《机械基础》材料与选用（1）（讲义）重庆市机械加工类 考点讲练测

编写说明：重庆市《机械加工类专业考点讲练测》专辑，是依据重庆市中职毕业生参加高职分类考试招生专业综合理论考试—机械加工类考试说明的考试范围与要求编写的。紧密围绕机械加工类专业考纲所涉及的四门课程的 27个考试内容及要求，精心编撰了54套讲练测。每套讲练测的内容均涵盖考点解读、思维导图、知识梳理、概念回顾、概念强化题、高考真题与典型例题、课堂练习、课堂小结以及课后测验九个环节。 本讲属于重庆市《机械加工类专业考点讲练测》的第4套，包含讲义、课件以及测验这三个教学文件，且与之配套使用的还有重庆市《机械加工类专业考纲百套卷》。欢迎各位老师下载使用，并敬请给予宝贵建议。 重庆市《机械加工类专业考点讲练测》 【机械基础】4.材料与选用（1） 讲义 [考点解读] （1）了解金属材料的性能。 （2）了解碳素钢、合金钢和铸铁的分类、牌号、性能和应用。 （3）了解钢的热处理目的、分类和应用。 （4）了解有色金属材料和非金属材料在工程中的应用。 [思维导图] [知识梳理] 一、金属材料的性能 1.金属材料的物理性能 金属材料的物理性能是金属固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。 (1)密度 密度是指单位体积金属的质量，单位为kg/m³。根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4.5 g/m³ 的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及其合金等；密度大于4.5 g/m³ 的金属称为重金属，如铁、 铜、铅、钨等。 (2)熔点 熔点是指金属或合金从固态向液态转变时的温度，其单位一般为℃。高熔点金属(钨、钼、铬、钒等)主 要用于制造要求耐高温的零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等；低熔点金属(锡、铅、铋、镉等)可用来 制造印刷铅字、熔丝、焊接钎料和防火安全阀等。 (3)导热性 导热性是指金属材料传导热量的能力， 一般用热导率来衡量，热导率大表示金属的导热性好。 一般情 况下，金属材料的导热性比非金属材料好，纯金属的导热性比合金好。导热性最好的金属材料是银，其次是 铜和铝。 (4)导电性 导电性是指金属材料传导电流的性能。衡量金属材料导电性的指标是电阻率，电阻率越小，金属的导 电性越好。 (5)热膨胀性 金属材料在受热时体积会增大，这种现象称为热膨胀性。金属的热膨胀性通常用线膨胀系数表示。在 实际工作中有时必须考虑热膨胀性的影响。例如： 一些精密测量的工具、架设的电线、铺设的铁轨。 (6)磁性 ①铁、钴等为铁磁性材料，铁在768℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。 ②锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。 用途：磁性材料可以用于制作变压器、电机的铁芯和测量仪表零件等。 2.金属材料的化学性能 金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现出来的性能，如抗氧化性、耐蚀性和化学稳定性等。 (1)耐蚀性 耐蚀性是金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏的能力。常见的钢铁生锈，就是 腐蚀现象。 (2)抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属加热时氧化作用加速，如钢材在焊接、热处理、锻 造时。 (3)化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐蚀性和抗氧化性的总称。 3.金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能，主要包括强度、塑性、硬度、韧性 和疲劳强度等。它们是衡量材料性能极其重要的指标。 (1)强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形(塑性变形)或断裂的能力。常用的强度指标是抗拉 强度(Rm)和屈服强度(R、RL)。 (2)塑性 塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)。 (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，是衡量金属材料软硬程度的一 个指标。