第3章機械工程資料金屬資料的性能3.1常用金屬資料3.2鋼的熱處置3.3常用非金屬資料3.4 現代資料種類繁多，在機械工程上常用的資料有金屬資料和非金屬資料。 為了正確選擇和運用工程資料，我們必需熟習常用工程資料的分類、牌號、性能、用途和熱處置等根底知識，并及時了解新資料的性能和用途。3.1金屬資料的性能3.1.1金屬資料的物理性能 金屬資料的物理性能是金屬固有的屬性，它包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。1．密度 密度是指單位體積金屬的質量，其單位為kg/m3。 根據密度的大小，金屬資料可分為輕金屬〔密度小于4.5

×

103kg/m3〕和重金屬〔密度大于4.5

×

103kg/m3〕。 密度是金屬資料的特性之一，與資料的運用和監測等都有關系，經過丈量金屬的密度可以鑒別金屬和確定鑄件的致密程度。 在航空工業和汽車工業中，為添加有效載分量，密度是選材需求思索的重要要素。2．熔點 熔點是指金屬或合金從固態向液態轉變時的溫度，其單位普通用攝氏溫度〔℃〕表示。 金屬都有固定的熔點，合金的熔點取決于它的成分。 熔點對金屬資料的熔煉、熱加工有直接影響，并與資料的高溫性能有很大關系。3．導熱性 導熱性是指金屬資料傳導熱量的才干。 導熱性的大小通常用熱導率來衡量，熱導率的單位是W/(m·K)。 導熱率大表示金屬的導熱性好，普通情況下，金屬資料的導熱性比非金屬資料好，純金屬的導熱性比合金好。 金屬導熱性最好的是銀，其次是銅和鋁。4．導電性 導電性是指金屬資料傳導電流的性能。 衡量金屬資料導電性能的目的是電阻率ρ，電阻率的單位是Ω·m，電阻率越小，金屬導電性越好。 金屬導電性最好的是銀，其次是銅和鋁。 工業上常用銅、鋁做導電的資料。 導電性差的高電阻金屬資料，如鐵鉻合金、鎳鉻鋁等用于制造儀表零件或電熱元件，如電熱絲等。5．熱膨脹性 金屬資料在受熱時體積會增大，冷卻時體積那么收縮，這種景象稱為熱膨脹性。 常用線膨脹系數1表示熱膨脹性，亦即溫度變化1℃時，資料長度的增減量與其0℃時的長度之比。6．磁性 金屬資料導磁的性能稱為磁性。 根據金屬資料在磁場中遭到磁化程度的不同，可分為鐵磁性資料〔如鐵、鈷等〕、順磁性資料〔如錳、鉻等〕和抗磁性資料〔如銅、鋅等〕3類。 但對某些金屬來說，磁性也不是固定不變的，如鐵在768℃以上轉變為順磁體。 鐵磁性資料可用于制造變壓器、電動機和丈量儀表等；抗磁性資料那么可用于制造要求防止電磁場干擾的零件和構造。3.1.2金屬資料的化學性能1．耐腐蝕性 耐腐蝕性是指金屬資料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學介質腐蝕破壞作用的才干。2．抗氧化性 抗氧化性是指金屬資料抵抗氧化作用的才干。3．化學穩定性 化學穩定性是金屬資料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。3.1.3金屬資料的力學性能 金屬資料的力學性能是指金屬資料在外力作用下所表現出來的性能，是資料抵抗外力的才干。 力學性能目的有強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。1．強度2．塑性3．硬度4．韌性5．疲勞強度小結 常用金屬資料的力學性能目的，如表3.1所示。3.1.4金屬資料的工藝性能1．鑄造性能2．鍛壓性能3．焊接性能4．切削加工性能5．熱處置性能3.2常用金屬資料 現代金屬資料種類繁多。 