第10章 有色金属 与非金属材料 10.1 有色金属及其合金 10.1.1 铝及铝合金 ? 铝及铝合金的密度小，属轻金属，在地球 上的储量丰富，可以说居金属元素之首。 ? 但是，铝材的加工成本高，而且冲压及焊 接技术要求比较特殊，以目前的技术尚不 是一般厂家可以做得到的。 ? 大部分轿车还是部分零部件采用铝合金， 如车圈、发动机上盖等。 1．工业纯铝 显著特点是：密度小、塑性高但强度、硬 度低.可以经冷变形或通过合金化使其强 化；可以进行冷、热压力加工。 ? 铝导电、导热性良好，仅次于银和铜。常 用铝代替铜制作导线和零件，也可以制作 电子、电气设备散热片。 ? 工业纯铝的牌号有1070A、1060、1050A、 1035等 。 ? 2．铝合金 在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等金属 元素形成铝合金。可显著提高力学性能， 且仍保持密度小、比强度高、耐腐蚀、导 热性好的优点，可以用来制作机器零件。 ? 铝合金可通过固溶—时效处理来改变铝合 金的力学性能。 ? 根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将 其分为变形铝合金和铸造铝合金。 ? （1）变形铝合金 ? 变形铝合金塑性较好，宜于进行压力加工， 一般由冶金厂由铝锭加工成各种型材（板、 带、管等）产品供应，其合金含量一般小 于5%（高强度铝合金含量在8%～14%）。 按加入元素及主要性能特点分为防锈铝、 硬铝、超硬铝和锻铝。常用变形铝合金的 牌号、成分、机械性能及用途见教材表 10.1。 （2）铸造铝合金 ? ? 直接用铸造方法浇注成零件或毛坯的铝合金。其 所含合金元素的数量比较高，压力加工性能差， 但铸造性能较好，可以制造形状复杂的零件。合 金元素总的含量在8%～25%范围内，以加入元素 不同而分为许多类别。 代号用“ZL”加三位数字表示。第一位数字表示 合金类别：1为铝—硅系，2为铝—铜系，3为 铝—镁系，4为铝—锌系；第二、三位数字表示合 金顺序号，序号不同化学成分不同，优质在后面 加“A”。几种常用铸造铝合金的牌号、成分、机 械性能及用途见教材表10.2 。 10.1.2 铜及铜合金 1．工业纯铜 ? ? 也称“电解铜”或“紫铜”。含铜量 wCu=99.5%～99.95%。具有良好的塑性、导电性 和耐蚀性。其密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃， 固态下为面心立方晶格，无同素异构转变。工 业纯铜的强度、硬度低，不宜制作结构零件， 广泛用于制造电线、电缆、铜管以及配制铜合 金。 我国工业纯铜常用的有T1、T2、T3、T4四种， 代号中数字越大，表示杂质含量越高。 2．黄铜 ? 黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金，分为 普通黄铜和特殊黄铜。几种常用黄铜的牌号、 成分、机械性能及用途见教材表10.3。 3．青铜 ? 青铜原指铜锡合金，因呈青黑色而得名。以 后，由于需要发展了不含锡而加入铝、硅、 锰、铅等其他元素的青铜，称特殊青铜或无 锡青铜。几种常用青铜的牌号、成分、机械 性能及用途见教材表10.4。 10.1.3 滑动轴承合金 用来制造滑动轴承轴瓦或内衬的合金称为 滑动轴承合金。 ? 因滑动轴承传动效率不如滚动轴承，目前 机器中滚动轴承的应用范围很广。但是滑 动轴承承压面积大、噪声小、工作平稳， 故常用于高速重载的场合，如汽车发动机 的连杆轴承和曲轴轴承等。 ? 常用的轴承合金有锡基、铅基、铜基和铝 基轴承合金等。 ? 10.1.4 其他有色金属 1．钛及钛合金 具有优越的综合性能： ? 