一建机电机电工程常用材料与设备（1）

关于机电金属材料的分类及应用思维导图，黑色金属（钢铁材料）：包括纯铁、铸铁、碳素钢（非合金钢）和合金钢。其中铸铁和钢是铁和碳的合金，其区别主要在于含碳量和内部组织结构。有色金属是非铁金属的统称，包括铜、铝、锌等，而有色合金则是以一种有色金属为基体，加入其他元素构成的合金。有色合金通常具有比纯金属更高的强度和硬度，以及良好的综合机械性能。金属复合材料是由两种或两种以上不同性质的金属材料组成，通过物理或化学方法形成具有新性能的材料。

机电（1）

• 第一章机电工程常用材料与设备
  • 1.1机电工程常用材料
    • 1.1.1金属材料的分类及应用
      • 1．黑色金属材料的分类
        • (1）黑色金属（钢铁材料）包括：纯铁、铸铁、碳素钢（非合金钢）和合金钢。广义的黑色金属还包括铬、锰及其他合金。
        • (2）铸铁和钢都是铁和碳的合金，其区别是含碳量和内部组织结构不同。铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金，钢是含碳量小于2.11％的铁碳合金。
        • (3）工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。合金钢是在碳素钢（非合金钢）的基础上添加一定量的一种或多种合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。
        • (4）除碳以外，铸铁还含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素。为了提高铸铁的机械性能，还加入一定量的合金元素，形成合金铸铁。与钢相比，铸铁熔炼简便、成本低廉，虽然强度、塑性和韧性较低，但是具有优良的铸造性能、很高的减摩和耐磨性、良好的消振性和切削加工性以及缺口敏感性低等一系列优点。铸铁广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通、建筑和国防等工业部门。
      • 2．黑色金属材料的应用
        • 1）碳素钢（非合金钢）
          • (1）碳素结构钢。含碳量为0.05%~0.70%，个别可高达0.90%。可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。用途很多，用量很大，主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程，制造承受静载荷的各种金属构件及不重要、不需要热处理的机械零件和一般焊接件。
          • (2）优质碳素钢。与普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。
          • (3）碳素工具钢。用于制作刃具、模具和量具的碳素钢。
          • (4）易切削结构钢。在钢中加入一些使钢变脆的元素，使钢切削时易脆断成碎屑，从而有利于提高切削速度和延长刀具寿命；用于制造螺栓、螺母、销钉、轴承、管接头等。
          • (5）工程用铸造碳钢。用于各种铸钢件。
        • 2）低合金钢
          • (1）低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢是在含碳量Wc≤0.20％的碳素结构钢基础上，加入少量的合金元素（合金元素含量＜5%)，韧性高于碳素结构钢，同时具有良好的焊接性能、冷热压力加工性能和耐腐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。低合金钢多轧制成板材、型材、无缝钢管等。
          • (2）低合金耐热钢。在此类钢中都含有一种或几种合金元素，但含量不高，一般所含合金元素的总量不超过5%，含碳量不超过0.20%。
        • 3）合金钢
          • (1）工程结构用合金钢。工程和建筑结构用的合金钢，包括可焊接的高强度合金结构钢、合金钢筋钢、铁道用合金钢、地质石油钻探用合金钢、压力容器用合金钢、高锰耐磨钢等。这类钢用作工程和建筑结构件。在合金钢中，这类钢合金含量总量较低，但生产、使用量较大。如拖拉机履带、挖掘机铲齿、防弹钢板和保险箱钢板等。
          • (2）机械结构用合金钢。适用于制造机器和机械零件的合金钢。它是在优质碳素钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。这类钢通常要经过热处理后使用，主要包括合金结构钢和合金弹簧钢两大类，其中包括调质处理的合金钢、表面硬化处理的合金钢、冷塑性成型的合金钢。按化学成分基本组成系统可分为Mn系钢、SiMn系钢、Cr系钢、CrMo系钢、CrNiMo系钢、Ni系钢、B系钢等。
          • (3）轴承钢。用来制造轴承的钢。轴承钢主要有5大类，即高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢、中碳轴承钢。轴承钢是用于制造滚动轴承滚珠、滚柱和轴承套圈的钢种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杠、冲模、量具、丝锥及柴油机油泵的精密配件。
