项目三 零件材料的选择
工业中应用最广泛的工程材料是钢铁，其次是有色金属、粉末冶金材料等金属材料。另外，非金属材料由于资源丰富、成形工艺简单，又具有一定的特殊性能，应用也非常广泛，已成为工程材料中不可缺少的重要组成部分。
任务一 C616车床主轴材料的选择
一 学习目标
知识目标
了解碳钢中常存元素及其对碳钢性能的影响；
明确碳钢的分类方法；
熟练掌握碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸钢的牌号、性能、应用及常用牌号。
能力目标
能根据零件的使用性能要求，合理地选用碳钢零件材料。
二 任务引入
主轴是机床中最主要的零件之一，其质量好坏直接影响机床的精度和寿命，因此必须根据主轴的工作条件和性能要求选择用钢。
如图2－30所示的C616车床主轴，工作时高速旋转，传递动力，它常承受弯曲、扭转、疲劳、冲击载荷，同时在滑动与转动部位受摩擦作用，因此主轴性能要求具有高强度、高硬度、足够的韧性及疲劳强度、变形要小。主轴的工作条件及失效形式决定了主轴应具有良好的综合力学性能，但还应考虑主轴上不同部位的不同性能要求。
三 相关知识
碳钢是指碳含量wC＜2．11%的铁碳合金。碳钢由于具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜，故成为机械制造、建筑、交通运输及其他行业中应用最广泛的金属材料。
1．碳钢中的常存杂质元素及作用
碳钢中除铁和碳两种元素以外，还含有硅、锰、磷、硫、非金属夹杂物等。
（1）硅和锰 硅和锰是炼钢后期在脱氧和合金化时，加入钢液而残留在钢中，能提高钢的强度和硬度，是有益元素。但含量不多，对钢的性能影响不大。
（2）磷和硫 磷和硫是由生铁带入钢中的有害元素，磷会形成脆性很大的化合物（Fe3P），使钢在100℃以下的塑性和韧性急剧下降，即“冷脆”；硫与铁形成低熔点的共晶体（Fe＋FeS），造成钢材在1 000℃～1 200℃进行轧制或锻造时开裂，即“热脆”。因此，磷和硫的存在严重影响钢的性能，必须严格控制二者的含量。
2．碳钢的分类
碳钢的分类方法很多，常用的分类方法有以下几种：
（1）按碳的含量分类
①低碳钢：wC＜0．25%。
②中碳钢：wC＝0．25%～0．60%。
③高碳钢：wC＞0．60%。
（2）按质量分类（按钢中磷和硫的含量来分）
①普通钢：wS≤0．045%，wP≤0．045%。
②优质钢：wS≤0．035%，wP≤0．035%。
③高级优质钢：wS≤0．025%，wP≤0．025%。
④特级优质钢：wS≤0．015%，wP≤0．025%。
（3）按用途分类
①结构钢：主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件，含碳量一般小于0．70%。
②工具钢：主要用于各种刀具、量具和模具等，含碳量一般都大于0．70%。
③专用钢：包括易切削钢、锅炉钢、船用钢等。
（4）按钢液脱氧程度分类
①沸腾钢（F）：脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差。
②镇静钢（Z）：脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。优质钢和高级优质钢多为镇静钢，通常不标注代号。
③半镇静钢（b）：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。
3．碳钢的牌号、性能及主要用途
世界各国都采用牌号来表示钢的具体品种，通过牌号一般能大致了解钢的类别、成分、冶金质量、性能特点、热处理要求和用途等。
（1）碳素结构钢 碳素结构钢主要用于制作各种机械零件和工程构件，一般属于低碳钢和中碳钢。其牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。例如，Q235－A·F为屈服点为235N/mm2的A级沸腾钢。这类钢的牌号、化学成分、力学性能及用途举例见表3－1。
（2）优质碳素结构钢 优质碳素结构钢用于制作较重要的机械零件。使用前一般要经过热处理来改善力学性能。其牌号用两位数字表示，这两位数表示该钢的平均含碳量的万分之几，例如45表示平均含碳量为0．45%的优质碳素结构钢。
表3-1 碳素结构钢的化学成分、力学性能及用途
表3-2 优质碳素结构钢的化学成分和力学性能
优质碳素结构钢根据钢中含锰量的不同，分为普通含锰量钢（wMn＜0．80%）和较高含锰量钢（wMn＝0．70%～1．20%）两组，较高含锰量钢在牌号的后面标元素符号“Mn”或汉字“锰”，例如50Mn。
若为沸腾钢或为了适应各种专门用途的某些专用钢，则在牌号后面标出规定的符号，例如10F表示平均含碳量为0．10%的沸腾钢；20g为平均含碳量为0．20%的锅炉用钢。
优质碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能见表3－2。
（3）碳素工具钢 碳素工具钢用于制造各种低速切削刀具和一般量具、模具。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故其材料为含碳量在0．65%～1．4%的优质高碳钢和高级优质钢，并且在使用时都应经过淬火、低温回火处理。
碳素工具钢的牌号为“T＋数字”组成，T是“碳”字汉语拼音的首位字母，数字表示钢的平均含碳量的千分之几，含锰量较高的钢要在数字后面标注“Mn”，高级优质钢在钢号后面标注“A”。例如T10A表示平均含碳量为1．0%的高级优质碳素工具钢。
碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能见表3－3。
表3-3 碳素工具钢的化学成分和力学性能
（4）铸钢 铸钢是指碳含量为0．15%～0．60%的铸造碳钢。一般用于制作形状较复杂而难于锻压成型，但对强度、韧性有较高要求的工件，如齿轮拨叉、大型齿轮、压力机械机座等。其牌号有两种表示方法：一般工程用铸钢，只考虑保证强度，对化学成分不作要求，牌号为ZG（“铸钢”两字汉语拼音字首）后面加两组数字，第一组数字表示屈服点σs（MPa），第二组数字表示抗拉强度σb（MPa），两组数字之间用“－”分开。如ZG200－400表示是屈服点200MPa、抗拉强度400MPa的铸造碳钢。对于需控制化学成分的铸钢，则在ZG后用平均含碳量的万分数数字来表示。如ZG25表示含碳量为0．25%的铸造碳钢。
四 任务实施
常用轴类材料主要是经锻造或轧制的低、中碳钢或中碳的合金钢。如35钢、40钢、45钢、50钢等，其中45钢应用最广。这类钢一般均进行正火、调质或调质和表面淬火来改善力学性能。
C616车床属于中速、中负荷，在滚动轴承中工作的机床。C616车床主轴工作时承受弯曲和扭转应力作用，有时受到冲击载荷的作用，运转较平稳，工作条件较好。主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦；花键部分与齿轮有相对滑动，故要求这些部位有较高的硬度和耐磨性；该主轴在滚动轴承中运转，轴颈处硬度要求220～250HBW。根据上述工作条件分析，该主轴选用45钢再进行适当的热处理。
五 能力训练
低速中小型内燃机曲轴材料的选择
如图3－1所示是内燃机曲轴。曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件之一，它通过连杆与内燃机汽缸中的活塞连接在一起，其作用是在工作中将活塞连杆的往复运动变为旋转运动，驱动内燃机内其他运动机构。气缸中气体爆发压力作用在活塞上，使曲轴承受冲击、扭转、剪切、拉压、弯曲等复杂交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，使之产生附加应力。因此要求制造曲轴的材料必须具有高的强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面还应有高的硬度和耐磨性。中、小型内燃机曲轴，适合选用45钢制造。
图3-1 内燃机曲轴
六 经验交流
机械零件的选材方法
机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。要做到合理选用材料，就必须全面分析零件的工作条件、受力性质和大小，以及失效形式，然后综合各种因素，提出能满足零件工作条件的性能要求，再选择合适的材料并进行相应的热处理以满足性能要求。
选材的原则首先是要满足使用性能要求，然后再考虑工艺性和经济性。
材料的选择是一个比较复杂的决策问题，目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法，一般根据零件的工作条件，找出其最主要的性能要求，以此作为选材的主要依据。
任务二 C620－1卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮材料的选择
一 学习目标
知识目标
了解合金元素在钢中的作用；
明确合金钢的分类方法；
掌握低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢的性能、成分特点、热处理、应用及常用牌号；
掌握低合金刃具钢、高速钢、合金模具钢和合金量具钢的性能、成分特点、热处理、应用及常用钢种。
能力目标
根据合金钢中的合金元素，能大体判断出合金钢的性能；
能够根据零件的工作条件及使用性能要求，合理选用合金结构钢、合金工具钢零件材料。
二 任务引入
图3-2 C620-1卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮
如图3－2所示为C620－1卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮。齿轮是现代工业中应用最广的一种机械传动零件，它们在汽车、拖拉机、机床、冶金、起重机械及矿山机械等产品中起着重要作用。为保证齿轮的正常工作，要求齿轮材料经热处理后，具有高的接触疲劳强度和抗弯强度，高的表面硬度和耐磨性，适当的心部强度和足够的韧性，以及最小的淬火变形。同时，具有良好的切削加工性能，以保证所要求的精度和表面粗糙度值，材质符合有关的标准规定，价格适中，材料来源广泛。
为了合理选择齿轮制造材料，我们必须了解低合金高强度钢、合金调质钢、合金渗碳钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢的合金化原则、热处理特点、基本性能和主要用途。
三 相关知识
合金钢是指为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。合金钢中常加入的元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、硼、铝、锆和稀土元素等，使其具有良好的热处理工艺性能、综合力学性能以及特殊的物理、化学性能等。尽管合金钢生产工艺复杂、成本较高，但应用范围依然不断扩大。
