金属材料与非金属材料总结.docx
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金属材料与非金属材料总结
金属材料与非金属材料总结
金属材料
金属材料的分类:
按组成成分分:
纯金属(简单金属):
指由一和金属元素组成的物质。
目前已知的纯金属约有80多和,但工业方面所采用的则为数甚少。
合金(复杂金属):
指由一种金属元素(为主的)与另外一种(或几种)金属元素(或非金属元素)组成的物质。
它的种类甚多,例如:
钢是由铁、碳组成的合金,即铁碳合金;黄铜是由铜、锌组成的合金,即铜锌合金;青铜是由铜、锡组成的合金,即铜锡合金;……等等。
由于合金的使用性能好,在工业生产中,其应用范围要比纯金属广泛得多
按实用分:
黑色金属:
指铁和铁的合金,如生铁、铁合金、铸铁和钢等。
有色金属:
除黑色金属外的金属和合金,如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。
另外工业上还采用镍、锰、钼、钴、钒、钨、钛等,这些金属主要用作合金附加物,以改善金属的性能,适宜于制造某些有特殊性能要求的零件。
所有上述金属称为工业用金属,以区别于贵重金属(铂、金、银)与稀有金属(包括放射性的铀、镭等)。
钢
1、钢的来源及组成成分
来源:
把炼钢用生铁放到炼钢炉内熔炼,即得到钢。
钢的产品有钢锭、连铸坯(供再轧制成各种钢材)和直接铸成各种钢铸件等。
通常所讲的钢,一般是指轧制成各种钢材的钢。
组成成分:
是含碳量低于2%的一种铁碳合金。
此外尚含有硅、锰、磷、硫等元素,不过这些元素的停驶量要比生铁中的少。
2、钢的分类
按化学成分分
碳素钢:
钢中除铁、碳外,还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素,根据含碳量的高低,碳素钢可分为:
低碳钢(含碳量≤0.25%,中碳钢(含碳量0.25~0.60%),高碳钢(含量>0.60%)
合金钢:
除含有碳素钢所含有的各中元素外,尚含有一些其它元素(如铬、镍、钼、钨、钒等)。
根据钢中合金元素总含量多少,合金钢可分为:
低合金钢(合金元素总含量≤5%,中合金钢(合金元素总含量=5-10%),高合金钢(合金元素总含量>10%)。
按质量分:
普通钢:
含硫量不超过0.05%;含磷量不超过0.045%,
优质钢:
含硫量不超过0.040%,含磷量不超过0.040%,
高级优质钢:
含硫量不超过0.030%,含磷量不超过0.035%
按用途分:
结构钢:
指用以制造各种工程结构(如建筑、桥梁、车辆、锅炉构件)、机械零件(如齿轮、轴类零件)的钢。
工具钢:
指用以制造各种工具、模具、量具等的钢。
特殊性能钢:
简称特殊钢,指作特殊用途和具有特殊性能的钢,如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢、低温用钢、电工用钢等。
按冶炼方法分:
平炉钢,转炉钢,电炉钢
按浇铸前脱氧程度分:
镇静钢,沸腾钢,半镇静钢。
3、钢材
类别:
棒钢、型钢、钢板、钢带、钢簧、钢丝、钢丝绳。
综合分类:
甲类钢——按照机械性能供应的钢
普通碳素钢乙类钢——按照化学成份供应的钢
特类钢——按照化学成分供应的钢
碳素结构钢优质碳素结构钢
碳素钢
易切削钢
碳素工具钢
低合金结构钢
钢合金结构钢
合金结构钢
弹簧钢
轴承钢
合金钢合金工具钢
合金工具钢
高速工具钢
特殊用途钢——不锈耐酸钢、耐热钢等
生铁
组成成份:
是含碳量在2%以上的一种铁碳合金,此外尚含有硅、锰、磷、硫等元素。
品种:
有炼钢用生铁和铸造用生铁。
铁合金
定义:
是指铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金总称。
铁与硅组成的合金叫硅铁;铁与锰组成的合金叫做锰铁……
用途:
供铸造或炼钢作还原剂或作合金元素添加剂用。
铸铁
来源:
把铸造生铁放到熔炉中熔炼,产品即为铸铁(液状)。
再把液体状铸铁浇铸成铸件,这种铸件叫做铸铁件。
