机械加工及热处理知识培训.docx
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机械加工及热处理知识培训
机械加工及热处理知识培训
第一部分金属分类与金属性能
在机械制造中，大多数的零件制造都是由各种金属材料制成的。
为了合理的使用和加工金属材料以充分发挥其性能潜力，必须充分了解和掌握金属材料的基本性能。
一、金属和金属材料的分类
金属具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有表面光泽的物质，如铁、铝和铜等。
金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料组成的、并具有金属特性的工程材料。
包括纯金属和合金。
金属材料一般按其化学成份分为黑色金属和有色金属两大类：
黑色金属以铁或以铁为主而形成的物质，称为黑色金属。
它包括纯铁、碳素钢、合金钢和铸铁。
有色金属除黑色金属以外的其他金属，称为有色金属。
按照它们的特性不同，又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属和放射金属等。
在机械制造工业中，常用的金属材料如下图所示：
碳素结构钢
碳素钢碳素工具钢
铸造碳钢
金属结构钢
合金钢合金工具钢
黑色金属特殊性能钢
铸造合金钢
灰铸铁
铸铁可锻铸铁
球墨铸铁
蠕墨铸铁
金属纯铜
铜及其合金黄铜
青铜
白铜
纯铝
铝及其合金变形铝合金
有色金属铸造铝合金
锡基轴承合金
轴承合金铅基轴承合金
铝基轴承合金
钛及其合金
二、金属的物理性能和化学性能
（一）物理性能
金属材料在各种物理条件作用下所表现的性能称为物理性能。
它包括：
密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。
常用金属的物理性能见表1
表1常用金属材料的物理性能
金属
名称
符号
密度（200C）
/kg/m3
熔点
/0C
热导率λ
/W/m.k
线胀系数α1
/10-6/0C（0-1000C）
电阻率ρ
/10-6Ω.com
银
Ag
10.49×103
960.8
418.6
19.7
1.5
铜
Cu
8.96×103
1083
393.5
17
1.67-1.68（200C）
铝
Al
2.7×103
660
221.9
23.6
2.655
镁
Mg
1.74×103
650
153.7
24.3
4.47
钨
W
19.3×103
3380
166.2
4.6（200C）
5.1
镍
Ni
4.5×103
1453
92.1
13.4
6.84
铁
Fe
7.87×103
1538
75.4
11.76
9.7
锡
Sn
7.3×103
231.9
62.8
2.3
11.5
铬
Cr
7.19×103
1903
67
6.2
12.9
钛
Ti
4.508×103
1677
15.1
8.2
42.1-47.8
锰
Mn
7.43×103
1244
4.98（-1920C）
37
185（200C）
1、密度：
物质单位体积的质量称为该物质的密度，用符号ρ表示。
密度是金属材料的一个重要物理性能，体积相同的不同金属，密度越大，其质量也越大。
在日常应用中，往往根据不同的要求，选用不同密度的材料。
2、熔点：
金属从固态转变为液态的最低温度，即材料的熔化温度称为熔点。
3、导热性：
金属材料传导热量的性能称为导热性。
常用热导率λ表示。
常见金属的热导率见表1，一般说来金属及其合金的导热性远高于非金属。
金属材料的热导率越高，说明导热性越好。
金属中银的导热性最好，铜、铝次之。
金属的导热性对焊接、锻造、热处理等工艺影响较大，导热性好的金属在加热和冷却过程中不会产生过大的内应力，可防止工件变形和开裂。
4、导电性：
金属材料传到电流的性能称为导电性，以电导率表示，但常用其倒数——电阻率ρ表示。
金属材料的电阻率越小，导电性越好。
5、热膨胀性：
金属材料在受热时体积增大，冷却时体积缩小的性能称为热膨胀性。
热膨胀性的大小常用线膨胀系数来表示。
常见金属线膨胀系数见表1，体积膨胀系数近似为线膨胀系数的3倍。
6、磁性：
金属材料的导磁性能称为磁性。
不同的金属材料，其导磁性能不同。
常用金属材料中，铁、镍、钴等具有较高的磁性。
称为磁性材料；铜、铝、锌等没有磁性，称为抗磁金属。
（二）化学性能
金属的化学性能是指在室温或高温下抵抗外界介质化学的侵蚀能力，包括耐腐蚀性和抗氧化性。
耐腐蚀性
多数金属材料会与其周围的介质发生化学作用而使其表面被破坏，如钢铁会生锈，铜会产生铜绿等，这种现象称为锈蚀或腐蚀。
金属的耐蚀性就是指它在常温下抵抗大气、水蒸气、酸及碱等介质的腐蚀能力。
非金属材料的耐蚀性远远高于金属材料。
提高材料的耐蚀性，对于节省材料和延长构件的使用寿命具有现实的经济意义。
