材料性能及其加工第5章有色金属及非金属课件

1、第5章 有色金属及非金属本章知识点先导案例第一节 铝及铝合金第二节 铜及滑动轴承合金第三节 粉末冶金与硬质合金第四节 高分子材料第五节 复合材料第六节 其他非金属材料下一页第1页，共89页。第5章 有色金属及非金属知识拓展先导案例解决本章小结思考题上一页第2页，共89页。本章知识点1.掌握有色金属铝及铝合金、铜及铜合金的特性及牌号选用。2.掌握有色金属滑动轴承合金和硬质合金的特性及牌号选用。3.了解有色金属材料类型及其特性。返回第3页，共89页。先导案例请分析以下两张图片中的物品是属于什么材料?各有什么性能特点?下一页返回第4页，共89页。先导案例通常把铁及其合金称为黑色金属。除黑色金属以外的

2、其他金属称为有色金属。有色金属的种类很多，由于冶炼较为困难，成本较高，故其产量和使用量远不如黑色金属多。但是，有色金属具有某些特殊的物理、化学性能，如镁、铝合金密度小，铜、银合金导电性好，钨、铂、锐合金耐高温性好等，使其成为现代工业中不可缺少的重要机械工程材料，广泛应用于机械制造、航空、航海、化工、电器等部门。常用的有色金属有铝及铝合金、铜及铜合金、滑动轴承合金、硬质合金等。 上一页下一页返回第5页，共89页。先导案例非金属材料是金属材料以外一切材料的总称。目前机械工程上应用的非金属材料有工程塑料、合成橡胶、工业陶瓷、复合材料、合成胶私剂等。其中前两种属于高分子合成材料，工业陶瓷是无机非金属材

3、料，复合材料是用适当的工艺方法将两种或多种性质不同的材料复合而成的新材料。胶私剂是一种靠界面作用产生的私合力将各种材料牢固地胶私在一起的物质。上一页返回第6页，共89页。第一节 铝及铝合金在有色金属中，铝及铝合金是应用最广泛的金属材料，其独特的性能，使之成为现代工业中极其重要的结构材料。一、纯铝纯铝呈银白色，是地壳中蕴藏量最丰富的元素之一，约占全部金属元素的1/3。铝是一种轻金属，面心立方品格、无同素异构转变，具有许多优良的性能。(1)熔点低、密度小。铝的熔点660，易于铸造成型。铝的密度为2.7 g/cm3，约为铁的1/3，比强度高于铁。(2)优良的加工工艺性能。纯铝的强度、硬度低(b =8

4、0100MPa,20HBS)，塑性、韧性很好(=50%, =80%)，可以进行各种冷、热加工。纯铝经冷变形强化后，强度b =150250MPa，但塑性下降。下一页返回第7页，共89页。(3)良好的电导性和热导性。铝的电导性仅次于金、银、铜，其电导率是铜的60% 。 (4)良好的耐大气腐蚀能力。纯铝和氧的亲和力很大，在空气中会生成致密的A1203薄膜，有效阻止铝的进一步氧化。铝含量不低于99.00%为纯铝，其牌号按GB/T 16474-1996的规定，用1X X X表示。牌号的最后两位数字表示铝的最低白分含量，第一位字母表示原始纯铝的改型情况，如A135表示WAl=99.35%的纯铝。工业纯铝是

5、WAl=99.00% 99.80%的纯铝，杂质元素是铁、硅等，其含量越多，电导性、热导性、耐蚀性和塑性越差。工业纯铝主要用来制作电线、电缆、散热片、配置合金等。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第8页，共89页。二、铝合金纯铝的强度低，不宜用来制造承受载荷的结构零件。在生产实践中发现，当纯铝加入适量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素后，可得到具有较高强度的铝合金;再经过冷加工。或热处理，其抗拉强度可进一步提高到5OON/mm2以上;而目，铝合金的比强度(抗拉强度与密度的比值)高，有良好的耐蚀性和加工性，因此，在国民经济和航空工业中得到广泛应用。1.铝合金的分类铝合金相图的一般形式如图5-1所示。按

6、成份和工艺特点，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两类。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第9页，共89页。相图中的DF线是合金元素在铝中的溶解度变化曲线，D点是合金元素在铝中最大溶解度点。合金元素含量低于D点的合金，当加热到DF线以上时，能形成单相固溶体组织a，其塑性较高，适于压力加工，故称为变形铝合金。其中，合金成份在F点以左的合金，由于其固溶体成份不随温度而变化，在固态下加热或冷却均无相变发生，即不能进行热处理强化，称为不能热处理强化的铝合金;而在F点以右的铝合金(包括铸铝合金)，其固溶体成份随温度变化而沿DF线变化，在加热或冷却时会发生相变，可以用热处理的方法使合金强化，称为能热处理强

7、化的铝合金。合金元素含量超过D点的合金，具有共品组织，适用于铸造，而不适用于压力加工，故称为铸造铝合金。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第10页，共89页。1)变形铝合金变形铝合金按其性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝合金，这类铝合金一般都加工成各种规格型材(板、带、竹、线等)产品供应。根据“国际牌号注册组织”推荐的4位数字体系牌号命名方法，GB/T 16474-1996规定，用“四位数字”或“四位字符”表示变形铝及铝合金的牌号。化学成份己在国际组织注册命名的铝及铝合金采用“四位数字”体系牌号;未注册的铝及铝合金采用“四位字符”体系牌号。“四位数字”体系牌号用4个阿拉伯数字表示。第一位数

