《機械基礎（多學時）》第3章 工程材料基礎

第3章工程材料基礎它們是用什么材料制造的？第1節(jié)金屬材料第2節(jié)非金屬材料*第3節(jié)新型工程材料第4節(jié)機械工程材料選用第1節(jié)金屬材料

1.1金屬材料的性能金屬材料是最常被使用的工程材料，具有很多良好的性能，這些性能包括使用性能和工藝性能。

1.1.1金屬材料的使用性能

金屬材料使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，使用性能決定了金屬材料的使用范圍。使用性能包括物理性能、化學性能和力學性能，而影響材料使用性能的主要是力學性能。

金屬材料的力學性能是指材料在載荷作用下所表現(xiàn)出來的性能。常用的力學性能主要有強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。

1.強度

強度是指材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。強度的大小通常用應力表示，符號為σ

，單位為Pa

（帕）。工程上常用的強度指標有屈服點σs和抗拉強度σb

等。

2.塑性

塑性是指金屬材料在靜力作用下產生塑性變形（不可恢復的變形）而不被破壞的能力。常用的塑性指標有斷后伸長率和斷面收縮率。

3.硬度

金屬材料抵抗其他更硬物體壓入的能力稱為硬度。硬度是衡量金屬材料軟硬的一個重要指標。常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

4.韌性

韌性是指金屬材料在沖擊載荷載荷作用下抵抗破壞的能力。金屬材料的韌性大小可通過沖擊試驗測定。

5.疲勞強度

在交變應力作用下，雖然零件的工作應力遠低于屈服點，但經過較長時間的工作會產生裂紋或突然斷裂，這個過程稱為疲勞。許多機械零件，如軸承、齒輪、軸、彈簧等都是在交變應力作用下工作的。

疲勞強度是指金屬材料經無數(shù)次交變應力作用而不斷裂的最大應力。

2.金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指在各種加工條件下表現(xiàn)出來的能力。

1.鑄造性能

鑄造是用熔化的金屬材料充注型腔，待凝固后，取得一定形狀鑄件的過程。金屬材料利用鑄造的方法制成優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。金屬材料中，灰鑄鐵和青銅的鑄造性能好。

2.鍛壓性能

鍛壓是一種通過鍛打或加壓使加熱金屬材料成形的加工方法。鍛壓性能是指金屬材料適應鍛壓加工成形的能力。低碳鋼、低碳合金鋼具有良好的鍛壓性能。

3.焊接性能焊接是通過加熱或加壓使金屬永久連接的方法。金屬材料用焊接的方法實現(xiàn)牢固連接的能力稱為焊接性能。低碳鋼的焊接性能好。

4.切削加工性切削加工性是指金屬材料接受切削成形的能力。鑄鐵、銅合金、鋁合金和一般碳鋼都具有較好的切削加工性。1.2鐵碳合金基礎鋼鐵是工業(yè)中應用最廣泛的金屬材料。它們主要是由鐵和碳兩種元素組成，統(tǒng)稱鐵碳合金。

1.2.1金屬的結晶金屬由液態(tài)經冷卻轉變成固態(tài)的過程稱為結晶。金屬晶格（原子在晶體中的排列方式的空間格架）。常見類型有體心立方晶格（如δ-Fe、α-Fe）、面心立方晶格（如γ-Fe）和密排立方晶格。

純鐵的冷卻曲線如圖3-1所示。從曲線上可以看到（液態(tài)）Feδ-Feγ-Feα-Fe

結晶晶格類型轉變晶格類型轉變

圖3-1純鐵的冷卻曲線我們把金屬在固體下，隨著溫度的變化，晶格由一種類型轉變成為另一種類型的轉變過程，稱為同索異構（晶）轉變。同索異構轉變是鋼鐵一個重要特性，是能夠進行熱處理來改變性能的基礎。

