机械基础-(3)工程材料

1、电子工业出版社电子工业出版社第第3 3章章 工程材料工程材料工程材料应用图例 如图3-1（a）所示汽车是我们生活中重要的交通工具，由一万多个零件构成。如图3-1（b）、（c）、（d）所示活塞、齿轮、轮胎，都是组成汽车的零部件。 （a）汽车 （b）活塞 （c）齿轮 （d）轮胎 图3-1 汽车及零件你知道这些零件分别是用什么材料制成的吗？如何选择零件材料呢？你通过本章学习，可以回答上述问题， *1.了解简化Fe-Fe C状态图。 2.了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 3. 理解常用碳钢的分类、牌号、性能和应用。 4.了解合金钢的分类、牌号、性能和应用。 5.了解钢的热处理的目的、分类和应用。 6

2、.了解常用有色金属材料的分类、牌号、性能和应用。*7.了解工程塑料和复合材料的特性、分类和应用。*8.了解其他新型工程材料的应用。能力目标能力目标 1.能准确识别常用碳钢、合金钢的牌号。能准确识别常用碳钢、合金钢的牌号。 2.初步具备正确选择与使用常用工程材料的能力。初步具备正确选择与使用常用工程材料的能力。 1.1 1.1黑色金属材料黑色金属材料 *3.1.1 简化的Fe-Fe C状态图 3.1.2 铸铁 3.1.3 碳素钢 3.1.4合金钢 3.1.5 钢的热处理的目的、分类及应用 3.23.2有色金属材料有色金属材料 3.2.1 铜及铜合金 3.2.2 铝及铝合金 3.2.3 轴承合金

3、3.2.4 硬质合金 * *3.3 3.3 工程塑料和复合材料工程塑料和复合材料 3.3.1 工程塑料 3.3.2 复合材料 * *3.43.4其他新型工程材料其他新型工程材料 3.4.1 橡胶 3.4.2 3.4.2 陶瓷陶瓷 3.53.5材料的选择及运用材料的选择及运用 3.5.1 材料的选用原则 3.5.2 工程材料的应用1.11.1黑色金属材黑色金属材*3.1.1 简化的Fe-Fe C状态图 钢和铸铁是现代工业中应用最为广泛的黑色金属材料，主要是由铁和碳两种元素组成的合金，统称为铁碳合金。 铁碳合金材料的性能不仅与成分（含碳量）有关，而且还与内部组织有关。实际生产中常用简化的Fe-Fe

4、 C 状态图来表示铁碳合金的成分、温度、组织三者变化规律，如图3-2所示。在简化Fe-Fe C 状态图中，纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量百分数。 它是研究钢和铸铁的组织与性能的重要基础，是选择钢铁材料的依据，对制定铸造、锻压、焊接、热处理等加工工艺有着重要的指导意义。 图3-2 简化Fe Fe C 状态图3.1.2 铸铁 铸铁是含碳量大于2.11的铁碳合金。工业上常用的铸铁，含碳量一般在2.54.0的范围内，此外还含有硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等元素。1.铸铁的分类n按断口颜色可将铸铁分为灰铸铁、白口铸铁和麻口铸铁；n按化学成分可将铸铁分为普通铸铁和合金铸铁；n按生产工艺和

5、组织性能可将铸铁分普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。2.常用铸铁性能、牌号和应用附：炼铁过程视频（1）灰铸铁 灰铸铁是指碳主要以片状石墨形态存在的铸铁，断口呈灰色。n灰铸铁具有以下性能特点： 尽管力学性能中抗拉强度、塑性、韧性均远不如钢，但抗压强度和硬度并没有明显降低。同时具有良好的铸造性能和切削加工性能，生产成低，并具有优良的消音、减震、耐压、耐磨、耐蚀以及较低的缺口敏感性等性能，n灰铸铁的牌号 由“灰铁”两字的汉语拼音字母字头 “HT”及后面的一组表示最小抗拉强度数值的数字组成。例：HT100表示灰铸铁的最低抗拉强度为100MPa。n灰铸铁的应用 常用来制造强度、韧性要求不太高以

