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(共84张PPT)
模块二　金属材料及热处理基础
课题一　金属材料的力学性能
课题二　常用钢、合金钢材料
课题三　铸铁
课题四　非铁金属及新型材料
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课题四　非铁金属及新型材料
一、非铁金属
钢铁材料(黑色金属)有优良的力学性能,非铁金属(有色金属)与之相比具有许多优良的物理性能和化学性能,如铜、银、金导电性好;铝、镁、钛及其合金密度小;镍、钼、铌、钴及其合金能耐高温;铜、钛及其合金有良好的耐蚀性等.在力学性能方面,非铁金属也有长处,如铝合金或钛合金不仅密度小,而且强度高,多用于制造飞机的材料等.
１.铝及铝合金　　
(１)工业纯铝.一般铝的含量为９９.７％~９８％叫工业纯铝,相对密度２.７２g/cm３,约为铁的１/３,熔点为６６０ ℃,导热、导电性能良好,仅次于金、银、铜.纯铝是非磁性、无火花材料,反射性能好.在空气中,铝的表面生成致密的氧化膜,隔绝了空气,提高了耐蚀性,但铝不耐酸、碱、盐的腐蚀.
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课题四　非铁金属及新型材料
纯铝的硬度、强度很低、不适宜制作受力的机械零件和构件.纯铝的主要用途是配制铝合金,在电气工业中用铝代替铜作导线、电容器以及要求质轻、导热、耐腐蚀好但强度要求不高的构件和器皿等.
(２)铝合金.为了提高纯铝的强度,向铝中加入适量的合金元素,即得到铝合金.铝合金密度小,热导性好,比强度(抗拉强度与密度的比值)高,有良好的耐腐蚀性和可加工性,因此成为工业中普遍使用的非铁金属材料,尤其在航空工业中得到广泛应用.
１)变形铝合金.一般由冶金厂加工成各种型材(板、带、管、线等)供应给用户.
常用变形铝合金代号、成分、力学性能及用途见表２-３４所示.
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２)铸造铝合金.铸造铝合金力学性能虽然不如变形铝合金,但具有良好的铸造性和抗蚀性,可进行各种铸造成形,生产形状复杂的零件毛坯.铸造铝合金种类很多,主要有铝-硅系、铝-铜系、铝-镁系及铝-锌系四种,其中铝-硅系应用最广泛.铸造铝合金代号用“ZL”代表“铸铝”,后加三位数.第一位数表示合金类别(１为铝-硅系、２为铝-铜系、３为铝-镁系、４为铝-锌系);后两位数为合金顺序号.
优质合金在其代号后附加字母“A”.
常用铸造铝合金种类、牌号、代号及化学成分见表２-３５,铸造铝合金杂质元素容许含量见表２-３６,铸造铝合金的力学性能见表２-３７.
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２.铜及铜合金　　
(１)纯铜.纯铜是用电解方法提炼出来的,故又称电解铜.纯铜为玫瑰色,表面形成氧化膜后呈紫色,故又称紫铜.熔点为１０８３℃,密度为８.９６g/cm３,无磁性.具有面心立方晶格,无同素异构体.
纯铜具有良好的导电、导热和优良的化学稳定性,强度较低(Rm ＝２００~２５０ MPa),硬度很低(３０~５０HBS),塑性好(A＝３５％~４５％),抗蚀性较好.纯铜常作为导电、导热、耐蚀材料使用,主要用来制作导线、散热器、冷凝器、抗磁性的仪器仪表、油管、铆钉、垫圈和各种型材等.
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(２)铜合金.虽然冷加工变形可提高纯铜强度,但塑性显著降低,硬度也很低,不能制造受力的结构件.为了满足制造结构件的要求,工业上广泛采用在铜中加入合金元素而制成性能得到强化的铜合金.
１)黄铜.以锌为主加合金元素的铜合金叫黄铜.按其含合金元素种类,又分为普通黄铜、特殊黄铜两种.
①普通黄铜是铜Ｇ锌二元合金.普通黄铜的耐蚀性较好,尤其对大气、海水具有一定的抗蚀能力.
普通黄铜的牌号表示方法是:H(“黄”字汉语拼音字首)＋平均铜的质量分数(×１００),如H６８表示铜的质量分数为６８％左右,其余为锌的普通黄铜.
