Transcript 5.铸铁、有色金属、硬质合金

第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
铸铁、有色金属、硬质合金
授课班级
机电（3+2）1102
学习目标
授课时间
2012-2-29（3、4）
学时
2
1. 了解铸铁、有色金属的组织特性
2. 掌握铸铁的牌号、性能和应用
3. 掌握铜、铝及合金的牌号、性能和应用
4.了解硬质合金及刀具材料合金的牌号、性能和应用
学习内容
教学过程组织与方法
1. 6 铸铁
1.复习—合金钢的类型、牌号、性
1.7 有色金属
能、应用—提问
1.8 硬质合金和超硬刀具材料
2.工程实例导入教学内容
3. 铸铁——重点是性能和应用
4. 有色金属——重点是性能和应用
第1章机械工程材料
铸铁
1.6
•
铸铁、有色金属、硬质合金
铸铁是wc ＞2.11％并含有较多硅、锰、磷、硫等元素
的铁碳合金。
•
1. 白口铸铁。指碳主要以游离碳化物形式出现的铸铁，
断口呈白色，故称为白口铸铁。因为白口铸铁硬度高，脆
性大，难切削，所以很少用来制造机械零件，工业中应用
较少。
•
2. 麻口铸铁。碳部分以游离碳化物、部分以石墨形式
出现的铸铁，断口呈灰白相间，故称麻口铸铁。因其硬度
高，脆性大，工业中很少应用。
•
3. 灰口铸铁。指碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈
灰色，故称为灰口铸铁。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
•
根据石墨形态不同，灰口铸铁又分为以下几类：
•
① 灰口铸铁：碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。
•
② 可锻铸铁：碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁。
•
③ 球墨铸铁：碳主要以球状石墨形式出现的铸铁。
•
④ 蠕墨铸铁：碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。
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铸铁、有色金属、硬质合金
1.6.1 铸铁的石墨化
1. 铸铁的石墨化
铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程称为铸铁的石墨化。
铸铁中的石墨可由液体或奥氏体中析出，也可由渗碳体分解
得到。
渗碳体在高温下进行长时间加热时，可分解为铁和石墨(即
Fe3C→3Fe＋G)，这说明渗碳体是一种亚稳定相，而石墨是
一种稳定相.石墨的晶格类型为简单六方晶格，层面的碳原
子间距为1.42×10-10 m，两层面之间的间距为3.40×10-10 m，
其层面间距较大，结合力弱。因此，石墨受力时容易沿层面
间滑动，故其强度、塑性和韧性都很低，接近于零，硬度只
有3HBS，其结晶形态容易形成片状。
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铸铁、有色金属、硬质合金
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铸铁、有色金属、硬质合金
2．影响铸铁石墨化的因素
（1）化学成分的影响：碳和硅是强烈促进石墨化的元素，碳
和硅的质量分数越高，石墨化越易进行。磷对石墨化稍有
促进作用。硫是强烈阻碍石墨化的元素，还会降低铁水的
流动性，应限制其质量分数。锰虽阻碍石墨化，但能减轻
硫的有害作用，可在铸铁中保持一定的质量分数。
（2） 冷却速度的影响：铸件的冷却速度对其石墨化的影响
也很大。冷却速度越慢，原子扩散时间越充分，越有利于
石墨化的进行。铸件的冷却速度与浇注速度、铸件壁厚和
铸型材料的导热性
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.6.2 灰口铸铁
1. 灰口铸铁的化学成分、组织和性能
（1） 化学成分
灰口铸铁的化学成分一般为：wC ＝2.5%～4.0%，wSi ＝
1.0%～2.5%，wMn＝0.5%～1.4%，wS≤0.15%，wP≤0.3%。
（2）组织
由于石墨化程度的不同，灰口铸铁的组织有三种类型：
铁素体(F)＋片状石墨(G)，铁素体(F)－珠光体(P)＋片状石
墨(G)，珠光体(P)＋片状石墨(G)。
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铸铁、有色金属、硬质合金
铁素体灰口铸铁显微组织
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（3） 性能
灰口铸铁的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形
状、大小及分布状况。当石墨的状态相同时，基体中的珠光体
越多，灰口铸铁的强度越高。石墨对灰口铸铁的性能起着决定
性作用，是导致灰铸铁抗拉强度低、塑性和韧性差的主要原因。
由于石墨本身的强度、硬度和塑性都很低，因此灰口铸铁中存
在的石墨就相当于在钢的基体上分布了大量的孔洞和裂缝，割
裂了基体组织的连续性，减小了基体的有效承载面积。当基体
组织相同时，灰口铸铁中片状石墨愈多，愈粗大，分布愈不均
匀，则其强度、塑性和韧性就愈低。值得注意的是，铸件在承
受压应力时，由于石墨的有害作用减小，故灰口铸铁的抗压强
度与钢相近。
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铸铁、有色金属、硬质合金
石墨虽然降低了灰口铸铁的力学性能，但却使灰口铸铁获
得了许多钢所不及的优良性能，归纳起来有以下几个方面：
①良好的铸造性能。灰口铸铁熔点较低、流动性好，铸件
在凝固过程中析出比容较大的石墨，减小了收缩率，故灰口铸
铁具有良好的铸造性能。
②良好的减震性。由于石墨松软，能阻止震动的传播，
因此灰口铸铁具有良好的减震性。灰口铸铁的减震能力约是钢
的数倍，因此，灰口铸铁广泛用于制造机床床身、机器底座等。
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铸铁、有色金属、硬质合金
③较低的缺口敏感性。灰口铸铁中由于石墨的存在，就相
当于零件上存在很多小的缺口，因而使加工形成的缺口作用降
低，故灰口铸铁具有较低的缺口敏感性。
④良好的切削加工性。灰口铸铁在进行切削加工时，石墨
起着减摩和断屑作用，刀具磨损小，故灰口铸铁切削加工性能
好。
⑤良好的减摩性。由于石墨本身的润滑作用，以及它从铸
铁表面脱落后留下的孔洞具有储存润滑油的能力，故灰口铸铁
具有良好的减摩性。
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2. 灰口铸铁的孕育处理(变质处理)
为了提高灰口铸铁的力学性能，在铁液浇注之前，往
铁液中加人少量的孕育剂(如硅铁或硅钙合金)，使铁液中
同时生成大量均匀分布的石墨晶核，改变铁液的结晶条件，
使灰口铸铁获得细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组织，
这种处理称为孕育处理。经过孕育处理的灰口铸铁称为孕
育铸铁，也叫变质铸铁。孕育铸铁的强度有很大的提高，
并且塑性和韧性也有所提高，常用来制造力学性能要求较
高、截面尺寸变化较大的大型铸件。
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3. 灰口铸铁的牌号、性能及用途
灰口铸铁的牌号由“HT”及数字组成。其中“HT”是
“灰”、“铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后的数字
表示最低的抗拉强度，如HT100表示灰口铸铁，最低抗拉
强度是100 MPa。
灰口铸铁具有一定的强度，还具有优良的工艺性能，
而且价格低廉，是应用最广泛的铸铁材料，常用来制造各
种承受压力及要求有较好的减震性、减摩性和机构复杂的
箱体、床身、导轨等。常用灰口铸铁的牌号、力学性能及
用途见下表。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
灰口铸铁的牌号、力学性能及用途
类 别
铁素体
灰口铸铁
铁素体- 珠光体
灰口铸铁
珠光体
灰口铸铁
孕育铸铁
牌号
力学性能
用 途 举 例
σb /MPa
硬度/HBS
HT100
≥100
143～229
HT150
≥150
163～229
HT200
≥200
170～241
HT250
≥250
170～241 床身、活塞、齿轮箱、油缸等
HT300
≥300
187～2225
HT350
≥350
197～269
低载荷和不重要的零件，如盖、外罩、手轮、支架等
承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、
管路附件及一般工作条件要求的零件
受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、
床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主
轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、
凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等
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4. 灰口铸铁的热处理
热处理只能改变铸铁的基体组织，而不能改变石墨
的形状、大小和分布情况。因此，灰口铸铁的热处理一
般都用于消除铸件的内应力和白口组织，稳定铸件尺寸，
改善切削加工性和提高铸件工作表面的硬度及耐磨性。
由于石墨的导热性差，铸铁热处理的加热速度比非合金
钢要稍慢些。
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（1）
