机械制造电子教案11

机械制造电子教案11

第一节金属材料的要紧性能

两大类：

1使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。

包含：力学性能、物理、化学性能

2工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。

I、金属材料的力学性能：

力学性能--受外力作用反映出来的性能。

一弹性与塑性：

1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原先形状的性

能。力与变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。

2塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属

之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。塑性变形：在

外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。

3拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能

可用拉伸图形象地表示出来。

1）弹性阶段。e

2）屈服阶段：过e点至水平段右端os一一塑性极限，s一一屈服点，过s点水

平段一一说明载荷不增加，式样仍继续伸长。（P一定，。=P/F一定，但真实应

力P/F't由于变形，F」）发生永久变形

3）强化阶段：水平线右断至b点Pf变形t,ob一一强度极限，材料能承受

的最大载荷时的应力。

4）局部变形阶段bkilb点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。“缩

颈”（试样横截面变小，拉力I）

4延伸率与断面收缩率：一一表示塑性大小的指标

1）延伸率：6=10——试样原长，L一一拉深后长

2）断面收缩率：F0__原截面，巳一拉断后截面

(1)5、力越大，材料塑性越好

(2)£与6区别：拉伸图中£='6=snas塑

(3)通常6〉5%为塑性材料，6〈5%为脆性材料。

5条件屈服极限。。.2

有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。通常规定产生0.2塑性变形的应

力作为屈服极限,称之条件屈服极限.

二刚度：

金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。

1材料本质

弹性模量一在弹性范围内，应力与应变的比值.其大小要紧决定材料本身.相当

于单位元元变形所需要的应力。。=EjE=o/£=tgu

2几何尺寸、形状、受力

相同材料的E相同，但尺寸不一致,则其刚度也不一致.因此考虑材料刚度时要把

E\形状,尺寸同时考虑.还要考虑受力情况.

三强度：

强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形与断裂的能力。

按作用力性质的不一致，可分为:抗拉强度。，抗压强度。一抗弯强度。.抗

剪强度屋抗扭强度。

常用来表示金属材料强度的指标：

屈服强度：(PaN/m2)匕-产生屈服时最大外力，原截面

抗拉强度(PaN/nf)Pj断裂前最大应力.

。5/。b在设计机械与选择评定材料时后重要意义.因金属材料不能在超过

。s的条件下工作，否则会塑变.超过。卜工作，机件会断裂.。,一。卜之间塑性变

形,压力加工

四硬度：

金属抵抗更硬的物体压入其内的能力一是材料性能的综合物理量，表示金属

材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形、塑性变形或者断裂的能力。

1布式硬度HB

用直径D的淬火钢球或者硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金

属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d(用刻度放大镜测)则

HB二P/F(N/mm2)单位通常不写.F-压痕面积.HBS一压头用淬火钢球，HBW一压

头用硬质合金球因纲球存在变形问题，不能测太硬的材料，适于HBS<450,如

铸铁，有色金属，软钢等.而HBWV650特点：压痕大，代表性全面应用：不

适宜薄件与成品件

2洛式硬度HR

用金刚石圆锥在压头或者钢球，在规定的预载荷与总载荷下，压入材料，卸

载后，测其深度h,由公式求出，可在硬度计上直接读出，无单位.不一致压头

应用范围不一致如下表：

IIRA588.4硬质合金碳化物

HRBd=1.588淬火钢球980.7退火钢灰铁有色金属

HRC120。金刚石圆锥1471淬火回火件

优点：易操作,压痕小,适于薄件,成品件

缺点:压痕小，代表性不全面需多测几点.

3显微硬度(HV)

用于测定金属组织中个别构成体，夹杂物等硬度。显微放大测量显微硬度

(查表)与HR有对应关系。如:磨削烧伤表面,看烧伤层硬度变化。

五冲击韧性ak

材料抵抗冲击载荷的能力

常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性,标准试样一次击断,用

试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示ak

2

ak=Ak/F(J/m)A=G(H-h)G-重量F-缺口截面

1脆性材料通常不开口，因其冲击值低,难以比较差别.1a",冲击韧性愈好.

2Ak不直接用于设计计算:在生产中，工件很少因受一次大能量冲击载荷而破坏,

抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。

金属的化学性能，决定了不一致金属与金属，金属与非金属之间形成化合物

的性能，使有些合金机械性能高,有些合金抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性

能稳固.如耐酸，耐碱等，如化工机械，高温工作零件等

三工艺性能

金属材料能习惯加工工艺要求的能力.

