1、 高分子材料的結構(jigu)與性能 一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，每個分子可含幾千、幾萬甚至(shnzh)幾十萬個原子。 高分子材料的納米化 高分子材料 共一百一十六頁 （一）高分子化合物的組成 簡單的低分子化合物叫單體。由一種或幾種簡單的低分子化合物通過共價鍵重復連接而成的鏈稱為(chn wi)分子鏈。大分子鏈中的重復結構單元叫鏈節。鏈節的重復次數即鏈節數叫聚合度。例如：聚氯乙烯分子是由n個氯乙烯分子打開雙鍵，彼此連接起來形成的大分子鏈。可用下式表示： 其中氯乙烯 就是聚氯乙烯(j l y x) 的單體， 就是聚氯乙

2、烯分子鍵的鏈節，n就是聚合度。聚合度反映了大分子鏈的長短和分子量的大小，可見高分子化合物的分子量（M）是鏈節的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M= M0n 共一百一十六頁 (二)高分子化合物的聚合(jh) 1.加聚反應（加成聚合反應） 由一種或多種單體相互加成，或由環狀化合物開環相互結合成聚合物的反應稱為(chn wi)加聚反應。由一種單體經過加聚反應生成的高分子化合物稱為(chn wi)均聚物，而由兩種或兩種以上的單體經過加聚反應生成的高分子化合物稱為共聚物。 2.縮聚反應 由一種單體或多種單體相互縮合生成聚合物，同時析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、鹵化物等）的反應稱為縮聚反應。由一

3、種單體進行的縮聚反應稱為均縮聚反應，由兩種或兩種以上的單體進行的縮聚反應稱為共縮聚反應。 共一百一十六頁 （三）高分子化合物的分類(fn li)及命名 1.高分子化合物的分類 分類方法類別特點舉例備注 按性能及用途塑料室溫下呈玻璃態，有一定形狀，強度較高，受力后能產生一定形變的聚合物聚酰胺、聚甲醛、聚砜、有機玻璃、ABS、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、環氧塑料、酚醛塑料 其中塑料、橡膠、纖維稱為三大合成材料橡膠室溫下成高彈態，受到很小力時就會產生很大形變，外力去除后又恢復原狀的聚合物通用合成橡膠（丁苯、順丁、氯丁、乙丙橡膠）特種橡膠（丁睛、硅、氯橡膠）纖維由聚合物抽絲而成，軸向強度高、受力變形小，在一

4、定溫度范圍內力學性能變化不大的聚合物滌綸（的確良）、棉綸（尼龍）、腈綸（奧綸）、纖綸、丙綸、氯綸（增強纖維有芳綸、聚烯烴）膠粘劑由一種或幾種聚合物作基料加入各種添加劑構成的，能夠產生粘合力的物質環氧、改性酚醛，聚氨酯-氰基丙烯酸酯、厭氧膠粘劑涂料是一種涂在物體表面上能干結成 膜的有機高分子膠體有保護、裝飾（或特殊作用：絕緣、耐熱、示溫）作用酚醛、氨基、醇酸、環氧、聚氨酯樹脂及有機硅涂料按聚合物反應類型加聚物經加聚反應后生成的聚合物，鏈節的化學式與單體的分子式相同聚乙烯、聚氯乙烯等 80%聚合物可經積聚反應生成縮聚物經縮聚反應后生成的聚合物，鏈節的化學式與單體的化學結構不完全相同，反應后有小分子

5、物析出酚醛樹脂（由苯酚和甲醛縮合、縮水去水分子后形成的）等共一百一十六頁分類方法類別特點舉例備注按聚合物的熱行為熱塑性塑料加熱軟化或熔融，而冷卻固化的過程可反復進行的高聚物，它們是線型高聚物聚氯乙烯等烯類聚合物熱固性塑料加熱成型后不再熔融或改變形狀的高聚物，它們是網狀（體型）高聚物酚醛樹脂、環氧樹脂按主鏈上的化學組成碳鏈聚合物主鏈由碳原子一種元素組成的聚合物CCCC雜鏈聚合物主鏈除碳外，還有其它元素原子的聚合物CCOCCCNCCS元素有機聚合物主鏈由氧和其它元素原子組成的聚合物OSiOSIO 2.高分子化合物的命名(mng mng) 常用高分子材料大多數采用習慣命名法，即在單體前面加“聚”字，

6、如聚氯乙烯等。 有一些在原料名稱后加“樹脂”二字，如酚醛樹脂等。 有很多高分子材料采用商品名稱，它沒有統一的命名原則，商品名稱多用于纖維(xinwi)和橡膠，如尼龍6、棉綸、卡普隆、丁苯橡膠等。 共一百一十六頁 二、高分子化合物的結構(jigu) （一）高分子鏈結構（分子內結構） 1.高分子鏈結構單元的化學組成 在元素周期表中只有A、A、A、A中部分非金屬、亞金屬元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子鏈。由于(yuy)高聚物中常見的C、H、O、N等元素均為輕元素，所以高分子材料具有密度小的特點。 2.高分子鏈的形態 線型分子鏈 由許多鏈節組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。這

