电子教案-机械基础(第4版-刘跃南)电子教案-1.机械工程材料

01机械工程材料与热加工成形第一篇

材料的发展对人类生活和生产影响巨大，也直接影响机电产品的生产制造。在机电产品的生产制造中，机械工程技术需要解决的主要问题是选用什么材料和用什么方法进行加工。

本篇将从宏观角度介绍材料的发展及其对人类的影响，以及材料与机械设计制造过程的关系，建立从材料选择、成形加工工艺、机械传动设计、机械加工等产品制造过程的完整概念，以便更好地把握本课程的学习。同时，从专业技术工作的需要出发，对常用的机械工程材料和金属热加工方面的知识作一基本介绍。封面页（设计好之后可以删掉这个文本框哦）

第一章机械工程材料机械基础高等教育出版社目录CONTENTS概述§１－１金属材料的主要性能§１－2常用金属材料§１－3钢的热处理§１－4非金属材料§１－5新型材料简介§１－6机械工程材料的选用§１－7复习题§１－１概述1-11-1概述一、机械工程材料及其分类机械工程材料是指与机械工程（结构、零件、工具等）有关的材料。工程上，通常按材料的化学属性将材料分为金属材料与非金属材料。

1.金属材料金属材料是机械工程中用量最大、用途最广的材料，占据机械工程材料消费的主导地位，金属材料的这种主导地位还将在未来相当长的时间内持续下去。它包括两大类型：黑色金属和有色金属。

（１）黑色金属指铁及铁基合金材料，即钢铁材料。它占金属材料总量的95%以上。钢铁材料又分为钢与铸铁两种，其中钢占90%以上。钢铁材料对机械工业乃至社会发展都起着非常重要的作用，各种机械、运输车辆、航运船舶和各种结构件大量采用了钢铁材料。

（２）有色金属指除铁基合金之外的所有金属及其合金材料（又称非铁合金）。它又可分为轻金属（铝、镁、钛等）、重金属（铅、锑等）、贵金属（金、银、镍、铂等）和稀有金属等。其中以铝及其合金、铜及其合金用途最广。概述

2.非金属材料非金属材料可分为高分子材料、陶瓷材料和复合材料。（1）高分子材料高分子材料又称聚合物，是由相对分子质量很大的大分子组成，其主要原料是石油化工产品。按其性能用途和使用状态，又分为塑料、橡胶、合成纤维和胶粘剂等四大类型。（2）陶瓷材料陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的化合物（主要是氧化物、氮化物、碳化物等），工业上常分为三大类，其一是传统陶瓷，常用作建筑材料使用；其二是特种陶瓷（新型陶瓷），常用作耐热、耐蚀、耐磨等零件；其三是金属陶瓷，即金属粉末与陶瓷粉末的烧结材料，主要用作工具等。

（3）复合材料金属、高分子、陶瓷材料各有优缺点，若将以上两种或两种以上的材料组合在一起形成的材料便是复合材料。复合材料发挥了其组成材料的各自长处，又在一定程度上克服了它们的弱点，因而是一种新型的优异材料。按其基体不同，复合材料常分为三大类型：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。1-1概述二、机械工程材料的发展历史及其对材料加工技术的推动作用

在石器时代，人类所使用的材料是非金属材料，如木材、石头等。从公元前4000年开始，人类从漫长的石器时代进入青铜器时代，所使用的工具由石器进化到金属，它们的加工对象已经不限于非金属材料，而包括了金、银、铜等金属材料。以铜的熔炼技术和铸造技术的出现为标志，人类开始掌握对自然资源进行加工的技术，人类的生产和社会活动也因此产生了一次飞跃。早在齐家文化时期（公元前2000年左右），已用天然铜制造器具，出现金属切削加工的萌芽。铁质工具的出现，使切削加工进入了一个新阶段。这一时期出土的切削工具，分工比较细致。许多青铜器上，出现了用金属刻镂的纹饰和钻孔的痕迹。在西安出土的唐代文物中，有用铜、银制造的盘、盒和碗。在这些器具上有明显的车削痕迹，内孔与外圆的不同心度很小，刀痕细密，子母口配合严紧，体现出当时较高的加工精度。由此推测，我国最晚在八世纪时，就已经有了原始的金属切削车床。1-1概述

第一次工业革命时期（18世纪60年代——19世纪中期），人类开始进入蒸汽机时代，材料加工的特点是以机器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产。随着蒸汽机的广泛使用，以及随之出现的矿山、冶金、轮船和机车等大型机械的发展，需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，所用的金属材料由铜、铁，发展到以钢为主。材料加工包括锻造、冲压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备，以及切削技术和机床、刀具、量具等得到了迅速发展。

第二次工业革命时期（19世纪下半叶——20世纪初），人类开始进入电气时代。20世纪初期，福特在汽车制造上创造了流水生产线。20

世纪中后期，材料加工的主要特点是：不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖；提高成形加工、切削加工和装配自动化的机械化和自动化程度；利用数控铣床、加工中心、成组技术等；发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平；研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。1-1概述

20世纪后期以来，由于电子信息、航空航天等尖端技术的迅速发展，对新材料的研究与开发起到了很大的刺激与促进作用，以高温超导材料、精细陶瓷材料、纳米材料为代表的新材料与新材料技术不断涌现。但存在一个较为普遍的问题，即新材料研制与制备加工工艺开发的非同步发展。高温超导材料、金属陶瓷梯度功能材料等，作为先进材料的优越性与实用价值非常明显，但尚缺少高效、低成本的制备与加工技术。进入21世纪后的较长一段时期内，材料加工的发展将具有以下两个主要特征：（１）按照使用要求来设计材料的性能，实现性能设计与制备加工工艺设计一体化。（２）在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中，对材料的组织性能和形状尺寸实行精确控制。1-11-1概述材料加工技术的总体发展趋势可以概括为三个综合，即“过程综合、技术综合、学科综合”。过程综合主要包括两个方面的含义，其一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密；其二是指多个过程（如凝固与成形）的综合化，或称短流程化，如喷射成形技术、半固态加工技术和连续铸轧技术等。技术综合是指材料加工技术越来越发展成为一门多种技术相结合的应用技术科学，尤其体现为制备、成形、加工技术与计算机技术（计算机模拟与过程仿真）以及信息技术的综合，与各种先进控制技术的综合等。学科综合则体现为传统三级学科（铸造、塑性加工、热处理和连接）之间的综合，与材料物理与化学、材料学等二级学科的综合，与计算机科学、信息工程、环境工程等材料科学与工程学科以外的其他一级学科的综合。概述三、机械工程材料与机械设计制造

