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1、机械基础第二版02 单元2 金属材料及应用机机 械械 基基 础础模块二模块二 机械零件的材料机械零件的材料单元二单元二 金属材料及应用金属材料及应用教学目标一、目标和要求（1）了解钢和铸铁的分类（2）熟悉常用工业用钢的种类、牌号、性能和应用（3）了解常用非金属材料的类型及特点二、重点和难点 工业用钢的种类、牌号、性能和应用目录01第一节 常用黑色金属材料02第二节 常用有色金属材料03第三节 常用非金属材料案例导入案例导入l国家体育场（鸟巢）的钢结构最大跨度达到333米，相当于200个成年人手拉手的长度。达4.2万吨的钢结构需摆脱外力的支撑，靠自己站立起来，工程浩大自不必说，其材料的选择慎之又
2、慎。筑造“鸟巢”使用的钢材材质绝大部分为Q345D和Q345GJD钢材，局部受力大的部位采用了Q460钢材。Q460钢材是专为“鸟巢”量身打造的一种低合金高强度钢。“Q”代表钢材的强度，“460”表示受力强度达到460兆帕时才会彻底变形，460兆帕相当于4540个标准大气压，普通钢材受力强度只有235兆帕，比Q460小将近一半。在国家标准中，Q460的最大厚度是100毫米，而“鸟巢”这次使用的钢板厚度史无前例地达到110毫米。“鸟巢”钢结构中共使用了400吨Q460钢。 目录0101第一节 常用黑色金属材料02第二节 常用有色金属材料03第三节 常用非金属材料常用黑色金属材料常用黑色金属材料l
3、金属分为黑色金属和有色金属两大类。l以铁和碳两种元素为基体以及多种元素组成的复杂合金称为黑色金属，钢和铸铁是应用最广的黑色金属，统称为铁碳合金。l其中，铁包括纯铁和铸铁。通常情况下，将碳含量在0.0218%到2.11%之间的铁碳合金称为钢；碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为纯铁；碳含量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业中常用铸铁的碳含量不超过4.3%。钢铁中碳含量的范围常用黑色金属材料常用黑色金属材料l为提高钢的力学性能，在冶炼碳素钢的过程中，加入合金元素所得到的钢，称为合金钢。l黑色金属以外的金属称为有色金属，铜和铝基合金是常见的有色金属。（a）餐具 （b）剪刀 （c）钢桥 （d）推
4、土机常见的钢铁制品碳素钢碳素钢l1.按钢的质量分：l2.按钢的用途分：钢冶金质量普通钢（ ， ）优质钢（ ）高级优质钢（ ， ）S0.055%w P0.045%w SP0.040%0.040%ww，S0.030%w P0.035%w 钢用途结构钢工具钢特殊性能钢碳素钢碳素钢l3.按钢中碳的质量分数分钢冶金质量低碳钢（wC0.60%）碳素钢碳素钢l4.碳素钢的牌号及含义类别牌号举例性能特点应用范围碳素结构钢Q235塑性好，强度较低，能保证一定的力学性能，容易冶炼，工艺性能良好用于制造建筑、桥梁、船舶等领域的结构件，或者加工螺钉、螺母等力学性能要求不是很高的机械零部件优质碳素结构钢45热加工及切削
5、性能良好，焊接性能较差，强度、塑性等综合力学性能良好。用于制造受力较大的零件，如齿轮和普通轴等碳素工具钢T8工艺性能好，在热处理后可以获得很高的硬度，温度不高时耐磨性良好；但热硬性较差，淬透性较低制造形状简单、尺寸小、切削速度低、工作温度不高的工具，如模具冲头、剪刀等铸造碳钢ZG200-400具有较高的强度、塑性和韧性用于制造需要受力大并承受冲击载荷的零部件，如轧钢机底座、水压机底座、火车车轮及车钩等常用碳钢举例合金钢合金钢l为改善钢的机械性能，通常在炼钢时加入Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V等，由此获得的钢材称为合金钢。与碳钢相比，合金钢往往具有某些方面的特殊性能，或具有良好的综合力学性
6、能，如合金钢具有更高的硬度、强度、耐磨性、淬透性。l常见的合金钢有合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。合金钢合金钢类别牌号举例性能特点应用范围合金结构钢低合金钢30CrMnSiA碳含量为0.12%0.20%，磷、硫含量不大于0.45%，合金元素总量不大于3%，主要添加元素为硅、锰及少量的钛、钒、铌、铜及稀土元素等；具有较好的塑性、韧性和焊接性能，且冶炼较简单广泛用于制作各种机器零件和工程构件，如车辆大梁、房屋钢架、输油管道等合金渗碳钢20CrMnTi含碳量一般为0.10%0.25%，加入的合金元素主要有锰、铬、镍、钼、钒、钛、硼等；经淬火和低温回火后，具有较高的表面硬度和耐磨性，同时心部具有良
