《机械基础》 课件 项目三 认识自行车典型零件的制造材料

机械基础产教融合

任务导向项目三

认识自行车典型零件的制造材料学习导图情境导入材料是人类生活和生产的物质基础，随着人类文明的发展，材料技术也不断发展。当前是材料的复合化阶段，即利用物理、化学方法，根据实际需要组成独特性能的复合材料。未来，材料的智能化是必然发展方向，即材料具备自适应、自诊断和自修复功能。一部设备或工具都是多个零件组成，根据功用，不同的零件选用不同的材料制造。自行车是常见的交通工具。请分析：1.自行车的中轴，如图a）所示，通常是用什么材料制造的？为什么用这类材料？2.自行车的车架，如图b）所示，通常是用什么材料制造的？为什么用这类材料？3.自行车的轮胎，如图c）所示，通常是用什么材料制造的？为什么用这类材料？4.从材料角度出发，如何选购一台性价比较高的自行车。

a）中轴b）车架c）轮胎学习目标知识目标1.了解铁碳合金相图；2.掌握钢牌号的命名规则；3.了解钢的热处理过程；4.了解常用非铁合金的性能；5.了解常用非金属材料的性能。能力目标1.能够识别零件制造材料的类别；2.能够根据零件工作条件合理选择材料种类。育人目标1.培养查阅书籍自主学习的习惯；2.培养团队合作意识；3.培养严谨求实的学习精神。学习方法扫一扫：边学边练电子活页工单活页工单样例知识链接一、认识钢铁材料目录CONTENTS二、了解钢的热处理三、认识非铁合金材料四、认识常用非金属材料

钢铁是钢和铸铁的总称，钢和铸铁都是铁碳合金，如下图所示。铁碳合金是工业上应用最广泛的金属材料。一、认识钢铁材料由于碳的质量分数的不同，钢和铸铁在性能上有很大差异。根据碳含量不同，铁碳合金可分为三大类：工业纯铁，质量分数不超过0.0218%钢，质量分数在0.0218%~2.11%之间铸铁，铸铁中碳的质量分数超过2.11%，不超过6.69%。

钢材

铸铁

根据钢中碳及合金元素的含量可将钢分为碳素钢和合金钢。3.1.1

认识钢材料一、认识钢铁材料低碳钢（碳的质量分数小于0.25%）中碳钢（碳的质量分数为0.25~0.6%）高碳钢（碳的质量分数大于0.6%碳素钢（按碳含量）按用途分类：碳素结构钢和碳素工具钢。

按质量分类：普通钢、优质钢、高级优质钢。

按冶炼时脱氧方法不同：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢、特殊镇静钢。

1）碳素结构钢碳素结构钢主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程，如图所示的钢结构。3.1.1

认识钢材料根据GB/T700-2006规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度数值、质量等级符号（质量等级分A、B、C、D）、脱氧方法符号（如沸腾钢“F”、镇静钢“Z”、特殊镇静钢“TZ”，其中“Z”与“TZ”符号可以省略。）等4个部分按顺序组成。碳素结构钢常用牌号有Q195、Q215A（B）、Q235A（B）、Q275等。一、认识钢铁材料房屋结构钢1.碳素钢

案例3-1识读碳素结构钢Q235AF。3.1.1

认识钢材料一、认识钢铁材料字母“Q”是屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母；数字“235”表示屈服强度数值，单位MPa，即这个牌号碳素结构钢的屈服强度为235MPa；字母“A”表示质量等级；字母“F”是沸腾钢。

2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的硫磷含量低于0.035%，主要用来制造较为重要的零件，如下图所示齿轮轴。3.1.1

认识钢材料一、认识钢铁材料根据GB/T699-2015规定，优质碳素结构钢的牌号由两位数字表示，表示钢的平均含碳量的万分之几。含锰量较高的优质碳素结构钢将锰元素符号在钢号后标出。优质碳素结构钢常用牌号有15、20、25、35、45、60、45Mn、65Mn等。齿轮轴

案例3-2识读优质碳素结构钢45Mn3.1.1

认识钢材料一、认识钢铁材料数字“45”表示这个牌号的优质碳素结构钢中，含碳量的质量分数为万分之45，即0.45%；字母“Mn”表示这个牌号的优质碳素结构钢中，含锰量较高。

3）碳素工具钢碳素工具钢用于制作工具，如下图所示的钳工手锤以及刃具、量具和模具的碳素钢。与合金工具钢相比，其加工性良好，价格低廉，使用范围广泛，所以它在工具生产中用量较大。3.1.1