机械中的任何零件都是由某种材料制成的，没有材料就没有机械。机械零件质量好坏和使用寿命的长短都与它的材料直接相关。大量事实说明，许多材料及其工艺问题是我国机械产品功能差、质量低、寿命短的主要原因之一。

机械产品的可靠性和先进性，除设计因素外，在很大程度上取决于所选用材料的质量和性能。在机械类产品的开发、设计、加工制造等相关工作中，能否正确、合理地选取材料是从事这类工作的基础，从某种程度上说决定了产品功能和成本，进而决定着产品开发的成败。

新型材料的发展是发展新型产品和提高产品质量的物质基础。各种高强度材料的发展，为发展大型结构件和逐步提高材料的使用强度等级，减轻产品自重提供了条件；高性能的高温材料、耐腐蚀材料为开发和利用新能源开辟了新的途径。现代发展起来的新型材料有新型纤维材料、功能性高分子材料、非晶质材料、单晶体材料、精细陶瓷和新合金材料等，对于研制新一代的机械产品有重要意义。1-1§１－2

金属材料的主要性能1-21-2金属材料的主要性能简述：金属材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能，一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的依据。金属材料的力学性能是指金属材料在外加载荷（外力）作用下表现出来的特性。载荷按其作用形式的不同，分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。一、金属材料的静态力学性能静态力学性能包括塑性、强度、硬度等性能指标。（一）塑性、强度与静载荷拉伸试验

1.塑性塑性是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ。

2.强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。根据受力状况的不同，材料的强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭和抗剪强度等。一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。1-2金属材料的主要性能

3.静载荷拉伸试验金属材料的强度、塑性可通过静拉伸试验来确定。

目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T—2002，由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准进行测定和标注的，所以原有旧标准GB/T228—1987仍然沿用，本教材为叙述方便采用旧标准。关于金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照见表1-1。表１－１金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照1-2金属材料的主要性能在拉伸试验过程中，通过自动记录或绘图装置得到的表示试样所受载荷F和伸长量Δl的关系曲线称为拉伸曲线；经计算，可得到表示试样所受应力σ和应变ε的关系曲线，称为应力－应变曲线。图1-1所示分别为低碳钢试样的拉伸曲线和应力－应变曲线。图１－１低碳钢试样的拉伸曲线和应力－应变曲线1-2金属材料的主要性能

由图1-1可知，在载荷较小的Oe段，试样的伸长量随载荷的增加而增加，外力去除后试样恢复原状，此种变形为弹性变形，故Oe

段为弹性变形阶段。超过点e后，试样进入弹性－塑性变形阶段，在这一阶段若去除外力，试样不能完全恢复原状。当载荷（应力）增加到Fs（σs）时，拉伸曲线（应力－应变曲线）到达s点后出现近于水平的阶段，这表示在载荷不增加的情况下，试样仍明显继续伸长，这种现象称为屈服。屈服现象之后，试样又随载荷的增加而伸长，产生比较均匀的塑性变形，称为均匀塑性变形阶段；由于较大的塑性变形伴随着形变强化现象（因材料产生塑性变形而使其强度、硬度增高的现象），故又称强化阶段。当载荷（应力）增加到Fb（σb）时，试样开始出现局部变细的缩颈现象。之后，所需载荷逐渐减小，变形主要集中缩颈处。当载荷（应力）增加到Fk（σk）时，试样在缩颈处断裂。1-2金属材料的主要性能静拉伸试验条件下材料的主要力学性能指标有以下几个（图１－１）：（１）弹性极限σe和弹性模量Ｅ

在弹性变形阶段，e点对应弹性变形阶段的极限值，称为弹性极限，以σe

表示。对一些弹性元件，如精密弹簧等，σe是主要的性能指标。图１－１低碳钢试样的拉伸曲线和应力－应变曲线

材料在弹性变形阶段内，应力与应变的比值表征了材料抵抗弹性变形的能力，其数值大小反映材料弹性变形的难易程度，称为弹性模量，以Ｅ表示。在工程上，零件或构件抵抗弹性变形的能力称为刚度。在零件的尺寸、结构确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性模量。（２）屈服强度σs和条件屈服强度σ0.2在屈服阶段，材料产生屈服时的应力称为屈服强度，以σs表示。屈服强度标志着材料对起始塑性变形的抗力。如果在拉伸过程中没有明显的拉伸平台，则按照GB/T228—2002的规定以残余伸长率为0.2％时的应力（σ0.2）来表示，又称为条件屈服强度。1-2金属材料的主要性能图１－１低碳钢试样的拉伸曲线和应力－应变曲线

（３）抗拉强度σb

在塑性变形阶段中，曲线的最高点b所对应的应力σb

标志着材料在断裂前所能承受的最大应力，称为抗拉强度。（４）伸长率δ和断面收缩率ψ试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率，以δ表示。试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率，以ψ表示。

δ、ψ都是材料常数，是材料的塑性指标。δ和ψ越大，表示材料的塑性越好。良好的塑性可使材料顺利地实现成形，还可在一定程度上保证零件或构件的安全性。一般δ达5%

、ψ达10%即可满足绝大多数零件或构件的使用要求。1-2金属材料的主要性能（二）硬度硬度是反映材料软硬程度的一种性能指标，它表示材料表面局部区域内抵抗塑性变形、破裂或抵抗硬物压入的能力。根据测定硬度方法的不同，可用布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)等多种硬度指标来表示材料的硬度。

1.布氏硬度(HB)布氏硬度的试验原理、方法和条件在GB/T231.1—2002《金属布氏硬度试验方法》中有详细说明。布氏硬度试验的优点是压痕面积大，测量结果误差小，但测试过程烦琐，不宜用于成品零件及薄而小的零件，也不宜用于大批量的生产检验，常用于退火状态下的钢材、铸铁及有色合金的硬度测试。2.洛氏硬度(HR)

GB/T230.1—2004《金属洛氏硬度试验方法》详细说明了洛氏硬度的测试原理、方法和条件。洛氏硬度测试的优点是操作简便，压痕小，几乎不损伤工件表面，故应用最广。但由于压痕过小，使代表性、重复性差，测量误差较大。1-2金属材料的主要性能3.维氏硬度(HV)

维氏硬度的测量原理基本与布氏硬度相同，具体内容参看GB/4340.1—1999《金属维氏硬度试验方法》，不同的是所加载荷较小，压头是顶角为136°的正四棱锥金刚石压头。维氏硬度测量的精度高，测量范围广（最高可达1300HV），应用广泛，特别适用于工件的硬化层及薄片、小件成品。但由于操作复杂，不宜用于大批量检测；由于压痕很小，致使所测硬度重复性差，分散度大。1-2金属材料的主要性能二、金属材料的动态力学性能动态力学性能包括冲击韧性和疲劳强度等性能指标。