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消除内应力退火(时效处理)
铸件在冷却过程中因各部位的冷却速度不同，往往
会产生一定的内应力。铸造应力会引起铸件的变形甚至
开裂，因此必须消除铸造应力。消除铸造应力的方法有
消除内应力退火和自然时效。
消除内应力退火是将铸件缓慢加热到500～600℃，
保温一定时间，然后随炉缓冷至300℃以下出炉空冷。这
种退火方法也称为人工时效。
对大型铸件可采用自然时效，即将铸件在露天下放
置一年以上，使铸造应力缓慢松弛。
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（2）
铸铁、有色金属、硬质合金
消除白口组织的退火
将铸件加热到850～950℃，保持一定时间(一般为2～
5 h)，然后随炉冷却至400～500℃出炉空冷，使渗碳体在
高温和缓慢冷却中分解，用于消除白口，降低硬度，改
善切削加工性。
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（3）
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表面淬火
表面淬火的目的是提高铸件表面硬度和耐磨性。常
用的表面淬火有火焰加热表面淬火、高频与中频感应加
热表面淬火和电接触加热表面淬火等。如对机床导轨进
行中频感应加热表面淬火，使表面淬火层获得细马氏体
基体＋石墨的组织，其耐磨性就会显著提高。
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1.6.3 球墨铸铁
• 1、球墨铸铁的获得
•
球墨铸铁是通过铁液的球化处理获得的。浇注前向铁
液中加入球化剂，促使石墨呈球状析出，这种处理方法称
为球化处理。目前常用的球化剂有镁、稀土元素和稀土镁
合金三种，其中稀土镁合金球化剂由稀土、硅铁、镁组成，
性能优于镁和稀土元素，应用最广泛。稀土镁合金球化剂
多采用冲入法加入，即先将球化剂放在铁水包内，然后将
铁液冲入，使球化剂逐渐熔化。
•
由于镁及稀土元素都强烈阻碍石墨化，因此，在进行
球化处理的同时或随后，必须加入孕育剂进行孕育处理，
其作用是削弱白口倾向，以免得到白口组织。同时孕育处
理可以改善石墨的结晶条件，使石墨球径变小，数量增多，
形状圆整，分布均匀，从而提高了铸铁的力学性能。
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2、球墨铸铁的化学成分、组织和性能
（1） 化学成分
球墨铸铁的化学成分是：wC＝3.6%～3.9%，wSi＝2.0%～
3.2%，wMn＝0.6%～0.8%，wS＜0.04%，wP≤0.1%，wMg＝
0.03%～0.05%，wRE＝0.03%～0.05%等。
（2） 组织
按基体组织的不同，球墨铸铁的组织可分为四种类型：
铁素体(F)＋球状石墨(G)，铁素体(F)－珠光体(P)＋球状石墨
(G)，珠光体(P)＋球状石墨(G)，下贝氏体(В下)＋球状石墨(G)。
图6-5所示为铁素体球墨铸铁的显微组织
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铸铁、有色金属、硬质合金
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铸铁、有色金属、硬质合金
（3） 性能
球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大
小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作
用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性
和韧性可以充分发挥，因此球墨铸铁与灰铸铁相比，具有
高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相
媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。
同时，它还具有灰铸铁的减震性、减摩性和小的缺口敏感
性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径
越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。
第1章机械工程材料
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3、球墨铸铁的牌号及用途
球墨铸铁的牌号用“QT”符号及其后面两组数字表示。
“QT”是“球铁”两字汉语拼音的第一个字母，两组数字
分别代表其最低抗拉强度和最低断后伸长率。如QT700-2
表示球墨铸铁，最低抗拉强度为700 MPa，最低断后伸长
率为2%。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
球墨铸铁的牌号、力学性能及用途
基体类型
铁素体
铁素体+珠光体
牌号
σb /MPa
σ0.2 /MPa
δ/%
HBS
QT400-15
400
250
15
130～180
QT400-10
450
310
10
160～210 件，机床零件，减速壳
QT500-7
500
320
7
170～230
QT600-3
600
370
3
190～270 轴瓦
用途举例
阀体，汽车、内燃机车零
机油泵齿轮，机车、车辆
柴油机曲轴、凸轮轴，汽
珠光体
QT700-2
700
420
QT800-2
800
480
2
225～305 缸体、汽缸套，活塞环，部
245～335 分 磨 床 、 铣 床、 车 床 的 主
轴等
下贝氏体
汽车的螺旋锥齿轮，拖拉
QT900-2
900
600
2
280360
机减速齿轮，柴油机凸轮轴
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
4、球墨铸铁的热处理
球墨铸铁通过各种热处理，可以明显地提高其力学
性能。球墨铸铁的热处理工艺性能较好，凡是钢的热处
理工艺，一般都适合于球墨铸铁。球墨铸铁常用的热处
理工艺有：
（1）退火。退火的主要目的是为了得到铁素体基体
的球墨铸铁，提高其塑性和韧性，改善切削加工性能，
消除内应力。
（2）正火。正火的目的是为了得到珠光体基体的球
墨铸铁，提高其强度和耐磨性。
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（3） 调质。调质的目的是为了得到回火索氏体基体
的球墨铸铁，从而获得高的综合力学性能。该工艺适应于
受力复杂、要求综合力学性能高的球墨铸铁铸件，如连杆、
曲轴等。
（4） 贝氏体等温淬火。贝氏体等温淬火的目的是为
了得到贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强度、高硬度
和高韧性的综合力学性能。该工艺适用于形状复杂、易变
形或易开裂的球墨铸铁铸件，如齿轮、凸轮轴等。
第1章机械工程材料
1.6.4
铸铁、有色金属、硬质合金
蠕墨铸铁
1、蠕墨铸铁的获得
蠕墨铸铁的获得方法与球墨铸铁相似，是通过铁液的蠕化
处理获得的。浇注前向铁液中加入蠕化剂，促使石墨呈蠕虫状
析出，就得到了蠕墨铸铁，这种处理方法称为蠕化处理。目前
常用的蠕化剂有稀土镁钛合金、稀土硅铁合金、稀土钙硅铁合
金等。
2、蠕墨铸铁的化学成分、组织和性能
（1） 化学成分
蠕墨铸铁碳硅含量较高，化学成分一般为：wC＝3.5%～
3.9%，wSi＝2.2%～2.8%，wMn＝0.4%～0.8%，wS<＜0.1%，
wP≤0.1%。
第1章机械工程材料
（2）
铸铁、有色金属、硬质合金
组织
蠕墨铸铁中的石墨呈短小的蠕虫状，其形状介于片状石墨
和球状石墨之间。蠕墨铸铁的显微组织有三种类型：铁素体
(F)+蠕虫状石墨(G)，珠光体(P)-铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)，珠
光体(P)+蠕虫状石墨(G)。铁素体蠕墨铸铁的显微组织如图5-6
所示。
（3）
性能
蠕墨铸铁的力学性能优于基体相同的灰铸铁而低于球墨
铸铁。蠕墨铸铁在铸造性能、减震性、耐热性能等方面比球
墨铸铁好；切削加工性与球墨铸铁相似，比灰铸铁稍差。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
铁素体蠕墨铸铁的显微组织
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
三、蠕墨铸铁的牌号及用途
蠕墨铸铁的牌号用“RuT”符号及其后面数字表示。
“RuT”是“蠕”、“铁”两字汉语拼音的第一个字母，
其后数字表示最低抗拉强度。如RuT300表示蠕墨铸铁，
最低抗拉强度为300 MPa。常用的蠕墨铸铁的牌号与力
学性能见表。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
蠕墨铸铁的牌号、力学性能
力学性能
牌号
/MPa
/MPa
应用举例
/%
HBS
不大于
 br0.2

260
195
3
121～197
增压器废气进气壳体，汽车底盘零
件等
RuT300
300
240
1.5
140～217
排气管，变速箱体，汽缸盖，液压
件，纺织机零件，钢锭模等
RuT340
340
270
1.0
170～249
重型机床件，大型齿轮箱体、盖、
座，飞轮，起重机卷筒等
RuT380
380
300
0.75
193～274
RuT260
活塞环，汽缸套，制动盘，钢珠研
磨盘，吸淤泵体等
RuT420
420
335
0.75
200～280
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.6.5 可锻铸铁
•
1、可锻铸铁的获得
•
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火而获得的。石墨