抗氧化性
金属材料在高温下容易被周围环境中的氧气氧化而遭破坏，金属材料在高温下抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。
在高温环境工作的设备（如锅炉、汽轮机、汽车发动机等）上的一些部件极易因氧化而失去使用性能，所以，对长期在高温下工作的部件，应采用抗氧化性好的材料来制造。
一般金属材料的耐蚀性和抗氧化性都不是很好，为了满足化学性能要求，必须使用特殊的合金钢或某些有色合金。
三、金属的力学性能
金属的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧性以及疲劳强度，它们是衡量材料性能极其重要的指标。
1、弹性和刚度
材料在外力作用下会或多或少地产生变形，当所受外力去除后能恢复其原来形状的能力，成为弹性。
这种随着外力去除而消失的变形称为弹性变形，其大小与外力成正比。
材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
2、强度
材料在外力的作用下抵抗变形与断裂的能力称为强度。
根据外力的作用方式不同，强度有多种指标，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度。
通常多以抗拉强度为代表对材料进行分析。
3、塑性
材料在外力的作用下，长生永久变形而不被破坏的性能称为塑性。
伸长率δ和断面收缩率ψ是拉伸条件下，衡量金属变形能力的性能指标。
4、硬度
硬度是材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，也可以说是抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
它是材料的重要性能之一，与其它强度指标和塑性指标之间有着内在的联系，硬度值可以间接反映金属强度及金属在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异等。
通常，材料越硬，其耐磨性越好。
机械制造所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。
有些零件如齿轮等，也要求具有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。
布氏硬度：
钢球直径2.5mm、5mm、10mm压入试样压痕直径来表示其硬度值。
检查相对较软的材料。
洛氏硬度：
用直径为1.588mm的淬火钢球或顶角为120的金刚石圆锥压入试样后留下的深度来确定材料的硬度值。
检查各种材料。
维氏硬度：
材料相对较硬，洛氏硬度检查后试样不便比较时，采用维氏硬度检测，检测原理与布氏硬度检测相似，它是用顶角为136的金刚石正四棱椎体，在一定压力大小来计算硬度值得。
可用于测定极硬或极软的各种材料。
5、冲击韧性
6、断裂韧性
断裂韧性就是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。
7、疲劳强度
四、铁碳相图（铁碳平衡图）
铁碳合金相图表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。
A1538
HB
J
N1394
D
液+奥C液+渗
E1148F
奥氏体
G912
奥+铁奥+渗奥+莱+渗
P727S
铁+珠珠+渗珠+莱+渗渗+莱
Q0.772.04.36.69
图2Fe-Fe3C相图
1、铁碳合金的相及组织
在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以形成混合物。
在铁碳合金中有以下几种基本组织：
铁素体：
碳溶解在α--Fe中形成间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。
铁素体的含碳量低，α--Fe的最大溶碳量为0.0218%，因此其性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度较低。
铁素体在7700C以下具有磁性，在7700C以上则失去磁性。
奥氏体：
碳溶解在γ-Fe中形成间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。
奥氏体的溶碳能力较强，在11480C时溶碳量可达2.11%，随着温度的下，降溶解度逐渐减少，在7270C时溶碳量为0.77%。
奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温锻造和轧制是所要求的组织。
渗碳体：
渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，其化学式为Fe3C。
渗碳体的熔点为12270C，硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧性几乎为零，是一个硬而脆的组织。
在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现于组织中，对钢的力学性能影响很大。
珠光体：
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。
在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为0.77%。
由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以，其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上是两者性能的平均值，因此珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
莱氏体：
莱氏体是含碳量为4.3%的铁碳合金，在11480C时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物。
用符号Ld表示。
由于奥氏体在7270C时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，用符号L1d表示。
莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。
第二部分机械加工基础知识
一、金属切削过程的基本规律
（一）切削加工的基本概念
1、切削运动与切削用量
切削运动就是工件与刀具之间的相对运动。
各种切削加工方法的切削运动都是由一些简单的直线运动和旋转运动组合而成的。
切削运动按其作用可分为以下两种：
a主运动：
使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动，称为主运动。
主运动的速度最高，所消耗的功率最大。
在切削运动中，主运动只有一个，它可以由工件完成，也可以由刀具完成；可以是直线运动，也可以是旋转运动。
b进给运动：
不断的把被切削层投入切削过程，以便形成全部已加工表面的运动。
进给运动一般速度较低，消耗的功率较少，可由一个或多个运动组成。
可以是连续的，也可以是间断的。
2、切削时的工件表面
在切削过程中，工件上通常存在三个表面：
待加工表面：
工件上即将被切除的表面；
已加工表面：
工件上经刀具切削后形成的表面；
过度表面：
工件上被切削刃正在加工的表面。
它总是处在待加工表面和已加工表面之间。
3、切削层参数
切削层是指由刀具在切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层。
外圆车削时的切削层就是工件转一转，主切削刃移动一个进给量f所切除的一层金属层。
切削层的公称厚度hD垂直于过度表面测量的切削尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。
它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。
切削层公称宽度bD沿过渡表面测量的切削层尺寸。
它反映了切削刃参加切削的工作长度。
切削层公称横截面积AD切削层在切削层尺寸平面内的实际横截面积。
（二）切削过程的金属变形
1、金属材料切屑的形成
试验和理论表明，切屑的形成过程是切削层在受到刀具前刀面的挤压后而产生的以滑移为主的塑性变形过程。
当刀具前刀面推挤切削层时，在切削层内产生应力场，离切削刃愈近，应力愈大。
当应力超过该部位的屈服强度时，产生塑性变形。
切削层的材料经过一个过程的剪切变形区而变成切削，该剪切区通常又称为第I变形区。
剪切区内的剪切线与自由表面的交角为450。
在一般切削速度范围内，这一变形区的宽度仅为0.02-0.2mm，因此，可以视为一个剪切平面，称为剪切面。
当切削层的金属经剪切滑移后变成切削沿前刀面流出时，又受到前刀面的挤压而产生剧烈摩擦，使切削进一步变形，这就形成了第II变形区。
积屑瘤、刀具磨损等现象主要取决于第II变形区。
切削过程中，工件已加工表面由于受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，也会产生很大的变形，这就是第III变形区。
由于强烈的变形，将使工件表面形成加工硬化，产生表面残余应力，甚至会伴随出现微裂纹而严重影响工件的表面加工质量和工件使用性能。
2、积屑瘤
在中等较低的切削速度下切削塑性金属时，常常会发现一小块很硬的金属粘附在靠近切削刃的前刀面上，并代替前刀面和切削刃进行切削，这就是积屑瘤。
积屑瘤产生的原因：
切削时，由于前刀面与切屑间的压力很大，切削温度也很高，故在切屑底层形成了滞留层。
在一定的压力和温度下，底层的滞留层就会与切屑分离并粘结（冷焊）在前刀面上，形成第一层积屑瘤。
由于切屑在不断的连续流出，新的滞留层又粘结在冷焊层上。
如此层层堆积，积屑瘤就不断长大。
积屑瘤长到一定高度后，切屑与前刀面的接触条件和受力情况发生变化，就会停止继续生长。
当切削过程出现冲击、振动或切削力发生变化时，积屑瘤就会局部破裂或整体脱落。
积屑瘤对切削过程的影响：
有利的一面：
代替刀具切削，对刀具有一定的保护作用；积屑瘤可使刀具的实际前角增大，使切削力减小。
不利的一面：
使切削层公称厚度增大，可能会引起振动；积屑瘤的破碎，会使工件表面产生犁沟，影响工件表面质量。
防止产生积屑瘤的措施：
加工时控制切削速度，尽量使用很低或很高的切削速度进行切削；对材料进行处理，提高其加工性能；增大刀具的前角，减小进给量，提高刀具表面刃磨质量、选用润滑性能良好的润滑液等。
3、切屑的形态
带状：
挤裂切屑：
单元切屑：
崩碎切屑：
3、自由与非自由切削、直角与斜角切削的概念
自由：
刀具在切削过程中，如果只有一条直线刀刃参与切削工作，就称为自由切削。
非自由：
直角：
直角切削是指刀具主切削刃的刃倾角等于零时的切削，此时主切削刃与切削速度方向成直角，因此称为直角切削或称为正交切削。
如刨削加工。
斜角：
（三）、切削力与切削功率
1、切削力与切削功率的概念
切削力：
切削加工时，在刀具的作用下，被切削层金属、切屑和工件已加工表面都要产生弹性变形和塑性变形，这些变形所产生的抗力分别作用在前刀面和后刀面上；同时由于切屑沿前刀面流出，刀具与工件之间有相对运动，所以还有摩擦力作用在前刀面和后刀面上。
这些作用在刀具上的合力就是总切削力，简称切削力。
切削功率：
消耗在切削过程中的功率称为切削功率。
2、影响切削力的因素
工件材料、切削深度、切削速度、前角、主偏角、刀倾角、刀尖圆弧半径、刀具材料、切削液、刀具磨损
（四）、切削热与切削温度
二、切削刀具的基本知识
三、机械加工质量
（一）机械加工精度
1、概述
加工精度
原始误差：
原理误差：
由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓而产生的误差；
调整误差：
调整的作用主要是使刀具与工件之间达到正确的相对位置，由于调整不可能绝对准确，因而产生调整误差。
装夹误差;
测量误差
夹具的制造误差与磨损：
刀具的制造误差与磨损：
机床的制造、安装误差及磨损：
2、影响加工精度的主要因素与改善措施
（二）加工表面质量
四、机械加工工艺规程制订
五、机械加工常用设备
第三部分热处理基础知识
（一）退火
1、低温退火：
工艺特点：
加热温度：
＜A1，碳钢及低合金钢550-6500C,高合金工具钢600-7500C，加热速度：
100-1500C/h，保温时间3-5min/mm，冷却速度：
50-1000C。
组织性能变化：
消除锻、铸、焊及切削加工过程中的内应力，使其达到稳定状态。
适用范围：
锻、铸、焊、机械加工等各类金属材料制品。
2、再结晶退火
工艺特点：
加热温度＞TR+150-2500C（TR≈0.4TM），保温时间：
0.5-1h，冷却：
空冷。
组织性能变化：
发生回复再结晶过程，使变形晶粒为细小等轴晶粒，消除冷作硬化效应及内应力。
适用范围：
经冷加工成形的各类制品。
3、扩散退火
工艺特点：
加热温度＞AC3、Acm，在固相线以下高温加热。
碳钢1100-12000C，保温时间：
十几小时到几十小时，冷却速度：
同完全退火。
为细化晶粒往往还需补充退火。
组织性能变化：
均匀化学成分，消除、改善显微组织的偏析。
适用范围：
铸锭或铸件
4、完全退火
工艺特点：
AC3+30-500C，加热速度：
碳钢2000C/h，低合金钢：
1000C/h，高合金钢：
500C/h，保温时间：
碳钢1.5-2min/mm，冷却：
＜3000C空冷。
组织性能变化：
细化晶粒，降低硬度，提高塑性，消除内应力。
适用范围：
亚共析钢铸锻件，碳的质量分数为0.3-0.8%。
5、等温退火
工艺特点：
加热温度：
视对组织的要求而定，可与完全退火相同或与球化退火加热温度相同（AC3-AC1），等温温度：
由钢材成分及退火后硬度要求而定，等温后冷却：
可空冷到室温，大件需要缓冷到＜5000C空冷。
组织性能变化：
同完全退火，可按工艺要求获得片状或粒状珠光体。
适用范围：
碳的质量分数为0.3-0.8%的亚共析钢铸锻件，碳的质量分数为0.8-1.2%过共析钢的球化退火。
淬透性好的钢。
6、球化退火
工艺特点：
加热温度＜Acm，①加热到略高于AC1，长时间保温后缓冷到小于5000C.。
②加热到AC1+（20-30）0C，烧透后快冷到Ar1-（20-30）0C保温，反复循环数次后缓冷到小于5000C。
③等温球化退火，加热到AC1+（20-30）0C，再快冷到Ar1以下保温，然后可空冷。
组织性能变化：
使碳化物球化，可改善共析、过共析钢的切削加工性能，降低硬度。
适用范围：
共析、过共析钢的锻轧件
（二）、正火
碳钢正火工艺确定原则
钢种
加热规范
冷却方法
目的及应用范围
低碳钢
AC3+（50-70）0C
1、一般在静止空气中冷却；
2、需获得较高硬度及过共析消除网状碳化物时，可在流动空气中或喷雾中冷却
提高硬度，利于切削，消除魏氏组织
中碳钢
AC3+（50-70）0C
细化晶粒，均匀组织，去应力，也可作心部要求低韧性件的最终热处理
高碳钢
AC3+（50-70）0C
Acm+（50-70）0C
消除网状渗碳体或块状渗碳体
过共析钢为球化退火做准备
（三）、退火、正火操作
退火、正火操作
程序
具体操作
装炉前准备工作
1、检查设备仪表是否正常，预先清理打扫炉膛；
2、核对零件的形状、尺寸、材料，是否与图样相符。
必要时打光谱、麽火花验证材质。
熟悉零件工艺规程及技术要求；
3、选择合适的工装夹具及捆扎零件用的铁丝规格、数量；
4、空气炉退货时零件表面应进行保护以防止氧化脱碳，装箱退货可用铸铁屑、砂子、木炭填充装入工件箱内。
一般新旧铸铁屑比例为3：
7，新铁屑应在6000C左右烘烤0.5小时以上去油污，两种以上铁屑按比例均匀搅拌，筛去杂物后方可使用。
防止零件表面氧化也可用有机滴剂或保护气体保护。
用砂子和质量分数为5%的木炭渣（粒度3-5mm）混合使用时，也需烘干；
5、工件装箱退火时，先在箱底铺一层20-30mm铸铁屑（砂子），工件距箱壁20-30mm，距箱盖30-40mm，工件间保留5-10mm间隙，箱盖周围用耐火泥或粘土封存，经干燥后才能入炉；
6、对没有氧化、脱碳要求的工件，可直接入炉退火；
7、盐浴炉淬火返修件，应先清洗盐渍后经退火或正火，再返修淬火。
工件装炉
1、一般电炉断电后打开炉门，工件入炉。
为缩短时间，钢件可在中温、高温进炉，铸铁件低温进炉；
2、工件或工件箱离炉壁50mm以上，火焰炉的火焰不得对准工件，工件离炉口150mm以上；
3、空气炉工件堆放高度不得超过炉膛的1/3，不得碰撞顶部热电偶，盐浴炉工件不准靠近电极；
4、关炉门前应再次检查工件，不得与电热元件相接触。
关炉门后方可送点升温，按工件的加热温度调控好控温仪表位置，并经常对炉温进行目测、监控和记录，中途不得随意打开炉门。
工件出炉
1、完成工艺规定的保温并冷却到一定温度后，即可停电关闭仪表。
拔出热电偶，打开炉门，将工件装到车上或筐中运到安全地带空冷，撒放工件时地面应干燥；
2、正火工件应均匀撒放在干燥地面冷却，不得堆放，要求硬度高时应在空气或喷雾中冷却，为消除大件网状碳化物允许先在油中冷却到7000C左右再出油空冷。
注意事项
1、操作者应经常通过窥视孔目测炉温均匀性，发现异常立即处理；
2、仪表工应经常校对仪表误差，检测炉膛前后、上下、中间温度偏差，以便及时调整炉温；
3、零件形状复杂，装炉量大，可以阶梯升温，常在500-6000C保温1-2小时继续升温。
装炉量大时，保温时间要延长，装箱退火时，保温时间可以按照箱体外径计算。
操作时当仪表到温后开始计算保温时间；
4、细长件、薄壁件装炉时要防自重变形，要保证炉气循环。
（四）退火、正火常见缺陷与对策
退火、正火常见缺陷与对策
缺陷
名称
产生原因
对策
硬度高
1、加热温度高，冷却速度过快，等温温度过低。
时间过短，使过冷奥氏体转变温度过低或转变不完全引起；
2、金相检查发现有托氏体、贝氏体、马氏体组织。
重新退火如等温退火、低温退火或球化退火
黑脆
1、金相检验发现一部分渗碳体转变成石墨，工件一折即断；
2、退火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢；
3、钢中含硅量过高，含锰过低，含促进石墨化杂质（如铝较高）引起。
常见于高碳钢及高碳合金钢
发现黑脆报废
粗大魏氏组织
1、原始晶粒粗大；
2、加热温度过高；
3、先共析相（亚共析钢铁素体，过共析钢渗碳体）沿奥氏体一定晶面析出，形成魏氏组织。
重新正火消除。
对于低碳钢严重的魏氏组织常用两次正火消除，第二次比第一次温度低
网状
组织
1、加热温度太高；
2、冷却速度较慢，形成网状铁素体或渗碳体。
重新退火、正火
反常
组织
在A1附近冷速过低或在A1以下长期保温，在先共析铁素体晶界上出现粗大渗碳体或在先共析渗碳体周围出现宽的条状铁素体。
重新退火或正火
球化
不均匀
1、球化退火前未消除网状碳化物；
2、存在粗大块状碳化物。
过共析钢重新正火并球化退火
过热
过烧
加热温度过高，使晶界氧化或局部熔化。
过热重新正火、退火处理，过烧报废
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