机械制造基础课程—课题五有色金属及非金属材料

1、课题五 有色金属与非金属材料学习情境学习情境1 1 熟悉铝及铝合金熟悉铝及铝合金学习情境学习情境2 2 熟悉铜及铜合金的基础知识熟悉铜及铜合金的基础知识 学习情境学习情境3 3 熟悉轴承合金的基础知识熟悉轴承合金的基础知识学习情境学习情境4 4 熟悉非金属材料的基础知识熟悉非金属材料的基础知识 【课题要点】 本课题主要介绍铝及铝合金、铜及铜合金、滑动轴承合金等有色金属以及塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等非金属材料。 【学习目标】 (1)熟悉铝合金、铜合金、滑动轴承合金的牌号、性能及应用。 (2)熟悉塑料、橡胶、陶瓷、复合材料的种类、性能特点和应用。 【课题描述】 金属材料分为黑色金属和有色金属两大

2、类。 习惯上，人们通常把除铁及铁基合金以外的金属称为有色金属，又称为非铁金属。 有色金属虽不及钢铁材料强度高、成本低、应用广，但它具有密度小（Mg，A1，Ti及其合金）、 导电性优良（Ag，Cu，Al及其合金）、耐高温（W，Mo，Te及其合金）等特性。 因此，有色金属及其合金也是现代工业中不可缺少的金属材料。学习情境1 熟悉铝及铝合金 【情境导航】 工业纯铝 铝合金 【相关知识】 一、工业纯铝 纯铝呈银白色，其熔点为660。固态下具有面心立方晶格，无同素异晶转变。铝的密度小，导热、导电性（仅次于银、铜和金）好，常用于制作导线、电缆、电容器以及导热或散热用的机械零件和设备。 铝在空气中有优良的抗

3、蚀性，但铝不耐碱、盐溶液及热的稀硝酸或稀硫酸的腐蚀。铝有很高的塑性和较低的强度及硬度，便于通过各种冷、热压力加工制成型材、线材、板材和铝箔。 工业纯铝分为纯铝（含铝质量分数99%99.85%）和高纯铝（含铝质量分数99.85%）两类。 纯铝分压力加工产品（变形铝）和未压力加工产品（铸造纯铝）两种。 铸造纯铝牌号由Z和铝的化学元素符号及表明铝百分含量的数字组成。 例：ZAL99.5 变形铝牌号采用四位字符体系的方法命名，四位字符体系牌号的第一、三、四位为数字，第二位为英文大写字母。 第一位数字为1，表示纯铝。 牌号中的第二位字母表示原始纯铝的改型情况，若是A，则表示为原始纯铝；若是BY的其他字母

4、（C，I，L，N，O，P，Q，Z字母除外），则表示为原始纯铝的改型，与原始纯铝相比，其元素含量略有改变。 牌号中最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位. 例：1A50,1A30,1A99 二、铝合金 （一）铝合金的分类 铝合金按其成分和生产工艺的不同，可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，这种分类法是以铝合金相图为依据的。该图为铝基二元合金相图的一般类型。 图中，凡位于D点左边的合金，加热时均能得到单相固溶体组织，其塑性好，适宜进行压力加工，这种铝合金称为变形铝合金。 位于D点以右的合金都具有共晶组织，其塑性较差，不宜进行压力加工，但其结晶温度较低，液态合金流动性好，适宜铸造成型，这

5、种铝合金称为铸造铝合金。 变形铝合金中，位于F点以左的合金，在固态时始终是单一的固熔体，采用淬火的方法不能进行强化，这种成分的铝合金即为不能热处理强化的铝合金。 成分在F点和D点之间的铝合金，在加热或冷却过程中，固熔体的溶解度将有变化，因而能热处理强化，所以称为能热处理强化的铝合金。 （二）铝合金的热处理（固熔处理+时效） 将铝合金加热保温后获得单相固熔体，在水中急冷，得到单相过饱和固熔体组织，这种热处理方法称为固熔处理（或称淬火）。铝合金经固熔处理后，其强度、硬度并不高，但塑性、韧性较好。 若将固熔处理后的铝合金在室温下放置足够长时间，则不稳定的过饱和固溶体会析出细小弥散的第二相质点分布在固