6、及要求承受压力和震动的零件，例如：气缸体、各种机器底座等。如图3-3所示发动机的缸体和虎钳台。灰铸铁的应用实例灰铸铁的应用实例发动机的缸体 滑动轴承的轴承座图3-3 灰铸铁的应用实例水泵叶轮虎钳台 （2）可锻铸铁（又称马铁或马钢） 可锻铸铁是指将白口铸铁通过石墨化退火或氧化脱碳可锻化处理，使碳主要以团絮状石墨形态存在的铸铁，其断口心部呈灰黑色，表面呈灰白色。n可锻铸铁的性能特点 除保留灰铸铁的优点外，其塑性和韧性有一定的改善。n可锻铸铁的牌号 由三个字母及两组数字组成。前两个字母“KT” 是“可铁”二字汉语拼音的字母字头，第三个字母代表可锻铸铁的类别。如KTH 表示黑心可锻铸铁，KTZ 表示珠

7、光体可锻铸铁。后面第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率，如图3-4所示。 n可锻铸铁的应用 常用来制造一些形状复杂而减振及强度要求较高的薄壁小型铸件，如管接头、汽车和拖拉机后桥外壳、低压阀门等，如图3-5所示为用可锻铸铁制造的低压阀门。可锻铸铁的牌号的意义与应用实例可锻铸铁的牌号的意义与应用实例图3-4 可锻铸铁的牌号的说明 图3-5 可锻铸铁的应用实例(低压阀门)管口（3）球墨铸铁 球墨铸铁是指将铁液经过球化处理（而不是在凝固后经过热处理），使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁，简称球铁。n球墨铸铁的性能特点 它的强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢，而铸造性

8、能和切削性能均比铸钢要好。n球墨铸铁的牌号 由“QT两组数字”组成，前两个字母“QT”是“球铁”二字的汉语拼音字母字头，后两组数字分别代表其最低抗拉强度和伸长率，如图3-6所示。n球墨铸铁的应用 广泛应用在机床、冶金、化工、铁道等部门，用来制造性能要求较高的铸件，有时可代替非合金钢或低合金钢来制造某些负荷较大、受力较复杂的重要铸、锻件。如内燃机曲轴、凸轮轴，齿轮等，如图3-7所示为内燃机曲轴。球墨铸铁的牌号说明与应用实例球墨铸铁的牌号说明与应用实例图3-6球墨铸铁牌号的说明 图3-7球墨铸铁的应用（曲轴）3.1.3 碳素钢 碳素钢简称碳钢，是最基本的铁碳合金，属于非合金钢。它是指在冶炼时没有特

9、意加入合金元素，且含碳量一般小于2%的钢。1.碳素钢的分类（1）按钢的含碳量分类n低碳钢 C0.25。n中碳钢 C=0.250.60。n高碳钢 C0.60。（2）按钢的质量分类 根据钢中的有害元素硫、磷含量多少可分为n普通钢 S0.050，P 0.045。n优质钢 S0.035，P 0.035。n高级优质钢 S 0.025，P 0.025。附：炼钢过程视频（3）按钢的用途分类n结构钢 主要用于制造建筑结构件、工程结构件和各种机械零件，含碳量一般均小于0.70%。n工具钢 主要用于制造各种刀具、量具和模具等，含碳量一般均大于0.70%。（4）按冶炼时脱氧程度的不同分类n沸腾钢 脱氧程度不完全的钢

10、。n镇静钢 脱氧程度完全的钢。n半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。 2.碳钢的牌号 我国现行GB/T 221-2008 钢铁产品牌号表示方法标准代替GB/T 221-2000钢铁产品牌号表示方法，规定了钢铁产品牌号表示方法，仍采用汉语拼音字母、化学符号与阿拉伯数相结合的原则表示碳钢的牌号，并明确采用汉语拼音字母或英文字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，通常采用大写字母。（1）（普通）碳素结构钢的牌号（普通）碳素结构钢的牌号主要由四部分组成：n屈服强度字母 Q屈服强度，“屈”汉语拼音字母字头。n屈服强度数值 单位为MPa。n质量等级符号 A，B，C，D级，从A到D依次提高。n脱

11、氧程度 F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静钢，Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。（普通）碳素结构钢的牌号的说明（普通）碳素结构钢的牌号的说明例：例：Q235AF表示屈服强度值235MPa，质量为A级的碳素结构钢，且属于沸腾钢，如图3-8所示。 图3-8普通碳素结构钢牌号说明（2）优质碳素结构钢的牌号 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。n优质碳素结构钢根据钢中含锰量不同，分为普通含锰量钢（Mn=0.350.8）和较高含锰量钢（Mn=0.71.2）。若属于较高含锰量钢在牌号后面必须标注元素符号“Mn”，例：例：n45表示平均含碳量为0.4

