机械基础（第2版）全套教学课件

04单元1

平面连杆机构04单元2

凸轮机构04单元3

间歇运动机构04单元4

螺旋机构05单元1

带传动05单元2

链传动05单元3

齿轮传动05单元4

巾

吊

平

住

力05单元5

轮系06单元1

螺纹连接06单元2

键与销连接06单元3

联轴器和离合器

07单元1

轴07单元2轴承08单元1

液压传动的基本概念08单元2液压元件08单元3液压控制回路02单元2金属材料及应用02单元3金属材料的热处理03单元1选用与标注极限与配合03单元2标注几何公差03单元3标注表面结构参数01单元1认识机械02单元1金属材料的性能目录机

械

基

础模块一

认识机械单元一—认识机械教学目标一、目标和要求(1)明确学习本课程的意义和本课程的性质、任务及学习方法。(2)掌握机器、机构，构件和零件的概念。二、重点和难点(1)机器、机构、构件和零件的区别与联系(2)认识机构运动简图01第一节机械概述

02

第二节机器与机构

03第三节零件与构件

04

第四节运动副及其分类

05

第五节机构运动简图

目

录案例导入我国是世界上发明和利用机械最早的国家之一，在机械原理、结构设计和动力应用等方面都

取得较高成就。春秋时期(公元前770----前476年)就发明了应用杠杆原理的桔棉(图1-1);自东汉始，形状用途各异的齿轮广泛应用在水转连磨、指南车、记里鼓车等机械上(图1-2);

在原动力方面，逐步从人力、畜力向利用水力、风力的方向发展，机械传动方式亦逐步扩大。在历史上，我国的先民对机械的不断发明、创造、革新，大大推动了生产力的发展和社会的进

程。桔棉水车第一节机械概述目

录01机械概述●机械是人们在长期的生活实践中创造并不断发展的，用来降低工作难度、减轻工作强度或

提高工作效率的工具或装置。候风地动仪

指南车

诸葛连弩机械概述●

机械是人类文明的产物，它的每一次革新都伴随着人类社会生产力的飞速发展。18世纪，蒸汽机的发明，促进了欧洲机械工业的快速发展，从而产生了第一次工业技术革命。其后，各种以蒸汽机作为原动力的机械开始出现，如纺织机、蒸汽汽车、蒸汽火车、蒸汽轮船等。蒸汽汽车

蒸汽火车

蒸汽轮船机械概述●

机械是人类文明的产物，它的每一次革新都伴随着人类社会生产力的飞速发展。●

19世纪末20世纪初，在中国第二次工业革命的浪潮中，内燃机的出现促进了交通工具的发展与革新。世界上第一辆汽车和第一架飞机相继问世。经过不断革新，各式各样的交通工具使

人类的出行变得简单，简单和快捷。第一辆汽车第一架飞机机械概述.

20世纪中期，以电子计算机为代表的第三次工业技术革命逐步兴起，机电一体化技术和计算

机控制技术在机械工业中得到应用。“长征”系列运载火箭

蛟龙号”载人潜水器”第二节机器与机构目

录02机器●

机器是人们根据使用要求而设计制造的一种执行机械运动的装置，它可以用来变换或传递能

量、物料与信息，从而减轻人类的体力和脑力劳动。●

机器特征：(1)属于人为的实体组合体，(2)各运动实体之间具有确定的相对运动，(3)能代替或减轻人类的劳动，利用机械能做功或进行能量转换，成部分的含义动力部分：发动机执行部分：车

轮支撑及辅助部分：车身、车灯等机器1.机器的组成根据组成部分功能不同，一部完整的机器一般包括5个部分。下面以轿车为例，介绍机器各组机器动力部分：将其他形式的能量转换为机械能，是整个机器的动力源。动力部分：发动机执行部分：直接完成机器预定工

作任务的部分。执行部分：车轮支撑及辅助部分：用来安装和支撑其余组成部

分。控制部分：控制机器中动力部分、执行

部分和传动部分协调工作。。传动部分：变速箱、传动轴等控制部分：方向盘、油门、刹车等传动部分：连接动力部分和执行部

分，用来传递运动和动力。支撑及辅助部分：车身、车灯等机器2

.机器的类型根据用途不同，机器可分为动力机器、加工机器、运输机器和信息机器，它们各自的用途及

应用电动机内燃机动力机器：实现其他能量与机械能之间的转换。机器2.机器的类型加工机器：用来改变加工对象的尺寸形状、性质和状态。车床铣床机器2.机器的类型运输机器：用来运输人员或物品。客车

叉车机器2.机器的类型信息机器：用来获取或变换信息。照相机

传真机连杆机构带传动机构齿轮机构凸轮机构机构●

机构是具有确定相对运动的构件的组合，它是用来传递运动和动力的构件系统。机器可以看

成是一个或若干机构的组合。机

械

常用的机构类型机器机构名称机器机构特征(1)任何机器都是人为的实体(构件)组合体(2)各运动实体之间具有确定的相对运动。一般情况下，当其中某构件的运动一定时，其余各

构件的运动也就随之确定(3)在生产过程中，它们能代替或减轻人们的

劳动，完成有用的机械功(如车床的切削工作)

或将其他形式的能量转换为机械能(如内燃机、

电动机分别将热能和电能转换成机械能)具有机器特征中第(1)和(2)两项特征，无

第(3)项特征功用利用机械能做功或实现能

量转换传递或转换

运动或实现某

种特定的运动

的形式机器与机构的区别第三节零件与构件目

录03螺母连杆盖轴瓦连杆体轴套构件●构件是指组成机构的各个具有相对运动关系的实体，它是机构中的运动单元。

螺栓内燃机连杆机构中包括：

曲柄、连杆、活塞等构件零件●零件是组成机器的制造单元●按照适用范围不同，零件可分为通用零件和专用零件两类。通用零件在各种机器中都能用到，如螺栓、螺母、销钉、轴承、齿轮等专用零件仅用于实现特定功能的机器，如内燃机的曲轴、起重机的吊钩、液压马达的叶片等零件●

通用零件在各种机器中都能用到，如螺栓、螺母、销钉、轴承、齿轮等零件●

专用零件仅用于实现特定功能的机器，如内燃机的曲轴、起重机的吊钩、液压马达的叶片等机械、机器、机构、零件的关系●机械、机器、机构、构件、零件之间的关系零件

→构件

机构

机器(制造单元)(传递、转变运动形式)(运动单元)(利用机械能做功或实现能量转换)机械目

录第四节运动副及其分类04运动副●

使两个构件直接接触，又能保持一定的相对运动的连接形式称为运动副。例如，活塞与气缸的

连接构成移动副，连接门与门框的合页构成转动副。●

两构件只能位于同一平面或平行平面内做相对运动的运动副称为平面运动副。运动副分类·

根据运动副中两构件的接触形式不同，平面运动副分为低副和高副、1.低副两个构件之间做面接触的运动副称为低副。低副又分为转动副和移动副。转动副为两构件在接触面做相对转动，也称为铰链；移动副为两

