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第2章 工程材料的基本知識 2.1 金屬材料的主要性能 用來制造零件的金屬材料應(yīng)具有優(yōu)良的使用性能及工藝性能。所謂使用性能，是指機(jī)器零件在正常工作情況下金屬材料應(yīng)具備的性能，它包括機(jī)械性能(或稱之為力學(xué)性能)、物理和化學(xué)性能。而工藝性能是指零件在冷、熱加工制造過程中，金屬材料應(yīng)具備的與加工工藝相適應(yīng)的性能。 2.2 金屬材料的機(jī)械性能 所謂機(jī)械性能，是指零件在載荷作用下所反映出來的抵抗變形或斷裂的性能。機(jī)械性能指標(biāo)是零件在設(shè)計計算、選材、工藝評定以及材料檢驗時的主要依據(jù)。由于外加載荷性質(zhì)的不同(例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊及循環(huán)載荷等)，所以對金屬材料的機(jī)械性能指標(biāo)要求也將不同。常用的機(jī)械性能指標(biāo)包括：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度等。 一. 強(qiáng)度 金屬材料在外力作用下抵抗破壞(過量的塑性變形或斷裂)的性能叫做強(qiáng)度。由于外力的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等，所以強(qiáng)度也分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度。一般以測定材料的抗拉強(qiáng)度（σb）為主。 二. 硬度 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。目前常用的測定硬度的方法為壓入法。它是用特定的幾何形狀壓頭在一定載荷作用下，壓入被測試樣材料表面，根據(jù)被壓入的程度來測定其硬度值。所以硬度值的物理意義是金屬材料表面抵抗局部壓入塑性變形的能力。 常用的硬度的指標(biāo)有：布氏硬度(HBS或HBW)及洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)。 1. 布氏硬度 布氏硬度測定原理是用一定大小的載荷將一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬表面，保持一定時間后卸載，根據(jù)載荷P和壓痕的表面積F凹求出應(yīng)力值作為布氏硬度值。布氏硬度試驗法用于測定硬度不高的金屬材料，如鑄鐵、有色金屬、一般經(jīng)退火、正火后的鋼材等。 2. 洛氏硬度 洛氏硬度測定原理是以測量壓痕深度為硬度的計量指標(biāo)，由于采用了不同的壓頭及載荷，可用來測量從極軟到極硬的金屬材料的硬度。洛氏硬度的三種標(biāo)度(HRA、HRB、HRC)中，常用的是HRC洛氏硬度，它采用金剛石圓錐體做壓頭，可用來測量硬度很高的材料，如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。 三. 塑性 塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。金屬材料在斷裂前的塑性變形越大，表示材料的塑性越好；反之，則表示材料的塑性越差。常用的塑性指標(biāo)是通過拉力試驗測得的伸長率和斷面收縮率。 1. 伸長率 伸長率是試樣拉斷后標(biāo)距長度的增加量與原標(biāo)距長度的百分比，用符號δ表示?？砂聪率接嬎悖? δ＝（l1－l0/ l0 ）100% 式中：l0—試樣的原始標(biāo)距，mm； l1—試樣拉斷后的標(biāo)距長度，mm。 2. 斷面收縮率 斷面收縮率是試樣拉斷處橫斷面積的減小量與原橫斷面積的百分比，用ψ表示?？砂? 下式計算： ψ＝（A0－A1/ A0）100% 式中：A1—試樣斷口處的橫截面積，mm2， A0—試樣原橫斷面積，mm2 。 四. 沖擊韌性 許多機(jī)械器零件和工具在工作過程中往往會受到?jīng)_擊載荷的作用，由于沖擊載荷的加載速度高，使得整個材料的均勻塑性變形來不及進(jìn)行，塑性變形比較集中地產(chǎn)生于某些局部區(qū)域，因而應(yīng)力分布也不是均勻的。當(dāng)原材料的冶金質(zhì)量或加工后的產(chǎn)品質(zhì)量有缺陷時，在沖擊載荷作用下，便出現(xiàn)因韌性下降而脆斷的現(xiàn)象。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌性。 