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常用单相黄铜牌号有H７０、H８０等,由于塑性好,适于制造形状复杂、耐腐蚀的冲压件,如弹壳、散热气外壳等.表２-３８为常用普通黄铜的牌号、化学成分及应用举例.
②特殊黄铜.在普通黄铜中加入铅、铝、锰、锡、铁、镍、硅等合金元素所组成的多元合金称特殊黄铜.加入合金元素的目的是为了改善黄铜的性能.加入铝、硅、镁、锡、锰、镍可提高黄铜的耐蚀性和耐磨性;加入铅可改善切削加工性;加入铁、锰可提高再结晶温度和细化晶粒;加入硅可改善铸造性能.
特殊黄铜分为压力加工和铸造两类.若特殊黄铜中加入的合金元素较少,则塑性较高,称为压力加工特殊黄铜,牌号表示方法是:H＋主加元素的化学符号(除锌以外)＋铜及各合金元素质量分数(×１００).
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加入的合金元素较多,则强度和铸造性能好,称为铸造用特殊黄铜,牌号表示方法是:Z(“铸”字汉语拼音字首)＋铜元素化学符号＋主加元素的化学符号及质量分数(×１００)＋ 其他合金元素化学符号及质量分数(×１００).如ZCuZn３８,表示含wZn＝３８％,余量为铜的铸造普通黄铜.
特殊青铜主要用于制造船舶上的零件,如冷凝管、蜗杆、齿轮、螺旋桨及轴承、钟表零件等.常用特殊黄铜的牌号、化学成分及应用见表２-３９所示.
　２)青铜.铜和锡往往伴生而成矿,因此铜锡合金是人类历史上最早使用的合金,因其外观呈青黑色,所以称之为青铜.
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根据主加元素如锡、铝、铍、铅、硅等,分别称为锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜、硅青铜等,其中铜锡合金为锡青铜,其余为特殊青铜(或无锡青铜).锡青铜的铸造性能、减摩性能和机械性能好,适合于制造轴承﹑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.铍青铜和磷青铜的弹性极限高,导电性好,适于制造精密弹簧和电接触元件,铍青铜还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具。
青铜一般具有高的耐蚀性,较高的电导性、热导性及良好的切削加工性.
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按工艺特点又分为压力加工青铜和铸造青铜,压力加工青铜牌号用Q(“青”字汉语拼音字首)＋主加元素符号＋主加元素质量分数及其他元素质量分数表示.铸造青铜的牌号用Z＋Cu＋主加元素符号及质量分数＋其他元素符号及质量分数表示.
常用青铜牌号成分性能及用途见表２-４０所示.
３.硬质合金　　
硬质合金是将一种或多种难熔金属的碳化物和起黏合作用的金属钴粉末,用粉末冶金方法制成的金属材料.
(１)硬质合金的性能特点.硬质合金的硬度高,常温下可达８６~９３ HRA(６９~８１HRC),热硬性好,在９００℃~１０００℃温度下仍然有较高的硬度,抗压强度高,但抗弯强度低,韧性差.
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通常情况下不能进行切削加工制成形状复杂的整体刀具,一般将硬质合金制成一定规格不同形状的刀片,采用焊接、黏接、机械紧固等方法将其安装在机体或模具体上使用.
(２)常用的硬质合金.
１)钨钴类硬质合金.主要成分为碳化钨(WC)及钴(Co).其牌号用“YG”(“硬”、“钴”两字的汉语拼音字母字头)加数字表示,数字表示含钴量的百分数.例如:YG８,表示钨钴类硬质合金,含钴量为８％.
钨钴类合金刀具主要用来切削加工产生断续切屑的脆性材料,如铸铁、非铁金属、胶木及其他非金属材料.
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２)钨钴钛类硬质合金.主要成分为碳化钨WC、碳化钛TiC及钴Co.其牌号用“YT”(“硬”“钛”两字的汉语拼音字母字头)加数字表示,数字表示碳化钛的质量分数(％).
硬质合金中,碳化物质量分数越多,钴的质量分数越少,则合金的硬度、热硬性及耐磨性越高,合金的强度和韧性越低,反之则相反.
