知识点三 工程材料《机械基础》河南省（对口招生）机械类 知识点讲解

河南省（对口招生）机械类《机械基础》 知识点讲解 三、工程材料 【课程要求】 1. 掌握工程材料四大分类，理解各类材料的基本特点与应用领域。 2. 熟练掌握金属材料的力学性能（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳），理解指标、测试方法及工程意义。 3. 掌握金属工艺性能（铸造、压力加工、焊接、切削）的含义及选材应用。 4. 熟记铁碳合金分类（钢、铸铁）及五大基本组织的符号、结构与性能。 5. 熟练掌握碳素钢、合金钢、铸铁的牌号、成分、性能及典型用途。 6. 掌握热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、调质、表面淬火、渗碳、渗氮）的目的、应用。 7. 掌握常用非铁金属（铝、铜、轴承合金）及粉末冶金的性能与用途。 8. 了解高分子、陶瓷、复合材料的组成、特点及应用。 【知识网络】 【知识要点】 知识点1 工程材料概述 1.四大分类 1　 金属材料：钢铁、有色金属。综合性能好，用量最大、应用范围最广。各类机械中，金属材料占90%以上。 2　 陶瓷材料：无机非金属，耐高温、高硬度。 3　 有机高分子材料：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂。质轻、 耐腐蚀，常用于化工、机械、航空航天等。 4　 复合材料：基体 + 增强体，性能可设计。轻、高的比强度、比刚度，结合两种材料的性能优点，用于航空航天等领域。 2.两大性能 使用性能： 1　 力学性能（强度、塑性韧性等） 2　 物理性能（光、热、电、磁等） 3　 化学性能（氧化、腐蚀等） 工艺性能： 1　 力学性能（强度、塑性韧性等） 2　 物理性能（光、热、电、磁等） 3　 化学性能（氧化、腐蚀等） 知识点2 金属材料性能 1.力学性能（使用性能） 1　 强度：强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。 指标：屈服强度、抗拉强度（单位：MPa）。 意义：强度越高，承载能力越强。 2　 塑性：塑性是金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力，衡量金属塑性变形的重要指标。 指标：伸长率 A、断面收缩率 Z。 — 伸长率 A：试件拉断后，工作段的残余伸长量△l与标距长度L0的比值代表试件拉断后塑性变形程度，称为材料的伸长率，用A表示。 — 断面收缩率 Z：试件断口处横截面面积的相对变化率称为断面收缩率，是反映材料断裂时截面收缩程度的指标。 意义：塑性好，易于冲压、锻造、弯曲。 3　 硬度：硬度是评价材料局部抵抗硬物压入其表面能力的指标，通过硬度计测试得出，反映了材料的软硬程度。 测试： — 布氏 HBW（铸铁、软钢）：通过钢球压入金属表面后测量压痕直径来评估，适用于铸铁、非铁合金及退火、调质钢材，不适用于过硬、过小或过薄工件。 — 洛氏 HRC（淬火件）：利用金刚石圆锥体或钢球压入材料表面，通过压痕深度计算硬度，分为HRA、HRB、HRC三种标度，适用于小型或布氏硬度大于450的样品。 — 维氏 HV（薄层、刀具）：通过金刚石压头压入材料表面，测量压痕对角线长度计算硬度，分小负荷和显微两种，适用于大工件、深表层及薄工件、工具表面或镀层。 4　 韧性：韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力；韧性越好，则发生脆性断裂的的可能性越小。 测试：冲击韧度试验。 意义：防止脆断，用于齿轮、轴、连杆。 5　 疲劳性能：交变载荷下抵抗断裂的能力 特点：应力低于屈服强度也会断裂，具有突发性。 