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1、第五章非铁材料,5.1 非铁金属及其合金5.1.1 铝及铝合金纯铝特性：银白色的金属，具有面心立力方晶格，密度为2.7g/cm3，导电性、导热性好，强度低，塑性好。主要用途：配制铝合金，在电气工业中用铝代铜作导线、电容器等。,5.1.1 铝及铝合金,分类,工业高纯铝（LG1LG5）,工业纯铝（L1L7）,5.1.1 铝及铝合金,（序号越大，纯度越低）,5.1.1 铝及铝合金,铝的强度低，不宜作承力结构材料使用。加入硅、铜、镁、锰等合金元素，其强度比纯铝高几倍，可用于制造承受一定载荷的机械零件。铝根据二元相图，可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。,5.1.1 铝及铝合金,铝合金比重小，比强度高。
2、在空气中的抗蚀性好。容易加工。,5.1.1 铝及铝合金,1、形变铝合金 分类：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金。防锈铝合金：Al-Mg和Al-Mn合金，特点是耐蚀性能好，易加工和焊接，但强度低不能通过热处理强化；硬铝合金：Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg合金，特点是有极强的失效硬化能力，强度高，耐蚀性和焊接性差；超硬铝合金：Al-Cu-Mg-Zn合金，特点是强度很高；锻铝合金：Al-Mg-Si-Cu和Al-Cu-Mg-Ni-Fe合金，具有良好的热塑性、铸造性能和较高的力学性能。,5.1.1 铝及铝合金,5.1.1 铝及铝合金,2、铸造铝合金 分类：Al-Si系、Al-Cu系、Al-
3、Mg系、Al-Zn系、Al-Re系等合金。Al-Si系合金具有优良的铸造性能，加入Cu、Mg、Mn等元素使其强化，通过热处理可进一步提高力学性能；Al-Cu系合金有较高的强度和耐热性，但铸造性能差；Al-Mg系合金属高强度、高耐蚀合金；Al-Zn系合金有自淬火效应铸造后经变质、失效处理后强度较高，但耐蚀性差，热裂倾向大；Al-Re系合金有良好的铸造和耐热性能。,5.1.1 铝及铝合金,5.1.2 铜及铜合金,纯铜（紫铜）物理性能：密度为8.94g/cm 3，熔点为1083，无磁性。具有面心立方结构无同素异构转变。,5.1 非铁金属及其合金,5.1.2 铜及铜合金,特点：具有优良的导电性、导热性
4、，很高的化学稳定性和良好的抗蚀性能。纯铜的强度不高，硬度低，塑性很好。经冷变形加工后，强度提高，但伸长率下降。工业纯铜加工产品代号有T1、T2、T3、T4四种。主要用于制作电线、蒸发器等。,5.1 非铁金属及其合金,铜合金机械性能好摩擦系数小在空气环境下具有良好的抗蚀性。容易加工。,1.黄铜,以锌（含量小于50%）为主要加入元素的铜合金。,分类（铸造在其前加“Z”）,特殊黄铜在普通黄铜基础上加入Al、Mn、Si、Pb等元素,普通黄铜（铜锌合金）,表示方法（H+铜含量）,表示方法（H+主要元素符号铜含量主加元素含量）,HMn58-2,H62,5.1.2 铜及铜合金,1.黄铜,5.1.2 铜及铜合
5、金,2.白铜,以Ni为主要元素（含量小于50%）的铜合金。,分类（铸造在其前加“Z”）,特殊白铜在简单白铜基础上加入Fe、Zn、Mn、Al等元素,简单白铜（铜镍合金）,表示方法（B+镍含量）,表示方法（B+主要元素符号镍含量主加元素含量）,BFe5-1,B30,5.1.2 铜及铜合金,3.青铜,除Ni和Zn以外的其它元素为主要合金元素的铜合金。青铜的代号用（Q+主加元素符号+主加元素百分含量+其他元素的百分含量）表示。,5.1.2 铜及铜合金,）锡青铜,以锡为主要加入元素的铜合金。锡含量是决定锡青铜性能的关键，含锡量57%的锡青铜塑性最好，适用于冷热加工；含锡量大于10%的锡青铜，强度升高，塑