1.2.2鐵碳合金的墓木組織

鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

(1）鐵素體

鐵素體是碳原子溶解在α-Fe中形成的，用符號F表示。鐵素體室溫時的性能與純鐵時間相似，強度、硬度低，塑性和韌性好。

(2）奧氏體

奧氏體是碳原子溶解在γ-Fe形成的，用符號A表示。奧氏體塑性韌性好，強度和硬度較低。由于奧氏體組織性能好，易于鍛壓成形。

(3）滲碳體

滲碳體是鐵和碳相互作用，形成的穩(wěn)定的化合物，用Fe3C表示。滲碳體的碳質量分數(shù)為6.69%，熔點為1227℃．硬度很高．塑性、沖擊韌度幾乎為零。

(4）珠光體

由鐵素體與滲碳體（F+Fe3C）組成的混合物珠光體（P)，所以它的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。

(5）萊氏體

由滲碳體與奧氏體（Fe3C+A）組成的混合物稱為高溫萊氏體（Ld)，滲碳體與珠光體(Fe3C+P）組成的混合物低溫萊氏體（Ld'）。萊氏體硬度很高，塑性很差。鐵碳合金的五種基本組織中，鐵素體、奧氏體和滲碳體是單相組織，稱為鐵碳合金的基本相，珠光體和萊氏體則是由基本相的混合而成的多相組織。

1.2.2鐵碳合金相圖

1.鐵碳合金相圖的建立

鐵碳合金相圖是表示在極緩慢加熱（或冷卻）條件下，鐵碳合金的成分、溫度與組織或狀態(tài)之間關系的圖形。如圖3-2所示是簡化后的Fe-Fe3C相圖。圖中縱坐標表示溫度，橫坐標表示碳的質量分數(shù)（含碳量）。Fe-Fe3C相圖是研究鋼和鑄鐵的組織與性能的重要基礎，是選擇鋼鐵材料的依據(jù)，對制定鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等加工工藝有著重要的指導意義。

圖32簡化后的F〔Fe3C相圖

2鐵碳合金的分類

根據(jù)碳的質量分數(shù)，鐵碳合金可分為以下三類：

(1）工業(yè)純鐵：碳的質量分數(shù)小于0.0218％的鐵碳合金。

(2）鋼：碳的質量分數(shù)在0.0218％～2.11％之間的鐵碳合金。

(3）鑄鐵：碳的質量分數(shù)在2.11％～6.69％之間的鐵碳合金。669

1.3鋼的熱處理

熱處理是機械制造工藝中不可缺少的組成部分，鋼經過熱處理后，能充分發(fā)揮材料的潛力，改善其使用性能與工藝性能，提高產品的質量，延長使用壽命。如T8鋼制造的鏨子，淬火前硬度僅為（180～200)HBW．耐磨性差難以鏨削金屬，經淬火處理，硬度可達（60～62)HRC，耐磨性好，切削刃鋒利。

鋼的熱處理是將采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。熱處理的方法雖然很多，但各種熱處理工藝過程都是由加熱、保溫、冷卻三個階段組成。鋼的常用熱處理方法、含義及目的見表3-1。

表3-1常用熱處理方法、含義和目的熱處理方法含義和目的退火含義：將鋼材（或剛件）加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝

目的：①降低硬度，以利于切削加工；②均勻組織和成分，改善鋼的力學性能；③消除鋼中的內應力，防止變形及開裂正火含義：將鋼材（或剛件）加熱到適當溫度，保持一定時間，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝

目的：和退火目的基本相同

正火與退火的區(qū)別：鋼在正火后的強度、硬度高于退火，操作簡便，生產周期短，成本低淬火含義：將鋼材（或剛件）加熱到適當溫度，保持一定時間后放人淬火介質（水、油等）中冷卻的工藝

目的：提高鋼的強度、硬度和耐磨性回火含義：將淬火鋼再新加熱到低于727℃某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝

目的：①獲得所需要的組織和性能；②減小和消除內應力；③穩(wěn)定組織與尺寸熱處理方法含義和目的調質含義：鋼材（或剛件）淬火后又高溫回火的復合熱處理工藝目的：提高鋼的強度、塑性、韌性表面淬火含義：僅對鋼材（或剛件）表面層進行的淬火

