機(jī)械工程材料課程復(fù)習(xí)

一、機(jī)械工程材料概念定義原理規(guī)律小結(jié)

1.材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的強(qiáng)度。

2.材料在外力作用下顯現(xiàn)出的塑性變形能力稱為材料的塑性。

3.拉伸過程中，載荷不增加而應(yīng)變?nèi)栽谠龃蟮默F(xiàn)象稱為屈服。拉伸曲線上與此相對應(yīng)的點(diǎn)應(yīng)力σS，稱為材料的屈服點(diǎn)。拉伸曲線上D點(diǎn)的應(yīng)力σb稱為材料的抗拉強(qiáng)度，它表明了試樣被拉斷前所能承載的最大應(yīng)力。4.硬度是指材料抵抗其他硬物壓入其表面的能力，它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。常用硬度有：布氏、洛氏、維氏三種。5.韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力，它是材料塑性和強(qiáng)度的綜合表現(xiàn)。

6.材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂可以在低于材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生，斷裂前也無明顯的塑性變形，而且經(jīng)常是在沒有任何先兆的情況下突然斷裂，因此疲勞斷裂的后果是十分嚴(yán)重的。1/40

7.在晶體中，原子(或分子)按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列；晶體表現(xiàn)出各向異性；具有的凝固點(diǎn)或熔點(diǎn)。而在非晶體中，原子(或分子)是無規(guī)則地堆積在一起。常見的有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。體心立方晶格的致密度比面心立方晶格結(jié)構(gòu)的小。8.金屬的結(jié)晶都要經(jīng)歷晶核的形成和晶核的長大兩個過程。9.由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金；合金中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分稱為相。10.通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的變形抗力增大，強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化，它是金屬材料強(qiáng)化的重要途徑之一。（馬氏體型轉(zhuǎn)變、合金化）11.金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程是原子從排列不規(guī)則的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕幸?guī)則的晶態(tài)的過程，稱為金屬的結(jié)晶過程。金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固態(tài)的轉(zhuǎn)變即相變，稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。12.實(shí)驗(yàn)證明，在一般的情況下，晶粒長大對材料力學(xué)性能不利，使強(qiáng)度、塑性、韌性下降。晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性就越好。因此晶粒細(xì)化是提高金屬力學(xué)性能的最重要途徑之一。2/4013.相圖：是表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態(tài)下相或組織與溫度、成分間關(guān)系的圖形，又稱為平衡相圖或狀態(tài)圖。14.二元合金系中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶，并由液相結(jié)晶出單相固溶體的相圖稱為二元勻晶相圖。15.在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出成分一定的兩個固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。合金系的兩組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并在凝固過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為二元共晶相圖。共晶反應(yīng)：

16.在一定溫度下，已結(jié)晶的一定成分的固相與剩余的一定成分的液相發(fā)生轉(zhuǎn)變生成另一固相的過程稱為包晶轉(zhuǎn)變。兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的構(gòu)成的相圖，叫二元包晶相圖。17.在恒定的溫度下，一個有特定成分的固相分解成另外兩個與母相成分不相同的固相的轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的相圖稱為共析相圖。共析反應(yīng)：

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18.鐵碳合金的基本相：鐵素體-碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，以符號F表示。體心立方晶格。奧氏體-碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，以符號A表示。面心立方晶格。滲碳體-是一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，分子式為Fe3C。珠光體-是鐵素體和滲碳體組成的兩相機(jī)械混合物，常用符號P表示。萊氏體-是奧氏體和滲碳體組成的兩相機(jī)械混合物，常用符號Ld表示。

