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1、機(jī)械工程材料基本知識(shí) 1.1 金屬材料的力學(xué)性能 任何機(jī)械零件或工具，在使用過(guò)程中，往往要受到各種形式外力的作用。如起重機(jī)上的鋼索，受到懸吊物拉力的作用；柴油機(jī)上的連桿，在傳遞動(dòng)力時(shí)，不僅受到拉力的作用，而且還受到?jīng)_擊力的作用；軸類(lèi)零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)械荷而不超過(guò)許可變形或不破壞的能力。這種能力就是材料的力學(xué)性能。金屬表現(xiàn)來(lái)的諸如彈性、強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等特征就是用來(lái)衡量金屬材料材料在外力作用下表現(xiàn)出力學(xué)性能的指標(biāo)。 1.1.1 強(qiáng)度 強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符

2、號(hào)為σ，單位為MPa。 工程中常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，或開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值，用σs表示?？估瓘?qiáng)度是指金屬材料在拉力的作用下，被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，用σb表示。 對(duì)于大多數(shù)機(jī)械零件，工作時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形，所以屈服強(qiáng)度是零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)；對(duì)于因斷裂而失效的零件，而用抗拉強(qiáng)度作為其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。 1.1.2 塑性 塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。 工程中常用的塑性指標(biāo)有伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。伸長(zhǎng)率指試樣拉斷后的伸長(zhǎng)量與原來(lái)長(zhǎng)度之比的百分率，用符號(hào)δ表示。斷面收縮率指試樣拉

3、斷后，斷面縮小的面積與原來(lái)截面積之比，用y表示。 伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件，也是保證機(jī)械零件工作安全，不發(fā)生突然脆斷的必要條件。 1.1.3 硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度的測(cè)試方法很多，生產(chǎn)中常用的硬度測(cè)試方法有布氏硬度測(cè)試法和洛氏硬度試驗(yàn)方法兩種。 （一）布氏硬度試驗(yàn)法 布氏硬度試驗(yàn)法是用一直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，在載荷P的作用下壓入被測(cè)試金屬表面，保持一定時(shí)間后卸載，測(cè)量金屬表面形成的壓痕直徑d，以壓痕的單位面積所承受的平均壓力作為被測(cè)金屬的布氏硬度值。 布氏硬度

4、指標(biāo)有HBS和HBW，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼及鑄鐵、有色金屬等；后者壓頭為硬質(zhì)合金，適用于布氏硬度值為450~650的金屬材料，如淬火鋼等。 布氏硬度測(cè)試法，因壓痕較大，故不宜測(cè)試成品件或薄片金屬的硬度。 （二）洛氏硬度試驗(yàn)法 洛氏硬度試驗(yàn)法是用一錐頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為f1.558mm（1/16英寸）的淬火鋼球?yàn)閴侯^，以一不定的載荷壓入被測(cè)試金屬材料表面，根據(jù)壓痕深度可直接在洛氏硬度計(jì)的指示盤(pán)上讀出硬度值。常用的洛氏硬度指標(biāo)有HRA、HRB和HRC三種。 采用120金剛石圓錐體為壓頭，施加壓為600N時(shí)，用H

5、RA表示。其測(cè)量范圍為60～85，適于測(cè)量合金、表面硬化鋼及較薄零件。 采用f1.588mm淬火鋼球?yàn)閴侯^，施加壓力為1000N時(shí)，用HRC表示，其測(cè)量硬度值范圍為25～100，適于測(cè)量有色金屬、退火和正火鋼及鍛鐵等。 采用120金剛石圓錐體為壓頭，施加壓力為1500N時(shí)，用HRC表示，其測(cè)量硬度值范圍為20～67，適于測(cè)量淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。 洛氏硬度測(cè)試，操作迅速、簡(jiǎn)便，且壓痕小不損傷工件表面，故適于成品檢驗(yàn)。 硬度是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。 1.1.4 沖擊韌性 金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱(chēng)為沖

6、擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2。 沖擊韌性常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)測(cè)定，即把被測(cè)材料做成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，用擺錘一次沖斷，測(cè)出沖斷試樣所消耗的沖擊AK，然后用試樣缺口處單位截面積F上所消耗的沖擊功ak表示沖擊韌性。 ak值越大，則材料的韌性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時(shí)受到很大的沖擊載荷，因此要用ak值高的材料制造。鑄鐵的ak值很低，灰口鑄鐵ak值近于零，不能用來(lái)制造承受沖擊載荷的零件。 1.2 常用金屬材料 金屬材料來(lái)源豐富，并具有優(yōu)良的使用性能和加工性能，是機(jī)械工程中應(yīng)用最普遍的材料，常用以制造機(jī)械設(shè)備、工具、模具

7、，并廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。 金屬材料大致可分為黑色金屬兩大類(lèi)。黑色金屬通常指鋼和鑄鐵；有色金屬是指黑色以外的金屬及其合金，如銅合金、鋁及鋁合金等。 1.2.1 鋼 鋼分為碳素鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)碳鋼）和合金兩大類(lèi)。 碳鋼是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、錳、硫、磷雜質(zhì)的鐵碳合金。工業(yè)用碳鋼的含碳量一般為0.05%～1.35%。 為了提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能或某些特殊性能（如耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等），冶煉中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），這種鋼稱(chēng)為合金鋼。 （一）碳鋼 1．碳鋼的分類(lèi) 碳鋼的分類(lèi)方法有多種，常見(jiàn)的有以下三種。 （1）按