目的：使鋼表面具有高硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部具有足夠的塑性和韌性滲氮含義：在一定溫度下，使活性氮原子滲入鋼表層的化學熱處理工藝目的：提高鋼表面的硬度、耐磨性、疲勞強度與耐蝕性滲碳含義：把鋼件放在滲碳介質中，加熱到一定溫度并保溫使碳原子滲人表面層的一種化學熱處理工藝

目的：提高鋼表面的硬度、耐磨性、疲勞強度續(xù)表

1.4鋼鐵材料

鋼鐵材料是鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱。鋼是以鐵為主要元素，碳的質量分數(shù)一般在2.11％以下，并含有其他元素的材料。鑄鐵是碳的質量分數(shù)大于2.11％的鐵碳合金。碳的質量分數(shù)2.11％通常是鋼和鑄鐵的分界線。

1.4.1鋼的分類

鋼的分類方法很多，在國家標準GB/13304-1991《鋼分類》中，按照化學成分、主要質量等級和主要性能及使用特性，將鋼分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼三大類。

1.非合金鋼

非合金鋼習慣上稱為碳素鋼或碳鋼。

(1）非合金鋼的分類

按碳的質量分數(shù)非合金鋼可分為低碳鋼（wc<0.25%）、中碳鋼（0.25％<wc<

0.60%）、高碳鋼（wc

>0.60％）。

按質量等級非合金鋼可分為普通非合金鋼、優(yōu)質非合金鋼、特殊質量非合金鋼。按用途非合金鋼可分為碳素結構鋼和碳素工具鋼。

(2）非合金鋼的性能、用途及牌號

非合金鋼的性能、用途及牌號見表3-2。

類別性能及用途牌號碳素結構鋼普通碳素結構鋼普通碳素結構鋼容易冶煉，工藝性能較好，能保證一定的力學性能，一般多軋制成型鋼、鋼板、鋼管，少用于廠房、橋梁、船舶等建筑結構和螺釘、螺母、連桿等要求不高的機械零件牌號由“Q”(“屈”字漢語拼音字母字首）、屈服點數(shù)值、質量等級符號（A、B、C、D））和脫氧方法符號（F-沸騰鋼、b-半鎮(zhèn)靜鋼、Z-鎮(zhèn)靜鋼、TZ-特殊鎮(zhèn)靜鋼）四部分組成。如QZ35一A·F表示屈服點為235

MPa

的A級沸騰鋼

優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼中含雜質元素硫、磷比普通碳素結構鋼少，力學性能比普通碳素結構鋼好。優(yōu)質碳素結構鋼的產量較大，用途較廣，常用于制造各種較重要的機械結構零件，也用作冷沖零件。這類鋼的冶煉及加工工藝比較簡單，成本較低

牌號由兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質量分數(shù)的萬分之幾。當鋼中錳的質量分數(shù)較高時．在鋼號后加“Mn”。如45表示碳的質量分數(shù)為0.45％碳素結構鋼。65Mn表示碳的質量分數(shù)為0.65％含錳量較高碳素結構鋼

碳素工具鋼碳素工具鋼由于冶煉容易，加工性能良好，成本較低，是最廉價的工具鋼。經淬火和回火后，能獲得高的硬度和良好的耐磨性。碳素工具鋼適宜制作尺寸較小、形狀簡單的低速切削刀具，也可制造性能要求不高的模具和量具

牌號用"T"(“碳”字漢語拼音字首）＋數(shù)字（平均碳的質量分數(shù)的千分之幾）+（A）表示。如T10A表示平均碳的質量分數(shù)為1.0％的高級優(yōu)質碳素工具鋼合金鋼

合金鋼按照用途可分為合金結構鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。

(1）合金結構鋼

合金結構鋼是在優(yōu)質碳素結構鋼的基礎上，有目的地加入一些種合金元素而形成的。加入合金元素后，提高了鋼的淬透性，經熱處理后比碳素鋼具有更好的綜合力學性能，廣泛地用于制造各種重要的機械零件。按用途和熱處理工藝特點，合金結構可分為滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼和滾動軸承鋼。合金結構鋼的性能、用途及牌號見表3-3。

