机械工程材料授课讲义

1、第七章 铸 铁本章提要本章介绍铸铁的特点、分类及编号，碳在铸铁中的两种形式存在。合金元素对铸铁中碳的存在形式和对基体组织及石墨化过程、石墨形态的影响，热处理对铸铁基体组织的影响。介绍灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及特殊性能铸铁的化学成分、组织及性能特点和应用，介绍它们的石墨化过程、孕育处理、球化处理及热处理工艺。重点讨论灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁中石墨及基体的组织特征，合金元素和热处理工艺的作用，铸铁的特点及应用。7.1 概 述一. 铸铁的特点及分类1. 特点1) 成分C2.11%wt的铁碳合金称为铸铁，特点是含有较高的C和Si，同时也含有一定的Mn、P、S等杂质元素。常用铸铁的成分为：2.5

2、4.0%C，1.03.0%Si，0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。为提高铸铁性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金铸铁。2) 组织铸铁中C、Si含量较高，C大部分、甚至全部以游离状态石墨（G）形式存在。3) 性能铸铁的缺点是由于石墨的存在，使它的强度、塑性及韧性较差，不能锻造，优点是其接近共晶成分，具有良好的铸造性；由于游离态石墨存在，使铸铁具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，许多重要的机械零件能够用球墨铸铁来代替合金钢。2. 分类根据C的存在形式，可以将铸铁分为：1) 白口铸铁：C全部以渗碳体形式存在，如共晶铸铁组织为Ld，断口白

3、亮，硬而脆，很少应用；2) 灰口铸铁：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶铸铁组织为F+G、F+P+G、P+G，断口暗灰，广泛应用；3) 麻口铸铁：C大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶铸铁组织为Ld+P+G，断口灰白相间，硬而脆，很少应用。根据石墨形态，灰口铸铁可以分为：1) 普通灰口铸铁：G呈片状；2) 孕育铸铁：G呈细片状；3) 可锻铸铁：G呈团絮状；4) 蠕墨铸铁：G呈蠕虫状；5) 球墨铸铁：G呈球状。根据金属基体组织不同，灰口铸铁又可分为：F、F+P及P灰口铸铁。二. 铸铁的石墨化1. Fe-G相图图7-1为Fe-C双重相图。G为六方晶格，如图7-2。基面上原子以共价

4、键结合，基面之间原子以范氏键结合，因此铸铁的强度、硬度、塑性及韧性极低。从热力学讲，G为稳定态，而Fe3C为亚稳态。在冷却速度非常缓慢或加入石墨化元素，可促使碳按石墨转变。但是，当冷却速度较快时，由于成分起伏及结构起伏（L、A和Fe3C的成分更接近）的原因，也可析出渗碳体。2. 铸铁石墨化过程铸铁中G的形成过程称为石墨化过程，大致分为两个阶段。1) 第一阶段：从L相中析出的一次石墨（G）和共晶转变形成的共晶G，以及Fe3C和共晶Fe3C分解出的G；2) 第二阶段：在共晶温度至共析温度之间析出的二次石墨（G）和共析G以及Fe3C和共析Fe3C分解出的G。高温时，石墨化过程进行比较完全；低温时，若

5、冷却速度较快，石墨化过程将部分或全部被抑制。因此，灰口铸铁在室温下将可能得到P+G、F+P+G、F+G等组织。3. 影响铸铁石墨化因素主要化学成分、冷却速度及铁水处理等因素。1) 化学成分合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强，向右阻碍程度加强。C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE = C% + 1/3Si%，一般CE4%，接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的铸造和力学性能，控制其含量。2)

6、 冷却速度冷速越快，不利于铸铁的石墨化，这主要取决于浇注温度、铸型材料的导热能力及铸件壁厚等因素。冷速过快，第二阶段石墨化难以充分进行。图7-3给出C、Si总量和冷却速度对铸铁组织的影响，称为Greiner组织图，分析之。三. 石墨与基体对铸铁性能的影响1. G的数量、大小、形状及分布1) 数量：G破坏基体连续性，减小承载面积，是应力集中和裂纹源，故G越多，抗拉强度、塑性及韧性越低；2) 大小：越粗，局部承载面积越小，越细，应力集中越大，均使性能下降，故有适合尺寸（长度0.030.25mm）；3) 分布：越均匀，性能越好；（4）由片状至球状，强度、塑性及韧性均提高。2. 基体F基体塑性和韧性好

7、，P基体强度、硬度及耐磨性高。3. G对其他性能的影响（如前）7.2 常用铸铁一. 灰口铸铁灰口铸铁中的G呈片状分布，分为普通灰口铸铁和孕育铸铁。1. 灰口铸铁的牌号、成分与组织1) 牌号：新标准GB5612-85，HT（灰铁）+三位数字（最低b），表7-1。其中，HT100为F基，HT150为F+P基，HT200250为P基，HT250350为孕育铸铁。2) 成分：2.53.6%C，1.12.5%Si，0.61.2%Mn及少量S和P。3) 组织：G呈片状，按基体分为F、F+P及P灰口铸铁，分别适用于低、中、较高负荷，图7-4。2. 灰口铸铁的性能与应用由于粗大片状的G存在，灰口铸铁的抗拉强度

8、、塑性及韧性低，但其铁水流动性好、凝固收缩小、缺口敏感性小、抗压强度高、切削加工性好，并且具有减摩及消震作用。3. 灰口铸铁的孕育处理加入0.30.8%硅铁，经孕育剂处理的孕育铸铁具有更高的性能，用于制造承受高载荷的另构件。4. 灰口铸铁的热处理只能改变基体，而不能改变G的形态和分布，强化效果不如钢和球墨铸铁。1) 消除内应力退火（人工时效）为消除内应力引起的变形或开裂，将铸件缓慢加热（60100/h）至500550保温一点时间（每10mm保温2h），然后随炉缓冷（2040/h）至150200出炉空冷。2) 高温石墨化退火为消除表面或薄壁处的白口组织，降低硬度，改善切削加工性，将铸件加热至85

