版权所有, 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.
第六章 工程材料
前言
工程材料是构成机械的物质
基础。机械的性能取决于其使用
的材料.用于机械制造的材料有上
千种,要想在众多材料中作出正确
的选择。既能保证使用性能、便
于加工，经济性又好。只有了解
这些材料，认识这些材料。
材料分类
金金
属属
非非
金金
属属
复合材料复合材料
碳钢
合金钢
铝合金
铜合金
钛合金
钢铁
有色金属
塑料
橡胶
陶瓷
聚合物
聚合物基复合材料
金属基复合材料
电子材料
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1.金属的晶体结构
金属原子按一定几何规律作周期性的排列，
原子间以金属键的形式结合。
材料结构及其特性
(a)
(b)
(c)
2.常见金属的晶体结构
金属的塑性变形和再结晶
塑性变形对金属组织和性能的影响
• 强度
• 硬度
• 塑性
• 韧性
增加
下降
加工硬化强化
回复与再结晶
• 回复----加热温度不太高，内应力大
部分消除。
• 强度硬度下降，塑性有所提高。
• 再结晶---继续升高加热温度，强度
硬度显著下降，塑性、韧性明显上
升。
材料的力学性能
材料的力学性能是零件设计、材
料选择及工艺评定的主要依据。
工程材料的常用力学性能包括：
强度、硬度、塑性、冲击韧度等。
是指在外力作用下材料抵抗塑性变形
和断裂的能力。
低碳钢的拉伸曲线
强度
当材料受载荷作用时，单位面积上的内
力称为应力(σ)。即：σ=F/A00(MPa)
1.弹性极限σe
• 材料保持弹性变形时的最大应力
σe= Fe/A0
屈服强度是指材料产生屈服时的最
小应力。它表达了材料抗塑性变形的能
力。用σs表示。
σs＝Fs/A0
式中：Fs-s点的最小载荷(N)；
A0 -试样原始横截面积(mm2 )。
2.屈服强度
3.抗拉强度
是指材料所能承受的最大
应力。它表征了材料抵抗断裂
的能力。用σb 表示。
σb=Fb/A0 0
式中：Fb -试样在断裂前的最大载荷(N)；
A00 -试样原始横截面积(mm2 )。
塑性
塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的
能力。常用的塑性指标是伸长率能力。常用的塑性指标是伸长率((δ)δ)和断面收缩率和断面收缩率
((Ψ)Ψ)。。即：即：
δ = -----·100δ = -----·100％；％； y =----·100 y =----·100％％
式中：式中：ll0 0 - - 试样原标距长度试样原标距长度((mm)mm)；；
ll11 - - 试样拉断后标距长度试样拉断后标距长度((mm)mm)；；
A0 0 - - 试样原始横截面积试样原始横截面积((mmmm
22 ) )；；
AA1 1 - - 试样断裂处的横截面积试样断裂处的横截面积((mmmm22 ) )。。
l0 A0
A0-A1l1-l0
硬度
硬度是指材料的软硬程度。它表征了材料
抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力，也
就是抵抗硬物压入或划伤表面的能力。常
用的硬度测定方法有布氏硬度(HB)、洛氏
硬度(HR)和维氏硬度(HV)等。
问题
• 测量铸钢件（晶粒粗大）、45
钢淬火件、铬镀层硬度，应选
用哪种方法？
布氏硬度(HB)
布氏硬度值是指材料压坑单位球面积
上的抵抗力。其数值越大，则表示
材料越硬。
HBS(W) = （kgf/mm2）
= N/mm2
F
A
2F×
πD(D-√D2-d2
材料的硬度
洛氏硬度(HR)
• 洛氏硬度是用压痕深度作为测量
硬度的依据。根据压印头和载荷
的不同，洛氏硬度分为若干种。
常用的有HRA、HRB、HRC。
0
1
2
3
0
1
2
3
h 1
h 3h 2
压头
被测材料 K
=
0.