构件在接触面做相对直线移动低副的接触处一

般是圆柱面或平面，承受载荷时

压强较小运动副分类2.高副两个构件之间通过点或线接触的运动副称为高副。高副的接触处一般

是点、线，承受载

荷时的压强较大，

接触处易磨损(a)火车轮与钢轨

(b)

凸轮与从动件(c)

啮合的轮齿目

录第二节机器与机构第四节运动副及其分类第五节机构运动简图020405机构运动简图●用线条表示构件，用简单的符号表示运动副的类型，按一定比例确定运动副的相对位置，这

种表示机构中各构件运动关系的简明图形称为机构运动简图。小带轮V带大带轮制动器曲轴

连杆

滑块凸模坯料凹模机架电动机传动轴小齿轮大齿轮离合器机构运动简图常用运动副符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副两构件之一为固定时的运动副转动副(V级)(V级)平面运动副移动副(V级)(V级)平面高副(IV级)(IV级)机构运动简图点

接

触

高副

与

线

接触高副(1级)(Ⅱ级)(I级)(Ⅱ级)圆柱副(IV级)(IV级)球

面

副

及球销副(Ⅲ级)

(IV级)(Ⅲ级)(IV级)螺旋副(V级)(V级)空间运动副机构运动简图常用机构运动简图的符号齿轮内齿轮传动齿轮齿条机构锥齿轮传动凸轮机构曲柄滑块机构带传动链传动螺旋传动直杆的支点弯杆的支点定滑轮分析机构运动，确定构件类型和数目该曲柄连杆机构由曲轴1、连杆2、活塞3、汽

缸体4等构件组成，往复直线运动的活塞通过

连杆驱动曲轴转动。其中，汽缸体4是机架，

活塞3是主动件，其余为从动件。确定各构件间运动副的类型和数目曲轴1与汽缸体4、连杆2与曲轴1之间均发生

相对转动，构成2个转动副；活塞3既与连杆之

间发生相对转动，又与汽缸体之间发生相对直

线运动，构成1个转动副和1个移动副。量运动副间的相对位置，确定绘图比例运动副间的相对位置应根据机构的实际尺寸测

量，绘图比例应根据图纸的大小确定。选择合适的视图和原动件位置选择连杆的运动平面作为绘制简图的视图平面，

取曲轴与竖直方向成60°的位置为原动件初始

位置。用规定的图形绘制运动副和构件，标出构件标

号和原动件，如图

(b)

所示。机构运动简图例绘制如图(a)所示的汽车曲柄连杆机构的平面机构运动(a)示意图

(b)

机构运动简图1—曲轴；2—连杆；3—活塞；4—汽缸体汽车曲柄连杆机构2345简图●

2.构件是具有确定相对运动的构件的组合。机器是人为实体的组合，它的个部分之间具有确

定的相对运动，并能减轻甚至代替人类的体力劳动，其作用是完成有用的机械功或实现能量

的转换。●3.从功能划分的角度看，机器主要由动力部分、传动部分、执行部分、控制部分和支撑及辅

助部分组成。●

低副的以面接触，承受载荷时压强较小；高副的接触处以点、线接触，承受载荷时的压强较大，接

触处易磨损。单元小结·1.零件是机器的最小制造单元，构件是机器的运动单元体，也就是相互之间能做相对运动的

物体。机

械

基

础模块二

机械零件的材料单无一

金属材料的性能教学目标一、目标和要求(1)明确机械零件对材料和结构工艺性的要求(2)掌握金属材料的力学性能和工艺性能(3)了解金属材料的物理和化学性能二、重点和难点金属材料的力学性能指标第三节金属材料的物理和化学性能第二节金属材料的工艺性能第一节金属材料的力学性能目

录010203日从南安普顿至纽约的处女航中，在北大西洋撞上冰山而沉没，由于缺少足够的救生艇，1500人葬生海底，造成了迄今为止最著名的一次航海事故。在后面对这次事故的分析调查中，

技术人员认为，沉船事故与船体使用的材料有很大的关系。首先当时的炼钢技术并不十分成

熟，炼出的钢铁在现代的标准根本不能造船，泰坦尼克号上所使用的钢板含有许多化学杂质

硫化锌，加上长期浸泡在冰冷的海水中，使得钢板更加脆弱。另外，因为当时还没有焊接技

术，所有的船体都是铆钉结构的制造工艺而成的，导致整体刚度增强，但是抗弹性形变的的

能力下降，再加上当时正是冬季的北大西洋，温度很低导致金属变脆也有一定的关系。因此，

掌握材料的性能和应用，对我们起着至关重要的作用。案例导入●泰坦尼克号(

Titanic):20

世纪初，由英国白星航运公司制造的一艘巨大豪华客轮。是当时

世界上最大的豪华客轮，被称为是“永不沉没的”或是“梦幻客轮”。但却在1912年4月15目

录第一节金属材料的力学性能01金属材料的力学性能●

金属材料在机械制造中应用最为广泛，为正确、合理地使用金属材料，必须了解金属材料的

性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。●

金属力学性能是评定金属材料质量的主要依据，也是金属构件设计时选材和强度计算的主要

依据。强度1.强度概念金属在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。强度与变形，有着直接的关系，变形是指在外力作用下，材料由于内部原子之间的位置发生改

变，而导致的宏观形状和尺寸的变化，根据撤去外力后能否恢复，变形分为弹性变形和塑性变

形，材料发生弹性变形时，撤去外力后，能恢复到原来的形状和尺寸，发生塑性变形时，撤去

外力后，不能恢复到原来的形状和尺寸，故塑性变形，又称为永久变形，如汽车碰撞后保险杠的变形。强度●

强度是材料的一项重要力学性能指标，当材料承受的载荷超出其强度范围时，其结构将发生

破坏，导致机器无法运转，甚至造成严重的事故，如自行车由于强度不足而断裂的现象，飞

机应坠地撞击而导致机断裂。强度2.拉伸试验●金属材料的强度有专门的试验来测定，其中应用最普遍的是拉伸试验，拉伸实验是指用静拉

伸力，对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和相应的伸长量，测量其力学性能的试验。材

料进行拉伸时，需要使用拉伸试验机和特制的试样。常用试验的结构如图，其中，d₀

表示原

始

直

径

，L₀

表示原始标距长度，d₁

表示断后直径，L₁

表示断后标距长度。(b)

拉伸后(a)

拉伸前强度2.拉伸试验●

进行拉伸试验时，将试样两端分别固定在拉伸试验机上，逐步增加轴向拉力(又称拉伸力)连续记录拉伸力和试样的伸长量，直至试样被拉断。根据记录的数据，可以绘制拉伸力和伸

长量之间的关系曲线，称为拉伸曲线。低碳钢拉伸曲线中，横坐标

表示试样的形变量△L,纵坐标

表示拉伸力F低碳钢拉伸曲线强度阶段曲线特征力学性能OE段：弹性变

形阶段直线试样长度随着拉伸力的增大而增

大，撤去外力后，试样变形消失

恢复原长ES段：屈服阶

段上下波动在该阶段，拉力一旦超过Fe,试样将产生塑性变形。等拉力增加到

Fel时，在拉力不断增加，略有减

小的情况下，试样将继续生长，

这种现象称为屈服。SB段：强化阶

段非线性增大需要不断的增加拉力，试样才能

继续生长。随着塑性变形的增大

试样抵抗变形的内力也逐渐增大

这种现象称为形变强化。BZ段：颈缩阶

段下降拉力达到最大后，试样中间某处的直径会发生局部收缩，称为“颈缩”。由于横截面积减小，

拉力不断减小低碳钢拉伸曲线2.拉伸试验强度3.强度指标强度的大小可由应力来表示。材料在受外力作用时，为抵抗变形，其内部组织间产生的相互

作用力称为内力。单位面积上的内力称为应力，用符号σ

表示。在拉伸试验中，试样断裂前处于

受力平衡状态，内力与外力大小相等，此时横截面上的应力大小σ=F/S式中：σ-横截面上的应力，单位PaF-试样所受拉力，单位NS-试样的横截面积，单位mm²常用的应力单位为MPa,

