2018年機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)與實(shí)務(wù)(中級(jí))指導(dǎo)書(精編版)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2018年機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)與實(shí)務(wù)(中級(jí))指導(dǎo)書(精編版)第一部分 工程制圖與公差配合工程圖是設(shè)計(jì)工程師用以表達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖的語(yǔ)言和工具。它由制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和一些符號(hào)、畫法規(guī)則組成。1.1 工程制圖的一般規(guī)定圖框，即圖紙的規(guī)格尺寸，由圖紙是否需要裝訂和圖紙幅面的5927小確定。優(yōu)先采用的圖紙幅面是：A0，A1，A2，A3，A4，A5.粗線寬度b應(yīng)按圖的大小和復(fù)雜程度，在0.52mm之間選擇b的推薦系列為0.25、0.35、0.5、0.7、1、1.4、2mm。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)題欄中的文字方向?yàn)榭磮D的方向，即圖樣中標(biāo)注尺寸、符號(hào)及說(shuō)明均以標(biāo)題欄的文字方向?yàn)闇?zhǔn)。第一視角和第三視角

2、視圖兩種畫法的主要區(qū)別在于視圖的配置關(guān)系不同。一張工程圖中，一般都包含3個(gè)基本內(nèi)容：標(biāo)題欄、基本視圖、技術(shù)要求。1） 零件圖中，如剖面線為金屬材料，剖面線畫成45平行線，而且在各視圖中應(yīng)方向一致、間隔相等。在裝配圖中，相鄰兩金屬零件的剖面線方向相反或方向相同但間隔不同；還要注意在各視圖中同一零件的剖面線方向仍相同。2） 零件圖中可用涂色代替剖面線，但標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定涂色僅能用于零件圖而不可用于裝配圖。3） 對(duì)于狹小面積的剖面，當(dāng)在圖中的寬度小于或等于2mm時(shí)，可以用涂黑代替剖面線。1.2 機(jī)械、液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)圖的示意畫法能認(rèn)識(shí)、繪制機(jī)械、液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)的原理圖，并能運(yùn)用原理圖進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和分析。1.

3、5 尺寸、公差、配合與形位公差標(biāo)注基孔制配合是基本偏差為一定的孔的公差帶，選擇改變軸的公差帶獲得所需配合（狀態(tài)）的一種裝配制度?；S制配合是基本偏差為一定的軸的公差帶，選擇改變孔的公差帶獲得所需配合（狀態(tài)）的另一種裝配制度。根據(jù)GB/T 1800.2-1998規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)公差采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)公差代號(hào)IT表示。標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)分為01， 0， 1， 2， 3，18共20級(jí)，分別標(biāo)記為IT01，IT18.標(biāo)準(zhǔn)推薦，基孔制的間隙配合、軸的基本偏差用a，b，c，d，e，f，g，h；過(guò)渡配合用js，k，m，n；過(guò)盈配合用p，r，s，t，u，v， x，y，z。零件單一實(shí)際要素（指構(gòu)成零件幾何特征實(shí)際存在的點(diǎn)、線、面

4、）形狀所允許的變動(dòng)全量稱為形狀公差。關(guān)聯(lián)實(shí)際要素（指對(duì)其他要素有功能關(guān)系的實(shí)際要素）的位置對(duì)基準(zhǔn)所允許的變動(dòng)全量稱為位置公差。形狀和位置公差簡(jiǎn)稱為形位公差。表而粗糙度指已加工表面波距在lmm以下的微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度由加工過(guò)程中的殘留面積、塑性變形、積屑瘤、鱗刺以及工藝系統(tǒng)的高頻振動(dòng)等原因造成。同一表面粗糙度值RyRzRa，且Ry值約為Ra值的8倍。一般表面粗糙度標(biāo)注優(yōu)先采用Ra值。 尺寸鏈?zhǔn)窃诹慵庸せ驒C(jī)器裝配過(guò)程中，由相互聯(lián)接的尺寸形成的封閉尺寸組。按尺鏈的形成和應(yīng)用場(chǎng)合，尺寸鏈可分為工藝尺寸鏈和裝配尺寸鏈。在零件加工過(guò)程中，由同零件有關(guān)工序尺寸所形成的尺寸鏈，稱為工藝尺寸鏈。在機(jī)

5、器設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程中由有關(guān)零設(shè)計(jì)尺寸所形成的尺寸鏈，稱為裝配尺寸鏈。按尺寸鏈各環(huán)的幾何特征和所處空間位置，尺寸鏈可分為直線尺寸鏈、角度尺寸鏈、面尺寸鏈和空間尺寸鏈。第二部分 工程材料2.1金屬材料金屬材料的主要性能包括工藝性能和使用性能。工藝性能是指金屬材料使用某種工藝方法進(jìn)行加工的難易程度。使用性能是指金屬材料在正常工作條件下所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。力學(xué)性能是指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能。其主要指標(biāo)有硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。材料的力學(xué)性能主要取決于材料的組分和晶體結(jié)構(gòu)。硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。一般材

6、料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。硬度和其他力學(xué)性能之間存在一定關(guān)系。金屬材料的布氏硬度HBS與抗拉強(qiáng)度b在一定硬度范圍內(nèi)存在線性關(guān)系，即b=KHBS，鋼鐵材料和鋁合金K值約為3.33.5，銅及銅合盆約為4.85.3。根據(jù)洛式硬度換算b=801.2450.08HRC。對(duì)于刀具、冷成型模具和粘著磨損或磨粒磨損失效的零件，其磨損抗力和材料的硬度成正比，硬度是決定耐磨性的主要性能指標(biāo)。對(duì)于承受接觸疲勞載荷的零件如齒輪、滾動(dòng)軸承等，在一定硬度范圍內(nèi)提高硬度對(duì)減輕麻點(diǎn)剝落是有效的。用硬度作為控制材料性能的指標(biāo)時(shí)，必須對(duì)熱處理工藝作出明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)零件時(shí)在圖樣上

7、除注明材料外，還必須注明熱處理技術(shù)條件和熱處理后達(dá)到的硬度（硬度應(yīng)有一定范圍，一般波動(dòng)為5個(gè)HRC）。生產(chǎn)中常用的硬度測(cè)試方法有布氏（HB）硬度測(cè)試法、洛氏（HR）硬度試驗(yàn)方法和維氏（HV）硬度試驗(yàn)方法三種（HS-肖氏硬度）。（一）布氏硬度試驗(yàn)法布氏硬度試驗(yàn)法是用一直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，在載荷P（kgf或N）的作用下壓入被測(cè)試金屬表面，保持一定時(shí)間t后卸載，測(cè)量金屬表面形成的壓痕直徑d，以壓痕的單位面積所承受的平均壓力作為被測(cè)金屬的布氏硬度值。布氏硬度指標(biāo)有HBS和HBW，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼及鑄鐵、有色金屬等