（一）冲击韧性

在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力称为冲击韧性，其值以冲击韧度ａＫ

来表征。ａＫ

值越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不容易断裂。当用冲击试验方法测定冲击韧度时，ａＫ

值就等于冲断试样单位截面积所消耗的冲击吸收功的大小，数值可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。

（二）疲劳强度1-2金属材料的主要性能

（二）疲劳强度

疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试材料的疲劳强度，最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。试验测得的材料所受循环应力σ与其断裂前的应力循环次数Ｎ的关系曲线称为疲劳曲线，如图1-2所示。由图中可以看出，循环应力越小，则材料断裂前所承受的循环次数越多。当应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力作用下，材料经无数次的应力作用达到某一基数而不断时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。一般钢铁材料的循环基数取107次。图１－２疲劳曲线示意图1-2金属材料的主要性能三、金属材料的物理、化学及工艺性能

（一）物理性能

金属材料的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对金属材料的物理性能要求也有所不同。

（二）化学性能

化学性能是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力。它主要包括耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。

（三）工艺性能

金属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。按照加工工艺的不同，工艺性能可分为可铸性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性能等。§１－3

常用金属材料1-31-3常用金属材料一、钢

GB/T13304.1—2008《钢分类》比较系统、详细地规定了钢的分类及表示方法。按照用途来分，钢材料可以分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等。以下分别加以简单介绍。

（一）结构钢结构钢是品种最多、用途最广、使用量最大的一类钢。凡用于各种机器零件及各种工程结构（屋架、桥梁、井架、车辆构架等）的钢都称为结构钢。

1.一般工程结构钢（1）碳素结构钢碳素结构钢的磷、硫含量较高，多用于工程结构（轧制钢板、制造型材、工字钢、钢筋等），少部分用于机械零件。碳素结构钢一般在正火状态下使用，必要时可以进行锻造、焊接等热加工，亦可通过热处理调整其力学性能。（2）优质碳素结构钢这类钢的磷、硫含量较低，广泛用于较重要的机械零件。优质碳素结构钢（如20、30、40、50钢等）使用前一般都要进行热处理。1-3

（3）低合金结构钢低合金结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素（合金元素总质量分数一般在3%以下）而得到的,主要用于制造桥梁、船舶、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等，具有高的强度、足够的塑性和韧性以及良好的焊接性能。低合金结构钢一般含碳量不超过0.2%，并加入以锰为主的合金元素。2.渗碳钢

渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的钢。一般使用低碳的优质碳素结构钢和合金结构钢。渗碳钢主要用于制造高耐磨性并承受动载荷的零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。渗碳钢具有高硬度、高韧性、高强度和良好的热处理工艺性能。

3.调质钢

调质钢通常是指经调质处理后使用的钢，具有优良的综合力学性能。主要用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件（如齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等）。常用调质钢分为碳素调质钢和合金调质钢。常用金属材料1-34.弹簧钢

弹簧钢是专用结构钢，主要制造各种弹簧和弹性元件。弹簧是机器和仪表中的重要零件，主要在冲击、振动、周期性扭转、弯曲等变化应力下工作。弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。常用碳素弹簧钢有55Mn和65Mn，常用合金弹簧钢有55Si2Mn、50CrVA和60Si2Mn。

5.滚动轴承钢

滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈等，属专用结构钢。它也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件，具有高的接触疲劳强度，高的硬度、耐磨性，足够的韧性和淬透性。常用钢种有GCr9、GCr15等。常用金属材料1-3（二）工具钢工具钢是指制造各种刃具、模具、量具和其他耐磨工具的钢。工具钢按化学成分可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢，按用途可分为刃具钢、模具钢、耐冲击工具钢、量具钢等。

1.刃具钢

刃具钢主要用于制造车刀、铣刀、钻头等切削工具，也用于制造一些手动工具、木工工具等，具有高强度、高硬度、高耐磨性、高热硬性、足够的塑性和韧性。刃具钢主要有碳素工具钢、合金刃具钢、高速钢三种。

2.模具钢

模具钢分为冷作模具钢和热作模具钢。常用热作模具钢有3Cr2W8V、5CrMnMo和4Cr5MoSiV。3.量具钢

量具钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规和塞规等，具有高的硬度、耐磨性和较好的尺寸稳定性。量具钢没有专用钢。尺寸小、形状简单、精度较低的量具，用高碳钢制造；复杂的较精密的量具一般用低合金刃具钢制造。常用金属材料1-3（三）不锈钢、耐热钢及耐磨钢

1.不锈钢

不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀性介质中具有高的化学稳定性的合金钢的总称。在酸、碱、盐等侵蚀性较强的介质中能抵抗腐蚀作用的钢，又进一步称为耐蚀钢或称耐酸钢。不锈钢主要用来制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件，常用不锈钢有1Cr13、2Cr13、1Cr17及1Cr18Ni9Ti。

2.耐热钢

耐热钢是指在高温下具有热化学稳定性和热强性的特殊钢。耐热钢主要用于石油化工的高温反应设备和加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、飞机的喷气发动机等设备。常用耐热钢有3Cr18Ni25Si2、Cr12、Cr13及1Cr18Ni9Ti。

3.耐磨钢

耐磨钢具有很高的耐磨性和韧性，主要用于机器运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带板、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉、防弹板等。常见的耐磨钢为ZGMn13。常用金属材料1-3二、铸铁

铸铁是含碳量wc>2.11%的铁碳合金，工业上常用铸铁的wc

一般为2.5%~4.0%。铸铁具有良好的铸造性能，力学性能不如钢，但切削加工性、减摩性及减振性好，而且生产设备简单、成本低。根据碳在铸铁中存在形式的不同，常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁等。（一）灰铸铁

灰铸铁中的碳多以片状石墨形式存在，它是铸铁中用量最大的一种。根据国家标准规定，灰铸铁牌号冠以HT（灰铁），后面数字表示最低抗拉强度（σb）。（二）球墨铸铁

球墨铸铁中石墨呈球状，它对基体组织的割裂程度较灰铸铁进一步减弱，石墨球越细、球的直径越小、分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能越高。球墨铸铁牌号由QT（球铁）和两组数字组成，前一组数字表示最低抗拉强度（σb），后一组数字表示最低断后伸长率（δ）。常用金属材料1-3（三）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是一种新型铸铁，其中碳主要以蠕虫状石墨的形态存在。蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间。其铸造性能、减振能力以及导热性能都优于球墨铸铁，并接近于灰铸铁。蠕墨铸铁的牌号由RuT（蠕铁）加一组数字表示，数字表示最小抗拉强度值。（四）可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁经可锻化退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。其塑性优于灰铸铁，实际上并不能锻造。可锻铸铁的牌号用KT（可铁）及其后的Ｈ（表示黑心可锻铸铁）或Ｚ（表示珠光体可锻铸铁），再加上分别表示其最小抗拉强度和伸长率的两组数字组成。（五）合金铸铁

