機(jī)械工程材料基礎(chǔ)知識(shí)

機(jī)械工程材料基礎(chǔ)知識(shí)1.1金屬材料的力學(xué)性能任何機(jī)械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用。如起重機(jī)上的鋼索，受到懸吊物拉力的作用；柴油機(jī)上的連桿，在傳遞動(dòng)力時(shí)，不僅受到拉力的作用，而且還受到?jīng)_擊力的作用；軸類零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)械荷而不超過許可變形或不破壞的能力。這種能力就是材料的力學(xué)性能。金屬表現(xiàn)來的諸如彈性、強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等特征就是用來衡量金屬材料材料在外力作用下表現(xiàn)出力學(xué)性能的指標(biāo)。1.1.1強(qiáng)度強(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，用氣表示?？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，用氣表示。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)。1.1.2塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。工程中常用的塑性指標(biāo)有伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。伸長(zhǎng)率指試樣拉斷后的伸長(zhǎng)量與原來長(zhǎng)度之比的百分率，用符號(hào)少表示。斷面收縮率指試樣拉斷后，斷面縮小的面積與原來截面積之比，用表示。伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件，也是保證機(jī)械零件工作安全，不發(fā)生突然脆斷的必要條件。1.1.3硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度的測(cè)試方法很多，生產(chǎn)中常用的硬度測(cè)試方法有布氏硬度測(cè)試法和洛氏硬度試驗(yàn)方法兩種。（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的作用下壓入被測(cè)試金屬表面，保持一定時(shí)間后卸載，測(cè)量金屬表面形成的壓痕直徑也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；后者壓頭為硬質(zhì)合金，適用于布氏硬度值為450?650的金屬材料，如淬火鋼等。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)法洛氏硬度試驗(yàn)法是用一錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為g.558mm（1/16英寸）的淬火鋼球?yàn)閴侯^，以一不定的載荷壓入被測(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。采用120。金剛石圓錐體為壓頭，施加壓為600N時(shí)，用HRA表示。其測(cè)量范圍為60?85，適于測(cè)量合金、表面硬化鋼及較薄零件。采用41.588mm淬火鋼球?yàn)閴侯^，施加壓力為1000N時(shí)，用HRC表示，其測(cè)量硬度值范圍為25?100，適于測(cè)量有色金屬、退火和正火鋼及鍛鐵等。采用120。金剛石圓錐體為壓頭，施加壓力為1500N時(shí)，用HRC表示，其測(cè)量硬度值范圍為20?67，適于測(cè)量淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。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)。硬度是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。一般材料的硬度越高，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。1.1.4沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2。