2
材料的硬度
• HR=
K - h
维氏硬度(HV)
Hv = ------ = F/d2×× (N/mm2)
F
A
、冲击韧度
冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值
aK。即：
ak= (J/cm2)
式中：W- 冲击试样所消耗的功(J)；
A- 试样缺口处的横截面积(cm2 )。
W
A
° 30
40
(a)
冲击
h
试样
摆锤
H
55 10
8
55 10
8
材料的冲击韧度
• 冲击韧度值：
• ak= (J/cm2)
• W----冲击试样所消耗的功。
• A------试样缺口处的横截面积。
W
A
问题
• 冲击韧度公式如何在实验拉伸
仪表盘刻度指示中体现，请分
析解释？
金属材料
1.碳钢
碳钢又称碳素钢，其主要合金元
素为碳，含量在～%之间。由于
原料和冶炼工艺的限制，实际使用的
钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元
素。
碳钢分类
碳钢常用的分类方法有三种：
1. 按碳含量进行分类
2. 可分为低碳钢(＜%C)、中碳钢(-
3. %C)、高碳钢(＞%C)。
2. 按其用途进行分类
可分为结构钢和工具钢两大类，
前者用来制造各种金属构件和机械
零件，后者用来制造各种刀具、模
具和量具。
3. 按其质量等级分类
可分为普通碳素钢、优质碳素
钢和高级优质碳素钢。
由于碳钢成本低，是通常制造各种构
件的基本材料。但是，碳钢有以下局限性：
• (1) 碳钢的强度很难超过690MPa，除
非塑性和韧性有明显的下降。
• (2) 厚截面碳钢零件淬火时无法全部得
到马氏体组织，即不能淬透。
• (3) 碳钢的抗腐蚀性和抗氧化性较差。
2.合金钢
• 铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。
• 合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，抗腐
蚀性和抗氧化性也好。
合金钢分类
1. 1. 按合金元素的含量分按合金元素的含量分
低合金钢低合金钢 合金元素总含量＜合金元素总含量＜5%5%
中合金钢中合金钢 合金元素总含量合金元素总含量5-10%5-10%
高合金钢高合金钢 合金元素总含量＞合金元素总含量＞10%10%
2. 2. 按主要用途分按主要用途分
合金结构钢合金结构钢::渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢
合金工具钢合金工具钢::刃具钢、模具钢、量具钢刃具钢、模具钢、量具钢
特殊性能钢特殊性能钢::不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢
• 普碳、优碳、工具钢合金钢的
牌号、成分、性能自看10分钟
40#、Q295, 40Cr, 20CrMnTi、T8
钢的碳含量和用途？
钢铁材料的编号方法（一）
• 普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服
点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分
组成。例：Q235 A·F
• 其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母；
235表示钢材厚度≤16mm时的屈服点值不小于
235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级，
F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇
静钢，TZ表示特殊镇静钢。
钢铁材料的编号方法（二）
• 优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数，
用两位数字表示。
例如平均碳含量为%的钢，其牌号表示为45。
高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。
钢铁材料的编号方法（三）
• 碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千
分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例
如：T10钢表示平均含碳量为%的碳素工具
钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一
个“A”字，如T10A。
钢铁材料的编号方法（四）
• 合金钢编号方法用汉字或化学元素符号
代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字
表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位，
用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含
量以千分之一为单位，用一位数字表示。合金
元素以百分之一为单位，当含量小于%时，
一般不标出含量。
例如：牌号为例如：牌号为3030CrMnSiACrMnSiA表示含表示含%%CC、、
%%Cr、、% % Mn、、1%Si1%Si的高级优质钢。的高级优质钢。
• (2)按主要用途分:
• 合金结构钢:渗碳钢、调质钢、
弹簧钢、轴承钢
• 合金工具钢:刃具钢、模具钢、
量具钢