存在换算关系：1MPa=1N/mm2=106N/m²=106Pa●对于铸铁、高碳钢等材料，它们没有明显的屈服现象，则很确定正确的Fe,

此时可用试样产

生0.2%永久变形时的应力，作为一种条件屈服强度。强度●

强度指标：抗拉强度σ屈服强度σ。强度指标硬度●硬度是衡量金属材料软硬的一种性能指标，也是指金属材料抵抗外部硬物压人其表面的能力。

硬度越高，材料表面越不容易产生压痕或划痕。●

工业中通常利用硬度试验来测定材料的硬度。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试

法和维氏测试法等，所测试所得的硬度，分别为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏测试法洛氏测试法维氏测试法硬度测试法硬度●1.布氏硬度●

布氏硬度的符号用HB

表示。用一定直

径D

的淬硬钢球在规定负荷P的作用下

压入试件表面，保持一段时间后卸去载

荷，在试件表面将会留下表面积为F的

压痕，以试件的单位表面积上能承受负

荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F,●

在实际应用中，通常直接测量压坑的直

径，并根据负荷P和钢球直径D从布氏

硬度数值表上查出布氏硬度值(显然，

压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏

硬度值越小)。硬度·

2.洛氏硬度●

洛氏硬度的符号用HR

表示。用有一定顶角(例如120°)的金刚石圆锥体压头或一定

直径D

的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压

入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕，由

洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值

读数显示(显然，压坑越深，硬度越低，

表示的洛氏硬度值越小)。●

根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为

HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC为最

常用。硬度●3.

维氏硬度·

维氏硬度的硬度符号用HV

表示，以120kg

以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥

压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的

表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV),

如图所示。硬度●

三种硬度比较：类别试验原理简图测试方法应用范围表示方法布氏硬度(HB)P压头被测金属采用直径为D的淬火钢球或硬质合金钢球作为压头，以规定压力P挤压材料表面并保持规定的时间，

测量圆形压痕的直径d,利用公式

求出硬度值，或从专门编制的硬度

表中查出对应的硬度值适用于测定各种退火

及调质的钢材、非铁合

金及铸铁等不太硬的工

件，不适合测定太薄的

工件硬度值+HBW+球体直

径+试验压力+保持时间洛氏硬度(HR)采用120°顶角的金刚石或f1.587

5mm钢球作为压头，以一定的压力

挤压材料表面，根据压痕的深度计

算材料的硬度。根据试验压力的不同，可分为三种标度：HRA,HRB和

HRC适用于测定布氏硬度

值大于450或尺寸较小的工件硬度值+符号维氏硬度(HV)F金刚石正四棱锥压头试件压痕以相对面夹角为136°的正四棱锥形金刚石作为压头，以49.03~

980.7N的载荷挤压材料表面并保持规定时间，测量压痕对角线的长

度d,然后按公式计算硬度值由于压痕较小，适用

于测定较薄工件、工具

表面或带镀层工件硬度值+HV+试验压力+保持时间断后伸长率是指试样拉断后，试样的伸长量△L与原始标距L₀的百分比，用符号A表示，其计算公式为：式中：A-断后伸长率，无单位L₁-

试样拉伸后的标距，单位mm;Lo-试样的原始标距，单位mm。塑性●

金属材料的塑性可有断后伸长率A和断面收缩率Z

来衡量。两者都可通过拉伸试验进行计算。●

1.断后伸长率A塑性●

2.断面收缩率Z式中：Z-

断面收缩率，无单位S₁-

试样颈缩处的最小横截面积，单位mm2;So-试样原始横截面积，单位mm2。·

金属材料的断后伸长率A和断面收缩率Z越大，表示材料的塑性越好，即能承受较大的塑性变

形而不破坏，适宜用轧制、锻造等塑性变形方法进行加工。断面收缩率是指试样拉伸后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号Z

表示，其计算公式为：冲击韧性●

冲击韧性是指金属材料断裂前吸收变形能量的能力。冲击韧性越好，材料的抗冲击能力愈强，

发生断裂的可能性越小。冲击韧性是金属材料的一项重要力学性能，许多金属零件和机械设备在工作中需要承受冲击载荷的作用，如发动机的活塞、锻压机床的锻锤等，为了保证他们的正常工作，在选择材料时，必须要考虑材料的冲击韧性。金属材料的冲击韧性通常用冲击

吸收功来衡量。冲击韧性，可以通过一次摆锤冲击试验来测定。(a)

(b)1

-

试样2

-

刻度盘3

-

指针4

-

摆锤5

-

机架疲劳强度●

零件在承受外部载荷作用时，内部会产生应力，当外部载荷成周期性变化时，应力也会作周

期性变化，称为交变应力。齿轮、轴承、曲轴等机械零件工作时，需要承受交变应力的作用，

虽然应力水平低于材料的屈服强度，但经过长时间的反复作用后，零件会产生裂纹或突然发

生断裂破坏，这种现象称为金属的疲劳破坏，简称疲劳。●金属材料的疲劳性能由疲劳强度来衡量。疲劳强度是指金属材料承受无限多次交变载荷的作

用，而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用，而不发生疲劳破坏的能力。

金属材料的疲劳强度可以通过疲劳试验进行测量，但实际操作中，金属材料不可能做无限多

次交变载荷试验。通常规定，钢在经受107次、非金属材料经受108次交变载荷作用时不产生

断裂的最大应力称为疲劳强度。疲劳强度●

疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察觉，具有较强的突发性，所以疲

劳破坏容易造成很严重的后果。齿轮断裂

曲轴断裂目

录第二节金属材料的工艺性能02金属材料的工艺性能●

金属材料的工艺性能反映了金属材料加工难易程度。·

良好的工艺性能表示材料的加工难度小。工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能

和切削加工性能等。铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能工艺性能铸造性能●铸造是将熔融的金属浇入铸型中，经凝固后获得一定尺寸、形状和力学性能的铸件或零件的

成形方法。金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力，称为金属材料的铸造能力，它反映了金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度。金属材料融化成液体时的流动性越好，冷凝时(a)

暖气片

(b)

钢管

(c)

管接头

(d)

车床底座的收缩性越小，凝固后的偏析性(指各化学成分的不均匀性)越小，则获得铸件的质量越好。铸造性能·

工业生产中，灰铸铁具有良好的铸造性能，因而被广泛用于制造各种结构较复杂、大型的机

械零件。如车床底座、箱体等，如图2-11所示。青铜也具有良好的铸造性能，是古人发现的

最早的金属材料。(a)拨叉典型铸造零件(b)