品种:
工业上常用的有灰口铸铁(灰铸铁、铸铁)、可锻铸铁(马铁、玛铜)、球墨铸铁和耐热铸铁等。
工业上常用的有色金属
铜合金:
黄铜——普通黄铜,特殊黄铜(含有其他合金元素的黄铜);青铜——锡青铜(铜锡合金,一般尚含有磷或锌,铅等合金元素),特殊青铜(无锡青铜)——铝青铜(铜铝合金)、铍青铜(铜铍合金)、硅青铜(铜硅合金)等
金属材料性能
物理性能:
密度,熔点,热膨胀性,导热性,导电性,磁性。
化学性能:
耐腐蚀性,抗氧化性,化学稳定性。
机械性能:
强度,抗拉强度,抗压强度,抗弯强度,抗剪强度,抗扭强度,屈服强度,条件屈服强度,弹性与刚性,弹性极限,弹性模数,塑性,延伸率,断面收缩率,硬度,布氏硬度,洛氏硬度,韧性,冲击韧性,疲劳强度(疲劳极限)。
工艺性能:
铸造性,锻压性,可焊性,可切削加工性。
非金属材料
非金属材料的分类
机械工业中广泛使用的非金属材料分为三类:
1、高分子合成材料,如塑料、橡胶等
2、陶瓷,如日用陶瓷、特种陶瓷等。
3、复合材料。
一、高分子材料
高分子材料的性能特点:
1、高分子材料通常有一定的强度和弹性。
比强度一般高于碳钢,可作为工程结构材料用于工农业生产。
2、耐蚀性和绝缘性较好。
3、具有隔热、隔音和减振的特性。
4、高分子材料具有良好的可加工性,加温加压下可塑性极为优良,可以通过挤压、注射、冲压、焊接、粘接、和切削加工等方法制成各种制品。
5、高分子材料与金属材料相比强度不高;刚度较低;不耐高温;线膨胀系数大,是钢铁的10倍。
高分子材料的分类:
高分子材料是以高分子化合物为主要组分的一类有机材料。
有两大类,天然高分子材料和人工合成高分子材料。
天然高分子材料:
如淀粉、油脂和天然橡胶,其使用受资源限制。
人工合成高分子材料:
包括塑料、合成橡胶、合成纤维三大类。
其中塑料应用最广,约占三大合成材料的2/3以上。
高分子材料的老化及防止:
高分子材料容易发生“老化”。
在氧气、阳光、受热、机械力和微生物等长期作用下结构组成发生变化,失去弹性,变硬变脆,出现龟裂。
这种现象称为老化。
防止方法:
加入各种防老化剂,表面处理(喷涂或镀上金属)合理的使用和科学的管理。
(一)塑料
塑料的主要成分是合成树脂,此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、稳定剂等各种添加剂。
塑料的性能特点:
密度小;耐腐蚀;电绝缘性好;耐磨和减磨性好;消音和隔热性好;良好的工艺性能。
分类:
根据性能和应用分为:
通用塑料:
产量大、用途广、价格低的常用塑料。
工程塑料:
具有类似金属的机械性能、可以代替金属材料制造机器零件或结构件的塑料。
特种塑料:
有特殊性能的塑料,如高耐蚀性,导磁塑料导电塑料、医用塑料等。
按受热后表现的性质分为:
热塑性塑料:
指受热软化、冷却又变硬可以多次反复的塑料。
受热时结构基本不发生变化。
热固性塑料:
在一定温度初次加热时会软化或熔融,并发生了结构的变化,冷却后塑料会固化成型,重新加热时不会再软化,软化和固化是不可逆的。
常用工程塑料:
PPR(pentatricopeptiderepeats),又叫三型聚丙烯管、无规共聚聚丙烯(PPR)其产品韧性好,强度高,加工性能优异,较高温度下抗蠕变性能好,并具有无规共聚聚丙烯特有的高透明性优点,可广泛用于管材、片材、日用品、包装材料、家用电器部件以及各种薄膜的生产。
管材除具有一般塑料重量轻、强度好、耐腐蚀、不结垢、使用寿命长等优点外,还具有以下主要特点:
(1)无毒,卫生,属绿色建材。
PP-R原料属聚烯烃,其分子由碳,氢元素组成,无毒性,卫生性能优良;
(2)耐热,保温,属节能产品。
PP-R管维卡软化温度为131.3℃,最高使用温度为95℃,长期(50年)使用温度可高达70℃.该产品的导热系数为0.24W/m℃,仅为钢管导热系数的1/200,用于热水管道保温节能效果极佳;
(3)安装方便、可靠,采用热熔同质连接,数秒钟即可完成一个接头连接,与金属管及用水器连接采用优质金属嵌件管件,安全可靠.
PP-R冷热水管的应用领域
建筑物内的冷热水系统,包括集中供热系统;建筑物内的采暖系统,包括地板,壁板的采暖及辐射采暖系统;可直接饮用的纯净水供应系统;中央(集中)空调系统;农业,园林灌溉系统;雨水管网;游泳池管网;太阳能设施的管网;PPR一般用于小管径,PPR明设暗设均可。
1、热塑性塑料:
(1)聚酰胺(PA)商品名尼龙
性能:
良好的综合性能,特别是有较高的韧性,一定的强度,低的摩擦系数和良好的自润滑性。
热稳定性较差,有一定的吸水性。
用途:
制造<100℃的轻载齿轮、蜗轮、轴承、轴套等。
(2)聚甲醛(POM)
性能:
具有优良的综合性能,疲劳强度在热塑性塑料是最高的。
有优良的耐磨性和自润滑性,可在-40~100℃长期工作,吸水性小,具有好的耐水、耐油、耐化学腐蚀性和电绝缘性,但热稳定性差。
用途:
可代替有色金属及其合金在汽车、机床、化工、农机等部门制造轴承、齿轮、凸轮、管道等各种机械零件。
(3)ABS塑料,又称“塑料合金”
性能:
兼有丙烯腈的高硬度、高强度、耐油耐蚀;丁二烯的高弹性、高韧性;苯乙烯的绝缘性,着色性和成型加工性的优点。
质坚、性韧、刚性大。
但是它不耐高温,不耐燃,耐气候性也差。
用途:
制造齿轮、泵叶轮、轴承、方向盘、扶手等,电器工业中用作电讯器材、电话、收音机、电机外壳等。
表面可以电镀一层金属,代替金属部件。
(4)聚四氟乙烯(F-4)
性能:
具有优良的耐化学蚀性,不受任何化学试剂侵蚀,固有“塑料王”之称。
它的热稳定性高,耐寒性好,可在-180~250℃长期使用。
摩擦系数极低(0.04)并有自润滑性,吸水性小,在潮湿条件下仍能保持良好的绝缘性,不易老化。
但强度较低,加工成型性较差,在390℃释放有毒气体,成本高。
用途:
用作减磨密封零件,如热垫圈、密封圈、自润滑轴承等,化工用的耐蚀泵,反应器,高频电子仪器的高频电缆等,医疗上制作人工心肺装置,代用血管等。
(5)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)即有机玻璃
性能:
具有优异的光学性能,透光率为92%,比普通玻璃(透光率为88%)高。
强度高于无机玻璃,抗破碎能力是无机玻璃的十倍。
硬度低表面容易擦伤起毛,并溶于丙酮等有机溶剂,导热性差,膨胀系数大使用温度不超过80℃。
用途:
制造有一定透明度和强度要求的零件如油杯,窥孔玻璃,汽车,飞机的玻璃窗等。
(6)聚氯乙烯(PVC)
性能:
化学稳定性高,绝缘性好、阻燃、耐磨、具有消声减振作用。
成本低,加工容易,但耐热性差,冲击强度低,有一定毒性。
配料不同可以作成硬质和软质塑料。
用途:
硬质塑料机械强度高、耐蚀性好,主要用于化工设备和各种耐蚀容器,可以代替不锈钢和铝材。
软质塑料主要用于制造人造革和塑料用于日常生活和农业。
(7)聚乙烯(PE)
性能:
高压聚乙烯密度较低,质地柔软,长期使用温度80℃。
低压聚乙烯密度较高,质地刚硬,耐磨性、耐蚀性和绝缘性好。
长期使用温度100℃
用途:
高压用于薄膜、软管等。
低压用于硬管、板材和小载荷的机械零件。
2.热固性塑料:
(1)酚醛塑料(PF)
性能:
有一定的机械强度,刚度大,制品尺寸稳定,良好的耐热性,耐蚀性,良好的介电性能。
用途:
机械工业中用它制造齿轮、凸轮、皮带轮等。
在电器工业中用它制造电器开关、插头、收音机外壳等电器绝缘零件。