沖擊韌性常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)測(cè)定，即把被測(cè)材料做成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，用擺錘一次沖斷，測(cè)出沖斷試樣所消耗的沖擊AK，然后用試樣缺口處單位截面積F上所消耗的沖擊功ak表示沖擊韌性。ak值越大，則材料的韌性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時(shí)受到很大的沖擊載荷，因此要用ak值高的材料制造。鑄鐵的ak值很低，灰口鑄鐵ak值近于零，不能用來制造承受沖擊載荷的零件。1.2常用金屬材料金屬材料來源豐富，并具有優(yōu)良的使用性能和加工性能，是機(jī)械工程中應(yīng)用最普遍的材料，常用以制造機(jī)械設(shè)備、工具、模具，并廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。金屬材料大致可分為黑色金屬兩大類。黑色金屬通常指鋼和鑄鐵；有色金屬是指黑色以外的金屬及其合金，如銅合金、鋁及鋁合金等。1.2.1鋼鋼分為碳素鋼（簡(jiǎn)稱碳鋼）和合金兩大類。碳鋼是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、錳、硫、磷雜質(zhì)的鐵碳合金。工業(yè)用碳鋼的含碳量一般為0.05%?1.35%。為了提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能或某些特殊性能（如耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等），冶煉中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），這種鋼稱為合金鋼。（一）碳鋼碳鋼的分類碳鋼的分類方法有多種，常見的有以下三種。（1） 按鋼的含碳量多少分類分為三類：低碳鋼，含碳量＜0.25%；中碳鋼，含碳量為0.25%?0.60%；高碳鋼，含碳量＞0.60%。（2） 按鋼的質(zhì)量（即按鋼含有害元素S、P的多少）分類分為三類：普通碳素鋼，鋼中S、P含量分別＜0.055%和0.045%；優(yōu)質(zhì)碳素鋼，鋼中S、P含量均＜0.040%；高級(jí)碳素鋼，鋼中S、P含量分別＜0.030%和0.035%。（3）按鋼的用途分類分為兩類：碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種工程構(gòu)件和機(jī)械零件；碳素工具鋼，主要用于制造各種工具、量具和模具等。碳鋼牌號(hào)的表示方法碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由屈服點(diǎn)“屈”字漢語拼音第一個(gè)字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)(A、B、C、D)及脫氧方法符號(hào)(F、b、Z)等四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級(jí)按A、B、C、D順序依次增高，F(xiàn)代表沸騰鋼，b代表鎮(zhèn)靜鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼等。如Q235-A-F表示屈服強(qiáng)度為235Mpa的A級(jí)沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字代表鋼中的平均含碳量的萬分之幾。例如45鋼，表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。08鋼，表示平均含碳量為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號(hào)是用碳字漢語拼音字頭T和數(shù)字表示。其數(shù)字表示鋼的平均含碳量的千分之幾。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)，則在數(shù)字后面加“A”。例如，T12鋼，表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼。T8鋼，表示平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。T12A，表示平均含碳量為1.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳鋼的用途舉例Q195、Q215，用于鉚釘、開口銷等及沖壓零件和焊接構(gòu)件。Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉桿、連桿及建筑、橋梁結(jié)構(gòu)件。