常用的金屬資料有碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬和硬質合金等。3.2.1碳素鋼1．碳素鋼的分類 碳素鋼的分類很多，常用的分類方法見表3.2。2．碳素構造鋼 碳素構造鋼根據質量可分為普通碳素構造鋼和優質碳素構造鋼。〔1〕普通碳素構造鋼 常用普通碳素構造鋼的牌號、特性和用途等如表3.3所示。〔2〕優質碳素構造鋼 優質碳素構造鋼的部分牌號、性能和運用如表3.4所示。3．碳素工具鋼 碳素工具鋼是用來制造刃具、量具和模具及其他工具的鋼。 這些工具都要求高硬度和高耐磨性，因此，碳素工具鋼含碳質量分數都在0.7%以上，普通屬于高碳鋼，有害雜質元素〔S、P〕含量較少，都屬于優質鋼和高級優質鋼。 碳素工具鋼的牌號、性能和用途如表3.5所示。3.2.2合金鋼 隨著工業消費和科技的不斷提高，對鋼材的某些性能提出了更高的要求。 所謂合金鋼是為了改善鋼的性能，特意參與其他合金元素的鋼。 常用的合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鎢、 釩、鈷、鉛、鈦和稀土金屬等。 合金元素是經過與鋼中的鐵和碳發生作用，以及合金元素之間的相互作用，從而影響鋼的 組織和改善鋼的熱處置性能等，以滿足各種使 用性能的要求。1．合金鋼的分類 合金鋼的分類方法很多，常用的分類如表3.6所示。2．合金構造鋼 合金構造鋼按用途可分為低合金構造鋼和機械制造用鋼兩大類。〔1〕低合金構造鋼〔2〕機械制造用鋼3．合金工具鋼 合金工具鋼是在碳素工具鋼的根底上，為改善其性能，再參與適量的合金元素的鋼。 這種鋼比碳素工具鋼具有更高的硬度、耐磨性，更好的淬透性、熱硬性和回火穩定性等。 因此可以制造截面大、外形復雜、性能要求高的工具。4．特殊性能鋼 特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學性能的鋼。3.2.3鑄鐵 鑄鐵是含碳質量分數大于2.11%，并含有硅、錳、硫、磷雜質元素的鐵碳合金。 鑄鐵具有良好的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性及消振性，經合金化處置后具有良好的耐熱性和耐蝕性等，消費簡單、價錢廉價。 但鑄鐵塑性、韌性較差，普通的鑄鐵抗拉強度較低，因此，鑄鐵普通用于外形復雜不能用鍛造、軋制、拉絲等方法成形的零件。3.2.4有色金屬及合金 有色金屬是指除鋼鐵資料以外的其他金屬資料，如鋁、銅、鎂、鋅、鉻等金屬及其合金。1．鋁及鋁合金〔1〕鋁和鋁合金的性能特點和牌號 ①鋁和鋁合金的性能特點。鋁是一種具有良好導電性、導熱性和延展性的輕金屬。鋁的導電性僅次于銀、銅，具有很高的導電才干，被大量用于電氣設備和高壓電纜，如今鋁也廣泛運用于制造金屬器具、體育設備及工具等。 純鋁是雪白色金屬，主要特性是密度小，強度低，不適宜作構造資料，如參與適量的銅、鎂、錳等合金元素而構成鋁合金，那么可提高強度，且仍具密度小、導熱性好、耐蝕性好等特點。 ②鋁和鋁合金的牌號。〔2〕鋁和鋁合金的分類和用途 ①純鋁，純鋁按純度分為高純鋁、工業高純鋁和工業純鋁3類。 ②鋁合金。2．銅及銅合金 銅元素在地殼中儲量較小，它是人類史上運用最早的金屬。 由于銅和銅合金具有良好的導熱性、導電性、抗磁性、耐蝕性和工藝性，故在儀表工業、電氣工業、機械制造業和造船業中運用廣泛。 現代工業上運用的銅及銅合金主要有工業純銅、黃銅和青銅，白銅運用較少。〔1〕工業純銅〔2〕銅合金 常用銅合金的牌號及運用情況如表3.15所示。