9、0950保温14h（A+G），使部分渗碳体分解为G，然后随炉缓冷至400500以下出炉空冷。高温退火得到F或F+P基灰口铸铁。3) 正火为消除白口和提高强度、硬度及耐磨性，将铸件加热至850950，保温13h，然后出炉空冷，最后得到P基灰口铸铁。4) 表面淬火为提高表面强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，通过表面淬火使铸件表层得到细M和石墨的硬化层。一般选用孕育铸铁，基体最好为P组织。二. 可锻铸铁由一定成分的白口铸铁经石墨化退火使渗碳体分解为团絮状G的一种高强度灰口铸铁，分为黑心可锻铸铁（F基）、珠光体可锻铸铁（P基）及白心可锻铸铁（表层氧化脱碳，少用）。可锻铸铁的强度、韧性，特别是塑性高于普通灰

10、口铸铁，实际不能锻造。1. 可锻铸铁的牌号、成分与组织1) 牌号：按GB978-67，KT（可铁）+ H、Z、B（黑心、珠光体、白心）+ 三位数字（最低b）+ 二位数字（最低）。2) 成分：可锻铸铁由两个矛盾的工艺组成，即先得到白口铁，再经石墨化退火得到可锻铸铁。因此，要适当降低石墨化元素C、Si和增加阻碍石墨化元素Mn、Cr，化学成分为：2.42.8%C，0.81.4%Si，0.30.6%Mn（珠光体可锻铸铁1.01.2%）。3) 组织：基体为F和P，G为团絮状，图7-5。2. 可锻铸铁的石墨化退火1) 黑心可锻铸铁：将白口铁加热至9501000，保温约15h，共晶Fe3CA+团絮状G。从高

11、温冷却至720750，AG，在这个温度区间以35/h速度通过共析温区，AF+团絮状G；也可在略低于共析温度保温1520h，共析Fe3CF+团絮状G，最后得到F可锻铸铁。2) P可锻铸铁：加热后冷却至800860，AG，然后出炉空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可锻铸铁，图7-6。3. 可锻铸铁的性能与应用F可锻铸铁塑性及韧性较好，P可锻铸铁强度、硬度及耐磨性较高，表7-2。三. 球墨铸铁始于1948年，我国于1950年开始研制镁石墨铸铁。由于G呈球状分布，球墨铸铁的性能远优于其他铸铁，应用甚广。1. 球墨铸铁的牌号、成分与组织1) 牌号：按GB1348-78，QT（球铁）+ 三位数字（最低b

12、）+ 两位数字（最低），表7-3。2) 成分：强烈石墨化元素C、Si含量较高，CE4.54.7%，属于过共晶，含碳量过低，球化不良，含碳量过高，G漂浮。一般采取“高碳低硅原则”。阻碍石墨化元素Mn，有利与形成P基体，含量较低。S、P限制很严。由球化剂残留的微量Mg及RE。化学成分一般为：3.63.9%C，2.03.0%Si，0.60.7%Mn。3) 组织：G呈球状分布于金属基体中，每个球是由若干个锥形石墨单晶体组成，这些单晶体是由共同的结晶核心沿径向生长而成。基体有F、F+P、P或通过热处理得到S、T、下B、M等，图7-7。2. 球墨铸铁的球化处理与孕育处理将球化剂加入铁水中（一般放入浇包底部

13、）的操作过程称为球化处理。常用的球化剂有镁、稀土及稀土镁合金。镁和稀土为强烈阻碍石墨化元素，为防止白口，同时进行孕育处理，孕育剂一般选用硅铁。3. 球墨铸铁的性能与应用球铁具有优良的机械性能，G的圆整度好、球径小、分布均匀，性能越高，表7-3。在“以铸代锻，以铁代钢”方面有广泛应用。4. 球墨铸铁的热处理球铁的机械性能除与G有关外，主要取决于基体。通过热处理可以改变基体组织，提高性能。由于球铁中含有较多的C、Si、Mn等元素，决定了其热处理具有如下特点：（1）G参与了相变过程；（2）共晶（析）温度高于碳钢，奥氏体化温度和时间均高于碳钢；（3）可以大幅度调整F和A的相对量，得到不同比例的F和P基

14、体组织。1) 退火(2) 消除内应力退火：如前。(3) 高温石墨化退火：将铸件加热至900950保温14h（第一阶段石墨化），然后炉冷至600650出炉空冷。(4) 低温石墨化退火：将铸件加热至720760保温36h，然后炉冷至600出炉空冷。目的是消除自由渗碳体（高温退火）或共析渗碳体（低温退火），得到F球铁，降低硬度，提高切削加工性。2) 正火(1) 高温正火（完全A化正火）：将铸件加热至Afc1+5070（880900）保温13h，使基体全部A化，然后出炉空冷，获得P球铁。冷却时产生内应力，采用550600保温24h空冷的回火消除，图7-8。(2) 低温正火（不完全A化正火）：将铸件加热

15、至共析温度区间Asc1Afc1（820860）保温13h，使基体部分A化，然后出炉空冷，获得P+F球铁。若内应力较大，采用同样的回火消除。目的是细化组织，提高强度、硬度及耐磨性。3) 调质将铸件加热至Afc1+3050（860900）保温24h，然后油淬，再经550600回火46h，获得回火S基体+球状G组织。目的是提高综合机械性能。4) 等温淬火将铸件加热至Afc1+3050（860900）保温一段时间，然后淬入Ms以上某一温度的盐浴中等温一段时间（一般250350，3090min），使过冷A转变为下B基体组织。目的是提高综合力学性能。四. 特殊性能铸铁在普通铸铁基础上加入某些合金元素，形成