化退火的工艺过程是：将白口铸铁加热到900～980℃，使铸
铁组织转变为奥氏体加渗碳体，在此温度下长时间保温后，
渗碳体分解为团絮状石墨，这时铸铁组织为奥氏体加石墨，
此为第一阶段石墨化。在高温下完成这一阶段石墨化后缓
慢冷却，铸铁的组织按F—G（石墨）状态图变化，先后析
出二次石墨和共析石墨，这一过程称为第二阶段石墨化，
最后获得以铁素体为基体的可锻铸铁
第1章机械工程材料
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2、 可锻铸铁的化学成分、组织和性能
（1）
化学成 分
为了保证铸件在一般冷却条件下获得白口组织，又要
在退火时容易使渗碳体分解为团絮状石墨，要求严格控制
铁水的化学成 分。与灰口铸铁相比，可锻铸铁中碳、硅的
质量分数低一些。可锻铸铁的化学成分是：wC＝2.2%～
2.8%，wSi＝1.0%～1.8%，wMn＝0.3%～0.8%，wS≤0.2%，
wP≤0.1%。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
（2）组织
可锻铸铁的组织有两种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨
(G)，珠光体(P)+团絮状石墨(G)。将白口铸铁件加热到910～
960℃，经长时间保温，使组织中的渗碳体分解为奥氏体和石
墨(团絮状)，然后缓慢降温，奥氏体将在已形成的团絮状石墨
上不断析出石墨。当冷却至共析转变温度范围(720～770℃)时，
缓慢冷却，得到以铁素体为基体的黑心可锻铸铁(称为铁素体
可锻铸铁)。如果在通过共析转变温度时的冷却速度较快，则
得到以珠光体为基体的可锻铸铁(称为珠光体可锻铸铁)。可锻
化退火工艺曲线如图5-7所示。黑心可锻铸铁的显微组织如图
5-8所示。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
黑心可锻铸铁的显微组织
第1章机械工程材料
（3）
铸铁、有色金属、硬质合金
性能
由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较
小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻
铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性
能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而
珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。
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3、可锻铸铁的牌号及用途
可锻铸铁的牌号是由三个字母及两组数字组成。其中
前两个字母“KT”是“可”、“铁”两字汉语拼音的第一
个字母，第三个字母代表类别，其后的两组数字分别表示
最低抗拉强度和最低断后伸长率。KTH300-06表示黑心可
锻铸铁，最低抗拉强度为300 MPa，最低断后伸长率为6%；
KTZ700-02表示珠光体可锻铸铁，最低抗拉强度为700
MPa，最低断后伸长率为2%。下表列出了可锻铸铁的牌
号、力学性能及主要用途。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
表5-4 可锻铸铁的牌号、力学性能及用途
类 别
牌 号
σb/MPa
δ/%
≥
硬度
应用举例
HBS
黑心可
锻铸铁
KTH300-06
KTH330-08
KTH350-10
KTH370-12
300
330
350
370
6
8
10
12
≤150
珠光体
可锻铸铁
KTZ550-04
KTZ700-02
550
700
4
2
180～230
240～290
汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧
钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管
接头，铁道扣板和农具等
曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴、播臂、活塞环
等
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
可锻铸铁主要用于制造形状复杂、要求韧性好、承受
冲击和震动、耐腐蚀的薄壁(小于25 mm)中小型铸件。与
球墨铸铁相比，可锻铸铁具有铁液处理简单、质量稳定、
容易组织流水线生产和低温韧性好等优点，广泛应用于汽
车、拖拉机等机械制造行业。但其可锻化退火的时间太长
(几十小时)，能源消耗大，生产率低，成本高，故其应用
受到限制。近年来，不少可锻铸铁件已被球墨铸铁件代替。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.6.6 合金铸铁
1、 耐磨铸铁
耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。根据工作条件的不同，
分为以下两类。
（1） 抗磨铸铁。在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的
零件，如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，应具有
均匀的高硬度和必要的韧性。
（2） 减摩铸铁。在润滑条件下工作的零件，如机床导
轨、汽缸套、活塞环、轴承等，其组织应为软基体上分布硬
质点(强化相)。软基体磨损后形成沟槽，起储油和润滑作用，
硬质点起支承作用。常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金
高磷铸铁。
第1章机械工程材料
2、 耐热铸铁
铸铁、有色金属、硬质合金
耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能
符合使用要求的铸铁。“生长”是指由于氧化性气体沿石墨片
边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化，以及因Fe3C分解而发生
的石墨化引起铸件体积膨胀。向铸铁中加入铝、硅、铬等元素，
使铸件表面形成一层致密的Fe2SiO4 、Al2O3 、Cr2O3 等氧化膜，
能明显提高高温下的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为
单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下
不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。
铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。
常用的耐热铸铁有中硅铸铁、高铬铸铁、镍铬硅铸铁等，
主要用于制造加热炉附件，如炉底板、送链构件、换热器等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
3、耐蚀铸铁
耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。在铸铁
中加入铬、硅、铝、钼、铜、镍等合金元素，可使铸件表
面形成一层致密的保护膜，还可提高铁索体的电位，增加
铸铁的耐蚀能力。耐蚀铸铁种类很多，应用较广的是高硅
(wSi＝10%～18%)铸铁，其组织为：含硅铁素体＋石墨＋
Fe3Si2。高硅铸铁广泛用于制造化工、石油、化纤、冶金
等工业设备。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.7 有色金属
工业上常把铁及其合金（主要指钢铁材料）称为黑色
金属，而把除钢铁材料以外的其他金属及其合金统称为有
色金属材料（也称非铁金属）。有色金属材料的种类很多，
例如铝、铜、锡、铅及其合金等。虽然有色金属材料与黑
色金属材料相比产量低、价格高，但由于其具有某些特殊
性能，在机械制造、化工、电器、航空、航天、冶金以及
国防等领域得到广泛应用。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.7.1 铝及铝合金
1. 工业纯铝
纯铝呈银白色，密度较小(约2.7 g/cm3)，熔点为660℃，具
有面心立方晶格，无同素异晶转变。纯铝的导电性、导热性仅
次于银、铜、金，在金属中列第四位，在室温下，铝的导电能
力为铜的62%，但按单位质量导电能力计算，则铝的导电能力
约为铜的200%。
纯铝的强度很低(σb仅80～100 MPa)，但塑性很高（δ=50%、
Ψ=80%） ，适合各种冷热加工，特别是塑性加工。纯铝不能热
处理强化，但可以通过冷变形强化。
铝在大气中极易和氧结合生成致密的氧化膜，阻止铝的进
一步氧化，故铝在大气中具有良好的耐蚀性。但铝不能耐酸、
碱、盐的腐蚀。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 工业纯铝的代号为L1、L2、…L6，数字表示编号，
编号越大，纯度越低。
• 纯铝的用途主要是：代替贵重的铜合金，制作导
线；配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或
耐大气腐蚀但强度要求不高的器具。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
2. 变形铝合金
(1)变形铝合金的分类、代号和牌号表示
根据主要性能特点和用途，变形铝合金又可分为防锈铝合金LF、
硬铝合金LY、超硬铝合金LC和锻铝合金LD等，其中后三类是可
以热处理强化的铝合金。
变形铝合金的代号
用“铝”和“合金类别”的汉语拼音字首表示；后面的数
字则表示该类别中的合金序号。例如LF21表示序号为21的防锈