8、；后者壓頭為硬質(zhì)合金，適用于布氏硬度值為450650的金屬材料，如淬火鋼等。布氏硬度試驗(yàn)特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火和調(diào)質(zhì)后的硬度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。檢測(cè)布氏硬度時(shí)，檢測(cè)面應(yīng)是光滑的，表面粗糙度一般為Ra0.8m，試樣厚度至少應(yīng)為壓痕直徑的10倍。試驗(yàn)時(shí)，壓痕中心應(yīng)距試樣邊緣4d，當(dāng)材料硬度35HBS時(shí)應(yīng)為6d。相鄰兩個(gè)壓痕之間的間隔必須大于壓痕直徑的3倍以上。布氏硬度測(cè)試法，因壓痕較大，故不宜測(cè)試成品件或薄片金屬的硬度。（二）洛氏硬度試驗(yàn)法洛式硬度是以測(cè)量壓痕深度來(lái)表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)法是用一錐頂角為120的金剛石圓錐體

9、或直徑為（1.558mm（1/16英寸）的淬火鋼球?yàn)閴侯^，以一定的載荷壓入被測(cè)試金屬材料表面，根據(jù)壓痕深度可直接在洛氏硬度計(jì)的指示盤上讀出硬度值。常用的洛氏硬度指標(biāo)有HRA、HRB和HRC三種。洛氏硬度測(cè)試，操作迅速、簡(jiǎn)便，且壓痕小不損傷工件表面，故適于成品檢驗(yàn)，熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)。缺點(diǎn)是壓痕小，代表性差，所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度較大。常用于檢查淬火后的硬度。（二）維氏硬度試驗(yàn)法維氏硬度試驗(yàn)的壓頭是兩對(duì)面夾角為136的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗(yàn)力F的作用下，將試樣表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量出壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度d，用以計(jì)算壓痕的表面積A 。l） 金屬維氏硬度試驗(yàn)

10、方法。試驗(yàn)力范圍為49.03980.7N，共分六級(jí)，主要用于測(cè)定較大工件和較深表面層的硬度。2） 金屬小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)方法。試驗(yàn)力范圍為1.96149.03N，共分七級(jí)，主要用于測(cè)定較薄工件和具有較淺硬化層零件的表面硬度，也可測(cè)表面硬化零件的表層硬度梯度或硬化層深度。3） 金屬顯微硬度試驗(yàn)方法。試驗(yàn)力范圍為18.0710-31.961N，共分五級(jí)，主要用于測(cè)量微小件，極薄件以及具有極薄的表面層的硬度以及合金中組成相的硬度。維氏硬度不僅試驗(yàn)力可任意選取，而且壓痕測(cè)量精度高，硬度值準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是硬度值需通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后進(jìn)行計(jì)算或查表，效率較低。其他還有努氏硬度（HK）試驗(yàn)，它是一種顯微硬度

11、的試驗(yàn)方法，對(duì)表面淬硬層或鍍層，滲層等薄層區(qū)域的硬度測(cè)定以及截面上的硬度分布的測(cè)定較為方便；肖氏硬度（HS）試驗(yàn)也是一種動(dòng)載荷試驗(yàn)法（也稱回跳硬度），較為方便，可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大型工件的硬度，其缺點(diǎn)是硬度測(cè)量精度較低；里氏硬度（HL）試驗(yàn)法，是一種新型的反彈式硬度測(cè)量方法，便于攜帶，常用于測(cè)量大型鑄鍛件、永久組裝部件等、精度較高，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成洛式硬度、布氏硬度、里氏硬度或肖氏硬度，并可直接打印出測(cè)量結(jié)果，被測(cè)表面的粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra=2m，表面清潔，不得有油污，被測(cè)零件的重量100g，厚度5mm，硬化層深度0.8mm。習(xí)題1. 材料的基本力學(xué)性能主要包括哪此內(nèi)容？答：力學(xué)性能主要指標(biāo)有硬度、強(qiáng)度、塑

12、性、韌性等。硬度：制造業(yè)中，通常采用壓入法測(cè)量材料的硬度，按試驗(yàn)方法不同，分有布氏硬度（HB）、洛式硬度（HR）、維氏硬度（HV），表達(dá)材料表面抵抗外物壓入的能力。布氏硬度（HB）是用一定載荷將淬火鋼球壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸載，測(cè)得表面壓痕的面積后，計(jì)算出單位面積承受的壓力，為布氏硬度值（HB），單位是kgf/mm2，通常不標(biāo)注；布氏硬度（HB）測(cè)試法一般用于HB450。洛氏硬度（HR）以壓痕深淺表示材料的硬度。洛式硬度有三種標(biāo)尺，分別記為HRA、HRB和HRC，采用不同的壓頭和載荷。生產(chǎn)中按測(cè)試材料不同，進(jìn)行選擇，有色金屬和正火鋼，選用HRB，淬火鋼選用HRC；硬質(zhì)合金、表面處理的高

13、硬層選用HRA進(jìn)行測(cè)量。維氏硬度（HV）根據(jù)單位壓痕表面積承受的壓力定義硬度值，壓頭為錐角136度金鋼石角錐體，載荷根據(jù)測(cè)試進(jìn)行選擇，適用對(duì)象普遍。肖氏硬度（HS）是回跳式硬度，定義為一定重量的具有金鋼石圓頭和鋼球的標(biāo)準(zhǔn)沖頭從一定高度落下，得到的回跳高度與下落高度的比值，適用于大型工件的表面硬度測(cè)量。強(qiáng)度：常用的強(qiáng)度指標(biāo)為屈服強(qiáng)度s，通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定，定義為材料開始產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力，其大小表達(dá)材料抵抗塑性變形的能力，大多數(shù)金屬材料在拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，因此將試樣產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值，作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為條件屈服強(qiáng)度，用0.2表示?？估瓘?qiáng)度b是材料產(chǎn)生最大均勻變形的應(yīng)力。b對(duì)