6、性很低，只作铸造用。,5.1.2 铜及铜合金,）铝青铜,以Al为主要加入元素的铜合金。铝的含量小于12%。铝青铜的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性都高于黄铜和锡青铜，并能进行热处理强化。工业上压力加工用的铝青铜一般含铝量低于57%；含铝10%左右的合金，强度高，用于热加工或铸造用材。,5.1.2 铜及铜合金,）铍青铜,以Be为主要加入元素的铜合金。铍含量为1.72.5。铍青铜可以淬火、时效处理提高强度、硬度、疲劳极限和弹性极限。具有良好的铸造性能和冷、热加工性能。主要用于制作高级精密的弹性元件、如弹簧、膜片、膜盘等；也用于制作特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条、压力表游丝等。,5.1.2
7、 铜及铜合金,5.1.3 钛及钛合金,特点：熔点1667，密度4.5g/cm3，密排六方晶格Ti，高于882.5为体心立方晶格Ti。优点：强度高（1500Mpa），密度小，热强度高，耐蚀性高。缺点：工艺性差；导热系数小、摩擦因数大，故切削性差；弹性模量小，变形时回弹大，冷变形困难；硬度低，不耐磨；成本高。,5.1 非铁金属及其合金,5.1.3 钛及钛合金,1、钛合金 退火组织为单向固溶体，热压加工成型，含5Al与2.5Sn起固溶强化作用。,5.1.3 钛及钛合金,2、钛合金 加入V、Mo使其室温下全部为相，淬火得介稳 定的相钛合金，可通过淬火、失效处理强化，室温强度高。,3、钛合金 加入适当的
8、稳定相的合金元素所得，高度合金化的钛合金可通过热处理获得。,比较,5.2 高分子材料,1.工程塑料 塑料：一种合成树脂为主要成分的高分子材料。由合成树脂和添加剂组成。1）组成添加剂：为改善塑料的使用性能或成形工艺而加入的其它成分。包括填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂等。,第五章非铁材料,树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其它组分，对塑料的性能起决定性作用。填充剂：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以显著地降低成本。增塑剂:增加材料塑性。固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。其它:诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等.,
9、1.工程塑料,热塑性塑料和热固性塑料的比较,加热变软，冷却变硬；不同材料的韧性变化范围很大；可循环再利用；不能承受高温。,制成后永久固化；脆；不能循环再利用；可承受高温。,热塑性塑料,热固性塑料,5.2 高分子材料,2）分类及应用,主要优点：质轻、比强度高；良好的耐蚀性、减摩性；绝缘性、耐电弧性、隔音性、吸振性；工艺性能好。主要缺点：强度、硬度、刚度低；耐热性、导热性差，热膨胀系数大；容易燃烧，容易老化。,2）分类及应用,1.工程塑料,主要制造各种罩壳、轻载齿轮、干摩擦轴承、轴套、密封件、各种耐磨耐蚀结构件、绝缘件等。,2）分类及应用,1.工程塑料,2 橡胶,1)橡胶的组成、种类及性能橡胶：一
10、种具有高弹性的有机高分子材料。主要由生胶、各种配合剂和增强材料组成。生胶：未加配合剂的橡胶。,5.2 高分子材料,1)橡胶的组成、种类及性能,配合剂：硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、补强剂、防老化剂、着色剂、增容剂等。作用：提高橡胶制品的使用性能和改善加工工艺性能。,2橡胶,2)橡胶的组成、种类及性能,增强材料：各种纤维织品、帘布及钢丝等。作用：增加橡胶制品的强度并限制其变形。生产过程：生胶的塑炼、胶料的混炼、压延、压出和制品的硫化。,2 橡胶,2)橡胶的组成、种类及性能,分类：按原料来源分：天然橡胶；合成橡胶,2橡胶,按应用范围分：通用橡胶：特种橡胶,特点：高弹性，良好的绝缘性、耐磨性、阻尼性和