Q275，用于強(qiáng)度較高轉(zhuǎn)軸、心軸、齒輪等。Q345，用于船舶、橋梁、車輛、大型鋼結(jié)構(gòu)。08鋼，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷沖壓零件。10、20鋼，常用于制造沖壓件和焊接件。也常用于制造滲碳件。35、40、45、50鋼屬中碳鋼，經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合力學(xué)性能，主要用制造齒輪、套筒、軸類零件等。這幾種鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用非常廣泛。T7、T8鋼，用于制造具有較高韌性的工具，如沖頭、鑿子等。T9、T10、T11鋼，用作要求中等韌性、高硬度的刃具，如鉆頭、絲錐、鋸條等。T12、T13鋼，用于要求更高硬度、高耐磨性的銼刀、拉絲模具等。(二)合金鋼合金鋼的分類方法有多種，常見的有以下兩種。按用途分類分為三類：合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種性能要求更高的機(jī)械零件和工程構(gòu)件；合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種性能要求更高的刃具、量具和模具；特殊性能鋼，具有特殊物理和化學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。銨合金元素總含量多少分類分為三類：低合金鋼，合金元素總含量小于5%；中合金鋼，合金元素總含量為5%?10%；高合金鋼，合金元素總含量大于10%。合金鋼牌號(hào)的表示方法合金鋼是按鋼材的含碳量以及所含合金元素的種類和數(shù)量編號(hào)的。鋼號(hào)首部是表示含碳量以及所含合金結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同，以萬分之一的碳作為單位，如首部數(shù)字為45,則表示平均含碳量為0.45%；合金工具鋼以千分之一的碳作為單位，如首部數(shù)字為5,則表示平均含碳量為0.5%。在表示含碳量的數(shù)字后面，用元素的化學(xué)符號(hào)表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之幾表示，當(dāng)平均含量小于1.5%時(shí)，只標(biāo)明元素符號(hào)，不標(biāo)含量。如25Mn2V，表示平均含碳量為0.25%，含錳量約為2%，含釩量小于1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。又如9SiCr，表示平均含碳量為0.9%，含硅、銘都少于1.5%的合金工具鋼。對(duì)于含碳量超過1.0%的合金工具鋼，則在牌號(hào)中不表示含碳量。如CrWMn鋼，表示含碳量大于1.0%并含有銘、鎢、錳三種合金元素的合金工具鋼。但也有特例，高速鋼的含碳量小于1.0%，牌號(hào)中也不表示含碳量。如W18Cr4V鋼，其含碳量?jī)H為0.7%?0.8%。特殊性能鋼牌號(hào)中也不表示方法基礎(chǔ)上與合金工具鋼相同。如2Cr13,表示平均含碳量為0.2%，含銘量約為13%的不銹鋼。有些特殊用鋼，則用專門的表示方法，如滾動(dòng)軸承鋼，其牌號(hào)以G表示，不標(biāo)含碳量，銘的平均含量用千分之幾表示。如GCr15，表示含銘量為1.5%的滾動(dòng)軸承鋼。⑥對(duì)于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，在鋼號(hào)末尾加一個(gè)“A字，如38CrMoAIA。合金鋼的用途舉例09MnNb、16Mn、15MnTi鋼屬低合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造橋梁、車輛、鍋爐、油罐、建筑結(jié)構(gòu)和化工容器等。14MnVTiRe、14MnMoV、18MnNb、14CrMnMoVB鋼用于制造大型船舶、重要橋梁、電站設(shè)備及鍋爐、化工、石油等中高壓容器。20Cr、20MnV鋼，適于制造滲碳小齒輪、小軸、活塞銷等。20CrMnTi鋼，常用于制造汽車、拖拉機(jī)上的齒輪。18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo、20Cr2Ni4A鋼，常用于制造大型滲碳齒輪和軸類件。40MnB、40Cr、35CrMo、40CrMnMo鋼，用于制造重要調(diào)質(zhì)件，如主軸、曲軸、連連桿和齒輪等機(jī)械零件。65Mn、60Si2Mn鋼屬彈簧鋼，主要用于制造截面小于25mm的彈簧，如車箱板簧和機(jī)車板簧、扭桿簧等。