在铸铁熔炼时加入一些合金元素如Mn、Cr、W、Cu和Mo等，制成合金铸铁（或称特殊性能铸铁），使其具有较高的力学性能和某些特殊的性能。其与相似条件下使用的合金钢相比，熔炼简单，成本低廉，基本上满足特殊性能的要求，但其力学性能较差，脆性较大。常用的合金铸铁有耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁。常用金属材料1-3三、非铁金属及其合金

在工程上通常将钢铁材料以外的金属或合金统称为非铁金属或非铁合金。非铁金属具有特殊的物理、化学和力学性能。

（一）铝及其合金

纯铝的密度小、强度低、导电性和导热性好，抗大气腐蚀性强。在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Mn、Zn等元素制成铝合金，是提高强度的有效方法。根据化学成分和加工工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

1.变形铝合金

（1）防锈铝合金防锈铝合金是指以耐蚀性见长的变形铝合金，具有良好的塑性及低温韧性，适合于进行压力加工，焊接性能好，但切削加工性能稍差，强度低。防锈铝合金不能进行热处理强化，特别适用于制造油箱、管道等低载荷的零件。常用的防锈铝合金有5A50、3A21等。常用金属材料1-3

（2）硬铝合金硬铝合金是具有较高力学性能的变形铝合金，可热处理强化。硬铝合金在航空工业中应用广泛，如制造飞机构架、螺旋桨等，但耐蚀性差，其制品需要进行防腐处理，如包铝、阳极氧化和涂漆等。常用硬铝合金有2A01、2A12等。（3）超硬铝合金超硬铝合金是工业上使用的室温力学性能最高的变形铝合金。这类铝合金具有较高的强度和硬度、切削性能良好，但耐蚀性、焊接性差，一般也要进行防腐处理，广泛用于飞机结构中的大梁、桁架和起落架等主要受力件。目前使用最广泛的超硬铝合金是7A04。（4）锻铝合金锻铝合金性能与硬铝合金接近，但耐蚀性和热塑性好，主要用于制造外形复杂的锻件。常用金属材料1-3

2.铸造铝合金

铸造铝合金的力学性能不如变形铝合金，但其铸造性能好，可铸造形状复杂的零件毛坯。铸造铝合金根据其主加元素的种类不同可分为Al－Si系、Al－Cu系、Al－Mg系及Al－Zn系四类。

（1）Al－Si系铸造铝合金这类铝合金是铸造性能与力学性能配合最佳的一种铸造铝合金，在工业中的应用最为广泛，常用合金代号有ZL101、ZL104、ZL107等。这类铝合金用于制造轻质、耐磨、形状复杂但强度要求不高的零件，如气缸体、变速箱体、风机叶片等。（2）Al－Cu系铸造铝合金这类铝合金具有较好的高温性能，但铸造性能和接触性差，且密度大，主要用于制造高温度、高强度要求的零件，如增压器的导风叶轮、静叶片等。（3）Al－Mg系铸造铝合金这类铝合金具有较高的强度和良好的耐蚀性，密度小，铸造性能差，主要用于制造在腐蚀介质中承受较大冲击力和外形不太复杂的铸件，如舰船和动力机械零件。（4）Al－Zn系铸造铝合金这类铝合金强度较高，热稳定性能和铸造性能好，但密度较大，耐蚀性差，用于制造形状比较复杂的零件，如汽车、拖拉机发动机零件等。常用金属材料1-3（二）铜及其合金

工业用纯铜含铜量高于99.5%，通常呈紫红色，又称紫铜。纯铜具有优良的导电、导热、耐蚀和焊接性能，又有一定的强度，广泛用于制造导电、导热和耐蚀元器件。铜合金按加入元素可分为黄铜、青铜和白铜，在机械生产中常用的是黄铜和青铜。

1.黄铜由铜和锌组成的合金称为黄铜。不含其他合金元素的黄铜为普通黄铜含有其他合金元素的黄铜为特殊黄铜。普通黄铜的力学性能、工艺性和耐蚀性较好，应用较广泛。普通黄铜的牌号用汉语拼音“Ｈ”加数字表示，数字表示含铜量。特殊黄铜是在铜锌合金的基础上加入Pb、Al、Sn、Ni、Si等元素，这些合金元素的加入可提高合金的强度，其中锡、铝、硅等还可提高其耐蚀性，铝能改善切削加工性和提高耐磨性。常用金属材料1-3

2.青铜（1）锡青铜青铜原指铜锡合金，又称为锡青铜，以锡为主要加入元素，是人类最早的铜合金。锡青铜按生产方法分为压力加工锡青铜和铸造锡青铜两类。压力加工锡青铜的耐磨性和耐蚀性好，而且有弹性，适宜于冷、热压力加工，常用于制造簧片、电极、齿轮、轴承等；铸造锡青铜的铸造收缩率小，但流动性差，易形成缩松，常用来生产强度和致密性要求不高但形状复杂的铸件。（2）无锡青铜无锡青铜是指不含锡的青铜，但目前已将含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金都包括在青铜内。铝青铜是无锡青铜中用途最广泛的一种，其强度高，耐磨性、耐蚀性好，主要用来制造各种弹性元件、高强度零件、耐磨零件，如轴承、轴瓦、齿轮、摩擦片、蜗轮等。常用金属材料1-3（三）镁及其合金

镁是常用结构材料中密度最小的金属。纯镁的强度和硬度低，化学性质很活泼，室温塑性很差，在空气中易氧化，因此不能直接用作结构材料，但通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理等多种方法，镁的力学性能会得到大幅度改善。在这些方法中，镁的合金化是最基本的强化途径，通过合金化，其力学性能、耐蚀性和耐热性能均会得到提高。镁合金中常加入的合金元素有Al、Zn、Mn、Zr、Li及稀土元素。根据生产工艺特点，可将镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。变形镁合金的牌号以“MB”加数字表示，其中MB2和MB3具有较好的热塑性和耐蚀性，应用较多。铸造镁合金的表示方法为“ZM”加数字，根据合金的化学成分和性能特点分为高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金两类。常用金属材料1-3（四）钛及其合金