8、字表示组别:1xxx表示纯铝，纯铝牌号中第一个数字表示杂质含量的控制情况，最后两位数字表示铝质量白分数小数点后的两位数。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第11页，共89页。例如1060表示铝的质量白分数为99. 60%的纯铝;2xxx, 3xxx,，9xxx分别表示变形铝合金中的主要元素分别为Cu, Mn, Si, Mg, Mg+Si, Zn、其他元素，变形铝的第一位数字表示铝合金的改型情况，如果第一位数字为0，则表示原始合金，19表示改型合金(即该合金的化学成份在原始合金的基础上允许有一定的偏差)，最后两位数字没有特殊的意义，仅用来识别同一组中的不同铝合金，如牌号5056表示主要合金元素为

9、Mg的56号原始铝合金。“四位字符”体系牌号的第一、二、四位为阿拉伯数字，第一位为英文大写字母。其中第一、二、四位数字的意义与“四位数字”体系牌号表示法的规则相同，第一位字母表示纯铝或铝合金的改型情况，A表示原始铝或铝合金，B Y表示原始合金的改型合金。例如2A11表示主要合金元素为Cu的11号原始铝合金。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第12页，共89页。常用的变形铝合金有以下四种。(1)防锈铝合金。属于Al-Mn系和Al-M g系合金，是热处理不能强化的形变铝合金，只能通过冷压力加工来提高强度，具有适中的强度和优良的塑性，并具有很好的耐腐蚀性，故称为防锈铝合金。主要用途是制造油糟、油箱、

10、导竹、生活用器皿、各种容器、防锈蒙皮等。(2)硬铝合金。属于A 1-M g-Cu系和A1-Mn-Cu系。这类铝合金经固溶和时效处理后获得相当高的强度，故称为硬铝。硬铝的耐蚀性比纯铝差，更不耐海洋大气的腐蚀，所以有些硬铝的板材常在表面包覆一层纯铝后使用。其主要用途是作中等强度的构件和零件，如铆钉、螺栓、航空工业的一般受力结构件。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第13页，共89页。(3)超硬铝合金。属于A1-Mg-Cu-Zn系。这类铝合金是在硬铝基础上再加锌形成的，其强度高于硬铝，但耐蚀性较差。超硬铝合金经过固溶处理和人工时效处理后，是室温强度最高的铝合金。主要用作受力大的重要构件及高载荷零件，

11、如飞机大梁、柑架、翼肋、活塞、加强框、起落架、螺旋桨叶片等。(4)锻铝合金。大多属于A1-Mg-Cu-Si系。力学性能与硬铝相近，但由于热塑性较好，适于采用压力加工，如锻压、冲压等，制造各种形状复杂的零件或制成棒材。常用变形铝合金的主要特性和用途见表5-1。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第14页，共89页。2)铸造铝合金铸造铝合金与变形铝合金相比，一般其合金元素的含量较高，具有良好的铸造性能，但塑性与韧性较低，不能进行压力加工。按其所加入合金元素不同，铸造铝合金可分为A1-Si系、A1-Cu系、A1-Mg系、A1-Zn系四类。铸造铝合金牌号用“ZA1+元素符号+数字”表示。ZA1表示“铸造

12、铝合金”，其后表示除铝外主要加入元素的符号及其平均百分含量，杂质含量低、性能优质的合金，在牌号后附加字母“A”。例如ZA1Si7MgA，表示优质铸造合金，其中Si=7%, Mg=1%，其余为A1。为方便使用，铸造铝合金也常用代号来表示，代号用“ZL”加二位数字表示。其中“ZL”表示“铸铝”，第一位数字表示合金类别，上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第15页，共89页。一、二位数字表示合合金顺序号。例如:ZL102，表示2号A1-Si铸造铝合金。常用铸造铝合金的牌号、代号、性能和用途举例见表5-2 。(1) Al-Si系。铝硅合金又称硅铝明，由铝、硅两种元素组成的合金称简单硅铝明，除铝硅外还加入

13、其他元素的合金称特殊硅铝明。简单硅铝明为热处理不能强化的铝合金，故强度不高。特殊硅铝明因加入铜、镁、锰等元素使合金强化，并可通过热处理进一步提高力学性能。该合金有良好的铸造性能，可用作内燃机活塞、气缸体、水冷的气缸头、气缸套、风扇叶片、形状复杂的薄壁零件以及电机仪表的外壳、油泵壳体等。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第16页，共89页。(2)Al-Cu系。铝铜合金强度较高，加入镍、锰更可提高耐热性，用于高强度或高温条件下工作的零件，如内燃机气缸、活塞、柱架梁、支臂等。 (3)Al-M g系。铝镁合金有良好的耐蚀性，可用作在腐蚀介质条件下工作的铸件，如氨用泵体、泵盖及海轮配件等。 (4)Al-

14、Zn系。铝锌合金有较高强度，价格便宜，用于制造医疗器械、仪表零件、飞机零件和日用品等。铸造铝合金可采用变质处理细化品粒。即在液态合金熔液中加入氟化钠和氯化钠的混合盐（2/3NaF+1/3NaCl） ，加入量为合金质量的1%3%。这些盐和液态铝相互作用，因变质作用细化品粒，从而提高了其力学性能，使抗拉强度提高30%40%，伸长率提高1%2%。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第17页，共89页。2.铝合金的热处理1)热处理特点铝合金的热处理与钢不同。一般钢经淬火后，硬度和强度立即提高，塑性下降。铝合金则不同，能热处理强化的铝合金，淬火后硬度和强度不能立即提高，而塑性与韧性却显著提高;但在室温放置