GCr15、GsiMnMoV鋼屬軸承鋼，主要用于制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體，也可用于制造冷沖模、冷軋輥等。CrWMn、CrMn、9Mn2V鋼，用于制造測(cè)量工具，如卡尺、千分尺、量規(guī)、塊規(guī)塞規(guī)等。W18Cr4V、W6Mo5C4V2鋼，用于制造高速切削的刃具，如鉆頭、銑刀、滾刀、拉刀、鉸刀車刀等。5CrMnMo、3Cr2W8V鋼，屬熱模具鋼，用于制造熱鍛模、熱壓模、壓鑄模等。Cr12、Cr12MoV鋼，屬冷模具鋼，用于制造冷沖模具、冷切剪刀具等。1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13鋼，屬馬氏體不銹鋼，用于制造抗弱腐蝕性介質(zhì)并承受沖擊載荷的零件，還可用來制造具有較高硬度和耐磨性的醫(yī)療工具等。1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti鋼，屬奧氏體不銹鋼，用于制造耐硝酸、冷磷酸、有機(jī)酸及鹽、堿溶液腐蝕的設(shè)備零件。Mn13鋼，屬耐磨鋼，用于制造拖拉機(jī)鏈軌板、挖掘機(jī)鏟齒、球磨機(jī)襯板、鐵路道岔等。15CrMo、4Cr10Si2M。鋼，屬耐熱鋼，用于制造在高溫下工作的零件或構(gòu)件。1.2.2鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，它含有比碳鋼更多的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)。工業(yè)上常用的鑄鐵含碳量為2.5%?4.0%。根據(jù)鑄鐵中碳的存在形式不同，鑄鐵可分為白口鑄鐵可分為白口鑄鐵和灰口鑄鐵兩大類。（一） 白口鑄鐵白口鑄鐵中的碳幾乎全部以Fe^形式存在，斷口呈銀白色，性能硬而脆，很難進(jìn)行切削加工，工業(yè)上極少用來制造機(jī)械零件。主要用作煉鋼原料或用于可鍛鑄鐵的毛坯。（二） 灰口鑄鐵灰口鑄鐵中的碳大部分或全部以自由狀態(tài)的石墨形式存在，斷口呈暗灰色。根據(jù)灰口鑄鐵中石墨存在形式不同，它又可分為普通灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵等。普通灰口鑄鐵簡(jiǎn)稱灰口鑄鐵，其石墨形態(tài)呈片狀。由于片狀石墨的存在，割裂了金屬基體組織，減少了承載的有效面積，因此其綜合力學(xué)性能較低，但其減振性、耐磨性、鑄造性及切削加工性較好，主要用于制造承受壓力的床身、箱體、機(jī)座、導(dǎo)軌等零件?；铱阼T鐵牌號(hào)的表示方法為“HT”加數(shù)字，其中“HT”是灰鐵兩字漢語拼音的第一個(gè)字母，數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。常用的灰口鑄鐵牌號(hào)為HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等?？慑戣T鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火后而得到，其后墨形態(tài)呈團(tuán)絮狀。由于其石墨呈團(tuán)絮狀，對(duì)金屬基體的割裂作用減小，故其抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性都比灰口鑄鐵高，主要用于制造一些形狀比較復(fù)雜而在工作中承受一定沖擊載荷的薄壁小型零件，如管接頭、農(nóng)具等。可鍛鑄鐵的牌號(hào)由“KTH”或“KTZ”加兩組數(shù)字組成。其中“KT”是可鐵兩字漢語拼音第一個(gè)字母，后面的“H”表示黑心可鍛鑄鐵，“Z”表示珠光體可鍛鑄鐵。其后面的兩組數(shù)字分別表示材料的最低抗拉強(qiáng)度數(shù)值和最小伸長(zhǎng)率數(shù)值。其主要牌號(hào)有KTH350-10、KTZ550-04等。球墨鑄鐵球墨鑄鐵中石墨形態(tài)呈球狀。由于球狀石墨對(duì)金屬基體的割裂作用更小，因此它具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，所以應(yīng)用較廣，在某些情況下可替代中碳鋼使用。主要用于制造受力較復(fù)雜、負(fù)荷較大的機(jī)械零件，如曲軸、連桿、齒輪、凸輪軸等。球墨鑄鐵的牌號(hào)由“QT”加兩組數(shù)字組成。其中“QT”是球鐵兩字漢語拼音的第一個(gè)字母，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度數(shù)值和最小伸長(zhǎng)率數(shù)值。