非金属材料与材料的选择及应用

图4．4　低合金结构钢的应用

（2）机械制造用钢

机械制造用钢的应用如图4．5所示。

中碳合金钢40Cr代替常用45钢作重要的轴等机械零件。

高合金钢60Si2Mn代替65Mn作重要弹簧。

滚动轴承用钢GCr15用于制造常用滚动轴承。

2．合金工具钢

合金工具钢的应用如图4．6所示。

（1）刃具钢

高速钢：用作加工刀具，钻头、各类铣刀。

图4．5　机械制造用钢的应用

刀具用钢：用作攻制螺纹用的丝锥、铰刀。

图4．6　合金工具钢的应用

（2）模具钢

用作热、冷模具，如Cr12，5CrMnMo。

（3）量具钢

用作量具，如游标卡尺、千分尺。

常用合金工具钢的牌号、特性及用途见表4．1。

表4．1　常用合金工具钢的牌号、特性及用途

3．特殊性能钢

（1）铬不锈钢

用作既能防锈又有一定强度的耐腐蚀零件，如弹簧、医疗器械。

（2）铬镍不锈钢

耐腐蚀性强，用于制造耐腐蚀的管道零件。

（3）耐热钢

用作锅炉材料，如42Cr9Si2。

（4）耐磨钢

用作耐磨材料，如坦克履带用铸钢ZGMn13。

特殊性能钢的应用如图4．7所示。

图4．7　特殊性能钢的应用

活动五　认识铸铁

铸铁的价格较低，且稳定性好、加工容易，尤其抗压强度较高，抗振性好，故应用很广，如机床的各类床身、箱体，日常生活中也应用很广，如炒菜铁锅、取暖炉、污井盖、暖气片、下水管、水龙头壳体等。

铸铁的含碳质量分数大于2．11%。

铸铁按其特性分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。

1．灰铸铁

灰铸铁在工业中应用最广，用汉语拼音HT表示。如HT150，HT200。灰铸铁的力学性能低，铸造性能好，切削性能好，减振性能好。

2．球墨铸铁

球墨铸铁是高强度的铸铁，机械性能接近钢，如QT400唱15表示最小抗拉强度为400MPa。

3．可锻铸铁

可锻铸铁，俗称马铁。是将一定成分的白口铸铁经退火处理，使渗碳体分解，形成团絮状石墨的铸铁。其牌号用KTH（Z）（可铁）＋数字（抗拉强度）－数字（最小伸长率）表示，“H”表示黑心可锻铸铁；“Z”表示珠光体可锻铸铁。如KTH330唱08表示最小抗拉强度为330MPa，最小伸长率为8%。可锻铸铁其实并不可锻。

此外，铸铁还是炼钢的生产原料。

三、巩固与提高

①钢是如何分类的？

②碳素钢、合金钢的编号方法是什么？

③碳素钢、合金钢、灰铸铁的主要用途是什么？

四、学习评价

分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。

学习活动评价表

任务三　钢的热处理与有色金属材料

一、学习目标

1．知识目标

①了解钢的热处理含义、目的、种类，钢的退火、正火、淬火、回火、表面热处理、化学热处理的方法与用途。

②了解有色金属材料的分类与特点。

2．能力目标

①较熟练地掌握钢的退火、正火、淬火的方法与应用，能正确选择钢的回火方法。

②能读懂有色金属的代号。

3．态度目标

培养细心观察、乐于动手的学习态度。

二、学习活动

活动一　了解钢的热处理

钢热处理的含义：钢的热处理是指采用适当方式将钢或钢制工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。通过适当的热处理，不仅能充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和使用寿命，而且还可以改善工件的加工工艺性能。因此，热处理工艺在机械制造业中占有十分重要的地位。

钢热处理的作用：通过适当的热处理，不仅能充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和使用寿命，而且还可改善工件的加工工艺性能。

钢热处理的种类

普通热处理，即退火、正火、淬火、回火，俗称“四把火”。

表面热处理，包括表面淬火（感应加热淬火、火焰淬火）、化学热处理（渗碳、氮化等）。

1．钢的退火与正火

（1）退火

钢退火的工艺：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

钢退火的目的：退火的目的是降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韧性，以利于冷变形加工；改善钢的性能或为以后热处理作好组织准备；消除钢中的残余内应力，防止变形和开裂。

（2）正火

钢正火的工艺：将钢加热到适当温度，保持一定时间后出炉空冷（它比退火的冷却速度快）。

钢正火的适用范围：只适用于碳素钢及合金元素含量不高的合金钢。

钢正火的目的：正火的目的是细化组织，用于低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性；用于中碳钢和性能要求不高的零件，可代替调质处理；用于高碳钢，可消除网状碳化物，为球化退火作组织准备。

