1、第2章 純金屬的結晶與鐵碳合金 不同的金屬材料具有不同的性能，即使是同一種材料，在不同的條件下其性能也不相同。金屬材料之所以具有不同的性能與它的晶體結構有密切的關系。 純金屬雖然具有好的導電性、導熱性，在工業中獲得了一定的應用，但力學性能較低，價格較高，且種類有限，因此，工業生產上應用的金屬材料大都是合金，尤其是鐵碳合金。第一節 金屬的晶體結構 一、金屬的晶體結構 金屬及合金的性能是由其成分及內部的結構所決定。一切固態物質按其構造可分為晶體（crystalloid，crystal）與非晶體（noncrystal）兩種。 非晶體的特點是原子的排列不規則，如玻璃、瀝青和松香等都是非晶體。晶體的特點

2、是它們的原子都按一定的次序作有規則的排列，如金剛石、石墨和一切固態金屬都屬于晶體。 為了便于分析和描述晶體中原子排列的情況，把每個原子看成一個小球，把這些小球用假想線條連接起來，就得到一個抽象化了的空間格子。這種表示晶體中原子排列形式的空間格子叫晶格（crystal lattice）。晶格的最小單元稱為晶胞（unit cell）。晶胞中原子排列的規律能完全代表整個晶格中原子排列的規律，人們研究金屬的晶格結構，一般都是取出晶胞來研究的。 二、常見的晶格類型 常見的金屬晶體的晶格形式有如下三種： 1.體心立方晶格（BCC（Body-Centered Cubic lattice） 原子分布在立方體的

3、各結點和中心處，其特點是金屬原子占據著立方體的八個頂角和中心， 屬于這一類的金屬有鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)和-Fe(溫度小于912純鐵)。這類金屬有相當大的強度和較好的塑性。2.面心立方晶格（FCC（Face Centered Cubic lattice） 原子分布在立方體的各結點和各面的中心處。金屬原子除占據立方體的八個頂角外，立方體的六個面的中心也各有一個金屬原子。屬于這種晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)和-Fe等（溫度在1394912純鐵)。 這類金屬的塑性都很好。 3.密排六方晶格 原子分布在六方柱體的各個結點和上下底面中心處各有一個原子，還

4、有上下兩個六方面的中間有三個原子。屬于這種晶格的金屬有鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。第二節 金屬的實際晶體結構一、 單晶體與多晶體 金屬是由很多的小晶體組成的，這些小晶體叫做晶粒，金屬是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。多晶體是由多晶粒組成的晶體結構。晶粒之間的接觸面叫晶界。 如果一塊晶體就是一顆晶粒(晶格排列方位完全一致)就是單晶體。單晶體必須專門人工制作。 單晶體在不同方向上具有不同性能的現象稱為各向異性（anisotropy，anisotropism）。 普通金屬材料都是多晶體。多晶體的金屬雖然每個晶粒具有各向異性，但由于各個晶粒位向不同，加

5、上晶界的作用，這就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整個多晶體呈現出無向性，即各向同性（isotropy，isotropism）。 二、晶體的缺陷（crystal imperfection） 在實際晶體中，由于某種原因，原子的規律排列受到干擾和破壞，使晶體中的某些原子偏離正常位置，造成原子排列的不完全性稱為晶體缺陷，晶體缺陷對金屬的性能有顯著影響。 晶體缺陷按幾何形狀可分為： 1.點缺陷 晶體中的原子總是在某一位置上作熱振動。溫度升高時，動能特別高的原子就要脫離周圍原子的束縛，可能進入別的晶格間隙處成為“間隙原子”或跑到金屬表面上去。而原來的位置成為沒有原子的“空位”。空位和間隙原子的出現，使它

6、們失去平衡而造成晶格畸變(歪扭)。 2.線缺陷 線缺陷是晶體中呈線狀分布的缺陷，其具體形式是各種類型的位錯，晶體中有一列或若干列原子發生有規則的錯排現象，這就是位錯。刃型位錯是最常見的一種。在一個晶體的某一面的上半部比下半部多出了一個原子面象刀刃一樣插入，稱為“刃型位錯”。實際金屬晶粒內存在有大量的位錯，高的位錯密度是強化金屬的重要途徑之一。 3.面缺陷面缺陷是指晶體中有一維空間方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。這類缺陷主要是指晶界和亞晶界。 多晶體存在有晶界，由于晶界是相鄰兩晶粒間不同晶格方位的過渡區，致使該區域內的原子排列不整齊，偏離其平衡位置，產生晶格畸變。在實際金屬晶體的晶