類別

性能及用途

牌號

合金滲碳鋼

合金滲碳鋼是在優(yōu)質碳素結構鋼的基礎上加入鉻、鎳、錳、硼、釩、鈦等元素而形成的。鋼經滲碳、淬火及低溫回火后，獲得高硬度、高耐磨性的表面及塑性、韌性好的心部。特別適用于在高速、重載、強烈沖擊和受磨損條件下工作的零件，如汽車、拖拉機、機床的變速齒輪、內燃機凸輪軸等

牌號用“兩位數(shù)字＋化學元素符號＋數(shù)字”表示。兩位數(shù)字表示平均含碳質量分數(shù)含的萬分，合金元素用化學元素符號表示，合金元素符號后的數(shù)字表示該元素質量分數(shù)的含量的百分之幾。如60Si2Mn表示平均碳的質量分數(shù)為0.60％、硅為2％、錳小于1.5％的合金結構鋼

合金調質鋼

合金調質鋼是在碳素調質鋼的基礎上加入一種或數(shù)種合金元素，使之在調質處理后具有良好的綜合力學性能的鋼。常加入的合金元素有錳、硅、鉻、鎳、鉬等。用于尺寸較大、負荷較重且承受沖擊的重要機械零件，如機床主軸、汽車后橋半軸、連桿螺栓、蝸桿等

合金彈簧鋼合金彈簧鋼是在碳的質量分數(shù)為0.15％一0.7％的優(yōu)質碳素工具鋼的基礎上加入硅、錳、鉻、釩、鎢等合金合金元素，以提高鋼的屈服強度和淬透性。主要用來制作截面尺寸較大、承受較大負荷的彈簧表3-3合金結構鋼性能、用途和牌號類別

性能及用途

牌號

滾動軸承鋼滾動軸承鋼的碳的質量分數(shù)較高，一般在0.95％一1.15％之間，并且還含有一定量的合金元素，如鉻、硅、錳、鉬、釩等，以提高鋼的強度和淬透性。同時還嚴格控制硫、磷及非金屬夾雜物的含量，以提高鋼的疲勞強度，因而滾動軸承鋼是一種高級優(yōu)質鋼。它是用來制造各種滾動軸承的滾動體及內外套圈。也可用來制造刀具，冷沖模、量具等工具，以及性能要求類似滾動軸承的耐磨零件

牌號以“滾”字的漢語拼音字母字首“G”開頭，接著是合金元素鉻，它后面的數(shù)字是鉻的質量分數(shù)的千分之幾。如GCrl5表示平均鉻的質量分數(shù)為1.5％的滾動軸承鋼

合金鑄鋼合金鑄鋼指含有合金元素的鑄鋼。加入合金元素提高了鑄鋼的力學性能和某些特殊性能，如耐熱、耐腐蝕

牌號是在合金鋼牌號前加“ZG”。如ZG35CrMn(2）合金工具鋼

合金工具鋼是在碳素工具鋼基礎上，加入合金元素后，提高了鋼的淬透性、耐回火性和韌性。合金工具鋼按用途可分為刃具鋼、量具鋼和模具鋼。合金工具鋼的性能、用途及牌號見表3-4。類別性能及用途牌號合金刃具鋼刃具鋼主要用于制造車刀、銑刀、鉆頭等切削工具，也用于制造一此手動工具、木工工具等，具有高強度、高硬度、高耐磨性、高熱硬性、足夠的塑性和韌性牌號用“一位數(shù)字＋化學元素符號＋數(shù)字”表示。一位數(shù)字表示平均碳的質量分數(shù)的千分之幾。當鋼中碳的質量分數(shù)大于或等于1.0％時，不標出。如9SiCr表示平均碳的質量分數(shù)為0.9%，硅和鉻的質量分數(shù)均小于1.5％的合金工具鋼合金模具鋼分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。冷作模具鋼用于制造各種冷沖模、冷擠壓模和拉絲模等，熱作模具鋼用于制造各種熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等合金量具鋼量具鋼用于制造各種測量工具，如游標卡尺、千分尺、塊規(guī)和塞規(guī)等。具有高的硬度、耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性表3-4合金工具鋼性能、用途和牌號

