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《造型材料和工艺》期末复习指导
第一章 概述
一、 材料和设计
二、  材料分类
1、按材料发展历史分类
1、第一代天然材料：
天然石头、木材
旧石器时代,人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），以后也全部只是纯天然材料简单加工而已。
2、第二代加工材料：
用矿物经过冶炼、烧结制成金属和陶瓷
新石器时代、铜器时代和铁器时代，是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工时代，关键材料有：陶、铜和铁。
3、第三代合成材料：将石油、天然气和煤等经过化学方法制成高分子材料
人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料出现，加上已经有金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）组成了现代材料（除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料全部是这一阶段杰出代表）。
4、第四代复合材料：有机、无机非金属及金属等复合而成
只要是由两种不一样相组成材料全部能够称为复合材料
5、第五代智能材料或应变材料：随环境条件改变含有应变能力和潜在功效高级形式复合材料
如形状记忆合金、光致变色玻璃等等全部是多年研发智能材料（自然界中材料全部含有自适应、自诊疗和自修复功效，而现在研制成功智能材料还只是一个智能结构）
memory metal-记忆合金
关键是镍钛合金材料
利用一些合金在固态时其晶体结构随温度发生改变规律。
2、按材料物理状态、化学性质及用途分类
按物理状态分
气体：氢、氧、氮
固态材料：最常使用
液态材料：有机材料（油脂、涂料）
按材料化学结构分类
金属材料：金属键
无机材料：离子键
有机材料：共价键
半导体：介于金属材料和无机材料之间
按材料用途分类
建筑材料、电工材料、结构材料、电子材料、研磨材料
光学材料、耐火材料、感光材料、腐蚀材料、包装材料等
3、按材料起源分类① 天然材料
矿物：石材、粘土、矿石、宝石、熔岩、火山灰、金刚石、煤、水晶
大气、海水：气、水蒸气、水、冰、海水
动物质：皮、羽毛、骨、毛发、角、牙、油脂
植物质：果实、茎、树皮、花、分泌物、蔓藤
②  加工材料
纸、混凝土、合板、木棉、颜料、绢
③合成材料
塑料、橡胶、硅酸盐、合成纤维
4 、按材料成份分类
①     有机材料：塑料、橡胶、有机纤维
②     无机材料：金属、硅酸盐、玻璃
③     复合材料：玻璃纤维增强树脂
④     其它：石墨、金刚石、碳纤维
5、 按材料结构分类
① 晶质材料
金刚石、岩盐（单晶体）、金属、陶瓷（多晶体）
② 非晶质材料
6、按材料形态分类
线材、板状材料、块状材料
本课程着重介绍材料
金属材料、高分子材料
陶瓷材料、玻璃、木材、涂料
三、  材料通常性质
1、密度 ρ = m/ V
ρ——材料密度(kg/m3)
m——干燥材料质量(kg)
V——材料在绝对密实状态下体积（m3）
容重：又称表观密度 (Apparent Density) 有也称毛体积密度，表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所含有质量，按下式计算： ρ=m/V0

V0－材料在自然状态下体积，或称表观体积（cm3或m3）。
材料在自然状态下体积是指材料实体积和材料内所含全部孔隙体积之和。
对于外形规则材料，其测定很简便，只要测得材料重量和体积，即可算得表观密度。不规则材料体积要采取排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗人材料内部而影响测定值。
  三、  材料通常性质
2、熔点
熔点：纯金属由固态转变为液态时温度，低于700℃为易熔金属
高分子材料：高于glass transition温度 Tg 为高粘度液体或橡胶状材料
热塑性塑料 熔点Tm>Tg；热固性塑料无 Tm、Tg
3、比热容（Sepcific Heat Capacity）
单位质量材料温度升高1 ℃所需要热量J/(Kg•K)
水比热较大，金属比热更小部分
c铝>c铁>c钢>c铅