主要牌號(hào)有QT500-7、QT800-2等。1.2.3鑄鋼鑄鋼也是一種重要的鑄造合金，其應(yīng)用僅次于鑄鐵。鑄鋼件的力學(xué)性能優(yōu)于各類鑄件，并具有優(yōu)良的焊接性能，適于采用鑄焊聯(lián)合工藝制造重型鑄件。生產(chǎn)上鑄鋼主要用于制造形狀復(fù)雜、難于鍛造而又需承受沖擊載荷的零部件。如機(jī)車車架、火車車輪、水壓機(jī)的缸和立柱、大型齒輪、軋鋼機(jī)機(jī)架等。常用的鑄鋼有碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩大類，其中碳素鑄鋼應(yīng)用較廣，約占鑄鋼件的80%。一般工程用鑄鋼的牌號(hào)由“ZG”加兩組數(shù)字表示。其中“ZG”為鑄鋼二字漢語拼音第一個(gè)字母，后面兩位數(shù)字分別表示材料的最小屈服強(qiáng)度值和最小抗拉強(qiáng)度值。如ZG200-400、ZG270-500、ZG340-640等。1.2.4銅合金及鋁合金銅、鋁合金是工業(yè)上最常用的有色合金。因具有某些特殊的使用性能，使其成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中不可缺少的材料。(一)銅合金在純銅中加入某些合金元素(如鋅、錫、鋁、鈹、錳、硅、鎳、磷等)，就形成了銅合金。銅合金具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，同時(shí)具有較高強(qiáng)度和耐磨性。根據(jù)成分不同，銅合金分為黃銅和青銅等。黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金。按照化學(xué)成分，黃銅分為普通銅和特殊黃銅兩種。普通黃銅普通黃銅是銅鋅二元合金。由于塑性好，適于制造板材、棒材、線材、管材及深沖零件，如冷凝管、散熱管及機(jī)械、電器零件等。銅的平均含量為62%和59%的黃銅也可進(jìn)行鑄造，稱為鑄造黃銅。特殊黃銅為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入鋁、硅、錳、鉛、錫等元素，就形成了特殊黃銅。如鉛黃銅、錫黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、錳黃銅等。鉛黃銅的切削性能優(yōu)良，耐磨性好，廣泛用于制造鐘表零件，經(jīng)鑄造制作軸瓦和襯套。錫黃銅的耐腐蝕性能好，廣泛用于制造海船零件。鋁黃銅中的鋁能提高黃銅的強(qiáng)度和硬度，提高在大氣中的抗蝕性，鋁黃銅用于制造耐蝕零件。硅黃銅中的硅能提高銅的力學(xué)性能、耐磨性的耐蝕性，硅黃銅主要用于制造海船零件及化工機(jī)械零件。青銅青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上都習(xí)慣稱含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅合金也為青銅，所以青銅實(shí)際上包括錫青銅、鋁青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。青銅也分為壓力加工青銅和鑄造青銅兩類。錫青銅以錫為主要合金元素的銅基合金稱錫青銅。工業(yè)中使用的錫青銅，錫含量大多在3%?14%之間。錫含量小于5%錫青銅適于冷加工使用；錫含量為5%?7%的錫青銅適于熱加工；錫含量大于10%的錫青銅適于鑄造。錫青銅在造船、化工、機(jī)械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，主要用以制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件以及抗蝕、抗磁零件等。鋁青銅以鋁為主要合金元素的銅基合金稱鋁青銅。鋁青銅的力學(xué)性能比黃銅和錫青銅高。實(shí)際應(yīng)用的鋁青銅的鋁含量在5%?12%之間，含鋁為5%?7%的鋁青銅塑性最好，適于冷加工使用。鋁含量大于7%?8%后，強(qiáng)度增加，但塑性急劇下降，因此多在鑄態(tài)或經(jīng)熱加工后使用。鋁青銅的耐磨性以及在大氣、海水、海水碳酸和大多數(shù)有機(jī)酸中的耐蝕性，均比黃銅和錫青銅高。鋁青銅可制造齒輪、軸套、蝸輪等高強(qiáng)度抗磨零件以及高耐蝕性彈性元件。(3)鈹青銅以鈹為基礎(chǔ)元素的銅合金稱鈹青銅。鈹青銅的含鈹量為1.7%?2.5%。鈹青銅的彈性極限、疲勞極限都很高，耐磨性和抗蝕性優(yōu)異，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，還具有無磁性、受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花等優(yōu)點(diǎn)。