(3）特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學性能的鋼。它包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。這些鋼在機械制造、特別是在化工、石油、儀表和工業(yè)等部分有著廣泛而重要的用途。特殊性能鋼的牌號表示與合金工具鋼基本相同。如2Cr13表示平均碳的質量分數(shù)為0.2%，鉻的質量分數(shù)約為13％的不銹鋼。

①不銹鋼

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽溶液或其他腐蝕性介質中具有高的化學穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。在酸、堿、鹽等侵蝕性較強的介質中能抵抗腐蝕作用的鋼，又進一步稱為耐蝕鋼，或稱耐酸鋼。不銹鋼主要用來制造在各種腐蝕介質中工作的零件或構件，例如化工裝置中的各種管道、閥門和泵，醫(yī)療手術器械、防銹刃具和量具等。常用不銹鋼有1Cr13,2Crl3,1Crl7及1Crl8Ni9Ti。

②耐熱鋼

耐熱鋼是指在高溫下具有熱化學穩(wěn)定性和熱強性的特殊鋼。熱化學穩(wěn)定性指鋼在高溫下對各類介質化學腐蝕的抵抗能力，熱強性指鋼在高溫下保持一定強度的性能。耐熱鋼主要用于石油化工的高溫反應設備和加熱爐，火力發(fā)電設備的汽輪機和鍋爐，飛機的噴氣發(fā)動機等設備。常用耐熱鋼有3Crl8Ni25Si2,Crl2,Cr13及1Crl8Ni9Ti。

③耐磨鋼

耐磨鋼主要用于機器運轉過程中承受嚴重磨損和強烈沖擊的零件，如車輛履帶板、挖掘機鏟斗、破碎機顆板和鐵軌分道又、防彈板等。耐磨鋼具有很高的耐磨性和韌性。常見的耐磨鋼為ZGMnl3

。1.5鑄鐵鑄鐵是含碳質量分數(shù)大于2.11%，并含有硅、錳、硫、磷等雜質元素的鐵碳合金。鑄鐵具有良好的鑄造性、耐磨性、減振性和切削加工性，生產簡單．價格便宜。因此，鑄鐵在工業(yè)生產中應用廣泛。

鑄鐵通常分為白日鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵等。白口鑄鐵性能硬而脆，不易切削加工．在機械工業(yè)中很少直接應用。常用鑄鐵的性能、用途及牌號見表3-5。

表3-5常用鑄鐵的性能、用途及牌號類別性能及用途牌號灰鑄鐵良好的鑄造性、切削性能、減振性、耐摩性，且價格低廉，但塑性、韌性差，應用非常廣泛，如床身、機座、活塞及形狀復雜或承受較大摩擦力的批量生產的零件

牌號由“HT”(“灰鐵”漢語拼音字首）和一組數(shù)字組成。數(shù)字表示該鑄鐵的最低抗拉強度。如HT200表示最低抗拉強度為200MPa

的灰鑄鐵可鍛鑄鐵具有一定的塑性和韌性，可用于管接頭、汽車和拖拉機后橋外殼、低壓閥門?？慑戣T鐵并不是可以鍛造的鑄鐵，而恰好是不能鍛造的

牌號由三個字母和兩組數(shù)字組成。其中前兩個字母“KT”(“可鐵”兩字漢語拼音字首）表示可鍛鑄鐵。第三個字母“H”或“Z”或“B”是“黑”“珠”“白”的漢語拼音字首，分別表示黑心、珠光體、白心。其后第一組數(shù)字表示最低的抗拉強度。第二組數(shù)字表示最低的伸長率。如KTH300-06最低伸長率為6％、最低的抗拉強度為300MPa

的黑心可鍛鑄鐵球墨鑄鐵強度和韌性都比灰鑄鐵好，用于截面較薄、形狀比較復雜、尺寸不大、韌性要求較高的零件如內燃機機車曲軸、凸輪軸、齒輪等

牌號由“QT”(“球鐵”漢語拼音字首字首）和兩組數(shù)字組成。第一組數(shù)字表示最低的抗拉強度。第二組數(shù)字表示最低的伸長率。如QT450-l0表示最低伸長率為10％、最低抗拉強度為450MPa