8、鋼的含碳量多少分類(lèi) 分為三類(lèi)： 低碳鋼，含碳量<0.25%； 中碳鋼，含碳量為0.25%～0.60%； 高碳鋼，含碳量>0.60%。 （2）按鋼的質(zhì)量（即按鋼含有害元素S、P的多少）分類(lèi) 分為三類(lèi)： 普通碳素鋼，鋼中S、P含量分別≤0.055%和0.045%； 優(yōu)質(zhì)碳素鋼，鋼中S、P含量均≤0.040%； 高級(jí)碳素鋼，鋼中S、P含量分別≤0.030%和0.035%。 （3）按鋼的用途分類(lèi) 分為兩類(lèi)： 碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種工程構(gòu)件和機(jī)械零件； 碳素工具鋼，主要用于制造各種工具、量具和模具等。 2．碳鋼牌號(hào)的表示方法 （1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由屈服

9、點(diǎn)“屈”字漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D）及脫氧方法符號(hào)（F、b、Z）等四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級(jí)按A、B、C、D順序依次增高，F(xiàn)代表沸騰鋼，b代表鎮(zhèn)靜鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼等。如Q235-AF表示屈服強(qiáng)度為235Mpa的A級(jí)沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。 （2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字代表鋼中的平均含碳量的萬(wàn)分之幾。例如45鋼，表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。08鋼，表示平均含碳量為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 （3）碳素工具鋼 碳素工具鋼的牌號(hào)是用碳字漢語(yǔ)拼音字頭T和數(shù)字表示。其數(shù)字表示鋼的平均含碳量的千分之幾。若為

10、高級(jí)優(yōu)質(zhì)，則在數(shù)字后面加“A”。例如，T12鋼，表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼。T8鋼，表示平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。T12A，表示平均含碳量為1.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。 3．碳鋼的用途舉例 Q195、Q215，用于鉚釘、開(kāi)口銷(xiāo)等及沖壓零件和焊接構(gòu)件。 Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉桿、連桿及建筑、橋梁結(jié)構(gòu)件。 Q275，用于強(qiáng)度較高轉(zhuǎn)軸、心軸、齒輪等。 Q345，用于船舶、橋梁、車(chē)輛、大型鋼結(jié)構(gòu)。 08鋼，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷沖壓零件。 10、20鋼，常用于制造沖壓件和焊接件。也常用于制造滲碳件。 35、40、45、50鋼屬中碳鋼，經(jīng)熱處

11、理后可獲得良好的綜合力學(xué)性能，主要用制造齒輪、套筒、軸類(lèi)零件等。這幾種鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用非常廣泛。 T7、T8鋼，用于制造具有較高韌性的工具，如沖頭、鑿子等。 T9、T10、T11鋼，用作要求中等韌性、高硬度的刃具，如鉆頭、絲錐、鋸條等。 T12、T13鋼，用于要求更高硬度、高耐磨性的銼刀、拉絲模具等。 （二）合金鋼 合金鋼的分類(lèi)方法有多種，常見(jiàn)的有以下兩種。 （1）按用途分類(lèi) 分為三類(lèi)： 合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種性能要求更高的機(jī)械零件和工程構(gòu)件； 合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種性能要求更高的刃具、量具和模具； 特殊性能鋼，具有特殊物理和化學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。

12、 （2）銨合金元素總含量多少分類(lèi) 分為三類(lèi)： 低合金鋼，合金元素總含量小于5%； 中合金鋼，合金元素總含量為5%～10%； 高合金鋼，合金元素總含量大于10%。 2．合金鋼牌號(hào)的表示方法 合金鋼是按鋼材的含碳量以及所含合金元素的種類(lèi)和數(shù)量編號(hào)的。 ① 鋼號(hào)首部是表示含碳量以及所含合金結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同，以萬(wàn)分之一的碳作為單位，如首部數(shù)字為45，則表示平均含碳量為0.45%；合金工具鋼以千分之一的碳作為單位，如首部數(shù)字為5，則表示平均含碳量為0.5%。 ② 在表示含碳量的數(shù)字后面，用元素的化學(xué)符號(hào)表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之幾表示，當(dāng)平均含量小于1.5%時(shí)，

13、只標(biāo)明元素符號(hào)，不標(biāo)含量。如25Mn2V，表示平均含碳量為0.25%，含錳量約為2%，含釩量小于1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。又如9SiCr，表示平均含碳量為0.9%，含硅、鉻都少于1.5%的合金工具鋼。 ③ 對(duì)于含碳量超過(guò)1.0%的合金工具鋼，則在牌號(hào)中不表示含碳量。如CrWMn鋼，表示含碳量大于1.0%并含有鉻、鎢、錳三種合金元素的合金工具鋼。但也有特例，高速鋼的含碳量小于1.0%，牌號(hào)中也不表示含碳量。如W18Cr4V鋼，其含碳量?jī)H為0.7%～0.8%。 ④ 特殊性能鋼牌號(hào)中也不表示方法基本上與合金工具鋼相同。如2Cr13，表示平均含碳量為0.2%，含鉻量約為13%的不銹鋼。 ⑤ 有些特殊