铸造性能:指金属或者合金是否适合铸造的一些工艺性能,要紧包含流性能、

充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。

焊接性能：指金属材料通过加热或者加热与加压焊接方法，把两个或者两个

以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。

冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度通常用

弯曲角度a（外角）或者弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或者d/a

愈小，则材料的冷弯性愈好。

冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫

冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。

锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。

第二章常用工程材料

在机械、工程等工业领域中，使用的材料种类及品种繁多、涉及范围及其广

泛。其分类如下：

r铁

L黑色金属书碳钢

L合金钢

L金属材料1$

r轻有色金国

L有色金属重有色金霭

L稀土金属

「合成期料

「有机非金隅材料TI合成橡胶

工程材料

（基本材料）L合成纤维

「树脂基复合材料

「非金霭材料+复合材科4金属基复合材料

l非金属基复合材料

陶徭材料

坡速材料

L无机非金属材料吊石磨及碳

木材、水泥、混凝土等

随着生产的迅速进展，特别是电子产业、航空航天技术的突飞猛进，不断地

对材料的性能提出了愈来愈高的要求。而传统单一材料往往不能全面满足强度、

韧性、重量与稳固性等方面的要求，为使各类材料之间的优点互补，获得性能更

加优越的材料，人们研制出各类新型复合材料。就是由两种或者两种以上不一致

材料的组合材料，其性能通常兼有•构成材料的各类优点，有着非常广阔的进展前

景。

中国通过几十年的努力，钢铁工业已同过去的仅能生产100多个钢种、400

多个品种的钢材进展到现在能生产1000多个钢种、4万多个品种的钢材，特别

是国防工业与高精尖技术，包含原子弹、氢弹、导弹、核潜艇、通讯卫星、火箭

等需要的关键金属材料。都已由国内自行研制开发成功，最大限度满足了其需要。

第一节合金钢

2-1概述

合金钢一一为了改善钢的组织与性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些

元素而制成的钢。加入的元素称之合金元素。常用的合金元素有钵、铭、银、硅、

铝、鸨、锐、钛、错、钻、银、铜、铝、硼、稀土（RE）等。

根据我国的资源情况，富产的元素有硅、锦、铝、鸽、锐、硼及稀土元素，

而格、银，特别是牯稀缺。选用合金钢时，应在保证产品质量的前提下，优先考

虑我国资源丰富的钢种。与碳钢相比，合金钢的性能显著提高，应用日益广泛，

但价格高于碳钢。

一、合金钢的分类

（一）按用途分类

1、合金结构钢一一用于制造各类机械零件与工程结构的钢。要紧包含低合

金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。

2、合金工具钢一一用于制造各类工具的钢。要紧包含合金刃具钢、合金模

具钢与合金量具钢等。

3、特殊性能钢一一具有某种特殊物理或者化学性能的钢。要紧包含不锈钢、

耐热钢、耐磨钢等等。

（-）按合金元素的总含量分类

1、低合金钢。合金兀素总含量3Me<5%0

2、中合金钢。训匕=5%〜10%。

3、高合金钢。>10%o

（三）按正火后的组织分类

将一定截面的试样（625mm）,在静止空气中冷却后，按所得组织可分为珠

光体钢、马氏体钢、奥氏体钢与铁素体钢等。

二、合金钢的编号

（一）合金结构钢

合金结构钢的牌号由三部分构成，即“两位数字+元素符号十数字”。前面两

位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍；元素符号代表钢中所含的合金元素，

其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍，当其平均质量分数3Me<1.5%

时通常只标出元素符号而不标数字，当其3Me21.5%、22.5%、23.5%…时,

则在元素符号后相应地标出2、3、4…。比如60Si2Mn钢,表示平均3c=0.6%,

平均3si21.5%,平均3Mn<1.5%的合金结构钢。如为高级优质钢，则在钢

号后面加符号“A”。

（二）合金工具钢

合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，区别仅在于碳含量的表示方

法不一致。当平均3c〈1%时，牌号前面用一位数字表示平均碳的质量分数的千

倍，当平均3c21%,牌号中不标碳含量。如9SiCr钢，表示平均3c=0.9%,

合金元素Si、Cr的平均质量分数都小于1.5%的合金工具钢；Crl2MoV钢表示平

均3c>1%,3cr约为12%,GMO、3v都小于1.5%的合金工具钢。

高速钢不论其碳含量多少，在牌号中都不予标出，但当合金的其它成分相同，

仅碳含量不一致时，见在碳含量高的牌号前冠以“C”字母，如W6M05Cr4V2钢与

CW6M05Cr4V2钢，前者3c=0.8%〜0.9%,后者3c=0.95%〜L05%,其余成

分相同。

（三）特殊性能钢

特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢的基本相同，只是当其平均3c

W0.03%与scWO.08%时，在牌号前分别冠以“00”及“0”。

如0Crl9Ni9钢表示平均3cW0.08%,wCr19%,wNi9%的不锈

钢。

（四）滚动轴承钢

高碳高格轴承钢属于专用钢，为了表示其用途，在牌号前加以“G”（“滚”

字的汉语拼音首字母），格含量以其质量分数的千倍来表示，碳的含量不标出，

其它合金元素的表示方法与合金结构钢同。比如GCrl5SiMn钢，表示平均二

1.5%,3Si与aMn都小于1.5%的滚动轴承钢。

2-2合金元素在钢中的作用

一、强化铁素体

大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。合金元素溶入铁素体后，

产生固溶强化作用，使其强度、硬度升高，塑性与韧性下降。

二、形成合金碳化物

合金元素按其与钢中碳的亲与力的大小，可分为碳化物形成元素与非碳化物

形成元素两大类。

非碳化物形成元素有：银、钻、铜、硅、铝、氮、硼等。它们不与碳形成碳

化物而固溶于铁的晶格中，或者形成其它化合物。

钢中形成的合金碳化物要紧有下列两类：

（1）合金渗碳体。它是合金元素溶人渗碳体（置换其中的铁原子）所形成的

化合物。合金渗碳体与Fe3c的晶体结构相同，但比Fe3c略为稳固，硬度也略高,

是通常低合金钢中碳化物的要紧存在形式。

（2）特殊碳化物。它是中强或者强碳化物形成元素与碳形成的化合物，其晶

格类型与渗碳体完全不一致。特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体

具有更高的熔点、硬度与耐磨性，也更稳固，不易分解。在钢中存在弥散分布的

特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性而不降低韧性，这对提高工

具钢的使用性能极为有利.