• 特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、
耐磨钢、磁钢
•合金结构钢
1.普通低合金钢
• 普通低合金钢是一种含碳量较低(＜
%，合金元素总含量一般在3%以下以锰
为主要元素的低碳合金钢。主要用于制造
桥梁、船舶、车辆、容器、管道和建筑结
构件。通常是在热轧成型材经正火状态下
使用，不热处理。这类钢的强度显著高于
相同含碳量的碳素钢，并有较好的塑性、
韧性、焊接性及耐蚀性。
• Q295--桥梁，车辆，容器，油罐。
2.合金结构钢
• 合金结构钢含碳量为中碳，合金元素
总含量较高，力学性能好，应用广泛。一
般都要经过热处理，以充分发挥其性能。
40Cr--重要调质零件．如齿轮、轴、曲轴、连
杆、螺栓等，表面淬火HRＣ48-55
有色金属
除钢、铸铁之外的金属叫除钢、铸铁之外的金属叫有色金属有色金属。。
工程中常用的工程中常用的有色金属有铝、铜、有色金属有铝、铜、
镁、钛金属及其合金等。镁、钛金属及其合金等。
有色金属材料（一）
• 铝合金
• 比重小，比强度高。
• 在空气中的抗蚀性好。
• 容易加工。
用以制造飞行器各
种承力构件，如蒙皮、
壁板、桨叶、活塞及火
箭上的液体燃料箱翼梁、
螺旋桨叶、起落架等。
也常用于汽车、摩托车、
家用电器、建筑等。
有色金属材料（二）
• 钛合金
• 比强度高。
• 抗蚀性好。
• 耐高低温。
• 难加工。
• 价格昂贵。
航空航天中，应用广泛。用于制
造工作温度不超过400℃的各种
飞机结构和发动机零部件。如发
动机压气机盘、叶片，蒙皮等。
液体燃料火箭的储氢罐也是钛合
金制造的，其工作温度为-253℃
。许多民用领域如氯碱化工业及
海水用泵、阀、管道、换热器、
冷凝器等，也广泛采用钛合金，
并取得了良好的经济效益。
有色金属材料（三）
• 铜合金
• 机械性能好
• 摩擦系数小
• 在空气环境下
具有良好的抗
蚀性。
• 容易加工。
滑动轴承、耐
水蚀零件、导
热零件。
有色金属的编号方法（一）
变形铝合金：变形铝合金：
1. 1. 防锈铝合金防锈铝合金LFLF：：LF1LF1
2. 2. 硬铝合金硬铝合金LYLY：： LY11 LY11
3. 3. 超硬铝合金超硬铝合金LCLC：： LC9 LC9
4. 4. 锻造铝合金锻造铝合金LDLD：：LD5LD5
铸造铝合金：铸造铝合金：
ZALSi12ZALSi12 含硅含硅12%12%的铸造铝合金。的铸造铝合金。
代号：代号：ZL102ZL102
有色金属的编号方法（二）
铜合金：
1. 紫铜（纯铜）T1，T2，
2. 黄铜：铜锌合金。H62
3. 青铜：其他铜合金。QSn10-1。
比较
名称名称 密度（密度（g/cmg/cm22) ) 比强度（单位密度下材料的强度）比强度（单位密度下材料的强度）
Al 500-700/ Al 500-700/
Ti 1200/ 1200/
Mg 250-300/ 250-300/
钢钢 700-1200/ 700-1200/
铸铁
• 铸铁是含碳量在%以上，并含有硅、
锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。
• 常见铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、合金铸
铁和球墨铸铁。
• 灰口铸铁应用较多，其的抗拉强度比钢低
得多，但是铸铁中有石墨，能有效地吸收
震动能量。因石墨有润滑作用，使铸铁有
良好的耐磨性和减磨性。铸铁价格便宜，
好加工。
非金属及复合材料
高分子高分子------分子量特别大的一类化合物，高分子的分分子量特别大的一类化合物，高分子的分
子量高达几万子量高达几万--上百万。一个高分子中包含成千上上百万。一个高分子中包含成千上
万个原子，原子之间以共价键连接。万个原子，原子之间以共价键连接。
天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。
合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。
酚醛塑料酚醛塑料-1907-1907年问世的第一个高分子材料。年问世的第一个高分子材料。
高分子的化学组成：
1 组成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等
2 以许多简单的重复单元连接
例：聚乙烯
CH22-CH22-CH22-……….
重复单元-CH22-CH22- 也叫做链节
高聚物的力学状态
线形非晶态高聚物的热机械曲线
1.塑料- 塑料是由聚合物为基础添加各种助剂塑料是由聚合物为基础添加各种助剂
而成的混合体系。而成的混合体系。
塑料组成塑料组成
• 树脂树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其
它组分，对塑料的性能起决定性作用。它组分，对塑料的性能起决定性作用。
• 填充剂填充剂：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以
显著地降低成本。显著地降低成本。
• 增塑剂增塑剂::增加材料塑性。增加材料塑性。
• 固化剂固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。：使线型高分子交联成体型网络结构。
• 稳定剂稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。
• 其它其它诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等..
