第03章工程材料

第三章绪论

3.1概述

3.2金属材料的组织与性能

3.3金属材料的热处理工艺

3.4常用金属材料及其性质

3.5常用的非金属材料

3.6新材料的应用

一、材料与材料科学材料是人类生活与社会发展的主要物质基础，其品种、数量和质量是人类文明和社会进步程度的标志。材料作为能制造有用物品的物质，与能源和信息共同构成了人类社会赖以生存与发展的基本资源，故材料、能源和信息并列为现代科学和现代文明的三大支柱，而在这三者之间，材料又是最重要的基础。3.1概述材料与材料科学历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，而今正处于人工合成材料的新时代。相关信息复旦大学研制出计算机新材料提速1000亿倍目前计算机都是以硅集成电路作为“心脏”。预计到2010年左右，硅集成电路最小线宽即将到达它的极限。在硅基微电子之后是什么器件？分子计算机由“单一的分子”作为“电子开关”。即利用它在适当的电场作用下会改变某种特性，作为计算机“０”和“１”两种状态。寻找和制备这种分子材料一直被认为属于国际上的创新性竞争，具有强烈的挑战性。二、材料的分类

结构材料：工程上要求具有一定力学性能的材料，制作工程结构件和零件

功能材料：具有声、电、光、磁、热等效应的材料。金属材料（用量最大、用途最广）黑色金属非铁金属或有色金属（品种很多）高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、粘结剂等）陶瓷材料复合材料普通陶瓷：传统陶瓷，硅、铝氧化物的硅酸盐材料特种陶瓷：近代陶瓷，纯氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的烧结材料。三、材料科学与机械工程材料与产品质量

是产品质量的重要保证

材料与机械设计

正确选择材料及其加工工艺材料与机械制造

改形和改性工艺

四、工程材料的主要性能（一）、弹性、刚度、强度与塑性

弹性：工程材料承受载荷时产生变形，卸载后又恢复原状的能力。

σe=Pe/F0MPa(兆帕)

Pe

为弹性极限载荷；F0

为试样的初始截面积。

刚度：工程材料受力时抵抗弹性变形的能力。

E=σ/ε E为弹性模量；σ为应力；ε为应变。

强度：工程材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

σs=Ps/F0(Mpa) σs

为屈服强度；Ps为试样产生屈服时的载荷。

塑性：工程材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 延伸率δ=（LR-L0）/L0*100%LR为试样拉断后的标距长度；L0为试样的初始标距长度。 断面收缩率ψ=(F0-FR)/F0*100%F0为试样的初始截面积；FR为试样拉断后的断口截面积。DLd0L0PP图3.1拉伸式样

σ（p）ε（Δl）0bkσbσkσsσese图3.2普通低碳钢拉伸曲线图σe——弹性阶段，弹性极限或比例极限；σs——屈服阶段，屈服极限；σb——强化阶段，强度极限；σk——局部变形阶段，断裂极限（被拉断）（二）、硬度

硬度：是指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和韧性的机械性能指标。1、布氏硬度

HB=压入载荷（N）/压痕的表面积（mm2）

=0.102*2P/πD2[1-（1-d2/D2）1/2（N/mm2）2、洛氏硬度

HRC(HRA)=100-(h3-h1)/0.002 HRB=130-(h3-h1)/0.002hDdp图3.3布氏硬度实验原理图3.4洛氏硬度实验原理01320132（三）、冲击韧性冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。(见图3.5)

ak=Ak/FJ/cm2

Ak

为冲断试样所消耗的冲击功；F为试样缺口处的截面积。（四）、疲劳强度疲劳强度：材料在经受无数次交变应力作用下而不发生疲劳 断裂的最大应力。（见图3.6)（五）、断裂韧性断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力。AσσmaNANσ-一N

疲劳曲线图图3.6图3.5冲击实验简图冲击3.2金属材料的组织与性能一、金属的晶体结构1、晶体概念晶体：固体原子按一定次序有规律排列。非晶体：固体原子不按一定次序有规律排列。晶格：把每个原子看成一个点，把这点用直线连接起来，形成的空间格子。晶面：各种不同方位的原子平面。晶向：各种不同方向的原子排列。晶胞：组成晶格的最基本单元。2、常见金属晶格类型体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。二、金属的结晶1。金属的结晶温度理论结晶温度：平衡结晶温度T0实际结晶温度：低于理论结晶温Tn

度的温度过冷：只有冷却到低于T0时才能有效地进行结晶的现象。2。金属结晶过程结晶是两个基本过程：生核和长大3。细化晶粒的措施★增加金属的冷却速度★进行变质处理★压力处理、热处理，结晶附 加振动。理论结晶温度实际结晶温度T0Tn时间（s）温度（℃）图3.7纯金属的冷却曲线三、金属的同素异构转变金属的同素异构转变：金属在固态下，其晶格类型随着温度的转变而改变的过程。(图3.7为纯铁的同素异构转变冷却曲线)固态相变特点：新相晶核在晶界或碎晶处生成。过冷度大，转变未开始，低温淬火。相变形成大的内应力。四、合金的晶体结构1。合金的概念合金：两种或两种以上金属或非金属熔合而成具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本单元。相：凡化学成分和晶格结构相同，并与其它部分有界面分开的组成部分。2。固态合金的基本相结构固溶体：固态下组元之间互相溶解形成的均匀固相。

(如图3.8)（1）置换固溶体：当金属晶格中溶剂原子的某些结点位置被溶质原子所占据时形成的固溶体。（2）间隙固溶体：当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的间隙时，所形成的固溶体。金属化合物：合金中个组元的原子按照一定的整数比化合生成的、具有金属性质的物质。机械混合物：组成合金的各组元在固态下既不溶解又不化合，而是以机械的形式按一定比例混合而生成的物质度（℃）时间（s）δ-Feγ-Feα-Fe液相体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格图3.8纯铁的同素异构转变冷却曲线

溶剂原子溶质原子a）置换式固溶体溶剂原子溶质原子b）间隙式固溶体图3.9固溶体的两种类型间隙固溶体中的晶格畸变置换固溶体的晶格畸变图3.10图3.11五、铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。普通碳钢和铸铁均属于铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。因此，铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先从研究铁碳合金开始，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金成分、组织结构与性能之间的关系。一）纯铁、铁碳合金的组织结构及其性能

1、纯铁及其同素异构转变大多数金属在结晶终了之后以及继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化，但也有一些金属，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，在结晶之后继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构(晶)转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体称为同素异构(晶)体。