15、一段时间后，硬度和强度才显著提高，塑性与韧性则明显下降，如图5-2所示。这种淬火后合金的性能随时间而发生显著变化的现象，称为“时效”或“时效硬化”，这是因为铝合金淬火后，获得均匀过饱和的固溶体是不稳定的，有析出第一相金属化合物的趋势。上一页下一页返回第一节 铝及铝合金第18页，共89页。时效分为自然时效和人工时效两种。在室温下进行的时效称为“自然时效”;在加热条件(一般100-200 )下进行的时效称为“人工时效”。2)热处理方法常用的方法有退火，淬火和时效等。退火可消除加工硬化，恢复塑性变形能力;消除铸件的内应力和成份偏析。淬火也称“固溶处理”，目的是获得均匀的过饱和固溶体。时效处理是使淬火

16、铝合金达到最高的强度。淬火时效是强化铝合金的主要途径之一。上一页返回第一节 铝及铝合金第19页，共89页。 一、铜及铜合金纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化铜膜后，呈紫红色，故俗称紫铜。由于纯铜是用电解方法提炼出来的，故又称电解铜。1.纯铜的性能纯铜的熔点为1083 密度为8.9 g /cm3，具有面心立方品格，没有同素异构转变，无磁性。纯铜具有很高的导电性、导热性和耐腐蚀性，纯铜硬度很低，但塑性很好( =45%50%)，容易进行热压力或冷压力加工。纯铜经冷塑性变形后，可提高其强度，但塑性有所下降。2.纯铜的牌号及用途 下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第20页，共89页。纯铜产品按化学成份分为纯铜

17、和无氧铜两类。纯铜中常含有铅、秘、氧、硫和磷等杂质元素，它们对铜的力学性能和工艺性能有很大的影响，尤其是铅和秘的危害最大。由于纯铜的强度低，不宜作为结构材料使用，而广泛地用于制造电线、电缆、铜竹以及作为冶炼铜合金的原料。表5-3为纯铜的牌号、化学成份和用途举例。 3.铜合金的分类工业上广泛使用的是铜合金。按照合金的成份，铜合金可分为黄铜、白铜和青铜二类。1)黄铜上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第21页，共89页。指以铜和锌为主的合金。普通黄铜是铜锌一元合金，在铜锌合金中又加入其他元素时称为特殊黄铜，如铅黄铜等。根据生产方法的不同，又可分为压力加工黄铜与铸造黄铜两类。2)白铜指以铜和镍为

18、主的合金。普通白铜是铜镍一元合金，在铜镍合金中又加入其他元素时称为特殊白铜，如锌白铜。3)青铜指除黄铜和白铜以外的铜合金。如铜和锡的合金称为锡青铜，铜和铝的合金称铝青铜，此外还有被青铜、硅青铜、锰青铜等。和黄铜、白铜一样，各种青铜中还可加入其他合金元素，以改善其性能。根据生产方法的不同，也分为压力加工青铜与铸造青铜两类。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第22页，共89页。二、滑动轴承合金滑动轴承合金是用来制造滑动轴承轴瓦及其内衬的合金。滑动轴承是机床、汽车、拖拉机等机械上的重要零件之一。与滚动轴承相比，由于滑动轴承具有制造、修理和更换方便、与轴颈接触面积大、承受载荷均匀、工作平稳、无噪

19、声等优点，所以应用广泛。例如，磨床的主轴承、连杆轴承、发动机轴承等大多使用滑动轴承。1.对滑动轴承合金性能的要求滑动轴承由轴承体和轴瓦组成，轴瓦直接与轴颈相接触，在转动中，轴瓦和轴之间存在不可避免的磨损，而轴是机器上重要和昂贵的部件，更换也比较困难。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第23页，共89页。所以最好使轴的磨损最小，而让轴瓦被磨损。为此，轴瓦材料应满足以下要求。(1)具有足够的强度、塑性和韧性，以抵抗冲击和振动;(2)具有适当的硬度，以免轴的磨损;(3)具有较小的摩擦系数和良好的磨合性(指轴和轴瓦在运转时互相配合的性能)，并能保存润滑油，以保持正常的润滑; (4)良好的导热性与

20、耐蚀性; (5)良好的工艺性，即易于浇铸，易于和瓦底焊合;(6)成本低廉。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第24页，共89页。 2.滑动轴承合金的理想组织滑动轴承合金必须具有较理想的组织来保证获得以上性能。轴承合金理想的组织是:在软的基体上分布着硬质点，或是在硬的基体上分布软质点。这样，在轴承工作时，软的组成部分很快被磨损，下四的区域可以储存润滑油，使表面形成连续的油膜;硬质点则凸出以支承轴颈，使轴承与轴颈的实际接触面积大为减少，减少轴承摩擦，使轴承具有良好的耐磨性;软基体有较好的磨合性与抗冲击、抗振动的能力，但这类组织的承载能力较低，属于此类组织的有锡基和铅基轴承合金，其理想组织如图

21、5-3所示。在硬基体(其硬度低于轴颈硬度)上分布着软质点的组织，能承受较高的负荷，但磨合性较差。属于此类组织的有铜基和铝基等轴承合金。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第25页，共89页。3.常用的滑动轴承合金常用的滑动轴承合金有:锡基、铅基、铜基、铝基等。锡基与铅基轴承合金牌号的表示方法是:“ZCh+基体元素(锡或铅)符号+主加元素(锑)符号+主加元素含量+辅加元素含量”，其中Z, Ch是“铸”、“承”两字的汉语拼音字首，表示铸造轴承合金的意思。例如:ZChSnSbll-6表示平均锑的含量是11%，铜的含量是6%，其余锡的含量是83%的铸造锡基轴承合金。1)锡基轴承合金(锡基巴氏合金)