三、阻碍奥氏体晶粒长大

强碳化物形成元素帆、银、锦、钛等容易形成特殊碳化物，铝在钢中常以

AIN、A1203的细小质点存在，它们都弥散地分布在奥氏体晶界上，由于比较稳

固，不易分解溶入奥氏体，从而对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用。

因此，合金钢（除铸钢外）在淬火加热时不易过热，有利于获得细马氏体组

织，同时也有利于提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以改善钢的

淬透性与性能。这是合金钢的重要特点之一。

四、提高钢的淬透性

合金元素（除钻外）溶入奥氏体后，都能降低原子扩散速度，增加过冷奥氏体

的稳固性，使C曲线位置向右移动（见图6-3）,临界冷却速度减小，从而提高

钢的淬透性。

注意：若合金元素未溶人奥氏体，将不能增加奥氏体的稳固性，因而也就不

能提高钢的淬透性，反而会降低钢的淬透性。

五、提高淬火钢的回火稳固性

回火稳固性：淬火钢在回火时，抵抗软化（强度，硬度下降）的能力。

淬火钢的回火转变都是依靠原子的扩散进行的。由于合金元素溶人马氏体，

使原子扩散速度减慢，因而在回火过程中，马氏体不易分解，残余奥氏体不易转

变，碳化物不易析出，析出后也不易聚集长大。这就使淬火钢的强度、硬度下降

缓慢，提高了钢抵抗软化的能力，即提高了钢的回火稳固性。

合金钢的回火稳固性高于碳钢，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量

的碳钢具有更高的强度与硬度；在达到相同硬度的情况下，合金钢能够在较高的

温度下回火。

高的回火稳固性便钢在较高温度下仍能保持高的硬度与耐磨性。钢在高温

(>550℃)下保持高硬度(260HRC)的能力叫热硬性。这种性能对工具钢具有

重要的意义。

2-3合金结构钢

一、低合金结构钢

低合金结构钢的成分特点是低碳(3c<0.20%)、低合金元素(通常合金元素

总量3Me<3%),以铳为主加元素，并辅加以锐、钛、铜、硅、铜、磷等，有的

时候还加入微量稀土元素。

性能特点：

1、具有高的屈服强度与良好的塑性与韧性。其屈服强度比碳钢提高30%〜

50%以上，特别是屈强比(os/nb)提高得更明显。

2、良好的焊接性。由于这类钢的含碳量低，合金元素少，塑性好，不易在

焊缝区产生淬火组织及裂纹，且成分中的碳化物形成元素钮、钛、银可抑制焊缝

区的晶粒长大，故它的焊接性良好。

3、较好的耐蚀性。加入铜、磷，提高了钢材抵抗海水、大气、土壤腐蚀的

能力。

低合金结构钢通常在热轧空冷状态下使用，其组织为铁素体与珠光体。被广

泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。

常用低合金结构钢的牌号、性能及用途可查表获得。其中16Mn(Q345)是

我国进展最早、产量最大、各类性能配合较好的钢材，故应用最广。

二、合金渗碳钢

渗碳钢通常是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢。它要紧用于制造表面

承受强烈摩擦与磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件。这类零件都

要求表面具有高的硬度与耐磨性，心部具有较高的强度与足够的韧性。

渗碳钢可分为碳素渗碳钢与合金渗碳钢。碳素渗碳钢(3C=O.10%〜0.20%)

