常用的仪器仪表材料特性与选材方法

第三章常用的仪器仪表材料特性和选材方法,3.1概述在仪器仪表设计制造中使用的材料大多数属于工程材料的范畴，而工程材料又按性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料以力学性能为主，兼有一定的物理、化学性能，用于制作工程构件、机械零件、工具等；功能材料以特殊的物理、化学性能为主，如超导、激光、半导体、形状记忆和能量转换等材料。一般在研究工程材料时通常指前者。根据材料的本性或结合键的性质分类，一般将工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。1金属材料金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分：(1)钢铁材料铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）(2)非铁金属钢铁材料以外的所有金属及其合金2陶瓷材料陶瓷的硬度很高，但脆性很大。陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属非氧化物，也叫做硅酸盐材料。它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(微晶玻璃)和陶瓷等三大类。,3高分子材料高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能。工程上通常根据力学性能和使用状态将其分为三大类：(1)塑料按工艺性分为热塑性塑料和热固性塑料两种。(2)合成橡胶通常指经硫化处理的、弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。(3)合成纤维指由单体聚合而成的、强度很高的聚合物，通过机械处理所获得的纤维材料。4复合材料复合材料是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能是它的单个组成材料所不具备的。,3.2材料学基础知识3.2.1固态原子的结合键晶体的原子结合键有金属键、离子键、范德华键(分子键)等几种基本类型。3.2.2晶体与显微组织1材料的晶体结构材料的性能不仅与其组成原子的本性及原子间的结合键的类型有关，还与晶体中原子的长程有序规则排列的方式即晶体结构有关。晶体中原子(或离子)在空间的规则排列方式称为晶体结构。假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种假想的格架在晶体学上就叫晶格。晶格的最小几何组成单元称为晶胞。,绝大多数金属为体心立方、面心立方和密排立方等三种典型的、紧密的结构。,2金属的结晶生产上将金属的凝固叫做结晶。凝固的结果，获得固态晶体金属。晶体物质的结晶都具有严格的平衡结晶温度，高于此温度，物质熔为液态，低于此温度才能进行结晶，处在此温度，表现出液体与晶体同时存在。而一切非晶体物质则无此明显的平衡结晶温度，它们的凝固总是在某一温度范围内进行的。金属材料的凝固是典型的结晶过程，而玻璃的凝固是典型的非晶体凝固。过冷现象。,金属结晶的过程通过晶核形成及晶核长大来完成的,3金属的塑性变形与再结晶塑性变形在明显改变金属外形的同时，也深刻地影响金属的内部结构和宏观性能，主要表现在金属的组织和结构变化、加工硬化、残余内应力等三方面。1)加工硬化：即随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高而塑性和韧性明显下降。2)残余内应力：主要是金属内部变形不均匀引起的。塑性变形金属在加热时的变化为了消除加工硬化的作用，恢复或改善金属的物理、化学、力学性能，可以对金属进行加热。随加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程，其中以再结晶具有更重要的作用。生产上主要用于冷变形加工过程的中间处理，消除加工硬化，便于继续冷加工，处理工艺叫做再结晶退火。