《机械制造基础》 自考 课件 第6章 金属材料与非金属材料

第6章金属材料与非金属材料本章要点16.1碳钢6.2合金钢6.3铸铁

6.4非铁金属及其合金6.5非金属材料6.6新材料6.1碳钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料21.碳钢的分类工业上使用的钢铁材料中，碳钢冶炼方便，加工容易，价格低且在许多场合碳钢的性能可以满足要求，故在工业中应用非常广泛。碳钢是指碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金。分类方法钢种质量分数或脱氧情况特点按碳含量分低碳钢wc≤0.25%强度低，塑性和焊接性能较好中碳钢wc=0.25~0.6%强度较高，但塑性和焊接性能较差高碳钢wc>0.6%塑性和焊接性能很差，强度和硬度高按钢的质量分普通钢ws≤0.050%，wp≤0.045%含S、P量较高，质量一般优质钢ws≤0.035%，wp≤0.035%含S、P量较少，质量较好高级优质钢ws≤0.030%，wp≤0.030%含S、P量很少，质量好按用途分结构钢wc=0.08%~0.65%制造各种工程构件和机器零件工具钢wc>0.65%制造各种刀具、量具和模具按脱氧程度分沸腾钢（F）仅用弱脱氧剂脱氧，FeO较多钢锭内分布有许多小气泡，偏析严重镇静钢（Z）浇注时完全脱氧，凝固时不沸腾气泡、疏松少，质量较高半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间质量介于沸腾钢和镇静钢之间6.1碳钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料32.常用的碳钢牌号分类常用牌号用途编号方法示例说明碳素结构钢Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件Q235-AF屈服强度为235MPa、质量为A级的沸腾钢优质碳素结构钢08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢碳素工具钢T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等T8T8A表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢，A表示高级优质一般工程铸造碳钢ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料46.2.1合金钢的分类与牌号（1）按合金元素的含量多少分类：低合金钢、中合金钢和高合金钢。低合金钢的合金元素总含量小于5%；中合金钢的合金元素总含量为5%~10%；高合金钢的合金元素总含量大于10%。（2）按用途分类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。合金结构钢又分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等；合金工具钢分为合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢等；特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。（3）按所含合金元素种类分类：锰钢、铬钢、硅锰钢、铬锰钢等。（4）按正火后的组织分类：奥氏体钢、铁素体钢、珠光体钢、马氏体钢等。1.合金钢的常用的分类方法在Fe-C合金中加入一些其他的金属或非金属元素构成的钢，称为合金钢，其目的是为了改善碳钢的组织和性能，加入的元素称为合金元素。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料56.2.1合金钢的分类与牌号2.合金钢牌号表示方法类别牌号表示法牌号示例说明低合金结构钢由字母“Q”+屈服点数值+质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。如：“Q420C”表示最低屈服强度为420MPa、质量等级为C级的低合金结构钢合金结构钢前面“两位数字”表示钢中平均含碳量的万分数；中间为所加合金元素的化学符号及其所加元素平均含量的百分数，当合金元素含量小于1.5%时，一般不标明含量，含量为1.5%~2.5%时标2，含量为2.5%~3.5%时标3，依此类推；若为高级优质钢，则在钢号后面加A。滚动轴承钢前面加字母G（滚字汉语拼音字首），Cr后面的数字表示Cr平均质量分数的千分数如：“40Cr”表示含碳量约为0.4%、含铬量小于1.5%的合金结构钢；“60Si2Mn”表示含碳量约为0.6%、含硅量为2%、含锰量小于1.5%的合金结构钢；“GCr15”表示含铬量为1.5%的滚动轴承钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料66.2.1合金钢的分类与牌号2.