由于淬透性低，仅能在表面获得高的硬度，而心部得不到强化，故只适用于较小

的渗碳件。

合金渗碳钢的平均3c通常在0.1%〜0.25%之间，以保证渗碳件心部有足

够高的塑性与韧性。

合金渗碳钢的性能特点：

1、渗碳淬火后，渗碳层硬度高，具有优异的耐磨性与接触疲劳强度；

2、渗碳件心部具有高的韧性与足够高的强度；

3、具有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度(900〜950C)下奥氏体晶

粒不易长大，淬透性也较好。

合金渗碳钢的热处理，通常是渗碳后直接淬火与低温回火。

热处理后渗碳层的组织由叵I火马氏体+粒状合金碳化物+少量残余奥氏体构

成，表面硬度通常为58〜64HRC。心部组织与钢的淬透性及工件截面尺寸有关，

完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40〜48HRC；多数情况下，是由托氏体+

回火马氏体+少量铁素体构成，硬度为25〜40HRC。

20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，可用来制造汽车、拖拉机的变速齿

轮。为了节约铭，常用20Mn2B或者20MnVB等钢代替20CrMnTi。

三、合金调质钢

调质钢通常是指经调质处理后使用的钢，通常为中碳的优质碳素结构钢与合

金结构钢。它要紧用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、

汽车半轴、重要的螺栓与齿轮等。

合金调质钢的平均3c在0.25%〜0.50%之间。碳含量过低，不易淬硬，回

火后达不到所需硬度；碳含量过高，则韧性不足。主加元素有格、锲、锦、硅、

硼等，以增加钢的淬透性，同时还强化铁素体。循加元素有铝、铝、穹L、钛等，

要紧是防止淬火加热产生过热现象，细化晶粒与提高回火稳固性，进一步改善钢

的性能。

合金调质钢具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的综合力学性能。

合金调质钢的最终热处理通常为淬火后高温向火(调质)，组织为同火索氏

体，具有高的综合力学性能。

若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或者化学热处

理等。

40Cr钢是典型的合金调质钢，其强度比40钢高20%,并有良好的塑性与淬

透性，因此被广泛用于各类机械设备的主轴，汽车半轴、连杆及螺栓、齿轮等。

四、合金弹簧钢

弹簧钢是指用来制造各类弹簧与弹性元件的钢。弹簧是利用其在工作时产生

的弹性变形来汲取能量，以缓与振动与冲击，或者依靠弹性储存能量，以驱动机

件完成规定的动作。因此，要求弹簧材料具有高的弹性极限，特别要具有高的屈

强比，高的疲劳强度与足够的塑性与韧性。合金弹簧钢的平均3c在0.45%〜

0.70%之间，以保证高的弹性极限与疲劳强度。弹簧钢根据弹簧尺寸与成形方法

的不一致，其热处理方法也不一致。

I、热成形弹簧

当弹簧丝直径或者钢板厚度大于10〜1511ml时，通常使用热成形。其热处理

是在成形后进行淬火与中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲

劳强度，硬度为40〜45HRC。

2、冷成形弹簧

关于直径小于8-10nun的弹簧，通常使用冷拔钢丝冷卷而成。

若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火与中温回火；若辨簧钢丝

是铅浴索氏体化状态或者油淬回火状态，则在冷卷成形后不需再进行淬火与回火

处理，只需进行一次200-300℃的去应力退火，以消除内应力，并使弹簧定形。

弹簧经热处理后，通常还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余

压应力，以提高弹簧的疲劳强度与寿命。60Si2Mn钢是应用最广的合金弹簧钢，

被广泛用于制造汽车、拖拉机上的板簧、螺旋弹簧与安全阀用弹簧等。弹簧钢也

可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度的耐磨件，如弹簧夹头、机床主轴

等。

五、滚动轴承钢

滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体（滚针、滚柱、滚珠）、内外套圈

的专用钢。滚动轴承在工作时，滚动体与内、外套圈之间是点接触或者线接触，

接触应力极大；滚动或者滑动摩擦，易使轴承工作表面产生接触疲劳破坏与磨损,

因而要求滚动轴承材料具有高的硬度与耐磨性、高的疲劳强度、足够的韧性与一

定的耐蚀性。

滚动轴承钢是高碳铭钢，其平均3c为0.95%〜1.15%,以保证轴承钢具有

高的强度、硬度与形成足够的碳化物以提高耐磨性。

合金元素铭的作用是提高淬透性，并形成细小均匀分布的合金渗碳体，以提

高钢的硬度、接触疲劳强度与耐磨性。在制造大型轴承时，为了进一步提高淬透

性，还向钢中加入硅、锦等合金元素。

滚动轴承钢的热处理要紧为球化退火、淬火与低温回火。

球化退火为预先热处理，其目的是降低钢的硬度以利于切削加工，并为淬火

