机械工程材料（第六版）课件 第七章 有色金属与粉末冶金材料

理解铝合金、铜合金的分类依据、牌号表示与强化方式；能结合组织一性能—用途关系分析常用材料的选材思路；了解粉末冶金材料的基本概念及工程应用。掌握铝、铜、钛等典型有色金属的基本性能特点；2.

学习目标有色金属及其合金是除钢铁材料以外的重要工程材料，具有轻质、高导电导热、耐蚀、比强度高等特点，在航空航天、交通运输、电气工业与机械制造中应用广泛。1.

本章定位工业纯铝与铝合金分类

铝合金热处理与时效强化变形铝合金、铸造铝合金工业纯铜与黄铜基础4.

讲授重点材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

1/307.1铝及铝合金7.2铜及铜合金7.3钛及钛合金7.4滑动轴承合金7.5粉末冶金材料3.

知识框架第7章

有色金属与粉末冶金材料课

堂

提

示

：从“成分一组织一性能一用途”主线理解本章内容。图位预留：本章知识结构图/典型应用实例(后续补充)

导电、导热性能优良，仅次于银和铜；表面易形成致密氧化膜，耐大气腐蚀。1.

基本特征银白色轻金属；面心立方晶格；无同素异构转变；无磁性；密度约2.7g/c

m

3

;熔点约660℃;材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

2/30不能通过热处理显著强化；可通过冷变形强化提高强度，但塑性与导电性有所下降。3.

性能特点强度、硬度低；塑性高；性能简要对比

轻质密度约2.7

g/cm3

导电导热仅次于银和铜

耐蚀表面氧化膜致密

易加工

塑性高，成形性好7.1铝及铝合金电线电缆、导电母线；换热器、包装材料；

耐蚀轻载零件；图位预留：工业纯铝组织或典型应用示意牌号末两位常用于表示最低铝含量中的小数位信息；常见牌号可列举1060、1070、1100。铝含量高于99.00%时可归入纯铝；工业纯铝工业纯铝一般为

1xxx

系列；(后续补充)2.

牌号表示4.

工程应用日用品。类别组织特点强化方式工艺特点典型用途变形铝合金(总述)组织致密，纤维流线明显；

塑性较高固溶强化、加工硬化、沉淀强化(视具体合金)塑性好，适于轧制、挤压、拉伸、锻造等压力加工板、带、箔、型材、管材、棒材等；用于结构件、承力件不能热处理强化铝合金无可通过热处理析出的强化相；以单相固溶体或Al-固溶体为主固溶强化；主要依靠加工硬化

提高强度成形性好，焊接性较好；热处理对强度提升有限装饰件、容器、散热器、家用器具、建筑装饰等能热处理强化铝合金含可析出强化相的合金元素；

溶体处理后可析出细小强化相固溶强化+时效析出强化

(时效处理显著提高强度)需进行固溶处理和时效处理；

强度高，综合性能好航空航天结构件、高强度构件、

交通运输部件等铸造铝合金铸态组织，含共晶/金属间化合物；部分合金可进行变质处理固溶强化、共晶强化、细化晶粒、时效强化等熔点低、流动性好，适于复杂

铸件；尺寸精度和表面质量较高发动机缸体、变速箱壳体、壳体类零件、仪表外壳等图位预留：二元铝合金的一般相图(后续补充)

7.1铝及铝合金

铝合金的分类向铝中加入

Si、Cu、Mg、Mn

等元素可获得较高强度和更好的工艺性能；铝合金比强度高，耐蚀性和切削加工性较好，在航空航天、交通运输和机械制造中应用广泛。一、简要介绍材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

3/30变形铝合金塑性较高，适于压力加工。铸造铝合金熔点低、流动性好，适于铸造成形。二、铝合金的分类不能热处理强化能热处理强化铸造铝合金铝合金变形铝合金铸造铝合金固溶热处理加热至固溶温度保温使溶质充分固溶快速淬火迅速冷却(如水淬)保留过饱和固溶体过饱和固溶体溶质原子被固溶处于高能状态自然时效/人工时效室温自然时效或加热人工时效强度、硬度提高析出强化相

阻碍位错运动教学提示

掌握“固溶—析出一强化一过时效”的逻辑链，是理解铝合金热处理的核心。材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

4/307.1

铝及铝合金第二相从过饱和固溶体中析出；与基体共格时可显著阻碍位错运动；因此产生时效硬化。铝合金的热处理与时效强化过时效

(温度过高或时间过长，析出相长大，强度下降)回归现象

(短时加热后重新软化，便于维修和再加工)孕育期

(初期强化不明显，便于后续加工)人工时效(加热条件下进行)自然时效

(室温下进行)关键概念基本原理主要合金体系强化方式与特点耐蚀性典型用途1.防锈铝合金主要为Al-Mn、Al-Mg系耐蚀性、塑性、焊接性好不能热处理强化强度较低(优良)适用于容器、油箱、受力较小而耐蚀的制品。主要为Al-Cu-Mg系经固溶+时效后强度较高不能焊接性差(耐蚀性较差)强度中等～较高(较差)用于中等强度结构件和铆钉等。3.超硬铝合金主要为Al-Zn-Mg-Cu系时效强化效果显著强度、硬度高塑性中等(较差)用于航空高强度受力件。