认识钢材料一、认识钢铁材料根据GB/T1299-2014规定，碳素工具钢的牌号由汉字“碳”的汉语拼音首字母“T”及后面的数字组成，其数字表示含碳量为千分之几，若为高级优质碳素工具钢，则数字后面加A。例如，T11A表示含碳量为1.10%的高级优质碳素工具钢。钳工手锤

在碳钢中加入一种或多种适量合金元素，以改善钢的某种性能，称为合金钢。常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、V、Mo、Ti等。一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料1.合金钢

一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料（1）合金钢的分类1）按合金元素的质量分数不同，可分为低合金钢（合金元素的质量分数小于5%）、中合金钢（合金元素的质量分数为5%~10%）、高合金钢（合金元素的质量分数大于10%）。2）按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三大类。3）按合金元素分为：铬钢、锰钢、硅锰钢、铬镍钢等。4）按主要性能和使用特性分为：工程结构用合金钢、机械结构合金钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、耐蚀钢、耐热钢、特殊物理性能钢等。

1）合金结构钢合金结构钢中合金元素加入量不大（大多数<5%），属于低、中合金钢，是合金钢中用途广、用量大的钢种。合金结构钢主要用于制造重要机械零件，如汽车半轴等。合金结构钢牌号由平均含碳的质量分数（单位为0.01%）、合金元素符号及其平均质量分数（单位为1%，小于1.5%不标）组成。一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料汽车半轴（2）常见合金钢的牌号与用途

一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料案例3-3识读合金结构钢60Si2Mn数字“60”表示这个牌号的合金结构钢中，含碳量的质量分数为万分之60，即0.60%字母“Si”及数字“2”表示这个牌号的合金结构钢中，硅的含量平均为2%；字母“Mn”表示这个牌号的合金结构钢中，含锰量小于1.5%。

一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料2）合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入一种或多种合金元素形成的钢，其牌号由平均碳的质量分数（单位为0.10%，≥1%不标出）、合金元素化学符号及其平均质量分数（单位为1%，小于1.5%不标）组成。合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。其中碳含量高的钢（碳质量分数>0.80%）多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；碳含量中等的钢（碳质量分数0.35%~0.70%）多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，为HRC50~55，但韧性良好。

一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料3）特殊性能钢特殊性能钢是指因具有某些特殊的物理、化学、力学性能，能在特殊的环境工作条件下使用的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。一、认识钢铁材料3.1.1

认识钢材料不锈钢是指对腐蚀具有很高抗力的钢，它在石油、化工、电机、国防等工业部门广泛应用。工程中常用不锈钢的牌号有：06Cr19Ni10、12Cr18Ni9、12Cr13等。耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢，主要用于高压锅炉、汽轮机、内燃机、火力电站、航空等在高温下工作的机械零件或构件。工程中常用的耐热钢的牌号有：10Cr17、14Cr11MoV、06Cr18Ni11Ti等。耐磨钢是指在冲击和摩擦条件下产生加工硬化而具有高耐磨性的钢，主要用于制造球磨机的衬板、破碎机的颚板、挖掘机的斗齿、拖拉机和坦克的履带板、防弹钢板等，工程中常用耐磨钢的牌号有：ZG120Mn13，ZG100Mn13、ZG120Mn13Cr2等。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料铸铁是碳质量分数大于2.11%，并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁根据碳在铸铁中的存在形式分类1）白口铸铁碳除少数溶入铁素体外，其余的全部以渗碳体的形式存在于铸铁中。2）灰口铸铁碳全部或大部分以石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称为灰口铸铁。3）麻口铸铁碳一部分以石墨形式存在，类似于灰口铸铁；另一部分以渗碳体存在，类似于白口铸铁。因在断口上呈黑白相间的麻点，故称为麻口铸铁。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料铸铁分类：