14、設(shè)計(jì)塑性低的材料如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的零件具有直接意義。設(shè)計(jì)時(shí)以抗拉強(qiáng)度確定許用應(yīng)力，即b/K（K為安全系數(shù)）。塑性：通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定塑性指標(biāo)，包括伸長(zhǎng)率（）和斷面收縮率（），分別定義為斷裂后試樣的長(zhǎng)度相對(duì)伸長(zhǎng)和截面積的相對(duì)收縮，單位是。它們是材料產(chǎn)生塑性變形重新分布而減小應(yīng)力集中的能力的度量。和值愈大則塑性愈好，金屬材料具有一定的塑性是進(jìn)行塑性加工的必要條件。塑性還可以提高零件工作的可靠性，防止零件突然斷裂。韌性：沖擊韌度指標(biāo)k或Ak表示在有缺口時(shí)材料在沖擊載荷下斷裂時(shí)塑性變形的能力及所吸收的功，反映了應(yīng)力集中和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的塑性，而且對(duì)溫度很敏感，單

15、位為kgfm/cm2。和數(shù)值大小只能表示在單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的塑性，不能表示復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性，即不能反映應(yīng)力集中、工作溫度、零件尺寸對(duì)零件斷裂強(qiáng)度的影響，因此不能可靠地避免零件脆斷。標(biāo)準(zhǔn)件廠在螺栓或螺釘成品檢驗(yàn)時(shí)都必須隨機(jī)抽樣對(duì)螺栓或螺釘實(shí)物進(jìn)行偏斜拉伸試驗(yàn)。沖擊韌度指標(biāo)k或Ak、表征在有缺口時(shí)材料塑性變形的能力，反映了應(yīng)力集中和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的塑性，而且對(duì)溫度很敏感，正好彌補(bǔ)了和的不足。在設(shè)計(jì)中對(duì)于脆斷是主要危險(xiǎn)的零件，沖擊韌度是判斷材料脆斷抗力的重要性能指標(biāo)。其缺點(diǎn)是k或Ak不能定量地用于設(shè)計(jì)，只能憑經(jīng)驗(yàn)提出對(duì)沖擊韌度值的要求。若過(guò)分追求高的k值，結(jié)果會(huì)造成零件笨重和材料浪費(fèi)。尤其

16、對(duì)于中低強(qiáng)度材料制造的大型零件和高強(qiáng)度材料制造的焊接構(gòu)件，由于其中存在冶金缺陷和焊接裂紋，此時(shí)，僅以沖擊韌度值已不能評(píng)定零件脆斷傾向的大小。應(yīng)當(dāng)指出，在沖擊載荷作用下工作的零件，實(shí)際承受的載荷是小能量多次重復(fù)沖擊，這與k值的實(shí)驗(yàn)條件不同，因此材料承受小能量多次重復(fù)沖擊的能力主要決定于強(qiáng)度，而無(wú)需過(guò)高的沖擊韌度。材料經(jīng)受無(wú)數(shù)次重復(fù)交變應(yīng)力作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，此種應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度，用-l表示彎曲疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定：鋼的循環(huán)次數(shù)以107為基數(shù)，非鐵合金或某些超高強(qiáng)度鋼取108為基數(shù)。疲勞斷裂的原因是由于材料內(nèi)部缺陷，表面?zhèn)奂霸诠ぷ髦辛慵植繎?yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。這些微裂紋在交變

17、應(yīng)力作用下，隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸擴(kuò)展，使零件有效截面減小，從而導(dǎo)致突然斷裂。為了提高零件的疲勞強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)改變零件結(jié)構(gòu)的形狀，避免應(yīng)力集中。加工時(shí)改善表面粗糙度，采取表面處理、滾壓和噴丸等措施，以提高材料的疲勞強(qiáng)度。習(xí)題5. 常用材料硬度的測(cè)定法有哪三種？它們主要適應(yīng)于檢驗(yàn)什么材料？答：（1）硬度（HB）測(cè)定法：布氏硬度測(cè)定是用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，測(cè)量壓痕球形面積A（mm2）。布氏硬度（HB）就是試驗(yàn)力F除以壓痕球形面積A所得的商。布氏硬度試驗(yàn)特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或組成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火和調(diào)質(zhì)后的硬度。（2）洛式硬度（HR

18、）試驗(yàn)：洛式硬度是以測(cè)量壓痕深度來(lái)表示材料的硬度值。洛式硬度試驗(yàn)所用的壓頭有兩種。一種是圓錐角120的金鋼石圓錐體；另一種是一定直徑的小淬火鋼球。常的三種洛式硬度如表2.1-2所示。洛氏硬度試驗(yàn)常用于檢查淬火后的硬度。標(biāo)尺 符號(hào) 壓頭類型 總試驗(yàn)力F（N） 測(cè)量硬度范圍 應(yīng)用舉例 A HRA 金鋼石圓錐 5.884 22-88 硬質(zhì)合金、表面薄層硬化鋼 B HRB 1.558鋼球 980.7 20-100 低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵 C HRC 鋼金石圓錐 1471 20-70 淬火鋼、高硬鑄件、珠光體可鍛鑄鐵（3）維氏硬度（HV）試驗(yàn)：維氏硬度試驗(yàn)適用于常規(guī)材料，其壓頭是兩對(duì)面夾角136

19、的金鋼石四棱錐體。測(cè)量出壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度并計(jì)算壓痕的表面積A（mm2），得到HV0.1891Fd2。強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符號(hào)為，單位為MPa。工程中常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，或開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值，用s表示?？估瓘?qiáng)度是指金屬材料在拉力的作用下，被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，用b表示。對(duì)于大多數(shù)機(jī)械零件，工作時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形，所以屈服強(qiáng)度是零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)；對(duì)于因斷裂而失效的零件，而用抗拉強(qiáng)度作為其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。從圖2.1-1可看出，鋼

20、在低于彈性極限e的應(yīng)力下，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，服從虎克定律，即=E稱為線彈性變形，式中E為拉伸楊式模量。顯然比例極限p是應(yīng)力和應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力，而彈性極限e則是不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限e后，在繼續(xù)發(fā)生彈性變形的同時(shí)，開始發(fā)生塑性變形并出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，即外力不增加，但變形繼續(xù)進(jìn)行。顯然，屈服極限s是材料開始產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服極限s后，隨著應(yīng)力增加，塑性變形逐漸增加，并伴隨加工硬化，即塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生均勻塑性變形，直至應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度b后均勻塑性變形階段結(jié)束，試樣開始產(chǎn)生不均勻集中塑性變形，產(chǎn)生縮頸，變形量迅速增大至K點(diǎn)而發(fā)生斷裂。顯然