合金钢牌号表示方法类别牌号表示法牌号示例说明合金工具钢及高速工具钢前面“一位数字”表示钢中平均含碳量的千分数，当wc≥1%不标出；高速钢例外，wc小于1%时也不标出。合金元素表示法同合金结构钢如：“9SiCr”表示含碳量约为0.9%、含硅和铬量均小于1.5%的合金工具钢；“CrWMn”钢，表示含碳量≥1%、含铬、钨、锰的量均小于1.5%的合金工具钢；“Cr12MoV”表示含碳量≥1%、含铬量为12%、含钼和钒量均小于1.5%的合金工具钢；“W6Mo5Cr4V2”表示钨、钼、铬、钒含量分别约为5%、4%、2%的高速钢钢特殊性能钢前面“一位数字”表钢中平均含碳量的千分之几；当wc≤0.08%时，钢号前以“0”表示；当wc≤0.03%时，钢号前以“00”表示。合金元素表示法同合金结构钢如“lCr13”表示平均wc=0.1%、Cr约为13%的不锈钢；“0Cr18Ni9”表示wc≤0.08%、Cr和Ni含量分别约为18%和9%的不锈钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料76.2.2低合金结构钢又叫普通低合金钢，是在碳素结构钢的基础上，加入少量（不大于3%）的合金元素冶炼而成的。由于含碳量低，因而具有良好的塑性、韧性及良好的焊接性和压力加工性；加入合金元素，使其强度、硬度、耐蚀性比普通碳素结构钢高。主要用于工程建筑、车辆、船舶、油罐、输油管等。Q345是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢，其综合性能好，广泛用于制造石油化工设备、船舶、桥梁、车辆等大型钢结构，如我国的南京长江大桥就是用Q345钢制造的。Q390钢含有V、Ti、Nb，其强度高，可用于制造高压容器等。Q460钢含有Mo和B，正火后组织为贝氏体，强度高，可用于制造石化工业中温高压容器等。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料86.2.3合金结构钢经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，这类钢含碳量为低碳成分wc≤0.25%，目的是保证心部有良好的塑性和韧性，常加入合金元素有铬、锰、钛、镍、等，以提高钢的淬透性、强度及硬度。根据淬透性不同分为三类：（1）低淬透性渗碳钢。典型钢种如20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。（2）中淬透性渗碳钢。典型钢种如20CrMnTi等，淬透性较高，力学性能和工艺性能良好，广泛用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。（3）高淬透性渗碳钢。典型钢种如18Cr2Ni4W等，具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。渗碳件一般的工艺路线：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950°C，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火；但对渗碳时易过热的钢种，如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火加低温回火。1.合金渗碳钢合金结构钢常用来制造重要的机械零件和工程结构件。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料96.2.3合金结构钢经调质处理后具有良好的综合机械性能的合金钢，称为合金调质钢。含碳量一般为中碳成分wc=0.30%~0.50%，目的是保证钢具有良好的综合机械性能，常加入的合金元素有锰、硅、铬、镍等，以提高钢的淬透性和机械性能。经调质处理后，具有良好的机械性能，常用来制造中等截面承受冲击、交变负荷作用的重要零件，如机床主轴、汽车后桥半轴、连杆、齿轮等；经调质及表面淬火处理后，具有“表硬心韧”的性能，也可用来制造承受冲击、摩擦作用的重要零件，如机床变速齿轮。调质件一般的工艺路线：下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工。预备热处理采用退火（或正火），其目的是调整硬度、便于切削加工；改善锻造组织、消除缺陷、细化晶粒，为淬火做组织准备。最终热处理为淬火加高温回火（调质），回火温度的选择取决于调质件的硬度要求。为防止第二类回火脆性，回火后采用快冷（水冷或油冷）。当调质件还有高耐磨性和高耐疲劳性能要求时，可在调质后进行表面淬火或渗氮处理。常用：40MnB、40Cr、35CrMo、38CrMoAl、40CrNiMoA等。2.合金调质钢合金结构钢常用来制造重要的机械零件和工程结构件。