7、好的强度和韧性，抗冲击载荷能力强适用于制造各类受冲击载荷作用的零部件，如变速齿轮、活塞销、轴类零件等合金调质钢38CrMoAl含碳量一般为0.25%0.50%，具有较高的强度和韧性；若调质后再进行淬火，可进一步提高钢件表面的耐磨性适用于制造汽车、拖拉机、机床等机器上的重要零件，如齿轮、连杆、轴类零件等合金工具钢刃具钢9SiCr具有高硬度、高耐磨性、高红硬性（红硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力）及一定的韧性和塑性适用于制造各类低速切削的薄刃刀具，如板牙、丝锥、铰刀等模具钢Cr12MoV5CrNiMo分为冷作模具、热作模具和塑料模具三类，其性能特点与用途有关适用于制造各种锻造、冲压、压铸等模具量
8、具钢9Cr18含碳量通常高达0.90%1.50%，并含有铬、钨、锰等碳化物组成元素适用于制造各类高精度量具，如块规、量规、卡尺、千分尺等高速钢W6Mo5Cr4V2W12Cr4v5Co5含有钨、钼、铬、钒等合金元素，在高速切削产生的高温下（约500 时）仍能保持较高的硬度（不低于60 HRC）通用型高速钢适用于制造普通刀具，如钻头、锯条、滚刀、拉刀等；特殊用途高速钢适用于制造难加工金属（如钛合金、高温合金等）的切削刀具合金弹簧钢60Si2Mn具有很高的抗拉强度、弹性极限及疲劳强度，一定的淬透性和良好的表面质量适用于制造各类弹簧及弹性零件合金轴承钢GCr15具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及较高的弹
9、性极限和良好的尺寸稳定性。适用于制造各类轴承的滚珠、滚柱及轴承内外圈等不锈钢06Cr18Ni9主要的合金元素为Cr，其含量一般不低于10.5%；具有良好的耐蚀性、抛光性和耐热性适用于制造耐腐蚀零部件，如化工设备、容器、餐具等合金钢合金钢类别牌号示例含义说明碳素钢碳素结构钢Q235AFQ345D“Q”是“屈”字拼音的首字母，后面的数字表示屈服强度，单位为MPa；字母A表示钢的质量，从A到D质量依次提高；F，b，Z，TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。例如，Q235AF表示屈服强度为235 MPa，A级质量的沸腾碳素结构钢优质碳素结构钢4565Mn两位数字表示钢的平均碳含量，以万分之
10、几计；后面的元素符号表示该元素的含量比较高。例如，45钢表示碳含量为0.45%的优质碳素结构钢碳素工具钢T8T11A“T”是“碳”字拼音的首字母，后面的数字表示钢中碳的平均含量，以千分之几计；若为高级优质碳素钢，在钢号后面加A。例如，T11A表示平均碳含量为1.1%的高级优质碳素工具钢合金钢合金结构钢合金弹簧钢30CrMnSiA60Si2Mn前面两位数字表示钢的平均碳含量，以万分之几计；元素符号表示所含的合金元素，其平均含量小于1.5%时一般不标出，当平均含量依次为1.5%2.5%，2.5%3.5%，3.5%4.5%，时，在元素符号的后面相应地写成2，3，4，；若为高级优质钢、特级优质钢，在钢
11、号后面相应地加上A，E。例如，30CrMnSiA表示平均碳含量为0.30%，铬、锰、硅的平均含量均小于1.5%的高级优质合金结构钢合金工具钢8MnSi 前面的数字表示钢的平均碳含量，以千分之几计，若平均碳含量大于1.0%，则一般不标出；合金元素平均含量的表示方法与合金结构钢相同。例如，8MnSi表示平均碳含量为0.8%，锰、硅含量均小于1.5%的合金工具钢合金钢高速钢W18Cr4V 一般不标出含碳量，只表明合金元素的含量，以百分之几计。例如，W18Cr4V表示平均钨含量为18%，铬含量为4%，钒含量低于1%的高速钢轴承钢GCr15 “G”表示轴承钢，后面字母表示所含合金元素的种类，其含量用紧跟
12、的数字表示，以千分数计。例如，GCr15表示平均铬含量为1.5%的轴承钢不锈钢耐热钢06Cr18Ni920Cr13015Cr19Ni11 前面的数字表示碳含量的最佳控制值，只规定其上限（以万分数或十万分数计）。其中，当含碳量上限高于0.10%时，以其上限值的4/5表示（以十万分数计）；当含碳量上限为0.10%0.03%时，以上限值的3/4表示（以十万分数计）；当含碳量上限低于0.03%时，以三位阿拉伯数字表示（以十万分数计）；合金元素含碳量表示方法与合金结构钢相同。例如，06Cr18Ni9表示含碳量上限为0.08%，含铬量为18%，含镍量为9%的镍铬不锈钢；015Cr19Ni11表示含碳量上限