作好组织上的准备。

淬火与低温退火是决定轴承钢性能的最终热处理，获得的组织为极细的回火

马氏体、细小而均匀分布的粕状碳化物与少量的残余奥氏体，硬度为61〜65HRC。

关于精密轴承零件，为了保证尺寸的稳固性，可在淬火后进行一次冷处理，

以减少残余奥氏体的量，然后低温回火、磨削加工，最后再进行一次人工时效，

消除磨削产生的内应力，进一步稳固尺寸。GCrl5>GCrl5SiMn钢是应用最多的

轴承钢。前者用作中、小型滚动轴承，后者用于较大型滚动轴承。

2-4合金工具钢

合金工具钢按要紧用途分为刃具钢、模具钢与量具钢三大类。

一、合金刃具钢

合金刃具钢要紧用来制造刀具，如车刀、铳刀、钻头、丝锥等。对刃具钢的

性能要求是：高的硬度与耐磨性，高的热硬性，足够的强度、塑性与韧性。

合金刃具钢分为低合金刃具钢与高速钢两类。

（一）低合金刃具钢

低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。其sc二

0.75%〜1.5%的范围内，以保证钢的淬硬性与形成合金碳化物的需要。由于合

金元素的加入量不大，故钢的热硬性仍不太高，通常工作温度不得高于300℃。

9SiCr是最常用的低合金刃具钢，被广泛用来制造各类薄刃工具，如板牙、

丝锥、钱刀等。

低合金刃具钢的热处理与碳素工具钢基本相同。刃具毛坏锻造后的预先热处

理使用球化退火，切削加工后的最终热处理使用淬火与低温火。最终热处理后

的组织为细回火马氏体、粒状合金碳化物及少量的残余奥氏体，通常硬度可达

60—65HRCo

(二)高速钢

用高速钢制作的刃具在使用时，能以比低合金刃具钢刀具更高的切削速度进

行切削，因而被称之高速钢。它的特点是热硬性高达600C,切削时能长时间保

持刃口锋利，故又称之“锋钢”，同时还具有高的强度、硬度与淬透性。淬火时

在空气中冷却即可得马氏体组织，因此，又俗称之“风钢”、“白钢”。

1.高速钢的成分特点

高速钢的含碳量较高，5在0.75%〜1.60%的范围内，高的碳含量是为了

在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的

耐磨性与良好的热硬性C

格在高速钢淬火加热时，儿乎全部溶人奥氏体中，增加了奥氏体的稳固性，

从而显著提高钢的淬透性与回火稳固性。钮是强碳化物形成元素，其碳化物VC

非常稳固，极难溶解，硬度极大(可达83〜85HRC),从而提高钢的硬度与耐磨

性。未溶的VC能显著阻碍奥氏体长大。

2.高速钢的锻造

高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物(见图6-4),分布很不均匀，

显著降低了钢的力学性能，特别是韧性。而且用热处理方法不能根本改变碳化物

的分布状态，只能用反复锻造的方法将碳化物打碎，并使其尽可能均匀分布。锻

造比最好大于10,锻后务必缓冷，以免开裂。

3.高速钢的热处理

高速钢的热处理包含退火、淬火与回火，其特点是退火温度低，淬火温度高,

回火温度高且次数多。

(1)退火。为了消除坯料在锻造时产生的内应力，降低硬度，细化晶粒，为

切削加工与淬火作准备，高速钢在锻后务必及时进行球化退火。退火温度为

Ac.+30^50℃,退火后的组织为索氏体与粒状合金碳化物，硬度为207〜255HBW。

(2)淬火。高速钢的淬火加热温度很高(1200〜1300C),目的是为了使碳化

物尽可能多地溶入奥氏体，从而提高淬透性、回火稳固性与热硬性。

由于高速钢的导热性较差，故淬火加热时务必进行一至二次预热。

（3）回火。高速钢淬火后应立即回火，通常在550〜570℃回火三次。

在此温度范围内回火时，铝、铝、帆的碳化物从马氏体与残余奥氏体中析出，

呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；同时由于残余奥氏体转变成马氏体，也使硬

度上升，从而形成二次硬化，保证了钢的高硬度、高耐磨性及热硬性。进行多次

回火，其目的是为了逐步减少残余奥氏体的量与消除内应力。高速钢回火后的组

织为回火马氏体、粒状碳化物与少量残余奥氏体，硬度可达63〜66HRCo

4.常用的高速钢

常用的高速钢有W18Cr4V、W6M05Cr4V2与W9M03Cr4V三种。

W18Cr4V是我国进展最早的高速钢，其特点是热硬性较高，过热敏感性较小,

加工性好。

W6M05Cr4V2钢是用铜代替一部分鸽而进展起来的，其特点是具有良好的热

塑性，碳化物分布较均匀，耐磨性与韧性也较好，正在逐步取代W18Cr4V钢。

W9M03Cr4V钢是近几年进展起来的通用型高速钢，具有上述两种钢的共同

优点，比利8Cr4V钢的热塑性好，比W6M05Cr钟2钢的脱碳倾向小，硬度高，

因此得到了愈来愈广泛的应用。

二、合金模具钢

模具钢可分为冷作模具钢与热作模具钢。

（一）冷作模具钢

冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、

冷锁模、拉丝模等。

这些模具在工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击力与强烈的摩擦，要求

具有高的硬度（58〜62HRC）与耐磨性，足够的强度与韧性，同时要求热处理变