4.锻铝合金主要为Al-Mg-Si或相关可锻系热塑性与耐蚀性较好不能通过热处理强化强度中等，塑性较好(较好)适于锻造复杂受力件。材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

5/307.1铝及铝合金常用变形铝合金分类示意/表格原图(后续补充)主要按合金元素、是否可热处理强化、加工方式与用途区分变形铝合金概述分类依据图位预留：

2.硬铝合金类型类别代表牌号旧代号性能特点典型用途纯铝1060(纯铝)纯度高，塑性好，耐蚀性优，导电导热性好化工设备、导电导热件、

装饰板带、食品包装箔等Al-Mn3A21LF21(防锈铝)耐蚀性好，成形性与焊接性优汽车油箱、船舶舱壁、

散热器、建筑装饰等Al-Cu2A11或2A12LY11或LY12(硬铝)强度较高，热处理强化效果显著,切削加工性好飞机结构件、铆钉、螺栓及中等载荷结构件等Al-Zn-Mg-

Cu7A04LC4(超硬铝)高强度，硬度高，

耐应力腐蚀性能较好高应力结构件、飞机起落架、高强度紧固件等AL-Cu

(锻造)2A50LD5(锻铝)适于锻造，力学性能和韧性较好，可靠性高重要锻件、齿轮、曲轴、飞机结构锻件等材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

6/30旧代号中常见

LF

(防锈铝)、LY

(硬铝)、

LC

(超硬铝)、

LD(锻铝)。国际四位数字体系常用于表示铝及铝合金。常用变形铝合金举例7.1铝及铝合金变形铝合金的编号与常用牌号2

xxx3

xxx4xxx

编号规则6xxx

Al-Mg-Si5

Al-Mg7xxx

Al-Zn-Mg-Cu其他Al-MnAl-Cu纯铝Al-Si部分铸造铝合金牌号、热处理、力学性能及用途(后续补充)图表预留：类别主要特点热处理特征典型用途铝硅合金

(ZL1xx)流动性好，收缩率小，耐磨性好，切削加工性能优良。一般不可热处理(少数可进行变质、

时效以改善性能)。缸体、缸盖、箱体、壳体、轮毂等复杂形状铸件。铝铜合金

(ZL2xx)强度较高，耐热性较好，但耐蚀性较差。可进行固溶处理+时效(沉淀强化),

强化效果显著。中等载荷零件，如

油底壳、支架、泵体、阀体等。铝镁合金

(ZL3xx)密度小，耐蚀性好，

焊接性和成形性较好。可进行固溶处理+时效，强度中等，

韧性较好。汽车结构件、船用部件、仪器壳体、航空航天构件等。铝锌合金

(ZL4xx)铸造性能好，气密性好，耐蚀性较好，尺寸

稳定性好。一般不可热处理(部分牌号可自然

时效以稳定尺寸)。气密性要求零件、

阀门、仪表壳体、

装饰件等。铸造铝合金主要用于形状复杂铸件，特点是密度小、铸造性能好、可通过成分设计兼顾强度与耐蚀性。概述材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

7/30选

材

要

点

：按铸造性能、力学性能、耐蚀性和服役环境综合选择。7.1铝及铝合金ZL1xx

为铝硅系，ZL2xx

为铝铜系，ZL3xx

为铝镁系，

ZL4xx

为铝锌系。铸造铝合金概述常见铸造铝合金常用ZL

表示；代号与分类材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

8/307.1

铝及铝合金铝硅合金(硅铝明)合金类型主要成分特征优点局限性典型牌号典型用途铝铜合金以Cu为主要合金元素，常含少量

M

g

、

M

n

等

。可时效强化，强度和耐热性较高。铸造性能较差，耐蚀性较差。ZL201ZL202较高强度或高温不受冲击的零件，如气缸盖、活塞、耐热支架等。铝镁合金以Mg为主要合金元素，常含少量Mn、Si等。密度小，耐蚀性好，强度较高。铸造性能较差，热裂倾向较大。ZL301ZL303腐蚀介质环境和振动载荷零件，

如船用零件、泵体、壳体等。铝锌合金以Zn为主要合金元素，常含少量

M

g

、

C

u

等

。铸造性能好，

价格低，经变质和时效后强度较高。耐蚀性较差，耐热性较差。ZL401受力较小且形状复杂的汽车、

仪表等零件。比较思路：

先看铸造工艺，再看强度/耐蚀性/工作温度。材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础7.1铝及铝合金其他铸造铝合金及选材比较9/30图位预留：黄铜组织和力学性能与含锌量关系(后续补充)材料科学与工程(机械方向)