12、5的优质碳素结构钢，n 07F表示平均含碳量为0.07的优质碳素结构钢，且属于沸腾钢。n 65Mn.表示平均含碳量为0.65的较高含锰量的优质碳素结构钢。.（3）碳素工具钢的牌号 碳素工具钢的含碳量均在0.7以上，都是优质钢或高级优质钢。其牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”及后面的阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳量的千分数，如图3-9所示。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母A。（4）铸造碳钢的牌号 铸造碳钢是采用铸造生产而获得的碳钢称为铸造碳钢（简称为铸钢）。铸造碳钢的牌号由“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成：第一组数字代表屈服强度，第二组数字代表

13、抗拉强度值。例如：例如： ZG200400表示屈服强度不小于200MPa，抗拉强度不小于400MPa的铸造碳钢，如图3-10所示。 碳素工具钢与铸造碳钢牌号的说明碳素工具钢与铸造碳钢牌号的说明图3-9碳素素工具钢牌号说明书 图3-10铸造碳钢牌号说明3.碳钢的性能及应用1）（普通）碳素结构钢的性能和应用 （普通）碳素结构钢是建筑及工程中应用最多的钢材，其性能特点是：碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，冶炼容易；工艺性能（焊接性、冷成形性）优良；价格便宜，产量大；性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求。通常轧制成扁平成品或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），一般不经过热处理；在热轧态时直接

14、使用。因此应用普通，用于厂房、桥梁、船舶等建筑结构一些受力不大的机械零件，如图3-11所示为螺栓和建筑棚架。（普通）碳素结构钢的应用实例（普通）碳素结构钢的应用实例(a) 螺栓 (b)建筑棚架图3-11普通碳素结构的应用（2）优质碳素结构钢的性能和应用 优质碳素结构钢的性能特点是：化学成分准确、力学性能可靠；硫、磷有害杂质元素含量较少，钢的质量较高；力学性能和工艺性能取决于优质碳素结构钢的含碳量，具体而言:n低碳钢：这类钢具有良好的强度、塑性、韧性及焊接性能，硬度较低。主要用于制造冲压件、焊接结构件及强度要求不高的机械零件、渗碳件，如图3-12所示法兰盘和垫圈等。n中碳钢：这类钢具有较高的强度

15、、硬度，其塑性、韧性随含碳量的增加而逐步降低，有良好的切削性能。这类钢经调质后，能获得较好的综合力学性能，主要用于制造受力较大的机械零件，如图3-13所示曲轴和齿轮等。n高碳钢：这类钢具有较高的强度、硬度和弹性，但焊接性能不好，切削性能稍差，冷变形塑性差，一般制造过程均需要热处理（淬火与回火）。高碳钢主要用于制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件，如弹簧、板簧和螺旋弹簧等弹性零件及耐磨零件，如图3-14所示优质碳素结构钢的应用实例（低碳钢）优质碳素结构钢的应用实例（低碳钢） 法兰盘 垫圈图3-12优质碳素结构的应用（低碳钢）优质碳素结构钢的应用实例（中碳钢）优质碳素结构钢的应用实例（中碳钢） 曲

16、轴 齿轮图3-13优质碳素结构的应用（中碳钢）优质碳素结构钢的应用实例（高碳钢）优质碳素结构钢的应用实例（高碳钢）拉伸弹簧 压缩弹簧 盘类弹簧 板型弹簧 图3-14弹簧、板簧和螺旋弹簧总之，优质碳素结构钢可用来制造较为重要的机械零件，使用前进行热处理工艺，就能充分发挥其力学性能。（3）碳素工具钢的性能和应用 碳素工具钢均为含碳量在0.7以上的高碳钢，且属于优质钢或高级优质钢。其性能主要特点是硬度高，脆性大，一般制造过程均需要热处理（淬火与回火）。碳素工具钢主要用来制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具和量具等，如图3-15所示钻头、锉刀。 钻头锉刀图3-15碳素工具钢的应用螺纹量规螺纹量规

17、（4）工程与结构用铸造碳钢的性能和应用 工程与结构用铸造碳钢的含碳量一般在0.200.60，其主要性能特点是：具有一定的强度、硬度，其塑性、韧性随含碳量的增加而逐步降低。铸造碳钢广泛用于重型机械的某些零件，如图3-16所示为轧钢机机架。图3-16工程与结构用铸造碳钢的应用（轧钢机机架）3.1.4合金钢 在碳钢冶炼过程中，为获得某些性能的要求，人为加入金属元素和非金属元素，这样所得的碳钢称为合金钢。加入的金属元素和非金属元素统称合金元素。常加入的合金元素有铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆、硼、氮和其他元素等。1.合金钢的分类 合金钢的分类方法很多，但最常用的有两种。（1）按用途分类n合

