飞机蒙皮、铆钉 |
| 超硬铝 | 7A04（LC4） | 强度最高，用于航空受力件 |
| 锻铝 | 2A50（LD5） | 锻造性能好，用于形状复杂的锻件 |
二、铜及铜合金
- 纯铜（紫铜）：导电导热极好、塑性高，用于电线、电极、换热器。
- 黄铜（H）：铜锌合金，耐蚀、易加工，如 H62 用于轴套、散热管、装饰件。
- 青铜（Q）：铜锡等合金，耐磨、耐蚀、铸造性好，如 ZCuSn10P1 用于蜗轮、轴瓦。
- 白铜（B）：铜镍合金，耐蚀、电阻稳定，用于仪表、硬币、热交换器。
三、轴承合金与其他
- 轴承合金（巴氏合金）：如 ZSnSb11Cu6，摩擦因数小、嵌藏性好、易跑合，用于高速重载滑动轴承轴瓦，但强度低需浇铸在钢瓦背上。
- 钛及钛合金：比强度高、耐蚀优异，用于航空、化工、医疗器械，但切削加工性差、成本高。
- 镁合金：最轻的工程金属，用于汽车、电子外壳，耐蚀性差需表面处理。
3-6 常用非金属材料 选学
一、塑料
| 类型 | 特点 | 典型品种与用途 |
|---|---|---|
| 热塑性塑料 | 受热软化、冷却硬化，可反复加工 | PE（管材、薄膜）、PVC（型材、管件）、ABS（外壳）、PA 尼龙（齿轮、轴套） |
| 热固性塑料 | 固化后不再软化，耐热性好、刚性大 | 酚醛（电器件）、环氧（粘接、覆铜板）、聚氨酯 |
工程塑料常用于制造减摩耐磨件（尼龙齿轮、聚甲醛轴套）、耐蚀件（PVC 管道）、绝缘件（电器外壳），优点是重量轻、易成形、免切削，缺点是耐热性差、易蠕变、导热差。
二、橡胶
高弹性、良好的减振与密封性能。天然橡胶弹性好；丁腈橡胶耐油，用于油封；硅橡胶耐高低温；氟橡胶耐腐蚀。常用于密封圈、传动带、减振垫、轮胎。
三、陶瓷
硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀，但脆性大。工程陶瓷用于刀具（氧化铝、氮化硅）、轴承球、密封环、隔热件。
四、复合材料
- 玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）：比强度高、耐蚀、可整体成形，用于船体、储罐、罩壳。
- 碳纤维复合材料：比强度、比刚度极高，用于航空结构、赛车、高端体育器材。
- 金属基复合材料：如铝基碳化硅，用于活塞、制动盘，耐磨耐热。
选材思路
非金属材料多用于“以塑代钢”的轻量化、耐蚀、绝缘、减摩场合；但受限于耐热性、刚性、蠕变与老化，承受大载荷、高温的零件仍以金属材料为主。
3-7 新材料简介 选学
一、形状记忆合金
在特定温度下能恢复原有形状的合金，如 Ti-Ni 合金。用于管接头、温控元件、医疗器械（血管支架）、航天展开机构。
二、纳米材料
晶粒或结构尺寸在 1～100 nm 范围的材料，具有极高的比表面积与特殊性能（高强度、高活性、特殊电磁性能）。用于催化剂、传感器、高强度涂层、电池材料。
三、非晶合金（金属玻璃）
原子排列无序、无晶界，具有高强度、高弹性、优异软磁性能与耐蚀性，用于变压器铁芯、精密弹性元件、手机中框。
四、其他前沿材料
- 石墨烯：单原子层碳材料，强度极高、导电导热优异，用于散热膜、传感器、复合材料增强。
- 超导材料：低温下电阻为零，用于磁悬浮、核磁共振、超导输电。
- 增材制造（3D 打印）材料：钛合金粉末、光敏树脂、金属丝材，适合小批量、复杂结构件快速制造。
- 超硬材料：金刚石、立方氮化硼（CBN），用于刀具与磨具。
学习提示
本节为了解性内容，考试中多以选择、判断题出现，重点记住“材料名称—典型特性—典型用途”三者的对应关系。