工程技術(shù)上為評定金屬材料抗沖擊載荷的能力，采和帶缺口的沖擊試樣進(jìn)行一次擺錘沖擊彎曲試驗，可測得將試樣擊斷時所消耗的功—沖擊功Ak(焦耳)。若將沖擊功Ak除以試樣缺口處的橫斷面積A(cm2)得到的商稱為“沖擊韌性”，用符號αk(J/ cm2)表示?？砂聪率接嬎悖? αk＝Ak/ A 五. 疲勞強(qiáng)度 很多機(jī)械零件，如各種軸、齒輪、連桿、彈簧等，是在交變載荷的作用下工作的。在這種重復(fù)交變載荷的作用之下，金屬材料會在遠(yuǎn)低于該材料的抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服點σs的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂），這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。 當(dāng)金屬在“無數(shù)次”(對鋼鐵來說約為106～107次)重復(fù)交變載荷作用下而不致引起斷裂 時的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度，用以衡量金屬抵抗疲勞破壞的能力。應(yīng)力循環(huán)對稱時的疲勞 強(qiáng)度用符號σ－1表示。 常用機(jī)械性能指標(biāo)及其含義見表2－1。 表2－1 常用機(jī)械性能指標(biāo)及其含義 機(jī)械性能 性 能 指 標(biāo) 說 明 名 稱 符號 單位 強(qiáng) 度 抗拉強(qiáng)度 σb MPa 金屬拉斷前的最大載荷所對應(yīng)的應(yīng)力，代表金屬抵抗最大均勻塑性變形或斷裂的能力。 屈服強(qiáng)度 σs MPa 金屬屈服時對應(yīng)的應(yīng)力，是對微量塑性變形的抵抗能力。 塑 性 延伸率 δ % 試樣拉斷后標(biāo)距長度的增量與原標(biāo)距長度的百分比，δ愈大，材料的塑性愈好。 斷面收縮率 ψ % 試樣拉斷處橫斷面積減小量與原橫斷面積的百分比，ψ愈大，材料的塑性愈好。 硬 度 布氏硬度 HB 用載荷除以壓痕球形面積所得的商作為硬度值。一般用于硬度不高的材料。 洛氏硬度 HR 根據(jù)壓痕深度來衡量硬度，HRC應(yīng)用最廣，一般經(jīng)過淬火的鋼件(HRC20～67)都用此洛氏硬度。 維氏硬度 HV 用載荷除以壓痕表面積所得的商作為硬度值。一般用于表面薄層硬化鋼化或薄的金屬件的硬度。 韌 性 沖擊韌性 αk J/cm2 將試樣擊斷時所消耗的功—沖擊功，αk愈大，材料的韌性愈好。 抗疲勞性 疲勞強(qiáng)度 σ－1 MPa 金屬材料經(jīng)受多次(一般為107周次)對稱循環(huán)交變應(yīng)力的作用而不產(chǎn)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。 2.3 金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能 1. 物理性能 金屬材料的主要物理性能有密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等。用于不同場合下的機(jī)器零件，對所用材料的物理性能要求是不一樣的。 2. 化學(xué)性能 金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學(xué)作用的能力即為化學(xué)性能，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。 3. 工藝性能 金屬材料的工藝性能用是指材料對于相應(yīng)加工工藝適應(yīng)的性能，按加工工藝方法的不同，有鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性及熱處理等。在零件設(shè)計時的選材環(huán)節(jié)中，一定要考慮到在選定的加工工藝方法下，該材料的相應(yīng)工藝性能是否良好，否則便不選用它，而換用另一種材料或另一種加工工藝。 2.4 常用的工程材料 工程材料是指制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件使用的材料，主要包括金屬、非金屬和復(fù)合材料三大類。 一、金屬材料 金屬材料是含有一種或幾種金屬元素（有時亦含有非金屬元素），以極微小的晶體結(jié)構(gòu)所組成的，具有金屬光澤的，有良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的，有一定力學(xué)性能的材料。