鐵素體、奧氏體和滲碳體都是單相組織，稱為鐵碳合金的基本相；珠光體、萊氏體則是由基本相混合組成的多相組織。4/4019.鐵碳相圖（要記住）5/4020.一般機(jī)械零件和建筑結(jié)構(gòu)主要選用低碳鋼和中碳鋼制造。如果需要塑性、韌性好的材料，就應(yīng)選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．25％的低碳鋼；若需要強(qiáng)度、塑性及韌性都好的材料，應(yīng)選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％~0.55％的中碳鋼；而一般彈簧應(yīng)選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6％~0.85％的鋼。對于各種工具，主要選用高碳鋼來制造，其中需要具有足夠的硬度和一定的韌性的沖壓工具，可選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7％~0.9％的鋼制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和測量工具，一般可選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0％~1.3％的鋼制造。6/4021.金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)：是在切向應(yīng)力的作用下，晶體的一部分與另一部分沿作一定的晶面產(chǎn)生相對滑移（該面稱為滑移面），從而造成晶體的塑性變形。22.冷塑性變形對金屬性能的影響：①主要影響是產(chǎn)生加工硬化，②物理性能和化學(xué)性能變化，③產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。23.金屬塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，其強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低，這一現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強(qiáng)化。24.產(chǎn)生加工硬化的主要原因：一是隨著塑性變形量的不斷增大，位錯密度不斷增加，使位錯間的交互作用不斷增強(qiáng)，使變形抗力增加；二是隨著塑性變形量的增大，晶粒變形、破碎、形成亞晶粒，亞晶界阻止位錯運(yùn)動，使強(qiáng)度和硬度提高。25.金屬冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新、舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。再結(jié)晶的溫度通常定義為：經(jīng)過70％變形量變形的金屬，在均勻溫度中保持一小時能完成再結(jié)晶的最低溫度。一般工業(yè)用純金屬可認(rèn)為再結(jié)晶溫度是0.4T熔。

7/4026.金屬的熱塑性加工：是在再結(jié)晶溫度以上的加工，在變形過程中產(chǎn)生的變形晶粒及加工硬化，由于同時進(jìn)行著再結(jié)晶過程而被消除，故金屬將不顯示加工硬化現(xiàn)象。熱塑性加工使金屬材料的組織和性能發(fā)生一系列的顯著變化：消除鑄態(tài)組織缺陷，提高力學(xué)性能；形成熱加工纖維組織(流線)-應(yīng)力求工件流線分布合理，盡量使流線與(正)應(yīng)力方向一致。27.在再結(jié)晶溫度以下的加工，叫冷加工。8/40

28.金屬的強(qiáng)度指標(biāo)(σs、σb)是代表著金屬在一定變形過程中對塑性變形的抵抗能力。金屬對塑性變形的抗力愈大，則強(qiáng)度愈高。因此，可以認(rèn)為，一切提高金屬變形抗力的因素均能提高金屬的強(qiáng)度。29.金屬強(qiáng)化機(jī)制：能阻礙位錯運(yùn)動的障礙可以有四種：第一種是溶質(zhì)原子，引起固溶強(qiáng)化；第二種是晶界，引起細(xì)晶強(qiáng)化；第三種是第二相粒子，引起沉淀強(qiáng)化(或彌散強(qiáng)化)；第四種是位錯本身，引起位錯強(qiáng)化。30.奧氏體化剛結(jié)束時的晶粒度稱為起始晶粒度，此時晶粒細(xì)小均勻。隨加熱溫度升高或保溫時間延長，會出現(xiàn)晶粒長大的現(xiàn)象。在給定溫度下奧氏體的晶粒度稱為實(shí)際晶粒度,它直接影響鋼的性能。鋼在加熱時奧氏體晶粒的長大傾向稱為本質(zhì)晶粒度。通常將鋼加熱到940±10℃奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室溫來判斷鋼的本質(zhì)晶粒度。晶粒度為1-4級的是本質(zhì)粗晶粒鋼，5-8級的是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。9/40

31.熱處理是將金屬或合金在固態(tài)下經(jīng)過加熱、保溫和冷卻三個步驟，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的一種工藝。

32.鋼在高溫時為奧氏體組織，而奧氏體的強(qiáng)度低、塑性好，有利于塑性變形。因此，鋼材的軋制或鍛壓，一般都是選擇在奧氏體區(qū)的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。33.鋼在熱處理時，首先要將工件加熱，使之轉(zhuǎn)變成奧氏體組織，這一過程也稱為奧氏體化。奧氏體晶粒越細(xì)，其冷卻產(chǎn)物的強(qiáng)度、塑性和韌性越好。34.隨著合金中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金熔點(diǎn)越來越低，所以鑄鋼的熔化溫度與澆注溫度都要比鑄鐵高得多。35.共晶成分的鐵碳合金，不僅其結(jié)晶溫度最低，其結(jié)晶溫度范圍亦最小(為零)。因此，共晶合金有良好的鑄造性能。10/40