1．合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中的作用非常复杂，它对钢的组织和性能产生很大的影响，归纳起来主要有以下几方面的作用：
（1）强化作用 合金元素在合金钢中起强化作用，主要是合金元素溶于铁素体和奥氏体中，形成固溶强化；与碳生成合金碳化物，形成强化相强化；抑制奥氏体晶粒长大，细化晶粒，形成细晶强化等，从而使合金钢的强度、硬度提高。
（2）稳定组织，细化晶粒 合金元素溶于铁素体或奥氏体，可提高铁素体或奥氏体的稳定性；合金碳化物也较渗碳体更为稳定，而且弥散分布不易聚集长大。除了锰、磷等元素外，几乎所有的合金元素都能抑制奥氏体晶粒长大。因此，合金元素能有效地稳定组织、细化晶粒，改善合金钢的综合力学性能，并提高回火稳定性和热硬性。
（3）提高钢的淬透性 合金元素中，除了钴以外，所有的合金元素溶于奥氏体以后，都能增加过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变，使C曲线右移，提高了钢的淬透性。
（4）提高抗氧化和耐蚀能力 铬、镍、钛、钨、钼、钒等合金元素，都能有效地提高合金钢抗氧化和耐蚀能力，是合金钢和耐热钢重要的主加元素。
（5）提高钢的回火稳定性 合金元素在回火过程中，推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物不易聚集长大，而保持较大的弥散性，即淬火钢在回火时抵抗软化能力提高。
2．合金钢的分类
合金钢的品种很多，为了便于生产、管理和使用，必须对它进行分类和编号。合金钢常用分类方法如下：
（1）按合金元素含量分类
①低合金钢：钢中合金元素总含量we≤5%。
②中合金钢：钢中合金元素总含量we＝5%～10%。
③高合金钢：钢中合金元素总含量we＞10%。
（2）按合金元素种类分类
根据主加合金元素，分别有铬钢、锰钢、铬镍钢、铬钼钢、硅锰钢、硅锰钼钒钢等。
（3）按用途分类
①合金结构钢：主要用于强度、塑性和韧性要求较高的建筑、工程结构和各种机械零件。
②合金工具钢：主要用于硬度、耐磨性和热硬性等要求较高的各种刀具、工具和模具。
③特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
3．合金钢的牌号、性能和主要用途
（1）合金结构钢 合金结构钢的牌号采用“两位数字（含碳量的万分数）＋合金元素符号（表明钢中含有的主要合金元素）＋数字（该合金元素含量的百分数）”表示。凡合金元素含量小于1．5%时不标数，如果平均含量为1．5%～＜2．5%、2．5%～＜3．5%、……时，则相应地标以2、3……。如40Cr表示平均含碳量为0．40%，主要合金元素铬含量在1．5%以下的合金结构钢；60Si2Mn表示平均含碳量为0．60%，硅平均含量为2%，锰含量小于1．5%的合金结构钢。
合金结构钢包括低合金结构钢和较高合金元素的合金结构钢两类。
①低合金结构钢（低合金高强度钢）：低合金结构钢是在低碳钢（wC＜0．20%）的基础上，加入少量合金元素（we＜3%）而形成的合金钢。由于合金元素的强化作用，这类钢比相同含碳量的碳素结构钢的强度高10%～30%，并具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性，广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉等。低合金结构钢大多数是在热轧空冷状态下使用，焊接成构件后不再进行热处理。常用的有16Mn、09MnV等。
②较高合金元素的合金结构钢：
合金渗碳钢：合金渗碳钢是含碳量为0．10%～0．20%的低碳合金钢，主要加入铬、镍、锰、硅、硼、钒、钛等元素，常用来制造既要求有优良的耐磨性、耐疲劳性，又要承受冲击载荷作用而有足够高的韧性和强度的零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮、内燃机上的凸轮轴、活塞销等。20CrMnTi是最常用的合金渗碳钢，其次还有20Cr、20MnVB等，一般经过渗碳后淬火、低温回火后使用。
合金调质钢：合金调质钢是含碳量为0．25%～0．50%的中碳合金钢，主要加入铬、镍、锰、硅、硼、钨、钼、钒、钛等元素，常用来制造一些受力复杂的重要零件（齿轮、曲轴、高强螺栓等）。它既要求有很高的强度，又要有很好的塑性和韧性，即有良好的综合力学性能。40Cr是最常用的合金调质钢，还有40MnVB、35CrMo等。
合金弹簧钢：合金弹簧钢是含碳量为0．50%～0．70%的中高碳合金钢，主要加入硅、锰、铬、钨、钒等元素，经淬火和中温回火后，具有高弹性极限、高疲劳强度与足够的塑韧性，用作重要的弹性零件，如汽车和火车用板簧、缓冲卷簧等。常用的合金弹簧钢有55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVB等。
滚动轴承钢：滚动轴承钢是含碳量为0．95%～1．10%的含铬的高碳合金钢。其牌号用“G（‘滚’字汉语拼音首位字母）＋合金元素化学符号＋表示该元素平均含量千分数的数字”表示，如GCr15。滚动轴承钢具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性，常用来制造各种轴承的滚珠、滚柱和内外套圈，也用来制造各种工具和耐磨零件。目前应用最多的滚动轴承钢有GCr15（主要用于中小型滚动轴承）和GCr15SiMn（主要用于较大的滚动轴承）。
（2）合金工具钢 合金工具钢的牌号用“一位数字（含碳量千分数）＋合金元素化学符号＋数字（合金元素平均含量的百分数）”表示，当含碳量大于等于1%时不标注。如Cr12MoV表示碳平均含量大于1%、铬平均含量为12%、钼和钒含量小于1．5%的合金工具钢。
①合金刃具钢：合金刃具钢具有高硬度和高耐磨性，红硬性高（高温下保持高硬度的能力），有足够的强度和韧性，主要制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两种。
低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（主要加入Cr、Mn、Si等）的钢。这类钢由于加入的合金量不大，故其工作温度一般不超过300℃。9SiCr、CrWMn（微变形钢）是最常用的低合金刃具钢。其热处理工艺为球化退火后进行淬火和低温回火。
高速钢是一种具有高红硬性、高耐磨性的高合金工具钢，常用于制造切削速度较高的刀具（如车刀、铣刀、钻头等）和形状复杂、载荷较大的成形刀具（如齿轮铣刀、拉刀等）。此外，高速钢还可用于制造冷挤压模及某些耐磨零件。
高速钢中含有较高的碳（0．7%～1．50%）和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素，其红硬性可达600℃，切削时能长期保持刃口锋利，故又称为锋钢。
高速钢只有经过适当的热处理以后才能获得较好的组织和性能。因高速钢的合金元素含量高，导热性很差，淬火温度又很高，所以淬火加热时必须进行一次预热（800℃～850℃）或两次预热（500℃～600℃，800℃～850℃），淬火后在550℃～570℃进行多次回火（一般两次或三次），如图3－3所示。
图3-3 W18Cr4V高速钢的热处理工艺曲线
②合金量具钢：量具是检测工件尺寸的工具，如游标卡尺、量规和样板等，它们的工作部分一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。
制造量具没有专用钢种，碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢均可用来制造量具。精度要求较高的量具，常采用微变形合金工具钢制造，如CrWMn、CrMn、GCr15等。
量具钢经淬火后要在150℃～170℃下长时间低温回火，以稳定尺寸。对精密量具，为了保证使用过程中的尺寸稳定性，淬火后要进行－70℃～－80℃的冷处理，然后再进行长时间的低温回火。在精磨后或研磨前，还要进行时效处理（在120℃～150℃保温24h～36h），以进一步消除内应力。
③耐冲击工具钢：耐冲击工具钢主要用于形状复杂的冲击工具，如风动工具、金属冷剪刀片、冲头等。要求其具有高硬度、高耐磨性和良好的冲击韧性，一般经淬火、回火后使用。常用的耐冲击工具钢有4CrW2Si、5CrMnMo、6CrW2Si等。
④模具钢：模具钢按工作条件分冷作模具钢和热作模具钢。
冷作模具钢用于制造使金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷挤压模等。这类模具工作时的实际温度一般不超过200℃～300℃，因此要求具有高硬度、高耐磨性、一定的韧性和抗疲劳性。小型冷作模具可用碳素工具钢（如T12等）或低合金刃具钢（如9CrSi、CrWMn等）来制造；大型冷作模具一般采用Cr12、Cr12MoV等高碳高铬钢制造。冷作模具的最终热处理采用淬火后低温回火。
热作模具钢是用来制造使金属在高温下成型的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。这类模具工作时型腔温度可达600℃，要求具有高的热强性和红硬性、高温耐磨性和高的抗氧化性，以及较高的抗热疲劳性和热导性。
目前一般采用5CrMnMo和5CrNiMo钢制造热锻模，采用3Cr2W8V钢制作热挤压模和压铸模。热作模具钢的最终热处理是淬火后中温回火（或高温回火），以保证其具有足够的韧性。
（3）特殊性能钢 特殊性能钢的牌号与合金工具钢的相同，当含碳量大于等于1%时不标，含碳量小于0．1%时标“0”，小于等于0．03%时标“00”。
①不锈钢：不锈钢主要是指在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高化学稳定性的钢。不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称，一般不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般都具有良好的耐蚀性能。大多数不锈钢的含碳量都较低，而铬含量都在13%以上，其次还含有镍、钛、锰、氮、铌等元素。
常用的不锈钢按化学成分主要分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢等；按金相组织特点还可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢三类。