,4合金的结晶合金是指由两种以上的金属或金属和非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法使之结合在一起而形成的具有金属特性的物质。相，是指合金中化学成分相同、晶体结构相同并以界面互相分开的均匀组成部分。组织，是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，又称显微组织。与纯金属的结晶相比，合金的结晶有它的特点。首先，合金的结晶过程不一定在恒温下进行，很多情况是在一个温度范围内完成的；其次，合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有成分的变化。合金系是指两个或两个以上的组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金。用来研究合金系在平衡条件下(极缓慢冷却或加热)各成分合金的结晶过程以及相和组织存在范围与变化规律的简明示意图即为相图。3.2.3材料的力学、物理及化学性能材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类，材料的使用性能主要是指力学、物理和化学性能；材料的工艺性能则是指可锻性、可焊性及切削加工性等。1力学性能材料常见的力学性能有弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳特性以及耐磨性。,2物理及化学性能材料的物理性能有密度、熔点、导电、导磁、导热及热膨胀等等。而化学性能主要指耐腐蚀、抗氧化性。3工艺性能材料的工艺性能主要是指其加工制造性，按工艺方法的不同，材料的工艺性能可分为以下几个方面：(1)铸造性铸造性通常指液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的性能。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料铸造质量也好。(2)可锻性可锻性指材料是否易于进行压力加工(包括锻造、压延、拉拔、轧制等)的性能。(3)可焊性可焊性指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能。(4)切削加工性切削加工性指材料进行切削加工的难易程度。,3.3金属材料3.3.1铁碳合金碳钢和铸铁是以铁与碳两种元素为基本组元的合金，常称铁碳合金。铁碳合金系相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订具有重要的意义。,1铁碳合金系相图(1)铁碳合金系组元的特性1)纯铁：结晶过程有同素异构转变。2)渗碳体：渗碳体(Fe3C)是Fe和C的稳定化合物。力学性能特点是硬而脆。(2)铁碳合金中的相1)液相L2)相3)相4)相5)Fe3C相,2铁碳合金的分类,3铁碳相图的应用(1)在钢铁材料选用方面的应用(2)在铸造工艺方面的应用(3)在热锻、热轧工艺方面的应用(4)在热处理工艺方面的应用,4碳钢(1)碳钢的分类,(2)碳钢的牌号及应用工程上所用的碳钢主要按用途来进行编号。1)普通碳素结构钢：这类钢主要保证力学性能，其牌号体现其力学性能，用Q+数字表示，数字表示屈服点数值。例如Q275表示屈服点为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，含磷、硫量依次降低，钢材质量则依次提高。若在牌号后标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢，“TZ”表示特种镇静钢。,2)优质碳素结构钢：这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其牌号是采用两位数字表示碳的质量分数的万分之几。例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45。3)碳素工具钢：这类钢的牌号用T+数字表示，数字表示钢中平均碳的质量分数的千分之几。例如T8表示平均碳的质量分数为0.80的碳素工具钢。