36.鋼在加熱時奧氏體形成過程4個步驟：第一步是奧氏體晶核形成，第二步是奧氏體晶核長大，第三步是殘余滲碳體溶解，第四步是奧氏體成分均勻化。

37.影響奧氏體晶粒大小的4因素：

①加熱溫度和保溫時間加熱溫度高、保溫時間長，奧氏體晶粒粗大，即使是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，當(dāng)加熱溫度過高時，奧氏體晶粒也會迅速粗化。②加熱速度加熱速度越快,過熱度越大,形核率越高,晶粒越細(xì)。③合金元素隨奧氏體中碳含量的增加，奧氏體晶粒長大傾向變大，但如果碳以殘余滲碳體的形式存在，則由于其阻礙晶界移動，反而使長大傾向減小。同樣，在鋼中加入碳化物形成元素(如鈦、釩、鋁、鉭、鋯、鎢、鉻等)和氮化物、氧化物形成元素(如鋁等)，都能阻礙奧氏體晶粒長大，而錳、磷溶于奧氏體后，使鐵原子擴(kuò)散加快，會促進(jìn)奧氏體晶粒長大。④原始組織接近平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)奧氏體晶粒。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，從而降低了鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。11/40

38.

C曲線（等溫轉(zhuǎn)變曲線，也稱為“TTT”曲）表明了過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系。左邊一條為轉(zhuǎn)變開始線，右邊一條為轉(zhuǎn)變終了線。珠光體型轉(zhuǎn)變——高溫轉(zhuǎn)變(A1~550℃)：珠光體(P)、索氏體(S)和托氏體(T)。貝氏體型轉(zhuǎn)變——中溫轉(zhuǎn)變(550℃~Ms)下貝氏體強(qiáng)度和硬度高(50—60HRC)，并且具有良好的塑性和韌度。馬氏體型轉(zhuǎn)變——低溫轉(zhuǎn)變(Ms~Mf)馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，使馬氏體具有很高的硬度。12/40

39.TTT曲線定性說明連續(xù)冷卻的組織轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷卻緩慢時(V1，爐冷)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏wP。冷卻較快時（V2，空冷)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象wS。采用油冷時(V3)，過冷奧氏體先有—部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w，剩余的奧氏體在冷卻到MS以下后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其室溫組織為T+M+AR。當(dāng)冷卻速度(V4，水冷)大于VKC時，過冷奧氏體將在MS以下直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其室溫組織為M+AR。13/40

40.退火：將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間．然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。降低硬度、改善切削加工性能，消除殘余應(yīng)力。

41.正火：將鋼加熱到Ac3(對于亞共析鋼)或ACcm(對于過共析鋼)點(diǎn)以上30-50℃，保溫一定時間后，在空氣中冷卻，從而得到珠光體類組織的熱處理工藝。提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

42.淬火是以獲得馬氏體組織為目的的熱處理工藝，提高鋼的硬度和耐磨性；獲得優(yōu)異綜合力學(xué)性能。最常用的淬火冷卻介質(zhì)是水和油。

43.回火：將淬火鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度，經(jīng)適當(dāng)保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝。44.調(diào)質(zhì)處理：淬火后再進(jìn)行高溫回火處理。調(diào)質(zhì)處理得到的是回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能。力學(xué)性能與正火相比，不僅強(qiáng)度高，而且塑性和韌性也較好。14/40

45.冷處理：把淬冷至室溫的鋼繼續(xù)冷卻到-70—80℃(或更低的溫度)保持一段時間，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。46.時效：將淬火后的金屬工件，置于室溫或低溫加熱下保持適當(dāng)時間，以提高金屬強(qiáng)度（和硬度）的熱處理工藝。47.表面淬火：將工件表面層淬硬到一定深度，心部仍保持未淬火狀態(tài)的局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好,而心部韌性好。48.化學(xué)熱處理：將工件置于一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲人工件表層，改變其表面層的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。分為滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度，有時也用于提高零件的抗腐蝕性、抗氧化性。49.淬透性，是指鋼在淬火時獲得淬透層深度的能力。它是鋼材本身固有的屬性，其大小通常以規(guī)定條件(指規(guī)定尺寸和形狀的鋼試樣，在規(guī)定的淬火冷卻條件下淬火)下淬透層的深度來表示。談淬透性，必須排除工件尺寸、形狀及介質(zhì)的冷卻能力等淬火條件影響。50.淬硬性(可硬性）是指鋼在淬火后能達(dá)到的最高硬度，即鋼在淬火時的硬化能力，它主要取決于馬氏體的碳含量。15/40二、常用材料工業(yè)用鋼：

1.按化學(xué)成分可將鋼分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼根據(jù)含碳量分為低碳鋼(含碳量≤0.25％)、中碳鋼(含碳量為0.25％～0.6％)和高碳鋼(含碳量＞0.6％)。合金鋼根據(jù)合金元素總量分為低合金鋼(合金元素總量≤5％)、中合金鋼(合金元素總量為5％～10％)和高合金鋼(合金元素總量＞10％)。

