第二章 常用工程材料

【教学组织】

1．提问5分钟 2．讲解75分钟 3．小结5分钟 4．布置作业5分钟

【教学内容】

第二章 常用工程材料

●工程材料是指在生活、生产和科技领域中，用于制造结构件、机器、工具和功能部件的各类材料的统称。

工程材料按其特性，可分为金属材料和非金属材料。

工程材料按其组成特点，可分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料四大类。

工程材料按其使用性能，可分为结构材料与功能材料两大类。

●结构材料是作为承力结构的材料，主要利用的是结构材料的力学性能。 ●功能材料主要利用的是其光、电、磁、热、声等特殊功能性能。

从工程材料应用的领域来分，可分为信息材料、能源材料、建筑材料、机械工程材料、生物材料、航空航天材料等。

第一节 非合金钢、低合金钢和合金钢

钢材按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。

●非合金钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下并含有少量其他元素的钢铁材料。

●为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能（如耐腐蚀、抗氧化、耐磨、热硬性、高淬透性等），在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。

●含有一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。 ●合金元素含量较少的钢称为低合金钢。

一、非合金钢的分类、牌号及用途 1．非合金钢的分类

（1）按碳的质量分数分类。非合金钢按碳的质量分数大小分类，可分为低碳钢、中碳

钢和高碳钢。

●低碳钢是指碳的质量分数w（C）<0.25%的铁碳合金。 ●中碳钢是指碳的质量分数w（C）=0.25%～0.60%的铁碳合金。 ●高碳钢是指碳的质量分数w（C）>0.60%的铁碳合金。

（2）按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。非合金钢按主要质量等级分为：普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。

●普通质量非合金钢是指对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的非合金钢。

●优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢。 ●特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的非合金钢。

（3）按用途分类。非合金钢按用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢。

●碳素结构钢主要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都小于0.70%。此类钢常用于制造齿轮、轴、螺母、弹簧等机械零件，用于制作桥梁、船舶、建筑等工程结构件。

●碳素工具钢主要用于制造工具，如制作刃具、模具、量具等，其碳的质量分数一般都大于0.70%。

（4）非合金钢的其他分类方法。非合金钢还可以从其它角度进行分类，如按专业分类，可分为锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢等；按冶炼方法进行分类，可分为转炉钢和电炉钢等。

2．非合金钢的牌号及用途

（1）普通质量非合金钢中使用最多是碳素结构钢。

例如，Ｑ235-A·F表示屈服强度大于235Mpa（板材厚度小于16mm时），质量为A级的沸腾碳素结构钢。

碳素结构钢常用于制作薄板、焊接钢管、线材、铁钉、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件、屋面板、烟囱、中板、型钢、钢筋、钢管、铆钉、螺栓、连杆、小轴、法兰盘、机壳、桥梁与建筑结构件、焊接结构件等。

（2）优质非合金钢中使用最多是优质碳素结构钢。

08钢、10钢和15钢属于冷冲压钢，塑性好，强度低，焊接性能好，主要用于制作薄板，用于制造冷冲压零件和焊接件。

20钢和25钢属于渗碳钢，塑性和韧性较高，冷冲压性能和焊接性能好，可以制造各种受力不大但要求高韧性的零件，如焊接容器与焊接件、螺钉、杆件、轴套、冷冲压件等。 30钢、35钢、40钢、45钢、50钢、55钢属于调质钢，经过调质处理（淬火加高温回火）后具有良好的综合力学性能。主要用于制作要求强度、塑性、韧性都较高的零件，如齿轮、套筒、轴类等零件。这类钢在机械制造中应用很广，特别是40钢和45钢应用最广。 60钢、65钢、70钢、75钢、80钢、85钢属于弹簧钢，经热处理后可获得较高的弹性极限，

主要用于制造尺寸较小的弹簧、弹性零件及耐磨零件，如机车车辆及汽车上的螺旋弹簧、板弹簧、气门弹簧、弹簧发条等。

（3）其它专用优质非合金钢。专用优质非合金钢在优质碳素结构钢基础上发展起来的专门用途的钢，如易切削结构钢、锅炉用钢、焊接用钢丝、矿用钢、钢轨钢、桥梁钢等，这些专用钢在钢号的首部或尾部用专用符号标明其用途。

例如，25MnK即表示在25Mn钢的基础上发展起来的矿用钢，钢中平均碳的质量分数为0.25%，锰的质量分数较高。

例如，Y12钢表示其平均碳的质量分数为0.12%的易切削钢。 例如，20g钢、22g钢、16Mng钢等是锅炉用钢。

例如，H08MnA中，H表示焊接用钢，08表示碳的质量分数为0.08%，Mn表示锰的质量分数为1%，A表示优质焊接用钢。

例如，ZG200－400表示屈服强度大于200Mpa，抗拉强度大于400Mpa的一般工程用铸造碳钢。

（4）特殊质量非合金钢中使用最多是碳素工具钢。 例如，T8表示平均碳的质量分数为0.80%的碳素工具钢。

二、低合金钢的分类、牌号及用途

1．低合金钢的分类

低合金钢的分类是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。

（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、低合金耐候钢、低合金专业用钢。

2．低合金钢的牌号及用途

例如，Q390A表示屈服强度≥390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。

例如，Q295HP表示焊接气瓶用钢、Q345R表示压力容器用钢、Q390g表示锅炉用钢、Q420q表示桥梁用钢、06TiL表示汽车用低合金钢、20MnSi表示低合金钢筋钢、20MnK表示矿用低合金钢等。