工业纯钛按纯度分为四个等级，其代号为TA0、TA1、TA2、TA3。T为“钛”的汉语拼音字首，序号越大纯度越低。钛的力学性能与纯度有关，工业纯钛常用于制造350℃以下工作且受力不大的零件及冲压件，如飞机骨架、耐海水管道等。工业用钛合金按其退火组织可分为α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金三大类。钛中加入钴、锡和铪组成的低温用钛合金，组织均匀，具有极好的低温稳定性，在低温下能保持高的塑性和韧性，广泛用于制造太空飞行器的液氧储箱、液氮储箱等。

常用金属材料1-3（五）轴承合金

用于制作滑动轴承轴瓦和轴衬的合金成为轴承合金。常用的轴承合金按主要成分可分为锡基、铅基、铝基、铜基等数种，锡基和铅基轴承合金又称为巴氏合金。

1.锡基轴承合金

锡基轴承合金是以锡为基加入锑、铜等元素组合成的合金。锡基轴承合金具有较好的耐磨性能，塑性好，有良好的磨合性、镶嵌性和抗咬合性，耐热性和耐蚀性好，适用于制造承受高速度、大压力和冲击载荷的轴承，如汽车、拖拉机、汽轮机等高速轴瓦，但锡基合金疲劳强度差，工作温度低于150℃。常用金属材料1-3

2.铅基轴承合金

铅基轴承合金较脆，易形成疲劳裂纹，但强度却接近或高于锡基合金，而且价格低，广泛应用于制造中等载荷或高速低载荷、工作中冲击力不大、温度较低的轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承及电动机、破碎机轴承等。

3.其他轴承合金

以铅为主加元素的铜合金称为铜基铅轴承合金。铜基轴承合金的摩擦因数小，耐疲劳、耐热性好，承载能力强，广泛用于高速、高压下工作的轴承。以锑或锡为主加元素的铝合金称为铝基轴承合金。铝基轴承合金具有优良的导热性、高的疲劳强度与硬度、良好的耐蚀性、价格便宜等特点，适宜于制造高速、重载荷的汽车、拖拉机的发动机轴承。常用金属材料1-3（六）高温合金

高温合金是指以铁、镍、钴等为基体，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，主要是为满足喷气发动机的要求而发展起来的，目前也用于核能工业等特殊场合。高温合金有较高的高温强度、良好的抗氧化性和耐蚀性以及良好的抗疲劳性、断裂韧性、塑性等综合性能，常用于制造火箭发动机、燃烧室、涡轮叶片、涡轮盘、导向叶片、尾喷管等高温工作零件。常用金属材料§１－4

钢的热处理1-41-4钢的热处理简述：钢的热处理是将钢在固体状态下通过加热、保温和以不同的方式冷却这一系列过程来改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。热处理是机器零件及工具制造过程中的重要工序，对发挥金属材料的潜力、改善零件的使用性能、提高产品质量、延长使用寿命具有极其重要的意义。

一、合金的晶体结构和铁碳合金状态图（一）金属及合金的晶体结构

1.金属的结晶

金属由液体状态转变为晶体状态的过程称为结晶。在固态金属内部，由于结晶而形成许多大小不一、外形不规则的小晶体称为晶粒。晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响。一般来说，晶粒越细，其强度、硬度、冲击韧度越高，塑性也越好。

1-4钢的热处理纯金属的结晶是在一定的温度下进行的，它的结晶过程可以用冷却曲线表示。纯金属的结晶是在一定的温度下进行的，它的结晶过程可以用冷却曲线表示。图1－3所示为用实验方法得到的纯金属凝固时的冷却曲线。使液态纯金属缓慢冷却，当温度降到T0时便开始结晶。由于放出的结晶潜热恰好补偿了热的散失，故这时的温度不再下降，在冷却曲线上表现为水平线段，它所对应的温度T0便是纯金属的理论结晶温度。直至液态金属全部结晶成固态金属后，温度才能继续下降。图１－３纯金属结晶时的冷却曲线1-4钢的热处理

2.金属的同素异构转变

各种晶体内部原子的排列规则可用Ｘ射线分析等方法测定。为便于分析比较各种晶体内部原子的排列规则，通常把描述原子在晶体中排列的空间格式称为晶格，金属晶格有各种不同的形式，最常见的晶格有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如图1－4所示。图１－４常见金属晶格类型多数金属结晶后的晶格类型都保持不变。有些金属（铁、钴、锰等）在固态下，其晶体结构会随温度的变化而发生改变。金属在固态时改变其晶格类型的过程，称为金属的同素异构转变。同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上也是一种结晶过程，又称为重结晶。正是由于纯铁能够发生同素异构转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行热处理来改变其组织与性能。1-4钢的热处理

3.合金的结构

组成合金的最基本、独立的物质称为组元（简称元）。组元一般指纯金属，但稳定化合物也可看成一个组元。按组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金等。合金在固态时的结构一般可分为以下三类：（1）化合物是合金各组元按一定的原子数量比化合而成的一种新的物质，它具有与组元原来晶格不同的特殊晶格。化合物的性能与组元的性能有显著不同，它的熔点高、硬度高、脆性大。（2）固溶体合金各组元在固态时具有相互溶解能力而形成均匀的固体，这种固体合金称为固溶体。固溶体仍保留基本组元（溶剂）的晶格。固溶体的性能由于是在溶剂元素性能的基础上得到了强化，所以固溶体不但有较高的强度和硬度，并且还保持有足够的韧性和塑性。（3）机械混合物组成合金的各组元在固态下既不溶解也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的组成物称为机械混合物，其各组元的原子仍保持原来的晶格和性能。所以，机械混合物的性能取决于各组元的相对数量、形状、大小和分布情况。1-4钢的热处理（二）铁碳合金及其状态图

1.铁碳合金

钢和铸铁是工业中应用最广泛的金属材料，它们都是以铁和碳两种元素为主组成的合金，因此又称铁碳合金。在铁碳合金中出现以下几种基本组织：（1）铁素体碳溶于α－Fe中所形成的固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体的强度、硬度很低，其硬度值为50~80HBW，但它具有良好的塑性和韧性。（2）奥氏体碳溶于γ－Fe中所形成的固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。绝大多数钢种在高温下进行压力加工和热处理时，都要求在奥氏体区内进行。（3）渗碳体渗碳体是铁和碳的化合物，分子式为Fe3C，含碳量为6.69%。渗碳体的硬度很高（大于800HBW），脆性大，塑性和冲击韧度几乎等于零，在钢中起强化作用。钢中含碳量越高，渗碳体所占比重越大，则其强度、硬度越高，而塑性、韧性越差。渗碳体在一定条件下，可以分解成铁和自由状态的石墨，即Fe3C→3Fe＋C（石墨），这一分解过程对铸铁有重要的意义。1-4钢的热处理（4）珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。由于珠光体是硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物，故其力学性能介于两者之间。珠光体的平均含碳量为0.77%，它的强度较高，硬度适中（≈180HBW），并具有一定的塑性。（5）莱氏体奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，通常称之为低温莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高（≈700HBW），塑性很差。1-4钢的热处理