（3）退火与正火的相同点

钢退火与正火的相同点是降低材料的硬度，改善切削加工性能。

（4）退火与正火的区别

钢退火与正火的区别在于正火与退火的冷却速度快慢。正火比退火的冷却速度快。正火后的强度、硬度高于退火，而且操作简便，生产周期短，成本低，在可能的条件下宜用正火代替退火。

2．钢的淬火

将钢加热到适当温度，保持一定的时间，然后快速冷却的热处理工艺，称为钢的淬火。常见的有水（盐水）冷淬火、油冷淬火等。

（1）钢淬火的目的

钢淬火的目的是提高材料的表面的硬度、强度和耐磨性（淬火后必须配以适当的回火，才能获得理想的力学性能）。

（2）淬硬性、淬透性概念及它们的区别

淬硬性是指钢经过淬火后能达到的最高硬度，主要取决于钢中碳的含量，碳含量越高，获得的硬度越高。淬透性是指钢经过淬火后获得淬硬层深度的能力，淬透性越好，淬硬层越厚。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。一般来说，含碳量相同的碳素钢与合金钢的淬硬性没有区别，但合金钢的淬透性高于碳素钢。因此，有些合金钢如高速钢，可以采用空气冷却来淬火。

3．钢的回火

将淬火钢重新加热到低于727℃的某一温度，保持一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺，称为回火。

（1）钢回火的目的

钢回火的目的是消除材料淬火后产生的内应力，稳定组织。

（2）回火的工艺、目的、方法与应用

1）低温回火（150～250℃）

低温回火目的是降低淬火内应力，提高韧性，并保持高硬度和耐磨性。

低温回火主要用于高碳工具钢和合金钢刃具、量具、滚动轴承、冷作模具和要求硬而耐磨的零件。

2）中温回火（250～500℃）

中温回火目的是使淬火钢件有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性。

中温回火主要用于弹性零件和热锻模具等。

3）高温回火（500～650℃）

高温回火目的是获得硬度、强度、韧性、塑性，有较好的综合力学性能。生产中把淬火和高温回火相结合的热处理称为调质处理，简称调质。

调质处理广泛用于螺栓、连杆、齿轮、曲轴等重要的结构零件。

4．钢的表面热处理

在冲击载荷和摩擦条件下工作的零件（如齿轮等），要求其表面具有高的硬度和耐磨性，而心部应该具有足够的塑性和韧性。这一工件表面和心部不同的性能要求，难于从选材和普通处理解决，而表面热处理能满足这类零件的要求。

目的——提高表面的硬度和耐磨性。

种类——表面淬火和化学热处理。

（1）表面淬火

表面淬火是对表面作淬火处理，可用火焰加热表面，但更多的是采用高频感应加热的方法，然后用水冷却。

（2）化学热处理

化学热处理常用渗碳和氮化的方法。渗碳是针对低碳钢的，旨在提高表面碳的含量，然后再进行淬火处理。

1）渗碳

把低碳钢工件放在渗碳介质中，加热到一定的温度（一般为930℃左右），保温足够长的时间，使表面层的碳浓度升高，这样一种热处理工艺称为渗碳。根据介质的状态不同，可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，而以气体渗碳应用最为广泛。

2）氮化

氮化是向钢的表面渗氮以提高表面层氮浓度的热处理过程。常用的氮化方法是把氮气通入一定温度（一般为500～560℃）的密封炉中，氮气分解产生活性氮原子渗入工件表面。氮化以后工件的硬度高，可达1000～1200HV，耐磨性高，氧化变形小，并能耐热、耐腐蚀、耐疲劳等。

活动二　认识有色金属材料

有色金属材料的定义：在工业生产中应用的材料，除钢铁材料以外的金属材料，统称为有色金属。

有色金属材料的地位与作用：目前有色金属的产量和用量虽不及钢铁材料多，但由于它们具有某些独特性能和优点，而使其成为现代工业生产中不可缺少的材料。

1．铝及铝合金

1）纯铝

纯铝是一种银白色的金属。它具有以下特性：

①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。

②导电、导热性良好。导电性仅次于银和铜。

③抗大气腐蚀性能好。

④塑性好，易于承受各种压力加工而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来提高其强度，用作结构材料。

