机械制造基础课程-课题五有色金属与非金属材料

课题五有色金属与非金属材料学习情境1熟悉铝及铝合金学习情境2

熟悉铜及铜合金的基础知识

学习情境3熟悉轴承合金的基础知识学习情境4熟悉非金属材料的基础知识

【课题要点】

本课题主要介绍铝及铝合金、铜及铜合金、滑动轴承合金等有色金属以及塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等非金属材料。

【学习目标】

(1)熟悉铝合金、铜合金、滑动轴承合金的牌号、性能及应用。

(2)熟悉塑料、橡胶、陶瓷、复合材料的种类、性能特点和应用。

【课题描述】

金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。

习惯上，人们通常把除铁及铁基合金以外的金属称为有色金属，又称为非铁金属。有色金属虽不及钢铁材料强度高、成本低、应用广，但它具有密度小（Mg，A1，Ti及其合金）、

导电性优良（Ag，Cu，Al及其合金）、耐高温（W，Mo，Te及其合金）等特性。

因此，有色金属及其合金也是现代工业中不可缺少的金属材料。学习情境1熟悉铝及铝合金

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工业纯铝

铝合金

【相关知识】

一、工业纯铝

纯铝呈银白色，其熔点为660℃。固态下具有面心立方晶格，无同素异晶转变。铝的密度小，导热、导电性（仅次于银、铜和金）好，常用于制作导线、电缆、电容器以及导热或散热用的机械零件和设备。

铝在空气中有优良的抗蚀性，但铝不耐碱、盐溶液及热的稀硝酸或稀硫酸的腐蚀。铝有很高的塑性和较低的强度及硬度，便于通过各种冷、热压力加工制成型材、线材、板材和铝箔。

工业纯铝分为纯铝（含铝质量分数99%～99.85%）和高纯铝（含铝质量分数>99.85%）两类。

纯铝分压力加工产品（变形铝）和未压力加工产品（铸造纯铝）两种。

铸造纯铝牌号由Z和铝的化学元素符号及表明铝百分含量的数字组成。例：ZAL99.5

变形铝牌号采用四位字符体系的方法命名，四位字符体系牌号的第一、三、四位为数字，第二位为英文大写字母。

第一位数字为1，表示纯铝。

牌号中的第二位字母表示原始纯铝的改型情况，若是A，则表示为原始纯铝；若是B～Y的其他字母（C，I，L，N，O，P，Q，Z字母除外），则表示为原始纯铝的改型，与原始纯铝相比，其元素含量略有改变。牌号中最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位.例：1A50,1A30,1A99

二、铝合金

（一）铝合金的分类

铝合金按其成分和生产工艺的不同，可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，这种分类法是以铝合金相图为依据的。该图为铝基二元合金相图的一般类型。

图中，凡位于D点左边的合金，加热时均能得到单相固溶体组织，其塑性好，适宜进行压力加工，这种铝合金称为变形铝合金。

位于D点以右的合金都具有共晶组织，其塑性较差，不宜进行压力加工，但其结晶温度较低，液态合金流动性好，适宜铸造成型，这种铝合金称为铸造铝合金。

变形铝合金中，位于F点以左的合金，在固态时始终是单一的固熔体，采用淬火的方法不能进行强化，这种成分的铝合金即为不能热处理强化的铝合金。

成分在F点和D点之间的铝合金，在加热或冷却过程中，固熔体的溶解度将有变化，因而能热处理强化，所以称为能热处理强化的铝合金。

（二）铝合金的热处理（固熔处理+时效）

将铝合金加热保温后获得单相α固熔体，在水中急冷，得到单相过饱和α固熔体组织，这种热处理方法称为固熔处理（或称淬火）。铝合金经固熔处理后，其强度、硬度并不高，但塑性、韧性较好。

若将固熔处理后的铝合金在室温下放置足够长时间，则不稳定的过饱和α固溶体会析出细小弥散的第二相质点分布在α固熔体基体上，从而使强度、硬度显著提高，这种淬火后的合金随时间延长而发生的强化现象称为时效强化。