钨钴钛类合金主要用来切削加工韧性材料,如各种钢.
３)钨钴钽(铌)类硬质合金
这类硬质合金又称为通用硬质合金或万能硬质合金.其牌号用“YW”(“硬”“万”两字汉语拼音字母字头)加顺序号表示.
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通用硬质合金既可切削脆性材料,又可切削韧性材料,特别对于不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的钢材,切削加工效果更好.
常用硬质合金的牌号、化学成分和力学性能如表２-４１所示.
钢结硬质合金是近年来开发的一种介于高速工具钢和硬质合金之间的一种新型材料,是以一种或多种碳化物以非合金钢或合金钢粉末(不锈钢或高速钢)为黏结剂,经配料、混料、压制和烧结而成的粉末冶金材料.它可以像钢一样可以进行锻造、切削、热处理及焊接,可以制成各种形状复杂的刀具、模具及耐磨零件等.例如高速钢结硬质合金可以制成滚刀、圆锯片等刀具.
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二、新型工程材料简介
长期以来,机械工程材料一直是以金属材料为主,近几十年来,以非金属材料为基础的新型工程材料发展很快,并越来越多地应用于工业、农业、国防和科学技术各个领域.在机器制造工业中,人工合成的高分子材料,特别是塑料,使用性能优良,成本低廉,外表美观,正在逐步取代一部分金属材料.目前,在机械工程中常用的新型工程材料主要有高分子材料、工业陶瓷、复合材料等.这里对新型材料只作简单的介绍.
１.高分子材料　　
高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料,高分子材料分为天然和人工合成两大类.
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天然高分子材料有羊毛、蚕丝、淀粉、纤维素及橡胶等.工程上应用的高分子材料主要是人工合成的,如聚苯乙烯、聚氯乙烯等.机械工程中常用的高分子材料主要有塑料和橡胶.
(１)塑料.塑料是一种高分子物质合成材料.塑料是指以聚合物为主要成分,在一定条件(温度、压力等)下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料.
按塑料的热性能不同可分为热塑性塑料和热固性塑料.热塑性塑料这类塑料加热时软化,可塑造成形,冷却后变硬,再次加热又软化,冷却又变硬,可多次变化.这种塑料具有加工成形简单、力学性能较好的优点,缺点是耐热性和刚性较差.热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶(熔)特性的塑料。
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热加工成形后形成不熔不溶的固化物,其树脂分子由线型结构交联成网状结构.再加强热则会分解破坏.典型的热固性塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃等材料,还有较新的聚苯二甲酸二丙烯酯塑料等.它们具有耐热性高、受热不易变形等优点.缺点是机械强度一般不高,但可以通过添加填料,制成层压材料或模压材料来提高其机械强度.
按塑料使用范围的不同可分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料.通用塑料的产量大、用途广、价格低而受力不大,主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等,它们是一般工农业生产和日常生活不可缺少的塑料.
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工程塑料的力学性能较好、耐热、耐寒、耐蚀和电绝缘性良好,但多数工程塑料的力学性能比金属材料差,耐热性较低,易老化.它们可取代金属材料制造机械零件和工程结构.这类塑料主要有聚碳酸酯、聚酰胺(即尼龙)、聚甲醛等.耐热塑料是指在较高温度下工作的各种塑料,如聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等均能在１００℃~２０００℃的温度下工作.
近几年来塑料的生产和应用有很大发展,越来越多地应用于各类工程中.
(２)橡胶.橡胶是一种以生胶为基础,适量加入配合剂而制成的高分子材料.橡胶的弹性模量很低,伸长率很高(１００％~１０００％),具有优良的拉伸性能和储能性能.此外,还有优良的耐磨性、隔音性和绝缘性.
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生胶按原料来源不同可分为天然生胶和合成生胶两类.天然生胶是将橡胶树流出来的胶乳经过凝固、干燥、加压后制成的片状固体.合成生胶是用化学合成的方法制成的与天然生胶相似的高分子材料,包括氯丁橡胶、丁苯橡胶、聚氨酯胶等,合成橡胶中有少数品种的性能与天然橡胶相似,大多数与天然橡胶不同,但两者都是高弹性的高分子材料,一般均需经过硫化和加工之后,才具有实用性和使用价值.