22、锡基轴承合金是以锡为基，加入锑(Sb)、铜等元素组成的合金，锑能溶入锡中形成。固溶体，又能生成化合物(SnSb)。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第26页，共89页。铜与锡也能生成化合物Cu6Sn5。图5-4为锡基轴承合金的显微组织。图中暗色基体为。固溶体，作为软基体。白色方块为SnSb化合物，白色针状或星状的组织为化合物Cu6Sn5作为硬质点。这种轴承合金具有适中的硬度、低的摩擦系数、较好的塑性和韧性、优良的导热性和耐蚀性等优点。常用于制造重要的轴承，如制造汽轮机、发动机、压缩机等高速轴承。但由于锡是稀缺金属，成本较高，因此妨碍了它的广泛应用。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金

23、第27页，共89页。2)铅基轴承合金(铅基巴氏合金)铅基轴承合金通常是以铅锑为基，加入锡、铜等元素组成的轴承合金。它的组织中软基体为共品组织(a+)，硬质点是白色方块状的SnSb化合物及白色针状的Cu3Sn化合物。铅基轴承合金的强度、硬度、韧性均低于锡基轴承合金，目摩擦系数较大，故只用于中等负荷的低速轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承、电动机、空压机、减速器的轴承等。由于其价格便宜，因此，在可能的情况下，应尽量代替锡基轴承使用。常用锡基、铅基轴承合金的牌号、成份、用途见表5-4。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第28页，共89页。3)铜基轴承合金(铅青铜) 铜基轴承合金(铅青铜)是锡基轴承

24、合金的代用品，常用牌号有ZCuPb30是平均铅含量为30%的铸造铅青铜，铅和铜在固态时互不溶解，因此，它的室温显微组织是CuPb。Cu为硬基体，颗粒状Pb为软质点。这是一种硬基体加软质点类型的轴承合金，可以承受较大的压力。铅青铜具有良好的耐磨性、高的导热性(为锡基的六倍)、高的疲劳强度，并能在较高温度下(300 -320 ） 工作。广泛用于制造高速、重负荷下的工作轴承，如航空发动机、大功率汽轮机、柴油机等其他高速机器的主轴承和连杆轴承。4)铝基轴承合金铝基轴承合金的基本元素是铝，加入元素有锑、锡或镁。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第29页，共89页。与锡基铅基轴承合金相比，铝基轴承合

25、金具有原料丰富、价格低廉、导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好等一系列优点，而目能连续轧制生产，故广泛应用于高速重载下工作的汽车、拖拉机及柴油机轴承。它的缺点是线膨胀系数较大，运转时易与轴咬合，尤其在冷启动时危险性更大。又因它本身硬度高，轴易磨损，需相应提高轴的硬度。常用的铝基轴承合金有铝锑镁合金和铝锡合金两大类。(1)铝锑镁合金。合金的主要成份是3.5 %5.5%的锑，0.3 %0.7%的镁，其余是铝。组织是由软基体(铝基固溶体)和硬质点(化合物A1Sb所组成。合金用轧压法粘在钢板(08钢)上。其特点是具有高的疲劳强度和耐腐蚀性、较好的耐磨性，工作寿命较长，价格较低，目前大多用于低速、上一页下一页

26、返回第二节 铜及滑动轴承合金第30页，共89页。中等或较大载荷的农机、拖拉机、油机轴承上。(2)高锡铝合金。主要成份是铝，其次是20%的锡(称为20高锡铝合金)，或含30的锡(称30高锡铝合金)，其组织为较软的铝锡共品体以细颗状均匀分布在较硬的铝基体上。合金用轧制法粘在低碳钢板上。其特点是承载能力大，远超过铝锑镁合金，耐腐蚀性好，磨合性好，抗咬合能力优于铅青铜。因此完全符合现代高速、增压、强化柴油和汽油机的要求;并目还具有使用寿命长、切削加工性好、硬度低，对不淬火的轴也适用，生产工艺简便，成本较低等优点。目前己取代了部分锡基、铅基、铜基轴承合金，广泛用作汽车、拖拉机、内燃机车等高速、高负荷的滑

27、动轴承材料。上一页下一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第31页，共89页。除上述滑动轴承合金外，灰口铸铁也可以用于制造低速、不重要的轴承。其组织中的钢基体为硬基体，石墨为软质点，又可起一定的润滑作用。各种轴承合金性能比较，见表5-5。上一页返回第二节 铜及滑动轴承合金第32页，共89页。一、粉末冶金1.粉末冶金工艺粉末冶金工艺是以金属粉末或掺入少量非金属粉末为原料，经混合后压制成形，并在低于金属熔点的温度下进行烧结，利用粉末间原子扩散来使其结合，制成金属材料和零件的方法。粉末冶金工艺过程包括制粉、筛分与混合、压制成型、烧结及后处理等几个工序。1)制粉制粉通常用以下几种方法将原料破碎成粉末:机械破