6、熔体基体上，从而使强度、硬度显著提高，这种淬火后的合金随时间延长而发生的强化现象称为时效强化。 在室温下进行的时效为自然时效，在加热条件下进行的时效为人工时效。 （三）变形铝合金1防锈铝合金2硬铝合金3超硬铝合金4锻造铝合金 （四）铸造铝合金 铸造铝合金的代号用“铸”“铝”二字的汉语拼音第一个大写字母“ZL”后加三位数字来表示。第一位数字表示合金系列，其中1，2，3，4分别代表Al-Si，Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn系合金；第二、三位两个数字表示顺序号，序号不同，其化学成分也不同。例如，ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。若为优质合金则在代号后面加“A”。学习情境2 熟悉铜及铜合金的基础

7、知识 【情境导航】 工业纯铜 铜合金的分类 黄铜 青铜 【相关知识】 一、工业纯铜 纯铜外观呈玫瑰红色，表面形成氧化亚铜膜层后呈紫色，所以又称为紫铜。纯铜的密度为8.96 gcm3，熔点为1 083，在固态下具有面心立方晶格。 纯铜具有良好的导电性（仅次于银）、导热性和抗磁性，在大气、淡水及水蒸气中有优良的耐腐蚀能力，但在潮湿并含有CO2的空气中易腐蚀生成铜绿。 纯铜的强度、硬度较低，塑性很好，易于冷热压力加工，因此纯铜一般不用做结构零件，而主要用于制造电线、电缆、铜管、抗磁性干扰的仪表零件及制造铜合金。 工业纯铜分为未加工产品（铜锭、电解铜）和加工产品（铜材）两种。加工铜的代号用汉语拼音字母

8、“T”加顺序号表示。代号中顺序号数字越大表示杂质含量越多。 二、铜合金的分类 按化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜及白铜三大类。 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金； 白铜是以镍为主要合金元素的铜合金，其含镍质量分数低于50%； 青铜是以除锌和镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金。 按生产方法，铜合金可分为压力加工产品和铸造产品两类。 三、黄铜 按照化学成分，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜。 （一）普通黄铜 普通黄铜是铜锌二元合金。锌对黄铜力学性能的影响如图，当wZn32%时，合金组织中开始出现脆性的相。 相是以化合物CuZn为基体的固溶体，它在高温下塑性较好，在室温下则脆性较大，因而使黄铜的塑

9、性逐渐下降，而强度继续提高。 这种组织为+的双相黄铜仅适于热加工和铸造，又称为铸造黄铜。 当含锌质量分数增至45%47%时，合金组织已全部为相，再增加含锌质量分数将出现相，于是黄铜的强度和塑性都急剧降低。因此，含锌质量分数大于45%47%的铜锌合金在工业上已无使用价值。图图5.25.2 锌对黄铜力学性能的影响锌对黄铜力学性能的影响 普通黄铜主要供压力加工用，代号用“黄”字汉语拼音首字母“H”后面跟表明铜元素质量分数的数字表示，如H68即表示含铜68%的普通黄铜。 （二）特殊黄铜 在普通黄铜的基础上，再加入其他合金元素（铅、锡、铝、锰、硅、铁等）的铜合金，称为特殊黄铜。 合金元素的加入，改善了普

10、通黄铜的力学性能、耐腐蚀性和其他工艺性能。特殊加工黄铜的代号用“黄”字汉语拼音首字母“H”+主加元素的化学符号（除锌以外）+铜的百分含量和主加元素的百分含量来表示。 特殊黄铜可依据主加合金元素命名，如HAl77-2表示含铝质量分数2%、含铜质量分数77%、余量为锌的铝黄铜。 四、青铜 历史上把铜锡合金称为青铜，现在把除黄铜和白铜以外的铜合金统称为青铜。根据主要加入的合金元素的不同分别称为锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜等。加工青铜的代号用“青”字汉语拼音首字母“Q”+主要元素的化学符号+主要元素的质量分数表示。学习情境3 轴承合金 滑动轴承一般由轴承体和轴瓦构成。为了提高轴瓦的强度和耐磨性，往往

11、在轴瓦的内侧浇铸或轧制一层耐磨合金，形成一层均匀的内衬，用来制造滑动轴承中的轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。 滑动轴承支撑着轴进行工作。当轴旋转时，轴与轴瓦之间必然有强烈的摩擦，且轴瓦表面承受轴颈传给的周期性交变载荷。 在理想的工作条件下，轴与轴瓦间有一层润滑油膜相隔，进行理想的液体摩擦。 因此，轴承合金应具备以下性能： （1）足够的抗压强度、疲劳强度和韧性，以承受轴颈所施加的应力以及在动力机械中承受冲击负荷。 （2）一定的硬度，小的摩擦因数，良好的储油能力。 （3）足够的塑性，良好的磨合性。 （4）良好的耐蚀性，导热性以及良好的工艺性。 为了满足上述要求，轴承合金的组织应为软的基体上均匀分布

12、着硬的质点，或者是硬的基体上均匀分布着软的质点。图5.4为轴承合金理想表面示意图。 软的组织被磨损后形成凹坑可以储存润滑油，有利于形成连续油膜。软组织还具有良好的磨合性和抗冲击、抗振动能力。凸起的硬质点能支撑轴的工作压力，并起减摩作用。图图5.45.4 轴承合金理想表面示意图轴承合金理想表面示意图第三章 6-24三、分支程序与循环程序设计三、分支程序与循环程序设计休息一下，巩固所学的知识学习情境4 熟悉非金属材料的基础知识 【情境导航】 塑料 橡胶 陶瓷 复合材料 【相关知识】 一、塑料 塑料是以合成树脂为主要成分，加入能改善某些性能的多种添加剂而制成的高分子材料。 （一）塑料的组成 塑料由合

13、成树脂和添加剂组成。 1.合成树脂 合成树脂是组成塑料的基本组成物，它决定塑料的基本性能，合成树脂在塑料中又起到黏结剂的作用，故又称黏料。 2.添加剂 塑料中添加剂的作用是改善某些性能，以扩大其应用范围。 （1）填充剂。 （2）增塑剂。 （3）稳定剂（又称防老化剂）。 （4）润滑剂。 （5）固化剂。 （6）着色剂。 除上述添加剂外，有些塑料中还加入阻燃剂、抗静电剂、发泡剂等。常用的添加剂有如下几种： （二）塑料的性能 1.化学性能 塑料具有良好的耐蚀性能，一般能耐酸、碱、油、水和大气的腐蚀，其中，聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蚀。因此，塑料广泛用于制造在腐蚀条件下的零部件和化工机械零件。 2.物理

14、性能 塑料密度小，不加任何填料或增强材料的塑料，其密度在0.852.20 gcm3之间，只有钢的 1814，泡沫塑料的密度仅为0.020.2 gcm3。 塑料的热性能不及金属，受热易老化、分解，故大多数塑料只能在100 以下使用，极少数塑料（如聚四氟乙烯、有机硅塑料）可在250 左右长期使用。 塑料是良好的绝热材料。 塑料的电绝缘性好。 3.力学性能 塑料的强度、刚度和韧性一般都比较差，其强度为30150 MPa，且受温度影响较大。塑料的刚度仅为钢的110，因此塑料只能作受力不大的构件。 金属在较高温度时，才会出现明显的蠕变现象，但塑料在室温承受载荷后就会出现蠕变，如架空的电线套管在电线和自重

15、的作用下会缓慢挠曲变形，就是蠕变。同时还会出现应力松弛现象。此外，塑料还具有良好的减振性和消音性。蠕变（creep）(缓慢变形) （三）塑料的分类 按应用范围，可将塑料分为通用塑料和工程塑料两大类。 根据树脂受热时的变化，又可将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两类。 二、橡胶 橡胶也是一种高分子材料，是高聚物中具有高弹性的一种物质。橡胶在受到较小力作用时能产生较大的变形（一般为100%1 000%），当外力去除后又能恢复到原来的状态，这是橡胶区别于其他物质的主要标志。 橡胶应用广泛，可制作轮胎、密封元件、减振及防振件、传动件等。 根据原料来源不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两类。 天然橡胶是橡胶树流出的胶乳，经采集和适当加工后制成的弹性固状物，其主要化学成分是聚异戊二烯。 合成橡胶是指具有类似橡胶性质的用人工合成的各种高分子化合物。 三、陶瓷 陶瓷是无机非金属材料，一般可分为普通陶瓷（普通工业陶瓷、化工陶瓷）和