一

材料工程基础

10/30预告：后续将继续讲授普通黄铜、特殊黄铜及青铜的分类与应用。普通黄铜中，随含锌量增加，

强度先升高、塑性先改善后下降单相黄铜塑性好，适于冷变形

双相黄铜强度高，宜热变形紫红色，又称紫铜面心立方晶格

密度约8.9g/cm³熔点约1083℃

导电、导热性优良7.2铜及铜合金以

Zn

为主要添加元素的铜合金分为普通黄铜与特殊黄铜应

用

：仪表零件、阀门、水暖件、壳体、连接件、装饰件等应用：电线、电缆、导电零件、换热器、铜管等耐蚀性、焊接性、塑性好强度和硬度较低工业纯铜与黄铜基础工业纯铜不能热处理强化，只能冷变形强化黄铜牌号举例：

T1

、T2

、T3牌号举例：H68

、H62黄铜的组织和力学性能与含锌量的关系插图位：黄铜组织和力学性能与含锌量关系(可替换教材图)牌号含锌量(约，%)组织特征力学性能特点典型应用H90Zn

10~13单相α固溶体塑性最好，冷、热加工性能优良，耐蚀性好，强度较低冷、热冲压件，深冲拉伸件，装饰件，电器接插件等H68Zn

30~37α+β两相(α为主)强度、硬度提高，塑性仍较好，切削加工性能良好机械结构件，阀门、水暖配件，制管、螺蚊件等H62Zn

37~41α+β两相(a、β近半)强度较高，塑性中等，耐磨性

优于低锌黄铜仪表零件，齿轮，轴套，

耐磨零件等H59Zn44~46α+β两相(β明显增加)强度高、硬度高，塑性低，脆性热裂倾向增大受力零件，重载耐磨件，

弹簧片等普通黄铜(尤其含

Zn

约30%~45%的两相黄铜)在

一定温度范围内或存在拉应力与腐蚀介质时，易发生“季裂”(应力腐蚀开裂),表现为沿晶或穿晶开裂，危险性大。冷变形后易产生残余应力，应进行去应力退火：200~300℃保温1~2

h,

随炉冷却。三、注意事项：季裂与应力腐蚀开裂避免在高温、拉应力与腐蚀介质共存条件下使用或存放。普通黄铜是以

Cu

为基体、以

Zn

为主要合金元素的Cu-Zn

二元合金。按含锌量组织变化：低Zn

含量为单相α(固溶体)黄铜；当Zn含量

超过约35%后出现α+β两相；Zn

>45%时β相显著增多，材料脆性和热脆倾向明显增加。a

相为面心立方固溶体，塑性好、耐蚀性好；β相为体心立方固溶体，硬度和强度高，但塑性和韧性较低。一

、普通黄铜的本质与组织变化课

堂

要

点

：

①

普通黄铜是

Cu-Zn

二元

合

金

。②含锌量决定组织：低

Zn

为

单

相a,Zn>35%出现

a+β,两相黄铜性能更高但塑性下降。Zn>45%时脆性显著增加，注意季裂风险；冷变形后应去应力退火。普通黄铜是应用最广泛的铜合金之一。它以铜为基，加入不同比例的

锌形成

Cu-Zn

二元合金。随着含锌量的提高，组织由单相α固溶体

逐步转变为α+β两相组织，性能也由塑性好逐渐趋向高强度但低塑性。掌握组织与含锌量的关系，是正确选材与工艺设计的基础。教学导语：材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

11/30Cu-Zn二元合金——按含锌量形成不同组织，力学性能差异显著7.2普通黄铜二、常见普通黄铜牌号、特点与应用

2.主要合金元素的作用锡(Sn)提高耐蚀性，减轻应力腐蚀倾向铝(AI)提高耐蚀性，并能提高强度和硬度锰(Mn)提高耐蚀性，改善力学性能硅(Si)改善铸造性能，细化铸态组织铝(Pb)改善切削加工性和耐磨性铁(Fe)细化晶粒，改善力学性能材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

12/30在普通黄铜中加入

Sn、AI、Si、Pb、Mn、Fe等形成特殊黄铜。1.

定义特殊黄铜：在普通黄铜基础上加入

Sn、AI、Si、Pb、Mn、Fe

等，以获得耐蚀、耐磨、易切削、良好铸造等特殊性能；注意区分元素作用与变质处理的区别(见第7.3节)。7.2特殊黄铜在普通黄铜基础上通过合金化获得更优性能HSn+

含铜量(%)+主要合金元素含量(%)例：HSn70.1(含铜量约70%,锡含量约1%)机械零件：船舶零件、阀体、泵体、轴套、衬套、齿轮、滑动轴承等例

：ZCuZn31Al2

(含铝约2%的铸造黄铜)耐蚀件：耐海水、化工介质的零件(如换热器管板、冷凝器管束等)普通黄铜：以Cu-Zn

为主，主要靠含锌量不同调整性能，3.牌号命名规则(要点)压力加工特殊黄铜(以

“HSn”

开头)ZCuZn+

主要合金元素符号及含量(%)5.教学提示/易错点铸造特殊黄铜(以

“ZCuZn”

开头)4.