(2)氨基塑料
性能:
与酚醛塑料相似,但强度低,着色性好,表面光泽如玉,俗称“电玉”,电绝缘性好。
用途:
色彩鲜丽、外观漂亮的装饰品和各种电器绝缘件,日用器皿食具等。
(3)环氧树脂(EP)
性能:
机械强度高,有突出的尺寸稳定性和耐久性;能耐各种酸、碱和溶剂的侵蚀,能耐大多数霉菌的浸蚀,在较宽的频率范围和温度范围内有良好的电绝缘性。
用途:
广泛用于机械、电机、化工、航空、船舶、汽车、建材各行业。
用于制造塑料模具、精密量具、绝缘器件等结构。
也可用于制造压层塑料、浇注塑料等。
另外,对各种物质有极好的粘附力,有“万能胶”之称,可以制造粘接剂。
(二)合成橡胶
橡胶的性能特点
高弹性;良好的回弹性能;良好的绝缘性、隔音性和阻尼性;一定的强度和硬度;具有良好的耐磨性。
橡胶成为常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料、传动材料、绝缘材料。
(1)丁苯橡胶(SBR)
由丁二烯和苯乙烯共聚而成,约占合成橡胶的80%。
性能:
耐磨性、耐热性和抗老化性都很好,其耐磨性超过了天然橡胶。
根据苯乙烯的百分含量主要有丁苯-10、丁苯-30、丁苯-50等,苯乙烯的含量越多橡胶的硬度、耐磨性、耐蚀性越高,但弹性和耐寒性越低。
丁苯橡胶强度较低,成型性较差。
通常可以任何比例与天然橡胶混合使用。
用途:
制造轮胎、胶管及胶鞋等
(2)顺丁橡胶(BR)是由丁二烯聚合而成.
性能:
弹性是目前各种橡胶中最好的品种。
耐磨性比天然橡胶高30%左右。
耐寒性也好。
但是加工性不好、抗撕裂性差。
用途:
主要用于制作轮胎、三角带、耐热胶管、减震器刹车皮碗等。
(3)丁腈橡胶(NBR)是丁二烯和丙烯腈的共聚物,是特种橡胶中产量最大的品种。
性能:
耐油性好、高的耐磨性、耐热性、耐水性、气密性、和抗老化性。
但电绝缘性、耐寒性、耐酸性差。
用途:
各种耐油制品,如耐油胶管、贮油槽、油封等。
(4)氯丁橡胶(CR)
由氯丁二烯单体聚合而成,即可作通用橡胶又可作为特殊橡胶使用。
性能:
断裂强度高、延伸率大、弹性好、耐油、耐酸、耐热、不燃烧、不透气,有“万能橡胶”之称,但耐寒性差、密度大、成本高。
用途:
制作高速运转的三角皮带、地下矿井的运输带、在400℃以下使用的耐热运输带。
石油化工中输送腐蚀物质和输油的胶管及各种垫圈。
作金属、皮革、木材、纺织品的胶粘剂,及海底电缆的绝缘层。
(5)硅橡胶
由二甲基硅氧烷与有机硅单体共聚而成,属于特种橡胶。
性能:
稳定性高,耐高低温和低温,可在
-100℃~350℃范围内保持良好弹性。
有良好的绝缘性和抗老化性。
无毒、无味有较好的气透性。
但其强度较低和耐磨性较低,不耐酸、碱,价格贵。
用途:
制造各种耐高、低温的橡胶制品,如耐热密封垫圈,耐高温电线的绝缘层等。
(6)氟橡胶
主链上和侧链上即有碳原子也有氟原子的聚合物。
性能:
由于含有键能很高的碳氟键,因此氟橡胶具有很高的化学稳定性,在酸、碱、强氧化剂中的耐蚀能力居各类橡胶之首。
强度硬度较高,耐高温,耐油、耐老化性能也很好。
但耐寒性、加工性较差,价格较贵。
用途:
是军工和尖端技术中的高级密封件、高真空密封件和化工设备中的里衬等不可少的重要橡胶材料。
二、陶瓷
陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘性好,在现代工业中广泛应用。