18、金结构钢 用于制造机械零件和工程结构的钢，它们又可以分为低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。n合金工具钢 用于制造各种工具的钢，可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。n特殊性能钢 具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。（2）按合金元素总含量分类n低合金钢 合金元素总含量5。n中合金钢 合金元素总含量为510。n高合金钢 合金元素总含量10。2.合金钢（包括低合金结构钢）的牌号 我国合金钢的牌号是按照合金钢中的含碳量、所含合金元素的种类（元素符号）及含量、质量级别来编制的。（1）合金元素符号最前的数字表示含碳量n低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢用二位数字表示平均含

19、碳量(以万分之几计)， 如图3-17所示。不锈耐酸钢、耐热钢等，一般用一位数字表示平均含碳量(以千分之几计)；平均含碳量小于千分之一的用“0”表示，含碳量不大于0.03%的用“00”表示。n合金工具钢一般C1.0%时不标出含碳量数字；若平均含碳量小于1.0%时，可用一位数字表示含碳量(以千分之几计)，如图3-18所示。但高速钢C1.0%也不标出，如W18Cr4V钢。（2）紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量n平均合金含量小于1.5%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量。当平均合金含量分别大于或等于1.5%、2.5%、3.5%时，则相应地以2、3、4表示。n高碳铬轴承钢，其含铬量用千分之几计

20、，并在牌号头部加符号“G”。例如，平均含铬量为0.9%的轴承钢， 其牌号表示为“GCr9”。n低铬(平均含铬量1%)合金工具钢，其含铬量亦用千分之几计，但在含量数值之前加一数字“0”。例如，平均含铬量为0.6%的合金工具钢，其牌号表示为“Cr06”。（3）高级优质合金钢(含S、P较低)，在牌号尾部加符号“A”。(4)为了表示钢的专门用途，在牌号头部(或尾部)附以相应用途符号。例如，滚动轴承钢前加“G”(“滚”字的汉语拼音字头)如GCr15，又如20MnK，牌号后附以符号K，则表示此合金多为矿用。合金钢牌号的说明合金钢牌号的说明( (合金结构钢合金结构钢) )图3-17合金结构钢的牌号说明合金钢

21、牌号的说明合金钢牌号的说明( (合金工具钢合金工具钢) )图3-18 合金工具钢的牌号说明3.合金钢的性能和应用（1）合金结构钢的性能和应用 合金结构钢是用于制造各类工程结构件和各种机器零件的钢。按用途不同可分为低合金结构钢和机械制造两类，是目前市场上品种最多，用途最广，用量最大的一类钢材。通常按用途和热处理特点不同，又可分低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢及滚动轴承钢等。1）低合金结构钢 低合金钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢。大多数情况下是在热轧或正火条件下使用。这类钢材具有较高的强度和屈强比；较好的塑性和韧性；耐蚀性；良好的焊接性；较低的缺口敏感性和冷弯后的时效敏感性

22、；较低的脆性转变温度；价格接近普通碳素结构钢。因此，目前低合金结构钢广泛用于桥梁、车辆、船舶、容器、建筑钢筋、结构件等，如图3-19所示。低合金结构钢的应用实例低合金结构钢的应用实例桥梁容器图3-19低合金结构钢的应用2）合金渗碳钢 合金渗碳钢是由低碳合金结构钢经渗碳、淬火、低温回火的处理后获得。其性能特点有：“表硬心韧”的性能，同时具有优良的耐磨性和耐疲劳性。因此用来制造承受强烈冲击载荷和摩擦磨损的零件。如汽车、拖拉机中的变速齿轮和内燃机中的凸轮轴，如图3-20所示变速齿轮 凸轮轴图3-20 合金渗碳钢的应用3)合金调质钢 这类钢属于中碳钢，经调质、表面淬火和化学热处理后具有良好综合力学性能

23、，能承受重载荷、耐冲击，具有良好的淬透性和耐磨性。因而用来制造承受重载荷、耐冲击和具有良好综合力学性能的重要零件。如内燃机的连杆，汽车的传动轴，如图3-21所示。连杆 传动轴图3-21 合金调质钢的应用4）合金弹簧钢 弹簧钢一般含碳量高于调质钢，经淬火、中温回火后获得的特殊质量合金结构钢，它具有高弹性极限和屈强比，足够的塑性、韧性和疲劳强度，还有较高的淬透性。主要用来制造机车车辆、汽车、拖拉机的各种弹簧或减振元件，如图3-22所示。钢板弹簧螺旋弹簧图3-22 合金弹簧钢的应用5）滚动轴承钢 这类钢经淬火、低温回火后具有高而均匀的硬度和耐磨性、高抗拉强度和接触疲劳强度、高的弹性极限，足够的韧性和