13、为0.02%，最佳控制值为0.015%，含铬量为19%，含镍量为11%的极低碳不锈钢铸铁铸铁l 平均含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。工业用铸铁中碳含量为2.11%4.3%。铸铁中除了含有碳元素之外，还含有硅、锰、磷、硫等元素，合金铸铁中还含有镍、铬、钼、铝等元素。虽然塑性及韧性不及钢，但铸铁的生产成本低廉，具有优良的铸造性能、切削加工性能和良好的耐磨性及吸振性等特点，广泛应用于工业中。铸铁碳存在形式白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁碳主要以渗碳体形式存在，断口呈银白色。 碳主要以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，在工业中应用最为普遍。 一部分碳以石墨形式存在，另一部分以渗碳体形式存在，断口呈灰白相
14、间的麻点状。铸铁铸铁l铸铁分类分类牌号示例牌号组成性能特点用途灰铸铁HT200牌号组成：HT+最低抗拉强度。例如，HT200代表抗拉强度不低于200 MPa的灰铸铁碳主要以片状的石墨存在，断口呈暗灰色；抗拉强度低、韧性差，减振、耐磨、抗压性好工业生产中应用最广泛的铸铁材料，常用于制造需要承受较大压力的零部件，如机床床身、机座，轴承座等可锻铸铁KTH300-06KTB350-12牌号组成：KT+代表类别的字母（H，Z，B）+最低抗拉强度+最小断后伸长 率 （ 以 百 分 数 计 ） 。 例 如 ，KTH300-06表示抗拉强度不低于300 MPa，断后伸长率不低于6%的黑心可锻铸铁碳主要以团絮状
15、的石墨存在，故塑性和韧性比灰铸铁好，但并不能用于锻造常用于制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如拖拉机后桥外壳、管接头、低压阀门等球墨铸铁QT400-18QT800-2牌号组成：QT+最低抗拉强度+断后伸长率。例如，QT400-18表示抗拉强度不低于400 MPa，断后伸长率不低于18%的球墨铸铁碳主要以球状的石墨存在，具有很高的强度和良好的塑性、韧性，综合力学性能接近于钢，铸造性能好常用于制造受力复杂，强度，韧性和耐磨性要求高的零件，如发动机曲轴、连杆，各种齿轮、机床主轴等蠕墨铸铁RuT300牌号组成：RuT+最低抗拉强度。例如，RuT300表示抗拉强度不低于300 MPa的蠕墨铸铁碳主
16、要以蠕虫状的石墨存在，强度接近于球磨铸铁，有一定的韧性和较高的耐磨性，铸造性能和导热性良好。常用于制造内燃机气缸、缸盖、液压阀等零件合金铸铁含有一定量的合金元素，具有某种特性，如耐磨性、耐热性和耐蚀性等常用于制造有耐热、耐腐蚀等特殊要求的零件，如气缸套、阀门、容器等合金铸铁合金铸铁l在灰铸铁或球墨铸铁的熔化液中加入一定量的合金元素，称为合金铸铁。根据加入的合金元素不同，而形成不同的合金铸铁。（1）耐热铸铁铸铁中加入Al、Si、Cr等合金元素，使铸铁表面形成保护性的氧化膜，在高温下具有抗氧化的能力，称为耐热铸铁。（2）耐磨铸铁铸铁中加入W、Cu、Cr、Ti合金元素，并提高磷的质量分数，称为耐磨铸
17、铁。耐磨铸铁的强度、韧性和耐磨性都较高。（3）耐蚀铸铁铸铁中加入少量的Si、Al、Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素，称为耐蚀铸铁。铸钢铸钢l铸钢是将熔化的钢水直接浇注到预先造好形的沙箱中,不经过轧制就能得到机械零件,其力学性能与轧制的钢材基本相同。铸钢应用于形状较为复杂，或零件的质量较大，力学性能要求又较高的冶金设备、运输设备、重型设备零件。目录01第一节 常用黑色金属材料0202第二节 常用有色金属材料03第三节 常用非金属材料常用有色金属材料常用有色金属材料l黑色金属以外的金属称为有色金属。有色金属具有许多特殊的性能，如较高的导电性和导热性，较低的密度和熔化温度，良好的力学性能和工艺性能，