纯铁的冷却曲线上有三种同素异构体，如图4-1所示。纯铁的熔点或凝固点为1538℃，因此液态纯铁在1538℃时开始结晶出具有体心立方晶格的δ-Fe；继续缓冷到1394℃时δ-Fe开始转变为具有面心立方晶格的γ-Fe；再冷却到912℃时又由γ-Fe转变为具有体心立方晶格的α-Fe；如果再继续冷却直到室温时，α-Fe的晶格类型不再发生变化，整个转变过程可以表示如下：

因为纯铁具有同素异构转变现象，所以在生产上有可能对钢和铸铁进行相变热处理，达到改变钢铁的内部组织和提高性能的目的。返回金属(纯铁等)的同素异构转变是一个重结晶过程，与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热产生，而且转变过程也是由晶核的形成和晶核长大来完成的。但是，这种转变是在固态下发生的，原子的扩散较液态困难得多，因而比液态结晶需要有更大的过冷度；而且由于转变时晶格的致密度改变引起晶体的体积变化，因此同素异构转变往往要产生较大内应力。一般说来，纯铁也并不很纯，总是含一些杂质。工业纯铁常含有W杂=0.1％～0.2％的杂质，含碳量很低，工业纯铁虽然塑性较好，但强度和硬度都很低，所以很少用它制造机械零件，常用的是铁碳合金。2、铁碳合金的相结构及其性能碳在铁中的存在形式：固态下碳在铁碳合金中以三种形态存在。第一，碳和铁原子毫无作用，以自由态石墨存在；第二，碳溶解于铁的晶体中形成固溶体；第三，碳与铁作用形成化合物，这里我们主要研究后两种情况。铁碳合金中的相结构有以下几种：1）.铁素体

碳溶解于a-Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”，以符号F表示。由于a-Fe是体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，因而碳在a-Fe中的溶解度很小，最大的溶解度为0.02％（727℃）。随着温度下降溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量仅为0.0008％。这是因为在a-Fe中容纳碳原子的空隙半径很小，通常情况下，a-Fe中晶格的最大空隙半径为0.36A，而碳原子半径为0.77A。因此碳原子不可能处于晶格的空隙中，而是存在于a-Fe晶格的缺陷处（如位错、晶界、空位等）。所以铁素体含碳量很低，它的显微组织是由网络状的多面体晶粒组成，它的性能几乎与纯铁相同，即强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。2）.奥氏体碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格它的致密度虽然高于体心立方晶格的a-Fe，但由于其晶格间隙的直径要比a-Fe大，故溶碳能力也较大。在1148℃时溶碳量最大可达2.11％，碳通常填充在γ-Fe中的八面体间隙中。随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为Wc=0.77％。奥氏体只存在于727℃以上的高温范围内。因此加热到高温时可以得到单一的A组织。由于A是易产生滑移的面心立方晶格，奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。奥氏体为非铁磁性相。3）.渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体含碳6.69％；熔点为1227℃；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；硬度很高，能轻易地刻划玻璃，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。在室温平衡状态下，铁碳合金（钢）中的碳大多以渗碳体形式存在于组织中。渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被其他金属原子(如Cr、Mn等)置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金渗碳体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等。渗碳体在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或板状。它的形态与分布对钢的性能有很大影响。当渗碳体的形状和分布合适时，可提高钢的强度和耐磨性。因此它是铁碳合金中重要的强化相。同时，Fe3C在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。Fe3C→3Fe+C（石墨）

以上是碳在铁中的存在形式，也是铁碳合金中的基本组织，除此三种之外，铁碳合金中还有另外两种组织，即珠光体和莱氏体。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示，其平均含碳量为0.77％。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是由A和Fe3C组成的机械混合物，用Ld表示，存在于727℃以上；低温莱氏体是由P和Fe3C组成的机械混合物，用L’d表示。二）、Fe－Fe3C相图分析

铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元，因此整个Fe－C相图可视为由Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C、Fe2C－FeC等一系列二元相图组成。但实际上只有含碳量Wc<5％的铁碳合金才有实际意义；而Wc>5％的铁碳合金性能很脆，无实用价值，因此铁碳合金相图中只需研究Fe－Fe3C部分，即含碳量小于6.69％的部分。

Fe-Fe3C相图是研究铁碳合金以及热处理的基础，如图所示。

Fe-Fe3C相图中的特性点1、Fe-Fe3C相图的特性点与特性线1.Fe-Fe3C相图中的特性点2.Fe-Fe3C相图中的特性线

ABCD为液相线，AHJECF为固相线。

ES线——碳在奥氏体中的固溶线，通常称为Acm线。从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在1148℃，此时可溶解2.11％C，而在727℃时只能溶解0.77％C。故凡含碳量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体（Fe3CII），以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体（Fe3CI）。PQ线——碳在铁素体中的固溶线。铁素体在727℃时溶碳量最大为0.02％，室温时仅溶解0.008％C，所以一般铁碳合金自727℃缓冷至室温时，均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称为三次渗碳体（Fe3CIII）。但其数量较少，除在极低碳的钢中外，在一般钢中作用不大，因此往往忽略而不予考虑。这里所谓的一次、二次、三次渗碳体仅在其来源和分布方面有所不同，而并无本质区别，其含碳量、晶体结构和本身的性质均相同。

GS线——不同含碳量的奥氏体，在冷却时析出铁素体的温度线；或在加热时铁素体完全转变为奥氏体的温度线。通常称为A3线。

GP线——含碳量在0.02％以下的铁碳合金，在冷却时奥氏体完全转变为铁素体，或在加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度线。下面分析三条三相平衡的水平线：HJB线——包晶线。在这条线上发生包晶反应：LB+δHAJ。包晶反应的结果形成了奥氏体。此反应仅可能在含碳量为0.09～0.53％的铁碳合金中发生。ECF线——共晶线。在这条线上发生共晶反应：LCAE+Fe3C。共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用Ld表示；冷至室温时成为变态莱氏体，用L’d表示。共晶反应发生于所有含碳量大于2.11％而小于6.69％的铁碳合金中。莱氏体具有很高的硬度（HB>700），脆性很大。PSK线——共析线（又称A1线）。在这条线上发生共析反应：ASFP+Fe3C。共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混合物，即前述的珠光体。所有含碳量超过0.02％的铁碳合金，即实际在工程上常用的铁碳合金均能发生共析转变。AHN和GPQ的左方分别为δ和α铁素体区域；NJESG所包围的为奥氏体区域。2、典型铁碳合金结晶过程分析Fe－Fe3C相图上的合金，按其含碳量和组织的不同，一般分为三类：（1）工业纯铁(C<0.02％)；（2）钢(0.02％~2.11％C)：其特点是高温组织为单相的A，具有良好的压力加工性能。根据低温组织的不同，以可分为以下三类：亚共析钢（<0.77%C）、共析钢（0.77％C）、过共析钢（>0.77%C）。图4-2

