2.2　常用机械工程材料

2.2.1　机械工程材料的分类

机械工程材料分为金属材料和非金属材料两大类。

金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质，如铁、铝和铜等。金属材料是以金属元素或以金属为主要材料，并具有金属特性的工程材料。金属材料包括纯金属和合金两类。

纯金属在工业生产中虽然具有一定的用途，但是由于它的强度、硬度一般都较低，而且冶炼难度大、价格较高，因此在使用上受到很大的限制。目前，在工业生产中广泛使用的是合金状态的金属材料。

合金是一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，通过熔炼或其它方法结合的具有金属特性的物质。例如，普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。与组成合金的纯金属相比，合金除具有更好的力学性能外，还可用调整组成元素之间比例的方法，获得一系列性能各不相同的合金，从而满足工业生产上不同的性能要求。

金属材料又可分为黑色金属和有色金属两大类。以铁或以铁为主而形成的金属，称为黑色金属，如钢和铸铁。除黑色金属以外的其它金属，称为有色金属，如铜、铝、镁、锌等。

2.2.2　钢材

钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2%以下，并含有其它元素的材料。随着钢中碳的质量分数、合金元素的种类及其质量分数的不同，其力学性能会不相同。一般来讲，随着钢中碳的质量分数的增加，钢的塑性和韧性减低，强度与硬度增高。合金元素对钢性能的影响比较复杂。

（1）钢的分类

钢的分类方法很多，常用的有以下三种。

①按化学成分，可分为碳素钢和合金钢两类。

a.碳素钢，按碳质量分数大小又可分为低碳钢（ωC≤0.25%）、中碳钢（0.25%<ωC≤0.6%）和高碳钢（ωC>0.6%）三种。

b.合金钢，按合金元素质量分数多少可分为低合金钢（ωE≤5%）、中合金钢（5%<ωE≤10%）和高合金钢（ωE>10%）三种。

②按钢中含有有害杂质磷（P）或硫（S）的质量分数分类。

a.普通钢，ωP≤0.045%，ωS≤0.05%。

b.优质钢，ωP≤0.035%，ωS≤0.035%。

c.高级优质钢，ωP≤0.03%，ωS≤0.03%。

③按钢的用途分类

a.结构钢。结构钢具有较高的强度和塑性，综合力学性能较好，主要用于工程结构件和制造机械零件，是钢材中用量最大的钢种。如角钢、槽钢及各类型材广泛应用于桥梁、建筑、铁道等行业；板材、棒材等用于制造轴类、齿轮、弹簧、轴承等零件。常用的结构钢材料有Q235、16Mn、20CrMnTi、40、45、40Cr、55Si2Mn、60Si2Mn、GCr15等。

b.工具钢。工具钢具有高硬度、高强度的力学性能，用于制作加工各种材料的刀具、工具和量具。如实训中使用的锉刀、钻头、游标卡尺等均由工具钢制作。常用的工具钢材料有T8或T8A、T10或T10A、T12或T12A、9SiCr、CrWMn、C12MoV、3Cr2W8V、5CrMnMo、5CrNiMo、W18Cr4V等。

c.特殊性能钢。这类钢具有特殊的物理性能、化学性能及使用性能等，主要用于制作在特殊环境、特定条件下工作的零件。如用于防腐蚀的不锈耐酸钢，用于制造热处理炉底板的耐热钢，航空上使用的超高强度钢，耐磨性较好的铁路道岔、碎石机等。常用的特殊性能钢材料有：1Cr13、2Cr13、1Cr17、3Cr13Mo、1Cr18Ni9Ti等。