尤其是优异的高温性能,是其他材料不可比拟的。
超耐热合金最高使用温度为1100℃,而陶瓷材料可以达到1600℃。
主要成分:
SiO2、Al2O3、ZrO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、PbO等。
还有人工合成的Si3N4、SiC、BN等。
原料来自天然硅酸盐矿如黏土、石英、长石、或人工合成的粒状原料,包括氧化物、碳化物、氮化物等为原料,经粉碎-配制-制坯-成型-烧结而制成,它是多相的固体材料。
陶瓷的性能特点:
硬而脆;耐高温;耐腐蚀;绝缘性好。
常用的陶瓷材料:
(一)、普通陶瓷
是用天然原料烧结而成的传统陶瓷。
种类多产量大质地坚硬,耐1200℃高温,具有良好的耐蚀性、电绝缘性和加工成型性,成本低,但强度较低。
用途:
日用陶瓷、电器、化工、建筑等工业部门。
(二)、特种陶瓷
是采用人工合成的原料烧结成的现代陶瓷,具有特殊优良的性能,如耐高温陶瓷、高强度陶瓷、高耐磨陶瓷、耐蚀陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、光学陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、半导体陶瓷等。
按化学成分组成分:
氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金属陶瓷。
(1)氧化铝陶瓷(Al2O3)
性能:
其强度高于普通陶瓷2-3倍,甚至5-6倍,抗拉强度可达250Mpa,硬度很高,可达HRC90,能在1600℃高温下长期工作。
耐磨性很高、耐蚀性强、良好的电绝缘性。
但脆性大、抗热震能力差。
用途:
制造高速切削刀具、内燃机的火花塞、耐磨耐蚀的农用水泵、石油化工用的密封环、高温热电偶套管,各种耐磨零件,如金属拉丝模,也是制造电炉和各种高温炉的良好材料。
(2)氮化硅陶瓷(Si3N4)
性能:
Si3N4是共价键化合物,原子间结合很牢固,故化学稳定性好,硬度高,其显微硬度高达HV32000。
加工性能好,成品精度高、烧结变形小,较高的强度,比重小摩擦系数只有0.1-0.2,抗蚀性能好,其抗热震能力是陶瓷中最强的。
用途:
广泛的用于农业、化工、机械和国防尖端技术,主要用于制造耐高温、耐蚀、耐磨而形状复杂的零件如高速切削工具、高温轴承和耐磨轴承,热电偶套管等。
(3)碳化硅陶瓷(SiC)
性能:
SiC也是共价键结合晶体,键能高,很稳定。
高温强度好,导热性能好,抗热震能力强耐磨性高,耐放射性元素的照射。
用途:
可用于火箭尾喷管和喷嘴,浇注金属的浇道口,制造热交换器,核燃料的包装密封材料等。
(4)氮化硼陶瓷(BN)
性能:
BN也是共价键晶体,六方结构,具有良好的耐热性,高温绝缘性,在2000℃仍是绝缘体。
导热性好,其导热性与不锈钢相当,是良好的散热材料。
膨胀系数小,比金属和其它陶瓷低得多。
硬度较其它陶瓷低,可进行切削加工,并有自润滑性,
用途:
制造熔炼半导体的坩埚,半导体散热绝缘零件,高温绝缘材料,高温轴承,玻璃成型模具等,
立方BN可用于磨料和金属切削刀具。
BN用碱金属或碱土金属为触媒,在1500-2000,6000-9000MPa的压力下转变为立方BN,结构牢固,硬度和金刚石相比,是优良的耐磨材料。