的球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵兼有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的性能，可用于制造活塞環(huán)、大型齒輪箱體、氣缸蓋、液壓件等

牌號由“RuT”(“蠕”漢語拼音和“鐵”漢語拼音字首）和一組數(shù)字組成。數(shù)字表示最低抗拉強度，單位MPa

。如RuT300表示最低抗拉強度為300MPa

的蠕墨鑄鐵1.6有色金屬材料1.6.1鋁及其合金在工業(yè)生產中，通常把鋼鐵材料稱為黑色金屬，而把其他的金屬材料稱為有色金屬。與鋼鐵材料等黑色金屬材料相比，有色金屬具有許多優(yōu)良的特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。下面主要介紹機械制造中常用的鋁及鋁合金、銅及銅合金。

1.純鋁

純鋁是一種銀色金屬材料，密度為2.7kg/m3,其熔點為660℃，具有很高的塑性，導電性和導熱性好，抗氧化性能好，強度和硬度較低。適于成形加工，制成板材、線材、型材等，還用于制作電線、電纜等。

工業(yè)純鋁代號由“L＋順序號”組成。“L”是“鋁”字的漢語拼音字首。工業(yè)純鋁的牌號有Ll,L2，…，L6，順序號越大，純度越低。

2鋁合金

在純鋁中加入硅、銅、鎂、錳等合金元素形成鋁合金可有效提高力學性能。根據(jù)鋁合金的成分和生產工藝特點，將鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。

(1）形變鋁合金

按其主要性能和用途分為防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。防銹鋁合金具有良好的耐腐蝕性、焊接性和高的強度，主要用于制作鉚釘、液體容器、飲料罐等在液體中工作的、中等強度的焊接件和冷沖壓件。硬鋁合金經熱處理后能獲得相當高的強度，主要用于制作發(fā)動機葉片等高強度、高載荷要求的零件和構件。超硬鋁合金比硬鋁合金增加了合金元素鋅，所以強度更高。主要制作承力構件和高載荷構件，如飛機上的起落架等。鍛造鋁合金具有良好的鍛造性能、熱塑性和力學性能，主要用于鍛制形狀復雜、中等強度的模鍛件或沖壓件。

(2）鑄造鋁合金

鑄造鋁合金主要是用來制作鑄件的鋁合金，具有良好的鑄造性能。鑄造鋁合金按加入的主要合金元素的不同分為，鋁-硅系、鋁-銅系、鋁-鎂系、鋁-鋅系合金。其中鋁-硅系合金是工業(yè)中應用最廣泛的鑄造鋁合金。6.2銅及其合金

1.純銅

純銅表面形成氧化膜后呈紫色，又稱為紫銅。純銅的性能特點是具有優(yōu)良的導電性、導熱性。其導電性、導熱性僅次于銀，常作為導電、導熱材料使用，如電線、電纜、銅管等。工業(yè)純銅代號由“T＋順序號”組成。“T”是“銅”字的漢語拼音字首。工業(yè)純銅的牌號有廠Tl、T2、T3，順序號越大，純度越低。

2銅合金

純銅的力學性能不高，在機械制造業(yè)中使用的都是銅合金。常用的銅合金有黃銅、白銅和青銅三類。在機械生產中常用的是黃銅和青銅。

(1）黃銅

以鋅為主要添加元素的銅合金稱為黃銅。普通黃銅是銅-鋅二元合金，在普通黃銅中加入鉛、鋁、錳等元素時稱為特殊黃銅。普通黃銅具有適宜的強度、良好的塑性、耐蝕性和工藝性。廣泛用于制造機械零件、電氣元件和日用品。特殊黃銅的力學性能、耐蝕性好。特殊黃銅代號由“H＋主加元素的化學符號＋數(shù)字”組成。“H”是“黃”字的漢語拼音字母，數(shù)字表示銅和加入元素的平均含量。如H80表示銅的平均質量分數(shù)為80％的普通黃銅。（2）青銅