若为优质碳素工具钢，则在钢号后附以“A”，例如T12A。5铸铁铸铁是碳的质量分数大于211，并含有硅、锰、磷、硫等元素的铁碳合金。与钢相比，铸铁的强度低，塑性、韧性差；但它有良好的铸造性、切削加工型及减振性，且工艺简单、造价低廉。(1)铸铁的分类铸铁按石墨化的程度可分为灰铸铁、麻口铸铁和白口铸铁。一般根据石墨的形态对灰口铸铁进行分类，具有片状石墨的铸铁为灰铸铁；具有团絮状石墨的铸铁为可锻铸铁；具有球状石墨的铸铁为球墨铸铁；具有蠕虫状石墨的铸铁为蠕墨铸铁。(2)铸铁的性能特点及应用1)灰铸铁：灰铸铁是应用最广泛的一类铸铁，它的产量几乎占铸铁全部产量的80以上。由于石墨的存在，使灰铸铁的抗拉强度与塑性远比钢低。它性能稳定、不易变形，具有良好阻尼，价格低廉。因此，灰铸铁主要用于制造汽车、仪器中的汽缸、仪器基座等承受压力及振动的基件。灰铸铁的牌号中HT为“灰铁”二字的汉语拼音字首，其后数字表示最抵抗拉强度值。（HT200，表示以直径30mm单个铸出测试棒测出的抗拉强度值大于200MPa，但小于300MPa。选择牌号时必须考虑铸件的壁厚）,2)球墨铸铁：球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，其综合力学性能接近于钢。它的成分不同于灰铸铁，碳含量较高。研究表明，球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的强度及良好的塑性与韧性，加之它便于生产，成本低廉，在一些机件受力复杂、综合性能要求较高，但无较大冲击力的场合下，可成功地取代某些钢件。球墨铸铁的牌号中的“QT”为“球铁”二字的汉语拼音字首，其后的两组数字分别代表抗拉强度值和断后伸长率。如QT400-18。3)可锻铸铁：可锻铸铁的强度、塑性及韧性均比灰铸铁高，但可锻铸铁实际是不能锻造的。可锻铸铁常用于制造那些壁薄(一般厚度小于25mm)、形状复杂，承受振动或冲击载荷的机件，如汽车和拖拉机的后桥外壳、活塞环等。可锻铸铁牌号中的“KT”为“可铁”二字的汉语拼音字首，“KTH”表示黑心可锻铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁。其后数字含义与球墨铸铁相同。6钢的热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。根据所要求的性能不同，热处理的类型有多种，其工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段。,(1)钢的普通热处理普通热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。1)退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般为随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等等。完全退火又称重结晶退火，一般简称退火。完全退火通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近于平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，一般还可消除内应力。常用于机件加工前的预先热处理。等温退火的作用与目的与完全退火一致，为缩短整个退火过程，常用等温退火代替完全退火。球化退火是一种不完全退火，其目的一是降低硬度，改善切削加工性能；二是为淬火前做好组织准备。主要用于改善合金工具钢的切削加工性能。均匀化退火的目的是减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分偏析和组织不均匀性。去应力退火的目的是消除铸件、锻件、焊接件在机加工、冷变形过程中的残余应力。又称低温退火，此过程中无组织变化。2)正火：正火的目的是使钢的组织正常化，与完全退火的区别是冷却速度快些，所得到组织的强度和硬度也有所提高。