3．軸承合金 在滑動軸承中，制造軸瓦或內襯的合金稱為軸承合金。3.2.5硬質合金 隨著現代制造業程度的不斷提高，要求機器的切削速度不斷提高，不少刀具的刀刃部分任務溫度已超越700℃，普通高速工具鋼已很難勝任，這時就要采用硬質合金。3.3鋼的熱處置 熱處置是采用適當的方式對金屬資料或工件進展加熱、保溫暖冷卻，以獲得預期的組織構造與性能的工藝。 我們把資料和外形完全一樣的兩把斧頭〔鋼制〕，用同樣的力砍到一木制包裝箱的釘子上，發現右邊的那把斧頭的刀刃壞了，而左邊一把卻完好無損〔見圖3.2〕；我們把資料和外形完全一樣的兩根彈簧，讓它們遭到同樣的壓力，去掉壓力以后，發現一根能恢復原狀，仍有彈性，而另一根不能恢復原狀，是沒彈性了？圖3.2斧頭受力刀刃的變化3.3.1退火與正火1．鋼的退火 退火是將工件加熱到適當溫度，堅持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處置工藝。 退火的目的如下。〔1〕降低硬度、提高塑性、改善切削加工和壓力加工性能；〔2〕細化晶粒、改善內部組織和性能；〔3〕為以后的熱處置作預備。 根據鋼的成分和退火目的的不同，退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火和去應力退火等。2．正火 正火是將工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處置工藝。3.3.2鋼的淬火 淬火是將工件加熱奧氏體化后以適當方式冷卻獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處置工藝。 淬火的目的是得到馬氏體或貝氏體組織，提高鋼的強度、硬度和耐磨性。 常用的淬火方法有單介質淬火、雙介質淬火、分級淬火和等溫淬火。 淬火常見的冷卻介質有水、鹽水和礦物油。3.3.3鋼的回火 回火是將淬火鋼重新加熱到低于727℃的某一溫度，保溫一定時間，然后空冷到室溫的熱處置工藝。 回火的目的如下。〔1〕消除剩余應力，防止變形和開裂；〔2〕調整工件硬度、強度、塑性和韌性，到達運用性能要求；〔3〕穩定組織與尺寸，保證精度；〔4〕改善和提高加工性能。3.3.4鋼的外表熱處置 在沖擊載荷、改動載荷及外表摩擦條件下任務的零件，如齒輪、凸輪、曲軸、活塞銷等，它們要求外表具有很高硬度和耐磨性，而心部需求足夠的塑性和韌性。 在這種情況下，假設采用前述的熱處置方法，很難滿足要求，這就需求進展外表熱處置。3.3.5典型零件熱處置分析 熱處置是機械制造過程中的重要工序。 正確了解熱處置的技術條件，合理安排零件的加工工藝道路，對于改善鋼的切削加工性能、保證零件的質量、滿足運用要求，具有重要意義。1．熱處置的技術條件的標注2．熱處置工序位置安排〔1〕預先熱處置〔2〕最終熱處置 ①淬火件工序位置分整體淬火件和外表淬火件兩種。 整體淬火件加工道路普通為下料—鍛造—退火〔或正火〕—粗加工、半精加工〔留磨削余量〕—淬火、回火〔低、中溫〕—磨削。 外表淬火件加工道路普通為下料—鍛造—退火〔或正火〕—粗加工—調質—半精加工〔留磨削余量〕—外表淬火、低溫回火—磨削。 ②滲碳件加工道路普通為下料—鍛造—正火—粗加工、半精加工〔留防滲余量和鍍銅〕—滲碳—淬火、低溫回火—磨削。3.4常用非金屬資料3.4.1高分子資料1．塑料 塑料是以樹脂〔天然、合成〕為主要成分，參與填充劑、增塑劑、穩定劑、著色劑、光滑劑等制成的。 常用的工程塑料的分類、特性和運用如表3.20所示。分類方法類別主要特性應用按應用