2.按質(zhì)量分類是以磷、硫的含量來劃分的。根據(jù)磷、硫的含量可將鋼分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼。硫產(chǎn)生熱脆，磷產(chǎn)生冷脆，必須嚴(yán)格控制。3.按用途可將鋼分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。結(jié)構(gòu)鋼包括工程用鋼和機(jī)器用鋼，工程用鋼用于建筑、橋梁、船舶、車輛等，而機(jī)器用鋼包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼和耐磨鋼；工具鋼包括模具鋼、刃具鋼和量具鋼；特殊性能鋼包括不銹鋼、耐熱鋼等。

16/404.合金元素對熱處理和力學(xué)性能的影響

:合金鋼一般都是經(jīng)過熱處理后使用的，主要是通過熱處理改變鋼的組織來顯示合金元素的作用。(1)對奧氏體化的影響是大多數(shù)合金元（除鎳、鈷外）減緩?qiáng)W氏體化過程。(2)細(xì)化晶粒。(3)提高淬透性。(4)提高回火穩(wěn)定性（淬火鋼回火時，抵抗硬度下降的能力稱為回火穩(wěn)定性）。5.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：適用于一般工程用熱軋鋼板、鋼帶、型鋼、棒鋼等，可供焊接、鉚接、栓接構(gòu)件使用，不熱處理。195/Q275.6.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：硫、磷含量較低(均不大于0.035％)，力學(xué)性能優(yōu)于(普通)碳素結(jié)構(gòu)鋼。主要用于制造各種機(jī)器零件加軸類、齒輪、彈簧和軸承等所用的鋼種，也稱機(jī)器制造用鋼。使用前一般都要進(jìn)行熱處理，碳含量用萬分?jǐn)?shù)表示。7.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（普通低合金結(jié)構(gòu)鋼）：有高的屈服強(qiáng)度、良好的塑性、焊接性能及較好的耐蝕性。可滿足工程上各種結(jié)構(gòu)的承載大、自重輕的要求，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛等。其中Q345(16Mn)是應(yīng)用最廣、用量最大的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其綜合性能好，廣泛用于制造石油化工設(shè)備、船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。Q295/Q460，少量(不大于3％）合金元素。

17/408.滲碳鋼：是經(jīng)滲碳后使用的鋼種，主要用于制造要求高耐磨性、承受高接觸應(yīng)力和沖擊載荷（表硬里韌）的重要零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪，內(nèi)燃機(jī)凸輪軸、活塞銷等。如20、20Cr、20CrMnTi等。9.調(diào)質(zhì)鋼是指調(diào)質(zhì)處理后使用的鋼種，主要用于制造受力復(fù)雜的汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床及其它機(jī)器的各種重要零件，如齒輪、連桿、螺栓、軸類件等。具有良好的綜合力學(xué)性能，即具有高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑性、韌性。最典型的鋼種是45、40Cr，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如齒輪、軸、螺栓。10.彈簧鋼主要用于制造各種彈簧或類似性能的結(jié)構(gòu)件。淬火加中溫回火(350-500℃)處理，得到回火托氏體組織，其硬度可達(dá)40HRC-45HRC，從而在保證得到高的屈服強(qiáng)度的條件下又具有足夠的韌性。代表性鋼種為65Mn、60Si2Mn、50CrV。11.滾動軸承鋼是用于制造滾動軸承的滾動體和軸承套的專用鋼種，由于高碳鉻軸承鋼屬于高碳鋼，因而也可用于制造精密量具、冷沖模和機(jī)床絲杠等耐磨零件。應(yīng)用最廣泛的是GCr15鋼。18/4012.刃具鋼主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、刨刀及鉆頭等。碳素工具鋼：T7-T13，千分?jǐn)?shù)表示。高速鋼是制造高速切削刀具用鋼。它的主要性能特點(diǎn)是熱硬性高，當(dāng)切削溫度達(dá)到600℃時，硬度仍能保持在55HRC-60HRC以上。切削時能長時間保持刃口鋒利，俗稱“鋒鋼”。高速鋼的淬透性高，空冷即可淬火，又俗稱“風(fēng)鋼”。常用的鋼種為鎢系的W18Cr4V和鎢-鉬系的W6Mo5Cr4V2。13.特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼。在腐蝕性介質(zhì)中具有抗腐蝕性能的鋼，一般稱為不銹鋼。主要有：1Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。