在室温下进行的时效为自然时效，在加热条件下进行的时效为人工时效。

（三）变形铝合金

1．防锈铝合金2．硬铝合金3．超硬铝合金4．锻造铝合金

（四）铸造铝合金

铸造铝合金的代号用“铸”“铝”二字的汉语拼音第一个大写字母“ZL”后加三位数字来表示。第一位数字表示合金系列，其中1，2，3，4分别代表Al-Si，Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn系合金；第二、三位两个数字表示顺序号，序号不同，其化学成分也不同。例如，ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。若为优质合金则在代号后面加“A”。学习情境2

熟悉铜及铜合金的基础知识

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工业纯铜

铜合金的分类

黄铜

青铜

【相关知识】

一、工业纯铜

纯铜外观呈玫瑰红色，表面形成氧化亚铜膜层后呈紫色，所以又称为紫铜。纯铜的密度为8.96g／cm3，熔点为1083℃，在固态下具有面心立方晶格。

纯铜具有良好的导电性（仅次于银）、导热性和抗磁性，在大气、淡水及水蒸气中有优良的耐腐蚀能力，但在潮湿并含有CO2的空气中易腐蚀生成铜绿。

纯铜的强度、硬度较低，塑性很好，易于冷热压力加工，因此纯铜一般不用做结构零件，而主要用于制造电线、电缆、铜管、抗磁性干扰的仪表零件及制造铜合金。

工业纯铜分为未加工产品（铜锭、电解铜）和加工产品（铜材）两种。加工铜的代号用汉语拼音字母“T”加顺序号表示。代号中顺序号数字越大表示杂质含量越多。

二、铜合金的分类

按化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜及白铜三大类。

黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金；

白铜是以镍为主要合金元素的铜合金，其含镍质量分数低于50%；

青铜是以除锌和镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金。

按生产方法，铜合金可分为压力加工产品和铸造产品两类。

三、黄铜

按照化学成分，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜。

（一）普通黄铜

普通黄铜是铜锌二元合金。锌对黄铜力学性能的影响如图，当wZn<32%时，锌溶于铜中形成α固溶体，黄铜的强度和塑性随含锌量的增加而提高。

这种单相α黄铜具有优良的冷变形能力，称为压力加工黄铜。

当wZn>32%时，合金组织中开始出现脆性的β′相。

β′相是以化合物CuZn为基体的固溶体，它在高温下塑性较好，在室温下则脆性较大，因而使黄铜的塑性逐渐下降，而强度继续提高。

这种组织为α+β′的双相黄铜仅适于热加工和铸造，又称为铸造黄铜。

当含锌质量分数增至45%～47%时，合金组织已全部为β′相，再增加含锌质量分数将出现γ相，于是黄铜的强度和塑性都急剧降低。因此，含锌质量分数大于45%～47%的铜锌合金在工业上已无使用价值。图5.2

锌对黄铜力学性能的影响

普通黄铜主要供压力加工用，代号用“黄”字汉语拼音首字母“H”后面跟表明铜元素质量分数的数字表示，如H68即表示含铜68%的普通黄铜。

（二）特殊黄铜

在普通黄铜的基础上，再加入其他合金元素（铅、锡、铝、锰、硅、铁等）的铜合金，称为特殊黄铜。

合金元素的加入，改善了普通黄铜的力学性能、耐腐蚀性和其他工艺性能。特殊加工黄铜的代号用“黄”字汉语拼音首字母“H”+主加元素的化学符号（除锌以外）+铜的百分含量和主加元素的百分含量来表示。

特殊黄铜可依据主加合金元素命名，如HAl77-2表示含铝质量分数2%、含铜质量分数77%、余量为锌的铝黄铜。

四、青铜

历史上把铜锡合金称为青铜，现在把除黄铜和白铜以外的铜合金统称为青铜。根据主要加入的合金元素的不同分别称为锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜等。加工青铜的代号用“青”字汉语拼音首字母“Q”+主要元素的化学符号+主要元素的质量分数表示。学习情境3

轴承合金

滑动轴承一般由轴承体和轴瓦构成。为了提高轴瓦的强度和耐磨性，往往在轴瓦的内侧浇铸或轧制一层耐磨合金，形成一层均匀的内衬，用来制造滑动轴承中的轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。