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料（1）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。灰铸铁的抗压强度较大，良好的切削加工性能，耐磨性好，但抗拉强度很低，韧性低，可制造承受压应力及要求消振、耐磨的零件，如右图所示轴承支座等。工业生产中常用的铸铁多为灰铸铁，是应用最广泛的铸铁材料，约占铸铁总产量的80%以上。2.常用铸铁工业生产中常用的铸铁有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、合金铸铁等。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料（2）可锻铸铁可锻铸铁是由碳和硅含量较低的白口铸铁原料熔化后，经长时间石墨化退火，使渗碳体分解成团絮状而获得的一种高强度铸铁。虽然与灰铸铁相比，可锻铸铁有较好的塑性、强度和韧性，但它并不能进行锻造加工。可锻铸铁主要用来制造一些形状复杂、尺寸不大而强度和韧性要求较高的薄壁零件，如形状复杂的轮壳、管接头等。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料（3）球墨铸铁球墨铸铁是通过浇铸前向铁液中加入一定量的球化剂（如镁、钙和稀土元素等）和孕育剂（如硅铁、硅钙合金）进行球化处理和孕育处理，使其中的碳大部分或全部以自由状态的球状石墨存在。它的机械性能接近于钢，但价格低于一般钢，常用来制造曲轴、连杆、主轴、中压阀门等。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料（4）合金铸铁合金铸铁是在普通铸铁中加入一定量的合金元素使之具有一些特殊性能的铸铁，也称为特殊性能铸铁。合金铸铁与相似条件下使用的合金钢相比，具有生产工艺简单、成本低廉等优点，但脆性大，综合性能不如钢。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料3.识读铸铁牌号根据国家标准GB/T5612-2008规定，铸铁牌号用铸铁代号、元素符号、名义含量及力学性能表示。其中铸铁代号由表示该铸铁特征的汉语拼音首字母（当两种铸铁名称代号相同时，可在后面加小写字母来区别）和表示铸铁组织特征或特殊性能的汉语拼音首字母组成，如“HT”代表灰铸铁，“QT”代表球墨铸铁，“KT”代表可锻铸铁，“RuT”代表蠕墨铸铁。元素符号用国际化学元素符号表示，名义含量用阿拉伯数字表示。力学特性也用阿拉伯数字表示。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料（1）化学成分的表示合金元素符号及名义含量（质量分数）排列在铸铁代号之后。合金元素的含量大于或等于1%时，在牌号中用整数标注；小于1%时，一般不标注。合金元素按其含量递减次序排列，含量相等时按元素符号的字母顺序排列。（2）力学性能的表示力学性能值排列在铸铁代号之后，当牌号中有合金元素符号时，力学性能值排列于元素符号及含量之后，之间用“-”隔开。牌号中力学性能代号后面有一组数字时，该组数字表示抗拉强度值，单位为MPa；当有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，单位为MPa，第二组表示伸长率，单位为%；两组数字间用“-”隔开。

一、认识钢铁材料3.1.2

认识铸铁材料案例3-4识读铸铁QTMMn8-300-18本案例的铸铁牌号中字母“QTM”表示这个牌号的铸铁是抗磨球磨铸铁；字母“Mn”及数字“8”表示这个牌号的铸铁中，Mn的名义含量为8%；数字“300”表示这个牌号的铸铁的抗拉强度为300Mp；数字“18”表示这个牌号的铸铁的伸长率为18%

钢的热处理是指采用适当的方式对钢在固态下进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构和性能的工艺方法。热处理只改变材料的组织和性能，而不改变其形状和尺寸，是提高金属使用性能和改善工艺性能的重要加工方法。热处理方法虽然很多，但都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，通常用温度-时间坐标图表示，称为热处理工艺曲线。二、了解钢的热处理3.2了解钢的热处理保温临界温度(临界点)O温度时间

3.2.1

了解钢的退火和正火二、了解钢的热处理退火钢的热处理整体热处理表面热处理化学热处理正火淬火回火表面淬火渗碳渗氮碳氮共渗

3.2.1

了解钢的退火和正火二、了解钢的热处理将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火目的：降低硬度，改善切削加工性能，均匀钢的化学成分和组织，消除内应力。退火加热奥氏体化后，在空气中冷却的热处理工艺。正火目的：调整硬度（比退火高），改善切削加工性能，细化组织（比退火细），为最终热处理做好组织准备。正火

3.2.1

了解钢的退火和正火退火与正火的选用(1)从切削加工性考虑金属的切削加工性能，包括硬度、切屑脆性、加工表面粗糙度及对刀具的磨损等。一般说来，金属的硬度在170~230HBW范围内，切削性能较好。硬度过高，不但难以加工，而且使刀具很快磨损；硬度过低，切削时易造成粘刀及切屑缠绕，降低刀具寿命，且切削表面粗糙。在一般生产中，低、中碳结构钢以正火作为预备热处理较为合适，高碳结构钢（如轴承钢）和工具钢则以退火（球化退火）为好。对于合金钢，由于含有合金元素，钢的硬度有所提高，所以在大多数情况下，中碳以上的合金钢常选用退火。二、了解钢的热处理

3.2.1

了解钢的退火和正火（2）从使用性能考虑如果对钢件的性能要求不太高，可采用正火作为最终热处理。但如果零件尺寸较大或形状较复杂，正火有可能使零件产生较大的残余应力或变形、开裂，这时应选择退火。对力学性能要求较高，必须进行淬火+回火最终热处理的零件，从减少变形和开裂的倾向性来说，预备热处理应选用退火。二、了解钢的热处理（3）从经济上考虑正火比退火生产周期短，且操作简便。故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火。