比强度高，耐热性好，特别适用于在300～ 600℃温度范围内工作的航空、航天等要求 比强度高的器件； ? 优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢 氧化钠及海水中均有优良的稳定性； ? 良好的低温韧性。资源丰富有着广泛应用 前景； ? 加工条件复杂，成本较昂贵。 （1）工业纯钛 钛呈银白色，熔点高（1 725℃），密度小 （4.5g/cm3），导热性差。 ? 力学性能与其纯度有很大关系。分为4个等 级：TA0、TAl、TA2、TA3，数字越大纯 度越低。 ? 常用于制造350℃以下工作的低载荷零件， 如飞机骨架、发动机部件、耐海水管道及 柴油机活塞、连杆等。 ? （2）钛合金 ? ?型钛合金（TA）具有很好的强度、韧性、热稳 定性、焊接性和铸造性，抗氧化能力较好，塑性 较低，热强性很好； ?型钛合金（TB）强度较高、韧性好，易于冲压 成形，经淬火和时效处理后强度进一步提高，主 要用于制造高强度板材和复杂形状零件。 ?+?型钛合金（TC）兼有上述合金的优点，即塑 性好、热强性好（可在400℃长期工作）、抗海 水腐蚀能力很强，生产工艺简单，并可通过淬火 和时效处理进行强化，主要应用于飞机压气机盘 和叶片、舰艇耐压壳体、大尺寸锻件、模锻件等。 ? ? 2．镁及镁合金 ? ? ? ? 镁的密度很小，耐蚀性很差，强度和塑性均不高， 一般不直接用做结构材料。 镁合金比强度更高，能承受较大的冲击载荷和具 有更高疲劳极限；耐蚀性好（特别耐煤油、汽油 等矿物油和碱类的腐蚀），有良好的切削加工性。 因此在航空、无线电通信、仪表等行业获得广泛 的应用。镁合金是最有发展前景的汽车轻量化材 料之一。 镁合金根据加工方法分为变形镁合金（压力加工 镁合金）和铸造镁合金两类，代号分别以“MB” 和“ZM”加序号表示。 常用的变形镁合金有MBl、MB2、MB8、MBl5。 常用铸造镁合金有ZMl、ZM2、ZM5。 10.2 非金属材料 ? ? ? 除金属以外，其他材料均为非金属材料，包括塑 料、橡胶、玻璃、陶瓷、合成纤维、胶粘剂、摩 擦材料、涂装材料等。 非金属材料有许多金属材料不具备的特点，如高 分子材料质轻、耐蚀、绝缘、减振、价廉等；陶 瓷高硬度、耐高温、耐腐蚀等，起着金属材料无 法替代的作用，从而成为现代工业中必不可少的 门类。 非金属材料种类繁多，下面主要介绍有机高分子 材料、陶瓷材料和复合材料。 10.2.1 高分子材料 高分子材料是相对分子量在5 000以上的 有机化合物的总称，也叫高聚物或聚合物。 ? 缺点是强度、刚度不够大，易老化，一般 不适于做结构件。 ? 按热性能及成型特点分为热固性和热塑性； 按用途分为塑料、合成橡胶、胶粘剂等。 ? 1．塑料 （1）塑料的组成 ? 大多数塑料是以合成树脂为基础，再加入 一些用来改善使用性能和工艺性能的添加 剂而制成。 ? 合成树脂是主要组成物，它决定塑料性能， 含量一般为30%～100%。大多数塑料都是 以树脂名称来命名的。 ? 填充剂的作用是调整塑料的物理化学性能， 提高材料强度，扩大使用范围以及减少合 成树脂的用量，降低塑料成本。 （2）塑料的分类 ? 按树脂的热性能可分为热塑性塑料 和热固性塑料两大类。 ? 按使用范围可分为通用塑料和工程 塑料两大类 。 （3）塑料的特点 质量轻、强度低、刚度低 ； ? 热导率较小 ； ? 热膨胀系数大 ； ? 耐热性差，易老化 ； ? 绝缘性好 ，耐蚀性好 ； ? 减摩性能、耐磨性能差异大 ； ? 吸振性能高，易于加工成型等 。 ? （4）汽车常用塑料 名 称 符 号 用途举例 车厢内饰件、油箱、挡泥板、转向盘、发动机罩、空气 导管 方向盘、坐垫套、车门内板、仪表板、操纵杆盖板等， 占车用塑料的20%～30% 接线板、转向盘、保险杠、风扇罩、散热器栅格、灯罩、 电线覆皮 为主要内饰材料：仪表板、方向盘、车门扶手、遮阳板、 密封条、头枕 仪表盘、控制箱、灯壳、挡泥板、变速杆、散热器护栅 冷却风扇、滤网、把手、钢板弹簧销衬套、散热器副油 箱 各种阀门、转向器衬套、万向节轴承、各种手柄及门销 制动衬片、离合器摩擦片、分电器盖 保险杠、刻度板、壳体、水泵叶轮 聚乙烯 PE 聚氯乙烯 聚丙烯 PVC PP 聚氨酯树脂 ABS树脂 有机玻璃 聚酰胺（尼 龙） 聚甲醛 酚醛塑料 聚碳酸酯 PU ABS PMMA 灯罩、油杯、镜片、遮阳板、标牌、油标 PA POM PE PC 2．橡胶 （1）橡胶的分类 可分为天然橡胶和合成橡胶两大类 。 ? 天然橡胶是以天然橡胶树上流出的胶乳， 经过处理后制成的。 ? 合成橡胶是以石油、天然气、煤等为原料， 加入适量的配合剂通过化学合成的方法制 成的与天然橡胶性能相似的高分子材料。 ? （2）常用橡胶 类别 品种、代号 天然（NR） 丁苯（SBR） 通用 橡胶 耐磨性好 耐磨、耐候、耐油、耐老化、 耐热 性 能 用 途 轮胎，胶带，胶管 轮胎，通用制品，胶板，胶布 顺丁（BR） 氯丁（CR） 异戊（IR） 丁基（JIR） 聚氨酯（UR） 弹性、耐磨性、耐寒性好 物理机械性能好、耐候性好 绝缘性好、吸水性低 气密性好、耐酸碱、吸振 耐磨、耐油性好，强度高 绝缘、耐高、低温（?100～ 300℃） 耐高温、耐蚀、耐辐射、高真 空性 电线包皮，减振器，内胎，橡胶 弹簧 胶管，胶带，汽车门窗嵌条，密 封件 胶管，胶带 内胎，防振件，防水胎 耐油胶管、垫圈，实心轮胎，耐 磨制品 耐高、低温件，绝缘件 耐蚀件，高真空件，高密封件 油封，皮碗，火花塞护套 特种 橡胶 硅橡胶（Q） 氟橡胶（FPM） 丙烯酸酯（ACM） 耐油、耐候、耐老化 10.2.2 陶瓷材料 为所有无机非金属材料的简称； ? 主要指陶瓷、玻璃，还包括搪瓷、石膏、 水泥、石英等 ； ? 共同特征是：耐热性优良；除绝缘性、半 导体性之外，还具有磁性、介电性等多种 功能；不易变形，断裂时属于脆性破坏； 韧性低。 ? 1．陶瓷 （1）陶瓷的分类。 ? ? ? 大致分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类。 传统陶瓷又称普通陶瓷，主要以天然硅酸盐矿物 质（黏土、长石、石英等）为原料，经粉碎、成 型、烧结后而成。按用途可分为日用陶瓷、建筑 陶瓷、卫生陶瓷、电器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶 瓷。 特种陶瓷又称新型陶瓷，以化工原料（氧化物、 氮化物、碳化物等）为原料，经配料、成型、烧 结而成。按其用途可分为电容陶瓷、压电陶瓷、 磁性陶瓷、电光陶瓷、高温陶瓷等。 （2）陶瓷的性能及应用 具有很高的弹性模量和硬度（＞1 500 HV），极高的红硬性（可达1 000℃以上）， 抗压强度高，但抗拉强度和韧性都很低， 脆性大 ； ? 化学性能非常稳定 ； ? 熔点很高，一般在2 000℃左右 ； ? 导热性和膨胀性小 ； ? 大多是绝缘体，某些特种陶瓷具有导电性 和导磁性。 ? （3）几种常用的特殊陶瓷 ? ? ? 氧化铝陶瓷的主要成分是Al2O3，又称刚玉瓷。它 高温强度高、硬度高、耐磨性好，具有良好的绝 缘性和化学稳定性。但抗热振性能差，不能承受 温度的突变。在汽车工业中的典型用途为火花塞 绝缘体，汽车排气净化器、发动机缸盖底板、缸 套、活塞顶等也用到了陶瓷材料。 氮化硅陶瓷（Si3N4）的显著特点是抗热振性能好， 具有自润滑性、优异的电绝缘性。常用做高温轴 承、耐蚀水泵密封环等。 碳化硅陶瓷是目前高温强度最高的陶瓷，它在1 400℃的高温下仍能保持500～600 MPa的抗弯强 度。