16、具有特殊性能的合金铸铁。1. 耐磨铸铁1) 无润滑条件下使用的耐磨铸铁（抗磨铸铁）(1) 白口铸铁，强度和韧性差，不能直接使用；(2) 合金白口铸铁，包括P合金白口铸铁和M合金白口铸铁；(3) 激冷铸铁，形成表面为白口，心部为灰口的组织；(4)稀土镁中锰球墨铸铁，提高了强度和韧性，组织为M或下B+A+K+球状G，表7-4。Mn的作用：阻碍石墨化元素；扩大区元素，降低Ms点；提高淬透性。(2) 有润滑条件下使用的耐磨铸铁（减摩铸铁）获得P基体组织，而G为良好的润滑剂，主要有高磷铸铁：在普通灰铸铁中加入0.40.7%P，形成高硬度呈断续网状分布的磷共晶。2. 耐热铸铁铸铁耐热性：在高温下铸铁抵抗“

17、氧化”和“生长”的能力。生长是指铸铁在反复加热和冷却时产生的不可逆体积长大现象，原因有氧化性气体沿G片界面或裂纹渗入发生内氧化；渗碳体在高温下分解为G；基体组织发生相变。提高耐热性的主要途径：1) 加入Cr、Al、Si形成氧化膜，获得单相F基体；2) 加入Ni、Mn、Cu获得单相A基体；3) 加入Cr、V、Mo、Mn阻碍石墨化元素，以免高温时渗碳体分解为G；4) 加入球化剂使G球化。耐热合金铸铁见表7-5，主要类型有硅系耐热铸铁，如RT（热铁）Si5.5（56%Si）和RQTSi5.5；铝系耐热铸铁；铝硅系耐热铸铁；铬系耐热铸铁。3. 耐蚀铸铁提高铸铁耐蚀性的主要途径有：1) 加入Cr、Al、

18、Si形成保护膜；2) 加入Cr、Si、Mo、Cu、Ni提高F基体的电极电位；3) 加入Cr、Si、Ni获得单相F或A基体；4) 减少G数量，形成球状G。耐蚀铸铁主要有高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁和高铬耐蚀铸铁，如ST（蚀铁）Si15及SQTSi15。第八章 有色金属及其合金本章提要本章介绍铝及其合金、铜及其合金和滑动轴承合金的分类、编号、成分、性能及用途。着重分析铝铜合金的时效强化，讨论铝合金及铜合金的成分、性能、热处理特点及应用，简述滑动轴承合金的工作条件和性能。铁及其合金称为黑色金属，除此以外的称为有色金属，包括轻金属、重金属、贵金属、稀有金属及放射性金属。8.1 铝及铝合金一. 工业纯铝1

19、. 结构与性能密度2.72g/cm3，熔点660.37，FCC晶格，无同素异构转变，特点是：（1）密度小，熔点低，强度、硬度低，塑性、韧性高；（2）优良的导电及导热性；（3）优良的耐蚀性。2. 纯铝的牌号及用途压力加工产品用L表示，后面的顺序号表示杂质含量的多少，分类：1) 工业纯铝：L1L7（99.798%），编号大，纯度低；2) 高纯铝：L04L01（99.99699.93%），编号大，纯度高。二. 铝合金1. 铝合金的性能及分类某些铝合金经热处理后强度显著提高，特别是比强度（b/）很高，重要的航空材料。铝合金大多为共晶型，除形成有限固溶体外，还形成金属间化合物，主要分为形变铝合金和铸造铝

20、合金，图8-1。2. 铝合金的热处理以Al-Cu合金为例，图8-2，讨论合金的固溶处理和时效强化。与钢的热处理不同，铝无同素异构转变，加热时发生（+CuAl2），淬火时（平衡）（过饱和），结构不变。固溶处理：将合金加热至单相固溶体区保温后快速冷却，得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶强化效果不明显。时效处理：将过饱和固溶体在室温放置很长时间或者加热至某一温度保温一段时间，随着时间的延长，强度、硬度升高，这种热处理工艺称为时效处理（前者为自然时效，后者为人工时效），这种强化方法称为时效强化。影响时效强化的因素有（1）固溶体浓度，浓度越大，强化效果越大；（2）时效温度，温度越高，时效加快，但降低最高

21、硬度值；（3）时效时间，时间越长，强化效果越好，但超过一定时间，产生软化。过时效：若时效温度过高，等温时间过长，导致合金软化。Al-4%Cu合金的自然时效和人工时效见图8-3，4，其基本过程为：（1）在100上形成Cu原子富集区，G. P. 区，FCC，共格；，正方点阵，共格，硬度最大；（3），正方点阵，半共格，硬度降低；（4）（CuAl2），正方点阵，非共格，明显过时效。3. 形变铝合金要求有良好的冷热加工性，不允许有过多的第二相，一般Me5%，高强度合金中，Me = 814%。分为可热处理强化铝合金（硬铝、超硬铝及锻铝）和不能热处理强化铝合金（防锈铝），分别表示为LY、LC、LD和LF，其