常用钢材的分类及典型牌号，如图2-9所示。

（2）钢的牌号及用途

①碳素钢

a.碳素结构钢。它的牌号是由屈服点的“屈”字汉语拼音首位字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号按顺序组成。如Q235-AF，“Q”表示屈服点，“235”表示屈服点数值为σs=235MPa，“A”表示质量等级，“F”表示脱氧方法。质量等级按A、B、C、D顺序逐渐提高；F—沸腾钢；B—半镇静钢；Z—镇静钢；TZ—特殊镇静钢；在牌号中Z、TZ符号予以省略。碳素结构钢中的有害杂质和非金属夹杂物较多。主要用来制造一般工程结构和普通机械零件，通常轧制成各种型材，如圆钢、钢板、角钢和工字钢等。

b.优质碳素结构钢。它的牌号是用两位数字表示，这两位数字以名义万分数表示钢中碳的平均质量分数。如45钢和08钢分别表示平均ωC=0.45%和ωC=0.08%的优质碳素结构钢。若为沸腾钢，则在牌号后加“F”符号，如08F。若较高含锰量的优质碳素结构钢，则在数字后加“Mn”符号，如15Mn、45Mn等。优质碳素结构钢主要用来制造比较重要的机器零件，如轴、连杆、弹簧等。

c.碳素工具钢。它的牌号是用符号“T”（“碳”字的汉语拼音前缀）和数字表示。数字以名义千分数表示碳的平均质量分数，若为高级优质碳素工具钢则在牌号后加符号“A”。如T10A钢，表示平均ωC=1.0%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢因价格便宜，易刃磨，故使用范围较广。多用于制造工作在不受冲击、低速切削的高硬度、耐磨的工具，如锉刀、手锯条、拉丝模等。

②合金钢

a.低合金高强度结构钢。它的牌号是由屈服点的“屈”字汉语拼音首位字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号按顺序组成。如Q390A，“Q”表示屈服点，“390”表示屈服点数值为σs=390MPa。“A”表示质量等级。目前已大量用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。

b.合金结构钢。它的牌号是由“两位数字+化学元素符号+数字”表示。前面两位数字以名义万分数表示碳的平均质量分数，中间的元素符号表示合金钢中所含的合金元素，元素后面的数字表示合金元素平均质量分数（%），若合金元素平均质量分数小于1.5%时，牌号中只标明元素，不标出含量；当其平均质量分数为1.5%，2.5%，3.5%，…时，则元素符号后相应标出2，3，4，…。如15Cr钢，表示合金钢中平均ωC=0.15%、平均ωCr<1.5%，故只标元素，不标含量。又如60Si2Mn，表示平均ωC=6.0%、平均ωSi=2.0%、平均ωMn<1.5%的锰钢。合金结构钢常用来制造重要的机器零件，如齿轮、活塞、压力容器等。

c.合金工具钢。它的牌号组成和合金结构钢相似，只是最前面的数字以名义千分数表示碳的平均质量分数，且当平均ωC≥1.0%时，不标明数字。如高速钢牌号W18Cr4V，表示平均ωC≥1.0%，平均ωW=18%，平均ωCr=4%，平均ωV<1.5%的合金工具钢。合金工具钢主要用来制造在高速、高温条件下工作的刃具，量具、模具等，如钻头、铰刀、量块和冲模等。

d.特殊性能钢。特殊性能钢牌号的命名规定与合金工具钢类似，也是以碳的质量分数的千分之几来表示含碳量。生产中，常根据工作条件的特殊性来选用相应的特殊钢。

③铸钢。铸钢中应用最多的是中碳铸钢，占铸钢件的80%以上。它除具有良好的铸造性能以外，还具有良好的综合机械性能和切削性能，因此常用来制造飞轮、机架、液压缸等。铸钢的牌号是用符号“ZG”和两组数字表示，其中“ZG”是“铸钢”二字汉语拼音前缀，第一组数字表示最低屈服强度值，第二组数字表示最低抗拉强度值。例如ZG200-400，表示σs≥200MPa，σb≥400MPa的铸造碳钢。