纯铝分为高纯度铝和工业纯铝。

高纯度铝又称化学纯铝，其纯度可达99．99%，主要用于科学研究和某些特殊用途。

工业纯铝的纯度不及高纯度铝，其常见杂质为铁和硅。这类铝主要用于制成管、棒、线等型材以及配制铝合金的原料。

2）铝合金

由于纯铝的强度很低，不宜用来制作结构零件。在铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可以得到较高强度的铝合金，且仍具有密度小、耐蚀性好、导热性好的特点。铝合金按其成分和工艺特点可分为形变铝合金和铸造铝合金。

①形变铝合金

形变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

防锈铝是铝唱锰或铝唱镁系合金。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

硬铝是铝唱铜唱镁系合金。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

超硬铝是铝唱铜唱镁唱锌系合金。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

锻铝是铝唱铜唱镁唱硅系合金。其力学性能与硬铝相近，但具有较好的锻造性能，故称锻铝，主要用于制作航空仪表工业中形状复杂、要求强度高的锻件。

②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。根据化学成分，铸造铝合金可分为铝唱硅系、铝唱铜系、铝唱镁系、铝唱锌系铸造铝合金，其中铝唱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，抗蚀性好，用于制造轻质、耐蚀、形状复杂的零件，如活塞、仪表外壳、发动机缸体等。

2．铜及铜合金

纯铜为紫红色，也称紫铜。其硬度很低，强度不高，但导电性极好。纯铜用T表示，如T1，T2，T3，T4。数字越大，杂质含量越多。

铜合金可分为普通黄铜、特殊黄铜、青铜和白铜。

普通黄铜用符号H加数字表示，如H70表示含铜质量分数为70%，其余为锌。H70用作弹壳。

特殊黄铜是在普通黄铜内加入合金元素，如HPb59唱1为铅黄铜。

青铜是在铜中加入锌、镍以外的合金。如ZCuSn101，其中含Sn质量分数为10%，含P质量分数为1%。

白铜是铜镍的合金。

3．轴承合金

轴承合金只用作轴承的轴承衬，具有良好的磨合能力、减磨性和耐磨性。

常用有锡基、铅基和铝基轴承合金，称为巴氏合金。一般用于要求较高的静压润滑中。

三、巩固与提高

①钢的热处理有何意义？

②常用热处理方法有哪些？

③有色金属材料有哪些分类与特点？

四、学习评价

分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。

学习活动评价表

任务四　非金属材料与材料的选择及应用

一、学习目标

1．知识目标

了解非金属材料的种类、性能及应用，了解材料的选择原则。

2．能力目标

了解材料的选择原则，会正确选择金属材料的种类。

3．态度目标

培养认真细致、实事求是的作风。

二、学习活动

活动一　认识非金属材料

非金属材料在工业上应用很广，可代替金属材料，常见的非金属材料有高分子材料、陶瓷、复合材料及新型材料等。

1．高分子材料

高分子材料是以高分子化合物（分子量一般在5000以上）为主要组分的材料。常用的高分子材料有塑料、橡胶、胶黏剂等。

（1）塑料

塑料是以树脂为主要成分，加入填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂及润滑剂等制成的。

1）按应用范围分

按应用范围分为通用塑料和工程塑料。

①通用塑料

通用塑料主要是指产量大、价格低、应用广的常用塑料。它主要有聚乙烯、聚丙烯、酚醛塑料及氨基塑料等，主要用于制造日常生活用品、包装材料和工农业生产用的一般机械零件。

②工程塑料

在许多结构形状复杂的零件中，工程塑料应用最多，常在工程技术中作结构材料。这类塑料具有较高的耐高温、耐腐蚀、耐辐射等特殊性能，因而可部分代替金属，特别是用有色金属来制作某些机械构件或某些特殊用途的构件。工程塑料具有质量轻，可制作成各种形状，且能用模具大量成批生产、价格低廉等优点。如汽车零件中，有10%的零件是用工程塑料制成的。在日常生活中也离不开工程塑料的应用，如手机、电脑、电话、灯具等。工程塑料的名称较难记忆，应了解常用代号，如PC、PPR、ABS、尼龙等都是比较常用的。

常用的工程塑料有聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、ABS、有机玻璃等。

2）按塑料受热后所表现的行为分

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。

①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）、聚乙烯等。

②热固性塑料

这类塑料加热时软化，然后固化成型，这一过程不能重复进行。常用的有酚醛塑料、氨基塑料和环氧塑料等。

3）塑料的性能及选用

①优点

质轻，比强度高，化学稳定性好（能耐“王水”的腐蚀）；电绝缘性优异；减磨、耐磨性好；消声和吸振性好，成型加工性好，且方法简单，生产效率高。

②缺点

强度、刚度低，耐磨性低，易燃烧，易老化，热导性差，热膨胀系数大，几何精度稳定性差。

根据塑料的特点，选用时从使用性能、工艺性能和经济性能3方面考虑。

（2）橡胶

橡胶是以生胶为主要原料，加入适量的硫化剂、软化剂、填充剂、防老化剂等而制成的。

1）橡胶的分类

①按生胶来源不同分为天然橡胶和合成橡胶；合成橡胶是从石油、天然气、煤和农副产品中提炼制得的合成产物。

②按应用范围不同分为通用橡胶和特种橡胶；特种橡胶是指能在特殊条件下（如高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的橡胶。