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料106.2.3合金结构钢指的是制造各类弹簧及其他弹性元件的专用合金钢。主要利用弹性变形来减震储能，因此要求具有高的弹性极限、屈强比和疲劳强度；足够的塑性、韧性，以免发生脆断；良好的表面质量、良好的淬透性及较低的脱碳敏感性。对于钢丝直径小于10mm的弹簧，通过冷拔（或冷拉）、冷卷成形。冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理。直径大于10~15mm的大截面弹簧一般采用热成形，热成形后需淬火、中温回火，以获得回火托氏体组织。为了提高弹簧的表面质量，并在表面产生残余压应力，以提高其疲劳强度，应在热处理后应进行喷丸处理。常用牌号：65Mn、60Si2Mn、60Si2CrVA、65Si2MnWA，其中60Si2Mn钢应用最广泛，其牌号表示方法与合金结构钢相同。3.弹簧钢合金结构钢常用来制造重要的机械零件和工程结构件。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料116.2.3合金结构钢指制造各类滚动轴承套圈及滚动体的专用钢。分为：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢四类。高碳铬轴承钢中碳的质量分数一般为0.95%~1.10%，以保证高的硬度和耐磨性。高碳铬轴承钢的热处理主要为球化退化、淬火和低温回火。球化退化作为预备热处理，其主要目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。最终热处理是加热到840°C，在油中淬火，并在淬火后立即进行低温回火（160~180°C），回火后的硬度可达61HRC。常用牌号：GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn，其中GCr15钢应用最广泛，大量用于制造大中型轴承，此外，还常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。制造大型轴承也可用GCr15SiMn。4.滚动轴承钢合金结构钢常用来制造重要的机械零件和工程结构件。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料126.2.4合金工具钢合金刃具钢按成分不同又可分为低合金刃具钢和高速钢两类。（1）低合金刃具钢在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（质量分数≤5%）形成的。在保持高的碳的质量分数（0.75%~1.50%）同时，加入了铬、锰、硅、钨、钒等合金元素，铬、锰、硅的主要作用是提高淬透性，其中硅还有提高回火稳定性的作用；钨、钒的作用是提高耐磨性，并细化晶粒。经淬火及低温回火处理后具有高硬度、高耐磨性，可用来制造截面尺寸较大、形状复杂、要求变形小的刃具、量具和模具，如板牙、丝锥、钻头、冲模和量规等。常用：9SiCr、9Mn2V、Cr06、Cr2、CrWMn、CrW5等。1.合金刃具钢工具钢是制造刃具、量具、模具等各种工具用钢的总称。工具钢应具有高硬度、高耐磨性、高淬透性和足够的强度、韧性。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料136.2.4合金工具钢（2）高速钢。是一种高碳高合金工具钢。高的含碳量（0.70%~1.65%），以保证钢具有高硬度和高耐磨性，加入大量的钨、钼、铬、钒等合金元素（>10%），使其经适当的热处理后具有高硬度、高耐磨性和高的红硬性，足够的强度和韧性。用高速钢制造的切削刀具，当切削温度高500~600°C时，仍能保持高硬度，比碳素工具钢、低合金刃具钢具有更高的切削速度，因而称为“高速钢”。常用来制造要求变形小、切削速度较高的各种切削刀具，如车刀、铣刀、等。常用：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。加工工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火+回火→喷砂→磨削加工。高速钢的预备热处理是球化退火，其目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。高速工具钢铸态下碳化物分布不均匀，故必须反复进行锻造。锻后应进行退火处理以改善其切削加工性能。由于淬火后有较多的残余奥氏体，为了减少残余奥氏体量，其最终热处理为淬火+多次高温回火，组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，硬度可高达62HRC以上。1.合金刃具钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料146.2.4合金工具钢用于制造各种测量工具的钢。