21、，抗拉強(qiáng)度b是材料產(chǎn)生最大均勻變形的應(yīng)力，而斷裂強(qiáng)度K則是材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。除低碳鋼外，正火、調(diào)質(zhì)態(tài)的中碳鋼或低、中碳合金鋼和有些鋁合金及某些高分子材料也具有上述類似的應(yīng)力應(yīng)變行為。s是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)中規(guī)定零件工作應(yīng)力必須小于許用應(yīng)力。即 K安全系數(shù)。按此式計(jì)算材料的屈服強(qiáng)度s愈高，承載能力愈大，零件的壽命越長(zhǎng)。實(shí)際上不能一概而論。對(duì)于純剪或純拉伸的零件，例如螺栓，s可直接作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，并取K=1.11.3；對(duì)于承受交變接觸應(yīng)力的零件，由于表面經(jīng)熱處理強(qiáng)化（滲碳、滲氮、感應(yīng)加熱淬火），疲勞裂紋多發(fā)生在表面硬化層和心部交界處，因而適當(dāng)提高零件心部屈服強(qiáng)度對(duì)提高接觸疲勞性能

22、有利；對(duì)于低應(yīng)力脆斷零件，其承載能力已不是由材料的屈服強(qiáng)度來(lái)控制，而是決定于材料的韌性，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低材料屈服強(qiáng)度；對(duì)于承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的軸類零件，由于工作應(yīng)力表層最高，心部趨于零，因此只要求一定的淬硬層深度，對(duì)于零件心部的屈服強(qiáng)度不需過(guò)高的要求。需要指出的是大多數(shù)金屬材料在拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，因此將試樣產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值，作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為條件屈服強(qiáng)度，用0.2表示?？估瓘?qiáng)度對(duì)設(shè)計(jì)塑性低的材料如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的零件具有直接意義。設(shè)計(jì)時(shí)以抗拉強(qiáng)度確定許用應(yīng)力，即s=b/K。而對(duì)于塑性材料制作的零件，b雖然在設(shè)計(jì)中沒(méi)有直接意義，但由于大多

23、數(shù)斷裂事故都是由疲勞斷裂引起的，疲勞強(qiáng)度-1與抗拉強(qiáng)度b有一定關(guān)系。對(duì)于鋼，當(dāng)b1400MPa時(shí)，-1/b=0.5；對(duì)于灰鑄鐵-1/b=0.4；有色金屬-1/b=0.30.4。通常以抗拉強(qiáng)度來(lái)衡量材料疲勞強(qiáng)度的高低，提高材料的抗拉強(qiáng)度對(duì)零件抵抗高周疲勞斷裂有利。此外，抗拉強(qiáng)度對(duì)材料的成分和組織很敏感。兩種材料的成分或熱處理工藝不同，有時(shí)盡管硬度相同，但抗拉強(qiáng)度不同，因此可用抗拉強(qiáng)度作為兩種不同材料或同一種材料兩種不同熱處理狀態(tài)的性能比較標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以彌補(bǔ)硬度作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的不足之處。習(xí)題2. 設(shè)計(jì)中的許用應(yīng)力與材料的強(qiáng)度有何關(guān)系？如何確定設(shè)計(jì)中的許用應(yīng)力？答：設(shè)計(jì)中規(guī)定零件工作應(yīng)力必須小于許用應(yīng)

24、力，即屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)的值sK，式中K安全系數(shù)，b對(duì)設(shè)計(jì)塑性低的材料，如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的具有直接意義。設(shè)計(jì)時(shí)以抗拉強(qiáng)度b確定許用應(yīng)力，即bK（K為安全系數(shù)）。彈性模量（E）（等于彈性應(yīng)力，即彈性模量是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力）剛度是指零件在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。工程中彈性模量E被稱為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力，其值愈大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。設(shè)計(jì)彈性零件必須考慮彈性極限和彈性模量。金屬材料的主要物理性能有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等。導(dǎo)熱差的材料，在經(jīng)熱處理或鍛壓工藝加工的加熱速度應(yīng)緩慢些，以防止產(chǎn)

25、生裂紋。金屬材料的化學(xué)性能是指金屬及合金在常溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力。金屬材料的工藝性能包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、機(jī)械加工性能和熱處理工藝性能。晶體中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)則作周期性的重復(fù)排列；非晶體中的這些質(zhì)點(diǎn)，則是雜亂無(wú)章的堆積在一起無(wú)規(guī)則可循。這就是晶體和非晶體的根本區(qū)別。晶體有一定的熔點(diǎn)且性能呈各向異性，而非晶體與此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蠟等少數(shù)物質(zhì)以外，包括金屬和合金在內(nèi)的絕大多數(shù)固體都是晶體。最典型、最常見(jiàn)的三種晶體結(jié)構(gòu)類型：體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷是

26、空位和間隙原子，因?yàn)檫@些點(diǎn)缺陷的存在，會(huì)使其周圍的晶格發(fā)生畸變，引起性能的變化。晶體中晶格空位和間隙原子都處在不斷地運(yùn)動(dòng)和變化之中，晶格空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式之一，這對(duì)熱處理過(guò)程起著重要的作用。晶體中的線缺陷通常是各種類型的位錯(cuò)。所謂位錯(cuò)就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)密度愈大，塑性變形抗力愈大。因此，目前通過(guò)塑性變形，提高位錯(cuò)密度，是強(qiáng)化金屬的有效途徑之一。面缺陷即晶界和亞晶界。晶界實(shí)際上是不同位向晶粒之間原子無(wú)規(guī)則排列的過(guò)渡層。晶粒內(nèi)部的晶格位向也不是完全一致的，每個(gè)晶粒皆是有許多位向差很小的小晶塊互相鑲嵌而成的，這些小晶塊稱為亞組

27、織。亞組織之間的邊界稱為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所形成的小角度晶界。晶界和亞晶界處表現(xiàn)出有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì)小晶界和亞晶界越多，它對(duì)塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強(qiáng)度、硬度越高。晶界還有耐蝕性低、熔點(diǎn)低，原子擴(kuò)散速度較快的特點(diǎn)。晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度和硬度便越高。對(duì)于在較低溫度下使用的金屬材料，一般總是希望獲得細(xì)小的晶粒。在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程叫做結(jié)晶。而一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變則稱為凝固。每種金屬都有一個(gè)平衡結(jié)晶溫度，也稱理論結(jié)晶溫度。只有金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度才能結(jié)晶，這種現(xiàn)

28、象稱為過(guò)冷現(xiàn)象，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過(guò)冷度。因此認(rèn)為：金屬要結(jié)晶就必須有過(guò)冷度，即過(guò)冷度是結(jié)晶的必要條件，冷卻速度愈快，則過(guò)冷度愈大。生產(chǎn)中，細(xì)化晶粒的方法如下：1）增加過(guò)冷度。結(jié)晶時(shí)增加過(guò)冷度T會(huì)使結(jié)晶后晶粒變細(xì)。增加過(guò)冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻轉(zhuǎn)變速度。實(shí)際生產(chǎn)中常常是采用降低鑄型溫度和采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的金屬鑄型來(lái)提高冷卻速度。但是，對(duì)大型鑄件，很難獲得大的過(guò)冷度，而且太大的冷卻速度，又增加了鑄件變形與開裂的傾向。因此工業(yè)生產(chǎn)中多用變質(zhì)處理方法細(xì)化晶粒。2）變質(zhì)處理。變質(zhì)處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細(xì)小的難熔的物質(zhì)（變質(zhì)劑），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，

29、晶粒顯著細(xì)化。如往鋼液中加入鈦、鋯、鋁等。 3）附加振動(dòng)。金屬結(jié)晶時(shí)，利用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)，電磁振動(dòng)等方法，既可使正在生長(zhǎng)的枝晶熔斷成碎晶而細(xì)化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。純金屬在固態(tài)下的轉(zhuǎn)變有兩種，一種是同素異晶轉(zhuǎn)變，一種是磁性轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變是：15381394時(shí)為體心立方晶格稱-Fe；在1394912時(shí)為面心立方晶格，稱-Fe；在912以下時(shí)為體心立方晶格，稱-Fe。晶格改變，其性能隨之變化，這就是鋼能利用熱處理方法改變性能的原因所在。面心立方結(jié)構(gòu)的金屬塑性最好，可加工成極薄的金屬箔，體心立方結(jié)構(gòu)的金屬塑性次之，密封六方結(jié)構(gòu)的金屬塑性最差。具有同素異晶轉(zhuǎn)變

30、的金屬有鐵、錫、鈦、錳等。磁性轉(zhuǎn)變與同素異晶轉(zhuǎn)變有著原則上的區(qū)別，不發(fā)生晶格類型轉(zhuǎn)變，而是發(fā)生磁性和無(wú)磁性的轉(zhuǎn)變。鐵、鉆、鎳均具有磁性轉(zhuǎn)變特性。純鐵的磁性轉(zhuǎn)變溫度為768，低于768的鐵才具有磁性。合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)。相是指合金中成分、結(jié)構(gòu)均相同的組成部分，相與相之間具有明顯的界面。通常把合金中相的晶體結(jié)構(gòu)稱為相結(jié)構(gòu)，而把在金相顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形貌特征的組成部分總稱為組織。所以合金中的各種相是組成合金的基本單元，而合金組織則是合金中各種相的綜合體。一種合金的力學(xué)性能不僅取決于它的化學(xué)成分，更取決于它的顯微組織。通過(guò)對(duì)金屬的熱處理

31、可以在不改變其化學(xué)成分的前提下而改變其顯微組織，從而達(dá)到調(diào)整金屬材料力學(xué)性能的目的。根據(jù)構(gòu)成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物、機(jī)械混合物三大類。合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質(zhì)。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。置換固溶體如銅鎳二元合金，鐵碳合金中，鐵素體和奧氏體皆為間隙固溶體。由于溶質(zhì)原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材

32、料的重要途徑之一。金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元，又因它具有一定的金屬性質(zhì)，故稱金屬化合物。如碳鋼中的Fe3C、黃銅中的CuZn等。金屬化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)較高、硬度高、而脆性大、電阻高。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度及耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。因此金屬化合物在合金中常作為強(qiáng)化相存在。它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。機(jī)械混合物具有比單一固溶體更高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和良好的切削加工性，但其塑性和抗蝕性較差，如錫、銻、銅組成的軸承合金。Fe-Fe3C相圖 （鐵碳合金相圖）相

33、圖中各主要點(diǎn)的溫度、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及意義如表2.1一1所示。一、鐵碳合金中的基本相鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金的基本組元也應(yīng)該是純鐵和Fe3C。鐵存在著同素異晶轉(zhuǎn)變，即在固態(tài)下有不同的結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體，F(xiàn)e-Fe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特點(diǎn)不同，因而兩者的溶碳能力也不同。1，鐵素體（ferrite） 鐵素體是碳在-Fe中的間隙固溶體，用符號(hào)F（或）表示，體心立方晶格；鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。鐵素體的力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性，韌性好，而強(qiáng)度，硬度低。=30%50%，AKU=128160J，b

34、=180280MPa，5080HBS。鐵素體的顯微組織與純鐵相同，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒，在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布，但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí)，鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍。2，奧氏體（Austenite ）奧氏體是碳在-Fe中的間隙固溶體，用符號(hào)A（或）表示，面心立方晶格；雖然FCC的間隙總體積較小，但單個(gè)間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%（1148時(shí)），727時(shí)為0.77%。在一般情況下，奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為7271394，故奧氏體的硬度低，塑性較高，通常在對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工，如鍛造，熱

35、軋等時(shí)，都應(yīng)將其加熱成奧氏體狀態(tài)，所謂趁熱打鐵正是這個(gè)意思。b=400MPa，170220HBS，=40%50%。另外奧氏體還有一個(gè)重要的性能，就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場(chǎng)的零件或部件。奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。3，滲碳體（Cementite）滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學(xué)分子式Fe3C表示。它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69%，熔點(diǎn)為1227，質(zhì)硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相，根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀，網(wǎng)狀，片狀，粒狀等形態(tài)，它們的大小，數(shù)量

36、，分布對(duì)鐵碳合金性能有很大影響?？偨Y(jié)：在鐵碳合金中一共有三個(gè)相，即鐵素體，奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相，就是鐵素體和滲碳體。由于鐵素體中的含碳量非常少，所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點(diǎn)是十分重要的。鐵碳合金在固態(tài)下的幾種基本組織：鐵素體（F）、珠光體（P）、滲碳體（Fe3C）、奧氏體（A）和萊氏體（Ld）。鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，F(xiàn)e2C，F(xiàn)eC等，有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為 Fe-Fe3C相圖， 此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C。由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下

37、，因此成分軸從06.69%。所謂的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe-Fe3C相圖。二、鐵碳合金相圖分析1鐵碳相圖分析Fe-Fe3C相圖看起平比較復(fù)雜，但它仍然是由一些基本相圖組成的，我們可以將Fe-Fe3C相圖分成上下兩個(gè)部分來(lái)分析。1，上半部分共晶轉(zhuǎn)變?cè)?148，4.3%C的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：Lc 1148 EFe3C，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體，用符號(hào)Ld表示。存在于1148727之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號(hào)Ld表示，組織由奧氏體和滲碳體組成；存在于727以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號(hào)Ld表示，組織由滲碳體和珠光體組成。低溫萊氏體是由珠光體，F(xiàn)e3C和共晶Fe3C組成的機(jī)械混合

38、物。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察，其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀分布在Fe3C基體上，F(xiàn)e3C和共晶Fe3C交織在一起，一般無(wú)法分辨。2，下半部分 共析轉(zhuǎn)變 在727，0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：S 727 pFe3C，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別是轉(zhuǎn)變物是固體而非液體。3，相圖中的一些特征點(diǎn)相圖中應(yīng)該掌握的特征點(diǎn)有：A，D，E，C，G（A3點(diǎn)），S（A1點(diǎn)），它們的含義一定要搞清楚。4， 鐵碳相圖中的特性線相圖中的一些線應(yīng)該掌握的線有：ECF線，PSK線（A1線），GS線（A3線），ES線（Acm線） 水平線ECF為共晶反應(yīng)線。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%6.69%

39、之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。水平線PSK為共析反應(yīng)線。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%6.69%的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線亦稱A1線。水平線HJB為包晶轉(zhuǎn)變線。LBH 1495 J。GS線是合金冷卻時(shí)自A中開始析出F的臨界溫度線，通常稱A3線。ES線是碳在A中的溶解度曲線（固溶線），通常叫做Acm線。由于在1148時(shí)A中溶碳量最大可達(dá)2.11%， 而在727時(shí)僅為0.77%， 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148冷至727的過(guò)程中， 將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為二次滲碳體（Fe3CII）。Acm線亦為從A中開始析出Fe3CII的臨界

40、溫度線。PQ線是碳在F中溶解度曲線（固溶線）。在727時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218%， 室溫時(shí)僅為0.0008%， 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0008%的鐵碳合金自727冷至室溫的過(guò)程中， 將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體（Fe3CIII）。PQ線亦為從F中開始析出Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少，往往予以忽略。例 根據(jù)鐵碳合金相圖分析亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變？解 以含碳量Wc為0.4%的合金為例。當(dāng)液相冷卻至BC線時(shí)，液相中開始析出奧氏體晶粒，在溫度不斷下降過(guò)程中。奧氏體量不斷增加，當(dāng)溫度降到JE線時(shí)，液相全部變?yōu)閱我痪鶆驃W氏體。在溫度為JE線與GS線之

41、間時(shí)仍為奧氏體。當(dāng)冷卻到GS線時(shí)，奧氏體中開始析出鐵素體。隨著溫度不斷降低，鐵素體量逐漸增多，奧氏體量逐漸減少。當(dāng)溫度降到A1線（727）時(shí)，奧氏體的含碳量Wc升至0.77%則發(fā)生共析反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻至室溫合金的組織為鐵素體和珠光體。所有的亞共析鋼，其室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成的，不同之處在于鐵素體和珠光體的相對(duì)量不同。含碳量愈高，組織中珠光體量愈多，而鐵素體量愈少。因此，可根據(jù)亞共析鋼緩冷下的室溫組織估計(jì)其碳含量Wc=Sp0.77%。式中Wc鋼中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Sp珠光體在顯微組織中所占的面積百分比；0.77%珠光體的C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。三、含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響1含碳量

42、對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響按杠桿定律計(jì)算，可總結(jié)出含碳量與鐵碳合金室溫時(shí)的組織組成物和相組成物間的定量關(guān)系。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高時(shí)，不僅其組織中的滲碳體數(shù)量增加，而且滲碳體的分布和形態(tài)發(fā)生如下變化：Fe3CIII（沿鐵素體晶界分布的薄片狀） 共析Fe3C（分布在鐵素體內(nèi)的層片狀） Fe3CII（沿奧氏體晶界分布的網(wǎng)狀） 共晶Fe3C（為萊氏體的基體） Fe3CI（分布在萊氏體上的粗大片狀）。2含碳量對(duì)機(jī)械性能的影響滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強(qiáng)度越高，塑性和韌性越低；但當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時(shí)，則材料的塑性和韌性大為下降，且強(qiáng)度也隨之降低。低碳鋼的組織多為鐵素體，強(qiáng)度、硬度較

43、低，而塑性、韌性很高。隨著含碳量的增加，鋼的組織中鐵素體量不斷減少，而珠光體量不斷增加，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，當(dāng)鋼的含碳量增加至0.9%時(shí)，其組織大多數(shù)為珠光體，且有尚未成為網(wǎng)狀的滲碳體作為強(qiáng)化相，使其強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)Wc1.0%時(shí)，由于網(wǎng)狀Fe3CII出現(xiàn)，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降。為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度、硬度和適宜的塑性、韌性，其Wc一般不超過(guò)1.3%1.4%。3含碳量對(duì)工藝性能的影響對(duì)切削加工性來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)降低其切削加工性能。對(duì)可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時(shí)

44、，塑性好、強(qiáng)度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。鍛造時(shí)必須根據(jù)鐵碳相圖確定合適的溫度，始軋和始鍛溫度不能過(guò)高，以免產(chǎn)生過(guò)燒；始軋和始鍛溫度也不能過(guò)低，以免產(chǎn)生裂紋。對(duì)鑄造性來(lái)說(shuō)，鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來(lái)講，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造性能越差。一般而言，含碳量越低，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。習(xí)題3. 簡(jiǎn)述低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其各自的性能特點(diǎn)。答：低碳鋼（Wc為0.100.25），若零件要求塑性、韌性好，焊接性能好，例如建筑結(jié)構(gòu)

45、、容器等，應(yīng)選用低碳鋼；中碳鋼（Wc為0.250.60），若零件要求強(qiáng)度、塑性、韌性都較好，具有綜合機(jī)械性能，便如軸類零件，應(yīng)選用中碳鋼；高碳鋼（Wc為0.601.30），若零件要求強(qiáng)度硬度高、耐磨性好，例如工具等，應(yīng)選用高碳鋼。習(xí)題4. 簡(jiǎn)述鐵碳相圖的應(yīng)用。（1）為選材提供成份依據(jù) Fe-Fe3C相圖描述了鐵碳合金的平衡組織隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，合金性能和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系，這就可以根據(jù)零件性能要求來(lái)選擇不同成份的鐵碳合金。（2）為制訂熱加工工藝提供依據(jù) Fe-Fe3C相圖總結(jié)了不同成份的鐵碳合金在緩慢冷卻時(shí)組織隨溫度變化的規(guī)律，這就為制訂熱加工工藝提供了依據(jù)。a. 鑄造 根據(jù)Fe-Fe3