2.铁碳合金状态图

铁碳合金状态图是表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度所具有的组织或状态的图形。目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0~6.69%的合金部分，因为大于6.69%的铁碳合金在工业上无使用价值。现在铁碳合金状态图因为只研究Fe-Fe3C部分，实际上是Fe-Fe3C状态图。图1-5为简化的Fe－Fe3C状态图。（1）Fe-Fe3C状态图中点、线的含义。①特性点状态图中主要特性点的意义、温度及成分见表1-2。图１－5简化的Fe－Fe3C状态图图１－5Fe－Fe3C状态图中的主要特性点1-4钢的热处理②特性线状态图中的特性线都是铁碳合金组织发生转变的界线。它们的物理意义如下：

ACD线即液相线。合金冷却到此线开始结晶，在此线以上是液态区（用L表示）。在AC线以下，从液体中结晶出奥氏体；在CD线以下，结晶出渗碳体（又称一次渗碳体，即Fe3CⅠ）。

AECF线即固相线。合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。在液相线与固相线之间为合金的结晶区域。这个区域内液体与固体并存；AEC区域内为液体和奥氏体；DCF

区域内为液体和渗碳体。图１－5简化的Fe－Fe3C状态图1-4钢的热处理

GS线又称A3线。它是冷却时奥氏体析出铁素体的开始线，也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线。

ES线又称Acm

线。它是碳在γ-Fe中溶解度随温度变化的曲线。此线以下奥氏体开始析出渗碳体（又称二次渗碳体，即Fe3CⅡ）。

ECF

线称为共晶线。合金冷却到此温度线（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变，从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体。凡是含碳量超过2.11%的铁碳合金，在ECF线上均发生共晶转变。

PSK

线称为共析线，又称A1

线。合金冷却到此线发生共析转变。奥氏体均将转变为珠光体。图１－5简化的Fe－Fe3C状态图1-4钢的热处理（2）铁碳合金的分类。根据状态图所示含碳量的多少，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和生铁三类。

①工业纯铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，实际应用较少。

②钢含碳量在0.0218%~2.11%的铁碳合金称为钢。根据含碳量及室温组织的不同，又可分成以下三种：共析钢——含碳量为0.77%；亚共析钢——含碳量小于0.77%；过共析钢——含碳量大于0.77%。

③生铁含碳量大于2.11%的铁碳合金称为生铁。1-4钢的热处理二、钢的热处理

钢的热处理就是把钢在固态下加热到一定温度后保温一段时间，再以适当的冷却速度进行冷却，从而改变钢的组织，以获得预期性能的工艺方法。热处理由加热、保温和冷却三个阶段构成。图1-6是热处理工艺过程示意图。

对钢加热的目的一般是使钢奥氏体化。珠光体全部转变成奥氏体初期的晶粒细小，但加热温度高或保温时间长，奥氏体晶粒都会长大，这就会影响材料的力学性能。所以热处理时加热温度不可太高，保温时间不能过长，这样才能获得细小晶粒的奥氏体，冷却后就得到细晶粒组织。图1-6热处理工艺过程示意图1-4钢的热处理

冷却过程是钢的热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后的产物不同，性能也不同。热处理分为常规热处理和特殊热处理。常规热处理即所说的“四火”工艺，包括退火、正火、淬火、回火，其中退火和正火对应的加热温度如图１－７所示。特殊热处理包括表面热处理和化学热处理等。图1-7退火和正火工艺加热温度示意图1-4钢的热处理（一）常规热处理

1.退火

将钢件加热到A3（对亚共析钢）或A1（对过共析钢）线以上某一温度范围，保温一段时间后，在炉中或埋入导热性较差的介质中（俗称“炉冷”），使其缓慢冷却的热处理方法叫做退火。退火的目的是降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高力学性能；消除零件中的内应力（加热到A1线以下即可）。2.正火

正火的作用与退火相似。正火是将钢加热到A3或Acm线以上某一温度范围，保温一段时间后，从炉中取出在空气中冷却的热处理方法（俗称“空冷”）。由于正火的冷却速度比退火快，所以得到的珠光体组织比退火后更细，强度和硬度都有所提高。另外，正火是炉外冷却，不占用设备，生产效率高，所以正火工艺应用广泛。1-4钢的热处理

3.淬火

将钢加热到A3或A1线以上某一温度范围，保温一段时间，在水中或油中急剧冷却的热处理方法叫做淬火。淬火可使钢获得马氏体组织。对于含碳量很低的钢进行一般的淬火处理没有意义。冷却是淬火工艺的关键工序，它关系到淬火质量的好坏。在实际生产中，可以通过调整冷却介质、淬火方法来控制淬火件的冷却速度。水和油是最常用的冷却介质。水的冷却能力较强，使用安全，不污染环境，淬火工件不需要清洗，因此形状简单、截面较大的碳钢零件大多采用水冷。油是另一种常用的冷却介质，常用冷却油为矿物油。油的冷却特性较好，冷却速度较水慢，多用于合金钢淬火。1-4钢的热处理

4.淬火钢的回火

把淬火后的钢件重新加热到A1线以下，保温一段时间，再以适当的冷却速度冷却到室温的热处理方法叫做回火。回火的目的是为了消除因淬火冷却速度过高而产生的内应力，防止工件变形和开裂，并减小脆性。此外，回火可使淬火组织趋于稳定，使工件获得适当的硬度、稳定的尺寸和较好的综合力学性能等，故回火总是伴随在淬火后进行。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火（250℃以下）、中温回火（350~500℃）和高温回火（500℃以上），淬火工件的硬度随回火温度的升高而降低。工件淬火后高温回火的复合热处理工艺又称为调质处理。低温回火主要适用于各种刃具、模具、滚动轴承等要求硬而耐磨的零件。中温回火主要适用于处理各种弹簧及热锻模等。高温回火（调质处理）主要适用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。1-4钢的热处理（二）特殊热处理

1.表面热处理

仅对钢的表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺，称为表面热处理。在实际生产中，最常用的是表面淬火。钢的表面淬火是通过快速加热使钢的表层奥氏体化，在心部组织尚未发生相变时立即予以淬火冷却，使表层获得硬而耐磨的组织，而心部仍保持原来的塑性和韧性。表面淬火加热可采用感应加热、火焰加热、激光加热等不同的加热方法。目前生产中常用的是感应加热。表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢。这类钢经预先热处理（调质或正火）后进行表面淬火，心部可获得较好的综合力学性能，而表面具有较高的硬度和耐磨性。高碳钢也可以表面淬火，主要用于受较小冲击和交变载荷的工具、量具等。1-4钢的热处理