11、隔音性。,3)天然橡胶,由橡树流出的乳胶，经凝固、干燥、加压制成片状生胶，再经硫化的橡胶制品。特点：弹性好，抗拉强度达25MPa35MPa，耐碱性能好，是电的绝缘体；但耐油和耐溶剂性能差，耐臭氧老化较差，不耐高温。,2 橡胶,4)通用合成橡胶,a丁苯橡胶由丁二稀和苯乙稀共聚而成。强度低，成形性差，弹性不如天然橡胶；但价格便宜，能以任何比例与天然橡胶混合。主要与其他橡胶混合使用，可代替天然橡胶。,2 橡胶,b顺丁橡胶由丁二稀单体聚合而成。弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶；但强度低、加工性差、抗撕裂性差。,4)通用合成橡胶,c氯丁橡胶（万能橡胶）由氯丁二稀聚合而成。高弹性、高绝缘性、较高
12、强度、高耐碱性，耐油、溶剂、氧化、老化、酸、热、燃烧、挠曲；但耐寒性差、密度大、生胶稳定性差。,2 橡胶,d已丙橡胶由乙稀和丙稀聚合而成。原料丰富、价廉、易得。分子链中不含双键，结构稳定。,4)通用合成橡胶,橡胶制品,弹性圈,V形圈,2 橡胶,5)特种合成橡胶,a丁腈橡胶由丁二稀和丙二稀共聚而成。丙二稀含量越高，耐油、溶剂和化学稳定性越强，强度、硬度和耐磨性提高，但耐寒性降低。不能作绝缘材料。,2 橡胶,5)特种合成橡胶,b硅橡胶由二甲基硅氧烷与其他有机单体共聚而成。分子主链由硅原子和氧原子以单键连接而成，具有高柔性和高稳定性。特点：耐高温、耐低温、抗老化，对臭氧、氧、光和气候的老化抗力大。但
13、强度、和耐磨性低，耐酸碱性也差，且价格较贵。,2 橡胶,5)特种合成橡胶,c氟橡胶以碳原子为主链含有氟原子的高聚物。由于含有键能很高的碳氟键，具有高的化学稳定性。特点：耐腐蚀和耐热性很好，且强度和硬度较高，抗老化性能强。但耐寒性差，加工性能不好，价格高。,2 橡胶,5.3陶瓷,5.3.1 概念除金属材料和有机高分子材料外的所有固体材料（无机非金属材料）。5.3.2 分类按原料来源分：普通陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料，经过加工、成形、烧结而成。特种陶瓷采用纯度较高的人工合成物，经配料、成形、烧结而成。,5.3陶瓷,5.3.2 陶瓷的分类,按用途分：、日用陶瓷、工业物陶瓷,5.3陶瓷,或分为：、结构
14、陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷,按化学组成分：、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷,按性能分：、高强度陶瓷、高温陶瓷、耐酸陶瓷,5.3.4 陶瓷的性能与应用,陶瓷材料具有极高的硬度，耐磨性好、熔点高、绝缘性好。但冲击韧性与断裂韧性差。常用来制作新型刀具、耐磨零件及绝缘材料。,5.3陶瓷,5.3.5 功能陶瓷简介,功能陶瓷：具有高温氧化自适应性的高温陶瓷。利用Nb在高温下自动“流入”裂纹并屏蔽内部组织与氧接触，阻止陶瓷材料在高温下的破坏过程。,5.3陶瓷,5.3.6 陶瓷产品,纺织剪纱刀,马赛克,5.3陶瓷,5.4复合材料,5.4.1 复合材料的概念两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工