塑料分类
• 通用塑料、工程塑料、功能塑料通用塑料、工程塑料、功能塑料
• 通用塑料通用塑料--产量很高、价格低廉、应用范围很广泛。产量很高、价格低廉、应用范围很广泛。
• 聚乙烯（聚乙烯（PEPE）（）（ CH CH22-CH-CH22)) （（结构单元）结构单元）
• 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）） CH CH22-CH -CH （（结构单元）结构单元）
ClCl
• 聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、聚四氟。
工程塑料
• 工程塑料-强度、刚度和韧性好，耐高温、
耐辐照、耐腐蚀，能在机械设备和工程结
构中应用的一类塑料。
• O HO H
• 聚酰胺 C N C N 尼龙尼龙
• 聚甲醛、聚碳酸脂
• ABS塑料-丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S的
三元共聚物。
2.橡胶
橡胶橡胶--在宽阔的温度范围内有良好高弹性的高分子材在宽阔的温度范围内有良好高弹性的高分子材
料。由柔性高分子量线形高分子链，经硫化组成，料。由柔性高分子量线形高分子链，经硫化组成，
H CHH CH33 H H H H
C C C CC C C C
H S S HH S S H
它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺
少的弹性材料、密封材料和减震材料。少的弹性材料、密封材料和减震材料。
橡胶组成
• (1) (1)生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要
成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发
粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业
用橡胶材料。用橡胶材料。
• (2) (2)硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是
硫磺。硫磺。
• (3) (3)软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度，常用的软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度，常用的
是凡士林等油酯类。是凡士林等油酯类。
• (4) (4)补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果
最好的补强剂是碳黑。最好的补强剂是碳黑。
• 此外还有硫化促进剂、填充剂、防老化剂、着色剂此外还有硫化促进剂、填充剂、防老化剂、着色剂
等。等。
橡胶分类
• 橡胶种类繁多，若以原料来区分，
有天然橡胶与合成橡胶，按合成橡胶性
能及用途又可分为通用橡胶及特种橡胶。
几种橡胶的性能
• 丁苯橡胶 δ： 400-500%
• 氯丁橡胶 δ：100-800 %
• 硅橡胶 δ：600 %
• 金属 δ：10 %
陶瓷
属于无机材料。由金属元素和非金属
元素通过化合键结合在一起。
Al22O3 3 TiO22 CaF22
常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼
化物等，而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶
(晶须)、纤维、薄膜及超细粉体等。
用纯度较高的人工合成原料制造
的，能满足高温、高强、功能性等要
求的特种陶瓷。
增韧与提高高温断裂强度是发展
陶瓷的两大难题。
复合材料
• 由两种或更多性质不同的材料复合而成，由两种或更多性质不同的材料复合而成，
性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。
• 复合材料中主要起增强作用的叫强化相；复合材料中主要起增强作用的叫强化相；
主要起粘接作用的叫基体。主要起粘接作用的叫基体。
– 按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基
– 按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠
复合复合
天然复合材料
• 骨骼--- 柔软的胶原蛋白和又硬又脆
的矿物质磷灰石
• 木材----柔软的纤维素和刚硬的木质
素
• 常用复合材料
• (1)(1)纤维增强纤维增强复合材料：复合材料：
• 常常用用纤纤维维增增强强复复合合材材料料有有玻玻璃璃纤纤维维增增强强复复
合材料、碳纤维复合材料等。合材料、碳纤维复合材料等。
• 玻玻璃璃纤纤维维增增强强复复合合材材料料：：玻玻璃璃拉拉成成纤纤维维后后，，
比比强强度度和和比比模模量量均均高高于于钢钢。。以以玻玻璃璃纤纤维维和和塑塑料料
基基体体复复合合，，组组成成玻玻璃璃纤纤维维——树树脂脂复复合合材材料料，，俗俗
称称玻玻璃璃钢钢。。玻玻璃璃钢钢的的比比强强度度高高，，可可超超过过高高级级合合
金金钢钢，，耐耐蚀蚀性性、、介介电电性性高高，，加加工工成成型型性性好好，，但但
刚刚度度差差、、易易变变形形、、耐耐热热性性差差、、易易老老化化和和易易蠕蠕变变。。
玻玻璃璃钢钢主主要要用用于于自自重重轻轻的的受受力力构构件件，，如如汽汽车车和和
机机车车车车身身、、轻轻型型船船体体、、飞飞机机螺螺旋旋桨桨等等以以及及耐耐腐腐
蚀结构件，如化工管道、阀门等。蚀结构件，如化工管道、阀门等。
碳纤维复合材料
• 碳碳纤纤维维的的抗抗拉拉强强度度高高于于玻玻璃璃纤纤维维，，弹弹性性模模
量量是是玻玻璃璃纤纤维维的的4—64—6倍倍，，它它的的高高温温性性能能也也很很好好。。
碳碳纤纤维维——树树脂脂复复合合材材料料是是目目前前比比强强度度和和比比模模量量
最最高高的的复复合合材材料料，，它它的的抗抗冲冲击击性性能能、、减减摩摩耐耐磨磨
性性能能、、耐耐蚀蚀性性及及耐耐热热性性都都很很优优良良。。碳碳纤纤维维复复合合
材材料料目目前前主主要要用用于于制制作作承承载载、、耐耐磨磨、、耐耐腐腐蚀蚀零零
件件，，如如齿齿轮轮、、连连杆杆、、轴轴承承、、密密封封圈圈、、活活塞塞、、化化
工工泵泵体体、、管管道道、、容容器器等等制制作作。。此此外外，，它它还还用用于于
制制作作航航空空航航天天的的构构件件，，如如飞飞机机尾尾翼翼、、起起落落架架，，
发动机的压气机叶片，火箭喷嘴等。发动机的压气机叶片，火箭喷嘴等。
层合复合材料和颗粒复合材料
• SFSF型型三三层层复复合合材材料料：：以以钢钢板板为为基基体体。。烧烧结结铜铜网网
或或多多孔孔性性青青铜铜为为中中间间层层，，塑塑料料为为表表面面层层的的一一种种自自润润
滑滑材材料料。。常常用用于于表表面面层层的的塑塑料料为为聚聚四四氟氟乙乙烯烯((SF-1SF-1型型))
和和聚聚甲甲醛醛((SF-2SF-2型型))，，目目前前已已用用于于汽汽车车、、矿矿山山和和化化工工机机
械方面。械方面。
• 颗颗粒粒复复合合材材料料是是由由一一种种或或多多种种材材料料的的颗颗粒粒均均匀匀
分分散散在在基基体体材材料料内内所所组组成成的的材材料料。。如如混混凝凝土土是是非非金金
属属——非非金金属属复复合合材材料料，，常常用用的的硬硬质质合合金金是是WCWC、、TiCTiC
陶瓷和陶瓷和CoCo金属组成的陶瓷金属组成的陶瓷——金属复合材料。金属复合材料。
• 复合材料的性能特点
•• (1)(1)比比强强度度、、比比模模量量高高：：如如碳碳纤纤维维增增强强塑塑料料的的比比强强度度
是钢材的七倍，比模量是钢材的三倍。是钢材的七倍，比模量是钢材的三倍。
•• (2)(2)疲疲劳劳强强度度高高：：如如碳碳纤纤维维增增强强塑塑料料的的疲疲劳劳强强度度是是拉拉
伸伸强强度度的的7070％％-80-80％％，，而而金金属属材材料料的的疲疲劳劳强强度度只只有有拉拉伸伸强强
度的度的4040％％-50-50％。％。
•• (3)(3)抗抗断断裂裂安安全全性性好好：：纤纤维维增增强强复复合合材材料料在在过过载载时时会会
发发生生部部分分纤纤维维断断裂裂，，由由于于应应力力迅迅速速重重新新分分布布，，可可避避免免材材
料整体断裂。料整体断裂。
•• (4)(4)减减震震性性能能好好：：复复合合材材料料的的增增强强材材料料和和基基体体之之间间的的