铝合金，LY11表示序号为11的硬铝合金。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 变形铝及铝合金的牌号
•
我国铝及其合金的牌号表示方法正逐步向国际标
准化组织规定的材料命名方法靠拢。按
（GB/T16474—1996）《变形铝及铝合金牌号表示方
法》的规定，我国变形铝及铝合金牌号采用国际四位
数字体系和四位字符体系表示。凡按照化学成分在国
际牌号注册组织注册命名的铝及铝合金，直接采用四
位数字体系（即采用四位阿拉伯数字表示）；未在国
际牌号注册组织注册的，则按照四位字符体系表示
（采用阿拉伯数字和英文大写字母表示）。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 第一位数字表示铝及其合金的组别。有1×××、2×××、
3×××，……9×××共9组。若第一位数字为1时，表示纯
铝（wAl>99.00%），为2、3、4……9时，依次表示以铜、
锰、硅、镁、镁和硅、锌、其他合金元素为主要合金元素的
铝合金及备用组。
• 第二位数字表示原始纯铝或铝合金的改型情况。当数字为0
或字母A时，表示原始纯铝和原始合金；数字为1~9或B~Y表
示改型情况，即该合金在原始合金的基础上允许有一定的偏
差。
• 第三、第四位数字表示同一组中的不同铝合金，纯铝则表示
铝的最低质量分数中小数点后面的两位数字。
•
以上两种牌号表示方法仅第二位不同：四位数字体系表
示时第二位用数字0~9;四位字符体系表示时第二位用字母
A~Y。例如：牌号1070表示纯度为99.70%的变形工业纯铝；
2A11表示主要合金元素为铜的11号原始变形铝合金。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
(2)常用变形铝合金
常用变形铝合金的代号、牌号、性能和用途如表6-1所示。
①防锈铝合金。防锈铝合金主要是Al-Mn系和合金Al-Mg
系合金。合金元素锰和镁的主要作用是产生固溶强化，并使合
金保持较高的耐蚀性。但这类合金对时效强化效果较弱，一般
只能用冷变形来提高强度。
防锈铝的工艺特点是塑性及焊接性能好，常用拉延法制造
各种高耐蚀性的薄板容器(如油箱等)、防锈蒙皮以及受力小、
质轻、耐蚀的制品与结构件(如管道、窗框、灯具等)。典型牌
号有3A21、5A05等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
②硬铝合金。硬铝合金是Al-Cu-Mg系合金，是一种应用较
广的可热处理强化的铝合金。这类合金通过淬火时效可显著提
高强度，强度可达420 MPa，其比强度与高强度钢(一般指强度
为1000～1200 MPa的钢)相近，故名硬铝。硬铝的耐蚀性远比
纯铝差，更不耐海水腐蚀；尤其是硬铝中的铜会导致其抗蚀性
剧烈下降。对硬铝板材可以采用表面包一层纯铝或覆铝，以增
加其耐蚀性，但在热处理后强度会稍低。
2A01属低强度硬铝，但有很好的塑性，适宜制作铆钉，故
又叫铆钉硬铝。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
2A11为中强度硬铝，也称标准硬铝，既有较高的强度，
又有足够的塑性，退火态和淬火态下可进行冷冲压加工，时效
后有较好的切削加工性能，常用来制造形状较复杂、载荷较低
的结构零件。
2A12为高强度硬铝，经热处理强化后可获得很高的强度
和硬度，并有良好的耐热性，但塑性有所下降，冷、热加工能
力较差，热处理室应严格控制淬火温度(498±5℃)。2A12广泛
用于制造飞机翼肋、翼架等受力构件，还可用于制造在200℃
以下工作的零件。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
③超硬铝合金。超硬铝属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，并有少
量的铬和锰。在铝合金中，超硬铝时效强化效果最好，强度最
高，可达到600 MPa，其比强度已相当于超高强度钢(一般指强
度大于1400 MPa的钢)，故名超硬铝。
目前应用最广的超硬铝合金是7A04。常用于飞机上受力大
的结构零件，如起落架、大梁等。在光学仪器中，用于要求重
量轻而受力较大的结构零件。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
④锻铝。锻铝合金包括Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Te
系两类合金。前者以Mg2Si为主要强化相；后者通过加入铁和
镍形成合金中的耐热强化相，故又称耐热铝合金。因锻铝的自
然时效速率较慢，强化效果较低，故一般均采用淬火和人工时
效。
锻铝合金具有良好的热塑性和锻造性能，力学性能与硬铝
相近，但热塑性及耐蚀性较高，更适于锻造，故名锻铝。由于
其热塑性好，因此主要用作航空及仪表工业中各种形状复杂、
要求比强度较高的锻件或模锻件，如各种叶轮、框架、支杆等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
3. 铸造铝合金
（1）铸造铝合金的分类、牌号和代号
铸造铝合金按其主要成分分为： Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和
Al-Zn系。
铸造铝合金的牌号是用：“铸”字汉语拼音字首“Z”+基本元素
（铝元素）符号+主要添加合金元素符号+主要添加合金元素的
百分含量表示。优质合金在牌号后面标注“A”，压铸合金在牌
号前面冠以字母“YL”。例如ZAlSi12表示WSi=12%，余量为铝
的铸造铝合金。
铸造铝合金的代号用“铸铝”两字汉语拼音字首“ZL”加三位数
字表示。在三位数字中，第一位数字表示合金类别：1表示Al-Si
系，2表示Al-Cu系，3表示Al-Mg系，4表示Al-Zn系，第二、第
三位表示顺序号。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• (2) 常用铸造铝合金。
• 铸造铝合金可分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系
四种。铸造铝合金的牌号用字母Z加铝的元素符号加主要
合金元素的化学符号加数字表示。合金元素符号后的数字
表示该元素质量的平均百分数。例如，ZAlSi9Mg表示硅的
平均质量分数为9%, 镁的平均质量分数小于1％的铸造铝
合金。
• 1）铝硅铸造合金。 ZA1Sil2是典型的铝硅合金，称为硅
铝明。
• 2）其它铸造铝合金。铝铜合金有较高的耐热性。其常用
牌号为ZAICu5Mn， 铝镁合金有良好的耐蚀性。其常用牌
号为ZAlMg10， 铅锌合金铸造性能好，强度高。其常用
牌号为ZAIZn11Si7。
类别
铝
硅
合
金
铝
铜
合
金
铝
镁
合
金
铝
锌
合
金
第1章机械工程材料
牌号
代号
主 要 特 点
铸铁、有色金属、硬质合金
用途举例
ZAlSi12
YZAlSi12
ZL102
YL102
适合铸造形状复杂，耐蚀性和气密性
熔点低，密度小，流动性好，收缩和热倾向小，
高，强度不高的薄壁零件，如飞机仪
耐蚀性、焊接性好，可切削性差，不能热处理
器零件舶
强化，有足够的强度，但耐热性低。
舶零件等。
ZAlSi5Cu1Mg
ZL105
铸造工艺性能好，不需变质处理，可热处理强
化，焊接性、切削性好，强度高，塑韧性低
ZAlSi12Cu2Mg
YZAlSi12Cu2
ZL108
YL108
铸造工艺性能优良，线收缩小，可铸造尺寸精 汽车、拖拉机的活塞，工作温度
确的铸件，强度高、耐磨性好，需要变质处理。 ≤250℃的零件。
ZAlCu5Mn
ZL201
铸造性能差，耐蚀性能差，可热处理强化，室
温强度高，韧性好，焊接性能、切削性能好，
耐热性好
承受中等载荷，工作温度≤300℃的飞
行受力铸件、内燃机气缸头.
ZAlRE5Cu3Si2
ZL207
铸造性能好，耐热性高，可在300℃~400℃下
长期工作室温力学性能较低，焊接性能好。
适合铸造形状复杂，在300℃~400℃下
长期工作的液压零部件。
ZAlMg10
ZL301
铸造性能差，耐热性不高焊接性差，切削性能
好，能耐大气和海水腐蚀。
承受高静载荷、冲击载荷，工作温度
≤200℃、长期在大气和海水中工作的
零件如船舰配件等。
ZAlMg5Si1
ZL303
铸造性能比ZL301好，热处理不能明显强化，
但切削性能好，焊接性好，耐蚀性一般，室温
力学性能较低。
承受中等载荷，工作温度≤200℃的耐
蚀零件如轮船、内燃机配件。
ZAlZn11Si7
ZL401
铸造性能优良，需变质处理，不经热处理可以
达到高的强度，焊接性和切削性能优良，耐蚀
性低。
承受高静载荷、形状复杂工作温度
≤200℃的铸件如汽车、仪表零件
ZAlZn6Mg
ZL402
铸造性能优良，耐蚀性能好，可加工性能好，
有较高的力学性能；但耐热性能低，焊接性一
般；铸造后能自然失效。
承受高的静载荷或冲击载荷，不能进
行热处理的铸件，如活塞、精密仪表
零件等。
形状复杂工作温度≤250℃的零件如气
缸体、汽缸盖发动机箱体等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.7.2 铜及铜合金
1、 工业纯铜
纯铜的外观呈紫红色，故常称纯铜为紫铜。铜的相对密度
为8.96，熔点为1083℃。纯铜有良好的导电性和导热性，高的
化学稳定性以及高的抗大气和水腐蚀性，并且还具有抗磁性。
纯铜的强度不高(σb=230～240 MPa)，硬度很低(40～50
HBS)，塑性却很好(δ=45%～50%)。冷塑性变形后，可以使
铜的强度提高到400～500 MPa，但伸长率急剧下降到2%左右。
纯铜的主要用途是制作各种导线、电缆、导热体、铜管、防磁
器械等。
工业纯铜分未加工产品(铜锭、电解铜)和加工产品(铜料)
两种。未加工产品代号有Cu-1和Cu-2两种。加工产品代号有
T1、T2、T3三种，“T”为“铜”的汉语拼音字首，代号中数
字越大，表示杂质含量愈多。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