二、了解钢的热处理是将工件加热到某一温度，保持一定时间，然后以适当速度快速冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火目的：提高钢的强度和硬度，获得M或B下组织，配合适当温度回火，获得钢件最终使用性能。淬火存在问题：淬火内应力、马氏体组织不稳定、马氏体韧性不高，脆性仍偏大。淬火后一般需回火。淬火3.2.2

了解钢的淬火和回火

二、了解钢的热处理将淬火后的工件重新加热到某一温度，保温后冷却到室温的工艺。淬火与回火配合，使工件获得所需的使用性能。回火目的：减少或消除淬火内应力、稳定组织，稳定尺寸、降低脆性，获得所需力学性能。回火包括低温回火、中温回火和高温回火。淬火+高温回火也叫“调质”处理。回火3.2.2

了解钢的淬火和回火

3.2.2

了解钢的淬火和回火（1）低温回火低温回火（150~250℃）目的是在保证淬火后的高硬度和耐磨性的基础上，降低淬火应力，提高工件韧性。低温回火得到的是马氏体组织，硬度可达58~64HRC。常用于处理高碳工具钢、模具钢、滚动轴承及渗碳钢等零件。二、了解钢的热处理

3.2.2

了解钢的淬火和回火（2）中温回火中温回火（350~500℃）后钢件具有高的弹性极限、屈服强度及屈强比，同时具有一定的塑性和韧性，硬度一般为35~45HRC。常作为各种弹簧的热处理。一类合金元素与中温碳化物之形成无关，因此对回火软化无关。此类元素所造成之硬化效果，主要是靠固溶体硬化机构所达成的。另一类合金元素，例如铬、钼、钨、钒等，由于其为促进碳化物形成的元素，因此它们的扩散速率也就影响了回火软化的速率。二、了解钢的热处理

3.2.2

了解钢的淬火和回火（3）高温回火高温回火（500~650℃）通常把淬火后在进行高温回火处理称为调质处理。调质处理后得到良好的综合性能。在许多重要的机械结构件中，如受力比较复杂的连杆，重要的螺栓、齿轮及轴类零件，得到了广泛应用。中高碳钢调质处理后的硬度一般为200~350HBW。调质处理后的力学性能与正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。二、了解钢的热处理

3.2.3

了解钢的表面热处理在实际生产中，有些钢件（如齿轮、凸轮、曲轴等）是在弯曲、扭转等交变载荷、冲击载荷及摩擦条件下工作，其表面要求有高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部应有足够的塑性和韧性。有些钢件（如量规等）只要求表面有高的硬度和耐磨性。在这些情况下，若仅从钢材的选择和采用前述的普通热处理方法，已难满足要求。解决的方法是对钢件进行表面热处理。仅对钢件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺，称为表面热处理，主要包括：表面淬火和化学热处理。二、了解钢的热处理

3.2.3

了解钢的表面热处理1.表面淬火表面淬火是将钢件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传至零件心部时，随即迅速冷却，使其表面获得一定深度淬硬层，心部仍为韧性较高的热处理工艺，如右图所示。二、了解钢的热处理

3.2.3

了解钢的表面热处理表面淬火方法主要有火焰淬火、感应淬火、电接触加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。目前生产中应用最多的是火焰淬火和感应淬火。（1）火焰淬火火焰淬火是利用氧-乙炔（或其他可燃气）火焰对钢件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。火焰淬火适用于中碳钢、中碳合金钢及铸铁制成的单件、小批生产，或大型工件（大模数齿轮、大型轴类、机床导轨、轧辊等）的表面淬火。火焰淬火方法简单，无需特殊设备，成本低，对大型工件或只需局部表面淬火的工件都比较方便；但此方法生产率低，工件质量较难控制，因此使用受到一定的限制。二、了解钢的热处理

3.2.3

了解钢的表面热处理（2）感应淬火感应淬火把钢件放入由空心纯铜管绕制而成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，以产生交变磁场，于是在钢件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流，感应电流在工件内自成回路，称为“涡流”。感应淬火最适宜的钢种是中碳钢和低合金中碳钢，如40、45、40Cr等。感应淬火与火焰淬火相比，加热速度极快，加热时间短，钢件表面不易氧化、脱碳，且钢件心部无组织变化，生产率高，易实现机械化和自动化，适宜于大批量生产。但感应加热设备较贵，维修调整困难，形状复杂的感应器不易制造，故不适用于单件生产。二、了解钢的热处理

3.2.3

了解钢的表面热处理2.化学热处理化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，改变表层的化学成分和组织，从而达到改善表面性能的一种热处理工艺。按渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗和氮碳共渗等，目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、抗疲劳性能和抗高温氧化性能。二、了解钢的热处理