青銅是指黃銅、白銅以外的銅合金。因銅與錫的合金呈青色而得名。按主加元素種類可分為錫青銅、鋁青銅、硅青銅和鈹青銅。

加工用青銅的代號用“Q＋主加元素符號＋數(shù)字”組成?！癚”是“青”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示主加元索和其他元素加入的平均質量分數(shù)。如QSn4-3表示為：錫的平均質量分數(shù)為4％，其他元素的平均質量分數(shù)為3％的錫青銅。鑄造用青銅代號用“Z+Cu＋合金元素符號＋數(shù)字”表示?！癦”是“鑄”字漢語拼音字首，表示類別為鑄造用青銅，“Cu”表示基體元素為銅，合金元索后面的數(shù)字表示合金元素加入的平均質量分數(shù)。如ZCuA19-4表示鋁的平均質量分數(shù)為9%，其他元素平均質量分數(shù)為4％的鑄造用鋁青銅。錫青銅具有良好的耐蝕性、耐磨性和鑄造工藝性，適于制造耐磨和耐腐蝕的零件。如接觸片、振動片、軸套、蝸輪輪齒等。*第2節(jié)非金屬材料

非金屬材料是指除了金屬材料以外的各種材料的總稱。隨著材料科學和材料工業(yè)的不斷發(fā)展，非金屬材料也出現(xiàn)了品種不斷增加、性能不斷改善的局面，以適應各行業(yè)的需要。特別是近幾十年來，非金屬材料發(fā)展很快，應用越來越廣泛。機械工程材料中非金屬材料主要有工程塑料、復合材料等

1.工程塑料

塑料是以樹脂為主要成分，加入填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、著色劑、潤滑劑等制成的。按應用范圍分為通用塑料和工程塑料。

(1）通用塑料

主要是指產量大、價格低、應用廣泛的常用塑料。主要有聚乙烯（代號PE）、聚丙烯（代號PP）、聚苯乙烯（代號PS）、聚氯乙烯（代號PVC）、酚醛塑料（俗稱電木，代號PF）、氨基塑料（俗稱電玉）等六種塑料，主要用于制造日常生活用品、包裝材料和工農業(yè)生產用的一般機械零件。

(2）工程塑料

常在工程技術中作結構材料。這類塑料具有較高的強度、硬度、耐摩擦性．因而可部分代替金屬，特別是用來制作某些機械構件或某些特殊用途的構件。常用的工程塑料有聚酞胺（通稱尼龍，代號PA）、聚甲醛（代號POM）、聚甲基丙烯酸甲醋（俗稱有機玻璃，代號PPMA）等。

2.復合材料

復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質的材料，經人工組合而成的多相材料。它具有各組成材料的優(yōu)點，能獲得單一材料無法具備的綜合性能。復合材料的全部相分為基體相和增強相。基體相起粘結劑作用，增強相起提高強度作用。復合材料有以下幾種分類方法：

(1）復合材料的分類

按基體不同，分為非金屬基體和金屬基體兩類。

按增強相種類和形狀不同，分顆粒、層疊、纖維增強等復合材料。

按性能不同，分為結構復合材料、功能復合材料。結構復合材料用于制作造結構和零件的復合材料，功能復合材料是指具有某些物理功能和效應的復合材料。

(2）復合材料的性能

復合材料具有比強度、比模量高、抗疲勞性能好、減振性能好、高溫性能好、斷裂安全性高以及較好的減摩性、耐蝕性和工藝性。其主要缺點是：各向異性，橫向抗拉強度和層間剪切強度不高．延長率較低．韌性較差，成本太高等。所以．復合材料目前應用不廣。但是，復合材料是一種新型的、獨特的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。

(3）常用復合材料

目前常用的復合材料有纖維增強復合材料、層疊復合材料和顆粒復合材料。熱同性玻璃纖維增強復合材料又稱玻璃鋼，在石油化工行業(yè)有廣泛的應用，如玻璃鋼制造各種罐、管道、泵等，另外玻璃鋼還可用于制造船體及部件。在機械工業(yè)方面用于制作電動機罩、齒輪、軸承等。*第3節(jié)新型工程材料新型材料是指最近發(fā)展或正在發(fā)展的具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異性能的一類材料。新型材料既是高新技術的產物，同時它又成為高新技術發(fā)展的關鍵之一。下面簡要地介紹兩種新型材料。

1.智能材料

所謂智能材料就是能感知外部刺激（傳感功能）、能判斷并適當處理（處理功能）且本身可執(zhí)行（執(zhí)行功能）的材料。智能材料包括形狀記憶合金（SMA）、壓電材料、電致伸縮、磁致伸縮和智能凝膠等材料。

SMA在高溫時處理成一定形狀后急速冷卻，在低溫相狀態(tài)下經塑性變形為另一種形式，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時，通過馬氏體逆相變使其恢復到低溫塑性變形前的形狀，這就是合金的形狀記憶效應。顯然，形狀記憶效應是由馬氏體相變導致的。其奇特的記憶能力還表現(xiàn)在“超彈性”“變溫喚醒”“雙程記憶”等特性。

在人工智能仿生技術領域，SMA已經用于制作機器人控制元件、觸覺傳感器、機器人筋骨和手足等。SMA元件集傳感器、驅動器、動作執(zhí)行機構等多種功能于一體，因而使機構簡化，適合微型化、智能化。

2.超導材料

超導材料是指在超低溫下失去電阻的材料。材料的這種性質稱為超導電性。具有超導電性的物質稱為超導體。目前，已發(fā)現(xiàn)常壓下具有超導性的元素有二十幾種，但臨界溫度較低，難以實用。超導合金是超導材料中強度最高、應力應變小、磁場強度低的超導體，如Nb-Zr系、Ni-Ti系合金，其中應用最多是Ni-45%Ti合金。超導材料的應用領域廣泛，如用于以節(jié)能為目的的發(fā)電機、輸電電纜、貯能等電力系統(tǒng)的超導體：核聚變、磁流體發(fā)電等新能源;核磁共振等醫(yī)療領域：高速磁懸浮列車和離子加速器等。

第4節(jié)機械工程材料選用材料是構成機械零件實體的物質，也是零件制造過程中進行加工處理的基本對象。因此，材料的選擇對零件的制造質量與制造工藝過程的經濟性等具有極其重要的影響。

1.選材的一般原則

(1）使用性能

機械零件在使用過程中喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效。其主要失效形式有變形、斷裂和表面損傷三種。

進行機械零件選材時，主要以零件的使用性能要求作為選材的依據(jù)。一般零件都在受力條件下工作，因此通常以材料的力學性能要求作為選材的主要指標。只有零件在特殊條件下工作時，才將材料的物理性能和化學性能上升為選材的主要指標。

①零件受載情況

a.脆性材料原則上只適用于靜載荷作用下工作：在受動負荷的情況下，應以塑性材料為基本材料。

b.若零件的接觸應力較高，則應選用叮進行表面強化處理的材料。

c.若零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又受到某些限制時，應選用強度較高的材料。

d.若零件尺寸取決于剛度，則應選用彈性模量較大的材料。

②零件工作情況

a.在濕熱或有腐蝕性物質環(huán)境下工作的零件，其材料應具有良好的防銹能力和耐腐蝕能力。

b.在高溫下工作的零件，應選用耐熱材料。

c.滑動摩擦下工作的零件應選用減摩性能好的材料。靠摩擦傳遞運動和動力的零件應選用摩擦系數(shù)大的材料。

(2）工藝性能

材料具有良好的工藝性能，便于加工制造，則既容易保證制造質量，又能夠降低制造成本。反之，則會增加制造工藝的復雜性，提高制造成本，也難以保證制造質量。因此，選材時必須對材料的工藝性能，即材料適應制造工藝的能力進行分析。小批量生產時，材料工藝性能的影響不是很大：大批量生產時，材料工藝性能的好壞則可能成為決定性的因索。①毛坯制造工藝性要求

a.對于結構復雜、尺寸較大的零件，‘自用鑄造或焊接的方法制造毛坯，所選材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能。

b.結構簡單的零件可選用鍛造工藝性好的低碳鋼和中碳鋼等材料。

②熱處理工藝性要求