18、是现代工业不可缺少的重要金属材料，是黑色金属所不能替代的。l常用的有色金属主要有铝、铜及其合金。（a）铝合金窗 （ b）铜导线 （c）飞机机身铝及铝合金铝及铝合金 工业纯铝的纯度不低于90%，其牌号用1系列表示。其中，最后两位数字表示铝的最低百分含量，当铝的最低百分含量精确到0.01%时，牌号的最后两位数字就是最低百分含量中小数点后面两位；牌号第二位字母表示原始合金（A）或改型合金（BY），如1080，1A50等。 工业中使用的纯铝呈银白色，密度较小（ ），仅为钢的1/3，熔点为660 ，在常温及潮湿环境中，其表面容易形成一层致密的氧化膜，故纯铝具有较好的抗腐蚀性。塑性高，能通过压力加工方法制
19、成各种型材、板材。工业纯铝由于强度很低，不宜直接用来加工机械零部件，而是广泛用于制造各种导线、电容器和包装材料等。纯铝的导热性和导电性良好，是仅次于金、银、铜的优良导体。32.7 g/cm纯铝铝及铝合金铝及铝合金铝合金在保持纯铝质量轻等优点的同时，大大提高了自身的强度，从而具有很高的“比强度”（强度与密度的比值），力学性能超过许多合金钢。因此，铝合金是较为理想的结构材料，机械设备、运输工具、航空工业等领域都大量使用铝合金。 铝合金中所添加的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，根据合金元素和工艺特点的不同，铝合金可铝合金中所添加的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，根据合金元素和工艺特点的不同，
20、铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。铝及铝合金铝及铝合金1.变形铝合金 变形铝合金具有良好的塑性，可通过冲压、弯曲、挤压等加工方法获得所需零件。变形铝合金采用4位字符牌号命名，牌号用28系列表示。牌号的第一位数字是按照主要合金元素：铜、锰、硅、镁、镁硅、锌及其他元素的顺序来表示变形铝合金的组别；第二组数字或字母表示原始合金（A）或改型合金（BY）；牌号中最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。 根据性能特点和用途的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金四类。铝及铝合金铝及铝合金1.变形铝合金分类常用牌号性能特点用途防锈铝合金3A215A02塑性高、强度高、抗
21、腐蚀性良好适用于制造船舶零部件、航空燃料箱、输油管道等硬铝合金2A12强度高、耐热性良好、耐腐蚀性差适用于制造门窗、飞机蒙皮等超硬铝合金7A04极高的强度（可达600 MPa），热处理强化效果明显，退火后具有良好的塑性适用于制造飞机大梁、起落架、机翼接头等锻造铝合金2A502A70良好的热塑性和锻造性，可进行热处理强化适用于制造飞机和发动机中形状较复杂的零部件变形铝合金的分类铝及铝合金铝及铝合金2.铸造铝合金通过向纯铝中添加硅、铜、镁、锌等元素，从而获得具有良好的铸造性能、耐腐蚀性和耐热性的铝合金称为铸造铝合金。根据所含合金元素的不同，铸造铝合金可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系等四类。ZL
22、”三位数字。其中，“ZL”是“铸铝”的拼音首字母，第1位数字表示合金类别：1代表AlSi系合金；2代表AlCu系合金；3代表AlMg系合金；4代表AlZn系合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如，ZL202表示2号AlCu系铸造铝合金。铸造铝合金牌号的编制方法：。铝及铝合金铝及铝合金2.铸造铝合金铸造铝合金的分类分类常用牌号性能特点用途铝硅系（Al-Si）ZL101铸造性能和耐磨性良好、热涨系数小，使用量最大适用于制造结构件，如发动机壳体、气缸体等铝铜系（Al-Cu）ZL201强度高、铸造性能良好适用于制造承受大载荷和形状不复杂的砂型铸件铝镁系（Al-Mg）ZL301抗腐蚀性、综合力学性能良
23、好适用于制造雷达底座、飞机起落架、螺旋桨等铝锌系（Al-Zn）ZL401强度较高、尺寸稳定适用于制造模型、发动机零配件、设备支架等铜及铜合金铜及铜合金l纯铜铜是人类最早认识并使用的金属材料之一，我国早在约六千年前就开始使用铜制品。 纯铜的密度为8.96 g/cm3，比钢略大，导电性和导热性良好，其强度和硬度均不高，塑性、耐腐蚀性及焊接性能良好，故纯铜适合进行各种压力加工，通常用来制作电线、电缆、散热片等。 纯铜为紫红色，由于在空气中表面容易形成一层紫色的氧化膜，故纯铜又称紫铜。 工业纯铜分为四种：T1，T2，T3。其中，编号越大，表示纯度越低，杂质含量越高。铜及铜合金铜及铜合金 通过向纯铜中加