通常指鋼、鐵、鋁、銅等純金屬及其合金。 （一）鋼 鋼是含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%（實際上小于1.35%），并含有少量雜質(zhì)元素的鐵碳合金。鋼具有良好的使用性能和工藝性能，而且產(chǎn)量大、價格較為低廉，因此應(yīng)用非常廣泛。 鋼的分類方法很多，常見的分類方法有如圖2—2所示的幾種： 圖2-2 鋼的分類 1. 碳素鋼的牌號、性能及用途 碳素鋼的熔煉過程比較簡單，生產(chǎn)費用較低，價格便宜，主要用于工程結(jié)構(gòu)，制成熱軋鋼板、鋼帶和棒鋼等產(chǎn)品，廣泛用于工程建筑、車輛、船舶以及橋梁、容器等構(gòu)件。 常用的碳素鋼的分類、牌號及應(yīng)用見表2－2所示。 表2－2 常用的碳素鋼的分類、牌號及應(yīng)用 分 類 牌 號 應(yīng) 用 舉 例 牌號舉例 符 號 說 明 碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235AF Q：表示屈服強(qiáng)度漢語拼音字首； 235：表示σs≥235MPa； A：表示硫、磷含量的多少； F：表示為沸騰鋼； 螺釘、螺母、螺栓、墊圈、手柄、小軸及型材等。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 20；40；45；65； 兩位數(shù)字代表鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。例如：45鋼種的平均含碳量為0.45%。 制造各類機(jī)械零件，例如：軸、齒輪、連桿、各種彈簧等。 碳素工具鋼 T7；T8；T12;T12A； T：表示碳工具鋼漢語拼音字首；數(shù)字編號：表示鋼的平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。例如，T7代表含碳量約等于0.7％的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼； A：表示高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，鋼中有害雜質(zhì)(P、S)的含量較少。 制造各類刀具、量具和模具。例如：錘頭、鉆頭、沖頭、絲錐、板牙、鋸條、刨刀、銼刀、量具、剃刀、小型沖模等。 2.合金鋼的牌號、性能及用途 為了改善鋼的某些性能或使之具有某些特殊性能，在煉鋼時有意加入一些元素，稱為合金元素。含有合金元素的鋼，就叫合金鋼。 鋼中加入的合金元素主要有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Al、B及稀土元素(Re)等。這類鋼比碳鋼具有更高的機(jī)械性能和某些特殊性能(如耐熱、耐蝕、耐磨性能等)，常用作重要的機(jī)器零件和工具，或要求特殊性能的零件。 常用的合金鋼的分類、牌號及應(yīng)用見表2-3所示。 表2-3 常用的合金鋼的分類、牌號及應(yīng)用 分類 牌 號 應(yīng) 用 舉 例 牌號舉例 符 號 說 明 合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 16Mn； 40Cr； 60Si2Mn 數(shù)字編號：表示鋼的平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。 元素符號：表示加入的合金元素，當(dāng)合金元素平均含量小于1.5％時，則只標(biāo)出元素符號，而不標(biāo)明其含量；倘若元素的平均含量在(1.5~2.5)％之間時，元素符號后面寫數(shù)字2；當(dāng)元素的含量在(2.5~ 3.5)％之間時，元素符號后面寫數(shù)字3； 制造各類重要的機(jī)械零件，例如：齒輪、活塞銷、凸輪、氣門頂桿、曲軸、機(jī)床主軸、板簧、卷簧、壓力容器、汽車縱橫梁、橋梁結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)等。 合 金 工 具 鋼 5CrMnMo；W18Cr4V；9SiCr； 數(shù)字編號：表示鋼的平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。 元素符號：表示加入的合金元素，當(dāng)合金元素平均含量小于1.5％時，則只標(biāo)出元素符號，而不標(biāo)明其含量；倘若元素的平均含量在(1.5~2.5)％之間時，元素符號后面寫數(shù)字2；當(dāng)元素的含量在(2.5~ 3.5)％之間時，元素符號后面寫數(shù)字3； 制造各類重要的、大型復(fù)雜的刀具、量具和模具。