46、C相圖可以找出不同成份的鋼或鑄鐵的熔點(diǎn)，確定鑄造溫度。 根據(jù)相圖中液相線和固相線之間的距離估計(jì)鑄造性能的好壞，距離越小，鑄造性能越好，例如純鐵、共晶成分或接近共晶成分的鑄鐵鑄造性能比鑄鋼好。因此，共晶成分的鑄鐵常用來(lái)澆注鑄件，其流動(dòng)性好，分散縮孔小，顯微偏析少。b. 鍛造 根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定鍛造溫度。始軋和始鍛溫度不能過(guò)高，以免鋼材氧化嚴(yán)重和發(fā)生奧氏體晶界熔化（稱為過(guò)燒）。一般控制在固相線以下100200。一般對(duì)亞共析鋼的終軋和終鍛溫度控制在稍高于GS線（A3線）；過(guò)共析鋼控制在稍高于PSK線（A1線）。實(shí)際生產(chǎn)中各處碳鋼的始鍛和始軋溫度為11501250，終軋和終鍛溫度為7508

47、50。c. 焊接 由焊縫到母材在焊接過(guò)程中處于不同溫度條件，因而整個(gè)焊縫區(qū)出現(xiàn)不同組織，引起性能不均勻，可根據(jù)相圖來(lái)分析碳鋼的焊接組織，并用適當(dāng)熱處理方法來(lái)減輕或消除組織不均勻性和焊接應(yīng)力。 d. 熱處理 熱處理的加熱溫度都以相圖上的臨界點(diǎn)A1、A3、Acm為依據(jù)。 由相圖可知，任何成分的鋼加熱到A1溫度以上時(shí)，都會(huì)發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。將共析鋼、亞共析鋼和過(guò)共析鋼分別加熱到A1、A3、Acm以上時(shí)，都完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體，通常把這種加熱轉(zhuǎn)變稱為奧氏體化。顯然加熱的目的就是為了使鋼獲得奧氏體組織，并利用加熱規(guī)范控制奧氏體晶粒大小。鋼只有處于奧氏體狀況才能通過(guò)不同的冷卻方式使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M

48、織，從而獲得所需要的性能。拉力試驗(yàn)是用來(lái)測(cè)定金屬材料的強(qiáng)度、塑性。金屬材料試驗(yàn)機(jī)可以做抗拉試驗(yàn)，還可進(jìn)行彎曲、壓縮、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等項(xiàng)目的試驗(yàn)。材料的抗拉強(qiáng)度（b）按下式計(jì)算：式中Fb試樣拉斷前承受的最大外力（N）。A0試樣原始橫截面積（mm2）。為了測(cè)定材料在受拉力狀態(tài)下對(duì)缺口的敏感程度，還可做缺口拉伸試驗(yàn)。對(duì)于在服役條件下承受附加彎曲的零件如螺栓等，必要時(shí)做缺口偏斜拉伸試驗(yàn)。缺口偏斜拉伸試驗(yàn)是在試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具中加一個(gè)帶一定斜度的墊圈，常用的偏斜角為4或8，相應(yīng)的缺口強(qiáng)度標(biāo)記為或。為了測(cè)定某些特殊材料在一定高溫下的強(qiáng)度指標(biāo)，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上加一個(gè)電阻加熱或感應(yīng)加熱的加熱裝置即可。低溫試驗(yàn)

49、則需安裝一個(gè)低溫箱，用干冰或液氮做為冷卻劑。一些先進(jìn)的材料試驗(yàn)機(jī)，本身帶有高溫和低溫拉伸試驗(yàn)裝置。對(duì)于脆性材料和低塑材料可進(jìn)行彎曲試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)。對(duì)于檢測(cè)表面強(qiáng)化試件的力學(xué)性能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)最為合適。沖擊試驗(yàn)是將沖擊試樣放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，使試樣的缺口背向擺錘的沖擊方向，再將具有一定質(zhì)量的擺錘，由一定高度自由落下，測(cè)得一次沖擊試樣缺口處單位面積所消耗的功，稱為沖擊韌度（k）。沖擊試驗(yàn)主要用于結(jié)構(gòu)鋼。對(duì)于脆性材料（如鑄鐵、鑄鋁等）和塑性很好的材料（如銅、黃銅和奧氏體鋼等）一般均不采用沖擊試驗(yàn)。為了測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以判斷材料的冷脆性或回火脆性，常常采用系列沖擊試驗(yàn)。即通過(guò)不同溫度下的沖擊

50、試驗(yàn)測(cè)得一系列的沖擊值而得到材料沖擊韌度隨試驗(yàn)溫度變化曲線，然后以（k maxk min）/2相當(dāng)?shù)臏囟然?0%纖維斷口相當(dāng)?shù)臏囟却_定為韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk。測(cè)定金屬材料化學(xué)成分的常用方法有化學(xué)分析法、火花鑒別法、光譜分析法和看譜鏡法。1. 化學(xué)分析法（1）測(cè)定鋼鐵中的含碳量其原理是首先在高溫下將鋼鐵試樣中的碳燃燒生成二氧化碳后再進(jìn)行測(cè)定。較常用的是氣體容量定碳法：將試樣在高溫（11001300）的氧氣流中燃燒，使碳燃燒生成二氧化碳，硫燃燒生成二氧化硫，再把混合氣體經(jīng)除硫后收集于量氣管中，用氫氧化鉀溶液吸收二氧化碳，以吸收前后的體積之差測(cè)出二氧化碳的體積，通過(guò)換算確定碳的含量。此方法適用于含碳量約

51、0. 10%2.00%的碳鋼及合金鋼試樣。（2）鋼鐵中含錳量的測(cè)定方法亞砷酸鈉亞硝酸鈉容量法（過(guò)硫酸銨容量法）是將試樣經(jīng)酸溶解，在硫酸磷酸混合酸介質(zhì)中以硝酸銀為催化劑，用過(guò)硫酸銨將二價(jià)錳氧化成七價(jià)，再用亞砷酸鈉一亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定。此方法適用于普通鋼、鑄鐵及含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%以上、含錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%以下的合金鋼與合金鑄鐵。（3）含鉻量的測(cè)定方法一般測(cè)試含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%以下的低合金鋼多采用二苯卡巴肼比色法，而對(duì)于高含鉻量的合金鋼則采用過(guò)硫酸銨銀鹽容量法。（4）含鉬量的測(cè)定方法硫氰酸鹽直接比色法可適用于含鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%2.0%的鋼和合金鑄鐵。（5）含鎢量的測(cè)定方法硫氰酸鹽直接比色法可適用于