24、入锌、铅、锡、铝、铍等元素即可得到各种性能优越的铜合金。根据所加入合金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜等三类。铜合金铜及铜合金铜及铜合金铜合金分类分类常用牌号性能说明黄铜普通黄铜H62H70只有锌一种合金元素，具有良好的耐腐蚀性，常用于制造子弹、阀门、空调连接管等特殊黄铜HMn58-2除含锌元素外，还含有铅、锡、铝等合金元素，耐蚀性、耐磨性、切削加工性均较好，常用于制造钟表内部精密零件、螺旋桨等青铜锡青铜QSn4-3主要合金元素为锡，具有良好的铸造性能、减磨性能及力学性能，常用于制造轴承、蜗轮、齿轮等铝青铜QAl5QAl9-4主要合金元素为铝，具有较高的强度、耐磨性和耐蚀性，常用于制造
25、高载荷齿轮、轴套等铍青铜QBe2QBe1.7主要合金元素为铍，具有较高的弹性极限和良好的导电性，常用于制造精密弹簧和电接触元件等 白铜BMn3-12主要含有的合金元素是镍，呈银白色，具有较高的强度和硬度，价格昂贵，色泽美观，常用于制造医疗器械、仪器仪表、工艺品等轴承合金轴承合金目录01第一节 常用黑色金属材料02第二节 常用有色金属材料0303第三节 常用非金属材料常用非金属材料常用非金属材料l非金属材料在机械零件中的应用主要有工程塑料、合成橡胶、工业陶瓷和复合材料。一、工程塑料1.工程塑料的组成工程塑料是以树脂为基础，加如其他添加剂，在一定的温度与压力下制成的非金属材料。树脂是主要成分，是一
26、种高分子化合物，起到胶黏剂的作用；添加剂起到改善塑料的性能、防止老化、延长和稳定塑料使用寿命的作用。2.工程塑料的分类(1)按塑料的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料。1）热塑性塑料2）热固性塑料常用非金属材料常用非金属材料(2)按塑料制品的功能分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。1)通用塑料通用塑料主要应用于制造生活用品，如聚氯乙烯、聚丙烯。应用范围广，价格低。2）工程塑料工程塑料主要应用于代替金属制造机械零部件，如有机玻璃、尼龙、ABS等。3）特种塑料特种塑料是主要应用于特种性能和特种用途的塑料，如医用塑料。(3)工程塑料的特性工程塑料具有质量轻、比强度高、吸水率低、耐蚀性好、成形工艺简单、加
27、工性能好、生产率高的特性。常用非金属材料常用非金属材料二橡胶1.橡胶的组成橡胶是一种高分子材料，是以生胶为基础加人适量的配合剂制成的。生胶的来源为天然橡胶或合成橡胶。配合剂的作用是改善橡胶制品的性能，如硫化剂、软化剂等。2.橡胶的特性橡胶具有高弹性，优良的伸缩性、耐磨性、电绝缘性、不透水性等优点，但易老化。常见非金属材料常见非金属材料三、复合材料1.复合材料的组成复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料组合而成的。2.复合材料的分类复合材料按增强基体的不同分为塑料基复合材料、金属基复合材料、橡胶基复合材料和陶瓷基复合材料，按性能的不同分为结构复合材料和功能复合材料，按种类和结
28、构的不同分为层叠、细粒、纤维增强复合材料。3.复合材料的特性复合材料的比强度高、减摩性和耐磨性好、抗疲劳性和减振性好、加工性好。复合材料应用于制造机械零件、化工容器、耐腐蚀结构件等。单元小结l1.钢铁主要有铁和碳两种基本元素构成，故钢铁又称铁碳合金。l2.钢的种类繁多，为了熟悉各种钢的性能特点，掌握合理选用钢材的方法，需要对钢进行科学的分类。通常根据化学成分、质量和用途的不同对钢进行分类。l3.根据是否含有合金元素，钢可分为碳素钢和合金钢。常用的碳素钢有碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢以及铸造碳钢等；常用的合金钢有合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢等。l4.铸铁种类很多，根据碳存在形式的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁三类；根据内部石墨所处形态的不同，铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。l5.非金属材料常用塑料、橡胶和复合材料。