Fe－Fe3C相图上六种典型合金位置（3）白口铸铁（2.11％～6.69％C)。其特点是液相结晶时都有共晶反应，因而铸造性能较好。但共晶反应后获得以渗碳体为基体的组织，性质很脆，不能进行压力加工。根据低温组织的不同，白口铁可分作三类：亚共晶白口铸铁（<4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3％C）和过共晶白口铸铁（>4.3%C）。热处理是通过加热和冷却两个过程来完成的，借助于铁碳合金图可以分析合金在缓慢加热或冷却时组织的变化。根据从特殊到一般的认识规律，我们在各种钢和白口铸铁中各选一例，分析其结晶过程。应用1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、叛断切削加性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。3.3、热处理的概念及常用工艺

热处理是将金属在固态下通过加热、保温和冷却过程，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。它的特点是：只改变金属材料内部组织结构，获得所需性能，尽量避免改变零件的形状。同样的材料经过不同的热处理方法，可以得到不同的内部组织，因此，热处理工艺可以最大限度地发挥材料的潜力。钢的常用热处理方法有：退火、正火、淬火和回火。

常用热处理方法的工艺曲线示意图

退火正火淬火回火1.退火

退火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。退火的目的：

a.

降低硬度，以利于切削加工；

b.

细化晶粒，改善组织，提高机械性能；

c.

消除内应力，为下一道热处理作好准备；

d.

提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。退火的缺点：占用设备；生产率低。2.正火

正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷却，以获得更细组织的一种热处理工艺。正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：

a.正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获得的组织更细。

b.正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。

c.不占用设备；生产率高。3.淬火

淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上30～50℃，经保温一定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。4.回火

回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺。回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。

（1）低温回火：回火温度为150～250℃。低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。（2）中温回火：回火温度为350～500℃。中温回火可大大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，应用于弹簧和热锻模等。（3）高温回火：回火温度为500～650℃。高温回火可以消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。5.调质处理淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过调质处理。

3.4（1）金属材料—黑色金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合金分为两大类型：黑色金属—铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；占工业用材的95％。有色金属—除黑色金属以外的所有金属及其合金；仅占工业用材的5％。

碳钢和铸铁是现代汽车工业生产中使用最广泛的金属材料，它主要由铁和碳两种元素组成的合金。因此，要掌握碳钢和铸铁的性能及用途，首先要了解铁碳合金相图。铁碳合金相图（Fe～Fe3C）纯铁（含碳0～0.0218％

）铸铁（含碳2.11～6.69％）碳钢（含碳0.0218～2.11％）纯铁熔点（1538℃）Fe3CA渗碳体熔点（1227℃）共晶点（1148℃）碳在γ－Fe中的最大溶解度（1148℃）共析线渗碳体（含碳6.69％）G纯铁的同素异晶转变点（912℃）碳在α－Fe中的最大溶解度（727℃）共析点（727℃）一.铸铁

含碳量在2.11～6.69％的铁碳合金称为铸铁。

铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能以及减震性、耐磨性，铸铁生产工艺简单、成本低，应用广泛。特别是球墨铸铁和合金铸铁的应用，提高了铸铁的机械性能，形成了以铁代钢的趋势。

在汽车上，约50％～70％的金属材料为铸铁。如气缸体、气缸盖、活塞环、变速箱外壳、后桥壳等等。（一）、铸铁的石墨化影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形式、形态、大小和分布。铸铁中碳的存在形式有两种：

1、化合状态的渗碳体（Fe3C）如果铸铁中碳几乎全部以渗碳体形式存在，其断口呈银白色，则称为白口铸铁。其性能硬而脆，（硬度达HB800，塑性和韧度几乎等于零）很难进行切削加工，因此，工业上很少用它来制造机械零件，主要用作可锻铸铁的毛坯。

2、游离状态的石墨（常用G来表示）石墨很软强度极低，如果铸铁中碳主要以石墨形式存在，则其断口呈暗灰色，俗称灰口铸铁。它是机械制造中应用最多的一种铸铁。分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。（二）、影响石墨化的因素：影响铸铁石墨化的因素主要是铸铁的化学成分和冷却速度。

1、化学成分的影响主要是碳、硅、硫、磷、锰等元素含量多少的影响。

2、冷却速度的影响主要是指铁水从浇注冷却到600℃左右的冷却速度，冷却速度越小，越有利于石墨化。（三）、铸铁的组织特征和分类根据碳的存在形式，铸铁分为下列几种：

1、白口铸铁白口铸铁中碳全部或大部分以化合物渗碳体的形式存在，其断口呈银白色。性能硬而脆，很难切削加工，一般用来炼钢，又叫炼钢生铁，也可经热处理后变为可锻铸铁使用。铸铁要成为白口，除化学成分有要求外，还和冷却速度有关。如EQ1091发动机中的气门挺杆，为了得到表层的高硬度和耐磨性，常用激冷的方法使表层获得白口铸铁的组织而心部由于冷却速度较慢仍为灰口铸铁组织。

2、灰口铸铁灰口铸铁中的碳绝大部分以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色而称之为灰口铸铁。它是工业中应用最广泛的一种铸铁，有一定的机械性能和良好的切削加工性能。

3、可锻铸铁可锻铸铁是经白口铸铁长时间的退火处理而成的。其碳以团絮状石墨形式存在。其塑性和韧度比灰口铸铁好，主要用于要求韧度较好的薄壁类零件。

4、球墨铸铁碳以球状石墨形态存在，故称为球墨铸铁。它的强度、韧度比灰口铸铁、可锻铸铁高，可替代钢材制造某些重要的机械零件。5、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是在灰铸铁的铁水中加入蠕化剂（镁钛合金等）和孕育剂（硅铁）进行蠕化－孕育处理后，得到具有蠕虫状石墨的铸铁。（四）、铸铁的成分、牌号及在汽车上的应用：1、灰铸铁：成分：含碳2.8％～3.6％、含硅1.1％～2.5％、含锰0.6％～1.2％、含硫小于或等于0.15％、含磷小于或等于0.5％。牌号：由HT和一组数字组成。其中HT为灰铸铁的代号，代号后面的数字表示其抗拉强度值σb（MPa）