15、合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。,优点：可根据需要改善材料的使用性能。,5.4.2 复合材料的分类,5.4复合材料,5.4.3 常用复合材料,5.4复合材料,颗粒增强复合材料,纤维增强复合材料,层合复合材料,常用复合材料,5.4.3 常用复合材料,5.4复合材料,颗粒增强复合材料,碳化物基金属陶瓷,氧化物基金属陶瓷,5.4.3 常用复合材料,5.4复合材料,热塑性玻璃钢,碳纤维树脂复合材料,纤维增强复合材料,热固性玻璃钢,碳纤维碳复合材料,碳纤维金属复合材料,其它纤维增强复合材料,5.4.3 常用复合材料,5.4复合材料,层合复合材料,双金属复合材料,SF性三层复合材
16、料,塑料覆层材料,夹层玻璃,金属塑料复合材料,5.5 其他材料,1、超导材料 超导现象：电阻随温度降低而减少最终为零。特性：临界温度Tc以下，电阻为零，完全导电；磁场强度H恒为零；对处于Tc以下的超导体施加足够强的磁场，超导电性消失；无外磁场而使超导体通电，当电流密度超过一定值时，超导体恢复到正常态。,5.5 其他材料,2、贮氢材料 金属固溶氢气形成含氢固溶体（MHx），其解度与平衡氢压的平方成正比。在一定温度和压力下，固溶体（MHx）与氢发生反应生成金属氢化物来贮氢。,分类：镁系贮氢合金；稀土系贮氢合金；钛系贮氢合金。用途：做贮运氢的容器、氢燃料贮存器；分离与回收氢，制造高纯度氢气和氢化物电
17、极。,5.5 其他材料,3、形状记忆合金 具有形状记忆效应的合金,机理：热弹性M相变 分类：镍钛系合金；铜系合金；铁系合金。用途：做紧固件、连接件、密封垫、与温度有关的传感器及自动控制等。,5.5 其他材料,4、非晶态合金金属玻璃 以极高速度使熔融的合金冷却、凝固后的合金结构呈玻璃态。,优点：超耐蚀性、高磁导率、恒弹性、高强韧性、低热膨胀系数和磁致伸缩。特征：不具有长程有序晶体结构；具有高达1013Pa.S以上的黏滞系数；在某一窄的温度区内能够发生明显的结构变化。只要冷却速度足够快，溶体中原子来不及做规则排列就完成凝固，即可形成非晶态金属。缺点：厚度受限制；热力学不稳定，受热有晶化倾向。,5.
18、5 其他材料,5、磁性材料 1）软磁材料 特点：在较低的磁场中被磁化而呈强磁性，但磁场去除后磁性基本消失。2）硬磁材料永磁材料 材料被外磁场磁化后，去掉外磁场仍然保持较强剩磁的材料：（1）变形永磁钢（2）铝镍钴永磁合金（3）稀土永磁材料,5.5 其他材料,6、光纤材料 采用像头发丝细的透明玻璃纤维制成的光缆。基本原理：把声音变成电信号，由发光元件变为光信号，由光导纤维传向远方，再由接收元件恢复为电信号，使受话机发出声音。特点：传输效率高；通信容量大、重量轻、耐腐蚀、不怕电子干扰；保密性好、施工方便、成本低，可节约大量非铁金属,5.5 其他材料,7、压电材料 电压效应：对石英晶体在某些特定方向上
19、加力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷的现象。石英晶体机电性能稳定，没有内耗，在频率稳定器、扩音器、电话、钟表领域广泛运用。特点：机电性能良好、化学稳定性高。,5.5 其他材料,8、生态金属材料 具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或能够改善环境的材料。,金属材料生态设计的主要方法：1）采用通用合金 合金系中组元越少，合金的再生循环性越好。2）采用简单合金 设计特点：（1）合金组元、规格简单，再生循环过程中容易分选；（2）原则上不添加目前不能精炼脱除的元素；（3）尽量不使用环境协调性不好的合金元素。原则：在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数；获取高性能时，以控制显微组织作为加入合金元素的替代方法。,5.5 其他材料,9、纳米材料 凡是至少在一维方向上的线度在1100nm之间的单元和由这种纳米单元作结构单元的材料。,特点：尺寸小、比表面积大、表面活性高，具有小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应。运用：环境科学、复合材料、涂料、磁性材料、超微粒传感器、生物及医学。,