3.2.3

了解钢的表面热处理（1）渗碳为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺，称为钢的渗碳。根据所采用的渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。二、了解钢的热处理（2）渗氮在一定温度，使活性氮原子渗入钢件表而的化学热处理工艺，称为渗氮。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。目前生产中应用较多的是在气体介质中进行渗氮，称为气体渗氮。

3.2.3

了解钢的表面热处理（3）碳氮共渗和氮碳共渗碳氮共渗是在一定温度下，同时将碳、氮渗入钢件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。而氮碳共渗是在钢件表层渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗应用较为广泛。二、了解钢的热处理

3.3认识非铁合金材料金属材料分为铁合金材料和非铁合金材料。钢铁材料通常称为铁合金材料，铁合金材料以外的所有金属材料统称为非铁合金材料。非铁合金材料的种类很多，由于它们具有独特的性能，而使其成为现代工业技术中不可缺少的重要材料，尤其在航空航天工业中得到广泛的应用。三、认识非铁合金材料

3.3.1

认识铝铝是地壳中储量较多的一种金属，它是铝、铁、钛、镁四大金属之首，其年产量居有色金属产量之冠。工业上使用的纯铝（即工业纯铝）的纯度为99%~99.99%，工业纯铝中所含杂质的量越高，其导电性、导热性、耐蚀性及塑性就越低。工业纯铝按其纯度可分为纯铝（Wal=99%~99.85%）和高纯铝（Wal>99.85%）两类；按加工方式可分为变形纯铝（可压力加工）和铸造纯铝（非压力加工）两种。三、认识非铁合金材料3.3.1

认识铝按GB/T16474-2011《变形铝及铝合金牌号表示方法》规定，变形铝采用4位字符牌号命名，纯铝即用“1XXX”表示。牌号的最后两位数字表示铝以百分表示的质量分数中小数点后面两位数字。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，则表示为原始纯铝，若为其他字母，则表示为原始纯铝的改型。如1A30表示=99.30%的原始纯铝。按《铸造有色金属及其合金牌号表示方法GB/T8063-2017》规定，铸造纯铝的牌号由铸造代号“Z”、铝的化学元素符号“Al”和表明纯度名义含量的数字组成。如ZAl99.5表示=99.5%的铸造纯铝。三、认识非铁合金材料3.3.2

认识铝合金纯铝强度很低，不适于制造机器零件。在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等合金元素形成铝合金，可使其力学性能提高，而且仍保持其密度小、耐腐蚀的优点。根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。三、认识非铁合金材料3.3.2

认识铝合金1.变形铝合金变形铝合金均以压力加工（轧、拉、挤等）成型材，以棒、板、管、线、箔等产品供应。按GB/T16474-2011《变形铝及铝合金牌号表示方法》规定，变形铝合金采用4位字符牌号命名，牌号用2XXX~9XXX系列表示。牌号的第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg+Si、Zn、其他元素和备用铝合金的顺序来表示变形铝合金的组别。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，则表示为原始纯铝，若为其他字母，则表示为原始纯铝的改型。牌号的最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。如：2A11表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。三、认识非铁合金材料3.3.2

认识铝合金变形铝合金按性能特点和用途可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。三、认识非铁合金材料（1）防锈铝合金防锈铝合金的主要合金元素是锰、镁，其主要作用是提高铝合金的抗蚀能力，而镁还使铝合金密度降低。其特点是具有较强的抗蚀性、塑性，承受压力加工的能力强，焊接性也很好，但切削加工性较差。常用拉深法制造高耐腐蚀性薄板容器（如油箱等）、防锈蒙皮，以及受力小、质轻耐蚀的制品与结构件，如右图所示铝合金门窗。3.3.2

认识铝合金（2）硬铝合金硬铝合金的主要合金元素是铜、镁。它的强度与高强度钢相近，故称为硬铝合金。铜、镁含量少的硬铝合金强度较低而塑性好（如2A01），大量用于制造铆钉。铜、镁含量多的硬铝则强度高而塑性差（如2A12），用于制造中等强度的飞机受力结构件，如螺旋桨叶片及仪器仪表等。三、认识非铁合金材料3.3.2

认识铝合金（3）超硬铝合金

超硬铝合金的主要合金元素是铜、镁、锌。这类铝合金时效强化处理效果最好，强度最高，其比强度相当于超高强度钢，故名为超硬铝合金。这类铝合金的缺点是抗蚀性差，一般采用含锌量1%的铝锌合金或纯铝进行包铝，以提高抗蚀性。另外，耐热性也差，当温度高于120℃时就会软化。主要用于制造质量小、受力较大、工作温度较低的结构件，如飞机大梁、桁架、起落架等。三、认识非铁合金材料3.3.2