28、碎法，如用球磨机粉碎金属原料;熔融金属的气流粉碎法，下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第33页，共89页。如用压缩空气流、蒸汽流或其他气流将熔融金属粉碎;氧化物还原法，如用固体或气体还原剂把金属氧化物还原成粉末;电解法，在金属盐的水溶剂中电解沉积金属粉末。 2)筛分与混合目的是使粉料中的各组元均匀化。在各组元密度相差较大目均匀程度要求较高的情况下常用湿混，即在粉料中加入液体，常用于硬质合金的生产。为改善粉末的成型性和可塑性，在粉料中加汽油橡胶液或石蜡等增塑剂。3)压制成型成型的日的是将松散的粉料通过压制或其他方法制成具有一定形状、尺寸的压坯。常用的成型方法为模压成型。上一页下一页返回第三节

29、粉末冶金与硬质合金第34页，共89页。它是将混合均匀的粉末装入压模中，然后在压力机上压制成型。4)烧结压坯只有通过烧结，使孔隙减少或消除，增大密度，才能成为“晶体结合体”，从而具有一定的物理性能和机械性能。烧结是在保护性气氛(煤气、氢等)的高温炉或真空炉中进行的。5)后处理烧结后的大部分制品即可直接使用。当要求密度、精度高时，可进行最后复压加工，称为精整。有的需经浸渍，如含油轴承;有的需要热处理和切削加工等。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第35页，共89页。2.粉末冶金的特点与工艺1)粉末冶金的特点粉末冶金与一般的熔炼铸造相比，在技术上和经济上具有以下特点。能生产具有特殊性能的材料

30、和制品。如高温合金、含油轴承(多孔材料)、摩擦材料、电接触材料、磁性材料等。无切屑或少切屑的精密加工。用粉末冶金法制造机械零件是一种无切屑或少切屑的加工方法，具有省材料、省工时、减少设备、降低成本等优点。粉末冶金生产工艺由于在技术和经济上的优势，近二十年得到迅速发展，在机械、电子、化工、宇航等工业部门得到越来越广泛的应用。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第36页，共89页。但是，粉末成本高，模具费用高，制品的大小、形状受到一定限制，制品的强度和韧性较差。2)粉末冶金工艺简介粉末冶金生产过程如图5-5所示。制取粉末是将块状金属、合金、金属化合物变成粉末。混料是将制成的粉末掺入添加剂，按

31、一定的比例混合，得到制坯的原料。压制成形(制坯)是将定量混合料在巨大压力作用下，得到一定形状，并具有一定的密度和强度的坯件。坯件经过烧结，使孔隙减少，得到致密的，具有一定物理性能和力学性能的制品。烧结后的制品一般可以作零件使用，但要进一步提高质量，需进行某些后处理，如整形、浸油、机加工、热处理等。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第37页，共89页。3.粉末冶金材料1)含油轴承材料含油轴承材料是一种多孔的粉末冶金材料。常用的有铁基含油轴承材料和铜基含油轴承材料。它们的混合料中含有石墨粉，经压制成形烧结后，再浸入润滑油中，使孔隙中吸附大量的润滑油(一般含油率为12%13%)，具有很高的耐

32、磨性和自润滑性。含油轴承材料可用于制作中速、轻载的轴承，特别是不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械、家用电器等的轴承。2)摩擦材料 摩擦材料主要用于实现制动，如匕机、汽车的刹车片，船舶、机床的离合器摩擦片等。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第38页，共89页。粉末冶金摩擦材料是以铜粉或铁粉为基体，掺入石棉(能提高摩擦系数)、石墨、铅、锡等粉末，经压制、烧结制成。其性能特点是耐磨性高、摩擦系数大、热导性好、抗咬合性好、强度合适，优于铸铁、青铜、合成树脂等摩擦材料。3)铁基结构材料铁基结构材料是以碳钢或合金钢粉末为主要成份，用粉末冶金法制作结构零件用的材料。目前己广泛用于制

33、作各类零件，如汽车差速齿轮、活塞环、拨义等。用粉末冶金法生产零件的最大特点是充分发挥了粉末冶金工艺无切屑或少切屑的优越性，零件精度高、表面质量好、可通过热处理进一步提高力学性能，可浸润滑油改善摩擦条件，减少磨损，并能减振、消振。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第39页，共89页。二、硬质合金通常用高速钢制造的刀具，在600650 以上工作时，由于硬度降低，刀具很快磨损。因此，在高速切削的情况下，往往采用硬质合金制作刀具。硬质合金是以碳化钨、碳化钦等难熔、高硬度碳化物的粉末为主要成份，加入作为k结剂的金属钻粉末，用粉末冶金法制得的材料。1.硬质合金的特点1)硬度高、耐磨性好、热硬性好由

34、于硬质合金是以高硬度、高耐磨、极稳定的碳化物粉末为主要成份，在常温下的硬度可达到HRA86 93(相当于上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第40页，共89页。HRC6981)，在900 1 000 的温度下，仍可保持HRC60的高硬度。故硬质合金刀具使用时，切削速度比高速工具钢高47倍，刀具寿命高5 80倍。可切削HRC50左右的硕质材料。2)抗压强度和弹性模量高硬质合金在常温下的抗压强度可达6 000MPa，高于高速工具钢，在900 时可达到1 000MPa。弹性模量高，是高速工具钢的23倍。此外，硬质合金还具有良好的耐蚀性和抗氧化性。但抗拉强度低，难以切削加工制成形状复杂的整体刀具