。如HT150表示抗拉强度为150MPa的灰铸铁。应用举例：牌号车型零件名称HT150EQ1092进排气歧管、变速器壳体等HT200EQ1092气缸体、气缸盖、飞轮壳、正时齿轮、前后制动鼓等HT250CA1093气缸体、飞轮、曲轴皮带轮等2、球墨铸铁：成分：成分：含碳3.8％～4.0％、含硅2.0％～2.8％、含锰0.6％～0.8％、含硫小于或等于0.04％、含磷小于或等于0.1％含镁0.03％～0.05％、含稀土小于或等于0.05％。牌号：由QT和两组数字组成。其中QT为球墨铸铁的代号，代号后面的两组数字分别表示其抗拉强度σb（MPa）和伸长率δ（％）

。如QT450－10表示抗拉强度为450MPa、伸长率为10％的球墨铸铁。应用举例：牌号车型零件名称QT450－10EQ1092前后轮毂、转向器壳、制动蹄等CA1093辅助钢板弹簧支架、拖拽钩衬套等QT600－13EQ1092曲轴、摇臂、钢板弹簧侧垫板及滑块等3、可锻铸铁：

成分：含碳2.2％～2.8％、含硅1.2％～2.0％、含锰0.6％～1.2％、含硫小于或等于0.2％、含磷小于或等于0.1％。

牌号：由KTH（或KTZ、KTB）和两组数字组成。其中KT为可锻铸铁的代号，H表示黑心可锻铸铁，Z表示珠光体可锻铸铁，B表示白心可锻铸铁，代号后面的两组数字分别表示其抗拉强度σb（MPa）和伸长率δ（％）。如KTH370－12表示抗拉强度为370MPa、伸长率为12％的黑心可锻铸铁。应用举例：牌号车型零件名称KTH350－10EQ1092后桥壳、差速器壳、减震器壳、后轮毂等CA1093后桥壳、差速器壳、减震器壳、轮毂、制动蹄片等4、蠕墨铸铁：

成分：含碳3.7％～3.9％、含硅2.0％～2.8％、含锰0.3％～0.6％、含硫小于或等于0.025％、含磷小于或等于0.06％、含钛0.08％～0.20％、含镁0.015％～0.03％、含稀土小于或等于0.01％

牌号：由RuT和一组数字组成。其中RuT为蠕墨铸铁的代号，代号后面的数字表示其抗拉强度σb（MPa）。如RuT300表示抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。应用举例：牌号零件名称RuT260活塞环、气缸套、制动盘、制动鼓等RuT340排气管、变速器壳、气缸盖等5、合金铸铁：在灰口铸铁和球墨铸铁中加入一定量的合金元素后的铸铁称为合金铸铁。加入合金后可使铸铁具有耐热、耐酸或耐磨的特殊性能。⑴耐热铸铁：为了提高铸铁的耐热性，可在球墨铸铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸铁表层形成一层致密的氧化保护膜（如Al2O3、SiO2、CrO3），这类铸铁叫耐热铸铁，用于制造进、排气门及排气管密封环等。⑵耐磨铸铁：把灰口铸铁的含磷量提高到0.4％～0.6％，再加入Cr、W、Cu、Ti等合金元素构成合金高磷铸铁。它的强度、韧度和耐磨性都较高。这类铸铁叫那么铸铁。现代汽车的气缸套和活塞环一般用耐磨合金铸铁制造。⑶耐蚀铸铁：在灰口铸铁中加入Si、Al、Cr、Ni等元素可得到耐蚀铸铁。加入合金元素的目的是提高铸铁基体的电位，并使表面形成一层致密的保护性氧化膜。耐蚀铸铁分高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁等。其中广泛应用的是高硅耐蚀铸铁，它的含硅量为14％～18％。这种铸铁在酸性介质中的耐蚀性很好。为了提高其在碱性介质中的耐蚀性，可加入6.5％～8.5％的Cu；为了提高它的机械性能，可加入微量的硼元素和进行球化处理。⑷高强度铸铁：在稀土镁球墨铸铁中加入Cu、Mo等合金元素，能提高铸铁的强度和硬度，可得到高强度合金铸铁。可用于柴油机曲轴、连杆及主轴承盖等。经等温淬火后可替代18CrMnTi制造变速器齿轮。应用举例：车型零件名称EQ1092活塞环（钨铬钼铸铁）、气缸套（高磷铸铁）等CA1093活塞环（铌铬铸铁）、气缸套（铌磷铸铁）、气缸盖（铜钼铸铁）等二.碳素钢碳素钢又称碳钢，通常指含碳量小于2.11％的铁碳合金。实际使用的碳钢，其含碳量一般不超过1.4％。（一）、碳钢中常存元素对钢性能的影响：

在实际生产中使用的碳钢不单纯是铁碳合金，还包含有一些杂质元素，（硅、锰、硫、磷等），它们对碳钢的性能有一定的影响。1、硅（Si）：在碳钢中，硅的含量一般小于0.4％。硅能溶于铁素体，具有强化作用（可使钢致密，提高强度和硬度）。同时也会降低钢的韧度和塑性。当含量较小时，其影响并不明显。2、锰（Mn）：在碳钢中，锰的含量一般为0.25％～0.8％。锰大部分溶于铁素体形成置换固溶体。因此具有固溶强化作用；锰与硫结合可形成高熔点（1620℃）的MnS，从而消除硫的有害作用（热脆性）。锰还能提高钢的强度。但当锰的含量较小时，其作用并不明显。3、硫（S）：硫在钢中常以FeS的形式存在，而FeS与Fe形成熔点较低（985℃）的共晶体，当钢加热到1000℃～1200℃进行热加工时FeS共晶体已经熔化，这将造成钢材在热加工过程中开裂，使钢材变得极脆，这种现象称为热脆性。硫对钢的焊接有不良影响，会导致焊缝的热裂现象；在焊接过程中，硫易于氧化而形成SO2气体，使焊缝中产生气孔。因此，须严格控制硫的含量。4、磷（P）:室温下，钢中的磷全部溶于铁素体中，能使钢的强度、硬度增加，但也使其室温特别是低温时塑性和韧度大大下降，这种现象称为冷脆性（易产生脆裂）。因此，应严格控制磷的含量。但磷的冷脆性也可利用，如在炮弹钢中加入较多的磷，可使炮弹爆炸时的碎片增多，提高杀伤力。（二）、碳钢的分类：1、按含碳量分：⑴低碳钢（含碳量小于或等于0.25％）；⑵中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）；⑶高碳钢（含碳量大于0.60％）。2、按材质（主要根据硫、磷的含量）分：⑴普通钢（含硫小于0.055％、含磷小于0.045％）；⑵优质钢（含硫小于0.040％、含磷小于0.040％）；⑶高级优质钢（含硫小于0.030％、含磷小于0.035％）；⑷特级优质钢（含硫小于0.025％、含磷小于0.030％）。3、按用途分：⑴碳素结构钢：用于制造各种机器零件和工程结构件。多为低碳钢和中碳钢；⑵碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具和模具。多为高碳钢。4、按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。5、按炼钢的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。（三）、碳钢的编号、性能及用途：1、普通碳素结构钢：根据国家标准（GB700－88），碳素结构钢的牌号和化学成分如下表所示。这类钢主要保证机械性能，一般用于制造要求不高的零部件，故其牌号性能体现机械性能。⑴牌号：用Q＋数字表示。其中“Q”屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服强度值。例如：Q275表示屈服强度为275MPa。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即磷、硫含量不同。其中A级钢硫、磷含量最高，D级硫、磷含量最低。若牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者则为镇静钢。例如Q235－A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q235－C表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢⑵、化学成分及力学性能：⑶、应用举例：2、优质碳素结构钢：优质碳素结构钢中所含的有害杂质元素（S、P等）和非金属夹杂物较少，机械性能和钢材的表面质量较好，其组织也较均匀。此类钢主要应用于经过热处理且技术性能要求较高的零件。根据其化学成分不同，优质碳素结构钢又分为普通含锰量钢和较高含锰量钢两类。⑴牌号：普通含锰量优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。两位数字代表钢中平均含碳量的百分数。例如：45表示平均含碳量为0.45％的普通含锰量的优质碳素结构钢。较高含锰量优质碳素结构钢的牌号为两位数字后面附以Mn（锰元素符号）。例如：45Mn表示平均含碳量为0.45％的较高含锰量优质碳素结构钢。⑵、化学成分及力学性能：3、应用举例：3、碳素工具钢：⑴用途：碳素工具钢主要用来制造各种刃具、量具和模具⑵要求：硬度高、强度大、耐磨性好。⑶含碳量：碳素工具钢的含碳量为0.65％～1.3％（高碳钢）⑷牌号：碳素工具钢的牌号由T＋数字组成。数字表示含碳量的千分数。如：T8－表示含碳量为0.8％的碳素工具钢。

T8Mn－表示含碳量为0.8％的较高含锰量碳素工具钢。

T10A－表示含碳量为1.0％的高级优质碳素工具钢。三合金钢所谓合金钢，就是在碳钢的基础上，为了获得某种特定的性能，有目的地加入一种或多种其他元素的钢。加入的元素称为合金元素。（一）、合金元素对钢性能的影响

1、铬（Cr）：铬是一种常用的合金元素，含碳量低的钢加入铬能提高钢的强度和硬度。它是不锈钢和耐热钢的主要成分，若和Mn、Mo、Si等元素配合，更能显示出它的特性。常用的合金元素有：铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、硅（Si）、铝（Al）、硼（B）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、钴（Co）及稀土元素（Re）等。

2、镍（Ni）：含镍在6％以下时能使钢具有高强度和高韧度。含镍8％～11％与铬配合可组成镍铬不锈钢。含镍超过20％可成为耐热钢。

3、锰（Mn）：锰在碳素钢中自然含量为0.5％～0.8%。锰能提高钢的强度、硬度，使钢具有较高的耐磨性。通常情况下，普通低合金钢中含锰1％～2%；当含锰量在11％～14％时便成为高锰耐热钢。

4、硅（Si）：硅已成为我国合金钢中的主要元素之一。硅能提高钢的强度、硬度、疲劳强度、耐蚀性和抗氧化性。硅的含量一般不超过1.4％，否则钢的脆性会显著提高。当含硅量在2.5％～4.4％时，是很好的软磁材料，可制变压器或电动机线圈的铁心。

5、钨（W）：钨能提高钢的强度及耐磨性，使钢具有良好的热硬性。

6、铝（Ai）：铝能细化钢的晶粒，并能提高钢的抗氧化性和耐热性。

7、钛（Ti）：钛能细化晶粒，使组织致密，并能提高钢的综合机械性能。

8、硼（B）：微量的硼能提高钢的强度，并能大大提高钢的淬透性。

9、钒（V）：钒能使钢的强度和韧度同时提高，并提高钢的耐磨性和回火稳定性。

10、稀土元素（Re）：稀土元素是一个族，共有17种元素，如镧（Ld）、铈（Ce）、镨（Pr）等。稀土元素对冶炼和铸造有良好的作用，还能提高钢的塑性和韧度，改善钢的特殊性能（耐热、耐蚀、抗氧化等）。

（二）、合金钢的分类和牌号1、合金钢的分类：⑴按用途分为：A、合金结构钢：用来制造各种机器零件及工程结构。B、合金工具钢：用来制造各种重要的工具、量具、刃具等。C、特殊性能钢：用来制造有特殊性能要求的结构件和机器零件等⑵按合金元素的含量分为：A、低合金钢－合金元素总含量小于5％。B、中合金钢－合金元素总含量小于5％～10％。C、高合金钢－合金元素总含量大于10％。2、合金钢的牌号：国家标准规定，合金钢的牌号用“数字＋合金元素符号＋数字”的方法来表示。

⑴合金结构钢：牌号的前两位数字表示含碳量的万分数，合金元素符号后面的数字表示该元素的含量（若合金元素的含量小于1.5％，一般不标出）。例如：55Si2Mn，表示含碳量为0.55％，含硅量为2％，含锰量小于1.5％的合金结构钢。⑵合金工具钢：牌号的前一位数字表示含碳量的千分数（若碳的含量超过1％时，一般不标出），合金元素符号后面的数字表示该元素的含量（若合金元素的含量小于1.5％，一般不标出）。例如：9SiCr，表示含碳量为0.9％，硅和锰的含量小于1.5％的合金工具钢。

⑶滚动轴承钢：其表示方法基本与合金工具钢相似，因其含碳量一般都等于或等于1％，故一般不标出。要注意的是铬元素后面的数字是表示含铬的千分数，并在牌号前冠以“G”或“滚”字。例如：GCr15SiMn，“G”表示滚动轴承钢，铬的含量为1.5％，硅和锰的含量小于1.5％。