认识铝合金（4）锻造铝合金锻造铝合金的合金元素种类多，但含量较少，多数为铜、镁、硅等。这类铝合金可通过固溶处理及人工时效来强化，但热塑性及耐腐蚀性较高，适用于锻造，故称之为锻铝。主要用做各种形状复杂，比强度要求高，并可在高温下工作的锻件。如发动机风扇叶片、内燃机活塞、汽缸盖、压气机叶轮等。三、认识非铁合金材料3.3.2

认识铝合金2.铸造铝合金铸造铝合金与变形铝合金相比其力学性能较差，但铸造性能好，可进行各种铸造，以制造形状复杂的零件，如右图所示的汽车轮毂。按所含主要合金元素的不同，铸造铝合金可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系等四个系列。三、认识非铁合金材料铸造铝合金的代号则由字母“ZL”（即“铸铝”）及其后面的三个数字组成。ZL后面的第一个数字表示合金系列，其中1为铝硅系，2为铝铜系，3为铝镁系，4为铝锌系。后两个数表示顺序号。优质合金在数字后面附加字母A。3.4.1

认识高分子材料塑料塑料是以有机合成树脂为主要成分，再加入添加剂组成的。由塑料颗粒制成塑料产品，如右图所示。四、认识常用非金属材料高分子材料又称为高分子化合物或高分子聚合物，简称高聚物，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。塑料颗粒和塑料制品3.4.1

认识高分子材料（1）塑料的组成1）合成树脂合成树脂是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等是塑料的主要组成，也起粘结剂作用。2）添加剂为改善塑料的性能而加入的其他组分，主要有填料、增塑剂、稳定剂、固化剂等，还可根据需要加入润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂和发泡剂等四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料（2）塑料的性能1）物理性能：密度小，不加任何填料或增强填料的塑料，只有钢的1/8~1/4。另外，塑料的电绝缘性好，介质损耗小，因此在电器、电机、电子工业方面应用广泛。2）化学性能：塑料一般能耐酸、碱、油、水及大气等的侵蚀，其中聚四氟乙烯甚至能耐强氧化剂“王水”的侵蚀。塑料广泛用于制造在腐蚀条件下的零部件和化工设备。3）力学性能：塑料的强度和弹性模量都很低，减摩性好，如聚四氟乙烯自摩擦系数只有0.04，具有很好的减摩性。另外，塑料还由于自润滑性能好，所以适合于制造轴承、凸轮、密封圈等要求减摩性好的零件，特别是对在无润滑或少润滑的摩擦条件下工作的零件尤为适合。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料（3）常用工程塑料根据树脂的热性能，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。1）热塑性塑料

