机械中级职称培训班第五次课笔记Word文档格式.docx
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碳多以片状形式存在。
具有高的抗压强度、优良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性。
应用：
HT150、HT200、HT300、HT350等主要用于制造汽车、拖拉机中的汽缸、汽缸套、机床的床身等承受压力及振动的零件。
其中HT300和HT350称为变质铸铁（或孕育铸铁），可制造压力机的机身、重负荷机床的床身、高压液压筒等机件。
球铁中的石墨呈球状，石墨球越细，分布越均匀，则球铁的力学性能越高。
它既有灰铸铁优点，又具有中碳钢的抗拉强度、弯曲疲劳强度及良好的塑性与韧性。
此外，还可以通过合金化及热处理来提高它的性能。
QT400-18、QT400-15主要做汽车、拖拉机底盘零件。
可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用小，故其强度、塑性及韧性比灰铸铁高，但并不能锻造。
KTH300-06适用于制造弯头、三通；
KTH330-08适用制造螺丝扳手、犁刀等；
KTZ450-06适用制造凸轮轴、连杆、活塞环、万向接头等。
它的碳主要以蠕虫状石墨形态存在，其形状形似蠕虫。
其力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间。
其铸造性能、减震能力以及导热性能都优于球铁，并接近灰铸铁。
RUT420适用于制造在热循环载荷条件下工作的零件，如柴油机汽缸、刹车件等。
在熔炼时有意加入一些合金元素制成合金铸铁（或称特殊性能铸铁）。
与相似条件下使用的合金钢相比，熔炼简单，成本低廉。
种类：
耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁
材料选择——有色金属
有色金属的概念和种类
有色金属——除钢铁材料以外的金属或合金统称为有色金属（或称为非铁金属。
）
特点——有色金属及其合金与钢铁材料相比具有许多优良特性，如特殊的电、磁、热性能、耐腐蚀性及高的比强度等。
如铜具有优良的导电、导热、抗蚀、抗磁性等性能。
铝及铝合金
铜及铜合金
铝及其铝合金
工业纯铝（含Al99.7%~98%）
密度小、强度低、导电性和导热性好，抗大气腐蚀性好。
制作导线、装饰品（灯具）及日常生活用品等。
铝合金
变形铝合金——分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金
铸造铝合金——主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系及Al-Zn系等。
铝及其合金
变形铝合金
防锈铝合金[牌号5A05、3A21（旧牌号LF5、LF21）]
抗蚀性好、塑性好、易于变形加工、焊接性好，但切削性差。
容器、管道、飞机蒙皮、冲压零件等。
硬铝[2A01、2A12（LY1、LY12）]
主要加入Cu、Mg、等元素，可通过时效处理提高其强度和硬度，又可以进行变形强化，但防腐蚀能力较低。
在航空工业应用广泛（如飞机蒙皮、挤压螺旋桨、叶片等）
超硬铝[7A04（LC4）]
主要加入Cu、Mg、Zn等元素，硬度比硬铝高，切削性能良好，但耐蚀性更差。
用于制造外形复杂的锻件和模锻件。
如飞机的大梁、起落架部件等。
锻铝[2A50（LD5）]
在加热状态下有良好的塑性和耐热性，具有良好的锻造性能。
适于进行锻压、挤压、轧制、冲压等。
用于制造飞机上的接头、框架、支杆等。
铸造铝合金
铸造性能好，可铸造形状复杂的零件毛坯。
抗蚀性好和良好的切削加工性能。
类型：
根据加入元素不同分为四类
Al—Si系如ZAlSi7Mg（ZL101）Al—Mg系如ZAlMg10（ZL301）
Al—Cu系如ZAlCu5Mn（ZL201）Al—Zn系如ZAlZn11Si7（ZL401）
其中Al-Si系合金的力学性能和铸造性能较好得到广泛应用。
一般用来制造低、中强度的形状复杂铸件，如缸体、变速箱等。
尤其是ZL108和ZL109合金，由于密度小、抗蚀性好、线膨胀系数小、强度和硬度高，耐磨性和耐热性较好，因而常用于制造活塞。
铜及其铜合金
特点——铜具有良好的导电性、导热性和抗蚀性，在冷态和热态下具有良好的塑性。
纯铜——工业纯铜强度低，不宜做结构材料，一般加工成棒、线、板、管等制品供应，用于制造电线、电缆、电器零件及熔制各种铜合金。
常用纯铜代号为：
T1、T2（含Cu99、90%）、T3、T4（含Cu99、50%）.
铜及其合金
铜合金
铜合金——具有较高的强度及其他特殊性能，通常用于制作耐磨、抗蚀、导电和导热的零件。
普通黄铜——铜和锌的合金。
一般分为：
单相黄铜——如H68、H70；
塑性好、强度低；
大量用枪、炮弹壳、有“弹壳黄铜”之称。
双相黄铜——如H62、H59；
热塑性好适于热加工，一般经热轧制成棒材、板材。
主要用于水管、油管、散热器等。
特殊黄铜——根据加入元素不同有铝黄铜、铅黄铜等。
特别是铝黄铜强度高，塑性良好，抗蚀性也较高，如HAl159-3-2。
钟表、船舶零件、涡轮、电机及化学工业中广泛应用。
青铜——是铜和锡的合金。
锡青铜——以锡为主要加入元素的铜合金称为锡青铜。
如QSn4-3、QSn6.5-0.4。
主要用于制造弹性元件，轴承等耐磨零件，抗磁及耐蚀零件。
无锡青铜——将含Al、铍（Be）、铅（Pb）、Mn、Si等的铜合金称为无锡青铜。
强度高、耐磨性好，受冲击力不产生火花。
如：
QAl15、QA19-4。
QAl15用于制造要求高耐蚀的弹簧及弹性元件；
QA19-4用于制作齿轮、轴承、轴套等。
铍青铜
具有高的硬度、强度、耐磨性、弹性极限、抗蚀性、导电性，并且耐低温、无磁性、受冲击不起火花，以及良好的冷、热加工性能。
各种精密仪表的重要弹性元件、耐磨零件（如钟表、齿轮、轴承等）等。
常用的铍青铜有QBe2、QBe1.7。
材料的选用
根据材料的使用性能选材
根据材料的工艺性能选材
根据材料的经济性选材
材料的使用性能——指机械零件（或构件）在正常工作情况下材料应具备的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能），它是选材最主要的依据。
方法
分析零件的工作条件，确定使用性能
零件受力情况：
载荷类型；
载荷大小及分布情况。
零件的工作环境：
温度、介质。
零件的特殊性能要求：
电、磁性能、密度等。
（若零件尺寸相同，则材料的密度↑，零件的质量↑）
进行失效分析，它是确定零件的主要使用性能。
失效——机械零件丧失正常的工作能力称为失效。
失效的形式：
过量变形、断裂、表面损伤。
根据零件使用性能要求提出材料性能（力学、物理、化学性能）的要求。
通常所指材料的工艺性能主要有：
铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能、热处理性能。
金属铸造性能——主要指材料的流动性、收缩性、偏析（即成分不均匀）、吸气性等。
铸造性能较好的材料有铸铁、铸钢、铸造铝合金和铜合金等，铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，而铸铁的铸造性能又优于铸钢。
金属压力加工性能——主要包括：
锻造性能、冷（热）冲压性能等。
（低碳钢的压力加工性能比高碳钢好，而碳钢比合金钢好）
金属焊接性能——主要指焊缝区形成冷裂或热裂及气孔的倾向。
低碳钢的焊接性能好，高碳钢的焊接性能差。
金属机械加工性能——主要指切削加工性、磨削加工性等。
切削加工性——是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。
（钢中的易切削钢的切削加工性能最好；
而奥氏体不锈钢及高碳合金钢的切削加工性能较差）
金属热处理工艺性能——指材料的淬透性、变形开裂倾向、加热过程中的氧化和脱碳倾向等。
合金钢的热处理工艺性能比碳钢好。
在满足使用性能和工艺性能的前提下，一定要重视经济性能，以降低零件的总成本。
零件的总成本包括
制造成本——材料价格、零件自重、零件加工费、试验研究费等。
附加成本——零件寿命、即更换零件和停机损失费及维修费等。
在保证零件使用性能的前提下，尽量选用价格便宜的材料，可降低零件总成本。
机械专业基础与实务
3.2工程材料
基本要求：
掌握常用金属材料的性能及其选用。
熟悉常用金属材料的热处理原理、方法及其选用。
了解常用工程塑料、特种陶瓷、光纤和纳米材料种类及其应用。
了解常用金属材料的晶体结构、铁碳合金相图和试验方法。
3.4.5铸造
3.4.6压力加工
3.4.7焊接
3.4.8表面处理
熟悉铸造、压力加工、焊接和表面处理机械制造工艺的基本知识、常用方法、特点与应用。
工程材料
机械工程材料概念及分类
机械工程材料：
用来制造各种机械零件的材料统称为机械工程材料。
机械工程材料分为两大类：
金属材料：
钢、铸铁、有色金属（如铜、铝）等。
非金属材料：
工程塑料、陶瓷、橡胶、光学纤维、纳米材料等。
金属材料
材料特性（力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能）
晶体结构（晶体特性、金属的晶体结构、金属的结晶、金属在固态下的转变、合金的相结构）
铁碳合金相图（典型的铁碳合金结晶过程分析、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响、铁碳合金相图的应用）
试验方法（拉力试验、冲击试验、硬度试验等）
材料选择（使用性能、工艺性能、经济性能）
材料特性
金属材料的主要性能
使用性能：
指金属材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能、化学性能。
一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的依据，这是我们重点要掌握的内容。
工艺性能：
指材料在加工过程中反映出来的性能。
（金属材料使用某种工艺方法，如：
机械加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理工艺性能等进行加工的难易程度。
力学性能的概念及主要指标
金属材料的力学性能：
是指金属材料在常温下，抵抗外加载荷（或称外力）作用下表现出来的性能。
表示金属材料力学性能的主要指标有五个：
强度
塑性
硬度
冲击韧性（或冲击韧度）
抗疲劳性（或疲劳强度）
力学性能
强度的概念及分类
强度：
是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。
表示材料强度的指标有两个：
屈服强度（бs）——表示材料产生屈服现象时的应力。
条件屈服强度（б0.2）——对拉伸过程中屈服现象不明显的材料（如铸铁）按GB228-87规定以伸长率为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，用б0.2表示。
抗拉强度（бb）——表示材料被拉断前所承载的最大应力。
бb是零部件设计和评定材料时的重要强度指标。
塑性的概念及指标
塑性：
是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
表示塑性的两个指标：
伸长率（δ）——试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。
断面收缩率（Ѱ）——试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
注：
当材料的δ↑和Ѱ↑值愈高时表示材料的塑性愈好。
一般δ达
5%，Ѱ达10%就可满足绝大多数零构件的要求。
硬度的概念及主要测定指标
硬度：
是指金属材料抵抗更硬的物体压入表面的能力。
根据测定硬度方法的不同，可用布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）等多种硬度指标表示材料的硬度。
布氏硬度（HBS）——用淬火钢球做压头时，用HBS表示。
适用测量布氏硬度小于450材料。
布氏硬度（HBW）——用硬质合金球作压头时，用HBW表示。
适用测量布氏硬度值在450-650的材料。
适用范围——布氏硬度特别适用测定灰铸铁、钢件退火、正火和调质钢的硬度。
优点——测量数据稳定，重复性强。
缺点——压痕较大，不适用成品检验。
洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）——以测量压痕深度来表示材料的硬度值。
常用的三种测试方法中HRC用得最多。
适用范围——常用于检验钢淬火后的硬度。
优点——操作简便迅速，压痕较小，可在工件上直接打硬度。
缺点——压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度大。
如60HRC，数字为硬度值，表示洛氏硬度60。
维氏硬度（HV）——测量原理基本以布氏硬度相同.适用范围——测量较薄的材料、表面硬化层及金属镀层的硬度。
优点——所用载荷小，压痕深度浅，测量精度高，范围大。
缺点——操作复杂，效率低，不宜用做大批量检测。
由于压痕小致使所测硬度重复性差，分散度大。
冲击韧性的概念及特点
冲击韧性——是指在冲击载荷作用下，金属材料抵抗变形和断裂的能力。
其值以“ak”来表示。
冲击韧性的特点：
金属材料的ak值越大，它的韧性就越好，在受到冲击时越不容易断裂。
材料的冲击韧性值可以用冲击实验方法测定。
疲劳强度的概念及提高材料疲劳强度的方法
疲劳强度：
是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用来表示材料抵抗疲劳断裂的能力。
工程上规定，材料在循环应力作用下达到某一基数而不断裂，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。
用“б-1”表示。
提高材料疲劳强度的方法：
在生产中常采用各种材料表面强化处理技术如：
喷丸、滚压、渗碳、渗氮和表面淬火等。
此外，减小零件表面粗糙度也可以显著地提高材料的疲劳极限。
材料的疲劳强度可以用疲劳实验机进行测定。
金属材料的物理、化学及工艺性能
物理性能
金属材料主要的六种物理性能：
比重
熔点
热膨胀性
导热性
导电性
磁性
机器零件用途不同，对其物理性能的要求也不同。
例如：
飞机、导弹零件为减轻自重则选用比重小的，强度高的铝合金制造。
电器零件要求导电性。
制造变压器选用硅钢片，要求具有良好磁性。
物理性能对加工工艺也有影响，如导热性差的材料，在经热处理或锻压工艺加工的加热速度应缓慢些，防止产生裂纹。
在铸造中，对熔点不同的材料，所选择的浇注温度也有所不同。
熔点低的金属，铸造性能好，对铸造工艺有利。
化学性能
化学性能——是指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。
化学性能种类：
耐酸性
耐碱性
抗氧化性。
工艺性能
工艺性能——是指材料加工成形的难易程度。
工艺性能种类：
铸造性能（可铸性）
压力加工性能（可锻性）
焊接性能（可焊性）
机械加工性能（切削加工性）
热处理工艺性能（热处理性）
晶体结构
物质的构成及分类
物质的构成：
物质是由原子构成的。
物质的分类：
根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体与非晶体两大类。
晶体的特性
晶体—内部原子呈规则排列的物质称为晶体。
（如：
固态金属）
（1）晶体具有一定的熔点
（2）规则的几何外形
（3）各向异性（晶体在不同方向上测量其性能时，表现出或大或小的差异）
非晶体—凡是内部原子无规则排列的物质称为非晶体。
松香、玻璃等）
金属的晶体结构
晶体结构、晶格和晶胞的概念
晶体结构：
是晶体内部原子排列方式及特征。
晶格：
为了便于研究和描述晶体内原子的排列规律，通常把原子当作刚性小球，并将其看作平衡位置上静止不动，用假想的直线将原子振动中心连接起来，形成一个空间格子。
晶胞：
晶体中原子排列具有周期性，可从晶格中选取一个表征晶格的最小几何单元。
晶格常数：
表示晶胞的尺寸和形状。
通常用棱边长a、b、c和棱边夹角α、β、γ。
立方晶格的a=b=c，α=β=γ。
常见金属的晶格类型
常见的三种金属的晶格：
体心立方晶格：
具有这种晶格的金属有∂–Fe、Cr、W、V等。
面心立方晶格：
具有这种晶格的金属有γ–Fe、Cu、Ni、Pb等。
密排六方晶格：
具有这种晶格的金属有Mg、Zn等。
金属的实际晶体结构
实际金属材料中都是由很多晶粒组成的我们称它
为——多晶体。
（如纯铁的显微组织）从显微组织中
可知是由：
晶粒——每个晶粒相一个单晶体。
晶界——晶粒之间的界面。
晶体缺陷的概念和种类
晶体缺陷：
在实际金属材料中，总不可避免地存在着一些，原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。
根据晶体缺陷的几何形态特征，可分为三种：
点缺陷
空位
间隙原子
置换原子
线缺陷
刃型位错
螺旋位错
位错是一种重要的缺陷，它对于金属的强度、断裂和塑性变形起着决定性的作用。
面缺陷——有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。
金属的结晶
结晶的概念及基本规律
结晶的概念：
由液态金属转变为固态晶体的过程。
结晶的基本规律：
过冷现象
每一种金属都有一个平衡结晶温度，称为理论结晶温度用“TO”表示。
只有冷却到低于TO温度才能结晶，这种现象称为过冷现象既“过冷度”。
用“∆T”表示。
过冷度（∆T）——理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。
影响过冷度的因素：
冷却速度
冷却速度与过冷度之间的关系：
冷却速度越大，过冷度越大。
结晶的过程和晶粒大小对金属力学性能的影响
结晶的过程：
结晶是在一定过冷度下，从无到有，从小到大的过程。
即是形核和长大的过程。
晶粒大小对金属力学性能的影响：
晶粒愈细，其金属的强度愈高，塑性和韧性愈好。
细化晶粒的方法：
过冷度的影响（提高冷却速度）。
变质处理——在金属液中加入某些杂质，进行非自发形核，以细化晶粒。
如在铸铁中加入硅钙合金的处理。
采用机械振动、超声波振动和电磁搅拌。
金属在固态下的转变
金属在固态下转变的性质和种类
金属在固态下转变的性质：
一些金属，如Fe、Co、Ti、Mn等，在结晶之后的继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶体转变成另一种晶体。
金属在固态下的两种转变：
同素异晶转变——金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化。
如纯铁的同素异晶转变。
磁性转变——磁性转变不发生晶格类型转变，而是发生磁性和无磁性转变。
铁的磁性转变温度是768℃，低于此温度铁才具有磁性。
合金的相结构
合金的概念及合金相结构的分类
合金——将两种或两种以上的金属或金属与非金属融合在一起，获得的具有金属性质的物质，称为合金。
三种合金相结构：
固溶体——合金各组元在固态时具有相互溶解能力而形成的均匀固体，这种固体合金称为固溶体。
如铜镍合金形成置换固溶体。
铁碳合金为间隙固溶体。
固溶强化：
各类元素的原子大小不同，因此，不论组成哪种类型的固溶体，都会使合金的晶格发生歪扭，从而使合金变形阻力增大，硬度和强度升高，这种现象称为固溶强化。
它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。
金属化合物——合金各组元按一定原子数量比化和而成的一种新物质（它具有特殊晶格）。
如碳钢中的碳化三铁（Fe3C），它是复杂晶体结构。
性能特点：
熔点高，硬度、脆性大。
机械混合物——组成合金的各组元在固态下以混合形式组合在一起组成物。
具有比单一固溶体更高的硬度、强度、耐磨性和良好的切削加工性，但塑性和抗蚀性较差。
如锡、锑、铜组成的轴承合金。
铁碳合金相图
铁碳合金在固态下的基本组织
铁素体（F）——碳在∂-Fe中形成的间隙固溶体。
用符号“F”表示。
强度、硬度不高，但塑性、韧性好。
奥氏体（A）——碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体，以符号“A”表示。
硬度低、塑性高、易于塑性成型。
渗碳体（Fe3C）——是Fe和C的化合物，分子式为Fe3C,含C量为6.69%。
硬度高、脆性大、塑性和冲击韧性几乎等于零，在钢中起强化作用。
珠光体（P）——是F+Fe3C组成的机械混合物称为珠光体，用“P”表示。
机械性能介于Fe3C和F两者之间，即强度较好，硬度适中并具有一定塑性。
莱氏体（Ld）——是A+Fe3C组成的机械混合物称为莱氏体。
用“Ld”表示。
硬度高，塑性差。
铁碳合金相图——是表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度所具有的组织或状态的图形。
Fe-Fe3C状态图中点、线的含义
特性点
特性线
Fe-C合金的分类
工业纯铁:
含碳量小于0.0218%的铁碳合金。
室温组织为F。
钢：
含碳量在0.0218%~2.11%的铁碳合金。
根据含碳量和室温组织的不同可分为三种：
共析钢---含碳量为0.77%，室温组织为P。
亚共析钢--含碳量为0.02%~0.77%，室温组织为F+P。
过共析钢--含碳量为0.77%~2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ（二次渗碳体）。
生铁：
含碳量在2.11%~6.69%的铁碳合金。
共晶生铁--含碳量为4.3%，室温组织为L'
d。
亚共晶生铁--含碳量为2.11%~4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+L‘d。
过共晶生铁--含碳量为4.3%~6.69%，室温组织为Fe3cⅠ（一次渗碳体）+L'
碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
碳对铁碳合金平衡组织的影响
随着含碳量的增加，铁碳合金的组织发生如下变化：
工业纯铁（F）→亚共析钢（F+P）→共析钢（P）→过共析钢（P+Fe3CⅡ）→亚共晶生铁（P+Fe3CⅡ+L‘d）→共晶生铁（L’d）→过共晶生铁（Fe3cⅠ+L‘d），从以上组织变化可看出，随着含碳量的变化组织中不仅Fe3C的数量增加，而且Fe3C的存在形式也在变化。
如共析Fe3C（分布在铁素体内的层片状）→Fe3CⅡ（沿奥氏体晶界分布的网状）→共晶Fe3C（为莱氏体的基体）→Fe3CⅠ（分布在莱氏体上的粗大片状）
碳对铁碳合金力学性能的影响
低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。
随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体量不断减少，而珠光体量不断增加，导致强度，硬度提高，而塑性、韧性下降，当钢的含碳增到0.9%时，其组织大多数为珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达最高。
当含C〉1.0%，由于网状二次渗碳体的出现，导致钢的强度下降。
为了保证工业用钢具有足够的强度、硬度和适宜的塑性、韧性，其含碳量一般不超过1.3%~1.4%。
铁碳合金相图的应用
为选材提供成分依据
若零件要求塑性、韧性好，如建筑结构、容器等，应选用低碳钢（含碳量小于0.25%）
若零件要求强度、塑性、韧性都好，如轴类等零件，应选用中碳钢（含碳为0.25%~0.60%）
若零件要求硬度高、耐磨性
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