,3)淬火：淬火是强化钢的最重要手段，可显著提高钢的硬度和耐磨性，通过与回火工艺的配合，淬火可获得不同强韧性的组织，满足各种使用要求。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火、局部淬火和冷处理。其中，冷处理是将淬火后冷却到室温的工件继续深冷到-70-80或更低的温度，以消除变形。4)回火：钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，必须进行回火。淬火件一般强度和硬度较高，但韧性和塑性很低，通过回火可获得良好的强度与韧性的配合，满足不同使用性能的要求。低温回火(回火温度为150250)的目的是降低淬火内应力和脆性的同时保持钢在淬火后的硬度(一般达5864HRc)和高耐磨性，广泛使用于处理各种切削刀具，冷作模具、量具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件等。中温回火(回火温度为350500)后的钢具有较高的屈服极限和弹性极限，以及一定的韧性，硬度一般为3545HRC，主要用于各种弹簧的处理。高温回火(回火温度为500650)后的钢的硬度为2535HRC，这时的钢具有良好的综合力学性能。习惯上把淬火+高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”，广泛用于处理各种重要的结构零件。,(2)钢的表面热处理许多零件在工作时，承受摩擦、扭转、弯曲等交变载荷或冲击载荷，因此要求表面有较高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部又要有高韧性。但普通热处理工艺却很难兼顾表面、心部各具有不同的性能要求，因而需要采用强化表面的热处理方法，即表面淬火和化学热处理，统称为表面热处理。1)钢的表面淬火：将钢件表层迅速加热到奥氏体化温度后急冷，使表层形成马氏体组织而心部组织仍保持不变的热处理工艺即为钢的表面淬火。表面淬火只改变表层组织而不改变钢的化学成分。2)钢的化学热处理：将钢件置于一定的化学介质中加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层化学成分和组织的热处理工艺即为钢的化学热处理。化学热处理通过改变表面成分，使工件表层组织和性能发生改变。它能有效地提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳性能。如渗碳和碳氮可提高钢表面硬度、耐磨性及疲劳性能。(3)热处理与机械零件设计的关系1)热处理对零件结构形状的要求：为了减小工件淬火变形开裂倾向，零件结构设计应掌握以下原则：避免尖角、棱角。避免壁厚相差悬殊采用对称、封闭结构采用组合结构，,2)热处理对切削加工工艺的要求：为避免工件在热处理过程中造成某些缺陷，适当调整切削加工工艺，才能达到良好的冷热加工配合。合理安排冷热加工工序预留加工余量减小工件表面粗糙度值,3.3.2合金钢在炼钢时有目的地加入一定量的一种或一种以上的金属或非金属元素(即合金元素)，将这类含有所加合金元素的钢称为合金钢。1合金钢的分类及编号通常是按用途分三大类，即合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。,(1)合金结构钢基本组成为“两位数字+元素符号+数字+”，其中：前两位数字表示平均碳质量分数的万倍；元素符号后面的数字为该元素平均质量分数的百倍，当其平均质量分数小于1.5时，只标出元素符号，而不标明数字；当平均质量分数为1.52.49、2.53.49、时，相应标注为2、3、。如：18Cr2Ni4W表示平均成分为：C:0.18，Cr：2，Ni：4，w1.5，若S、P含量达到高级优质钢时，则在钢号后加A。(2)合金工具钢标注方法与合金结构钢相似，基本组成为“一位数字(或无数字)+元素符号+数字+”，其平均含碳量是用质量分数的千倍表示，如9sicr钢(成分：C：0.9，Si1.5，Cr1.5)，当碳质量分数10时，钢号中不标出。合金工具钢均属于高级优质钢，但钢号后不加“A”字。