14、用鋼，則用專(zhuān)門(mén)的表示方法，如滾動(dòng)軸承鋼，其牌號(hào)以G表示，不標(biāo)含碳量，鉻的平均含量用千分之幾表示。如GCr15，表示含鉻量為1.5%的滾動(dòng)軸承鋼。 ⑥ 對(duì)于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，在鋼號(hào)末尾加一個(gè)“A”字，如38CrMoAIA。 3．合金鋼的用途舉例 09MnNb、16Mn、15MnTi鋼屬低合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造橋梁、車(chē)輛、鍋爐、油罐、建筑結(jié)構(gòu)和化工容器等。 14MnVTiRe、14MnMoV、18MnNb、14CrMnMoVB鋼用于制造大型船舶、重要橋梁、電站設(shè)備及鍋爐、化工、石油等中高壓容器。 20Cr、20MnV鋼，適于制造滲碳小齒輪、小軸、活塞銷(xiāo)等。 20CrMnTi鋼，常用于制造汽車(chē)、

15、拖拉機(jī)上的齒輪。 18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo、20Cr2Ni4A鋼，常用于制造大型滲碳齒輪和軸類(lèi)件。 40MnB、40Cr、35CrMo、40CrMnMo鋼，用于制造重要調(diào)質(zhì)件，如主軸、曲軸、連連桿和齒輪等機(jī)械零件。 65Mn、60Si2Mn鋼屬?gòu)椈射?，主要用于制造截面小?5mm的彈簧，如車(chē)箱板簧和機(jī)車(chē)板簧、扭桿簧等。 GCr15、GsiMnMoV鋼屬軸承鋼，主要用于制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體，也可用于制造冷沖模、冷軋輥等。 CrWMn、CrMn、9Mn2V鋼，用于制造測(cè)量工具，如卡尺、千分尺、量規(guī)、塊規(guī)塞規(guī)等。 W18Cr4V、W6Mo5C4V2鋼，用于

16、制造高速切削的刃具，如鉆頭、銑刀、滾刀、拉刀、鉸刀車(chē)刀等。 5CrMnMo、3Cr2W8V鋼，屬熱模具鋼，用于制造熱鍛模、熱壓模、壓鑄模等。 Cr12、Cr12MoV鋼，屬冷模具鋼，用于制造冷沖模具、冷切剪刀具等。 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13鋼，屬馬氏體不銹鋼，用于制造抗弱腐蝕性介質(zhì)并承受沖擊載荷的零件，還可用來(lái)制造具有較高硬度和耐磨性的醫(yī)療工具等。 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti鋼，屬奧氏體不銹鋼，用于制造耐硝酸、冷磷酸、有機(jī)酸及鹽、堿溶液腐蝕的設(shè)備零件。 Mn13鋼，屬耐磨鋼，用于制造拖拉機(jī)鏈軌板、挖掘機(jī)鏟齒、球磨機(jī)襯板、鐵路道岔等。 15CrMo、

17、4Cr10Si2Mo鋼，屬耐熱鋼，用于制造在高溫下工作的零件或構(gòu)件。 1.2.2 鑄鐵 鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，它含有比碳鋼更多的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)。工業(yè)上常用的鑄鐵含碳量為2.5%～4.0%。 根據(jù)鑄鐵中碳的存在形式不同，鑄鐵可分為白口鑄鐵可分為白口鑄鐵和灰口鑄鐵兩大類(lèi)。 （一）白口鑄鐵 白口鑄鐵中的碳幾乎全部以Fe3形式存在，斷口呈銀白色，性能硬而脆，很難進(jìn)行切削加工，工業(yè)上極少用來(lái)制造機(jī)械零件。主要用作煉鋼原料或用于可鍛鑄鐵的毛坯。 （二）灰口鑄鐵 灰口鑄鐵中的碳大部分或全部以自由狀態(tài)的石墨形式存在，斷口呈暗灰色。根據(jù)灰口鑄鐵中石墨存在形式不同，它又可分為

18、普通灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵等。 1．普通灰口鑄鐵 簡(jiǎn)稱(chēng)灰口鑄鐵，其石墨形態(tài)呈片狀。由于片狀石墨的存在，割裂了金屬基體組織，減少了承載的有效面積，因此其綜合力學(xué)性能較低，但其減振性、耐磨性、鑄造性及切削加工性較好，主要用于制造承受壓力的床身、箱體、機(jī)座、導(dǎo)軌等零件。 灰口鑄鐵牌號(hào)的表示方法為“HT”加數(shù)字，其中“HT”是灰鐵兩字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母，數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。常用的灰口鑄鐵牌號(hào)為HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等。 2．可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火后而得到，其后墨形態(tài)呈團(tuán)絮狀。由于其石墨呈團(tuán)絮狀，對(duì)金屬基體的割裂作用減小，故其抗

19、拉強(qiáng)度、塑性、韌性都比灰口鑄鐵高，主要用于制造一些形狀比較復(fù)雜而在工作中承受一定沖擊載荷的薄壁小型零件，如管接頭、農(nóng)具等。 可鍛鑄鐵的牌號(hào)由“KTH”或“KTZ”加兩組數(shù)字組成。其中“KT”是可鐵兩字漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母，后面的“H”表示黑心可鍛鑄鐵，“Z”表示珠光體可鍛鑄鐵。其后面的兩組數(shù)字分別表示材料的最低抗拉強(qiáng)度數(shù)值和最小伸長(zhǎng)率數(shù)值。其主要牌號(hào)有KTH350-10、KTZ550-04等。 3．球墨鑄鐵 球墨鑄鐵中石墨形態(tài)呈球狀。由于球狀石墨對(duì)金屬基體的割裂作用更小，因此它具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，所以應(yīng)用較廣，在某些情況下可替代中碳鋼使用。主要用于制造受力較復(fù)雜、負(fù)荷較大的機(jī)械零件

20、，如曲軸、連桿、齒輪、凸輪軸等。 球墨鑄鐵的牌號(hào)由“QT”加兩組數(shù)字組成。其中“QT”是球鐵兩字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度數(shù)值和最小伸長(zhǎng)率數(shù)值。主要牌號(hào)有QT500-7、QT800-2等。 1.2.3 鑄鋼 鑄鋼也是一種重要的鑄造合金，其應(yīng)用僅次于鑄鐵。鑄鋼件的力學(xué)性能優(yōu)于各類(lèi)鑄件，并具有優(yōu)良的焊接性能，適于采用鑄焊聯(lián)合工藝制造重型鑄件。生產(chǎn)上鑄鋼主要用于制造形狀復(fù)雜、難于鍛造而又需承受沖擊載荷的零部件。如機(jī)車(chē)車(chē)架、火車(chē)車(chē)輪、水壓機(jī)的缸和立柱、大型齒輪、軋鋼機(jī)機(jī)架等。 常用的鑄鋼有碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩大類(lèi)，其中碳素鑄鋼應(yīng)用較廣，約占鑄鋼件的80%。 一般工程

21、用鑄鋼的牌號(hào)由“ZG”加兩組數(shù)字表示。其中“ZG”為鑄鋼二字漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母，后面兩位數(shù)字分別表示材料的最小屈服強(qiáng)度值和最小抗拉強(qiáng)度值。如ZG200-400、ZG270-500、ZG340-640等。 1.2.4 銅合金及鋁合金 銅、鋁合金是工業(yè)上最常用的有色合金。因具有某些特殊的使用性能，使其成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中不可缺少的材料。 （一）銅合金 在純銅中加入某些合金元素（如鋅、錫、鋁、鈹、錳、硅、鎳、磷等），就形成了銅合金。銅合金具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，同時(shí)具有較高強(qiáng)度和耐磨性。 根據(jù)成分不同，銅合金分為黃銅和青銅等。 1．黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金。按照化學(xué)成

22、分，黃銅分為普通銅和特殊黃銅兩種。 （1）普通黃銅 普通黃銅是銅鋅二元合金。由于塑性好，適于制造板材、棒材、線材、管材及深沖零件，如冷凝管、散熱管及機(jī)械、電器零件等。銅的平均含量為62%和59%的黃銅也可進(jìn)行鑄造，稱(chēng)為鑄造黃銅。 （2）特殊黃銅 為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入鋁、硅、錳、鉛、錫等元素，就形成了特殊黃銅。如鉛黃銅、錫黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、錳黃銅等。 鉛黃銅的切削性能優(yōu)良，耐磨性好，廣泛用于制造鐘表零件，經(jīng)鑄造制作軸瓦和襯套。 錫黃銅的耐腐蝕性能好，廣泛用于制造海船零件。 鋁黃銅中的鋁能提高黃銅的強(qiáng)度和硬度，提高在大氣中的抗蝕性，鋁黃銅用

23、于制造耐蝕零件。 硅黃銅中的硅能提高銅的力學(xué)性能、耐磨性的耐蝕性，硅黃銅主要用于制造海船零件及化工機(jī)械零件。 2．青銅 青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上都習(xí)慣稱(chēng)含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅合金也為青銅，所以青銅實(shí)際上包括錫青銅、鋁青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。青銅也分為壓力加工青銅和鑄造青銅兩類(lèi)。 （1）錫青銅 以錫為主要合金元素的銅基合金稱(chēng)錫青銅。工業(yè)中使用的錫青銅，錫含量大多在3%～14%之間。錫含量小于5%錫青銅適于冷加工使用；錫含量為5%～7%的錫青銅適于熱加工；錫含量大于10%的錫青銅適于鑄造。錫青銅在造船、化工、機(jī)械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，主要用以制造軸承、軸套等耐磨零

24、件和彈簧等彈性元件以及抗蝕、抗磁零件等。 （2）鋁青銅 以鋁為主要合金元素的銅基合金稱(chēng)鋁青銅。鋁青銅的力學(xué)性能比黃銅和錫青銅高。實(shí)際應(yīng)用的鋁青銅的鋁含量在5%～12%之間，含鋁為5%～7%的鋁青銅塑性最好，適于冷加工使用。鋁含量大于7%～8%后，強(qiáng)度增加，但塑性急劇下降，因此多在鑄態(tài)或經(jīng)熱加工后使用。鋁青銅的耐磨性以及在大氣、海水、海水碳酸和大多數(shù)有機(jī)酸中的耐蝕性，均比黃銅和錫青銅高。鋁青銅可制造齒輪、軸套、蝸輪等高強(qiáng)度抗磨零件以及高耐蝕性彈性元件。 （3）鈹青銅 以鈹為基本元素的銅合金稱(chēng)鈹青銅。鈹青銅的含鈹量為1.7%～2.5%。鈹青銅的彈性極限、疲勞極限都很高，耐磨性和抗蝕性?xún)?yōu)異，

25、具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，還具有無(wú)磁性、受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花等優(yōu)點(diǎn)。鈹青銅主要用于制作精密儀器的重要彈簧、鐘表齒輪、高速高壓下工作的軸承、襯套以及電焊機(jī)電極、防爆工具、航海羅盤(pán)等重要機(jī)件。 （二）鋁合金 鋁中加入合金元素就形成了鋁合金。鋁合金具有較高的強(qiáng)度和良好的加工性能。根據(jù)成分及加工特點(diǎn)，鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。 1．形變鋁合金 形變鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金等。因其塑性好，故常利用壓力加工方法制造沖壓件、鍛件等，如鉚釘、焊接油箱、管道、容器、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、飛機(jī)大梁及起落架、內(nèi)燃機(jī)活塞等。 2．鑄造鋁合金 鑄造鋁合金是用于制造鋁合金鑄件的材料，按主要合金元

26、素的不同，鑄造鋁合金分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。 （1）鋁硅鑄造鋁合金 鋁硅合金是應(yīng)用最廣的鑄造鋁合金，通常稱(chēng)為硅鋁明。其鑄造性能好，比重小，并有相當(dāng)好的抗蝕性和耐熱性，適于制造形狀復(fù)雜的零件，如泵體、電動(dòng)機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸頭、活塞以及汽車(chē)、飛機(jī)、儀器上的零件，也可制造日用品。 （2）鋁銅鑄造鋁合金 鋁銅合金的強(qiáng)度較高，耐熱性較好，鑄造性能較差，常用于鑄造內(nèi)燃機(jī)氣缸頭、活塞等零件，也可作為結(jié)構(gòu)材料鑄造承受中等載荷、形狀較簡(jiǎn)便的零件。 （3）鋁鎂鑄造鋁合金 鋁鎂合金強(qiáng)度高、比重小，有良好的耐蝕性，但鑄造性能不好，多用于制造承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)中工作、外形簡(jiǎn)單的

27、零件，如艦般配件、氨用泵體等。 （4）鋁鋅鑄造鋁合金 鋁鋅合金價(jià)格便宜、鑄造性能優(yōu)良、強(qiáng)度較高，但抗蝕性差、熱裂傾向大，常用于制造汽車(chē)、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件及形狀復(fù)雜的儀器元件，也可用于制造日用品。 1.3 鋼鐵材料的現(xiàn)場(chǎng)鑒別 鋼鐵材料品種繁多，性能各異，因此對(duì)鋼鐵材料的鑒別是非常必要的。常用的鑒別方法有火花鑒別法、色標(biāo)鑒別法、斷口鑒別法和音色鑒別法等。 1.3.1 火花鑒別法 根據(jù)鋼鐵材料在磨削過(guò)程中所出現(xiàn)的火花爆裂形狀、流線、色澤、發(fā)火點(diǎn)等特點(diǎn)區(qū)別鋼鐵材料化學(xué)成分差異的方法，稱(chēng)為火花鑒別法。 火花鑒別專(zhuān)用電動(dòng)砂輪機(jī)的功率為0.20～0.75kW，轉(zhuǎn)速高于3000r/min。所

28、用砂輪粒度為40～60目，中等硬度，直徑為φ150～200mm。磨削時(shí)施加壓力以20～60N為宜，輕壓看合金元素，重壓看含碳量。 火花鑒別的要點(diǎn)是：詳細(xì)觀察火花的火束粗細(xì)、長(zhǎng)短、花次層疊程度和它的色澤變化情況。注意觀察組成火束的流線形態(tài)，火花束根部、中部及尾部的特殊情況和它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)還要觀察火花爆裂形態(tài)、花粉大小和多少。 （一）火花組成 （1）火花束 火花束是指被測(cè)材料在砂輪上磨削時(shí)產(chǎn)生的全部火花，常由根部、中部、尾部組成，見(jiàn)圖1-1。 圖1-1 火花束 （2）流線 從砂輪上直接射出的好像直線的火流稱(chēng)為流線。每條流線都由節(jié)點(diǎn)、爆花和尾花組成，見(jiàn)圖1-2。 圖1-

29、2 火花束的構(gòu)成 （3）節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)就是流線上火花爆裂的原點(diǎn)，呈明亮點(diǎn)。 圖1-3 節(jié)花的形成 （4）爆花 爆花就是節(jié)點(diǎn)處爆裂的火花。鋼的化學(xué)成分不同，尾花的形狀也不同。通常，尾花可分為狐尾尾花、槍尖尾花、菊花狀尾花、羽狀尾花等。 （二）常用鋼鐵材料的火花特征 碳是鋼鐵材料火花的基本元素，也是火花鑒別法測(cè)定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形狀不同。 1．碳素鋼火花的特征 ① 通常低碳鋼火花束較長(zhǎng)，流線少，芒線稍粗，多為一次花，發(fā)光一般，帶暗紅色，無(wú)花粉。圖1-4為20鋼的火花特征。 圖1-4 20鋼的火花特征 ② 中碳鋼火花束稍短，流線較細(xì)長(zhǎng)而多，爆花分叉

30、較多，開(kāi)始出現(xiàn)二次、三次花，花粉較多，發(fā)光較強(qiáng)，顏色橙。圖1-5為45鋼的火花特征。 圖1-5 45鋼的火花特征 ③ 高碳鋼火花束較短而粗，流線多而細(xì)，碎花、花粉多，又分叉多且多為三次花，發(fā)光較亮。圖1-6為T(mén)12鋼的火花特征。 圖1-6 T12鋼的火花特征 2．鑄鐵的火花特征 鑄鐵的火花束很粗，流線較多，一般為二次花，花粉多，爆花多，尾部漸粗下垂成弧形，顏色多為橙紅?；鸹ㄔ囼?yàn)時(shí)，手感較軟。圖1-7為HT200的火花特行征。 圖1-7 HT200的火花特征。 3．合金鋼的火花特征 合金鋼的火花特征與其含有的合金元素有關(guān)。一般情況下，鎳、硅、鉬、鎢等元素抑制火花

31、爆裂，而錳、釩鉻等元素卻可助長(zhǎng)火花爆裂。所以對(duì)合金鋼的鑒別難掌握。 一般鉻鋼的火花束白亮，流線稍粗而長(zhǎng)，爆裂多為一次花、花型較大，呈大星形，分叉多而細(xì)，附有碎花粉，爆裂的火花心較明亮。 鎳鉻不銹鋼的火花束細(xì)，發(fā)光較暗，爆裂為一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。 高速鋼火花束細(xì)長(zhǎng)，流線數(shù)量少，無(wú)火花爆裂，色澤呈暗紅色，根部和中部為斷續(xù)流線，尾花呈弧狀。 1.3.2 色標(biāo)鑒別法 生產(chǎn)中為了表明金屬材料的牌號(hào)、規(guī)格等，常做一定的標(biāo)記，如涂色、打印、掛牌等。金屬材料的涂色標(biāo)志是表示鋼號(hào)、鋼種的，涂在材料一端的端面或端部。具體的涂色方法在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中做了詳細(xì)規(guī)定，現(xiàn)舉例如下： 碳素結(jié)

32、構(gòu)鋼Q235鋼為紅色； 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼為棕色加綠色，45鋼為白色加棕色； 合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi鋼為黃色加黑色，40CrMo鋼為綠色加紫色； 鉻軸承鋼GCr15鋼為藍(lán)色； 高速鋼W18Cr4V鋼為棕色加藍(lán)色； 不銹鋼1Cr18Ni9Ti鋼為綠色國(guó)藍(lán)色； 熱作模具鋼5CrMnMo鋼為紫色加白色。 1.3.3 斷口宏觀鑒別法 材料或零部件因受某些物理、化學(xué)或機(jī)械作用的影響而導(dǎo)致破斷，此時(shí)所形成的自然表面稱(chēng)為斷口。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)斷口的自然形態(tài)判定材料的韌脆性，從而推斷材料含碳量的高低。若斷口呈纖維狀，無(wú)金屬光澤，，顏色發(fā)暗，無(wú)結(jié)晶顆粒，且斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，則表明

33、鋼材具有良好的塑性和韌性，含碳量較低。若斷口齊平，呈銀灰色，且具有明顯的金屬光澤和結(jié)晶顆粒，則表明屬脆性材料。而過(guò)共析鋼或合金經(jīng)淬火后，斷口呈亮灰色，具有綢緞光澤，類(lèi)似于細(xì)瓷器斷口特征。常用鋼鐵材料的斷口特點(diǎn)大致如下： 低碳鋼不易敲斷，斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，有微量顆粒； 中碳鋼的斷口邊緣的塑性變形特征沒(méi)有低碳鋼明顯，斷口顆粒較細(xì)、較多； 高碳鋼的斷口邊緣無(wú)明顯塑性變形特征，斷口顆粒很細(xì)密； 鑄鐵極易敲斷，斷口無(wú)塑性變形，晶粒粗大，呈暗灰色。 1.3.4 音色鑒別法 根據(jù)鋼鐵敲擊時(shí)發(fā)出的聲音不同，以區(qū)別鋼和鑄鐵的方法稱(chēng)為音色鑒別法。 敲擊時(shí)，發(fā)出比較清脆聲音的材料為鋼，發(fā)

34、出較低沉聲音的材料為鑄鐵。 為了準(zhǔn)確地鑒別材料，在以上幾種現(xiàn)場(chǎng)鑒別的基礎(chǔ)上，一般還可采用化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)以及硬度試驗(yàn)等手段進(jìn)行鑒別。 1.4 鋼的常用熱處理 熱處理就是通過(guò)對(duì)固態(tài)金屬的加熱、保溫和冷卻，來(lái)改變金屬的顯微組織及其形態(tài)，從而提高或改善金屬的機(jī)械性能的一種方法。鑄造、鍛壓、焊接和機(jī)加工的目的是使零件成形或改變其形狀，而熱處理的目的是改變金屬材料的組織和性能，而不要求改變零件的形狀和尺寸，各種機(jī)械零件中，大多數(shù)或絕大多數(shù)都要經(jīng)過(guò)熱處理才投入使用。鋼的熱處理對(duì)提高和改善零件的機(jī)械性能發(fā)揮著十分重要的作用。 熱處理方法很多，常用的有退火、正火、淬火、回火和表面熱處理等。熱處理既

35、可以作為預(yù)先熱處理以消除上一道工序所遺留的某些缺陷，為下一道工序準(zhǔn)備好條件；也可作為最終熱處理進(jìn)一步改善材料的性能，從而充分發(fā)揮材料的潛力，達(dá)到零件的使用要求。因此，不同的熱處理工序常穿插在零件制造過(guò)程的各個(gè)熱、冷加工工序中進(jìn)行。 任何一種熱處理的工藝過(guò)程，都包括下列三個(gè)步驟： （1）以一定速度把零件加熱到規(guī)定的溫度。這個(gè)溫度范圍根據(jù)不同的金屬材料、不同的熱處理要求而定。 （2）在此溫度下保溫，使工件全部或局部熱透。 （3）以某種速度把工件冷卻下來(lái)。 鋼的熱處理工藝規(guī)范如圖1-8所示。通過(guò)控制加熱溫度和冷卻速度，可以在很大范圍內(nèi)改變金屬材料的性能。 圖1-8 鋼的熱處理工藝曲

36、線 1.4.1 退火 退火是把工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋▽?duì)碳鋼一般加熱至780～900℃），保溫一定時(shí)間后隨爐子降溫而冷卻的熱處理方法。 工具鋼和某些重要結(jié)構(gòu)零件的合金鋼有時(shí)硬度較高，鑄、鍛、焊后的毛坯有時(shí)硬度不均勻，存在著內(nèi)應(yīng)力。為了便于切削加工，并保持加工后的精度，常對(duì)工件施以退火處理。 退火后的工件硬度較低，消除了內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)還可以使材料的內(nèi)部組織均勻細(xì)化，為進(jìn)行下一步熱處理（淬火等）做好準(zhǔn)備。 加熱時(shí)溫度控制應(yīng)準(zhǔn)確。溫度過(guò)低達(dá)不到退火目的，溫度過(guò)高又會(huì)造成過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、脫碳等缺陷。操作時(shí)還應(yīng)注意零件的放置方法，當(dāng)退火的主要目的是為了消除內(nèi)應(yīng)力時(shí)更應(yīng)注意。如對(duì)于細(xì)長(zhǎng)工件的穩(wěn)定

37、尺寸退火，一定要在井式爐中垂直吊置，以防止工件由于自身重力所引起的變形。 操作時(shí)還應(yīng)注意不要觸碰電阻絲，以免短路。為保證安全，應(yīng)安裝爐門(mén)開(kāi)啟斷電裝置，裝爐和取出工件時(shí)能自行斷電。 2．正火 將工件放到爐中加熱到適當(dāng)溫度，保溫后出爐空冷的熱處理方法叫正火。正火實(shí)質(zhì)上是退火的另一種形式，其作用與退火相似。與退火不同之處是加熱（對(duì)碳鋼而言，一般加熱至800～930℃）和保溫后，放在空氣中冷卻而不是隨爐冷卻。由于冷卻速度比退火快，因此，正火工件獲得的組織比較細(xì)密，比退火工件的強(qiáng)度和硬度稍高，而塑性和韌性稍低。但這一點(diǎn)對(duì)于一般低碳鋼而言差別并不明顯，對(duì)中碳鋼零件而言有時(shí)由于正火后的硬度適中，更適合

38、于切削加工。又由于正火冷卻時(shí)不占爐子，還可使生產(chǎn)效率提高，成本降低。所以一般低碳和中碳結(jié)構(gòu)鋼等，多用正火代替退火。 3．淬火 淬火是將工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋▽?duì)碳鋼一般加熱到760～820℃），保溫后在水中或油中快速冷卻的熱處理方法。工件經(jīng)淬火后可獲得高硬度的組織，因此淬火可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。但工件淬火后脆性增加、內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使工件變形甚至開(kāi)裂。所以，工件淬火后一般都要及時(shí)進(jìn)行回火處理，并在回火后獲得適度的強(qiáng)度和韌性。 淬火操作時(shí)要注意工件浸入淬火劑的方法。如果浸入方式不正確，可能使工件各部分的冷卻速度不一致而造成很大的內(nèi)應(yīng)力，使工件發(fā)生變形和裂紋，或產(chǎn)生局部淬不硬等缺陷。例如

39、，鉆頭、軸桿類(lèi)等細(xì)長(zhǎng)工件應(yīng)以吊掛的方式垂直地浸入淬火液中；薄而平的工件（圓盤(pán)銑刀等），不能平著放人而必須立著放人淬火劑中；使工件各部分的冷卻速度趨于一致等。 淬火操作時(shí)還必須穿戴防護(hù)用品，如工作服、手套、防護(hù)眼鏡等，以防淬火液飛濺傷人。 4．回火 將淬火后的工件重新加熱到某一溫度范圍并保溫后，在油中或空氣中冷卻的操作稱(chēng)為回火?；鼗鸬臏囟却蟠蟮陀谕嘶?、正火和淬火時(shí)的加熱溫度，因此回火并不使工件材料的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。回火的目的是減小或消除工件在淬火時(shí)所形成的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)降低淬火鋼的硬度，減小脆性，使工件獲得較好的強(qiáng)度和韌性，即較好的綜合機(jī)械性能。 根據(jù)回火溫度不同，回火操作可分為低溫回火、中

40、溫回火和高溫回火。 低溫回火 回火溫度為150～250℃。低溫回火可以部分消除淬火造成的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈?，提高韌性，同時(shí)工件仍保持高硬度。低溫回火一般多用于工具、量具。 中溫回火 回火溫度為300～450℃。淬火工件經(jīng)中溫回火后，可消除大部分內(nèi)應(yīng)力，硬度有較大的下降，但是具有一定的韌性和彈性。一般用于處理熱鍛模、彈簧等。 高溫回火 回火溫度為500～650℃。高溫回火可以消除絕大部分因淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)刀，硬度也有顯著的下降，塑性有較大的提高，使工件具有高強(qiáng)度和高韌性等綜合機(jī)械性能。淬火后再加高溫回火，通常稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理。一般要求具有較高綜合機(jī)械性能的重要結(jié)構(gòu)零件，如汽車(chē)車(chē)軸、

41、坦克的扭力軸等，都要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。用于調(diào)質(zhì)處理的鋼多為中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼。也把用于調(diào)質(zhì)處理的鋼稱(chēng)為調(diào)質(zhì)鋼。 5．表面熱處理 有些零件如齒輪、銷(xiāo)軸等，使用時(shí)希望它的心部保持一定的韌性，又要求表面層具有耐磨性、抗蝕性、抗疲勞性。這些性能可通過(guò)表面熱處理來(lái)得到。表面熱處理按處理工藝特點(diǎn)可分為表面淬火和表面化學(xué)熱處理兩大類(lèi)。 表面淬火 鋼的表面淬火是通過(guò)快速加熱，將鋼件表面層迅速加熱到淬火溫度。然后快速冷卻下來(lái)的熱處理工藝。通常鋼件在表面淬火前均進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火。這樣，不僅可以保證其表面的高硬度和高耐磨性，而且可以保證心部的強(qiáng)度和韌性。 按照

42、加熱方法不同，表面淬火分為火焰淬火和高頻感應(yīng)加熱表面淬火（簡(jiǎn)稱(chēng)高頻淬火）。火焰表面淬火簡(jiǎn)單易行，但難以保證質(zhì)量，這種方法現(xiàn)在使用不多。而高頻淬火質(zhì)量好，生產(chǎn)率高，可以使全部淬火過(guò)程機(jī)械化、自動(dòng)化，適于成批及大量生產(chǎn)，因此被廣泛使用。 表面化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理就是將鋼件在含有活性介質(zhì)中加熱一定時(shí)間，使某些金屬元素（碳、氮、鋁、鉻等）滲透零件表層，改變零件表層的化學(xué)成分和組織，以提高零件表面的硬度、耐磨性、耐熱性和耐蝕性等。常用的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、氰化（碳、氮共滲）以及滲入金屬元素等方法。 滲碳是應(yīng)用得比較廣泛的一種化學(xué)方法。滲碳法分氣體、液體和固體法等，而其中的氣體滲碳法比較常用。 氣體滲碳是將工件裝入密封的井式氣體滲碳爐中，加熱至900—950~C，通人氣體滲碳劑進(jìn)行滲碳。目前常采用的方法是將煤油、丙酮、酒精等液體碳?xì)浠衔锓湃霛B碳爐內(nèi)，使受熱后分解出活性碳原子，深入工件表面。也可以直接通入天然氣、液化石油氣等氣體進(jìn)行滲碳。滲碳適用于低碳鋼和低碳合金鋼。滲碳后可使零件表面1—2mm厚度內(nèi)的含碳量提高到0.8%—1.2%。滲碳后的零件，其表面硬度和耐磨性并不高。為了獲得高硬度和高耐磨性的表面層，同時(shí)改善心部的組織，滲碳后還要進(jìn)行淬火和低溫回火。