例如：板牙、絲錐、形狀復(fù)雜的沖模、塊規(guī)、螺紋塞規(guī)、樣板、銑刀、車刀、刨刀、鉆頭等。 特 殊 性 能 鋼 1Cr18Ni9Ti；4Cr9Si2；ZGMn13； 不銹鋼：1Cr18Ni9Ti； 耐熱鋼：4Cr9Si2； 耐磨鋼：ZGMn13； 不銹鋼：醫(yī)療器械、耐酸容器、管道等。耐熱鋼：加熱爐構(gòu)件、過熱器等。 耐磨鋼：破碎機(jī)顎板、襯板、履帶板等。 （二）鑄鐵 鑄鐵是指含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金。工業(yè)上常用鑄鐵的含碳量一般在2.5％～4％之間，此外，鑄鐵中還含有較多的錳、硅、磷、硫等元素。 鑄鐵與鋼相比，雖然機(jī)械性能較低(強(qiáng)度低、塑性低、脆性大)，但卻有著優(yōu)良的鑄造工藝性、切削加工性、消震性和減磨性等。因此，鑄鐵在生產(chǎn)中仍獲得普遍應(yīng)用。 鑄鐵中的碳，由于成分和凝固時冷卻條件的不同，可以呈化合狀態(tài)(Fe3C)或游離狀態(tài)(石墨)存在，這就使鑄鐵的內(nèi)部組織、性能、用途方面存在較大的差異，通常鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵等。 常用的鑄鐵的分類、牌號及應(yīng)用見表2-4所示。 表2-4 常用的鑄鐵的分類、牌號及應(yīng)用 分類 牌 號 應(yīng) 用 舉 例 牌號舉例 符 號 說 明 灰口鑄鐵 HT100；HT150；HT200；HT250；HT300；HT350； HT：表示灰鐵漢語拼音字首； 數(shù)字：表示該材料的最低抗拉強(qiáng)度值，單位是Mpa。例如：HT200，表示σb≥200MPa的灰口鑄鐵材料。 制造各類機(jī)械零件，例如：機(jī)床床身、飛輪、機(jī)座、軸承座、氣缸體、齒輪箱、液壓泵體等。 可鍛鑄鐵 KT300-06； KT350-10；KT450-06；KT650-02；KT700-02； KT：表示可鐵漢語拼音字首； 數(shù)字：分別表示材料的最低抗拉強(qiáng)度值(MPa)和最低伸長(δ％)。例如：KT450-06表示抗拉強(qiáng)度σb不低于450MPa，伸長率δ不低于6％的可鍛鑄鐵材料。 制造各類機(jī)械零件，例如：曲軸、連桿、凸輪軸、搖臂活塞環(huán)等。 球墨鑄鐵 QT400-18；QT500-07；QT600-03；QT900-02； QT：表示球鐵漢語拼音字首； 數(shù)字：分別表示材料的最低抗拉強(qiáng)度值(MPa)和最低伸長(δ％)。例如：QT400-18表示抗拉強(qiáng)度σb不低于400MPa，伸長率δ不低于18％的球墨鑄鐵材料。 用它可以代替部分鑄鋼或鍛鋼件，制造承受較大載荷、受沖擊和耐磨損的零件，例如：大功率柴油機(jī)的曲軸、軋輥、中壓閥門、汽車后橋等。 （三）鑄鋼 與鑄鐵相比，鑄鋼具有較高的綜合機(jī)械性能，特別是塑性和韌性較好，使鑄件在動載荷作用下安全可靠。此外，鑄鋼的焊接性較鑄鐵優(yōu)良，這對于采用鑄－焊聯(lián)合工藝制造復(fù)雜零件和重要零件十分重要。但是，鑄鋼的鑄造工藝性能差，為保證鑄鋼件的質(zhì)量，還必須采取一些特殊的工藝措施，這就使鑄鋼件的生產(chǎn)成本高于鑄鐵。 我國碳素鑄鋼件的牌號根據(jù)GB5613—85規(guī)定，用鑄鋼漢語拼音字首“ZG”加兩組數(shù)字組成，第一組數(shù)字代表屈服強(qiáng)度值(MPa)，第二組數(shù)字代表抗拉強(qiáng)度值(MPa)。鑄鋼的牌號有ZG200—400、ZG230—450、ZG270—500、ZG310—570、ZG340—640等。 （四）有色金屬 除黑色金屬鋼鐵以外的其它金屬與合金，統(tǒng)稱為有色金屬或非鐵金屬。 有色金屬具有許多與鋼鐵不同的特性，例如：高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性(銀、銅、鋁等)；優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性(鉛、鈦等)；高的導(dǎo)磁性(鐵鎳合金等)；高的強(qiáng)度(鋁合金、鈦合金等)；很高的熔點(鎢、鈮、鉭、鋯等)。所以，在現(xiàn)代工業(yè)中，除大量使用黑色金屬外，還廣泛使用有色金屬。 常用的有色金屬主要有鋁及鋁合金和銅及銅合金兩類。 1. 