属于这一编号方法的钢种还有不锈钢、奥氏体型和马氏体型耐热钢。（3）特殊编号钢如滚动轴承钢、高速钢、易切削钢等。2合金结构钢合金结构钢主要是指用于制作工程构件和机器零件的钢，通常有以下几种。(1)普通低合金结构钢普通低合金结构钢的含碳量一般较低，不超过0.20，加入以Mn为主的合金元素。强度较高，塑性、韧性好，压力加工性和焊接性能好。常在热轧退火(或正火)状态下使用，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、石油管道、大型钢架结构等。采用普通低合金钢可以减轻结构重量，提高强度和韧性，保证使用性能耐久及安全可靠。最常用的牌号有16Mn、16MnCu等。书中Q345、Q390。,(2)渗碳钢渗碳钢主要是低碳钢和低碳合金钢。含碳量一般在0.100.25，主要加入提高淬透性的锰、镍、铬、硼等元素。表硬心韧、耐磨性好。渗碳件的最终热处理为渗碳后淬火加低温回火。主要用于制造变速齿轮、内燃机上的凸轮轴、活塞销等。(3)调质钢调质钢多用中碳和中碳合金钢，主加合金元素为Cr、Mn、Ni、Si、B等。该类钢经调质处理后具有高强度与韧性的配合，综合力学性能优良。调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床等的重要零件，如轴类、齿轮、高强度螺栓等。常用的调质钢，如40Cr、40MnB等，多用于制造一般尺寸的重要零件，如轴类、连杆、螺栓等。如35crMo、42crM0等，用于制造截面较大的零件，如曲轴、连杆等。(4)弹簧钢弹簧钢的含碳量比调质钢高，一般为0.500.90，主要加入合金元素Si、Mn。用于制造各种弹簧和弹性元件的专用结构钢。如65Mn，60Si2Mn3合金工具钢用于制造刃具、量具和模具的合金钢统称为合金工具钢。合金工具钢含有一定量的一种或几种合金元素，因而具有较碳素工具钢更优越的力学性能。按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢、量具钢等。4特殊性能钢具有特殊物理、化学性能的钢及合金的种类很多。如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、低温用钢等。,(1)不锈钢不锈钢包括两类：抗大气腐蚀的钢(称不锈钢)；另一类抗化学介质腐蚀(如酸类)的钢称耐酸不锈钢。前者不一定耐酸性介质，而耐酸不锈钢在大气中也有良好的耐蚀性能。在不锈钢中常加入的元素有Cr、Ni、Ti、Mo、V、Nb（铌）等，其中Cr是决定不锈钢抗腐蚀性能的王要元素之一。不锈钢常用两种方法分类：一是按钢中主要合金元素分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种按正火态的组织分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。1)马氏体型不锈钢：典型的马氏体型不锈钢有Cr13型不锈钢和9Cr18不锈钢。0Cr13、1Cr13、2Cr13；3Cr13、4Cr13；9Cr18、9Cr18MoV。2)铁素体型不锈钢：铁素体型不锈钢的耐蚀性、塑性、焊接性均优于马氏体不锈钢，但其强度较低。常用钢号有1Cr17、1Cr28、1Cr17Mo2Ti等。3)奥氏体型不锈钢：奥氏体型不锈钢主要含有Cr、Ni合金元素，因而又称铬镍不锈钢。常用钢号有0Cr18Ni9、1Crl8Ni9、1Cr18Ni9Ti等。(2)其他特殊钢耐热钢是指在高温下具有抗氧化性和高温强度(热强度)的钢。它多用于制作在高温下工作的锅炉、汽轮机、燃气轮机和内燃机的零件或构件。低温用钢是指在温度低于-40以下使用的钢，如盛装液氧、液氮、液氢和液氟的容器，以及在高寒或超低温条件下使用的冷冻设备及零部件用钢。耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。因其机加工很困难，一般采用铸造成形。高锰耐磨钢主要用于制造坦克及拖拉机履带、防弹钢板。,3.3.3非铁金属及粉末冶金材料除钢铁以外的其他大多数金属及其合金统称为非铁金属材料。