22、后为顺序号，表8-1。1) 防锈铝合金主要有Al-Mn，Al-Mg合金，特点为耐蚀性高，塑性和焊接性好，切削加工性差。Al-Mn系防锈铝主要为LF21，1.01.6%Mn，退火状态为+MnAl6。Mn作用为固溶强化及弥散强化（少量MnAl6），提高耐蚀性。Al-Mg系防锈铝常用的为LF2，3，5，6等。Mg作用为固溶强化。2) 硬铝合金（杜拉铝）典型的是Al-Cu-Mg系合金，特点是时效后强度、硬度很高，加工性能好，但耐蚀性差，易晶间腐蚀，常采用包铝。加入Cu、Mg形成强化相S（CuMgAl2）、（CuAl2）、T（CuMg2Al6）和（Mg2Al3）（强化效果依次减弱），在Al中有较大溶解度

23、。合金元素总量增加，强化相数量增多，强度提高，CuMg = 2.61，强化效果最好。(1) 低强度硬铝合金：如LY1LY10，主要析出相，强度低，塑性高，铆接材料。(2) 中强度（标准）硬铝合金：如LY11，主要为，其次为S，强度较高，塑性较好，中等载荷结构件。(3) 高强度硬铝合金：典型LY12，主要为S，其次为，强度较高，良好的耐热性，塑性较差，较高载荷结构件。3) 超硬铝合金典型的是Al-Zn-Mg-Cu系合金，特点是时效后强度、硬度更高，热加工性能好，但塑性及耐蚀性差，采用包铝。Al-Zn-Mg形成稳定性更高的强化相（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3），其次还有（MgZn5）和（M

24、g2Al3）。Zn、Mg含量增加，强度提高，但塑性和耐蚀性下降。超硬铝有LC4，强化相主要为+T，其次为S，强度较高；LC6，+T更多，强度更高。4) 锻铝合金典型为Al-Mg-Si-Cu系合金，特点为热塑性及耐蚀性高。Al-Mg-Si形成Mg2Si，加Cu形成W（Cu4Mg5Si4Alx）、（CuAl2）和S（CuMgAl2），主要为Mg2Si和 W。常用的有LD2、LD5、LD6、LD10等。4. 铸造铝合金铸造铝合金除了要有足够的机械性能及耐蚀性外，还要有优良的铸造性能。共晶合金的铸造性能最好，但由于有大量脆性相，使脆性增加，因此实际使用的并非都是共晶合金，只是比形变铝合金的合金元素高一

25、些，一般Me = 825%。用ZL（铸铝）表示，第一位数表示合金系（1：Al-Si，2：Al-Cu，3：Al-Mg，4：Al-Zn），后两位数为顺序号，表8-2。1) 铝硅系铸造铝合金（铝硅明）航空业应用最广的材料，特点是有良好的铸造、耐蚀和机械性能，相图8-5。(1) 简单铝硅合金（简单铝硅明）：典型的ZL102，1113%Si，属于过共晶（共晶点11.7%Si），组织为少量块状初晶Si+（+粗大针状Si），强度、塑性及韧性差。变质处理，即加入23%的钠盐变质剂可得到+（+Si）的细小组织，如图8-6，具有良好的铸造、耐热、耐蚀和焊接性能，但不能时效强化，强度较低。(2) 含Mg的特殊铝硅合

26、金（特殊铝硅明）：在Al-Si合金中加入Mg，形成Mg2Si。常用的有ZL101、ZL104，经过变质处理加人工时效，组织为细小亚共晶+Mg2Si，使强度提高。(3) 含Cu的特殊铝硅合金（特殊铝硅明）：加入Cu形成（CuAl2）。常用的有ZL107，经过变质处理加人工时效，使强度明显提高。(4) 含Cu、Mg的特殊铝硅合金（特殊铝硅明）：同时加入Cu、Mg，除形成Mg2Si、外，还形成W（Cu4Mg5Si4Alx）、S（CuMgAl2）相。常用的有ZL103、105、110，强度更高且具有高的耐热性（使用温度小于250）。2) 铝铜系铸造铝合金特点是耐热性在铝合金中最高。缺点是铸造性和耐蚀性

27、差，随着Cu增加，铸造性能越好，耐蚀性增加，但强度降低（共晶点33.2%Cu，见图8-2），因此Cu14%。常用的合金中，ZL201为Al-Cu-Mn系，除形成外，还形成耐热性更高的T（CuMn2Al12），使用温度小于300；ZL202、203为Al-Cu系，前者含810%Cu，铸造性能较好。3) 铝镁系铸造铝合金特点是密度最小，耐蚀性最好，强度最高，有较好的韧性。缺点是铸造性差，热强性低，使用温度小于200。常用的有ZL301、302。ZL301的室温组织为+Mg5Al8。因为时效时直接析出平衡相，强化效果较差，故一般温油或温水淬火后使用，综合力学性能较高。4) 铝锌系铸造铝合金特点是强度

28、较高，有良好的铸造、切削加工性能。缺点是耐蚀性差。常用ZL401（含Zn铝硅明），属于Al-Zn-Si系。8.2 铜及铜合金一. 纯铜（紫铜）1. 结构与性能密度8.94g/cm3，熔点1083，无磁性，FCC晶格，无同素异构转变，特点是：（1）优良的导电、导热及耐蚀性（不耐硝酸和硫酸）；（2）高的塑性及可焊性。2. 纯铜的牌号及用途按氧含量和生产方法不同分类，表8-3：1) 韧铜（工业纯铜）：0.020.10%O，用T（铜）表示，T1T4，顺序号越大，纯度越低；2) 无氧铜：0.003%O，用TU（无氧铜）表示，TU1、TU2；3) 脱氧铜：0.01%O，用TU+脱氧剂化学符号表示，TUP、