典型应用插图位：

锡青铜组织和力学性能与含锡量关系QSn

x-y:压力加工锡青铜，x为主加元素(Sn)平均含量(%),

y为其他主要元素平均含量(%)。ZCuSn

x[y]z:铸造锡青铜，表示Cu-Sn

系

，x

为

Sn

平均含量(%),

[y]z

表示其他主要元素及其平均含量(%)。压力加工锡青铜铸造锡青铜典型牌号QSn4-3、QSn6.5-0.1QSn7-0.2、QSn8-0.3等ZCuSn10Pb1、ZCuSn10Zn2

ZCuSn5Pb5Zn5等主要性能塑性好、强度较高、耐磨、耐蚀、无磁、无冷脆铸造性好、耐磨、耐蚀、切削加工性好典型应用板、带、管、棒材及各类

弹簧、端子、接插件、垫圈、齿轮、衬套等轴承、轴瓦、蜗轮、滑轮、阀体、泵体、船用螺旋桨、耐磨衬板等铸件材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

13/30Sn

<8%:塑性较好，适于压力加工；

Sn>8%:出现硬脆δ相，适于铸造；工业常用Sn

约3%～14%。锡青铜：青铜是除黄铜和白铜以外的铜合金，

可按照是否含锡分为锡青铜与无锡青铜，

并可按加工方式分为压力加工青铜和铸造青铜。概述●耐磨性好，适合承受摩擦和磨损的零件；●耐蚀性好，尤其在海水和大气中稳定；●无磁性，无冷脆，低温下保持良好性能；●

对酸和氨水耐蚀性较差，不宜用于强酸及氨水环境。7.4青铜概述与锡青铜青铜是除黄铜和白铜以外的铜合金，分锡青铜与无锡青铜，分压力加工青铜与铸造青铜QSn4-3:Sn≈4%,

其他元素合计≈3%(如P、Zn等)。牌号命名规则(示例)应用(按加工方式区分)ZCuSn10Pb1:Sn≈10%,Pb≈1%。主要特点举例铝青铜/铍青铜典型组织或应用图插图位：压力加工合金：多用于耐腐蚀和具有弹性的零件，如弹簧、波纹管、隔膜等。铸造合金：多用于高强度、耐磨零件，如齿轮、蜗轮、套筒、衬套等。主要合金元素为Al,

含量一般为5%～11%。具有高强度、耐磨性、耐腐蚀性和良好的耐热性。铝青铜经过固溶处理和时效处理后，具有极高的强度、硬度和弹性极限。导电、导热性好；无磁性；不产生火花，适用于防爆场合。铍青铜但成本较高。通过添加

Mn、Fe等元素，可进一步强化青铜的强度、耐磨性和耐腐蚀性，满足特定工况需求。其他特殊青铜常见类型(举例):镍铝青铜等锰青铜铁青铜材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

14/307.2特殊青铜(无锡青铜)以AI、Be(

及Mn、Fe等)为主要合金元素，力学性能和耐热性更突出；适用于高强度、耐热、弹性、无火花或耐腐蚀等特殊工况。以

Sn为主要合金元素，耐磨、耐蚀、减摩性能好，导电导热良好；适用于耐磨零件、弹性元件及耐蚀部件等。具有特殊性能或用途的青铜合金锡青铜

(Cu-Sn

系)特殊青铜(无锡青铜)课堂小结●海水淡化、海水冷却等海洋工程装置；船舶部件、海洋平台结构件等。插图位：纯钛晶体结构/应用示意图石油化工设备(反应器、管道、阀门等);用于换热器、冷凝器等热交换设备；5.

主要应用强度与硬度不高；化学活性较强(高温下易与0、N、H等反应)。密度低(4.51g/cm³),比强度高；耐腐蚀性能优异，尤其在海水及氯离子环境中；熔点高(1668℃);导热系数低；塑性好，易加工成形与焊接；1.

关键特性材料科学与工程(机械方向)

一材料工程基础

15/30热处理：退应力退火、再结晶退火，用于消除内应力、改善塑性、提高成形性能。常用工业纯钛牌号：TA0、TA1、TA2、TA3

等(或等同标准牌号);4.

牌号与热处理·0、N、Fe、H、C等杂质会提高强度和硬度，但降低塑性和韧性，同时使耐腐蚀性能下降(特别是氧和氮)。7.3工业纯钛教学目标：掌握工业纯钛的基本特性、相变行为、杂质影响、牌号及应用。882.5℃以上为β-Ti

(体心立方结构，bcc)。882.5℃以下为α-Ti

(密排六方结构，hcp);2.

同素异构与相变行为3.

纯度与杂质影响工业纯钛为同素异构体；具有良好的热稳定性、耐腐蚀性和焊接性；热稳定性好，焊接性好，热处理不可强化以AI、Sn

等为主要合金元素；α

α钛合金通常以退火状态使用。不能通过热处理强化；特点总结材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

16/307.3钛合金的分类与典型牌号塑性和冷成形性能好；可通过固溶淬火和时效进行强化；β

β钛合金a+β

α+β钛合金TA7

(α钛合金)TB2

(β钛合金)TC4

(a+β

钛合金)牌号示例以

Mo、Cr、V

等为主要合金元素；钛合金

(Ti

合金)适用于400℃以下长期工作的结构零件。兼具α合金和β合金的优点；可通过固溶淬火和时效进行强化；综合性能优良，可热处理强化，常用于中温结构件插图位：钛合金分类结构示意塑性好，可热处理强化，热稳定性较差