此类材料有着钢铁材料无法替代的性能，如密度小，比强度(强度密度)高，耐腐蚀性好，导电、导热性优良等，因此在金属材料中占有很重要的地位。1铝及铝合金(1)纯铝纯铝呈银白色光泽，其密度为2.7gcm3，属轻金属范畴，其熔点为660。纯铝具有良好的导电、导热性；在大气中其表面会生成Al203。薄膜，使其内部金属不致受到氧化。纯铝的塑性好，但硬度、强度很低，耐磨性差。实践表明，通过加工硬化可提高纯铝的强度。工业上使用的纯铝，其纯度仅为99.798，总会含有一定的杂质。纯铝的牌号为1070A、1060、1050A等。可用于制作铝箔、导线、电缆以及导热和日用器皿，还可作为铝合金表面的包覆材料。由于工业纯铝强度太低(b=80100MPa)，不能制作受力的结构件，因而发展了铝合金。(2)铝合金在铝中加人合金元素，配制成各种成分的铝合金是提高纯铝强度的有效途径。实践表明，目前工业上使用的某些铝合金强度已高达600MPa以上，且仍保持着纯铝密度小、抗腐蚀性好的特点。要正确地选用铝合金，必须对其分类编号、性能特点和热处理方式有基本的了解。,1)铝合金分类：在铝中通常加入的合金元素有Cu、Mg、Zn、Si、Mn及稀土元素。铝合金可分为形变铝合金与铸造铝合金两大类。形变铝合金是指由铝合金铸锭经冷、热加工后形成的各种规格的板、棒、带、丝、管状等型材；铸造铝合金是指由液态直接浇注成工件毛坯的铝合金。2)铝合金的牌号及应用：形变铝合金形变铝合金按其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝四类。如：5A02，5(表示类别)A（表示原始纯铝）02（表示顺序号）铸造铝合金按合金中主加元素种类的不同，铸造铝合金可分为A1-Si、Al-Cu、A1-Mg及Al-Zn系四大类。其牌号用“铸”、“铝”二字的汉语拼音字头“ZL”后加三位数字表示。第一位数字代表合金类别(如数字“1”为Al-Si系；“2”为A1-Cu系；“3”为Al-Mg系；“4”为Al-Zn系)，后两位数字代表合金顺序号。2铜及铜合金(1)纯铜纯铜表面氧化后呈紫红色，故又称为紫铜。纯铜有极优良的塑性，可进彳了冷、热压力加工，但强度、硬度不高，它被广泛用来制作导线、冷凝器、抗磁性的仪器仪表等。(2)铜合金工业纯铜的强度低，不适于用作结构材料。要想在保证铜的高塑性前提下提高强度，必须在纯铜中加入合金元素，形成铜合金。常用的铜合金主要有黄铜、青铜及白铜。,1)黄铜：以锌为主加合金元素的铜合会称为黄铜。黄铜又按含合金元素种类分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是铜与锌的二元合金。其含锌量一般不超过50。黄铜不仅有很好的冷、热加工变形能力，而且还有较好的铸造性能；并且对于大气、海水具有相当的抗蚀能力。普通黄铜的牌号用“黄”字的汉语拼音字头“H”后加数字表示。数字表示铜的平均含量，如H70是含铜70的黄铜。对于铸造生产的黄铜，其牌号前加“铸”字的汉语拼音字头“Z”。在普通黄铜中加入硅、铝、锡、铅、锰、铁、镍等元素，可制成各种特殊黄铜。特殊黄铜的牌号，用H”+主加元素符号+铜含量+主加元素含量来表示。铸造特殊黄铜在牌号前加“Z”。如HPb59-1代表铅黄铜，其中含Cu59，Pb1，其余为含Zn量。2)青铜：人类早期使用的青铜为锡青铜，表面呈青灰色，主要是Cu-Sn合金。近代上业还把Cu-Al、Cu-Be、Cu-Pb、Cu-Si等铜基合金皆称为无锡青铜或特殊青铜。青铜也分为压力加工青铜和铸造青铜两类。其牌号用“青”字的汉语拼音字头“Q”+主加元素符号+主加元素含量(及其他元素含量)表示。铸造青铜在牌号前面加“Z”。,3钛及钛合金钛虽是一种工业新金属，但因它具有一系列优良的性能(如高的比强度、高的耐热性、极好的耐蚀性)。(1)纯钛钛是一种银白色的金属，其熔点为1725，密度为4.5gcm3。按杂质含量不同，工业纯钛可分为三种牌号，即TA1、TA2、TA3。数字为顺序号，数字越大，则杂质含量越多，强度越高，塑性越低。工业纯钛和一般纯金属不同，它的棒材、板材具有较高的强度，可直接用于飞机、船舶、仪器等行业。(2)钛合金在钛中加人合金元素形成钛合金，能使工业纯钛的强度获得显著的提高。