箱体压力加工性能●

固态金属在外力作用下，通过塑性变形，改变尺寸和形状、改善内部组织，从而获得具有一

定形状、尺寸和力学性能的原材料，毛坯或零件的加工方法，又称金属塑性加工。常用的金

属压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等(a)轧制

(b)

挤压

(c)冷拔(d)

锻造

(e)冷冲压常用压力加工方法压力加工性能●

金属材料在压力加工过程中成型的难易程度称为金属材料的压力加工性能。·

它主要与材料的塑性有关，塑性越好，其压力加工性能就越好。同时，压力加工性能还与金

属材料的成分及加工条件有关。例如，锻钢在加热到一定温度时，容易锻造成型，而铝合金

在室温下就很容易锻造加工。焊接性能●通过加热或加压，或者两者并用，使两工件产生原子间结合的加工办法称为焊接。常用的焊

接方法有手工电弧焊、气焊、自动焊等。金属材料在焊接过程中得到优质焊接接头的能力称

为焊接性能，又称可焊性。焊接性能好的金属材料，焊接时焊缝不容易产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷。手工电弧焊气焊自动焊焊接方法焊接性能常用焊接方法切削加工性能●

切削加工是机械工业中应用最为广泛的零件加工方法，常见的切削加工方法有车削、铣削、

磨削、钻削等。●

切削加工性能是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性能的因素有刀具的

使用寿命、零件的表面质量、工时等。金属材料的切削加工性能，主要受金属材料的化学成

分、硬度、塑性等性能的影响。通常情况下，可以通过热处理来提高钢件的切削加工性能。切削加工性能(a)

车削加工(c)

磨削加工(d)

钻削加工(b)

铣削加工目

录第三节金属材料的物理和化学性能03金属材料的物理性能●

金属材料的物理性能是指金属材料在重力、电磁场、热力(温度)等物理因素作用下所表现

出来的性能或固有的属性。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。密度熔点导热性物理性能导电性热膨胀性磁性密度●

金属材料的密度是指单位体积金属的质量。密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密

度是不同的。在体积相同时，金属材料的密度越大，其质量越大。

一般将密度小于5×10³KG/M²的金属材料称为轻金属，将密度大于5×10³KG/M²

的金属称为重金属。金属材料的密度是零件设计过程中需要考虑的性能之一，如航天构件常采用密度小的铝合金、钛合金、

铝镁合金进行制造。熔点●

金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属有固定的熔点。合金的熔点取决于它

的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于其碳的质量分数不同，其熔点也不

同。熔点对于金属材料的冶炼、铸造、焊接等是重要的工艺参数。熔点高的金属材料称为难熔金属(如钨、钼、钒),可用来制造耐高温零件，在火箭，导弹，燃气轮机和喷气飞机等

方面得到广泛应用。熔点低的金属材料称为易熔金属(如锡、铅等),可用来制造印刷铅字

(铅与锑的合金)、熔断器和防火安全阀等零件。导热性●

金属材料传导热量的能力称为导热性。金属材料的导热能力，常用热导率(亦称导热系数)

λ来表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，纯金属的导热能力比合

金好。金属材料的导热能力以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属材料，其散热性能也较好，可用来制造散热器、热交换器交换器。导电性●

金属材料能够传导电流的能力称为导电性。金属材料的导电性常用电阻率p来表示，其单位

是Ω

.m

。金属材料的电阻率越小，其导电性越好。导电性与导热性一样，是随化学成分的复

杂化而降低，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝作为导电材料，而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金制作电热元件。热膨胀性●

金属材料随温度变化而膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。

一般来说，金属材料受热时膨胀而

体积增大，冷却时收缩而体积缩小。金属材料的热膨胀性可用线胀系数α₁和体胀系数αy来表

示，体胀系数近似为线胀系数的三倍。在实际工作中需要考虑热膨胀性的地方很多，如轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸.磁性●

金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化

程度的不同，金属材料又分为铁磁性材料和非铁磁性材料。铁磁性材料是指在外磁场中能被

磁化到很大程度的金属材料，如铁、镍、钴等。非铁磁性材料是指在外磁场中能够抗拒或减

弱外加磁场磁化作用的金属材料如金、银、铜、铅、锌等。●

铁磁性材料可以被磁铁吸引，铁及其合金(包括钢与铸铁)是常见的铁磁性材料，主要用于

制造变压器、电动机、测量仪表等；非铁磁性材料不能被磁铁吸引，可用于制造避免电磁场

干扰的零件。金属材料的化学性能●

金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温时，抵抗各种化学介质中所表现出来的性能。

化学性能，包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性的耐腐蚀性化学性能

抗氧化性化学稳定性耐腐蚀性●

耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧、水及其它化学介质腐蚀破坏的能力。金属材料的耐

腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对于腐蚀介质(如酸、碱、盐、有毒气体等)中工作的

零件，其腐蚀性比在空气中更为严重。因此，在选择金属材料制造这些零件时，应特别注意金属材料的耐腐蚀性，并合理选用耐腐蚀性能好的金属材料(如不绣钢、铜合金等)进行制

造。抗氧化性●

抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的氧化现象会随温度的升高

而加速，如钢在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时氧化现象比较严重。氧化不仅造

成材料的过度损耗，也会造成各种缺陷，因此常需要采取措施避免金属材料发生氧化。对于在高温状态下工作的构件，如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机、火箭、导弹等，就需

要选用其具有良好抗氧化性能的材料(如耐热钢、高温合金、铝合金、高温陶瓷等)来制造。化学稳定性●

化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为

热稳定性。高温条件下工作的设备(如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件

选择了稳定性好的材料来制造。单元小结·

1.选择机械零件的材料时，要满足零件的使用性能和工艺性能的要求，同时兼顾合理地经济

性。●

2.机械零件由于某种原因不能正常工作的情况称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能

安全工作的限度，称为工作能力。●

3.金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等；工艺性能包括铸造

性能、压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等。机

械

基

础模块二

机械零件的材料单无二

金属材料及应用教学目标一、目标和要求(1)了解钢和铸铁的分类(2)熟悉常用工业用钢的种类、牌号、性能和应用(3)了解常用非金属材料的类型及特点二、重点和难点工业用钢的种类、牌号、性能和应用第三节常用非金属材料第二节常用有色金属材料第一节

常用黑色金属材料0102

03目

录案例导入●

国家体育场(鸟巢)的钢结构最大跨度达到333米，相当于200个成年人手拉手的长度。达

4.2万吨的钢结构需摆脱外力的支撑，靠自己站立起来，工程浩大自不必说，其材料的选择

慎之又慎。筑造“鸟巢”使用的钢材材质绝大部分为Q345D和Q345GJD钢材，局部受力大的部位采用了Q460钢材。Q460钢材是专为“鸟巢”量身打造的一种低合金高强度钢。