特点总结

特点总结热稳定性相对较差。综合性能良好；典型牌号：TC4;类型室温组织强化方式主要优点主要不足典型应用α

型(如TA7)α相(HCP)固溶强化、细晶

强

化·

高低温强度(尤其低温)·

良好抗蠕变、抗氧化性●低温韧性优异●室温塑性较低●成形性能差低温结构件、深冷装置、导弹壳体、航空低温部件等β型(如TB2)β

相(BCC)固溶强化、β稳定化强化、时

效强

化塑性好、成形性优异

●强度高且均匀性好

·

热加工性能良好●高温蠕变、抗氧化性能一般承温能力相对较低3

5

0

℃

以

下重载旋转件、航空起落架、液压件、螺栓等α+β型(如TC4)α+β双相固溶强化、析出强化、细晶

强

化●强度、塑性、韧性综合性好·

高比强度、抗疲劳性优异·

工艺适应性好●性能受工艺影响大●组织控制要求高航空发动机部件、核潜艇部件、

低

温

容

器

、高性能结构件等钛合金航空航天/船舶应用图插图位：材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

17/30选材提示：

选用钛合金应综合考虑比强度、耐腐蚀性、使用温度范围与加工工艺性，按“服役环境一性能需求一工艺条件”匹配最优合金体系。7.3钛合金性能对比与工程应用不同组织类型钛合金的组织特征、性能差异与典型工程应用强度、韧性与工艺适应性最佳

适用于重空发动机叶片、盘件、核潜艇结构件、低温储罐等低温下仍保持较高强度和韧性●

适用于导弹壳体、深冷容器、低温管路、航天低温部件等350℃以下具有高强度与良好塑性适用于重载旋转件、起落架、飞机结构紧固件等TA7(α

型)典型应用举例TC4(a+β

型)TB2(β

型)2.

性能要求(轴承合金应具备的主要性能)具有良好的耐腐蚀性(抗氧化、耐润滑油与水等介质);具有良好的导热性，利于散热；)具有较小的热膨胀系数，保持稳定间隙；具有良好的工艺性能与可加工性，

成本合理。轴承合金在滑动摩擦状态下工作，承受来自轴颈的载荷并保证低摩擦与耐磨损，其工况具有以下特点：1.

工作条件(滑动轴承典型工况)常伴有冲击与振动：启动、变速或工况突变时更为明显；有发生轴颈拉伤(烧结、咬合)的风险：需要润滑膜保护。受热膨胀与配合变化的影响：间隙随温度改变而变化；产生摩擦热：在边界或混合润滑下温升明显；承受交变载荷：大小与方向周期性变化；轴颈通常由高强度钢制造，成本高、加工精度高、维修或更换困难；若轴颈因磨损或拉伤而受损，会导致整机停机、修复难度大、成本高。轴承合金作为“牺性层”,其磨损可接受且易于更换，优先保护轴颈可显著延长主机寿命、降低维护成本，因此设计与选材上应以保护轴颈为首要目标。3.为什么先保护轴颈?材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

18/307.4轴承合金：工作条件与性能要求教学级演示大纲(本页重点：轴承合金的工况及性能要求)具有足够的抗压强度与疲劳强度；具有良好的耐磨性；具有良好的顺应性与嵌藏性，能容纳杂质颗粒并保持配合；具有较低的摩擦系数；类别锡基轴承合金铝基轴承合金铜基轴承合金铝基轴承合金组织特征软基体(Sn)+硬质点(Cu、Sb等)软基体(Pb)+硬质点(Sb、Sn等)硬基体(Cu)+软质点(Pb、Sn等)硬基体(AI)+软质点(Sn、Si等)主要性能耐磨性好、摩擦系数低、耐腐蚀、抗咬合性好减摩性好、嵌藏性好、顺应性好、抗冲击性能佳强度与耐磨性高、导热性好、承载能力强密度小、导热性好、耐磨性较好、

耐腐蚀主要不足强度较低、硬度低、耐热性差强度低、耐热性差、耐蚀性较差、使用温度受限减摩性不及锡/铅基、成本较高熔点低、耐温性差、塑性有限典型用途中等载荷、中低速、一般润滑条件下的滑动轴承重载、冲击载荷、低速、油膜易破坏工况(如机床主轴瓦、轧机轴瓦)高载荷、中高速、良好润滑条件

(如汽车发动机轴瓦、连杆瓦)中等载荷、中高速、对轻量化要求高的场合(如航空、轻型机械)材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

19/30课

堂

结

论

：轴承合金的设计核心在于“软硬兼备”

通过硬质相/软质相与基体的合理组合，实现减摩、抗咬合

与承载耐磨的统一，合理选择合金种类是满足不同工况要求的关键。认识两种理想组织模式，比较四类轴承合金的特点与应用工作机理：

载荷由硬质点直接承受，软基体提供嵌入、支撑与润滑，硬质点防止咬合与磨损，形成稳定的润滑油膜。工作机理：软质点在摩擦与载荷作用下优先变形、剪切并在表面形成转移膜，起到减摩、抗咬合作用，硬基体提供承载与耐磨性。2.