⑷特殊性能钢：表示方法与合金工具钢相同。只是当碳的含量小于0.1％时，用“0”表示，含碳≤0.03％时，用“00”表示。例如：0Cr13，表示含碳量小于0.1％，含铬量为13％的不锈钢。3、合金结构钢合金结构钢是在优质或高级优质碳素结构钢的基础上加入适量合金元素的钢。⑴用途：制造各种重要的机器零件和受力工程结构。⑵要求：有较高的机械性能和较好的加工工艺性能。⑶分类：合金结构钢工程用钢（低合金结构钢）机器制造用钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢1）低合金结构钢：低合金结构钢含碳量在0.1％～0.25％之间，所加入的合金元素含量不大于3％。成分特点：为低碳、低合金，所加入的合金元素主要有锰、钒、钛等。强度：比普通碳素钢高30％～50％，故又称之为的合金高强度钢。性能：具有良好的塑性、韧度、焊接性及较好的耐磨性和耐蚀性。用途：主要用于制造工程结构如汽车大梁、前保险杠等。2）合金渗碳钢：合金渗碳钢是在渗碳钢的基础上，加入一定量的合金元素而形成的。含碳量在0.15％～0.25％之间，以保证其具有良好的韧性。性能：经过渗碳，其表层含碳量较高（0.85％～1.05％），再经淬火，表层硬度较高（HRC＞60），从而获得良好的耐磨性；为了提高其心部的强度，可在钢中加入锰、铬、钼、钨、钛、硼等元素。用途：主要用于制造工作在高速、重负荷、剧烈摩擦和强烈冲击等条件下的零件。如汽车传动系的齿轮、万向节十字轴及活塞销和气门挺杆等。常用合金渗碳钢的牌号、机械性能及用途（见教材P16表2－7）。3）合金调质钢：合金调质钢是在调质钢中加入一定量的合金元素而形成的。含碳量在0.30％～0.50％之间。含碳量过低，则影响强度；过高则韧性较差。同时，为了获得优良的综合机械性能，常加入铬、镍、锰、硅等元素，再经调质处理后使用。用途：主要用于制造承受较大载荷的零件。如汽车上的半轴、连杆、万向节叉及变速器第二轴等。常用合金调质钢的牌号、机械性能及用途（见教材P16表2－8）。4）合金弹簧钢：合金弹簧钢是在弹簧钢中加入一定量的合金元素而形成的。含碳量在0.45％～0.70％之间。要求：有较高的疲劳强度和抗拉强度，良好的工艺性和足够的韧度与塑性。5）滚动轴承钢：滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体和内外圈的专用钢。含碳量较高，在0.95％～1.15％之间。主要加入铬（Cr）元素（含量为0.4％～1.65％）及适量的硅和锰元素。要求：硬度高、耐磨性好、抗蚀性强及较高的弹性和疲劳强度。常用的滚动轴承钢为GCr15、GCr15SiMn等。4、合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（Si、Mn、Cr、W、V等）制成的。用途：制造各种量具、刃具和模具等。分类：按用途分为三种：合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。注：各类合金工具钢没有严格的使用界线，可以交叉使用。1）合金刃具钢用途：制造各种切削刀具，例如车刀、铣刀、铰刀、钻头等。与碳素工具钢相比，具有较高的耐磨性、足够的韧性、热硬性高、并改善了热处理性能。特性：⑴高的热硬性：在高温下保持高的硬度。⑵高的耐磨性：延长使用寿命。⑶足够的强度和韧性：防止切削时崩刃和脆性断裂。⑷含碳量在0.8％～1.5％之间。分类：根据合金元素含量的不同分为低合金工具钢和高速钢两类。⑴低合金工具钢：所含合金元素总量不超过3％～5％，工作温度不超过250℃。主要用于低速切削（0.20～0.25m/s）刀具的制作，如铰刀、丝锥、板牙和比较精密的模具、量具等。常用的低合金工具钢有9SiCr、CrWMn、CrMn等。⑵高速钢：（切削速度可达0.5～0.67m/s）所含合金元素超过10％，具有很高的热硬性，当工作温度高达550℃左右时，硬度仍无明显下降。主要用于制造一些重要的、形状复杂的高速切削刀具，如刨刀、铣刀等；还可以制造冷挤压模具、冲头以及受热耐磨的零件。常用的高速钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。2）合金模具钢用途：主要用来制造冲压、成型、锻造等模具。分类：根据工作条件不同，分为冷作模具钢和热作模具钢。⑴冷作模具钢：主要用来制作拉丝模、冷冲模和冷挤模等。这类模具工作时受到很大的冲击力、压力和摩擦力，要求具备高的硬度和耐磨性（其含碳量为0.8％～1.7％之间），并具有一定的韧性。常用的冷作模具钢有：CrWMn、9Mn2V、Cr12、Cr12MoV等

⑵热作模具钢：主要用来制作热锻模具和热压力铸造（简称压铸）模具等。这类模具工作时不仅受到很大的冲击力，而且其工作表面与炽热的金属接触，温度高达400～600℃；同时还反复受到高温金属与冷却介质（油、水、空气）的交替接触。要求具备高强度高韧性和优良的疲劳强度、导热性以及良好的淬透性。常用的热锻模具材料有：5CrMnMo、5CrNiMo、4CrW2Si等。其含碳量在0.45％～0.60％之间。而压铸模具是使液态金属在其型腔内加高压成型的一种模具，如汽油泵和化油器壳体以及现代汽车上的万向球节等都是在压铸模中成型的。最常用的材料是3Cr2W8V，其含碳量在0.305～0.40％之间。3）合金量具钢用途：制作各种量具。如游标卡尺、千分尺、量规、深度尺等。要求：为了保证量具的高精度及测量时的不磨损性。合金量具钢应具有很高的硬度和耐磨性，且热处理变形小，同时还要有良好的加工工艺性。常用的材料主要有CrWMn、9Mn2V/CrMn等。5、特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理性能和化学性能的钢。1）不锈钢：不锈钢具有抵抗空气、水、酸、碱溶液或其他介质腐蚀作用的能力。常用的有铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。⑴铬不锈钢铬不锈钢含铬量在13％左右，含碳量在0.08％～0.4％之间，主要用于制作能抵抗自然条件下锈蚀的零件。常用的材料主要有1Cr13、2Cr1、3Cr13、4Cr13等。⑵铬镍不锈钢铬镍不锈钢含铬量在18％左右，含镍量在8％左右。它比铬不锈钢更具有抗锈蚀2）、耐热钢