量具在使用过程中主要受磨损，对量具钢性能要求是：高的硬度（不小于56HRC）和耐磨性；高的尺寸稳定性。量具钢的成分具有高碳成分（0.9%~1.5%），以保证钢具有高硬度、高耐磨性，常加入铬、钨、锰等合金元素，以提高淬透性，减小淬火变形，进一步提高硬度和耐磨性。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；CrWMn的淬透性较高，淬火变形很小，可用于精度要求高且形状复杂的量规及块规；GCr15耐磨性、尺寸稳定性较好，多用于制造高精度块规、螺旋塞头、千分尺。2.量具钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料156.2.4合金工具钢模具钢按使用条件不同可分为冷作模具钢和热作模具钢。（1）冷作模具钢使金属在冷态下变形或成形所使用的模具钢。冷模具的作用是使金属在常温下产生塑性变形，从而获得一定形状和尺寸的零件，如落料模、弯曲模、剪切模、冷敏模等。冷作模具钢属于高碳成分的钢，常加入铬、锰、钼、钒等合金元素，经淬火及低温回火处理后具有高硬度、高耐磨性及一定韧性。3.合金模具钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料166.2.4合金工具钢常用的：1）碳素工具钢。常用牌号有T10A。这类钢的主要优点是加工性能好、成本低，突出的缺点是淬透性差、耐磨性欠佳、淬火变形大、使用寿命低，故一般只适合制造尺寸小、形状简单、精度低的轻负荷模具。2）低合金工具钢。常用牌号有9SiCr、CrWMn和滚动轴承钢GCr15。这类钢具有较高的淬透性、较好的耐磨性和较小的淬火变形，因其回火稳定性较好而在稍高的温度下回火，故综合力学性能较好。常用来制造尺寸较大、形状较复杂、精度较高的低负荷模具。3）高铬和中铬冷作模具钢。常用牌号有Cr12、Cr12MoV。这类钢具有更高的淬透性、耐磨性和承载强度，且淬火变形小，广泛用于尺寸大、形状复杂、精度高的重载冷作模具。4）高速钢类冷作模具钢。也可用于制造大尺寸、复杂形状、高精度的重载冷作模具，其耐磨性、承载能力更好，故特别适合于工作条件极为恶劣的黑色金属冷挤压模。3.合金模具钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料176.2.4合金工具钢（2）热作模具钢指适宜于制作对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢，热模具的作用是使被加热的金属或液态金属获得所需的形状和尺寸，如热锻模、挤压模、压铸模等。热作模具钢属于中碳成分（0.5%~0.6%）具有良好的综合机械性能，常加入锡、锰、镍、钼等合金元素以提高淬透性和进一步改善钢的性能。常用：5CrNiMo、3Cr2W8V等。生产中常用5CrMnMo钢制造中、小型热锻模。5CrNiMo钢由于淬透性和韧性更高，常用于制造大型热锻模。3Cr2W8V钢因具有良好的高温力学性能、抗疲劳性和导热性，常用于制造热挤压模和压铸模。热作模具钢锻后应退火，经淬火和高温或中温回火后使用。3.合金模具钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料186.2.5特殊性能钢是指在自然环境或一定工业介质中能抵抗腐蚀作用的钢。其常用来制造各种长期与腐蚀介质接触的零件，如水阀、医疗器具、容器、管道等。普通钢铁材料由于易与氧化性介质作用形成松脆多孔的氧化物（如Fe3O4），所以容易受到腐蚀（生锈）。通过在钢中加入大量的合金元素（如铬、镍、铝、硅等），使钢件表面形成一层致密的氧化膜（如Cr2O3等），不锈钢按成分可分为：（1）铬不锈钢。又称Cr13型钢，如1Cr13、2Cr13、3Cr13等，在弱腐蚀介质（如大气、蒸汽、食品等）中，具有较强的抗腐蚀能力，常用于制造医疗器具、食品加工机械等。（2）铬镍不锈钢。如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9等，在强腐蚀介质（如强酸、强碱等）中，具有较强的抗腐蚀能力，常用于制造在强腐蚀介质下工作的零件或构件，如盛装强酸、强碱的器具。不锈钢按金相组织特征可分为：马氏体不锈钢（属于铬不锈钢）、铁素体不锈钢（也属于铬不锈钢）、奥氏体不锈钢（属于铬镍不锈钢）及奥氏体与铁素体不锈钢，其中奥氏体不锈钢应用最广泛。1.不锈钢特殊性能钢是指具有某些特殊的物理、化学或力学性能的合金钢。在机械制造行业中应用较多的有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料196.2.5特殊性能钢耐热钢是指在高温下具有高的抗氧化性和高温热强性的钢。是通过在钢中加入合金元素铬、硅、铝等使钢件表面形成一层致密的、高熔点的氧化膜，抑制内部金属继续氧化，以提高抗氧化性；加入铝、钨、钒等，可提高金属的高温强度。按照性能的不同，耐热钢可分为抗氧化钢和热强钢。