硬基体上分布软质点(如铜基、铝基轴承合金)1.

软基体上分布硬质点(如锡基、铅基巴氏合金)组织特征：硬的基体金属中分布有低熔点、易剪切的软质点。组织特征：

软的基体金属中弥散分布有高熔点、高硬度的硬质点。7.4轴承合金的组织特征与常用种类材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

20/307.5粉末冶金材料概述粉末冶金材料是以金属或非金属粉末为原料，

通过成形、烧结及后处理等工艺制备的材料及制品。硬质合金、摩擦材料、多孔过滤材料、磁性材料、耐火/高温材料，水泥基硬质合金、金属陶瓷等。下一节将重点学习硬质合金及粉末冶金材料的成分、组织、性能与应用。粉末冶金材料及其制备与应用总览 3.

局限性典型工艺路线：配料

→

压制成形

→

烧结

→

后处理。可制备难熔、高熔点、复合及多孔等特殊材料。致密化程度有限，韧性往往较低。生产效率高，适合批量生产；近净成形，材料利用率高；粉末与模具成本较高；零件尺寸与形状受限；5.

承上启下4.

主要应用2.优点1.

概述4.硬质合金的核心特征

高硬度

高热硬性

高耐磨性抗压强度高但韧性较差、

需磨削或电加工含义常温下硬度很高高温下仍能保持较高

硬度在摩擦或磨粒作用下

材料损耗小承受高压不易破坏抗拉、抗弯和抗冲击

能力相对较低典型表现HRA89～94HV

1200～2000约800℃仍保持较高

硬度刀具寿命长，零件

磨损率低抗压强度可达5000～7000MPa易发生脆性断裂主要原因硬质相(碳化物)本征硬度高碳化物化学键强，热

稳定性好硬质相高硬度+细小

均匀分布致密组织+碳化物承载

+粘结相传递应力粘结相含量有限+硬质相脆性工程意义适用于高速、高精度

切削与耐磨场合适于高速切削和干式

加工显著提高刀具与零件

使用寿命适用于重载、冲击性

较小的工况需合理设计结构，

必要时采用焊接装配硬质合金

(Cemented

Carbide)是以难熔碳化物

(如WC、TiC

等)为主要硬质相，以金属Co

为

粘结相，通过粉末冶金方法(压制成形+烧结)制

成的复合材料。35

5原料粉末WC、TiC、TaC等碳化物粉末

+Co

粉末配料与混合按配比称量，均匀混合，保证成分

一致性压制成形在模具中压制成坯，获得所需形状与密度烧结在真空/氢气等气氛下烧结，形成

致密合金精加工/焊接装配磨削、切削等精加工，或焊接刀头与基体装配硬质合金组织或制备流程图(

后

补

)图7-21材料科学与工程(机械方向)

一材料工程基础

21/30课

堂

小

结

：硬质合金是以难熔碳化物为硬质相、以钴为粘结相的粉末冶金复合材料，具有高硬度、高热硬性和高耐磨性等

优异性能，按用途可分为切削工具、耐磨零件和矿山工具三大类。典型组成(质量分数)●

硬质相(碳化物):70%～95%●粘结相(钴

Co

及少量Ni):5%～30%7.5硬质合金概述与分类要点：通过成分配比、压制压力、烧结温度与保温时间等工艺参数，控制显微组织与性能。2.硬质合金典型制造流程(粉末冶金工艺)3.硬质合金的主要分类与典型用途1.硬质合金定义第7部分|有色金属与粉末冶金材料用途：车刀、铣刀、钻头、铰刀、镗刀、丝锥、铣片、刀片等切削工具。用途：钎头、钻齿、采煤截齿、岩芯钻头等矿山与地质工具。用途：模具(拉丝模、冷镦模)、耐磨轴套、密封环、喷嘴、轧辊等。特点：以高硬度、耐磨性和热稳定性为主。特点：以耐磨性、耐腐蚀性、抗冲击为主。特点：以抗冲击、耐磨性和强度为主。地质矿山工具用硬质合金切削加工用硬质合金耐磨零件用硬质合金ISO类别适用工件(典型材料举例)典型特点选用要点P

类(

钢

)碳钢、合金钢、模具钢、结构钢、轴承钢等塑性好，切削力大，易产生粘结与积屑瘤，对韧性和抗崩刃性要求高。以韧性为主，兼顾耐磨性

粗加工选韧性高牌号精加工选耐磨性高牌号M类(不锈钢)奥氏体、铁素体、马氏体不锈钢等加工硬化明显，导热性差，易粘刀，切削温度高。选韧性与耐磨性兼顾的牌号采用较高的切削速度与充分冷却K类

(铸铁)灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁等脆性大，切削轻快，耐磨性要求高，抗崩刃性也很重要。以耐磨性为主，兼顾韧性