生产中常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 ①布氏硬度：用符号HB表示，用于测定灰铸铁、非铁金属、低合金结构钢以及结构钢调质件的硬度。 ②洛氏硬度：可分为HRC、HRB、HRA三种，应用最广，常用于测定工件的表面硬度，如淬火钢。 ③维氏硬度：用符号HV表示，测试复杂，应用较少。 (4)韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为韧性。冲断试样时所消耗的功称为冲击吸收能量， 常用KV(V形缺口试样)或KU(U形缺口试样)表示，单位为J,KV或KU值越大，冲击韧性越好。 (5)疲劳强度 疲劳强度(疲劳极限)是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不被破坏的最大应力。 一般试验规 定：钢铁材料经受10⁷次、非铁金属经受10⁸次交变载荷作用不产生断裂的最大应力称为疲劳强度，用R, 表 示。当施加的交变应力对称循环变化时，所得的对称循环强度用R_ 1表示。 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在各种加工条件下表现出来的适应能力，包括铸造性能、锻造性能、 焊接性及切削加工性能等。 (1)铸造性能 金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能称为铸造性能。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩性 和偏析性等。常用金属材料中，灰铸铁具有优良的铸造性能，铸钢的铸造性能低于铸铁，铸造铝合金和铸造 铜合金的铸造性能也较好。 (2)锻造性能 金属材料能否用锻压方法制成锻压件的性能称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属材料的塑性 和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如，加工黄铜和变形铝合金在室温状 态下就具有良好的锻造性能；非合金钢在加热状态下具有较好的锻造性能；而铸铜、铸铝、铸铁几乎不能锻 造，因此它们的锻造性能较差。 (3)焊接性 金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性。焊接性主要同金属材料 的化学成分有关，其中以碳的影响最大。低碳钢有较好的焊接性，高碳钢较差，铸铁更差。铜、铝合金的焊 接性一般都比非合金钢(碳素钢)差。 (4)切削加工性能 金属材料切削加工的难易程度称为切削加工性能。 一般认为，硬度过高或过低的金属材料，其切削加 工性能较差。铸铁、铜合金、铝合金及非合金钢都具有较好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能则 相对较差。 二、钢铁材料 钢铁材料是钢和铸铁的统称，是以铁为主要成分，含碳量一般在2%以下的一种合金。 非合金钢(碳素钢)是含碳量小于2.11%的铁碳合金，它还含有少量硫、磷、锰、硅等杂质，其中硫(S)、磷(P) 是 有害元素。硫使钢有热脆性，磷使钢有冷脆性。锰、硅是有益元素。铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。 (2)常用碳素钢的牌号 常用的碳素钢有普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢以及铸造碳钢等，其牌号表示方法如表 所示。 钢的名称 牌号表示方法 牌号举例 普通碳素结构钢 牌号由以下四部分组成： (1)屈服强度“屈”字汉语拼音首字母Q+下屈服强度最低值； (2)钢的质量等级符号A、B、C、D(从左到右质量依次提高): (3)脱氧方法符号：F(沸腾钢)、Z(镇静钢)、TZ(特殊镇静钢),“Z”和“TZ”可 省 略 ； (4)牌号尾可加产品用途、特性和工艺方法表示符号(必要时) Q195 Q215B Q235AF Q275B Q275D 优质碳素结构钢 牌号由以下五部分组成： (1)两位数字表示平均碳的质量分数的万分数； (2)如果锰的质量分数较高，则在两位数字后面加“Mn”(必要时); (3)如果为高级优质钢、特级优质钢，则分别在钢号后加“A”“E”,优质钢不用 标 注 ； (4)如果是沸腾钢，则在数字后面加“F”(必要时): (5)牌号尾可加产品用途、特性和工艺方法表示符号(必要时) 45 08F 40Mn 50A 碳素工具钢 牌号由以下四部分组成： (1)“碳”字汉语拼音首字母“T”; (2)阿拉伯数字表示钢中平均碳的质量分数的千分数； (3)如果锰的质量分数较高，则在两位数字后面加上“Mn”(必要时); (4)如果是高级优质碳素工具钢，则在钢的牌号后面加“A”,优质钢不用标注 T7 T10 T8Mn T12A 铸造碳钢 牌号由以下四部分组成： (1)“铸钢”汉语拼音首字母“ZG”; (2)第一组数字表示下屈服强度最低值； (3)第二组数字表示抗拉强度最低值； (4)两组数字间用“-”隔开 ZG200-400 ZG270-500 ZG340-640 (3)常用碳素钢的性能和用途 ①普通碳素结构钢 普通碳素结构钢的塑性好，强度较低，能保证一定的力学性能，容易冶炼，工艺性能良好，故常轧制成型 钢、钢板、钢管等，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。 