7、粒內部，原子排列也不是完全有規則的，而是由許多位向差很小的晶塊所組成的。這些小晶塊稱為嵌鑲塊或亞晶粒。在亞晶粒內部的原子排列位向是一致的。但在亞晶粒的交界面，即亞晶界處也存在著晶格畸變。 應當指出，晶體缺陷不等于人們常說的缺點。金屬材料中晶體缺陷的存在對金屬的性能有著重大的影響。第三節 金屬的結晶過程和同素異構轉變 一、金屬的結晶過程 (一)結晶過程的基本概念 各種機械零件的制造工藝一般是澆鑄成型或先澆鑄成鑄錠后再經冷熱加工而成，所以了解金屬由液態轉變為固態晶體的過程是十分必要的。 金屬從高溫液體狀態冷卻凝固為固體(晶體)狀態的過程稱結晶（crystallization，crystallize

8、）。純金屬的結晶過程可以用熱分析的方法來研究。通過實驗將金屬液體緩慢冷卻凝固過程中溫度與時間的關系繪制成的曲線稱為冷卻曲線示。如圖所示純金屬的冷卻曲線，曲線上有一水平段，就是純金屬的實際結晶溫度，水平段的長度就是實際結晶所需的時間，結晶完了以后曲線又連續下降。出現水平段的原因是由于結晶潛熱的放出補償了冷卻散失的熱量，圖中T0表示理論結晶溫度，也就是金屬的結晶速度恰好等于它的熔化速度時所對應的溫度，顯然當高于這個溫度時，固態金屬便不斷熔化，只有當低于這個溫度時，液態金屬才會不斷結晶。所以實際結晶溫度必須在理論結晶溫度以下，這種現象稱為過冷（super-cooling，overcooling），其

9、溫度差稱過冷度，即理論結晶溫度與實際結晶溫度之差：T=T0-Tn。過冷是結晶的必要條件，T越大， 結晶的推動力也越大，結晶速度越快。過冷度大小與冷卻速度密切相關，冷卻速度越快，過冷度越大，即實際結晶溫度越低，反之亦然。隨著液態金屬溫度的下降，原子活動能力逐漸減小，當溫度降到結晶溫度以下時，在液態金屬內部，有一些原子自發的聚集在一起，并按金屬晶體的固有規律排列起來，形成規則排列的原子集團而成為結晶的核心，稱晶核。液態金屬中一些外來的微細固態質點也可成為結晶的核心，前者稱為自發晶核，后者稱為外來晶核。當晶粒開始出現后，液態金屬的原子就以它為中心按一定的幾何形狀不斷地向它聚集，即這些晶核不斷地長大。

10、同時，液體中又有新的晶核不斷地形成及長大，直到液態金屬已全部耗盡，晶體相互抵觸結晶過程也就完成了。最后便形成了許多外形不規則的、大小不等的、排列方向不相同的小晶體，叫做晶粒。晶粒間的交界面稱為晶界。金屬晶體是這些小晶粒組成的多晶體。 (二)晶粒大小與機械性能的關系 金屬結晶后的晶粒大小對機械性能影響很大，一般是晶粒愈細，強度、硬度愈高，塑性、韌性也愈好。因此通常總是希望金屬材料的晶粒愈細愈好。 鑄造生產中為了得到細晶粒的鑄件，常采取以下幾種方法： 1.加快冷卻速度 金屬結晶過程中過冷度愈大，結晶推動力增加，生核速率增長要快一些，故過冷度愈大，晶粒愈細。因此降低澆鑄溫度、增大冷卻速度(如采用金屬

11、型、水冷鑄型等)可使晶粒細化。薄壁鑄件的晶粒較細，厚大的鑄件往往是粗晶，鑄件外層的晶粒較細，心部是粗晶。 2.變質處理在澆注時向液態金屬中加入一定的變質劑，起到外來晶核的作用，并能在鑄件的整個體積內都能得到均勻細化的晶粒。 3.振動 機械振動、超聲波振動、電磁振動均使新晶粒數量增加，生核能量提高，生核率提高，達到細化目的。 此外，還可以采用熱處理和壓力加工的方法，使固態金屬的粗晶粒細化。二、 金屬的同素異構轉變(allotropic transformation) 大多數金屬的晶格類型都是一成不變的，但是，鐵、錳、錫、鈦等金屬的晶格類型都會隨溫度的升高或降低而發生改變。一種固態金屬，在不同的溫

12、度區間具有不同的晶格類型的性質稱為同素異構性（allotropy）。 金屬在固態下晶格隨溫度發生改變的現象，叫做同素異構轉變。金屬的同素異構轉變也是一種結晶過程，它同樣包含晶核的形成和長大，故又叫重結晶。轉變時也有結晶潛熱的放出和過冷現象。純鐵是具有同素異構性的金屬 ，當純鐵液體冷卻到1538時，結晶為固態，為體心立方晶格，稱為鐵，繼續冷卻至1394轉變為面心立方晶格，稱為鐵，到912時又轉變為體心立方晶格，稱為鐵。鐵在固態下發生同素異構轉變，這是由鐵的內部結構所決定的。鐵的同素異構轉變是鋼鐵能夠進行熱處理的重要依據。第四節 合金的基本概念 一、合金的基本概念 1.合金(alloy) 合金是以

13、一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，經過熔合而獲得的具有金屬特性的材料。即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。例如，工業上廣泛應用的鋼鐵材料就是鐵和碳組成的合金；普通黃銅是銅與鋅組成的合金。合金除具備純金屬的基本特性外，還兼有優良的機械性能與特殊的物理、化學性能。 2.組元 組成合金最簡單的、最基本的、能夠獨立存在的元素稱為組元，簡稱元。組元一般是指元素，但有時穩定的化合物也可以作為組元，如Fe3C、Al2O3等。合金按組元的數目可分為二元合金、三元合金及多元合金。例如黃銅是由銅和鋅組成的二元合金；硬鋁是鋁、銅和鎂三種元素組成的三元合金；保險絲是錫、鉍、鎘和鉛四種元素組成的四元合金

14、等。 3.合金系 由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，這一系列合金構成一個合金系統，簡稱合金系。例如黃銅是由銅和鋅組成的二元合金系。 4.相(phase) 合金中具有同一化學成分、同一晶格形式并以界面分開的各個均勻組成部分稱為相。如均勻的液體稱為單相，液相和固相同時存在則稱為兩相。純鐵在不同溫度下可以出現不同的相：液相、鐵相、鐵相和鐵相。 5.組織(constitution) 由單相或多相組成的具有一定形態的聚合物，稱為組織.純金屬的組織是由一個相組成的，合金的組織可以是一個相或多個相組成。 二、合金的相結構 合金之所以比純金屬性能優越主要是由于合金的內部結構不同于純金屬

15、。合金的內部結構比較復雜，但根據各元素在結晶時相互作用的不同可以把它們歸納為三種。 1.固溶體（solid solution） 固溶體就是在固態下兩種或兩種以上的物質互相溶解構成的單一均勻的物質。例如，銅鎳合金就是以銅(溶劑)和鎳(溶質)形成的固溶體,固溶體具有與溶劑金屬同樣的晶體結構. 這種溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體叫做固溶體。 根據固溶體晶格中溶質原子在溶劑晶格中占據的位置不同，分為置換固溶體（substitution solid solution）和間隙固溶體（interstitial solid solution）兩種。置換固溶體即溶劑晶格上的原子部分地被溶質原

16、子所代替。黃銅就是鋅溶于銅中的置換固溶體。間隙固溶體即溶質原子夾雜在溶劑晶格中間。鐵碳合金中的鐵素體和奧氏體都是碳溶于鐵中的間隙固溶體。 由于各種元素的原子大小、化學性質不同，當溶質原子溶入溶劑中時，致使溶劑的晶格發生歪扭。固溶體晶格的畸變使合金強度和硬度升高，而塑性下降，這種現象稱為固溶強化。固溶強化是提高合金機械性能的重要途徑之一。 2.金屬化合物 是指合金各組元的原子按一定的整數比化合而成的一種新的金屬化合物。它的晶體結構不同于組成元素的晶體結構，而且其晶格一般都比較復雜。其性能特點是熔點高、硬度高、脆性大。例如鐵碳合金中的Fe3C。當合金中出現金屬化合物時，能提高其強度、硬度和耐磨性，

17、但會降低其塑性和韌性。 3.機械混合物 當組成合金的各組元在固態下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在著，形成各組元晶體的機械混合物。組成機械混合物的物質可能是純組元、固溶體或者是化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。絕大多數工業用合金都是混合物，它們的性能決定于組成混合物各部分的性能，以及它們的形態、大小和分布。第五節 鐵碳合金的基本組織 鐵碳合金中碳原子和鐵原子可以有幾種不同的結合方式：一種是碳溶于鐵中形成固溶體；另一種是碳和鐵化合形成化合物；此外，還可以形成由固溶體和化合物組成的混合物。 一、鐵素體(F，) 碳溶解于-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體(fer

18、rite，簡稱固溶體)。用符號F表示。晶體結構呈體心立方晶格，碳在鐵中的溶解度極小，隨溫度的升高略有增加，在室溫時的溶解度僅有0.008%，在727 時最大溶解度為0.0218%。鐵素體的性能幾乎與純鐵相同，它的強度和硬度較低，塑性和韌性則很高。 二、奧氏體(A) 碳溶解于-Fe中的間隙固溶體稱為奧氏體(austenite，源自威廉·查德勒·羅伯特- 奧斯汀（1843-1902年）爵士，英國冶金學家。簡稱固溶體)，通常用符號A表示。晶體結構呈面心立方晶格。由于鐵晶格中間隙較大，因此在727時能溶解0.77%碳，在1148時的最大溶解度達到2.11%，奧氏體存在于727以上的

19、高溫區間，具有一定的強度和硬度，以及很好的塑性，是絕大多數鋼在高溫進行鍛造或軋制時所要求的組織。 三、滲碳體(Fe3C，cementite) 滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物Fe3C，含碳量為6.69%，其晶胞是八面體，晶格構造十分復雜。滲碳體的性能很硬很脆，滲碳體在鋼中主要起強化作用，隨著鋼中含碳量的增加，滲碳體的數量增多，鋼的強度和硬度提高，而塑性下降。 四、珠光體(P) 珠光體（pearlite）是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P表示，它是由硬的滲碳體片和軟的鐵素體片層片相間，交錯排列而成的組織。所以其性能介于它們二者之間，強度較高,，同時保持著良好的塑性和韌性。 五、萊氏體(L

20、d)奧氏體與滲碳體的機械混合物稱為萊氏體，(Ld，ledeburite，)。它是C=4.3%的鐵碳合金液體在1148發生共晶轉變的產物。因奧氏體在727時將轉變為珠光體，所以在727以下， 萊氏體由珠光體和滲碳體組成的機械混合物稱為低溫萊氏體(Ld)。萊氏體的機械性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。第六節 鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎。相圖（phase diagram）又稱平衡圖或狀態圖。它是用實驗數據繪制而成的。鐵碳合金相圖是人類經過長期實踐并進行大量科學實驗總結出來的。由于C>6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價值，因此相圖成分軸僅標出含碳量小于6.69%的合

21、金部分，另外，Fe3C是個穩定的化合物， 可以作為一個組元，因此研究的鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。 如圖18-14所示是簡化了的Fe-Fe3C狀態圖。 一、Fe-Fe3C相圖的主要點、線、區 (一)主要特性點 Fe-Fe3C相圖中部分特性點的溫度、含碳量及其含義見表18-1。 (二)主要特性線 1.ACD線液相線，在此線以上的區域為液相， 當合金液冷卻到此線時開始結晶。 2.AECF線固相線，合金熔液冷卻到此線時結晶完畢，此線以下為固相區。 3.ECF線共晶線，它是一條重要的水平線，溫度為1148，液態合金冷卻到此線時，在恒溫條件下，將從液體中同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，

22、即發生共晶反應(eutectic reaction)：LA+Fe3C所形成的共晶體為萊氏體。 4.PSK線共析線，代號A1。也是一條重要的水平線，溫度為727，當合金冷卻到此線時，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，即共析反應(eutectoid reaction)：A F+FeC3所形成的共析體為珠光體。 5.ES線代號Acm。是碳在奧氏體中的溶解度線。在1148時奧氏體中的溶碳能力最大為2.11%，隨著溫度降低溶解度沿此線降低，而在727時僅為0.77%C，所以含碳量大于0.77%的鐵碳合金， 自1148冷至727的過程中，由于奧氏體含碳量的減少， 將從奧氏體中析出二次滲碳體(F

23、e3CII)，以區別于自液體中結晶出的一次滲碳體(Fe3CI)。 6.GS線代號A3，奧氏體冷卻到此線時，開始析出鐵素體，使奧氏體含碳量沿此線向0.77%遞增。 (三)相圖中的主要相區如表18-2所示。二、鋼和生鐵的劃分 E點成分是鋼與生鐵的分界線，E點左邊的鐵碳合金稱為鋼(steel 含碳量小于0.0218%的稱為純鐵)。E點右邊的稱為生鐵(pig iron)。 1.工業純鐵(Armco iron) C<0.0218%常溫組織為F，Fe3CIII數量極少，經常忽略。 2.鋼(0.02182.11) %C鋼的共同特點是在AESG區域中全是A組織，當溫度下降時A發生如下的轉變：若鋼的含碳量

24、等于0.77%時，A在727 時全部轉變為珠光體，即A P；若含碳量小于0.77%時，則A在GS線首先析出F，冷卻到PSK線時剩余的A發生共析反應轉變為P，最后的組織為F+P；若含碳量大于0. 77%時，則A在ES線首先析出二次滲碳體， 冷卻到PSK線時，A發生共析反應變成P，最后的組織為P+Fe3CII， 所以根據A析出的情況，鋼可分為三種： 亞共析鋼(hypoeutectoid steel)：(0.02180.77) %C,常溫組織為F+P。 共析鋼(eutectoid steel)： C=0.77%，常溫組織為P。 過共析鋼(hypereutectoid steel)：(0.772.11

25、) %C，常溫組織為P+Fe3CII。 3.生鐵(白口鐵) (2.116.69) %C 生鐵的共同特點是在ECF線上都有共晶反應，都有萊氏體的組織存在。生鐵也分為三種： 亞共晶生鐵：(2.114.3)%C，常溫組織為：P+Fe3CII+Ld 共晶生鐵：C=4.3%，常溫組織為Ld 過共晶生鐵：(4.36.69)%C，常溫組織為Ld+Fe3CI 。 在1148727之間的萊氏體是A 與滲碳體組成的混合物，在727以下的萊氏體是P與滲碳體組成的混合物，萊氏體的性能基本上與滲碳體相同，因此，上述這三種不同的組織的鑄鐵統稱為白口鑄鐵。 三、典型鐵碳合金的結晶過程分析 (一)鋼的組織轉變 1.共析鋼的組

26、織轉變 圖18-14中合金I為含碳量0.77%的共析鋼，冷卻過程中的組織轉變如圖18-15所示。當液態合金溫度降到1點以后，開始結晶出奧氏體，直至2點結晶完畢，在2-3點間是單相奧氏體的冷卻，當溫度降到3點(S點)，奧氏體在恒溫下發生共析反應，形成珠光體。溫度繼續下降至室溫，珠光體不再發生組織變化。所以，共析鋼室溫時的平衡組織為珠光體。 2.亞共析鋼的組織轉變圖18-14中合金II為亞共析鋼，當溫度降到1點以后，開始從合金液中結晶出奧氏體，奧氏體的數量隨溫度的降低而逐漸增多，溫度降到2點，合金液全部凝固，在2-3點之間是單一奧氏體冷卻。溫度降到3點后，從奧氏體中不斷析出鐵素體。溫度降到4點，剩

27、余的奧氏體在恒溫下轉變成珠光體。4點以下不再發生組織變化， 所以亞共析鋼的室溫平衡組織是由鐵素體和珠光體組成的。亞共析鋼中含碳量愈高，鐵素體愈少，而珠光體量則愈多，反之亦然。 當溫度降到1點以后，開始從合金液中結晶出奧氏體，奧氏體的數量隨溫度的降低而逐漸增多，溫度降到2點，合金液全部凝固，在2-3點之間是單一奧氏體冷卻。溫度降到3點后，從奧氏體中不斷析出鐵素體。溫度降到4點， 剩余的奧氏體在恒溫下轉變成珠光體。4點以下不再發生組織變化， 所以亞共析鋼的室溫平衡組織是由鐵素體和珠光體組成的。亞共析鋼中含碳量愈高，鐵素體愈少，而珠光體量則愈多，反之亦然。 3.過共析鋼的組織轉變過共析鋼，冷卻過程中

28、的組織轉變如下：當溫度降到1點以后，開始從合金液中結晶出奧氏體，直到2點結晶完畢。在2-3點之間為單相奧氏體。到3點時從奧氏體中析出二次滲碳體。隨著溫度的下降，析出的二次滲碳體不斷增加，奧氏體的數量與含碳量卻逐漸減少，4點時，剩余的奧氏體的數量進行共析反應，生成珠光體。4點以后組織不再發生變化， 所以過共析鋼的室溫平衡組織是由珠光體和呈網狀的二次滲碳體組成。 (二)生鐵的組織轉變（略） 四、鐵碳合金相圖的應用1 .選擇材料的主要依據碳對鐵碳合金的組織和性能有著重大的影響隨著含碳量增高，不僅鐵素體數量減少，滲碳體的數量增加，而且滲碳體存在的形式也起變化，由分散在鐵素體的基體內變成分布在珠光體的周

29、圍，最后當形成萊氏體時，滲碳體又作為基體出現。因此，使不同成份的鐵碳合金在機械性能和工藝性能等方面產生了極大的差異。 當含碳量增加時，硬度增加，塑性、韌性降低，而強度首先是隨含碳量增加而增加，當C>1%時，強度反而下降了。這是由于二次滲碳體發展成連續網狀，削弱了晶粒間的結合力，使鋼變得硬、脆，強度下降。對于白口鐵來說，由于出現了以滲碳體為基體的萊氏體，性能硬脆難以切削加工，很少應用。 根據圖中成分-組織-性能關系的規律，可以按照零件或工具性能要求，進行合理的選材。如果需要塑性好韌性高的材料時，則可選用鐵素體組織多的碳鋼；對于要求綜合機械性能較高的材料，可選用組織是鐵素體加珠光體的碳鋼。當

30、需要硬度高、耐磨性好的材料時，則應選含碳更高的其組織是珠光體加滲碳體的碳鋼。2.制定熱加工工藝方面的應用在鑄造生產方面，根據鐵碳合金相圖確定澆鑄溫度，在鍛造生產中，可以確定鋼材在鍛造時必須選擇在奧氏體區的適當溫度范圍內進行，便于塑性變形。在焊接方面，可根據鐵碳合金相圖分析低碳鋼焊接接頭的組織變化情況。在熱處理時，擬訂淬火、退火、正火等各種熱處理加熱規范。第七節 碳素鋼碳素鋼(carbon steel，簡稱碳鋼)就是含碳量小于2.11%的鐵碳合金，實際使用的含碳量小于1.5%，其中還含有少量Si、Mn、P、S等雜質。 一、常存雜質對鋼性能的影響 1.錳 錳是煉鋼時用錳鐵脫氧而殘留在鋼中的，錳有很

31、好的脫氧能力，還可以與硫形成MnS,從而消除了硫的有害作用。錳是碳鋼中的有益元素。 2.硅硅也是作為脫氧劑而進入鋼的，硅的脫氧能力比錳還強，還能提高鋼的強度及質量，是有益元素。 3.硫 硫常以FeS形式存在，FeS與Fe 形成低熔點的共晶體， 熔點為985，分布在晶界，當鋼材在（10001200）進行壓力加工時，共晶體熔化，使鋼材變脆，這種現象稱為熱脆性。因此，硫是鋼中有害元素，含硫量必須嚴格控制。 4.磷磷也是鋼中的有害元素，它使鋼在低溫時變脆，這種現象稱為冷脆性，因此，鋼中含磷量也要嚴格控制。 5.氫 鋼中氫能造成氫脆、白點等缺陷，是有害元素。 二、碳鋼的分類 碳鋼有以下三種分類方法。 (

32、一)按鋼的含碳量分類： 1.低碳鋼（low carbon steel），含碳量00.25% 2.中碳鋼（medium carbon steel），含碳量（0.250.6）%。 3.高碳鋼（high carbon steel），含碳量>0.6%。 (二)按鋼的質量分類 根據鋼中有害雜質S、P的多少來分： 1.普通鋼，S0.055%，P0.045% 2.優質鋼，S、P均0.04% 3.高級優質鋼，S、P均0.03% (三)按用途分類 1.碳素結構鋼，用于制造工程結構(如橋梁、船舶、建筑、 高壓容器等)和機械零件(如齒輪、軸、螺釘、螺母、連桿等)， 這類鋼一般為低、中碳鋼。 2.碳素工具鋼，用

33、于制造各種工具(如刃具、模具和量具等)，這類鋼一般為高碳鋼。 三、碳鋼的牌號和用途 為了生產、選用和管理不致造成混亂，對各種鋼材進行合理的命名和編號。 1.碳素結構鋼 碳素結構鋼是工程中應用最多的鋼種，其產量約占鋼總產量的（7080）%。根據國標(GB700-88)規定，碳素結構鋼牌號由以下四部分組成： (1).屈服點字母Q鋼屈服強度“屈”，漢語拼音字首。 (2).屈服點強度數值(單位MPa)。 (3).質量等級符號：A、B、C、D級，從A到D依次提高。(4).脫氧方法符號 F沸騰鋼、 b半鎮靜鋼、 Z鎮靜鋼、TZ特殊鎮靜鋼 在牌號中若為Z和TZ則予以省略。 例如，Q235AF表示屈服強度為2

34、35MPa的A級沸騰鋼。碳素結構鋼的牌號、成分、性能和用途見表18-3、18-4、18-5。這類鋼的煉制過程比較簡單，生產費用較低，價格便宜，廣泛地應用于工程建筑、車輛、船舶、以及一般的橋梁、容器等金屬結構。碳素結構鋼是屬于工程結構鋼，由于價格低廉，所以也常用于制造要求不高的機器零件，如螺釘、螺栓、螺母等。 2.優質碳素結構鋼 這類鋼中有害雜質及非金屬夾雜物含量較少，化學成分控制得也較嚴格，塑性、韌性較好，運用于制造較重要的機械零件。這類鋼的牌號用兩位數字表示平均含碳量的萬分數，如45鋼即表示C=0.45%的優質碳素結構鋼。 根據含錳量的不同，將含錳量為(0.250.80)%的優質碳素結構鋼稱

35、為普通含錳鋼，將含錳量為(0.701.20)%的優質碳素結構鋼稱為較高含錳量鋼(標出錳元素)，優質碳素結構鋼的牌號及化學成分、機械性能見表18-6。 08鋼是冷變形鋼，15、20鋼是一般的表面滲碳鋼，用于制造導套、擋塊、磨擦片等耐磨零件。40、45、50鋼屬于調質鋼，主要用于制造齒輪、絲桿、連桿和各種軸類零件。6585則是碳素彈簧鋼。 3.碳素工具鋼 碳素工具鋼主要用于制造刀具、量具和模具，具有較高的硬度和耐磨性，其平均含碳量為(0.71.3)%，屬于高碳鋼。 這類鋼的質量較高，要求S、P等雜質的含量特別低，是經過精煉的優質鋼。 碳素工具鋼的牌號是在“碳”字漢語拼音首位字母“T”的后面附加數字

36、表示，數字表示平均含碳量的千分數，例如T12 表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼，若為高級優質碳素工具鋼，則在其牌號后加符號A，如T12A。所有碳素工具鋼都要經過熱處理后，才能進一步提高硬度和耐磨性。 碳素工具鋼的牌號、成分、性能和用途見表18-7。 4.鑄鋼 鑄造碳鋼(簡稱為鑄鋼)主要用于受沖擊負荷作用的形狀復雜件，如軋鋼機機架，重載大型齒輪、飛輪等。這是因為，對于許多形狀復雜件，很難用鍛壓等方法成形，用鑄鐵又難以滿足性能要求，這時常需選用鑄鋼件。 鑄鋼的牌號由“ZG”即“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首和兩組數字組成，前一組數字表示為鑄件的屈服強度(s或0.2)的最低值，后一組數字表示抗拉強度(

37、b)的最低值。例如，ZG200-400表示s200MPa，b400MPa的鑄鋼。 鑄鋼的成分、性能和應用舉例見表18-8和18-9。鐵和鋼的區別：鐵分為生鐵和熟鐵。熟鐵、鋼和生鐵都是鐵碳合金，以碳的含量多少來區別。一般含碳量小于0.2%的叫熟鐵或純鐵，含量在0.2-1.7%的叫鋼，含量在1.7%以上的叫生鐵。熟鐵軟，塑性好，容易變形，強度和硬度均較低，用途不廣；生鐵含碳很多，硬而脆，幾乎沒有塑性；鋼具有生鐵和熟鐵兩種優點，為人類廣泛利用。 鑄劍選材時通常選用材料是生鐵。但是，鑄劍時候則必須是煉好的鋼。生鐵與鋼的區別在那里呢？我們知道，生鐵、熟鐵和鋼的主要區別在于含碳量上，含碳量超過2的鐵，叫生

38、鐵；含碳量低于0.05的鐵，叫熟鐵；含碳量在0052當中的鐵，稱為鋼。用塊煉鐵透碳鋼制造的刀，雖然比較鋒利，但仍然達不到能夠“斬金斷玉，削鐵如泥”的程度。因為這種鋼的質量還不夠好，煉這種鋼碳滲進的多少，分布的是否均勻，雜質除掉的程度，都非常難掌握，而且生產效率極低。為了提高鋼的質量，中國古代工匠從西漢中期起發明了“百煉鋼”的新工藝。北宋著名科學家沈括在夢溪筆談里敘述磁州百煉鋼的過程，就是連續燒鍛百余次，至斤兩不減為止。所謂“百煉鋼”，就是將塊煉鐵反復加熱折疊鍛打，使鋼的組織致密、成份均勻，雜質減少，從而提高鋼的質量。用百煉鋼制成的刀劍質量很高。 全書共分18章。前7章主要介紹工程材料及熱處理，

39、鑄造成形，鍛壓成形，焊接成形，非金屬材料成形和快速成形（RP）方法及測量方法。后11章主要介紹金屬切削基本知識，鉗工，車削加工，銑、刨、鏜、拉削加工，齒輪加工，磨削、精密加工，數控加工，特種加工，計算機輔助設計與制造（cADCAM），機械制造工藝過程，先進機械制造技術（AMT）發展等。為配合學習，每一章都附有習題，便于讀者進行復習和總結，鞏固已學知識。為適應機械制造技術的飛速發展，許多章節都介紹了現代加工方法的新成果和新發展，便于讀者了解先進制造技術的發展趨勢。本書闡述了機械制造各種成形過程和加工過程的工藝原理、工藝方法、自身規律、相互聯系及技術進展，注重理論教學與實踐相結合。曾獲得2000年

40、上海市優秀教材三等獎和2004年上海市優秀教材二等獎。2006年納入“普通高等教育十一五國家級規劃教材”。第1章 工程材料  1.1 概述  1.2 金屬材料簡介  1.3 晶體的結構  1.4 金屬的結晶  1.5 二元合金晶體結構  1.6 鐵碳合金  1.7 鋼的熱處理  1.8 塑料  1.9 現代結構材料&#

41、160; 1.10 功能材料  1.11 納米材料  習題第2章 鑄造成形  2.1 概述  2.2 鑄件成形理論基礎  2.3 造型方法  2.4 鑄造工藝分析  2.5 特種鑄造  2.6 常用鑄造方法的比較  2.7 鑄造新工藝新技術簡介  2.8 鑄造技術的發展趨勢

42、60; 習題第3章 鍛壓成形  3.1 金屬的塑性變形及鍛造性能  3.2 鍛造  3.3 板料沖壓  3.4 粉末冶金  3.5 鍛壓新工藝簡介  習題第4章 焊接成形  4.1 概述  4.2 手工電弧焊  4.3 其他焊接方法  4.4 焊接接頭  4.

43、5 常用金屬材料的焊接  4.6 焊接結構設計簡介  4.7 膠接  4.8 焊接新技術簡介  習題第5章 非金屬材料的成形5.1 塑料的成形與加工5.2 橡膠的成形加工5.3 陶瓷的成形加工5.4 復合材料的成形習題第6章 快速成形6.1 概述6.2 快速成形技術的基本過程6.3 幾種常用RP技術的工藝原理6.4 RP技術的應用領域習題第7章 測量7.1 

44、測量基礎知識7.2 常用計量器具介紹7.3 現代測試儀器簡介習題第8章 金屬切削基本知識8.1 概述8.2 切削加工基本知識8.3 金屬切削機床習題第9章 鉗工9.1 概述9.2 劃線9.3 鋸削和銼削9.4 鉆削9.5 裝配習題第10章 車削加工第11章 銑、刨、鏜、拉削加工第12章 齒輪加工第13章 磨削、精密加工第14章 數控加工第15章 特種加工第16章 CAD/CAM技術第17章 機械制

45、造工藝過程第18章 現代機械制造技術的發展編號：9018 座位號 浙江廣播電視大學2006年秋季學期開放教育本科補修課程考試機械制造基礎試題2007年1月題 號一二三四總 分得 分得 分評卷人一、填空題（每空1分，共20分）1 工藝性能主要有四種： 、 、 和 。 2 青銅是 和 的合金。3 在分析焊接接頭組織性能時，接頭處的金屬包括_和 兩部分。4 公差原則中的相關原則是指 與 相關。5錘上模鍛的模鏜一般分為 、_ 、 。6切削用量三要素是指 、 和 。7機械加工中，軸類零件常用 或 作為定位基準。8由于材料性能的提高，汽車發動機曲軸毛坯早期多采用 方法產生，而現在常用 方法生產。

46、得 分評卷人二、選擇題（每小題2分，共20分）1共析鋼奧氏體過冷到500-230oc之間進行等溫轉變得到的最終產物屬于的產物為（ ）A貝氏體類型 B珠光體類型 C馬氏體類型 D滲碳體類型2鋼的淬硬件主要決定于（ ）A合金元素含量 B含碳量 C工件大小 D淬火介質3下列不屬于壓力加工方法是（ ）。A拉拔 B切削 C自由煅 D板料沖壓4孔的最大實體尺寸就是其（ ）A實體尺寸 B最小極限尺寸 C最大極限尺寸 D基本尺寸5車刀的前角是（ ）A前刀面與基面之間的夾角 B前刀面與切削平面之間的夾角 C主切削刃與基面之間的夾角 D主切削刃與副切削刃之間的夾角6為了改善軸類零件的綜合機械性能，通常對軸進行（

47、）熱處理。A正火 B回火 C調質 D完全退火7.在鐵碳相圖中含炭量為0.77%的鋼的奧氏體冷s點時析出（ ）A萊氏體 B鐵素體 C二次滲碳體 D珠光體8.塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料，下列塑料材料中不屬于熱固性塑料的是（ ）A酚醛塑料 B聚氯乙烯 C氨基塑料 D環氧樹脂塑料9.屬于壓力焊的是（ ）A摩擦焊 B手式電弧焊 C自動氬弧焊 D氣體保護焊10.在車床最適于加工的零件是（ ）A平板類 B軸類 C輪齒成型 D箱體類得 分評卷人三、簡答題（共45分）1.簡述低溫回火、中溫回火、高溫回火所得到的組織及其性能特點。（20分）2.什么叫配合，有哪些種類的配合，分別具有什么樣的特征值（從間隙和過盈

48、分析）？（15分）3.什么是砂輪的硬度和組織密度，它們基本分為那些類型。（10分）得 分評卷人四、改錯題：試改進下列各圖中的不合理之處，并簡述理由（第1小題8分，第2小題7分，共15分）改進前：（a）鑄件上鉆孔 （b）銑床加工槽改進后：改進理由：（a） 鑄件上鉆孔（b）銑床加工槽機械制造基礎模擬題及參考答案（第二套）2010年06月07日wy  機械制造基礎課模擬題及參考答案一、 填空題（每小題 1 分，共 30 分）1在室溫下，百分之九十以上的金屬具有 、 和 三種緊密的晶體結構。2FeFe3C相圖中，PSK線為 ，S點為，其含碳量為 ，其含碳量為 ，溫度為 ，其反應式為

49、 。3鑄件的凝固方式，根據凝固區域寬度不同，一般有 、 和 三種類型。4液態合金的 能力，稱為流動性。合金的結晶范圍愈 ，其流動性愈好。因此，在選擇鑄造合金時，應盡量選擇 的合金。5皮帶輪在批量生產時應采用 毛坯。6. 金屬切削過程的實質，是被切削金屬連續受到刀具的 和 ，產生 和 ，最終使被切削金屬與母體分離形成切屑的過程。7互換性表現為對產品零、部件在裝配過程中三個不同階段的要求，即裝配前 ；裝配時 ；裝配后 。8軸、孔配合種類的選擇主要應考慮 。9基本偏差是離零線 的極限偏差，當尺寸公差帶在零線以上時，以 為基本偏差，當尺寸公差帶在零線以下時，以 作為基本偏差。10黃銅是由銅和 組成的合

50、金。11切屑的形態主要有 、 和 。二、選擇題（將你認為正確的答案的字母填入括號內。每小題2分，共20分）1熱處理時，一般都要使金屬常溫組織經加熱變為( )組織。 A. 珠光體 B滲碳體 C. 奧氏體 D萊氏體2共析鋼過冷奧氏體，當其冷卻速度超過臨界冷卻速度時，在MS-Mf溫度范圍內發生等溫轉變，其轉變產物為( )。 A. 貝氏體 B珠光體 C馬氏體 D滲碳體3鑄件縮孔常產生的部位是( )。 A. 冒口 B. 最后凝固區 C澆口4鋼的淬硬性主要決定于( )。 A. 合金元素含量 B淬火介質 C工件大小 D含碳量5采用一般的工藝方法，下列金屬材料中，焊接性能較好的是( )。 A. 銅合金 B. 鋁合金 C可鍛鑄件 D. 低碳鋼6板料在沖壓彎曲時，彎曲圓弧