29、TUMn（磷脱氧铜和锰脱氧铜）。二. 铜的合金化和铜合金的分类及编号1. 铜的合金化纯铜强度较低，加工硬化较为显著，但塑性大为降低，合金化是有效途径。1) 固溶强化：优先选择与铜固溶度大的合金元素，如Zn、Al、Sn、Mn、Ni等。2) 时效强化：选择固溶度随温度变化大的合金元素，如Be。3) 过剩相强化：第二相的弥散强化作用。2. 铜合金的分类及编号根据加入合金元素的不同，分为黄铜、青铜和白铜。1) 黄铜以Zn为主加元素的铜合金称为黄铜，分为Cu-Zn二元合金的普通（简单）黄铜和在Cu-Zn基础上加入其他合金元素形成的特殊（复杂）黄铜，各种黄铜牌号见表8-4、5、6。普通黄铜牌号：H（黄）+

30、铜质量分数，如H80。特殊黄铜牌号：H（黄）+第一合金元素+铜质量分数第一合金元素质量分数第二合金元素质量分数，如HAl59-3-2。铸造黄铜牌号：ZCuZn+锌（第一合金元素）质量分数+第二合金元素+第二合金元素质量分数，如ZCuZn40Pb2。2) 青铜Cu-Sn合金是应用最早的青铜，现将除Zn、Ni以外的合金元素为主加元素的铜合金称为青铜，如锡青铜、铝青铜、铍青铜等，各种青铜牌号见表8-7。压力加工青铜牌号：Q（青）+主加元素及含量+辅加元素含量，如QAl5。铸造青铜牌号：ZCu+合金元素及含量，如ZCuSn10。3) 白铜以Ni为主加元素的铜合金称为白铜，分为普通（简单）白铜和特殊（复

31、杂）白铜，也可分为耐蚀用白铜和电工用白铜，各种白铜牌号见表8-8。普通白铜牌号：B（白）+镍质量分数，如B30。特殊白铜牌号：B（白）+第二合金元素+Ni质量分数+第二合金元素质量分数，如BMn3-12。三. 黄铜1. 普通黄铜普通黄铜是Cu-Zn合金，工业上使用的黄铜Zn50%，相图8-7。：Zn在Cu中的置换固溶体，具有很大的溶解度，FCC，塑性好。：以电子化合物CuZn为基的固溶体，BCC，塑性好。当温度低于456468以下时，转变为有序固溶体，硬而脆。：以电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体，复杂立方（黄铜结构），塑性较差。当温度低于270以下时，转变为有序固溶体，硬而脆。Zn对黄铜机械

32、性能的影响如图8-8所示。当Zn3032%时，单相固溶体，强度和塑性较高；当Zn32%时，双相+，塑性降低，Zn = 45%时强度最大；当Zn47%时，双相+，强度和塑性急剧降低。1) （单相、冷加工）黄铜：10062.4%Cu，良好的冷、热加工性，常用的H80、H70、H68。2) +（双相、热加工）黄铜：56.062.4%Cu，良好的热加工性，常用的H59、H62。2. 特殊黄铜在Cu-Zn基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Ni等形成，分别称为铝黄铜、铁黄铜等，目的是提高机械、耐蚀及工艺性能。3. 铸造黄铜铸造黄铜含较多的铜及少量的合金元素，目的是降低熔点，减小液固相线间隔，提高铸造

33、性能。铸造黄铜除具有一定的机械性能外，还具有良好的耐蚀性。4. 黄铜的脱锌和季裂是黄铜常见的腐蚀破坏形式。1) 脱锌：在酸性和盐类溶液中，表面层的锌由于电极电位低而遭受电化学腐蚀，被逐渐溶解。2) 季裂：典型的应力腐蚀开裂，采用260300去应力退火可以消除。四. 青铜典型的是锡青铜，现将除黄铜和白铜以外的铜合金都称为青铜。1. 锡青铜以Sn为主加元素的铜合金称为锡青铜，图8-9为其二元相图。：Sn在铜中的置换固溶体，有较大溶解度，FCC，塑性好。：以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，在586发生共析转变（+），BCC，塑性好。：以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，在526发生共析转变（+

34、），复杂立方（黄铜结构），硬而脆。：在350发生共析转变（+），其他同上。：以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体，HCP，极硬而脆。在实际冷却条件下，（+）由于转变很慢很难进行完全，室温下只能得到+组织，导致韧性及塑性和强度降低。Sn对青铜机械性能的影响如图8-10。当Sn56%时，固溶体，强度和塑性较高；当Sn56%时，出现相，使塑性降低；当Sn20%时，过多，强度和塑性急剧降低。因此，一般加入314%Sn，其中，压力加工锡青铜57%Sn，铸造锡青铜1014%Sn。锡青铜的特点是耐蚀性高，超过纯铜和黄铜，缺点是结晶温度间隔宽，铸造性能差，为此加辅加元素Pb、Zn等改善。2. 铝青铜以Al为主加

35、元素的铜合金称为铝青铜，相图见图8-11。：Al在铜中的置换固溶体，溶解度较大，FCC，强度和塑性较高。：以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，在565发生共析转变（+2），BCC。2：以电子化合物Cu32Al19为基的固溶体，硬而脆。Al对青铜机械性能的影响见图8-12。当Al78%时，固溶体，强度、塑性较好；当Al78%时，塑性急剧降低；当Al1011%时，出现脆性2，强度和塑性都显著降低。因此，一般Al12%，压力加工铝青铜57%Al，铸造铝青铜7%Al。铝青铜特点是强度、硬度、耐磨性和耐蚀性均优于黄铜和锡青铜，结晶温度区间小，流动性能好，缺点是易形成Al2O3杂质、切削加工性和焊接性差。