铜合金
铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜及白铜(铜镍合金)三
大类。机器制造中，应用较广的是黄铜和青铜。
黄铜是以锌为主要合金元素的铜锌合金。其中不含其它合
金元素的黄铜称普通黄铜(或简单黄铜)；含有其它合金元素的
黄铜称为特殊黄铜(或复杂黄铜)。
青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。
按其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铅青铜、铝青铜、
硅青铜、铍青铜等。
铜合金按生产方法可分为压力加工产品和铸造产品两类。
第1章机械工程材料
2 . 黄铜
铸铁、有色金属、硬质合金
黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合
金。按化学成分，黄铜可分为普通黄铜
和特殊黄铜两类。 (1) 普通黄铜。铜
锌二元合金称为普通黄铜。当wZn＜32
％时，黄铜的组织为单相α固溶体，称
为单相黄铜，合金的强度、塑性均随含
锌量的增加而升高；当wZn＞32％时，
组织中出现β相，称为双相黄铜，硬脆
的β´相使强度继续升高，塑性迅速下
降；当wZn＞45%后，组织全由β´相组
成，强度、塑性急剧下降，脆性很大，
已无实用价值。加工黄铜的代号用字母
H加数字表示，数字表示平均含铜质量
的百分数。如H70。黄铜也能铸造成形，
ZCuZn38是典型的铸造黄铜。。
第1章机械工程材料
• (2)
铸铁、有色金属、硬质合金
特殊黄铜
在普通黄铜的基础上，再加入其它合金元素所组成的多
合金称为特殊黄铜。常加入的元素有锡、铅、铝、硅、锰、
铁等。特殊黄铜也可依据加入的第二元素命名，如锡黄铜、
锰黄铜、铅黄铜、硅黄铜等。合金元素加入黄铜后，除强
化作用外，加入的锡、铝、硅、锰、镍还可提高耐蚀性与
减少黄铜应力腐蚀破裂的倾向。某些元素的加入还可改善
黄铜的工艺性能，如加入硅可改善铸造性能，加入铅可改
善切削加工性能等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
常用普通黄铜及特殊黄铜的牌号、成分、力学性能及用途
组
别
普
通
黄
铜
普
通
黄
铜
代号或牌号
力 学 性 能*
化 学 成 分
wCu/%
H90
88.0～
91.0
H68
67.0～
70.0
H62
60.5～
63.5
ZCuZn38
60.0～
63.0
w 其它/%
σb/MPa
δ/%
余量 Zn
245
392
35
3
余量 Zn
294
392
主要用途
HBS
—
双金属片、供水和排水管、证章、
艺术品(又称金色黄铜)
40
13
—
复杂的冷冲压件、散热器外壳、
弹 壳 、 导 管 、 波 纹 管 、
轴套
余量 Zn
294
412
40
10
—
销钉、铆钉、螺钉、螺母、垫圈、
弹簧、夹线板等
余量 Zn
295
295
30
30
59
68.5
一般结构件，如散热器、螺钉、
支架等
第1章机械工程材料
0.7～1.1Sn
61.0～
63.0
余量 Zn
HSi80-3
79.0～
81.0
2.5～4.5Si
余量 Zn
300
350
15
20
—
船舶零件，在海水、淡水和蒸汽
(<265℃)条件下工作的零件
HM n58-2
57.0～
60.0
1.0～2.0M n
余量 Zn
382
588
30
3
—
易于热压力加工，用于腐蚀条件
下工作的重要零件和弱电零用件
HPb59-1
57.0～
60.0
0.8～1.9Pb
余量 Zn
343
441
25
5
—
热冲压及切削加工零件，如销钉、
螺钉、螺母、轴套(又称易削黄铜)
ZCuZn40
M n3Fel
53.0～
58.0
3.0～4.0M n
0.5～1.5Fe
余量 Zn
440
490
60.0～
66.0
4.5～7(Al)
2～4(Fe)
1.5～4.0(M n)
余量 Zn
725
745
HSn62-1
特
殊
黄
铜
铸铁、有色金属、硬质合金
35
与海水和汽 油接触的 船舶零件
249
392
ZCuZn25Al6
Fe3M n3
—
5
18
15
7
7
98
108
166.5
166.5
(又称海军黄铜)
轮廓不复杂的重要零件，海轮上
在 300℃以下工作的管配件、螺旋
桨等大型铸件
适用于高强度、耐磨零件，如压
紧螺母、重型蜗杆、轴承、衬套
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
3. 青铜 ：青铜是指黄铜、白铜以外的铜合金。铜锡合金称
为锡青铜，其它青铜称为特殊青铜。压力加工青铜的代号
用字母Q加主加元素符号加数字表示。数字依次表示主加
元素和其它合金元素平均含量的质量百分数。例如QSn4-3
表示wSn=4％、wZn=3％的压力加工锡青铜。
(1) 锡青铜
锡青铜是以锡为主加元素的铜合金。 QSn4-3
ZCuSn10Pb1和ZCuSn5Pb5Zn5
(2)特殊青铜 ：
1）铍青铜。铍青铜是以铍为主加元素的铜合金。
2）铝青铜。铝青铜是以铝为主加元素的铜合金。
常用代号有QA19-4、ZCuAl10Fe3等
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.8 硬质合金和超硬刀具材料
• 1.8.1 硬质合金
•
硬质合金是用一种或几种难熔的金属碳化物（如
WC碳化钨、TiC碳化钛、TaC碳化钽、NbC碳化铌等）
与金属粘结剂（Co、Ni、Mo等）在高压下成型并在高
温下烧结而成的粉未冶金材料。
• 粉末制取→粉末混合→成型→烧结→后处理→成品
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 1. 性能特点
• (1) 硬度高，红硬性好，耐磨性好。在常温下，硬质
合金的硬度可达86～93 HRA(相当于69～81 HRC)，红
硬性可达900～1000℃。作为切削刀具使用时，其切削
速度、耐磨性与寿命都比高速钢刀有显著提高。
• (2) 抗压强度高。硬质合金的抗压强度可达6000 MPa，
但抗弯强度较低(只有高速钢的1/3～1/2左右)。硬质
合金的弹性模量很高(约为高速钢的2～3倍)。
• (3) 良好的耐蚀性和抗氧化性。硬质合金具有良好的
抗大气、酸、碱腐蚀能力和抗氧化性。
• (4) 韧性很差。硬质合金的韧性小，约为淬火钢的
30%～50%。这是硬质合金的一个缺点。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 2. 硬质合金的分类和牌号及应用
•
(1)长切削加工用硬质合金 是以TiC、WC为基，以Co
（Ni+Mo，Ni+Co）作为粘结剂的合金。其国家标准类别
号用字母P加两位数字表示，如P10、P20等。这类硬质合
金刀具适用于加工钢、铸钢及可锻铸铁等材料。
•
(2)长切削或短切削加工用硬质合金 是以WC为基，以
Co作为粘结剂添加少量的TiC（TaC，NbC）的合金。其
国家标准类别号用字母M加两位数字表示，如M10、M20
等 。这类硬质合金刀具适用于加工钢、铸钢、锰钢、灰
口铸铁、有色金属及合金等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
•
(3)短切削加工用硬质合金 是以WC为基，以Co作为粘
结剂，或添加少量的TaC，NbC的合金。其国家标准类别号
用字母K加两位数字表示，如K01、K30等 。适用于加工铸
铁、淬火钢、有色金属、塑料、玻璃、陶瓷等。
•
按YB/T 400—94 分类牌号为
•
1) 钨钴类硬质合金。其代号用“硬”、“钴”两字的
汉语拼音的字首“YG”加钴含量的百分数表示。例如YG6
表示钨钴类硬质合金，wCo=6%，其余为碳化钨的硬质合
金。
•
2) 钨钴钛类硬质合金。其代号为“硬”、“钛”两字
的汉语拼音字首“YT”加碳化钛含量的百分数表示。例如
YT15表示wTiC=15%，余量为碳化钨和钴的钨钴钛类硬质
合金。
•
3) 通用硬质合金。通用硬质合金又称“万能硬质合金”，
其代号用“硬”、“万”两字的汉语拼音字首“YW”加顺
常用硬质合金的代号、成分和性能(摘自YB/T
400—94)
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
力学性能*
化学成分/%
类别
牌 号①
硬度 HRA
抗弯硬度/M Pa
≥
≥
用途举例
wWC
wTiC
wTaC
wCo
YG3X
96.5
—
<0.5
3
91.5
1100
YG6
94
—
—
6
89.5
1450
YG6X
93.5
—
<0.5
6
91
1400
YG8
92
—
—
8
89
1500
YG8C
92
—
—
8
88
1750
加工脆性材料
YG11C
89
—
—
11
86.5
2100
(如铸铁等)
YG15
85
—
—
15
87
2100
YG20C
80
—
—
20
82～84
2200
YG6A
91
—
3
6
91.5
1400
YG8A
91
—
<1.0
8
89.5
1500
YT5
85
5
—
10
89
1400
YT15
79
15
—
6
91
1150
YT30
66
30
—
92.5
900
通用
YW1
84
6
4
4
91.5
1200
合金
YW2
82
6
4
86
90.5
1300
钨
钴
类
合
金
钨钴钛
合金
加工塑性材料
(如钢等)
切削各种钢材
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.8.2 超硬刀具材料
• 1. 金刚石：金刚石有极高的硬度，是自然界中最硬的材料，
其显微硬度可达10000HV，因而有极高的耐磨性。金刚石刃具
能长期保持刃口的锋利，切下很薄的切屑，这对于精密加工
有重要的意义。金刚石的缺点是脆性极大，且在高温下与铁
有很大的亲和力，不能用于切削含铁金属。
• 金刚石有天然和人造之分。天然金刚石价格昂贵，用得较少。
人造金刚石是由石墨在高温、高压及金属触媒的作用下转化
而成，主要用作磨料。
•
第1章机械工程材料
• 2.