鈹青銅主要用于制作精密儀器的重要彈簧、鐘表齒輪、高速高壓下工作的軸承、襯套以及電焊機(jī)電極、防爆工具、航海羅盤等重要機(jī)件。(二)鋁合金鋁中加入合金元素就形成了鋁合金。鋁合金具有較高的強(qiáng)度和良好的加工性能。根據(jù)成分及加工特點(diǎn)，鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。形變鋁合金形變鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金等。因其塑性好，故常利用壓力加工方法制造沖壓件、鍛件等，如鉚釘、焊接油箱、管道、容器、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、飛機(jī)大梁及起落架、內(nèi)燃機(jī)活塞等。鑄造鋁合金鑄造鋁合金是用于制造鋁合金鑄件的材料，按主要合金元素的不同，鑄造鋁合金分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。鋁硅鑄造鋁合金鋁硅合金是應(yīng)用最廣的鑄造鋁合金，通常稱為硅鋁明。其鑄造性能好，比重小，并有相當(dāng)好的抗蝕性和耐熱性，適于制造形狀復(fù)雜的零件，如泵體、電動(dòng)機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸頭、活塞以及汽車、飛機(jī)、儀器上的零件，也可制造日用品。鋁銅鑄造鋁合金鋁銅合金的強(qiáng)度較高，耐熱性較好，鑄造性能較差，常用于鑄造內(nèi)燃機(jī)氣缸頭、活塞等零件，也可作為結(jié)構(gòu)材料鑄造承受中等載荷、形狀較簡(jiǎn)便的零件。鋁鎂鑄造鋁合金鋁鎂合金強(qiáng)度高、比重小，有良好的耐蝕性，但鑄造性能不好，多用于制造承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)中工作、外形簡(jiǎn)單的零件，如艦般配件、氨用泵體等。鋁鋅鑄造鋁合金鋁鋅合金價(jià)格便宜、鑄造性能優(yōu)良、強(qiáng)度較高，但抗蝕性差、熱裂傾向大，常用于制造汽車、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件及形狀復(fù)雜的儀器元件，也可用于制造日用品。1.3鋼鐵材料的現(xiàn)場(chǎng)鑒別鋼鐵材料品種繁多，性能各異，因此對(duì)鋼鐵材料的鑒別是非常必要的。常用的鑒別方法有火花鑒別法、色標(biāo)鑒別法、斷口鑒別法和音色鑒別法等。1.3.1火花鑒別法根據(jù)鋼鐵材料在磨削過程中所出現(xiàn)的火花爆裂形狀、流線、色澤、發(fā)火點(diǎn)等特點(diǎn)區(qū)別鋼鐵材料化學(xué)成分差異的方法，稱為火花鑒別法。火花鑒別專用電動(dòng)砂輪機(jī)的功率為0.20?0.75kW，轉(zhuǎn)速高于3000r/min。所用砂輪粒度為40?60目，中等硬度，直徑為＜p150-200mm。磨削時(shí)施加壓力以20?60N為宜，輕壓看合金元素，重壓看含碳量?；鸹ㄨb別的要點(diǎn)是：詳細(xì)觀察火花的火束粗細(xì)、長(zhǎng)短、花次層疊程度和它的色澤變化情況。注意觀察組成火束的流線形態(tài)，火花束根部、中部及尾部的特殊情況和它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)還要觀察火花爆裂形態(tài)、花粉大小和多少。(一)火花組成火花束火花束是指被測(cè)材料在砂輪上磨削時(shí)產(chǎn)生的全部火花，常由根部、中部、尾部組成，見圖1-1。圖1-1火花束流線從砂輪上直接射出的好像直線的火流稱為流線。每條流線都由節(jié)點(diǎn)、爆花和尾花組成，見圖1-2。圖1-2火花束的構(gòu)成節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)就是流線上火花爆裂的原點(diǎn)，呈明亮點(diǎn)。圖1-3節(jié)花的形成爆花爆花就是節(jié)點(diǎn)處爆裂的火花。鋼的化學(xué)成分不同，尾花的形狀也不同。通常，尾花可分為狐尾尾花、槍尖尾花、菊花狀尾花、羽狀尾花等。(二)常用鋼鐵材料的火花特征碳是鋼鐵材料火花的基礎(chǔ)元素，也是火花鑒別法測(cè)定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形狀不同。