界界面面有有较较强强的的吸吸振振能能力力，，它它的的自自振振频频率率高高，，不不易易产产生生共共
振。振。
•• (5)(5)高高温温性性能能好好：：用用碳碳纤纤维维或或硼硼纤纤维维增增强强的的复复合合材材料料
可可显显著著提提高高基基体体材材料料的的高高温温强强度度。。此此外外，，复复合合材材料料还还具具
有良好的减摩、耐磨、化学稳定性等。有良好的减摩、耐磨、化学稳定性等。
识别下列材料牌号
牌号牌号 类别类别
1212Cr2Ni4ACr2Ni4A
3Cr2W8V3Cr2W8V
40CrNiMo40CrNiMo
W18Cr4VW18Cr4V
4545
T8 ,T12T8 ,T12
合金结构钢
合金工具钢
合金结构钢
合金工具钢
碳素结构钢
碳素工具钢
识别下列材料牌号
牌号牌号 类别类别
11Cr18Ni9TiCr18Ni9Ti
LY12LY12
LC4LC4
LF11LF11
ZLSi12ZLSi12
不锈钢
硬铝
超硬铝
防锈铝
铸铝
钢的热处理
热处理是将金属在固态范围内加热到一定热处理是将金属在固态范围内加热到一定
温度下温度下,,进行必要的保温，并以适当的速度冷却进行必要的保温，并以适当的速度冷却
至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性
能的工艺方法。能的工艺方法。
热处理包括退火、正火、淬火和回火等热处理包括退火、正火、淬火和回火等
1. 退火
退火是将钢件加热到高于或低于钢的临
界温度，保温一定时间，随后以极缓慢的速
度冷却的一种热处理工艺。退火能降低硬度。
2. 正火
正火是将钢件加热、保温后在空气中
冷却的热处理工艺。
正火可消除内应力，提高钢的塑性和
韧性,同样钢件在正火后强度和硬度比退
火高.
3. 淬火
将钢加热、保温后，迅速冷却至室温
(一般为油冷或水冷)，从而获得马氏体组
织的工艺叫淬火。
淬火的主要目的在于提高钢的硬度，
或得到马氏体,以便通过回火调整组织、
性能。
4. 回火
将淬火后的钢加热、保温一定时间，
然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称
为回火。
回火后硬度下降，韧性大大提高，消
除了淬火产生的内应力，降低了淬火钢的
脆性。
根据加热温度的不同，回火可分为低
温回火、中温回火和高温回火。
金属表面防护
金属表面防护是用各种方法在材料表面施以涂
层，既不改变基体材料的性质，又能提高其耐蚀性，
是控制金属腐蚀的一门技术。工艺主要有电镀、化
学镀、喷镀、热 镀等。其中电镀是目前我国应用最
广的一种价廉而有效的防护方法
阴极：主反应 Zn2++2e Zn
副反应 2H++2e H2
阳极：主反应 Zn Zn2++2e
副反应 4OH- 2H2O+O2+4e
电工电子材料
• 根据材料的电导率不同分为导体、绝
缘体和半导体。导体的电导率大于
1S/m,绝缘体的电导率小于10-6S/m，半
导体的电导率介于1~10-6S/m之间。
• S- 西门子
导体
铜
银
金
半导体
绝缘体
材料的电导率
固态材料中的电子能带结构
常用导电材料
•• 室温电导率室温电导率σ/(S/m)σ/(S/m)
•• 银银 ×10 ×1077
•• 铜铜 ×10 ×1077
•• 金金 ×10 ×1077
•• 铝铝 ×10 ×1077
•• 铁铁 ×10 ×1077
•• 黄铜黄铜((铜铜::铸铸=70:30) ×10=70:30) ×1077
•• 低碳钢低碳钢 ×10 ×1077
•• 不锈钢不锈钢 ×10 ×1077
铜和铜系导电材料
• 性能稳定，抗腐蚀、延展性好，
抗疲劳，可拉成很细的丝，适于做海
底同轴电缆的外部软线，也用于太阳
能电池
铝和铝系导电材料
• 居导电材料第四位(仅次于Ag、Cu、Au)，
但密度只有Cu的1/3。目前国际上通用的铝线有
硬铝（HAl）线，主要用做送电线、配电线。
16O KV以上的高压线可用钢丝增强的铝电缆
(ACESR)、合金增强铝线(ACAR)和全铝合金铝
导线(AAAC)，都是铝材代替铜线做配电线用。
HA1线只能在90℃连续使用，而耐热铝合金
（如含Zr的TAD）可在150℃下连续工作，用做