耐熱鋼是指在高溫下具有高的熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的特殊鋼。主要有：15CrMo、1Cr12WMoV、1Cr13、1Cr18Ni9Ti等。

耐磨鋼指在強(qiáng)烈沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊形變硬化的高錳鋼。其化學(xué)成分為：w(C)＝1.0％-1.3％，w(Mn)＝11％-14％。因?yàn)槟湍ヤ摍C(jī)加工很困難，一般采用鑄造成型，所以牌號定為ZGMnl3。

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14.鑄鐵：是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金。主要由鐵、碳、硅、錳、硫、磷以及其他微量元素組成。鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性、切削加工性、減摩性、吸震性和低的缺口敏感性，加之其熔煉鑄造工藝簡單，價格低廉，所以鑄鐵是機(jī)械制造業(yè)中最重要的材料之一。例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。15.鑄鐵的組織是由基體和石墨組成的，基體組織有3種，即鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體，可見鑄鐵的基體組織是鋼的組織，因此鑄鐵的組織實(shí)際上是在鋼的基體上分布著不同形態(tài)石墨的組織。其強(qiáng)度、塑性及韌性低于碳鋼。

16.鑄鐵根據(jù)石墨的形態(tài)分類：有片狀、團(tuán)絮狀、球狀和蠕蟲狀4種，其所對應(yīng)的鑄鐵分別為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵（不能鍛造）、球墨鑄鐵（機(jī)械性能優(yōu)良）和蠕墨鑄鐵（耐熱）。17.鑄鐵力學(xué)性能標(biāo)注部分為一組數(shù)據(jù)時表示其抗拉強(qiáng)度值；為兩組數(shù)據(jù)時，第一組表示抗拉強(qiáng)度值，第二組表示伸長率值，兩組數(shù)字之間用“—”隔開。如HT200，KTZ550-04，QT800-2，

RuT-380等。

20/4018.有色金屬及其合金又稱非鐵材料，是指除鐵、鉻、錳之外的其他所有金屬材料。19.純鋁為面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁不能熱處理強(qiáng)化，冷加工是提高純鋁強(qiáng)度的唯一手段。鋁合金的強(qiáng)化：固態(tài)鋁無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此不能象鋼一樣借助于熱處理相變強(qiáng)化。合金元素對鋁的強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)為固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化和細(xì)化織織強(qiáng)化。20.銅及其合金按其表面顏色，分為純銅、黃銅、青銅和白銅，其中后三種為銅合金。黃銅是以鋅為主加元素的銅合金，只含鋅黃銅稱為普通黃銅。白銅是以鎳為主加元素的銅合金；青銅是除鋅和鎳以外的其他元素作為主加元素的銅合金。21.滑動軸承合金是用來制造滑動軸承中的軸瓦及內(nèi)襯的合金，應(yīng)具備以下基本性能：①常溫下具有足夠的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和疲勞極限。②耐磨性好，與軸的摩擦系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性能好。③有良好的磨合性和抗蝕性能。22.軸承合金的組織特點(diǎn)是在軟基體上均勻分布著硬質(zhì)點(diǎn)或硬基體上分布著軟質(zhì)點(diǎn)。21/40

23.高聚物的一些力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度，抗沖擊強(qiáng)度、彈性模量、硬度等，都隨分子量的增大而增加。實(shí)際使用的塑料是以有機(jī)合成樹脂為主要成分，加入各種添加劑，然后經(jīng)過加熱加壓而制成產(chǎn)品的。

24.橡膠的最大特點(diǎn)是具有高彈性，故又稱高彈體。橡膠有儲能、耐磨、隔音、絕緣等性能，廣泛用于制造密封件、減振件、輪胎、電線等。25.陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機(jī)非金屬材料的通稱。陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕性等特點(diǎn)。26.復(fù)合材料由于多數(shù)金屬材料不耐腐蝕、無機(jī)非金屬材料脆性大、高分子材料不耐高溫，把上述兩種或兩種以上的不同材料組合起來，使之取長補(bǔ)短、相得益彰就構(gòu)成了復(fù)合材料。它由基體材料和增強(qiáng)材料復(fù)合而成。基體材料有金屬、塑料、陶瓷等，增強(qiáng)材料有各種纖維和無機(jī)化合物顆粒等。如鋼筋混凝土、玻璃鋼。22/40三典型零件的選材和應(yīng)用金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料是目前的主要工程材料。

高分子材料的強(qiáng)度、剛度較低，易老化，一般不能用于制作承受載荷較大的機(jī)械零件，但其減振性好，耐磨性較好，適于制作受力小、減振、耐磨、密封零件，如輕載齒輪、輪胎等。

陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件，但其具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐蝕性好、紅硬性高等特點(diǎn)，可用于制作高溫下工作的零件、耐磨耐蝕零件及切削刀具等。

復(fù)合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比強(qiáng)度、高減振性、高抗疲勞能力、高耐磨性等優(yōu)異性能，是一種很有發(fā)展前途的工程材料。

金屬材料與以上3類工程材料相比，具有優(yōu)良的使用性能和工藝性能，儲藏量大，生產(chǎn)成本比較低，廣泛用于制作各種重要的機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是機(jī)械工業(yè)中最主要、應(yīng)用最廣泛的一類工程結(jié)構(gòu)材料。下面介紹幾種鋼制零部件的選材及熱處理工藝分析。23/40（一）齒輪類零件的選材

(1)齒輪的工作條件齒輪是機(jī)械傳動中用得最多的一種零件，主要用于調(diào)節(jié)速度、傳遞扭矩和改變運(yùn)動方式與方向。在工作過程中，齒輪根部要承受很大的交變彎曲應(yīng)力；相互嚙合的齒面間有較大的接觸壓應(yīng)力和摩擦力。另外，在機(jī)構(gòu)啟動換擋制動或齒間嚙合不均勻時都會對齒部造成一定的沖擊載荷。

(2)齒輪的失效方式主要有兩種：1)輪齒折斷包括疲勞斷裂和沖擊過載斷裂。斷裂部位主要發(fā)生在齒的根部或中部。2)齒面損傷包括表面麻點(diǎn)剝落和較大的摩擦力造成的過度磨損。根據(jù)疲勞破壞產(chǎn)生的位置，可分為表面的麻點(diǎn)剝落、接觸表面下某一位置的淺層剝落以及齒面硬化層與心部交界處的深層剝落。

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(3)對齒輪材料的性能要求

根據(jù)齒輪的工作條件和失效方式，對齒輪材料提出的性能要求如下：

1)高的表面硬度和耐磨性；

2)足夠高的齒心強(qiáng)度和韌性；

3)高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。此外，還要求材料有較好的加工工藝性能，如切削加工性好、淬透性好、熱處理變形小等。采用整體熱處理的方法，任何一種材料也無法同時滿足齒輪對于表面和心部不同性能的要求。通常齒輪材料為中碳鋼或中碳合金鋼，通過表面強(qiáng)化處理，使其表面有高的硬度和高的疲勞強(qiáng)度，而心部則有高的強(qiáng)度和韌性，滿足齒輪的使用性能要求。此外，這類鋼的工藝性和經(jīng)濟(jì)性都比較好，是比較理想的齒輪材料，在齒輪選材中占有很大的份額。25/40除此之外，也有一些齒輪可以采用鑄鐵、有色金屬或工程塑料制造。與鋼制齒輪相比，雖然鑄鐵材料的抗拉強(qiáng)度低、脆性較高，但其具有加工性能好、耐磨減振、噪聲低、缺口敏感性小、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比較適合用作齒輪材料。常用的有灰鑄鐵HT200、HT250和HT350等。

球墨鑄鐵QT900-2基體是下貝氏體，硬度超過41HRC，斷裂韌性KIC可達(dá)41-62MPa·m-l/2，也是一種比較理想的齒輪材料。

有色金屬中常用來制造齒輪的主要是銅合金，如黃銅、青銅等。它們具有好的耐磨性和耐蝕性、強(qiáng)度高，可用來制造蝸輪或要求耐腐蝕、耐高溫的齒輪。可以用來制造齒輪的工程塑料比較多，如聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。尼龍齒輪的強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕，具有突出的耐磨性和自潤滑性；聚甲醛的耐疲勞性能好，硬度高，特別適合在干摩擦條件下工作的齒輪；聚碳酸酯則適用于載荷不大和要求沖擊韌性較高的輕載齒輪或要求有較高的尺寸穩(wěn)定性的小模數(shù)精密齒輪、蝸輪和齒條等。26/40機(jī)床齒輪的工作條件較好、載荷不大、轉(zhuǎn)速中等、工作平穩(wěn)、少有強(qiáng)烈的沖擊。除了要有高的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、表面硬度與耐磨性等要求外，還應(yīng)能保證高的傳動精度和小的工作噪聲。一般情況下可以選用45鋼或40Cr、40MnB中碳合金鋼制造，后者的淬透性更好。

機(jī)床齒輪的工藝路線一般為：下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)或正火一精加工一齒部高頻表面淬火+低溫回火一精磨

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正火作為預(yù)備熱處理工藝可以消除鍛造毛坯的應(yīng)力，細(xì)化組織，調(diào)整毛坯的硬度到適合切削加工。

調(diào)質(zhì)處理的目的是為齒輪提供較高的綜合力學(xué)性能，保證齒的心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性以承受較大的交變彎曲應(yīng)力和沖擊載荷。同時還可以減少淬火后的變形。（對于性能要求不高的齒輪可以不進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。）

高頻表面淬火+低溫回火處理可以使齒面的硬度超過50HRC，有利于提高齒輪的耐磨性和接觸疲勞抗力。特別是在高頻表面淬火處理后，齒面存在殘余壓應(yīng)力，有利于提高齒輪的疲勞抗力，防止表面發(fā)生麻點(diǎn)剝落。28/40（二）軸類零件的選材

1．軸類零件對選材的要求(1)軸類零件的工作條件軸類零件主要起支撐傳動零件和傳遞扭矩的作用，工作受力情況比較復(fù)雜。1)承受交變的彎曲與扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷；2)在某些工作條件下，軸可能受到?jīng)_擊作用；3)在與其他零件相聯(lián)結(jié)的軸頸或花鍵處有摩擦作用；4)特殊條件下受到介質(zhì)與溫度的作用。(2)軸類零件的失效方式軸的失效方式主要是交變彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷作用下的疲勞斷裂和軸頸處的磨損失效，有時也會因沖擊過載造成斷裂失效，在特殊介質(zhì)條件下還可表現(xiàn)為過量塑性變形或腐蝕失效。29/40(3)對軸類零件材料的性能要求對軸類零件的選材主要有以下幾點(diǎn)：1)高的疲勞強(qiáng)度；2)良好的綜合力學(xué)性能，即要有較高的強(qiáng)度和較高的韌性，以防止塑性變形或由過載或沖擊載荷導(dǎo)致軸的斷裂；3)軸頸等承受摩擦的局部表面應(yīng)有高硬度和高耐磨性；4)具有適應(yīng)特殊條件下工作的特殊性能，如耐蝕性、抗氧化性等：5)具有良好的加工工藝性。30/40

2．軸類零件的選材方法

疲勞強(qiáng)度是軸類零件選材時首要考慮的指標(biāo)，同時也要考慮材料的綜合力學(xué)性能和耐磨性。雖然高碳鋼的強(qiáng)度比中碳鋼高，但其塑性和沖擊韌性卻遠(yuǎn)不如中碳鋼；而低碳鋼無論是疲勞強(qiáng)度還是耐磨性均不能滿足軸類零件材料的性能要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0．4％—0．7％范圍內(nèi)時，材料的疲勞強(qiáng)度最高，所以軸類零件用鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在0.3％—0.5％。

碳素結(jié)構(gòu)鋼以其合理的價格、較好的綜合力學(xué)性能以及較小的應(yīng)力集中敏感性在軸類零件中用得比較多，常用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有35、40、45、50等，其中45鋼最常用。

合金鋼的價格比較貴，但是合金鋼的力學(xué)性能與熱處理工藝性都比碳鋼好，特別是合金鋼的淬透性遠(yuǎn)好于碳素鋼，故較重要的、截面較大的軸常選用合金鋼制造。常用的合金鋼材料有35CrMo、40Cr、40CrNi、40CrNiMo、40MnB等。軸類零件用鋼一般在整體調(diào)質(zhì)后進(jìn)行表面淬火處理以滿足局部耐磨性能的要求。31/40通常軸類零件截面多變，切削加工量比較大，因此要求材料有良好的切削加工性，降低加工成本。雖然淬透性是軸類零件選材時需要重點(diǎn)考慮的工藝性能，但一味追求高的淬透性是不必要的。根據(jù)對軸類零件載荷分布的分析，對于彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在外表面上，而心部受力并不大，所以可以不必選用淬透性比較高的鋼種；而軸向載荷的受力是在整個截面上均勻分布的，心部的受力也比較大，所以對于軸向載荷比較大的軸類應(yīng)選用淬透性比較高的鋼。此外，軸類零件，特別是曲軸也可以選用球墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵制造。32/40

