机械基础 第3版 课件第一章 工程材料及热处理

模块一工程材料及热处理第一章工程材料及热处理第一节金属材料的力学性能【学习目标】1．了解金属材料力学性能的主要指标和符号。2．了解屈服点（屈服强度）、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率的计算方法。3．了解布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度试验的应用。一、力学性能试验的有关概念1.力与载荷力学测试中，以大小、方向和力作用点等基础自然属性描述的作用在测试对象外部，并在其内部产生应力的矢量从物理学概念来说，力是物体间相互作用，其效果是改变物体的运动状态或形状，工程材料主要研究后一种效果（内效应），且通常又将力称为载荷。有静载荷、冲击载荷和交变载荷2．力矩、力偶力矩是力对一点之矩，等于从该点到力作用线上任一点径矢与该力的矢量积，即M=±rF，单位是N.m或KN.m。其作用是使物体产生转动效应或使物体发生弯曲变形。例：力偶与力偶矩。两个大小相等，方向相反且不在同一条直线上的力称为力偶，力与两个力之间距离d（又称力偶臂）的乘积称为力偶矩，即M=±dF，单位是N.m或KN.m。其作用是使物体发生转动或扭转变形，故工程上又称为转矩或扭矩，用T表示。例：3．内力、应力材料内部的一部分对另一部分的作用力称为内力单位面积上的内力称为应力σ（N/mm2或MPa）例：4.杆件的基本变形拉伸与压缩剪切扭转弯曲二、力学性能指标拉伸试验:长试样:L0=10d0

短试样:L0=5d0；L0—试样长度，d0—试样直径拉伸曲线(力—伸长曲线)弹性变形阶段;屈服阶段;强化阶段缩颈阶段视频力—伸长曲线1.强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形或破坏的能力（１）屈服强度屈服强度是指在拉伸试验过程中载荷不增加（保持恒定）的情况下，拉伸试样仍然能继续伸长（变形）时的应力

（2）抗拉强度抗拉强度又称抗拉极限、断裂极限，指材料断裂前所能承受的最大抵抗应力,用符号Rm表示

2．塑性塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力（1）断后伸长率拉伸试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A或A11.3表示

（2）断面收缩率断面收缩率是指拉伸试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用Z表示3．硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标（1）布氏硬度原理是用一定直径的硬质合金球，以匹配的试验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径计算其硬度值的方法

布氏硬度符号HBW例:150HBW10/1000/30

布氏硬度试验情况动画演示（2）洛氏硬度洛氏硬度试验是用锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（钢球或硬质合金球）作为压头，加上定载荷（载荷先后两次施加），使压头压入试样表面，根据压痕深度确定其硬度值A、B、C三种标尺

标尺压头初试验力/N主试验力适用测试材料有效值HRA120°的金刚石圆锥体98.07kg490.3kg硬质合金、表面淬火钢20～95HRBW直径为1.5875mm的球98.07kg882.6kg退火钢、非铁金属10～100HRC120°的金刚石圆锥体98.07kg1373kg一般淬火钢件20～70（3）维氏硬度将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头，在规定的试验力F作用下，压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测出压痕的对角线长度后，查表得出维氏硬度值例:640HV30表示用30kgf试验力，保持10～15s时测得的维氏硬度值是640。

加载前

加载

动画演示

卸载4．韧性韧性又称冲击韧性，是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的的能力，用冲断试样所吸收的功来表示k=G(H-h)5．疲劳强度金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限

一般试验时规定，钢在经受107次、有色金属经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力，所得的疲劳强度用R-1表示。疲劳断裂与静载荷断裂不同，不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，会造成很严重事故美西南航空