例如，Q355NHC表示屈服强度大于355Mpa，质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。此类耐候钢适用于桥梁、建筑及其他要求耐候性的钢结构。

三、合金钢的分类、牌号及用途

1．合金钢的分类

（1）按主要质量等级分类。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类。合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为工程结

构用合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等)；机械结构用合金钢(如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等)；不锈、耐蚀和耐热钢(如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等)；工具钢(如合金工具钢、高速工具钢)；轴承钢(如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等)；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢等；其它，如铁道用合金钢等。

2．合金钢的牌号及用途 （1）合金钢的牌号

例如，60Si2Mn表示W(C)=0.60%、W(Si)=2%、W(Mn)＜1.5%的合金结构钢；09Mn2表示W(C)=0.09%、W(Mn)=2%的合金结构钢。

例如，9Mn2V表示W(C)=0.9%，W(Mn)=2%、W(V)＜1.5%的合金工具钢；CrWMn表示钢中W(C)≥1.0%、W(Cr)＜1.5%、W(W)＜1.5%、W(Mn)＜1.5%的合金工具钢；高速工具钢牌号不标出碳的质量分数值，如W18Cr4V钢。 例如，GCr15SiMn表示滚动轴承钢。

不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当W(C)≥0.04%时，推荐取两位小数；在W(C)≤0.03%时，推荐取3位小数。例如，10Cr17Mn9Ni4N钢、022Cr17Ni7N钢等。

（2）合金钢的用途。

①耐磨钢常用于制造坦克和拖拉机的履带板、球磨机衬板、挖掘机铲齿、破碎机牙板、铁路道岔等。常用的耐磨钢牌号有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4和ZGMn13-5等。耐磨钢的加工工艺路线是：

耐磨钢→铸造→铸件→水韧处理→耐磨零件→检验→投入使用。

②合金渗碳钢用于制造渗碳零件的，如部分重要零件如轴、活塞销、汽车用齿轮等，要求表面具有高硬度（55~65HRC）和高耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性要求。

常用的合金渗碳钢牌号有：20Cr钢、20CrMnTi钢、20CrMnMo钢、20MnVB钢等。合金渗碳钢的加工工艺路线是：

下料→锻造→预备热处理→机械加工(粗加工、半精加工)→渗碳→机械加工(精加工)→淬火、低温回火→磨削→检验→入库。

③合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如机床主轴、发动机轴、车轴、连杆及传动齿轮等。

常用合金调质钢的牌号有：40B钢、40Cr钢、40MnB钢、40CrNi钢、40CrMnMo钢等。合金调质钢的加工工艺路线是：

下料→锻造→预备热处理(正火或退火)→机械加工(粗加工、半精加工)→调质→机械加工(精加工)→表面淬火或渗氮→磨削→检验→入库。

④合金弹簧钢可用来制造截面积较大、屈服强度较高的重要弹簧。

常用合金弹簧钢牌号有：55Si2Mn、60Si2Mn、55SiMnVB、60Mn、55CrVA等。 弹簧根据加工工艺的不同可分为：冷成形弹簧和热成形弹簧。

冷成形弹簧的加工工艺路线是：下料→卷簧成形→去应力退火→试验→验收→入库。

热成形弹簧的加工工艺路线是：下料→加热→卷簧成形→淬火→中温回火→试验→验收→入库。

⑤滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承中的钢球、钢柱、钢针及套圈（内圈和外圈），也可用来制造高耐磨性的量具、模具、低合金刃具等。

最常用的滚动轴承钢是GCr15钢、GCr9钢、GCr15SiMn钢。

滚动轴承钢的加工工艺路线是：下料→锻造→预备热处理(球化退火)→机械加工→淬火→低温回火→机械加工(精加工)→低温回火→检验→入库。

⑥合金工具钢用于制作重要的刃具、量具、耐冲击工具和模具。

常用的制作刃具、量具的合金工具钢有：9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、Cr2钢和9Mn2V钢等。

常用的制作耐冲击工具的合金工具钢有：4CrW2Si钢、5CrW2Si钢、6CrW2Si钢等。 常用的制作冷作模具的合金工具钢有：Cr12MoV钢、Cr12钢、9Mn2V钢、CrWMn钢等。 常用的制作热作模具的合金工具钢有：5CrNiMo钢、5CrMnMo钢、3Cr2W8V钢、8Cr3钢等。 常用的高速工具钢有：W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢、W9Mo3Cr4V钢、W18Cr4V2Co8钢等。 ⑦不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬的质量分数至少为10.5%，碳的质量分数最大不超过1.2%的钢。

常用的不锈钢主要是铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。

⑧耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢。

钢的耐热性包括钢在高温下具有抗氧化性(热稳定性)和高温热强性(蠕变强度)两个方面。

●高温抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的抗力。 ●热强性是指钢在高温下对机械载荷作用的抗力。