鋁及鋁合金 （1）工業(yè)純鋁 工業(yè)純鋁的加工產(chǎn)品，按純度的高低，分為L1、L2、……L7等七個牌號，其中，L是“鋁”字漢語拼音的首字母，數(shù)字表示編號，編號越大，純度越低。 工業(yè)純鋁的強(qiáng)度低，σb為80～100MPa，經(jīng)冷變形后可提高至150～250MPa，故工業(yè)純鋁難于滿足結(jié)構(gòu)零件的性能要求，主要用作配制鋁合金及代替銅制作導(dǎo)線、電器和散熱器等。 （2）鋁合金 用于鑄造生產(chǎn)中的鋁合金葉鑄造鋁合金，它不僅具有較好的鑄造性能和耐蝕性能，而且還能用變質(zhì)處理的方法使強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高，應(yīng)用較為廣泛。如用作內(nèi)燃機(jī)活塞、氣缸頭、氣缸散熱套等。 這類鋁合金的牌號由鑄鋁兩字漢語拼音字首“ZL”和三位數(shù)字組成。其中第一位數(shù)字為主加元素的代號(1表示Al－Si系合金；2表示Al－Cu系合金；3表示Al－Mg系合金；4表示Al－Zn系合金)，后兩位數(shù)字表示順序號。如ZL102表示鑄造鋁硅合金材料。 除了鑄造鋁合金外，還有一類鋁合金叫形變鋁合金，主要有防銹鋁、鍛造鋁、硬鋁和超硬鋁四種。它們大多通過塑性變形軋制成板、帶、棒、線材等半成品使用。其中硬鋁是一種應(yīng)用較多的由鋁－銅－鎂等元素組成的鋁合金材料。它除了具有良好的抗沖擊性、焊接性和切削加工性外，經(jīng)過熱處理強(qiáng)化(淬火加時效)后強(qiáng)度和硬度能進(jìn)一步提高，可以用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)支架、翼肋、螺旋槳、鉚釘?shù)攘慵? 2. 銅及銅合金 銅及銅合金的種類很多，一般分為紫銅(純銅)、黃銅、青銅和白銅等。 （1）純銅 純銅因其表面呈紫紅色，故亦稱紫銅。它具有極好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，大多用于電器元件或用作冷凝器、散熱器和熱交換器等零件。純銅還具良好的塑性、通過冷、熱態(tài)塑性變形可制成板材、帶材和線材等半成品。此外，純銅在大氣中還具有較好的耐蝕性。 我國工業(yè)純銅的牌號是用符號“T”(銅字漢語拼音字首)和順字?jǐn)?shù)字組成。如T1、T2、T3、T4，其中順序數(shù)字越大，表示純度下降。 （2）黃銅 銅和鋅所組成的合金叫黃銅。當(dāng)黃銅中含鋅量小于39%時，鋅能全部溶解在銅內(nèi)。這類黃銅具有良好的塑性，可在冷態(tài)或熱態(tài)下經(jīng)壓力加工(軋、鍛、沖、拉、擠)成型。按其加工方式不同，可將黃銅分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩種。 壓力加工黃銅的牌號是符號“H”(黃字漢語拼音字首)和數(shù)字組成。如H68黃銅，表示其含銅量為68%，含鋅量為32%。 鑄造黃銅其牌號前冠以ZCu＋主加元素符號＋主加元素平均含量＋輔加元素符號＋輔加元素平均含量組成。如ZCuZn38表示含鋅量為38%的鑄造黃銅，ZCuZn40Pb2表示含鋅量為40%，含鉛量為2%的鑄造鉛黃銅。 （3）青銅 由于主加元素不同，青銅分為錫青銅、鈹青銅、鋁青銅、鉛青銅及硅青銅等。除錫青銅外，其余均為無錫青銅。 青銅的牌號是用符號“Q”(青字漢語拼音字首)和數(shù)字組成。如QSn4—3，表示其含錫量為4%，含鋅量為3%的錫青銅。QAl17，表示其含鋁量為7%的鋁青銅。 鑄造青銅其牌號表示法與鑄造黃銅類似。如ZCuSn5Pb5Zn5表示含錫量為5%，含鉛為5%，含鋅量為5%的鑄造錫青銅。 二. 非金屬材料 非金屬材料是近年來發(fā)展非常迅速的工程材料，因其具有金屬材料無法具備的某些性能(如電絕緣性、耐腐蝕性等)，在工業(yè)生產(chǎn)中已成為不可替代的重要材料，如高分子材料和工業(yè)陶瓷。 1. 塑料 塑料是高分子化合物，其主要成分是合成樹脂，在一定的溫度、壓力下可軟化成形，是最主要的工程結(jié)構(gòu)材料之一。由于塑料具有許多優(yōu)良的性能，例如：具有良好的電絕緣性、耐腐蝕性、耐磨性、成形性，而密度小等，因此不僅在日常生活中到處可見，而且在工程結(jié)構(gòu)中也被廣泛地應(yīng)用。 塑料的種類很多，按性能可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。 熱塑性塑料在加熱時軟化和熔融，冷卻后能保持一定的形狀，再次加熱時又可軟化和熔融，具有可塑性。屬于熱塑性塑料的如有聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和A BS等。