2.化学热处理

把钢制零件放在化学介质中，加热到预定的温度，保温一定的时间，使该介质元素渗入工件的表层，从而改变表层的成分、组织和性能，这种工艺过程称为化学热处理。廉价的碳钢或低合金钢经过化学热处理后可以代替昂贵的高合金钢，所以化学热处理已成为目前发展最快的几种热处理工艺之一。化学热处理的种类很多，一般都以渗入的元素来命名，如渗碳、渗氮、碳氮共渗等。（1）钢的渗碳为了增加钢件表层的碳含量和获得一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入钢件表层的化学热处理称为渗碳。根据渗碳剂的不同，渗碳方法可以分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳三种。气体渗碳法的生产率较高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量较好，易实现自动化生产，应用最广泛。工件渗碳后必须进行淬火和低温回火，这样才能有效地发挥渗碳层的作用，从而达到硬而耐磨的性能要求。1-4钢的热处理（2）钢的渗氮在一定温度下（一般在A1温度下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮（或称氮化）。渗氮的目的在于更大地提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。目前广泛应用的是气体氮化。这种方法是利用氨在加热过程中分解出的活性氮原子，氮原子被钢吸收并溶入表面，在保温的过程中向内扩散，形成渗氮层。（3）碳氮共渗碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。在生产中主要采用气体碳氮共渗。碳氮共渗后，一般要进行淬火加低温回火。碳氮共渗淬火后，耐磨性比渗碳更好。共渗层比渗碳层有较高的压应力，因而有更高的抗拉疲劳强度，耐蚀性也较好。碳氮共渗工艺与渗碳工艺相比，具有时间短、生产效率高、表面硬度高、变形小等优点，但共渗层较薄，主要用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件。§１－5

非金属材料1-51-5非金属材料简述：非金属材料通常是指除金属材料以外的一切工程材料，主要指高分子材料、陶瓷材料和复合材料等。非金属材料具有金属材料所不及的某些性能，如绝缘性、高弹性、耐热性、耐蚀性等，在现代生产中已逐渐取代某些金属，得到越来越广泛的应用。一、高分子材料

高分子化合物由大量低分子化合物聚合而成，因相对分子质量很大，故称之为高分子化合物或高聚物。高分子物质分人工和天然两大类。工程上的高分子物质主要指人工合成的各种有机材料，以塑料、橡胶和纤维这三大合成材料为主。高分子化合物的合成就是把低分子的化合物（单体）聚合起来，形成高分子化合物的过程。合成反应主要有加成聚合（加聚）反应和缩合聚合（缩聚）反应两种。塑料、橡胶、纤维和粘接剂等均可通过合成反应来制取，以下分别加以介绍。1-5（一）工程塑料

工程塑料是以合成树脂为主要成分的高分子合成材料。它具有质量轻、摩擦因数小、耐磨、吸振、耐蚀、绝缘、可以着色、易于加工成形等优点，但耐热性差，易老化。工程塑料可分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。

1.热固性塑料

最常用的热固性塑料是酚醛塑料和氨基塑料。它们的脆性都较大，常需加入石棉纤维、木屑、纸屑等填充料，以提高其强度和弹性，减少脆性。加入填充料的热固性塑料制品是在模压机上加工成形的，所以也称模压塑料。将酚醛塑料浸泡的布料或纸压制成板料或各种形状的制品，称为压塑料。它比模压塑料更加坚固，并可以切削加工，许多齿轮、轴套、垫板及电器都用它制成。非金属材料1-5

2.热塑性塑料

热塑性塑料的种类很多，常用的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰胺等。聚氯乙烯分软、硬两种。硬聚氯乙烯可代替金属材料制作机械零件，耐酸、碱，但耐热性差；软聚氯乙烯为硬聚氯乙烯加软化剂而成，多用于制作软管。聚乙烯是由乙烯聚合而成的轻塑料。它无毒、耐酸、耐碱及油脂，且不渗水，有很好的绝缘性，但溶于汽油，常用于容器、包装和绝缘材料。聚四氟乙烯能耐包括王水的所有化学药品的腐蚀，可以在180~250℃长期使用，耐老化，绝缘，不吸水，摩擦因数很小（μ=0.04），素有塑料王之称，但强度低，高温蠕变较大，主要用作耐蚀件、耐磨件、绝缘件和密封件等。聚酰胺即尼龙，具有坚韧、耐磨、有弹性、无毒等优良性能，缺点是吸水性大，尺寸稳定性差。主要用作一般机械零件、减摩耐磨件及传动件等。非金属材料1-5（二）橡胶

橡胶也是一种高分子材料，有很好的弹性、优良的伸缩性能和很好的积储能量能力，故成为常用的密封、抗振、减振和传动材料。橡胶还有良好的耐磨性、隔声性和阻尼特性。橡胶有天然橡胶和人工合成橡胶之分，按应用范围不同又可分为通用橡胶和特种橡胶。

（三）合成纤维

合成纤维是指以石油、天然气、煤及农副产品等作为原料，经过化学合成方法而制得的化学纤维。按用途不同分为普通合成纤维和特种合成纤维两大类。常见的普通合成纤维以六大纶为主，占合成纤维总产量的90%以上，它们分别是锦纶（尼龙）、涤纶（的确良）、腈纶（人造毛）、纤维、氯纶和丙纶。特种合成纤维的品种较多，而且还在不断发展，目前已经应用较多的有耐高温纤维（如芳纶1313）、高强力纤维（如芳纶1414）、防火纤维、离子交换纤维等。非金属材料1-5（四）粘接剂

粘接工艺简单、方便、实用。粘接技术在连接两种不同材料或者连接尺寸相差悬殊以及微小、复杂的零部件时显示出铆、焊等无法比拟的优势，当今已经发展成为一门独立的边缘科学技术，特别是在航空工业、汽车工业等方面显示出巨大的潜力。而粘接剂更是渗透到国民经济的各个领域，成为各行各业不可缺少的重要原材料之一。粘接剂按固化形式可分为三类：

①溶剂型，是一种全溶剂蒸发型，通过挥发或吸收固化；

②反应型，由不可逆的化学反应引起固化；

③热熔型，通过加热熔融粘接，随后冷却固化。常用粘接剂有环氧树脂胶粘剂、酚醛－丁腈胶粘剂、聚酯酸乙烯酯乳液胶（白胶）、聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶粘剂。非金属材料1-5二、陶瓷材料