(1)不一样物质有不一样比热，比热是物质一个特征；
(2)同一物质比热通常不随质量、形状、温度而改变，如一杯水和一桶水，冷水和热水，它们比热相同；
(3)对同一物质，比热值和物体状态相关，同一物质在同一状态下比热是一定，但在不一样状态时，比热是不相同，如，水比热和冰比热不一样。

4、热导率（coefficient of heat conductivity）：
相正确两个面给单位温差，在单位时间内传导热量称为热导率（导热系数）W/m•K

5、热膨胀系数（coefficient of heat expansion） ：
材料两点之间单位距离在温度升高1 ℃时改变为线膨胀系数，单位体积改变为体胀系数
6、强度（strength）：
R——材料极限强度（Pa） P——材料破坏最大载荷（N） F——材料受力截面积（cm2）
7、弹性和塑性（elasticity and plasticity )
在外力除去后能恢复原来形状能力称材料弹性
材料能承受永久变形能力称材料塑性
8、脆性和韧性(brittleness and toughness)
材料承受外力无显著变形忽然破坏性质称脆性
承受冲击载荷或振动载荷而不破坏性能称为材料韧性
材料通常性质
9、硬度(hardness)：表面抗塑性变形或破坏能力
布氏硬度：金属材料、塑料、橡胶
负荷P（1875~3000N） 钢球直径D（2.5~10mm） 压入被测金属表面保持10~60s后测压痕直径
洛氏硬度：以硬质压头压痕深度来表示材料硬度HR（A、B、C）
维氏硬度：和布氏硬度测量原理相同，所加载荷较小，压头为1360顶角金刚石棱锥，测出压痕两对角线平均长度。HV适合极薄零件和表面渗碳、渗氮层硬度，精度高。
补充金属材料几点性质
（1）导电性：金属材料传导电流能力称导电性。
衡量导电性好坏参数
电阻率：计算和衡量金属材料在常温下(200C)电阻值大小性能指标
导电性：银>铜和铝 合金<纯金属
（2）磁性：磁性是指金属材料在磁场中被磁化而展现磁性强弱性能
铁磁性材料——在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、钴、镍
抗磁性材料——能抗拒或减弱外加磁场磁化作用材料：铜、金、银、铅
顺磁性材料—在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼
（3）耐磨性：以磨损量作为衡量指标。
（4）耐腐蚀性：指金属材料抵御周围介质腐蚀破坏能力。
（5）抗氧化性：指金属材料在室温或高温下抵御氧化作用能力，是高温材料一项关键性能指标。
补充非金属材料几点性质
孔隙率：衡量孔隙指标
孔隙率是指材料内部空隙体积占材料总体积百分比
材料胀缩：因为大气中温度、湿度改变或其它介质作用引发。
材料在使用过程中、其胀缩常受到制品结构限制，会造成制品开裂和变形。
非金属材料变形：弹性变形、塑性变形、弹性模量
徐变(或称蠕变)和松弛 对材料使用影响较大
亲水性：假如材料在空气中和水接触，材料分子和水分子之间附着力大于水分子之间内聚力，则水就能湿润材料表面；不然材料不能被湿润，这种材料叫憎水性材料
吸水性：指材料吸收水分能力
耐水性：指材料长久在水作用下其强度不显著降低性能。
抗渗性：这是指材料抵御压力水渗透性能
其它：导热性、热容、耐热性、耐燃性、耐火性、耐久性

四、材料感觉特征利用
（一）   材料感觉特征概念
对材料认识是实现产品设计前提和确保
按材料组成份为 自然质感 人为质感
1、材料感觉特征内容
材料感觉特征：又称材料质感，包含生理心理属性和物理属性
经过感觉器官对材料表面特征刺激引发对材料综合印象
2、材料感觉特征评价
 3、影响材料感觉特征相关原因
（1）材料种类：组成、结构
（2）成型加工工艺及表面处理工艺
不一样加工方法和工艺技巧会产生不一样外观效果，从而取得不一样感觉特征
铸造、铸造、焊接、铆接、编织、车削、磨削、电镀、喷砂
（二） 质感设计 质感设计是产品造型要素之一
认材→选材→配材→理材→用材
1、  质感设计形式美法则
形式美：生活和自然中多种形式原因、几何要素、色彩、材质、光泽、形态有机组合
质感设计形式美法则：多种材质有规律组合基础法则
（1）调和和对比法则
整体和局部：统一友好、对立改变 在改变中求统一，在统一中求改变
 （2）主从法则
强调在产品质感设计上要相关键，主从分明，有侧关键
2、  质感设计利用标准
