機械基礎產教融合

任務導向項目三

認識自行車典型零件的制造材料學習導圖情境導入材料是人類生活和生產的物質基礎，隨著人類文明的發展，材料技術也不斷發展。當前是材料的復合化階段，即利用物理、化學方法，根據實際需要組成獨特性能的復合材料。未來，材料的智能化是必然發展方向，即材料具備自適應、自診斷和自修復功能。一部設備或工具都是多個零件組成，根據功用，不同的零件選用不同的材料制造。自行車是常見的交通工具。請分析：1.自行車的中軸，如圖a）所示，通常是用什么材料制造的？為什么用這類材料？2.自行車的車架，如圖b）所示，通常是用什么材料制造的？為什么用這類材料？3.自行車的輪胎，如圖c）所示，通常是用什么材料制造的？為什么用這類材料？4.從材料角度出發，如何選購一臺性價比較高的自行車。

a）中軸b）車架c）輪胎學習目標知識目標1.了解鐵碳合金相圖；2.掌握鋼牌號的命名規則；3.了解鋼的熱處理過程；4.了解常用非鐵合金的性能；5.了解常用非金屬材料的性能。能力目標1.能夠識別零件制造材料的類別；2.能夠根據零件工作條件合理選擇材料種類。育人目標1.培養查閱書籍自主學習的習慣；2.培養團隊合作意識；3.培養嚴謹求實的學習精神。學習方法掃一掃：邊學邊練電子活頁工單活頁工單樣例知識鏈接一、認識鋼鐵材料目錄CONTENTS二、了解鋼的熱處理三、認識非鐵合金材料四、認識常用非金屬材料

鋼鐵是鋼和鑄鐵的總稱，鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，如下圖所示。鐵碳合金是工業上應用最廣泛的金屬材料。一、認識鋼鐵材料由于碳的質量分數的不同，鋼和鑄鐵在性能上有很大差異。根據碳含量不同，鐵碳合金可分為三大類：工業純鐵，質量分數不超過0.0218%鋼，質量分數在0.0218%~2.11%之間鑄鐵，鑄鐵中碳的質量分數超過2.11%，不超過6.69%。

鋼材

鑄鐵

根據鋼中碳及合金元素的含量可將鋼分為碳素鋼和合金鋼。3.1.1

認識鋼材料一、認識鋼鐵材料低碳鋼（碳的質量分數小于0.25%）中碳鋼（碳的質量分數為0.25~0.6%）高碳鋼（碳的質量分數大于0.6%碳素鋼（按碳含量）按用途分類：碳素結構鋼和碳素工具鋼。

按質量分類：普通鋼、優質鋼、高級優質鋼。

按冶煉時脫氧方法不同：沸騰鋼、鎮靜鋼和半鎮靜鋼、特殊鎮靜鋼。

1）碳素結構鋼碳素結構鋼主要用于鐵道、橋梁、各類建筑工程，如圖所示的鋼結構。3.1.1

認識鋼材料根據GB/T700-2006規定，碳素結構鋼的牌號由代表屈服強度的字母Q、屈服強度數值、質量等級符號（質量等級分A、B、C、D）、脫氧方法符號（如沸騰鋼“F”、鎮靜鋼“Z”、特殊鎮靜鋼“TZ”，其中“Z”與“TZ”符號可以省略。）等4個部分按順序組成。碳素結構鋼常用牌號有Q195、Q215A（B）、Q235A（B）、Q275等。一、認識鋼鐵材料房屋結構鋼1.碳素鋼

案例3-1識讀碳素結構鋼Q235AF。3.1.1

認識鋼材料一、認識鋼鐵材料字母“Q”是屈服強度“屈”字漢語拼音首位字母；數字“235”表示屈服強度數值，單位MPa，即這個牌號碳素結構鋼的屈服強度為235MPa；字母“A”表示質量等級；字母“F”是沸騰鋼。

2）優質碳素結構鋼優質碳素結構鋼的硫磷含量低于0.035%，主要用來制造較為重要的零件，如下圖所示齒輪軸。3.1.1

認識鋼材料一、認識鋼鐵材料根據GB/T699-2015規定，優質碳素結構鋼的牌號由兩位數字表示，表示鋼的平均含碳量的萬分之幾。含錳量較高的優質碳素結構鋼將錳元素符號在鋼號后標出。優質碳素結構鋼常用牌號有15、20、25、35、45、60、45Mn、65Mn等。齒輪軸

案例3-2識讀優質碳素結構鋼45Mn3.1.1

認識鋼材料一、認識鋼鐵材料數字“45”表示這個牌號的優質碳素結構鋼中，含碳量的質量分數為萬分之45，即0.45%；字母“Mn”表示這個牌號的優質碳素結構鋼中，含錳量較高。

3）碳素工具鋼碳素工具鋼用于制作工具，如下圖所示的鉗工手錘以及刃具、量具和模具的碳素鋼。與合金工具鋼相比，其加工性良好，價格低廉，使用范圍廣泛，所以它在工具生產中用量較大。3.1.1

認識鋼材料一、認識鋼鐵材料根據GB/T1299-2014規定，碳素工具鋼的牌號由漢字“碳”的漢語拼音首字母“T”及后面的數字組成，其數字表示含碳量為千分之幾，若為高級優質碳素工具鋼，則數字后面加A。例如，T11A表示含碳量為1.10%的高級優質碳素工具鋼。鉗工手錘

在碳鋼中加入一種或多種適量合金元素，以改善鋼的某種性能，稱為合金鋼。常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、V、Mo、Ti等。一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料1.合金鋼

一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料（1）合金鋼的分類1）按合金元素的質量分數不同，可分為低合金鋼（合金元素的質量分數小于5%）、中合金鋼（合金元素的質量分數為5%~10%）、高合金鋼（合金元素的質量分數大于10%）。2）按用途分為合金結構鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三大類。3）按合金元素分為：鉻鋼、錳鋼、硅錳鋼、鉻鎳鋼等。4）按主要性能和使用特性分為：工程結構用合金鋼、機械結構合金鋼、軸承鋼、工具鋼、不銹鋼、耐蝕鋼、耐熱鋼、特殊物理性能鋼等。

1）合金結構鋼合金結構鋼中合金元素加入量不大（大多數<5%），屬于低、中合金鋼，是合金鋼中用途廣、用量大的鋼種。合金結構鋼主要用于制造重要機械零件，如汽車半軸等。合金結構鋼牌號由平均含碳的質量分數（單位為0.01%）、合金元素符號及其平均質量分數（單位為1%，小于1.5%不標）組成。一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料汽車半軸（2）常見合金鋼的牌號與用途

一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料案例3-3識讀合金結構鋼60Si2Mn數字“60”表示這個牌號的合金結構鋼中，含碳量的質量分數為萬分之60，即0.60%字母“Si”及數字“2”表示這個牌號的合金結構鋼中，硅的含量平均為2%；字母“Mn”表示這個牌號的合金結構鋼中，含錳量小于1.5%。

一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料2）合金工具鋼合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入一種或多種合金元素形成的鋼，其牌號由平均碳的質量分數（單位為0.10%，≥1%不標出）、合金元素化學符號及其平均質量分數（單位為1%，小于1.5%不標）組成。合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼3類。其中碳含量高的鋼（碳質量分數>0.80%）多用于制造刃具、量具和冷作模具，這類鋼淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足夠的耐磨性；碳含量中等的鋼（碳質量分數0.35%~0.70%）多用于制造熱作模具，這類鋼淬火后的硬度稍低，為HRC50~55，但韌性良好。

一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料3）特殊性能鋼特殊性能鋼是指因具有某些特殊的物理、化學、力學性能，能在特殊的環境工作條件下使用的鋼，包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。一、認識鋼鐵材料3.1.1

認識鋼材料不銹鋼是指對腐蝕具有很高抗力的鋼，它在石油、化工、電機、國防等工業部門廣泛應用。工程中常用不銹鋼的牌號有：06Cr19Ni10、12Cr18Ni9、12Cr13等。耐熱鋼是指在高溫下具有良好的化學穩定性或較高強度的鋼，主要用于高壓鍋爐、汽輪機、內燃機、火力電站、航空等在高溫下工作的機械零件或構件。工程中常用的耐熱鋼的牌號有：10Cr17、14Cr11MoV、06Cr18Ni11Ti等。耐磨鋼是指在沖擊和摩擦條件下產生加工硬化而具有高耐磨性的鋼，主要用于制造球磨機的襯板、破碎機的顎板、挖掘機的斗齒、拖拉機和坦克的履帶板、防彈鋼板等，工程中常用耐磨鋼的牌號有：ZG120Mn13，ZG100Mn13、ZG120Mn13Cr2等。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料鑄鐵是碳質量分數大于2.11%，并常含有較多的硅、錳、硫、磷等元素的鐵碳合金。鑄鐵根據碳在鑄鐵中的存在形式分類1）白口鑄鐵碳除少數溶入鐵素體外，其余的全部以滲碳體的形式存在于鑄鐵中。2）灰口鑄鐵碳全部或大部分以石墨形式存在于鑄鐵中，其斷口呈暗灰色，故稱為灰口鑄鐵。3）麻口鑄鐵碳一部分以石墨形式存在，類似于灰口鑄鐵；另一部分以滲碳體存在，類似于白口鑄鐵。因在斷口上呈黑白相間的麻點，故稱為麻口鑄鐵。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料鑄鐵分類：

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料（1）灰鑄鐵灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨的形式存在，斷口呈灰色。灰鑄鐵的抗壓強度較大，良好的切削加工性能，耐磨性好，但抗拉強度很低，韌性低，可制造承受壓應力及要求消振、耐磨的零件，如右圖所示軸承支座等。工業生產中常用的鑄鐵多為灰鑄鐵，是應用最廣泛的鑄鐵材料，約占鑄鐵總產量的80%以上。2.常用鑄鐵工業生產中常用的鑄鐵有灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵等。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料（2）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由碳和硅含量較低的白口鑄鐵原料熔化后，經長時間石墨化退火，使滲碳體分解成團絮狀而獲得的一種高強度鑄鐵。雖然與灰鑄鐵相比，可鍛鑄鐵有較好的塑性、強度和韌性，但它并不能進行鍛造加工。可鍛鑄鐵主要用來制造一些形狀復雜、尺寸不大而強度和韌性要求較高的薄壁零件，如形狀復雜的輪殼、管接頭等。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料（3）球墨鑄鐵球墨鑄鐵是通過澆鑄前向鐵液中加入一定量的球化劑（如鎂、鈣和稀土元素等）和孕育劑（如硅鐵、硅鈣合金）進行球化處理和孕育處理，使其中的碳大部分或全部以自由狀態的球狀石墨存在。它的機械性能接近于鋼，但價格低于一般鋼，常用來制造曲軸、連桿、主軸、中壓閥門等。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料（4）合金鑄鐵合金鑄鐵是在普通鑄鐵中加入一定量的合金元素使之具有一些特殊性能的鑄鐵，也稱為特殊性能鑄鐵。合金鑄鐵與相似條件下使用的合金鋼相比，具有生產工藝簡單、成本低廉等優點，但脆性大，綜合性能不如鋼。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料3.識讀鑄鐵牌號根據國家標準GB/T5612-2008規定，鑄鐵牌號用鑄鐵代號、元素符號、名義含量及力學性能表示。其中鑄鐵代號由表示該鑄鐵特征的漢語拼音首字母（當兩種鑄鐵名稱代號相同時，可在后面加小寫字母來區別）和表示鑄鐵組織特征或特殊性能的漢語拼音首字母組成，如“HT”代表灰鑄鐵，“QT”代表球墨鑄鐵，“KT”代表可鍛鑄鐵，“RuT”代表蠕墨鑄鐵。元素符號用國際化學元素符號表示，名義含量用阿拉伯數字表示。力學特性也用阿拉伯數字表示。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料（1）化學成分的表示合金元素符號及名義含量（質量分數）排列在鑄鐵代號之后。合金元素的含量大于或等于1%時，在牌號中用整數標注；小于1%時，一般不標注。合金元素按其含量遞減次序排列，含量相等時按元素符號的字母順序排列。（2）力學性能的表示力學性能值排列在鑄鐵代號之后，當牌號中有合金元素符號時，力學性能值排列于元素符號及含量之后，之間用“-”隔開。牌號中力學性能代號后面有一組數字時，該組數字表示抗拉強度值，單位為MPa；當有兩組數字時，第一組表示抗拉強度值，單位為MPa，第二組表示伸長率，單位為%；兩組數字間用“-”隔開。

一、認識鋼鐵材料3.1.2

認識鑄鐵材料案例3-4識讀鑄鐵QTMMn8-300-18本案例的鑄鐵牌號中字母“QTM”表示這個牌號的鑄鐵是抗磨球磨鑄鐵；字母“Mn”及數字“8”表示這個牌號的鑄鐵中，Mn的名義含量為8%；數字“300”表示這個牌號的鑄鐵的抗拉強度為300Mp；數字“18”表示這個牌號的鑄鐵的伸長率為18%

鋼的熱處理是指采用適當的方式對鋼在固態下進行加熱、保溫和冷卻，以獲得預期的組織結構和性能的工藝方法。熱處理只改變材料的組織和性能，而不改變其形狀和尺寸，是提高金屬使用性能和改善工藝性能的重要加工方法。熱處理方法雖然很多，但都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的，通常用溫度-時間坐標圖表示，稱為熱處理工藝曲線。二、了解鋼的熱處理3.2了解鋼的熱處理保溫臨界溫度(臨界點)O溫度時間

3.2.1

了解鋼的退火和正火二、了解鋼的熱處理退火鋼的熱處理整體熱處理表面熱處理化學熱處理正火淬火回火表面淬火滲碳滲氮碳氮共滲

3.2.1

了解鋼的退火和正火二、了解鋼的熱處理將工件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火目的：降低硬度，改善切削加工性能，均勻鋼的化學成分和組織，消除內應力。退火加熱奧氏體化后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火目的：調整硬度（比退火高），改善切削加工性能，細化組織（比退火細），為最終熱處理做好組織準備。正火

3.2.1

了解鋼的退火和正火退火與正火的選用(1)從切削加工性考慮金屬的切削加工性能，包括硬度、切屑脆性、加工表面粗糙度及對刀具的磨損等。一般說來，金屬的硬度在170~230HBW范圍內，切削性能較好。硬度過高，不但難以加工，而且使刀具很快磨損；硬度過低，切削時易造成粘刀及切屑纏繞，降低刀具壽命，且切削表面粗糙。在一般生產中，低、中碳結構鋼以正火作為預備熱處理較為合適，高碳結構鋼（如軸承鋼）和工具鋼則以退火（球化退火）為好。對于合金鋼，由于含有合金元素，鋼的硬度有所提高，所以在大多數情況下，中碳以上的合金鋼常選用退火。二、了解鋼的熱處理

3.2.1

了解鋼的退火和正火（2）從使用性能考慮如果對鋼件的性能要求不太高，可采用正火作為最終熱處理。但如果零件尺寸較大或形狀較復雜，正火有可能使零件產生較大的殘余應力或變形、開裂，這時應選擇退火。對力學性能要求較高，必須進行淬火+回火最終熱處理的零件，從減少變形和開裂的傾向性來說，預備熱處理應選用退火。二、了解鋼的熱處理（3）從經濟上考慮正火比退火生產周期短，且操作簡便。故在可能條件下，特別是在大批量生產時應優先考慮以正火代替退火。

二、了解鋼的熱處理是將工件加熱到某一溫度，保持一定時間，然后以適當速度快速冷卻獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火目的：提高鋼的強度和硬度，獲得M或B下組織，配合適當溫度回火，獲得鋼件最終使用性能。淬火存在問題：淬火內應力、馬氏體組織不穩定、馬氏體韌性不高，脆性仍偏大。淬火后一般需回火。淬火3.2.2

了解鋼的淬火和回火

二、了解鋼的熱處理將淬火后的工件重新加熱到某一溫度，保溫后冷卻到室溫的工藝。淬火與回火配合，使工件獲得所需的使用性能。回火目的：減少或消除淬火內應力、穩定組織，穩定尺寸、降低脆性，獲得所需力學性能。回火包括低溫回火、中溫回火和高溫回火。淬火+高溫回火也叫“調質”處理。回火3.2.2

了解鋼的淬火和回火

3.2.2

了解鋼的淬火和回火（1）低溫回火低溫回火（150~250℃）目的是在保證淬火后的高硬度和耐磨性的基礎上，降低淬火應力，提高工件韌性。低溫回火得到的是馬氏體組織，硬度可達58~64HRC。常用于處理高碳工具鋼、模具鋼、滾動軸承及滲碳鋼等零件。二、了解鋼的熱處理

3.2.2

了解鋼的淬火和回火（2）中溫回火中溫回火（350~500℃）后鋼件具有高的彈性極限、屈服強度及屈強比，同時具有一定的塑性和韌性，硬度一般為35~45HRC。常作為各種彈簧的熱處理。一類合金元素與中溫碳化物之形成無關，因此對回火軟化無關。此類元素所造成之硬化效果，主要是靠固溶體硬化機構所達成的。另一類合金元素，例如鉻、鉬、鎢、釩等，由于其為促進碳化物形成的元素，因此它們的擴散速率也就影響了回火軟化的速率。二、了解鋼的熱處理

3.2.2

了解鋼的淬火和回火（3）高溫回火高溫回火（500~650℃）通常把淬火后在進行高溫回火處理稱為調質處理。調質處理后得到良好的綜合性能。在許多重要的機械結構件中，如受力比較復雜的連桿，重要的螺栓、齒輪及軸類零件，得到了廣泛應用。中高碳鋼調質處理后的硬度一般為200~350HBW。調質處理后的力學性能與正火相比，不僅強度高，而且塑性和韌性也較好。二、了解鋼的熱處理

3.2.3

了解鋼的表面熱處理在實際生產中，有些鋼件（如齒輪、凸輪、曲軸等）是在彎曲、扭轉等交變載荷、沖擊載荷及摩擦條件下工作，其表面要求有高的硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部應有足夠的塑性和韌性。有些鋼件（如量規等）只要求表面有高的硬度和耐磨性。在這些情況下，若僅從鋼材的選擇和采用前述的普通熱處理方法，已難滿足要求。解決的方法是對鋼件進行表面熱處理。僅對鋼件表層進行熱處理，以改變其組織和性能的工藝，稱為表面熱處理，主要包括：表面淬火和化學熱處理。二、了解鋼的熱處理

3.2.3

了解鋼的表面熱處理1.表面淬火表面淬火是將鋼件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳至零件心部時，隨即迅速冷卻，使其表面獲得一定深度淬硬層，心部仍為韌性較高的熱處理工藝，如右圖所示。二、了解鋼的熱處理

3.2.3

了解鋼的表面熱處理表面淬火方法主要有火焰淬火、感應淬火、電接觸加熱表面淬火及電解液加熱表面淬火等。目前生產中應用最多的是火焰淬火和感應淬火。（1）火焰淬火火焰淬火是利用氧-乙炔（或其他可燃氣）火焰對鋼件表面進行加熱，隨之淬火冷卻的工藝。火焰淬火適用于中碳鋼、中碳合金鋼及鑄鐵制成的單件、小批生產，或大型工件（大模數齒輪、大型軸類、機床導軌、軋輥等）的表面淬火。火焰淬火方法簡單，無需特殊設備，成本低，對大型工件或只需局部表面淬火的工件都比較方便；但此方法生產率低，工件質量較難控制，因此使用受到一定的限制。二、了解鋼的熱處理

3.2.3

了解鋼的表面熱處理（2）感應淬火感應淬火把鋼件放入由空心純銅管繞制而成的感應器內，感應器中通入一定頻率的交流電，以產生交變磁場，于是在鋼件內就會產生頻率相同、方向相反的感應電流，感應電流在工件內自成回路，稱為“渦流”。感應淬火最適宜的鋼種是中碳鋼和低合金中碳鋼，如40、45、40Cr等。感應淬火與火焰淬火相比，加熱速度極快，加熱時間短，鋼件表面不易氧化、脫碳，且鋼件心部無組織變化，生產率高，易實現機械化和自動化，適宜于大批量生產。但感應加熱設備較貴，維修調整困難，形狀復雜的感應器不易制造，故不適用于單件生產。二、了解鋼的熱處理

3.2.3

了解鋼的表面熱處理2.化學熱處理化學熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，改變表層的化學成分和組織，從而達到改善表面性能的一種熱處理工藝。按滲入元素的不同，化學熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲和氮碳共滲等，目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、抗疲勞性能和抗高溫氧化性能。二、了解鋼的熱處理

3.2.3

了解鋼的表面熱處理（1）滲碳為了增加鋼件表層的含碳量和一定的碳濃度梯度，將鋼件在滲碳介質中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的化學熱處理工藝，稱為鋼的滲碳。根據所采用的滲碳劑的不同，滲碳方法可分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種。二、了解鋼的熱處理（2）滲氮在一定溫度，使活性氮原子滲入鋼件表而的化學熱處理工藝，稱為滲氮。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度。目前生產中應用較多的是在氣體介質中進行滲氮，稱為氣體滲氮。

3.2.3

了解鋼的表面熱處理（3）碳氮共滲和氮碳共滲碳氮共滲是在一定溫度下，同時將碳、氮滲入鋼件表層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝。而氮碳共滲是在鋼件表層滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學熱處理工藝。目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體氮碳共滲應用較為廣泛。二、了解鋼的熱處理

3.3認識非鐵合金材料金屬材料分為鐵合金材料和非鐵合金材料。鋼鐵材料通常稱為鐵合金材料，鐵合金材料以外的所有金屬材料統稱為非鐵合金材料。非鐵合金材料的種類很多，由于它們具有獨特的性能，而使其成為現代工業技術中不可缺少的重要材料，尤其在航空航天工業中得到廣泛的應用。三、認識非鐵合金材料

3.3.1

認識鋁鋁是地殼中儲量較多的一種金屬，它是鋁、鐵、鈦、鎂四大金屬之首，其年產量居有色金屬產量之冠。工業上使用的純鋁（即工業純鋁）的純度為99%~99.99%，工業純鋁中所含雜質的量越高，其導電性、導熱性、耐蝕性及塑性就越低。工業純鋁按其純度可分為純鋁（Wal=99%~99.85%）和高純鋁（Wal>99.85%）兩類；按加工方式可分為變形純鋁（可壓力加工）和鑄造純鋁（非壓力加工）兩種。三、認識非鐵合金材料3.3.1

認識鋁按GB/T16474-2011《變形鋁及鋁合金牌號表示方法》規定，變形鋁采用4位字符牌號命名，純鋁即用“1XXX”表示。牌號的最后兩位數字表示鋁以百分表示的質量分數中小數點后面兩位數字。牌號第二位的字母表示原始純鋁的改型情況，如果字母為A，則表示為原始純鋁，若為其他字母，則表示為原始純鋁的改型。如1A30表示=99.30%的原始純鋁。按《鑄造有色金屬及其合金牌號表示方法GB/T8063-2017》規定，鑄造純鋁的牌號由鑄造代號“Z”、鋁的化學元素符號“Al”和表明純度名義含量的數字組成。如ZAl99.5表示=99.5%的鑄造純鋁。三、認識非鐵合金材料3.3.2

認識鋁合金純鋁強度很低，不適于制造機器零件。在純鋁中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等合金元素形成鋁合金，可使其力學性能提高，而且仍保持其密度小、耐腐蝕的優點。根據鋁合金的成分及生產工藝特點，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。三、認識非鐵合金材料3.3.2

認識鋁合金1.變形鋁合金變形鋁合金均以壓力加工（軋、拉、擠等）成型材，以棒、板、管、線、箔等產品供應。按GB/T16474-2011《變形鋁及鋁合金牌號表示方法》規定，變形鋁合金采用4位字符牌號命名，牌號用2XXX~9XXX系列表示。牌號的第一位數字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg+Si、Zn、其他元素和備用鋁合金的順序來表示變形鋁合金的組別。牌號第二位的字母表示原始純鋁的改型情況，如果字母為A，則表示為原始純鋁，若為其他字母，則表示為原始純鋁的改型。牌號的最后兩位數字用來區分同一組中不同的鋁合金。如：2A11表示以銅為主要合金元素的變形鋁合金。三、認識非鐵合金材料3.3.2

認識鋁合金變形鋁合金按性能特點和用途可分為防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛造鋁合金。三、認識非鐵合金材料（1）防銹鋁合金防銹鋁合金的主要合金元素是錳、鎂，其主要作用是提高鋁合金的抗蝕能力，而鎂還使鋁合金密度降低。其特點是具有較強的抗蝕性、塑性，承受壓力加工的能力強，焊接性也很好，但切削加工性較差。常用拉深法制造高耐腐蝕性薄板容器（如油箱等）、防銹蒙皮，以及受力小、質輕耐蝕的制品與結構件，如右圖所示鋁合金門窗。3.3.2

認識鋁合金（2）硬鋁合金硬鋁合金的主要合金元素是銅、鎂。它的強度與高強度鋼相近，故稱為硬鋁合金。銅、鎂含量少的硬鋁合金強度較低而塑性好（如2A01），大量用于制造鉚釘。銅、鎂含量多的硬鋁則強度高而塑性差（如2A12），用于制造中等強度的飛機受力結構件，如螺旋槳葉片及儀器儀表等。三、認識非鐵合金材料3.3.2

認識鋁合金（3）超硬鋁合金

超硬鋁合金的主要合金元素是銅、鎂、鋅。這類鋁合金時效強化處理效果最好，強度最高，其比強度相當于超高強度鋼，故名為超硬鋁合金。這類鋁合金的缺點是抗蝕性差，一般采用含鋅量1%的鋁鋅合金或純鋁進行包鋁，以提高抗蝕性。另外，耐熱性也差，當溫度高于120℃時就會軟化。主要用于制造質量小、受力較大、工作溫度較低的結構件，如飛機大梁、桁架、起落架等。三、認識非鐵合金材料3.3.2

認識鋁合金（4）鍛造鋁合金鍛造鋁合金的合金元素種類多，但含量較少，多數為銅、鎂、硅等。這類鋁合金可通過固溶處理及人工時效來強化，但熱塑性及耐腐蝕性較高，適用于鍛造，故稱之為鍛鋁。主要用做各種形狀復雜，比強度要求高，并可在高溫下工作的鍛件。如發動機風扇葉片、內燃機活塞、汽缸蓋、壓氣機葉輪等。三、認識非鐵合金材料3.3.2

認識鋁合金2.鑄造鋁合金鑄造鋁合金與變形鋁合金相比其力學性能較差，但鑄造性能好，可進行各種鑄造，以制造形狀復雜的零件，如右圖所示的汽車輪轂。按所含主要合金元素的不同，鑄造鋁合金可分為鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系、鋁鋅系等四個系列。三、認識非鐵合金材料鑄造鋁合金的代號則由字母“ZL”（即“鑄鋁”）及其后面的三個數字組成。ZL后面的第一個數字表示合金系列，其中1為鋁硅系，2為鋁銅系，3為鋁鎂系，4為鋁鋅系。后兩個數表示順序號。優質合金在數字后面附加字母A。3.4.1

認識高分子材料塑料塑料是以有機合成樹脂為主要成分，再加入添加劑組成的。由塑料顆粒制成塑料產品，如右圖所示。四、認識常用非金屬材料高分子材料又稱為高分子化合物或高分子聚合物，簡稱高聚物，可分為天然高分子材料和人工合成高分子材料兩大類。塑料顆粒和塑料制品3.4.1

認識高分子材料（1）塑料的組成1）合成樹脂合成樹脂是由低分子化合物通過縮聚或加聚反應合成的高分子化合物，如酚醛樹脂、聚乙烯等是塑料的主要組成，也起粘結劑作用。2）添加劑為改善塑料的性能而加入的其他組分，主要有填料、增塑劑、穩定劑、固化劑等，還可根據需要加入潤滑劑、著色劑、阻燃劑、抗靜電劑和發泡劑等四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料（2）塑料的性能1）物理性能：密度小，不加任何填料或增強填料的塑料，只有鋼的1/8~1/4。另外，塑料的電絕緣性好，介質損耗小，因此在電器、電機、電子工業方面應用廣泛。2）化學性能：塑料一般能耐酸、堿、油、水及大氣等的侵蝕，其中聚四氟乙烯甚至能耐強氧化劑“王水”的侵蝕。塑料廣泛用于制造在腐蝕條件下的零部件和化工設備。3）力學性能：塑料的強度和彈性模量都很低，減摩性好，如聚四氟乙烯自摩擦系數只有0.04，具有很好的減摩性。另外，塑料還由于自潤滑性能好，所以適合于制造軸承、凸輪、密封圈等要求減摩性好的零件，特別是對在無潤滑或少潤滑的摩擦條件下工作的零件尤為適合。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料（3）常用工程塑料根據樹脂的熱性能，塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。1）熱塑性塑料

熱塑性塑料受熱時軟化，冷卻后固化，再受熱時又軟化，具有可塑性和重復性。這類塑料主要有聚酰胺、ABS塑料、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、有機玻璃等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料1）熱塑性塑料聚酰胺（PA）：聚酰胺通常稱為尼龍或錦綸，具有突出的耐磨性和自潤滑性能，良好的韌性，耐油、摩擦系數小，抗霉、抗菌、無毒，良好的成形性能等。其缺點是耐熱性低，工作溫度不超過100℃，蠕變值較大，導熱性差，約為金屬的1/100，吸水性較大、尺寸穩定性低。在機械工業中多用于制造小型零件，常用來代替青銅使用，以節約較貴重的銅，如制造齒輪、凸輪、導板、螺釘和螺母等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料1）熱塑性塑料ABS塑料：ABS塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）的三元共聚物，ABS塑料具有較高的綜合性能。ABS塑料的用途極廣，在機械工業中制造軸承、齒輪、葉片、葉輪、管道、容器、把手等，在電氣工業中制造儀器、儀表的各種零件等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料1）熱塑性塑料聚碳酸酯（PC）：聚碳酸酯的透明度為86%~92%，故有“透明金屬”之稱。具有優良的綜合性能，其抗拉強度為66~77MPa，耐沖擊突出，比尼龍高10倍左右，是剛而韌的工程塑料。此外，它還具有良好的耐候性和電性能，但其自潤滑性差，減摩性不如尼龍，疲勞抗力較低，有應力開裂傾向。聚碳酸酯常用于各種機械、電器、儀表中的零件，如齒輪、蝸輪、軸承、凸輪等。又因其透明度高、耐沖擊性好，可用作防盜、防彈窗玻璃等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料1）熱塑性塑料聚苯乙烯（PS）：聚苯乙烯密度小，常溫下較透明，著色性好，吸水性極微，有良好的耐蝕性和絕緣性，高頻絕緣尤佳；但其沖擊韌度低、耐熱性差、易燃、易脆裂。它常用來制造車輛上的燈罩、儀表指示燈罩、設備外殼等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料1）熱塑性塑料聚四氟乙烯（PTTE或F-4）：聚四氟乙烯又稱為特氟隆，熔點320℃，具有極佳的耐化學腐蝕性，不會被幾乎所有化學藥物腐蝕，對任何濃度的強酸，甚至王水、強堿和強氧化劑等，即使在高溫下也不受腐蝕，故有“塑料王”之稱，它具有突出的耐高、低溫性能，在-195~250℃范圍內長期使用其力學性能幾乎不發生變化。它的表面摩擦系數很小，并有自潤滑性，在極潮濕的條件下仍能保持良好的絕緣性。在高溫時它會分解出對人體有害的劇毒氣體，給成型和使用增加了困難，另外它的價格較貴，也限制了它的使用。聚四氟乙烯主要用于化工管道、泵、電氣設備、隔離防護層等方面。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料1）熱塑性塑料有機玻璃（PMMP）：有機玻璃可透過可見光99%，紫外光73%，在-60~95℃范圍內性能變化不大，還具有耐蝕、絕緣、易切削等性能。主要用于制造具有一定透明度和強度要求的零件，如油標、油杯、窺鏡、設備標牌、透明管道、飛機、座窗等。此外，它還用于儀器以及電信等工業部門。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料（3）常用工程塑料根據樹脂的熱性能，塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。2）熱固性塑料熱固性塑料大多以縮聚樹脂為基礎，加入多種添加劑而成。這類塑料的特點是：初加熱時軟化，可注射成型，但冷卻固化后再加熱時不再軟化，不溶于溶液，也不能再熔融或再成型。這類塑料主要有酚醛樹脂、環氧樹脂等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料2）熱固性塑料酚醛塑料（PF）：由酚類或醛類經縮聚反應而制成的樹脂稱為酚醛樹脂。根據不同性能要求而加入不同填料，便制成各種酚醛塑料。以木粉為填料制成酚醛壓塑粉，俗稱膠木粉，是常用的熱固性塑料，經常壓制成電器開關、插座、燈頭等。它不僅絕緣性能好，而且有較好的耐熱性，較高硬度、剛性和一定的強度。以紙片、棉布、玻璃布等為填料制成的層壓酚醛塑料，具有強度、耐沖擊性好以及耐磨性高等特點，常用來制造承受載荷要求較高的機械零件，如齒輪、軸承、汽車剎車片等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料2）熱固性塑料環氧塑料（EP）：環氧塑料是由環氧樹脂加入固化劑后形成的熱固性塑料。它的強度較高，韌性較好，并具有良好的化學穩定性、絕緣性以及耐熱、耐寒性，長期使用溫度范圍為-80~150℃，成型工藝性好，可制作塑料模具、船體、電子工業零部件。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料2）熱固性塑料酚醛塑料（PF）：由酚類或醛類經縮聚反應而制成的樹脂稱為酚醛樹脂。根據不同性能要求而加入不同填料，便制成各種酚醛塑料。以木粉為填料制成酚醛壓塑粉，俗稱膠木粉，是常用的熱固性塑料，經常壓制成電器開關、插座、燈頭等。它不僅絕緣性能好，而且有較好的耐熱性，較高硬度、剛性和一定的強度。以紙片、棉布、玻璃布等為填料制成的層壓酚醛塑料，具有強度、耐沖擊性好以及耐磨性高等特點，常用來制造承受載荷要求較高的機械零件，如齒輪、軸承、汽車剎車片等。四、認識常用非金屬材料3.4.1

認識高分子材料橡膠橡膠，如右圖所示，是在使用溫度范圍內處于高彈態的高分子材料，在較小的載荷作用下能產生很大變形，當載荷卸除后又能很快恢復到原來狀態，是常用的彈性材料、密封材料、減振防振材料和傳動材料。四、認識常用非金屬材料橡膠板3.4.1

認識高分子材料3）骨架材料：為了提高橡膠制品的承載能力，限制變形，常加入各種纖維織物，甚至金屬絲及其編織物作為骨架材料。如運輸帶中纖維骨架材料占質量的65%，在汽車輪胎中占10%~15%，如右圖所示。四、認識常用非金屬材料汽車輪胎（1）橡膠的組成1）生膠：未加配合劑的天然橡膠或人工合成橡膠統稱為生膠。生膠是橡膠制品的主要成分。2）配合劑：為了改善橡膠制品的某些性能而加入的物質稱為配合劑。主要配合劑有硫化劑、填充劑、著色劑等。3.4.1

認識高分子材料（2）橡膠的性能由于使用條件不同，對橡膠有不同的性能要求，如抗拉強度、抗撕裂強度、耐磨性、彈性、伸長率、永久變形量、耐寒、耐高溫、透氣性等。其中最重要的性能是橡膠的彈性和強度。四、認識常用非金屬材料3.4.2

認識復合材料復合材料：由兩種或兩種以上物理、化學性質不同的物質，經人工合成而得到的多相材料（基體+增強相）。復合材料能充分發揮單一材料的優點，克服其某些弱點，因而其性能比單一材料優異得多。如玻璃纖維脆性較大，而樹脂強度不高，但當它們組成復合材料（即玻璃鋼）后，卻有很高的韌性和強度。四、認識常用非金屬材料玻璃鋼3.4.2

認識復合材料1.復合材料的分類復合材料常見的分類方法有以下三種：（1）按基體類型分：非金屬基體和金屬基體兩類。目前大量使用的多是以高聚物材料為基體的復合材料。（2）按增強材料性質和形態分：纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料、晶須增強復合材料。（3）按材料的用途分：結構復合材料、功能復合材料和智能復合材料。四、認識常用非金屬材料智能復合材料是具有自診斷、自適應、自愈合，并具有自決策功能的高級復合材料。3.4.2

認識復合材料2.復合材料的性能（1）比強度和比模量高復合材料的比強度、比模量比其他材料高得多，用于宇航、交通運輸工具，在要求性能的前提下減輕自重具有重大的實際意義。四、認識常用非金屬材料（2）疲勞極限較高多數金屬材料的疲勞極限為抗拉強度的40%?50%，而碳纖維增強復合材料的疲勞極限為抗拉強度的70%~80%。（3）減振性能好輕合金梁需9s才能停止振動，而碳纖維復合材料的梁只需2.5s就停止振動。3.4.2

認識復合材料（4）高溫性能好一般鋁合金在400℃時，其彈性模量大幅度下降，接近于零，強度也顯著下降。用鎢纖維增強鈷、鎳及其合金時，可把這些合金的使用溫度提高到1000℃以上。四、認識常用非金屬材料（5）工作安全性高纖維增強復合材料在單位面積上分布著大量的纖維，過載時會使其中部分纖維斷裂，但隨即迅速進行應力的重新分配，而由未斷裂纖維將載荷承受起來，不致造成構件在瞬時完全喪失承載能力而斷裂，所以提高了工作的安全性。3.4.2

認識復合材料（1）纖維增強復合材料1）玻璃纖維增強復合材料玻璃纖維增強復合材料是以玻璃纖維為增強相，以樹脂為粘結劑（基體）而制成的，俗稱玻璃鋼。它與基體材料相比，強度和抗疲勞性能可以提高2~3倍以上，沖擊韌性提高1~4倍，蠕變抗力提高2~5倍以上，達到或超過了某些金屬的強度，可用來制造軸承、齒輪、殼體等零件。以環氧樹脂等熱固性樹脂為粘結劑制成的熱固性玻璃鋼，具有密度小、強度高、介電性和耐蝕性及成形工藝性好的優點，可用來制造車身、船體、直升機旋翼等。四、認識常用非金屬材料3.常用復合材料3.4.2

認識復合材料2）碳纖維增強復合材料與玻璃鋼相比，其強度和彈性模量高，密度小。因此它的比強度、比模量在現有復合材料中名列前茅。它還有較高的沖擊韌性和疲勞極限，優良的減摩性、導熱性、耐蝕性和耐熱性。碳纖維增強復合材料廣泛用于制造要求比強度、比模量高的結構，如概念汽車的車身。四、認識常用非金屬材料3.4.2

認識復合材料（2）層疊增強復合材料層疊增強復合材料是由兩層或兩層以上的不同性質的材料結合而成，以達到增強的目的。其特點是密度小、剛性和抗壓穩定性高、抗彎強度好，常用于航空、船舶、化工等工業，如船舶的隔板及冷卻塔等。（3）顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料是由一種或多種顆粒均勻分布在基體材料內而制成的顆粒起增強作用。四、認識常用非金屬材料任務實施

1.零件選材，主要考慮的是零件的用途。中軸是自行車傳動部分中的關鍵零件，在其制造材料的力學性能（強度、硬度、彈性、塑性等）、

物理

性能（密度、熔點、導熱性、導電性、導磁性等）和化學性能（抗氧化性、耐腐蝕性等）這三個主要性能中，

力學性能應該是中軸選材考慮的重點。在鐵合金、非鐵合金和非金屬三類材料中，常用的鐵合金45鋼棒料熱處理后的強度極限在600MPa以上，非鐵合金中高強度硬鋁2A12棒料的強度極限在400MPa左右，而非金屬中酚醛樹脂（電木）棒料的強度極限在100MPa左右。以鋼為代表的鐵合金材料的強度極限比較高，鋁合金代表的非鐵合金材料的強度極限一般，而電木代表的大部分非金屬材料的強度極限都很低，所以，鋼代表的鐵合金材料能夠承受很大的應力。綜上所述，

強度

指標應該作為車架選材的主指標，自行車中軸選用

鋼

類材料制造比較合理。任務實施

2.自行車車架是自行車的基體，其他零件都要直接或者間接的安裝緊固在車架上。車架給各個零件提高約束反力，反過來車架也受到各個零件施加給它的作用力，其內部應力必然存在。所以，車架制造材料力學性能的

強度

指標是首先要考慮的。2）自行車車架是整個自行車中最大的零件，其自重直接影響整個自行車在行駛過程中受到的摩擦阻力，因而其制造材料物理性能的

密