年机械专业基础与实务中级指导书版

年机械专业基础与实务中级指导书版第一部分工程制图与公差配合·工程图是设计工程师用以表达机械结构设计意图的语言和工具。它由制图标准规范和一些符号、画法规则组成。工程制图的一般规定要装订和图纸幅面的5927小确定。优先采用的图纸幅面是：A0，A1，A2，A3，A4，A5.新标准规定，标题栏中的文字方向为看图的方向，即图样中标注尺寸、符号及说明均以标题栏的文字方向为准。第一视角和第三视角视图两种画法的主要区别在于视图的配置关系不同。中应方向一致、间隔相等。在装配图中，相邻两金属零件的剖面线方向相反或方向相同但间隔不同；还要注意在各视图中同一零件的剖面线方向仍相同。2)零件图中可用涂色代替剖面线，但标准中规定涂色仅能用于零件图而不可年机械专业基础与实务中级指导书版3)对于狭小面积的剖面，当在图中的宽度小于或等于2mm时，可以用涂黑代机械、液压、气动系统图的示意画法能认识、绘制机械、液压、气动系统的原理图，并能运用原理图进行方案设计尺寸、公差、配合与形位公差标注基孔制配合是基本偏差为一定的孔的公差带，选择改变轴的公差带获得所需配合(状态)的一种装配制度。基轴制配合是基本偏差为一定的轴的公差带，选择改变孔的公差带获得所需配合(状态)的另一种装配制度。根据GB/T规定，标准公差采用国际标准公差代号IT表示。标准公差等级分为标准推荐，基孔制的间隙配合、轴的基本偏差用a，b，c，d，e，f，g，h；过零件单一实际要素(指构成零件几何特征实际存在的点、线、面)形状所允许的变动全量称为形状公差。关联实际要素(指对其他要素有功能关系的实际要素)的位置对基准所允许的变动全量称为位置公差。形状和位置公差简称为形位公差。年机械专业基础与实务中级指导书版表而粗糙度指已加工表面波距在lmm以下的微观几何形状误差。表面粗糙度由加工过程中的残留面积、塑性变形、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统的高频振动等原因尺寸链是在零件加工或机器装配过程中，由相互联接的尺寸形成的封闭尺寸组。按尺链的形成和应用场合，尺寸链可分为工艺尺寸链和装配尺寸链。在零件加工过程中，由同零件有关工序尺寸所形成的尺寸链，称为工艺尺寸链。在机器设计和装配过程中由有关零设计尺寸所形成的尺寸链，称为装配尺寸链。按尺寸链各环的几何特征和所处空间位置，尺寸链可分为直线尺寸链、角度尺寸链、面尺寸链和空间尺寸链。第二部分工程材料金属材料金属材料的主要性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度。使用性能是指金属材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能和化学性能。力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能。其主要指标有硬度、强度、体结构。年机械专业基础与实务中级指导书版硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。硬度和其他力学性能之间存在一定关系。金属材料的布氏硬度HBS与抗拉强度σ在一定硬度范围内存在线性关系，即σ=KHBS，钢铁材料和铝合金K值约为~，bb铜及铜合盆约为~。根据洛式硬度换算σ=－＋×HRC。b对于刀具、冷成型模具和粘着磨损或磨粒磨损失效的零件，其磨损抗力和材料的硬度成正比，硬度是决定耐磨性的主要性能指标。对于承受接触疲劳载荷的零件如齿轮、滚动轴承等，在一定硬度范围内提高硬度对减轻麻点剥落是有效的。用硬度作为控制材料性能的指标时，必须对热处理工艺作出明确的规定，设计零件时在图样上除注明材料外，还必须注明热处理技术条件和热处理后达到的硬度(硬度应有一定范围，一般波动为5个HRC)。生产中常用的硬度测试方法有布氏(HB)硬度测试法、洛氏(HR)硬度试验方法和维氏(HV)硬度试验方法三种(HS-肖氏硬度)。(一)布氏硬度试验法布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P 形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度年机械专业基础与实务中级指导书版布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料，如淬火钢等。布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质后的硬度。试验数据稳定，重复性强。检测布氏硬度时，检测面应是光滑的，表面粗糙度一般为Ra<μm，试样厚度至少应为压痕直径的10倍。试验时，压痕中心应距试样边缘≥4d，当材料硬度<35HBS时应为6d。相邻两个压痕之间的间隔必须大于压痕直径的3倍以上。布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。(二)洛氏硬度试验法洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为((1/16英寸)的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接验，热处理质量检验。缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度较大。常用于检查淬火后的硬度。(二)维氏硬度试验法维氏硬度试验的压头是两对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。压头在试验年机械专业基础与实务中级指导书版力F的作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度d，用以计算压痕的表面积A。l)金属维氏硬度试验方法。试验力范围为~，共分六级，主要用于测定较大工件和较深表面层的硬度。2)金属小负荷维氏硬度试验方法。试验力范围为~，共分七级，主要用于测定较薄工件和具有较浅硬化层零件的表面硬度，也可测表面硬化零件的表层硬度梯度或硬化层深度。3)金属显微硬度试验方法。试验力范围为×10-3~，共分五级，主要用于测量微小件，极薄件以及具有极薄的表面层的硬度以及合金中组成相的硬度。维氏硬度不仅试验力可任意选取，而且压痕测量精度高，硬度值准确。缺点是硬度值需通过测量压痕对角线长度后进行计算或查表，效率较低。其他还有努氏硬度(HK)试验，它是一种显微硬度的试验方法，对表面淬硬层或镀层，渗层等薄层区域的硬度测定以及截面上的硬度分布的测定较为方便；肖氏硬度(HS)试验也是一种动载荷试验法(也称回跳硬度)，较为方便，可在现场测量大型工件的硬度，其缺点是硬度测量精度较低；里氏硬度(HL)试验法，是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等、精度较高，可自动转换成洛式硬度、布氏硬度、里氏硬度或肖氏硬度，并可直接打印出测量结果，被测表面的粗糙度应达到Ra=2μm，表面清洁，不得有油污，被测零件的重量≥100g，厚度＞5mm，硬化层深度＞。习题1.材料的基本力学性能主要包括哪此内容年机械专业基础与实务中级指导书版答：力学性能主要指标有硬度、强度、塑性、韧性等。硬度：制造业中，通常采用压入法测量材料的硬度，按试验方法不同，分有布HB洛式硬度(HR)、维氏硬度(HV)，表达材料表面抵抗外物压入的能力。布氏硬度(HB)是用一定载荷将淬火钢球压入试样表面，保持规定时间后卸载，测得表面压痕的面积后，计算出单位面积承受的压力，为布氏硬度值(HB)，单位是kgf/mm2，通常不标注；布氏硬度(HB)测试法一般用于HB<450。洛氏硬度(HR)以压痕深浅表示材料的硬度。洛式硬度有三种标尺，分别记为HRA、HRB和HRC，采用不同的压头和载荷。生产中按测试材料不同，进行选择，有色金属和正火钢，选用HRB，淬火钢选用HRC；硬质合金、表面处理的高硬层选用HRA进行测量。维氏硬度 (HV)根据单位压痕表面积承受的压力定义硬度值，压头为锥角136度金钢石角锥体，载荷根据测试进行选择，适用对象普遍。肖氏硬度(HS)是回跳式硬度，定义为一定重量的具有金钢石圆头和钢球的标准冲头从一定高度落下，得到的回跳高度面硬度测量。强度：常用的强度指标为屈服强度σ，通过拉伸试验确定，定义为材料开始产s生塑性变形的应力，其大小表达材料抵抗塑性变形的能力，大多数金属材料在拉伸称为条件屈服强度，用σ表示。bb冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。设计时b年机械专业基础与实务中级指导书版别定义为断裂后试样的长度相对伸长和截面积的相对收缩，单位是％。它们是材料产生塑性变形重新分布而减小应力集中的能力的度量。δ和Ψ值愈大则塑性愈好，金属材料具有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件。塑性还可以提高零件工作的可靠性，防止零件突然断裂。kk的能力及所吸收的功，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度态下的塑性，即不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸对零件断裂强度的影响，因此不能可靠地避免零件脆断。标准件厂在螺栓或螺钉成品检验时都必须随机抽样对螺栓或螺钉实物进行偏斜拉伸试验。冲击韧度指标α或A、表征在有缺口时材料塑性变形的能力，反映了应力集中kk和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，正好弥补了δ和ψ的不足。在材料脆断抗力的重要性能指标。其缺点是α或A不能定量地用于设计，只能凭经验提出对冲击韧度值的要求。若过kk分追求高的α值，结果会造成零件笨重和材料浪费。尤其对于中低强度材料制造的k仅以冲击韧度值已不能评定零件脆断倾向的大小。应当指出，在冲击载荷作用下工作的零件，实际承受的载荷是小能量多次重复k定于强度，而无需过高的冲击韧度。年机械专业基础与实务中级指导书版材料经受无数次重复交变应力作用而不致引起断裂的最大应力，此种应力称为疲劳强度，用σ表示弯曲疲劳强度。-l试验规范规定：钢的循环次数以107为基数，非铁合金或某些超高强度钢取108中，导致微裂纹的产生。这些微裂纹在交变应力作用下，随循环次数增加而逐渐扩展，使零件有效截面减小，从而导致突然断裂。为了提高零件的疲劳强度，在设计时可通过改变零件结构的形状，避免应力集中。加工时改善表面粗糙度，采取表面处理、滚压和喷丸等措施，以提高材料的疲习题5.常用材料硬度的测定法有哪三种它们主要适应于检验什么材料答：(1)硬度(HB)测定法：布氏硬度测定是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，测量压痕球形面积A(mm2)。布氏硬度(HB)就是试验力F除以压痕球形面积A所得的商。布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质后的硬度。(2)洛式硬度(HR)试验：洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。洛式硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角ɑ＝120°的金钢石圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。常的三种洛式硬度如表所示。洛氏硬度试验常用于检查淬火后的硬度。年机械专业基础与实务中级指导书版标尺符号压头类型总试验力F(N)测量硬度范围应用举例AHRA金钢石圆锥22-88硬质合金、表面薄层硬化钢锻铸铁CHRC钢金石圆锥147120-70淬火钢、高硬铸件、珠光体可锻铸铁(3)维氏硬度(HV)试验：维氏硬度试验适用于常规材料，其压头是两对面夹角ɑ＝136°的金钢石四棱锥体。测量出压痕对角线平均长度并计算压痕的表面积A 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力sb示。示对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度据。年机械专业基础与实务中级指导书版应力和应变成正比，服从虎克定律，即σ=Eξ称E显然比性变形的最大应力。当应ee变形的同时，开始发生塑性变形并出现屈服现象，即外力不增加，但变形继续进行。显然，屈服极限σs是材料开始产生塑性变形的应力。当应力超过屈服极限σ后，随着应力增加，塑性变形逐渐增加，并伴随加工硬化，即塑性变形需要不断s增加外力才能继续进行，产生均匀塑性变形，直至应力达到抗拉强度σ后均匀塑性b变形阶段结束，试样开始产生不均匀集中塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大至K点而发生断裂。显然，抗拉强度σ是材料产生最大均匀变形的应力，而断裂强度bK钢和有些铝合金及某些高分子材料也具有上述类似的应力—应变行为。σ是强度设计中应用最多的性能指标，设计中规定零件工作应力σ必须小于许s用应力[σ]。即[]=sKK—安全系数。按此式计算材料的屈服强度σ愈高，承载能力愈大，零件的寿命越长。实际上s不能一概而论。对于纯剪或纯拉伸的零件，例如螺栓，σ可直接作为设计的依据，s年机械专业基础与实务中级指导书版并取K=~；对于承受交变接触应力的零件，由于表面经热处理强化(渗碳、渗氮、感应加热淬火)，疲劳裂纹多发生在表面硬化层和心部交界处，因而适当提高零件心部屈服强度对提高接触疲劳性能有利；对于低应力脆断零件，其承载能力已不是由材料的屈服强度来控制，而是决定于材料的韧性，此时应适当降低材料屈服强度；对于承受弯曲和扭转的轴类零件，由于工作应力表层最高，心部趋于零，因此只要求一定的淬硬层深度，对于零件心部的屈服强度不需过高的要求。需要指出的是大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用σ表示。sbb故都是由疲劳断裂引起的，疲劳强度σ与抗拉强度σ有一定关系。对于钢，当σ-1bb-1b-1b-1b强度来衡量材料疲劳强度的高低，提高材料的抗拉强度对零件抵抗高周疲劳断裂有利。此外，抗拉强度对材料的成分和组织很敏感。两种材料的成分或热处理工艺不同，有时尽管硬度相同，但抗拉强度不同，因此可用抗拉强度作为两种不同材料或同一种材料两种不同热处理状态的性能比较标准，这样可以弥补硬度作为检验标准的不足之处。习题2.设计中的许用应力[σ]与材料的强度有何关系如何确定设计中的许用应力答：设计中规定零件工作应力σ必须小于许用应力[σ]，即屈服强度除以安全年机械专业基础与实务中级指导书版KKσ对设计塑性低的材料，如铸铁、sb冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的具有直接意义。设计时以抗拉强度σ确定许用应力，即[σ]＝σ÷K(K为安全系数)。bb弹性模量(E)(等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力)刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。工程中弹性模量E被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。设计弹性零件必须考虑弹性极限和弹性模量。防止产生裂纹。金属材料的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金属材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能和热处理工艺性能。晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性的重复排列；非晶体中的这些质点，则是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。这就是晶体和非晶体的根本区别。晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。年机械专业基础与实务中级指导书版最典型、最常见的三种晶体结构类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。最常见的点缺陷是空位和间隙原子，因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。面缺陷即晶界和亚晶界。晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层。晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是有许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。晶界还有耐蚀性低、熔点低，原子扩散速度较快的特点。晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高。对于在较低温度下使用的金属材料，一般总是希望获得细小的晶粒。年机械专业基础与实务中级指导书版在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。金属由液态转变为固态晶体的过程叫做结晶。而一般非晶体由液态向固态的转每种金属都有一个平衡结晶温度，也称理论结晶温度。只有金属的实际结晶温度低于理论结晶温度才能结晶，这种现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。因此认为：金属要结晶就必须有过冷度，即过冷度是结晶的必要条件，冷却速度愈快，则过冷度愈大。生产中，细化晶粒的方法如下：1)增加过冷度。结晶时增加过冷度ΔT会使结晶后晶粒变细。增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又增加了铸件变形与开裂的倾向。因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒。2)变质处理。变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质(变质剂)，在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显着细化。如往钢液中加入钛、锆、铝等。既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。年机械专业基础与实务中级指导书版纯金属在固态下的转变有两种，一种是同素异晶转变，一种是磁性转变。纯铁的同素异晶转变是：1538~1394℃时为体心立方晶格称δ-Fe；在1394~912℃时为面心立方晶格，称γ-Fe；在912℃以下时为体心立方晶格，称α-Fe。晶格改变，其性能随之变化，这就是钢能利用热处理方法改变性能的原因所在。面心立方结构的金属塑性最好，可加工成极薄的金属箔，体心立方结构的金属塑性次之，密封六方结构的金属塑性最差。具有同素异晶转变的金属有铁、锡、钛、磁性转变与同素异晶转变有着原则上的区别，不发生晶格类型转变，而是发生合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下而改变其显微组织，从而达到调整金属材料力学性能的目的。根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物、机械混合物三大类。年机械专业基础与实务中级指导书版合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。置换固溶体如铜镍二元合金，铁碳合金中，铁素体和奥氏体皆为由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。如碳钢中的3金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高、硬度高、而脆性大、电阻高。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。但其塑性和抗蚀性较差，如锡、锑、铜组成的轴承合金。3相图中各主要点的温度、碳的质量分数及意义如表一1所示。年机械专业基础与实务中级指导书版一、铁碳合金中的基本相铁碳合金相图实际上是Fe-FeC相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和3FeC。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以3形成不同的固溶体，Fe-FeC相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe3晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。1，铁素体(ferrite)铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。铁素体的力学性能特点是塑性，韧性好，而强度，硬度低。δ=30%~50%，A=128~160J，σ=180~280MPa，50~80HBS。KUb铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。2，奥氏体(Austenite)虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有%(1148℃时)，727℃时为%。年机械专业基础与实务中级指导书版故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造，热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓"趁热打铁"正是这个意思。σ=400MPa，b170~220HBS，δ=40%~50%。另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。3，渗碳体(Cementite)渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式"FeC"表示。3它的碳质量分数Wc=%，熔点为1227℃，质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。等形态，它们的大小，数量，分布对铁碳合金性能有很大影响。：在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体，奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。3年机械专业基础与实务中级指导书版奥氏体(A)和莱氏体(Ld)。铁和碳可以形成一系列化合物，如FeC，FeC，FeC等，有实用意义并被深入研32333分轴从0~%。所谓的铁FeFeC3二、铁碳合金相图分析Fe-FeC相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将3Fe-FeC相图分成上下两个部分来分析。31，上半部分——共晶转变E3存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号L表示，组织由d奥氏体和渗碳体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Lˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。d低温莱氏体是由珠光体，FeC和共晶FeC组成的机械混合物。经4%硝酸酒精3Ⅱ3溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在FeC基体上，3年机械专业基础与实务中级指导书版3Ⅱ32，下半部分——共析转变在727℃，%的奥氏体发生共析转变：γ727℃α＋FeC，转变的产物称为珠光Sp3共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。3，相图中的一些特征点相图中应该掌握的特征点有：A，D，E，C，G(A点)，S(A点)，它们的含义31相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线，PSK线(A线)，GS线(A线)，ES13线(Acm线)水平线ECF为共晶反应线。碳质量分数在%~%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。水平线PSK为共析反应线。碳质量分数为%~%的铁碳合金，在平衡结晶过程中1GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A线。年机械专业基础与实务中级指导书版ES线是碳在A中的溶解度曲线(固溶线)，通常叫做Acm线。由于在1148℃时冷至727℃的过程中，将从A中析出FeC。析出的渗碳体称为二次渗碳体3(FeC)。Acm线亦为从A中开始析出FeC的临界温度线。3II3II33III3III3III例根据铁碳合金相图分析亚共析钢的结晶过程及组织转变体晶粒，在温度不断下降过程中。奥氏体量不断增加，当温度降到JE线时，液相全时，奥氏体中开始析出铁素体。随着温度不断降低，铁素体量逐渐增多，奥氏体量逐渐减少。当温度降到A线(727℃)时，奥氏体的含碳量Wc升至%则发生共析反应1其室温组织都是由铁素体和珠光体组成的，不同之处在于铁素体和珠光体的相对量不同。含碳量愈高，组织中珠光体量愈多，而铁素体量愈少。因此，可根据亚共析钢缓冷下的室温组织估计其碳含量Wc=Sp×%。式中Wc—钢中C的质量分数；Sp—珠光体在显微组织中所占的面积百分比；%—珠光体的C的质量分数。年机械专业基础与实务中级指导书版三、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物形态发生如下变化：FeC(沿铁素体晶界分布的薄片状)3III素体内的层片状)FeC(沿奥氏体晶素体内的层片状)3IIFeC(分布在莱氏体上的粗大片状)。3I332．含碳量对机械性能的影响渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也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，当钢的含碳量增加至%时，其组织大多数为珠光体，且有尚3II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Wc一般不超过%~%。3．含碳量对工艺性能的影响年机械专业基础与实务中级指导书版对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度也不能过低，以免产生裂纹。对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。习题3.简述低碳钢、中碳钢和高碳钢的划分标准及其各自的性能特点。筑结构、容器等，应选用低碳钢；中碳钢(Wc为％~)，若零件要求强度、塑性、韧性都较好，具有综合机械性能，便如轴类零件，应选用中碳钢；高碳钢(Wc为％~％)，若零件要求强度硬度高、耐磨性好，例如工具等，应选用高碳钢。的应用。(1)为选材提供成份依据Fe-FeC相图描述了铁碳合金的平衡组织随碳的质3量分数的变化规律，合金性能和碳的质量分数关系，这就可以根据零件性能要求来选择不同成份的铁碳合金。年机械专业基础与实务中级指导书版(2)为制订热加工工艺提供依据Fe-FeC相图总结了不同成份的铁碳合金在3缓慢冷却时组织随温度变化的规律，这就为制订热加工工艺提供了依据。a.铸造根据Fe-FeC相图可以找出不同成份的钢或铸铁的熔点，确定铸造温3根据相图中液相线和固相线之间的距离估计铸造性能的好坏，距离越小，铸造性能越好，例如纯铁、共晶成分或接近共晶成分的铸铁铸造性能比铸钢好。因此，共晶成分的铸铁常用来浇注铸件，其流动性好，分散缩孔小，显微偏析少。b.锻造根据Fe-FeC相图可以确定锻造温度。始轧和始锻温度不能过高，以3免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化(称为过烧)。一般控制在固相线以下100~200℃。一般对亚共析钢的终轧和终锻温度控制在稍高于GS线(A线)；过共析钢控3PSKA℃，1终轧和终锻温度为750~850℃。c.焊接由焊缝到母材在焊接过程中处于不同温度条件，因而整个焊缝区出现不同组织，引起性能不均匀，可根据相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。d.热处理热处理的加热温度都以相图上的临界点A、A、Acm为依据。13A发生珠光体向奥氏体的113为单相奥氏体，通常把这种加热转变称为奥氏体化。显然加热的目的就是为了使钢获得奥氏体组织，并利用加热规范控制奥氏体晶粒大小。钢只有处于奥氏体状况才年机械专业基础与实务中级指导书版能通过不同的冷却方式使其转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。，还可进行弯曲、压缩、伸长率、断面收缩率等项目的试验。材料的抗拉强度(σ)按下式计算：=FbbbA0式中F—试样拉断前承受的最大外力(N)。A—试样原始横截面积(mm2)。b0为了测定材料在受拉力状态下对缺口的敏感程度，还可做缺口拉伸试验。缺口偏斜拉伸试验是在试验机的拉伸夹具中加一个带一定斜度的垫圈，常用的偏斜bNbN为了测定某些特殊材料在一定高温下的强度指标，在拉伸试验机上加一个电阻加热或感应加热的加热装置即可。低温试验则需安装一个低温箱，用干冰或液氮做为冷却剂。一些先进的材料试验机，本身带有高温和低温拉伸试验装置。对于脆性材料和低塑材料可进行弯曲试验和压缩试验。对于检测表面强化试件的力学性能进行扭转试验最为合适。冲击试验是将冲击试样放在冲击试验机的支座上，使试样的缺口背向摆锤的冲击方向，再将具有一定质量的摆锤，由一定高度自由落下，测得一次冲击试样缺口处单位面积所消耗的功，称为冲击韧度(α)。k年机械专业基础与实务中级指导书版冲击试验主要用于结构钢。对于脆性材料(如铸铁、铸铝等)和塑性很好的材料(如铜、黄铜和奥氏体钢等)一般均不采用冲击试验。为了测定材料的韧脆转变温度，以判断材料的冷脆性或回火脆性，常常采用系列冲击试验。即通过不同温度下的冲击试验测得一系列的冲击值而得到材料冲击韧度随试验温度变化曲线，然后以(α＋α)/2相当的温度或50%纤维断口相当kmaxkmink测定金属材料化学成分的常用方法有化学分析法、火花鉴别法、光谱分析法和1.化学分析法(1)测定钢铁中的含碳量其原理是首先在高温下将钢铁试样中的碳燃烧生成二氧化碳后再进行测定。较常用的是气体容量定碳法：将试样在高温(1100~1300℃)的氧气流中燃烧，使碳燃烧生成二氧化碳，硫燃烧生成二氧化硫，再把混合气体经除硫后收集于量气管中，用氢氧化钾溶液吸收二氧化碳，以吸收前后的体积之差测出二氧化碳的体积，通过换算确定碳的含量。此方法适用于含碳量约0.10%~%的碳钢及合金钢试样。(2)钢铁中含锰量的测定方法亚砷酸钠—亚硝酸钠容量法(过硫酸铵容量法)是将试样经酸溶解，在硫酸—磷酸混合酸介质中以硝酸银为催化剂，用过硫酸铵将二价锰氧化成七价，再用亚砷酸钠一亚硝酸钠标准液滴定。此方法适用于普通钢、铸铁及含铬质量分数为2%以上、含锰质量分数为3%以下的合金钢与合金铸铁。(3)含铬量的测定方法一般测试含铬质量分数为1%以下的低合金钢多采用二年机械专业基础与实务中级指导书版苯卡巴肼比色法，而对于高含铬量的合金钢则采用过硫酸铵银盐容量法。(4)含钼量的测定方法硫氰酸盐直接比色法可适用于含钼质量分数为%~%的。(5)含钨量的测定方法硫氰酸盐直接比色法可适用于含钨质量分数为%~%的2.火花鉴别法依靠观察材料被砂轮磨削时产生的流线、节点、苞花、爆花和尾花及色泽特征、形态来鉴别钢铁牌号。砂轮片宜采用中硬度46~60号普通氧化铝砂轮，不宜使用碳化硅或白色氧化铝砂轮。火花鉴别法只能定性和半定量地对碳钢和合金元素含量较高的合金钢进行鉴别，适宜于生产现场初步判断钢种。使用台式光谱仪或便携式光谱仪。出材料的平均成分，无法测定微观尺度上元素分布不均或沉淀相及夹杂物的化学成分。目前微区化学成分分析的主要方法有电子探针X射线分析、离子探针显微分析、俄歇电子能谱分析以及激年机械专业基础与实务中级指导书版光显微光谱分析等。材进厂前或使用前必须进行缺陷检查。低倍检验的内容一般包括疏松、缩孔、偏析、白点、夹杂和裂纹等。低倍检验的一般方法有：酸浸蚀方法，包括冷浸蚀、热浸蚀和电解浸蚀。评级标准参照《结构钢低倍组织缺陷评级图》。钢中若硫化物和磷化物偏析严重，最方便的检验方法是印痕法(硫印法和磷印法)。分析、使用环境分析。常用的断口分析方法有：宏观观察分析、光学显微镜分析、电子显微镜分析。典型的断口形貌特征可分为：韧性断口、解理型和准解理型脆性子显微镜分析方法。采用X射线探伤法可检验焊缝和铸钢件的内部缺陷，如焊缝中较宽的裂缝未熔合、未焊透、夹渣、气孔及铸钢件中的冷隔和缩孔等，但对于零件内部的裂纹不宜采用此法。对于焊缝中的裂纹、未熔合、未焊透，锻件及轧材中的白点、夹渣、缩孔等采用超声波探伤法其灵敏度和穿透深度都超过射线探伤法。检查截面均一的型材、管材、棒材和线材等金属材料表面和内部的缺陷采用涡流探伤法，检验速度快。该方法多用于流水生产线上自动进行探伤。560℃)。年机械专业基础与实务中级指导书版磁粉探伤和莹光探伤多用于检验材料零件表面上的缺陷(如裂纹)；莹光及着色探伤多用于不锈钢及有色金属等非磁性材料的表面缺陷探伤。钢按用途分类：碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。碳素结构钢普通碳素结构钢如Q195、Q215，Q235，Q255，Q275等。一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。优质碳素结构钢主要用于制造机器零件，一般都要经过热处理以提高力学性能。15、20、25钢用于制做尺寸较小、负荷磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理调质后用于制做(受力不大的)轴类零件；50、55、65钢经淬火＋中温回火后具有高的弹性极限，常用于制做负荷不大、尺寸较小(截面尺寸小于12mm)的弹簧。碳素工具钢T7、T7A钢经淬火＋低温回火热处理后制造承受振动与冲击载荷、要求较高韧性的工具，如凿子、打铁用模、各种锤子、木工工具等；T8、T8A钢经热处理后制造承受振动与冲击载荷、要求足够韧性和较高硬度的各种工具，如简单模子、冲头、剪切金属用剪刀、木工工具、煤矿用凿等；T10、T10A钢用于制造不受突然振动、在刃口上要求有少许韧性的工具、如刨刀、冲模、丝锥、板牙、手锯TT2A钢等用于制造不受振动，要求极高硬度的工具，如钻头、丝锥、锉刀、刮刀等。低合金结构钢16Mn钢经热轧空冷后σ≥325MPa，广泛用于制做桥梁、船舶及ss年机械专业基础与实务中级指导书版合金渗碳钢经过渗碳热处理后使用的低合金钢主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，表面要求高的硬度及高的接触疲劳强度，心部则要求有良好的韧性。低淬透性合金渗碳钢(σ=800~1000MPa)如20MnZ、20MnV、20Cr、20CrV钢等，用于制造尺寸较小的bb20CrMnTi、20MnTiB、20CrMnMo钢等，应用最广泛的是20CrMnTi钢，用于制造受高速、中速、冲击和在剧烈摩擦条件下工作的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等；高淬透性合金渗碳钢(σ＞1200MPa)如18Cr2Ni4WA钢等，用于制造大b截面、高负荷以及要求高耐磨性及良好韧性的重要零件，如飞机、坦克的曲轴、齿轮及内燃机车的主动牵引齿轮等。学性能的重要零件。这些零件在工作过程中承受弯曲、扭转或拉—压交变载荷与冲击载荷的复合作用，它们既要有高强度，又要有高的塑性、韧性、良好的综合力学性能。低淬透性合金调质钢如40Cr、40MnB钢等，用于制造截面尺寸较小或载荷较小的连杆螺栓、机床主轴等零件；中淬透性合金调质钢，如35CrMo、38CrSi钢等，用于制造截面尺寸较大的火车证其吸收大量的弹性能而不发生塑性变形。此外，还应具有较高的疲劳强度和足够的塑性、韧性，以防止弹簧发生疲劳断裂和冲击断裂。合金弹簧钢65、65Mn、60Si2Mn、70Si3MnA钢主要年机械专业基础与实务中级指导书版用于制造截面＜25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧；50CrVA、50CrMnA、60SiZMnWA、55SiMnMoVNb、60Si2MnBRe、65Si2MnWA钢等用于制造截面尺寸≤30mm，并在350~400℃工作的重载弹簧，如阀门弹簧、内烧机的汽阀弹簧等。模、机床丝杠及精密偶件如针阀体、柱塞、柱塞套等。滚珠轴承在工作时，承受高达3000~5000MPa的交变接触压应力及很大的摩擦力，还会受到大气、润滑油的浸蚀。因此，滚珠轴承应具有高的接触疲劳强度和高而均匀的硬度和耐磨性及一定的韧性和耐腐蚀性能。GCr9、GCr15淬透性较低，用于制做中、小型滚动轴承及冷冲合金工具钢各类工具大多数在工作中既要承受很大的局部压力与磨损，又要承受冲击、振动与热的作用。因此，工具既要有高的硬度和耐磨性，又要有足够的韧CrCrWMn具钢，主要用于制做低速、中速切削刀具(板牙、丝锥、钻头、铰刀等)、中等负荷的冷成形模具(冷冲模冷轧辊、冷压模、冷轧辊等)及量钉或螺钉热压模、压铸模等；Cr12MoV钢用于制做冷切剪刀、圆锯、切边模、滚边模、标准工具与量规、拉丝模、螺纹滚模等。高速钢W18Cr4、W6Mn5Cr4V2等主要用于制造车刀、刨刀、钻头、铣刀等，还广泛应用于冷、热变形模具。，但都具有优良的铸造性、可切年机械专业基础与实务中级指导书版HT200、HT250、HT300、HT350等主要用于制造汽车、拖拉机中的气缸、气缸套、机床的床身等承受压力及振动的零件。若将液态灰铸铁进行孕育处理即孕育铸铁或变质铸铁。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。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、QT450-10铁素体球铁主要制做汽车、拖拉机底盘零件及1600~6400MPa等球铁主要制做曲轴、机床主轴、空压机、冷冻机缸体、缸套等；QT900-2球铁用于制造传动齿轮。可锻铸铁由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的切割作用小，故其强度、塑性及韧性均比灰铸铁高，尤其是珠光体可锻铸铁可与铸钢媲美，但不能锻造。KTH弯头、三通等管件；KTH330-08适用于制造螺丝扳手、犁刀、犁柱、车轮壳等；KTH350-10、KT370-12用于制造汽车、拖拉机前后轮壳、减速器壳、转向节壳、制动器等；KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02等可用白心可锻铸铁因工艺复杂，常用黑心可锻铸铁代替，生产上应用较少。球铁。此外，它的导热性、铸造性、可切削加工性均优于球铁，与灰铸铁相近。耐腐蚀性及高的比强度等。年机械专业基础与实务中级指导书版系应用最多。常用代号ZL101、ZL104、ZL105、ZL107、ZL109、ZL111等。这类合金用于制造低、中强度的形状复杂铸件，如缸体、风机叶片、变速箱体等。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。变形铝合金分为防锈铝合金和硬铝合金。防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg合金。常温下工作的高强度及高化学稳定性零件，在造船、电机及化学土业中广泛应用。抗磁及耐蚀零件。铝青铜。低铝青铜QA15、QA17主要用于制造要求高耐蚀性的弹簧及弹性元件；QA19-4、、ZCuA18Mn13Fe3Ni2等高铝青铜主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强度、耐磨和耐蚀零件，如齿轮、轴承、蜗轮、阀座、轴套、螺旋浆等。蚀性、导电性、并有耐低温烈的淬火时效硬化效应，可用于制造各种精密仪表的重要弹性元件、耐磨零件(如钟表、齿轮、高温高压高速工作的轴承和轴套)和其他重要零件(电焊机电机、航年机械专业基础与实务中级指导书版缘性，则应选高分子材料和陶瓷材料；要求零件耐腐蚀或抗氧化，则应选不锈钢或耐热钢和陶瓷材料；要求零件质量轻，则应选用铝合金、钛合金或纤维增强复合材碳纤维复合材料(CFRP)具有最好的强度、刚度和比强度、比刚度、质量轻、尺寸小，是制做梁的最佳材料，但价格昂贵。答：钢碳素结构钢合金结构钢碳素工具钢合金工具钢不锈钢耐热钢耐磨钢低合金结构钢合金渗碳钢(合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。例如，制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等。这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢，其基本性能是具有良好的综合力学性能。)合金弹簧钢(弹簧应具有高的弹性极限和屈服强度，以保证其吸收大量的弹性能而不发生塑性变形。此外，还应具有较高的疲劳强度和足够的塑性、韧性，以铸铁：灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁合金铸铁；铝合金：铸造铝合金变速铝合金超硬铝合金锻铝合金防锈铝合金硬铝合年机械专业基础与实务中级指导书版铝青铜铍青铜。习题7.材料选用的主要依据是什么答：在设计和制造工程结构和机构零件时，考虑材料的使用性能、材料的工艺(1)根据材料的使用性能选材：使用性能是零件工作过程中所应具备的性能(包括力学性能、物理性能、化学性能)，它是选材最主要的依据。在选材时，首先必须准确地判断零件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标及具体数值并进行选材。具体方法如下：a.分析零件的工作条件，确定使用性能；b.进行失效分析，确定零件的主要使用性能。失效分为三大类：过量变形、断裂、表面损伤；c.根据零件使用性能要求提出对材料性能(力学性能、物理性能、化学性能)的要求。通过分析、计算转化成某些可测量的实验室性能指标和具体数值，按这些性能指标数据查找手册中各类材料的性能数据和大致应用范围进行选材。(2)根据材料的工艺性能选材：工艺性能表示材料加工的难易程序。材料应具有良好的工艺性能，即工艺简单，加工成形容易，能源消耗少，材料利用率高，产品质量好。主要应考虑以下工艺性：造性能最好。铸造性能较好的金属材料有铸铁、铸钢、铸造铝合金和铜合金等，铸年机械专业基础与实务中级指导书版造铝合金和铜合金优于铸铁，而铸铁又优于铸钢。度范围，抗氧化性和加热、冷却要求等。变形铝合金、低碳钢和低碳合金钢的塑性好，有较好的冷压力加工性能，铸铁和铸造铝合金不能进行冷、热压力加工，变形铝合金和铜合金、低碳合金钢有较好的冷压力加工性能。c.机械加工性能，主要指切削加工性、磨削加工性等。铝及铝合金的机械加工性能较好，钢中以易切削钢的切削性能最好，而奥氏体不锈钢及高碳高合金钢的切削加工性能较差。d.焊接性能，主要指焊缝区形成冷裂或热裂及气孔的倾向。铜合金和铝合金焊接性能不好，高碳钢的焊接性能差，低碳钢的焊接性能好。e.热处理工艺性能，主要指加热温度范围、氧化和脱碳倾向、淬透性、变形开裂倾向等。大多数钢和铝合金、钛合金都可进行热处理强化，少数铜合金可进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能比碳钢好，故对结构形状复杂或尺寸较大且强度要求高的重要零件都要用合金钢制造。零件的总成本包括制造成本(材料价格、零件自重、零件的加工费、试验研究费)和附加成本(零件寿命，即更换零件和停机损失费及维修费等)。按材料组成物质属性的特点将材料划分为三大类，即金属材料(原子主要是以年机械专业基础与实务中级指导书版金属键相结合)、高分子材料(原子则是以共价键和分子键相结合)、陶瓷材料(原子主要是以离子键相结合)。常用的高分子材料包括工程塑料和橡胶材料。习题1.工程塑料一般具有哪些特性和主要用途或具备耐高温、耐腐蚀、耐磨性等良好性能，因而可代替金属做某些机械零件。常用热塑性工程塑料聚酞胺(商品名称为尼龙或锦龙)具有较高的强度和韧性，低的摩擦系数，有自润滑性，其耐磨性比青铜还好，适于制造耐磨的机器零件。但尼龙吸水性大，已克服了这一缺点。一般尼龙使用温度在100℃以下。胺及癸二酸再缩合而成的。成本低、经济效果好、自润滑性和耐磨性极好、耐油性好，脆性转化温度低(约在-60℃)，机械强度较高，广泛用于机械零件和化工、电气零件。铸造尼龙(MC尼龙)也称单体浇铸尼龙，力学性能和物理性能都比尼龙6高。可制作几十千克的齿轮、蜗轮、轴承和导轨等。芳香尼龙是由芳香胺和芳香酸缩合而成。具有耐磨、耐热、耐辐射和突出的电绝缘性能，在95%相对湿度下不受影响，能在200℃下长期工作，是尼龙中耐热性最好的一种。可用于在高温下工作聚甲醛是一种高强度工程塑料。其耐疲劳性在热塑性塑料中是最高的。其弹年机械专业基础与实务中级指导书版性模量高于尼龙66、ABS、聚碳酸脂，同时具有优良的耐磨性和自润滑性，对金属的摩擦系数小。此外，还有好的耐水、耐油、耐化学腐蚀和绝缘性。缺点是热稳定性差、易燃，长期在大气中曝晒会老化。尤其适用于制造不允许使用润滑油的齿轮聚碳酸脂具有优异的冲击韧度和尺寸稳定性，较好的耐低温性能，使用温度范围为-100~130℃，良好的绝缘性和加工成型性。聚碳酸脂透明，具有高透光率。缺点是化学稳定性差，易受碱、胺、脂、酮、芳香烃的浸蚀，在四氯化碳中会发生“应力开裂”现象。聚碳酸脂用途十分广泛，可制做机械零件，还可制做防弹玻璃、灯罩、防护面罩、安全帽及其他高级绝缘零件。ABS塑料具有高的硬度和强度，高的弹性、韧性和耐冲击，耐油性和耐蚀性S塑料在工业上应用广泛，汽车的方向盘、仪表盘、飞机舱内的装饰板窗框、隔音板，聚四氟乙烯(塑料王)聚四氟乙烯是线型晶态高聚合物，结晶度为55%~75%，理论熔点为327℃，具有极优越的化学稳定性、热稳定性和良好的电性能。它不受它的热稳定性和耐寒性都好，在-195~250℃内长期使用，其力学性能不发生变化。它的摩擦系数小()，并有自润滑性。它的吸水性小，在潮湿的条件下仍能保持良好的绝缘性能，它的介电性能既与频率无关，也不随温度而改变。缺点是强度较低，尤其是耐压强度不高。在温度高于390℃时，它分解挥发出有毒气体。加工成型性年机械专业基础与实务中级指导书版较差，加热至450℃也不会从高弹态变为粘流态，因此不能用注射法成型。常用热固性工程塑料酚醛塑料具有一定强度，层压塑料抗拉强度可达140MPa，刚度大，制品尺寸稳定。有良好的耐热性，可在110~140℃下使用。具有较好的耐磨性、耐蚀性和良好的绝缘性。用于制作电器开关、插头、外壳等各种电气绝缘零件；还可制做齿轮、凸轮、皮带轮、手柄等；此外还可做为化工用耐酸泵等。但是酚醛塑料(电木)性脆易碎，抗冲击强度低，在阳光下易变化，因此多做成黑色、棕色等。环氧塑料具有比强度高、耐热性、绝缘性和加工成型性好等特点。缺点是成工程塑料的应用1.一般结构件一般机械上的外壳、手柄、手轮、支架，仪器仪表的底座、罩壳、盖板等。这些构件使用时负荷小，只要求一定的机械强度和耐热性。一般选用价格低廉，成型性好的塑料，如聚氯乙稀、聚丙烯、聚苯乙烯、ASS等。若制品常与热水或蒸汽接触或稍大的壳体构件要求有刚性时，可选用聚碳酸醋、聚砜等，如要求透明的零件，可选用有机玻璃、聚碳酸脂等。劳强度时选用聚甲醛；在腐蚀介质中工作的可选用聚氯醚；聚四氟乙烯充填的聚甲年机械专业基础与实务中级指导书版醛可用于有重载摩擦的场合。3.摩擦零件轴承、轴套、导轨和活塞环等要求强度一般，但要求摩擦系数小和良好的自润滑性，一定的耐油性和热变形温度，导热率低，可选用尼龙1010、MC尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯。由于塑料的线膨胀系数大，因此，只有在低负荷、低速条件下才适宜选用。4.耐蚀零件全塑结构的耐蚀零件，还要求较高的强度和抗热变形的性能。常用的耐蚀塑料有：聚丙烯、填充聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯等。还材料的复合结构。通常选用热膨胀系数小、粘附性好的树脂及玻璃钢做衬里材料。5.电器零件用于工频、低压下工作的普通电器元件可选用酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等；对于高压电器的绝缘材料，要求耐压强度高、介电常数小、抗电晕及优良的耐候性，则常用：聚碳酸脂、氟塑料和环氧塑料；用于高频设备中的绝也可选用聚酞亚胺、聚砜、陶瓷是无机非金属材料，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。目前己同金属材料、高分子材料合称为三大固体材V高温下不氧化)、耐腐蚀(对酸、碱、盐有良好的耐蚀性)以及其他优良的物理、化学性能(优于金属的高温强度和高温蠕变能力，热膨胀系数小。热导率低，电阻率断裂韧度都很低。陶瓷材料的抗压强度比其抗拉强度大得多(约为抗拉强度的10~年机械专业基础与实务中级指导书版40倍)，大多数工程陶瓷材料的弹性模量都比金属高。由于工程陶瓷材料硬度高，常采用洛式硬度HRA、HT45N、小负荷维氏硬度或努氏硬度表示。陶瓷材料按原料来源，一般可分为普通陶瓷和特种陶瓷。特种陶瓷又分为氧化铝瓷、氮化硅瓷、氮化3)氧化铝陶瓷强度高于普通陶瓷2~3倍，抗拉强度达250MPa；硬度高，仅次于金刚石、碳化硅、立方氮化硼和碳化硼而居第五位；耐高温，可在1600℃高温下缺点是脆性大，不能承受环境温度的突然变化。氧化铝陶瓷主要用于制做内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩，石油化工泵的密封环，坩埚、热电偶套管、刀具和拉丝模具等。氮化硅陶瓷热压烧结/反应烧结氮化硅陶瓷。硬度高，摩擦系数小(~)，并有自润滑性，是极好的耐磨材料；蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性在陶瓷中最好；化学稳定性好，能耐各种酸(除氢氟酸)、王水和碱液的腐蚀；还具有优异的电绝缘性能。氮化硅陶瓷主要用于耐磨，耐腐蚀、耐高温零件，如石油、化工泵的密封环、电磁泵管道、阀门，热电偶套管，转子发动机刮片，高温轴承，刀具等。碳化硅陶瓷最大优点是高温强度高，在1400℃时，其抗弯强度仍保持500~600MPa，工作温度可达到1600~1700℃，导热性好；其稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性好；而且耐放射元素的幅射。碳化硅陶瓷主要用于制做火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。氮化硼陶瓷具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当，膨胀系数年机械专业基础与实务中级指导书版比金属和其他陶瓷低得多，故其抗热振性和热稳定性好；高温绝缘性好，在2000℃仍是绝缘体；化学稳定性好，能抗铁、铝、镍等金属的侵蚀，其硬度较其他陶瓷低，可进行切削加工；有自润滑性，耐磨性好。氮化硼陶瓷常用于制做热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶炼用高温容器的管道，高温轴承，玻璃制品成型模，高金属陶瓷具有某些金属性质的陶瓷，它是制造刀具、模具和耐磨零件的重要光学纤维亦称光纤，是一种非常细的可弯曲的光导材料。单根光纤的直径约为几到几十微米，它是由内层材料(芯料)和包层材料(涂层)组成的复合结构。为了保护其不受损坏，最外面再加一层塑料套管。光纤按其结构可分为阶跃型和梯度型两种。按光的传输模式可分为单模光纤和晶伴芯子光纤和塑料芯子光纤。按制造光纤包层的材料又可将其分为石英玻璃包层光纤、多组分玻璃包层光纤和塑料包层光纤。光纤按其用途可分为用于传递信息的光导纤维和用于传递能量的导光纤维两种。光导纤维的用途是传输信息，它主要有两方面的用途，一是光纤通信，二是光纤传感。导光纤维的用途是传输能量。添加纳米粉体的材料与相同组成的普通粉体材料相比，材料的成分本身虽然并未改变，但活性增强，主要表现为高抗菌、防污、耐磨、强度加大，材料重量只是年机械专业基础与实务中级指导书版的原子、分子排列，使它们具有透气、耐热、高强度和良好的弹性等特征。例简述碳纳米管的主要性能与用途。解碳纳米管只有头发丝的十万分之一，但是导电率是铜的1万倍；强度是钢的100倍，而重量只有钢的六分之一。由于其强度是其他纤维的200倍，具有经受10万MPa而不破碎的奇异效果。广泛应用于金属、水泥、塑料、纤维等复合材料领域，在军事工业可制做防弹衣不仅轻巧而且具有防火、防毒、防辐射、防刀枪、防期治疗。习题2.简述工程塑料零件的工艺流程。5.什么是纳米材料纳米材料有哪些主要的特性答：纳米是一个长度计量单位，一纳米相当于十亿分之一米。当物质颗粒小到纳米级后，这种物质就可称为纳米材料。不具备的特性，因此在陶瓷增韧、磁性材料、电子材料和光学材料等领域具有广泛的应用前景。添加纳米粉体的材料与相同组成的普通粉体材料相比，材料的万分本身虽然并未改变，但活性增强，主要表现为高抗菌、防污、耐磨、强度加大，材料重量只是的原子、分子排列，使它们具有透气、耐热、高强度和良好的弹性等特征。例如被年机械专业基础与实务中级指导书版称为纳米材料中的“乌金“的碳纳米管具有非常奇异的物理化学性能。它的尺寸只不被破碎的奇异效果。热处理钢的热处理理工艺方法和目的。答：将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却，改变钢的内部组织，提高钢的性能，延长机器使用寿命的热加工工艺称为钢的热处理工艺。恰当的热处理工艺不仅可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，除低内应力，使组织均匀化；还可改善铸、锻件毛坯组织、降低硬度，便于切削加工；通过热处理工艺可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力，能源，提高机械产品质量，大幅度提高零件的耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性等，从而延长机器零件和工模具的使用寿命。★钢的热处理原理①铁碳合金平衡图Fe-FeC平衡图中的临界点(A、A、A)是正确选择钢在313cm热处理加热时的加热温度和冷却时结构发生变化温度的主要依据。年机械专业基础与实务中级指导书版②钢在加热时的转变珠光体向奥氏体的转变，是通过奥氏体晶核的产生和长大两个过程实现的。为了得到均匀一致的奥氏体，必须加热到足够高的温度和保持一定时间，才能使奥氏体均匀化。奥氏体晶粒的大小，决定了冷却时奥氏体转变产物晶粒的大小。通常规定在加热到930℃时奥氏体晶粒的大小为本质晶粒度，而在这种条件下具有细小晶粒的钢，称为本质细晶粒钢，可以加热到较高温度而不致使晶粒过分长大，但是，当超过某一更高温度时，其晶粒长大倾向比本质粗晶粒钢还大。晶粒度的大小共分8级。本织晶粒大小为实际晶粒度，实际晶粒度细小的钢，具有较高的力学性能。加热速度愈快，加热温度愈高，过热度也愈大，这时钢在较高温度下的转变，得到的奥氏体起始晶粒比较细小。实际生产中采用高温、短时的加热方法就可以获得较高力学性能的细晶粒组织，高频感应加热淬火就是如此。钢中加入微量铝、钦、钒、钨、铝、镍、硅、铜等，都会阻碍奥氏体晶粒长大；锰和磷有促使晶粒长大的倾向。③钢在冷却时的转变钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时过冷奥氏体所发生的相转变称为等温转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量(转变开始及终了)的关系曲线为等温转变曲线图(又称C曲线或TTT曲线)。过冷奥氏体的高温(727~550℃)分解产物为珠光体，形成温度越低，珠光体的分散度越大，硬度也就越高。过冷奥氏体的中温转变产物为贝氏体。550~350℃的分解产物呈羽毛状，称为上贝氏体，硬度40~45HRC；在350~240℃的分解产物呈黑色针状结构，硬度43~58HRC，而且伸年机械专业基础与实务中级指导书版长率和断面收缩率也相当高。贝氏体等温转变具有重大实际意义，生产中采用等温淬火就是根据这个理论。当奥氏体获得极大过冷度，即急速冷却到240℃以下时，只能进行非扩散转变，为碳在α-Fe中的过饱和固溶体，碳原子引起晶格歪曲，具有很高硬度的组织为马氏体。马氏体的比容比奥氏体大，所以钢的体积增大，引起很大内应力，使钢发生变形，甚至裂纹。④钢在回火时的转变淬火后的组织一般为马氏体和残余奥氏体，在回火过程中将要发生变化：在200℃以下转变为回火马氏体；200~300℃时残余奥氏体转变为回火马氏体；300~400℃时碳化物转变为FeC并开始聚集长大，组织为很薄的铁3素体层和渗碳体层交替重叠的复相组织为回火托氏体；400℃~A，渗碳体聚集长大，1铁素体基体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复相组织为回火索氏体。钢的整体热处理(常规热处理)钢铁材料的一般热处理热热处理目的及应用利于切削加工及冷变形加工；善钢的性能及为以后的热处理作准备；热处理过程属或合金加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却到室温。称退火年机械专业基础与实务中级指导书版加工后变形及开裂。将钢件加热到临界温度(不同钢材临界温度也不同，一般是710~750℃，个完全退火于含碳量(质量分数)在％以下900oC)以上30~50oC(完全奥氏体化)，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却(或埋在沙中冷却)。降低硬度，改善切削加工性能、消除内应力。主要适退将铁碳合金加热性。这种退火不能完全消除原始组织中的网状渗碳火不完全退火到A~A(A)C1C3cm之间的温度达到亚共析钢如果原始组织晶粒很细小，只是为了消除锻件产生的内应力或降低硬度，采用不完全退火为好，不必采用完全退火，以降低成本。将工件随炉加热至500~650℃，保温消除铸件、锻件、焊接件、冷冲去应力退一段时间后，炉冷至200℃以下出炉空压件(或冷拉件)及机加工件的火年机械专业基础与实务中级指导书版钢件或毛坯加热到高于A(A)温度，C3cm等温退火度区间的某一温度并等温保持使奥氏生产的碳钢及合金钢的中型工件，重型铸件和锻件。30oC，经过保温以后，缓慢冷却至球化退火500℃以下再出炉空冷(一次球化难以达到目的，可采用循环退火法进行球主要用于共析和过共析碳钢及合金钢。球化的目的是降低硬度、改善切削加工性，并为以后的淬火做准备，减小工件淬火变形和开裂。均匀化退减少金属铸锭、铸件或锻坯的化火(扩散退学成分的偏析和组织的不均匀慢冷却火)性。续上表：钢铁材料的一般热处理热处理过热处理过程经冷变形后的金属加热到再结晶温度热处理目的及应用消除形变强化和残余应力。称再结晶退火序序年机械专业基础与实务中级指导书版结晶为均匀的等轴晶粒。常用来消除过共析钢中的网状C3或(过共析钢Acm)以上30~50oC，保渗碳体；①改善组织结构和切削加工性低碳钢及含碳量为~%的钢，可用正火②对机械性能要求不高的零件，①使钢件获得较高的硬度和耐将钢件加热到淬火温度(A或A以上C3C1磨性；盐水或油(个别材料在空气中)中急速冷却获得马氏体和(或)贝氏体组织。将淬火后的钢件加热到临界温度(A)C1②使钢件在回火以后得到某种③消除因淬火造成的内应力。年机械专业基础与实务中级指导书版将淬硬的钢件加热到250~50oC，并在消除钢件因淬火而产生的内应低温回火这个温度保温一定时间，然后在空气中力。多用于切削刀具、量具、模。退回火高温回火将淬火的钢件加热到250~500℃，经保温一段时间冷却下来。及热冲模等零件。使钢件获得较好的综合力学将淬火后的钢件加热到500~650oC，经过保温以后冷却。度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等600oC)回火。调质一般是在粗加工之后进行的。细化晶粒，使钢件获得较高韧性时人工时效效效处理年机械专业基础与实务