24、对大气的耐蚀能力。主要用于制造各种滚动轴承的内、外套圈以及滚动体，如图3-23所示，也可用于制造各种工具和耐磨零件。各类滚动轴承深沟球轴承 图3-23滚动轴承钢的应用（2）合金工具钢合金工具钢按用途可分合金刃具钢、合金量具钢和合金模具钢。1）合金刃具钢 这类钢具有高硬度、优良的耐磨性、高热硬性及足够的强度和韧性等。主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具，如图3-24(a)所示。2）合金模具钢合金模具钢就是用来制造模具的钢。根据工作条件不同又可分为冷作模具钢和热作模具钢，这类钢应具备较高的硬度和强度、足够的韧性、较高的淬透性和较小的热处理变形。对于热作模具还应具有较好的抗热疲劳性能，高温

25、耐磨性及热稳定性。如图3-24(b)所示。3）合金量具钢这类钢具有高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。主要用来制造测量工件的工具。如图3-24（a）所示n合金工具钢的应用实例合金工具钢的应用实例 如图如图3-24(a)合金刃具钢的应用 合金量具钢的应用n合金工具钢的应用实例合金工具钢的应用实例 如图如图3-24(b)冷作模具（冲压模）热作模具（塑料模）3.1.5 钢的热处理的目的、分类及应用1.钢的热处理的概念 所谓钢的热处理，就是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。2.钢的热处理的目的与作用 钢通过热处理能达到改善钢（工件）的力

26、学性能或工艺性能；充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命。2.热处理的分类及应用 根据热处理的目的、加热和冷却方法不同，常用的热处理方法可分为以下几种：附：热处理作用视频(1)退火n退火 就是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺n退火主要目的 是为了降低钢的硬度，提高塑性和韧性，以利于切削加工和冷变形加工；细化晶粒，均匀组织，为后续热处理作好组织上的准备；消除残余内应力，防止工件的变形与开裂。n退火的应用 主要用于碳素结构、合金结构钢的铸件、锻件、焊件及钢锭等。n常用退火方法 有完全退火、球化退火和去应力退火三种。 (2)正火n正火就是将钢材或

27、钢件加热到AC3或Accm以上30 50 ，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。n正火的目的与退火类同，不过具有更高的力学性能。主要用于对于力学性能要求不高的普通结构零件，正火可作为最终热处理；对于低中碳结构钢，主要是提高硬度，改善切削加工性能；对于过共析钢，为球化退火，淬火作组织准备。正火与退火的应用区别正火与退火的应用区别 正火与退火从所得到的组织上没有本质区别，但正火的生产效率高、成本低。因此，一般普通结构件应尽量采用正火代替退火。 总之，退火与正火通常安排在机械粗加工之前进行，作为预备热处理。退火和正火的应用实例与区别退火和正火的应用实例与区别 如图3-23所示为退火和正

28、火在锉刀生产过程中的应用，在生产过程中锉刀常采用T12碳素工具钢锻制。图3-23 锉刀的生产加工工艺路线图(3)淬火n淬火 是指将钢件加热到Ac 或Ac 以上某一温度,保持一定时间,然后以适当速度冷却获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。n淬火的目的 从组织上说：淬火是为了得到马氏体（或贝氏体）组织；从性能上说：为获得高硬度,提高钢的强度、硬度和耐磨性n用于要求有较高强韧性的工模具和弹簧及要求高硬度的零件之中。n常用淬火方法 有单液淬火与双液淬火两种。n常用淬火介质（冷却剂） 目前常用的淬火介质有水、水溶液、各类油等。一般非合金钢用水、合金钢用油。 淬火后的钢件是不能直接使用的，必须进行了回

29、火后才能投入淬火后的钢件是不能直接使用的，必须进行了回火后才能投入生产。生产。(4)回火n回火 就是指钢件淬硬后，再加热到Ac1 以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。n回火的主要目的 n降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂；n调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。即稳定组织和形状尺寸；n与淬火配合，使零件达到使用性能要求获得不同需要的机械性能。n回火的应用范围 广泛用于要求保持高硬度和耐磨性，具有一定韧性的各类高碳钢的刀具、冷作模具、量具；滚动轴承、渗碳或表面淬火件等；具有较高的弹性极限和屈服极限，并备有一定的韧性的各种弹簧、弹性夹头、锻模；要