抗氧化钢在高温下具有较好的抗氧化及抗其他介质腐蚀的性能；热强钢在高温下具有较高的强度和良好的抗氧化、抗腐蚀性能。按照组织类型，耐热钢可分为珠光体耐热钢、铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢及马氏体耐热钢等。常用的耐热钢有4Cr9Si2、1Cr23Nil3等，可用来制造内燃机气阀、加热炉构件等。2.耐热钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料206.2.5特殊性能钢耐磨钢是指在强大冲击和挤压条件下才能硬化的高锰钢。其典型钢种是ZGMn13型，是生产中应用最广泛的一种耐磨钢，其主要成分的特点是高碳（0.9%~1.45%）、高锰（11%~14%）。这种钢极易产生加工硬化，使切削加工困难。因此，大多数高锰钢零件是铸造成形的。当高锰钢零件受到强烈冲击或强大挤压力作用时，表面因塑性变形会产生强烈的加工硬化，而使表面硬度显著提高到500~550HBW，因而获得很高的耐磨性，心部仍保持原来的高韧性状态。当旧表面磨损后，新露出的表面又在冲击和摩擦作用下形成新的耐磨层。因此，这种钢具有很高的耐磨性和抗冲击能力。但是，高锰钢在一般机器零件的工作条件下并不耐磨。高锰钢主要用来制造铁路道岔、车辆履带、破碎机的颚板、保险柜、挖掘机铲斗、球磨机衬板、防弹钢板等。3.耐磨钢6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料216.2.6粉末冶金材料硬质合金是将高熔点、高硬度的碳化物（碳化钨或碳化钨与碳化钛等）粉末和黏结剂（主要是钴）混合，加压成型后烧结而成的一种粉末冶金材料。硬质合金不能进行锻造及切削加工，也不需要进行热处理，其硬度很高（可达86~93HRA），且具有很高的耐热性（可达900~1000°C），故用硬质合金制成的刀具比高速钢刀具具有更高的切削速度。但硬质合金的脆性大，除磨削外，不能进行切削加工，一般不能制成形状复杂的整体刀具，故将硬质合金制成一定规格的刀片，使用前将其坚固（用焊接、粘接或机械坚固）在刀体或模具上。常用的硬质合金有四类：1）钨钴类硬质合金；2）钨钴钛类硬质合金；3）通用硬质合金；4）钢结硬质合金。1.硬质合金由几种金属粉末（或金属与非金属粉末混匀）作为原料，经过压制成形及烧结而获得的合金称为粉末冶金材料，这种生产过程称为粉末冶金法。6.2合金钢机械制造基础第6章金属材料与非金属材料226.2.6粉末冶金材料常用的烧结减摩材料为多孔轴承材料，主要用于制造滑动轴承。这类零件压制成形后浸入润滑油中，其孔隙可吸附大量的润滑油，从而达到减摩及润滑作用。常用于制造纺织机械、家用电器等轴承，也可用于其他轴承。除此以外，粉末冶金法常用于制造特殊性能金属材料，如结构材料、摩擦材料及电磁性能材料等。由于压制设备吨位及模具制造的限制，粉末冶金法还只能生产尺寸有限与形状不很复杂的工件。2.烧结减摩材料6.3铸铁机械制造基础第6章金属材料与非金属材料23铸铁是wc>2.11%（一般为2.5%~4.0%）的铁碳合金，是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素的多元合金。为了提高铸铁的力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。常用铸铁中含碳量2.5%~4.0%，含硅量1.0%~3.5%，含锰量0.5%~1.5%，含磷量<0.2%，含硫量<0.5%。由于铸铁中存在石墨（即游离碳），使铸铁的抗拉强度和伸长率都不如钢，而且性能较脆；但石墨的存在又使铸铁具有耐磨、耐压、减震、低的缺口敏感性及优良的铸造性能等；铸铁的熔炼过程也简便，成本较低。铸铁是目前用得最为广泛的铸造合金材料。在各类机械中，铸铁件约占机器总重量的45%~90%。铸铁中碳除极少量固溶于铁素体中外，还因化学成分、熔炼处理工艺和结晶条件的不同，或以游离状态（即石墨）、或以化合形态（即渗碳体或其他碳化物）存在，也可以二者并存。6.3铸铁机械制造基础第6章金属材料与非金属材料24根据碳存在的形式，铸铁可分为三种类型：（1）白口铸铁。白口铸铁中的碳主要以渗碳体形式存在，断口呈白亮色。其性能硬而脆，切削加工困难，除少数用来制造硬度高、耐磨、不需要加工的零件或表面要求硬度高、耐磨的冷硬铸件外（如破碎机的压板、轧辊、火车轮等），还可作为炼钢原料和可锻铸铁的毛坯。（2）灰铸铁。灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈灰色。灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，且价格低廉，制造方便，因而应用比较广泛。（3）麻口铸铁。麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在。断口夹杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨，故又称为麻口铁。