马氏体型不锈钢：这类钢含铬量为wCr＝12%～18%，含碳量较高wC＝0．1%～0．4%，属于铬不锈钢，多用于制造力学性能要求不高，并能耐腐蚀的工件，如汽轮机叶片、喷嘴、阀门、量具、刃具等。常用的钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、7Cr17等，其热处理工艺为淬火后进行高温（或低温）回火。
铁素体型不锈钢：这类钢含铬量为wCr＝17%～32%，含碳量较低wC＜0．12%，也属于铬不锈钢，主要用于制造耐腐蚀要求高而强度要求不高的零部件，如化工设备中的容器、管道等。铁素体型不锈钢不能用淬火强化，常在退火状态下使用，典型钢种有1Cr17、00Cr27Mo等。
奥氏体型不锈钢：这类钢铬含量一般为wCr＝17%～19%，镍为wNi＝8%～9%，属于铬镍不锈钢。组织基本为奥氏体，耐蚀性高于铬不锈钢，具有良好的塑性和低温韧性，没有磁性，但强度不高，切削性能差，主要用作在各种腐蚀介质中工作的工件，如化工容器、管道、医疗器械以及抗磁仪表等。常用的钢号有1Cr18Ni9Ti、2Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Ti等，其热处理方法是固溶处理，即将钢加热至1 050℃～1 150℃，使碳化物完全溶解于奥氏体中，然后迅速冷却（水冷），室温下得到单相奥氏体组织。
②耐热钢：耐热钢是指在高温时具有良好抗氧化性和保持高强度的钢，主加合金元素为Cr、Si、Al、W、Mo、V、Ti、Ni等。耐热钢按其组织分为以下几种：
马氏体型耐热钢：用于工作温度低于600℃的重载工件，如汽轮机转子、叶片、泵阀、排气阀等。常用的钢号有1Cr5Mo、1Cr13、1Cr17Ni2、4Cr9Si2等。
奥氏体型耐热钢：主要用于工作温度为600℃～700℃重负荷重要的工件，如内燃机排气阀、加热炉构件等。常用钢号有2Cr25Ni20、0Cr23Ni13、40Cr14Ni14W2Mo等。
铁素体型耐热钢：这类钢的主要工作温度为900℃～1 000℃，主要用作炉用材料、高温热交换器、喷嘴、气缸套等。常用钢号有1Cr17、2Cr25N等。
③耐磨钢：耐磨钢是指能承受强烈冲击载荷和严重磨损的高锰合金钢，主要用于承受严重摩擦和强烈冲击的零件，如车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗和铁道道岔等。因此，要求耐磨钢具有良好的韧性和耐磨性。
高锰钢是典型的耐磨钢，含碳量为0．9%～1．4%，含锰量为11%～14%，其牌号用ZG（“铸钢”两字汉语拼音字首）＋Mn＋数字（锰的百分含量）－序号表示，如ZGMn13－1。高锰钢在使用前，都应进行“水韧处理”，即将钢加热到1 000℃～1 100℃，保温一定时间，使钢中碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织，以提高塑韧性，降低强硬度的热处理。此时钢的硬度不高（180～220HBS），韧性很好，当在工作中受到强烈的冲击和压力而变形时，表面会产生强烈的硬化使其硬度显著提高（50HRC以上），从而获得高的耐磨性，而心部仍保持高的塑性和韧性。即这种钢只有在受到强大冲击和压力的条件下，才有高的耐磨性，否则，并不耐磨。由于高锰钢极易加工硬化，切削加工困难，故高锰钢零件大多采用铸造成型。
四 任务实施
C620－1卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮在工作中，通过拨动主轴箱外手柄使齿轮在轴上作滑移运动，利用与不同齿数的齿轮啮合，可得到不同转速，工作时转速较高。该齿轮受力不大，在变速滑移过程中，虽然同与其相啮合的齿轮有碰撞，但冲击力不大，运动也较平稳，因此要求：轮齿表面硬度50～55HRC，齿心部硬度20～25HRC，整体强度σb＝780MPa～800MPa，整体冲击韧度αk＝40J·cm－2～60J·cm－2。为满足要求，可选用40Cr钢，经调质、高频感应加热表面淬火后低温回火处理。
五 能力训练
麻花钻头材料的选择
如图3－4所示的麻花钻头是较为重要的切削刀具，在切削过程中，受到被切削材料的强烈挤压，刃部受到很大的弯曲应力，还会受到较大的扭转应力作用。刃部与切屑之间相对摩擦，产生高温，切削速度越大，温度越高，有时可达500℃～600℃。一般冲击作用较小，但机用刃具往往承受较大的冲击与振动。要求刃具有高的硬度（一般在62HRC以上）和耐磨性，还要求有高的热硬性。为了承受切削力、冲击和振动，刃具材料必须有足够的强度、韧性和塑性，以免刃部在冲击、振动载荷作用下，突然发生折断或剥落。
为满足麻花钻头的使用性能，应选择合适的工具钢。低合金刃具钢的红硬性较低，不能满足麻花钻头的性能要求，因此，应采用高速钢制造，例如W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2等。
图3-4 麻花钻头
六 经验交流
机械零件的失效形式
机械零件由于某些原因丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。机械零件的失效并不是单纯意味着破坏，可归纳为三种情况：完全不能工作；虽然能工作，但性能恶劣，超过规定指标；有严重损伤，失去安全工作能力。
机械零件常见的失效形式有：
1．断裂
零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时，就会造成断裂失效。在变应力作用下，长时间工作的零件容易发生疲劳断裂。由于超载、超温、腐蚀、疲劳、氢脆、蠕变等原因，也可造成零件断裂失效。零件的断裂失效对机械产品造成的危害最大。
2．过大残余变形
零件受载荷作用后发生弹性变形，过度的弹性变形会使零件的机械精度降低，造成较大的振动，引起零件的失效。当作用在零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件会产生塑性变形，甚至发生断裂。在高温、载荷的长期作用下，零件会发生蠕变变形，造成零件的变形失效。
3．表面损伤失效
零件在长期工作中，由于磨损、腐蚀、磨蚀、接触疲劳等原因，造成零件尺寸变化超过了允许值而失效，或者由于腐蚀、冲刷、气蚀等使零件表面损伤失效，如齿轮表面由于接触疲劳产生麻点剥落而失效等。
4．材质变化失效
由于冶金元素、化学作用、辐射效应、高温长时间作用等引起零件的材质变化，使材料性能降低而发生失效。
5．破坏正常工作条件而引起的失效
有些零件只有在一定条件下才能正常工作，如带传动，只有当传递的有效圆周力小于临界摩擦力时，才能正常工作；液体摩擦的滑动轴承只有存在完整的润滑油膜时，才能正常工作。如果这些条件被破坏，将会发生失效。
一批零件在使用中，一部分可能在短时间内就发生失效，而另一部分可能经过很长时间后才失效，特别是在超过使用寿命期后，失效将加速发生。失效率（单位时间内零件的失效数与总件数的比例）按使用时间可分为三个阶段：早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。
早期失效期是机械零件使用初期的失效，失效率较高，但以很快的速度下降。早期失效问题大多与设计、制造、安装或使用不当有关。
偶然失效期的失效率低而稳定，是机械零件的正常工作时期，在此阶段发生的零件失效一般总是由于偶然因素造成的，故失效是随机的。若想降低这一时期的失效率，必须从选材、设计、制造工艺、正确地使用和维护方面采取措施。
偶然失效期以后，由于长时间的使用，使零件发生磨损、疲劳裂纹扩展等原因，失效率急剧上升，说明机械零件使用期已超过使用寿命期限，此阶段称为耗损失效期。在此阶段，重要的设备或零件虽然还没有失效，但应根据相应的判据进行更换或修理，以防止重大事故的发生。
总之，机械零件虽然有很多种可能的失效形式，但归纳起来，最主要的原因是由于强度、硬度、耐磨性、温度对工作能力的影响和振动稳定性、可靠性等方面的问题造成的。
任务三 龙门刨床床身材料的选择
一 学习目标
知识目标
了解铸铁的分类、性能特点及应用；
熟悉铸铁石墨化的过程及其影响因素；
掌握灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁的性能、成分特点、热处理、应用及常用牌号。
能力目标
能够根据零件的工作条件及使用性能要求，合理选用铸铁零件材料。
二 任务引入
如图3－5所示龙门刨床的床身是构成刨床的骨架，它与有关零件连成整体，以保证各零件的正确位置和相互协调地运动，也用来固定机床的刀具等，而且可以保证加工零件的稳定性。刨床床身对材料的主要性能要求是：具有较高的硬度和抗压强度；具有较小的热处理变形量；较好的减振性和良好的铸造性；同时还应具有良好的铸造工艺性能。
图3-5 龙门刨床床身
三 相关知识
工业上使用的铸铁，一般为wC＝2．5%～4%的灰铸铁。铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比钢差，不能锻造和轧制，但价格便宜，有优良的铸造性能和切削加工性能，并具有良好耐磨性、自润滑性和减振性，因此获得广泛应用。
铸铁中的碳主要是以渗碳体和石墨两种形式存在。根据碳存在的形式不同，铸铁可分为以下几种：
白口铸铁：碳主要以渗碳体的形式存在。这类铸铁的性能既硬又脆，很难进行切削加工，所以很少直接用来制造机器零件，主要用作炼钢原料及可锻铸铁的毛坯。
麻口铸铁：碳大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨形式存在。这种铸铁的脆性较大，工业中很少使用。
灰口铸铁：碳大部分或全部以石墨形式存在。灰口铸铁是目前工业生产中应用最广泛的铸铁。
根据铸铁中石墨的形态不同，铸铁又可分为以下几种：
灰铸铁：石墨以片状形态存在。
可锻铸铁：石墨以团絮状形态存在。
球墨铸铁：石墨以球状形态存在。
蠕墨铸铁；石墨以蠕虫状形态存在。
1．铸铁的石墨化
铸铁中的石墨可以从液相或奥氏体中直接析出，也可以先结晶出渗碳体，再由渗碳体在一定条件下分解为铁素体和石墨。铸铁中的碳以石墨形态析出的过程称为石墨化。
影响石墨化的主要因素是铸铁的成分和冷却速度。C和Si是强烈促进石墨化的元素，二者含量越高，析出的石墨数量越多，石墨片尺寸越大；S和Mn阻碍渗碳体分解，是阻碍石墨化元素；磷对石墨化影响不大。冷却速度大，原子扩散困难，影响石墨化进行。
2．铸铁的牌号和用途
（1）灰铸铁 在各类铸铁中，灰铸铁产量约占80%以上。
灰铸铁的化学成分一般为：C 2．7%～3．6%，Si 1．0%～3%，Mn 0．4%～1．2%，S＜0．15%，P＜0．3%。它的组织由金属基体和片状石墨两部分组成。根据石墨化进行的程度不同，可分为三种不同基体组织的灰铸铁：铁素体灰铸铁（铁素体＋片状石墨）；铁素体－珠光体灰铸铁（铁素体＋珠光体＋片状石墨）；珠光体灰铸铁（珠光体＋片状石墨）。图3－6是三种灰铸铁的显微组织图。
灰铸铁的牌号用HT（“灰铁”两字汉语拼音字首）＋三位数字（表示最低抗拉强度σb单位为MPa）表示。例如HT300表示最低抗拉强度值σb为300MPa的灰铸铁。各种灰铸铁的牌号、性能和用途见表3－4。