2）橡胶的特性

橡胶主要的特性是弹性好，去除外力后能迅速恢复原状。同时绝缘性、耐磨性好，有隔音、吸振、积储能量的能力，有一定的耐蚀性和强度。橡胶最大的缺点是易老化。老化影响橡胶的性能及使用寿命，加入防老化剂可延长和减轻老化过程。

3）橡胶的用途

工业上用作轮胎、密封件、减振件、防振件、传动件、运输胶带、管道、电线、电缆和绝缘材料等。

（3）胶黏剂

胶接是借助于某种物质在固体表面产生的黏合力将材料牢固地连接在一起的方法。胶黏剂是指能够产生黏合力的物质。

1）胶黏剂的分类

胶黏剂的分类如下：

合成胶黏剂是以具有黏性的合成高分子化合物为基料，加入一定量添加剂组成的胶黏剂。它分为热塑性树脂胶黏剂、热固性树脂胶黏剂、合成橡胶胶黏剂和混合型胶黏剂。

2）胶接的特点及用途

胶接与铆接、焊接、螺纹联接相比，具有连接面应力分布均匀、质量轻、密封性好，可连接各种材料，接头平整光滑，工艺简单等优点。但胶接接头强度较低，使用温度低，易老化，使用寿命较低。广泛应用于船舶、机械、电子仪表、化工、宇航工业等。

2．陶瓷材料

陶瓷是以天然硅酸盐或人工合成无机化合物为原料，用粉末冶金法生产的无机非金属材料。

陶瓷按原料不同，可分为普通陶瓷和特种陶瓷；按用途不同，可分为日用陶瓷和工业陶瓷。

（1）普通陶瓷

普通陶瓷的原料是黏土、长石、石英等天然硅酸盐矿物，又称传统陶瓷或硅酸盐陶瓷。常用的有日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷及化工陶瓷等。

（2）特种陶瓷

特种陶瓷又称近代陶瓷，具有独特的性能，能满足工程结构的特种需要。常见的有氧化铝陶瓷（刚玉）、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷及氮化硼陶瓷等。

3．复合材料

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，经人工组合而成的新型多相材料。

复合材料的组成分为基本材料和增强材料。

（1）复合材料的分类

1）按基体材料不同分

按基体材料不同分为非金属基体和金属基体。

2）按增强材料的种类和形状不同分

按增强材料的种类和形状不同，可分为纤维增强、颗粒增强、层叠、骨架复合材料等。

3）按性能不同分

按性能不同，可分为结构复合材料、功能复合材料。结构复合材料用于制造结构件，功能复合材料是指具有某些物理功能和效应的复合材料。

（2）复合材料的性能

优点是比强度、比模量高，高温性能好，化学稳定性好，成型工艺简单。

活动二　材料的选择

正确选择材料，既能够满足使用条件的要求，又能达到节约成本取得较好经济效益的目的。

1．零件的失效形式

保证零件的使用寿命且不发生失效是选择材料的依据之一，要从零件使用中可能出现的失效形式来考虑选择相适应的材料。

（1）断裂

增大零件的外形尺寸或更换材料以提高强度。

（2）过度变形

提高轴的刚度，加大外径或采用空心轴的方法，既不增加自重，又提高刚度；用合金钢热处理代替低碳钢等。

（3）表面损伤

提高表面硬度，抵抗表面损伤和磨损，采用表面淬火。

2．选材的原则、方法和步骤

（1）材料选择的原则

满足使用要求选择最经济的材料、结构和尺寸为前提。根据失效形式分成以力学性能为依据、以疲劳断裂或疲劳点蚀为依据或以表面磨损为依据，来选择材料。

（2）材料选择的方法

不仅要有科学的依据，还要结合当地现有的材料来源，方便就地取材，减少不必要的支出，要有经济意识。

（3）选材的步骤

①确定性能要求。

②比较同类零件。

③作关键位置的强度计算。

三、巩固与提高

①非金属材料分哪几类？

②非金属材料各有什么性能？主要应用于哪些领域？

③材料的选择原则是什么？

四、学习评价

分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。

学习活动评价表