铸铁、有色金属、硬质合金
立方氮化硼（CBN） ：立方氮化硼是在高温高压
下由六方晶体的氮化硼（又称白石墨）转化而成。其
硬度（显微硬度为8000～9000HV）和耐磨性仅次于金
刚石，耐热性高达1400～1500℃，且不与铁族金属发
生反应。立方氮化硼可用作砂轮材料，或制成以硬质
合金为基体的复合刀片，用来精加工淬硬钢、冷硬铸
铁、高温合金、硬质合金及其它难加工材料。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
１.９ 非 金 属 材 料
１.９.１
高分子材料
• 材料的可用性是由形成材料的物质分子属性所决定的，高分
子材料的是由若干原子按一定规律重复地连接而成的长链分
子，长链分子的最大伸直长度可达毫米级，其分子量一般大
于5000。高分子材料按来源可分为天然高分子（天然橡胶、
蚕丝、皮革、木材等）和合成高分子化合物（塑料、橡胶
等）。
• 合成高分子化合物是由一种或几种单体（简单结构的低分子
化合物）聚合而成的，因此高分子化合物又称高聚物或聚合
物。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
１、塑料
（1）塑料的组成
塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用
性能和工艺性能的添加剂（填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂
等）而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了
塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，
例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主
要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。
第1章机械工程材料
•
•
铸铁、有色金属、硬质合金
（ 2）塑料的分类
按使用范围，塑料可分为通用塑料和工程塑料，通用塑
料产量大、应用广、价格便宜、容易加工成形，但性能一般。
可作为日常生活用品、包装材料等。如聚氯乙烯、聚乙烯、
聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、氨基塑料等；工程塑料一般
性能优异，如具有优良的电性能、力学性能、耐冷和耐热性
能、耐磨性能、耐腐蚀等，可代替金属材料制造机械零件及
工程构件。如聚酰胺、ABS塑料、聚碳酸酯、有机玻璃、聚
四氟乙烯等。
•
按合成树酯的热性能可将塑料分为热塑性和热固性塑料
两类，热塑性和热固性塑料的特性及常用品种如表所示。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
热塑性和热固性塑料的特性及常用品种
类别
特征
常用塑料及代号
聚氯乙烯（PVC） 聚苯乙烯（PS）
聚乙烯（PE）
聚四氟乙烯（PTFE，F-4）
能溶于有机溶剂，
聚酰胺（PA）
聚砜（PSF）
热塑性 加热可软化，易
聚甲醛（POM）
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA
塑料 于加工成形，并
聚碳酸酯（PC ）
能反复塑化成形
）
苯乙烯—丁二烯—丙烯腈
聚丙烯（PP） 共聚体（ABS）
固化后重新加热
酚醛塑料（PF）
不再软化和熔融、 氨基塑料（UF
热固性
亦不溶于有机溶 ）
塑料
剂，不能再成形
有机硅塑料（
使用。
SI）
环氧树酯（EP）
聚氨酯塑料（PUR）
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
（3） 塑料的特性
(1) 质轻、比强度高。塑料的密度为0.9～2.2 g/cm3，只有钢
铁的1/8～1/4。泡沫塑料的密度约为0.01 g/cm3。塑料的强度比
金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。
(2) 化学稳定性好。塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的
腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。
(3) 优异的电绝缘性。塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，
其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
(4) 减摩、耐磨性好。塑料的硬度低于金属，但多数塑料
的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑
性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。
(5) 消声和吸振性好。塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，
大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。
(6) 成型加工性好。塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多
种成型方法，且工艺简单，生产率高。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
(7) 耐热性差。多数塑料只能在100℃左右使用，少数品
种可在200℃左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、
氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象称为老化)；
导热性差，约为金属的1/500；热膨胀系数大，约为金属的3～
10倍。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
常用塑料的性能及应用
(1) 热塑性塑料。热塑性塑料加热时变软、熔融，冷却后
变硬、固化，再加热又可变软、熔融，可反复成型，且基本性
能不变。热塑性塑料成型工艺简便，可直接经注射、挤压、吹
塑成型，生产率高，其制品使用温度低于120℃。常用的热塑
性塑料有以下几种：
① 聚乙烯(PE)：按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、中压
聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝
缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低
压聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化
工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又
因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
② 聚氯乙烯(PVC)：分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯
强度较高，绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在-15～60℃的温
度范围使用，用于化工耐蚀的结构材料，如输油管、容器、离
心泵、阀门管件等，用途很广。软质聚氯乙烯强度低于硬质聚
氯乙烯，伸长率大，绝缘性较好，在-15～60℃的温度范围使
用，用于电线、电缆的绝缘包皮，农用薄膜，工业包装等。因
其有毒，不能包装食品。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
③ 聚丙烯(PP)：密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、
硬度、刚性、耐热性均高于低压聚乙烯，可在120℃以下长期
工作。绝缘性好，且不受湿度影响，无毒无味，但低温脆性大，
不耐磨，易老化，用于一般机械零件(如齿轮)，耐蚀件(如泵叶
轮、化工管道、容器)，绝缘件(电视机、收音机、电扇、电机
罩等壳体)，生活用具，医疗器械，食品和药品包装等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
④ 聚酰胺(PA)：俗称尼龙或锦纶。强度、韧性、耐磨
性、耐蚀性、吸振性、自润滑性、成型性好，摩擦系数小，
无毒无味，可在100℃以下使用。蠕变值大，导热性差，吸
水性高，成型收缩率大。常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙
610、尼龙1010等。用于制造耐磨、耐蚀的某些承载和传动
零件，如轴承、机床导轨、齿轮、螺母及一些小型零件。
也可用于制作高压耐油密封圈，或喷涂在金属表面作防腐、
耐磨涂层，应用较广。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
⑤ 聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)：俗称有机玻璃。透光性、
着色性、绝缘性、耐蚀性好，在自然条件下老化发展缓慢，可
在-60～100℃的温度范围内使用。不耐磨，脆性大，易溶于有
机溶剂中，硬度不高，表面易擦伤。用于航空、仪器、仪表、
汽车中的透明件和装饰件，如飞机窗、灯罩、电视和雷达屏幕、
油标、油杯、设备标牌等。
⑥ ABS塑料：是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元
共聚物。综合力学性能好，尺寸稳定性、绝缘性、耐水和耐油
性、耐磨性好，长期使用易起层。用于制造齿轮，叶轮，轴承，
把手，管道，储槽内衬，仪表盘，轿车车身，汽车挡泥板，电
话机、电视机、电机、仪表的壳体，应用较广。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
⑦ 聚甲醛(POM)：耐磨性、尺寸稳定性、着色性、减摩性、
绝缘性好，可在-40～100℃长期使用。加热易分解，成型收缩
率大。用于制造减摩、耐磨件及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、
绝缘件，化工容器，仪表外壳，表盘等，可代替尼龙和有色金
属。
⑧ 聚四氟乙烯(F-4)，也称塑料王。有极强的耐蚀性，可
抗王水腐蚀，绝缘性、自润滑性好，不吸水，摩擦系数小，可
在-195～250℃的温度范围内使用，但价格较高。用于耐蚀、
减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架、
化工用反应器、管道等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
⑨ 聚碳酸脂(PC)：强度高，韧性、尺寸稳定性、透明性好，
可在-60～120℃长期使用。耐疲劳性不如尼龙和聚甲醛。用于
制造齿轮、蜗轮、凸轮，电气仪表零件，大型灯罩，防护玻璃，
飞机挡风罩，高级绝缘材料，用途很广。
⑩ 聚砜(PSF)：强度、硬度、成型温度高，抗蠕变、尺寸
稳定性、绝缘性好，可在-100～150℃长期使用。不耐有机溶剂
和紫外线。用于制造耐热件，绝缘件，减摩、耐磨件，高强度
件，如凸轮、精密齿轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩、汽车护
板、电子器件等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
(2) 热固性塑料：加热时软化，冷却后坚硬。固化后再加
热，则不再软化或熔融，不能再成型。热固性塑料抗蠕变性强，
不易变形，耐热性高，但树脂性能较脆，强度不高，成型工艺
复杂、生产率低。常用的热固性塑料有以下几种：
① 酚醛塑料(PF)，俗称电木。强度、硬度、绝缘性、耐蚀
性、尺寸稳定性好，工作温度大于100℃，脆性大，耐光性差，
只能模压成型，价格低。用于制造仪表外壳，灯头、灯座、插
座，电器绝缘板，耐酸泵，刹车片，电器开关，水润滑轴承等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