          • (4）合金工具钢与高速钢。工具钢的一类，以钨、钼、铬、钒，有时还有钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢，通常用作高速切削工具，简称高速钢，俗称锋钢。高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。
          • (5）不锈耐酸钢与耐热钢：
            • ①不锈耐酸钢分为不锈钢和耐酸钢两种。在空气中能抵抗腐蚀的称为不锈钢；在各种侵蚀性强烈的介质中能抵抗腐蚀作用的钢称为耐酸钢。不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢也并非一定耐锈。
            • ②耐热钢为在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。
            • ③耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉，一些不锈钢兼具耐热钢特性，既可作为不锈耐酸钢，也可作为耐热钢使用。
          • (6）特殊物理性能钢。在钢的定义范围内具有特殊磁性、电性、弹性、膨胀性等物理特性的钢，包括软磁钢、永磁钢、无磁钢以及特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等。
          • (7）铸造合金钢。用于铸造的合金钢。
        • 4）铸铁
          • (1）根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。
            • ①白口铸铁。碳元素除少数溶于铁素体外，其余的碳都以渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。白口铸铁的质地很硬，不容易切削，不易进行机械加工，主要用作炼钢原料和生产可锻铸铁的毛坯。
            • ②灰口铸铁。碳元素全部或大部分以片状石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁。
            • ③麻口铸铁。碳一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。断口呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。这类铸铁也具有较大硬脆性，故工业上应用很少。
          • (2）根据铸铁中石墨形态不同，铸铁可分为普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
            • ①普通灰铸铁。铸铁中石墨呈片状存在。
            • ②可锻铸铁。铸铁中石墨呈团絮状存在。由一定化学成分的铁液浇注成白口坯件，再经退火而成的铸铁，有较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。用于制造汽车后桥、弹簧支架、低压阀门、管接头、工具扳手、动力机械和农业机械的耐磨零件、汽车后桥桥壳、转向机构、低压阀、管接头等受冲击和振动的零件。
            • ③球墨铸铁。铸铁中石墨呈球状存在。它是在铁水浇注前经球化处理后获得的。这类铸铁不仅机械性能比灰口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可锻铸铁简单，而且还可以通过热处理进一步提高其机械性能。
            • ④蠕墨铸铁。铸造前加蠕化剂（镁或稀土）随后凝固而制得的；在钢锭模、汽车发动机、排气管、玻璃模具、柴油机缸盖、制动零件等方面的应用均取得了良好的效果。
          • (3）根据铸铁中金属元素的不同可分为普通铸铁和合金铸铁。
            • ①普通铸铁。含碳量大于2.11％的铁碳合金。
            • ②合金铸铁。在普通铸铁中加入合金元素而具有特殊性能的铸铁。通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。常用的合金铸铁分为：耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。
      • 3．有色金属及合金材料的分类
        • (1）狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。
        • (2）有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%)，加入一种或几种其他元素而构成的合金。有色金属通常指除去铁（有时也除去锰和铬）和铁基合金以外的所有金属。
        • (3）有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，电阻比纯金属大、电阻温度系数小，具有良好的综合机械性能。
        • (4）常用的有色合金：铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钣合金、钛合金、锌合金、铝合金、锆合金等。
        • (5）有色金属可分为重金属、轻金属、贵金属及稀有金属。
          • ①轻金属。密度小于4500kg/㎥，如铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。
          • ②重金属。密度大于4500kg/m2，如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。
          • ③贵金属。价格比一般常用金属昂贵，地壳丰度低，提纯困难，化学性质稳定，如金、银及铂族金属。
          • ④稀有金属。在地壳中含量较少或者比较分散。包括：稀有轻金属，如锂、锄、铯等；稀有难熔金属，如钛、锆、钼、钨等；稀有分散金属，如镓、钢、锗等；稀土金属，如铣、铭、斓系金属；放射性金属，如镭、钴、针及阿系元素中的铀、针等。
      • 4．有色金属及合金材料的应用
        • 1）铝合金
          • (1）铝合金。以铝为基添加一定量其他合金元素的合金，是轻金属材料之一。
          • (2）铝合金的特性。铝合金除具有铝的一般特性外，又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.63~2.85g/cm3，有较高的强度（σb为110~650MPa)，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电中有着广泛的应用。
          • (3）铝合金的分类：铝合金按其成分和加工方法又分为变形铝合金和铸造铝合金。
            • ①变形铝合金是先将合金配料熔铸成坯锭，再进行塑性变形加工，通过轧制、挤压、拉伸、锻造等方法制成各种塑性加工制品。
            • ②铸造铝合金是将配料熔炼后用砂模、铁模、熔模和压铸法等直接铸成各种零部件毛坯。
        • 2）铜合金
          • (1）铜合金的分类
            • ①按合金成分划分：可分为非合金铜和合金铜。非合金铜包括高纯铜、韧铜、脱氧铜、无氧铜等，非合金铜称为紫铜或纯铜，也叫红铜，而其他铜合金则属于合金铜。
            • ②按功能特性划分：有导电导热用铜合金、结构用铜合金（几乎包括所有铜合金）、耐蚀铜合金（主要有锡黄铜、铝黄铜、各种白铜、铝青铜、钛青铜等）、耐磨铜合金（主要有含铅、锡、铝、锰等元素的复杂黄铜、铝青铜等）、易切削铜合金（铜﹣铅、铜﹣蹄、铜﹣锑等合金）、弹性铜合金（主要有锑青铜、铝青铜、镀青铜、钛青铜等）、阻尼铜合金（高锰铜合金等）、艺术铜合金（纯铜、简单黄铜、锡青铜、铝青铜、白铜等）。
            • ③按材料形成划分：可分为铸造铜合金和变形铜合金。许多铜合金既可以用于铸造，又可以用于变形加工。通常变形铜合金可以用于铸造，而许多铸造铜合金却不能进行锻造、挤压、深冲和拉拔等变形加工。铸造铜合金和变形铜合金又可以细分为铸造用紫铜、黄铜、青铜和白铜。
          • (2）黄铜
            • ①黄铜是由铜和锌所组成的合金。只是由铜、锌二元合金组成的黄铜称作普通黄铜或称简单黄铜。三元以上合金组成的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。压力加工用的黄铜称为变形黄铜。特殊黄铜又叫特种黄铜，它强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强；切削加工的机械性能也较突出。
            • ②黄铜有较强的耐磨性能。由黄铜所拉成的无缝铜管，质软、耐磨性能强。黄铜无缝管可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管。可制造板料、条材、棒材、管材和铸造零件等。含铜量在62%~68%，塑性强，可制造耐压设备等。
            • ③合金元素对黄铜性能的影响：铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性，故称海军黄铜，常用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能，这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。
          • (3）青铜
            • ①青铜是以锡为主要添加元素的铜合金。除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜，在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名称，如锡青铜、铅青铜、铝青铜、镀青铜等。