30、求具备较好的综合机械性能的轴类、齿轮、连杆等受力复杂的重要零件。n回火的种类 热处理生产中常按回火温度分为低温回火、中温回火和高温回火。钢件的回火组织与力学性能也将随回火温度而改变。n淬火和回火的应用实例淬火和回火的应用实例 如图3-24为淬火、回火在汽车变速齿轮加工中的应用，汽车变速齿轮一般的加工工艺顺序为：图3-24汽车变速齿轮加工工艺路线图附：钢的表面热处理讲座3.2 3.2 有色金属材料有色金属材料 有色金属是指除黑色金属以外的其他金属，也称非铁金属材料。有色金属的产量及用量不如黑色金属，但它们具有许多特殊的性能，如高的导电性和导热性、较低的密度和熔化温度、良好的力学性能和工艺性能等，

31、因此，也是现代工业生产中不可缺少的重要金属材料。 工业上常用的有色金属材料有铜及铜合金、铝及铝合金、滑动轴承合金、硬质合金等。3.2.1 铜及铜合金1.纯铜的性能与牌号纯铜是玫瑰红色的金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故称紫铜。它是工业上常用的纯铜，其密度为8.9g/cm3，熔点为1083，属逆磁性材料，具有抗磁性。n纯铜的突出优点是导电及导热性好，广泛地应用在电气工业方面，可以作为导电、导热、耐蚀的器具材料，如图3-25所示。n纯铜可分为工业纯铜和无氧铜两种。其中工业纯铜牌号是“T+数字”表示，“T ”是铜的汉语拼音字头，数字为编号，数字愈大则纯度愈低。常用的工业纯铜的牌号有T1、T2

32、、T3。纯铜的应用纯铜的应用图3-25 纯铜的应用I铜丝)2.铜合金的分类、性能、牌号及应用 工业上广泛采用的铜合金，是在纯铜中加入合金元素制成的。按照化学成分的不同，可分为黄铜、青铜和白铜。（1）黄铜n以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两类。n黄铜的牌号n普通黄铜的牌号用“H”加数字表示。“H”是“黄”字汉语拼音字头，数字表示平均含铜百分量，余量为Zn。例如：H62，表示含铜量是62 ，锌含量为38% 的普通黄铜。n特殊黄铜的牌号是在“H”之后标以主加元素的化学符号，并在其后表明铜及合金元素含量的百分数，如HPb59-1表示含Cu59%，含Pb1%余为

33、Zn的铅黄铜。n黄铜的性能与应用n普通黄铜是铜和锌的构成的铜合金称为普通黄铜。具有相当好的抗腐蚀性，较高的塑性、较好加工性能。n为了改善黄铜的某些性能，向普通黄铜中加入少量其它元素，如Al、Mn、Sn、Si、Pb等，从而提高合金强度及改善耐腐蚀性，这种黄铜称为特殊黄铜。n黄铜主要用来制作船舶零件和弱电用的零件，如水阀、管件、带轮等，如图3-26（a）、（b）、（c）所示。阀门 各种管件 同步带轮图3-26 黄铜的应用黄铜制品黄铜制品（2）青铜的定义、牌号、性能与应用n青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金。因铜与锡的合金呈青色而得名。n按照化学成分，青铜分普通青铜和特殊青铜两类。按主加合金元素种类可

34、分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。按加工方法不同又可分为加工青铜和铸造青铜两类。n青铜的牌号以“青”字的汉语拼音字头“Q ”加锡元素和数字表示。如QSn6.5 0.4表示含Sn为6.5%含其它元素(P)0.4%，余为Cu的锡青铜。n青铜除保留黄铜的性能特点外，加入的合金元素不同可以明显改善合金的机械性能、耐腐蚀性、耐磨性以及热强性等。n青铜主要用来制造轴承、齿轮、蜗轮、轴套等耐磨零件，弹性元件，耐蚀、抗磁零件等，如图3-27(a)、(b)、(c)所示。青铜的应用实例青铜的应用实例青铜管件 青铜轴承蜗轮图3-27 青铜的应用3.2.2 铝及铝合金1.纯铝的性能、牌号及应用场合n纯铝呈银白色，