常用于火箭尾喷嘴、燃气轮机的叶片、核燃 料的包装材料等，也可制作耐磨密封圈。 2．玻璃 ? 玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、 纯碱、长石、石灰石等为主要原料，并 加入某些金属氧化物等辅料在1 550～1 600℃高温下熔融后经拉制或压制而成 的。 （1）玻璃的性能 ? ? ? ? ? ? 硬度高（仅次于陶瓷）、抗压强度高、抗拉弯强 度低、塑性小、韧性很差，是典型的脆性材料。 良好的化学稳定性，对酸、碱的腐蚀具有较强的 抵抗能力。但氢氟酸对玻璃具有较强的腐蚀作用， 普通玻璃的耐热性较差，经过热处理后，可提高 其耐热性。 固态玻璃具有良好的绝缘性能，但液态玻璃却具 有良好的导电性。 具有良好的光学性质，即透明性和折光性。 除此之外，特种玻璃还有吸热、防辐射、防爆等 特殊性能。 在汽车上，主要用做挡风玻璃和车身玻璃等。 （2）常用玻璃 平板玻璃 ； ? 浮法玻璃 ； ? 钢化玻璃 ； ? 夹层玻璃 。 ? 10.2.3 复合材料 ? 复合材料是指由两种或两种以上 物理和化学性质不同的物质组合 起来而得到的一种多相固体材料。 1．复合材料的特性 比强度（?b/?）、比模量（E/?）比其他材 料高得多 ； ? 具有良好的抗疲劳性能 ； ? 使用安全性好； ? 熔点高，一般在2 000℃以上； ? 可以整体成型，减少了零部件紧固和接头 数目，材料利用率也高得多。 ? 2．汽车常用复合材料 （1）高分子基复合材料（FRP） ? 主要是由三部分组成：纤维——多为玻璃 纤维、碳纤维和陶瓷短纤维等 、树脂 、 填充料 。 ? FRP中较典型的有以下几种：① 玻璃纤维 增强塑料，②碳纤维增强塑料 。 （2）金属基复合材料 ? 金属基复合材料的特点是除了比强度、比 刚性好，耐热耐磨性好，还具有优良的导 热性和导电性。因此，如果零件要求兼有 以上的综合性能时，可采用这类材料，如 汽车中的活塞、活塞销、气门摇臂、连杆、 汽缸体、挺柱等。但由于制造问题，目前 金属基复合材料未能得到广泛使用。 （3）陶瓷基复合材料 在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得 到的陶瓷基复合材料，使韧性大大提高。 ? 具有高强度、高模量、低密度、耐高温、 高的耐磨性和良好的韧性，目前已用在高 速切削工具和内燃机部件上。汽车工业的 研究重点是替代金属制造发动机的零部件 乃至整机，用陶瓷材料可以提高热效率、 无须水冷，而且比硬质合金的质量轻得多。 ? 10.3 零件的失效与典型汽车零件用材 10.3.1 零件的失效 ? 失效是指零件在使用过程中，由于尺寸、 形状或材料性能发生变化而丧失原设计功 能。 1．零件的失效形式 ? 断裂失效； ? 表面损伤失效； ? 变形失效。 2．零件的失效原因 ? 引起失效的因素很多，涉及到零件的结构 设计，材料选择与使用，加工制造、装配、 使用保养等。但就零件失效形式而言，则 与其工作条件有关。零件工作条件包括： 应力情况（应力的种类、大小、分布、残 余应力及应力集中情况等）、载荷性质 （静载荷、冲击载荷、交变载荷）、温度 （低温、常温、高温或交变温度）、环境 介质（有无腐蚀性介质、润滑剂）以及摩 擦、振动情况等。 10.3.2 典型汽车零件用材 汽车主要结构可分为四部分 ： ? ? ? ? 发动机 ：提供动力，由缸体、缸盖、连杆、活塞、 曲轴以及润滑、冷却、配气、燃料供给等系统组 成。表10.7为其主要零件的用材情况 。 底盘 ：包括传动系（离合器、变速箱、后桥等）、 行驶系（车架、车轮等）、转向系（方向盘、转 向蜗杆等）和制动系（油泵或气泵、刹车片等）。 表10.8为其主要零件的用材情况。 车身 ：包括驾驶室、货箱等。 电气设备：包括电源、启动、点火、照明、信号、 控制等 。