形小。冷作模具钢的化学成分、热处理特点基本上与刃具钢相似。关丁小型冷作

模具，可用碳素工具钢与低合金刃具钢制造。如T10A、9SiCr、CrW'Mn、9Mn2V等。

其热处理通常也是球化退火、淬火与低温回火。

关于大型模具常用Crl2型钢制造。Crl2型钢是最常用的冷作钢，牌号有

Crl2与Crl2MoV等。Crl2型钢的最终热处理有两种方法：

1、低温淬火与低温回火法（一次硬化法）这种方法可使模具获得高硬度与

高耐磨性，淬火变形小。通常承受较大载荷与形状复杂的模具使用此法处理。

2、高温淬火与高温（510〜520℃）多次回火法（二次硬化法）这种方法能使

模具获得高的热硬性与耐磨性，但韧性较差。通常承受强烈摩擦，在400〜450℃

条件下工作的模具适用此法。Crl2型钢经淬火及回火后的组织为回火马氏体、

粒状碳化物与少量残余奥氏体。

（二）热作模具钢

热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，如热锻模、

热挤压模、压铸模等。

这类模具在工作中除承受较大的冲击载荷、很大的压力、弯曲力外，还受到

炽热金属在模腔中流淌所产生的强烈摩擦力，同时还受到反复的加热与冷却。因

此，要求热作模具钢应具有高的热硬性与高温耐磨性，良好的综合力学性能，高

的热疲劳强度与较好的抗氧化能力，同时还要求具有高的淬透性、导热性c

热作模具钢通常是中碳合金钢，其3c=0.3%〜0.6%,以保证钢具有高强

度、高韧性、较高的硬度（35〜52HRC）与较高的热疲劳强度。热锻模具钢的最终

热处理与调质钢相似，淬火后高温（550℃左右）回火，以获得回火索氏体一一

回火托氏体组织。

热压模具钢的热处理是淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600C左右）

回火2〜3次，获得的组织为回火马氏体与粒状碳化物，以保证模具的热硬性。

制作热锻模的典型钢种有5CrMn\lo与5CrNiMo钢。

制作热压模的常用钢为3Cr2W8V钢。

三、合金量具钢

量具在使用过程中经常受到磨损与碰撞。因此，要求量具钢务必具备高硬度

（62〜65HRC）、高耐磨性、高的尺寸稳固性及足够的强度与韧性，同时还要求热

处理变形小等。关丁形状简单、尺寸较小、精度要求不高的量具（如简单K规、

低精度量块等）,可用碳素工具钢T10A、T12A制造;或者用渗碳钢（20、用Cr等）

制造，并经渗碳淬火处理；或者用中碳钢（50、60钢等）制造，并经高频表面

淬火处理。

精度要求高或者形状复杂的量具，通常用合金工具钢或者滚动轴承钢（如

9SiCr、Cr2、CrWMn、GCrl5等）制造。

量具的最终热处理要紧是淬火与低温回火，m的是获得高硬度与高耐磨性。

关于精度要求高的量具，为保证尺寸稳固性，常在淬火后立即进行一次冷处

理，以降低组织中的残余奥氏体量。

在低温回火后还应进行一次稳固化处理（100〜150℃、24〜36h）,以进一

步稳固组织与尺寸，并消除淬火内应力。有的时侯在磨削加工后，还要在120〜

150C保温8h进行二次稳固化处理，以消除磨削产生的残余内应力，从而进一步

稳固尺寸。

2-5特殊性能钢

一、不锈钢

（一）马氏体不锈钢

这类钢的3c=0.1%〜10.4%,3cr=12%〜14%,属于铭不锈钢。马氏

体不锈钢只在氧化性介质中耐腐蚀，在非氧化性介质中耐蚀性很低，而且随钢中

含碳量的增多，耐蚀性下降。

钢中碳含量较低的1013、2Crl3钢，具有良好的抗大气、海水、蒸汽等介

质腐蚀的能力，且有较好的塑性与韧性，用于制造耐腐蚀的结构零件。如汽轮机

叶片、水压机阀与医疗器械等。碳含量较高的3Crl3、3Crl3Mo钢，热处理后硬

度可达50HRC左右，强度也较高，用于制造防锈的医用手术工具及刃具、不锈钢

轴承、弹簧等。

马氏体不锈钢的热处理：用作高强零件时进行调质处理，如1CH3、2Crl3；

用作弹性元件时进行淬火与中温回火处理；用作工具与刃具时进行淬火与低温回

火处理。

（二）铁素体不锈钢

常用铁素体不锈钢的3c<0.12%,35=12%〜30%,也属于铝不锈钢,

典型钢种是Crl7型不锈钢。

这类钢由于碳含量降低，铝含量又较高，使钢从室温加热到高温（960〜

1100℃）,其组织始终是单相铁素体，故其耐腐蚀性（对硝酸、氨水等）与抗氧

化性（在700℃下列）均较好。但其强度低，不能用热处理强化。因此，要紧用

于要求较高耐腐蚀性而受力不大的构件，如化工设备中的容器、管道，食品工厂

的设备等。

（三）奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，典型钢种是18-8型不锈钢，属于珞银

不锈钢。这类钢含碳量很低（3c<0.12%）,3cr=17%〜19%,3Ni=8%〜

12%,有的时候还向钢中加入钛、铝、铝等，以防晶界腐蚀。

这类钢在室温下为单相奥氏体组织，加热时没有相变发生，故奥氏体不锈钢

具有很好的塑性、韧性与焊接性，强度、硬度低、无磁性，耐腐蚀性与耐热性很

好，但切削加工性较差，易粘刀与产生加工硬化。这类钢广泛用于在强腐蚀介质

（硝酸、磷酸及碱水溶液等）中工作的设备、管道、贮槽等，还广泛用于要求无磁

性的仪表、仪器元件等。