35、其密度为2.72g/cm3，熔点为660.4,它具有密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低; 抗大气腐蚀性能好和良好加工性能好。属非铁磁材料。n纯铝呈银白色。按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类。 纯铝的牌号由“L代号”组成。其中“L” 表示铝字汉语拼音字头，代号表示分类与纯度。n纯铝主要用来制作电线、电缆、散热器及要求不锈耐蚀而强度要求不高的日用品或配制合金。 2.铝合金的分类、牌号及应用场合n铝合金是指以铝为基础，加人一种或几种合金元素（如铜、镁、硅、锰、锌等）组成的合金。铝合金一般根据成分不同和生产方式的不同可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。n变形铝合金又由性能不同分为防锈铝

36、、硬铝、超硬铝和锻铝四类，如LF5、LY1、LC4、LD5。n因铝合金具有良好的塑性性，抗腐蚀性能，同时具有的足够的强度，而且密度小。因此铝合金被广泛用于电气工程、航空航天、汽车制造及生活等各个领域。铝及铝合金的应用实例，如图3-28(a)、(b)、(c)所示。 纯铝及铝合金的应用实例纯铝及铝合金的应用实例 图图3-28所示所示铝制带轮 各类型材 壶具系列变形铝合金的应用变形铝合金的应用 防锈铝 LF，不可热处理强化，做油箱、油管、铆钉。 硬铝 LY，做螺旋桨叶片、支柱。 超硬铝 LC，做飞机大梁、桁架、起落架等。 锻铝 LD，做锻件、模锻件。3.2.3 轴承合金 轴承合金是指用来制造滑动轴承

37、轴瓦及其内衬的有色金属材料，如图3-29所示。轴承合金具有以下特性：适当的强度（特别是抗压强度和抗疲劳强度）和硬度，一定的塑性和韧性；良好的抗腐蚀性、导热性和较小的膨胀系数；耐磨性好；良好的磨合性，负荷均匀分布；加工工艺性能好，原料来源广，价格便宜等。n常用的滑动轴承合金有两类组织的合金：软基体硬质点、硬基体软质点。1、在软基体上均匀分布着硬质点（软基体硬质点） 这类轴承合金具有磨合性、抗冲击、抗振动的能力较好，但承载能力较低。常用的有锡基轴承合金（又称锡基巴氏合金）。2、在较硬的基体（硬度低于轴颈）上均匀分布软质点（硬基体软质点） 这类轴承合金承载能力较大，但磨合性较差。这类常用的有铜基轴承

38、合金，如铅青铜和锡青铜等。n轴承合金轴承合金 的应用与实例的应用与实例滑动轴承及轴承座 整体式与剖分式滑动轴承图3-29 滑动轴承及各类滑动轴承3.2.4 硬质合金1.硬质合金的定义与牌号n硬质合金指以难熔硬度金属化合物 (如碳化钨、碳化钛)作基体，以钴、铁或镍作黏结剂，采用粉末冶金法制作而成的一种硬质工具材料。n常用的切削工具用硬质合金牌号按使用领域不同可分P、M、K、N、H六类，各类别为满足不同要求，以及不同性能又分为若干个组，用力01，10，20等两位数表示。必要时，可在两位数之间插入一个补充组号用05，15，20等表示，常用的牌号如P201，M102，K101等。 附：粉末冶金讲座2.

39、硬质合金的性能与应用 硬质合金具有高硬度、高红硬性、高耐磨性好和高抗压强度等诸多优点。广泛应用于刀、量、模具的制造中，如图3-30所示各规格的刀片及车刀。硬质合金车刀片及硬质合金刀片及车刀 硬质合金的应用*3.3 工程塑料和复合材料工程塑料和复合材料 人类已经合成了成千上万种自然界从未有过的物质，高分子合成材料的发展已经超过钢铁、水泥和木材这传统的三大基本材料。目前在机械行业中使用的高分子合成材料主要有工程塑料、复合材料等，它们已经成为工程材料中不可缺少的重要组成部分。3.3.1 工程塑料 塑料是以树脂（天然的或合成的）为主要组分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的。工程塑料指

40、能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以制成工业零件或外壳材料的工业用塑料1.工程塑料的特性 与金属材料相比工程塑料具有质量轻、吸水率小、比强度（强度与密度之比）高、耐蚀性好、电绝缘性良好、减摩性好、吸振性好、消声性好及成型工艺简单等特性。2.工程塑料的分类1)通用工程塑料 这种工程塑料一般使用温度在100150之间，常指热塑性塑料（加热后可熔融流动），有聚酰胺(PA)，聚甲醛(POM)，聚碳酸酯(PC)，改性聚苯醚(PPO，也有缩写为PPE的)，聚酯(PBT和PET)等五种。 2)特殊工程塑料 这种工程塑料一般使用温度超过150，常指除以上五