范圍通用塑料產量高、用途廣、價格低用于制造日常生活用品、包裝材料和工農業生產用的一般機械零件；常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等工程塑料在工程技術中作結構材料。具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等特殊性能可部分代替金屬，特別是有色金屬來制作某些機械構件或某些特殊用途的構件；常用的有聚酰胺（尼龍）、聚甲醛、ABS、有機玻璃等特種塑料耐高溫、產量小、價格貴具有特殊性能和特種用途，如耐高溫塑料、醫用塑料等按熱性能分類熱塑性塑料由聚合樹脂加入少量穩定劑、潤滑劑制成。加工成型簡單、力學性能較高，但耐熱差、剛性差常用的有聚酰胺（尼龍）、聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚苯乙烯等熱固性塑料大多以縮聚樹脂為基礎，加入各種添加劑而成。耐熱性高，受熱不易變形，但力學性能差常用的有酚醛塑料、氨基塑料、環氧塑料等表3.20 常用的工程塑料的分類、特性和運用2．橡膠 橡膠是一種有機高分子資料，是以生膠為主要原料，加適當的硫化劑、軟化劑、填充劑等制成。 橡膠具有彈性好、易撓曲、絕緣性好、耐磨性好的優點，有隔音、吸振才干，有一定的耐蝕性和強度，但易老化，可參與防老化劑以延伸和減輕老化。 常用橡膠的分類、特性和運用如表3.21所示。分類方法類別主要特性及應用按生膠來源天然橡膠屬于天然樹脂，是從橡膠樹的漿汁中制取的。它的抗拉強度與回彈性比多數合成橡膠好、絕緣性好，但耐熱性、抗老化性、耐介質性等較差。一般作膠帶、電線、電纜和輪胎等合成橡膠是從石油、天然氣、煤和農副產品中提煉制得的合成產物，可以代替天然橡膠。常用的有氯丁橡膠、丁苯橡膠、聚氨酯橡膠等按應用范圍通用橡膠常用的有天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠等特種橡膠能在特殊條件下（如高溫、低溫、酸、堿、油、輻射等）下使用的橡膠；常用的有乙丙橡膠、硅橡膠、氟橡膠等表3.21 常用橡膠的分類、特性和運用3．膠粘劑 膠粘劑〔粘接劑〕，它能把同種或不同種的資料結實黏合起來。 常用膠粘劑的分類、特性和運用如表3.22所示。類別名稱用途天然膠粘劑天然膠粘劑如松香等，應用范圍不如合成膠粘劑合成膠粘劑環氧膠粘劑（又稱萬能膠）廣泛應用于船舶、機械、電子儀表、化工、宇航工業等聚氨酯膠粘劑（又稱烏利當）用于液氮等低溫設備的粘接特種膠粘劑電子工業、宇航中具有特殊性能要求的零部件的膠接表3.22 常用膠粘劑的分類、特性和運用3.4.2陶瓷資料 陶瓷是以天然硅酸鹽或人工合成無機化合物為原料，用粉末冶金法消費的無機非金屬資料。 陶瓷資料是無機非金屬資料的統稱，包括陶瓷、玻璃、瓷器、搪瓷、耐火資料等。 它與金屬資料、高分子資料一同被稱為3大固體工程資料。 陶瓷具有熔點高、硬度高、化學穩定性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣等特點，有些陶瓷資料還具有導電、導磁性能。 陶瓷按原料不同分為普通陶瓷和特種陶瓷；按用途不同分為日用陶瓷和工業陶瓷。 常用陶瓷的加工方法、特性和運用如表3.23所示。3.4.3復合資料 高分子資料、陶瓷資料和金屬資料在運用上各有優點和缺乏，因此它們也有各自適用的范圍。 隨著科技的開展，機械工程資料對資料提出了新的性能要求，而運用單一資料已難以滿足這些新的運用性能，所以就出現了復合資料。 