钛合金按其使用状态下的组织可分为三类，即钛合金、钛合金、(+)钛合金。4粉末冶金材料粉末冶金是将几种金属粉末或金属与非金属粉末混匀压制成形，在经过烧结而获得材料或零件的加工方法。它属于具有微小孔隙的多孔材料，可具有高硬度、高摩擦系数，良好吸附性以及过滤作用。(1)粉末冶金的分类粉末冶金按制品材料分类有铁基粉末冶金和铜基粉末冶金两种。(2)粉末冶金的应用粉末冶金不需要熔炼或铸造，生产工艺简单，做到无切屑或少切屑加工，极大地提高了生产率和材料利用率。可以生产出结构材料和具有多种特殊性能的材料，硬质合金、难溶合金、磁性材料、过滤材料。,3.4高分子材料3.4.1概述高分子是指相对分子质量大于500的有机化合物，它分天然(如松香、蛋白质、天然橡胶等)、合成(如合成树脂、合成橡胶、合成纤维等)两大类。高分子化合物的化学组成并不复杂，它的每个大分子都由一种或几种较简单的低分子化合物重复连接(聚合)而成，故又称聚合物或高聚物。热塑性：在加热和溶剂作用下可熔融、溶解变软，冷却变硬，并可反复进行。热固性：热压成形后，再加热时不熔融和溶解。高分子材料的共同缺点是易老化，就是在氧、热、紫外线、机械力、水蒸气、微生物等作用下逐渐失去弹性，出现龟裂，变硬或发粘软化，变色，失去光泽。3.4.2塑料以合成树脂为主要成分，在一定温度和压力下可塑制成形的高分子合成材料，统称为塑料。塑料中能够代替金属作为工程结构材料应用的称为工程塑料。1塑料的组成塑料一般由合成树脂和添加剂组成。添加剂是为了改变塑料的性能，包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等。,2塑料的分类塑料按工艺性分为热塑性塑料和热固性塑料两大类，按使用性分为通用塑料和工程塑料。3工程塑料的特性工程塑料与金属相比，有以下特性(1)密度小(2)比强度高(3)良好的抗腐蚀性(4)优良的电绝缘性(5)耐磨、减摩、自润滑性好(6)工艺性好易热压成形塑料的弱点是耐热性差，一般塑料不宜在60100度以上工作，且易发生蠕变，导热性差，易老化。3.4.3合成橡胶橡胶也是一种高分子材料，在常温下处于高弹性状态，并具有良好的耐磨、隔音、阻尼性和绝缘性。橡胶的特点是易受氧化、光照射易老化，失去弹性。大部分橡胶不耐酸、碱、油及有机溶剂。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。,3.4.4胶粘剂胶粘剂是以富有粘性的物质为基料，加入各种配合剂，能将物件粘在一起，使胶接面有足够连接强度。1胶粘剂的组成和功用天然胶粘剂有骨胶、虫胶、桃胶和树脂等。目前大量使用人工合成树脂胶粘剂，它由粘料(一般是高聚物，如酚醛树脂、环氧树脂、丁腈橡胶等)、固化剂、改性剂(填料、增韧剂、增塑剂、稀释剂等)按不同配方组成。胶接可以部分代替铆接、焊接和螺纹联接，可以接合无法焊接的金属。2胶粘剂的分类、代号及应用胶粘剂主要按粘料分类，也可按胶粘剂的物理形态、硬化方法和被粘物材质分类。(1)按胶粘剂主要粘料属性分类分为七大类和若干小类，如表38所示。(2)按胶粘剂物理形态分类分为七类。(3)按胶粘剂硬化方法分类分为11类。(4)按被粘物材质分类分为22类。(5)按应用性能分类结构胶；非结构胶；密封胶；浸渗胶；功能胶。,3.4.5润滑材料1润滑剂的基本功能润滑剂的基本功能可归纳为五个方面：控制摩擦；减少摩擦；冷却降温；密封隔离和阻尼震动。2润滑剂的分类按照润滑剂的物质状态，可分为液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体润滑剂四大类。液体润滑剂：可提供低的、稳定的摩擦系数，低的可压缩性，能有效地从摩擦表面带走热量，保证相对运动部件的尺寸稳定和设备精度，获得广泛应用。润滑脂：如凡士林、硅胶脂。除了具有抗摩、减摩性能外，还能起密封、减震等作用，并使润滑系统简单、维护管理方便、节省操作费用。其缺点是流动性小，散热性差，高温下易产生相变、分解等。固体润滑剂：能适应高温、高压、低速、高真空、强辐射等特殊使用工况，特别适用于给油不方便、装拆困难的场合。气体润滑剂：气体可以象油一样地成为润滑剂。