粗加工可适当提高韧性精加工优先选耐磨性高牌号N类(有色金属/非

金

属

)铝合金、铜合金、镁合金、

锌合金、塑料、复合材料、

石墨、陶瓷等硬度低，易粘刀，切削热大，

对锋利刃口和耐粘结性要求高。选锋利刃口、韧性好的牌号表面涂层可提高耐粘结性

避免过高切削温度S类(耐热合金/钛合金)镍基高温合金、钴基合金、

钛合金等难加工材料强度高、热稳定性好、加工硬化严重，切削温度高，刀具磨损快。以高韧性+高耐磨性+高热稳定性为主优先选用涂层与细晶牌号采用较低切削速度与充分冷却H

类(淬硬材料)淬硬钢、渗碳淬火钢、冷硬铸铁、硬质合金等硬度高、脆性大、切削阻力大，磨粒磨损显著。以耐磨性和抗崩刃性为主

选用含Al2O3厚涂层或CBN类(适用于高硬度)同类合金中，韧性高者适于粗加工；耐磨性高者适于精加工。选用基本思路(决策流程)选用原则提示：材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

22/307.5切削加工用硬质合金的分类与选用按被加工材料和加工条件进行选择图7-22不同类别硬质合金刀片示意图(后补)粗/精加工(确定ISO

类别)切屑形态工件材料选择牌号(加工条件)(匹配性能)(切削特性)应用系统典型牌号表达特点服役条件典型用途

耐磨零件用以WC-Co系为主，辅以TaC、TiC等

碳化物或细化晶粒、优化Co含量，

强调高硬度+高耐磨性+适当韧性高压、摩擦、滑动或挤压工况中等冲击或周期性载荷温升较小，有良好润滑或冷却拉丝模：金属线材拉拔成形冲压模：冷冲压、成形、剪切模具辊环/轧环：轧制或压延设备的耐磨环件顶锤：物料破碎、压碎设备的耐磨冲击件地质/矿山工具用以高Co含量或梯度结构为主，强调高韧性+抗冲击+抗前冲+一定耐磨性，部分采用Ti(C,N)强化强冲击、强振动、脉冲载荷

岩石硬度高、破碎性强腐蚀性介质或复杂地质条件凿岩钻片：隧道、矿山、采石等凿岩钻孔矿山钻头：金刚石/硬质合金复合钻头顶锤：破碎机、辊压机等冲击部件截齿/齿座：采掘、刨煤机、掘进机等顶锤：与岩石直接冲击，要求高韧性与抗冲击

截齿/齿座：采煤、掘进设备关键耐磨部件

耐磨衬板/耐磨块：用于高磨损部位的防护与延寿地质矿山工具用硬质合金(典型产品)凿岩钻片：硬质合金焊接或嵌入钢体，齿岩与钻孔作业矿山钻头：整体或镶齿钻头，用于岩石破碎与钻掘耐磨零件用硬质合金具有高硬度、高耐磨性和良好韧性，广泛用于拉丝模、冲压模、顶锤、辊环等耐磨工况；地质矿山工具用硬质合金以高韧性、抗冲击和抗前冲性能为主，用于各类齿岩、钻探与破碎工具。概述拉丝模/冲压模/辊环示意(后补)图7-23材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

23/30耐磨性

一韧性

一抗压强度综合平衡选材原则23耐磨零件与矿山工具用硬质合金重要提示：

硬质合金中碳化物含量越高→

硬度/耐磨性越高；钴

含量越高→

强度/韧性越高。硬质合金的典型应用图7-24硬质合金刀具与模具应用图(后补)量

具

与

耐

磨

零

件用于高精度量具和耐磨零部件，保证尺寸与性能稳定。量规、塞规、环规耐磨衬板、喷嘴、密封环轴承、阀座、耐磨轴套矿山、石油、化工耐磨件模具材料用于冷/热成型、挤压、拉伸等

模具，耐磨耐压，寿命长。冷镦模、冷挤压模拉伸模、冲压模塑料模具、粉末压制模热作模具(部分工况)材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

24/30刀具材料用于切削、钻孔、铣削、车削等

加工，适合高速、高郊加工。车刀、铣刀、钻头镗刀、铰刀、铣刀片螺纹刀具、齿轮刀具可转位刀片、刀具涂层基体24硬质合金的性能特点与典型应用韧性较差

塑性和韧性较差，抗冲击能力有限，需避免冲击载荷。导热性较差

导热性低，热量不易扩散，使用中需注意散热问题。认识硬质合金的主要性能特点，掌握其在工业中的典型应用领域一般需磨削或电加工难以用常规切削加工，通常需磨削或电加工成形。硬度高

常温和高温均保持较高硬度，优于大多数金属材料。耐磨性好

耐磨损性能优良，适用于高速、重载等恶劣工况。热硬性高

在高温下仍能保持较高硬度和耐磨性，不易软化。抗弯强度较低抗弯性能相对较低，受拉能力弱，易脆裂。抗压强度高

抗压性能优异，适合承受较大的压应力。硬质合金的主要性能特点性能对比材料韧性耐磨性可加工性耐热性高速钢钢结硬质合金普通硬质合金高中高

低中

高高

中低高

中高

主要应用复

杂

刀

具如成形铣刀、拉刀、滚刀、齿轮刀具等。模具如冷作模具、热作模具、挤压模具等。耐磨件如导向件、轴套、轧辊、

耐磨板、冲头等。定义钢结硬质合金

(Steel-bonded

Carbide)是以一种或

多种碳化物(如WC

、TiC

、TaC

、NbC等)为硬质相，

以碳钢或合金钢粉末为黏结相，通过粉末冶金工艺制备

的一种介于高速钢与普通硬质合金之间的新型工模具材料。退火后

淬火回火后可切削加工

获得高硬度和(便于加工成形)耐磨性工艺与性能获得过程钢结硬质合金组织或制品图图7

-25(后补)材料科学与工程(机械方向)

一

材料工程基础

25/30结合工艺-性能-应用链条理解其“软加工、硬使用”的特性；通过与高速钢、普通硬质合金对比，突出其折中优势。强调“钢作骨架、碳化物为骨骼”的复合结构特点；教学提示25钢结硬质合金及其应用介于高速钢与普通硬质合金之间的新型工模具材料很高优点局限材料利用率高几乎无切屑产生，材料利用率可达95%以上。粉末和模具成本高高性能粉末价格较高，模具制造与维护费用较大。少无切削近净成形或净成形，减少或

免除切削加工，节能省材。尺寸和形状受限受压制设备、模具结构和脱模条件限制，形状复杂件受限。适合难熔材料和特殊性能材料可制备高熔点材料、硬质合金、多孔材料、复合材料等。韧性偏低多数由孔隙存在，致密度受限，韧性与塑性通常低于锻件或

轧制件。效率高适合大批量生产，生产节拍快，综合成本低。图7-26粉末冶金工艺流程图(后补)材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

26/307.5粉末冶金材料概述与工艺特点1.

定义与主要思想

3.粉末冶金工艺的优点与局限其核心思想是：以粉末为“原料”,以压制为“成形”,以烧结为“键合”,通过后处理提高性能，获得致密、均匀、可控的材料与制品。粉末冶金

(PowderMetallurgy,PM)是以金属或非金属粉末为原料，通过成形与烧结等工艺，制备材料、零件或制品的一种近净成形技术。认识粉末冶金材料及其工艺流程，理解其优势与局限配料

混合

压制成形

烧结

后处理/

制品2.

粉末冶金工艺流程(典型流程)整形/浸渍3554.

粉末冶金材料的代表性产品导电陶瓷、结构陶瓷、功能复合材料等齿轮、连杆、泵体、汽车零部件等刹车片、离合器片、制动材料等铁氧体磁体、软磁材料、磁芯等刀具、模具、耐磨件等金属/非金属金属陶瓷等结构材料摩擦材料轴承、衬套车、气液过滤材料等多孔过滤元件、减摩材料磁性材料过滤材料硬质合金自润滑材料等粉末4.典型应用领域纺织机械家电机床汽车3.铁基与铜基减摩材料对比铁基减摩材料(铁基含油轴承)铜基减摩材料(

铜基含油轴承)Fe-C多孔骨架结构，孔Cu基多孔结构，孔隙组织隙率较高(

一

般15%~细小均匀，孔隙率较特点25%),孔隙互连，储低(一般10%~20%),油能力强。强度和导热性较好。性能特点耐磨性好、强度高、承载能力强，耐冲击性好，但导热性较差，耐腐蚀性一般。导热性好，耐腐蚀性

优良、耐温性好，摩

擦系数低，但强度和

耐磨性略低于铁基。适用场合中高载荷、冲击载荷、中低速工况，如重载机械、工程机械、农业机械等。中低载荷、中高速、

耐腐蚀和高温工况，

如精密仪器、家电、

汽车部件等。在使用过程中，润滑油被毛细力吸入孔隙中储存；当轴承工作温度升高、负载作用使孔隙内油被挤出，形成润滑膜，降低摩擦与磨损；停机或温度降低时，润滑油在毛细力作用下自动回吸到孔隙中，实现“自润滑、免维护”的效果。粉末冶金含油轴承是一种由金属粉末压制、烧结而成的多孔材料，孔隙率一般为15%～25%,孔隙相互连通，具有良好的储油能力。1.

含油轴承简介材料科学与工程(机械方向)一材料工程基础

27/3027粉末冶金减摩材料(含油轴承)2.含油轴承工作机理动机多孔储油·

自动润滑·

免维护·

长寿命毛细力将润滑油

轴承工作时，升温

挤出的油在摩擦

停机或温度降低后，并储存。

油被挤出。

降低摩擦与磨损。

下自动回吸入孔隙，吸入连通孔隙中和载荷使孔隙内的

表面形成润滑膜，润滑油在毛细力作用孔隙吸油工作升温挤油

形成润滑膜

停机后回吸完成再储油。电铁

基

结

构

材

料

与

铜

基

结

构

材

料

对

比两类典型粉末冶金结构材料的主要特征对比项目铁基结构材料铜基结构材料成分体系铁或铁合金为基，常添加

C、Cu、Ni、Mo、Sn、

P、石墨等元素铜或铜合金为基，常添加

Sn、Zn