这类钢的热处理要紧是固溶处理。奥氏体不锈钢在退火状态下是奥氏体与少

量的碳化物组织。为了获得单相奥氏体组织，提高钢的耐蚀性，并使钢软化，将

钢加热到1100℃左右，使所有碳化物都溶人奥氏体，然后水淬快冷至室温,即

得单相奥氏体组织。这种处理方法称之固溶处理。

关于含钛或者银的钢，在固溶处理后还应进行稳固化处理，以防品界腐蚀的

发生。

二、耐热钢

在高温下具有一定的热稳固性与热强性的钢称之耐热钢。

按照性能，耐热钢可分为：

抗氧化钢：在高温下具有较好的抗氧化及抗其它介质腐蚀的性能；

热强钢：在高温时具有较高的强度与良好的抗氧化、抗腐蚀性能。

按照组织类型，耐热钢可分为珠光体耐热钢、铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢

及马氏体耐热钢等。

（一）珠光体耐热钢

珠光体耐热钢是低合金耐热钢，钢中含的合金元素总量不超过

故耐热性不高。要紧用于工作温度在600C下列，承受载荷不大的耐热零件，如

锅炉钢管、汽轮机转子、耐热紧固件、石油热裂装置等。

常用钢号有15CrMo、12CrMoV、35CrMoV等。这类钢通常在正火、回火状态

下使用，组织为细珠光体或者索氏体+部分铁素体。

（二）铁素体耐热钢

铁素体耐热钢的碳含量较低（3CW0.20%）、铝含量高（35211%）,并

含有一定量的硅、铝等，以提高钢的抗氧化能力，加入少量的氮，要紧是提高钢

的强度。

这类钢的抗氧化性能高（铭含量越高，抗氧化性越高），但高温强度仍较低，

焊接性较差，要紧用于制造工作温度较高、受力不大的构件，如退火炉罩、吊挂、

热交换器、喷嘴、渗碳箱等。常用钢号有0Crl3Al、2Cr25N等。要紧热处理是退

火，其目的是消除钢在冷加工时产生的内应力。

（三）马氏体耐热钢

马氏体耐热钢含有大量的格，并含有铜、铝、钮等合金元素，以提高钢的再

结晶温度与形成稳固的碳化物，加入硅以提高钢的抗氧化能力与强度。

这类钢的抗氧化性、热强性均高，硬度与耐磨性良好，淬透性也很好。广泛

用于制造工作温度在650℃下列、承受较大载荷且要求耐磨的零件，如汽轮机叶

片、汽车发动机的排气阀等。常用钢号有lCrl3Mo、4Cr9汽2、lCrl2WMoV等。马

氏体耐热钢通常在调质状态下使用，组织为回火索氏体。

（四）奥氏体耐热钢

奥氏体耐热钢与奥氏体不锈钢一样，含有大量的铝与银，以保证钢的抗氧化

性与高温强度，并使组织稳固。加入钛、铝、铝等元素是为了形成弥散分布的碳

化物，以进一步提高钢的高温强度。

这类钢的耐热性优于珠光体耐热钢与马氏体耐热钢，并具有很好的冷塑性变

形性能与焊接性能，塑性、韧性也较好，但切削加工性较差。这类钢广泛用于汽

轮机、燃气轮机、航空、舰艇、电炉等工业部门。如加热炉管、炉内传送带、炉

内支架、汽轮机叶片、内燃机重负荷排气阀等。

常用钢号有0Crl8NillTi、4Crl4Nil4W2Mo等。

这类钢与奥氏体不锈钢样，需通过固溶处理等才能使用。若零件的工作温

度超过700C,则应考虑选用银基、铁基、铝基耐热合金及陶瓷合金等。

三、耐磨钢

耐磨钢是指在强大冲击与挤压条件下才能硬化的高锦钢，其典型钢种是

ZGMnl3型。它的要紧成分为3c=0.9%〜1.45%,3Mn=U%〜"%。这种钢

极易产生加工硬化，使切削加工困难。因此，大多数高镭钢零件都是铸造成形的。

高钵钢的铸态组织为奥氏体与粗大的碳化物卜沿晶界析出），力学性能低，特

别是韧性与耐磨性低。只有使高锦钢获得单相奥氏体组织，才能使钢在使用时显

示出良好的耐磨性与韧性。使高镭钢获得单相奥氏体组织的方法是“水韧处理”,

马上钢加热到1050〜1100C保温，使碳化物全部溶人奥氏体，然后在水中快冷

以防止碳化物析出，使钢在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。

当高锦钢零件在工咋中受到强烈冲击或者强大挤压力作用时，表面因塑性变

形会产生强烈的加工硬化，而使表面硬度显著提高到500〜550HBW,因而获得高

的耐磨性，心部仍保持原先的高韧性状态。

当旧表面磨损后，新露出的表面又可在冲击与摩擦作用下形成新的耐磨层。

因此，这种钢具有很高的耐磨性与抗冲击能力。

高锈钢在通常机器零件的工作条件下并不耐磨。因此，高铸钢要紧用于制造

车辆履带、破碎机颗板、球磨机衬板、挖掘机铲斗、铁路道岔、防弹钢板等C

第3章金属切削加工原理

要紧内容

3-1＞金属切削加工的基本概念

3-2,金属切削过程

3-3.提高生产率的途径

3-4.金属切削机床的基本知识

本章重难点

1、W属切削过程中的各类物理现象

2、刀具角度的标注

3-1金属切削加工

用切削工具将坯料或者工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、

位置精度与表面质量的加工方法。

3.1.1切削运动与工件上形成的表面

机床为实现切削加工所必需具有的加工工件与工件间的相对运动。包含主运

动与进给运动。

主运动：是指在切削加工中形成机床切削速度或者消耗要紧动力的工作运

动。

进给运动：是指在切削加工中，时工件的多余材料不断被去除的工作运动。

XM.

上*・力■・,■■•一・■・■XW・力・内・•・、

..