生产中很少用麻口铁。根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为灰铸铁（片状石墨）、可锻铸铁（团絮状石墨）、球墨铸铁（球状石墨）和蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）等四种。1.铸铁的分类6.3铸铁机械制造基础第6章金属材料与非金属材料252.常用的铸铁牌号分类/标准号主要特点编号方法用途示例说明灰铸铁GB/T9439—2010石墨呈粗大片状形态出现；其断口呈暗灰色HT200表示试样直径为30mm，平均抗拉强度200MPa的灰铸铁承受较大载荷和较重要的零件，如气缸、齿轮、底座、飞轮、床身等可锻铸铁GB/T9440─2010石墨呈团絮状形态出现的铸铁（或称马铁）；其断口心部有呈黑色与白色KTZ450-06平均抗拉强度不小于450MPa，伸长率不小于6%的珠光体可锻铸铁制造负荷较高的耐磨损零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等薄壁小铸件球墨铸铁GB/T1348—2019石墨呈球状形态出现；其抗拉强度、冲击韧度可与中碳钢相媲美QT450-10表示抗拉强度大于450MPa，伸长率10%的球墨铸铁承受冲击振动的零件如曲轴、蜗杆等蠕墨铸铁GB/T5612—2008石墨呈蠕虫状；是一种介于球墨铸铁和灰铸铁之间的铸铁RuT340表示平均抗拉强度大于340MPa的蠕墨铸铁制造大截面复杂铸件，主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁6.3铸铁机械制造基础第6章金属材料与非金属材料263.铸铁的性能特点铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。虽然铸铁的力学性能不如钢，但石墨的存在却赋予铸铁许多钢所不及的性能，如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能。铸铁的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200°C。铁液流动性好；由于石墨结晶时体积膨胀，所以传送收缩率小，其铸造性能优于钢，因而通常采用铸造方法制成铸件使用。铸铁成本低，铸造性能良好，体积收缩不明显，其力学性能、可加工性、耐磨性、耐蚀性、热导率和减振性能之间有良好的配合，由于先进的生产技术和检测手段的应用，铸铁件的可靠性有明显的提高。在铸铁中球墨铸铁力学性能最好，兼有灰铸铁工艺优点，因而正在扩大应用领域。铸铁用于基座和箱体之类零件可充分发挥其减振性和抗压强度高的特点，在批量生产中，与钢材焊接相比，可以明显降低制造成本。6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料27铝是一种面心立方晶格的银白色金属，塑性好（A=50%，Z=80%），适用于形变加工。熔点：660ºC，密度：2.7g/cm³，是一种轻金属材料。特点：密度小，可强化，通过添加普通元素和热处理而获得不同程度的强化，其最佳者的比强度可与优质合金钢媲美；易加工，可铸造、压力加工、机械加工成各种形状；导电、导热性能好，仅次于金、银和铜；室温下铝的导电能力约为铜的62%，但按单位质量的导电能力计算，则为铜的200%。铝的强度低，经冷塑性变形之后明显提高。工业纯铝很少用于制造机械零件，多用于制作电线、电缆及要求导热、耐蚀且经受轻载的用品或器皿。1.铝及铝合金6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料28（1）铝合金的分类根据生产的方法不同，分成变形铝合金和铸造铝合金。1）成分在D'点以左的合金，当加热到固溶线DF以上时，可得到单一的固溶体α，具有良好的塑性，适宜于压力加工，故称为变形铝合金。变形铝合金分为两类：成分在F点以左的合金其成分和组织不随温度变化，是热处理不可强化的铝合金，称为不能热处理强化的铝合金；成分在D'~F点之间的铝合金，其成分和组织会随温度变化，是热处理可强化的铝合金，称为能热处理强化的铝合金。2）成分在D'点右边的铝合金，具有共晶组织，适于铸造，故称为铸造铝合金。1.铝及铝合金

铝合金分类示意图6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料29（2）常用铝合金变形铝合金塑性好，可通过压力加工方法生产出板、带、线、管、棒、型材或锻件。有几种变形铝合金热处理强化效果不明显，称之为热处理不强化变形铝合金，包括工业纯铝和防锈铝，它们主要通过固溶强化和加工硬化来提高强度；热处理可强化的变形铝合金主要通过淬火和时效或形变处理来使合金强化，包括硬铝、超硬铝、锻铝及特殊铝。铸造铝合金合金元素含量高，有较多的共晶体，因而铸造性能好，但塑性低，适用于铸造零件。铸造铝合金亦可通过热处理强化调整力学性能。1.铝及铝合金6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料30类别代号示例力学性能用途示例

Rm/MPaA×100HBW

不能热处理强化的合金防锈铝5A052802070焊接油管、油管、焊条、铆钉、中载零件及制品3A211302030焊接油管、油管、焊条、铆钉、轻载零件及制品能热处理强化的合金硬铝2A013002470工作温度小于100ºC的结构用中等强度铆钉2A1142015100中等强度的结构零件超硬铝7A0460012150结构中主要受力零件，如飞机大梁、桁架等锻铝2B5039010100形状复杂的锻件及模锻件，如压气机轮和叶轮2A7044012120内燃机活塞和在高温下工作的复杂锻件、板材铸造铝合金铝硅合金ZAlSi12ZL102143350仪表、水泵机壳、工作温度在200ºC以下的低载零件铝铜合金ZAlCu10ZL202163

100高温下工作不受冲击的零件和要求硬度较高的零件铝镁合金ZAlMg10ZL301280960在大气或海水中工作的零件，承受大振动载荷，工作温度不超过150ºC的零件，如氨用泵体、舰船配件等铝锌合金ZAlZn11Si7ZL401241280结构形状复杂的汽车、飞机、仪器零件，工作温度小于200ºC常用铝合金表6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料31在金属材料中，铜及其合金的应用范围仅次于钢铁。在非铁金属材料中，铜的产量仅次于铝。优点：优良的导电性和导热性，优良的冷热加工性能和良好的耐腐蚀性能。其导电性仅次于银，导热性在银和金之间。铜为面心立方结构，强度和硬度较低，而冷、热加工性能都十分优良，可以加工成极薄的箔和极细的丝（包括高纯高导电性能的丝）；易于连接。铜还可与很多金属元素形成许多性能独特的合金。铜及其合金习惯上分为纯铜、黄铜、青铜和白铜。以铸造和压力加工产品（管、棒、线、型、板、带、箔）提供使用。广泛用于电气、电子、仪表、机械、交通、建筑、化工、海洋工程等几乎所有的工业和民用部门。2.铜及铜合金6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料32名称牌号示例特性用途示例纯铜TU1工业纯铜，约占铜用量的2/3加工线材、带材和电线，很少用于机械零件黄铜H96为铜锌合金加工性能好，耐腐蚀性好，可制造冷凝器、垫圈、弹簧和化学稳定性要求较高的零件青铜QSn4-3原指铜锡合金，现除黄铜和白铜以外的铜合金都称为青铜wSn<8%的锡青铜具有良好的塑性和一定的强度，适合于压力加工白铜B19wNi<50%的铜镍合金称为简单白铜，再加入锰、铁、锌、铝等元素的白铜称为复杂（或特殊）白铜镍能显著提高铜的力学性能、耐腐蚀性能、电阻和热电性。主要有耐蚀和电工仪表用白铜两类铸造铜合金ZCuZn40Pb2wZn40%的铸造黄铜铸造化学性能稳定的零件ZCuSn10Zn2wSn10%、wZn2%的铸造锡青铜阀、泵壳、齿轮、蜗轮等ZCuAl10Fe3铸造铝青铜常用于制造滑动轴承常用的铜合金表6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料33在滑动轴承中，制造轴瓦及其内衬（轴承衬）的合金称为轴承合金。为减少轴承对轴颈的磨损，确保机器的正常运转，轴承应具有良好的磨合性、抗振性，与轴之间的摩擦因数应尽可能小。滑动轴承的材料主要是有色金属，常用的有：锡基轴承合金、铅基轴承合金、铜基轴承合金、铝基轴承合金等。3.轴承合金轴承合金结构示意图轴承合金的组织应该是在软的基体上分布硬的质点。当机器运转时，软的基体很快磨凹下去，而硬的质点凸出于基体上，支撑着轴所施加的压力，减小轴与轴承的接触面，且凹下去的基体可以储存润滑油，从而减小轴与轴颈间的摩擦因数，同时对于外来硬物能嵌入基体中，不至于擦伤轴。软的基体还能承受冲击与振动并使轴与轴承很好地磨合。6.4非铁金属及其合金机械制造基础第6章金属材料与非金属材料343.轴承合金（1）巴氏合金。最常用的轴承合金是锡基或铅基“巴氏合金”。（2）铜基轴承合金。有锡青铜、铅青铜等。锡青铜的组织中存在较多的分散缩孔，有利于储存润滑油。承受载荷较大，广泛应用于中等速度及受较大的固定载荷的轴承，如电动机、泵、金属切削机床轴承，可直接制成轴瓦。铅青铜有高的疲劳强度和承载能力，同时还有高的导热性和低的摩擦因数，并可在较高温度下工作。铅青铜适宜制造高速度、高压下工作的轴承，如航空发动机、高速柴油机及其他高速机器的主轴承，但强度较低，也需要在钢瓦上挂衬，制成双金属轴承。（3）铝基轴承合金。常用的铝基轴承合金是以铝为基体元素、锡为主加元素所组成的合金。特点是原料丰富，价格便宜，导热性好，疲劳强度与高温硬度较高，能承受较大压力与速度，但它的热膨胀系数较大，抗咬合性较差。适于制造高速、重载的发动机轴承，目前在汽车、拖拉机、内燃机车上广泛使用。6.5非金属材料机械制造基础第6章金属材料与非金属材料35塑料是一类以天然或合成树脂为主要成分，加入用来改善性能的各种添加剂，在一定温度、压力条件下经塑制成形，并在常温下能保持形状不变的高分子工程材料。按用途分为：（1）通用塑料。产量大、价格低、应用范围广，主要有聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料、氨基塑料等，主要用于制作日常生活用品、包装材料和一般小型零件。（2）工程塑料。具有较高的机械性能、耐热耐寒性、耐蚀性和绝缘性，常用来代替金属材料制造机械零件和结构件，主要有尼龙、有机玻璃、聚四氯乙烯、ABS、环氧树脂等。（3）特种塑料。具有特殊性能和特殊用途的塑料，如医用塑料。塑料具有一定的耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能，可以替代非铁金属及其合金，作为结构材料用来制造机器零件或工程结构。塑料可用来制造一般结构零件（如罩壳、支架、手轮、油管等）；减摩、耐磨及传动件（如轴承、蜗杆、蜗轮、齿轮）；耐蚀件（如化工容器、阀等）；绝缘件（如插头、电讯元件等）；密封件（如各种动、静密封圈）；透明件（仪表壳、灯罩等）。1.工程塑料非金属材料是金属材料以外一切材料的总称。机械工业中使用的非金属材料可分为三大类：高分子合成材料、无机非金属材料、复合材料等。6.5非金属材料机械制造基础第6章金属材料与非金属材料36橡胶是以生胶为原料，加入适量配合剂，经硫化后所组成的高分子弹性体。工业橡胶特点：高弹性、黏弹性、可塑性、耐磨性、缓冲减振性等。橡胶品种：按其原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。1）天然橡胶是一种通用性橡胶，适用于制造无特殊要求的工业橡胶制品，如轮胎、电线电缆的绝缘护套、胶管等。2）合成橡胶种类很多，常用的有：丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。主要用于制造机械中的密封圈、减振器、电线包皮、胶带等。按其用途可分为通用合成橡胶和特种橡胶。1）凡是性能与天然橡胶相同或相近，物理性能和加工性能较好，能广泛用于轮胎和其他一般橡胶制品的橡胶称为通用橡胶。2）凡是具有特殊性能，专供耐热、耐寒、耐化学腐蚀、耐油、耐溶剂、耐辐射等特殊性能橡胶制品使用的称为特种橡胶。2.工业橡胶6.5非金属材料机械制造基础第6章金属材料与非金属材料37陶瓷是由天然或人工合成的粉状矿物原料和化工原料组成，经过成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素构成化合物反应生成的多晶体相固体材料。特点：硬度高（如氧化铝陶瓷硬度达85~86HRA），热硬性可达1000°C，抗压强度大，有较好的耐高温、耐磨损、抗氧化和耐蚀性能。但脆性大，冲击韧性值低，不能敲打、碰撞。导电、导热能力等由于品种不同而有很大差异，有的是良导体（导电陶瓷），有的是绝缘、绝热材料（电瓷）。按原料和用途分为：（1）普通陶瓷。是用黏土、长石和石英等天然原料经粉碎、成形和熔烧制成的陶瓷。其特点是质地坚硬，绝缘性、耐蚀性、工艺性好，可耐1200°C高温，且成本低廉。主要用于日常生活中（日用陶瓷、建筑陶瓷）和工业上（如电瓷、过滤陶瓷等）。（2）特种陶瓷。它是以人工化合物（如氧化物、氮化物、碳化物等）为原料制成的。常用有氧化铝陶瓷（Al2O3）、氮化硅陶瓷（Si3N4）、氮化硼陶瓷（BN）等，主要用于工业生产中制造高温器皿、电绝缘及电真空器件、高速切削刀具。3.工业陶瓷6.5非金属材料机械制造基础第6章金属材料与非金属材料38复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新材料，其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。根据基体材料和增强材料命名，复合材料的命名一般有以下三种情况：1）强调基体时则以基体材料的名称为主，如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。2）强调增强体时则以增强体材料的名称为主，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等。3）基体材料名称与增强体材料名称并用，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，如碳纤维/环氧树脂复合材料、玻璃纤维/环氧树脂复合材料。4.复合材料6.5非金属材料机械制造基础第6章金属材料与非金属材料39复合材料的分类方法很多，按其结构特点可分为以下三类：（1）纤维复合材料。由纤维与树脂复合而成。例如，玻璃纤维与热固性树脂复合而成的玻璃纤维复合材料（又称玻璃钢），是应用最多的复合材料，其强度、冲击韧性显著提高，收缩减小，主要用于制造航空、汽车、化工等方面