（1） 合理性：正确、经济 （2） 艺术性：提升艺术造型效果
（3）发明性：突破材料利用陈规 采取新材料、新工艺→产生新效果
 3、质感设计关键作用
（1） 提升适用性 经过良好触觉质感设计→提升适用性
（2） 增加宜人性 良好视觉质感设计
（3）塑造产品精神品位 从整体出发→注意整体友好→品位
（4）达成产品多样性和经济性 人为质感设计替换和填补自然质感 选择不一样材料塑造产品个性特征
（5）发明全新产品风格
（三）材料抽象表示
1、 材料抽象表示
材料特征→提炼、升华→具审美价值意义→沿抽象表示共同方向→含有抽象意念材料
2、 材料抽象表示基础：抽象思维
抽取形体本质属性，撇开非本质属性思维，用抽象符号替换具体形体形象，融进大家对艺术和文化修养及个人激情。
3、  材料抽象表示对设计有直接意义
“用材料思索”标准——成为现代设计关键理念
“用材料思索”强调把材质美作为设计元素
“用材料思索”对材料美感抽象表示是设计构思艺术元素
（四）材料美感
产品功效美+结构美+色彩美+形态美+材料美+工艺美
1、  材料色彩美
材料——色彩载体 色彩
2、  材料肌理美

(1)  同一肌理材料组合——组合协调 (2)   相同肌理材料组合 (3)   对比肌理材料组合
3、  材料光泽美
依据材料受光特征分为
4、材料质地美
关键由材料本身组成、结构、物理化学特征来表现
如软、硬、轻重、冷暖、干湿、粗细 在材料选择和配置中实现材料质地特征及美感表现力
（1） 相同质地材料配置 （2）  对比质地材料配置
5、材料形态美——造型基础要素
线材——片材——块材
（1） 线材美感——长度、方向感（2） 片材美感——延伸感和空间虚实感
（3） 块材美感——重量感、充实感和较强视觉表现力 （4） 综合形态材料美感
 六、产品设计中材料选择和开发
（一）设计材料选择
1、设计材料选择标准
材料外观：感觉特征 材料固有特征 材料工艺性 材料生产成本及环境原因 材料创新
2、影响材料选择基础原因
(1)  功效(2) 基础结构要求(3)  外观(4)  安全性(5)  控制件(6)  抗腐蚀性(7)   市场
（二） 材料工程发展方向
1、新构思、新观念不停涌现：材料低维化、材料梯度化、材料复合化、材料仿生化、材料智能化、材料绿色化
2、（营造特殊环境、利用极端手段）制备特殊材料，取得特殊性能
3、成为其它高新技术综合应用试验地
4、经济实力成为制约材料领域发展速度、深度和广度关键问题
（三）设计材料开发

功效需求分析→确定性能指标→确定材料体系加工方法→材料成份设计和工艺参数优化→性能评价→应用→产品失效分析
1、新材料：采取新工艺、新技术合成含有特殊机能或性能有重大突破一类材料，依据材料来设计产品
2、新材料对产品造型设计影响和作用
(1)相互融合关系 (2) 产品外观形象要含有未来性
(3)材料在和功效相适应同时要有良好触觉质感和愈加好可操作性 (4)设计应深入开发传统材料
3、  新材料发展方向
(1)   基础材料开发
金属、木材、玻璃、陶瓷、塑料
深入探索材料组成、结构和性能，以提升或替换原有材料特征为具体目标，取得一定材料特征，扩大材料使用范围
(2)  复合材料开发
两种或两种以上不一样化学性质或不一样组织结构材料，经过不一样工艺方法组成多相材料，含有单一素材无法含有机能。
目标：填补一些材料缺点、利用含有一些特征材料以组成单一材料无法实现特征、产生新机能。
按基体分类 按添加物几何形状分类
(3) 纳米材料和纳米技术
a、纳米材料：由纳米原子团组成，含有独特体积和表面效应
b、纳米加工技术：关键是原子或分子位置控制、含有特殊功效原子或分子集团自复制和自组成。
第二章 金属材料及其工艺
一、金属材料基础知识
金属材料关键性能
机械性能
① 载荷下机械性能：弹性、刚度、塑性、强度、硬度

刚度
刚度是指零件在载荷作用下抵御弹性变形能力。
零件刚度（或称刚性）常见单位变形所需力或力矩来表示，刚度大小取决于零件几何形状和材料种类（即材料弹性模量）。
刚度要求对于一些弹性变形量超出一定数值后，会影响机器工作质量零件尤为关键，如机床主轴、导轨、丝杠等。

塑性
塑性是一个在某种给定载荷下,材料产生永久变形材料特征,对大多工程材料来说,当其应力低于百分比极限时,应力一应变关系是线性。
大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。
强度