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事故原因思考与练习1.什么是金属材料的力学性能？它包括哪些性能指标？2.简述低碳钢的拉伸试验，绘制其力－伸长曲线，说明其各阶段。3.有一直径为10mm的低碳钢短试样，做拉伸试验，当载荷增加到2198KN时产生塑性变形，当载荷增加到3200KN时产生缩颈，随后试样被拉断。其断后标距是6.15mm，直径为3mm。求此钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及断面收缩率。5．硬度分哪几种？分别应用在什么场合？第一章工程材料及热处理第二节非合金钢（碳素钢）【学习目标】1．了解非合金钢的分类。2．掌握非合金钢牌号的含义及应用。一、非合金钢的分类1．按碳的质量分数分（1）低碳钢指碳的质量分数wc＜0.25%的铁碳合金。（2）中碳钢指碳的质量分数wc=0.25%～0.6%的铁碳合金。（3）高碳钢指碳的质量分数wc＞0.6%的铁碳合金。2．按主要质量等级分根据钢中的硫、磷含量来划分。（1）普通质量非合金钢。（2）优质非合金钢（3）特殊质量非合金钢3．按用途分（1）碳素结构钢用于制造各种机械零件和工程结构件，其碳的质量分数一般小于0.7%。（2）碳素工具钢用于制造各类工具，如刃具、模具、量具等，其碳的质量分数一般大于0.7%。二、非合金钢的牌号及用途1．碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分组成。质量等级分A、B、C、D四级，质量依次提高；脱氧方法用F、b、Z、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，镇静钢和特殊镇静钢符号通常可以省略。例如，Q235—A·F表示屈服强度≥235MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。主要用于制造螺栓、螺母、拉杆、销等零件。2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位阿拉伯数字表示，数字表示平均碳的质量分数的万分数。如40钢，表示平均wc=0.4%的优质碳素结构钢3．碳素工具钢碳素工具钢的牌号以“T”

（“碳”字汉语拼音字首）加数字组成，数字表示平均碳的质量分数的千分数。如T8表示平均wc=0.8%的碳素工具钢,若为高级优质钢，则在牌号后加字母“A”，如T10A思考与练习1．什么是钢？按化学成分分，钢分为哪几类？2．磷、硫对碳钢的性能有什么影响？3．非合金钢常用分类方法有哪几种？4．说明下列牌号的含义，并举例说明其主要用途。Q195，Q235-A.F，20,45,T10，T12A第一章工程材料及热处理第三节钢的热处理【学习目标】*1．了解简化的铁碳合金相图，能说出相图中特性点、线、区域组织类型及其性能特点2．掌握非合金钢常用热处理的工艺方法。3．掌握非合金钢常用热处理的目的。一、Fe-Fe3C相图*1.相关概念（1）同素异构转变金属在固态下随温度的改变，会由一种晶格转变为另一晶格的现象如铁在912°C以下为体心立方晶格，称之为α-Fe，铁在912～1394°C时为面心立方晶格，称之为γ-Fe（2）合金及其组织一种金属元素与其他金属元素或非金属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。钢铁是以铁和碳为基本组元的合金。合金的组织有：固溶体：铁素体、奥氏体金属化合物：渗碳体混合物：珠光体、莱氏体2.铁碳合金的基本组织与性能组织名称含义符号含碳量%存在温度区间性能特点铁素体铁和钢的晶格结构为体心立方的固溶体F～0.0218室温～912℃具有良好的塑性、韧性,较低的强度、硬度奥氏体γFe中融入碳和（或）其他元素构成的固溶体A～2.11727℃以上强度、硬度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性，塑性很好，具有良好的锻压性能渗碳体含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物Fe3C6.69室温～1148℃高熔点、高硬度，脆性极大，塑性和韧性几乎为零珠光体铁素体与渗碳体的混合物P0.77室温～727℃强度较高，硬度适中，有一定的塑性莱氏体奥氏体与渗碳体的混合物Ld4.3727～1148℃性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性、韧性极差珠光体与渗碳体的混合物Ld'室温～727℃3.简化的Fe-Fe3C相图（1）相图中主要特性点及含义点的符号温度°C含碳量wc%含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，LLd(A+Fe3C)D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在r-Fe中的最大溶解度点G9120纯铁的同素异构转变点，a-Fer-FeP7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度点S7270.77共析点AP(F+Fe3C)（2）相图中主要特性线及含义特性线名称含义ACD液相线此线之上为液相(L)，缓冷至液相线时，开始结晶AECF固相线此线以下为固相ECF共晶线发生共晶转变，生成莱氏体(L)。共晶反应式为:LLdPSK共析线发生共析转变，生成珠光体(P)。共析反应式为:APGSA3奥氏体