7、類結構高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結構。 支化型分子鏈 在主鏈上帶有支鏈。這類結構高聚物的性能和加工都接近線型分子鏈高聚物。 體型分子鏈 分子鏈之間由許多鏈節相互橫向交聯。具有這類結構的高聚物硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性材料的典型結構。 共一百一十六頁 3.高分子鏈中結構單元鍵接方式 聚合物中聚氯乙烯(j l y x)單體的連接方式 1)頭-尾連接： 2)頭-頭或尾-尾連接(linji)： 3)無規則連接： 共聚物中單體的連接方式（以AB兩種單體共聚為例） 1)無規則共聚：ABBABBABAABAA 2)交替共聚： ABABABABABAB 3)嵌段共聚:

8、AAAABBAAAABB 4)接枝共聚： 共一百一十六頁 4.高分子鏈的結構(jigu)(鏈結構(jigu) 高分子鏈的結構是指高分子鏈中原子或原子團在空間的排列方式,即鏈結構。按取代基R在空間所處的位置及規律不同,可有以下三種立體構型: 全同立構 取代基R全部處于主鏈一側。 間同立構 取代基R相間地分布在主鏈兩側。 無規立構 取代基R在主鏈兩側作不規則地分布。 高分子鏈的構型不同,則性能(xngnng)不同 5.高分子鏈的構象 共一百一十六頁 (二)高分子的聚集(jj)態結構(分子間結構) 高分子化合物的聚集態結構是指高聚物內部高分子鏈之間的幾何排列或堆砌結構,也稱超分子結構。依分子在空間排

9、列的規整(u zhn)性可將高聚物分為結晶型、部分結晶型和無定型(非晶態)三類。 在實際生產中大多數聚合物都是部分晶態或完全非晶態。晶態結構在高分子化合物中所占的質量分數或體積分數稱為結晶度。結晶度越高，分子間作用力越強，因此高分子化合物的強度、硬度、剛度和熔點越高，耐熱性和化學穩定性也越好；而與鍵運動有關的性能，如彈性、伸長率、沖擊韌性則降低。 共一百一十六頁 三、高分子化合物的力學性能 （一）線型非晶態高分子化合物的力學性能 此類聚合物在恒定應力下的變形(bin xng)-溫度曲線如圖所示。Tb為脆化溫度，Tg為玻璃化溫度，Tf 為粘流溫度，Td為化學分解溫度。 共一百一十六頁 1.玻璃態

10、 TbTTg時，由于溫度低，分子熱運動能力很弱，高聚物中的整個分子鏈和鍵段都不能運動，只有鍵長和鍵角可作微小變化，此時分子鏈的狀態稱為玻璃態。 在這種狀態下使用的材料是塑料(slio)和纖維。 2.高彈態 TgTTf時，由于溫度較高，分子活動(hu dng)能力較大，因此高聚物可以通過單鍵的內旋轉而使鍵段不斷運動，但尚不能使整個分子鏈運動，此時分子鏈呈卷曲狀態稱高彈態。在這種狀態下使用的高聚物是橡膠。 3.粘流態 當TfT20%。 共一百一十六頁 二、復合材料的性能特點(tdin) 1比強度和比模量高 共一百一十六頁 2良好的抗疲勞性能 碳纖維增強(zngqing)復合材料的疲勞極限可達抗拉強

11、度的70%80%，而金屬材料的只有其抗拉強度的40%50%。 3破斷安全性好 4優良的高溫(gown)性能 5減振性好 因為結構的自振頻率與材料的比模量平方根成正比，而復合材料的比模量高，其自振頻率也高，纖維與基體界面能吸收振動能量。 進入下一節共一百一十六頁第三節 常用的復合材料 一、纖維(xinwi)增強復合材料 1常用增強纖維 主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、Kevlar有機物纖維等。 玻璃纖維(b lixinwi)繩玻璃纖維布玻璃纖維繩玻璃纖維紙納米碳管纖維碳纖維繩共一百一十六頁 （1）玻璃纖維 按玻璃纖維中Na2O和K2O的含量不同，可將其分為無堿纖維（堿的質量分數12%

12、）。隨著堿量的增加，玻璃纖維的強度、絕緣性、耐蝕性降低。 特點：強度高，抗拉強度可達10003000MPa；彈性模量比金屬低得多，為（35）104MPa；密度小，為2.52.7g/cm3；化學穩定性好；不吸水、不燃燒、尺寸穩定、隔熱、吸聲、絕緣等。 缺點：脆性較大(jio d)、耐熱性低，250以上開始軟化。 優點：價格便宜、制作方便 （2）碳纖維 碳纖維是人造纖維（粘膠纖維、聚丙烯腈纖維等），是在200300空氣中加熱并施加一定張力進行預氧化處理，然后在氮氣的保護下于10001500的高溫中進行碳化處理而制得。其碳含量Wc85%95%。由于其具有(jyu)高強度，因而稱高強度碳纖維，也稱型碳