热塑性塑料受热时软化，冷却后固化，再受热时又软化，具有可塑性和重复性。这类塑料主要有聚酰胺、ABS塑料、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、有机玻璃等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料1）热塑性塑料聚酰胺（PA）：聚酰胺通常称为尼龙或锦纶，具有突出的耐磨性和自润滑性能，良好的韧性，耐油、摩擦系数小，抗霉、抗菌、无毒，良好的成形性能等。其缺点是耐热性低，工作温度不超过100℃，蠕变值较大，导热性差，约为金属的1/100，吸水性较大、尺寸稳定性低。在机械工业中多用于制造小型零件，常用来代替青铜使用，以节约较贵重的铜，如制造齿轮、凸轮、导板、螺钉和螺母等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料1）热塑性塑料ABS塑料：ABS塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）的三元共聚物，ABS塑料具有较高的综合性能。ABS塑料的用途极广，在机械工业中制造轴承、齿轮、叶片、叶轮、管道、容器、把手等，在电气工业中制造仪器、仪表的各种零件等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料1）热塑性塑料聚碳酸酯（PC）：聚碳酸酯的透明度为86%~92%，故有“透明金属”之称。具有优良的综合性能，其抗拉强度为66~77MPa，耐冲击突出，比尼龙高10倍左右，是刚而韧的工程塑料。此外，它还具有良好的耐候性和电性能，但其自润滑性差，减摩性不如尼龙，疲劳抗力较低，有应力开裂倾向。聚碳酸酯常用于各种机械、电器、仪表中的零件，如齿轮、蜗轮、轴承、凸轮等。又因其透明度高、耐冲击性好，可用作防盗、防弹窗玻璃等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料1）热塑性塑料聚苯乙烯（PS）：聚苯乙烯密度小，常温下较透明，着色性好，吸水性极微，有良好的耐蚀性和绝缘性，高频绝缘尤佳；但其冲击韧度低、耐热性差、易燃、易脆裂。它常用来制造车辆上的灯罩、仪表指示灯罩、设备外壳等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料1）热塑性塑料聚四氟乙烯（PTTE或F-4）：聚四氟乙烯又称为特氟隆，熔点320℃，具有极佳的耐化学腐蚀性，不会被几乎所有化学药物腐蚀，对任何浓度的强酸，甚至王水、强碱和强氧化剂等，即使在高温下也不受腐蚀，故有“塑料王”之称，它具有突出的耐高、低温性能，在-195~250℃范围内长期使用其力学性能几乎不发生变化。它的表面摩擦系数很小，并有自润滑性，在极潮湿的条件下仍能保持良好的绝缘性。在高温时它会分解出对人体有害的剧毒气体，给成型和使用增加了困难，另外它的价格较贵，也限制了它的使用。聚四氟乙烯主要用于化工管道、泵、电气设备、隔离防护层等方面。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料1）热塑性塑料有机玻璃（PMMP）：有机玻璃可透过可见光99%，紫外光73%，在-60~95℃范围内性能变化不大，还具有耐蚀、绝缘、易切削等性能。主要用于制造具有一定透明度和强度要求的零件，如油标、油杯、窥镜、设备标牌、透明管道、飞机、座窗等。此外，它还用于仪器以及电信等工业部门。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料（3）常用工程塑料根据树脂的热性能，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。2）热固性塑料热固性塑料大多以缩聚树脂为基础，加入多种添加剂而成。这类塑料的特点是：初加热时软化，可注射成型，但冷却固化后再加热时不再软化，不溶于溶液，也不能再熔融或再成型。这类塑料主要有酚醛树脂、环氧树脂等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料2）热固性塑料酚醛塑料（PF）：由酚类或醛类经缩聚反应而制成的树脂称为酚醛树脂。根据不同性能要求而加入不同填料，便制成各种酚醛塑料。以木粉为填料制成酚醛压塑粉，俗称胶木粉，是常用的热固性塑料，经常压制成电器开关、插座、灯头等。它不仅绝缘性能好，而且有较好的耐热性，较高硬度、刚性和一定的强度。以纸片、棉布、玻璃布等为填料制成的层压酚醛塑料，具有强度、耐冲击性好以及耐磨性高等特点，常用来制造承受载荷要求较高的机械零件，如齿轮、轴承、汽车刹车片等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料2）热固性塑料环氧塑料（EP）：环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂后形成的热固性塑料。它的强度较高，韧性较好，并具有良好的化学稳定性、绝缘性以及耐热、耐寒性，长期使用温度范围为-80~150℃，成型工艺性好，可制作塑料模具、船体、电子工业零部件。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料2）热固性塑料酚醛塑料（PF）：由酚类或醛类经缩聚反应而制成的树脂称为酚醛树脂。根据不同性能要求而加入不同填料，便制成各种酚醛塑料。以木粉为填料制成酚醛压塑粉，俗称胶木粉，是常用的热固性塑料，经常压制成电器开关、插座、灯头等。它不仅绝缘性能好，而且有较好的耐热性，较高硬度、刚性和一定的强度。以纸片、棉布、玻璃布等为填料制成的层压酚醛塑料，具有强度、耐冲击性好以及耐磨性高等特点，常用来制造承受载荷要求较高的机械零件，如齿轮、轴承、汽车刹车片等。四、认识常用非金属材料3.4.1

认识高分子材料橡胶橡胶，如右图所示，是在使用温度范围内处于高弹态的高分子材料，在较小的载荷作用下能产生很大变形，当载荷卸除后又能很快恢复到原来状态，是常用的弹性材料、密封材料、减振防振材料和传动材料。四、认识常用非金属材料橡胶板3.4.1

认识高分子材料3）骨架材料：为了提高橡胶制品的承载能力，限制变形，常加入各种纤维织物，甚至金属丝及其编织物作为骨架材料。如运输带中纤维骨架材料占质量的65%，在汽车轮胎中占10%~15%，如右图所示。四、认识常用非金属材料汽车轮胎（1）橡胶的组成1）生胶：未加配合剂的天然橡胶或人工合成橡胶统称为生胶。生胶是橡胶制品的主要成分。2）配合剂：为了改善橡胶制品的某些性能而加入的物质称为配合剂。主要配合剂有硫化剂、填充剂、着色剂等。3.4.1

认识高分子材料（2）橡胶的性能由于使用条件不同，对橡胶有不同的性能要求，如抗拉强度、抗撕裂强度、耐磨性、弹性、伸长率、永久变形量、耐寒、耐高温、透气性等。其中最重要的性能是橡胶的弹性和强度。四、认识常用非金属材料3.4.2