41、种以外的性能更优异的工程塑料。3.工程塑料的应用 工程塑料具有优异性能，也更加符合节能环保潮流，近年来工程塑料已被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业，还能代替金属材料来制造某些机械零件。如图3-31所示的饮水机的外壳、电脑键盘及鼠标和插座的材料都是工程塑料。饮水机外壳 电脑键盘及鼠标 插座图3-31 工程塑料的应用3.3.2 复合材料 复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，以微观或宏观的形式组合而成的材料。1.复合材料的特性 复合材料既保持原有材料特性外，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。如比重小、比强度高和比模量（材料的弹性模

42、量与密度之比）大；具有优良的化学稳定性、润滑性；减摩性与耐磨性好；抗疲劳性与减振性好；耐蚀性与高温性能好；加工成形性好。附：复合材料视频2.复合材料的分类 复合材料按增强基体不同可分塑料基复合材料、金属基复合材料、橡胶基复合材料和陶瓷基复合材料；复合材料按性能不同可分结构复合材料和功能复合材料；复合材料按增强材料种类和结构形式不同可分为层叠、细粒、纤维增强复合材料等。3.复合材料的应用 在机械工业中，复合材料主要用于制造机械零件（如齿轮等）；化工容器（如储油罐、电解槽等）；船艇、汽车车身、大型发动机罩壳；耐腐蚀结构件（如泵、阀、管道等）；减摩、耐磨及密封件；绝缘材料等，如图3-32所示的控制箱

43、外壳、减摩密封件和耐磨密封件的材料都是复合材料。复合材料的应用实例复合材料的应用实例控制箱外壳减摩密封件耐磨密封件图3-32复合材料的应用*3.4 3.4 其他新型工程材料其他新型工程材料 3.4.1 橡胶 橡胶是一种高分子材料，是以生胶为基础加人适量的配合剂制成的。主要由两部分组成。因橡胶具有高的弹性；优异的伸缩性和储能能力；良好的耐磨性、隔音性、阻尼性和挠性；优良的电绝缘性、不透水性和不透气性等特点。常用来制造轮胎；如图3-1（d）所示。动、静密封件（如旋转轴密封、管道口密封垫）；减振、防震件（如机座减振垫片等）；传动件（如同步带）等；运输胶带和管道；电线、电缆和电工绝缘材料；制动件等，如

44、图3-33所示橡胶的应用。橡胶的应用橡胶的应用同步带 橡胶联轴器图3-33橡胶的应用3.4.2 陶瓷 陶瓷是一种无机非金属材料。是由天然的硅酸盐矿物或人工合成材料，经过粉碎、成形和烧结而制成。 大体上可分传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三大类。 它具有极高的硬度与耐磨性、有良好的抗压强度和抗氧化耐蚀性等，广泛用于电子电气、化工、建筑、冶金、机械、纺织等行业， 如图3-34(a)、(b)、(c)所示为陶瓷的应用。陶瓷的应用实例陶瓷的应用实例 热电偶套保护管 陶瓷密封环 陶瓷喷咀图3-34 陶瓷的应用3.5 3.5 材料的选择及运用材料的选择及运用3.5.1材料的选用原则 正确、合理选材是保证产品最佳

45、性能、工作寿命、使用安全和经济性的基础。现就机械零件材料的一般选用原则做以下介绍：1.使用性能原则 使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。对大多数机器零件和工程构件而言，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求，所选用材料必须满足产品零件工作条件的要求。 2.工艺性能原则 材料的工艺性能是指材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括冷、热成型加工、切削加工、焊接加工和热处理加工等。材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率和生产成本等方面都起着十分重要的作用。 3.经济性原则

46、 经济性是指在满足零件的使用性能的前提下，零件材料的成本应尽量低。它主要包括材料的价格、零件的总成本和资源等因素。 总之， 所选材料的使用性能应满足零件的使用性能要求。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。必须考虑材料的经济性。采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力。 3.5.2 工程材料的应用 下面以汽车为例，说明工程材料的实际运用。1.汽车主要结构可分为四部分： (1）发动机部分：提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成。 (2）底盘部分：包括传动系(离合器、变速箱、后桥等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(方向盘、转向蜗杆等)和制动系(油泵或气泵、刹车片等)。 (3）车身部分：驾驶室、货箱等。 (4）电气设备部分：电源、起动、点火、照明、信号、控制等。2.金属材料在汽车上典型零件的应用(1）缸体和缸盖 目前使用的缸体和缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金，如图3-