“Q”代表

钢材的强度，“460”表示受力强度达到460兆帕时才会彻底变形，460兆帕相当于4540个标

准大气压，普通钢材受力强度只有235兆帕，比Q460小将近一半。在国家标准中，Q460

的最

大厚度是100毫米，而“鸟巢”这次使用的钢板厚度史无前例地达到110毫米。“鸟巢”钢结

构中共使用了400吨Q460钢。目

录第一节

常用黑色金属材料01常用黑色金属材料●金属分为黑色金属和有色金属两大类。●

以铁和碳两种元素为基体以及多种元素组成的复杂合金称为黑色金属，钢和铸铁是应用最广

的黑色金属，统称为铁碳合金。●

其中，铁包括纯铁和铸铁。通常情况下，将碳含量在0.0218%到2.11%之间的铁碳合金称为

钢；碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为纯铁；碳含量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工

业中常用铸铁的碳含量不超过4.3%。纯铁钢

铸铁0.0218%2.11%4.3%Wc钢铁中碳含量的范围常用黑色金属材料●

为提高钢的力学性能，在冶炼碳素钢的过程中，加入合金元素所得到的钢，称为合金钢。●

黑色金属以外的金属称为有色金属，铜和铝基合金是常见的有色金属。(a)

餐具

(b)剪刀(c)钢桥(d)

推土机常见的钢铁制品普通钢@<0.055%,w.,0.045%冶金质量优质钢(ws<0.040%,wp,0.040%)高级优质钢(ws<0.030%,M,0

.035%碳素钢结构钢用途工具钢特殊性能钢●

2.按钢的用途分：1.按钢的质量分：钢钢●碳素钢3.按钢中碳的质量分数分低碳钢(w<0.25%申碳钢高碳钢(w

c>0.60%)冶金质量钢●类别牌号举例性能特点应用范围碳素结构钢Q235塑性好，强度较低，能保证一定的

力学性能，容易冶炼，工艺性能良

好用于制造建筑、桥梁、船舶等

领域的结构件，或者加工螺钉、

螺母等力学性能要求不是很高

的机械零部件优质碳素结构钢45热加工及切削性能良好，焊接性能

较差，强度、塑性等综合力学性能

良好。用于制造受力较大的零件，如

齿轮和普通轴等碳素工具钢T8工艺性能好，在热处理后可以获得

很高的硬度，温度不高时耐磨性良

好；但热硬性较差，淬透性较低制造形状简单、尺寸小、切削

速度低、工作温度不高的工具，如模具冲头、剪刀等铸造碳钢ZG200-400具有较高的强度、塑性和韧性用于制造需要受力大并承受冲击载荷的零部件，如轧钢机底

座、水压机底座、火车车轮及

车钩等碳素钢·

4.碳素钢的牌号及含义常用碳钢举例合金钢●

为改善钢的机械性能，通常在炼钢时加入Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V

等，由此获得的钢材称

为合金钢。与碳钢相比，合金钢往往具有某些方面的特殊性能，或具有良好的综合力学性能，

如合金钢具有更高的硬度、强度、耐磨性、淬透性。●

常见的合金钢有合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。合金钢

类别牌号举例性能特点应用范围合金结构钢低合金钢30CrMnSiA碳含量为0.12%～0.20%,磷、硫含量不大于0.45%,合金元素总量不大于3%,主要添加元素为硅、锰及少量的钛、钒、铌、铜及稀土元素等

具有较好的塑性、韧性和焊接性能，且冶炼较简单广泛用于制作各种机器零件和

工程构件，如车辆大梁、房屋钢架、输油管道等合金渗碳钢20CrMnTi含碳量一般为0.10%～0.25%,加入的合金元素主要有锰、铬、镍、钼

钒、钛、硼等；经淬火和低温回火后，具有较高的表面硬度和耐磨性，

同时心部具有良好的强度和韧性，抗冲击载荷能力强适用于制造各类受冲击载荷作

用的零部件，如变速齿轮、活塞

销、轴类零件等合金调质钢38CrMoAl含碳量一般为0.25%～0.50%,具有较高的强度和韧性；若调质后再进

行淬火，可进一步提高钢件表面的耐磨性适用于制造汽车、拖拉机、机

床等机器上的重要零件，如齿轮

连杆、轴类零件等合金工具钢刃具钢9SiCr具有高硬度、高耐磨性、高红硬性(红硬性是指钢在高温下保持高硬

度的能力)及一定的韧性和塑性适用于制造各类低速切削的薄

刃刀具，如板牙、丝锥、铰刀等模具钢Cr12MoV5CrNiMo分为冷作模具、热作模具和塑料模具三类，其性能特点与用途有关适用于制造各种锻造、冲压、

压铸等模具量具钢9Cr18含碳量通常高达0.90%～1.50%,并含有铬、钨、锰等碳化物组成元素适用于制造各类高精度量具，

如块规、量规、卡尺、千分尺等高速钢W6Mo5Cr4V2

W12Cr4v5Co5含有钨、钼、铬、钒等合金元素，在高速切削产生的高温下(约500

℃时)仍能保持较高的硬度(不低于60HRC)通用型高速钢适用于制造普通

刀具，如钻头、锯条、滚刀、

拉刀等；特殊用途高速钢适用

于制造难加工金属(如钛合金高温合金等)的切削刀具合金弹簧钢60Si2Mn具有很高的抗拉强度、弹性极限及疲劳强度，

一定的淬透性和良好的

表面质量适用于制造各类弹簧及弹性零

件合金轴承钢GCr15具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及较高的弹性极限和良好的尺寸稳定性。适用于制造各类轴承的滚珠、

滚柱及轴承内外圈等不锈钢06Cr18Ni9主要的合金元素为Cr,其含量一般不低于10.5%;具有良好的耐蚀性

抛光性和耐热性适用于制造耐腐蚀零部件，如

化工设备、容器、餐具等合金钢类别牌号示例含义说明碳素钢碳素结构钢Q235AFQ345D“Q”是“屈”字拼音的首字母，后面的数字表示屈服强度，单位为MPa;字母A表示钢的质量，

从A到D质量依次提高；F,b,Z,TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。例如，Q235AF表示屈服强度为235MPa,A级质量的沸腾碳素结构钢优质碳素结构钢4565Mn两位数字表示钢的平均碳含量，以万分之几计；后面的元素符号表示该元素的含量比较高。例

如，45钢表示碳含量为0.45%的优质碳素结构钢碳素工具钢T8T11A“T”是“碳”字拼音的首字母，后面的数字表示钢中碳的平均含量，以千分之几计；若为高级

优质碳素钢，在钢号后面加A。例如，T11A表示平均碳含量为1.1%的高级优质碳素工具钢合金钢合金结构钢

合金弹簧钢30CrMnSiA60Si2Mn前面两位数字表示钢的平均碳含量，以万分之几计；元素符号表示所含的合金元素，其平均含

量小于1.5%时一般不标出，当平均含量依次为1.5%～2.5%,2.5%～3.5%,3.5%～4.5%,…时，在元素符号的后面相应地写成2,3,4,…;若为高级优质钢、特级优质钢，在钢号后面相应地加上