36、3. 铍青铜以Be为主加元素的铜合金称为铍青铜，相图见8-13。：Be在铜中的置换固溶体，溶解度较小，FCC，塑性好。1：以电子化合物CuBe为基的无序固溶体，在605发生共析转变1（+2），BCC，塑性好。2：以电子化合物CuBe为基的有序固溶体，BCC，硬而脆。Be对青铜机械性能的影响见图8-14。当Be2%时，塑性急剧下降，因此常用含量1.72.5%Be。特点是弹性极限和疲劳强度极高，导电、导热性高，耐蚀、耐磨性好，无磁性，接触时不溅射火花，适合做高精密弹性元件；具有强烈的时效硬化效应，时效处理后的强度及硬度很高，可以达到b12501500MPa，HB350400。缺点是价格昂贵，有毒。

37、4. 硅青铜以Si为主加元素的铜合金称为硅青铜，具有良好的冷、热加工性能，铸造性能，价格低廉。硅对青铜力学性能的影响如图8-15。当Si3%时，塑性将快速下降。五. 白铜白铜是以Ni为主加元素的铜合金，Cu-Ni合金为匀晶系，固态下为无限固溶体，具有良好的强度、硬度、塑性及韧性，具有良好的冷、热加工性，高耐蚀性。8.3 滑动轴承合金一. 滑动轴承的工作条件及性能要求滑动轴承与滚动轴承相比，具有承载面积大，工作平稳，无噪音，装拆方便等优点。它由轴承体和轴瓦组成，轴瓦一般是在钢制轴瓦内侧浇注或者轧制一层耐磨合金（内衬）。用于制造轴瓦内衬的耐磨合金称为滑动轴承合金。工作条件：高速运转时，轴瓦和轴之间

38、产生强烈摩擦，承受周期性负荷和冲击力，使材料磨损。性能要求：1) 耐磨性高，具有较小的摩擦系数（减摩）；2) 疲劳强度和抗压强度高；3) 足够的塑性及韧性；4) 导热性和耐蚀性好。一般采用在软基体上均匀分布一定大小的硬质点的合金，如图8-16，或者反之。二. 滑动轴承合金的分类与编号常用Sn、Pb、Al、Cu、Fe基轴承合金。其中，锡基和铅基合金又称为巴氏合金。牌号：Z（铸）（Ch（承）+基本元素+主加元素+主加元素含量+辅加元素+辅加元素含量。三. 常用的滑动轴承合金1. 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）以Sn-Sb合金为基的合金，是软基体上分布硬质点的合金，历史悠久。Sn-Sb合金相图见图8-

39、17。：Sb溶于Sn中的置换固溶体，硬度为30HB，作为软基体。：以SnSb为基的固溶体，硬度为110HB，作为硬质点。比重轻上浮，为防止比重偏析，加入Cu形成高熔点Cu3Sn。常用牌号ZSnSb11Cu6，室温组织为+Cu3Sn，如图8-18。黑色基体是，白色方块或多边形为，白色针状或星状为Cu3Sn。特点及用途见书及表8-9。2. 铅基轴承合金（铅基巴氏合金）作为锡基轴承合金的代用合金，以Pb-Sb系应用最广，也是软基体上分布硬质点的合金。该合金相图是二元共晶相图，所用合金是过共晶，室温组织为初晶（硬质点）+（+）共晶（软基体）。为避免轻引起比重偏析，加入Cu形成Cu2Sb。常用的ZPbS

40、b16Cu2合金，组织为+（+）+Cu2Sb，见图8-19。铅基轴承合金性能不如锡基轴承合金。3. 铜基轴承合金主要包括铅青铜及锡青铜，常用的有如下牌号。ZCuPb30是硬基体上分布软质点的轴承合金，润滑性能好，摩擦系数小，耐磨性好，导热性强，用于高速滑动轴承。ZCuSn10P1是软基体上分布硬质点的轴承合金，强度高，耐磨性好。4. 铝基轴承合金特点是比重小，导热性好，承载强度和疲劳强度高，热强性高，优良的耐蚀性和减摩性。1) Al-Sb-Mg轴承合金成分3.55.0%Sb，0.30.7%Mg，Fe0.75%，Si0.5%，余为Al，是软基体上分布硬质点的合金。室温组织为（Al）软基体+（Al

41、Sb）硬质点。Mg作用是形成Mg3Sb2，使针状AlSb变为片状。承载能力不大。2) Al-Sn轴承合金高锡铝基轴承合金具有高的承载能力和疲劳强度，成分为17.522.5%Sn，0.751.25%Cu，余为Al，是硬基体上分布软质点的合金。室温组织为初晶（Al）+共晶（+Sn），但（+Sn）呈离异形式，Sn呈网状分布于晶界上。经和钢背一起轧制和退火，组织是硬的铝基上均匀分布软的粒状Sn质点。3) Al-G轴承合金（略）第九章 高分子材料9.1 概 述 高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物，又称高分子或大分子等。高分子化合物中分子所含的原子数可达数万，甚至数十万，

42、而低分子化合物分子的原子数不过几个，最多数百个。习惯上将分子量小于500的，称为低分子化合物，分子量大于5000的称为高分子化合物。高聚物的分子量虽大，但其化学组成却比较简单，它通常由C、H、O、N、S等元素构成。 高分子材料以其特有的性能：重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、绝缘性好，被大量地应用于工程结构中。9.2 工程塑料一. 塑料的涵义与组成塑料是一类以天然或合成树脂为基本原料，在一定温度、压力下可塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的高聚物材料。塑料常被用作耐腐蚀材料、电绝缘材料、绝热保温材料、摩擦材料，难以应用到高温、高强度的场合中。 根据塑料的组成不同，可分简单组分和复杂组分两类。简