碳素鋼火花的特征通常低碳鋼火花束較長(zhǎng)，流線少，芒線稍粗，多為一次花，發(fā)光一般，帶暗紅色，無花粉。圖1-4為20鋼的火花特征。圖1-420鋼的火花特征中碳鋼火花束稍短，流線較細(xì)長(zhǎng)而多，爆花分叉較多，開始出現(xiàn)二次、三次花，花粉較多，發(fā)光較強(qiáng)，顏色橙。圖1-5為45鋼的火花特征。圖1-545鋼的火花特征高碳鋼火花束較短而粗，流線多而細(xì)，碎花、花粉多，又分叉多且多為三次花，發(fā)光較亮。圖1-6為T12鋼的火花特征。圖1-6T12鋼的火花特征鑄鐵的火花特征鑄鐵的火花束很粗，流線較多，一般為二次花，花粉多，爆花多，尾部漸粗下垂成弓弧形，顏色多為橙紅?；鸹ㄔ囼?yàn)時(shí)，手感較軟。圖1-7為HT200的火花特行征。圖1-7HT200的火花特征。合金鋼的火花特征合金鋼的火花特征與其含有的合金元素有關(guān)。一般情況下，鎳、硅、鉬、鎢等元素抑制火花爆裂，而錳、釩格等元素卻可助長(zhǎng)火花爆裂。所以對(duì)合金鋼的鑒別難掌握。一般銘鋼的火花束白亮，流線稍粗而長(zhǎng)，爆裂多為一次花、花型較大，呈大星形，分叉多而細(xì)，附有碎花粉，爆裂的火花心較明亮。鎳銘不銹鋼的火花束細(xì)，發(fā)光較暗，爆裂為一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。高速鋼火花束細(xì)長(zhǎng)，流線數(shù)量少，無火花爆裂，色澤呈暗紅色，根部和中部為斷續(xù)流線，尾花呈孤狀。1.3.2色標(biāo)鑒別法生產(chǎn)中為了表明金屬材料的牌號(hào)、規(guī)格等，常做一定的標(biāo)記，如涂色、打印、掛牌等。金屬材料的涂色標(biāo)志是表示鋼號(hào)、鋼種的，涂在材料一端的端面或端部。具體的涂色方法在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中做了詳細(xì)規(guī)定，現(xiàn)舉例如下：碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235鋼為紅色；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼為棕色加綠色，45鋼為白色加棕色；合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi鋼為黃色加黑色，40CrMo鋼為綠色加紫色；格軸承鋼GCr15鋼為藍(lán)色；高速鋼W18Cr4V鋼為棕色加藍(lán)色；不銹鋼1Cr18Ni9Ti鋼為綠色國(guó)藍(lán)色；熱作模具鋼5CrMnMo鋼為紫色加白色。1.3.3斷口宏觀鑒別法材料或零部件因受某些物理、化學(xué)或機(jī)械作用的影響而導(dǎo)致破斷，此時(shí)所形成的自然表面稱為斷口。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)斷口的自然形態(tài)判定材料的韌脆性，從而推斷材料含碳量的高低。若斷口呈纖維狀，無金屬光澤，，顏色發(fā)暗，無結(jié)晶顆粒，且斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，則表明鋼材具有良好的塑性和韌性，含碳量較低。若斷口齊平，呈銀灰色，且具有明顯的金屬光澤和結(jié)晶顆粒，則表明屬脆性材料。而過共析鋼或合金經(jīng)淬火后，斷口呈亮灰色，具有綢緞光澤，類似于細(xì)瓷器斷口特征。常用鋼鐵材料的斷口特點(diǎn)大致如下：低碳鋼不易敲斷，斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，有微量顆粒；中碳鋼的斷口邊緣的塑性變形特征沒有低碳鋼明顯，斷口顆粒較細(xì)、較多；高碳鋼的斷口邊緣無明顯塑性變形特征，斷口顆粒很細(xì)密；鑄鐵極易敲斷，斷口無塑性變形，晶粒粗大，呈暗灰色。1.3.4音色鑒別法根據(jù)鋼鐵敲擊時(shí)發(fā)出的聲音不同，以區(qū)別鋼和鑄鐵的方法稱為音色鑒別法。敲擊時(shí)，發(fā)出比較清脆聲音的材料為鋼，發(fā)出較低沉聲音的材料為鑄鐵。為了準(zhǔn)確地鑒別材料，在以上幾種現(xiàn)場(chǎng)鑒別的基礎(chǔ)上，一般還可采用化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)以及硬度試驗(yàn)等手段進(jìn)行鑒別。1.4鋼的常用熱處理熱處理就是通過對(duì)固態(tài)金屬的加熱、保溫和冷卻，來改變金屬的顯微組織及其形態(tài)，從而提高或改善金屬的機(jī)械性能的一種方法。鑄造、鍛壓、焊接和機(jī)加工的目的是使零件成形或改變其形狀，而熱處理的目的是改變金屬材料的組織和性能，而不要求改變零件的形狀和尺寸，各種機(jī)械零件中，大多數(shù)或絕大多數(shù)都要經(jīng)過熱處理才投入使用。鋼的熱處理對(duì)提高和改善零件的機(jī)械性能發(fā)揮著十分重要的作用。熱處理方法很多，常用的有退火、正火、淬火、回火和表面熱處理等。熱處理既可以作為預(yù)先熱處理以消除上一道工序所遺留的某些缺陷，為下一道工序準(zhǔn)備好條件；也可作為最終熱處理進(jìn)一步改善材料的性能，從而充分發(fā)揮材料的潛力，達(dá)到零件的使用要求。因此，不同的熱處理工序常穿插在零件制造過程的各個(gè)熱、冷加工工序中進(jìn)行。任何一種熱處理的工藝過程，都包括下列三個(gè)步驟：（1） 以一定速度把零件加熱到規(guī)定的溫度。這個(gè)溫度范圍根據(jù)不同的金屬材料、不同的熱處理要求而定。（2） 在此溫度下保溫，使工件全部或局部熱透。（3） 以某種速度把工件冷卻下來。鋼的熱處理工藝規(guī)范如圖1-8所示。通過控制加熱溫度和冷卻速度，可以在很大范圍內(nèi)改變金屬材料的性能。時(shí)間圖1-8鋼的熱處理工藝曲線1.4.1退火退火是把工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋▽?duì)碳鋼一般加熱至780?900°C）,保溫一定時(shí)間后隨爐子降溫而冷卻的熱處理方法。工具鋼和某些重要結(jié)構(gòu)零件的合金鋼有時(shí)硬度較高，鑄、鍛、焊后的毛坯有時(shí)硬度不均勻，存在著內(nèi)應(yīng)力。為了便于切削加工，并保持加工后的精度，常對(duì)工件施以退火處理。退火后的工件硬度較低，消除了內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)還可以使材料的內(nèi)部組織均勻細(xì)化，為進(jìn)行下一步熱處理（淬火等）做好準(zhǔn)備。加熱時(shí)溫度控制應(yīng)準(zhǔn)確。溫度過低達(dá)不到退火目的，溫度過高又會(huì)造成過熱、過燒、氧化、脫碳等缺陷。操作時(shí)還應(yīng)注意零件的放置方法，當(dāng)退火的主要目的是為了消除內(nèi)應(yīng)力時(shí)更應(yīng)注意。如對(duì)于細(xì)長(zhǎng)工件的穩(wěn)定尺寸退火，一定要在井式爐中垂直吊置，以防止工件由于自身重力所引起的變形。操作時(shí)還應(yīng)注意不要觸碰電阻絲，以免短路。為保證安全，應(yīng)安裝爐門開啟斷電裝置，裝爐和取出工件時(shí)能自行斷電。2.正火將工件放到爐中加熱到適當(dāng)溫度，保溫后出爐空冷的熱處理方法叫正火。正火實(shí)質(zhì)上是退火的另一種形式，其作用與退火相似。與退火不同之處是加熱（對(duì)碳鋼而言，一般加熱至800?930°C）和保溫后，放在空氣中冷卻而不是隨爐冷卻。由于冷卻速度比退火快，因此，正火工件獲得的組織比較細(xì)密，比退火工件的強(qiáng)度和硬度稍高，而塑性和韌性稍低。但這一點(diǎn)對(duì)于一般低碳鋼而言差別并不明顯，對(duì)中碳鋼零件而言有時(shí)由于正火后的硬度適中，更適合于切削加工。又由于正火冷卻時(shí)不占爐子，還可使生產(chǎn)效率提高，成本降低。所以一般低碳和中碳結(jié)構(gòu)鋼等，多用正火代替退火。淬火淬火是將工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋▽?duì)碳鋼一般加熱到760?820C），保溫后在水中或油中快速冷卻的熱處理方法。工件經(jīng)淬火后可獲得高硬度的組織，因此淬火可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。但工件淬火后脆性增加、內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使工件變形甚至開裂。所以，工件淬火后一般都要及時(shí)進(jìn)行回火處理，并在回火后獲得適度的強(qiáng)度和韌性。淬火操作時(shí)要注意工件浸入淬火劑的方法。如果浸入方式不正確，可能使工件各部分的冷卻速度不一致而造成很大的內(nèi)應(yīng)力，使工件發(fā)生變形和裂紋，或產(chǎn)生局部淬不硬等缺陷。例如，鉆頭、軸桿類等細(xì)長(zhǎng)工件應(yīng)以吊掛的方式垂直地浸入淬火液中；薄而平的工件（圓盤銑刀等），不能平著放人而必須立著放人淬火劑中；使工件各部分的冷卻速度趨于一致等。淬火操作時(shí)還必須穿戴防護(hù)用品，如工作服、手套、防護(hù)眼鏡等，以防淬火液飛濺傷人?；鼗饘⒋慊鸷蟮墓ぜ匦录訜岬侥骋粶囟确秶⒈睾?，在油中或空氣中冷卻的操作稱為回火?；鼗鸬臏囟却蟠蟮陀谕嘶稹⒄鸷痛慊饡r(shí)的加熱溫