金属材料在外力作用下抵御永久变形和断裂能力称为强度。按外力作用性质不一样，关键有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常见是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可经过拉伸试验测出。
强度是指零件承受载荷后抵御发生断裂或超出许可程度残余变形能力。是衡量零件本身承载能力（即抵御失效能力）关键指标。强度是机械零部件首先应满足基础要求。
机械零件强度通常能够分为静强度、疲惫强度（弯曲疲惫和接触疲惫等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下强度和蠕变、胶合强度等项目。
强度试验研究是综合性研究，关键是经过其应力状态来研究零部件受力情况和估计破坏失效条件和时机。
硬度
材料局部抵御硬物压入其表面能力称为硬度。
硬度是衡量金属材料软硬程度一项关键性能指标，它既可了解为是材料抵御弹性变形、塑性变形或破坏能力，也可表述为材料抵御残余变形和反破坏能力。
硬度不是一个简单物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能综合指标。
②动载荷下机械性能

F——试样承受冲击有效截面积
AK——冲断试样所消耗冲击功
αk——冲击韧性（冲击值）
③交变载荷下机械性能
σN ——材料承受无数次交变载荷作用而不发生断裂破坏最大应力
σ-1——材料在对称循环交变应力作用下弯曲疲惫强度
应力循环基数：有色金属108 钢铁107
碳素钢σ-1≈（0.4~0.55）σb 灰口铸铁σ-1≈0.4σb 有色金属σ-1≈（0.3~0.4）σb
（2）金属材料物理和化学性能
① 物理性能
比重、导热性、导电性、热膨胀性、磁性
②  化学性能
抗蚀性和抗氧化性
铸造性能（流动性、收缩性、结晶偏析）
铸造性能（塑性变形不裂）
焊接性能
切削加工性（消耗动力小、刀具寿命长、产品质量好）

2、  金属及合金结构和结晶
(1) 金属结构和结晶
①金属晶体结构：体心立方晶格（硬）、面心立方晶格（软）、密排立方晶格
②金属结晶过程
纯金属有固定熔点，但结晶时必需有一定程度过冷
结晶：晶核形成+成长
③ 金属同素异构转变

（2）合金
①   合金基础概念
铜+锌→黄铜 铝+铜+镁→硬铝 铁+碳→钢、生铁
二元合金：碳钢、铸铁（Fe+C） 三元合金：硬铝 多元合金
合金中含有同一化学成份和晶格结构均匀部分称为相
②   合金结构
固溶相：含有和溶剂相同晶格形式
金属化合物：各组元相互作用形成含有特殊晶格和显著金属特征物质
机械混合物：由两种以上相组成合金，既不互溶，也不形成化合物
渗碳体Fe3C：铁和6.67%碳形成金属化合物 石墨化Fe3C→F+G
珠光体：铁素体+渗碳体（机械混合物）
3、钢热处理
（1）热处理原理
（2）钢一般热处理
（3） 钢表面热处理
① 表面淬火
感应加热表面淬火
交流磁场 工件表面感应电流电阻热 加热到淬火温度 喷以冷却介质
火焰加热表面淬火
乙炔——氧或煤气——氧等火焰加热，效率低，表面易脱碳
② 表面化学热处理
渗碳:低碳钢或低碳合金钢
增碳活性介质中加热至900~9500C 碳原子扩散渗透零件表层实现表面高碳化 淬火并低温回火 零件表层含有高硬度和强度。
渗氮
工件 含氮活性介质中加热至500~5600C 活性氮原子渗透钢件表层。渗氮温度低、工件变形小，但时间长、成本高，氮化层薄而脆
广泛用于存在强烈摩擦并承受冲击载荷或交变载荷精密钢件。
碳氮共渗
在温度较高时以渗碳为主，温度低时以渗氮为主。氰化所得共渗层经淬火和低温回火后，硬度高、耐磨性好，有一定耐腐蚀性，适合于中、低碳钢或合金钢表面强化处理。
CO+CH4+NH3→加热至500~8000C→保温一段时间→活性碳和氮
二、钢铁材料
钢铁材料生产
生铁冶炼：含碳量在2.11%以上铁碳合金
高炉炼铁原料：铁矿石+燃料和熔剂
矿石——铁氧化物+脉石+少许杂质
燃料——提供热量和还原剂
熔剂——含CaO、MgO等碱性氧化物石灰石、白云石等
高炉冶炼关键过程
① 矿石中铁氧化物还原和渗碳
Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO→FeO+CO2 FeO+CO→Fe+CO2 FeO+C→Fe+CO2
② 造渣和脱硫
FeS+CaO+C→Fe+CO+CaS
炼钢方法关键有三种 转炉炼钢法 平炉炼钢法 电炉炼钢法
电炉炼钢——用电作为热源进行钢铁冶炼方法
有两种形式：一是电弧炉，一是感应炉
平炉炼钢法
平船底形状反射炉，加入铣铁、废钢、石灰石用燃料加热溶解，以氧气或氧化铁把铣铁中碳（C）和硅（Si）磷（P）等氧化去除，精炼完成加入硅铁、锰铁、铝去除钢液中氧气、氮气，炼钢时间较长。
轧钢——利用轧机使金属产生塑性变形，把钢锭或钢坯变成含有一定形状和尺寸规格钢材过程
按轧制温度分类
热轧：把钢锭加热至单相固溶体温度后进行压力加工，在再结晶温度上终止变形。制件塑性好，变形抗力小，适合轧制较大断面尺寸、塑性较差或要求变形量较大材料。
冷轧：直接用冷料进行轧制，产品表面光洁，尺寸正确，含有加工硬化效应和较高强度和硬度，但冷变形抗力大，适适用于轧制塑性好、尺寸小线材、薄板。
按轧制时坯件和轧辊相对位置分类
①     纵轧：板、带、管、型材
②     斜轧：变截面金属材料
③     横轧：车轮、轮箍、齿轮等环形工件

（二）碳钢
1、碳钢成份
含碳量小于2.11%铁碳合金
成份:铁、碳、Mn、Si、P、S、O、N、H
碳含量越高硬度越大，塑性和韧性越低 碳钢强度以共析含碳量2.11%为最高
硅、锰：是有益元素，但含量极少，对钢性能影响不大
硫、磷：是十分有害杂质，能引发钢液偏析，降低塑性和韧性，使钢产生“冷脆”和“热脆”
氮、氢、氧：也是有害杂质，使钢韧性和疲惫强度急剧降低
2、碳钢分类、编号和用途
按含碳量分
低碳钢：含碳0.08~0.25% 塑性好，多用于冲压、焊接、渗碳件
中碳钢：含碳量0.25~0.6%，有一定强度和韧性，热处理后可获良好综合机械性能。
高碳钢：含碳量0.6~1.4%，硬度高，多用作工具、量具和模具
按质量分
碳素结构钢：一般工程构件和零件
碳素工具钢：多种工具钢
优质碳素结构钢：有害杂质含量较少，塑性和韧性较高，可热处理强化 45钢
碳素工具钢：含碳量0.65~1.35%，优质碳素工具钢 高级碳素工具钢，如T8 和T8A
（三）合金钢
冶炼过程中加入合金元素钢称合金钢，制造部分关键工程结构和机器设备零部件。
 按用途分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。
按合金元素含量分为：低合金钢、中合金钢、高合金钢。
按冶金质量不一样分为：优质钢、高级优质钢、特级优质钢。
合金钢牌号表示方法
合金钢牌号是采取合金元素符号和数字来表示，即：数字＋合金元素符号＋数字。
比如，平均含铬量为0.6%合金工具钢，其牌号表示为“Cr06
（四）铸铁
铸造用生铁，含碳量在2.5~4.0%
依据碳存在形式不一样分为
灰口铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁(马钢或马铁) 蠕墨铸铁
三、铝及铝合金
（一）铝生产
从铝矿石中提取氧化铝（电热法、酸法、碱法）→氧化铝电解得到纯铝（熔盐电解法 采取Na3AlF6冰晶石作为电解质）
经电解提炼铝纯度可达99.7%
原铝、纯铝（铸造）→铝锭
（二）纯铝
1、铝性质
银白色轻金属 导电性好，耐蚀性强
铝晶体属面心立方结构，塑性好、易冷热成型、切削加工 靠近于非磁性材料
2、铝分类、编号和用途
高纯铝 L01~L04 编号越大纯度越高
工业纯铝 L1~L5 编号越大，纯度越低
高级纯铝(铝含量99.93%-99.999%)
工业高纯铝(铝含量99.85%-99.90%)
工业纯铝(铝含量98.0%-99.7%)
建筑业 、航空及国防军工部门 、电力输送 、汽车制造、集装箱运输、日常见具、家用电器、机械设备
（三）铝合金
铸造铝合金（生铝合金）
变形铝合金
1、铸造铝合金（生铝合金）
用于形状复杂、承载不大，重量轻、耐蚀、耐热铸件
2、变形铝合金
经冷、热加工变形后，以锻坯、型材、板材等形式供给
防锈铝合金 LF 铝锰合金 LF21 铝镁合金LF2 LF3
硬铝合金 LY 杜拉铝，可加工变形及经过热处理强化，但耐蚀性较差
超硬铝合金 LC Al+Zn+Cu+Mg 锻铝合金 LD Al+Mg+Si+Cu
铸造和变形铝合金产品广泛用于航空、航天、宇航、兵器、潜艇、船舶、核工业等关键军工部门及关键民用部门。
（四）铝材
铝及铝合金经压力加工含有一定形状及尺寸后，可供直接使用或再加工半成品称为铝材
板、管、棒、型材、线材、箔材
板：R 热轧板 L 冷轧板（可热处理强化、不可热处理强化）
管：外径×壁厚
四、其它金属材料
重金属 轻金属 贵金属 半金属 稀有金属 黑色金属
（一）铜及铜合金
纯铜 玫瑰红色金属 紫铜
铜合金
黄铜
一般黄铜 H× ×表示含铜62%,其它为Zn
特殊黄铜 HPb59-1表示59%Cu、1%Pb。余量为Zn铅黄铜
青铜
锡青铜 QSn6.5-0.4,表示6.5Sn及0.4%P锡-磷青铜
特殊青铜
白铜
白铜 BMn3-12,是含3%Ni及12%Mn锰白铜
1、 纯铜
性质和用途 导电性好：仅次于银 抗磁性材料 导热性好 化学稳定性高
熔点：10830C 比重8.93g/cm3 面心立方晶格结构：极好可塑性和加工性能 不宜直接用作结构材料
（2）纯铜种类和牌号
T1 T2 T3 T4 数字越大，纯度越低
Ø 一号铜（99.95%Cu）、二号铜（99.90%Cu），三号铜（99.7%Cu）
Ø 除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，小于0.003%，其代号有Tu1，Tu2，“u”是“无”汉语拼音字首。
Ø 纯铜退火状态，强度低，塑性好（σb=250～270Mpa，δ=35～45%）
Ø 经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（σb=400～500Mpa，δ=1～3%）不能用作受力结构材料
工业纯铜关键用导电、导热，兼有抗腐蚀性器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜关键作真空器件
2、铜合金
（1）黄铜
以Zn为关键合金元素，用于机械零件、电器元件、生活用具
一般黄铜： Cu和 Zn二元合金
例 H62 ZH
特殊黄铜（复杂黄铜）——黄铜+Al+Fe Si Mn Pb Sn(锡)等合金元素
例 HSn62-1
一般黄铜，就是Cu-Zn二元合金
黄铜室温组织有三种：含锌量在35%以下黄铜，室温下显微组织由单相α固溶体组成，称为α黄铜；含锌量在36%～46%范围内黄铜，室温下显微组织由（α+β）两相组成，称为（α+β）黄铜（两相黄铜）；含锌量超出46%～50%黄铜，室温下显微组织仅由β相组成，称为β黄铜
单相黄铜：室温组织为单相α黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性尤其好，适于压力加工，常见代号有H80、H70、H68，其中H70、H68强度较高，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。
双相黄铜：α+β’黄铜又称双相黄铜，强度高，塑性差、常见H59、H62用作水管、油管、散热器等。
特殊黄铜
为了提升黄铜耐蚀性、强度、硬度和切削性等，在铜-锌合金中加入少许（通常为1%～2%，少数达3%～4%，极部分达5%～6%）锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素，组成三元、四元、甚至五元合金，即为复杂黄铜，亦称特殊黄铜。
它们比一般黄铜含有更高强度、硬度、抗腐蚀性能
（2）青铜：铜和锡(Sn)合金
青铜是以Sn、Al、Si、Be、Ti等为关键合金元素铜合金
现代工程把含铝、硅、铍、锰、铅等合金元素铜基合金称为青铜
例 QSn 4-3
锡青铜特征： 含锡5~7% 适于压力加工 含锡>10% 塑性较差，适于铸造加工，称为铸造青铜
特殊青铜
例：铝青铜 含铝5%~7% 塑性最好 适于冷加工
含铝10% 强度最高
含铝>12% 塑性很差
例：铍青铜 以铍为主加元素铜合金 工业用含铍量1.7~2.5%
(3)白铜
白铜是以Ni为关键合金元素合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均为α单相固溶体，含有很好冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提升强度。
按用途可分为结构白铜和电工白铜。
白铜用途
各类铜镍合金均为α单相固溶体，含有很好冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提升强度。
白铜含有高抗蚀性和优良冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中关键材料。