3、加工工藝的選擇

1）鑄造成形

球墨鑄鐵是鑄造曲軸最常用的材料，在轎車發(fā)動機(jī)中應(yīng)用很廣泛。常用的鑄造曲軸用的球墨鑄鐵有QT600-2、QT700-2、QT900-2等。一般汽車發(fā)動機(jī)曲軸選用的球墨鑄鐵強(qiáng)度應(yīng)不低于600MPa，制造農(nóng)用柴油發(fā)動機(jī)曲軸的球墨鑄鐵強(qiáng)度則不應(yīng)低于800MPa。一般在調(diào)質(zhì)或正火后采用中頻感應(yīng)淬火對軸頸進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。某些汽車、拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的曲軸軸頸也有采用氮碳共滲處理，以提高曲軸的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。鑄造質(zhì)量是影響鑄造曲軸質(zhì)量的關(guān)鍵因素，必須保證鑄造毛坯球化良好并無鑄造缺陷。正火的目的是通過增加組織中珠光體的含量并使其細(xì)化來提高其強(qiáng)度、硬度與耐磨性；高溫回火的目的在于消除正火過程中造成的內(nèi)應(yīng)力。鑄造曲軸的工藝路線為：

鑄造一正火（或調(diào)質(zhì)）一矯直一切削加工一去應(yīng)力退火一軸頸氣體滲氮(或氮碳共滲)一矯直一精加工一零件33/40

2）鍛造成形√

如機(jī)床主軸是機(jī)床的重要零件之一，在進(jìn)行切削加工時，高速旋轉(zhuǎn)的主軸承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和沖擊等多種載荷，要求它具有足夠的剛度、強(qiáng)度、耐疲勞、耐磨損以及精度穩(wěn)定等性能。

根據(jù)機(jī)床主軸所選用的材料和熱處理方式，可以將其分為四種類型：局部淬火主軸、滲碳主軸、滲氮主軸和調(diào)質(zhì)(正火)主軸。對一般的中等載荷、中等轉(zhuǎn)速，沖擊載荷不大的主軸，選用45鋼或40Cr、40MnB中碳合金鋼等即可滿足要求，對軸頸、錐孔等有摩擦的部位要進(jìn)行表面硬化處理。當(dāng)載荷較大，同時要承受較大的疲勞載荷與沖擊載荷的主軸，則應(yīng)采用20CrMnTi合金滲碳鋼或38CrMoAl滲氮鋼制造，并進(jìn)行相應(yīng)的滲碳或滲氮化學(xué)熱處理。

34/40選用45鋼或40Cr鋼制造，一般加工工藝路線為：下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一半精加工一局部表面淬火+低溫回火一磨削加工一零件整體的調(diào)質(zhì)處理可使軸得到較高的綜合力學(xué)性能與疲勞強(qiáng)度．硬度可達(dá)220—250HBS，調(diào)質(zhì)后組織為回火索氏體。軸頸和錐孔處進(jìn)行表面淬火與低溫回火處理后，硬度為52HBC，可以滿足局部高硬度與高耐磨性的要求。表13-6和13-7為常用軸類零件的選材實(shí)例。35/40

（三）箱體、支架類零件各種機(jī)械的機(jī)身、底座、支架、主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、內(nèi)燃機(jī)的缸體等，都可視為箱體、支架類零件。一般多用鑄造：受力大強(qiáng)度韌性高的用鑄鋼；正火或完全退火。受力不大、不受沖擊的用灰鑄鐵；去應(yīng)力退火。受力不大、要自重輕或?qū)岷玫倪x鑄造鋁合金；退火或淬火時效。受力很小、要自重輕的可選工程塑料；受力較大，但形狀簡單批量小，可選型鋼焊接。36/40四、一些應(yīng)用實(shí)例

1.材料選擇題:為下列工件選擇合適的材料。

①發(fā)動機(jī)連桿螺栓50CrVA

②發(fā)動機(jī)排氣閥門彈簧40Cr

③鏜床鏜桿38CrMoAl

④自行車架60Si2Mn

⑤車輛緩沖彈簧Q295

⑥機(jī)用大鉆頭W18Cr4V

⑦高速粗車鑄鐵的車刀T10

⑧車床絲杠螺母45

⑨螺絲刀Q235

⑩普通機(jī)床地腳螺栓T737/40

2.簡答

⑴為什么鉗工鋸T10，T12等鋼料時比鋸10，20鋼費(fèi)力，鋸條容易磨鈍？

⑵現(xiàn)有低碳鋼和中碳鋼齒輪各一批，為了使表面具有