滑动轴承支撑着轴进行工作。当轴旋转时，轴与轴瓦之间必然有强烈的摩擦，且轴瓦表面承受轴颈传给的周期性交变载荷。

在理想的工作条件下，轴与轴瓦间有一层润滑油膜相隔，进行理想的液体摩擦。

因此，轴承合金应具备以下性能：

（1）足够的抗压强度、疲劳强度和韧性，以承受轴颈所施加的应力以及在动力机械中承受冲击负荷。

（2）一定的硬度，小的摩擦因数，良好的储油能力。

（3）足够的塑性，良好的磨合性。

（4）良好的耐蚀性，导热性以及良好的工艺性。

为了满足上述要求，轴承合金的组织应为软的基体上均匀分布着硬的质点，或者是硬的基体上均匀分布着软的质点。图5.4为轴承合金理想表面示意图。

软的组织被磨损后形成凹坑可以储存润滑油，有利于形成连续油膜。软组织还具有良好的磨合性和抗冲击、抗振动能力。凸起的硬质点能支撑轴的工作压力，并起减摩作用。图5.4

轴承合金理想表面示意图第三章6----24三、分支程序与循环程序设计休息一下，巩固所学的知识学习情境4

熟悉非金属材料的基础知识

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塑料

橡胶

陶瓷

复合材料

【相关知识】

一、塑料

塑料是以合成树脂为主要成分，加入能改善某些性能的多种添加剂而制成的高分子材料。

（一）塑料的组成

塑料由合成树脂和添加剂组成。

1.合成树脂

合成树脂是组成塑料的基本组成物，它决定塑料的基本性能，合成树脂在塑料中又起到黏结剂的作用，故又称黏料。

2.添加剂

塑料中添加剂的作用是改善某些性能，以扩大其应用范围。

（1）填充剂。

（2）增塑剂。

（3）稳定剂（又称防老化剂）。

（4）润滑剂。

（5）固化剂。

（6）着色剂。

除上述添加剂外，有些塑料中还加入阻燃剂、抗静电剂、发泡剂等。常用的添加剂有如下几种：

（二）塑料的性能

1.化学性能

塑料具有良好的耐蚀性能，一般能耐酸、碱、油、水和大气的腐蚀，其中，聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蚀。因此，塑料广泛用于制造在腐蚀条件下的零部件和化工机械零件。

2.物理性能

塑料密度小，不加任何填料或增强材料的塑料，其密度在0.85～2.20g／cm3之间，只有钢的

1／8～1／4，泡沫塑料的密度仅为0.02～0.2g／cm3。

塑料的热性能不及金属，受热易老化、分解，故大多数塑料只能在100℃以下使用，极少数塑料（如聚四氟乙烯、有机硅塑料）可在250℃左右长期使用。

塑料是良好的绝热材料。

塑料的电绝缘性好。

3.力学性能

塑料的强度、刚度和韧性一般都比较差，其强度为30～150MPa，且受温度影响较大。塑料的刚度仅为钢的1／10，因此塑料只能作受力不大的构件。

金属在较高温度时，才会出现明显的蠕变现象，但塑料在室温承受载荷后就会出现蠕变，如架空的电线套管在电线和自重的作用下会缓慢挠曲变形，就是蠕变。同时还会出现应力松弛现象。 此外，塑料还具有良好的减振性和消音性。蠕变（creep）(缓慢变形)

（三）塑料的分类

按应用范围，可将塑料分为通用塑料和工程塑料两大类。

根据树脂受热时的变化，又可将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两类。

二、橡胶

橡胶也是一种高分子材料，是高聚物中具有高弹性的一种物质。橡胶在受到较小力作用时能产生较大的变形（一般为100%～1000%），当外力去除后又能恢复到原来的状态，这是橡胶区别于其他物质的主要标志。橡胶应用广泛，可制作轮胎、密封元件、减振及防振件、传动件等。

根据原料来源不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树流出的胶乳，经采集和适当加工后制成的弹性固状物，其主要化学成分是聚异戊二烯。合成橡胶是指具有类似橡胶性质的用人工合成的各种高分子化合物。

三、陶瓷

陶瓷是无机非金属材料，一