35、，通常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体上或模具体上使用。硬质合金是重要的工具材料。 上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第41页，共89页。2.硬质合金的分类常用硬质合金按成份和性能特点分为二类。其类别、代号、主要成份及性能特点，列于表5-6中。1)钨钻类硬质合金代号用YG”加数字表示。YG”为“硬”、“钻”两字的汉语拼音字首，数字表示钻的含量。例如，YG6表示钨钻类硬质合金Co=6%，余量为碳化钨。代号后一部分汉语拼音字母的意义为:X为细颗粒，A为含有少量的TaC合金，N为含有少量的NbC合金，为粗颗粒。数字越大，钻的含量愈高，韧性愈好、硬度愈低。2)钨钻钦

36、硬质合金代号用“YT”加数字表示。“YT”为“硬”、“钛”两字的汉语拼音字首，上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第42页，共89页。数字表示碳化钦的含量。例如YT 15，表示钨钻钦类硬质合金TiC=15%，余量为碳化钨及钻。数字越大，硬度越高。3)通用硬质合金代号用+YW”加顺序号表示。+YW”为“硬”、“万”两字的汉语拼音字首。通用硬质合金又称万能硬质合金。它是以碳化钊CTaC)或碳化妮CNbC)取代YT类硬质合金中的一部分TiC，取代的数量越多，在硬度不变的条件下，硬质合金抗弯强度越高。上述各类硬质合金中，碳化物是合金的骨架，起坚硬耐磨作用。钻起k结作用，并提高韧性。钨钻类硬质合金

37、一般加工铸铁、有色金属及其合金。钨钻钦类适宜加工各种钢材。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第43页，共89页。通用硬质合金兼有上述两类的优点，主要用于加工各种钢材，有时也可代替钨钻类合金加工铸铁。4)钢结硬质合金是以一种或几种碳化物(如TiC和WC)为硬化相，以碳钢或合金钢(如高速钢或铬钳钢)粉末为k结剂，经配料、混合、压制和烧结而制成的粉末冶金材料。钢结硬质合金坯料与钢一样，经退火后可进行切削加工，经淬火、低温回火后，硬度达HRC70，具有高耐磨性、抗氧化、耐腐蚀性等特性。用作刃具时，钢结硬质合金的寿命与YG类硬质合金差不多，大大超过合金工具钢。由于它可切削加工，故适宜制造各种形状

38、复杂的刃具(如麻花钻头、铣刀等)、模具和耐磨零件。常用硬质合金的代号、成份及性能如表5-7。上一页下一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第44页，共89页。3.硬质合金的应用(1)切削加工用硬质合金。硬质合金刀具有多种形式，应根据加工方式、被加工材料的性质、加工条件等选用合适的硬质合金制作车刀、铣刀、钻头、绞刀、幢刀等。(2)模具用硬质合金。硬质合金可用于冷作模具的制作，如拉拔模、冷冲模、冷挤压模等，如YG8可用于冲压模具。(3)硬质合金量具。千分尺、块规、塞规等各种专用量具，可在其易磨损的工作面用硬质合金镶焊，如YG6，以提高耐磨性，延长使用寿命。(4)耐磨零件用硬质合金。Y G8等钨钻类硬质

39、合金可用于制作精轧辊、顶尖、精密磨床的精密轴承。 (5) 矿山用硬质合金。YG11C, YG15等硬质合金可用于制作凿岩用的钎头。上一页返回第三节 粉末冶金与硬质合金第45页，共89页。金属材料以其优良的性能作为结构材料的主体，然而现代生产和科学技术的发展，对材料提出了耐腐蚀、绝缘好、密度小等特殊要求，而金属材料却无法满足。高分了材料正好弥补了金属材料的不足。虽早己开始使用天然的高分了材料，如木材、皮、兹、麻及天然橡胶，但在很长一段时间内对它们没有深入的研究。直到20世纪20年代中期，电器与仪器仪表以及交通运输工业的发展，绝缘材料及橡胶的需求量大大增加，才促进了对高分了材料的研究与开发。实践表

40、明，这类材料从一开始就显示了许多金属不具备的独特性能，因此它的发展迅猛匕速，仅几十年的时间就能与几百上千年历史的金属材料一比高低，下一页返回第四节 高分子材料第46页，共89页。并广泛地应用到工业、农业、交通运输、建筑、国防、医疗卫生及人们的衣、食、住、行之中，成为国民经济及高科技领域不可缺少的材料。本章主要讲述人工合成高分了材料的基本组成、结构、性能及常用的工程高分子材料。一、高分子材料的基础知识1.概念高分了材料是指以高分了化合物为主要组成物的材料。高分了化合物是指分了量很大的化合物，其分了量都在几千、几万甚至几十万以上。它是相对低分了而言。一般将分子量小于500的称为低分了化合物，简称化

41、合物。将分子量大于5000的称为高分子化合物。上一页下一页返回第四节 高分子材料第47页，共89页。一般说来，高分子化合物具有较好的强度、弹性和塑性，而低分子化合物则没有。表5-8列举了一些物质的分子量。 2.高分子材料的合成高分子化合物的分子量虽然很大，但它的化学组成一般并不复杂。它们都是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。例如聚乙烯是由低分子乙烯组成，聚氯乙烯是由低分子氯乙烯组成。低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过程称为聚合反应。因此，高分子化合物亦称高聚物，即分子量很大的聚合物，聚合以前的低分子化合物称为单体。上一页下一页返回第四节 高分子材料第48页，共89页。由单体聚合