大 容 量 高 压 输 电 导 线 。 而 超 耐 热 铝 合 金
（SSTAD）可在200℃下连续工作，主要用做
变电所的母线。
常用绝缘材料
几种非金属材料的室温电阻率几种非金属材料的室温电阻率 体积电阻率体积电阻率//Ω·mΩ·m
•• 石墨石墨 10 10-5-5
•• 氧化铝氧化铝 10 101010~10~101212
•• 瓷瓷 10 101010~10~101515
•• 酚醛树脂酚醛树脂 10 1099~10~101010
•• 尼龙尼龙66 1066 1088~10~101212
•• 聚甲基丙烯酸甲脂聚甲基丙烯酸甲脂 >10 >101212
•• 聚乙烯聚乙烯 10 101212~10~101717
•• 聚苯乙烯聚苯乙烯 >10 >101414
•• 聚四氟乙烯聚四氟乙烯 10 101616
压电性
•• 一些晶体在力场作用下因发生极化而产生电场，一些晶体在力场作用下因发生极化而产生电场，
反之，作用电压时产生变形。反之，作用电压时产生变形。
•• 指具有应力指具有应力--电压转换能力的材料。电压转换能力的材料。
铁电性
.指在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，指在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，
自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度之间的关系自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度之间的关系
呈电滞回线现象的特性。呈电滞回线现象的特性。
2.铁电材料具有很高的介电常数,例
如BaTi03在室温下相对介电常数可达
5000。用这类材料制造电容器时 ,体积
可很小。另外还可以利用铁电性和反铁
电性的相互转变,制造高压大功率储能
元件。
常用半导体材料
• 本征半导体---电导率是由纯材料本
身的电导能力决定的。
• 非本征半导体---电导率取决于杂质。
本征半导体
• .元元素素本本征征半半导导体体--如如硅硅((Si)Si)和和锗锗((Ge) Ge) 它它们们的的禁禁带带宽宽度度分分
别为别为和和。。
• .化化合合物物本本征征半半导导体体--如如砷砷化化镓镓（（GaAsGaAs））和和锑锑化化铟铟((InSb)InSb)、、
硫硫化化镉镉((CdS)CdS)和和碲碲化化锌锌((ZnTe)ZnTe)。。形形成成化化合合物物的的两两个个元元素素
在在周周期期表表中中的的位位置置离离得得愈愈远远 ,,则则原原子子间间的的结结合合便便愈愈是是离离
子化子化,,禁带宽度也就愈宽。禁带宽度也就愈宽。
• 在在本本征征半半导导体体中中,,每每当当一一个个电电子子从从价价带带被被激激发发到到导导带带,,便便
在在价价带带中中产产生生一一个个空空穴穴。。空空穴穴可可以以视视为为电电荷荷大大小小与与电电子子
相相等等而而符符号号相相反反的的粒粒子子。。在在电电场场作作用用下下 ,,被被激激发发的的电电子子
和空穴向相反方向运动和空穴向相反方向运动,,同时参与导电。同时参与导电。
非本征半导体
• 非非本本征征半半导导体体是是杂杂质质在在本本征征半半导导体体材材料料中中的的
固溶体固溶体,,分为分为nn型和型和pp型两类。型两类。
• 1)1)nn型非本征半导体型非本征半导体
• 55价价原原子子((P)P)掺掺杂杂进进SiSi本本征征半半导导体体材材料料制制成成 ..电电
子称为多数载流子子称为多数载流子,,空穴称为少数载流子。空穴称为少数载流子。
• 2)2)pp型非本征半导体型非本征半导体
• 加入三价杂质原子加入三价杂质原子((如如Al,B,GaAl,B,Ga等等))进进SiSi本征半本征半
导体材料制成导体材料制成..导电中空穴为多数载流子导电中空穴为多数载流子,,电子电子
为少数载流子。为少数载流子。
• 本章要求
• 1.了解金属材料金属键、晶体结构、
组织的基本概念。
• 2.理解钢铁材料、铝合金和非金属类
的工程材料的分类、牌号、特性和用途。
能够根据零件的力学性能和工程技术要求
合理选材。
• 3.掌握钢铁材料的主要性能指标（强
度、硬度、塑性）的测试方法。