A,E。例如，30CrMnSiA表示平均碳含量为0.30%,铬、锰、硅的平均含量均小于1.5%的高级优质

合金结构钢合金工具钢8MnSi前面的数字表示钢的平均碳含量，以千分之几计，若平均碳含量大于1.0%,则一般不标出；合

金元素平均含量的表示方法与合金结构钢相同。例如，8MnSi表示平均碳含量为0.8%,锰、硅含量

均小于1.5%的合金工具钢合金钢高速钢W18Cr4V一般不标出含碳量，只表明合金元素的含量，以百分之几计。例如，W18Cr4V表示平均钨含量为

18%,铬含量为4%,钒含量低于1%的高速钢轴承钢GCr15“G”表示轴承钢，后面字母表示所含合金元素的种类，其含量用紧跟的数字表示，以千分数计

例如，GCr15表示平均铬含量为1.5%的轴承钢不锈钢耐热钢06Cr18Ni920Cr13015Cr19Nil1前面的数字表示碳含量的最佳控制值，只规定其上限(以万分数或十万分数计)。其中，当含

碳量上限高于0.10%时，以其上限值的4/5表示(以十万分数计);当含碳量上限为0.10%～0.03%时，以上限值的3/4表示(以十万分数计);当含碳量上限低于0.03%时，以三位阿拉伯数字表示

(以十万分数计);合金元素含碳量表示方法与合金结构钢相同。例如，06Cr18Ni9表示含碳量上

限为0.08%,含铬量为18%,含镍量为9%的镍铬不锈钢；015Cr19Nil1表示含碳量上限为0.02%,最佳控制值为0.015%,含铬量为19%,含镍量为11%的极低碳不锈钢铸铁·

平均含碳量大于2.

11%的铁碳合金称为铸铁。工业用铸铁中碳含量为2.

11%～4.3%。铸铁

中除了含有碳元素之外，还含有硅、锰、磷、硫等元素，合金铸铁中还含有镍、铬、钼、铝

等元素。虽然塑性及韧性不及钢，但铸铁的生产成本低廉，具有优良的铸造性能、切削加工碳主要以渗碳体形式存在，断口呈银白色。碳主要以片状石墨形式存在，断口呈暗

灰色，在工业中应用最为普遍。一部分碳以石墨形式存在，另一部分以

渗碳体形式存在，断口呈灰白相间的麻点状。白口铸铁碳存在形式灰口铸铁麻口铸铁性能和良好的耐磨性及吸振性等特点，广泛应用于工业中。铸铁铸铁●铸铁分类分类牌号示例牌号组成性能特点用途灰铸铁HT200牌号组成：HT+最低抗拉强度。例如

HT200代表抗拉强度不低于200MPa的

灰铸铁碳主要以片状的石墨存在，断

口呈暗灰色；抗拉强度低、韧

性差，减振、耐磨、抗压性好工业生产中应用最广泛的铸铁

材料，常用于制造需要承受较大

压力的零部件，如机床床身、机

座，轴承座等可锻铸铁KTH300-

06KTB350-

12牌号组成：KT+代表类别的字母(H,

Z,B)+最低抗拉强度+最小断后伸长

率(以百分数计)。例如，KTH300-

06表示抗拉强度不低于300MPa,断

后伸长率不低于6%的黑心可锻铸铁碳主要以团絮状的石墨存在，

故塑性和韧性比灰铸铁好，但

并不能用于锻造常用于制造形状复杂、承受冲

击和振动载荷的零件，如拖拉机后桥外壳、管接头、低压阀门等球墨铸铁QT400-18QT800-2牌号组成：QT+最低抗拉强度+断后

伸长率。例如，QT400-18表示抗拉强

度不低于400MPa,断后伸长率不低于18%的球墨铸铁碳主要以球状的石墨存在，具有很高的强度和良好的塑性、

韧性，综合力学性能接近于钢

铸造性能好常用于制造受力复杂，强度，

韧性和耐磨性要求高的零件，如

发动机曲轴、连杆，各种齿轮、

机床主轴等蠕墨铸铁RuT300牌号组成：RuT+最低抗拉强度。例

如，RuT300表示抗拉强度不低于300

MPa的蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状的石墨存在，

强度接近于球磨铸铁，有一定

的韧性和较高的耐磨性，铸造

性能和导热性良好。常用于制造内燃机气缸、缸盖、

液压阀等零件合金铸铁一—含有一定量的合金元素，具有某种特性，如耐磨性、耐热性

和耐蚀性等常用于制造有耐热、耐腐蚀等

特殊要求的零件，如气缸套、阀

门、容器等(1)耐热铸铁铸铁中加入AI、Si、Cr

等合金元素，使铸铁表面形成保护性的氧化膜，在高温下具有抗氧化的能力，称为

耐热铸铁。(2)耐磨铸铁铸铁中加入W、Cu、Cr、Ti合金元素，并提高磷的质量分数，称为耐磨铸铁。耐磨铸铁的强度、韧性和耐

磨性都较高。(3)耐蚀铸铁铸铁中加入少量的Si、AI、Cr、Ni、Mo、Cu

等合金元素，称为耐蚀铸铁。合金铸铁·在灰铸铁或球墨铸铁的熔化液中加入一定量的合金元素，称为合金铸铁。根据加入的合金元素不同，而形成不同的

合金铸铁。铸钢●

铸钢是将熔化的钢水直接浇注到预先造好形的沙箱中，不经过轧制就能得到机械零件，其力学性能与轧制的钢材基本相同。铸钢应用于形状较为复杂，或零件的质量较大，力学性能要求又较高的冶金设备、运输设备、重型设备零件。目

录第二节常用有色金属材料02常用有色金属材料●

黑色金属以外的金属称为有色金属。有色金属具有许多特殊的性能，如较高的导电性和导热

性，较低的密度和熔化温度，良好的力学性能和工艺性能，是现代工业不可缺少的重要金属

材料，是黑色金属所不能替代的。(a)

铝合金窗

(b)

铜导线

(c)

飞机机身●

常用的有色金属主要有铝、铜及其合金。·工业中使用的纯铝呈银白色，密度较小

(p=2.7g/cm³),仅为钢的1/3,熔点为660℃,在常温及潮湿环境中，其表面容易形成一层致密的氧化膜，故纯铝具有较好的抗腐蚀性。·纯铝的导热性和导电性良好，是仅次于金、银、铜的优良导体。·塑性高，能通过压力加工方法制成各种型材、板材。·工业纯铝由于强度很低，不宜直接用来加工机械零部件，而是广泛用于制造各种导线

电容器和包装材料等。铝及铝合金纯铝工业纯铝的纯度不低于90%,其牌号用1×××系列表示。其中，最后两位数字表示铝的最低百分含量，当铝的最低百分含量精确到0.01%时，牌号的最后两位数字就是最低百分含量中小数点后

面两位；牌号第二位字母表示原始合金

(A)或改型合金

(B～Y),

如1080,1A50等。3241铝合金中所添加的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，根据合金元素和工艺特点的不同，

铝合金可铝合金中所添加的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，根据合金元素和工艺特点

的不同，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。铝及铝合金铝合金在保持纯铝质量轻等优点的同时，大大提高了自身的强度，从而具有很高的“比强度”(强度与密度的比值),力学性能超过许多合金钢。因此，铝合金是较为理想的结构材料，机械设备、运输工具、航空工业等领域都大量使用铝合金。铝及铝合金1.变形铝合金变形铝合金具有良好的塑性，可通过冲压、弯曲、挤压等加工方法获得所需零件。变形铝合金采