铁素体的转变线ESAcm碳在奥氏体(y-Fe)中的溶解度曲线（3）Fe-Fe3C相图的应用1）作为选用钢铁材料的依据。需要塑性、韧性好的材料，选用含碳量小于0.25%的钢；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，选用含碳量为0.3%～0.55%的钢；弹簧应选用含碳量为0.6%～0.85%的钢；各种工具选用含碳量为0.7%～1.2%的高碳钢来制造。2）制订铸、锻、焊和热处理等热加工工艺的依据。铸造方面，从Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，为拟定铸造工艺、确定合适的熔化、浇注温度提供了依据；锻造、轧制方面，钢在高温时可获得奥氏体组织，它的强度低，塑性好，便于塑性变形加工；焊接方面，钢的含碳量越低，焊接性能越好；热处理工艺方面，根据对工件性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度都必须参考Fe-Fe3C相图选定。二、钢的热处理钢的热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。根据GB/T12603-2005，钢的热处理可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三种。1．钢的整体热处理整体热处理包括退火、正火、淬火、回火等（1）退火退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。退火的目的有：（1）降低硬度，以利于切削加工。（2）提高塑性和韧性，以利于冷变形加工。（3）消除组织缺陷,（4）消除钢中的残余内应力，防止变形与开裂（2）正火正火是工件加热奥氏体化后在空气中或其他介质中冷却，获得以珠光体组织为主的热处理工艺。正火的目的:细化晶粒，均匀组织，提高机械性能。对于中、低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性；对于高碳钢，过高的硬度不利于切削加工，可消除钢中网状渗碳体，为球化退火作准备；对于性能要求不高的零件，可代替调质处理作为最终热处理。正火与退火相比：正火冷却速度快。正火后的强度、硬度高于退火，操作简便，生产周期短，成本低，在可能的条件下宜用正火代替退火。但正火只适用于碳素钢及合金元素含量不高的合金钢。（3）淬火淬火是工件加热奥氏体化后，以适当方式冷却以获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。常见的淬火介质有水（盐水）、油等。淬火的目的:提高钢的硬度、强度和耐磨性，是强化钢材的重要热处理工艺。（1）淬硬性。淬硬性是指钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性，主要取决于钢中的含碳量。（2）淬透性。淬透性是指在规定条件下，钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。淬透性愈好，淬硬层愈厚。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式（4）回火1）低温回火（150℃～250℃）低温回火的目的是降低淬火钢内应力，提高韧性，并保持高的硬度和耐磨性。主要用于高碳工具钢和合金刃具钢、量具、滚动轴承、冷作模具和要求硬而耐磨的零件。2）中温回火（250℃～500℃）中温回火的目的是使淬火钢件具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性。主要用于制造弹性零件（如弹簧、发条）和热锻模具等。3）高温回火（500℃～650℃）高温回火的目的是使零件获得良好综合力学性能，即零件不仅具有较高的强度，而且具有较好的塑性和韧性。生产中把淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理，简称为调质。调质处理广泛用于丝杆、连杆、齿轮、曲轴等重要的受力结构零件。2．钢的表面热处理和化学热处理（1）表面淬火表面淬火是仅对工件表面层进行淬火，而心部仍保持未淬火状态。常用表面淬火有火焰表面淬火、感应加热表面淬火。火焰表面淬火是用乙炔-氧的混合气体燃烧的火焰，快速加热，使工件表面层迅速地达到淬火温度，而后立即喷水或用乳化液进行冷却的一种方法，感应加热表面淬火是把工件放在感应器（变磁场）中，依靠工件表面产生感应电流，使工件表面瞬时升到淬火温度，立即喷水冷却，使之获得淬硬表层的热处理工艺

（2）化学热处理1）渗碳渗碳是把低碳钢工件放在活性碳介质中，加热到一定温度（一般为930℃左右），保温足够长的时间，使表面层的碳浓度升高的热处理工艺

渗碳后淬火2）氮化氮化是向钢的表面渗入氮原子以提高表面层氮浓度的热处理工艺氮化以后不需淬火即可获得很高的硬度（可达1000～1200HV），且耐磨性高思考与练习*1．说出Fe-Fe3C相图中七个特征点、六条特征线的含义。*2．指出Fe-Fe3C相图中含碳量小于2.11%各区域的组织。*3．Fe-Fe3C相图在生产实践中有何作用？*4．什么是热处理？它在实际应用中有什么意义？4．什么是热处理？它在实际应用中有什么意义？5．常用的热处理工艺有哪些？6．什么是退火？什么是正火？说明它们的主要目的和应用范围。7．什么是淬火？什么是回火？说明它们的主要目的和应用范围。8．表面热处理的目的是什么？分哪几种？9．淬透性与淬硬性有什么区别？其影响因素有哪些？10.什么是化学热处理？化学热处理分哪几种？第一章工程材料及热处理第四节低合金钢和合金钢【学习目标】1．了解低合金钢牌号的含义及应用。2．了解合金钢牌号的含义及应用。一、低合金钢低合金钢是合金含量在5%以下的钢。具有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性及良好的焊接性能。低合金钢大多数在热轧或正火状态下使用。1．低合金钢的分类（1）按主要质量等级分类低合金钢按主要质量等级可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢。（2）按主要性能及使用特性分类低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐热钢、低合金专业用钢