43、单组分的塑料基本上由一种物质(树脂)组成，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯等，仅加入少量色料、润滑剂等辅助物质。复杂组分的塑料除树脂外，还须加入添加剂，如酚醛塑料、环氧塑料等。 树脂是塑料的主要成分，在常温下呈固体或黏稠液体，但受热时软化或呈熔融状态。树脂主要决定塑料的类型(热塑性或热固性)，也决定塑料的基本性能。因此，大多数塑料就是以所用树脂的名称命名。 塑料添加剂(即助剂)是指那些为改善塑料的使用性能和成型加工特性而分布于树脂中，但对树脂的分子结构无明显影响的物质，包括增塑剂、稳定剂(防老化剂)、填充剂(填料)、固化剂(硬化剂)、润滑剂、着色剂(染料)、发泡剂、催化剂和阻燃剂等。二. 塑料的分类根据

44、树脂受热行为的不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。1. 热塑性塑料 它的特点是：受热软化、熔融，具有可塑性，冷却后坚硬，再受热又可软化，如此反复其基本性能不变；可溶解在一定的溶剂中(即具有可溶可熔性)；成型工艺简便，形式多种多样，生产效率高，可直接注射、挤压、吹塑成所需形状的制品，而且具有一定的物理、力学性能。缺点是：耐热性和刚性都较差，最高使用温度一般只有120左右，否则就会变形。但近期发展的氟塑料、聚酰亚胺等有突出的性能，如更优良的耐腐蚀、耐高温等性能，成为性能相当优越的工程塑料。2. 热固性塑料 它的特点是：在一定温度下，经过一定时间的加热或加入固化剂后，即可固化成型。固化后的塑料质地坚

45、硬、性质稳定，不再溶于溶剂中，也不能用加热方法使它再软化(即具有不溶不熔性)，强热则分解、破坏；抗蠕变性强，受压不易变形，耐热性较高，即使超过其使用温度极限，也只是在表面产生碳化层，不会立即失去功能。缺点是：树脂性质较脆，机械强度不高，必须加入填料或增强材料以改善性能，提高强度；成型工艺复杂，大多只能采用模压或层压法，生产效率低。三. 塑料的性能特点塑料的优点是：1. 相对密度小、质轻 质轻是塑料最大特性之一，一般塑料的相对密度为0.92.3具有很好的比强度。2. 良好的减摩、耐磨和自润滑性能 塑料的摩擦系数较小，同时许多塑料如聚四氟乙烯、尼龙等具有良好的自润滑性能。3. 电绝缘性能好4. 耐

46、腐蚀性能好一般塑料对酸、碱、大气腐蚀等化学介质具有良好的抵抗能力。5. 具有消音吸震性 用它制作传动零件可减少噪音，改善环境。工程塑料也存在一些严重的缺点：1. 强度、刚度低 这是塑料作为工程结构材料使用的最大障碍之一。2. 冲击韧性低3. 蠕变温度低 塑料在室温下受到载荷作用后即有显著的蛹变现象产生冷流性至发生蠕变断裂。4. 耐热性低、线膨胀系数大载荷大 大多数塑料只在100以下使用，只少数在200左右的环境下长期使用。塑料的线膨胀系数比金属要大310倍，因此难以与金属件紧密结合。5. 有老化现象四. 常用工程塑料简介1. 聚乙烯(PE) 聚乙烯由单体乙烯聚合而成，一般可分为低密度聚乙烯(L

47、DPE)和高密度聚乙烯(HDPE)两种。前者分子量、密度及结晶较低、质地柔软，且耐冲击，常用于制造塑料薄膜、软管等。后者分子量、密度及结晶均较高，比较刚硬、耐磨、耐蚀，绝缘性也较好，所以可作结构材料，如耐蚀管道等”。2. 聚氯乙烯(PVC) 聚氯乙烯是以氯乙烯为单体制得的高聚物。PVC的密度、强度、刚度及硬度均高于PE。PVC加入少量添加剂时，可制得软、硬两种PVC。硬质PVC塑料具有较高的机械强度，良好的耐蚀性、耐油性和耐水性，常被用于化工、纺织工业和建筑业中。软质PVC塑料坚韧柔软、耐挠曲，弹性和电绝缘性好，吸水率低，难燃及耐候性好，广泛用于制造农用塑料薄膜、包装材料、防雨材料及电线电缆的

48、绝缘层等，用途十分广泛。3. 聚丙烯(PP) 聚丙烯是以丙烯为单体聚合制得的高聚物。PP的相对密度小(塑料中最轻的)，耐热性能良好(可以加热至150C不变形)，机械强度、刚度、硬度高，具有优良的电绝缘性。应用于机械、化工、电气等工业。4. ABS塑料 ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物，三种单体相对含量可任意变化，制成各种树脂。ABS兼有三种组元的共同性能，A使其耐化学腐蚀、耐热，并有一定的表面硬度，B使其具有高弹性和韧性，S使其具有热塑性塑料的加工成型特性并改善电性能。因此ABS塑料是一种原料易得、综合性能良好、价格便宜、用途广泛的“坚韧、质硬、刚性”材

49、料。ABS塑料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中获得了广泛的应用。5. 聚酰胺(PA，称尼龙或锦纶) 聚酰胺(PA)是指主链节含有极性酰胺基团(CONH)的高聚物。最初用作制造纤维的原料，后来由于PA具有强韧、耐磨、自润滑、使用温度范围宽等优点，成为目前工业中应用广泛的一种工程塑料。PA广泛用来代替铜及其他有色金属制作机械、化工、电器零件，如柴油发动机燃油泵齿轮、水泵、高压密封圈；输油管等。6. 聚甲醛(POM) 聚甲醛是指大分子链中以CH2O链节为主的高聚物。POM的疲劳强度、耐磨性和自润滑性比大多数工程塑料优越，并且还有高弹性模量和强度，吸水性小，同时尺寸稳定性、化学稳