52、含鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%1.0%的碳鋼和合金鋼。2. 火花鑒別法依靠觀察材料被砂輪磨削時(shí)產(chǎn)生的流線、節(jié)點(diǎn)、苞花、爆花和尾花及色澤特征、形態(tài)來(lái)鑒別鋼鐵牌號(hào)。砂輪片宜采用中硬度4660號(hào)普通氧化鋁砂輪，不宜使用碳化硅或白色氧化鋁砂輪。火花鑒別法只能定性和半定量地對(duì)碳鋼和合金元素含量較高的合金鋼進(jìn)行鑒別，適宜于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)初步判斷鋼種。3. 光譜分析法大型精密光譜儀適用中央實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于熱處理現(xiàn)場(chǎng)，一般可使用臺(tái)式光譜儀或便攜式光譜儀。4. 看譜鏡法通常的化學(xué)分析法、光譜分析法和火花鑒別法只能測(cè)出材料的平均成分，無(wú)法測(cè)定微觀尺度上元素分布不均或沉淀相及夾雜物的化學(xué)成分。目前微區(qū)化學(xué)成分分析的主要方法有電子探

53、針X射線分析、離子探針顯微分析、俄歇電子能譜分析以及激光顯微光譜分析等。金相分析包含以下三個(gè)方面：原材料缺陷的低倍檢驗(yàn)、斷口分析和顯微組織檢驗(yàn)。鋼的低倍檢驗(yàn)通常是用肉眼或低倍放大后觀察判斷的，因此也稱為宏觀檢驗(yàn)。鋼材進(jìn)廠前或使用前必須進(jìn)行缺陷檢查。低倍檢驗(yàn)的內(nèi)容一般包括疏松、縮孔、偏析、白點(diǎn)、夾雜和裂紋等。低倍檢驗(yàn)的一般方法有：酸浸蝕方法，包括冷浸蝕、熱浸蝕和電解浸蝕。評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖。鋼中若硫化物和磷化物偏析嚴(yán)重，最方便的檢驗(yàn)方法是印痕法（硫印法和磷印法）。斷口分析主要用于失效分析、原材料缺陷分析、零件加工缺陷分析、熱處理質(zhì)量分析、使用環(huán)境分析。常用的斷口分析方法有：宏觀

54、觀察分析、光學(xué)顯微鏡分析、電子顯微鏡分析。典型的斷口形貌特征可分為：韌性斷口、解理型和準(zhǔn)解理型脆性斷口、沿晶開裂的脆性斷口、疲勞斷口、氫脆斷口、應(yīng)力腐蝕斷口等。顯微組織檢驗(yàn)：光學(xué)顯微鏡分析方法、定量金相分析方法、晶粒度測(cè)定方法、電子顯微鏡分析方法。采用X射線探傷法可檢驗(yàn)焊縫和鑄鋼件的內(nèi)部缺陷，如焊縫中較寬的裂縫未熔合、未焊透、夾渣、氣孔及鑄鋼件中的冷隔和縮孔等，但對(duì)于零件內(nèi)部的裂紋不宜采用此法。對(duì)于焊縫中的裂紋、未熔合、未焊透，鍛件及軋材中的白點(diǎn)、夾渣、縮孔等采用超聲波探傷法其靈敏度和穿透深度都超過(guò)射線探傷法。檢查截面均一的型材、管材、棒材和線材等金屬材料表面和內(nèi)部的缺陷采用渦流探傷法，檢驗(yàn)速

55、度快。該方法多用于流水生產(chǎn)線上自動(dòng)進(jìn)行探傷。磁粉探傷和瑩光探傷多用于檢驗(yàn)材料零件表面上的缺陷（如裂紋）；瑩光及著色探傷多用于不銹鋼及有色金屬等非磁性材料的表面缺陷探傷。鋼按用途分類：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。碳素結(jié)構(gòu)鋼 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼如Q195、Q215，Q235，Q255，Q275等。一般情況下都不經(jīng)熱處理，而在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造機(jī)器零件，一般都要經(jīng)過(guò)熱處理以提高力學(xué)性能。15、20、25鋼用于制做尺寸較小、負(fù)荷較輕、表面要求耐磨、心部強(qiáng)度要求不高的滲碳零件，如活塞銷、樣板等；30、35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理調(diào)

56、質(zhì)后用于制做（受力不大的）軸類零件；50、55、65鋼經(jīng)淬火中溫回火后具有高的彈性極限，常用于制做負(fù)荷不大、尺寸較?。ń孛娉叽缧∮?2mm）的彈簧。碳素工具鋼T7、T7A鋼經(jīng)淬火低溫回火熱處理后制造承受振動(dòng)與沖擊載荷、要求較高韌性的工具，如鑿子、打鐵用模、各種錘子、木工工具等；T8、T8A鋼經(jīng)熱處理后制造承受振動(dòng)與沖擊載荷、要求足夠韌性和較高硬度的各種工具，如簡(jiǎn)單模子、沖頭、剪切金屬用剪刀、木工工具、煤礦用鑿等；T10、T10A鋼用于制造不受突然振動(dòng)、在刃口上要求有少許韌性的工具、如刨刀、沖模、絲錐、板牙、手鋸鋸條、卡尺等；T12、T12A鋼等用于制造不受振動(dòng)，要求極高硬度的工具，如鉆頭、絲錐

57、、銼刀、刮刀等。低合金結(jié)構(gòu)鋼 16Mn鋼經(jīng)熱軋空冷后s325MPa，廣泛用于制做橋梁、船舶及車輛等結(jié)構(gòu)件；14CrMnMoVB鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后s650MPa，用于制做中溫高壓容器（560）。合金滲碳鋼 經(jīng)過(guò)滲碳熱處理后使用的低合金鋼主要用于制造在摩擦力、交變接觸應(yīng)力和沖擊條件下工作的零件，表面要求高的硬度及高的接觸疲勞強(qiáng)度，心部則要求有良好的韌性。低淬透性合金滲碳鋼（b=8001000MPa）如20MnZ、20MnV、20Cr、20CrV鋼等，用于制造尺寸較小的零件，如小齒輪、活塞銷等；中淬透性合金滲碳鋼（b=10001200MPa）如20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20CrMnMo鋼等，應(yīng)用最廣泛的是20CrMnTi鋼，用于制造受高速、中速、沖擊和在劇烈摩擦條件下工作的零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、離合器軸等；高淬透性合金滲碳鋼