42、为高聚物的基本方法有两种，一种是加成聚合反应;另一种是缩合聚合反应。(1)加成聚合反应。加成聚合反应也称加聚反应，它是由单体经过光照、加热或化学药品(称为引发剂)的作用将单体互相结合连接成大分子的过程。其特点:生成产物的成份、化学结构与原料(单体)的成份、化学结构相同;反应中不析出任何低分子物质。 加聚反应是目前高分子合成工业的基础，约有80%的高分子材料是由加聚反应得到的，例如:合成橡胶、聚烯烃塑料等。(2)缩合聚合反应。缩合聚合反应也称缩聚反应，它是具有官能团的单体，互相反应结合成较大的大分子。其特点:生成产物的组成及结构与单体的组成结构不同;上一页下一页返回第四节 高分子材料第49页，共

43、89页。反应过程中有低分子物质析出(如:水、氨等)。缩聚反应也有很大的实用价值，如酚醛树脂、环氧树脂、聚酞胺、有机硅树脂以及一些其他工程塑料等都是用缩聚反应合成的。3.高分子材料的分类高分子材料种类繁多，其分类方法有如下几种。(1)按工艺性质分类可分为塑料、橡胶、胶黏剂及纤维四类。塑料中又分为热塑性和热固性塑料两种。橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。纤维也可分为天然纤维(棉花、羊毛、蚕兹、麻等)和化学纤维(黏胶纤维、尼龙、涤纶等)。(2)按聚合反应的类别分类可将高聚物分为加聚物和缩聚物。(3)按高聚物的主链结构分类可分为碳链、杂链和元素高聚物二类。上一页下一页返回第四节 高分子材料第50页，共89

44、页。二、塑料工程塑料是一类范围很大、应用很广的高分子合成材料。工程塑料的成份相当复杂。它是以各种各样的树脂为基础，加入用来改善性能的各种添加剂，在一定温度与压力下塑压成型或固化交联而形成的。1.塑料的性能作为非金属材料主体的工程塑料应用很广，这与其下列性能是分不开的。1)按材料单位质量计算的强度较高塑料的密度一般为1 000 1 500kg/m3 ，远比钢、铜、铝等小，因而按材料单位质量计算的强度较高，适用于制造有单位功率自重指标要求的运输机械。 上一页下一页返回第四节 高分子材料第51页，共89页。2)对酸、碱等介质的抗腐蚀能力强这种性能使塑料适用于某些化工机械零件和在腐蚀介质中工作的其他零

45、件。3)电绝缘性好塑料与陶瓷一样，都是理想的绝缘材料。4)成型工艺性好大多数工程塑料均可用注塑的方法成型。与同类型的金属零件相比，其生产率高，成本低。5)耐磨性、吸振性均佳工程塑料可以在有液摩擦和干摩擦条件下工作，这种性能对难以采用人工润滑的摩擦副是很可贵的。上一页下一页返回第四节 高分子材料第52页，共89页。另外，工程塑料的异物埋设性和就范性，对于工作时常有磨粒或杂质进入摩擦表面的摩擦副也大有裨益。它的吸振性好，可以降低机械振动，减少噪声。工程塑料的缺点是强度和硬度不及金属材料高，耐热性和导热性差，胀缩变形大，易老化等。这些缺点使它的应用受到一定限制。2.塑料的分类塑料种类繁多，常用的就有

46、60多种，一般采用下列两种分类方法。1)按树脂的性质分类根据树脂在加热和冷却时所表现的性质可将塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。 上一页下一页返回第四节 高分子材料第53页，共89页。热固性塑料大多以缩聚树脂为基础。这种塑料在加热加压条件下会发生化学反应，经过一定时间即固化为坚硬的制品。固化后不溶于任何溶剂，也不会再熔化(温度过高时则发生分解)。酚醛塑料、氨基塑料环氧树脂和有机硅塑料等均属此类。热固性塑料质地硬脆，具有一定耐冲击能力，电绝缘性好。常用于制作电器上的绝缘零件，如酚醛胶木电器开关等。 热塑性塑料主要由聚合树脂制成。此类塑料受热软化，冷却变硬，再受热又可软化、再冷却再变硬，可多次重复，

47、因而可再生和再加工。聚乙烯、聚氯乙烯、聚内烯、聚酞胺(即尼龙)、ABS,聚甲醛、聚碳酸醋、聚苯乙烯等均属此类。常用于制作各种工程用品，例如化工竹道、仪表壳和各种机械零件等。 上一页下一页返回第四节 高分子材料第54页，共89页。2)按塑料的应用范围分类按应用范围可将塑料分为通用塑料和工程塑料。通用塑料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚内烯、酚醛塑料和氨基塑料等。此类塑料产量大、用途广、价格低。它们的产量占塑料总产量的75%以上。通常制成竹材、棒材、板料及薄膜等或者塑压成日常生活用品。工程塑料包括ABS、尼龙、聚碳酸醋、聚甲醛等。此类塑料的强度大、耐高温、耐腐蚀，具有类似金属的性能。广泛用于机械

48、、仪表、电子工业、医疗行业等。由于通用塑料可以改性，其应用范围不断扩大，通用塑料与工程塑料的界限己很难划分。上一页下一页返回第四节 高分子材料第55页，共89页。三、常用塑料的性能与用途常用塑料的性能和用途见表5-9 。上一页返回第四节 高分子材料第56页，共89页。复合材料是指用人工的方法将一种或几种材料均匀地与另一种材料结合而成的多相材料。在其组成相中一类为基体材料，起粘结作用;另一类为增强材料，起提高强度或韧性的作用。复合材料最大的特点是能根据人们的要求来设计材料，改善材料的使用性能，克服单一材料的某些缺点，充分发挥各组成材料的最佳特性，达到取长补短，有效地利用材料的目的。一、复合材料的