熱固性塑料是在固化后加熱時，不能再次軟化和熔融，不再具有可塑性。屬熱固性塑料的如有酚醛樹脂(PF)、環(huán)氧塑料(FP)等。塑料按用途可分為通用塑料和工程塑料兩類。例如，通用塑料有：酚醛塑料、聚乙烯(PF)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等。工程塑料有：聚烯胺(P A即尼龍)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)和ABS等。工程塑料具有良好的力學(xué)性能，能替代金屬制造一些機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件。還有一些輿有特殊性能的塑料，如聚四氟乙烯，它具有很好的耐蝕、耐磨和耐熱性，有塑料王之稱。 常用熱塑性塑料和熱固性塑料的名稱、性能、用途見表2－5所示。 表2－5 常用熱塑性塑料和熱固性塑料的名稱、性能、用途 名 稱 性 能 應(yīng) 用 舉 例 熱 塑 性 塑 料 聚乙烯(PE) 無毒、無味；質(zhì)地較軟，比較耐磨、耐腐蝕，絕緣性較好。 薄膜、軟管；塑料管、板、繩等。 聚丙烯(PP) 具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐曲折性、絕緣性。 機(jī)械零件、醫(yī)療器械、生活用具，如齒輪、葉片、殼體、包裝帶等。 聚苯乙烯(PS) 無色、透明；著色性好；耐腐蝕、耐絕緣但易燃、易脆裂。 儀表零件、沒備外殼及隔音、包裝、救生等器材。 ABS 具有良好的耐腐蝕性、耐磨性、加工工藝性、著色性等綜合性能。 軸承、齒輪、葉片、葉輪、設(shè)備外殼、管道、容器、車身、方向盤等。 聚酰胺(PA) 即尼龍 強(qiáng)度、韌性較高；耐磨性、自潤滑性、成形工藝性、耐腐蝕性良好；吸水性較大。 儀表零件、機(jī)械零件、電纜護(hù)層，如油管、軸承、導(dǎo)軌、涂層等。 聚甲醛(POM) 優(yōu)異的綜合性能，如良好的耐磨性自潤滑性、耐疲勞性、沖擊韌性及較高的強(qiáng)度、剛性等。 齒輪、軸承、凸輪、制動閘瓦、閥門、化工容器、運輸帶等。 聚碳酸脂(PC) 透明度高；耐沖擊性突出，強(qiáng)度較高，抗蠕變性好；自潤滑性能差。 齒輪、渦輪、凸輪；防彈窗玻璃，安全帽、汽車擋風(fēng)等。 聚四氟乙烯 (F一4) 耐熱性、耐寒性極好；耐腐蝕性極高；耐磨、自潤滑性優(yōu)異等。 化工用管道、泵、閥門；機(jī)械用密封圈、活塞環(huán)；醫(yī)用人工心、肺等。 PMMP 即有機(jī)玻璃 透明度、透光率很高；強(qiáng)度較高；耐酸、堿，不宜老化；表面易擦傷。 油標(biāo)、窺鏡、透明管道、儀器、儀表等。 熱固性塑料 酚醛塑料 (PF) 較高的強(qiáng)度、硬度；絕緣性、耐熱性、耐磨性好。 電器開關(guān)、插座、燈頭；齒輪、軸承、汽車剎車片等。 氨基塑料 (UF) 表面硬度較高；顏色鮮艷、有光澤；絕緣性良好。 儀表外殼、電話外殼、開關(guān)、插座等。 環(huán)氧塑料 (EP) 強(qiáng)度較高；韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、耐寒、耐熱性較好；成形工藝性好。 船體、電子工業(yè)零部件等。 2. 橡膠 橡膠與塑料的不同之處是橡膠在室溫下具有很高的彈性。經(jīng)硫化處理和碳黑增強(qiáng)后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)2 5～3 5 MPa，并具有良好的耐磨性。如表2—6所示為常見橡膠的名稱、性能、用途。 表2—6 常見橡膠的名稱、性能、用途 名 稱 性 能 應(yīng) 用 舉 例 天然橡膠 電絕緣性優(yōu)異；彈性很好；耐堿性較好；耐溶劑性差。 輪胎、膠帶、膠管等。 合成橡膠 耐磨、耐熱、耐老化性能較好。 輪胎、膠布膠板；三膠帶、減震器、橡膠彈簧等。 特種橡膠 耐油性、耐蝕性較好；耐熱、耐磨、耐老化性較好。 輸油管、儲油箱；密封件、電纜絕緣層等。 3. 陶瓷材料 陶瓷是各種無機(jī)非金屬材料的統(tǒng)稱，在現(xiàn)代工業(yè)中具有很好的發(fā)展前途。未來世界將是 陶瓷材料、高分子材料、金屬材料三足鼎立的時代，它們構(gòu)成了固體材料的三大支柱。 常見工業(yè)陶瓷的分類、性能、用途見表2—7。 表2—7 常見工業(yè)陶瓷的分類、性能、用途 分 類 主 要 性 能 應(yīng) 用 舉 例 普通陶瓷 質(zhì)地堅硬；有良好的抗氧化性、耐蝕性、絕緣性；強(qiáng)度較低；耐一定高溫。 日用、電氣、化工、建筑用陶瓷，如裝飾瓷、餐具、絕緣子、耐蝕容器、管道等。 特種陶瓷 有自潤滑性及良好的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性；耐腐蝕、耐高溫；硬度高。 切削工具、量具、高溫軸承、拉絲模、高溫爐零件、內(nèi)燃機(jī)火花塞等。 金屬陶瓷 (硬質(zhì)合金) 強(qiáng)度高；韌性好；耐腐蝕；高溫強(qiáng)度好。 刃具、模具、噴嘴、密封環(huán)、葉片、渦輪等。 三. 復(fù)合材料 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工合成的材料。它保留了各組成材料的優(yōu)良性能，從而得到單一材料所不具備的優(yōu)良的綜合性能。最常見的人工復(fù)合材料，如鋼筋混凝土是由鋼筋、石子、沙子、水泥等制成的復(fù)合材料；輪胎是由人造纖維與橡膠合成的復(fù)合材料。 復(fù)合材料一般由增強(qiáng)材料和基體材料兩部分組成，增強(qiáng)材料均勻地分布在基體材料中。增強(qiáng)材料有纖維(玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等)、絲、顆粒、片材等?；w材料有金屬基和非金屬基兩類，金屬基主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金等。非金屬基體材料有合成樹脂、陶瓷等。 復(fù)合材料種類繁多，性能各有特點。如玻璃纖維和合成樹脂的合成材料具有優(yōu)良的強(qiáng)度、可制造密封件及耐磨、減摩的機(jī)械零件。碳纖維復(fù)合材料密度小、比強(qiáng)度高，可應(yīng)用于航空、航天及原子能工業(yè)。 2.5 鋼的熱處理基本知識 鋼的熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的工藝方法。熱處理和其他加工工藝(鍛壓、鑄造、焊接、切削加工)不同，它的目的不是改變鋼件的外形和尺寸，而是改變其內(nèi)部組織和性能。 在機(jī)械零件或工模具的制造過程中，往往要經(jīng)過各種冷、熱加工，同時在各加工工序之間還經(jīng)常要穿插多次熱處理工藝。按其作用可分為預(yù)先熱處理和最終熱處理，它們在零件的加工工藝路線中所處的位置如下： 鑄造或鍛造→預(yù)先熱處理→機(jī)械(粗)加工→最終熱處理→機(jī)械(精)加工 為使工件滿足使用條件下的性能要求的熱處理稱為最終熱處理，如淬火＋回火等工序；為了消除前道工序造成的某些缺陷，或為隨后的切削加工和最終熱處理作好組織準(zhǔn)備的熱處理，稱為預(yù)先熱處理，如退火、正火工序。 鋼的熱處理的工藝過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段，它可用溫度—時間坐圖形來表示，稱為鋼的熱處理工藝曲線如圖2—2所示。 圖2-2 熱處理工藝曲線 一. 熱處理工藝的分類 根據(jù)熱處理的目的要求及加熱和冷卻方法的不同，一般可將鋼的熱處理工藝按如圖2—3所示進(jìn)行分類。 圖2-3 鋼的熱處理分類 二. 常用熱處理設(shè)備 根據(jù)熱處理的基本過程，熱處理設(shè)備有加熱設(shè)備、冷卻設(shè)備和檢驗設(shè)備等。 (一)加熱設(shè)備 加熱爐是熱處理車間的主要設(shè)備，通常的分類方法為：按能源分為電阻爐、燃料爐；按工作溫度分為高溫爐（＞1000℃）、中溫爐（650～1000℃）、低溫爐（＜600℃）；按工藝用途分為正火爐、退火爐、淬火爐、回火爐、滲碳爐等；按形狀結(jié)構(gòu)分為箱式爐、井式爐等。 常用的熱處理加熱爐有電阻爐和鹽浴爐。 1.箱式電阻爐 箱式電阻爐是由耐火磚砌成的爐膛及側(cè)面和底面布置的電熱元件組成通電后。電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射達(dá)到對工件的加熱。箱式電阻爐的選用，一般根據(jù)工件的大小和裝爐量的多少。中溫箱式電阻爐應(yīng)用最為廣泛，常用于碳素鋼、合金鋼零件的退火、正火、淬火及滲碳等。如圖2—4所示為中溫箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)示意圖。 1— 爐門 2— 爐體 3— 爐膛前部 4— 電熱元件 5— 耐熱鋼爐底板 6— 測溫?zé)犭娕?7— 電子控溫儀表 8— 工件 圖2-4 中溫箱式電阻爐 2. 井式電阻爐 井式電阻爐的特點是爐身如井狀置于地面以下。爐口向上，特別適宜于長軸類零件的垂直懸掛加熱，可以減少彎曲變形。另外，井式爐可用吊車裝卸工件，故應(yīng)用較為廣泛。如圖2—5所示為井式電阻爐結(jié)構(gòu)示意圖。 1—裝料筐2—工件3—爐蓋升降機(jī)構(gòu)4—電動機(jī) 5—風(fēng)扇6—爐蓋7—電熱元件8—爐膛9—爐體 圖2-5 井式電阻爐 3. 鹽浴爐 鹽浴爐是用液態(tài)的熔鹽作為加熱介質(zhì)對工件進(jìn)行加熱，特點是加熱速度快而均勻，工件氧化、脫碳少，適宜于細(xì)長工件懸掛加熱或局部加熱，可以減少變形。如圖2-6所示為插入式電極鹽浴爐。 鹽浴爐可以進(jìn)行正火、淬火、化學(xué)熱處理、局部淬火、回火等。 　 　 1—連接變壓器的銅排 2—風(fēng)管 3—爐蓋 4—電極 5—爐襯 6—爐殼 圖2-6 鹽浴爐 (二)冷卻設(shè)備 常用的冷卻設(shè)備有水槽、油槽、浴爐、緩冷坑等。介質(zhì)包括自來水、鹽水、機(jī)油、硝酸鹽溶液等。 (三)檢驗設(shè)備 常用的檢驗設(shè)備有洛氏硬度計、布氏硬度計、金相顯微鏡、物理性能測試儀、游標(biāo)卡尺、量具、無損探傷設(shè)備等。 三.熱處理工藝方法 熱處理的方法很多，常見的有退火、正火、淬火和回火。還有表面熱處理，如表面淬火、 化學(xué)熱處理等。 1.退火 退火的方法是將工件加熱到一定溫度下，保溫后，隨爐冷卻。 退火的目的是消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、改善加工性能和細(xì)化晶粒，提高材料的力學(xué)性能。 2. 正火 正火的方法是將工件加熱到一定溫度下，保溫后，在空氣中冷卻。 正火的目的與退火相似，由于在空氣中冷卻，冷卻速度稍大，正火后得到的組織比退火 的更細(xì)、硬度也高一些。與退火相比，正火生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)率高，所以應(yīng)盡量用正火替代退火。在生產(chǎn)中，低碳鋼常采用正火來提高切削性能，對一些不重要的中碳鋼零件可將正火作為最終熱處理。 3. 淬火 淬火是將工件加熱到一定溫度，保溫后，在水或油中快速冷卻。 淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。 4. 回火 回火是在淬火后必須進(jìn)行的一種熱處理工藝。因為工件淬火以后，得到的組織很不穩(wěn)定，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，極易造成裂紋，如在淬火后及時進(jìn)行回火，就能不同程度地穩(wěn)定組織、消除內(nèi)應(yīng)力。獲得所需要的使用性能。 根據(jù)不同的回火溫度，回火處理有高溫回火、中溫回火和低溫回火三種。 高溫回火的溫度為500℃～650℃，淬火加高溫回火稱調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理適用于中碳鋼，可獲得較高的綜合力學(xué)性能。它適用于生產(chǎn)重要零件（如軸、齒輪和連桿等）。中溫回火（350℃～450℃）后，材料具有較高的彈性，硬度適中，適用于各種彈性零件（如彈簧）的生產(chǎn)。低溫回火（150℃～250℃）后，材料仍保持有較高的硬度．使工件具有很好的耐磨性，它適用于各種工具、滾動軸承等。 5. 表面淬火 表面淬火是將零件表層以極快的速度加熱到臨界溫度以上奧氏體化，而心部因受熱較少還來不及達(dá)到臨界溫度，接著用淬火介質(zhì)進(jìn)行急冷，使表層淬成馬氏體，心部仍保持淬火前組織的一種工藝，經(jīng)表面淬火后，鋼件得到表層硬度高、耐磨，心部硬度低，韌性好的性能。表面淬火有多種方法，現(xiàn)在常用感應(yīng)加熱表面淬火法。此外還有火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火法等。 6. 化學(xué)熱處理 將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝，稱為化學(xué)熱處理。 化學(xué)熱處理使工件的表層和心部，得到迥然不同的組織和性能，從而顯著提高零件的使用質(zhì)量，延長使用壽命；它還能使一些價廉易得的材料改善性能，來代替某些比較貴重的材料。因此，近年來化學(xué)熱處理有很大的發(fā)展。 化學(xué)熱處理種類很多，按其主要目的大致可分兩類：一類是以強(qiáng)化為主，例如滲碳、氮化(滲氮)、碳氮共滲、滲硼等，它們的主要目的是使零件表面硬度高、耐磨并提高疲勞抗力；另一類是以改善工件表面的物理、化學(xué)性能為主，如滲鉻、滲鋁、滲硅等，目的是提高工件表面抗氧化、耐腐蝕等性能。