配合剂是指为改善和提高生胶性能而加入的物质,主要包括润滑剂、增塑剂、填充剂、防老剂、着色剂等.不同的合成生胶加入不同的配合剂可得到性能有一定差别的橡胶.
在 机械零件中,橡胶广泛用于制造密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等.
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２.工业陶瓷　　
工业陶瓷是一种无机非金属材料,主要包括普通陶瓷(传统陶瓷)和特种陶瓷两类.陶瓷在传统上是指陶器和瓷器,也包括玻璃、水泥、石灰、石膏和搪瓷等.这些材料都是用天然的硅酸盐矿物,如黏土、石灰石、长石、硅沙等原料生产的,所以陶瓷材料也称硅酸盐材料.
陶瓷的共同特点是:硬度高、抗压强度大、耐高温、耐磨损、耐腐蚀及抗氧化性能好.但是,陶瓷性脆,没有延展性,经不起碰撞和急冷急热.
普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物(如黏土、长石、石英等)为原料经过粉末冶金方法制成成品的,主要用于日用和建筑等.
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特种陶瓷主要指具有某些特殊物理、化学或力学性能的陶瓷.它的成品是以氧化物、硅化物、碳化物、氮化物、硼化物等人工合成材料为原料,经过粉末冶金方法制成的.机械工程中常用的特种陶瓷主要有氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等.许多特种陶瓷的硬度和耐磨性都超过硬质合金,是很好的硬切削材料.主要用于现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品、化工、冶金、机械、电子等行业.
目前,陶瓷材料已广泛用于制造零件、工具和工程构件等.
３.复合材料
金属材料、高分子材料和陶瓷材料在使用性能上各有长处和不足,各有自己的应用范围.
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随着科学技术的发展,对材料的要求越来越高,使用单一材料来满足这些要求变得越来越困难.因此,出现了一类新的材料———复合材料.复合材料是将两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料,以微观或宏观的形式组合在一起而形成的新材料.复合材料与其他材料相比具有抗疲劳强度高、减振性好、耐高温能力强、断裂安全性好、化学稳定性、减磨性和电绝缘性良好等优点.钢筋混凝土、玻璃钢等都是典型的复合材料.按复合材料增强剂的种类和结构形式的不同,复合材料可分为层叠型复合材料、纤维增强复合材料和细粒复合材料三类.
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①层叠型复合材料是将两种或两种以上的不同材料层叠结合在一起形成的材料,常用的有二层复合和三层复合材料.如三合板、五合板、钢Ｇ铜Ｇ塑料复合的无油润滑轴承材料等就是这类复合材料.
②纤维增强型复合材料以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等陶瓷材料作复合材料的增强剂,将塑料、树脂、橡胶和金属等材料复合而成.如橡胶轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等都是纤维复合材料.
③细粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒,均匀分散在基体材料内部而形成的,具有某些特殊性能.例如,将铅粉加入塑料中所得到的复合材料具有很好的隔音性能;将陶瓷微粒分散于金属微粒中,经粉末冶金方法制成的金属陶瓷,可使金属的特性与陶瓷的特性互补,更能满足需要.
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纤维复合材料是复合材料中发展最快、应用最广的一种材料.目前常用的纤维复合材料有玻璃纤维Ｇ树脂复合材料和碳纤维一树脂复合材料两种.
玻璃纤维Ｇ树脂复合材料是以玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强材料,又称之为玻璃钢.它用的树脂有环氧树脂、酚醛树脂和有机硅树脂等.玻璃钢常用于要求自重轻的构件,如汽车、农机和机车车辆上的受热构件、电气绝缘零件,以及船舶壳件、氧气瓶、石油化工的管道和阀门等.
碳纤维Ｇ树脂复合材料是碳纤维和环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯等组成的复合材料,在机械工业中常用作承载零件和耐磨件,如连杆、活塞、齿轮和轴承等.此外还用作耐蚀件,如管道、泵和容器等.