高温抗氧化性——材料在高温下对氧化作用的抗力，即是否能在高温下迅速氧化后形成一层致密的氧化膜，覆盖在金属表面，使其不再继续氧化。

高温强度——材料在高温下承受机械负荷的能力。

蠕变——高温下工作的金属零件在恒定应力作用下，随时间的延长会发生缓慢的塑性变形。

在高温下，金属的强度用蠕变强度（极限）和持久强

度表示

蠕变强度（极限）——在一定温度下，一定时间内，产生一定变形量所能承受的最大应力。

持久强度——在一定温度下，一定时间内，所能承受的最大断裂应力。

3.4（2）常用金属材料---有色金属有色金属材料——黑色金属（铁、铬、锰及其合金）以外的所有金属及其合金。如Au、Ag、Cu、Sn、Pb、Al、Mg、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Be等

一、铝及其合金

（一）、工业纯铝的主要特性

铝呈银白色，具有面心立方晶格

d=2.7g/cm3tm=660℃σb

≈50MN/m2δ≈40%ψ≈85%HB≈25

具有优良的导热性、导电性；在大气和淡水中有良好抗蚀性；磁化率极低；

具有优良的锻造性能、切削加工性能和铸造性能。

工业纯铝：L1、L2、……L7（数字大，纯度低）

高纯铝（＞99.93%）：LG1、LG2……（数字大，纯度高）（三）、铝合金的强化方法

1、固溶强化

Cu、Mg、Mn、Si、Zn等均可溶于Al中，其溶解度随温度变化而变化

2、时效强化

时效过程——把含0.5~5.7%Cu的Al-Cu合金加热到α单相区，形成单相

α固溶体，随后水冷（固溶处理），在室温得到不稳定的过饱和α固溶体，它有向稳定状态（

α+CuAl2)转变的趋势。由过饱和固溶体中沉淀析出强化相的过程。分为自然时效和人工时效。

（二）、铝合金的分类

可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。（四）、铸造铝合金

1、铸造铝合金分类

1）Al-Si基铸造铝合金ZL101、ZL102、……ZL111

2）Al-Cu基铸造铝合金ZL201、ZL202、ZL203

3）

Al-Mg基铸造铝合金ZL301、ZL302

4）

Al-Zn基铸造铝合金ZL401、ZL402

2、铸造铝合金的变质处理

Al-Si基铸造铝合金一般称为硅铝明，具有铸造性好、线收缩系数小、热裂倾向小等优点，但铸造后由粗大针状Si晶体和α固溶体组成的共晶体组织。

变质处理——在浇注前往合金溶液中加入2~3%wt的变质剂（2/3NaF+1/3NaCl）。变质后组织：共晶Si由粗针状变成细小点状，并产生初晶α相，其力学性能显著提高。（五）、形变铝合金

1、防锈铝合金（Al-Mg、Al-Mn）——LF不能热处理强化制造油箱、油管、铆钉等

2、硬铝合金(Al-Cu-Mg)——LY可热处理强化

制造螺旋桨叶片、支柱等

3、超硬铝合金(Al-Zn-Mg-Cu)——LC可热处理强化

制造飞机大梁、起落架等

4、锻铝合金(Al-Mg-Si)——LD可热处理强化

制造锻件、模锻件等

二、铜及其合金

（一）、工业纯铜的性质及用途

纯铜呈紫红色，具有面心立方晶格

d=8.9g/cm3tm=1083℃σb=230~250MPa

δ=40~50%ψ=65~75%HB=30~40

具有良好的导电、导热性及抗大气腐蚀性，具有抗磁性纯铜具有良好的锻造性能

工业纯铜四个牌号：T1、T2、T3、T4。（数字大，纯度低）

（二）、黄铜

1、普通黄铜——Cu-Zn合金

具有良好的力学性能，易加工成形，铸造黄铜的铸造性能良好，对大气、海水有相当好的抗蚀能力

牌号：普通黄铜H6262——含铜量62%

铸造普通黄铜ZCuZn3838——含Zn量38%

常用黄铜：H80（单相黄铜）、H62（双相黄铜）

2、特殊黄铜——在普通黄铜基础上，加入Al、Mn、Si、Pb等元素的黄铜。

牌号：HCuZn23Al6Fe3Mn2含66%Cu、23%Zn、6%Al、3%Fe、2%Mn的铸造铝黄铜

还有锡黄铜、锰黄铜、硅黄铜、铅黄铜、镍黄铜等（三）、青铜

——原指Cu-Sn合金，现把除Ni和Zn以外的其他元素为主加元素的铜基合金，也称为青铜。

牌号：Q+主加元素符号+主加元素含量百分数

分为压力加工青铜和铸造青铜。

铍青铜（QBe2等）是极优良的弹性材料

三、滑动轴承合金

（一）、滑动轴承工作条件及对性能、组织的要求

轴承合金——制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。

性能要求：

1、具有足够的强度和硬度，以承受轴颈施加的较大压力

2、塑性和韧性好，以保证与轴配合良好并耐冲击、振动

3、与轴有良好磨合能力、较小摩擦系数，能保持润滑油

4、有良好的导热性和抗蚀性

5、有良好的工艺性，容易制造，价格低廉

组织要求：

1、其基体应采用对钢、铁互溶性小的元素，如Sn、Pb、Al、Cu、Zn等，这样对钢铁轴颈的粘着性与擦伤性小

2、应是软的基体上分布着均匀的硬质点或硬的基体上分布着均匀的软质点

3、应含有适量的低熔点元素

（二）、各类轴承合金简介

1、锡基轴承合金（锡基巴氏合金）

常用牌号：ZChSnSb11-6(含11%Sb、6%Cu的锡基轴承合金）

特点：软基体（Sb在Sn中的α固溶体呈暗黑色）+硬质点（白色星状或放射状η+白色块状β’）。摩擦系数小、膨胀系数小，并具有良好的导热性、塑性和耐蚀性；但疲劳强度较差，工作温度低（＜150℃）

