《工程訓(xùn)練與創(chuàng)新/普通高等院校工程實踐系列規(guī)劃教材》：
　　第一篇 切削加工基礎(chǔ)與普通加工
　　第1章 工程材料基礎(chǔ)
　　教學(xué)目的 使讀者對常用金屬材料的基礎(chǔ)知識有一定的掌握，為后續(xù)的理論學(xué)習(xí)和實訓(xùn)操作打下基礎(chǔ)。
　　教學(xué)要求
　　（1）了解常用金屬材料的分類與性能。
　�。�2）掌握常用碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬的牌號和應(yīng)用范圍。
　�。�3）掌握常用金屬熱處理的工藝與適用范圍。
　　1.1 常用金屬材料及其性能簡介
　　材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標志。這主要是因為材料與國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和人民生活密切相關(guān)。材料除了具有重要性和普遍性，還具有多樣性。由于材料多種多樣，分類方法也就沒有統(tǒng)一的標準。
　　機械加工工程所接觸到的所有物質(zhì)也都是由不同的材料組成的，因此，掌握材料的性質(zhì)是加工制造的前提條件。由于材料的種類繁多，本節(jié)只簡要介紹金屬材料的性能。
　　1.1.1 常用工程材料的分類
　　按照化學(xué)成分的不同，工程材料可分為金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料三大類，如圖1.1所示。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，非金屬材料和復(fù)合材料的應(yīng)用也更加廣泛（特別是在航空、軍事等領(lǐng)域），對于這兩類材料的加工制造和工藝也是各國研究的重點。
　　1.1.2 金屬材料的性能
　　金屬材料的性能主要包括使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性能，如圖1.2所示。
　　圖1.1 工程材料的分類
　　圖1.2 金屬材料的性能
　　1.1.3 常用金屬材料的牌號、應(yīng)用及說明
　　1．碳素鋼
　　碳素鋼是指碳的質(zhì)量分數(shù)<2.11%的鐵碳合金。碳鋼的價格低廉、工藝性能良好、廣泛應(yīng)用于機械加工。常用碳素鋼的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍如表1-1所示。
　　表1-1 常用碳素鋼的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍
　　名稱 牌號 主要特性 應(yīng)用舉例
　　碳素結(jié)
　　構(gòu)鋼 Q215 具有較高的韌性、塑性和焊接性能，以及良好的壓力加工性能，但強度低 用于制造鉚釘、墊圈、地腳螺栓、薄板、拉桿、煙筒等
　　Q235 具有高的韌性、塑性和焊接性能、冷沖壓性能，以及一定的強度和好的冷彎性能 廣泛應(yīng)用于制造一般要求的零件和焊接件，如受力不大的拉桿、連桿、銷、軸、螺釘、螺母、支架、基座等
　　續(xù)表
　　名稱 牌號 主要特性 應(yīng)用舉例
　　優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 15 強度低，塑性、韌性很好，焊接性能優(yōu)良，無回火脆性。容易冷熱加工成形，脆透性很差，正火或冷加工后切削性能好 用于制造機械上的受力不大，形狀簡單，但韌性要求較高或焊接性能較好的中小結(jié)構(gòu)件、螺栓、螺釘、法蘭盤等
　　45 綜合力學(xué)性能和切削性能均較好，用于強度要求較高的重要零件 主要用于制造強度高的運動件，如活塞、軸、齒輪、齒條、蝸桿、曲軸、傳動軸、齒輪、連桿等
　　鑄造
　　碳鋼 ZG200-400 有良好的塑性、韌性和焊接性能、用于受力不大、要求韌性較好的各種機械零件 如機座、變速器殼等
　　2．合金鋼
　　所謂合金鋼是指在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入一種或幾種合金元素（如硅、錳、鉻、鎳、鉬、釩以及稀土元素等）煉制而成的鋼種。合金鋼具有屈服強度高、韌性和塑性好、淬透性好、耐腐蝕、耐低溫、高磁性、高耐磨性等優(yōu)點。常用合金鋼的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍如表1-2所示。
　　表1-2 常用合金鋼的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍
　　牌號 主要特性 應(yīng)用舉例
　　45MnB 可用來代替40Cr、45Cr鋼，制造較耐磨的中、小截面的調(diào)質(zhì)件和高頻淬火件等 機床上的齒輪、曲軸齒輪、花鍵軸和套、鉆床主軸等
　　40Gr 調(diào)質(zhì)后有良好的綜合力學(xué)性能，用于較重要的調(diào)質(zhì)零件，如在交變負荷下工作的零件、中等轉(zhuǎn)速和中等負荷的零件、表面淬火后可用作負荷及耐磨性較高、而無很大沖擊的零件。表面淬火硬度可達48～55HRC 齒輪、套筒、軸、曲軸、銷、連桿螺釘、螺母、進氣筒等
　　20CrMo 強度好、韌性較高，在500℃以下有足夠的高溫強度，焊接性能好 軸、活塞連桿等
　　42CrMo 淬透性比35CrMo高，調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性好，表面淬火硬度可達54～60HRC 牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、發(fā)動機氣缸、石油探井鉆桿接頭與打撈工具等
　　3．鑄鐵
　　鑄鐵是一種以Fe、C、Si為基礎(chǔ)的復(fù)雜多元合金，其含碳量在2.0%～4.0%。鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性、減振性和耐磨性，且價格低廉，在制造業(yè)使用相對廣泛。鑄鐵的種類有灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵三類，常用鑄鐵的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍如表1-3所示。
　　表1-3 常用鑄鐵的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍
　　名稱 牌號 主要特性 應(yīng)用舉例
　　灰
　　鑄
　　鐵 HT100 鑄造性能好、工藝簡單、鑄造應(yīng)力小、不用人工時效處理、減振性好 用于負荷低，對摩擦和磨損無特殊要求的場合，如外罩、手輪、支架等
　　HT200 強度、耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能好，需進行人工時效處理 用于承受較大應(yīng)力（彎曲應(yīng)力<29.4MPa），摩擦面間單位應(yīng)力<0.459MPa條件下受磨損的零件，如氣缸、機床床身與床面、制動輪、聯(lián)軸器盤、活塞環(huán)等
　　球
　　墨
　　鑄
　　鐵 QT400-15
　　QT400-18 焊接性和切削性能好，常溫下沖擊韌性高，脆性轉(zhuǎn)變溫度低 汽車、拖拉機輪轂，驅(qū)動橋、離合器、差速器、減速器等的殼體。通用機械的1.6～6.4MPa氣壓閥門的閥體、閥蓋，壓縮機上承受一定溫度的高低壓氣缸、電動機機殼等
　　QT450-10 焊接性、切削性均較好，韌性略低于QT400-18，強度和小能量沖擊力優(yōu)于QT400-18
　　可
　　鍛
　　鑄
　　KTH300-06 黑心可鍛鑄鐵強度高、韌性和塑性好，抗沖擊，有一定耐腐蝕性，切削性能好 管路配件（彎頭、三通、管體）、中低壓閥門、農(nóng)機中一般零件等
　　KTZ450-06
　　KTZ550-4
　　KTZ650-02
　　KTZ700-2 珠光體可鍛鑄鐵韌性較低、強度大、硬度高、耐磨性好。可替代中低碳鋼，低合金鋼及有色合金等耐磨性和強度要求較高的零件 曲軸、傳動箱體、凸輪軸、活塞環(huán)、梨刀、齒輪、連桿等
　　4．有色金屬
　　有色金屬的種類繁多，雖然其產(chǎn)量和使用不及黑色金屬，但是由于它具有某些特殊性能，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的材料。常用有色金屬的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍如表1-4所示。
　　表1-4 常用有色金屬的牌號、主要特性和應(yīng)用范圍
　　名稱 牌號 主要特性 應(yīng)用范圍
　　純銅 T1、T2 有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和加工性能，可焊接和釬焊 電線、電纜、導(dǎo)電螺釘、化工用蒸發(fā)器、各種管道等
　　黃銅 H62、H63 有良好的力學(xué)性能，熱態(tài)下塑性良好，可加工性好，易釬焊和焊接，耐蝕，但易產(chǎn)生腐蝕裂紋，應(yīng)用廣泛 各種拉伸和和折彎的受力零件，如銷釘、鉚釘、螺母、導(dǎo)管、氣壓表彈簧、散熱器零件等
　　鋁合金 2A11 是應(yīng)用最為廣泛的一種硬鋁，一般稱為標準硬鋁。它具有中等強度，在退火、剛淬火和熱態(tài)下的可塑性較好，可熱處理強化，在淬火和自然時效狀態(tài)下使用，點焊焊接性能良好 用作各種中等強度的零件和構(gòu)件，沖壓的連接部件，如螺栓、鉚釘?shù)?br /> 　　1.2 鋼的熱處理簡介
　　金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，以使工件達到其相應(yīng)的技術(shù)指標。
　　為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。
　　熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。
　　加熱是熱處理的重要工序之一，加熱溫度則是其中的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。
　　為保證顯微組織轉(zhuǎn)變完全，當(dāng)金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，這段時間稱為保溫時間。當(dāng)采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學(xué)熱處理的保溫時間往往較長。
　　冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。
　　金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。
　　1.2.1 整體熱處理
　　整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。
　　1．退火
　　退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度（相變或不相變），保溫后緩慢冷卻，目的是消除應(yīng)力，降低硬度，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火做好組織準備。
　　退火的方式較多，如擴散退火、完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、鍛后余熱等溫退火等。
　　2．正火
　　正火是將工件加熱至Ac3或Acm+40～60℃，保溫一定時間，達到奧氏體化和均勻化后在自然流通的空氣中均勻冷卻的方式。正火能調(diào)整鋼件的硬度、細化組織及消除網(wǎng)狀碳化物，并為淬火做好組織準備。正火常用于改善材料的切削性能，也有時作為一些要求不高的零件的最終熱處理。
　　3．淬火
　　淬火是將工件加熱至Ac3或Ac1+20～30℃，保溫一定時間后，在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬火介質(zhì)中快速冷卻，以獲得均勻細小的馬氏體組織和粒狀滲碳體混合組織。淬火可提高鋼件硬度和耐磨性，但同時也會變脆，因此，一般淬火后要經(jīng)中溫或高溫回火，以獲得良好的綜合力學(xué)性能。
　　淬火的方式一般有單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火等。
　　4．回火
　　回火是將淬火后的鋼件重新加熱至Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，再進行冷卻的工藝�；鼗鹁哂薪档弯摷�脆性、消除內(nèi)應(yīng)力、減少工件的變形和開裂、提高塑性和韌性、穩(wěn)定工件尺寸的作用。
　　回火的方式有低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。
　　退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝，讀者可查閱相關(guān)資料。
　　1.2.2 表面熱處理
　　表面熱處理是僅對工件表面進行熱處理，以改變其組織和性能的熱處理工藝。其中表面淬火應(yīng)用最為廣泛。
　　表面淬火是通過加熱感應(yīng)線圈使工件表面迅速加熱升溫到臨界溫度以上，然后快速冷卻的熱處理工藝。表面淬火只改變工件表層一定深度的組織和性能，并未改變表層與心部的化學(xué)成分，因此，對于需要表面具有較高硬度和耐磨性、心部要求具有足夠塑性和韌性的零件就需要用表面淬火工藝，如凸輪軸、曲軸、床身導(dǎo)軌等。
　　按照加熱方式的不同，表面淬火主要有感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和激光加熱表面淬火等。
　　1．感應(yīng)加熱表面淬火
　　利用感應(yīng)電流使零件表面在交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流和集膚效應(yīng)，以渦流形式將零件表面快速加熱，而后急冷的淬火方法。根據(jù)感應(yīng)電流的使用頻率不同，可以分為超高頻（27MHz）、高頻（200～250kHz）、中頻（2500～8000Hz）和工頻（50Hz）四種方式。
　　感應(yīng)加熱表面淬火的特點是：
　�。�1）加熱速度快，熱效率高。
　�。�2）零件表面氧化脫碳少，與其他熱處理相比，廢品率極低。
　�。�3）零件脆性小，表面的硬度高，心部能保持較好的塑性和韌性，同時還能提高零件的力學(xué)性能。
　�。�4）不僅應(yīng)用于零件的表面淬火，還可以用于零件的內(nèi)孔淬火。
　�。�5）生產(chǎn)過程清潔、無高溫、設(shè)備緊湊、占地面積小、使用簡單、勞動條件好。
　　2．火焰加熱表面淬火
　　利用氧-乙炔氣體或可燃氣體（天然氣、石油氣、焦?fàn)t煤氣等）以一定比例混合進行燃燒，形成強烈的高溫火焰，將零件迅速加熱至淬火溫度，然后急速冷卻（用水或乳化液做冷卻介質(zhì)）的工藝。
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