陶瓷是指用各种粉状原料做成一定形状后，在高温窑炉中烧制而成的一种无机非金属固体材料，在现代工业中应用广泛。它与传统的陶瓷材料的概念是不同的。陶瓷一般分为普通陶瓷、特殊陶瓷和金属陶瓷。陶瓷材料具有硬度高、抗压强度大、耐高温、不怕氧化和腐蚀、隔热和绝缘性能好等优点。非金属材料1-5三、复合材料

复合材料是指为了达到某些特殊性能要求而将两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工组合而得到的多相固体材料。复合材料中至少由两大类相组成：一类是基体相，起粘接、保护纤维并把外加载荷造成的应力传递到纤维上去的作用，基体相可以由金属、树脂、陶瓷等构成；另一类为增强相，是主要承载相，并起提高强度（或韧性）的作用，增强相的形态各异，有细粒状、短纤维状、连续纤维状、片状等。工程上开发应用比较多的是用纤维增强的复合材料。复合材料的性能特点主要有：①高比强度和高比刚度；②耐疲劳性好；③抗断裂能力强；④减振能力强；⑤高温性能好，抗蠕变能力强；⑥其他性能如减摩性、耐蚀性好等。常用复合材料有玻璃钢、碳纤维复合材料、金属纤维复合材料等。非金属材料§１－6新型材料简介1-61-6新型材料简介简述：新型材料是指最近发展或正在发展的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。新型材料既是高新技术的产物，同时它又成为高新技术发展的关键之一。一、纳米材料

纳米是一个长度单位，符号为nm（1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m）。纳米是一个极小的尺寸，对纳米材料的认识是人类对客观世界认识的新层次，即从微米进入纳米。纳米科技是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新材料。纳米材料（超微粒材料）是指把晶粒结构的长度尺寸控制在100nm以下的材料。也可以说纳米材料的平均粒径或结构尺寸在100nm以下。通常把纳米材料分为两个层次，即纳米超微粒子（粒子尺寸为1~100nm）与纳米固体材料。纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料。目前，按研究内容的不同，纳米材料又分为纳米金属材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米复合材料、敏感和医用材料等。1-6新型材料简介二、智能材料

智能材料亦称为灵巧或机敏材料。所谓智能材料，就是能感知外部刺激（传感功能）、能判断并适当处理（处理功能）且本身可执行（执行功能）的材料。智能材料包括形状记忆合金（SMA）、压电材料、电致伸缩、磁致伸缩和智能凝胶等材料。

合金的形状记忆效应：SMA在高温时处理成一定形状后急速冷却，在低温相状态下经塑性变形为另一种形式，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变使其恢复到低温塑性变形前的形状。显然，形状记忆效应是由马氏体相变导致的。合金的特性：

①

超弹性。一般金属材料在受到外力作用变形后，能自动恢复到原来形状者只限于0.5%以下变形量。超过这个限度（弹性极限），就会产生永久的塑性变形，不再复原。SMA在应变量高达20%以上时，卸去载荷后仍能自动恢复原形。这种在变形量远远超出一般弹性极限的条件下仍能复原的现象称为超弹性。1-6新型材料简介

②

变温唤醒。SMA与超弹性材料的不同在于超弹性材料是在卸载后恢复原形，而SMA要由转变温度唤醒其记忆力才能恢复原状。

③双程记忆。普通金属材料有热胀冷缩的性质，而SMA在受热后既可伸长又可缩短，即形状记忆效应有单程记忆和双程记忆两种。单程记忆是指材料被加热到逆转变开始温度以上时，伴随逆向马氏体相变发生形状恢复，而在正向转变时不发生形状恢复。双程记忆是指材料在受热发生逆向马氏体转变和冷却到正向转变温度以下而发生马氏体转变时，都发生形状恢复现象。具有双程记忆效应的材料，在一定温度区间内，随着温度的升降变化，其形状会反复重复变化。另外，SMA在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa。SMA这种可响应温度、外力变化而产生的弹性特性，在许多智能材料和智能机械设计中有重要价值。

SMA种类很多，在航天、人工智能、医用材料等领域应用越来越广泛。1-6新型材料简介三、超导材料

超导材料（super-conductingmaterials）是指在超低温下失去电阻的材料。材料的这种性质称为超导电性。具有超导电性的物质称为超导体。超导体的主要特性有：①在临界温度TC以下，电阻为零，完全导电；②在超导态下，超导体内没有磁感线通过，磁场强度恒为零；③除了温度外，材料的超导态还与磁场和电流密度有关。即使处于TC以下的超导体，若施加足够的磁场或一定的电流密度，也会失去超导电性而恢复常态。目前，已发现常压下具有超导性的元素有二十几种，但临界温度较低，难以实用。超导合金是超导材料中强度最高、应力应变小、磁场强度低的超导体。超导材料的应用领域广泛，如用于以节能为目标的发电机、输电电缆、贮能等电力系统的超导体，核聚变、磁流体发电等新能源，核磁共振等医学领域等。1-6新型材料简介四、隐身材料

雷达技术是探测空中目标的主要手段，因此狭义的隐身技术即指雷达隐身技术。隐身技术中的关键是吸波材料，吸波材料能够将雷达和激光照射到其表面的信号吸收，从而使雷达和激光探测不到反射的信号。吸波材料的主要组分包括吸收剂和基体材料，吸收剂提供吸波性能，基体材料提供粘接或承载等性能。呈纳米态的吸收剂具有极好的吸波特性，同时具备频带宽、兼容性好、质量和厚度小等特点，已成为最重要的吸收剂。五、非晶态金属

非晶态金属又常称为金属玻璃，它是一种新型磁性材料。它是将液态金属以106℃/s的冷却速度快速冷却，使金属原子来不及结晶，处于杂乱无章的状态即冷凝而制得。显然，它与传统材料不同的是不具有晶体结构。它们由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si所组成。非晶态金属具有优异的软磁性能、力学性能、耐蚀性、耐辐照、催化等特性，因而可用来制造低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头、人造卫星上的太阳能电池等。§１－7机械工程材料的选用1-71-7机械工程材料的选用一、选材的一般原则（一）使用性能

零件的使用性能是指其在一定的工作条件下工作所必须具有的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。机械零件在使用过程中丧失其规定功能的现象称为失效，其主要失效形式有变形、断裂和表面损伤三种。进行机械零件选材时，主要以零件的使用性能要求作为选材的依据。

1.零件受载情况

（1）脆性材料原则上只适用于静载荷作用下工作；在受动负荷的情况下，应以塑性材料为基本材料。（2）若零件的接触应力较大，则应选用可进行表面强化处理的材料。（3）若零件尺寸取决于强度，且尺寸和质量又受到某些限制，则应选用强度较高的材料。（4）若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。1-7机械工程材料的选用

2.零件工作情况

（1）在湿热或有腐蚀性物质环境下工作的零件，其材料应具有良好