13、纖維。 共一百一十六頁 在25003000高溫的氬氣中進行石墨化處理，就可獲得含碳量為Wc98%以上的碳纖維，又稱石墨纖維或高模量碳纖維，也稱型碳纖維。 特點：與玻璃纖維相比，碳纖維具有密度小（1.332.0g/3），彈性模量(tn xn m lin)高（2.84105MPa）；高溫及低溫性能好，導電性好、化學穩定性高、摩擦因數小、自潤濕性好。 缺點：脆性大、易氧化 （3）硼纖維 它是用化學沉積法將非晶態的硼涂覆到鎢絲上而制得的。具有(jyu)高熔點（2300）、高強度（24502750MPa）、高彈性模量（3.84.9105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蝕性。 缺點：密度大、直徑較粗及生產

14、工藝復雜、成本高、價格昂貴。 （4）碳化硅纖維 它是用碳纖維作底絲，通過氣相沉積法而制得。具有高熔點、高強度、高彈性模量。其突出特點是具有優良的高溫強度，在1100時其強度仍高達2100MPa。 共一百一十六頁 （5）Kevlar有機纖維（芳綸、聚芳酰胺纖維） 特點：比強度、比模量高；其強度可達28003700MPa；密度小，只有1.45 g/3；耐熱性比玻璃纖維(b lixinwi)好。它還具有優良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性。 2纖維樹脂復合材料 （1）玻璃纖維樹脂復合材料 亦稱玻璃纖維增強塑料，也稱玻璃鋼。 1）熱塑性玻璃鋼 它是由20%40%的玻璃纖維和60%80%的熱塑性樹脂（

15、如尼龍(nlng)、ABS等）組成，具有高強度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低熱膨脹系數。 共一百一十六頁 2) 熱固性玻璃鋼 它是由60%70%玻璃纖維（或玻璃布）和30%40%熱固性樹脂（環氧、聚酯樹脂等）組成。 主要優點：密度小、強度(qingd)高，耐蝕性、絕緣性、絕熱性好；吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。 缺點：彈性模量低，熱穩定性不高，只能在300以下工作。 共一百一十六頁 （3）硼纖維樹脂復合材料(f h ci lio) 主要由硼纖維與環氧、聚酰亞胺等樹脂組成。具有高的比強度、比模量，良好的耐熱性。其缺點是各向異性明顯。 （2）碳纖維樹脂復合材料 最常用的是碳纖維與聚酯

16、、酚醛、環氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復合材料，具有高強度、高彈性模量、高比(o b)強度和比模量，還具有優良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐蝕性及耐熱性。缺點是纖維與基體結合力低。 （4）碳化硅纖維樹脂復合材料 由碳化硅纖維與環氧樹脂組成的復合材料，具有高的比強度、比模量。 （5）Kevlar纖維樹脂復合材料 由Kevlar纖維與環氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。主要性能特點是抗拉強度大于玻璃鋼，而與碳纖維環氧樹脂復合材料相似；延性好，與金屬相當；其耐沖擊性超過碳纖維增強塑料；其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金；減振能力為鋼的8倍。 共一百一十六頁 3纖維金屬（或合金）復合材

17、料 纖維增強金屬復合材料是由高強度、高模量的脆性纖維（碳、硼、碳化硅纖維）與具有較高韌性及低屈服強度的金屬（鋁及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鎳合金、鎂合金、銀鉛等）組成(z chn)，具有高的橫向力學性能、高的層間剪切強度；沖擊韌性好、高溫強度高、耐熱性、耐磨性、導電性、導熱性好；不吸濕、尺寸穩定性好、不老化等優點。 （1）纖維鋁（或合金）復合材料 1）硼纖維鋁（或合金）基復合材料。 硼和鋁在高溫易形成AlB2，與氧易形成B2O3，故在硼纖維表面要涂一層SiC以提高硼纖維的化學穩定性。 特點：具有高彈性模量(tn xn m lin)，高抗壓強度、抗剪強度和疲勞強度。 應用：主要用于制造飛機

18、和航天器的蒙皮、航空發動機葉片等。 共一百一十六頁 2）石墨纖維鋁（或合金）基復合材料。 由型碳纖維與純鋁或形變鋁合金、鑄造鋁合金組成。 特點：具有(jyu)高比強度和高溫強度，在500時其比強度為鈦合金的1.5倍 應用：主要用于制造航天飛機的外殼、飛機蒙皮。 3）碳化硅纖維鋁（或合金）復合材料 它是由碳化硅纖維與純鋁（或鑄造鋁合金、鋁銅合金等）組成(z chn)的復合材料。 特點：具有高的比強度、比模量，硬度高。 應用：用于制造飛機機身結構件及汽車發動機的活塞、連桿等。 （2）纖維鈦合金復合材料 由硼纖維或改性硼纖維、碳化硅纖維與鈦合金（Ti6Al4V）組成。它具有低密度、高強度、高彈性模量

19、、高耐熱性、低熱膨脹系數的特點。 共一百一十六頁 （3）纖維銅（或合金）復合材料 由石墨纖維與銅（或銅鎳合金）組成的材料。為了增強石墨纖維和基體的結合強度，常在石墨纖維表面鍍銅或鍍鎳后再鍍銅。石墨纖維增強銅或銅鎳合金復合材料具有高強度、高導電性、低的摩擦因數和高的耐磨性，以及(yj)在一定溫度范圍內的尺寸穩定性。 4纖維陶瓷復合材料 用碳（或石墨）纖維與陶瓷組成的復合材料能大幅度提高陶瓷的沖擊韌性和抗熱振性，降低脆性，而陶瓷又能保護碳（或石墨）纖維在高溫下不被氧化(ynghu)。因而這類材料具有很高的強度和彈性模量。 除上述三大類纖維增強復合材料外，近年來研制了多種纖維增強復合材料，例C/C復

20、合材料、混雜纖維復合材料等。 二、疊層復合材料 疊層復合材料是由兩層或兩層以上不同材料結合而成。 共一百一十六頁 1雙層金屬復合材料 將性能不同(b tn)的兩種金屬用膠合或熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復合在一起，以滿足某種性能要求的材料。 2塑料金屬多層復合材料(f h ci lio) 典型代表是SF型三層復合材料，如圖6-4所示。 共一百一十六頁 三、粒子(lz)增強型復合材料 1顆粒增強復合材料（d1m，體積分數v20%） 金屬陶瓷(jn sh to c)是常見的顆粒增強復合材料。硬質合金就是以TiC、WC（或TaC）等碳化物為基體，以金屬Ni、Co為粘合劑，將它們用粉末冶金方法經燒

21、結所形成的金屬陶瓷。 2彌散強化復合材料（d=0.010.1m, v=1%15%） 隨著科學技術的進步，一大批新型復合材料將得到應用。例如，C/C復合材料、金屬化合物復合材料、納米復合材料、功能梯度復合材料、智能復合材料及體現復合材料“精髓”的“混雜”復合材料將得到發展及應用。21世紀將是復合材料大力發展的時代。 進入下一章共一百一十六頁 機械零件的失效(sh xio)、強化、選材及工程材料的應用 第八章 機械零件的應用 機械零件的失效是指零件在使用過程中由于某種原因而喪失原設計功能的現象。失效分析的任務就是找出失效的主要原因，制訂(zhdng)改進措施。 第一節 零件的失效形式與分析方法 零

22、件的失效有三種形式，即過量變形、斷裂和表面損傷失效。 一、過量變形失效 1. 過量彈性變形失效 零件由于產生過大的彈性變形而失效，稱為彈性變形失效。 2. 過量塑性變形失效 零件承受的應力超過其材料的屈服強度時發生塑性變形。共一百一十六頁 3. 蠕變變形失效 受長期固定載荷的零件，在工作中尤其是在高溫下會發生蠕變（即在應力不變的情況下，變形量隨時間的延長(ynchng)而增加的現象）。 二、斷裂失效(sh xio) （1） 韌性斷裂失效 斷裂前零件有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀。 （2） 低溫脆性斷裂失效 零件在低于其材料的韌脆轉變溫度以下工作時，韌性和塑性大大降低并發生脆性斷裂而失效。 （3

23、） 疲勞斷裂失效 零件在承受交變載荷時，一定周期后仍會發生斷裂，疲勞斷裂為脆性斷裂。 （4） 蠕變斷裂失效 在高溫下工作的零件，當蠕變變形量超過一定范圍時，零件內部產生裂紋而很快斷裂。 環境破斷失效 在負載條件下，由于環境因素（例如腐蝕介質）的影響，往往出現低應力下的延遲斷裂使零件失效。 共一百一十六頁 三、表面損傷失效 1.磨損失效 金屬表面狀態和尺寸改變的現象稱為磨損。 2.腐蝕失效 零件暴露于活性介質環境中并與環境介質間發生化學和電化學作用，導致失效。 3.表面疲勞失效 相互(xingh)接觸的兩個運動表面，在工作過程中承受交變接觸應力的作用而導致表面層材料發生疲勞而脫落，造成零件失效。

24、 四、零件失效分析的一般方法 一般分析程序是： 1.調查研究 一是調查失效現場(xinchng)；二是調查背景材料，收集原始材料和數據。 2.殘骸收集和分析 目的是確定首先破壞件及其失效源。 共一百一十六頁 3.實驗分析 （1） 無損檢測 （2） 斷口分析 斷口分析分為宏觀分析和微觀分析兩種。斷口宏觀分析系指用肉眼、放大鏡或低倍光學(gungxu)顯微鏡來研究斷口特征的一種方法。通過宏觀分析初步確定斷裂性質，斷裂源，載荷情況。 斷口微觀分析大多采用電子顯微鏡，其分辨率和景深都高于光學顯微鏡，能深入觀察斷口微觀細節、斷裂性質，便于研究裂紋形成和擴展機理。 （3） 化學成分分析 （4） 金相分析

25、這種方法來分析裂紋的走向、性質、判定材料組織、工藝狀態，檢查可能導致失效的組織缺陷。 （5） 力學性能分析 (6)其它試驗方法 采用試驗性應力測定方法 共一百一十六頁 4.綜合分析，作出結論，寫出報告 失效分析工作達到預期目的后，應對進行的工作、所獲得的全部(qunb)資料進行集中、整理、分析評價和處理，作出結論，寫出報告。 進入(jnr)下一節共一百一十六頁第二節 工程材料的強化(qinghu)與強韌性 一、工程材料的強化方法 1.固溶強化 2.冷變形強化（加工硬化） 3.細晶強化（亦稱晶界強化） 4.第二相強化 材料通過基體中分布有細小、彌散的第二相質點而產生強化的方法，稱為(chn wi

26、)分散強化。第二相質點借助于過飽和固溶體的時效沉淀析出而獲得（稱為(chn wi)沉淀強化），或者是材料制備時（如粉末冶金）特意加入的彌散質點（稱彌散強化）。 5.相變強化 相變強化主要是指馬氏體強化（及下貝氏體強化），它是鋼鐵材料強化的重要途徑。共一百一十六頁 6.纖維增強的復合(fh)強化 二、工程材料的強韌性 強韌性就是使材料具有較高強度的同時具有足夠的塑性和韌性。 1.細化晶粒 2.調整(tiozhng)化學成分 3.形變熱處理 形變熱處理就是將形變強化與相變強化結合而綜合強化金屬的一種方法。 4.低碳馬氏體強韌性 5.下貝氏體強韌性 6.表面強化 進入下一章共一百一十六頁典型零件的選

27、材(xun ci)及工程材料的應用 第一節 選材的一般(ybn)原則 一、使用性原則 使用性能主要指零件在使用狀態下應具有的力學性能、物理性能和化學性能。（工程材料的選擇） 二、工藝性能原則 材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。 三、經濟性原則 一般包括材料的價格、零件的總成本與國家的資源等。進入下一節共一百一十六頁第二節 典型零件(ln jin)的選材及工藝路線設計 1.齒輪的工作(gngzu)條件、失效形式及性能要求 （1）工作時的受力情況 1)由于傳遞扭矩，齒根承受較大的交變彎曲應力。 2)齒面相互滑動和滾動，承受較大的接觸應力，并發生強烈的磨檫。 3)由于換檔、啟動或嚙合不良，齒部承

28、受一定的沖擊。 （2）主要失效形式 1)疲勞斷裂 主要發生在齒根。 2)齒面磨損 3)齒面接觸疲勞破壞 4)過載斷裂 共一百一十六頁 （3）齒輪用材性能要求 1)高的彎曲疲勞強度。 2)高的接觸疲勞強度和耐磨性。 3)齒輪心部要有足夠(zgu)的強度和韌性 2.齒輪零件的選材 根據工作(gngzu)條件，表94給出了一般齒輪的選材情況。 共一百一十六頁共一百一十六頁 3.典型齒輪選材舉例 （1）機床齒輪 機床傳動齒輪工作時受力不大，轉速中等，工作較平穩，無強烈沖擊，強度和韌性要求均不高，一般用中碳鋼（如45鋼）制造，經調質后心部有足夠的強韌性，能承受較大的彎曲應力和沖擊載荷。表面采用高頻淬火強

29、化，硬度(yngd)可達52HRC左右，提高了耐磨性。下料鍛造正火粗加工調質精加工高頻淬火、低溫回火精磨 （2）汽車齒輪 20CrMnTi鋼具有較高的力學性能，在滲碳、淬火、低溫回火(hu hu)后，表面硬度的達5862HRC，心部硬度3045HRC。下料鍛造正火切削加工滲碳、淬火及低溫回火噴丸磨銷加工 二、軸類零件的選材 1. 軸的工作條件、失效形式及性能要求 （1）一般軸的工作條件 1）傳遞一定的扭矩，承受一定的交變彎矩和拉、壓載荷。共一百一十六頁 2）軸頸承受較大的磨擦。 3）承受一定的沖擊(chngj)載荷。 （2）主要失效形式(xngsh) 1）疲勞斷裂。 2）斷裂失效。 3）磨損失

30、效。 （3）對軸用材料性能要求 1）良好的綜合力學性能。 2）高的疲勞強度。 3）良好的耐磨性。 2. 軸類零件的選材 （1）不傳遞動力只承受彎矩起支撐作用的軸 可以用碳鋼或球墨鑄鐵來制造。 共一百一十六頁 （2）主要受彎曲、扭轉的軸 這類軸無需選用淬透性很高的鋼種，通常選用中碳鋼，如45鋼、40Cr、40MnB等；若要求(yoqi)高精度、高的尺寸穩定性及耐磨性的軸，如磨床主軸，則常選用38CrMoAl鋼，進行調質及氮化處理。 （3）同時承受彎曲（或扭轉）及拉、壓載荷的軸 選用淬透性較高的鋼種。 3. 典型軸選材舉例 （1）機床主軸(zhzhu)選材 車床主軸(zhzhu)可選用45鋼。鍛造

31、正火粗加工調質精加工表面淬火及低溫回火磨銷加工 這類機床主軸的載荷較大，可用40Cr鋼制造。當承受較大的沖擊載荷和疲勞載荷時，則可采用合金滲碳鋼制造，如20Cr或20CrMnTi等。 共一百一十六頁 （2）內燃機曲軸(qzhu)選材 按制造工藝把曲軸(qzhu)分為鍛鋼曲軸(qzhu)和鑄造曲軸(qzhu)兩種。鍛鋼曲軸(qzhu)主要由優質碳鋼和中碳合金鋼制造，如35、40、35Mn2、40Cr、35CrMo鋼等。鑄造曲軸主要由鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵以及合金鑄鐵等制造，如ZG230450、QT7002、KTZ4505、KTZ5004等。 圖91是175A型農用柴油機曲軸簡圖。性能要求

32、b750Mpa，整體硬度(yngd)在240260HBS，軸頸表面硬度625HV，2%，ak150kJ/m2。曲軸材料可選用QT7002，其工藝路線如下：鑄造高溫正火高溫回火切削加工輪頸氣體滲氮 共一百一十六頁 三、彈簧類零件的選材 1. 彈簧的工作條件、失效形式及性能要求(yoqi) （1）工作條件 1）彈簧在外力作用下，材料將承受彎曲應力或扭轉應力。 2）承受交變應力和沖擊載荷的作用。 3）某些彈簧受到腐蝕介質和高溫的作用。 （2）主要(zhyo)失效形式 1）塑性變形 2）疲勞斷裂 3）快速脆性斷裂 4）在腐蝕介質中使用的彈簧易產生應力腐蝕斷裂失效；高溫下使用的彈簧易出現蠕變和應力松弛，

33、產生永久變形。 共一百一十六頁 （3）對彈簧用材性能要求 1）高的彈性極限(jxin)和屈強比（s/b）。 2）高的疲勞強度。 3）某些彈簧需要良好的耐蝕性和耐熱性。 2. 彈簧(tnhung)零件的選材 （1）汽車板簧 一般選用65Mn、60Si2Mn鋼制造。重型載重汽車大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnMoVNb鋼制造。 （2）火車螺旋彈簧 可使用50CrMn、55MnMo等鋼制造。 共一百一十六頁進入(jnr)下一節共一百一十六頁第三節 工程(gngchng)材料的應用 一、汽車零件用材 1. 缸體和缸蓋 缸體常用的材料有灰鑄鐵和鋁合金兩種。缸蓋應用導熱性好、高溫機械強度高、能

34、承受反復熱應力、鑄造性能良好的材料來制造。目前使用的缸蓋材料有兩種：一是灰鑄鐵或合金鑄鐵；另一種是鋁合金。 2. 缸蓋 常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵，主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。 3. 活塞、活塞銷和活塞環活塞組 活塞材料一般用20鋼或20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼。活塞銷外表面應進行滲碳或碳氮共滲處理，以滿足外表面硬而耐磨，材料內部韌而耐沖擊的要求(yoqi)。 4.連桿 連桿材料一般采用用45鋼、40Cr或者40MnB等調質鋼。 5.氣門 氣門材料應選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進氣門一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金鋼制造；而排氣門則要求用高鉻耐

35、熱鋼制造，采用4Cr10Si2Mo。 共一百一十六頁 6.半軸 中、小型汽車的半軸一般用45鋼、40Cr，而重型汽車用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性較高的合金制造。 7.鋼板 鋼板有08、20、25和16Mn等。熱軋鋼板主要用來制造一些(yxi)承受一定載荷的結構件，如保險杠、剎車盤、縱梁等。冷軋鋼板主要用來制造一些(yxi)形狀復雜，受力不大的機械外殼、駕駛室、轎車的車身等覆蓋零件。 8.螺栓、鉚釘等冷鐓零件共一百一十六頁 9.汽車用塑料 （1）汽車內飾用塑料 內飾用主要塑料品種為聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和ABS等。 （2）汽車用工程塑料 汽車上

36、常用的工程塑料有聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛樹脂(fn qun sh zh)等。 （3）纖維增強塑料復合材料統稱為FRP，FRP材料可用于制造汽車頂棚、空氣導流板、前端板、前燈殼、發動機罩、擋泥板、后端板、三角窗框、尾板等外裝件。 10. 汽車用橡膠 輪胎的主要材料有生膠（包括天然橡膠、合成橡膠、再生膠），丁苯橡膠主要用于轎車輪胎。 11. 汽車用陶瓷材料共一百一十六頁 二、機床零件用材 1. 機身、底座用材 常使用的灰鑄鐵牌號是:HT150、HT200及孕育(yny)鑄鐵HT250、HT300、HT350、HT400等。共一百一十六頁 機身、箱體等大型零部

37、件在單件或小批量生產時，也可采用普通碳素鋼來制造，如Q215、Q235、Q255，其中Q235用得最多。 2. 齒輪用材 HT250、HT300和HT400等灰鑄鐵由于容易做成復雜的形狀和成本低的優點而成為首選材料。鋼在無潤滑情況下，只能用作小齒輪與鑄鐵的大齒輪相互嚙合，常用普通碳素鋼Q235、Q255和Q275制造。 閉式齒輪多采用40鋼、45鋼等經正火或調質處理的中碳優質鋼制造。高速、重載或受強烈沖擊的閉式齒輪，宜采用40Cr等調質鋼或20Cr、20CrMnTi等滲碳鋼制造，并進行相應的熱處理。 不重要的閉式齒輪可使用普通碳素鋼Q275制造。 3. 軸類零件用材 一般采用正火或調質處理的4

38、5鋼等優質碳素鋼制造軸類零件。不重要的或受力較小的軸及一般較長的傳動軸，可以采用Q235、Q255或Q275等普通碳素鋼制造。承受載荷較大，且要求直徑小、質量(zhling)輕或要求提高軸頸耐磨性的軸，可以采用40Cr等合金調質鋼或20Cr等合金滲碳鋼，整體與軸頸應進行相應的熱處理。共一百一十六頁 曲軸和主軸常采用QT6002、KTZ6003等球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵制造。 4. 螺紋聯接件用材 螺紋聯接件可由螺栓、多頭螺栓、緊固螺釘等聯接零件構成。 無特殊要求的一般螺紋連接件常用低碳或中碳的普通碳素鋼Q235、Q255、Q275制造。 用35鋼、45鋼等優質碳素結構鋼制造的螺栓，常用與中等載荷以及

39、精密的機床上。 合金結構鋼40Cr、40CrV等主要用于制作受重載高速的極重要的聯接螺栓。 5. 螺旋傳動(chundng)用材 螺旋傳動如絲杠螺母傳動，不進行熱處理的螺旋傳動件用45鋼、50鋼制造；進行熱處理的螺旋傳動件用T10、65Mn、40Cr等制造。共一百一十六頁 螺母的材料用鑄造錫青銅ZcuSn10Zn2、ZCuSn6Zn6Pb3使用得最為廣泛。在較小載荷及低速傳動中螺母用耐磨鑄鐵制造。 6. 蝸輪傳動用材 蝸輪的材料有鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅和鑄鐵。當滑動速度3m/s時，常采用鑄造錫青銅ZcuSn10Pb1或ZcuSn6Zn6Pb3等。 為節約貴重的銅合金，直徑為100200mm的青

40、銅蝸輪，應采用青銅輪緣與灰鑄鐵輪芯分別加工再組裝成一體的結構。 蝸桿材料一般為碳鋼和合金鋼，如用15鋼、20鋼、15Cr鋼、20Cr鋼，表面滲碳淬硬到5662HRC，或用45鋼、40Cr鋼，表面高頻淬火到4550HRC。 7. 滑動軸承用材 （1）金屬材料 包括(boku)軸承合金（巴氏合金、銅基軸承合金）和鑄鐵。 （2）粉末冶金材料 粉末冶金材料可用于制造含油軸承。 共一百一十六頁 （3）塑料軸承 常用的塑料軸承有ABS塑料、尼龍、聚甲醛、聚四氟乙烯等。 8. 滾動軸承用材 滾動軸承的內外圈和滾動體一般用GCr9、GCr15、GCr15SiMn等高碳鉻或鉻錳軸承鋼和GSiMnV等無鉻軸承鋼制

41、造。 9. 機床其它零件用材 （1）凸輪用材 一般尺寸不大的平板凸輪可用45鋼制造，進行調質處理(chl)，要求高的凸輪可用45鋼和40 Cr鋼制造，并進行表面淬火，硬度可達5060HRC。尺寸較大的凸輪（直徑大于300mm或厚度大于30mm），一般采用HT200、HT250或HT300等灰鑄鐵或耐磨鑄鐵制造。 （2）刀具用材 刀具用材包括碳素工具鋼（如T8、T10、T12）、合金工具鋼（如9Mn2V、9SiCr、CrW5、CrMn、CrWMn），高速鋼（W18Cr4V、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3）和硬質合金（WCCo型硬質合金YG3、YG6、YG8、WCTi

42、Co型硬質合金YT30、YT15、YT14、WCTiCTaCCo型硬質合金YW1、YW2）。 共一百一十六頁 三、儀器儀表用材 1. 殼體材料 （1）金屬材料 低碳結構鋼（如Q195、Q215、Q235），再用油漆防銹和裝飾。鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼（如1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti） （2）非金屬材料 例如ABS塑料、易電鍍和易成型、力學性能良好，是制造管道、儲槽內襯、電機外殼、儀表殼、儀表盤、小轎車車身等的優秀材料。 2. 軸類零件用材 用Q235等普通碳素鋼、聚甲醛塑料等工程塑料制造。硬鋁2A12（LY12）、2A11（LY11）和黃銅HMn582多用于制造重要且需

43、要耐蝕的軸銷等零件。 3. 凸輪用材 儀器(yq)中多數凸輪所用材料為中碳鋼或中碳合金鋼，一般尺寸不大的平板凸輪可用45鋼板制造，進行調質處理。要求高的凸輪可用45鋼或40 Cr鋼制造，進行表面淬火。 共一百一十六頁 4. 齒輪用材 用普通碳素鋼Q275制造齒輪，一般不經熱處理。 QAl1044可用來制造400以下工作(gngzu)的齒輪、閥座；QAl1166可用來制造500以下工作的齒輪、套管及其它減摩和耐蝕的零件。硅青銅QSi31有高的彈性、強度和耐磨性，耐蝕性良好，可用來制造耐蝕件及齒輪、制動桿等。鈹青銅Qbe2、Qbe1.9、Qbe1 .7可用于制造鐘表等儀表。 5. 蝸輪、蝸桿用材

44、QAl1166可用來制造500以下工作的蝸輪、套管及其它減磨和耐蝕的零件。硅青銅QSi31有高的彈性、強度和耐磨性，耐蝕性良好，可用來制造蝸輪、蝸桿及耐蝕件等。 聚碳酸酯等工程塑料可制造輕載蝸輪、蝸桿等零件。 共一百一十六頁 四、熱能設備用材 （一）鍋爐(gul)主要設備用鋼 1. 鍋爐管道用鋼 1)壁溫500的過熱器管和壁溫450的蒸汽管道。一般選用優質碳素結構鋼，常用的是20鋼。 2)壁溫550的過熱器管和壁溫510的蒸汽管道。15CrMo鋼是在這個溫度范圍應用很廣泛的鋼種。 3)壁溫580的過熱器管和壁溫540的蒸汽管道。12CrMoV鋼是該溫度范圍應用最廣泛的鍋爐管道用鋼。 4)壁溫（

45、600650）的過熱器管和壁溫（550600）的蒸汽管道。許需要(xyo)用高合金耐熱鋼，較常用的是馬氏體型耐熱鋼。 2. 鍋爐汽包用鋼 低壓鍋爐汽包用鋼為12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金鋼板。14MnMoVg鋼制造高壓鍋爐汽包。 共一百一十六頁 （二）汽輪機主要零部件用鋼 1. 汽輪機葉片 1)鉻不銹鋼（1Cr13和2 Cr13） 2)強化型鉻不銹鋼 在1Cr13和2 Cr13基礎上加入鉬、鎢、釩、鈮、硼等強化元素，得到Cr11MoV、Cr12WmoV、Cr12WmoNbVB和1Cr11Ni2W2MoV等。 3)鉻鎳不銹鋼 在600以上工作(gngzu)的葉片，應選用鉻鎳奧氏

46、體不銹鋼或高溫合金，如Cr17Ni13W、Cr14Ni18W2NbBCe。 2. 汽輪機轉子(zhun z) 34CrMo鋼采用正火（或淬火）+高溫回火處理，用作工作溫度480以下的汽輪機葉輪和主軸。 35CrMoV鋼可用來制造要求較高強度的鍛件，如用于工作室溫為（550520）以下的葉輪和2.5萬kW和5萬kW中壓汽輪機葉輪。 共一百一十六頁 五、化工設備用材 1. 壓力容器用低合金結構鋼 鋼種(gngzhng)有16MnR、15MnVR和18MnMoNbR等。 2. 不銹鋼 （1）鉻不銹鋼 1Cr13、2Cr13等鋼種在弱腐蝕介質（如鹽水溶液、硝酸、濃度不高的有機酸等）和溫度低于30時有良

47、好的耐蝕性，在海水、蒸汽和潮濕(chosh)大氣條件下也有足夠的耐蝕性。 （2）鉻鎳不銹鋼 有耐蝕要求的壓力容器常用鉻鎳不銹鋼，主要牌號有1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等。該類鋼經固溶處理后是單一的奧氏體組織，可得到良好的耐蝕性、耐熱性、低溫和高溫力學性能及焊接性能。 3. 耐熱鋼 共一百一十六頁 （二）有色金屬及其合金 1. 銅及銅合金 化工上常用的黃銅代號是H80、H68和H62等。H80和H68塑性好，可在常溫下沖壓(chngy)成形，用于制造容器零件。H62在常溫下塑性較差，力學性能較高，可做深冷設備的筒體、管板、法蘭和螺母等。共一百一十六頁 2. 鋁及鋁合金 工業純鋁廣泛應用于制造硝酸、含硫石油工業、橡膠硫化和含硫的藥劑等生產設備。 防銹鋁的耐蝕性比純鋁高，可用作空氣(kngq)分離的蒸餾塔、熱交換器、各式容器和防銹蒙皮等。 鑄鋁可用來鑄造形狀復雜的耐蝕零件，如化工管件、氣缸、活塞等。 六、航空航天器用材 航空航天器用材很廣泛，工程塑料