，・・修

■W

nn

■■■■■・・・

・刀工传•・・•••・・力・

♦,・IK

tty

注释：

1、主运动能够使旋转运动，也能够是往复运动；

2、主运动能够是工件来实现(车外圆)，主运动也能够是刀具来实现：切断、

包IJ、铳加工)；

3、主运动只有一个，进给运动能够一个以上。

3.1.2切削用量

指在单位时间内工件与刀具沿主运动方向的

c切削速度匚

切B相对位移

削

三

J切削深度匚＞待加工表面到已加工表面间的垂直距离

要

素

指在主运动一个循环内，刀具与工件在进给方

i进给量

向上的相对位移

3.1.3刀具结构与材料

一、刀具材料

刀具材料一一刀具上切削部分的材料。

1.刀具材料应具备的性能

(1)高的硬度与耐磨性。刀具材料的硬度务必高于工件材料的硬度，通常要

求在60HRC以上。

(2)足够的强度与韧性。要紧是指刀具承受切削力与冲击而不发生脆性断裂

与崩刃的能力。

(3)良好的耐热性(热硬性)。指刀具材料在高温下保持高的硬度、好的耐

磨性与较高的强度等综合性能。耐热性愈好，刀具材料同意的切削速度愈高。

(4)较好的化学稳固性。包含抗氧化、抗粘结能力，化学稳固性愈高，刀具

磨损越慢，加工表面质量越好。

(5)良好的工艺性。

2.常用刀具材料

(1)碳素工具钢。含碳量为0.7%〜1.2%的优质高碳钢。常用于制造低速、

简单的钳工手用工具。

(2)合金工具钢。在碳素工具钢中加入少量的Cr、MMn等元素，形成合金

工具钢。常用于制造低速、复杂的刀具。

（3）高速工具钢。因钢中含有大量高硬度的碳化物，其热硬性与耐磨性都有

显著提高，淬火硬度达62〜65HRC,热硬性达550〜600℃,被广泛用于制造较复

杂的刀具。

（4）硬质合金。它是用硬度及熔点都很高的碳化铝、碳化钛与粘结剂钻，使

用粉末冶金的方法制成的。有很高的硬度（87〜92HRA）与热硬性（900〜

1000C）o但它的抗弯强度低，冲击韧性差，生产中常将硬质合金刀片用焊接或

者机械夹固的方法固定在刀体上使用。常用的硬质合金有色钻类（YG）、鸨钻钛

类（YT）与通用类（YN）三大类。

（5）其它刀具材料。陶瓷、人造金刚石与立方氮化硼也可作为刀具材料，它们

的硬度、耐磨性、热硬性均高于前述各类材料，但这些材料的脆性大，抗弯强度

与冲击韧性很差，要紧用于高硬度材料的半精加丁与精加工。

二、刀具的构成

1.刀具切削部分的构成要素

刀杆：起夹持作用

刀头：（三面）

前刀面：切屑流过的表面

主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面

副后刀面：刀具上与己加工表面相对的表面

（两刃）

主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线

副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线

（一尖）

主切削刃与副切削刃的交点

假定主运动方向

，切削平面",

定

值

给

进

动

运

向

方

2.车刀切削角度的坐标平面

基面：通过主切削刃上的某一点，

与主运动方向相垂直的平面

切削平面：通过主切削刃上的某一点，

于加工表面相切并垂直于基面的平面

正交平面：通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面与切削平面的平面

3.刀具的标注角度

1主偏角主切削刃与进给方向间的夹角

前角前刀面与基面间的夹角

正交平面内Y

后角主后刀面与切削平面间的夹角

1副偏角

副切削刃与进给方向的夹角

切削平面内刃倾角主切削刃与基面间的夹角

主偏角Kr--主切削刃与进给方向间的夹角

影响切削层的形状，切削刃的工作长度与单位切削刃上的负荷。减少Kr,

主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。

副偏角K一一副切削刃与进给方向间的夹角

影响已加工表面的粗糙度与刀尖强度，减少Kr\减少表面的粗糙度的数值,

还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降

低表面质量。

前角丫0—前刀面与基面间的夹角

前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。

后角a0主后刀面与切削平面间的夹角

增大后角可减少摩擦，提高工件加工质量与刀具耐用度，并使切削刃锋利。

刃倾角入-一主切削刃与基面之间夹角。它要紧影响刀头的强度与排屑方向

4.刀具结构

3-2金属的切削过程

金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、

刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如积屑

瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切有关。

3.2.1切屑的形成过程及切屑种类

1.切屑的种类

切屑的种类

•＞带状切屑b）节状切屑c＞粒状切屑d）崩碎切屑

节

通常加工中等硬度钢材时，切削速

状切屑背面呈较大的锯齿状，底面有不贯

度较低，切削深度与进给量较大时

切穿的裂纹

产生

屑

带

状呈连绵不断的带状或者螺旋状,与刀具切削过程平稳，切削力变化小，工

切接触的底层光滑，背面呈毛绒在状件表面光洁；务必采取断屑措施

屑

粒在加工塑性较差的材料时，使用较

在节状切屑的整个剪切面上，切应力超

状小的前角或者负前角的刀具并以极

过了材料的破裂强度时，整个单元被切

切低的切削速度、大的切削深度与进

离形成粒状切屑

屑给量进行切削时形成的

LXJ

朋

切削层金属发生弹性变形后，通常不通工件材料脆性越大，刀具前角越小,

碎

过塑性变形就突然崩裂而形成形状不切削深度与进给量越大，越易产生

切

规则的崩碎切屑此类切削

屑

2.积屑瘤

（1）积屑瘤的形成

切削过程中，由于金属的挤压与强烈摩擦，便切屑与前刀面之间产生很大的

应力与很高的切削温度。当应力与温度条件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩

擦力很大，使得切屑底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流层”，当滞

流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离而

粘附在切削刃邻近形成积屑瘤.

积屑瘤硬度可代替切削刃进行切

为保护刀具

很高屑，减少刀具的磨损

有利方面

P增加工作积屑瘤的存在，使刀具—可减小切削变形与

前角的实际工作前角增大切削力，使切削轻

快

影响工件尺寸时大时小，时有的时候无，使切削力产

精度生波动而引起振动

只屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际

的切削深度不断变化

影响工件表面*1积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损

粗糙度、

会形成硬点与毛刺，使工件表面粗造度值增大

(2)积屑瘤的操纵

(工件材料

切削用量

影响积屑瘤的因素I

刀具角度

I切削液等

一要避免在中温、中速加工塑性材料

操纵措施J增大前角可减小切削变形，降低切削温度，减小积

屑瘤的高度

I使用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积

屑瘤

3.2.2刀具的磨损及刀具的耐用度

1.刀具的磨损形式

KT表示前刀面磨损的月牙洼的深度，VB表示主后刀面磨损的高度。

刀具磨损的要紧原由于机械磨损与热效应两种。影响刀具磨损的要紧因素有

工件材料的力学性能、工件毛坯表面的状况、刀具材料性能、刀具几何形状、切

削用量、切削液等。

c)rtij刀面可后刀司H寸磨损

2.刀具磨损过程

O77min

3.刀具的耐用度

刀具在两次刃磨之间的实际切削时间称之刀具的耐用度，以分钟(min)计。

影响刀具耐用度的因素很多，其中以切削速度的影响最大。当切削速度增大

时，耐用度将大大降低C

选择刀具耐用度有两种方法：

1、最大生产率耐用度，它根据单件工时最短的原则确定耐用度；

2、经济耐用度，它根据成本最低的原则确定耐用度。通常情况下都使用经

济耐用度。

3-3提高生产效率的途径

3.3.1金属材料的切削加工性

切削加工性(cuttingbehavior)是指材料加工的难易程度。它要紧取决于材

料的力学性能且与材料的热处理状态有关。

衡量指标

(1)/7：一定刀具耐用度下的切削速度(例：v60)

(2)版:相对加工性v60/(v60)j

(v6sJ---切削正火状态的45钢的v60

改善切削加工性的途径

⑴热处理(2)调整化学成分

3.3.2切削液

(1)种类

①水基切削液②油基切削液

(2)作用

①冷却②润滑

(3)使用方法

3.3.4切削用量的合理选择

尽可能大的背吃刀量Op一尽可能大的进给量/一切削速度比