《機(jī)械基礎(chǔ)（多學(xué)時）》第3章 工程材料基礎(chǔ)

第3章工程材料基礎(chǔ)它們是用什么材料制造的？第1節(jié)金屬材料第2節(jié)非金屬材料*第3節(jié)新型工程材料第4節(jié)機(jī)械工程材料選用第1節(jié)金屬材料

1.1金屬材料的性能金屬材料是最常被使用的工程材料，具有很多良好的性能，這些性能包括使用性能和工藝性能。

1.1.1金屬材料的使用性能

金屬材料使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，使用性能決定了金屬材料的使用范圍。使用性能包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能，而影響材料使用性能的主要是力學(xué)性能。

金屬材料的力學(xué)性能是指材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來的性能。常用的力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。

1.強(qiáng)度

強(qiáng)度是指材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力表示，符號為σ

，單位為Pa

（帕）。工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)σs和抗拉強(qiáng)度σb

等。

2.塑性

塑性是指金屬材料在靜力作用下產(chǎn)生塑性變形（不可恢復(fù)的變形）而不被破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長率和斷面收縮率。

3.硬度

金屬材料抵抗其他更硬物體壓入的能力稱為硬度。硬度是衡量金屬材料軟硬的一個重要指標(biāo)。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

4.韌性

韌性是指金屬材料在沖擊載荷載荷作用下抵抗破壞的能力。金屬材料的韌性大小可通過沖擊試驗測定。

5.疲勞強(qiáng)度

在交變應(yīng)力作用下，雖然零件的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時間的工作會產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這個過程稱為疲勞。許多機(jī)械零件，如軸承、齒輪、軸、彈簧等都是在交變應(yīng)力作用下工作的。

疲勞強(qiáng)度是指金屬材料經(jīng)無數(shù)次交變應(yīng)力作用而不斷裂的最大應(yīng)力。

2.金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指在各種加工條件下表現(xiàn)出來的能力。

1.鑄造性能

鑄造是用熔化的金屬材料充注型腔，待凝固后，取得一定形狀鑄件的過程。金屬材料利用鑄造的方法制成優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。金屬材料中，灰鑄鐵和青銅的鑄造性能好。

2.鍛壓性能

鍛壓是一種通過鍛打或加壓使加熱金屬材料成形的加工方法。鍛壓性能是指金屬材料適應(yīng)鍛壓加工成形的能力。低碳鋼、低碳合金鋼具有良好的鍛壓性能。

3.焊接性能焊接是通過加熱或加壓使金屬永久連接的方法。金屬材料用焊接的方法實(shí)現(xiàn)牢固連接的能力稱為焊接性能。低碳鋼的焊接性能好。

4.切削加工性切削加工性是指金屬材料接受切削成形的能力。鑄鐵、銅合金、鋁合金和一般碳鋼都具有較好的切削加工性。1.2鐵碳合金基礎(chǔ)鋼鐵是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。它們主要是由鐵和碳兩種元素組成，統(tǒng)稱鐵碳合金。

1.2.1金屬的結(jié)晶金屬由液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程稱為結(jié)晶。金屬晶格（原子在晶體中的排列方式的空間格架）。常見類型有體心立方晶格（如δ-Fe、α-Fe）、面心立方晶格（如γ-Fe）和密排立方晶格。

純鐵的冷卻曲線如圖3-1所示。從曲線上可以看到（液態(tài)）Feδ-Feγ-Feα-Fe

結(jié)晶晶格類型轉(zhuǎn)變晶格類型轉(zhuǎn)變

圖3-1純鐵的冷卻曲線我們把金屬在固體下，隨著溫度的變化，晶格由一種類型轉(zhuǎn)變成為另一種類型的轉(zhuǎn)變過程，稱為同索異構(gòu)（晶）轉(zhuǎn)變。同索異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵一個重要特性，是能夠進(jìn)行熱處理來改變性能的基礎(chǔ)。

1.2.2鐵碳合金的墓木組織

鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

(1）鐵素體

鐵素體是碳原子溶解在α-Fe中形成的，用符號F表示。鐵素體室溫時的性能與純鐵時間相似，強(qiáng)度、硬度低，塑性和韌性好。

(2）奧氏體

奧氏體是碳原子溶解在γ-Fe形成的，用符號A表示。奧氏體塑性韌性好，強(qiáng)度和硬度較低。由于奧氏體組織性能好，易于鍛壓成形。

(3）滲碳體

滲碳體是鐵和碳相互作用，形成的穩(wěn)定的化合物，用Fe3C表示。滲碳體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃．硬度很高．塑性、沖擊韌度幾乎為零。

(4）珠光體

由鐵素體與滲碳體（F+Fe3C）組成的混合物珠光體（P)，所以它的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。

(5）萊氏體

由滲碳體與奧氏體（Fe3C+A）組成的混合物稱為高溫萊氏體（Ld)，滲碳體與珠光體(Fe3C+P）組成的混合物低溫萊氏體（Ld'）。萊氏體硬度很高，塑性很差。鐵碳合金的五種基本組織中，鐵素體、奧氏體和滲碳體是單相組織，稱為鐵碳合金的基本相，珠光體和萊氏體則是由基本相的混合而成的多相組織。

1.2.2鐵碳合金相圖

1.鐵碳合金相圖的建立

鐵碳合金相圖是表示在極緩慢加熱（或冷卻）條件下，鐵碳合金的成分、溫度與組織或狀態(tài)之間關(guān)系的圖形。如圖3-2所示是簡化后的Fe-Fe3C相圖。圖中縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含碳量）。Fe-Fe3C相圖是研究鋼和鑄鐵的組織與性能的重要基礎(chǔ)，是選擇鋼鐵材料的依據(jù)，對制定鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等加工工藝有著重要的指導(dǎo)意義。

圖32簡化后的F〔Fe3C相圖

2鐵碳合金的分類

根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鐵碳合金可分為以下三類：

(1）工業(yè)純鐵：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0218％的鐵碳合金。

(2）鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218％～2.11％之間的鐵碳合金。

(3）鑄鐵：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11％～6.69％之間的鐵碳合金。669

1.3鋼的熱處理

熱處理是機(jī)械制造工藝中不可缺少的組成部分，鋼經(jīng)過熱處理后，能充分發(fā)揮材料的潛力，改善其使用性能與工藝性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長使用壽命。如T8鋼制造的鏨子，淬火前硬度僅為（180～200)HBW．耐磨性差難以鏨削金屬，經(jīng)淬火處理，硬度可達(dá)（60～62)HRC，耐磨性好，切削刃鋒利。

鋼的熱處理是將采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理的方法雖然很多，但各種熱處理工藝過程都是由加熱、保溫、冷卻三個階段組成。鋼的常用熱處理方法、含義及目的見表3-1。

表3-1常用熱處理方法、含義和目的熱處理方法含義和目的退火含義：將鋼材（或剛件）加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝

目的：①降低硬度，以利于切削加工；②均勻組織和成分，改善鋼的力學(xué)性能；③消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，防止變形及開裂正火含義：將鋼材（或剛件）加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝

目的：和退火目的基本相同

正火與退火的區(qū)別：鋼在正火后的強(qiáng)度、硬度高于退火，操作簡便，生產(chǎn)周期短，成本低淬火含義：將鋼材（或剛件）加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間后放人淬火介質(zhì)（水、油等）中冷卻的工藝

目的：提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性回火含義：將淬火鋼再新加熱到低于727℃某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝

目的：①獲得所需要的組織和性能；②減小和消除內(nèi)應(yīng)力；③穩(wěn)定組織與尺寸熱處理方法含義和目的調(diào)質(zhì)含義：鋼材（或剛件）淬火后又高溫回火的復(fù)合熱處理工藝目的：提高鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性表面淬火含義：僅對鋼材（或剛件）表面層進(jìn)行的淬火

目的：使鋼表面具有高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部具有足夠的塑性和韌性滲氮含義：在一定溫度下，使活性氮原子滲入鋼表層的化學(xué)熱處理工藝目的：提高鋼表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度與耐蝕性滲碳含義：把鋼件放在滲碳介質(zhì)中，加熱到一定溫度并保溫使碳原子滲人表面層的一種化學(xué)熱處理工藝

目的：提高鋼表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度續(xù)表

1.4鋼鐵材料

鋼鐵材料是鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱。鋼是以鐵為主要元素，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2.11％以下，并含有其他元素的材料。鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.11％通常是鋼和鑄鐵的分界線。

1.4.1鋼的分類

鋼的分類方法很多，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/13304-1991《鋼分類》中，按照化學(xué)成分、主要質(zhì)量等級和主要性能及使用特性，將鋼分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼三大類。

1.非合金鋼

非合金鋼習(xí)慣上稱為碳素鋼或碳鋼。

(1）非合金鋼的分類

按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非合金鋼可分為低碳鋼（wc<0.25%）、中碳鋼（0.25％<wc<

0.60%）、高碳鋼（wc

>0.60％）。

按質(zhì)量等級非合金鋼可分為普通非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼、特殊質(zhì)量非合金鋼。按用途非合金鋼可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。

(2）非合金鋼的性能、用途及牌號

非合金鋼的性能、用途及牌號見表3-2。

類別性能及用途牌號碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼容易冶煉，工藝性能較好，能保證一定的力學(xué)性能，一般多軋制成型鋼、鋼板、鋼管，少用于廠房、橋梁、船舶等建筑結(jié)構(gòu)和螺釘、螺母、連桿等要求不高的機(jī)械零件牌號由“Q”(“屈”字漢語拼音字母字首）、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D））和脫氧方法符號（F-沸騰鋼、b-半鎮(zhèn)靜鋼、Z-鎮(zhèn)靜鋼、TZ-特殊鎮(zhèn)靜鋼）四部分組成。如QZ35一A·F表示屈服點(diǎn)為235

MPa

的A級沸騰鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中含雜質(zhì)元素硫、磷比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼少，力學(xué)性能比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼好。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的產(chǎn)量較大，用途較廣，常用于制造各種較重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，也用作冷沖零件。這類鋼的冶煉及加工工藝比較簡單，成本較低

牌號由兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分之幾。當(dāng)鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時．在鋼號后加“Mn”。如45表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45％碳素結(jié)構(gòu)鋼。65Mn表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65％含錳量較高碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素工具鋼碳素工具鋼由于冶煉容易，加工性能良好，成本較低，是最廉價的工具鋼。經(jīng)淬火和回火后，能獲得高的硬度和良好的耐磨性。碳素工具鋼適宜制作尺寸較小、形狀簡單的低速切削刀具，也可制造性能要求不高的模具和量具

牌號用"T"(“碳”字漢語拼音字首）＋數(shù)字（平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分之幾）+（A）表示。如T10A表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0％的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼合金鋼

合金鋼按照用途可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。

(1）合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，有目的地加入一些種合金元素而形成的。加入合金元素后，提高了鋼的淬透性，經(jīng)熱處理后比碳素鋼具有更好的綜合力學(xué)性能，廣泛地用于制造各種重要的機(jī)械零件。按用途和熱處理工藝特點(diǎn)，合金結(jié)構(gòu)可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼和滾動軸承鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼的性能、用途及牌號見表3-3。

類別

性能及用途

牌號

合金滲碳鋼

合金滲碳鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入鉻、鎳、錳、硼、釩、鈦等元素而形成的。鋼經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火后，獲得高硬度、高耐磨性的表面及塑性、韌性好的心部。特別適用于在高速、重載、強(qiáng)烈沖擊和受磨損條件下工作的零件，如汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床的變速齒輪、內(nèi)燃機(jī)凸輪軸等

牌號用“兩位數(shù)字＋化學(xué)元素符號＋數(shù)字”表示。兩位數(shù)字表示平均含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)含的萬分，合金元素用化學(xué)元素符號表示，合金元素符號后的數(shù)字表示該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的含量的百分之幾。如60Si2Mn表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60％、硅為2％、錳小于1.5％的合金結(jié)構(gòu)鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼是在碳素調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素，使之在調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能的鋼。常加入的合金元素有錳、硅、鉻、鎳、鉬等。用于尺寸較大、負(fù)荷較重且承受沖擊的重要機(jī)械零件，如機(jī)床主軸、汽車后橋半軸、連桿螺栓、蝸桿等

合金彈簧鋼合金彈簧鋼是在碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15％一0.7％的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入硅、錳、鉻、釩、鎢等合金合金元素，以提高鋼的屈服強(qiáng)度和淬透性。主要用來制作截面尺寸較大、承受較大負(fù)荷的彈簧表3-3合金結(jié)構(gòu)鋼性能、用途和牌號類別

性能及用途

牌號

滾動軸承鋼滾動軸承鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，一般在0.95％一1.15％之間，并且還含有一定量的合金元素，如鉻、硅、錳、鉬、釩等，以提高鋼的強(qiáng)度和淬透性。同時還嚴(yán)格控制硫、磷及非金屬夾雜物的含量，以提高鋼的疲勞強(qiáng)度，因而滾動軸承鋼是一種高級優(yōu)質(zhì)鋼。它是用來制造各種滾動軸承的滾動體及內(nèi)外套圈。也可用來制造刀具，冷沖模、量具等工具，以及性能要求類似滾動軸承的耐磨零件

牌號以“滾”字的漢語拼音字母字首“G”開頭，接著是合金元素鉻，它后面的數(shù)字是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分之幾。如GCrl5表示平均鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％的滾動軸承鋼

合金鑄鋼合金鑄鋼指含有合金元素的鑄鋼。加入合金元素提高了鑄鋼的力學(xué)性能和某些特殊性能，如耐熱、耐腐蝕

牌號是在合金鋼牌號前加“ZG”。如ZG35CrMn(2）合金工具鋼

合金工具鋼是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上，加入合金元素后，提高了鋼的淬透性、耐回火性和韌性。合金工具鋼按用途可分為刃具鋼、量具鋼和模具鋼。合金工具鋼的性能、用途及牌號見表3-4。類別性能及用途牌號合金刃具鋼刃具鋼主要用于制造車刀、銑刀、鉆頭等切削工具，也用于制造一此手動工具、木工工具等，具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高熱硬性、足夠的塑性和韌性牌號用“一位數(shù)字＋化學(xué)元素符號＋數(shù)字”表示。一位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分之幾。當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于1.0％時，不標(biāo)出。如9SiCr表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%，硅和鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.5％的合金工具鋼合金模具鋼分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。冷作模具鋼用于制造各種冷沖模、冷擠壓模和拉絲模等，熱作模具鋼用于制造各種熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等合金量具鋼量具鋼用于制造各種測量工具，如游標(biāo)卡尺、千分尺、塊規(guī)和塞規(guī)等。具有高的硬度、耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性表3-4合金工具鋼性能、用途和牌號

(3）特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼。它包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。這些鋼在機(jī)械制造、特別是在化工、石油、儀表和工業(yè)等部分有著廣泛而重要的用途。特殊性能鋼的牌號表示與合金工具鋼基本相同。如2Cr13表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為13％的不銹鋼。

①不銹鋼

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽溶液或其他腐蝕性介質(zhì)中具有高的化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。在酸、堿、鹽等侵蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)中能抵抗腐蝕作用的鋼，又進(jìn)一步稱為耐蝕鋼，或稱耐酸鋼。不銹鋼主要用來制造在各種腐蝕介質(zhì)中工作的零件或構(gòu)件，例如化工裝置中的各種管道、閥門和泵，醫(yī)療手術(shù)器械、防銹刃具和量具等。常用不銹鋼有1Cr13,2Crl3,1Crl7及1Crl8Ni9Ti。

②耐熱鋼

耐熱鋼是指在高溫下具有熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的特殊鋼。熱化學(xué)穩(wěn)定性指鋼在高溫下對各類介質(zhì)化學(xué)腐蝕的抵抗能力，熱強(qiáng)性指鋼在高溫下保持一定強(qiáng)度的性能。耐熱鋼主要用于石油化工的高溫反應(yīng)設(shè)備和加熱爐，火力發(fā)電設(shè)備的汽輪機(jī)和鍋爐，飛機(jī)的噴氣發(fā)動機(jī)等設(shè)備。常用耐熱鋼有3Crl8Ni25Si2,Crl2,Cr13及1Crl8Ni9Ti。

③耐磨鋼

耐磨鋼主要用于機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受嚴(yán)重磨損和強(qiáng)烈沖擊的零件，如車輛履帶板、挖掘機(jī)鏟斗、破碎機(jī)顆板和鐵軌分道又、防彈板等。耐磨鋼具有很高的耐磨性和韌性。常見的耐磨鋼為ZGMnl3

。1.5鑄鐵鑄鐵是含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。鑄鐵具有良好的鑄造性、耐磨性、減振性和切削加工性，生產(chǎn)簡單．價格便宜。因此，鑄鐵在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

鑄鐵通常分為白日鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵等。白口鑄鐵性能硬而脆，不易切削加工．在機(jī)械工業(yè)中很少直接應(yīng)用。常用鑄鐵的性能、用途及牌號見表3-5。

表3-5常用鑄鐵的性能、用途及牌號類別性能及用途牌號灰鑄鐵良好的鑄造性、切削性能、減振性、耐摩性，且價格低廉，但塑性、韌性差，應(yīng)用非常廣泛，如床身、機(jī)座、活塞及形狀復(fù)雜或承受較大摩擦力的批量生產(chǎn)的零件

牌號由“HT”(“灰鐵”漢語拼音字首）和一組數(shù)字組成。數(shù)字表示該鑄鐵的最低抗拉強(qiáng)度。如HT200表示最低抗拉強(qiáng)度為200MPa

的灰鑄鐵可鍛鑄鐵具有一定的塑性和韌性，可用于管接頭、汽車和拖拉機(jī)后橋外殼、低壓閥門?？慑戣T鐵并不是可以鍛造的鑄鐵，而恰好是不能鍛造的

牌號由三個字母和兩組數(shù)字組成。其中前兩個字母“KT”(“可鐵”兩字漢語拼音字首）表示可鍛鑄鐵。第三個字母“H”或“Z”或“B”是“黑”“珠”“白”的漢語拼音字首，分別表示黑心、珠光體、白心。其后第一組數(shù)字表示最低的抗拉強(qiáng)度。第二組數(shù)字表示最低的伸長率。如KTH300-06最低伸長率為6％、最低的抗拉強(qiáng)度為300MPa

的黑心可鍛鑄鐵球墨鑄鐵強(qiáng)度和韌性都比灰鑄鐵好，用于截面較薄、形狀比較復(fù)雜、尺寸不大、韌性要求較高的零件如內(nèi)燃機(jī)機(jī)車曲軸、凸輪軸、齒輪等

牌號由“QT”(“球鐵”漢語拼音字首字首）和兩組數(shù)字組成。第一組數(shù)字表示最低的抗拉強(qiáng)度。第二組數(shù)字表示最低的伸長率。如QT450-l0表示最低伸長率為10％、最低抗拉強(qiáng)度為450MPa

的球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵兼有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的性能，可用于制造活塞環(huán)、大型齒輪箱體、氣缸蓋、液壓件等

牌號由“RuT”(“蠕”漢語拼音和“鐵”漢語拼音字首）和一組數(shù)字組成。數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，單位MPa

。如RuT300表示最低抗拉強(qiáng)度為300MPa

的蠕墨鑄鐵1.6有色金屬材料1.6.1鋁及其合金在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鋼鐵材料稱為黑色金屬，而把其他的金屬材料稱為有色金屬。與鋼鐵材料等黑色金屬材料相比，有色金屬具有許多優(yōu)良的特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。下面主要介紹機(jī)械制造中常用的鋁及鋁合金、銅及銅合金。

1.純鋁

純鋁是一種銀色金屬材料，密度為2.7kg/m3,其熔點(diǎn)為660℃，具有很高的塑性，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，抗氧化性能好，強(qiáng)度和硬度較低。適于成形加工，制成板材、線材、型材等，還用于制作電線、電纜等。

工業(yè)純鋁代號由“L＋順序號”組成。“L”是“鋁”字的漢語拼音字首。工業(yè)純鋁的牌號有Ll,L2，…，L6，順序號越大，純度越低。

2鋁合金

在純鋁中加入硅、銅、鎂、錳等合金元素形成鋁合金可有效提高力學(xué)性能。根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，將鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。

(1）形變鋁合金

按其主要性能和用途分為防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。防銹鋁合金具有良好的耐腐蝕性、焊接性和高的強(qiáng)度，主要用于制作鉚釘、液體容器、飲料罐等在液體中工作的、中等強(qiáng)度的焊接件和冷沖壓件。硬鋁合金經(jīng)熱處理后能獲得相當(dāng)高的強(qiáng)度，主要用于制作發(fā)動機(jī)葉片等高強(qiáng)度、高載荷要求的零件和構(gòu)件。超硬鋁合金比硬鋁合金增加了合金元素鋅，所以強(qiáng)度更高。主要制作承力構(gòu)件和高載荷構(gòu)件，如飛機(jī)上的起落架等。鍛造鋁合金具有良好的鍛造性能、熱塑性和力學(xué)性能，主要用于鍛制形狀復(fù)雜、中等強(qiáng)度的模鍛件或沖壓件。

(2）鑄造鋁合金

鑄造鋁合金主要是用來制作鑄件的鋁合金，具有良好的鑄造性能。鑄造鋁合金按加入的主要合金元素的不同分為，鋁-硅系、鋁-銅系、鋁-鎂系、鋁-鋅系合金。其中鋁-硅系合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鑄造鋁合金。6.2銅及其合金

1.純銅

純銅表面形成氧化膜后呈紫色，又稱為紫銅。純銅的性能特點(diǎn)是具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性僅次于銀，常作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料使用，如電線、電纜、銅管等。工業(yè)純銅代號由“T＋順序號”組成。“T”是“銅”字的漢語拼音字首。工業(yè)純銅的牌號有廠Tl、T2、T3，順序號越大，純度越低。

2銅合金

純銅的力學(xué)性能不高，在機(jī)械制造業(yè)中使用的都是銅合金。常用的銅合金有黃銅、白銅和青銅三類。在機(jī)械生產(chǎn)中常用的是黃銅和青銅。

(1）黃銅

以鋅為主要添加元素的銅合金稱為黃銅。普通黃銅是銅-鋅二元合金，在普通黃銅中加入鉛、鋁、錳等元素時稱為特殊黃銅。普通黃銅具有適宜的強(qiáng)度、良好的塑性、耐蝕性和工藝性。廣泛用于制造機(jī)械零件、電氣元件和日用品。特殊黃銅的力學(xué)性能、耐蝕性好。特殊黃銅代號由“H＋主加元素的化學(xué)符號＋數(shù)字”組成。“H”是“黃”字的漢語拼音字母，數(shù)字表示銅和加入元素的平均含量。如H80表示銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％的普通黃銅。（2）青銅

青銅是指黃銅、白銅以外的銅合金。因銅與錫的合金呈青色而得名。按主加元素種類可分為錫青銅、鋁青銅、硅青銅和鈹青銅。

加工用青銅的代號用“Q＋主加元素符號＋數(shù)字”組成?！癚”是“青”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示主加元索和其他元素加入的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如QSn4-3表示為：錫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％，其他元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％的錫青銅。鑄造用青銅代號用“Z+Cu＋合金元素符號＋數(shù)字”表示?！癦”是“鑄”字漢語拼音字首，表示類別為鑄造用青銅，“Cu”表示基體元素為銅，合金元索后面的數(shù)字表示合金元素加入的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如ZCuA19-4表示鋁的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，其他元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的鑄造用鋁青銅。錫青銅具有良好的耐蝕性、耐磨性和鑄造工藝性，適于制造耐磨和耐腐蝕的零件。如接觸片、振動片、軸套、蝸輪輪齒等。*第2節(jié)非金屬材料

非金屬材料是指除了金屬材料以外的各種材料的總稱。隨著材料科學(xué)和材料工業(yè)的不斷發(fā)展，非金屬材料也出現(xiàn)了品種不斷增加、性能不斷改善的局面，以適應(yīng)各行業(yè)的需要。特別是近幾十年來，非金屬材料發(fā)展很快，應(yīng)用越來越廣泛。機(jī)械工程材料中非金屬材料主要有工程塑料、復(fù)合材料等

1.工程塑料

塑料是以樹脂為主要成分，加入填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、著色劑、潤滑劑等制成的。按應(yīng)用范圍分為通用塑料和工程塑料。

(1）通用塑料

主要是指產(chǎn)量大、價格低、應(yīng)用廣泛的常用塑料。主要有聚乙烯（代號PE）、聚丙烯（代號PP）、聚苯乙烯（代號PS）、聚氯乙烯（代號PVC）、酚醛塑料（俗稱電木，代號PF）、氨基塑料（俗稱電玉）等六種塑料，主要用于制造日常生活用品、包裝材料和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用的一般機(jī)械零件。

(2）工程塑料

常在工程技術(shù)中作結(jié)構(gòu)材料。這類塑料具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐摩擦性．因而可部分代替金屬，特別是用來制作某些機(jī)械構(gòu)件或某些特殊用途的構(gòu)件。常用的工程塑料有聚酞胺（通稱尼龍，代號PA）、聚甲醛（代號POM）、聚甲基丙烯酸甲醋（俗稱有機(jī)玻璃，代號PPMA）等。

2.復(fù)合材料

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，經(jīng)人工組合而成的多相材料。它具有各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，能獲得單一材料無法具備的綜合性能。復(fù)合材料的全部相分為基體相和增強(qiáng)相?；w相起粘結(jié)劑作用，增強(qiáng)相起提高強(qiáng)度作用。復(fù)合材料有以下幾種分類方法：

(1）復(fù)合材料的分類

按基體不同，分為非金屬基體和金屬基體兩類。

按增強(qiáng)相種類和形狀不同，分顆粒、層疊、纖維增強(qiáng)等復(fù)合材料。

按性能不同，分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于制作造結(jié)構(gòu)和零件的復(fù)合材料，功能復(fù)合材料是指具有某些物理功能和效應(yīng)的復(fù)合材料。

(2）復(fù)合材料的性能

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高、抗疲勞性能好、減振性能好、高溫性能好、斷裂安全性高以及較好的減摩性、耐蝕性和工藝性。其主要缺點(diǎn)是：各向異性，橫向抗拉強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不高．延長率較低．韌性較差，成本太高等。所以．復(fù)合材料目前應(yīng)用不廣。但是，復(fù)合材料是一種新型的、獨(dú)特的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。

(3）常用復(fù)合材料

目前常用的復(fù)合材料有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、層疊復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料。熱同性玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料又稱玻璃鋼，在石油化工行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，如玻璃鋼制造各種罐、管道、泵等，另外玻璃鋼還可用于制造船體及部件。在機(jī)械工業(yè)方面用于制作電動機(jī)罩、齒輪、軸承等。*第3節(jié)新型工程材料新型材料是指最近發(fā)展或正在發(fā)展的具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異性能的一類材料。新型材料既是高新技術(shù)的產(chǎn)物，同時它又成為高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。下面簡要地介紹兩種新型材料。

1.智能材料

所謂智能材料就是能感知外部刺激（傳感功能）、能判斷并適當(dāng)處理（處理功能）且本身可執(zhí)行（執(zhí)行功能）的材料。智能材料包括形狀記憶合金（SMA）、壓電材料、電致伸縮、磁致伸縮和智能凝膠等材料。

SMA在高溫時處理成一定形狀后急速冷卻，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形式，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時，通過馬氏體逆相變使其恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀，這就是合金的形狀記憶效應(yīng)。顯然，形狀記憶效應(yīng)是由馬氏體相變導(dǎo)致的。其奇特的記憶能力還表現(xiàn)在“超彈性”“變溫喚醒”“雙程記憶”等特性。

在人工智能仿生技術(shù)領(lǐng)域，SMA已經(jīng)用于制作機(jī)器人控制元件、觸覺傳感器、機(jī)器人筋骨和手足等。SMA元件集傳感器、驅(qū)動器、動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多種功能于一體，因而使機(jī)構(gòu)簡化，適合微型化、智能化。

2.超導(dǎo)材料

超導(dǎo)材料是指在超低溫下失去電阻的材料。材料的這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。目前，已發(fā)現(xiàn)常壓下具有超導(dǎo)性的元素有二十幾種，但臨界溫度較低，難以實(shí)用。超導(dǎo)合金是超導(dǎo)材料中強(qiáng)度最高、應(yīng)力應(yīng)變小、磁場強(qiáng)度低的超導(dǎo)體，如Nb-Zr系、Ni-Ti系合金，其中應(yīng)用最多是Ni-45%Ti合金。超導(dǎo)材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如用于以節(jié)能為目的的發(fā)電機(jī)、輸電電纜、貯能等電力系統(tǒng)的超導(dǎo)體：核聚變、磁流體發(fā)電等新能源;核磁共振等醫(yī)療領(lǐng)域：高速磁懸浮列車和離子加速器等。

第4節(jié)機(jī)械工程材料選用材料是構(gòu)成機(jī)械零件實(shí)體的物質(zhì)，也是零件制造過程中進(jìn)行加工處理的基本對象。因此，材料的選擇對零件的制造質(zhì)量與制造工藝過程的經(jīng)濟(jì)性等具有極其重要的影響。

1.選材的一般原則

(1）使用性能

機(jī)械零件在使用過程中喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效。其主要失效形式有變形、斷裂和表面損傷三種。

進(jìn)行機(jī)械零件選材時，主要以零件的使用性能要求作為選材的依據(jù)。一般零件都在受力條件下工作，因此通常以材料的力學(xué)性能要求作為選材的主要指標(biāo)。只有零件在特殊條件下工作時，才將材料的物理性能和化學(xué)性能上升為選材的主要指標(biāo)。

①零件受載情況

a.脆性材料原則上只適用于靜載荷作用下工作：在受動負(fù)荷的情況下，應(yīng)以塑性材料為基本材料。

b.若零件的接觸應(yīng)力較高，則應(yīng)選用叮進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的材料。

c.若零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和重量又受到某些限制時，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。

d.若零件尺寸取決于剛度，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料。

②零件工作情況

a.在濕熱或有腐蝕性物質(zhì)環(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)具有良好的防銹能力和耐腐蝕能力。

b.在高溫下工作的零件，應(yīng)選用耐熱材料。

c.滑動摩擦下工作的零件應(yīng)選用減摩性能好的材料。靠摩擦傳遞運(yùn)動和動力的零件應(yīng)選用摩擦系數(shù)大的材料。

(2）工藝性能

材料具有良好的工藝性能，便于加工制造，則既容易保證制造質(zhì)量，又能夠降低制造成本。反之，則會增加制造工藝的復(fù)雜性，提高制造成本，也難以保證制造質(zhì)量。因此，選材時必須對材料的工藝性能，即材料適應(yīng)制造工藝的能力進(jìn)行分析。小批量生產(chǎn)時，材料工藝性能的影響不是很大：大批量生產(chǎn)時，材料工藝性能的好壞則可能成為決定性的因索。①毛坯制造工藝性要求

a.對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的零件，‘自用鑄造或焊接的方法制造毛坯，所選材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能。

b.結(jié)構(gòu)簡單的零件可選用鍛造工藝性好的低碳鋼和中碳鋼等材料。

②熱處理工藝性要求