例如，26Cr18Mn12Si2N钢、22Cr20Mn10Ni2Si2N等钢用于制造各种加热炉内结构件、渗碳炉构件、加热炉传送带料盘、燃气轮机的燃烧室等。

⑨特殊物理性能钢是指具有特殊磁性、电性、弹性、膨胀性等物理性能的钢。它包括永磁钢、软磁钢、无磁钢、高电阻钢及其合金。

●永磁钢（硬磁钢）是指钢材被磁化后，除去外磁场后仍然具有较高剩磁的钢材。永磁钢主要用于制造无线电及通讯器材里的永久磁铁装置以及仪表中的马蹄形磁铁。

●软磁钢(硅钢片)是指钢材容易被反复磁化，并在外磁场除去后磁性基本消失的钢材。软磁钢常用于制作电动机的转子与定子、变压器（图2-15）、继电器等。

●无磁钢是指在电磁场作用下，不引起磁感或不被磁化的钢材。无磁钢常用于制作电机

绑扎钢丝绳和护环，变压器的盖板，电动仪表壳体与指针等。

四、钢铁及合金牌号统一数字代号体系（GB/T17616-1998）

统一数字代号由固定的6位数组成。左边第一位用大写的拉丁字母作前缀（一般不使用“I”和“O”字母），后接5位阿拉伯数字，如“A×××××”表示合金结构钢，“B×××××”表示轴承钢，“L×××××”表示低合金钢，“S×××××”表示不锈、耐蚀和耐热钢，“T×××××”表示工具钢，“U×××××”表示非合金钢。

图2-16 统一数字代号的结构型式

第二节 铸铁

●铸铁是碳的质量分数w（C）>2.11%，在凝固过程中经历共晶转变，含有较高硅元素及杂质元素含量较多的铁基合金的总称。

一、铸铁概述

1．铸铁的分类

●白口铸铁。碳主要以游离渗碳体形式出现的铸铁，由于断口呈银白色，故称为白口铸铁。

●灰铸铁。碳主要以片状石墨形式析出的铸铁，断口呈灰色，故称为灰铸铁。 ●可锻铸铁。由一定化学成分的白口铸铁经可锻化退火，使渗碳体分解从而获得团絮状石墨的铸铁，称为可锻铸铁。

●球墨铸铁。铁液经过球化处理而不是在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁，称为球墨铸铁。

●蠕墨铸铁。金相组织中石墨形态主要为蠕虫状的铸铁，故称蠕墨铸铁。

●合金铸铁。为了提高铸铁的力学性能或获得某种特殊性能，加入铬、钼、钒、铜、铝等合金元素形成的铸铁，称为合金铸铁。

2．铸铁的石墨化及影响因素

●铸铁中的碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。

碳在铸铁中以何种形式存在，主要受化学成分和冷却速度的影响。 二、常用铸铁 1．灰铸铁的牌号和用途

灰铸铁的牌号用“HT+数字”组成。其中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的字首，其后的数字表示灰铸铁的最低的抗拉强度，如HT100表示灰铸铁，最低抗拉强度是100Mpa。

灰铸铁具有优良的铸造性能、减摩性、切削加工性、消震性和较低的缺口敏感性。常用于制作机床床身、床头箱及各类机器底座等。

2．球墨铸铁的牌号和用途

球墨铸铁的牌号用“ＱT+数字-数字”表示。“ＱT”是“球铁”两字汉语拼音的字首，两组数字分别代表球墨铸铁的最低抗拉强度和最低伸长率。

球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的强度和良好的塑性与韧性，如屈服强度比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。球墨铸铁常用于制造汽车、拖拉机或柴油机中的连杆、曲轴、凸轮轴、齿轮，机床中的蜗轮、蜗杆、主轴等。

3．蠕墨铸铁的牌号和用途

蠕墨铸铁的牌号用“RuT+数字”表示。“RuT”是蠕铁两字汉语拼音的字首，其后数字表示蠕墨铸铁的最低抗拉强度。

蠕墨铸铁的力学性能优于灰铸铁而低于球墨铸铁，但蠕墨铸铁在铸造性能、导热性能等方面要比球墨铸铁好。蠕墨铸铁常用于制造机床的立柱、柴油机的汽缸盖、缸套、排气管等。

4．可锻铸铁的牌号和用途

可锻铸铁的牌号是由“KTH+数字-数字”或“KTZ+数字-数字”组成。其中前两个字母“KT”是“可铁”两字汉语拼音的字首；第三个字母代表类别，“H”表示“黑心”（即铁素体基体），“Z”表示珠光体基体；其后的两组数字分别表示可锻铸铁的最低抗拉强度和最低伸长率。

可锻铸铁的力学性能比灰铸铁高，主要用于制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁(<25mm)中小型零件。

5．合金铸铁的牌号和用途

常用的合金铸铁有抗磨铸铁、耐热铸铁及耐腐蚀铸铁等。

●抗磨铸铁是指不易磨损的铸铁。抗磨铸铁按其工作条件大致可分为两类：减摩铸铁和抗磨白口铸铁。

●耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。 耐热铸铁主要用于制作工业加热炉附件，如炉底板、烟道挡板、废气道、传递链构件、渗碳坩埚、热交换器、压铸模等。

●耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。

耐蚀铸铁主要用于化工机械，如管道、阀门、耐酸泵、反应锅及容器等。

【教学重点与难点】 1．重点：钢材的分类和用途 2．难点：合金钢的牌号及用途

【教学方法与教学手段】

1．利用试样、挂图等教具。 2．利用多媒体资料进行短时演示。

3．在讲解钢铁材料的牌号时要一边介绍典型牌号，一边介绍其用途。

【小结与布置作业】

1．小结

本次课主要介绍钢铁材料的分类、性能及应用范围等内容。学习过程中，第一，要了解各类钢铁材料的定义和分类，为后续章节的学习奠定基础；第二，要了解各类钢铁材料的性能特点；第三，了解各类钢铁材料的应用范围，尤其要建立典型零件与典型钢铁材料的对应关系，初步建立选材的感性经验，如弹簧零件选择弹簧钢、轴与齿轮类零件一般选择中碳钢或调质钢、滚动轴承选择轴承钢等，这样学习可以做到触类旁通，快速将书本知识转化为个人工作经验。

2．布置作业

一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨。

教案四

【教学组织】

1．提问10分钟 2．讲解70分钟 3．小结5分钟 4．布置作业5分钟

【教学内容】

第三节 非铁金属

常用的非铁金属有：铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、滑动轴承合金、硬质合金等。

一 铝及铝合金的分类、牌号和用途

根据GB/T16474—1996《变形铝及铝合金牌号表示方法》的规定，我国变形铝及铝合金牌号表示采用国际四位数字体系牌号和四位字符体系牌号两种命名方法。

表2-2 铝及铝合金的组别分类 组 别 纯铝（铝含量不小于99.00%） 以铜为主要合金元素的铝合金 牌号系列 1××× 2××× 以锰为主要合金元素的铝合金 以硅为主要合金元素的铝合金 以镁为主要合金元素的铝合金 以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si为强化相的铝合金 以锌为主要合金元素的铝合金 以其他合金元素为主要合金元素的铝合金 备用合金组 3××× 4××× 5××× 6××× 7××× 8××× 9××× 1．纯铝

纯铝牌号用1×××四位数字或四位字符表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量。当最低铝百分含量精确到0.01%时，牌号的最后两位数字就是最低铝百分含量中小数点后面的两位。例如，1A99（原LG5），其W(Al)=99.99%；1A97（原LG4），其W(Al)=99.97%。

纯铝主要用于熔炼铝合金，制造电线、电缆、电器元件、换热器件及制作质轻、导热、导电、耐大气腐蚀但强度要求不高的机电构件等。

2．铝合金

●在纯铝中加入一种或几种其他元素(如铜、镁、硅、锰、锌等)形成的非铁金属称为铝合金。铝合金在汽车制造、民用产品制造、航空航天部件制造等方面应用广泛。

（1）铝合金的分类。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。

（2）铝合金的牌号和用途 ①变形铝合金的牌号和用途。

在GB／T16474-1996《变形铝及铝合金牌号表示方法》中，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。

表2-3 变形铝合金主要特性和用途举例 类别 防锈铝 硬铝 超硬铝 旧代号 LF2 LF21 LY12 LC4 LD5 锻铝 LD7 2A70 新牌号 5A02 3A21 2A12 7A04 2A50 主要特性 热处理不能强化，强度不高，可热处理强化，力学性能良好，但耐腐蚀性不高 室温强度高，塑性较低，耐腐蚀性不高 高强度锻铝，锻造性能好，耐热锻铝，热强性较高，耐腐蚀性不高，切削加工性好 用途举例 在液体介质中工作的零件，如油中等强度的零件和构件，如飞机上骨架等零件、蒙皮、铆钉 高载荷零件，如飞机上的大梁、桁条、加强框、起落架 形状复杂和中等强度的锻件、冲内燃机活塞、叶轮，在高温下工作的复杂锻件 塑性与耐腐蚀性好，焊接性好 箱、油管、液体容器、防锈蒙皮等 耐腐蚀性不高，切削加工性好 压件 ②铸造铝合金的牌号和用途。

铸造铝合金主要有：Al-Si系；Al-Cu系；Al-Mg系；Al-Zn系合金等。 例如，ZAlSi12，表示W(Si)=12%，W(Al)=88%的铸造铝合金。

铸造铝合金主要用于制作质量轻、导热性好、耐腐蚀的汽缸体、箱体、活塞、框架、壳体等零件。

二、铜及铜合金的分类、牌号和用途

铜及其合金主要有：加工铜、黄铜、青铜及白铜。 1．加工铜（工业纯铜）的牌号和用途

加工铜的牌号用 “T+数字”表示，“T”为“铜”的汉语拼音字母的字首，阿拉伯数字“3”表示顺序号，如T3表示3号纯铜。加工铜有：T1、T2、T3三个牌号。

加工铜主要用于制造电线、电缆、电子器件、导热器件以及作为冶炼铜合金的原料等。 2．铜合金的分类、牌号和用途

●铜合金是以铜为基体，加入合金元素形成的非铁金属。

铜合金按其化学成分，可分为黄铜、白铜和青铜三类。根据生产方法的不同，铜合金分为加工铜合金与铸造铜合金两类，其中加工铜合金包括加工黄铜、加工青铜和加工白铜。

●黄铜是指以铜为基体，以锌为主加元素的铜合金。 ●普通黄铜是铜锌二元合金。

●在普通黄铜中加入其它元素所形成的铜合金称为特殊黄铜，如铅黄铜、锰黄铜等。 ●白铜是指以铜为基体，以镍为主加元素的铜合金。 ●普通白铜是铜镍二元合金。

●在普通白铜中加入其它元素时所形成的铜合金称为特殊白铜，如锌白铜、锰白铜等。 ●青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金，如以锡为合金元素的铜合金称为锡青铜，以铝为主要合金元素的铜合金称铝青铜。

（1）加工黄铜的牌号和用途 1）普通黄铜的牌号和用途

普通黄铜的牌号用“H+数字”表示，“H”为“黄”字汉语拼音字母的字首，“数字”表示平均铜的质量分数，如H70表示铜的质量分数为70%，锌的质量分数为30%的单相黄铜。

常用的普通黄铜有：H90、H80、H70、H62等，可用于制作装饰材料、镀层、艺术品、奖章、散热器、油管、垫片、螺钉、螺母、弹簧等。

2）特殊黄铜的牌号和用途

特殊黄铜的的牌号是用“H+主加合金元素符号+铜的平均质量分数+主加合金元素平均质量分数”表示，如HPb59—1表示铜的质量分数为59%，铅的质量分数为1%的铅黄铜。

特殊黄铜可用于制作轴、轴套、螺钉、螺栓、螺母、水管、耐腐蚀件等。 （2）加工白铜的牌号和用途 1）普通白铜的牌号和用途

普通白铜的牌号用“B+数字”表示。“B”是“白”字的汉语拼音字母的字首，“数字”表示平均镍的质量分数，如B19表示平均镍的质量分数为19%，铜的质量分数为81%的普通白铜。普通白铜具有优良的塑性、耐腐蚀性、耐热性和特殊的电性能，是制造精密机械零件、仪表零件、冷凝器、蒸馏器、热交换器和电器元件不可缺少的材料。

2）特殊白铜的牌号和用途

特殊白铜的牌号用“B+主加元素符号+数字+数字”表示，“数字”依次表示镍和主加元素平均质量分数，如BMn3-12表示平均镍的质量分数3%、锰的质量分数为12%的锰白铜。合金元素的加入是为了改善白铜的力学性能、工艺性能和电热性能以及获得某些特殊性能，如锰白铜（又称康铜）具有较高的电阻率、热电势、较低的电阻温度系数、良好的耐热性和耐腐蚀性，常用来制造热电偶、变阻器及加热器等。

（3）加工青铜的牌号和用途

加工青铜的牌号用“Ｑ+第一个主加元素的化学符号及数字+其它元素符号及数字”表示，“Ｑ”是“青”字汉语拼音字母的字首，“数字”依次表示第一个主加元素和其它加入元素的平均质量分数，如ＱSn4-3，即为锡的平均质量分数为4%、锌的平均质量分数3%，其余为铜的锡青铜。加工青铜用于制作齿轮、轴套、蜗轮、蜗杆等。

（4）铸造铜合金的牌号和用途

铸造铜合金的牌号表示方法是用“ZCu+主加元素符号+主加元素质量分数+其他加入元素符号和质量分数”组成。例如，ZCuZn38表示锌的质量分数为38%的铸造铜合金。常用的铸造黄铜合金有：ZCuZn38、ZCuZn25AlFe3Mn3等。常用的铸造青铜合金有：ZCuSn10Zn2、ZCuPb30等。

铸造锡青合金适合于铸造对外形及尺寸要求较高的铸件以及形状复杂、壁厚较大的零件。

三、钛及钛合金的分类、牌号和用途

1．纯钛的牌号和用途

工业纯钛（加工钛）的牌号用“TA+顺序号”表示，如TA2表示2号工业纯钛。工业纯钛的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4四个等级牌号，顺序号越大，杂质含量越多。纯钛在航空部门用于制造飞机骨架、蒙皮、发动机部件；在化工部门用于制造热交换器、泵体、搅拌器等；制造海水净化装置及舰船零部件。

2．加工钛合金的分类、牌号和用途

加工钛合金按其使用组织状态的不同，可分为α型钛合金、β型钛合金和(α+β)型钛合金。α+β型钛合金可以适应各种不同的用途，是目前应用最广泛的一种钛合金。

例如，α+β型钛合金（TC4）一般用于制造使用温度在400℃以下和低温下工作的结构零件，如火箭发动机外壳、航空发动机压气机叶片、火箭和导弹的液氢燃料箱部件等。

四、滑动轴承合金的分类、牌号和用途

●滑动轴承合金是用于制造滑动轴承中内衬或轴瓦的铸造合金。

图2-24 滑动轴承

1．滑动轴承合金的分类和牌号

滑动轴承合金有：锡基、铅基、铜基、铝基等滑动轴承合金。

滑动轴承合金牌号由字母“Z+基体金属元素符号+主添加合金元素的化学符号+数字+辅添加合金元素的化学符号+数字”组成。其中“Z”是“铸”字汉语拼音字母的字首。例如，ZSnSb11Cu6表示平均锑的质量分数为11%、铜的质量分数为6%、其余锡的质量分数为83%的锡基滑动轴承合金。

2．滑动轴承合金的用途

①锡基滑动轴承合金(锡基巴氏合金)常用于制造重要滑动轴承，如制造汽轮机、发动机、压缩机等高速滑动轴承。常用锡基滑动轴承合金有：ZSnSb8Cu4、ZSnSb11Cu6、ZSnSb4Cu4等。

 ②铅基滑动轴承合金(铅基巴氏合金)适用于中等负荷的低速轴承，如汽车、拖拉机、轮船的曲轴滑动轴承，电动机、空压机、减速器的滑动轴承等。常用铅基滑动轴承合金有：ZPbSb16Sn16Cu2、ZPbSb15Sn10等。

③铜基滑动轴承合金(锡青铜和铅青铜) 广泛用于制造高速、重载荷下工作的发动机滑动轴承，如航空发动机、大功率汽轮机、柴油机等高速机器的主滑动轴承和连杆滑动轴承，如锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜等均可作为滑动轴承材料。

④铝基滑动轴承合金广泛用于高速重载汽车、拖拉机及柴油机滑动轴承。常用铝基滑动轴承合金有：铝锑镁合金和铝锡合金，如高锡铝基滑动轴承合金ZAlSn6Cu1Ni1。

五、硬质合金的分类、牌号和用途

1．硬质合金性能特点

●硬质合金是由作为主要组元的一种或几种难熔金属碳化物和金属粘结剂相组成的烧结材料。

硬质合金的硬度高（最高可达92HRA），高于高速钢（63~70HRC）；热硬性高，在800℃~1000℃时，硬度可保持60HRC以上，远高于高速钢（500℃~650℃）；耐磨性好，比高速钢要高15~20倍。硬质合金的抗压强度高（比高速钢高，可达6000Mpa），但抗弯强度低（只有高速钢的1／3~1／2左右）；冲击吸收能量K较低，仅为1.6~4.8J，约为淬火钢的30%~50%；线膨胀系数小，导热性差。此

2．硬质合金的分类、代号和用途

硬质合金按用途范围不同，可分为切削加工用硬质合金，地质、矿山工具用硬质合金，耐磨零件用硬质合金。

切削加工用硬质合金包括长切屑加工用硬质合金、长切屑或短切屑加工用硬质合金、短切屑加工用硬质合金。其代号分别用英文字母P、M、K表示，并在其后缀以两位数字组10、20、30„„等构成组别号，如P20、M30、K10。根据需要还可在两个组别号之间插入一个中间代号，以中间数字15、25、35„„等表示；如果需要再细分时，则可在组代号后加一位阿拉伯数字1、2、3„„或英文字母作细分号，并用小数点“.”隔开，以区别组别中的不同代号。

在机械制造中，硬质合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具及耐磨零件。

第四节 新型工程材料简介

●新型工程材料主要是指最近发展或正在发展中的具有比传统工程材料性能更为优异的材料。

一、高分子材料简介

●高分子材料主要是指以高分子化合物为主要组分的材料，如塑料（聚氯乙烯、聚苯乙烯等）、橡胶、胶粘剂、合成纤维等。

塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两种；橡胶分为天然橡胶和合成橡胶；胶粘剂分为有机胶粘剂和无机胶粘剂；纤维分为天然纤维、人造纤维和合成纤维。

1．塑料

●塑料是指以树脂(天然或合成)为主要成分，再加入其他添加剂（增塑剂、稳定剂、填料、润滑剂、染料、发泡剂、防老化剂、抗静电剂、阻燃剂等），在一定温度与压力下塑制成形的材料或制品的总称。

 （1）塑料的分类。根据树脂在加热和冷却时所表现的性质，塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两类。按塑料的应用范围，塑料又分为通用塑料、工程塑料和耐高温塑料。 ①热塑性塑料主要由加聚树脂加入少量稳定剂、润滑剂等制成。这类塑料受热软化，冷却后变硬，再次加热又软化，冷却后又硬化成形，可多次重复。常用的热塑性塑料有：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺(即尼龙)、ＡＢＳ塑料、聚甲醛、聚碳酸脂、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚砜等。

②热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入各种添加剂而成。这类塑料加热时软化，可塑制成形，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化(但温度过高时则发生分解)，只能塑制一次。常用的热固性塑料有：酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。

③通用塑料是指产量大、用途广、价格低的塑料。通用塑料主要包括：聚乙烯、聚氯乙

烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大品种。

④工程塑料是指在工程技术中作结构材料的塑料。工程塑料主要品种有：聚碳酸脂、尼龙、聚甲醛和ＡＢＳ塑料、聚砜、环氧塑料等。

⑤耐高温塑料是指耐高温、产量小、价格贵，适用于特殊用途的塑料。例如，聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等都能在100℃～200℃的温度范围内工作。

(2)塑料的特性与用途。

塑料具有密度小、比强度高(抗拉强度除以相对密度)、化学稳定性好、电绝缘性好、减振、耐磨、隔音性能好、自润滑性好等特性，主要用于制造薄膜、电线电缆的绝缘层、管道、中空制品、机械零件（如轴承、齿轮、凸轮轴、蜗轮、管子、密封圈、耐磨轴套、泵及阀门等）、电器设备外壳与外罩等。

2．橡胶 (1)橡胶的分类

●橡胶是以生胶为基体并加入适量配合剂（硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂及着色剂等）制成的高分子材料。

●生胶是指未加配合剂的天然或合成橡胶的总称。

生胶按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶（如丁苯橡胶、氯丁橡胶等）。 (2)橡胶的特性与用途。

橡胶最重要的特性是高弹性，可以作为弹性材料、密封材料、减振防振材料和传动材料。 目前橡胶产品主要有：天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。橡胶主要用于制造轮胎、胶带、胶管（或耐热胶管）、运输带、胶鞋、密封件（图2-29）、铁路上的橡胶防震垫、各种模型制品、电绝缘制品及胶鞋、人造心脏、人造血管及通用橡胶制品等。

图2-29 橡胶密封件

3．胶粘剂

●胶粘剂或胶合剂是一种能够将两种物件胶接起来，并使结合处具有足够强度的物质。 ●胶接是借助于胶粘剂在固体表面产生的粘合力将材料牢固地连接在一起的连接方法。 (1)胶粘剂的分类

胶粘剂按照来源分类，可分为天然胶粘剂的和合成胶粘剂的两大类。 按胶粘剂基料的化学成分分类，可分为有机胶粘剂和无机胶粘剂两大类。

按胶粘剂的主要用途分类，可分为非结构胶（承受负荷较低）、结构胶（承受负荷较高）、密封胶、导电胶、耐高温胶、水下胶、点焊胶、医用胶、应变片胶、压敏胶等。

按被胶接材料分类，可分为金属胶粘剂和非金属胶粘剂（塑料胶粘剂和橡胶胶粘剂）。 胶粘剂按流变性质分类，可分为热固性胶粘剂、热塑性胶粘剂和合成橡胶胶粘剂。 （2）胶粘剂的特性和用途

①热固性胶粘剂的优点是耐热、耐水、耐介质侵蚀、胶接强度高；缺点是抗冲击强度、抗剥离强度和起始粘结性较差，如环氧-酚醛胶粘剂。

②热塑性胶粘剂的优点是抗冲击强度、抗剥离强度较高，起始粘结性好；缺点是热硬性不高，如聚醋酸乙烯酯、过氯乙烯等胶粘剂。

③合成橡胶胶粘剂。的优点是起始粘性高，富有柔韧性，能粘结多种材料；缺点是热硬性和耐低温性差，如氯丁橡胶胶粘剂。

图2-31 胶接工艺过程

胶粘剂主要用于修补各种铸件表面的气孔、缩孔、砂眼等缺陷，修复机床导轨的磨损、拉毛等缺陷。例如，用环氧胶修复蓄电池壳、修复模具等。

4．纤维

（1）纤维的分类

●纤维是高分子化合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后，形成细而柔软的细丝。

纤维大体分为天然纤维、人造纤维和合成纤维。

①天然纤维是自然界存在的，可以直接取得纤维，根据其来源分成植物纤维和动物纤维两类。例如，植物纤维有：棉、木棉、椰子纤维、亚麻、黄麻、罗布麻、剑麻、蕉麻等。动物纤维有：羊毛、兔毛、骆驼毛、山羊毛、牦牛绒、蚕丝等。

②人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物──纤维素或蛋白质作原料(如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等纤维或牛奶、大豆、花生等蛋白质)，经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。人造纤维也称再生纤维，如人造棉、人造丝等。

③合成纤维的化学组成与天然纤维完全不同，是从一些本身并不含有天然纤维素或蛋白质的物质（如石油、煤、天然气等）中，加工提炼出有机物质，再用化学合成与机械加工的方法制取的纤维。常见的合成纤维有：涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等。

（2）纤维的特性和用途。

纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点。例如，纤维可以使我们穿得舒服，御寒防晒；粘胶基碳纤维帮导弹穿上“防热衣”，可以使导弹耐几万度的高温；防渗防裂纤维可以增强混凝土的强度和防渗性能，对于大坝、机场、高速公路等工程可起到防裂、抗渗、抗冲击和抗折作用；纤维充填材料，能有效地提高被充填材料的强度和刚度。修补肌肉、骨骼、血管也需要纤维。 二、陶瓷材料简介

●陶瓷材料是无机非金属材料的统称，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成形和高温烧结制成的多晶体固体材料。

陶瓷材料包括陶瓷、玻璃、搪瓷、耐火材料等。 1．陶瓷材料的分类

陶瓷材料按其成分和结构可分为普通陶瓷(传统陶瓷)和特种陶瓷(近代陶瓷)两大类。 （1）普通陶瓷是以粘土、长石、石英等天然原料为主，经过粉碎、成形和烧结而制成的产品。它包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、低压和高压电瓷、化工陶瓷(耐酸碱用瓷)和多孔陶瓷(过滤、隔热用瓷)等。

（2）特种陶瓷主要是指采用高纯度人工合成化合物，如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等，制成具有特殊物理化学性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特种陶瓷包括金属陶瓷(硬质合金)、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氟化物陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。

陶瓷制品的生产一般都要经历原料制备、成形（图2-33）和烧结三个阶段。

a）石膏模 b）注浆 c）倒出多余浆料 d）修坯 e）坯体

图2-33 注浆成形示意图

2．陶瓷材料的特性和用途

陶瓷材料具有硬度高、抗压强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能好等特性。但是，一般来说，陶瓷脆性较大，没有延展性，耐经不起碰撞，耐急冷急热性较差。陶瓷材料不仅用于制作生活用品，而且在现代工业中也得到广泛应用，如耐酸陶瓷用于制作耐酸耐碱容器、反应塔、管道等。

三、复合材料简介

●复合材料是两种或两种以上不同物理性质或化学性质或不同组织结构的材料，以微观或宏观的形式组合而成的材料。

不同材料复合后，通常是其中一种材料为基体材料，起粘结作用；另一种材料作为增强剂材料，起承载作用。

1．复合材料的分类

复合材料按增强剂种类和结构形式的不同，可分为纤维增强复合材料、层叠增强复合材料和细粒增强复合材料。

a）纤维增强复合材料 b）层叠增强复合材料 c）细粒增强复合材料

图2-34 复合材料结构示意图

（１）纤维增强复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等材料做复合材料的增强剂，复合于塑料、树脂、橡胶和金属等基体材料之中形成的复合材料。例如，纤维增强橡胶(橡胶轮胎等)、纤维增强金属、纤维增强塑料(玻璃钢等)、纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。

（２）层叠增强复合材料是由两层或两层以上的不同材料结合形成的复合材料。例如，三合板、五合板、钢-铜-塑料复合的无油润滑轴承材料、巴氏合金-钢双金属层滑动轴承材料、蜂窝夹层板、表面涂层等就是这类复合材料。

（３）细粒增强复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内而形成的复合材料。例如，塑料中加颗粒状填料、橡胶用炭黑增强、硬质合金等就是细粒增强复合材料。

2．复合材料的特性和用途

复合材料具有较高的比强度(抗拉强度除以相对密度)和比模量(弹性模量除以相对密度)；较好的抗疲劳性能；较好的减振性；较好的耐高温性；制造工艺简单，易于加工成形，用材省等特点。

纤维增强复合材料（如碳纤维树脂复合材料）用于制作承载零件和耐磨零件，如连杆、活塞、齿轮和轴承等。

四、功能材料

●功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

1．功能材料的分类

（1）功能材料按化学组成分类，可分为金属功能材料、无机非金属功能材料、有机高分子功能材料和复合功能材料。

（2）功能材料按聚集态分类，可分为气态功能材料、液态功能材料、固态功能材料、液晶态功能材料和混合态功能材料。

（3）功能材料按功能分类，可分为物理功能材料、化学功能材料（如感光、催化、降解、交换等）、生物功能材料和核功能材料。

2．功能材料的性能特点和用途

（1）新型高温合金是指能在600℃以上，甚至能在1000℃以上满足使用性能要求的合金，主要有：铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金（如K640）等。

铁基高温合金的最高工作温度可达900℃，用于制作航空发动机和工业燃汽轮部件。 镍基高温合金主要用于制作现代喷气发动机的涡轮叶片、导向叶片和涡轮盘等。 （2）非晶态合金是一种没有原子三维周期性排列的固体合金。非晶态合金具有较高的强度、良好的塑性和韧性、良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，可用于制作磁头、脉冲变压器、磁传感元件等。

（3）磁功能材料一般是指在常温下表现为强磁性的磁性材料，根据其用途可分为软磁性材料、硬磁性材料、信息磁材料及特殊功能磁性材料。

信息磁材料是可作为磁记录材料、磁泡材料、磁光材料等；特殊功能磁性材料广泛用于雷达、卫星通信、电子对抗、声纳系统等领域。

（4）热功能材料是指材料在受热或温度变化时，会出现性能变化并产生一系列现象，如热膨胀、热传导（或隔热）、热辐射等，凡具有此类现象的材料，就称为热功能材料。根据热性能变化的特性，热功能材料可分为膨胀材料、热电材料、形状记忆材料、热释电材料、隔热材料等，他们广泛用于仪器仪表、医疗器械、导弹武器、空间技术和能源开发等领域。

（5）隐身材料是指能够减弱物体的目标特征的材料。目前，获得成功应用的是涂敷吸波材料，该材料广泛应用于军事装备，如军舰、巡航导弹、飞机、坦克等。

（6）梯度功能材料是由两种或多种材料复合成组分和结构呈现连续梯度变化的新型复合材料。其主要特征是：材料的组分和结构呈现连续梯度变化；材料内部无明显界面；材料的性质呈现连续梯度变化。例如，采用梯度热防护功能材料就可满足航天飞机、飞船的部件（如壳体、发动机燃烧室等）的使用要求。

（7）纳米材料是指将处于1~100 nm尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料。纳米材料应用于新材料研发、病变治疗、电子器件、军事方面等。

（8）超导材料是指在一定温度下如果材料的电阻变为零，并且磁力线不能进入其内部，材料呈现完全抗磁性的的材料。超导材料一般分为：超导合金、超导陶瓷和超导聚合物三类。利用超导磁悬浮技术可制造磁悬浮列车；利用超导材料可以输电，可以大大降低输电损耗。

【教学重点与难点】 1．重点：非铁金属的分类和用途 2．难点：铝合金钢的牌号

【教学方法与教学手段】

1．利用试样、挂图等教具。 2．利用多媒体资料进行短时演示。

3．在讲解非铁金属材料的牌号时要一边介绍典型牌号，一边介绍其用途。

【小结与布置作业】

1．小结

本次课主要介绍非铁金属材料和新型工程材料的分类、性能及应用范围等内容。学习过程中，第一，要了解各类非铁金属材料的定义和分类，为后续章节的学习奠定基础；第二，要了解各类非铁金属材料的性能特点；第三，了解各类非铁金属材料的应用范围，尤其要建立典型零件与典型非铁金属材料的对应关系，初步建立选材的感性经验，如滑动轴承选用滑动轴承合金制作。

2．布置作业

一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨。