1.2 常用工程材料

各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。工程材料按照化学成分的不同可分为金属材料和非金属材料两种，其中金属材料是工程中应用最广泛的。

1.2.1 黑色金属材料

通常，工业上对铁、铬和锰及这三种金属的合金，尤其是铁碳合金称为黑色金属。除这三种金属（合金）以外的金属（合金）称为有色金属。

1. 铸铁

铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。工业上常用的铸铁含碳的质量分数一般为2.5%～4.0%。由于铸铁具有良好的铸造性、吸振性、切削加工性及一定的力学性能，并且价格低廉、生产设备简单，因此在机器零件材料中占有很大的比重，被广泛地用于制作各种机架、底座、箱体、缸套等形状复杂的零件。

根据碳在铸铁中存在形态的不同，铸铁可分为下列几种。

（1）白口铸铁

白口铸铁中碳几乎全部以渗碳体（Fe3C）的形式存在。Fe3C具有硬而脆的特性，使得白口铸铁变得非常脆硬，切削加工困难。工业上很少直接用白口铸铁来制造机器零件，而主要作为炼钢的原料。它的断口呈亮白色，故称为白口铸铁，如图1-11（a）所示。

（2）灰铸铁

灰铸铁中的碳大部分或全部以片状石墨的形式存在，断口呈灰色，故称为灰铸铁，如图1-11（b）所示。灰铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性和切削加工性，是目前生产中用得最多的一种铸铁。灰铸铁的牌号是用两个汉语拼音字母和一组力学性能数值来表示的。常用的灰铸铁有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300和HT350，牌号中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后的数字表示其抗拉强度。表1-1给出了常用灰铸铁的牌号、力学性能及应用举例。

（3）球墨铸铁

球墨铸铁中的碳以球状石墨形式存在。它是浇铸前在熔化的铸铁中加入一定量的球化剂（稀土镁合金）和孕育剂（硅铁或硅钙合金）获得的，如图1-11（c）所示。

球墨铸铁是一种性能优良的铸铁，其强度、塑性和韧性等力学性能远远超过灰铸铁而接近于普通碳素钢，同时又具有灰铸铁一系列的优良性能，如良好的铸造性、耐磨性、切削加工性和低的缺口敏感性等。因此，球墨铸铁常用于制造承受冲击载荷的零件，如传递动力的齿轮、曲轴、连杆等。

球墨铸铁的牌号用两个汉语拼音字母和两组力学性能数值来表示。如QT400-17，牌号中“QT”是“球铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后两组数字分别表示最低抗拉强度为400MPa，最低伸长率为17%。表1-2给出了常用球墨铸铁的牌号、力学性能及应用举例。

（4）可锻铸铁

可锻铸铁中的石墨呈团絮状，它是由白口铸铁经长时间高温石墨化退火而得到的一种铸铁。可锻铸铁实际上并不能锻造，“可锻”仅表示它具有一定的塑性，其强度比灰铸铁高，但铸造性能比灰铸铁差。由于其生产周期长，工艺复杂且成本高，已逐渐被球墨铸铁取代。

可锻铸铁的牌号由三个汉语拼音字母和两组力学性能数值来表示。如“KTH”表示黑心可锻铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁，“KTB”表示白心可锻铸铁。KTH350-10即表示黑心可锻铸铁，抗拉强度为350MPa，最低断后伸长率为10%。

2. 碳素钢

通常把含碳质量分数在2.11%以下的铁碳合金称为钢。实际应用的碳素钢含有少量的杂质，如硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等。碳素钢可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件。

碳素钢一般可按含碳质量分数、质量和用途三种情况来分类。

按含碳质量分数，碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

低碳钢：ωC≤0.25%。

中碳钢：0.25%＜ωC≤0.6%。

高碳钢：ωC＞0.6%。

按钢的质量，即主要根据钢中有害杂质（硫、磷）的含量可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。

普通碳素钢：ωS≤0.055%，ωP≤0.045%。

优质碳素钢：ωS≤0.045%，ωP≤0.040%。

高级优质碳素钢：ωS≤0.03%，ωP≤0.035%。

按用途碳素钢可分为碳素结构钢和碳素工具钢。

碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑用钢）和机器零件（如齿轮、轴、连杆、螺栓、螺钉等）。这类钢一般属于低、中碳钢。

碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、量具、模具。这类钢一般属于高碳钢。

下面简要介绍几种常用的碳素钢。

（1）普通碳素结构钢

普通碳素结构钢钢通常为热轧钢板、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、螺栓连接一般工程构件，大多不需进行热处理而直接在供应状态下使用。

钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。如Q235AF，Q为钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母，235表示屈服强度为235MPa，A为质量等级，F表示沸腾钢。

表1-3所示为普通碳素结构钢的力学性能和应用举例。

（2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢中只含有少量的有害杂质硫和磷。既能保证钢中的化学成分，又能保证力学性能，因此质量较高，可用于制造较重要的机械零件。

钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均含碳质量分数的万分数。例如，08F、10A、45、65Mn，表示钢中平均含碳质量分数分别为0.08%、0.1%、0.45%、0.65%；含碳质量分数后面加“A”表示高级优质钢；含锰质量分数较高时则在含碳质量分数后面加锰元素符号“Mn”。

优质碳素结构钢根据含碳量又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

低碳钢强度低，塑性、韧性好，易于冲压加工，主要用于制造受力不大的机械零件，如螺钉、螺母、冲压件和焊接件等。

中碳钢强度较高，塑性和韧性也较好，且应用广泛，多用于制造齿轮、丝杠、连杆和各种轴类零件等。

高碳钢热处理后具有高强度和良好的弹性，但切削加工性、可锻性和焊接性差，主要用于制造弹簧和易磨损的零件。

表1-4给出了优质碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途。

（3）碳素工具钢

碳素工具钢含碳质量分数在0.7%以上，属于高碳钢，适宜制作各种工具、刃具、量具和模具。

碳素工具钢的牌号首位用“T”表示，后面的数字表示平均含碳质量分数的千分数。例如，T8表示含碳质量分数平均为0.8%的碳素工具钢。

（4）铸钢

铸钢一般分为碳素铸钢和合金铸钢。一般情况下多用碳素铸钢，当有特殊用途和特殊要求时可采用合金铸钢。铸钢的牌号用“ZG”（铸钢两字汉语拼音字首）和后面两组数字组成，如ZG200-400、ZG310-570，第一组数字代表屈服强度值（MPa），第二组数字代表抗拉强度值（MPa）。铸钢主要用于承受重载、强度和韧性要求较高且形状复杂的铸件，如大型齿轮、水压机机座等。

3. 合金钢

为了提高钢的性能，有意识地在碳素钢中加入一定量的合金元素（如硅、锰、铬、镍、钼、钒、钛等）即可炼成合金钢。由于合金元素的加入，细化了钢的晶粒，提高了钢的综合力学性能和其热硬性。合金钢按用途一般可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类。

（1）合金结构钢

合金结构钢的牌号以“两位数字+合金元素符号+数字”表示。前面的两位数字表示平均含碳质量分数的万分数，合金元素符号后的数字表示该元素平均含量的百分数，若平均含量＜1.5%时，一般不标明含量；当平均含量在1.5%～2.5%，2.5%～3.5%…时，则相应地用2，3…表示。例如，60Si2Mn表示碳的平均质量分数为0.6%、平均含硅的质量分数为2%、平均含锰的质量分数＜1.5%的硅锰钢。

合金结构钢根据性能和用途的不同，又可分为低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。滚动轴承钢是制造滚动轴承的专用钢，常用的牌号有GCr9、GCr15、GCr9SiMn，牌号中“G”为“滚”字汉语拼音字首，铬元素符号后的数字表示平均含铬质量分数的千分数。例如，GCr15表示含Cr的质量分数为1.5%。

（2）合金工具钢

合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似。平均含碳质量分数超过1%时，一般不标出含碳量数字；若含碳质量分数小于1%时，可用一位数字表示，以千分数计。例如，9SiCr表示平均含碳质量分数为0.9%，含硅、铬质量分数均＜1.5%的铬钢；Cr12MoV则表示平均含碳质量分数≥1%，含铬质量分数为12%，含钼、钒质量分数＜1.5%的铬钼钒钢。

合金工具钢常用来制造各种刃具、量具和模具，因而对应的就有刃具钢、量具钢和模具钢。

① 刃具钢。刃具钢用于制造各种刀具，通常分为低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢主要是含铬的钢，常用的牌号有9SiCr、9Cr2等，主要用作形状较复杂的低速切削工具（如丝锥、板牙、铰刀等）。而高速钢是一种含钨、铬、钒等合金元素较多的钢，它的含碳质量分数在1%左右。高速钢在空气中冷却也能淬硬，由于它可以刃磨得锋利、白亮，故又称为锋钢和白钢。

高速钢有较高的热硬性、足够的强度、韧性和刃磨性，是目前制造钻头、铰刀、铣刀、螺纹刀具和齿轮刀具等复杂形状刀具的主要材料。常用的牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V等。

② 量具钢。量具钢要求有高的硬度和耐磨性，经热处理后不易变形，而且要有良好的加工工艺性。块规可选用变形小的钢，如CrWMn、GCr15、SiMn等。简单的量具除可用T10A、T12A外，还可用9SiCr等。

③ 模具钢。模具钢按使用要求可分为热作模具钢和冷作模具钢。热作模具钢是用来制作热态下使金属成形的模具（如热锻模、压铸模等），它应具有很好的抗热疲劳损坏的能力、高的强度和较好的韧性，常用的牌号有5CrNiMo和5CrMnMo。冷作模具钢是用来制作冷态下使金属成形的模具（如冷冲模、冷挤压模等），它应具有高的硬度、耐磨性和一定的韧性，并要求热处理变形小，常用的牌号有Cr12、Cr12W、Cr12MoV等。

（3）特殊性能合金钢

特殊性能合金钢是指具有特殊的物理、化学性能的一种高合金钢。其牌号表示法与合金工具钢原理相同，前面一位数表示平均含碳质量分数，以千分数计，若平均含碳质量分数＜0.1%时用“0”表示，平均含碳质量分数≤0.03%时用“00”表示。例如：2Cr13、0Cr13和00Cr18Ni10，分别表示平均含碳质量分数为0.2%、＜0.1%、≤0.03%。特殊性能合金钢主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁性钢。

① 不锈钢。不锈钢中的主要合金元素是铬和镍。铬与氧化合，在钢表面形成了一层致密的氧化膜，保护钢免受进一步氧化，一般含铬量不低于12%时才具有良好的耐蚀性。不锈钢适用于制造化工设备、医疗器械等；常用的牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等铬不锈钢，以及1Cr18Ni19Ti、1Cr18Ni9Nb等铬镍不锈钢。

② 耐热钢。耐热钢是在高温下抗氧化并具有较高强度的钢。钢中常含有较多铬和硅，以保证钢具有高的抗氧化性和高温下的力学性能。耐热钢适用于制造在高温条件下工作的零件，如内燃机气阀、加热炉管道等；常用的牌号有15CrMo、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。

③ 耐磨钢。耐磨钢主要是指高锰钢。如ZGMn13，这种钢含碳质量分数高于1%，含锰质量分数为13%左右。该钢机械加工困难，大多采用铸造成形。耐磨钢具有在强烈冲击下抵抗磨损的性能，主要用作坦克和拖拉机履带、推土机挡板、挖掘机齿轮等。

④ 软磁钢。硅钢片是常用的软磁钢，它是在铁中加入硅并轧制成的薄片状材料。硅钢片杂质含量极少，具有良好的磁性，是制造变压器、电动机、电工仪表等不可缺少的材料。

1.2.2 有色金属材料

工业生产中通常称钢铁为黑色金属，而称铜、铝、镁、铅、轴承合金等及其合金为有色金属。由于有色金属具有某些特殊的性能，如良好的导热性、导电性及耐蚀性，已成为现代工业技术中不可缺少的重要材料。

1. 铜与铜合金

（1）纯铜

纯铜外观呈紫红色，又称紫铜。它具有良好的导电性和导热性、极好的塑性以及较高的耐蚀性，但力学性能较差，不宜用来制造结构零件，常用来制造导电材料和耐腐蚀性元件。

（2）黄铜

黄铜是铜（Cu）与锌（Zn）的合金。它色泽美观，有良好的耐蚀性及机械加工性能。黄铜中锌的质量分数在20%～40%，随着锌的含量增加，黄铜强度增加而塑性下降。黄铜可以铸造，也可以压力加工。除了铜和锌以外，再加入少量其他元素的铜合金称为特殊黄铜，如锡黄铜、铅黄铜等。黄铜一般用于制造耐腐蚀和耐磨零件，如阀门、子弹壳、管件等。

压力加工黄铜的牌号用“黄”字汉语拼音字首“H”和数字表示。该数字表示平均含铜质量分数的百分数，如H62表示含铜质量分数为62%、含锌质量分数为38%。特殊黄铜则在牌号中标出合金元素的含量，如HPb59-1表示含铜质量分数为59%、含铅质量分数为1%的铅黄铜。

（3）青铜

除黄铜和白铜（铜镍合金）外，其余铜合金统称为青铜。铜锡合金称为锡青铜，其余青铜称为无锡青铜。

① 锡青铜。锡青铜是铜与锡的合金。它有很好的力学性能、铸造性、耐蚀性和减摩性，是一种很重要的减摩材料。主要用于制造摩擦零件和耐腐蚀零件，如蜗轮、轴瓦、衬套等。

② 无锡青铜。无锡青铜主要包括铝青铜、硅青铜和铍青铜等。它们通常作为锡青铜的代用材料使用。

加工青铜的牌号以“Q”为代号，后面标出主要元素的符号和含量。例如，QSn4-3表示含锡质量分数为4%、含锌质量分数为3%，其余为铜（93%）的压力加工锡青铜。铸造铜合金的牌号用“ZCu”及合金元素符号和含量组成。例如，ZCuSn5Pb5Zn5表示含锡、铅、锌的质量分数各约为5%，其余为铜（85%）的铸造锡青铜。

2. 铝及铝合金

（1）纯铝

纯铝是一种密度小（2.72g/cm3），熔点低（660℃），导电性、导热性好，塑性好，强度、硬度低的金属。由于铝表面能生成一层极致密的氧化铝膜，能阻止铝继续氧化，故铝在空气中具有良好的抗腐蚀能力，主要用做导电材料或制造耐腐蚀零件。

（2）铝合金

铝中加入适量的铜、镁、硅、锰等元素即构成了铝合金。它具有足够的强度、较好的塑性和良好的耐蚀性，且多数可热处理强化。根据铝合金的成分及加工成形特点，可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

① 变形铝合金。变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可通过压力加工制作各种半成品，可以焊接。变形铝合金主要用作各类型材和结构件，如飞机构架、螺旋桨、起落架等。

变形铝合金又可按性能及用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝和特殊铝合金等5种。变形铝合金新旧牌号对照、主要性能及应用见表1-5。

② 铸造铝合金。铸造铝合金包括铝镁、铝锌、铝硅、铝铜等合金。它们有良好的铸造性，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性差，不宜进行压力加工。铸造铝合金应用最广的是硅铝合金，称为硅铝明。各类铸造铝合金的代号均以“ZL”加三位数字组成，第一位数字表示合金类别，第二、三位数字是顺序号，如ZL102、ZL201等。

3. 轴承合金

轴承合金是用来制造滑动轴承的特定材料。对轴承合金的要求是摩擦系数小、耐磨性好、抗压强度高、导热性好等。

（1）锡基轴承合金（锡基巴氏合金）

锡基合金中含有锑和铜等元素。例如ZSnSb11Cu6，Z代表铸造，含Sb 11%、Cu 6%（质量分数），其余为Sn。

（2）铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

铅基合金中含有锑、锡和铜等元素。常用的铅基轴承合金有ZPbSb16Sn16Cu2，含Sb16%、Sn16%、Cu2%（质量分数），其余为铅。

1.2.3 非金属材料

非金属材料通常指以无机物为主体的玻璃、陶瓷、石墨、岩石和以有机物为主体的木材、塑料、橡胶等一类材料。该类材料由晶体或非晶体组成，无金属光泽，是热和电的不良导体（碳除外）。一般非金属材料的力学性能较差（玻璃钢除外），但某些非金属材料可代替金属材料，是化学工业中不可缺少的材料。

自19世纪以来，随着生产和科学技术的进步，尤其是无机化学和有机化学工业的发展，人类以天然的矿物、植物、石油等为原料，制造和合成了许多新型非金属材料，如水泥、人造石墨、特种陶瓷、合成橡胶、合成树脂（塑料）、合成纤维等。这些非金属材料因具有各种优异的性能，为天然的非金属材料和某些金属材料所不及，使其在近代工业中的用途不断扩大，并迅速发展。

以下介绍几种常见的非金属工程材料。

1. 塑料

塑料是一种以合成树脂为主要成分，加上其他添加剂（如增强剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等）组成的高分子有机化合物。

按受热后所表现性能的不同，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。

热塑性塑料经加热后软化，并熔融成流动的黏稠液体，冷却后即成形固化。此过程是物理变化，可反复多次进行，其性能并不发生显著变化，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）等。这类塑料的优点是成形加工简便，具有较高的力学性能；缺点是耐热性和刚度较差。

热固性塑料经加热后软化，冷却后成形固化，发生化学变化，再加热时不再转化（即变化是不可逆的），如酚醛塑料、环氧塑料和氨基塑料等。这类塑料具有耐热性高，受压不易变形等优点；缺点是力学性能不好，但可加入填料，以提高其强度。

按塑料的应用范围可分为通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等。工程塑料是指用以代替金属材料作为工程结构的塑料。它们的强度高、质轻、绝缘、减摩、耐磨，或具备耐热、耐蚀等特殊性能，成形工艺简单，生产效率高，是一种良好的工程材料。

常用的工程塑料有以下几种。

（1）ABS塑料

ABS塑料具有硬、韧且刚度高的综合特性，力学性能较好，并且耐热、耐腐蚀，易于成形加工，常用来做泵的叶轮、齿轮、家用电器的外壳，以及小轿车车身等。

（2）聚酰胺

聚酰胺（PA）又名尼龙，是热塑性塑料。它具有坚韧、耐磨、耐疲劳、耐油、耐水、无毒等优良的综合性能，可用作一般机械零件，减摩、耐磨件及传动件，如轴承、齿轮、涡轮、高压密封圈等。

（3）酚醛塑料

酚醛塑料又名“电木”，是热固性塑料。酚醛塑料具有优良的耐热、绝缘、化学稳定性及尺寸稳定性，广泛应用于电话机外壳、开关、插座以及齿轮、凸轮、带轮等。

（4）氨基塑料

氨基塑料也是热固性塑料。氨基塑料具有良好的绝缘性、自熄性、防毒性、耐电弧性和耐热性，可作为一般机械零件、绝缘件和其他电器零件。

（5）环氧树脂

环氧树脂是应用广泛的一种热固性工程塑料。环氧树脂具有较高的强度、较好的韧性、优良的电绝缘性、高的化学稳定性和尺寸稳定性，可制作塑料模具、电气和电子元件及线圈的密封与固定等，同时环氧树脂也是一种很好的胶黏剂。

（6）有机玻璃

有机玻璃（PMMA）具有良好的透明性能，其透光度和韧性都比无机玻璃好。有机玻璃在工业、国防和生活用品等方面得到了广泛的应用，如制作油标、油杯、设备标牌、机壳等。

2. 橡胶

橡胶是一种天然的或人工合成的高聚物的弹性体。工业上使用的橡胶制品是在橡胶中加入各种添加剂（有硫化剂、硫化促进剂、软化剂、防老化剂和填充剂等），再经过硫化处理后所得到的产品。橡胶具有良好的吸振性、耐磨性、绝缘性、足够的强度和积储能量的能力。工业上常用的橡胶牌号有丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶等。

3. 陶瓷

陶瓷是一种无机非金属材料，可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷是以黏土、长石和石英等天然原料，经过粉碎成形和烧结而成的，主要用于日常生活用品和工业上的高低压电器。特种陶瓷是用人工化合物（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等）为原料制成的，具有独特的力学、物理、化学、光学性能，主要用于化工、冶金、机械、电子、能源和一些新技术中。

陶瓷硬度高、抗压强度大、耐高温、抗氧化、耐磨损和耐腐蚀，但质脆、韧性差，不能承受冲击，抗急冷、急热性能差，易碎裂。

工业上常用的陶瓷种类有普通陶瓷，氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和氮化硼陶瓷等。

4. 复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，用某种工艺方法经人工组合而成的多相合成材料。在复合材料中的每一组成部分，不仅保持了它们各自的性能特点，还能扬长避短，发挥叠加效应，从而取得多种优良的性能，这是任何单一材料所无法比拟的。例如，玻璃和树脂的强度、韧性都不高，可是它们组成的复合材料——玻璃钢却有很高的强度和韧性，并且重量也轻。

复合材料按增强材料的类型可分为以下四大类。

① 纤维增强复合材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和碳化硅纤维等。

② 颗粒增强复合材料，如陶瓷粒与金属复合、金属粒与塑料复合等。

③ 叠层复合材料，如双金属复合、多层板复合等。

④ 夹层结构复合材料，如夹层内填充蜂窝结构或填充泡沫塑料，具有质轻、刚度高大等特性。