（二）轴承合金
1、锡基轴承合金
要求在工作温度下有一定承载能力和抗疲惫能力，有足够塑性和韧性、较低耐摩擦系数、良好导热性。
常见轴承合金按其化学成份能够分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基等数种。
最常见是锡基和铅基合金——巴氏合金
ZCh+基础元素（锡或铅）符号+主加元素符号+主加元素百分含量+辅加元素百分含量
例：ZChSnSb 11-6
用于高速、重载下工作关键轴承，变载荷下易于疲惫，价贵
用高速重载蒸汽透平机、透平发动机、功率大于750kw发动机、内燃机轴承
2、铅基轴承合金
在铅锑合金基础上添加锡和铜,用于中速轻载或静载
例：ZChPbSb 16-16-2
ZCh——轴承合金 Pb——基础元素铅 Sb——主加元素锑 16——主加元素锑16%
16——辅加元素锡16% 2——辅加元素铜2% 其它为基础元素Pb
3、铜基轴承合金
铅青铜、锡青铜 ——关键高速重载轴承
ZQPb 30 　用于高速、重载轴承，能承受变载和冲击
ZQSn 10-1 　用于中速、重载及受变载荷轴承
用于不变载荷工作条件下透平机、电动机、发动机离心泵、压缩机等机器轴承
（三）粉末合金（陶瓷冶金）金属或非金属在模具中→压制或烧结成产品
适于制造：硬度和热硬性很高硬质合金，减摩材料
优点：各成份相互不熔合、比重、熔点相差很大全部可制成均匀合金
缺点：原料成本较高，压力大，对合金模具要求很高，不适合形状复杂零件
粉末冶金烧结炉
关键用于压制成型粉末冶金件在气氛保护下烧结
采取推送式传送
连续作业式电阻炉，由电炉、液压系统、控制系统三部分组成。
（四）钛及钛合金
钛在地壳中储量居第四位
纯钛是纯白色轻金属，含有耐蚀性和耐热性，有一定强度和高塑性,密度为4.507g/cm3，介于Al和Fe之间，熔点1668℃，高于铁，在882.5℃发生同素异构转变，882.5℃以上为β-Ti（体心立方晶格），882.5℃以下为α-Ti（密排六方晶格）
钛合金密度也较小，也有同素异构转变。
钛合金：以钛为基加入适量铬、锰、铁、钒、铝和钼

五、金属材料成型和工艺性
（一）铸造加工及其工艺性
1、铸造基础概念：熔化金属溶液浇注到含有和零件形状相适应铸型空腔中，待溶液凝固并冷却后取得毛坯或零件工艺过程称为铸造。
2、常见铸造金属
铸铁：铁碳-硅为主多元铁基合金
一般铸铁含碳2.11%~4.0% Si1~3% Mn 0.4~1.5% P 0.01~0.5% S 0.02~0.2%
铸钢 ZG45~35
铸铝：外观装饰效果最好 Al-Si Al-Cu Al-Mg Al-Zn
铸铜：经过表面处理后可仿制成各式各样古代工艺品
3、铸造特点 适应性强 成本低廉
4、铸造工艺种类
(1)砂型铸造
砂型铸造：用型砂制做铸型铸造方法，是现在铸造使用其本方法
A 手工造型 B 机器造型 :一般机器造型 高压造型
(2)熔模铸造
又称“失蜡铸造”，它是在蜡模表面包以造型材料，从而取得无分型面铸型铸造方法。
和砂型铸造比较
熔模铸造有以下特点
①铸件精度高且表面光洁
②能够铸造多种铸造合金铸件，尤其适适用于那些高熔点及难切削加工合金铸造。
③熔模铸件形状可比较复杂，铸件上可铸出最小孔径为0.5mm，铸件最小壁厚为0.3mm
④铸件重量不宜太大，通常不超出25Kg，现在生产最大熔模铸件为80kg左右
(3)金属型铸造
将液态金属浇入金属铸型，从而取得铸件铸造方法称为金属型铸造，因为金属型能够使用数次，所以又称为永久型铸造。
(4)离心铸造
将液态金属浇入高速旋转铸型中，使金属在离心力作用下填充铸型并凝固成型铸造方法称为离心铸造。
特点：工艺过程简单、机械性能很好、便于铸造“双金属”铸件
(5)压力铸造
在高压（5-150MPa）下，将液态合金高速（50-100m/s）压入高精度型腔内，并在压力下，快速凝固而取得铸件方法。
5、铸造方法选择 考虑生产批量 铸造合金种类
铸件重量、形状、尺寸精度及表面粗糙度要求等铸件本身原因考虑
还要和后续加工成本及生产现场条件等同素一起综合考虑
6、铸件结构工艺性比较
7、砂型铸件结构设计注意关键点
（1）努力争取使铸件外形简单，轮廓平直，造型时只需一个分型面
（2）努力争取使型芯数目最少，装配、清理方便，排气轻易
（3）结构斜度：便于脱摸
（4）铸件应有合理壁厚、壁厚尽可能均匀
（5）应尽可能避免铸件中有过大水平面
（二）压力加工及其工艺性
1、压力加工概念及方法
（1）压力加工概念
在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而取得含有一定形状、尺寸和力学性能原材料、毛坯或零件加工方法
（2）压力加工方法及设备
① 轧制 ② 挤压 ③拉拔 ④自由锻
自由锻是将加热好金属坯料放在铸造设备上、下砥铁之间，施加冲击力或压力，直接使坯料产生塑性变形，从而取得所需锻件一个加工方法。
自由锻因为锻件形状简单、操作灵活，适适用于单件、小批量及重型锻件生产。自由锻分手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻生产效率低，劳动强度大，仅用于修配或简单、小型、小批锻件生产，在现代工业生产中，机器自由锻已成为铸造生产关键方法，在重型机械制造中，它含有尤其关键作用。
⑤模锻——模型铸造
将加热后坯料放置在固定于模锻设备上锻模内铸造成形。
模锻能够在多个设备上进行。在工业生产中，锤上模锻大全部采取蒸汽-空气锤，吨位在5KN~300KN（0.5~30t）。压力机上模锻常见热模锻压力机，吨位在25000KN~63000KN。
　　模锻锻模结构有单模堂锻模和多模膛锻模。图所表示为单模堂锻模，它用燕尾槽和斜楔配合使锻模固定，预防脱出和左右移动；用键和键槽配合使锻模定位正确，并预防前后移动。单模膛通常为终锻模膛，铸造时常需空气锤制坯，再经终锻模膛数次锤击一次成形，最终取出锻件切除飞边。
模锻生产率和锻件精度比自由铸造高，可铸造形状较复杂锻件，但要有专用设备，且模具制造成本高，只适适用于大批量生产。
⑥板料冲压
工序种类：
分离工序：剪裁、冲孔、落料、修边
变形工序：弯曲、压延、翻边、胀形
复合：以上两类工序集中于同一模具中完成
其它工序：备料、修饰、辅助工序等
板料冲压选择设备基础标准
零件生产类型
零件几何尺寸大小及结构形式
零件材料性能及精度要求
2、冲压材料
（1）冲压性能
压弯、拉延、成型、翻边——要求较低屈服极限σs
分离工序——期望稍高，以取得良好剪截面
好冲压性能要求：
δ延伸率≥40% 硬度≤45HRB σ s/σB（屈强比）≤0.65
顶压深度符合要求范围 铁素体晶粒度6~7级
（2）化学成份影响
C、Si、Mn、P、S含量增加会使材料塑性降低，脆性增加造成材料冲压性能变坏。
含碳量在0.05%~0.15%低碳钢有很好拉延性能。
（3）金相组织
晶粒大小均匀——拉延性能好 晶粒大小不均→裂纹
深拉延用冷轧薄板晶粒度6~8级 晶粒过大→粗糙表面（桔皮）
深拉延用冷轧中板晶粒度5~7级 晶粒过小→塑性降低，易冷作硬化
钢板轧制成后残留带状组织，炼钢时残留在铁素体晶粒之间游离碳化物和非金属夹杂物对冲压时塑性变形不利
（4）厚度公差、表面质量
材料厚薄 影响 厚度不稳定 影响
（5）表面质量
表面气泡、裂纹、结疤、缩孔、分层等缺点在冲压变形中可能扩大裂痕、应力集中、断裂
表面粗糙板在拉延、压弯、成型中会使冲模和钢板摩擦力增加，降低冲模寿命
2、选择材料标准
（1）考虑产品设计和冲压工艺关系 （2）提升效率
（3）确保工艺前提，以廉价材料替换珍贵材料，以薄料代用厚料，以黑色金属替换有色金属
（4）考虑板材尺寸规格标准，注意排样，预防浪费

4、压力加工工艺性
(1)自由锻件结构工艺性
(2)模锻件结构工艺性
锻件要有一个分模面 加工面上应留有机械加工余量
非加工面及和锤击方向平行面应设计模锻斜度，转角要圆角过渡
尽可能简单、避免凹凸、薄壁等结构 尽可能避免深孔或多孔结构 复杂件采取先锻后焊方法
(3)冲压件结构工艺性
落料冲孔零件
落料外形尽可能简单对称、有规则，排样时尽可能将废料降低到最少
冲孔时，孔径、孔距不得小于材料厚度；零件外缘凸起或凹进尺寸不得小于厚度1.5倍
轮廓转角要有圆角半径
弯曲零件 弯曲半径不能小于材料许可最小弯曲半径 平直部分H>2t
孔位置离边缘距离L>（1.5~2）t
拉深零件
拉深件高度不宜过大，凸缘不宜过宽，底部转角应有圆角过渡
（三）金属焊接技术及其工艺性
1、金属焊接方法
采取焊接工艺优点 采取焊接工艺和铆接相比
能够节省金属材料、节省制造工时
接头密封性好对，一些结构能够采取铸焊或锻焊联合结构，替换整铸或整锻结构，从而做到以小拼大，以简拼繁
它不仅节省金属材料，还简化了坯料准备工艺，从而降低了制造成本，便于制造双金属结构
2、金属材料焊接性
（1）概念
工艺焊接性 使用焊接性