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图２-１　低碳钢的应力Ｇ伸长率曲线
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图２-２　强度
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图２-３　低碳钢试样拉断前后的比较
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表２-１　常用力学性能名称与符号新旧对照表
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图２-４　夏比冲击试验机
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图２-５　夏比冲击试验原理
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图２-６　宽度５~１０mm 试样的最小冲击功
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图２-７　HB－３０００布氏硬度试验计
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图２-８　硬质和钢球的布氏硬度试验
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图２-９　HR－１５０型洛氏硬度计
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图２-１０　洛氏硬度试验
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表２-２　洛氏硬度新旧标准对照表
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表２-３　维氏硬度计算方法
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表２-４　试验力测定范围
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图２-１１　疲劳破坏
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表２-５　专业结构钢的前缀符号
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表２-６　普通结构碳素钢牌号关于金属产品用途、特性和工艺方法的符号
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表２-７　部分常用的碳素结构钢及低合金钢牌号
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表２-８　碳素结构钢的牌号和化学成分表
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表２-９　碳素结构钢的力学性能及用途(摘自GB/T７００—２００６)
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表２-１０　优质非合金钢对硫磷的要求
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表２-１１　优质碳素结构钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途(GB６９９—２００８)
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表２-１１　优质碳素结构钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途(GB６９９—２００８)
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表２-１２　易切钢国内外牌号对照表
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表２-１２　易切钢国内外牌号对照表
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表２-１３　碳素工具钢的牌号、化学成分、性能及用途(摘自GB１２９８－２００８)
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表２-１４　碳素工具钢中硫、磷及残余铜、铬、镍等金属含量规定
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表２-１５　各种铸钢名称、代号及牌号表示方法实例
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表２-１６　铸造碳钢的牌号、成分、力学性能及应用(摘自GB/T５６１３－２０１４)
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表２-１７　新的低合金高强度结构钢化学成分
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表２-１７　新的低合金高强度结构钢化学成分
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表２-１８　新标准低合金高强度结构钢的用途
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表２-１９　常用渗碳钢种牌号、力学性能及用途(摘自GB/T３０７７—２００８)
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表２-２０　常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途(摘自GB/T３０７７—２００８)
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表２-２１　合金弹簧钢的牌号及化学成分
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表２-２２　合金弹簧钢的力学性能
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表２-２３　碳素弹簧钢和合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能
及用途比较(摘自GB/T１２２２—２００７)
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表２-２４　常用高碳铬轴承钢的统一数字代号、牌号及化学成分
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表２-２５　常用合金量刃具钢的统一数字代号、牌号、化学成分(摘自GB/T１２９９—２００８)
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表２-２６　常用合金量刃具钢的统一数字代号、牌号、力学性能
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表２-２７　高速钢工具钢合金成分及硬度的基本要求
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表２-２８　常用高速工具钢的牌号、化学成分、热处理及用途(摘自GB９９４３—２００８)
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表２-２９　各种铸铁名称、代号及牌号表示方法实例
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表２-２９　各种铸铁名称、代号及牌号表示方法实例
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表２-３０　灰铸铁的牌号、力学性能及用途(摘自GB９４３９—２００８)
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表２-３１　球墨铸铁的牌号、力学性能及用途(摘自GB/T１３４８—２００８)
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表２-３２　黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁的牌号、力学性能(摘自GB/T９４４０—２０１０)
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表２-３３　蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途
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表２-３４　常用变形铝合金牌号、力学性能和用途(摘自GB/T１６４７５－２００８)
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表２-３５　常用铸造铝合金种类、牌号、代号及化学成分(摘自GB/T１１７３－２０１３)
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表２-３５　常用铸造铝合金种类、牌号、代号及化学成分(摘自GB/T１１７３－２０１３
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表２-３５　常用铸造铝合金种类、牌号、代号及化学成分(摘自GB/T１１７３－２０１３
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表２-３６　铸造铝合金杂质元素容许含量
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表２-３６　铸造铝合金杂质元素容许含量
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表２-３６　铸造铝合金杂质元素容许含量
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表２-３７　铸造铝合金的力学性能
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表２-３７　铸造铝合金的力学性能
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表２-３８　常用普通黄铜的牌号、化学成分及应用
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表２-３９　常用特殊黄铜的牌号、化学成分及应用
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表２-４０　常用青铜牌号成分性能及用途
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表２-４１　常用硬质合金的牌号、成分和性能
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