50、定性及电绝缘性也好，是一种综合性能良好的工程材料。POM主要用于代替有色金属制作各种结构零部件。用量最大的是汽车工业、机械制造、精密机器、电器通讯设备乃至家庭用具等领域。 7. 聚碳酸酯(FC) 聚碳酸酯的大分子链中既有刚性的苯环，又有柔性的醚键，所以具有优良的力学、热和电性能。FC常被人们誉为“透明金属”。FC最突出的优点是冲击韧性极高，并耐热耐寒(可在100130范围内使用)，具有良好的电性能、抗化学腐蚀性和耐磨性。导热系数小，但线膨胀系数比金属大得多。FC不但可代替某些金属和合金，还可代替玻璃、木材等，广泛应用于机械、电气、光学、医药等部门。8. 聚四氟乙烯(PTFE或F-4，俗称塑料王

51、) PTFE是由四氟乙烯(的聚合物。性能特点是突出的耐温性能(长期使用温度为180250)，极低的摩擦系数，因而可作为良好的减摩、自润滑材料；优越的化学稳定性，不论是强酸、强碱还是强氧化物对它都不起作用。其化学稳定性超过了玻璃、陶瓷、不锈钢及金、铂，故有“塑料王”之称；优良的电性能，它是目前所有固体绝缘材料中介电损耗最小的。PTFE主要用于特殊性能要求的零部件，如化工设备中的耐蚀泵。9. 酚醛塑料(PF)酚醛塑料是以酚醛树脂为主，加入添加剂而制成的。它是酚类化合物和醛类化合物缩聚而成，其中以苯酚与甲醛缩聚而得的酚醛树脂最为重要。PF具有一定机械强度和硬度，绝缘性能良好，兼有耐热、耐磨、耐蚀的优

52、良性能，但不耐碱，性脆。PF广泛应用于机械、汽车、航空、电器等工业部门，用来制造各种电气绝缘件(电木)，较高温度下工作的零件，耐磨及防腐蚀材料，并能代替部分有色金属(铝、铜、青铜等)制作零件。10. 环氧塑料(EP) 环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂填料或其他添加剂后制成的热固性塑料。环氧树脂是很好的胶黏剂，俗称“万能胶”。在室温下容易调合固化，对金属和非金属都有很强的胶黏能力。EP具有高的机械强度，较好的韧性，优良的耐酸、碱及有机溶剂的性能，还能耐大多数霉菌、耐热、耐寒，能在苛刻的热带条件下使用，具有突出的尺寸稳定性等。用环氧树脂浸渍纤维后，于150和130140MPa的压力下成型，成为环氧“

53、玻璃钢”，常用作化工管道和容器、汽车、船舶和飞机等的零部件。9.3 橡胶材料 橡胶是指常温下弹性特别好的高聚物材料，它们的弹性变形可达到1001000。由于它具良好的伸缩性、储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，因而广泛用于弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料，起着其他材料所不能替代的作用。橡胶材料是工业、国防上的重要战略物资，人们日常生活也离不开它。一. 橡胶的组成橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂以后所组成的高分子弹性体。 生胶按其来源可分为天然生胶和合成生胶。天然生胶一般从热带的橡树上取得。生胶是橡胶制品的重要组成部分，但它受热发黏、遇冷变硬、强度差、不耐磨、也不耐溶剂，只能在535

54、范围内保持弹性，故不能直接用来制造橡胶制品。通常要在生胶中加入硫化剂、促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老剂、着色剂、发泡剂、硬化剂等，统称为配合剂。二. 橡胶的主要性能特点1. 高弹性 橡胶由若干细长而柔顺的分子链组成。分子链通常蜷曲成无规线团状，相互缠曲。当受外力拉伸时分子链就伸直，外力去除后又恢复蜷曲。橡胶的弹性模量低，变形量大，形变快速可逆。2. 机械强度 橡胶的实际机械强度是决定橡胶使用寿命的重要因素。指标包括抗撕裂强度和定伸强度(即把橡胶拉伸至一定长度所需要的应力值)。3. 耐磨性 耐磨性即橡胶抵抗磨损的能力。通常橡胶强度愈高，耐磨性越好。三. 常用橡胶材料1. 天然橡胶(NR)

55、NR的来源是橡树的胶乳。NR有较好的弹性和机械强度，有较好的耐碱性能，但不耐强酸，在非极性溶剂中膨胀，故不耐油。它能吸收空气中的氧，造成橡胶发黏和龟裂等。NR广泛用于制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋等各种橡胶制品。2. 通用合成橡胶 天然橡胶资源有限，而合成橡胶由于原料价格便宜，来源丰富，且具有高弹性、不透水、耐油、耐磨、耐寒等优异性能，所以获得长足发展。 丁苯橡胶(SBR)：与NR相比，SBR具有较好的耐磨性、耐热性、耐老化性，质地均匀、价格低，它能与NR以任意比例混用。SBR在大多数情况下可代替NR使用。$BR的缺点是生胶强度低，黏性差，成型困难，制成的轮胎在使用中发热量大，弹性差。 氯丁橡胶(CR)：人们常称之为“万能橡胶”。CR的耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃烧性(近火分解出HCll气体，能阻止燃烧)、耐溶剂性、耐老化性等均优于NR，它既可作通用橡胶使用，又可作为特种橡胶。3. 特种合成橡胶 丁腈橡胶(NBR)：NBR的耐油、耐燃烧性能十分突出，对一些