49、分类1.按基体材料划分分为非金属和金属基体两类。目前大量研究和使用的是以高分了材料为基体的复合材料。2.按复合形式划分 下一页返回第五节 复合材料第57页，共89页。分为纤维增强、层叠和颗粒复合材料等。其中纤维增强复合材料发展速度快、应用最广。3.按性能划分分为结构复合材料和功能复合材料等。结构复合材料主要用于制造结构件，目前己大量应用;功能复合材料是指具有某些物理功能和效应的复合材料。二、纤维增强复合材料的性能1.比强度和比模量高纤维增强复合材料的比强度和比模量普遍大于钢，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，比强度是钢的7倍，比模量是钢的4倍。这一性能对于宇航、交通运输及高速运转的零件十分重

50、要。 上一页下一页返回第五节 复合材料第58页，共89页。2.抗疲劳性能好大多数金属的疲劳强度是抗拉强度的40% 50%，而碳纤维增强的复合材料可高达70% 80%，其他纤维增强的复合材料也高于金属。3.减振性能好纤维与基体的界面具有吸振能力，振动波在此会很快衰减。4.高温性能好一般铝合金在400时其弹性模量大幅度下降，强度也显著下降;而碳纤维或硼纤维增强的铝合金复合材料，在上述温度下，强度和弹性模量基本不变。5.化学稳定性好上一页下一页返回第五节 复合材料第59页，共89页。基体选用耐腐蚀性好的树脂，纤维选用强度高的，其复合材料就具有很好的耐腐蚀性。6.成形工艺简单复合材料构件可整体成形，也

51、可模具一次成形，节省原材料和工时。此外，纤维增强复合材料还存在一些缺点，如抗冲击性能差、不同方向上的力学性能。存在较大的差异、成本高等。三、常用的复合材料常用复合材料的名称、性能与用途见表5-10。上一页返回第五节 复合材料第60页，共89页。一、工业陶瓷工业陶瓷是以天然硅酸欲或人工合成无机化合物为原料，用粉末冶金法生产的由金属和非金属的无机化合物构成的多品体材料。同金属材料、高分子材料一起被称为二大固体工程材料。1.陶瓷的分类1)按使用原料分陶瓷按使用原料不同分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷的原料是天然的硅酸欲矿物，如粘土、长石、石英等，又称为传统陶瓷、硅酸盐陶瓷。这类陶瓷主要有日用陶瓷、多

52、孔陶瓷(过滤陶瓷)、化工陶瓷、绝缘陶瓷、建筑陶瓷等。下一页返回第六节 其他非金属材料第61页，共89页。特种陶瓷又称为近代陶瓷，其原料是人工合成的高纯度氧化物(Si2O2, Al2O3）、氮化物、碳化物、硅化物等无机非金属物质。特种陶瓷按性能可分为高强度陶瓷、高温陶瓷、耐酸陶瓷、耐磨陶瓷、压电陶瓷等;按化学组成又可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等。2)按用途不同分陶瓷按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。工业陶瓷又分为工程结构陶瓷和功能陶瓷。2.陶瓷的性能1)力学性能多数陶瓷室温弹性模量(103105MPa)高于金属，硬度远大于金属，抗压强度高于铸铁。上一页下一页返回第六节 其他非金属材料

53、第62页，共89页。但陶瓷的抗拉强度低、脆性大，可以说这是传统陶瓷的一个致命弱点。2)热性能陶瓷的熔点一般高于金属，耐高温、热硬性高、热膨胀系数和导热系数低于金属。一般陶瓷的抗热振性能比较差，温度剧烈变化时容易破裂。3)化学性能陶瓷的组织结构非常稳定，具有很好的耐腐蚀能力。4)电性能大多数陶瓷都具有较好的绝缘性能。上一页下一页返回第六节 其他非金属材料第63页，共89页。3.常用的陶瓷材料常用陶瓷的名称、性能与用途见表5-11。二、胶乱剂胶接(又称粘结)是除焊接、铆接、螺纹连接之外，一种新型的连接各种金属和非金属材料的工艺。它是借助于某种物质在固体表面产生粘合力将材料牢固地连接在一起的方法。能

54、产生这种粘合力的物质称为胶粘剂。1.胶接的特点胶接与传统的焊接、铆接、螺纹连接相比，具有胶接接头应力分布均匀、接头光滑平整、能胶接各种材料、密封性好、胶接工艺简单、胶粘剂质量轻等优点。上一页下一页返回第六节 其他非金属材料第64页，共89页。但胶接存在胶接接头强度低于母材、使用温度低、易老化等缺点。2.胶私剂分类1)按胶粘剂化学成份分类(1)无机胶粘剂。主要有磷酸型、硼酸型、硅酸型，其中在工程中较为常用的是磷酸型。(2)有机胶粘剂。这类胶粘剂分为天然胶粘剂(如骨胶、虫胶等)和合成胶粘剂两类，其中合成胶粘剂在工程中应用最广。合成胶粘剂又分为树脂型、橡胶型和混合型二类。2)按胶粘剂的主要用途分类可分为非结构胶、结构胶、密封胶、导电胶、耐高温胶、耐低温胶、医用胶等。上一页下一页返回第六节 其他非金属材料第65页，共89页。3)常用胶黏剂常用的胶粘剂是合成胶粘剂，它是由基料和适量的添加剂组成。基料是构成胶粘剂主要而必需的成份，由一种或几种高分了化合物组成，常用的有酚醛树脂、环氧