三、复合材料
用两种或两种以上不同性质的材料,通过不同工艺方法组合而成的多相材料称复合材料。
复合材料的性能特点
比强度和比模量高;抗疲劳性好;破损安全性好;减震性好。
复合材料的分类
按基体材料分类:
金属基复合材料;陶瓷基复合材料;塑料基复合材料;橡胶基复合材料等。
按增强体材料的形态分类:
粒子增强复合材料;纤维增强复合材料;层叠复合材料等。
按复合材料用途分类:
结构复合材料;功能复合材料。
常用复合材料及应用
1.玻璃纤维增强复合材料
只介绍玻璃纤维为增强体,树脂为基体的复合材料。
玻璃纤维:
是人造的无机纤维。
主要成分是SiO2和各种金属氧化物,直径为5-9μm。
抗拉强度高,而且,纤维越细,强度越高。
比重小,是钢的三分之一。
柔软如丝可以织布,耐高温,化学稳定性高,隔热、吸声电绝缘性能好、弹性模量大。
(1)玻璃纤维热塑性树脂复合材料
性能:
比强度高,一般优于金属材料。
有良好的电绝缘性、耐蚀性和加工成型性。
良好的低温性能和低的热膨胀系数,较高的冲击韧性。
用途:
在电机、机械、化工、汽车、航空、建筑、等工业大量用于制作要求重量轻强度高的受力受热结构件和绝缘件。
(2)玻璃纤维热固性树脂复合材料
通常称为玻璃钢。
性能:
密度小、强度高、比强度高于高强度钢和铝合金、钛合金。
耐蚀、隔音、绝缘、绝热、易着色易成型,吸水性低,防磁、微波穿透性好。
但刚度低,只有结构钢的1/5-1/10,耐热性差,只能在300以下工作,是一种各向异性材料。
用途:
可以制造航空、航天方面的雷达罩、螺旋桨叶片、直升飞机机身、火箭导弹发动机壳体、各种车辆的车身,各种轻型船、舰、艇、电机和电器工业中制造重型发电机环、大型变压器线圈绝缘箱和绝缘零件、防蚀管道等各种化工设备和各种机械结构零部件。
2.碳纤维增强复合材料(也称为碳纤维增强塑料)
碳纤维密度小(1.33-2.0),钢的1/4,弹性模量高,为玻璃纤维的4-6倍,比强度为钢的16倍,热膨胀为零。
性能:
低密度,高强度,高弹性模量,耐疲劳抗蠕变。
机械性能比玻璃纤维增强材料好,是当前比强度和比钢度最高的复合材料之一。
热胀系数几乎为零,导热率高,耐蚀性极强,耐油,抗放射性照射、导电性、自润滑性能好,摩擦系数小。
用途:
主要用于汽车工业中制造汽车外壳,发动机壳体,航空、航天工业可作飞机机身、螺旋桨,卫星壳体,宇宙飞行器外表面的防热层、大功率发动机护环,化学工业中制作管道容器等。
在机械工业中制作齿轮、活塞、密封圈和连杆等。
美福特公司用碳纤维增强塑料制造汽车车身等许多零部件,车重降低700公斤,耗油量降低1/2-1/3,一辆轿车两人就可以抬起来。
韧性稍差,易氧化等。
3.凯芙拉有机纤维增强复合材料
凯芙拉(Kevler)纤维:
也称芳纶。
具有优良的抗疲劳性能,耐蚀性绝缘性和良好的加工性能,价格便宜。
性能:
最常用的是凯芙拉纤维-环氧树脂材料,它的抗拉强度大于玻璃钢,而与碳纤维-环氧树脂复合材料相似,但塑性好,与金属相似,其冲击韧性超过碳纤维增强塑料,具有优良抗疲劳性能,高于玻璃钢和铝合金其抗震能力为钢的8倍,为玻璃钢的4-5倍。
原料易得,成本底。
用途:
主要用于宇宙飞行器和高压容器,雷达天线罩,火箭发动机燃烧室外壳,轿车车身,轻型船舰和快艇等。
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