制造汽车、拖拉机、汽轮机等高速轴瓦

2、铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

常用牌号：ZChPbSb16-16-2（含16%Sb、16%Sn、2%Cu的铅基轴承合金）

特点：软基体+硬质点。其硬度、强度、韧性和耐蚀性、导热性比锡基轴承合金低，工作温度小于120℃；价廉；

常制作低速、低负荷的轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承及电动机、破碎机轴承。

此外，还有铝基轴承合金、铜基轴承合金等。

四、钛及其合金

纯钛为银白色金属，tm=1680℃,d=4.54g/cm3

钛具有很高的强度、比强度（强度/相对密度），具有很高的塑性、耐蚀性，既是良好的耐热材料，也是优良的低温材料。故在航空、化工、航天、导弹等方面应用广泛。

3.5

机械工程常用的非金属材料

一、高分子材料

（一）高分子材料定义

——以高分子化合物为主要组成部分的材料。高分子化合物的分子量很大，一般在103~107

之间。

高分子化合物有天然的和人工合成的。松香、纤维素、蛋白质、天然橡胶是天然高分子材料；塑料、合成橡胶、合成纤维属于人工合成高分子材料。

（二）组成

高分子化合物是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成，具有链状结构。如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。

聚合——由单体变成高分子的过程。单体——组成聚合物的低分子化合物（乙烯、氯乙烯）。

链节——组成大分子链的基本结构单元。

单体和链节不同，聚合前为单体，聚合后键打开时为链节。

聚合度——一条高分子链中所含有的链节数目。

高分子化合物的分子量是链节的分子量与聚合度的乘积。同一种高分子化合物，各分子所含的链节不同，即聚合度不同，其分子量也不同。高分子化合物是由许多不同长度的分子组成的混合物，故其分子量是指平均分子量。

（三）高分子材料的分类

1、按性能和用途分类

塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂

2、按聚合反应的类型分类

（1）加聚物——单体经加聚合成高聚物，链节结构的化学式与单体分子式相同。

（2）缩聚物——单体经缩聚合成高聚物，缩聚过程有小分子副产物析出，链节的化学结构和单体的化学结构不完全相同。

3、按聚合物的热行为分类

（1）热塑性聚合物——加热后软化，冷却后又硬化成形，随温度变化可以反复进行，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

（2）热固性聚合物——受热发生化学变化而固化成形，成形后再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂。

4、按主链上的化学组成分类

有：碳链聚合物、杂链聚合物、元素有机聚合物

（四）高分子材料的性能特点

1、低强度——σb≈100MPa

2、高弹性和低弹性模量——如橡胶的弹性变形率为100~1000%，金属一般为1%；

E塑料≈E金属/10E橡胶

≈E金属/1000

3、高耐磨性———比金属好

4、高绝缘性

5、低耐热性

6、低导热性——是金属的1/100~1/1000

7、高热膨胀性——线胀系数约为金属的3~10倍

8、高的化学稳定性——许多高分子材料在酸、碱等溶液中表现出优异的耐腐蚀性能

9、老化——在使用过程中，受氧、光、热、机械力、水气及微生物等外部因素作用，性能逐渐恶化，直至丧失使用价值。

二、工程塑料

塑料——以合成树脂为主要成分，加入各种添加剂，在加工过程中能塑制成形的材料。

合成树脂——由低分子化合物经聚合反应所得到的高分子化合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料等。起黏结作用，

塑料的性能主要取决于树脂。

添加剂——其目的是弥补塑料的某些性能不足。有填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂。塑料的成型方法

注射成型、挤压成型、吹塑成型、压制成型、浇注成型

常用工程塑料：

1、热塑性塑料

聚乙烯（PE）——无毒，可作食品袋等

聚氯乙烯（PVC）

——可制做水管接头、建筑材料等

聚丙烯（PP）——可制机械零件、医疗器械、生活用具

聚苯乙烯（PS）——透光率仅次于有机玻璃，可制作绝缘件、仪表外壳、日用装饰品、食品盒

ABS塑料——可制作齿轮、叶轮、设备外壳、化工容器管道、电气仪表配件

聚酰胺（PA）——亦称尼龙或锦纶。可制轴套、齿轮及机床导轨

聚甲醛（POM）

——许多性能优于尼龙，可制轴承、齿轮、凸轮、仪表外壳、表盘

聚碳酸酯（PC）——可制造齿轮、凸轮、蜗论、电器仪表零件、灯罩、防护玻璃、飞机驾驶室风挡

聚四氟乙烯（PTFE）（F-4）——“塑料王”，极好的电绝缘体

有机玻璃（化学名：聚甲基丙烯酸甲酯）(PMMA)

——目前最好的透明材料,比普通玻璃好，相对密度仅为玻璃的一半，拉伸极限比普通玻璃高7~18倍。

2、热固性塑料

酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料

三、合成橡胶和合成纤维

（一）、橡胶

性能特点——高弹性，在外力作用下变形量100~1000%；其弹性模数很低，只有1MN/m。

橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。

合成橡胶主要有：丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、丁腈橡胶等

硫化处理——橡胶的性能会随温度变化而改变，在高温时发粘，低温时发脆，并能被溶剂溶解。经硫化处理后的橡胶具有一定的机械强度、耐磨性和刚性，其性能在很大温度范围内是稳定的，并具有不溶、不熔的特性。

（二）、合成纤维

常用的合成纤维有：

涤纶（的确良）、尼龙（锦纶）、腈纶（奥纶、开司米纶）、维纶、丙纶、氯纶

四、合成胶粘剂和涂料（略）

3.6新材料的应用

————无机非金属材料（陶瓷）

陶瓷材料的组织结构：晶相、玻璃相、气相

陶瓷也是由许多位向不同的晶粒组成的多晶体；玻璃相是一种非晶态的固体；气相即陶瓷孔隙中的气体。

性能特点：

塑性变形能力很低，脆性大；刚性好，其弹性模量大多高于金属；硬度比金属高得多，（如金刚石HV﹥6000）；抗压强度大；熔点高、高温强度大、高温下不易氧化，但不耐温度的急剧变化；对酸、盐等有极好的抗腐蚀能力；大部分陶瓷可作绝缘材料，有的可作半导体材料、磁性材料等

工业陶瓷有：普通陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物陶瓷等，可用来制造刀具、化工零件、耐热耐高温零件等。

————复合材料

复合材料——由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料，它保留了组成材料各自的优点，获得单一材料无法具备的优良综合性能。按增强剂的种类和形状，复合材料可分为纤维增强复合材料、层状复合材料和颗粒复合材料三类。

纤维增强复合材料是以树脂、塑料、橡胶或金属为基体，以无机纤维为增强材料。有玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等。玻璃纤维增强复合材料俗称玻璃钢，是以树脂为黏结剂，以玻璃纤维或其制品为增强材料制成的。

钢和玻璃钢的性能比较：