2.2.3　铸铁

铸铁是工业上广泛应用的一种铸造合金材料，与钢比较，其力学性能较差，但由于其具有良好的铸造性、耐磨性、消振性、切削加工性能、低的缺口敏感性以及生产工艺简单、成本低廉等特点，而被广泛应用于机械制造中，如制作机床床身、导轨、轴承座等。铸铁中运用最广的是灰铸铁，如HT150、HT200等，其它类型的铸铁有可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能（耐磨、耐热、耐蚀）铸铁。

铸铁是指ωC>2.11%、杂质含量比钢多的铁碳合金。工业上常用铸铁的化学成分一般是：ωC=2.5%～4.0%，ωSi=1.0%～3.0%，ωMn=0.5%～1.4%，ωS≤0.15%，ωP≤0.2%。有时为了提高铸铁的性能，还需要加入Cr、Cu、Mo、V等合金元素，制成合金铸铁，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。铸铁由于具有优良的铸造性能，切削加工性能、减摩性和减振性，而且熔炼工艺与设备比较简单，成本低廉，因而应用广泛。铸铁件占铸件总产量的80%左右，如机床床身、箱体、阀体等。

碳在铸铁中主要是以石墨形式存在，按铸铁中石墨形态的不同，铸铁可分为五种，其中四种铸铁的石墨形态，如图2-10所示。

①白口铸铁　白口铸铁碳主要以渗碳体Fe3C形式存在，断口呈银白色。白口铸铁硬而脆，难以加工，主要做炼钢的原料，很少用来制造零件。但有时利用其硬度高、耐磨性好的优点制造某些耐磨零件。

②灰铸铁　灰铸铁碳主要以片状石墨形态存在，见图2-10（a），断口呈灰色，在铸铁中应用最广。灰铸铁的显微组织是由金属基体和片状石墨组成。根据基体组织的不同，灰铸铁可分为珠光体灰铸铁、珠光体-铁素体灰铸铁以及铁素体灰铸铁三种，其中珠光体-铁素体灰铸铁应用最广。

灰铸铁中由于碳主要以片状石墨形式存在，如同在钢的基体中分布着大量裂纹和孔洞一样，起了割裂作用，减小了基体的有效承载面积。同时，片状石墨端部易引起应力集中，因而使灰铸铁的抗拉强度低，塑性、韧性很差。但由于石墨本身具有良好的润滑性，且还可以吸附储存润滑油，使摩擦面保持油膜连续不断，故耐磨性能好。石墨的存在还能阻止振动能量的传播，故减振性能好、缺口的敏感性小。灰铸铁由于流动性好，收缩性极小，故铸造性能很好。由于石墨存在，切削时易断屑，石墨又起到润滑作用，因此具有良好的切削加工性能。灰铸铁的塑性、韧性很低，故不能进行锻造，同时灰铸铁的焊接性很差，热处理性能也差。

灰铸铁的牌号以符号“HT”加三位数字来表示。其中“HT”为“灰铁”的汉语拼音前缀，后面三位数字表示试样的最低抗拉强度值（MPa），如HT100、HT200等。灰铸铁壁厚敏感性大，因而只适用于受力不大或冲击载荷很小、形状复杂、需要减振、耐磨性好的中小型铸件。

③球墨铸铁　如果在碳、硅含量稍高的铁液内加入适量的球化剂（如稀土镁合金）和孕育剂（如硅铁）进行球化处理和孕育处理，促进石墨球状结晶，就可得到球墨铸铁。球墨铸铁中的碳全部或大部分呈球状石墨形态存在，如图2-10（b）所示。

球墨铸铁的牌号是以“球铁”的汉语拼音前缀“QT”及其后面的两组数字表示，两组数字分别表示其最低抗拉强度值和伸长率。如QT400-15，表示σb≥400MPa，δ≥15%的球墨铸铁。球墨铸铁的强度远远超过灰铸铁，甚至能与中碳钢媲美。球墨铸铁还有较高的疲劳极限和一定的塑性及冲击韧度，焊接性、热处理性能也比灰铸铁好。此外仍保持灰铸铁的优良性能，如良好的减振性、铸造性能、切削加工性能和较小的缺口敏感性。