2. 工艺性能 1　 铸造性能：流动性、收缩性，适合复杂件。铸造性能就是指反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点等。 2　 压力加工性能：轧制、锻造、冲压、挤压、拉拔。压力加工性能就是指金属材料在压力加工过程中成型的难易程度。 3　 焊接性能：易焊合、不易裂，低碳钢最好。又叫可焊性，一般是指两块相同或不同的金属材料，在局部加热到熔融状态下，能够牢固地焊合在一起的性能。 4　 切削性能：切削加工性能衡量了金属材料的加工难易程度，主要包括切削速度、表面粗糙度和刀具寿命。易切削、表面光洁，160–200 HBW 最佳。 知识点3 钢铁材料 1. 钢 定义：碳的质量分数介于0.02%～2.11%之间的铁碳合金的统称。 分类：包括钢和铸铁两大类。 钢：碳的质量分数0.0218%～2.11%C 铸铁：碳的质量分数＞2.11%C 2. 铁碳合金五大基本组织 铁素体（F）：C 溶于 α-Fe，体心立方，软、韧、塑性好。 奥氏体（A）：C 溶于 γ-Fe，面心立方，塑性极好，锻造加热组织。 渗碳体（Fe₃C）：金属化合物，硬、脆、耐磨。 珠光体（P）：F+Fe₃C 层片混合物，强度、硬度、塑性适中。 莱氏体（Ld/Ld'）：A+Fe₃C（高温）；P+Fe₃C（室温），高硬度、脆性大。 3. 工业用钢 （1）碳素结构钢（最常用） 牌号：Q235BF Q：屈服；235：强度；B：质量等级；F：沸腾钢。 用途：建筑、桥梁、钢板、型钢、螺栓、支架。 （2）优质碳素结构钢 牌号：两位数字表示万分之含碳量。 08F、10、20（低碳）：冲压、焊接、渗碳件。 45 钢（中碳）：轴、齿轮、键、销（最常用）。 60、65、70（高碳）：弹簧、钢丝。 （3）合金结构钢 在碳钢基础上加入 Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V 等。 用途：高强度结构、重要轴、齿轮、弹簧、轴承。 （4）合金工具钢 刃具钢、模具钢、量具钢。 特点：高硬度、高耐磨、红硬性（高速钢）。 2. 铸铁（Wc＞2.11%） （1）灰铸铁 HT 石墨：片状；减振、耐磨、易切削。 用途：机床床身、箱体、发动机缸体。 （2）球墨铸铁 QT 石墨：球状；强度高、韧性较好。 用途：曲轴、凸轮轴、齿轮。 （3）可锻铸铁 KT/KTH 石墨：团絮状；韧性较好。 用途：管件、阀门、壳体。 （4）蠕墨铸铁 RuT 石墨：蠕虫状；强度高、导热好。 用途：气缸盖、排气管、模具。 知识点4 金属材料的热处理 1. 基本概念 定义：将固态金属加热→保温→冷却，改变内部组织，获得所需性能。 目的：调整强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性，消除应力，改善切削性。 2. 整体热处理 （1）退火 工艺：加热 → 保温 → 随炉缓慢冷却。 目的：降低硬度、细化晶粒、均匀组织、消除内应力。 应用：铸件、锻件、焊接件、冲压件预处理。 （2）正火 工艺：加热 → 保温 → 空气中冷却。 目的：细化晶粒、提高强度硬度、改善切削加工性。 应用：低碳 / 中碳钢预处理，普通结构件最终热处理。 （3）淬火 工艺：加热 → 保温 → 快速冷却（水、油、盐水）。 目的：获得马氏体，显著提高硬度、强度、耐磨性。 应用：刀具、模具、轴承、齿轮、轴、冲头。 （4）回火 工艺：淬火后 → 加热到 Ac1 以下 → 保温 → 冷却。 目的：消除淬火应力、稳定尺寸、调整强韧性匹配。 低温回火：高硬度、高耐磨（刀具、轴承、量具）。 中温回火：高弹性极限（弹簧、弹片）。 高温回火：优良综合力学性能（轴、齿轮、连杆）。 （5）调质处理 定义：淬火 + 高温回火。 性能：强度、塑性、韧性良好配合。 应用：各类重要轴类、齿轮、曲轴、连杆、高强度螺栓。 3. 表面热处理 表面淬火 方式：感应加热、火焰加热。 特点：表面硬而耐磨，心部韧而抗冲击。 应用：齿轮、花键轴、机床导轨、曲轴、凸轮轴。 4. 化学热处理 （1）渗碳 工艺：低碳钢 → 加热并渗入碳原子 → 淬火 + 低温回火。 效果：表面高硬度、高耐磨，心部低碳高韧性。 应用：汽车齿轮、活塞销、凸轮轴、拨叉。 （2）渗氮 工艺：向表面渗入氮原子。 效果：极高硬度、极高耐磨、耐蚀、热硬性好。 应用：精密齿轮、丝杠、气门、阀门、模具。 知识点5 非铁金属 1. 铝及铝合金 定义：铝合金是以铝为基础，加入一种或几种其他元素(如铜、镁、硅、锰、锌等)构成的合金。 纯铝：密度小（2.7g/cm³）、导电导热、耐蚀、塑性好、强度低。 1xxx 系：纯铝，导电、导热、化工容器。 2xxx 系：硬铝，高强度，航空结构。 5xxx 系：防锈铝，耐蚀、船舶、车辆、油箱。 6xxx 系：锻铝，建筑型材、车架、结构件。 7xxx 系：超硬铝，飞机、高应力结构。 铝合金的热处理：铝合金常用的热处理方法有：退火，淬火加时效等。退火可消除铝合金的加工硬化，恢复其塑性变形能力，也可消除铝合金铸件的内应力和化学成分偏析。淬火加时效是铝合金强化的主要方法。 2. 铜及铜合金 纯铜（紫铜）：加工铜呈玫瑰红色，故俗称紫铜，又称电解铜。加工铜的熔点是1083℃，密度是8.91g/cm3，属于重金属。加工铜具有良好的导电性和导热性，而且无磁性。 黄铜 H：黄铜是指以铜为基体金属，以锌为主加元素的铜合金。Cu-Zn，H62、H68，散热器、阀门、螺母、螺钉。 青铜 Q：青铜是指以除锌和镍以外的合金元素为主添加元素的铜合金（或指除黄铜和白铜以外的铜合金）。QSn4-3、QAl9-4，轴承、蜗轮、齿轮、套。 白铜 B：是指以铜为基体金属，以镍为主加元素的铜合金。Cu-Ni，耐蚀、精密仪器、热电偶。 3. 滑动轴承合金 组织特点：软基体 + 均匀分布硬质点。 性能：减摩、耐磨、抗咬合、顺应性、嵌藏性、导热、耐蚀。 典型：锡基、铅基、铜基、铝基轴承合金。 4. 粉末冶金材料 工艺：制粉 → 混料 → 压制成形 → 烧结 → 后处理。 特点：精度高、材料利用率高、组织均匀、可做多孔含油轴承。 应用：齿轮、轴承、结构件、摩擦片、刀具。 知识点6 其他工程材料 1. 高分子材料 定义：高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料，它分为有机高分子材料和无机高分子材料。 塑料：ABS（仪表、外壳）、PA 尼龙（齿轮、轴承）、PP、PE（罩壳、管道）。 橡胶：NR 天然橡胶、SBR 丁苯橡胶、CR 氯丁橡胶（密封、减震、轮胎）。 特点：密度小、绝缘、耐腐蚀、易成形、强度较低、耐热差。 2. 陶瓷材料 定义：陶瓷材料是无机非金属材料的统称，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成形和高温烧结而制成的多晶体固体材料。 性能：高硬度、高耐磨、耐高温、耐氧化、脆性大。 应用：刀具、模具、轴承、密封件、隔热件、耐蚀件。 3. 复合材料 组成：基体 + 增强体。 典型：玻璃钢（玻璃纤维 + 树脂）、碳纤维复合材料。 优势：比强度高、耐腐蚀、可设计性强、减震性好。 应用：航空、航天、汽车、船舶、体育器材、化工设备。 【练习题】 一、单项选择题 1. 工程材料用量最大、应用最广的是（） A. 金属材料 B. 陶瓷 C. 高分子 D. 复合 2. 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力是（） A. 塑性 B. 