用4位字符牌号命名，牌号用2×××~8×××系列表示。牌号的第一位数字是按照主要合金元素：

铜、锰、硅、镁、镁十硅、锌及其他元素的顺序来表示变形铝合金的组别；第二组数字或字母表示

原始合金(A)或改型合金

(B～Y);牌号中最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。根据性能特点和用途的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金四类。分类常用牌号性能特点用途防锈铝合金3A215A02塑性高、强度高、抗腐蚀性良好适用于制造船舶零部件、航空

燃料箱、输油管道等硬铝合金2A12强度高、耐热性良好、耐腐蚀性差适用于制造门窗、飞机蒙皮等超硬铝合金7A04极高的强度(可达600MPa),热处理强化效果明显，退火后具有良好的塑性适用于制造飞机大梁、起落架、机翼接头等锻造2A50良好的热塑性和锻造性，可进行热处适用于制造飞机和发动机中形铝合金2A70理强化状较复杂的零部件铝及铝合金1.变形铝合金变形铝合金的分类铝及铝合金2.铸造铝合金通过向纯铝中添加硅、铜、镁、锌等元素，从而获得具有良好的铸造性能、耐腐蚀性和耐热性的铝

合金称为铸造铝合金。根据所含合金元素的不同，铸造铝合金可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝

锌系等四类。铸造铝合金牌号的编制方法：ZL”十三位数字。其中，“ZL”是“铸铝”的拼音首字母，第1位数字表示合金类别：1代表AI-Si

系合金；2代表AI—Cu系合金；3代表AI一Mg系合金；4代表AI-Zn

系合金。第二、三位数字是合金的

顺序号。例如，ZL202表示2号AI—Cu系铸造铝合金。分类常用牌号性能特点用途铝硅系(Al-Si)ZL101铸造性能和耐磨性良好、热涨系数小，使

用量最大适用于制造结构件，如发动

机壳体、气缸体等铝铜系(Al-Cu)ZL201强度高、铸造性能良好适用于制造承受大载荷和形

状不复杂的砂型铸件铝镁系(Al-Mg)ZL301抗腐蚀性、综合力学性能良好适用于制造雷达底座、飞机

起落架、螺旋桨等铝锌系(Al-Zn)ZL401强度较高、尺寸稳定适用于制造模型、发动机零

配件、设备支架等铝及铝合金2.铸造铝合金铸造铝合金的分类铜及铜合金·

纯铜·铜是人类最早认识并使用的金属材料之一，我国早在约六千年前就开始使用铜制品。12

·纯铜为紫红色，由于在空气中表面容易形成一层紫色的氧化膜，故纯铜又称紫铜。3

·纯铜的密度为8.96g/cm³,比钢略大，导电性和导热性良好，其强度和硬度均不高，

塑性、耐腐蚀性及焊接性能良好，故纯铜适合进行各种压力加工，通常用来制作电线

电缆、散热片等。工业纯铜分为四种：T1,T2,T3

。

其中，编号越大，表示纯度越低，杂质含量越高。铜及铜合金铜合金通过向纯铜中加入锌、铅、锡、铝、铍等元素即可得到各种性能优越的铜合金。根据所加入合

金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜等三类。分类常用牌号性能说明黄铜普通黄铜H62H70只有锌一种合金元素，具有良好的耐腐蚀性，常用于制造子弹、阀门、空调连接管

等特殊黄铜HMn58-2除含锌元素外，还含有铅、锡、铝等合金元素，耐蚀性、耐磨性、切削加工性均较

好，常用于制造钟表内部精密零件、螺旋桨等青铜锡青铜QSn4-3主要合金元素为锡，具有良好的铸造性能、减磨性能及力学性能，常用于制造轴承

蜗轮、齿轮等铝青铜QAl5QAl9-4主要合金元素为铝，具有较高的强度、耐磨性和耐蚀性，常用于制造高载荷齿轮、

轴套等铍青铜QBe2QBe1.7主要合金元素为铍，具有较高的弹性极限和良好的导电性，常用于制造精密弹簧和

电接触元件等白铜BMn3-12主要含有的合金元素是镍，呈银白色，具有较高的强度和硬度，价格昂贵，色泽美

观，常用于制造医疗器械、仪器仪表、工艺品等铜及铜合金础，加入适量的锑、铜等元素熔化而成。锡基轴承合金称为锡基巴氏合金。以铅、铜或铝为基础，

加入其他合金元素，相应称为铅基轴承合金、铜基轴承合金或铝基轴承合金。轴承合金具有足够的强度、硬度、耐磨性、塑性和韧性，还具有良好的磨合性和与轴颈的亲和

力，是高速运转机械的滑动轴承材料的最佳选择。1.锡基轴承合金锡基轴承合金是以锡为基础，加入适量的锑和铜元素组成的轴承合金。其特点是摩擦系数

小，硬度适中，具有较好的塑性和韧性，适用于高速、重载条件下工作。2.

铅基轴承合金铅基轴承合金是以铅为基础，加入适量的锑、锡、铜元素组成的轴承合金。铅基轴承合金又称为铅

基巴氏合金。其硬度、塑性和韧性都低于锡基轴承合金，价格较低，适用于中速、中载条件下工作。3.

铜基轴承合金铜基轴承合金是以铜为基础，加入适量的铅、锡、锌、磷和锰元素组成的轴承合金。其特点是

摩擦系数较低，润滑作用较好，抗压强度和硬度都很高，适用于高速、重载、高温条件下工作。4.

铝基轴承合金铝基轴承合金具有较好的耐磨性、减摩性和抗腐蚀性，适用于内燃机曲轴的滑动轴承。常用轴承合金牌号有

ZSnSb12Pb10Cu4、ZPbSb16Sn16Cu2、ZCuSn5Pb5Zn5、ZAlSn6CulNil。

其中，“ZSn”

表示铸造锡基轴承合金，其后面的英文字母和数字表示合金元素及含量。轴承合金三、轴承合金轴承合金是制造滑动轴承的最好材料，应用较多的轴承合金是锡基轴承合金，它以锡为基目录01第一节

常用黑色金属材料02

第二节常用有色金属材料03

第三节常用非金属材料1.工程塑料的组成工程塑料是以树脂为基础，加如其他添加剂，在一定的温度与压力下制成的非金属材料。树脂

是主要成分，是一种高分子化合物，起到胶黏剂的作用；添加剂起到改善塑料的性能、防止老

化、延长和稳定塑料使用寿命的作用。2.工程塑料的分类(1)按塑料的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料。1)热塑性塑料2)热固性塑料常用非金属材料●

非金属材料在机械零件中的应用主要有工程塑料、合成橡胶、工业陶瓷和复合材料。

一、工程塑料通用塑料主要应用于制造生活用品，如聚氯乙烯、聚丙烯。应用范围广，价格低。2)工程塑料工程塑料主要应用于代替金属制造机械零部件，如有机玻璃、尼龙、ABS

等。3)特种塑料特种塑料是主要应用于特种性能和特种用途的塑料，如医用塑料。(3)工程塑料的特性工程塑料具有质量轻、比强度高、吸水率低、耐蚀性好、成形工艺简单、加工性能好、生产率高

的特性。常用非金属材料(2)按塑料制品的功能分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。1)通用塑料常用非金属材料二

.橡胶1.橡胶的组成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。生胶的来源为天然橡胶或合成橡胶。配合剂的作用是改善橡胶制品的性能，如硫化剂、软化剂等。2.橡胶的特性橡胶具有高弹性，优良的伸缩性、耐磨性、电绝缘性、不透水性等优点，但易老化。复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料组合而成的。2.复合材料的分类复合材料按增强基体的不同分为塑料基复合材料、金属基复合材料、橡胶基复合材料和陶瓷基

复合材料，按性能的不同分为结构复合材料和功能复合材料，按种类和结构的不同分为层叠、

细粒、纤维增强复合材料。3.复合材料的特性复合材料的比强度高、减摩性和耐磨性好、抗疲劳性和减振性好、加工性好。复合材料应用

于制造机械零件、化工容器、耐腐蚀结构件等。常见非金属材料三、复合材料1.复合材料的组成单元小结●1.钢铁主要有铁和碳两种基本元素构成，故钢铁又称铁碳合金。●

2.钢的种类繁多，为了熟悉各种钢的性能特点，掌握合理选用钢材的方法，需要对钢进行科

学的分类。通常根据化学成分、质量和用途的不同对钢进行分类。●

3.根据是否含有合金元素，钢可分为碳素钢和合金钢。常用的碳素钢有碳素结构钢、优质碳

素结构钢、碳素工具钢以及铸造碳钢等；常用的合金钢有合金结构钢、合金工具钢和特殊性

能钢等。●

4.铸铁种类很多，根据碳存在形式的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁三类；

根据内部石墨所处形态的不同，铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。●5.非金属材料常用塑料、橡胶和复合材料。机

械

基

础模块二

机械零件的材料单元三

金属材料的热处理教学目标一、目标和要求(1)了解钢热处理的定义、分类及应用范围(2)掌握钢铁材料常用的热处理工艺方法(3)了解钢热处理的目的二、重点和难点(1)钢热处理的分类及特点(2)钢热处理的方法及目的第三节钢的表面热处理第二节钢的整体热处理0102

03第一节

金属材料热处理概述目

录案例导入●

历史故事相传，三国时诸葛亮带兵打仗，请当时的著名工匠蒲元为他的军队制造了3000把钢

刀，蒲元运用了“清水淬其锋”的热处理工艺，使钢刀削铁如泥，从而打败敌军。从这些故事可知，淬火的主要目的是为了获得马氏体，提高钢的强度和硬度。第一节

金属材料热处理概述目

录01奥氏体

Ec³r3S铁素体+

珠光体+珠光体

渗碳体含碳量/%●

热处理概念：把金属材料(可分为钢、铸铁

和有色金属及合金等)加热到一定温度，在此温度保持一定时间，

用合适的冷却介质冷却到室温的

过程。通过热处理，可以改变材

料的内部组织(金相组织)和结构，以获得我们所需要的性能(分物理性能和化学性能)。金属材料热处理概述GQ温度/℃铁素体金属材料热处理概述●

热处理工艺曲线：热处理分为加热、保温、冷却三个过程。对于不同的金属

材料、不同的外形尺寸和不同的

加热介质，为了不同的目的，最

终加热温度的高低、加热速度、

保温时间长短、冷却介质及冷却

速度和方式各有不同。临界温度

(临界点)加热过程保温过程冷却过程时间热处理工艺曲线温度0整体热处理——退火、正火、淬火、回火等热处理热处理表面淬火——火焰加热、感应加热表面热处理化学热处理———渗碳、渗氮、碳氮共渗等金属材料热处理概述●

热处理工艺分类：根据热处理的目的和工艺方法不同：金属材料热处理概述●

热处理工艺分类：根据工序位置的不同：●预备热处理预备热处理是在零件加工过程中进行的，目的在于改善铸造、锻造或焊接毛坯件的

内部组织，消除内部应力，为后续机械加工或进一步的热处理作准备，●

最终热处理。最终热处理是在零件完成机械加工后进行的，目的在于获得零件所需的力学性能。目

录第二节钢的整体热处理02钢的整体热处理●整体热处理是对工件整体加热，然后以适当速度冷却，以改变其整体力学性

能的金属热处理工艺。退火正火整体热处理淬火回火退火1

.

概念退火是将钢件加热到适当的温度，经过一定时间的保温后，缓慢冷却(一般

为随炉冷却)以使内部组织均匀化，从而获得预期力学性能的热处理工艺。2

.

目的①降低材料的强度和硬度，提高塑性，为后续机械加工做准备。②减小材料内部组织的不均匀性，细化晶粒，消除内部应力。③为后续的热处理做好组织准备。退火3.分类及应用不同成分的钢件在退火时所需的加热温度和冷却方式各不相同，通常可将退火分

为完全退火、等温退火、球化退火、均匀退火和去应力退火。均匀化退火Ac₃Ac₁完全退火球化退火等温退火去应力退火wc/%(a)

加热温度

(b)

工艺曲线示意图几种退火方式的工艺曲线mwúu

山ú0.81.01.21.4正火时间/s完全退火正火900800700600500400-120011001000温度/℃温度/℃退火几种退火方式的处理方法、特点及应用范围类别处理方法特点应用范围完全退火将钢件加热到A.₃以上30～50

℃,保温一段时

间后，随炉冷却或将钢件埋入沙、石灰中，待冷却至500

℃时取出空冷降低钢件硬度，使组织均匀

化，充分消除内应力，为后

续机械加工做好组织准备适用于亚共析钢和合金钢的铸件、锻件和焊件等等温退火与完全退火的加热温度相同，先快速冷却到A₁

以下的某一温度保温，待奥氏体转变为珠光体后出炉空冷细化组织和降低硬度，获得的组织比完全退火更均匀适用于中碳合金钢和低合金

钢球化退火将钢件加热到A.以上10～30℃、保温一段时

间后，随炉冷却至600℃后取出空冷使钢件中碳化物球状化，以改善切削加工性能，减小后

续淬火时工件的变形和开裂适用于碳素工具钢、合金工

具钢及轴承钢等，为后续淬

火准备合适的组织均匀退火将钢件加热到Ac₃

以上150～200

℃,保温10~15

h后缓慢冷却消除钢件内部化学成分的偏

析和组织的不均匀性适用于合金钢的大型铸件或锻件去应力退火将钢件加热到A.以下100～200℃左右，保温一段时间后，随炉冷却至250℃左右后取出空冷用于消除上一步加工工序产

生的残余应力，以减小变形

发生组织改变但不发生相变主要用于锻造、铸造等毛坯去应力处理，为后续冷热加工作准备正火1.概念正火是将钢件加热到Ac3

(对于亚共析钢)或Acm

(对于过共析钢)以上30～50℃,

经过一段时间保温后，在空气中冷却以得到珠光体组织的热处理工艺。由于正火比退

火的加热温度