目前，应用最广泛的是珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。珠光体球墨铸铁可以代替碳钢制造某些交变载荷较大和受摩擦的重要零件，如曲轴、连杆、凸轮和蜗轮副等。铁素体球墨铸铁的抗拉强度比珠光体球墨铸铁低，但塑性及冲击韧度高，力学性能优于可锻铸铁，我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机和农机上的一些零件。

由于球状石墨对铸铁基体的割裂作用减小到最低程度，因而通过热处理改变金属基体组织可以明显地改善球墨铸铁的力学性能，常采用的热处理方法有退火、正火、调质和等温淬火等。

④可锻铸铁　可锻铸铁中的碳主要以团絮状石墨形态存在，见图2-10（c）。它是用碳、硅含量较低的铁液先浇注成白口铸铁件，再将白口铸铁件在固态下经较长时间高温退火（50～70h），使渗碳体分解为团絮状石墨而成。由于石墨呈团絮状，对金属基体的割裂作用大大减轻，因而它同灰铸铁相比不但有较高的强度，而且有较好的塑性和韧性，可锻铸铁也因此而得名，其实它是不可锻造的。

可锻铸铁按退火方法的不同，可分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁，白心可锻铸铁在我国很少采用。可锻铸铁的牌号是以“可铁”的汉语拼音前缀“KT”及其后面两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度值和伸长率。若是黑心可锻铸铁则在“KT”后加符号“H”，珠光体可锻铸铁则加符号“Z”。如KTH300-06表示σb≥300MPa，δ≥6%的黑心可锻铸铁；KTZ550-04表示σb≥550MPa，δ≥4%的珠光体可锻铸铁。

可锻铸铁的力学性能优于灰铸铁，但由于其生产过程较为复杂，退火周期长，铸件成本较高，所以主要适于制造一些形状复杂而又经受振动、性能要求较高的零件，特别是壁厚小于25mm的薄壁零件。因为这些零件若用灰铸铁制造，则韧性不足；若用铸钢，则由于铸造性能不良，不易保证质量。

⑤蠕墨铸铁　蠕墨铸铁是近十几年来新发展的一种铸铁。它是在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂（如镁钛合金等）和孕育剂，从而获得石墨形态介于片状和球状之间、形似蠕虫状石墨的铸铁，见图2-10（d）。由于蠕墨铸铁中的石墨形似蠕虫状，即石墨片的长与厚之比较小（一般为2～10），其端部圆钝，对基体的割裂作用小，因此它的抗拉强度和屈服强度都很好，且有一定的韧性和较高的耐磨性以及较好的导热性和铸造性能，兼有灰铸铁和球墨铸铁的某些优点，常用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和黑心可锻铸铁，制造复杂的大型铸件。

2.2.4　有色金属材料

有色金属材料中运用最广的是铝及铝合金、铜及铜合金。

①铝及铝合金　纯铝主要用于熔炼铝合金、制造电线以及要求具有导热、耐腐蚀的器具等。铝合金是在纯铝中加入铜、锌、镁等合金元素配制而成的。铝合金除保持纯铝密度小、抗腐蚀性能好的特点外，还具有较高的力学性能，经热处理后铝合金的强度甚至可以和钢铁材料相媲美，因此，铝合金常用于制作各种型材、骨架、铆钉及日常生活用品。常用的铝合金有两类：形变铝合金，包括防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）和锻铝（LD），如LF5、LY12、LC4、LD7等，如其中LF5可以解释为5号防锈铝；铸造铝合金，其牌号由字母“ZL”+3位数字组成，第1位数字表示类别（1-铝硅系、2-铝铜系、3-铝镁系、4-铝锌系），后两位数字表示顺序号，如ZL301是指1号铝镁系铸造铝合金。