图3-6 灰铸铁的显微组织
表3-4 灰铸铁的牌号、组织、性能和用途
灰铸铁具有良好的铸造性和切削加工性，但力学性能、焊接性和热处理性较差，因此，主要用于各种承压件，如床身、机座、支架等零件。为了提高灰铸铁的力学性能，常在浇注前加入人工晶核进行孕育处理，使其强度有很大提高，同时塑韧性也有改善。经孕育处理的铸铁称为“孕育铸铁”。
（2）可锻铸铁 可锻铸铁俗称“马铁”或“玛钢”。由于石墨呈团絮状分布，减弱了石墨对基体的割裂作用，因此其强度比灰铸铁高，塑性、韧性有所改善，但可锻铸铁并不可以锻造。可锻铸铁常用来制造形状复杂而强度、硬度要求较高、承受冲击的薄壁、中小型零件，广泛应用于汽车、拖拉机等制造行业。
可锻铸铁的牌号用KT（“可铁”汉语拼音字首）＋σb（最低抗拉强度，单位MPa）－δ（最低断后伸长率）表示。可锻铸铁按石墨化程度和组织分为黑心可锻铸铁（KTH）、白心可锻铸铁（KTB）和珠光体可锻铸铁（KTZ）。例如KTH350－10表示最低抗拉强度为350MPa、最低伸长率为10%的黑心可锻铸铁。
（3）球墨铸铁 铁水经过球化处理而使石墨大部分或全部呈球状的铸铁称为球墨铸铁。球化处理是在铁水浇注前加入少量球化剂（如纯镁、镁合金、稀土硅铁镁）和孕育剂（硅铁和硅钙合金），使石墨以球状析出。由于球墨铸铁中的石墨呈球状，其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小，可以充分发挥金属基体的性能，球墨铸铁既具有灰铸铁的优点，又具有与中碳钢相媲美的抗拉强度、抗弯强度及良好的塑性与韧性，还可以通过合金化及热处理提高它的性能。因此生产上常用来代替中碳钢、中碳合金钢，制造一些受力复杂，强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如内燃机曲轴、凸轮轴、连杆、减速箱齿轮及轧钢机轧辊等。但其熔炼和铸造工艺要求很高，使球墨铸铁广泛应用受到了限制。
球墨铸铁的牌号是用QT（“球铁”两字的汉语拼音字首）＋最低抗拉强度—最低伸长率表示。例如QT450－10表示最低抗拉强度为450MPa、最低伸长率为10%的球墨铸铁。
（4）蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是近几十年发展起来的一种新型结构材料。它是在高碳、低硫、低磷的铁水中加入蠕化剂（目前采用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金、稀土镁钙合金等），经蠕化处理后，使石墨变为短蠕虫状，其形态介于片状石墨和球状石墨之间。蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，抗拉强度和疲劳强度相当于铁素体球墨铸铁，减振性、耐磨性、导热性、切削加工性和铸造性与灰铸铁近似。蠕墨铸铁的突出优点是它的导热性和耐热疲劳性好，主要应用于承受循环载荷、要求组织致密、强度要求较高、形状复杂的零件，如气缸盖、气缸套、电动机外壳、液压件和钢锭模等零件。
蠕墨铸铁的牌号是用RuT（“蠕铁”两字的汉语拼音字首）＋最低抗拉强度表示。例如牌号RuT300表示最低抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。
四 任务实施
龙门刨床床身是刨床的一个重要部件，所有的零部件都装在它上面，它在工作时要承受全部工作变形力，为满足其使用性能要求，选择灰铸铁。普通小型机床床身，应选用HT150 或HT200，对于重型或自动机床的床身最好选用HT300或HT350。
五 能力训练
选择制造175A型农用柴油机曲轴材料
如图3－7所示为175A型农用柴油机曲轴简图。曲轴是柴油机中形状复杂而又重要的零件之一，它在工作时受到曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力等的作用。因此，对曲轴的性能要求是保证有高的强度，一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要求有高的硬度和耐磨性。
农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大，但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨性。其技术要求：σb≥750MPa，整体硬度为240～260HBS，轴颈表面硬度≥625HV，δ≥2%，ak≥150kJ/m2。为满足其性能要求，选择QT700－2制造。
图3-7 175A型农用柴油机曲轴
六 经验交流
钢铁材料现场鉴别方法
1．火花鉴别
火花鉴别是将钢铁材料轻轻压在旋转的砂轮上打磨，观察所迸射出的火花形状和颜色，以判断钢铁成分范围的方法。材料不同，其火花也不同。
2．色标鉴别
生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，通常在材料上做一定的标记，常用的标记方法有涂色、打印、挂牌等。金属材料的涂色标志用以表示钢种、钢号，涂在材料一端的端面或外侧。成捆交货的钢应涂在同一端的端面上，盘条则涂在卷的外侧。具体的涂色方法在有关标准中做了详细的规定，生产中可以根据材料的色标对钢铁材料进行鉴别。
3．断口鉴别
材料或零部件因受某些物理、化学或机械因素的影响而导致破断所形成的自然表面称为断口。生产现场常根据断口的自然形态来断定材料的韧脆性，亦可据此判定相同热处理状态的材料含碳量的高低。若断口呈纤维状、无金属光泽、颜色发暗、无结晶颗粒且断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，含碳量较低；若材料断口齐平、呈银灰色具有明显的金属光泽和结晶颗粒，则表明材料金属脆性断裂。
4．音响鉴别
生产现场有时也根据钢铁敲击时声音的不同，对其进行初步鉴别。例如，当原材料钢中混入铸铁材料时，由于铸铁的减振性较好，敲击时声音较低沉，而钢材敲击时则可发出较清脆的声音。
若要准确地鉴别材料，在以上几种现场鉴别方法的基础上，还应采用化学分析、金相检验、硬度试验等实验室分析手段对材料进行进一步的鉴别。
任务四 汽车内燃机活塞材料的选择
一 学习目标
知识目标
了解工业纯铜和工业纯铝的性能、代号及应用；
熟悉铜合金和铝合金的分类、成分特点、性能、牌号及应用；
了解滑动轴承合金的性能要求和理想的组织结构；
掌握常用滑动轴承合金的性能、组织特点、牌号和应用；
明确硬质合金的分类、性能特点、牌号及其应用。
能力目标
能够根据零件的工作条件及使用性能要求，合理选用滑动轴承合金零件材料；
能够合理选择切削加工不同材料时的硬质合金刀具。
二 任务引入
活塞（图3－8）被称为发动机的心脏，其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度2 200℃的高温气体接触，其顶部温度达300℃～400℃，且温度分布不均匀。在做功行程时活塞顶部承受着很大的气体压力，汽油机达4MPa～5MPa，柴油机高达8MPa～9MPa，甚至更高。此外，活塞在气缸内往复运动线速度可达11m/s～16m/s，在这种恶劣的条件下工作，活塞承受着高温、高压的热负荷和机械负荷，因此活塞作为汽车发动机中传递能量的重要构件，对其材料具有特殊的要求：密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小，并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好，另外还应具有容易制造、成本低廉的特点。
有色金属材料以其质轻、良好的热传导性以及较低的热膨胀系数等特点得到人们的关注并开始用于制造活塞。
图3-8 活塞
三 相关知识
尽管有色金属冶炼难度大，成本高，其产量和使用量虽不如钢铁材料多，但与钢铁相比，有色金属具有许多特殊的力学、物理和化学性能，因而成为现代工业、国防、科学研究领域中不可缺少的工程材料。
有色金属品种繁多，常用的有铜及铜合金、铝及铝合金、轴承合金等。
1．铜及铜合金
（1）工业纯铜 工业纯铜是指wCu＝99．5%～99．95%的纯铜。工业纯铜呈玫瑰红色，表面氧化后形成紫色氧化膜，故又称紫铜。纯铜具有优良的导电性、导热性、塑性和良好的耐蚀性，抗磁性好，化学稳定性好，但强度不高，热稳定性差，易产生加工硬化。由于纯铜无同素异晶转变，不能通过热处理强化，一般进行塑性变形加工硬化强化。
工业纯铜的牌号用代号T（“铜”汉语拼音字首）加序号表示。工业纯铜共有T1、T2、T3三种，序号大纯度低。
工业纯铜主要用于导电、导热的线、管、板、容器、零件和配制合金。
（2）铜合金 纯铜因为强度低而使其工业应用受到限制，广泛应用的是铜合金。
①黄铜：以锌为主加元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分不同可分为普通黄铜和特殊黄铜。
铜锌二元合金称为普通黄铜。其牌号用H（“黄”字汉语拼音字首）＋铜的百分含量表示，余量为锌。如H70表示含70%铜和30%锌的普通黄铜，又称三七黄铜。
普通黄铜又分为单相黄铜和双相黄铜两类，当锌含量小于39%时，锌全部溶于铜中形成α固溶体，即单相黄铜；当锌含量大于39%时，除了有α固溶体外，组织中还出现以化合物CuZn为基体的β固溶体，即α＋β双相黄铜。单相黄铜塑性好，可进行冷、热加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材及形状复杂的深冲件，如冷凝管、薄壁管、弹壳等。双相黄铜强度较高，塑性较低，不宜进行冷加工变形，但热加工性能良好，适于制作机械、电气零件，如散热器、垫圈、螺母等。常用的黄铜有H68、H62等。
为了提高黄铜性能，在普通黄铜中加入其他合金元素形成具有某种性能优势的特殊黄铜。常加入锡、硅、锰、铅、铝等合金元素所形成的特殊黄铜，分别称为锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。
特殊黄铜的牌号用H＋主加元素的化学符号＋铜含量＋主加元素含量表示。如HPb59－1表示含59%铜、1%铅，其余为锌的特殊黄铜。
铸造黄铜的牌号用ZCuZn＋锌元素含量＋其他加入元素符号及含量表示，如ZCuZn31Al2表示含31%锌、2%铝的铸造铝黄铜。
②青铜：除了黄铜和白铜以外的铜合金通称为青铜。按主加元素种类的不同，青铜可分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。
青铜的牌号是由“Q（“青”字汉语拼音字首）＋主加元素符号及其含量＋其他加入元素符号及含量”组成，如QAl7表示含铝、其余为铜的铝青铜。铸造青铜用“ZCu＋主加元素符号及其含量＋其他加入元素符号及含量”表示。如ZCuSn10Zn2表示含锡量为10%，含锌量为2%的铸造锡青铜。