② 氨基塑料，俗称电玉。颜色鲜艳，半透明如玉，绝缘性
好，长期使用温度小于80℃，耐水性差。用于制造装饰件、绝
缘件，如开关、插头、旋钮、把手、灯座、钟表外壳等。
③ 环氧塑料(EP)，俗称万能胶。强度、韧性、绝缘性、化
学稳定性好，能防水、防潮、防霉，可在-80～155℃的温度范
围内长期使用，成型工艺简便，成型后收缩率小，粘结力强。
用于制造塑料模具、仪表和电器零件、电子元件及线圈及用于
涂覆、包封和修复机件。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• ２、 橡胶
•
橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就
能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常
用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。
•
（1）橡胶的分类
•
按其来源不同可分为天然与合成橡胶两类。天然橡胶是
橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要
化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物
质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。
• 按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶的用量一般
较大，主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品
种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等；特种橡胶主要用于
高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主
要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。
第1章机械工程材料
（2）橡胶的组成
铸铁、有色金属、硬质合金
橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分
子材料。生胶是指未加配合剂的天然胶或合成胶，它也是将配
合剂和骨架材料粘成一体的粘结剂。配合剂是指为改善和提高
橡胶制品性能而加入的物质，如硫化剂、活性剂、软化剂、填
充剂、防老剂、着色剂等。
(1) 硫化剂。硫化剂的作用类似于热固性塑料中的固化剂，
天然橡胶常用硫磺做硫化剂。橡胶制品经硫化处理后，可提高
弹性、强度、耐磨性、耐蚀性和抗老化能力。橡胶经硫化处理
后才能使用。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
(2) 软化剂。使用软化剂可增强橡胶塑性，改善粘附力，
降低硬度和提高耐寒性。
(3) 填充剂。使用填充剂可提高橡胶强度，减少生胶用量，
降低成本和改善工艺性。
(4) 防老剂。使用防老剂可在橡胶表面形成稳定氧化膜，
以抵抗氧化作用，防止和延缓橡胶发粘、变脆等老化现象。
（5）增强材料 其作用是提高橡胶的力学性能，如强度、
硬度、耐磨性和刚性等。常用的增强材料是各种纤维织物、金
属丝及编织物。如在传送带、胶管中加入帆布、细布，在轮胎
中加入帘布、在胶管中加入钢线等。
第1章机械工程材料
•
•
铸铁、有色金属、硬质合金
（3）橡胶的性能
①极好的弹性 橡胶的主要组分是具有高弹性高分子
物质。在受到较小力作用下能产生很大的变形（变形量在
100%~1000%），取消外力后又能恢复原状，这是橡胶区
别于其他物质的主要标志。
•
② 除了高弹性外，橡胶还具有很高的可挠性、伸长
率、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸振以
及与其它物质的粘结性等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
（4）常用橡胶及应用
橡胶主要用于制作轮胎；密封元件（旋转轴密封、管道
接口密封）；各种胶管（输送水、油、气、酸、碱）；减振、
防振件（机座减振垫片、汽车底盘橡胶弹簧）；传动件（如
三角胶带、传动滚子）；运输胶带；电线、电缆和电工绝缘
材料；制动件等。常用橡胶的性能及应用如表7-3所示。
通用橡胶价格较低，用量较大，其中丁苯橡胶是产量和用量
最大的品种，占橡胶总产量的60%~70%，顺丁橡胶的发展最
快；特种橡胶的价格较高，主要用于要求耐寒、耐热、耐腐
蚀等场合。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
常用橡胶的种类、性能和用途
种
类
通
用
橡
胶
特
种
橡
胶
名称
(代号)
天然橡胶
(NR)
丁苯橡胶
(SBR)
顺丁橡胶
(BR)
氯丁橡胶
(CR)
丁腈橡胶
(NBR)
聚氨酯橡胶
(UR)
氟橡胶
(FPM )
硅橡胶
回 耐 耐 耐 耐 耐
弹 磨 碱 酸 油 老
性 性 性 性 性 化
σb/M Pa
δ/%
使用温度
/℃
17～35
650～900
-70～110
好 中 好 差 差 —
15～20
500～600
-50～140
中 好 中 差 差 好
18～25
450～800
-70～120
好 好 好 差 差 好
25～27
800～1000
-35～130
中 中 好 中 好 好
15～30
300～800
-35～175
中 中 中 中 好 中
20～35
300～800
-30～80
中 好 差 差 好 —
20～22
100～500
-50～300
中 中 好 好 好 好
4～10
50～500
-100～300
差 差 好 中 差 好
用途举例
轮胎、胶带、胶管
轮胎、胶板、胶布、胶
带、胶管
轮胎、V 带、耐寒运输
带、绝缘件
电线(缆)包皮，耐燃胶
带、胶管，汽车门窗嵌
条，油罐衬里
耐油密封圈、输油管、
油槽衬
耐磨件、实心轮胎、胶
辊
高级密封件， 高耐蚀
件，高真空橡胶件
耐高、低温制品和绝缘
件
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铸铁、有色金属、硬质合金
1.9.2 陶 瓷 材 料
1、 陶瓷的分类
陶瓷按原料不同分为普通陶瓷和特种陶瓷；按用途不同分
为日用陶瓷和工业陶瓷。
普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如
粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶
瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。
特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、
碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特
的性能，可满足工程结构的特殊需要。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
2、 陶瓷的性能
（1）力学性能 陶瓷是工程材料中刚度最好、硬度最高的
材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗
拉强度较低，塑性和韧性很差。
（2）热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃
以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低
于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系
数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
•
（3）电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大
量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷
（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，
铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为
机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电唱机、
超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体
的特性，可作整流器。
•
（4）化学性能 陶瓷在高温下不易氧化，并对酸、碱、
盐具有良好的抗腐蚀能力。
• 此外陶瓷还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光
导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。
磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录
音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应
用有着广泛的前途。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
3、常用工业陶瓷
（1） 普通陶瓷
质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、成本低，加工成型
性好。强度低，使用温度为1200℃。广泛用于电气、化工、建
筑和纺织行业，例如：受力不大，在酸、碱中工作的容器、反
应塔、管道，绝缘件，要求光洁、耐磨、低速、受力小的导纱
零件。
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铸铁、有色金属、硬质合金
（ 2 ） 结构陶瓷
①氧化铝陶瓷。主要成分是Al2O3。强度比普通陶瓷高2～6
倍，硬度高(仅低于金刚石)；耐高温(陶瓷可在1600℃时长期使
用，空气中使用温度最高为1980℃)，高温蠕变小；耐酸、碱和
化学药品腐蚀，绝缘性好。脆性大，不能承受冲击。用于制作
高温容器(如坩埚)、内燃机火花塞，切削高硬度、大工件、精
密件的刀具，耐磨件(如拉丝模)，化工、石油用泵的密封环，
高温轴承，纺织机用高速导纱零件等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
②氮化硅陶瓷。这类陶瓷化学稳定性好，除氢氟酸外，
可耐无机酸(盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和碱液腐蚀；抗
熔融非铁金属侵蚀，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好；绝缘性
好；热膨胀系数小，抗高温蠕变性高于其他陶瓷；最高使用温
度低于氧化铝陶瓷。用于制作高温轴承，热电偶套管，泵和阀
的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，农用泵因泥砂多，
要求密封件耐磨，原来用铸造锡青铜作密封件与9Cr18对磨，
寿命低，现用氮化硅陶瓷与9Cr18对磨，使用8400 h，磨损仍
很小。
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③碳化硅陶瓷。这类陶瓷高温强度大，抗弯强度在1400℃
时仍保持500～600 MPa，热传导能力强，有良好的热稳定性、
耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性。用于制作工作温度高于1500℃的
结构件，如火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇口杯，热电偶套
管、炉管，汽轮机叶片，高温轴承，泵的密封圈。
④氮化硼陶瓷。这类陶瓷有良好的高温绝缘性(2000℃时仍
绝缘)、耐热性、热稳定性、化学稳定性、润滑性，能抗多数熔
融金属侵蚀，硬度低，可进行切削加工。用于制作热电偶套管，
坩埚，导体散热绝缘件，高温容器、管道、轴承，玻璃制品的
成型模具。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.9.3 复 合 材 料
复合材料是将两种或多种性质不同的材料，通过物理和
化学复合组成的多相材料。通常其中的一种作为基体起粘结
作用，另一些作为增强材料，提高承载能力。复合材料不仅
性能优于组分的任意一个单独的材料，而且还可具有单独组
分不具备的独特性能，从而使复合材料具有优良的综合性能。
1、复合材料的分类
（1）按增强材料的形状分类 可分为纤维增强复合材料、
颗粒 增强复合材料、层叠复合材料等。
（2）按基体不同分类 可分为树酯基复合材料、陶瓷基
复合材料、金属基复合材料。
（3）按用途分类 可分为结构复合材料和功能复合材料。
结构复合材料主要作为承力结构使用的材料；功能复合材料
是指除力学性能以外还具备其它物理、化学、生物等特殊性
能的复合材料。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
2、复合材料的性能
（1）比模量和比强度高 复合材料的增强物一般都采用
了高强度、低密度的材料。一般比模量约为钢的4倍，比强度
约为钢的8倍。各种材料的性能比较如表7-5所示。
材料名称
密度
/g.cm3
弹性模
量
/102MPa
比模量
/107m
抗拉
强度
/MPa
比强
度
/105m
高强度钢
7.8
2100
0.27
1030
0.130
硬铝
2.8
750
0.26
470
0.170
玻璃钢
2.0
400
0.21
1060
0.530
碳纤维—环氧
树酯
1.45
1400
0.21
1500
1.030
硼纤维—环氧
树酯
2.1
2100
1.00
1380
0.660
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
（2）抗疲劳性能好 复合材料的基体中密布着大量的增
强纤维等，而基体的塑性一般较好，而且增强纤维和基体的界
面可阻止疲劳裂纹扩展，从而有效地提高复合材料的疲劳极限，
碳纤维增强复合材料的疲劳极限是抗拉强度 的70%~80%。
（3）安全性好 复合材料每平方厘米截面上独立的纤维有
几千甚至几万根，当构件过载并有少量纤维断裂后，会迅速进
行应力重新分配，由未断裂的纤维来承载，使构件在短时间内
不会失去承载能力，提高使用的安全性。
第1章机械工程材料
•
铸铁、有色金属、硬质合金
（4）高温性能良好 增强纤维的熔点或软化温度一般都
较高，除玻璃纤维的软化点仅为700℃~900℃外，其它如Al2O3、
C、BN、 SiC、B等纤维的软化点都在2000℃以上，所以复合
材料一般都具有较高的高温强度。例如一般铝合金在400℃以
上时强度仅为室温时的1/10，弹性模量接近于零，而用碳纤维
或硼纤维强化的铝材，在400℃时强度和弹性模量几乎和室温
一样。
•
（ 5）减振性良好 机构的自振频率与材料比弹性模量的
平方根成正比，由于复合材料的比模量大，自振频率很高，不
易产生共振，同时纤维与基体的界面具有吸振能力，故振动阻
尼高。
• 此外复合材料一般都具有良好的化学稳定性、而且制造工艺简
单、这些优点使之得到广泛应用，复合材料是近代重要的工程
材料。已大量用于飞机结构件；汽车、轮船、压力容器、管道、
传动零件等，其应用量呈逐年增加趋势。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
3、常用复合材料
（1）
纤维增强复合材料
① 热塑性玻璃钢。以玻璃纤维为增强剂，热塑性树脂为
粘结剂。与热塑性塑料相比，当基体材料相同时，其强度和疲
劳强度提高2～3倍，冲击韧度提高2～4倍，抗蠕变能力提高
2～5倍，强度超过某些金属。这种玻璃钢用于制作轴承、齿轮、
仪表盘、收音机壳体等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
② 热固性玻璃钢。以玻璃纤维为增强剂，热固性树脂为
粘结剂。其密度小，耐蚀性、绝缘性、成型性好，比强度高
于铜合金和铝合金，甚至高于某些合金钢。但刚度差，为钢
的1/10～1/5。耐热性不高(低于200℃)，易老化和蠕变。主要
制作要求自重轻的受力件，例如汽车车身，直升机旋翼，氧
气瓶，轻型船体，耐海水腐蚀件，石油化工管道和阀门等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
(2) 碳纤维增强复合材料。这种复合材料与玻璃钢相比，
其抗拉强度高，弹性模量是玻璃钢的4～6倍。玻璃钢在300℃
以上，强度会逐渐下降，而碳纤维的高温强度好。玻璃钢在潮
湿环境中强度会损失15%，碳纤维的强度不受潮湿影响。
此外，碳纤维复合材料还具有优良的减摩性、耐蚀性、导
热性和较高的疲劳强度。
碳纤维复合材料适于制作齿轮、高级轴承、活塞、密封环，
化工零件和容器，飞机涡轮叶片，宇宙飞行器外形材料，天线
构架，卫星、火箭机架，发动机壳体等。
第1章机械工程材料
（3）
铸铁、有色金属、硬质合金
层叠复合材料
层叠复合材料由两层或两层以上不同材料复合而成。用层
叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔
声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的有双层金属复合材
料、塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合材料等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
例如，SF型三层复合材料就是以钢为基体，烧结铜网或铜
球为中间层，塑料为表面层的自润滑复合材料。这种材料力学
性能取决于钢基体，摩擦、磨损性能取决于塑料，中间层主要
起粘结作用。这种复合材料比单一塑料的承载能力提高20倍，
导热系数提高50倍，热膨胀系数下降75%，改善了尺寸稳定性，
可制作高应力(140 MPa)、高温(270℃)、低温(-195℃)和无油润
滑条件下的轴承。
第1章机械工程材料
（4）
铸铁、有色金属、硬质合金
颗粒复合材料
颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体
材料内所组成的。金属陶瓷就是颗粒复合材料，它是将金属的
热稳定性好、塑性好，高温易氧化和蠕变等性能，与陶瓷脆性
大，热稳定性差，但耐高温、耐腐蚀等性能进行互补，将陶瓷
微粒分散于金属基体中，使两者复合为一体。例如，钨钴类硬
质合金刀具就是一种金属陶瓷。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1.10 功能材料及理想材料 （阅读）
1.10.1 功能材料
• 功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学
性能和理化效应的各种新材料，用以对信息和能量的感受、
计测、传导、输运、屏蔽、绝缘、吸收、控制、记忆、存
储、显示、发射、转化和变换的目的。
• 按材料的功能特点，功能材料可分为力功能材料、声功能
材料、热功能材料、光功能材料、电功能材料、磁功能材
料、化学功能材料、核功能材料、生物医学功能材料等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1. 传感器用敏感材料: 传感器通常由敏感元件和转换元件
所组成。敏感材料按物理、化学和结构特性可分为半导
体、陶瓷、有机聚合物、金属、复合材料等；按功能可
分为力敏材料、热敏材料、气敏材料、湿敏材料、声敏
材料、磁敏材料、电化学材料、电压敏材料、生物敏感
材料等。
2. 电功能材料:电功能材料是指主要利用材料的电学性能和
各种电效应的材料。包括导电材料、超导电材料、电阻
材料、电接点材料、电绝缘材料、电容器材料、电压材
料、热释电材料和光导电材料等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
3. 磁功能材料: 磁功能材料主要利用材料的磁性能和磁效
应，实现对能量和信息的转换、传递、调制、存储、检
测等功能。按其化学成分通常分为金属磁性材料(包括金
属间化合物)和铁氧体(氧化物磁性材料)两大类。
4.新能源材料:新能源材料是指在开发、利用新能源(如
太阳能、地热能、潮汐能、原子能等)和提高传统能源利
用率的技术中起关键作用的材料。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
5.光学功能材料:光学功能材料的发展与信息技术密切结合。
主要功能有光的发射和传输、光信息转换、存储、显示、
计算和光的吸收。
6.热功能材料:具有独特热物理性能和热效应的材料称为热
功能材料，用于制作发热、致冷、感温元件，或作为蓄
热、传热、绝热介质，应用于各技术领域。
7 . 力学、声学功能材料:力学、声学功能材料是指主要利
用物质的弹性、超弹性、内耗性、形状记忆效应、磁致
伸缩效 .
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
1．10．2 功能梯度材料及理想材料
1. 功能梯度材料 :功能梯度材料（Functionally Gradient
Material，简称FGM）是指构成材料的要素（如组分、结
构等物理特征）在材料整体上沿某一个或几个方向连续变
化，从而使材料的物理性质和功能也产生相应梯度变化的
新型复合材料。
根据不同的梯度性质变化, 功能梯度材料可分为密度功
能梯度材料、成分功能梯度材料、光学功能梯度材料和精
细功能梯度材料等. 根据不同的应用领域, 功能梯度材料
可分为耐热功能梯度材料、生物功能梯度材料、化学工程
功能梯度材料和电子工程功能梯度材料等。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
2. 理 想 材 料 : 理 想 材 料 零 件 （ Ideal Functional Material
Components，简称IFMC）是一种按照零件的最佳使用功能
要求来设计制造的，由单质材料、复合材料、功能梯度材
料和按照一定规律分布的功能细结构材料甚至嵌入器件等
构成的复杂非均匀材料零件。
理想材料零件与传统零件最大的不同就在于它变化的
材料构成上，理想材料零件可以在不同的位置选择不同的
材料，从而得到最适当的性能。
理想材料零件能够实现材料组织结构和零件性能的最
佳组合, 是真正的高质、节能的产品.
第1章机械工程材料
1.11
铸铁、有色金属、硬质合金
纳米材料
• 纳米材料又称超微细材料，其粒子粒径范围在1～
100nm(1nm＝10-9m)之间，即指至少在一维方向上受纳
米尺度(0.1~100nm)调制的各种固体超细材料。
• 纳米材料按其结构可以分为四类：具有原子蔟和原子束
结构的称为零维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳
米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；晶粒尺寸
至少一个方向在几个纳米范围内的称为三维纳米材料。
还有就是以上各种形式的复合材料。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 按化学组分，可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳
米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性，可分
为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳
米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用，可
分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、
纳米敏感材料、纳米储能材料等。
•
纳米材料的应用及前景 :在信息科学上 、在生物工程
上 、在化工领域 、在医药学领域 、在材料学领域 、在
航天领域 、在制造与加工领域 及在军事上 都有广泛的
应用。
第1章机械工程材料
铸铁、有色金属、硬质合金
• 小结
• 1. 铸铁、有色金属的组织特性
• 2. 铸铁的牌号、性能和应用
• 3. 铜及合金的牌号、性能和应用
• 4. 铝及合金的牌号、性能和应用
• 5.硬质合金的牌号、性能和应用
• 6.非金属材料的性能及应用
• 作业
• 1-19；1-21