普通碳素结构钢常见的牌号有Q215、Q235、Q255等。其中，Q235 钢的强度、塑性、韧性及焊接性等性能 都比较好，在工业生产中应用最为广泛，常见的机械零件，如螺栓、拉杆、螺母等都是由Q235 钢制造的。 ②优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的杂质元素硫、磷的含量比碳素结构钢低，力学性能比碳素结构钢好，通常用于制造重 要的工程构件和机械零部件。优质碳素结构钢常见的牌号有45、60等。其中，45钢的综合力学性能良好， 在工业生产中应用十分广泛，主要用于制造受力较大的齿轮和轴类零件等；60钢以上的优质碳素结构钢由 于碳含量较高，具有较高的强度和硬度，通常在经过处理后用于制造各类弹簧、钢丝等。 ③碳素工具钢 碳素工具钢生产成本低，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，工作温度超过250℃时，其硬度、耐磨性会迅速下降。此外，碳素工具钢的淬透性较低，在油中的 淬透直径仅为5 mm。因此，碳素工具钢仅限于制造形状简单、尺寸小、切削速度低、工作温度不高的工具。 碳素工具钢常见的牌号有T8、T12等。其中，T8 钢具有较好的韧性和较高的硬度，适用于制造模具冲头、剪 刀等；T12钢具有高硬度和耐磨性，但韧性较低，适用于制造钻头、铰刀、丝锥等冲击小，要求高硬度和耐磨性的刀具和量具。 ④ 铸造碳钢 铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，生产成本较低，主要用于制造受力大且需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。 2.合金钢 随着工业生产和科学技术的不断发展，对钢材的某些性能提出了更高的要求。如对大型重要的结构零 件，要求具有更高的综合力学性能；对切削速度较高的刀具要求更高的硬度、耐磨性和红硬性(即在高温时 仍能保持高硬度和高耐磨性);大型电站设备、化工设备等不仅要求高的力学性能，而且还要求具有耐蚀、耐 热、抗氧化等特殊物理、化学性能。碳钢不能满足这些要求，于是产生各种合金钢，以适应对钢材更高的 要求。 含有一种或多种有意添加的合金元素的钢统称为合金钢。常加入的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、 铬 (Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铝(Al)、硼(B) 及稀土元素(Re) 等。 (2)常用合金钢的牌号表示方法 钢的名称 牌号表示方法 牌号举例 合金结构钢 牌号由以下四部分组成： (1)两位数字表示平均碳的质量分数的万分数； (2)元素符号(主要合金元素)+数字(合金元素质量分数的百分数。当合金元 素平均质量分数<1.5%时，元素符号后面不标数字；当合金元素平均质量分数 为1.50%～2.49%时，在该元素符号后标“2”;当合金元素平均质量分数为 2.50%~3.49%时，在该元素符号后标“3”;以此类推); (3)如果为高级优质钢、特级优质钢，则分别在钢号后加“A”“E”,优质钢不用 标 注 ； (4)牌号尾可加产品用途、特性或工艺方法表示符号(必要时) 20MnVB 40MnB 35SiMn 37SiMn2MoVA 合金工具钢 与合金结构钢牌号基本相同，由以下两部分组成： (1)当Wc<1%时，牌号前的一位数表示钢中平均碳的质量分数的千分数；当 Wc≥1%时，不标出表示碳的质量分数的数字； (2)元素符号(主要合金元素)+数字，表示方法同合金结构钢第二部分 9SiCr 9Mn2V CrWMn 5CrNiMo 高速工具钢 与合金结构钢牌号表示方法基本相同，但高速工具钢的牌号头部不标出表示碳 的质量分数的数值 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 轴承钢 轴承钢在钢号前统一冠以“G”,不同轴承钢牌号表示方法不同： (1)高碳铬轴承钢不标碳的质量分数，平均铬的质量分数用千分数表示，其余元 素表示方法同合金结构钢第二部分； (2)高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”; (3)高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢的牌号表示方法同不锈钢和耐热钢 GCr15 G20CrMnMoA G95Cr18 G80Cr4Mo4V 不锈钢与耐热钢 牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当Wc≥0.04%时，推荐取两位小数； 在Wc≤0.030%时，推荐取3位小数 06Cr19Ni10 022Cr18Ni10N 15CrMoV 3.铸铁和铸钢 (1)铸铁 铸铁是碳的质量分数大于2.11%,并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。铸铁具有良好的铸造 性能、切削加工性能、耐磨性及减振性，但铸铁的塑性、韧性较差， 一般用于制造形状复杂，不能用锻造、轧 制、拉丝等方法成形的零件。 根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁。白口铸 铁断口呈银白色，性能硬而脆，不易切削加工，在机械工业中很少直接应用。它们各自的牌号组成、性能特 点及应用如表所示。 常见牌号 含义说明 性能特点 应用 灰铸铁 HT200 牌号组成为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 碳元素主要以片状的石墨存在，断 口呈暗灰色。有优良的铸造性能， 良好的切削加工性，良好的减摩擦 性和减振性 热处理方法：去应力退火、表面 淬火 制作各种承受压力和要求消 振性的床身、机架、结构复杂 的箱体、壳体和经受摩擦的 导轨、缸体等 可锻铸铁 KTH300-06 KTB350-12 牌号组成为KT+代表类别的字母 (H,Z)+最低抗拉强度+“-”+最低 断后伸长率。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 碳元素主要以团絮状的石墨存在， 因此塑性和韧性比灰铸铁好，但不 可用于锻造 用作汽车、拖拉机的前后轮 壳，管道的弯头、三通等形状 复杂、尺寸不大、强度和韧性 要求较高的零件 球墨铸铁 QT400-18 QT800-2 牌号组成为QT+最低抗拉强度+ “_ ”+最低断后伸长率。例如 QT400-18表示抗拉强度不低于 400 MPa,断后伸长率不低于8%的 球墨铸铁 碳元素主要以球状的石墨存在，具 有较高的强度和良好的塑性、韧性 柴油机曲轴、减速箱齿轮以 及轧钢机轧辊等 蠕墨铸铁 RuT300 牌号组成为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 碳元素主要以蠕虫状的石墨存在 导热性、减振性比球墨铸铁要好 常用于制造汽车排气管、刹 车盘、发动机缸体等 (2)铸钢 将钢液直接铸成零件或毛坯的钢称为铸钢。其含碳量一般在0.15%～0.60%之间，牌号用“ZG加两组 数字”组成。铸钢的力学性能与铸铁相比，抗拉强度、塑性、韧性较高。常用于制造形状复杂、综合力学性能 要求较高的零件。 三、有色金属、硬质合金与非金属材料 1 . 有色金属材料 除钢铁材料以外的金属材料统称为有色金属。 (1)铝及铝合金 ①纯铝 纯铝是一种银白色的金属，它具有下列特性： a. 质轻、密度较小，是轻金属之一，常用作各种轻质结构材料的基本组元。 b. 导电、导热性良好。导电性仅次于银和铜。 c. 耐大气腐蚀性能好。 d. 塑性好，易于通过各种压力加工制成多种型材与制品。但强度、硬度较低，故工业上常通过合金化提 高其强度，用作结构材料。 纯铝分为高纯度铝和工业纯铝。高纯度铝(纯度可达99.99%)用于科学实验；工业纯铝用于制造管、 棒、线等型材，以及配制合金原料。 ②铝合金 铝合金按其成分及生产工艺特点可分为变形铝合金和铸造铝合金。 A.变形铝合金 变形铝合金按其主要性能和用途分为防锈铝(代号LF)、硬铝(代号LY)、超硬铝(代号LC) 和锻铝(代号LD)。 a. 防锈铝 防锈铝是铝-锰或铝-镁系合金。这类合金的强度高于纯铝，并有良好的塑性，耐蚀性较好，主要用于制 造耐蚀性高的容器、防锈及受力小的构件，如油箱、导管及日用器具等。 b. 硬铝 硬铝是铝-铜-镁系合金。这类合金经过适当热处理后，强度、硬度显著提高，但耐蚀性不如纯铝，常用于 制造飞机零部件及仪表零件。 c. 超硬铝 超硬铝是铝-铜-镁-锌系合金。这类合金通过适当热处理后，强度、硬度较高，是铝合金中强度最高的， 主要用于制造飞机上受力较大的结构件，如飞机大梁。 d. 锻铝 锻铝是铝-铜-镁-硅系合金。这类合金的力学性能与硬铝相近，但具有较好的锻造性能，故称锻铝，主要 用于制造航空仪表工业中形状复杂、要求强度高的锻件。 B.铸造铝合金 铸造铝合金是指具有较好的铸造性能，宜于用铸造工艺生产铸件的铝合金。铸造铝合金根据化学成分 可分为铝-硅系(类别代号：1)、铝-铜系(类别代号：2)、铝-镁系(类别代号：3)、铝-锌系(类别代号：4),其中 铝-硅系铸造铝合金应用最为广泛。 铸造铝合金具有优良的铸造性能，耐蚀性好，用于制造质轻、耐蚀、形状复杂的零件，如活塞、仪表外壳、 发动机缸体等。 铸造铝合金的牌号由“铸铝”二字的汉语拼音首字母“ZL”加三位数字表示，第一位数字表示铸造铝合金 的类别，第二、第三位数字表示合金的顺序号，例如：ZL102 表示2号铝-硅系铸造铝合金。 (2)铜及铜合金 ①纯铜 纯铜具有良好的导电性、导热性、耐蚀性，强度不高，硬度很低，塑性较好，易于冷、热压力加工。 工业上使用的纯铜，其铜的质量分数为99.5%~99.95%。工业纯铜牌号用“T” 和数字表示。“T” 表示 “铜”,数字表示顺序号。顺序号越大，杂质含量越高。1号铜、2号铜一般用作导电、导热、耐腐蚀器具材料， 如电线、化工用蒸发器、雷管等；3号铜用作一般铜材，如电器开关、螺钉等；无氧铜一般用作电真空器材、高 导电性导线。 ②铜合金 铜合金根据主加元素不同可分为黄铜、青铜、白铜。工业上常用的是黄铜和青铜。 A.黄铜 黄铜是以锌为主加元素的铜合金，因色黄而得名。黄铜又分为普通黄铜和复杂黄铜。 a. 普通黄铜 仅由铜和锌组成的铜合金称为普通黄铜。其牌号用“H” 加数字表示，“H” 代表铜，数字为平均铜的质量 分数，如H70 表示平均Wcn=70%的铜锌合金。H80, 又称金黄铜，可制作装饰品；H70, 又称三七黄铜，用于 制造弹壳、散热器等；H62, 又称四六黄铜，是普通黄铜中强度最高的一种，工业上应用较多，如制造弹簧、垫 圈、金属网等。 b. 复杂黄铜 在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的铜合金称为复杂黄铜。常加入的合金元素有锡、硅、铅等，分 别称为锡黄铜、硅黄铜、铅黄铜等。加入合金元素可以使黄铜的使用性和工艺性得到改善。 复杂黄铜的牌号用“H” 加元素符号和数字来表示，如HPb59-1 表示铅黄铜，平均含铜(Cu)59%, 含铅 (Pb)1%, 其余含锌。铅黄铜(HPb59-1) 主要用于制造大型轴套、垫圈等。锰黄铜(HMn58-2) 主要用于制 造气阀、滑阀。 B.青铜 青铜是指铜与锌或镍以外的元素组成的合金，按化学成分不同分为普通青铜(锡青铜)、特殊青铜(无锡 青铜)。 a. 普通青铜 普通青铜耐磨、耐蚀并具有良好的铸造性能，用于制造蜗轮、轴承、弹簧及工艺品等。 普通青铜牌号用“Q” 加主加元素的化学元素符号、质量分数和数字(其他加入元素的平均质量分数)表 示。例如，QSn4-3 表示平均锡的质量分数为4%,平均锌的质量分数为3%,其余为铜的普通青铜。铸造青 铜的牌号用“铸”字汉语拼音首字母“Z”和基体金属的化学元素符号铜(Cu), 以及主加元素和辅加元素的化 学元素符号、名义百分含量的数字表示，如ZCuSn10P1为铸造锡青铜，平均Ws=10%,Wp=1%。 b. 特殊青铜 特殊青铜的力学性能、耐磨性、耐蚀性一般都优于普通青铜，而铸造性能不及普通青铜，主要用于制造 高强度耐磨零件，如轴承、齿轮等。 C.白铜 白铜是铜镍合金，因色白而得名。它的表面很光亮，不易锈蚀，主要用于制造精密仪器、仪表中的耐蚀 零件及电阻器、热电偶等。 (3)钛及钛合金 ①纯钛 纯钛熔点为1668℃。强度高，是铝的6倍，塑性好，便于冷热加工。还具有超导、记忆、储氢等特殊 性能。 纯钛主要用于350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及 舰船零部件。 ②钛合金 钛合金是20世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，且资源丰 富，已成为航天、化工等部门广泛应用的材料。钛合金分为α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金。 a.α 型钛合金主加元素是铝，还有锡和硼等元素，但它的塑性差，且不能热处理强化。 b.β 型钛合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量铝。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接，应 用受到限制。 c.a+β 型钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入α稳定元素和β稳定元素，使α和β同时得到强 化。力学性能变化范围较宽，可以适应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70%以上。 (4)轴承合金 轴承合金用于制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的合金。 特点：具有高的抗压强度和疲劳强度，足够的塑性和韧性，良好的磨合能力、减摩性和耐磨性。 常用的轴承合金有：锡基、铅基、铝基轴承合金。 ①锡基轴承合金(锡基巴氏合金) 锡基轴承合金以锡(Sn)为基础，加入锑(Sb)、铜等元素组成的合金。这种轴承合金具有硬度适中，减摩 性好，足够的塑性、韧性，良好的耐蚀性、导热性，膨胀系数较小。所以，在汽车、拖拉机、汽轮机等机械的高 速轴上应用较广。锡基轴承合金的牌号由“Z”+基体元素符号+主加元素和辅加元素符号、百分含量的数字 组成。如ZSnSb11Cu6表示平均锑量为11%、铜量为6%的锡基轴承合金。 ②铅基轴承合金(铅基巴氏合金) 铅基轴承合金是以铅(Pb)、锑为基础，加入锡、铜等元素组成的合金。铅基轴承合金的硬度、强度、韧 性、减摩性均低于锡基轴承合金，故用于中低速度的、中等负荷的轴承。铅基轴承合金的牌号表示方法同于 锡基轴承合金。常用的牌号为ZPbSb10Sn16Cu2。 ③铝基轴承合金 铝基轴承合金常用的有铝锑镁和高锡铝基轴承合金。高锡铝基轴承合金应用最广，用于汽车、拖拉机、 内燃机车的轴承，铝锑镁轴承合金仅在低速柴油机等的轴承上使用。 铝基轴承合金的特点是，原料丰富、价格便宜，导热性好，高的疲劳强度，良好的耐热、耐磨和抗蚀性，能承受较大压力与速度。 3.非金属材料 在机械工程中常用的非金属材料有工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料和胶黏剂等。 (1)工程塑料 工程塑料是一类以天然或合成树脂为主要成分，在一定的温度和压力下塑制成型，并在常温下保持其 形状不变的材料。 ①按理化性能分类 通常按塑料受热后所表现的行为分为热塑性塑料和热固性塑料。 a. 热塑性塑料 热塑性塑料是一类可以反复通过提高温度使之软化，降低温度使之硬化的材料。常用的热塑性塑料有 尼龙(聚酰胺)、聚乙烯、有机玻璃等。这类塑料的优点是加工成型简便，具有较高的力学性能，缺点为耐热 性和刚性较差。 b. 热固性塑料 热固性塑料加热时软化，然后固化成型，但不能重复进行。常用的热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、 氨基塑料等。这类塑料具有耐热性高、受热不易变形、价廉等优点，缺点是生产率低、强度一般不太好。 ②按使用范围分类 a. 通用塑料 常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、酚醛塑性等，主要用来制造日常生活用品、包装材料和工农业生产 用的一般机械零件。 b. 工程塑料 常指在工程技术中作结构材料的塑料。这类塑料具有较高的强度或具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射等特 殊性能，因而可部分代替金属，特别是有色金属来制作某些机械构件或作某些特殊用途。常用的工程塑料 有聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、ABS、有机玻璃等。 c.特种塑料 它是指具有特殊性能和特种用途的塑料，如耐高温塑料、医用塑料等。 (2)橡胶 橡胶是一种有机高分子材料，具有高的弹性，优良的伸缩性能和储蓄能量的能力，成为常用的密封、抗 振、减振及传动材料。橡胶还有良好的耐磨性、隔音性和阻尼特性。橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两类。 ①天然橡胶 天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。天然橡胶的抗拉强度与回弹性比多数合成橡胶好，但耐热老化性 和耐大气老化性较差，不耐臭氧，不耐油和有机溶剂，易燃烧。它一般用作轮胎，电线电缆的绝缘护套等。 ②合成橡胶 合成橡胶是将石油或乙醇、乙炔、天燃气体或其他产物经过加工、提炼而获得，并具有类似橡胶性质的 合成产物。这种材料可以用来代替天然橡胶。常用的合成橡胶有丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡 胶、氟橡胶等。 (3)陶瓷材料 陶瓷是无机非金属固体材料， 一般可分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类。 陶瓷具有硬度高、抗压强度大、耐高温、抗氧化、耐磨损和耐蚀性好等特点，但质脆、受力后不易产生塑 性变形，经不起敲打碰撞，急冷急热时性能较差。 (4)复合材料 复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，二者保留了各自的优点，得到单一材料无法比拟的综合性能，是新型的工程材料。 ①复合材料的特性 a. 比强度大 b. 化学稳定性好 c. 减摩耐磨、自润滑性好 d.其他特殊性能(如隔热性、烧蚀性，以及特殊的光、电、磁等性能) ②复合材料的分类和应用 根据复合材料结构上的特点， 一般可以分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料等。 a.纤维复合材料 纤维复合材料大部分是纤维和树脂的复合。根据所用的纤维和树脂的不同，可分为玻璃纤维复合，碳 纤维、石墨纤维复合，晶须复合等。纤维复合材料的用途视其性能而定。如用玻璃纤维增强的热固性塑料， 一般称为玻璃钢，具有优良的综合性能，在航空、国防、汽车、化工等方面应用广泛，是一种重要的复合材料。 碳纤维、石墨纤维复合材料的比强度高、线胀系数小、耐磨、自润滑性能好，可用于航空、宇航、原子能工业中 的压气机叶片，发动机壳体、轴瓦、齿轮以及眼镜架、钓鱼竿等。晶须复合材料的强度特别高，用晶须毡与环 氧树脂复合的层压板，可用作涡轮叶片等。 b. 层叠复合材料 层叠复合材料是把两种以上不同材料层叠在一起。例如玻璃复层是把两层玻璃板之间夹一层聚乙烯 醇缩丁醛，可作安全玻璃使用，塑料复层则在普通钢板或铝材上复一层塑料，可提高其耐腐蚀性能，用于化 工及食品工业，如铝塑管材等。 c.细粒复合材料 一般是粉料间的复合。可分为金属粒与塑料复合，如高含量铅粉的塑料，可用作γ射线的罩屏及隔音 材料；铜粉加入氟塑料，还可用作轴承材料；陶瓷粒与金属复合，如氧化物金属陶瓷，可用作高速切削刀具及 高温耐磨材料等。 d.骨架复合材料 包括多孔浸渍材料和夹层结构材料。多孔材料浸渍低摩擦因数的油脂或氟塑料，可作轴承等。夹层结 构材料质轻，抗弯强度大，可制作大电机罩、门板及飞机机翼等。 (5)胶黏剂 胶黏剂又称黏结剂，它是能把相同或不同的材料牢固地黏合在一起的物质。它以富有黏性的物质为基础，加入了各种添加剂。 ①胶黏剂的特点 胶接与螺栓连接、铆接、焊接相比具有如下特点：胶接处应力分布较均匀；重量轻，可胶接各种材料；胶 接处表面光滑、平整，胶缝具有绝缘、密封、耐腐蚀等性能。 ②胶黏剂的分类及用途 胶黏剂可分为天然的和合成的两大类。天然胶黏剂使用范围较窄，已不能适应发展的需要。常用的合 成胶黏剂有环氧胶黏剂(即万能胶),广泛用于船舶、机械、电子仪表、化工、宇航工业等；聚氨酯胶黏剂(俗称 乌利当),主要用于液氮和液氢容器等低温设备的胶接；特种胶黏剂，主要用于宇航、电子工业中具有特殊性 能要求的零部件的胶接。 [师生互动] 1. 简述金属材料主要的力学性能指标有哪些? 【答案】金属材料的力学性能指标有： (1)强度指标：抗拉强度Rm、屈服强度R、R.L 。钢的抗拉强度好，铸铁的抗压强度好； (2)塑性指标：断后伸长率A、断面收缩率Z 。常用的塑性材料有钢、紫铜、纯铝等。 (3)硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB、HRA)和维氏硬度(HV) 。 布氏硬度用于测定灰铸铁、 非铁金属、低合金结构钢及结构钢调质件的硬度；洛氏硬度应用最广，常用于测定工件的表面硬度，如淬火 钢；维氏硬度由于测试手续较繁，应用较少。 (4)韧性：冲击吸收能量KV(V 形缺口试样)或KU(U 形缺口试样)。 (5)疲劳强度：R、对称循环强度R_ 1。 2. 说明下列钢铁材料牌号的含义。 (1)45 (2)Q235AF (3)60Si2Mn (4)GCr15 (5)W18Cr4V (6)12Cr18Ni9 (7)HT200 (8)KTH300-06 【答案】 (1)45——平均碳的质量分数为0.45%的优质碳素结构钢； (2)Q235AF——R≥235 MPa,质量等级为A 级的沸腾碳素结构钢； (3)60Si2Mn—— 平均Wc=0.60% 、Ws=2% 、Wm<1.5%的合金结构钢(合金弹簧钢); (4)GCr15—— 平均Wc=1.5% 的高碳铬滚珠轴承钢； (5)W18Cr4V—— 表示Wc=0.7%~0.8% 、 平均 Ww=18% 、Wc=4% 、Wy<1.5%的高速工具钢； (6)12Cr18Ni9—— 平均Wc=0.12%,Wca=18%,W=9% 的铬镍不锈钢； (7)HT200—— 抗拉强度Rm≥200 MPa的灰铸铁； (8)KTH300-06—— 抗拉强度Rm≥300 MPa,断后伸长率A≥6% 的黑心可锻铸铁。 3.轴承合金的性能特点是什么? 【答案】轴承合金必须具有高的抗压强度和疲劳强度，足够的塑性和韧性，良好的磨合能力、减摩性和 耐磨性。常用的轴承合金有：锡基、铅基、铝基轴承合金。 4. 什么是复合材料?它按结构特点可分为哪些类型?纤维增强复合材料的增强纤维有哪些? 【答案】复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，二者保留了各自的优点，得到单一 材料无法比拟的综合性能，是新型的工程材料。根据复合材料结构特点可分为纤维复合材料、层叠复合材 料、细粒复合材料和骨架复合材料等。纤维复合材料大部分是纤维和树脂的复合。根据所用的纤维和树脂 的不同，可分为玻璃纤维复合，碳纤维、石墨纤维复合，晶须复合等。 [概念强化] 1.金属材料的工艺性能包括 性能、 性能、 性及切削加工性能等。 【答案】铸造；锻造；焊接 2.50A 钢按用途分类属于 钢，按平均碳的质量分数分类属于 钢，按 主要质量等级分类属于 钢 。 【答案】碳素结构；中碳高级；优质碳素结构 3.最常用的强度指标是 和 ,它们能通过 测定。 【答案】抗拉强度；屈服强度；拉伸实验 4.常用金属材料的硬度指标有 。 【答案】布氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度 5.合金工具钢按用途可分为 和合金量具钢。 【答案】合金刃具钢 合金模具钢 6.机械制造业中，常用到的特殊性能钢有 和耐磨钢。。 【答案】灰铸铁；球墨铸铁 [高考模拟] 1.金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力是 ( ) A. 强度 B. 硬度 C. 韧性 D. 塑性 【答案】C 2.中合金钢的合金元素总含量为 ( ) A.小于5% B.5%～10% C. 大于10% D. 等于10% 【答案】B 3.非合金钢中存在的磷会 ( ) A. 引起热脆 B. 引起冷脆 C.提高强度 D. 提高硬度 【答案】B 4.在60Si2Mn 合金结构钢中60代表 ( ) A.主要合金元素含量 B.含硅量 C. 碳的质量分数 D.无特殊意思 【答案】C 5.下列适合作为中速切削刃具及复杂刃具(如车刀、铣刀)的材料是 ( ) A.硬质合金 B. 高速钢 C.45 钢 D.T8A 【答案】B 6.T13 钢按平均碳的质量分数分类属于 ( ) A.高碳钢 B. 中碳钢 C.低碳钢 D.合金钢 【答案】A 7.牌号为HT300表示的铸铁是( ) A. 灰铸铁 B. 可锻铸铁 C. 球墨铸铁 D.白口铸铁 【答案】A 8. ( )的性能接近钢，在一定条件下可代替钢材。 A.白口铸铁 B. 灰铸铁 C. 可锻铸铁 D.球墨铸铁 【答案】D 9.下列有关材料H62的说法中正确的是( ) A. 复杂黄铜，锌的质量分数是62% B. 复杂黄铜，铜的质量分数是62% C. 普通黄铜，铜的质量分数是38% D. 普通黄铜，锌的质量分数是38% 【答案】D 10.在铸铁、低碳钢、高碳钢和中碳钢中塑性最好的材料是低碳钢。（ ） 【答案】√ 11.45号钢中碳的质量分数为45%。（ ） 【答案】× 12.铁碳合金的含碳量越高，硬度越高。（ ） 【答案】√ 13.工业纯铜牌号的序号越大，表明其纯度越高。（ ） 【答案】× 14.3CrW8V钢的平均含碳量为0.3%,所以它是合金结构钢。（ ） 【答案】× 15.白口铸铁的硬度适中，易于进行切削加工。（ ） 【答案】× [课堂练习] 1. 20CrMnTi 主要用于制造（ ） A.汽车后桥半轴 B. 汽车变速器齿轮 C. 火箭发动机壳 D. 汽车弹簧 【答案】B 2. 可锻铸铁中石墨的形态是（ ） A.片状 B. 团絮状 C. 球状 D.蠕虫状 【答案】B 3. 钢材牌号ZG270-500中“270”的含义是（ ） A. 抗拉强度的最低值 B. 抗拉强度的最高值 C. 下屈服强度的最低值 D.上屈服强度的最低值 【答案】C 4. 有机玻璃属于（ ） A.复合材料 B. 橡胶 C.工程塑料 D. 陶瓷 【答案】C 5. 冷冲模具工作时受冲击和摩擦，所以应用低碳合金钢来制造。（ ） 【答案】× 6. 大型的机器零件为了获得良好的综合力学性能，常用合金调质钢制造。（ ） 【答案】√ 7.与非合金钢相比，合金钢有什么优点?（ ） 【答案】对大型重要的结构零件,要求有更优良的综合力学性能;对切削速度较高的刀具要求更高的硬度、耐磨性和红硬性(即在高温时仍能保持高硬度和高耐磨性):大型电站设备、化工设备等不仅要求有良好的力学性能,而且还要求具有耐热、耐蚀、耐磨和抗氧化等特殊物理、化学性能。非合金钢一般不能满足这些要求,必须采用性能优异的合金钢。 8.陶瓷材料的性能特点有哪些? 【答案】陶瓷具有硬度高、抗压强度大、耐高温、抗氧化、耐损和耐蚀性好等特点。但质脆、受力后不易产生塑性变形,经不起敲打碰撞,急冷急热时性能较差。 [课堂小结] 1. 金属材料的性能 2. 碳素钢、合金钢和铸铁的分类、牌号、性能和应用 3. 有色金属材料和非金属材料在工程中的应用 学科网（北京）股份有限公司 $$