2．低合金高强度结构钢的牌号及用途低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音首位字母、屈服强度数值、质量等级符号和交货状态符号四部分组成。质量等级有B、C、D、E、F五级，交货状态为热轧时代号为AR或WAR（可省略），交货状态为正火或正火轧制，代号为N。例如，Q390B表示屈服强度≥390MPa，质量为B级的低合金高强度结构钢。常用牌号有：Q355、Q390、Q460、Q420、Q500、Q550、Q620、Q690八种。二、合金钢1．合金钢的分类（1）按其主要质量等级分合金钢按主要质量等级可分为优质合金钢和特殊质量合金钢。（2）按主要性能及使用特性分合金钢按主要性能及使用特性可分为：合金结构钢用于制造重要机械零件和工程结构；合金工具钢用于制造重要的刃具、量具和模具；特殊性能钢具有特殊的物理、化学性能的钢。2．合金钢的牌号及用途合金结构钢的牌号采用“二位数字加元素符号加数字”表示。前面的二位数字表示钢的平均碳质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而元素符号后面数字表示该元素平均含量的质量分数例如60Si2Mn，表示平均含碳量为0.6%；含硅量约为2%，含锰量小于1.5%（1）机械制造用钢1）合金渗碳钢用于制造渗碳零件的合金钢

2）合金调质钢指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的合金结构钢

3）合金弹簧钢用于制造各种弹簧的专用结构钢

（2）滚动轴承钢滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚动体和内外套圈的专用钢（3）合金工具钢1）合金刃具钢合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素形成的一类钢，牌号：9SiCr，主要用于制造形状复杂的低速工具（丝锥、板牙、铰刀等）高速钢是一种含钨、铬、钒等多种元素的高合金刃具钢。经过适当热处理后，具有高的硬度、红硬性和耐磨性牌号：W18Cr4V及W6Mo5Cr4V22）合金模具钢3）合金量具钢（4）特殊性能钢1）不锈钢不锈钢是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢。铬不锈钢常用的不锈钢牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，钢中的铬含量约为13%，碳含量为0.1%～0.4%。铬镍不锈钢主要用于制造在强腐蚀介质中工作的设备，常用牌号有0Cr18Ni9、00Cr18Ni9。2）耐热钢耐热钢是指在高温下不发生氧化并具有较高强度的钢。常用牌号有15CrMo、4Cr9Si2、1Cr13SiAl等。3）耐磨钢是指在强烈冲击载荷下发生冲击硬化，从而获得高的耐磨性的高锰钢。常用的牌号为Mn13。铸造高锰钢：ZGMn13思考与练习1．说明下列钢牌号的具体含义，并举例说明其主要用途：Q390，20CrMnTi，40Cr，60Si2Mn，GCr15，9SiCr，W18Cr4V，CrWMn，Cr12，5CrMnMo，3Cr2W8，1Cr18Ni9Ti，ZGMn132．试比较合金结构钢与碳素结构钢的异同。3．试比较碳素工具钢与合金工具钢的异同。4．机械制造用钢有哪些？各举一例，并说明其最终热处理。5．滚动轴承钢有哪些性能要求？其热处理要求如何？第一章工程材料及热处理第五节铸铁和铸钢【学习目标】1．了解灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的牌号含义及应用。2．了解铸钢的牌号含义及应用。一、铸铁铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、减振性和切削加工性及一定的力学性能种类有：白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁三种1．白口铸铁白口铸铁中的碳以渗碳体形式（Fe3C）存在，断口呈亮白色，白口铸铁硬而脆，切削加工困难，很少具有实用价值，常作为炼钢用原料等。2．灰口铸铁灰口铸铁中的碳全部以游离态石墨存在（1）灰铸铁灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形态存在，断口呈暗灰色，具有良好的铸造性、减振性、耐磨性及切削加工性，是目前生产中应用最多的一种铸铁，广泛用于制造各种机架、底座、箱体、缸套等。灰铸铁的牌号以“HT”

（“灰铁”的汉语拼音字首）加数字表示，数字表示其最低抗拉强度。

常用的灰铸铁牌号有：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个牌号为提高灰铸铁的力学性能，在浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（常用硅铁和硅钙合金），使石墨片和基体组织细化，这样的处理称为孕育处理（2）可锻铸铁可锻铸铁中的碳是以团絮状石墨形式存在可锻铸铁牌号由“KT”（“可铁”两字汉语拼音字首）和代表类别的字母（H、B、Z）及后面两组数字组成。其中，“H”代表黑心，“B”代表“白心”，“Z”代表珠光体基体；两组数字分别代表最低抗拉强度和最低伸长率。如KTH330-08。低压阀门建筑扣件（3）球墨铸铁球墨铸铁是指石墨以球状形式存在的铸铁球墨铸铁的牌号由“QT”

（“球铁”两字汉语拼音字首）及两组数字组成。两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。如QT400-15。

（4）蠕墨铸铁蠕墨铸铁是指石墨以蠕虫状形式存在的铸铁，性能介于球墨铸铁与火铸铁之间，3.麻口铸铁铸铁中的碳一部分以渗碳体形式存在，一部分以石墨形式存在，其断口呈黑白相间麻点，故称麻口铸铁，具有较大脆硬性，工业上应用少。二、铸钢1．碳素铸钢碳素铸钢又叫铸造碳钢，简称铸钢铸钢的牌号用“ZG”（“铸钢”两字汉语拼音字首）加两组数字组成。两组数字分别表示屈服强度和抗拉强度的最小值。如ZG200—400表示屈服强度不低于200MPa，抗拉强度不低于400MPa的铸钢。2．合金铸钢用铸造方法制成的合金钢称为合金铸钢

思考与练习1．什么是铸铁？什么是铸钢？2．铸铁中的碳以哪几种形态存在？根据碳的形态将铸铁分为哪几种？3．举例说明灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和铸钢的牌号表示方法。4.试比较可锻铸铁与球墨铸铁的异同。第一章工程材料及热处理第六节非铁金属简介及金属材料的选用【学习目标】1．了解常用有色金属（铜合金、铝合金）的牌号及应用。2．了解轴承合金的牌号及应用。3．了解金属材料的选用原则。4．会选择典型机械零件材料。5．会分析典型机械零件热处理工艺。一、铝及铝合金1．纯铝平均铝的质量分数不小于99.00%金属称为纯铝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。变形铝牌号用四位数字或四位字符表示，即为“1×××”；牌号的第一位数字为1，第二位的字母或数字表示原始纯铝的改型情况。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量。如1A99、1A97铸造纯铝牌号由Z和铝的化学符号以及表明含铝量的数字组成。如ZAl99.5表示含铝量为99.5%的铸造铝合金。2．铝合金在纯铝中加入一种或几种其它元素（如铜、镁、硅、锰、锌等）形成的非铁金属称为铝合金

（1）铝合金的分类铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两

变形铝合金:压力加工成形的铝合金铸造铝合金是指用铸造成形工艺直接获得零件的铝合金，主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系合金等。（2）变形铝合金的牌号和用途变形铝合金牌号直接引用国际四位数字体系牌号或采用四位字符体系牌号，第一位数字表示合金系列，第二位字母表示原始合金的改型情况，最后两位数字没有特殊意义。1）铸造铝合金的代号

按GB/T1173-2013规定，变形铝合金牌号直接引用国际四位数字体系牌号或采用四位字符体系牌号，第一位数字表示合金系列，第二位字母表示原始合金的改型情况（如字母为A表示原始合金；字母为B～Y的其他字母表示原始合金的改型合金），最后两位数字没有特殊意义（3）铸造铝合金2）铸造铝合金牌号按国家标准（GB/T8063—2017）规定，铸造铝合金的牌号由“铸”的汉语拼音首字母Z、铝的化学元素符号Al、主要合金元素的化学符号以及表示主要合金元素名义百分含量的数字组成。例如，ZAlSi12，表示WSi=12%,WAl=88%的铸造铝合金类别牌号代号性能特点用途铝硅合金ZAlSi12ZL102铸造性能好，耐磨性好，热胀系数小，强度中等形状复杂的砂型、金属型和压力铸造零件；要求气密性的零件ZAlSi7MgZAlSi7Cu4ZL101良好的铸造性能，力学性能和耐热性形状复杂的砂型、金属型和压力铸造零件。如飞机、仪器的零件等铝铜合金ZAlCu5MnZL201耐热性好，热强度高，但铸造性能和耐腐蚀性较差砂型铸造在175~300℃以下工作的零件。如缸头、活塞、支臂等铝镁合金ZAlMg10ZL301密度最小，强度最高（355MPa左右）耐腐蚀性能好，良好的综合力学性能和可切削性砂型铸造的在大气或海水中工作的零件，承受大振动载荷、工作温度低于150℃的零件铝锌合金ZAlZn11Si7ZL401铸造性能好，力学性能较高，价格低压力铸造的零件，工作温度不超过200℃，结构复杂的汽车、飞机零件二、铜及铜合金1．纯铜（紫铜）牌号牌号读法化学成分/%用途WCuWBiWpb杂质总量T1090T1≥99.950.0010.0030.05导电，导热，耐腐蚀器具材料，如电线，蒸发器，雷管，储藏器等T11050T2≥99.900.00100050.10T11090T3≥99.700.0020.0100.30（1）压力加工黄铜1）普通黄铜2）特殊黄铜合金类型合金牌号力学性能用途举例Rm/MPaA11.3/%硬度（HBW）铅黄铜HPb59-1400/65045/1644/80轴，轴套，螺栓，螺钉，螺母，分流器，导电排铝黄铜HAl77-2400/65055/1260/170耐腐蚀零件硅黄铜HSi80-3300/60058/490/110船舶零件，水管零件（2）压力加工青铜合金类型合金代号力学性能用途举例Rm/MPaA11.3/%硬度（HBW）锡青铜QSn4-3350/55040/460/160弹簧材料，耐磨零件(如轴承)，抗磁零件铝青铜QAl9-4550/90040/5110/180船舶及飞机上的齿轮，轴承，轴套，涡轮，阀座等铍青铜QBe2500/85040/3（HV）90/250精密弹簧及膜片，钟表零件（游丝，齿轮等），波纹管，轴承的村套，指南针，弹簧，电接触器，电焊机电极，航海罗盘等硅青铜QSi3-1370/70055/380/180弹簧，耐磨零件，齿轮，蜗轮，蜗杆，电话线和长距离输电线等三、滑动轴承合金（巴氏合金）1．滑动轴承合金的牌号滑动轴承合金的牌号用“Z+基体金属元素符号+主加元素化学符号+数字+辅加合金元素化学符号+数字”组成，其中“Z”是“铸”字汉语拼音的字首

2．滑动轴承种类常用的轴承合金有锡基、铅基、铝基轴承合金。1）锡基滑动轴承合金（锡基巴氏合金）常见牌号：ZSnSb8Cu4、ZSnSb11Cu62）铅基滑动轴承合金（铅基巴氏合金）常见牌号：ZPbSb16Sn16Cu2、ZPbSb15Sn103）铝基滑动轴承合金（铝基巴氏合金）常见牌号：四、金属材料的选用金属材料一般选择原则是在满足使用性能要求的前提下，同时兼顾材料的加工工艺性能和经济性。1.使用性能使用性能是指零件在工作过程中具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是材料选择的最主要依据，对于机械零件，使用性能通常指材料的力学性能。2.工艺性能工艺性能是指材料在制造机械零件的过程中，适应各种冷、热加工的性能（1）铸造性能是指金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，衡量铸造性能主要指标有金属液体的流动性、吸气性、氧化性、凝固温度范围和和凝固特性、收缩特性等。（2）锻压性能是指金属材料能否用锻压方法制成优良锻件的性能，锻压性能与材料的塑性及其塑性变形抗力有关，一般情况下，材料的塑性好，变形抗力小，则锻压性能也好。低碳钢的锻压性能最好，中碳钢次之，高碳钢锻压性能较差。低合金钢的锻压性能接近中碳钢。高合金钢的锻压性能比碳钢差。（3）焊接性能是指金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良接头的能力，焊接性能好的材料易于用一般的焊接方法和工艺焊接，焊接时不易产生裂纹、气孔等缺陷，焊缝接头有较高的力学性能。低碳钢有较好的焊接性能，高碳钢较差，铸铁则更差。铝、铜合金的焊接性能一般都比碳钢差。（4）切削加工性能是指金属材料被切削加工后成为合格零件的难易程度，它不仅与材料的化学成分有关，还与金相组织及硬度、韧性等力学性能有关，一般材料硬度过高，加工较困难，刀具易磨损；材料硬度过低，加工时易粘刀，加工后表面粗糙。通常碳素钢硬度在150～250HBW时，切削加工性能较好，铸铁、铜合金、铝合金具有较好的切削加工性。3.经济性能在保证零件使用性能和加工质量的前提下，尽可能选用价格低廉、加工方便、便于采购、运输的材料。如碳素结构钢的价格低于合金结构钢，碳素工具钢的价格低于合金工具钢。五、典型机械零件的热处理工艺分析机械零件制造过程一般分为毛坯制造、粗加工、半精加工、精加工几个阶段，重要零件还会安排光整加工预备热处理包括正火、退火、调质等；正火、退火通常安排在毛坯制造之后，切削加工之前，主要目的是消除毛坯内应力、均匀组织，改善切削加工性；调质通常安排在粗加工之后、半精加工或精加工之前进行，主要目的是获得综合力学性能。最终热处理包括淬火、回火及表面热处理，主要目的是获得所需要的使用性能，一般安排在半精加工之后例1：齿轮（1）中等载荷、平稳工况、无强烈冲击的机床齿轮，心部需具有良好的综合力学性能，表面具有较高硬度和耐磨性，材料可选中碳钢（45）或中碳合金钢（40Cr）。加工路线：锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火+低温回火→精加工。正火的目是消除锻造应力，改善切削加工性，同时均匀组织、细化晶粒；调质的目的是使齿轮心部获得良好的综合力学性能；表面淬火+低温回火的目的是使齿轮表面具有较高的硬度和耐磨性。（2）受高冲击载荷和交变应力的汽车、拖拉机齿轮，表面应具备高耐磨性与心部高韧性，材料应选用低碳合金钢20CrMnTi。加工路线：锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工。正火的目的是消除锻造应力，改善切削加工性，同时均匀组织、细化晶粒；渗碳的目的是提高齿轮表面的含碳量；淬火+低温回火的目的是使齿轮表面具有高硬度和耐磨性，同时心部具有高韧性（回火马氏体）。当然45钢或40Cr成本低于20CrMnTi，且渗碳处理工艺周期长，成本高。例2：丝锥、板牙要求：丝锥、板牙用于加工内、外螺纹，心部和柄部需具有足够的强度和韧性（34～45HRC）以承受较大的扭转应力；齿刃部具有高的硬度(59~64HRC)、高的硬耐磨性和一定的热硬性(视切削速度而定)，故手用丝锥、板牙应选用含碳量较高的碳素工具钢T10A、T12A，机用丝锥、板牙选用合金工具钢9SiCr或高速钢W18Cr4V；加工路线：锻造→球化退火→粗加工→淬火+高（低）温回火→精加工。球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性；柄部、心部采用淬火+高温回火，目的是为获得足够的强度和高韧性。刃部采用淬火+低温回火，目的是为获得高的硬度和耐磨性。思考与练习1．试述工业纯铝的性能特点，并举例说明其牌号与用途。2．硬铝与铝硅合金各属于哪类合金？试举例说明其牌号与用途。3．什么是黄铜、青铜？它们分为哪几类？举例说明其牌号与用途。4．轴承合金应具备哪些性能？常用的轴承合金有哪些？应用于什么场合？5.金属材料一般如何选择？材料的工艺性能包括哪些内容？6.试分析锉刀应选用什么材料？采用哪些热处理工艺？目的是什么？第一章工程材料及热处理第七节常用非金属材料【学习目标】1．了解工程塑料和复合材料的特性、种类和应用。2．了解其他新型工程材料的应用。3．了解常用非金属材料的选用原则。一、工程塑料1.塑料及其特性塑料是以玻璃化温度或熔融温度的高聚物为基础成份，复配各种助剂，如抗氧剂、着色剂、增塑剂、有机或无机填料等等，可在一定温度流动并成形为各种形状制品的材料的总称。具有质轻、耐腐蚀性强、绝缘性好、可塑性好等特点，使其得到广泛应用，但塑料也有易老化、导热性差、高温或重复使用时可能释放有害物质等缺点。2.塑料的分类（1）按塑料的热性能分类根据树脂在加热和冷却时所表现出的性质不同，有：1）热塑性塑料。这类塑料在特定温度范围内，能反复加热软化和反复冷却成形，可反复采用模塑、挤塑等成型工艺将熔体加工为制品。2)热固性塑料。这类塑料加热时软化，可塑造成型，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化，只能塑制一次。（2）按塑料制品的使用性能分类

根据塑料制品使用性能的不同，把塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三大类。1)通用塑料。指产量大、价格低、成形性好、强度低的一类塑料，多用于日常生活用品，有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯2)工程塑料。指具有良好的机械性能、耐热性能和耐腐蚀性能的塑料，能替代机械零件，ABS塑料、聚酰胺、聚碳酸脂3)特种塑料。指具有特殊性能或特殊用途的塑料，如用于密封圈、不粘锅涂层的聚四氟乙烯（PTFE）以及用于航空航天部件、骨科植入物聚醚醚酮（PEEK）等。（3）常用工程塑料常用塑料性能特点应用场合聚乙烯（PE）耐腐蚀性、电绝缘性好；高压聚乙烯柔软性、透明性好；低压聚乙烯质硬、耐磨高压聚乙烯用于制造食品包装袋、保鲜膜、塑料瓶、水桶等；低压聚乙烯用于制造塑料板、塑料绳、承载不高的机械零件聚氯乙烯（PVC）耐腐蚀性、电绝缘性好、阻燃性好、易加工、成本低；但耐热性差，低温易脆化，有一定毒性硬质PVC用于制造给排水管、门窗型材；软质PVC制成人造革、电线电缆绝缘层等常用塑料性能特点应用场合聚丙烯（PP）耐高温且无毒‌、轻质、易加工，耐腐蚀性、电绝缘性好。染色性和印刷性差，低温易脆化、易燃微波炉容器、外卖盒、洗衣机内筒、注射器、输液器、医用包装以及电缆绝缘层、插座外壳等聚苯乙烯（PS）透明性好、易加工‌、电绝缘性好以及良好的隔音、隔热和防震性能，但脆性大、耐热性差一次性餐具、透明盒、光学仪器灯罩、仪表盘等透明部件以及易碎品缓冲包装材料，墙体隔热、屋顶保温材料ABS塑料坚韧、质硬、刚性好，同时耐热、耐蚀、尺寸稳定性好，电绝缘性好，易加工成型，表面可镀铬、喷涂或印刷‌制造一般机械减磨、耐磨件，如齿轮、家用电器外壳、3D打印模型、键盘等绝缘部件‌聚酰胺（PA）又称尼龙，高强度、高韧性、耐磨损、耐热、耐油、耐碱。缺点：导热性差，不耐强酸‌，吸水后尺寸稳定性下降‌应用较广的工程塑料，常用于牙刷、拉链等日用品‌，‌齿轮、轴承、密封圈等耐磨部件‌；连接器、开关、线圈骨架等绝缘部件‌聚碳酸脂（PC）抗冲击性强（俗称“防弹胶”），透光率高，尺寸稳定性好，温度使用范围广，无毒性；但耐磨性差，耐碱性差手机/电脑屏幕盖板、光学镜片、LED灯罩等高透光性场景‌；防弹玻璃、安全头盔面罩等耐冲击部件‌；注射器针筒、手术放大镜镜片等医疗器械复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料。通常其中一种作为基体材料起黏接作用，另一些材料作为增强材料，以提高承载能力。

1.复合材料的分类

（1）按基体类型分。按基体类型可分为金属基复合材料和非金属基复合材料两类。

（2）按增强材料性质和形态分。按增强材料性质和形态可分纤维增强复合材料、颗粒复合材料、层状复合材料和填充骨架复合材料四种。二、复合材料（3）按材料的用途分。按材料的用途可分为结构复合材料和功能复合材料两类。前者因其具有优良的力学性能，用于工程结构材料以承受各种载荷；后者具有各种独特物理化学性质，如吸波、电磁、超导、屏蔽、光学、生物相容等各种功能。2.常用复合材料类别材料名称性能特点应用场合纤维增强树脂基复合材料玻璃纤维一树脂复合材料又称玻璃钢，轻质高强，强度接近钢材，但密度仅为钢材料的1/4～1/5；耐腐蚀性好，成本低，应用广广泛应用于航空航天、交通运输、化工环保等领域，如无人机机身、机翼，汽车车身、车厢内饰件、化工管道等碳纤维一树脂复合材料强度与刚度极高且重量极轻，抗拉强度是钢的7～9倍，密度仅为铝合金的1/2，价格较高主要用于运动器材、航空航天、高端交通等领域。如军用飞机机身、机翼、火箭整流罩、导弹弹体、发射筒，F1赛车车身等硼纤维一树脂复合材料极高的比钢度（刚度/重量比）和优异的耐热性能，密度高于碳纤维，价格高主要用于航空航天和军事工业，如飞机发动机舱耐高温部件、导弹弹体板等，由于价格较高逐渐被碳纤维取代碳化硅纤维一树脂复合材料极致的耐高温，可达1200°C和优异的抗腐蚀性，价格高主要用于对耐高温和抗腐蚀有严苛要求的高端领域，如航空发动机燃烧室外壳、涡轮叶片、核发应堆核心结构件、火箭发发动机喷管等有机纤维一树脂复合材料轻量化，密度低于无机纤维，高韧性且抗冲击性强，易加工，价格较低，缺点是耐高温性较差主要用于对韧性、减重且工作温度不高的场合，如防弹衣、防刺服、汽车安全汽囊、飞机机身、雷达天线罩、轻型舰船等。纤维增强陶瓷基复合材料‌轻量化、高强度与高韧性、耐高温性能