强度 C. 硬度 D. 韧性 3. 衡量塑性的指标是（） A.σs B.HBW C.A 和 Z D.αk 4. 淬火钢常用的硬度测试是（） A.HBW B.HRC C.HV D.HRA 5. 钢的含碳量范围是（） A.＜0.02% B.0.02%~2.11% C.＞2.11% D.＞6.69% 6. 铁素体的符号是（） A.F B.A C.P D.Fe₃C 7. Q235BF 中的 Q 代表（） A. 强度 B. 屈服 C. 优质 D. 桥梁 8. 45 钢属于（） A. 低碳钢 B. 中碳钢 C. 高碳钢 D. 铸铁 9. 球墨铸铁的牌号代号是（） A.HT B.QT C.KT D.RuT 10. 调质处理是指（） A. 淬火 + 低温回火 B. 淬火 + 中温回火 C. 淬火 + 高温回火 D. 正火 + 回火 11. 仅对表面进行淬火的工艺是（） A. 退火 B. 正火 C. 表面淬火 D. 渗碳 12. 黄铜的牌号以（）开头 A.T B.H C.Q D.B 13. 滑动轴承合金的组织是（） A. 硬基体 + 软质点 B. 软基体 + 硬质点 C. 单相 D. 多相共晶 14. 下列属于高分子材料的是（） A. 陶瓷 B. 玻璃 C. 橡胶 D. 铸铁 15. 复合材料的组成是（） A. 单相 B. 基体 + 增强体 C. 纯金属 D. 合金 二、填空题 1. 工程材料分为金属、陶瓷、________、________四大类。 2. 金属力学性能包括强度、塑性、、韧性、。 3. 硬度常用测试方法有布氏、、。 4. 铁碳合金中，________是铁素体与渗碳体的混合物。 5. 碳素结构钢牌号以________开头。 6. 铸铁含碳量大于________。 7. 热处理三阶段：加热、________、冷却。 8. 表面淬火的特点是________硬、________韧。 9. 黄铜是以________为主要添加元素的铜合金。 10. 塑料、橡胶属于________材料。 三、判断题 1. 金属材料在机械中占比 90% 以上。（） 2. 伸长率越大，塑性越好。（） 3. 珠光体是单一组织。（） 4. 正火冷却速度比退火快。（） 5. 球墨铸铁石墨呈球状。（） 6. 回火必须在淬火之后进行。（） 7. 渗碳属于表面热处理。（） 8. 纯铜又称紫铜，导电性好。（） 9. 陶瓷材料韧性好、不易碎。（） 10. 复合材料性能可设计。（） 四、简答题 1. 写出金属材料五项力学性能。 2. 写出铁碳合金五种基本组织及符号。 3. 简述退火、正火、淬火、回火的目的。 4. 写出四类铸铁的代号及石墨形态。 【答案】 一、单项选择题 1.A 2.B 3.C 4.B 5.B 6.A 7.B 8.B 9.B 10.C 11.C 12.B 13.B 14.C 15.B 二、填空题 1. 有机高分子；复合材料 2. 硬度；疲劳性能 3. 洛氏；维氏 4. 珠光体（P） 5. Q 6. 2.11% 7. 保温 8. 表面；心部 9. 锌（Zn） 10. 有机高分子 三、判断题 1.√ 2.√ 3.× 4.√ 5.√ 6.√ 7.√ 8.√ 9.× 10.√ 四、简答题 1. 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳性能。 2. 铁素体 F、奥氏体 A、渗碳体 Fe₃C、珠光体 P、莱氏体 Ld。 3. 退火：降低硬度、消除应力；正火：细化晶粒；淬火：提高硬度；回火：消除淬火应力、调整韧性。 4. 灰铸铁 HT（片状）、球墨铸铁 QT（球状）、可锻铸铁 KT（团絮状）、蠕墨铸铁 RuT（蠕虫状）。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $