機(jī)械制造基礎(chǔ)課程-課題五有色金屬與非金屬材料

課題五有色金屬與非金屬材料學(xué)習(xí)情境1熟悉鋁及鋁合金學(xué)習(xí)情境2

熟悉銅及銅合金的基礎(chǔ)知識(shí)

學(xué)習(xí)情境3熟悉軸承合金的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)情境4熟悉非金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)

【課題要點(diǎn)】

本課題主要介紹鋁及鋁合金、銅及銅合金、滑動(dòng)軸承合金等有色金屬以及塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料等非金屬材料。

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

(1)熟悉鋁合金、銅合金、滑動(dòng)軸承合金的牌號(hào)、性能及應(yīng)用。

(2)熟悉塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料的種類、性能特點(diǎn)和應(yīng)用。

【課題描述】

金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。

習(xí)慣上，人們通常把除鐵及鐵基合金以外的金屬稱為有色金屬，又稱為非鐵金屬。有色金屬雖不及鋼鐵材料強(qiáng)度高、成本低、應(yīng)用廣，但它具有密度小（Mg，A1，Ti及其合金）、

導(dǎo)電性優(yōu)良（Ag，Cu，Al及其合金）、耐高溫（W，Mo，Te及其合金）等特性。

因此，有色金屬及其合金也是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的金屬材料。學(xué)習(xí)情境1熟悉鋁及鋁合金

【情境導(dǎo)航】

工業(yè)純鋁

鋁合金

【相關(guān)知識(shí)】

一、工業(yè)純鋁

純鋁呈銀白色，其熔點(diǎn)為660℃。固態(tài)下具有面心立方晶格，無(wú)同素異晶轉(zhuǎn)變。鋁的密度小，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性（僅次于銀、銅和金）好，常用于制作導(dǎo)線、電纜、電容器以及導(dǎo)熱或散熱用的機(jī)械零件和設(shè)備。

鋁在空氣中有優(yōu)良的抗蝕性，但鋁不耐堿、鹽溶液及熱的稀硝酸或稀硫酸的腐蝕。鋁有很高的塑性和較低的強(qiáng)度及硬度，便于通過(guò)各種冷、熱壓力加工制成型材、線材、板材和鋁箔。

工業(yè)純鋁分為純鋁（含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%～99.85%）和高純鋁（含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99.85%）兩類。

純鋁分壓力加工產(chǎn)品（變形鋁）和未壓力加工產(chǎn)品（鑄造純鋁）兩種。

鑄造純鋁牌號(hào)由Z和鋁的化學(xué)元素符號(hào)及表明鋁百分含量的數(shù)字組成。例：ZAL99.5

變形鋁牌號(hào)采用四位字符體系的方法命名，四位字符體系牌號(hào)的第一、三、四位為數(shù)字，第二位為英文大寫字母。

第一位數(shù)字為1，表示純鋁。

牌號(hào)中的第二位字母表示原始純鋁的改型情況，若是A，則表示為原始純鋁；若是B～Y的其他字母（C，I，L，N，O，P，Q，Z字母除外），則表示為原始純鋁的改型，與原始純鋁相比，其元素含量略有改變。牌號(hào)中最后兩位數(shù)字表示最低鋁百分含量中小數(shù)點(diǎn)后面的兩位.例：1A50,1A30,1A99

二、鋁合金

（一）鋁合金的分類

鋁合金按其成分和生產(chǎn)工藝的不同，可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，這種分類法是以鋁合金相圖為依據(jù)的。該圖為鋁基二元合金相圖的一般類型。

圖中，凡位于D點(diǎn)左邊的合金，加熱時(shí)均能得到單相固溶體組織，其塑性好，適宜進(jìn)行壓力加工，這種鋁合金稱為變形鋁合金。

位于D點(diǎn)以右的合金都具有共晶組織，其塑性較差，不宜進(jìn)行壓力加工，但其結(jié)晶溫度較低，液態(tài)合金流動(dòng)性好，適宜鑄造成型，這種鋁合金稱為鑄造鋁合金。

變形鋁合金中，位于F點(diǎn)以左的合金，在固態(tài)時(shí)始終是單一的固熔體，采用淬火的方法不能進(jìn)行強(qiáng)化，這種成分的鋁合金即為不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金。

成分在F點(diǎn)和D點(diǎn)之間的鋁合金，在加熱或冷卻過(guò)程中，固熔體的溶解度將有變化，因而能熱處理強(qiáng)化，所以稱為能熱處理強(qiáng)化的鋁合金。

（二）鋁合金的熱處理（固熔處理+時(shí)效）

將鋁合金加熱保溫后獲得單相α固熔體，在水中急冷，得到單相過(guò)飽和α固熔體組織，這種熱處理方法稱為固熔處理（或稱淬火）。鋁合金經(jīng)固熔處理后，其強(qiáng)度、硬度并不高，但塑性、韌性較好。

若將固熔處理后的鋁合金在室溫下放置足夠長(zhǎng)時(shí)間，則不穩(wěn)定的過(guò)飽和α固溶體會(huì)析出細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)分布在α固熔體基體上，從而使強(qiáng)度、硬度顯著提高，這種淬火后的合金隨時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生的強(qiáng)化現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化。

在室溫下進(jìn)行的時(shí)效為自然時(shí)效，在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效為人工時(shí)效。

（三）變形鋁合金

1．防銹鋁合金2．硬鋁合金3．超硬鋁合金4．鍛造鋁合金

（四）鑄造鋁合金

鑄造鋁合金的代號(hào)用“鑄”“鋁”二字的漢語(yǔ)拼音第一個(gè)大寫字母“ZL”后加三位數(shù)字來(lái)表示。第一位數(shù)字表示合金系列，其中1，2，3，4分別代表Al-Si，Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn系合金；第二、三位兩個(gè)數(shù)字表示順序號(hào)，序號(hào)不同，其化學(xué)成分也不同。例如，ZL102表示2號(hào)鋁硅系鑄造鋁合金。若為優(yōu)質(zhì)合金則在代號(hào)后面加“A”。學(xué)習(xí)情境2

熟悉銅及銅合金的基礎(chǔ)知識(shí)

【情境導(dǎo)航】

工業(yè)純銅

銅合金的分類

黃銅

青銅

【相關(guān)知識(shí)】

一、工業(yè)純銅

純銅外觀呈玫瑰紅色，表面形成氧化亞銅膜層后呈紫色，所以又稱為紫銅。純銅的密度為8.96g／cm3，熔點(diǎn)為1083℃，在固態(tài)下具有面心立方晶格。

純銅具有良好的導(dǎo)電性（僅次于銀）、導(dǎo)熱性和抗磁性，在大氣、淡水及水蒸氣中有優(yōu)良的耐腐蝕能力，但在潮濕并含有CO2的空氣中易腐蝕生成銅綠。

純銅的強(qiáng)度、硬度較低，塑性很好，易于冷熱壓力加工，因此純銅一般不用做結(jié)構(gòu)零件，而主要用于制造電線、電纜、銅管、抗磁性干擾的儀表零件及制造銅合金。

工業(yè)純銅分為未加工產(chǎn)品（銅錠、電解銅）和加工產(chǎn)品（銅材）兩種。加工銅的代號(hào)用漢語(yǔ)拼音字母“T”加順序號(hào)表示。代號(hào)中順序號(hào)數(shù)字越大表示雜質(zhì)含量越多。

二、銅合金的分類

按化學(xué)成分，銅合金可分為黃銅、青銅及白銅三大類。

黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金；

白銅是以鎳為主要合金元素的銅合金，其含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%；

青銅是以除鋅和鎳以外的其他元素作為主要合金元素的銅合金。

按生產(chǎn)方法，銅合金可分為壓力加工產(chǎn)品和鑄造產(chǎn)品兩類。

三、黃銅

按照化學(xué)成分，黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅。

（一）普通黃銅

普通黃銅是銅鋅二元合金。鋅對(duì)黃銅力學(xué)性能的影響如圖，當(dāng)wZn<32%時(shí)，鋅溶于銅中形成α固溶體，黃銅的強(qiáng)度和塑性隨含鋅量的增加而提高。

這種單相α黃銅具有優(yōu)良的冷變形能力，稱為壓力加工黃銅。

當(dāng)wZn>32%時(shí)，合金組織中開(kāi)始出現(xiàn)脆性的β′相。

β′相是以化合物CuZn為基體的固溶體，它在高溫下塑性較好，在室溫下則脆性較大，因而使黃銅的塑性逐漸下降，而強(qiáng)度繼續(xù)提高。

這種組織為α+β′的雙相黃銅僅適于熱加工和鑄造，又稱為鑄造黃銅。

當(dāng)含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至45%～47%時(shí)，合金組織已全部為β′相，再增加含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)將出現(xiàn)γ相，于是黃銅的強(qiáng)度和塑性都急劇降低。因此，含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于45%～47%的銅鋅合金在工業(yè)上已無(wú)使用價(jià)值。圖5.2

鋅對(duì)黃銅力學(xué)性能的影響

普通黃銅主要供壓力加工用，代號(hào)用“黃”字漢語(yǔ)拼音首字母“H”后面跟表明銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示，如H68即表示含銅68%的普通黃銅。

（二）特殊黃銅

在普通黃銅的基礎(chǔ)上，再加入其他合金元素（鉛、錫、鋁、錳、硅、鐵等）的銅合金，稱為特殊黃銅。

合金元素的加入，改善了普通黃銅的力學(xué)性能、耐腐蝕性和其他工藝性能。特殊加工黃銅的代號(hào)用“黃”字漢語(yǔ)拼音首字母“H”+主加元素的化學(xué)符號(hào)（除鋅以外）+銅的百分含量和主加元素的百分含量來(lái)表示。

特殊黃銅可依據(jù)主加合金元素命名，如HAl77-2表示含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)77%、余量為鋅的鋁黃銅。

四、青銅

歷史上把銅錫合金稱為青銅，現(xiàn)在把除黃銅和白銅以外的銅合金統(tǒng)稱為青銅。根據(jù)主要加入的合金元素的不同分別稱為錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、鉛青銅等。加工青銅的代號(hào)用“青”字漢語(yǔ)拼音首字母“Q”+主要元素的化學(xué)符號(hào)+主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。學(xué)習(xí)情境3

軸承合金

滑動(dòng)軸承一般由軸承體和軸瓦構(gòu)成。為了提高軸瓦的強(qiáng)度和耐磨性，往往在軸瓦的內(nèi)側(cè)澆鑄或軋制一層耐磨合金，形成一層均勻的內(nèi)襯，用來(lái)制造滑動(dòng)軸承中的軸瓦及其內(nèi)襯的合金稱為軸承合金。

滑動(dòng)軸承支撐著軸進(jìn)行工作。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸與軸瓦之間必然有強(qiáng)烈的摩擦，且軸瓦表面承受軸頸傳給的周期性交變載荷。

在理想的工作條件下，軸與軸瓦間有一層潤(rùn)滑油膜相隔，進(jìn)行理想的液體摩擦。

因此，軸承合金應(yīng)具備以下性能：

（1）足夠的抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性，以承受軸頸所施加的應(yīng)力以及在動(dòng)力機(jī)械中承受沖擊負(fù)荷。

（2）一定的硬度，小的摩擦因數(shù)，良好的儲(chǔ)油能力。

（3）足夠的塑性，良好的磨合性。

（4）良好的耐蝕性，導(dǎo)熱性以及良好的工藝性。

為了滿足上述要求，軸承合金的組織應(yīng)為軟的基體上均勻分布著硬的質(zhì)點(diǎn)，或者是硬的基體上均勻分布著軟的質(zhì)點(diǎn)。圖5.4為軸承合金理想表面示意圖。

軟的組織被磨損后形成凹坑可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，有利于形成連續(xù)油膜。軟組織還具有良好的磨合性和抗沖擊、抗振動(dòng)能力。凸起的硬質(zhì)點(diǎn)能支撐軸的工作壓力，并起減摩作用。圖5.4

軸承合金理想表面示意圖第三章6----24三、分支程序與循環(huán)程序設(shè)計(jì)休息一下，鞏固所學(xué)的知識(shí)學(xué)習(xí)情境4

熟悉非金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)

【情境導(dǎo)航】

塑料

橡膠

陶瓷

復(fù)合材料

【相關(guān)知識(shí)】

一、塑料

塑料是以合成樹(shù)脂為主要成分，加入能改善某些性能的多種添加劑而制成的高分子材料。

（一）塑料的組成

塑料由合成樹(shù)脂和添加劑組成。

1.合成樹(shù)脂

合成樹(shù)脂是組成塑料的基本組成物，它決定塑料的基本性能，合成樹(shù)脂在塑料中又起到黏結(jié)劑的作用，故又稱黏料。

2.添加劑

塑料中添加劑的作用是改善某些性能，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

（1）填充劑。

（2）增塑劑。

（3）穩(wěn)定劑（又稱防老化劑）。

（4）潤(rùn)滑劑。

（5）固化劑。

（6）著色劑。

除上述添加劑外，有些塑料中還加入阻燃劑、抗靜電劑、發(fā)泡劑等。常用的添加劑有如下幾種：

（二）塑料的性能

1.化學(xué)性能

塑料具有良好的耐蝕性能，一般能耐酸、堿、油、水和大氣的腐蝕，其中，聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蝕。因此，塑料廣泛用于制造在腐蝕條件下的零部件和化工機(jī)械零件。

2.物理性能

塑料密度小，不加任何填料或增強(qiáng)材料的塑料，其密度在0.85～2.20g／cm3之間，只有鋼的

1／8～1／4，泡沫塑料的密度僅為0.02～0.2g／cm3。

塑料的熱性能不及金屬，受熱易老化、分解，故大多數(shù)塑料只能在100℃以下使用，極少數(shù)塑料（如聚四氟乙烯、有機(jī)硅塑料）可在250℃左右長(zhǎng)期使用。

塑料是良好的絕熱材料。

塑料的電絕緣性好。

3.力學(xué)性能

塑料的強(qiáng)度、剛度和韌性一般都比較差，其強(qiáng)度為30～150MPa，且受溫度影響較大。塑料的剛度僅為鋼的1／10，因此塑料只能作受力不大的構(gòu)件。

金屬在較高溫度時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)明顯的蠕變現(xiàn)象，但塑料在室溫承受載荷后就會(huì)出現(xiàn)蠕變，如架空的電線套管在電線和自重的作用下會(huì)緩慢撓曲變形，就是蠕變。同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。 此外，塑料還具有良好的減振性和消音性。蠕變（creep）(緩慢變形)

（三）塑料的分類

按應(yīng)用范圍，可將塑料分為通用塑料和工程塑料兩大類。

根據(jù)樹(shù)脂受熱時(shí)的變化，又可將塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類。

二、橡膠

橡膠也是一種高分子材料，是高聚物中具有高彈性的一種物質(zhì)。橡膠在受到較小力作用時(shí)能產(chǎn)生較大的變形（一般為100%～1000%），當(dāng)外力去除后又能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這是橡膠區(qū)別于其他物質(zhì)的主要標(biāo)志。橡膠應(yīng)用廣泛，可制作輪胎、密封元件、減振及防振件、傳動(dòng)件等。

根據(jù)原料來(lái)源不同，橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠兩類。天然橡膠是橡膠樹(shù)流出的膠乳，經(jīng)采集和適當(dāng)加工后制成的彈性固狀物，其主要化學(xué)成分是聚異戊二烯。合成橡膠是指具有類似橡膠性質(zhì)的用人工合成的各種高分子化合物。

三、陶瓷

陶瓷是無(wú)機(jī)非金屬材料，一