復合資料是指由兩種或兩種以上不同性質的資料，經人工組合而成的新型多相資料。 復合資料的種類很多，按基體資料分，有金屬基、聚合物基、陶瓷基復合資料；按加強資料外形分，有顆粒狀、纖維狀、層狀等復合資料；按運用目的分有構造和功能復合資料。 復合資料可根據運用性能和環境要求，來選擇不同的基體和加強資料以及制造工藝，而獲得特定性能。 常用復合資料的特性和運用如表3.24所示。類別加工方法主要特性及應用纖維復合材料大部分是由纖維和樹脂復合而成，可分為玻璃纖維復合，碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、晶須用玻璃纖維增強的熱固性塑料（稱玻璃鋼），具優良的綜合性能，在國防、汽車、化工、航空等方面應用廣泛；碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維復合材料比強度大、耐磨、自潤滑性能好，可用于航空、原子能工業中的壓氣機葉片，發動機殼體、齒輪等；晶須復合材料具有強度高的特點，可用于渦輪葉片等層疊復合材料將兩種以上的材料層疊而成如塑料復層是在普通鋼板或鋁材疊一層塑料，耐腐蝕好，可用于化工、食品工業等，如鋁塑管材等；玻璃復層是把兩層玻璃板之間夾一層聚乙烯醇縮丁醛，可作安全玻璃使用骨架復合材料包括多孔浸漬材料和夾層結構材料多孔材料浸漬低摩擦因數的油脂或氟塑料，可作軸承；夾層結構材料質輕、抗彎強度大，可制作大電動機罩、門板、飛機機翼等顆粒復合材料顆粒間的復合一種是金屬粒與塑料復合，如高含量鉛粉的塑料，可作隔音材料；銅粉加氟塑料，可作軸承材料；另一種是陶瓷粒與金屬復合，如氧化物金屬陶瓷，可作高速切削刀具表3.24 常用復合資料的特性和運用3.5新資料簡介3.5.1新型的高溫資料1．高溫合金2．彌散強化合金3．難熔合金4．陶瓷資料3.5.2外形記憶資料1．外形記憶資料工程方面運用2．外形記憶資料在醫學方面運用3.5.3超導資料1．超導資料的分類〔1〕超導元素〔2〕合金資料〔3〕超導化合物〔4〕超導陶瓷2．超導資料的運用

3.5.4非晶態資料1．非晶態資料的特性〔1〕力學性能具有高的強度和硬度。〔2〕耐蝕性非晶態合金具有很強的耐腐蝕才干。〔3〕電性能與晶態合金相比，非晶態合金的電阻率顯著增高〔2～3倍〕。〔4〕軟磁性非晶態合金磁性資料具高導磁率、高磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，且無磁各向異性。2．非晶態資料的運用3.5.5納米資料1．納米資料的分類 納米資料的分類方法有很多，常見納米資料的分類方式如表3.25所示。分類方式類別按納米顆粒結構狀態納米晶體材料納米非晶態材料按材料性質納米金屬材料納米陶瓷材料納米復合高分子材料（納米塑料、納米橡膠、納米膠粘劑、納米涂料、納米纖維）按組成相數量納米相材料（由單相微粒構成的固體）納米復相材料（每個納米微粒本身由兩相構成）表3.25 納米資料分類的常見方式2．納米資料的特性 運用納米技術，將物質加工到100nm以下尺寸時，由于它的尺寸已接近光的波長，加上其具有大外表的特殊效應，因此其所表現的特性，如熔點、磁性、導熱、導電特性等，往往產生既不同于微觀原子、分子，也不同于該物質在整體形狀時所表現的宏觀性質，也即納米資料表現出物質的超凡規特性，主要有4個方面〔見表3.26〕。分類方式類別體積效應（小尺寸效應）當粒徑減小到一定值時，納米材料的許多物性都與顆粒尺寸有敏感的依賴關系，表現出奇異的小尺