②铜及铜合金　纯铜又称紫铜，具有优良的导电导热性，工业中主要用作导体和配制合金。

黄铜是指以铜和锌为主的铜合金，其力学性能较好，用于制作散热、抗腐蚀等零件，如H80、H62、HPb59-1。

白铜是指以铜和镍为主的铜合金，主要用于制造精密机械零件、电器组件、装饰器件等，如B19、BZn。

青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金，含有锡、铝、硅、锰、铍、铅等元素，其中铜锡合金称为锡青铜，其它的称为无锡青铜，用于制作耐磨、抗蚀零件，如滑动轴承、齿轮、轴套等，如QSn4-3、QBe2、QAl9-4。

2.2.5　非金属材料

在机械工程中常用的非金属材料主要有橡胶、塑料、陶瓷材料、胶黏剂及复合材料等，它们已经成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。

①橡胶　橡胶是以高聚物为基础的高分子材料。具有弹性好、抗折、耐磨、可塑性和加工工艺性能好的优点，但易老化，耐热性和热稳定性差，耐碱不耐强酸，耐油、耐溶剂性能差等缺点。广泛用于制作轮胎、胶带、胶管、密封件等橡胶制品。

②塑料　塑料是以合成树脂为主要原料，加入各种改善性能的添加剂，在一定温度和压力的条件下，塑制成形的高分子材料。塑料是机械制造和日常生活中常用的一种非金属材料，种类很多，具有密度小、耐腐蚀、电绝缘性能好、透明度高、力学性能较高的特点。如聚氯乙烯（PVC）可代替铜、铝、不锈钢等，用于制作耐腐蚀设备和零件；尼龙（聚酰胺PA）、ABS塑料由于疲劳强度和刚性较高、耐磨性好的特点，用于制作齿轮等传动件。

③陶瓷材料　陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，包括陶器、瓷器、玻璃、搪瓷、耐火材料等。陶瓷的优点是硬度很大、抗压强度高、耐高温、抗氧化、耐磨、耐蚀等。缺点是质脆易碎，延展性差，经不起急冷急热的温度突然变化。陶瓷材料最突出的特点是其具有极好的耐热性能、绝缘性能和抗蚀性能。如三氧二铝（刚玉）陶瓷材料可耐高温1700℃，氮化硅和氮化硼陶瓷材料的硬度接近金刚石，是比硬质合金更优良的刀具材料。

常用陶瓷材料分为两大类：普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷是由黏土、长石、石英等天然原料，经粉碎、制坯、烧结等工序以获得所需的性能和形状的制品。按应用范围又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷和电器绝缘陶瓷。特种陶瓷是用人工化合物为原料，如氧化物、氮化物、硅化物等，采用烧结工艺制成的具有各种特殊的力学、物理或化学性能的陶瓷。特种陶瓷按应用范围又可分为压电陶瓷、磁性陶瓷、电光陶瓷、高温陶瓷、电容陶瓷等，它们主要用于化工、电子、冶金、机械、宇航、火箭和能源工业等。

④胶黏剂　胶黏剂又称粘接剂，主要用于胶接物体。胶黏剂一般是由几种组分混合而成，常以高聚物为基料，添加固化剂、填料、溶剂等配制而成，如环氧胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、酚醛胶黏剂等。胶黏剂在工业中应用很广，如人造木、书籍装订、器件破损修补、密封等均使用胶黏剂。

⑤复合材料　复合材料是由两种或两种以上的化学性质不同的材料经人工合成获得的新型材料。通常是以其中某一组成物（金属或非金属）为基体，而另一组成物是增强材料，用以提高强度或韧性等。复合后的材料既保持了各组分材料的特点，又可使各组分之间取长补短、互相协调，获得一种综合性能优良的新型材料。人们不仅可复合出质轻、强度高、力学性能好的结构材料，也能复合出具有耐磨、耐蚀、导热或绝热、导电、隔声、减振、吸波、抗高能粒子辐射等一系列特殊的功能材料。