认识复合材料复合材料：由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成而得到的多相材料（基体+增强相）。复合材料能充分发挥单一材料的优点，克服其某些弱点，因而其性能比单一材料优异得多。如玻璃纤维脆性较大，而树脂强度不高，但当它们组成复合材料（即玻璃钢）后，却有很高的韧性和强度。四、认识常用非金属材料玻璃钢3.4.2

认识复合材料1.复合材料的分类复合材料常见的分类方法有以下三种：（1）按基体类型分：非金属基体和金属基体两类。目前大量使用的多是以高聚物材料为基体的复合材料。（2）按增强材料性质和形态分：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料。（3）按材料的用途分：结构复合材料、功能复合材料和智能复合材料。四、认识常用非金属材料智能复合材料是具有自诊断、自适应、自愈合，并具有自决策功能的高级复合材料。3.4.2

认识复合材料2.复合材料的性能（1）比强度和比模量高复合材料的比强度、比模量比其他材料高得多，用于宇航、交通运输工具，在要求性能的前提下减轻自重具有重大的实际意义。四、认识常用非金属材料（2）疲劳极限较高多数金属材料的疲劳极限为抗拉强度的40%〜50%，而碳纤维增强复合材料的疲劳极限为抗拉强度的70%~80%。（3）减振性能好轻合金梁需9s才能停止振动，而碳纤维复合材料的梁只需2.5s就停止振动。3.4.2

认识复合材料（4）高温性能好一般铝合金在400℃时，其弹性模量大幅度下降，接近于零，强度也显著下降。用钨纤维增强钴、镍及其合金时，可把这些合金的使用温度提高到1000℃以上。四、认识常用非金属材料（5）工作安全性高纤维增强复合材料在单位面积上分布着大量的纤维，过载时会使其中部分纤维断裂，但随即迅速进行应力的重新分配，而由未断裂纤维将载荷承受起来，不致造成构件在瞬时完全丧失承载能力而断裂，所以提高了工作的安全性。3.4.2

认识复合材料（1）纤维增强复合材料1）玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强相，以树脂为粘结剂（基体）而制成的，俗称玻璃钢。它与基体材料相比，强度和抗疲劳性能可以提高2~3倍以上，冲击韧性提高1~4倍，蠕变抗力提高2~5倍以上，达到或超过了某些金属的强度，可用来制造轴承、齿轮、壳体等零件。以环氧树脂等热固性树脂为粘结剂制成的热固性玻璃钢，具有密度小、强度高、介电性和耐蚀性及成形工艺性好的优点，可用来制造车身、船体、直升机旋翼等。四、认识常用非金属材料3.常用复合材料3.4.2

认识复合材料2）碳纤维增强复合材料与玻璃钢相比，其强度和弹性模量高，密度小。因此它的比强度、比模量在现有复合材料中名列前茅。它还有较高的冲击韧性和疲劳极限，优良的减摩性、导热性、耐蚀性和耐热性。碳纤维增强复合材料广泛用于制造要求比强度、比模量高的结构，如概念汽车的车身。四、认识常用非金属材料3.4.2

认识复合材料（2）层叠增强复合材料层叠增强复合材料是由两层或两层以上的不同性质的材料结合而成，以达到增强的目的。其特点是密度小、刚性和抗压稳定性高、抗弯强度好，常用于航空、船舶、化工等工业，如船舶的隔板及冷却塔等。（3）颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内而制成的颗粒起增强作用。四、认识常用非金属材料任务实施

1.零件选材，主要考虑的是零件的用途。中轴是自行车传动部分中的关键零件，在其制造材料的力学性能（强度、硬度、弹性、塑性等）、

物理

性能（密度、熔点、导热性、导电性、导磁性等）和化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性等）这三个主要性能中，

力学性能应该是中轴选材考虑的重点。在铁合金、非铁合金和非金属三类材料中，常用的铁合金45钢棒料热处理后的强度极限在600MPa以上，非铁合金中高强度硬铝2A12棒料的强度极限在400MPa左右，而非金属中酚醛树脂（电木）棒料的强度极限在100MPa左右。以钢为代表的铁合金材料的强度极限比较高，铝合金代表的非铁合金材料的强度极限一般，而电木代表的大部分非金属材料的强度极限都很低，所以，钢代表的铁合金材料能够承受很大的应力。综上所述，

强度

指标应该作为车架选材的主指标，自行车中轴选用

钢

类材料制造比较合理。任务实施

2.自行车车架是自行车的基体，其他零件都要直接或者间接的安装紧固在车架上。车架给各个零件提高约束反力，反过来车架也受到各个零件施加给它的作用力，其内部应力必然存在。所以，车架制造材料力学性能的

强度

指标是首先要考虑的。2）自行车车架是整个自行车中最大的零件，其自重直接影响整个自行车在行驶过程中受到的摩擦阻力，因而其制造材料物理性能的

密