            • ②锡青铜的铸造性能、减摩性能、机械性能好，适于制造轴承、蜗轮、齿轮等；铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料；铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用于铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等；镀青铜的弹性极限高，导电性好，适于制造精密弹簧和电接触元件，镀青铜还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具。
          • (4）白铜
            • 白铜是以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜；加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好，色泽美观。这种白铜广泛用于制造精密机械、眼镜配件、化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜、康铜、考铜是含锰量不同的锰白铜，是用于制造精密电工仪器、变阻器、精密电阻、应变片、热电偶等的材料。
        • 3）锌
          • (1）锌的特性
            • 金属锌具有良好的压延性、耐磨性、抗腐蚀性、铸造性，且有很好的常温机械性，能与多种金属制成性能优良的合金。主要以镀锌、锌基合金、氧化锌的形式被广泛应用于汽车、建筑、家用电器、船舶、轻工、机械、电池等行业。
          • (2）镀锌
            • 镀锌指在金属、合金或者其他材料的表面镀一层锌以起到美观、防锈等作用的表面处理技术。现在主要采用的方法是热镀锌。由于锌在常温下表面易生成一层保护膜，充分地发挥了其抗大气腐蚀性能，因此锌被广泛应用于镀锌工业，主要被用于钢材和钢结构件的表面镀层（如镀锌板），广泛用于建筑、船舶、汽车、轻工等行业。
            • 例如：含锌粉的涂料、起连接作用的锌块（连接船舶、桥梁和近海油气井架的钢构件）、镀锌铁板（锌合金板）做的屋顶、钢带热浸镀锌等。
          • (3）锌合金
            • 锌本身的强度和硬度不高，但在与铝、铜等组成合金后，其强度和硬度均大为提高，尤其是锌铜钛合金的综合机械性能已接近或达到铝合金、黄铜、灰铸铁的水平，其抗蠕变性能也被大幅度提高。锌合金广泛应用于汽车制造和机械行业中压铸件及各种零部件的生产。
            • 锌可以用来制作电池，例如锌锰电池以及最新研究的锌空气蓄电池。锌具有良好的抗电磁场性能，在射频干扰的场合，锌板是一种非常有效的屏蔽材料，同时由于锌是非磁性的，适合制作仪器仪表零件及仪表壳体和钱币。另外，锌自身及与其他金属碰撞不会发生火花，适合做井下防爆器材。
      • 5．常用金属复合材料的分类及应用
        • 金属复合材料是由两种或两种以上不同性质的金属材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
          • 1）金属基复合材料的分类及应用
            • (1）金属基复合材料的分类
              • ①按用途可分为结构复合材料与功能复合材料。
              • ②按增强材料形态可分为纤维增强、颗粒增强和晶须增强金属基复合材料。
              • ③按金属基体可分为铝基、钛基、镍基、镁基、耐热金属基等复合材料，用于航天、航空、电子、汽车等工业中。
              • ④按增强材料可分为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、石棉纤维、金属丝等。
            • (2）金属基复合材料的应用
              • 金属基复合材料具有高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性等主要性特点。用于制造各种航天、航空、汽车、电子等高性能结构件。
          • 2）金属层状复合材料的分类及应用
            • (1）金属层状复合材料的分类
              • 金属层状复合材料由几层不同性能的材料通过热轧、焊接工艺复合而成，与单组元合金相比，综合性能优越，适合一些特殊工作环境。分类包括钛钢、铝钢、铜钢、钛不锈钢、镍不锈钢、不锈钢碳钢等复合材料。
            • (2）金属层状复合材料的应用
              • 金属层状复合材料可根据需要，制造不同材质的复合材料，具有耐腐蚀、耐高温、耐磨损、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽，且制造成本低等特点。用于石油化工、航天、食品、医药、造船、电力、机械等行业。如压力容器、储罐、航天和航空零部件等。
          • 3）金属与非金属复合材料的特点及应用
            • (1）钢塑复合管既有钢管的强度和刚度，又有塑料管的耐化学腐蚀，具有无污染、不混生细菌、内壁光滑、不积垢、水阻小、施工方便、成本低等优点。广泛应用于石油、化工、建筑、通信、电力和地下输气管道等领域。
            • (2）铝塑复合管有与金属管材相当的强度，具有电屏蔽和磁屏蔽作用、隔热保温性好、重量轻、寿命长、施工方便、成本低等优点。广泛应用于建筑、工业等机电工程中。