如空气、氦气等。气体润滑可以用在比润滑油和润滑脂更高或更低的温度下。3选用原则润滑系统应尽可能简单化，只要能保证仪器适当的润滑即可。影响选择润滑剂类型的两个主要因素通常是速度和负荷。一般是高速下较低粘度，高负荷下较高粘度。,3.5无机非金属材料3.5.1陶瓷1.陶瓮材料的含义陶瓷是指以天然或人工合成的无机非金属物质为原料，经过成形和高温烧结而制成的固体材料和制品。它可以分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷是利用天然硅酸盐矿物(如粘土、石英、长石等)为原料制成的陶瓷，又称传统陶瓷。特种陶瓷是采用高纯度的人工合成原料制成的具有各种独特的力学、物理或化学性能的陶瓷，又称新型陶瓷或现代陶瓷。2陶瓷材料的性能(1)力学性能陶瓷弹性模量很大，比金属高若干倍。陶瓷材料的塑性和韧性低、脆性大。陶瓷是各类材料中硬度最高的，这是它的最大特点。(2)物理和化学性能1)热膨胀、导热性和热稳定性：多数陶瓷的热膨胀系数较小，导热性比金属差，热稳定性差。2)化学稳定性较强。3)导电性：多数陶瓷具有良好的绝缘性能。,3.5.2玻璃1.玻璃的特性及玻璃结构(1)玻璃特性不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔融物过冷却所得到的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有固体的机械性质，均称之为玻璃。从外部特征上看是硬而脆的透明体，而其内部有如下物理特征：1)各向同性。2)没有熔点，仅有一个软化的温度范围。它不是晶体。3)具有较高内能。(2)玻璃结构玻璃的结构学说没有完全成熟，这里不作介绍。2无色光学玻璃大多数的光学玻璃以Si02为主组成，属硅酸盐玻璃。其次还有以B203，为主的硼酸盐玻璃、以P2O5，为主的磷酸盐玻璃。无色光学玻璃按光学常数分为两大类：冕牌玻璃及火石玻璃。无色光学玻璃的质量指标有折射率和中部色散与标准值的允许差值、同批玻璃中折射率和中部色散的一致性、光学均匀性、光吸收系数、应力双折射、气泡度和条纹度。3有色光学玻璃有色光学玻璃是一种主要的滤光材料，用来制作观察、照相、红外等光学仪器的滤光片。有色光学玻璃按着色剂不同分为两大类：胶体着色玻璃和离子着色玻璃。衡量有色玻璃的质量指标有光谱特性、双折射、条纹度、气泡度等。,4特殊玻璃常用的特殊玻璃有耐辐射光学玻璃、石英光学玻璃、微晶玻璃、窗用平板玻璃及硬质玻璃等。光学石英玻璃有优良的光谱特性，是制造光学零件的高级材料，也是制造光学样板与光学工具的优质材料。3.5.3光学晶体光学晶体是光学材料，用于制作光学元件，也具有一切晶体所有的共性。主要包括：紫外、红外晶体、复消色差晶体、偏振晶体、激光晶体。,3.6复合材料3.6.1概述利用适当的工艺方法，将两种或两种以上物理、化学性质或是组织结构不同的材料组合起来而制成的一种多相固体材料，称为复合材料。复合材料最大的优越性是其性能比组成材料好。复合材料为多相体系，全部相可分为两类，一类相为基体，起粘接剂作用；另一类为增强相，起提高强度或韧性的作用。分为功能复合材料和结构复合材料两大类。结构复合材料可利用其力学性能(加强度、硬度、韧性等)来制造各种承力结构和零件；功能复合材料可利用其物理性能(光、电、声、热、磁等)制作相应元器件。3.6.2常用复合材料1纤维增强复合材料工程上应用的纤维增强复合材料按其基体分为两大类，一类是树脂基，另一类是金属基。(1)树脂基纤维复合材料此类材料的基体又分热固性与热塑性两类树脂基，与不同的增强纤维组成如下几种材料：热固性玻璃钢、热塑性玻璃钢、碳纤维增强塑料、硼纤维增强材料。,(2)金属基纤维复合材料金属基复合材料的基体有铝及铝合金、钛及钛合金，还有镁、铜、镍合金等。2金属陶瓷材料由陶瓷颗粒与金属结合的颗粒增强金属复合材料称为金属陶瓷。总的说来，此类材料具有高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀的特性，多用于工具。3.7纳米材料纳米科技是20世纪80年代末、90年代初逐步发展起来