锡青铜：以锡为主加合金元素的铜合金称锡青铜。其强度和塑性随含锡量的增加先升高后急剧下降，所以工业用锡青铜的含锡量大多在3%～14%之间。
锡青铜铸造时收缩率很小，适合铸造形状复杂外形尺寸要求较严格的铸件。此外还常用于制造各种耐磨件，在大气、海水、蒸汽等环境中工作的耐蚀件。
加工青铜适宜制造仪表上要求耐蚀及耐磨的零件、弹性零件、抗磁零件以及机器中的轴承、轴套等。铸造青铜适用于制造耐磨、耐蚀的滑动轴承、涡轮、齿轮等零件。
铝青铜：铝青铜是以铝为主加元素的铜合金。实际应用的铝青铜含铝量一般为5%～12%。铝青铜的耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性，均比黄铜和锡青铜高。铝青铜的耐磨性、耐热性也比黄铜和锡青铜好。
铝青铜常用来制造要求耐蚀性好的高强度耐磨零件，如在海水或较高温度下工作的齿轮、蜗轮、轴套等。
铍青铜：铍青铜是以铍为主加合金元素的铜合金。它的力学性能与含铍量和热处理工艺有关。随含铍量的增加，其强度和硬度急剧增高，当含铍量超过2%以后强度少量增加，塑性却显著降低。铍青铜通过淬火时效强化后，能获得很高的强度和硬度，超过其他铜合金的强度。铍青铜不但强度高，它的弹性极限、疲劳极限、耐磨性、抗蚀性都很高。另外，它还具有良好的导电、导热、耐寒、无磁、受冲击时不产生火花等一系列优点。
铍青铜主要用来制作精密仪器仪表中各种重要的弹性零件、耐蚀耐磨零件（如仪表齿轮）、航海罗盘仪中重要零件及防爆工具等。常用的铍青铜有QBe2、QBe1．9等。
硅青铜：硅青铜具有很高的力学性能和耐磨性能，并具有良好的铸造性能和冷、热变形加工性能，常用来制造耐蚀和耐磨零件。
除了上述常用的几种青铜外，还有铅青铜、锰青铜、铬青铜、锆青铜、钛青铜等多种特殊青铜，被应用于各种重要、专门领域。
③白铜：以镍为主加合金元素的铜合金。铜和镍在固态能无限互溶，因而白铜组织为单向固溶体，加入其他元素一般也不改变其组织特性。白铜具有高电阻和很小的电阻温度系数，良好的耐蚀性和力学性能，主要用作电热元件、热电偶、变电器、电工测量仪器、精密仪器、医疗器材、钟表器材和零件、海洋舰船机械零件和弹性元件等。
白铜牌号由代号B、其他元素化学符号、镍含量的平均百分数、其他元素含量的平均百分数组成。如BMn43－0．5表示镍含量为43%、锰含量为0．5%的锰白铜。
2．铝及铝合金
（1）纯铝 纯铝是银白色金属，面心立方晶格结构，无同素异晶转变。它的主要特点是密度小（2．7g/cm3），仅为铁的三分之一，其导电、导热性良好，仅次于银和铜。由于纯铝在空气中易与氧形成致密的Al2O3氧化膜，能有效地防止内层金属氧化，因此在大气中具有良好的耐蚀性，但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀。纯铝的强度低、塑性好，可以冷、热变形加工，主要用来制造导线、电缆、电器零件以及要求具有导热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的零件及生活用具等。
工业纯铝的代号用“L＋顺序号”表示，其中，“L”代表“铝”字，常用的代号有L1、L2、……、L7。数字越大，表示铝的纯度越低。
高纯铝牌号用“LG和顺序数字”组成，有LG1、LG2、LG3、LG4和LG5五种，序号越大纯度越高。
（2）铝合金 纯铝强度低，一般不宜用作工程材料，而加入硅、铜、镁、锰等合金元素，则可形成高强度的铝合金，并且可以通过塑性变形加工硬化和热处理进一步强化，因此工业应用的都是铝合金。按化学成分和工艺性能不同，可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。
①铸造铝合金：用来制作铸件的铝合金称为铸造铝合金。铸造铝合金除具有一定的使用性能外，还应具有良好的铸造性能，故它所含的合金元素比形变铝合金要多。常用的有铝—硅系、铝—铜系、铝—镁系和铝—锌系等。
铸造铝合金的代号用“ZL＋三位数字”表示，其中“ZL”代表“铸铝”两字，第一位数字表示铝合金类别，其中“1”为铝硅系；“2”为铝铜系；“3”为铝镁系；“4”为铝锌系，第二、三位数字是各类铝合金的顺序号，序号不同其化学成分也不同。
铝—硅系：铝硅合金又称硅铝明，是最常用的铸造铝合金。硅铝明的特点是具有良好的铸造性能、密度小、线胀系数小，同时具有良好的导热性和耐蚀性。常用的硅铝明有简单硅铝明和特殊硅铝明两种。简单硅铝明（ZLl01）由铝、硅两种元素组成，它不能热处理强化，故力学性能不高，常用来铸造形状复杂而性能要求不高的零部件。特殊硅铝明加有一定量的镁、铜、锰、镍等元素，并可通过热处理强化，所以有较好的力学性能，主要用于制造发动机活塞、气缸体、风扇叶片等。常用的有ZL102，ZL105，ZL111等。
铝—铜系：铝铜合金有较高的强度和耐热性，但铸造性能较差，主要用于要求高强度或高温下工作的零件，如汽车、摩托车活塞，发动机缸盖等。常用的有ZL201，ZL202等。
铝—镁系：铝镁合金具有良好的耐蚀性，而且强度高，密度小（比纯铝还轻），但铸造和耐热性较差，多用于制造承受冲击载荷，外形不太复杂，并有耐蚀要求的零件。常用的有ZL303等。
铝—锌系：铝锌合金强度较高，价格便宜，且铸造性能良好，但耐蚀性较差，高温时容易开裂，一般采用压力铸造，主要用于制造形状复杂的汽车发动机零件以及仪表零件。常用的有ZL401等。
②形变铝合金：形变铝合金是指经过冷、热加工变形后，以锻坯、板材、管材、棒材以及其他各种型材等形式供应的铝合金。形变铝合金一般均有良好的压力加工性能、焊接性能和切削加工性，通过淬火加时效（在室温下放置或低温加热时，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向，而使强度和硬度明显升高）等热处理后，强度、硬度能显著提高。根据化学成分、性能特点和用途的不同，形变铝合金可分为以下几种：
防锈铝：代号用“LF＋顺序号”表示。它是由铝—锰或铝—镁组成的合金，耐蚀性很好，故名“防锈铝”。此外，它还具有良好的塑性和焊接性，但切削加工性较差。它不能通过热处理来强化，只能通过加工硬化的方法来提高其强度，所以防锈铝一般轧制成板材，用来制造负荷不大的冲压件和焊接件，如汽油罐、汽油箱、防锈蒙皮、铆钉等。此外，防锈铝还用于制造各种生活器具。
硬铝：代号用“LY＋顺序号”表示。硬铝是由铝—铜—镁或铝—铜—锰组成的合金。它可以通过淬火加时效处理来提高强度，而且在退火状态下具有良好的塑性，可以在冷态下进行压力加工，主要用于制造中等强度的构件或零件，如铆钉、螺栓及航空工业中的一般受力件。
超硬铝：代号用“LC＋顺序号”表示。超硬铝是在硬铝基础上加入锌形成的铝—铜—镁—锌合金。它在常温下可获得比硬铝更高的强度，耐蚀性较差，所以在实际使用过程中要在其表面包一层纯铝以提高其耐蚀性。超硬铝的价格昂贵，故一般用于制造飞机上受力较大的结构件，如飞机大梁、桁架、螺旋桨桨叶、起落架等。
锻铝：代号用“LD＋顺序号”表示。是由铝—镁—硅—铜或铝—铜—镁—铁—镍组成的合金。其力学性能与硬铝相近，热塑性及耐蚀性比硬铝高，主要用于制造形状复杂、中等强度的锻件或冲压件，如发动机活塞、气压机叶轮、风扇叶片等。
3．滑动轴承合金
滑动轴承合金是指用于制造轴瓦及其内衬的合金。滑动轴承适于高速重载轴的支承，为了减少轴承对轴颈的磨损，确保机器的正常运转，滑动轴承合金材料应满足以下的性能要求：
①足够的强度，以承载较大的压力；
②摩擦系数小，耐磨性好，但硬度不能高于轴颈，以免拉伤轴颈；
③足够的塑性和韧性，较高的疲劳强度，以承受轴颈的交变载荷和冲击载荷；
④良好的磨合性，使轴瓦和轴颈能较快而紧密地吻合，从而保证负荷能均匀作用在工作面上，避免产生局部磨损；
⑤轴瓦和轴颈的结合表面应有微孔以便储存润滑油，使接触表面形成润滑油膜；
⑥良好的导热性，较小的膨胀系数和一定的耐蚀性，以利于散热以及抵抗腐蚀。
为了满足对轴承合金的性能要求，轴承合金还应具有两个理想的组织结构：
一是在软的基体上均匀分布着硬的质点。当机器运转后，轴瓦内的软基体被磨损后，形成的凹坑，可储存润滑油，形成油膜，保证轴承有较好的润滑条件，减轻轴的磨损。而凸出的硬质点，则起着支承轴的作用，并且在有瞬时过载时，凸起的硬质点会被压入软组织中，避免轴颈的擦伤。同时，软基体可承受冲击和振动，并使轴承与轴能很好地磨合，以保证配合良好。
二是在硬基体上均匀分布着软质点。这种组织形式，也可达到上述目的，由于硬度较高，具有较大的承载能力，但磨合能力较差，必须相应提高轴颈处的硬度。
常用轴承合金按主要的化学成分不同，可分为锡基、铅基、铝基、铜基轴承合金等。前两者又称为巴氏合金，生产中应用最为广泛。
（1）锡基轴承合金 锡基轴承合金是以锡为主加入少量锑和铜等元素组成的合金，一般称为锡基巴氏合金。其组织为软基体加硬质点组成，锑在锡中的固溶体α相为软基体，锡和锑的化合物SnSb为硬质点。铜的加入是为了进一步提高合金的强度和耐磨性。
锡基轴承合金硬度适中、韧性好、摩擦系数和膨胀系数小，并具有优良的导热性和耐蚀性。但疲劳强度低，其工作温度不宜高于150℃，适于制造汽车、拖拉机、汽轮机及机床的轴瓦等。其牌号表示方法为：ZCh（“铸承”字汉语拼音字首）＋基体元素符号＋主加元素符号＋主加元素含量＋辅加元素符号＋辅加元素含量。例如ZChSnSb11Cu6表示含锑为11%、含铜为6%的铸造锡基轴承合金。
（2）铅基轴承合金 铅基轴承合金是在铅锑合金的基础上加入锡和铜等元素组成的合金，也称铅基巴氏合金。其组织为软基体（溶有锡和锑的铅）上分布着金属化合物SnSb（白色方块状）和Cu3Sn（白色针状）硬质点。
铅基轴承合金的强度、硬度、耐磨性和冲击韧性都比锡基轴承合金低，但由于价格便宜，故在工业中仍广泛应用，主要用于制作中等载荷的轴瓦，如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。铅基轴承合金的牌号与锡基轴承合金相同，例如ZChPbSb16Sn16Cu2表示含锑量为16%、含锡量为16%和含铜量为2%、其余为铅的铸造铅基轴承合金。
（3）铜基轴承合金 铜基轴承合金主要有铅青铜和锡青铜等，常用的有ZCuPb30、ZCuSn10P1等合金。铅青铜是一种硬基体软质点的轴承合金，具有高的承载能力和疲劳强度，优良的耐磨性、导热性和低的摩擦系数，在250℃温度下仍能正常工作，常用于制造高速高压下工作的轴承，如高速柴油机轴承和其他高速重载轴承。
（4）铝基轴承合金 铝基轴承合金是一种新型减摩材料，具有密度小、导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好等优点，并且原料丰富，价格低廉，但其膨胀系数大，运转时容易与轴咬合。常用的铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金和高锡铝轴承合金，其中，铝锑镁轴承合金生产工艺简单，成本低，并具有良好的疲劳强度和耐磨性，但承载能力不大，适于制造载荷不超过20 MPa、滑动速度低于10m/s的轴承。高锡铝基轴承合金具有较高的疲劳强度和良好的耐热性、耐磨性及耐蚀性，生产工艺简单，成本低，可制造载荷高达32MPa，滑动速度为13m/s的轴承。目前已代替其他轴承合金，广泛应用于汽车、拖拉机和内燃机车等。
4．粉末冶金材料
不经熔炼和铸造，直接用几种金属粉末或金属与非金属粉末，通过配料、压制成形、烧结和后处理等制成的材料称为粉末冶金材料。
（1）粉末冶金的特点
①粉末冶金工艺的优越性
能不经过熔化直接由矿石或化合物提取各种难熔金属、稀有金属；
能把金属粉末同非金属粉末混合，在熔化温度下通过化合成还原—化合反应制取难熔金属碳化物、硼化物、硅化物；
能控制烧结制品的空隙度，制造金属过滤器、多孔电极等高空隙材料；
能够将熔点相差很大的元素粉末混合并通过压制—烧结制成任何成分比例的特殊材料，如铜—钨、碳化物—银、钢—石墨等；
能制造包括金属陶瓷、氧化钨弥散强化等复合材料；
用液态金属雾化等快速凝固技术制造具有非平衡相、微晶或非晶的粉末，并通过特殊的成形烧结工艺制成微晶和过饱固溶体合金。
②某些粉末冶金材料的性能优于同成分的熔铸金属
制造细晶粒，均匀组织和加工性能好的稀有金属坯锭；
制造成分偏析极小的高性能合金，如高速工具钢、高温合金、马氏体时效钢和粉末钛合金等。
③粉末冶金的经济效益高
直接成形制造少或无切削余量的毛坯或成品，减少机加工，提高材料利用率；
缩减工序，降低制造成本；
生产设备通用性好，适于大批量生产，降低能耗。
（2）常用粉末冶金材料 粉末冶金材料是用途广泛的一类工程材科，按其使用要求不同分为结构材料和功能材料两大类，常用的有以下几种：
①机械材料和零件
减摩材料：以铁、铜、铝为基本组分，添加其他金属或非金属和固体润滑成分的组合材料，包括多孔含油轴承和致密减摩轴瓦材料、金属—塑料复合材料。它们具有低的摩擦系数和高的耐磨性，应用于飞机、汽车、军车、船舶、各种机床、机械等作耐磨部件。
摩擦材料：以铜、铁为基本组分，添加固体润滑和耐磨成分的组合材料，具有高的摩擦系数和低的磨损，用于飞机、汽车、军车、船舶中的制动或离合器的元件。
结构零件：代替熔铸和机械加工制造的各种机械和仪表的承力零件，包括铁、铜、铝烧结合金制品。
②多孔材料及制品
金属过滤器：由青铜、镍、不锈钢、钛及合金等粉末烧结而成的孔隙大于20%多孔材料。
热交换（冷却）材料：由镍、镍—铬合金及钛的粉末烧结成孔隙15%～30%的多孔材料，利用孔隙储存冷却液和透过流体的性质，起发汗冷却和交换热量的作用。
泡沫金属：孔隙度极高的发泡金属，利用其易变形的性质作减振和隔音的材料。
③硬质合金
硬质合金是以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）为基体，加入起粘接作用的金属（钴、镍等），经粉末冶金法而制得的。
硬质合金具有硬度高、红硬性高、耐磨性好、抗压强度高、抗弯强度低、线膨胀系数小、良好的耐蚀性和抗氧化性等特点。
常用的硬质合金按成分和性能特点分为以下三种：
钨钴类硬质合金：主要化学成分是碳化钨（WC）及钴，牌号用“硬”、“钴”二字的汉语拼音字首“YG”和钴的百分含量表示。例如YG6表示钨钴类硬质合金，含钴量为6%。
钨钛钴类硬质合金：主要化学成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴，牌号用“硬”、“钛”二字的汉语拼音字首“YT”和碳化钛的百分含量表示。例如YT15表示钨钛钴类硬质合金，碳化钛含量为15%，其余为碳化钨和钴。
钨钛钽（铌）类硬质合金：又称为通用硬质合金或万能硬质合金。主要化学成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）及钴，牌号用“硬”、“万”二字的汉语拼音字首“YW”加顺序号表示，例如YW1、YW2。
硬质合金作刀具材料的用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等。其中钨钴类硬质合金适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，如铸铁、铸造黄铜、胶木等；钨钛钴类合金适于加工长切屑的黑色金属，如各种钢。在同一类合金中，由于含钴多的硬质合金韧性好些，故适于粗加工，含钴少的适于精加工。
硬质合金用作模具材料，主要制造某些冷作模具，如冷拉模、冷挤模等；也可用作量具及耐磨零件，如千分尺、塞规、块规等。
四 任务实施
内燃机活塞是发动机的重要零件，在高温环境中工作，承受无限次冲击载荷，为保证此零件的质量，满足使用要求，应选择具有良好的导热性、耐蚀性和强度高的铸造铝硅系合金，如ZL108、ZL201等。
五 能力训练
汽车发动机散热器，俗称水箱（图3－9），主要作用是降低发动机在工作时产生的热量，要求此部件须具有很好的导热性能和较高的强度。为保证发动机的正常运转及使用性能，散热器必须选用导热性好的普通黄铜制造，例如H68。
图3-9 汽车发动机散热器
任务五 汽车用橡塑部件材料的选用
一 学习目标
知识目标
明确高分子材料的概念及常用高分子材料种类、性能及用途；
熟悉陶瓷的概念及其组织结构特点和应用；
掌握复合材料的概念及特点和常用复合材料的应用。
能力目标
了解橡胶、塑料等高分子材料的性能特点及使用场合，能够根据零件的使用工况，正确选用高分子材料；
了解复合材料、陶瓷材料的概念及性能特点，根据零件的使用要求，合理选择各类复合材料和陶瓷材料。
二 任务引入
近年来，汽车轻量化已成为汽车材料发展的主要方向，塑料及其复合材料、合金可以帮助汽车工业实现节能与环保目标。采用塑料制造汽车部件的最大好处是减轻了汽车重量，节省燃料消耗并让车辆更加安全舒适。一辆汽车需要橡塑零部件约为500～600件，其主要原材料是橡胶、塑料及其骨架材料。汽车用橡塑零部件品种除轮胎外，主要有传动带（V带、同步带）、软管、密封制品、减振件、安全气囊等。
三 相关知识
在机械制造工业中，除采用金属材料制造零件外，由于非金属材料资源丰富、成形工艺简单，又有某些特殊性能，所以还采用相当多的非金属材料。工业应用最多的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
1．高分子材料
高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料，而高分子化合物是指分子量很大的化合物，又称高聚物，分为有机高分子化合物和无机高分子化合物。工程用高分子材料主要指各种合成有机高分子化合物材料，包括工程材料、合成橡胶和合成纤维等。
（1）工程塑料 塑料是一种高分子物质合成材料，它以树脂为基础，再加入添加剂（如增塑剂、稳定剂、填充剂、固化剂、染料等）制成。
①塑料的组成
树脂：是塑料的主要成分，用以粘接塑料中的其他成分，并使其具有成形性能。树脂的种类、性质及加入量对塑料的性能有很大的作用，因此，很多塑料就是以所用树脂的名称来命名的，如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯为主要成分。目前采用的树脂主要是合成树脂。
添加剂：根据塑料的使用要求，在塑料中掺入一些其他物质（包括填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂等），以改善塑料的性能。例如加入增塑剂可以提高塑料的可塑性和柔软性，改善塑料的成形能力；加入云母、石棉粉可以改善塑料的电绝缘性。
②塑料的分类
按塑料的热性能不同分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料加热时软化，可塑造成形，冷却后变硬，再次加热又软化，冷却又变硬，可多次变化。常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚砜等。这种塑料具有加工成形简单、力学性能较好的优点，缺点是耐热性和刚性较差。
热固性塑料加热时软化，可塑造成形，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化，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。这类塑料具有耐热性能好、受压不易变形等优点，缺点是力学性能不好。
按塑料使用范围的不同分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料。
通用塑料是指产量大、用途广、价格低而受力不大的塑料产品。主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等，它们是一般工农业生产和日常生活不可缺少的塑料。
工程塑料是指力学性能较好、耐热、耐寒、耐蚀和电绝缘性良好的塑料，它们可取代金属材料制造机械零件和工程结构。这类塑料主要有聚碳酸酯、聚酰胺（即尼龙）、聚甲醛、聚砜和ABS等。
耐热塑料是指在较高温度下工作的各种塑料，如聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等均能在150℃～200℃的温度下工作，但成本高，使用受到一定限制。
③常用塑料的特点和应用
塑料因具有质轻、比强高、化学稳定性好、优异的电绝缘性和工艺性能等性能，越来越多地应用于各类工程中。常用塑料的种类、性能特点和用途举例见表3－5。
④塑料的成形加工
塑料的成形是将各种形态（粉状、粒状、液态、糊状和碎料）的塑料，制成具有一定形状和尺寸的制品的过程。塑料的成形工艺简单，形式多样，下面只介绍几种常用的成形工艺。
吹塑成形：图3－10是用吹塑成形制取小口径中空制品的示意图，将适当大小的坯料（管状或片状塑料）放置于模具中〔图3－10（a）〕，然后闭合模具并通过压缩空气，使尚具有良好塑性的坯料紧贴于模壁内侧〔图3－10（b）〕，待冷却后打开模具，即得到中空制品〔图3－10（c）〕。吹塑成形仅适用于热塑性塑料，主要用来制取薄壁、小口径的中空制品及塑料薄膜，如瓶、罐、筒等。
表3-5 常用塑料的种类、性能和用途
续表
图3-10 吹塑成形
注塑成形（又称注射成形）：如图3－11所示将颗粒或粉末状的塑料原料经料斗由注射柱塞推入注塑机料筒，被加热熔融，再由注射柱塞将熔融塑料经分流梳通过喷嘴注入闭合的注塑模中，冷却固化成形后出模得到制品。注射成形自动化程度高，可塑制各种形状复杂和带金属镶嵌件的塑料制品，主要适用于热塑性塑料或热态流动性较好的热固性塑料制品的大批量生产，如电视机和吸尘器外壳、玩具、瓶罐容器等。
图3-11 注塑成形示意图
压塑成形（又称压制成形）：分模压和层压两种方法。
模压法是将颗粒或粉末状的塑料原料直接充填在模具中加热软化，然后加压，塑料在模具中固化成形，冷却脱模即可。
层压法是将经树脂浸渍的片状骨料在层压机上叠层加热加压，固化后形成多层多样成分的复合增强塑料制品。通常，先用层压法加工成各种板、棒、管等型材，再经切削加工制成形状复杂的工件。
压塑成形制品的尺寸、形状精确，质量、性能稳定，可生产各种形状复杂的制品，但生产率低、成本较高，主要用于热固性塑料和热态流动性较差的热塑性塑料制品的生产。
挤塑成形（又称挤压成形）：如图3－12所示，将颗粒或粉末状塑料原料经料斗通过螺杆导行进入料筒，被加压加热，最后通过机头和模口挤压成形，冷却固化后即得需要制品。
图3-12 挤塑成形示意图
挤塑成形适于热塑性塑料，是塑料成形加工工艺中应用最多的一种方法，主要用于生产批量大且成形连续的塑料制品和板材、管材、棒材等塑料型材。
（2）橡胶 橡胶是一种在生产中应用较广的有机高分子材料，如汽车轮胎、传动带、缓冲垫、油封、制动皮碗等。
①橡胶的基本性能：橡胶除具有极高的弹性、良好的热可塑性、黏着性和绝缘性外，还具有良好的耐寒、耐蚀和不渗漏水、气等性能。橡胶的缺点是导热性差，硬度和抗拉强度不高，尤其是容易老化等。
②橡胶的组成：橡胶主要是以生胶为原料，加入适量的配合剂而制成。
生胶（生橡胶）是橡胶工业的主要原料，按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶两种。生胶是橡胶制品的主要组成物，又是黏合各种配合剂和骨架材料的黏结剂，其特性决定橡胶制品的性能。
配合剂是为了提高和改善橡胶制品性能而加入的物质，主要有硫化剂、硫化促进剂、补强剂、软化剂、防老剂等。
③橡胶在生产中的应用：橡胶用量最大的制品是汽车轮胎。此外，还广泛用于各种胶带、胶管、减振配件以及耐油配件等。
橡胶按应用范围可分为通用橡胶和特种橡胶，常用橡胶的代号、性能和用途见表3－6。
表3-6 常用橡胶的代号、性能和用途
续表
2．陶瓷材料
陶瓷材料是各种无机非金属材料的通称，它同金属材料、高分子材料一起被称为三大固体材料。目前，陶瓷材料已广泛用于制造零件、工具和工程构件等，一般可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。
普通陶瓷是以天然原料经粉碎、成形、烧结而成的黏土类陶瓷。其工艺性好、耐腐蚀、可耐1 200℃的高温，常用于制作日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。
特种陶瓷又称为新型陶瓷，指选用高纯度人工合成原料（包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、氟化物等），采用烧结工艺制成的具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。
（1）陶瓷的性能
①力学性能：陶瓷是工程材料中硬度最高的材料；有较高的抗压强度，而抗拉强度很低；陶瓷在室温下几乎没有塑性，破坏形式完全是脆性断裂；陶瓷冲击韧度很低，疲劳强度也很低。
②热性能：陶瓷材料熔点高，具有优良的高温强度和高温抗氧化性能，工作温度高于1 000℃，但导热性和热膨胀系数低，抗热振性差。
③化学性能：陶瓷材料组织结构稳定，高温下也不会氧化，有较强的抗酸、碱、盐和熔融金属腐蚀的能力，具有优异的化学稳定性，几乎不与其他介质相互作用。
④电性能：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，特种陶瓷还具有独特的电性能，如压电性、磁性、光电性等。
⑤加工工艺性：一般的金属加工工艺如铸、锻、焊、切削加工均不能用于陶瓷材料的加工，可进行研磨、电加工和激光加工。
（2）陶瓷制品的成型 陶瓷制品的种类繁多，生产工艺过程也不相同，但一般都要经历以下三个阶段：原料制备、成形和烧结。
①原料制备：原料的加工直接影响到成形的加工性能和陶瓷制品的使用性能。为了控制制品的晶粒大小，要将原料粉碎，磨细到一定粒度。为了控制制品的使用性能，要按一定配比配料，对原料要精选，除去杂质。原料加工后，根据成形工艺的要求，制备成粉料、浆料或可塑泥团。
②成形：陶瓷制品的成形可以采用以下几种方法：
可塑成形：通过手工或机械挤压、车削，使可塑泥团成形。
压制成形：将含有一定水分和添加剂的粉料用较高的压力在模具中压制成形。
注浆成形：将浆料注入模具成形。如图3－13所示是一般注浆成形示意图，将浆料注入石膏模中，经过一定时间后，在模壁黏附着具有一定厚度的坯料，然后将多余浆料倒出，坯料在型内固定下来。这种成形方法常用于制造形状复杂、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。
③烧结：没有烧结的陶瓷坯料是许多固体颗粒的堆积，因此，成形以后陶瓷制品经干燥、涂釉（或不涂）后再进行烧结。
图3-13 注浆成形
（3）常见的特种陶瓷材料及其应用
①氧化铝陶瓷：这种陶瓷的主要成分为Al2O3，其含量达45%以上，故又称高铝陶瓷。氧化铝陶瓷熔点高，耐高温，具有很高的热硬性，并有很好的耐磨性和较高的强度。此外它还具有良好的绝缘性和化学稳定性，能耐各种酸碱的腐蚀。但其脆性大，抗冲击性差，不易承受环境温度的剧烈变化。氧化铝陶瓷广泛用于制造高速切削的刀具、量具、拉丝模、高温炉零件（炉管、炉衬、坩埚等）、内燃机火花塞等。
②氮化硅陶瓷：氮化硅陶瓷是将硅粉经反应烧结或将Si3N4经热压烧结而成的一种陶瓷。它除了具有陶瓷共有的特点外，其热膨胀系数比其他陶瓷材料小，有良好的抗热性能和耐热疲劳性能。此外，化学稳定性高，除氢氟酸外，能耐“王水”在内的各种无机酸和碱溶液的腐蚀，并能抵抗金、银、铅、锡、铝等非铁金属溶液的侵蚀，具有优良的电绝缘性。主要用于制造耐磨、耐蚀、耐高温以及绝缘的零件，如各种潜水泵和船用泵的密封环、化工球阀的阀芯、热电偶管及高温轴承、燃气轮机转子叶片、切削加工用刀片等。
③碳化硅陶瓷：碳化硅陶瓷是以碳化硅晶粉（SiC）经成形、高温烧结而成的特种陶瓷，是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1 200℃～1 400℃使用仍能保持高的抗弯强度，并具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、汽轮机叶片、炉管、砂轮、磨料等。
④耐酸陶瓷：以人工化合物氧化铝、氟化钙和莫来石（3Al2O3·2SiO2）作主要原料的耐酸陶瓷，不仅有优良的耐酸碱腐蚀性，而且强度、硬度较高，并有良好的耐高温性和抗热振性。主要用于制作化工反应塔、耐酸砖、板、容器、管道、泵、阀以及风机等制品。
⑤过滤陶瓷：这是以石英、河沙、刚玉砂等作主要原料，加上结合剂和增孔剂成形、烧结而成的一种多孔陶瓷。过滤陶瓷的开口气孔率一般为30%～40%，高的可达60%～70%，具有良好的透气性和过滤性，同时还具有耐酸性、耐高温、耐老化、易清洗再生和高强度等优点。广泛用于气体、液体、尘埃、细菌的过滤和分离器材，如医药液气分离器、高温烟气过滤器、污水处理器、饮用水过滤器等。
3．复合材料
复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质，经人工合成的一种多相固体材料。这种材料不仅保留了组成材料各自的优点，而且使各组成材料之间相互复合、取长补短，形成优于原组成材料的综合性能。
（1）复合材料的组成 不同的非金属材料、金属材料之间、非金属和金属材料之间都可以相互复合成各种各样的复合材料。复合材料通常由基体材料和增强材料两部分组成，基体材料一般选用强度、韧性好的材料，如金属、橡胶、聚合物等，增强材料则选用高强度、高弹性模量的材料，如玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等。
（2）复合材料的分类
①按基体材料分为高聚物复合材料（如轮胎、纤维增强塑料等）、金属基复合材料（如纤维增强金属等）和陶瓷基复合材料（如钢筋混凝土等）三类。
②按增强材料的形状不同分为纤维增强复合材料（如橡胶轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等）、层叠复合材料（如钢－铜－塑料三层复合无油润滑轴承材料）、颗粒复合材料（如金属陶瓷等），其中应用最广、发展最快的是纤维增强复合材料。
③按复合材料的使用性能分为结构复合材料和功能复合材料，目前应用最多的是结构复合材料。
（3）复合材料的性能特点 复合材料的比强度和比模量大、疲劳强度高、减振性能好、抗断裂性能强、高温性能好，具有良好的自润滑减摩性、耐磨性、工艺性和化学稳定性，还有隔热、隔音、阻燃等特点。但复合材料也存在一些不足，其主要缺点是成本较高，这极大地限制了它的使用范围。此外，其伸长率小，抗冲击性低，成形工艺方法尚需改进等。
（4）常用复合材料的应用
①纤维增强复合材料：纤维增强复合材料是复合材料中发展最快、应用最广的一类，它以树脂、塑料、橡胶、陶瓷、金属等为基体相，以有机纤维、无机纤维以及金属纤维为增强相的复合材料。常用的具有代表性的纤维（增强）复合材料有：
玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维及制品为增强相，以树脂为基体相而合成的，俗称玻璃钢。它的玻璃纤维直径小于1μm，单丝抗拉强度达1 000MPa～3 000MPa，比高强度钢还高出2倍。
以热固性树脂如酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、有机硅树脂等为基体相制成的热固性玻璃钢，具有强度高、密度小，介电性能和耐腐蚀性，以及成形工艺好的优点，可制造自重轻的车身、船体、直升飞机旋翼等。但这种玻璃钢的弹性模量小（仅为结构钢的1/12～1/5），故制成品的刚性较差，工作温度一般不超过250℃，长期受力易发生蠕变现象，容易老化等。
以热塑性树脂（如尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯等）为基体相制成的热塑性玻璃钢，具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和抗老化性能，以及良好的工艺性能。与其基体材料相比，其强度、抗疲劳性能、刚度、蠕变抗力成倍提高，甚至超过某些金属的强度，并且有良好的减摩性，因此可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、空气调节器叶片等零件。
碳纤维增强复合材料是以碳纤维为增强相，以树脂、金属、陶瓷等为基体相而制成的，它属于纤维增强复合材料，其中以树脂为基体相的碳纤维树脂复合材料应用最广。
碳纤维比玻璃纤维具有更高抗拉强度、弹性模量，并且在2 000℃的高温下其强度和弹性模量基本保持不变，在－180℃的低温也不变脆。此外，它还具有较高的冲击韧性和疲劳强度，优良的减摩性和耐磨性、高的化学稳定性和好的导热性等。其缺点是碳纤维与树脂的黏结力不够大，各向异性程度较高，耐高温性能不太高等。广泛用于制造要求比强度、比模量高的航空和航天飞行器的结构件、涡轮机和推进器的零件等，还可制造各种机器的轴承、齿轮、活塞、密封圈，以及化工设备的零件和容器等。
②层状复合材料：层状复合材料是由两层或两层以上不同性质的材料结合而成的，以达到增强的目的。例如，三层复合材料是以钢板为基体层，烧结铜网为中间层，塑料为表面层制成的。这种复合材料具有金属的力学性能与物理性能、塑料的表面耐磨损与减摩性能。金属和塑料之间以青铜网为媒介，使三层之间获得可靠的结合力，表面塑料层常用聚四氟乙烯和聚甲醛两种塑料。这种复合材料比单一的塑料提高承载能力20倍，热导率提高50倍，热膨胀系数降低了75%，因此这种材料已广泛应用于制造无润滑或少润滑的轴承，还可以制造机床的导轨、衬套、垫片。
③细粒复合材料：常见的细粒复合材料有两类：一类是颗粒与树脂的复合，例如橡胶中加入炭粉以增加强度、耐磨性和抗老化性。塑料中加入颗粒状的各种不同填料，以获得不同性能的塑料，如加入银、铜等金属粉末，可制成导电塑料；加入磁粉可制成磁性塑料等。另一类是陶瓷颗粒与金属基体的复合，典型的有前面已讲述的硬质合金。
四 任务实施
汽车用橡塑零部件品种除轮胎外，主要有传动带（V带、同步带）、软管、密封制品、减震件、安全气囊等，零件主要选用的材料是橡胶、塑料及其复合材料等。
五 能力训练
高速切削刀具材料的选用
高速切削的刀具（如车刀）工作时要求耐高温，具有很高的热硬性，并要有很好的耐磨性和较高的强度，还要具有良好的绝缘性和化学稳定性等。
新材料
随着科学技术的迅猛发展，新材料的研究与发展也日益深入，新材料已成为当今信息技术、生物技术、能源技术等高新技术领域和国防建设的重要基础材料。
一、超导材料
有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻会突然降到零，这种现象称为超导电性，具有超导现象的材料称为超导材料，发生超导现象的温度称为临界温度。超导材料在临界温度以下时，不仅电阻为零，而且还具有完全的抗磁性。目前，超导材料研究的难题是寻找高温超导材料。
超导材料按照化学成分不同分为元素超导材料、合金超导材料和化合物氧化物超导材料等。
超导材料主要应用在发电、输电和储能等方面。由于超导材料的零电阻，使得用超导材料制作的超导发电机与常规发电机相比，其单机容量提高5～10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，大大减低了能耗。超导磁悬浮列车则是利用其轨道上的超导线圈和列车上的超导线圈间的排斥力，使列车悬浮起来，消除了普通列车车轮与轨道之间的摩擦力，从而大大提高了列车的运行速度。
二、形状记忆合金
所谓形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理后，又可恢复成初始状态（形状）的材料，即无生命的材料却具有一定的“记忆”功能。记忆材料就属于智能材料的一种。人们在研究新型舰船材料时，在Ni－Ti合金中发现：把直条形的线材加工成弯曲形状，经加热后，它的形状又恢复到原来的直条形，说明该合金具有“记忆”原来形状的能力，人们把这种现象称为形状记忆效应。如用这种金属制成的车辆，即使撞得面目全非，只要拿到火上微微一烘，或放入热水中稍稍一浸，即可恢复得和原来一模一样。由于这种金属能记忆自己的模样并能恢复自己的“创伤”，被人们叫做“形状记忆金属”。目前，实用化的形状记忆合金有Ti－Ni系合金、Cu系合金和Fe系合金。形状记忆合金已成功应用在卫星天线，记忆铆钉（图3－14），医学上整形外科用材料如脊椎矫正棒、人工股关节等。另外，还有压电材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液智能材料、驱动组件材料等智能材料。
图3-14 形状记忆合金用作铆钉示意
三、金属晶须
晶须也称“须晶”，它是一种直径为几微米到几十微米、长度可达几厘米的单晶体，可以在自然界生成，也可由人工制成，它的强度极高，接近晶体的理论强度。因晶须十分细小，故一般不能独立使用，但可编织成线材或与其他聚合物复合成纤维增强复合材料。如一种胡须状的铁晶须（直径为1．6μm，只有头发丝粗细的1/50～1/40），它的抗拉强度竟能达到13 400MPa，是工业纯铁的70多倍，比超高强度钢高出4～10倍。如果用这样的铁晶须编织成半径为1mm的线材，能安全地吊起一辆4吨重的载重汽车，实现了一发吊千钧的神话，这种铁晶须堪称金属世界中的“大力士”。
现已能制造出的晶须材料可大致分为金属及合金晶须、无机非金属单质与化合物晶须、有机及聚合物晶须三大类，主要用来和其他材料一起编织成较大的线材，或让晶须作为增强材料与其他材料组合成复合材料。
四、储氢合金
储氢合金是一种能在晶体的空隙中大量储存氢原子的合金材料，能以金属氢化物的形式吸收氢，加热后又能释放氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。金属氢化物不仅具有储氢特性，而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能，从而能利用反应过程中的焓变开发热能的化学储存与输送，有效利用各种废热形式的低质热源，因此，储氢合金的众多应用已受到人们的特别关注。
从一般的常识来说，固态的氢应该是密度最高的氢了，然而储氢合金的出现却得到了意想不到的结果，在储氢合金中氢的密度比标准状态的氢气高出1 400倍以上，超过了液氢甚至固态氢。之所以如此，是因为储氢合金具有独特的晶体结构，使氢原子容易进入其晶体中的间隙位置并形成金属氢化物。储氢合金可以储存大量的氢，而且氢与金属原子的结合力很弱，在一定的条件下，氢气又很容易地从储氢合金中释放出来，因此金属的氢化物本身就成为一种氢能源材料，用于燃氢发动机、氢动力汽车；由于吸氢和放氢的过程分别为放热和吸热的过程，因此可用储氢材料做空调机、制冷器、热机械泵等，此外，储氢合金还可用于镍氢电池、重氢的浓缩等。
储氢合金的发展非常迅速，用途亦十分广泛，目前已有不少进入实用的阶段，例如，燃氢汽车是储氢合金应用的最诱人的领域，每立方米氢的燃烧可行驶5～6公里，是一种完全无污染的能源。用氢、油混燃也能大大节油并减少污染，目前燃氢的汽车发动机已研制成功，不久的将来，燃氢汽车必将展现在人们的面前。
五、非晶态合金
近些年来，非晶态金属材料与急冷技术已成为材料领域的一个前沿学科而得到迅速的发展，至今已有数不胜数的非晶合金被研制出来，非晶态金属是目前人们所知的强度最高、韧性最好、最耐腐蚀和最易磁化的金属材料，有人把非晶态金属视为20世纪金属材料的新里程碑。
由于非晶态合金在成分、结构上都与晶态合金有较大的差异，所以非晶态合金在许多方面表现了独特的性能。如具有优异的磁学性能、极高的强度和优良的耐腐蚀性，并且具有很好的韧性、较好的延展性、较高的硬度和耐磨性，是一种很有发展潜力的结构材料。由于尚不能够制造出大块的非晶态材料，使其应用受到限制，但可作为复合材料中的增强体。
从20世纪70年代中期以来，非晶态合金已经在许多方面得到了应用：
非晶软磁合金有可能作为新一代变压器铁芯材料最为引人注目，因为它不仅极易磁化，矫顽力低，而且有很高的电阻，可以大为降低涡流损耗。此外还可用作磁记录磁头、磁屏蔽材料，计算机中的磁盘、软盘和仪器仪表中的磁记录装置，还可作记忆元件材料、传感器元件材料等。
高强度、抗海水腐蚀的铜基非晶合金可作为制造潜水艇的材料；某些铁基非晶态合金可制作快中子反应堆的化学过滤器。
非晶钎焊合金做成薄带，延展性好，可加工成型，成分均匀不含杂质，熔点低，流动性好，可用于高温合金和不锈钢的钎焊，代替昂贵的金基钎焊合金用于飞机发动机部件的焊接。
除上述用途之外，非晶合金还具有许多特性，可作为多方面的功能材料加以应用，例如高电阻材料，恒弹性、恒热膨胀材料，超导材料，储氢材料，以及光学系统中的电子源等等。
问题讨论
1．钢中常存杂质元素有哪些？对钢的性能有何影响？
2．为什么合金钢的淬透性比碳钢的高？
3．解释下列现象：
（1）大多数合金钢的热处理加热温度比相同含碳量的碳钢高。
（2）高速钢在热轧（或热锻）后，经空冷获得马氏体组织。
4．为什么碳钢在室温下不存在单一的奥氏体或单一的铁素体组织；而合金钢中有可能存在这类组织？
5．何谓调质钢？为何调质钢大多数为中碳钢？合金元素在调质钢中起什么作用？
6．为什么刃具钢中含碳高？合金刃具钢中加入哪些合金元素？其作用怎样？
7．用高速工具钢制造手工锯条、锉刀行不行？为什么？
8．为什么一般钳工用锯条烧红后置于空气中冷却即变软，并可进行加工；而机用锯条烧红后（约900℃）冷却，却仍具有相当高的硬度？
9．现有φ35mm×200mm两根轴，一根为20钢，经920℃渗碳后直接水淬及180℃回火，表面硬度为58～62HRC；另一根为20CrMnTi钢，经920℃渗碳后直接油淬，－80℃深冷处理后180℃回火，表面硬度60～64HRC。问这两根轴的表面和心部组织与性能有何区别？并说明其原因。
10．解释下列牌号含义，并说明主要用途。
16Mn、ZGMn13－2、40Cr、60Si2Mn、W18Cr4V、1Cr13、9SiCr、20CrMnTi、QT600－3、KTH330－08、H68、YG8、YW2、QBe2、ZChSnSb11－6、ZL108
11．下列零件采用何种材料制造？
飞机铆钉、飞机大梁及起落架、发动机缸体及活塞、车床床身、汽车发动机曲轴、污水管、自来水三通管
12．为什么合金弹簧钢把Si作为重要的主加合金元素？弹簧淬火后为什么要进行中温回火？
13．用9SiCr钢制成圆板牙，其工艺流程为：锻造→球化退火→机械加工→淬火→低温回火→磨平面→开槽加工。试分析：
（1）球化退火、淬火及低温回火的目的。
（2）球化退火、淬火及低温回火的大致工艺参数。
14．何谓石墨化？石墨化的影响因素有哪些？
15．试述石墨形态对铸铁性能的影响。
16．说明下列牌号属于何种铸铁，并指出其主要用途及常用热处理方法。
HT150、HT350、KTH300－06、KTZ45－06、QT400－15、QT600－3。
17．何谓硅铝明？它属于哪一类铝合金？为什么硅铝明具有良好的铸造性能？这类铝合金主要用于何处？
18．常用的硬质合金有几种？举例说明其应用。
19．指出下列几种零件的选材及热处理：
（1）坐标镗床主轴，要求表面硬度≥850HV，其余硬度为260～280HBS，在滑动轴承中工作，精度要求极高。
（2）承受较大载荷和冲击力，要求高耐磨性的齿轮（如汽车变速齿轮）。
（3）M8的手用丝锥。
（4）切削速度为150m/min，用于切削灰铸铁及有色金属的外圆车刀刀头。
20．某齿轮要求具有良好的综合力学性能，表面硬度50～55HRC，用45钢制造。加工路线为：下料→锻造→热处理→粗加工→热处理→精加工→热处理→精磨。试说明工艺路线中各热处理工序的名称和目的。
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