金属工艺学教案

以提高钢的强度和硬度。钢在淬火时加热温度的选择共析钢和过共析钢的淬火加热温度在Ac1线以上30～50℃。过共析钢淬火加热温度选择在Ac1～Accm高钢的耐磨性，而且脆性小。淬火冷却的方法淬火的目的是获得马氏体或贝氏体组织。为了得到马氏体组织，淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度，但冷却过快会引起很大的内应力，使工件产生变形和开裂，因此，选常用淬火冷却的方法：单介质淬火、双介质淬火、马氏体的分级淬火、贝氏体等温淬火等，常用淬火方法的冷却示意图如图5-4-2所示。单介质淬火。将钢件加热到淬火加热温度后，在单一淬火冷却介质中冷却到室温，如图1Ms曲线2所示。马氏体的分级淬火。将钢加热到淬火加热温度后先放入温度在Ms点附近（150～Ms点的盐浴或碱三、钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性是钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。工件淬硬层与冷却速度的关系如图5-4-3火后得到马氏体组织，图5-4-3（b）中的阴影线区域表示获得马氏体组织的深度。能够获得的有效淬透深度表示的。速度，从而提高钢的淬透性。四、淬火缺陷1.氧化与脱碳氧化是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化皮。氧化不仅会造成金属的损耗，还会影响工件的承载能力和表面质量。脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度。对于弹簧、轴承、模具等工具，脱碳是严重的缺陷。为防止氧化与脱碳，对于重要的受力零件和精密零件，通常应在盐浴炉内加热。对于要求更高的零件，应在工件表面涂覆保护剂或在保护气氛及真空中加热。2.过热与过烧称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象，称为过烧。3.变形与开裂淬火内应力是工件变形与开裂的主要原因。变形量小的工件可以通过减小淬火内应力予以纠正，而变形量太大或者开裂的工件则只能报废。4.硬度不足从而降低了马氏体的硬度，引起硬度不足。冷却速度太慢、工件表面脱碳都会引起硬度降低。任务五 钢的回火学习目标1.掌握钢的回火的实质、目的和应用。2.了解根据不同目的选择合适的回火温度。回火是将淬火钢加热到Ac1艺。回火的目的：①消除内应力。通过回火减小或消除工件在淬火时所产生的内应力，防止工件在使用过程中由于应力的作用而引起变形和开裂。②获得所需要的力学性能。通过回火可以提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件具有较好的力学性能。③稳定组织和尺寸。回火可使钢的组织稳定，从而保证工件在使用过程中尺寸稳定。淬火钢在回火时组织与性能的变化钢淬火后的组织是马氏体及少量的残留奥氏体，是不稳定的组织，有自发向稳定组织随着回火温度的升高，淬火钢在回火时的组织转变可分为四个阶段。1.第一阶段（80～200℃）马氏体的分解当淬火后的钢加热到晶格畸变程度开始减弱，内应力开始减小。回火后的组织由碳的过饱和程度较低的马氏体和碳化物组成，称为回火马氏体。回火马氏体仍然保持较高的硬度和耐磨性，由于内应力有所下降，所以韧性有所提高。2.第二阶段（200～300℃）残留奥氏体的分解当加热温度超过3.第三阶段（300～400℃）马氏体分解完成和渗碳体的形成马氏体继续分解，直至马氏体中的过饱和碳全部从α-Fe从马氏体中析出的碳化物转变为颗粒状态的渗碳体。第四阶段（400℃以上）渗碳体的聚集长大渗碳体的颗粒越粗大。在400℃以上时，随着回火温度的升高，颗粒状态的渗碳体不断长大，回火温度越高，通常这种状态下的渗碳体和铁素体组成的混合物称为回火索氏体，回火索氏体组织具有良好的综合力学性能。回火的分类及应用回火后的组织和力学性能随着回火温度的变化而变化，在实际生产中，根据回火温度范围的不同，回火可分为以下三类。1.低温回火（150～250℃）低温回火后得到回火马氏体组织，其性能特点是：具有较高的硬度和耐磨性，同时还具有一定的韧性。低温回火主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件。2.中温回火（350～500℃）中温回火后得到回火托氏体组织，其性能特点是：具有较高的弹性极限、屈服强度，适当的韧性和硬度。中温回火主要用于各种弹性零件和模具。3.高温回火（500～600℃）高温回火后得到回火索氏体，其性能特点是：具有良好的综合力学性能，即足够的强度和较高的韧性。在生产中，淬火后再高温回火通常称为调质处理。调质处理广泛用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构件，如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。学习目标1.掌握金属材料表面热处理的目的。2.掌握材料表面预处理的方法及应用。任务一 钢的表面热处理学习目标1.掌握钢表面热处理的目的。2.了解钢表面热处理的方法及应用。表面热处理是指改变工件表面的组织和性能，仅对工件表面进行的热处理工艺。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。一、表面淬火表面淬火是将钢的表面快速加热到淬火温度，然后立即以大于临界冷却速度的速度冷性能。生产中常用的表面淬火方法有火焰淬火和感应淬火两种。1.火焰淬火的工艺称为火焰淬火，其示意图如图6-1-1所示。图6-1-1火焰淬火示意图2.感应淬火利用感应电流通过工件所产生的电阻热使工件表面加热，然后快速冷却的淬火工艺，称为感应淬火。感应淬火的基本原理如图6-1-2所示。将工件放在铜管绕制的感应线圈内，生感应电流。感应淬火的特点如下。（1）加热速度快，零件由室温加热到淬火温度仅需几秒到几十秒。（2）淬火质量好，由于加热速度快，奥氏体晶粒不易长大，淬火后表层可获得细针状马氏体，硬度比普通淬火高。（3）淬硬层深度容易控制，淬火操作易于实现机械化和自动化，适用于批量生产，但设备复杂。感应淬火适用于中碳钢、中碳合金钢。含碳量过低，淬火后硬度低；含碳量过高，易发生淬裂。二、化学热处理化学热处理是将工件置于一定的活性介质中加热并保温，使一种或几种化学元素渗入工件表面，改变表面化学成分，以达到改变组织和性能目的的化学热处理工艺。通过化学热处理，可以提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性。化学热处理的种类很多，根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。不论是哪种化学热处理，活性原子渗入工件表面都是由以下三个基本过程来完成的，即分解、吸收和扩散。（1）分解。由化学介质分解出能够渗入工件表面的活性原子。（2）吸收。分解出来的活性原子被工件所吸收。常用化学热处理的方法有渗碳和渗氮两种。1.钢的渗碳渗碳是将工件置于富碳的介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表面的化学热处理工2.钢的渗氮渗氮具有如下特点。（2）渗氮温度低，工件变形小。（3）渗氮零件具有很好的耐蚀性，可防止水蒸气、碱性溶液的腐蚀。渗氮除了具有上述优点，也存在一些缺点，如生产周期长、成本高、渗氮层薄而脆、不宜承受集中的重载荷。在生产中，渗氮主要用于重要和复杂的精密零件，如精密丝杠、任务二 工程材料的表面处理学习目标1.掌握工程材料表面处理的概念及应用。2.了解材料表面预处理的目的和方法。随着制造业和高新技术的发展，人们对工程材料表面的综合性能要求越来越高。工程材料表面处理是制造高质量机械电子产品的重要保障。一、材料表面处理工程材料表面处理是利用各种表面涂镀层及表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊力学、物理和化学性能，从而满足工程上对材料及其制品提出的下列要求。（1）提高材料抵御环境作用的能力。（2）提高工件的耐磨、减摩及抗疲劳性能。（4）赋予金属或非金属制品表面光泽、色彩、图纹等优美外观。（5）修复磨损或腐蚀损坏的工件，挽救加工超差的产品。二、材料的表面预处理因此必须先进行材料表面预处理。材料表面预处理的方法有如下几种。脱脂2.除锈1）机械除锈。一般使用钢丝刷、刮刀、砂布或手砂轮等进行机械除锈。生产规模较①指用抛光轮除去表面的细微不平处，使零件表面达到光亮、整洁的过程。②经旋转而互相发生磨削，最终达到光洁表面的过程。③等）冲击工件表面，以除去锈迹、高温氧化皮、旧漆、污垢等，同时可使工件表面强化。（2）化学除锈。化学除锈是利用酸性药剂将锈皮溶解和利用化学反应进行时产生的气泡把锈皮剥离下来的方法，常用的酸性药剂有盐酸、硫酸和磷酸。（3）电化学除锈。电化学除锈是在酸性药剂中通电，以加快除锈速度，减少酸性药剂的消耗。3.其他表面预处理有些金属材料在进行表面处理之前，除要求必须进行脱脂、除锈外，还要求进行磷化或发蓝处理，以使表面进一步活化和提高耐蚀性。工业用钢学习目标：任务一 钢的分类和牌号学习目标一、钢的分类1.按化学成分分类按化学成分，钢可分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢（wC≤0.25%）、

中碳钢（0.25%<wC<0.60%）、高碳钢（wC≥0.60%）。合金钢根据合金元素总量分为低合金钢（合金总量低于5%）、中合金钢（合金总量为%～10%）和高合金钢（合金总量高

于

10%）。2.按质量分类钢的质量是以其中磷、硫的含量来划分的。根据磷、硫的含量，钢可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。3.按冶炼方法分类根据冶炼时的脱氧成度不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。4.按金相组织分类按退火组织，钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。按正火组织，钢可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等。5.按用途分类按用途不同，钢可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢包括工程用钢和机械制造用钢。钢的牌号1.表示方法（1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢这两类钢采用代表屈服强度的拼音字母“Q”和质量等级、脱氧方法等符号表示，按顺序组成其牌号。质量等级由A到E排列，硫、磷含量越低，质量等级越高。（2）优质碳素结构钢的牌号以两位数字表示，这两位数字表示平均含碳量（以万分之几计）。（3）合金结构钢的牌号由两位数字表示平均含碳量（以万分之几计），加上其后带有百分含量数字的合金元素符号组成。（4）工具钢碳素工具钢的牌号是以字母“T”加数字表示的，“T”表示碳素工具钢，数字表示平均含碳量（以千分之几计）。（5）滚动轴承钢高碳铬滚动轴承钢的牌号以字母“G”开头，牌号中不标明含碳量，平均含铬量以千分之几计为单位，如GCr15的平均含铬量为1.50%。（6）不锈钢和耐热钢不锈钢和耐热钢的牌号由表示平均含碳量的数字（以千分之几计）与其后带有百分含量数字的合金元素符号组成。（7）铸钢以强度为主要特征的铸钢的牌号的表示方法为“ZG”加两组数字，第一组数字表示屈服强度数值，第二组数字表示最低抗拉强度值，单位均为MPa，如ZG200-400。2.统一数字代号体系任务二杂质元素和合金元素在钢中的主要作用学习目标一、杂质元素在钢中的主要作用钢中常存杂质元素主要是指硅、锰、硫及磷等元素。1.硅的影响硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体，提高钢的强度和硬度，因此硅是钢中的有益元素。2.锰的影响锰可溶于铁素体和渗碳体，使钢的强度和硬度提高。此外，锰还会和硫形

MnS，从而减轻硫对钢的危害，因此锰是钢中的有益元素。3.硫的影响硫与铁生成化合物FeS，FeS与铁形成共晶体（Fe+FeS），它的熔点低（985℃）。硫在钢中的含量应严格控制，一般情况下含量应小于0.055%。4.磷的影响磷也是有害的杂质元素。磷在钢中的含量应该严格控制，一般应小于0.045%。二、合金元素在钢中的主要作用1.强化铁素体合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异会引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度高，而塑性和韧性下降。2.形成合金碳化物（1）合金渗碳体。（2）特殊碳化物。3.细化晶粒几乎所有的合金元素都抑制钢在加热时的奥氏体晶粒长大，细化晶粒。4.提高钢的淬透性除钴外，其他的合金元素溶解于奥氏体中以后，都能增加过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型的转变。5.提高钢的回火稳定性任务三 碳素钢与合金钢的应用及牌号学习目标1.掌握碳素钢的应用。2.掌握合金钢的应用及牌号。一、碳素结构钢1.普通碳素结构钢（1）前缀符号：“Q”+屈服强度值。（2）质量等级符号：A、B、C、D级，从A到D依次提高。（3）（必要时）脱氧方法符号：F—沸腾钢、Z—镇静钢、TZ—特殊镇静钢，Z与TZ符号在牌号组成表示方法中予以省略。（4）（必要时）在牌号尾加产品用途、特性和工艺方法表示符号。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢所含有害杂质比较少，强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好，主要用于制造较重要的机械零件。二、碳素工具钢碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具要求高硬度、高耐磨性，所以碳素工具钢的含碳量都在

0.70%以上，都是优质钢和高级优质钢。三、铸造碳钢（铸钢）铸造碳钢（铸钢）的含碳量一般为0.15%～0.6%。铸钢的铸造性能比铸铁差，但力学性能比铸铁好。铸造碳钢主要用于制造形状复杂、力学性能要求高，而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件，如汽车的变速器壳、机车车辆的车钩和联轴器等。四、合金钢1.合金结构钢1）低合金结构钢低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素而制成的工程用钢。2）合金渗碳钢低碳钢（含碳量为0.10%～0.25%），以保证心部有足够强的塑性和韧性。加入铬、镍、锰、硅、硼等合金元素以提高钢的淬透性，使零件在热处理后，表层和心部都得到强化。3）合金调质钢中碳钢的含碳量为0.25%～0.60%，若含碳量过低，则硬度不足；若含碳量过高，则韧性不足。合金调质钢的热处理是调质处理（淬火后高温回火）。处理后获得回火索氏体组织，使零件具有良好的综合力学性能。4）合金弹簧钢合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%～0.70%。若含碳量过高，则塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。可加入的合金元素有锰、硅、铬、钒和钨等。弹簧钢常用热处理方法如下：（1）热成型弹簧钢淬火和中温回火。（2）冷成型弹簧钢250～300℃的去应力退火。2.合金工具钢1）合金刃具钢（1）低合金刃具钢。成分特点：高碳钢加入少量合金元素。钢中主要加入铬、锰、硅等元素，其目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度；加入钨、钒等强碳化物形成元素，是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。低合金刃具钢的热处理：预备热处理是球化退火，最终热处理为淬火后低温回火。（2）高速钢。成分特点：高含碳量（0.7%～1.50%）和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。较高的含碳量是为了形成足够量的合金碳化物，使高速钢具有高的硬度和耐磨性。高速钢的主要特性是具有良好的热硬性，当切削温度高达600℃时，硬度仍无明显下降，切削时能长期保持刃口锋利，故又被称为锋钢。2）合金模具钢（1）冷模具钢。高碳，含碳量为1.40%～2.30%，以保证高的硬度和耐磨性。冷模具钢的常用热处理方法是淬火后低温回火。（2）热模具钢。中碳合金钢，含碳量为0.3%～0.6%，含碳量过高会使韧性下降，导热性也差；含碳量太低则不能保证钢的强度和硬度。热模具钢的常用热处理方法是淬火后中温回火（或高温回火）。3）合金量具钢高碳，含碳量为0.9%～1.5%，以保证高的硬度和耐磨性。常用牌号：CrWMn、CrMn、GCr15等。量具钢的常用热处理特点：经淬火后要在150～170℃内长时间低温回火。3.合金模具钢1）冷作模具钢主要用来制造在常温下使金属变形的模具，即冷作变形模具，如冲模、起模、剪切模等。2）热作模具钢用于制造使金属热变形的模具，如热压模、热锻模等。由于热作模具钢在工作时要接触炽热的金属，所以会使模具型腔表面温度升高到400～500℃，而且模具还要承受巨大的冲击力。3）塑料模具钢4.特殊性能钢1）不锈钢不锈钢是指在腐蚀介质中具有耐蚀性的钢。成分特点：含碳量在0.03%～0.95%。因为碳的含量越低，耐蚀性越好，所以大多数不锈钢的含碳量为0.1%～0.2%。铬不锈钢（2）铬镍不锈钢。2）耐热钢在高温下具有较高的抗氧化性能和较高强度的钢称为耐热钢。（1）抗氧化钢。（2）热强钢。3）耐磨钢耐磨钢主要用于制造承受严重磨损和强烈冲击的零件，因此，要求耐磨钢具有良好的韧性和耐磨性。常用的耐磨钢的牌号为ZGMn13。铸 铁学习目标1.了解铸铁的分类及应用。2.掌握铸铁的性能、组织特点，能合理选择并使用铸铁。3.了解常用的铸铁。任务一 铸铁基本知识学习目标1.了解铸铁的分类及应用。2.掌握铸铁的性能、组织特点，能合理选择并使用铸铁。0.5%～一、铸铁的分类及应用式不同，铸铁可分为以下几种。1.白口铸铁白口铸铁中的碳主要以Fe3C量硬而脆的渗碳体存在，白口铸铁硬度高、脆性大，难于切削加工。因此，工业上很少直2.灰口铸铁灰口铸铁中的碳大部分或全部以石墨的形式存在，断口呈暗灰色。根据灰口铸铁中石墨形状的不同，又可将其分为以下几种。（1）灰铸铁，石墨以片状存在于灰口铸铁中。（2）球墨铸铁，石墨以球状存在于灰口铸铁中。（3）可锻铸铁，石墨以絮状存在于灰口铸铁中。（4）蠕墨铸铁，石墨以蠕虫状存在于灰口铸铁中。3.麻口铸铁麻口铸铁中的碳部分以渗碳体的形式存在，部分以石墨的形式存在，断口颜色灰白相间。此类铸铁脆性较大，故工业上很少使用。二、铸铁的组织、性能特点与钢相比，铸铁除含有较多的碳、硅等元素外，还含有较多的硫、磷等杂质。在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。各种元素含量的不同，直接影响铸铁的组织和性能。铸铁的组织可以看作在钢的基体上分布不同形态的石墨。任务二 铸铁的石墨化学习目标1.了解铸铁的石墨化进程。2.掌握影响石墨化的因素。石墨的晶体结构如图8-2-1所示。它属于简单的六方强度、塑性和韧性极低，几乎为零。一、石墨化的过程铸铁中碳原子以石墨形式析出的过程称为石墨化。由于化学成分和冷却条件的不同，铸铁在结晶过程中，既可能从液体或奥氏体中直接Fe-Fe3C相图和Fe-G相图叠加在一起组成铁碳合金双重相图，如图8-2-2所示。影响石墨化的因素影响石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。1.化学成分的影响铸铁中的各种元素，按其对石墨化的影响不同，可以分为两大类。一类是促进石墨化的元素，如碳、硅、铝、镍、铜和钴等，其中碳和硅是强烈促进石墨化的元素。2.冷却速度的影响冷却速度对石墨化的影响也很大。当铸铁结晶时，缓慢冷却有利于扩散，石墨化过程可充分进行，结晶出的石墨又多又大；快速冷却则阻碍石墨化，促使白口化。铸铁的冷却速度主要取决于铸件的壁厚和铸型材料。由图8-2-3硅含量及冷却速度是控制铸铁组织和性能的重要措施。任务三 常用铸铁学习目标1.了解常用铸铁及铸铁中碳的存在形式。2.了解灰铸铁的组织与性能。3.掌握灰铸铁的孕育处理技术。4.掌握铸铁的牌号。一、灰铸铁灰铸铁是一种价格低廉的金属材料，在铸铁生产中，灰铸铁的产量约占80%。1.灰铸铁的成分、组织与性能铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%～3.6%，wSi=1.0%～2.5%，wMn=0.5%～1.4%，wS不同，可将灰铸铁分为以下几类：灰铸铁的性能主要取决于基体的组织和石墨的形态。因石墨的强度极低，相当于在钢的基体上分布了许多孔洞或裂纹，分割、破坏了基体的连续性，减小了基体的有效承载截面面积，而且石墨的尖角处易产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度比相应基体的钢低很多，塑性、韧性极低。石墨片数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，灰铸铁的抗拉强度越低。2.灰铸铁的孕育处理为了改善灰铸铁的性能，一方面要改变石墨的数量、大小和分布情况，另一方面要增加基体中珠光体的数量。由于石墨对铸铁强度的影响远比基体的影响大，所以提高灰铸铁性能的关键是改变石墨片的形态和数量。石墨片越少，越细小，分布越均匀，铸铁的力学性能就越高。为了细化金属基体并增加珠光体的数量，改变石墨片的形态和数量，生产中常采用孕育处理工艺。所谓孕育处理（或称变质处理），就是在浇注前往铁水中投加少量硅铁、硅钙合金等作为孕育剂，在铁水内产生大量均匀分布的晶核，使石墨片及基体组织得到细化。3.灰铸铁的牌号及用途厚或平均壁厚选择铸铁牌号。1）灰铸铁的牌号根据国家标准，灰铸铁的牌号用“HT+‘3位数字’”表示，其中“HT”为“灰铁”汉语拼音首字母大写，数字为其最低抗拉强度值Rm。例如，HT200，表示以ϕ30mm单个铸出的试棒测出的抗拉强度值大于200MPa（但小于250MPa）。灰铸铁有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个牌号。2）灰铸铁的应用由于灰铸铁具有一系列的优良性能，而且价格低廉、易于获得，所以在工业生产中，得到广泛应用。4.灰铸铁的热处理灰铸铁的热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形状、数量、大小和分布情况，对提高灰铸铁力学性能的作用不大，故灰铸铁的热处理主要用来消除应力和白口组织、改善切削加工性能、稳定尺寸、提高表面硬度和耐磨性等。灰铸铁常用的热处理方法有以下几种。去应力退火消除白口组织，改善切削加工性能的退火表面淬火4）淬火二、球墨铸铁球墨铸铁简称球铁，是通过在铸铁水中添加稀土镁等球化剂及硅铁孕育剂，进行球化和孕育处理，使石墨结晶成细小、圆整、均匀的球状石墨，球状石墨使铸铁具有很高的强度，以及良好的塑性和韧性。球墨铸铁的综合力学性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低，生产方便，所以在工业中得到广泛应用。1.球墨铸铁的化学成分、组织和性能化学成分：球墨铸铁的成分要求比灰铸铁严格，其成分为：wC=3.6%～4.0%，wSi=2.0%～2.8%，wMn=0.6%～0.8%，wS≤0.07%，wP≤0.1%。组织和性能：球墨铸铁在铸态下，其基体往往由不同数量的铁素体、珠光体等组织组成。通过热处理可以获得以下几种不同基体组织的球墨铸铁。2.球墨铸铁的牌号及用途1）牌号球墨铸铁的牌号由“球铁”两字汉语拼音首字母大写“QT”+最低抗拉强度Rm值（MPa）+最低断后伸长率的百分数表示。例如，牌号QT400-17，表示最低抗拉强度为400MPa、最低断后伸长率A为17%的球墨铸铁。2）应用球墨铸铁的力学性能优于一般灰铸铁，与钢相近，可用其代替铸钢和锻钢制造各种载荷较大、受力较复杂和耐磨损的零件等。3.球墨铸铁的热处理1）退火球墨铸铁的退火可分为去应力退火、低温退火和高温退火。去应力退火工艺与灰铸铁相同，目的是消除铸造的内应力。2）正火正火的目的是增加基体中珠光体的数量，或获得全部珠光体的基体，细化晶粒，提高铸件强度和耐磨性。3）调质通过调质处理，铸件可具有良好的综合力学性能，可代替碳钢制造一些受力复杂和综合力学性能要求高的重要铸件，如曲轴与连杆等。4）等温淬火球墨铸铁在等温淬火后可获得高强度和较高的塑性、韧性，即良好的综合力学性能及耐磨性，常用于形状复杂，热处理易变形开裂，要求强度高、塑性和韧性好，截面尺寸不大的零件。球墨铸铁除能进行上述各种热处理外，为了提高球墨铸铁零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度，还可以进行表面热处理（如表面淬火、渗氮等方法）。三、蠕墨铸铁蠕墨铸铁中的碳主要以蠕虫状石墨形态存在，其显微组织如图8-3-4所示。其石墨的形态介于片状石墨和球状石墨之间，形状与片状石墨类似，但片短而厚，端部圆滑。蠕墨铸铁的生产方法与球墨铸铁相似，即在一定成分的铁液中加入适量蠕化剂，促使石墨形成蠕虫状，然后加孕育剂进行孕育处理。蠕墨铸铁的化学成分、组织和性能化学成分：蠕墨铸铁的成分一般为wC=3.5%～3.9%，wSi=2.2%～2.8%，wMn=0.4%～0.8%，wP<0.1%，wS<0.1%。组织和性能：根据成分、蠕化率及热处理的不同，可获得铁素体、珠光体、铁素体珠光体三种基体组织的蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体的灰铸铁和球墨铸铁之间。其强度、韧性、疲劳极限、耐磨性及抗疲劳性能都比灰铸铁高，其塑性、韧性和强度都比球墨铸铁低。蠕墨铸铁的牌号及用途蠕墨铸铁的牌号由“RuT”（“蠕铁”二字的汉语拼音字首）和其后一组数字组成，数字表示最低抗拉强度。目前我国生产的蠕墨铸铁的牌号有RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260等。蠕墨铸铁的热处理蠕墨铸铁的热处理主要是为了调整其基体组织，以获得不同的力学性能要求。常用的热处理方法有以下几种。四、可锻铸铁可锻铸铁俗称玛钢（马铁）。它是白口铸铁通过石墨化退火，使渗碳体分解而获得的团絮状石墨铸铁。石墨呈团絮状，减轻了石墨对金属基体的割裂作用和应力集中，因而可锻铸铁相对灰铸铁有较高的强度，塑性和韧性也有很大提高。1.可锻铸铁的化学成分、组织和性能化学成分：为了保证浇铸后获得白口铸铁，可锻铸铁的含碳量和含硅量较低。目前，生产中可锻铸铁的化学成分范围为：wC=2.2%～2.8%，wSi=1.2%～2.0%，wMn=0.4%～1.2%，一般要求wS<0.2%，wP<0.1%。可锻铸铁的牌号及用途我国可锻铸铁的牌号由三个字母及两组数字组成。前两个字母“KT”是“可铁”两字的汉语拼音的首字母；第三个字母代表可锻铸铁的类别；后面两组数字分别代表最低抗拉强度和最低断后伸长率的数值。五、合金铸铁1.耐磨铸铁耐磨铸铁分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类。前者是在有润滑剂、受黏着磨损条件下工作的，如机床导轨和拖板，发动机的缸套和活塞，各种滑块等。减摩铸铁减摩铸铁的组织应是软基体上分布有坚硬的相。软基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜，有利于润滑，而坚硬相可承受摩擦。抗磨铸铁抗磨铸铁的组织应具有均匀的高硬度。普通白口铸铁就是一种抗磨性高的铸铁，但其脆性大，因此常加入适量的铬、钼、铜、钨、镍、锰等合金元素来生产抗磨合金铸铁，增加其韧性并使其具有更高的硬度和耐磨性。2.耐热铸铁0.025～0.06—550～8006.4～1248～56用于制造球磨机磨球、衬板、煤粉机锤头等耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。为提高耐热性，可向铸铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸铁表面形成一层致密的Al2O3、SiO2、Cr2O3等氧化膜，保护内层不被氧化。耐热铸铁的牌号用“RT”表示，如RTSi5、RTCr16等。若牌号中有“Q”，则表示为球墨铸铁。耐蚀铸铁900用于制造退火罐、炉棚、化工机械零件等在化工部门制造管道、阀门、泵类、反应锅及各种容器时，广泛采用耐蚀铸铁。耐蚀铸铁的耐蚀原理与不锈钢相同。为了提高其耐蚀性，可加入大量的硅、铝、铬、镍、铜等合金元素，用以在铸铁表面形成致密、牢固、完整的保护膜，并提高铸铁基体的电极电位。项目九有色金属学习目标：任务一 铝及铝合金学习目标一、纯铝纯铝呈银白色，密度为2.7g/cm3，熔点为660℃，具有面心立方晶格，无同素异晶转变，有良好的导电性、导热性。纯铝强度低（Rm为80～100MPa），塑性好（Z≈80%），易加工成各种型材；熔点低，可铸造各种形状的零件；与氧的亲和力强，在大气中表面会生成致密的Al2O3薄膜，耐蚀性良好。二、铝合金1.铝合金的分类铝合金按其成分和工艺特点不同，分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金又分为能热处理强化的铝合金和不能热处理强化的铝合金两类。2.变形铝合金的牌号牌号第一位数字表示铝合金的组别；牌号的最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金；牌号第二位的字母表示原始铝合金改型情况：A为原始纯铝，B～Y为其改型合金。3.铸造铝合金的牌号铸造铝合金的牌号以“Z”为首，后加铝的元素符号，再加主

要添加元素符号及其百分含量。三、变形铝合金1.防锈铝合金防锈铝合金中主要加入的合金元素是镁或锰等，其性能特点是耐蚀性好、强度适中、塑性优良。2.硬铝合金硬铝合金中主要加入的合金元素是铜和镁等，这类合金能热处理强化。将合金加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺，称为固溶处理（也称为固溶强化）。3.超硬铝合金超硬铝合金中主要加入的合金元素是铜、镁和锌，固溶处理和时效后，抗拉强度Rm可达600MPa，主要用于制造飞机大梁、桁架、起落架等高强度零件。4.锻造铝合金锻造铝合金中主要加入的合金元素是铜、镁和硅，力学性能与硬铝合金相近，热塑性较好，适于锻造。四、铸造铝合金造铝合金按主要加入的合金元素不同，分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四类。应用最广的是Al-Si系铸造铝合金，通常被称为铝硅合金。任务二铜及铜合金学习目标1.了解纯铜的特点及应用。2.掌握铜合金在工业生产中的应用。一、纯铜纯铜俗称紫铜，密度为8.96g/cm3，熔点为

1083.4℃，具有优良的导电性和导热性，其导电性仅次于银。纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变，无磁性。纯铜的强度不高，硬度较低，塑性很好。冷变形后，其强度可达500MPa，硬度提高到

200HBW，但断后伸长率降到

5%以下；采用退火处理可消除铜的加工硬化。二、铜合金1.黄铜铜与锌的合金称为黄铜，其中铜占60%～90%不等，锌占

10%～40%不等，黄铜具有优良的导热性和耐蚀性。（1）简单黄铜。简单黄铜为Cu-Zn二元合金，牌号以“H”+数字表示，“H”后面的数

字表示平均含铜量。（2）复杂黄铜。在Cu-Zn合金中加入少量铅、锡、铝、锰等，组成多元合金形成多种复杂黄铜。2.白铜白铜是以镍为主要添加元素的铜合金，铜镍二元合金为普通白铜；加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金被称为复杂白铜。3.青铜除黄铜和白铜外，所有的铜基合金都称为青铜。按主加元素种类的不同，青铜可分为锡青铜和无锡青铜两大类。铜的牌号以“Q”（“青”字汉语拼音字首）、主要添加元素符号及其百分含量、其他元素的百分含量等组成。例如，QSn4-3表示wSn=4%，wZn=3%，其余为铜的锡青铜。项目十机械零件的失效判定、选材及工艺路线分析学习目标了解失效的概念。2.掌握失效的原因及失效形式。3.掌握机械零件选材的基本方法。4.掌握工艺路线分析的方法。在实际生产中，机械零件选材和工艺路线选择不当，往往造成机械零件在使用过程中发生早期失效，给生产带来重大损失。因此，掌握机械零件的选材和工艺路线的分析方法具有重要的现实意义。任务一机械零件的失效判定学习目标1.了解失效的概念。2.掌握机械零件失效的原因及失效形式。一、失效的概念失效是指机械零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料组织与性能发生变化而失去其原设计效能的现象。失效一般有如下三种表现形式。机械零件完全被破坏，不能继续工作。机械零件严重损伤，能继续工作但不安全。机械零件虽能安全工作，但不能达到预期作用。机械零件的失效，特别是那些没有预兆的突然失效，往往会严重危及生命财产安全，如因火车车轴、车轮的断裂而引起火车出轨、倾覆，轮船因船体断裂而沉没，大型压力容器的爆炸，桥梁的断裂等。因此，针对机械零件的失效进行分析，找出其失效的原因并提出预防措施，具有十分重要的意义。失效分析的结果对机械零件的设计、选材、加工及使用具有一定的指导意义。二、机械零件失效的原因造成机械零件失效的原因很多，机械零件在设计、选材、加工及安装使用四个方面的不当都会导致其失效。设计不当因机械零件设计不当而导致的失效，主要表现在两个方面：一是机械零件的结构、尺寸设计不合理或结构工艺性不合理，如过渡圆角太小、存在尖角、孔槽位置不当等都会造成较大的应力集中；二是在设计时错误地估计了机械零件的工作条件，如对机械零件的承载能力设计不够，或是忽略、低估了温度、介质等因素的影响，致使机械零件过早失效。选材不当选材时，首先应该满足机械零件的使用性能要求，保证机械零件能正常工作并有足够的抵抗破坏的能力。一个机械零件往往需要同时满足几个方面的性能要求，这就要求用最关键的性能作为选材的主要依据。加工工艺不当机械零件在制造过程中，要经过一系列冷、热加工工序，任何不正确的加工工艺都可能造成机械零件产生缺陷。例如，冷加工时机械零件表面有较深的刀痕，热加工时机械零件的表面存在裂纹、晶粒粗大等现象，都可能引起机械零件的失效。安装使用不当在装配和使用的过程中，机械零件配合过松或过紧、对中不良、固定太松或太紧等，都会使机器在运转时产生附加应力和振动，致使机械零件过早失效。机械零件失效的形式过量变形失效机械零件的过量变形失效主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效两种形式。过量弹性变形失效任何机械零件在受外力作用时，首先会发生弹性变形，但是如果发生超过允许范围的弹性变形，机械零件就会失效。例如，镗床的镗杆若在加工过程中产生较大的弹性变形，则会使加工精度产生较大偏差。过量塑性变形失效机械零件在使用过程中，一般不允许有任何的塑性变形。塑性变形失效多发生在因偶然过载或机械零件工作应力超过其材料的屈服强度时。例如，高压容器的紧固螺栓，若产生塑性变形，将会使高压容器失去密封效果。断裂失效机械零件在工作过程中发生断裂的现象被称为断裂失效，由于受力条件、环境介质及温度条件不同，断裂失效有如下几种表现形式。1）延性断裂机械零件在产生较大塑性变形后的断裂被称为延性断裂。由于这是一种有先兆的断裂，即断裂前已产生过量塑性变形，故危险较小，比较容易防范。2）低应力脆性断裂低应力脆性断裂不产生明显的塑性变形，而且工作应力远低于机械零件材料静载荷时的屈服强度。强度高而塑性、韧性差的材料，低应力脆性断裂倾向较大。低应力脆性断裂常发生在有尖锐缺口或裂纹的机械零件中，特别在低温或有冲击载荷时最容易发生。3）疲劳断裂疲劳断裂是指机械零件在受交变应力作用时，在远低于其静载时的强度极限应力下突然发生的断裂。在所有机械零件的断裂失效中，疲劳断裂占断裂失效的50%～90%。由于疲劳断裂前往往没有明显征兆，发生比较突然，所以疲劳断裂的危害性较大。4）蠕变断裂蠕变断裂是指机械零件在高温下长期受载荷作用，在低于其屈服强度的条件下极慢发生塑性变形，最终断裂的现象。因此，在高温下工作的机械零件材料应具有足够的抗蠕变断裂能力。表面损伤失效机械零件的表面损伤失效主要是指机械零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。磨损相互接触的机械零件间存在相对滑动时，接触表面会因发生摩擦损耗而引起尺寸的变化，这一现象被称为磨损。磨损是一种可以观察到的、渐发性的失效形式，它会使设备的精度降低，甚至使设备无法正常工作。接触疲劳产生相对滚动接触的机械零件，如齿轮、凸轮、滚动轴承等，在工作过程中承受交变接触压应力的作用，在达到相当的循环次数后，表层出现微小裂纹，从而引起点状剥落、疲劳点蚀或麻点等，这一现象被称为接触疲劳。腐蚀腐蚀是材料表面受介质的影响而产生的一种化学或电化学反应的现象。潮湿的空气、水及其他腐蚀性介质都可能使金属表面发生腐蚀，腐蚀也是一种比较常见的失效方式。任务二机械零件的选材学习目标了解机械零件选材的依据。掌握机械零件选材的基本方法。合理地选择和使用工程材料是一项十分重要的工作，直接关系到产品的质量和经济效益。选材的一般原则是在满足使用性能的前提下，综合考虑材料的工艺性能和经济性。零件材料的使用性能使用性能主要指零件在使用状态下材料应具有的力学性能、物理性能和化学性能等。不同零件所要求的使用性能是不同的，零件的使用性能是选材时最主要的依据。具体分析方法如下。根据零件的工作条件确定使用性能要求零件的工作条件一般包括如下三个方面。受力状况。主要指载荷的类型、大小、形式和特点。根据载荷类型，有动载荷、静载荷、循环载荷等；根据载荷形式，有拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、扭转载荷等；根据载荷特点，有均匀分布载荷、集中分布载荷等。环境状况。主要指工作温度和环境介质。工作温度是指低温、常温、高温、变温等工作条件，环境介质是指有无腐蚀、摩擦作用等。特殊性能要求。主要是对导电性、磁性、热膨胀性、密度、外观等特殊性能的要求。确定材料的力学性能指标进行机械设计时，仅有对材料使用性能的要求是不够的，必须将这些使用性能要求量化为相应的性能指标数据。常用的力学性能指标有强度、塑性、韧性、疲劳强度、硬度等。由于零件的工作条件和失效形式具有复杂性，所以我们在选材时必须根据具体情况找出最关键的力学性能指标，同时还要兼顾其他性能。材料的预选根据对材料力学性能指标数据的要求，查阅有关手册，找到合适材料，根据材料的应用范围进行判断、选材。零件材料的工艺性能良好的工艺性能不仅可以保证零件的质量，而且有利于提高零件的生产率和降低成本。一般金属材料的工艺性能包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理工艺性。铸造性铸造性是指金属在铸造工艺中获得优良铸件的能力，包括流动性、收缩性、热裂倾向性、偏析及吸气性等。液态金属的流动性越好，收缩性和偏析倾向越小，材料的铸造性越好。采用铸件时，所选材料应具有良好的铸造性。在金属材料中，各种铸铁、铸钢及铸造铝合金和铜合金铸造性较好，其中灰铸铁铸造性最好。锻造性锻造性是指金属材料适合锻造的能力，包括金属的塑性和塑性变形抗力，塑性越好，塑性变形抗力越小，金属的锻造性越好。例如，黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性；碳钢在加热状态下锻造性较好；铸铁则不能锻造。焊接性焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，是指金属材料在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质接头的难易程度。焊接性好的材料，焊后可以得到优质焊接接头；焊接性不好的材料，接头会出现裂缝、气孔或其他缺陷。一般低碳钢的焊接性好，碳的质量分数越高，焊接性越差。铜合金、铝合金、铸铁的焊接性都比碳钢差。切削加工性切削加工性是指金属材料适合切削加工的难易程度。切削加工性与材料的化学成分、力学性能及显微组织有密切关系。一般认为硬度在160～230HBW范围内的材料，切削加工性好。铸铁比钢的切削加工性好，一般碳钢比高合金钢的切削加工性好。热处理工艺性热处理工艺性是指金属材料热处理后获得良好性能的能力，包括淬透性、变形开裂倾向和过热敏感。一般来说，不同的金属材料采用不同的热处理方法，所表现出来的性能不一样的。零件材料的经济性在满足使用性能要求的前提下，选用的材料应尽可能使零件的生产和使用的总成本最低，经济效益最高。可从以下几方面考虑：工程材料的价格能够满足零件使用性能的材料往往不止一种，各种材料的价格差别比较大，在满足使用性能要求的前提下，应优先选用价格比较低的材料。例如，选用非合金钢和铸铁，不仅加工工艺性能好，而且生产成本低。零件的总成本零件的总成本由生产成本与使用成本两部分组成。前者包括材料价格、加工费用等，后者包括产品维护、修理、更换零件及停机损失等，在选材时要综合考虑这几个方面对总成本的影响。国家的资源选材时要注意所选材料是否符合我国的资源情况，特别是我国的镍、铬、钴等资源缺少，应尽量不选或少选含这类元素的钢或合金。不同材料加工工艺不同，成本相差很大。在选用材料时，不能单凭材料价格或生产成本的高低来决定零件的选用，而应综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优的技术效果和经济效益。例如，汽车齿轮用易切削合金钢制造，虽然材料价格比一般合金钢提高了，但节省工时、提高工效，所创造的经济效益是十分显著的。任务三典型零件的选材及工艺路线分析学习目标了解典型机械零件选材的基本方法和依据。掌握齿轮类和轴类零件选材的基本方法。掌握齿轮类和轴类零件的工艺分析方法。金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料是目前的主要机械工程材料，相比之下，金属材料具有优良的综合力学性能，并可通过热处理、加工硬化等手段大幅度调整其各种性能，同时生产成本较低。因此，金属材料特别是钢铁材料，目前仍是机械工业中最主要的结构材料。齿轮类零件齿轮是机械工业中应用较广泛的零件之一，它主要用于传递动力、调节速度和方向。1.齿轮的工作条件及失效形式齿轮在工作时，一般齿根受较大的交变弯曲应力作用，在啮合中齿面承受很大的接触疲劳应力，在换挡、启动或啮合不匀时轮齿还会受到一定的冲击载荷作用。齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面磨损和接触疲劳破坏。除过载外，轮齿根部的弯曲疲劳应力是造成轮齿折断的主要原因。齿面接触区的强烈摩擦，会使齿厚减小、齿隙加大，从而引起齿面磨损失效。2.齿轮材料性能的要求根据上述情况，制造齿轮的材料应满足下列要求。较高的表面硬度和耐磨性。足够的心部强度和韧性。较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。此外，还要求材料有较好的加工工艺性能，如良好的切削加工性、良好的淬透性、热处理变形小等。3.典型齿轮选材举例1）机床齿轮机床齿轮的工作条件较好，负载不大、转速中等、工作平稳，少有强烈的冲击，对齿轮心部强度和韧性要求不高，但要有较高的接触疲劳强度、抗弯强度、表面硬度与耐磨性，还应保证高的传动精度和小的工作噪声，一般情况下可以选用45钢或40Cr、40MnB等中碳合金钢制造，后者淬透性更好。机床齿轮的工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗加工→调质或正火→精加工→齿部高频表面淬火+低温回火→精磨。机床齿轮选用中碳或中碳合金钢材并且经锻造后的毛坯，可提高齿轮的强度、耐磨性和耐冲击性，因此选用锻造毛坯。粗加工一般选用“车削—滚齿—插键槽”的方法。由于机床齿轮选用的45钢、40Cr等均属于中碳钢，而中碳钢在切削加工时具有切削抗力较小、零件加工后表面质量较好、切屑易断等良好的切削加工性能，所以选用切削加工方法较为适宜。2）汽车、拖拉机齿轮与机床齿轮相比，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（如20Cr、20CrMnTi、20MnVB等）进行制造，其中20CrMnTi钢具有较高的力学性能，经渗碳淬火处理及低温回火后表面的硬度可达58～62HRC，心部硬度为30～45HRC。此外，还具有良好的工艺性能，适合大量使用。其加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机械粗加工→半精加工（内孔及端面留磨量）→渗碳（孔防渗）、淬火+低温回火→喷丸→精加工。正火是为了均匀和细化组织，消除锻造应力，获得良好的切削工艺性能。渗碳、淬火+低温回火是为了使齿面具有高硬度及耐磨性，而心部可获得低碳马氏体，具有较高的强度和足够的韧性。轴类零件轴是机械工业中的基础零部件之一，主要用于支撑传动零部件并传递运动和动力。轴的工作条件及失效形式如下。轴的工作条件（1）承受交变弯曲与扭转复合载荷。（2）在某些工作条件下，轴可能受到冲击作用。（3）在与其他零件相连接的轴颈或花键处有摩擦作用。（4）在特殊条件下会受到环境介质与工作温度的影响。2.轴的失效形式轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，有时也发生冲击过载断裂、塑性变形或腐蚀失效。对轴类零件材料的性能要求如下。高的疲劳强度，防止轴疲劳断裂。良好的综合力学性能，防止冲击或过载断裂。良好的耐磨性，防止轴颈磨损。足够的淬透性。良好的切削加工性。项目十一热加工成形技术基础学习目标了解热加工的基本概念。掌握生产中常用的热加工方法。掌握毛坯的种类及选择。任务一铸造成形学习目标了解铸造成形的基本知识。掌握金属的铸造性能。一、铸造概述铸造是指熔炼金属、制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能的铸件的成形方法。利用铸造成形获得的金属毛坯被称为铸件，多数铸件还需经过切削加工后才能成为零件。在机械制造中，铸造工艺被广泛应用，它具有以下优点：（1）适应性广。铸造成形可制造形状复杂且不受工件尺寸、质量和生产批量限制的铸件。（2）铸件与零件的形状、尺寸很接近，加工余量小，可以节约金属材料和机械加工工时。（3）铸造原材料价格低廉，铸件成本较低。在一般机器中，铸件质量为40%～80%，成本只占25%～30%。二、金属的铸造性能及影响因素金属的铸造性能是指金属在铸造生产过程中所表现出来的综合性能，主要包括金属的流动性、收缩性等。良好的铸造性能是保证获得合格铸件的重要因素。金属的流动性及影响因素金属的流动性是指金属液体本身的流动能力。金属的流动性越好，金属液体充填铸型的能力越强，就越容易得到轮廓清晰、壁薄且形状复杂的铸件，避免产生冷隔或浇不足等缺陷，也有利于金属液体中的气体和非金属夹杂物的排出，避免产生夹渣和气孔等缺陷。此外，金属的流动性好，还易于对金属液体在凝固过程中所产生的收缩进行补充，避免产生缩松和缩孔等缺陷。金属的流动性与金属的化学成分、浇注条件、铸型及铸件结构等有关。金属的化学成分不同成分的金属具有不同的结晶特点和流动性。铸造时用的金属通常指合金。共晶成分的合金在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小。浇注条件浇注温度。在一定温度范围内，浇注温度越高，合金的流动性越好，但当超过某一界限后，由于合金液体吸气多，氧化严重，流动性反而降低。因此，根据生产经验，每种合金均有一定的浇注温度范围。一般铸钢的浇注温度为1520～1620℃，灰铸铁的浇注温度为1230～1450℃，铝合金的浇注温度为680～780℃。充型压力。合金液体在流动方向所受的压力越大，流动性就越好。例如，增加直浇道高度，利用人工加压方法（如压铸、低压铸造），均可增大充型压力。浇注系统的结构。浇注系统结构越复杂，其流动的阻力就越大，流动性就越低。因此，在设计浇注系统时，要合理布置内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构和各部分的断面积。铸型铸型的蓄热系数、温度及铸型中的气体等均影响合金的流动性。例如，液态合金在金属型中比在砂型中的流动性差；液态合金在预热后温度高的铸型中比在温度低的铸型中流动性好；在型砂过程中，若水分过多，则流动性变差。铸件结构当铸件壁厚过小、过渡面多、有较大的水平面时，都会使液态合金的流动性变差。金属的收缩性及影响因素收缩性是指金属从液态凝固并冷却至室温过程中产生的尺寸和体积减小的现象。收缩是铸造合金本身的物理性质，是铸件中许多缺陷（如缩松、缩孔、裂纹、变形、残余应力等）产生的基本原因。收缩分为如下三个阶段。液态收缩：从浇注温度冷却到凝固开始温度发生的收缩。凝固收缩：从凝固开始温度冷却到凝固终止温度发生的收缩。固态收缩：从凝固终止温度冷却到室温的收缩。影响金属收缩性的因素主要有金属的化学成分、浇注温度、铸件结构与铸型条件等。1）金属的化学成分合金随含碳量增加，其凝固收缩率增大，而固态收缩率减小。灰铸铁中，碳和硅是促进石墨化的主要元素，硫是阻碍石墨化的元素。因此，灰铸铁中碳、硅含量越多，硫含量越少，则析出的石墨越多，凝固收缩率越小。浇注温度浇注温度越高，过热度越大，液态收缩率就越大。一般浇注温度每提高100℃，总体积收缩率将会增大1.6%左右。铸件结构与铸型条件合金在铸型中并不是自由收缩的，而是受阻收缩的，阻力来自以下两个方面：（1）铸件各个部分的冷却速度不同，因互相制约而对收缩产生阻力。（2）铸型和型芯对收缩产生机械阻力。3.缩孔和缩松的形成及防止铸造时，金属液体在铸型内的凝固过程中，若其收缩得不到补充，在铸件最后凝固的地方将形成孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，小而分散的孔洞称为缩松。1）缩孔的形成液态合金充满铸型后，因铸型的快速冷却，铸件外表面很快凝固并形成外壳，但内部仍为液态，随着其冷却和凝固，内部液态合金因液态收缩和凝固收缩，体积减小，液面下降，在其上部形成了表面不光滑、形状不规则、近似于倒圆锥形的缩孔，缩孔形成示意图如图11-1-2所示。2）缩松的形成铸件首先从外层开始凝固，凝固前沿表面凹凸不平。当两侧凹凸不平的凝固前沿在中心会聚时，剩余液体被分隔成许多小熔池，这些小熔池在凝固收缩时，因得不到金属液的补充而形成缩松，缩松形成示意图如图11-1-3所示。3）缩孔和缩松的防止从缩孔和缩松的形成过程中可以看出，结晶温度间隔大的合金易形成缩松；纯金属或共晶成分的合金，缩松的倾向性很小，易形成集中缩孔。缩松分布面广，既难以补缩，又难以发现；缩孔易检查和修补，也便于采取工艺措施来防止。收缩是合金的物理本性，是不可避免的，但只要合理控制铸件的凝固，使之实现定向凝固，是可以获得没有缩孔的致密铸件的。所谓定向凝固，是指采取一些工艺措施（定向凝固、增设冷铁），首先使铸件远离冒口的部位先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口本身凝固，将缩孔转移到冒口中去。铸造应力铸件在凝固和冷却过程中，由于受阻收缩、热作用和相变等因素而引起的内应力称为铸造应力。按产生机理的不同，铸造应力分为收缩应力、热应力和相变应力。收缩应力是由于铸型、型芯等阻碍铸件收缩而产生的内应力，热应力是由于铸件各部分冷却、收缩不均匀而产生的内应力，相变应力是由于固液相变造成各部分体积发生不均匀变化而产生的内应力。铸造应力是铸件变形和产生裂纹的主要因素。砂型铸造铸造的种类很多，按造型方法习惯上分为砂型铸造和特种铸造。砂型铸造是以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，以液态金属在重力下填充铸型来生产铸件的铸造方法，是铸造生产中最基本的方法。套筒砂型铸造工艺过程如图11-1-6所示，主要包括以下几个工序：制造模样与芯盒→制备型砂与芯砂→造型、造芯→合型→（熔炼）→浇注→落砂、清理，最后得到铸件。造型铸型由型砂、金属或其他耐火材料制成，包括形成铸件形状的空腔、砂芯和浇冒口系统。用型砂制成的铸型被称为砂型，砂型的制作是砂型铸造工艺过程中的主要工序，制造砂型需使用造型材料，借助模样和芯盒造型造芯，以实现铸件的外形和内形的要求。造型材料制造铸型用的材料称为造型材料。造型材料主要包括型砂和芯砂，主要由原砂、黏结剂（黏土、水玻璃、树脂等）、附加物（煤粉、重油、木屑）、水按一定比例混制而成。为了获得合格的铸件，造型材料应具备一定的强度、可塑性、耐火性、透气性、退让性和溃散性等。造型工具和工艺装备造型用工艺装备主要包括砂箱、模样、芯盒及浇注系统、冒口等。模样和芯盒是用来造型和造芯的基本工艺装备。模样用来形成铸型型腔，浇注后形成铸件的外部轮廓，但模样尺寸要比铸件的轮廓尺寸大一些，大出的部分就是铸件的收缩量；芯盒是用来制作砂芯的，砂芯多用来形成铸件的内腔或局部复杂表面。造型方法用型砂制造铸型的过程被称为造型，造型方法包括手工造型和机器造型两种。手工造型。手工造型时，紧砂和起模两工序是用手工来进行的。手工造型操作灵活，适应性强，造型成本低，生产准备时间短。但铸件质量差，生产率低，劳动强度大，对工人技术水平要求较高，主要用于单件、小批量生产，特别是重型和形状复杂的铸件。在实际生产中，由于铸件的尺寸、形状、生产批量、使用要求，以及生产条件的不同，选择的手工造型方法也不同。根据铸件形状特点，可采用整体模造型、分块模造型、挖砂造型、活块造型、刮板造型、三箱造型等。机器造型。机器造型将紧砂和起模两工序的操作实现了机械化，与手工造型相比，机器造型可提高生产效率、铸件精度和表面质量，铸件加工余量也小，但需要专用设备、专用砂箱和模板等，技术投资较大，只有大批量生产时才能显著降低铸件成本。机器造型按照不同的紧砂方式分为振实式紧砂、压实式紧砂、振压式紧砂、抛砂式紧砂、射压式紧砂等多种造型方法，其中以振压式紧砂和射压式紧砂应用最广。造芯合型熔炼3.浇注4.落砂、清理落砂是指用手工或机械的方式使铸件和型砂、砂箱分开的操作过程。铸型浇注后，铸件只有在砂型内冷却到适当的温度才能落砂。过早进行落砂，会使铸件产生大的内应力，导致其变形或开裂，而且铸铁件表层还会产生白口组织，使切削加工困难。铸件的冷却时间应根据其形状、大小和壁厚决定。特种铸造金属型铸造金属型铸造是指在重力下将液态金属注入金属制成的铸型中，以获得金属铸件的方法。1）金属型的分类金属型可分为水平分型式、垂直分型式、复合分型式和铰链开合式等。垂直分型式由于开设浇注系统和取出铸件都比较方便，也易实现机械化，所以应用最广。金属型铸造的特点及应用金属型铸件的尺寸精度高，表面质量好，加工余量小。金属型的尺寸准确，表面光洁，铸件的尺寸公差等级可达CT7～CT9，表面粗糙度Ra可达6.3～12.5μm。金属型铸件的组织致密，力学性能好。金属型可以一型多铸，生产率高，劳动条件好。金属型铸造主要应用于有色金属铸件的大批量生产中，如铝合金的活塞、气缸体、气缸盖，铜合金轴瓦、轴套等。对于黑色金属，只限于形状简单的中、小型零件。熔模铸造熔模铸造是用易熔材料（如蜡料）制成模样，在模样上包覆若干耐火涂料，制成型壳，熔出模样后高温焙烧即可浇注的铸造方法。熔模铸造的工艺过程具体步骤如下。根据铸件的要求设计和制造压型（制造蜡模的模具）。用压型将易熔材料压制成蜡模。把若干个蜡模粘焊在一根蜡制的浇注系统上组成蜡模组。将蜡模组浸入水玻璃和石英粉配制的涂料中，取出后撒上石英砂，并放入硬化剂中进行硬化，如此重复数次，直到蜡模表面形成一定厚度的硬化壳。将带有硬壳的蜡模组放入80～90℃的热水中加热，使蜡熔化后从浇注系统中流出，形成铸型空腔。烘干并焙烧（加热到850～950℃）后，在型壳四周填砂，即可浇注。（7）清理型壳即可得到铸件。熔模铸造的特点及应用铸件精度高，表面质量好。铸件尺寸公差等级可达CT4～CT7，表面粗糙度Ra可达1.6～12.5μm。熔模铸造可节约加工工时，实现少屑或无屑加工，显著提高金属材料的利用率。可制造形状复杂的铸件。由于蜡模可以焊接拼制，模样可熔化流出，所以可以铸出形状极为复杂的铸件，铸出孔最小直径为0.5mm，最小壁厚可达0.3mm。适用于各种合金铸件。用于高熔点和难切削合金的铸造时，更能显示出其优越性。生产批量不受限制。从单件到大批量生产都适用，能实现机械化流水作业。熔模铸造主要用于生产形状复杂、精度要求高、熔点高和难切削加工的小型零件，如汽轮机叶片、切削刀具、风动工具、变速器拨叉、枪支零件，以及汽车、拖拉机、机床上的小零件等。压力铸造压力铸造是将液态金属在高压下迅速注入铸型，并在压力下凝固而获得铸件的铸造方法，简称压铸。常用压铸的压强为几兆帕至几十兆帕，充填速度在0.5～70m/s。压铸机及压铸工艺过程压铸是在专门的压铸机上进行的。压铸的特点及应用铸件尺寸精度高，表面质量好。压铸件尺寸公差等级可达CT6～CT8，表面粗糙度Ra为0.8～3.2μm，一般不经切削加工或只需精加工即可使用。可压铸出形状复杂、轮廓清晰的铸件。锌合金压铸件的最小壁厚可达0.8mm，最小孔径达0.8mm，最小螺距达0.75mm。这是由于压型精密，在高压高速下浇注，极大地提高了合金的充型能力。铸件强度高。由于压型冷却快，又在压力下结晶，所以铸件的内部组织致密，强度比砂型铸件高20%～40%。生产率高。压铸是所有铸造方法中生产率最高的一种，每小时可压铸50～500次，操作简便，易于实现自动化。便于采用镶嵌法。镶嵌法是将预先制好的嵌件放入压型中，通过压铸使嵌件与压铸合金结合成整体而获得镶嵌件的方法。镶嵌法可以制出通常难以制出的复杂件、双金属件、金属与非金属的结合件等。离心铸造离心铸造是将液态金属浇入绕水平或倾斜主轴旋转着的铸型中，并在离心力的作用下凝固成铸件的铸造方法。离心铸造的铸型可以是金属型，也可以是砂型。在离心铸造过程中，由于离心力的作用，金属液体中的气体、熔渣都集中于铸件的内表面，并使金属呈定向结晶，所以铸件组织致密，力学性能较好，但其内表面质量较差，因此应增加铸件内孔的加工余量。离心铸造可以省去芯型，可以不设浇注系统，因此，减少了金属液体的消耗量。离心铸造主要用于生产空心旋转体铸件，如各种管子、缸套、轴套、圆环等。任务二锻压成形学习目标了解锻压的基本概念、特点及应用。掌握金属的锻造工艺及锻造成形方法。掌握冲压成形的特点和基本工序。一、锻压概述锻压是对坯料施加外力，使金属产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，是锻造和冲压的总称。金属锻压成形加工在机械制造业中应用广泛，这是由于锻压成形加工具有以下特点：改善金属内部组织，提高金属的力学性能。金属经锻压成形加工后，可使金属毛坯的晶粒变细，使铸态组织缺陷压合。节省金属材料。锻压成形加工提高了金属的强度等力学性能，相对缩小了零件的截面尺寸，减小了零件的质量。另外，采用精密锻造时，可使锻压件的尺寸精度和表面质量接近成品，做到少屑或无屑加工。具有较高的生产率。除自由锻造外，其他几种锻压成形加工方法都具有较高的生产率，如齿轮压制成形、滚轮压制成形等制造方法均比机械加工的生产率高出几倍甚至几十倍以上。生产范围广。金属锻压成形加工可以生产各种不同类型与不同质量的产品，从质量不足1g的冲压件，到重达数百吨的大型锻件等都可以进行生产。二、金属锻造工艺1.金属的可锻性及其影响因素金属的可锻性是指金属材料在锻压加工过程中经塑性变形而不开裂的能力。它与金属的塑性和变形抗力有关，塑性越好，变形抗力越小，则可锻性越好，反之，则可锻性越差。金属的可锻性好，表明金属容易进行锻压成形加工；金属的可锻性差，表明金属不宜进行锻压成形加工。2.锻造温度范围锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。确定锻造温度范围，主要是确定出始锻温度和终锻温度。（1）始锻温度。始锻温度是指开始锻造时坯料的温度，也是允许的最高加热温度。始锻温度不宜过高，否则可能造成过热与过烧，但始锻温度也不宜过低，温度过低则使锻造温度范围缩小，锻造时间缩短，锻造操作过程的复杂性增加。（2）终锻温度。终锻温度是指金属坯料经过锻造成形，在停止锻造时锻件的瞬时温度。如果终锻温度过高，则停锻后晶粒会在高温下继续长大，造成锻件晶粒粗大；如果终锻温度过低，则锻件的塑性较低，锻件变形困难，容易产生冷变形强化。三、锻造成形1.自由锻800～850自由锻指只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧铁之间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。采用自由锻方法生产的锻件，被称为自由锻件。（1）镦粗。镦粗是指使毛坯高度减小、横截面面积增大的锻造工序，如图11-2-4所示，常用于锻造齿轮毛坯、圆盘、凸缘等锻件。镦粗时，由于端面与上、下砧铁间产生摩擦力，阻碍金属的流动，因此圆柱形坯料经镦粗后呈鼓形，在后面的工序中应进行修整。（2）拔长。拔长指使毛坯横截面面积减小、长度增加的锻造工序，如图11-2-5所示。拔长常用于锻造拉杆类、轴类、曲轴等锻件。（3）冲孔。冲孔指在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序，如图11-2-6所示。冲孔常用于锻造齿轮坯、套筒、圆环类等空心锻件。（4）切割。切割指将坯料分成几部分或部分地割开或从坯料的外部割掉一部分或从内部割掉一部分的锻造工序，如图11-2-7所示。切割常用于下料，切除锻件的料头、钢锭的冒口等。（5）弯曲。弯曲指采用一定的工模具将毛坯弯成所规定的外形的锻造工序，弯曲常用于锻造角尺、弯板、吊钩、链环等轴线弯曲的零件。（6）错移。错移指将坯料的一部分相对另一部分错开一段距离，并仍保持这两部分轴线平行的锻造工序，。错移时，先对坯料进行局部切割，然后在切口两侧分别施加大小相等、方向相反，且垂直于轴线的冲击力或压力，使坯料实现错移。错移常用于锻造曲轴类零件。（7）扭转。扭转是将坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的锻造工序。2.模锻模锻指利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。用模锻方法生产的锻件被称为模锻件。在模锻过程中，由于坯料在锻模内被整体锻打成形，所以所需变形抗力较大。3.胎模锻胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件的一种锻造方法。胎模是一种只有一个模膛且不固定在锻造设备上的锻模，只有在使用时才放在砧座上。胎模锻是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法。它在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件。胎模锻一般采用自由锻方法制坯，使坯料初步成形，然后在胎模中终锻成形。4.其他锻造成形方法（1）精密锻造。精密锻造指在一般模锻设备上锻造高精度锻件的锻造方法。其主要特点是使用两套不同精度的锻模。锻造时，先使用粗锻模锻造，留有0.1～1.2mm的精锻余量；然后切下飞边并酸洗，重新加热到700～900℃，再使用精锻模锻造，其锻件精度高，无须或只需少量切削加工。（2）辊锻。辊锻指用一对相向旋转的扇形模具使坯料产生塑性变形，获得所需锻件或锻坯的锻造工艺。辊锻实质上是把轧制（纵轧）工艺应用于锻造成形中。辊锻时，坯料被扇形模具挤压成形，常作为模锻前的制坯工序，也可直接制造锻件。（3）挤压。挤压的生产率很高，锻造流线分布合理，但变形抗力大，多用于挤压有色金属件。按挤压温度不同，挤压可分为冷挤压、温挤压和热挤压三种；按被挤压金属的流动方向与凸模的运动关系进行分类，可分为正挤压、反挤压和复合挤压。挤压工艺常用于生产中空零件，如排气阀、油杯等。5.锻件的冷却、检验与热处理锻造成形的锻件，通常要根据其化学成分、尺寸、形状复杂程度等来确定其相应的冷却方法。四、冲压成形1.冲压成形概述冲压是使坯料经成形或分离而得到制件的工艺的统称，通常在冷态下进行，所加工的金属多为薄板料，故又称冷冲压或板料冲压。2.冲压的基本工序冲压的基本工序分为分离工序和变形工序两大类。1）分离工序分离工序是指使金属坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如剪切、冲裁（落料、冲孔）。（1）剪切。以两个相互平行或交叉的刀片对金属材料进行切断的过程，被称为剪切。剪切通常在剪床上进行。（2）冲裁。利用冲模将板料以封闭轮廓与坯料分离的冲压方法，被称为冲裁。落料和冲孔都属于冲裁工序，但二者的生产目的不同。落料是利用冲裁取得一定外形的制件或坯料的冲压方法，被冲下的部分为成品，周边是废料；冲孔是将冲压坯内的材料以封闭的轮廓分离开来，得到带孔制件的一种冲压方法，被冲下的部分为废料，而周边剩下的部分是成品。2）变形工序变形工序是指使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序，如弯曲、拉深、翻边、胀形、缩口及扩口等。3.冲压工艺举例冲压件变形工序的选择，是根据其形状、尺寸及每道工序中金属材料所允许的变形程度确定的。在实际生产中，绝大多数冲压件需要多道工序才能生产出来。图11-2-22所示为多角形弯曲制件变形工序，其变形过程采用了八次弯曲变形工序。任务三焊接成形学习目标1.了解焊接成形的基本观念。2.掌握金属材料的焊接性。3.掌握常用焊接方法的工作原理、特点及应用。一、焊接概述焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或者不用填充材料，使工件的材质达到原子间结合的一种加工方法。焊接是一种不可拆连接，它不仅可以连接各种同类的金属，而且可以连接异种材质。焊接的特点如下。（1）焊接与铆接等不可拆连接相比，可节约金属材料，接头密封性好。（2）可用型材等拼焊成焊接结构件，以代替大型复杂的铸件。（3）焊接容易实现机械化和自动化，生产周期短，劳动强度低。（4）焊接设备简单，操作方便，产品成本低。焊接方法有很多，通常分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。熔焊是指通过加热使金属熔化以形成焊缝的焊接方法。按使用热源的不同，熔焊可分为电弧焊、气焊、电渣焊、铝热焊、电子束焊、激光焊等。在各种熔焊焊接方法中，电弧焊应用最广泛，主要包括焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、等离子弧焊等。压焊是指在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的焊接方法。按所施加焊接能量的不同，压焊可分为电阻焊（包括点焊、缝焊、对焊）、摩擦焊、超声波焊、扩散焊、冷压焊、爆炸焊和锻焊等。钎焊是指采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接焊件的工艺方法。按热源的不同，钎焊可分为火焰钎焊、感应钎焊、电阻钎焊、盐浴钎焊和电子束钎焊等。焊接还可用于修补铸、锻件的缺陷和局部损坏的零件，这在生产中具有较大的经济意义。二、金属材料的焊接性1.金