机械制造的基础学习要点及复习样题Word文件下载.docx
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点缺陷：
晶格空位，间隙原子和置换原子。
线缺陷：
位错。
面缺陷：
晶界。
1.2.3金属的结晶
（1）金属结晶的概念
指金属由液态转变为固态晶体的过程。
即内部原子有不规则的排序转变到规则排列。
（2）金属结晶的过程
金属的结晶过程是由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。
（3）过冷现象、过冷度
在实际结晶过程中，金属液只有冷却到理论结晶温度（熔点）以下的某个温度时才结晶的现象叫过冷现象。
理论结晶温度与实际结晶温度之差称过冷度。
（4）晶粒到小对力学性能的影响即控制方法
晶粒组织的力学性能比粗晶粒组织的好。
方法：
增加过冷度、变质处理和附加振动。
1.2.4金属的同素异构
同一种固态的纯金属在加热或冷却时由一种稳定状态变成另一种晶体结构不同的稳定状态的转变称为同素异构转变。
纯铁的同素异构
1.3二元合金合铁碳合金相图
1.3.1二元合金的晶体结构
（1）合金的概念
由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。
（2）组元的概念
组成合金的元素，一般指化学元素，稳定化合物也可作为组元。
（3）相的概念及分类
在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。
分为两类：
固溶体：
溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金称为固溶体。
有间隙固溶体和置换固溶体。
金属化合物：
合金中各组成元素原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。
1.3.2铁碳合金相图
（1）铁碳合金基本组织
铁素体（F）：
碳溶解在α-Fe中的间隙固溶。
塑性、韧性好，强度、硬度低。
奥氏体（A）：
碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体。
塑性好。
渗碳体（Fe3C）：
铁与碳形成的金属化合物。
硬度很高，塑性、韧性几乎为零。
珠光体（P）：
是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。
力学性能介于铁素体与渗碳体之间。
莱氏体（Ld）：
是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的A与Fe3C的机械混合物。
硬度高，塑性差。
（2）铁碳状态图各特性点、线和区域
主要点
特性点
温度℃
含义
A
1538
纯铁熔点
C
1148
共晶点
D
1227
渗碳体熔点
E
C在γ-Fe中最大溶解度
G
912
纯铁的同互异晶转变点
P
727
C在α-Fe中最大溶解度
S
共析点
Q
室温
室温时C在α-Fe中最大溶解度
主要线：
ABCD线：
液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。
AHJECF线：
固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化。
GS线：
A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A
ES线：
Acm线，C在A中溶解度曲线
ECF线：
共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物（莱氏体）。
PSK线：
共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体。
（3）铁碳合金的分类
共晶白口铸铁：
含碳量为4.3%;
亚共晶白口铸铁：
含碳量在2.11%—4.3%之间；
过共晶白口铸铁：
含碳量在4.3%—6.69%之间；
（4）共析钢、过共析钢、亚共析钢结晶过程
1.4钢的热处理
1.4.1热处理是将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却，从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。
1.4.2钢在加热时的转变
实际加热时各临界点位置分别用Ac1、Ac3、Accm线表示，实际冷却时各临界点位置分别用Ar1、Ar3、Arcm线表示。
（1）奥氏体的形成分为三个阶段：
形成奥氏体晶核并逐步长大成晶粒，残余渗碳体继续溶入奥氏体，奥氏体均匀化。
（2）奥氏体晶粒的长大：
奥氏体晶粒形成后，继续加热或保温，小晶粒将合并为较粗大的晶粒。
1.4.3钢在冷却时的转变
共析钢过冷奥氏体等温转变产物形成条件和力学性能
类型
名称
形成条件
力学性能
珠光体形组织
粗大片状珠光体
约700~650℃
强度、硬度、塑性、韧性一般
细珠光体（索氏体）
约650~600℃
强度、硬度、塑性、韧性较粗大片状好
极细珠光体（托氏体）
约600~550℃
强度、硬度、塑性、韧性较索氏体好
贝氏体形组织
上贝氏体
约550~350℃
脆性大，基本无实用价值
下贝氏体
约350℃左右
具有较好的综合力学性能
马氏体形组织
板条马氏体
奥氏体中含碳量小于0.3%
有较高的塑性和韧性
片状马氏体
奥氏体中含碳量1~1.4%
应力大，塑性、韧性较差
1.4.4常用的钢的热处理
（1）完全退火和等温退火
完全退火：
将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到600℃以下，然后在空气中冷却。
用于亚共析钢成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材。
有时也用于焊接结构。
目的：
细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。
等温退火：
将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，先以较快的冷速冷到珠光体的形成温度等温，待等温转变结束再快冷。
（2）球化退火：
将钢件加热到Ac1以上30～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600℃后出炉空冷。
通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，球化退火后的组织是由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体。
主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。
在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火做准备。
（3）去应力退火：
将工件随炉缓慢加热（100～150℃/h）至500～650℃（A1以下），保温一段时间后随炉缓慢冷却。
主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拔件）及机加工的残余内应力。
在去应力退火中不发生组织转变。
（4）正火:
将工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。
与退火的区别是冷速快，组织细，强度和硬度有所提高
正火的应用：
a.用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高机械性能。
b.用于低、中碳钢作为预先热处理，获得合适的硬度便于切削加工。
c.用于过共析钢，消除网状Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行。
（5）淬火:
淬火就是将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。
a.淬火冷却介质:
最常用的冷却介质是水和油
b.淬火方法:
①单液淬火法（单介质淬火）
将加热的工件放入一种淬火介质中一直冷到室温。
这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。
但其缺点是不符合理想淬火冷却速度的要求，水淬容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。
②双液淬火法（双介质淬火）
将加热的工件先在快速冷却的介质中冷却到接近马氏体转变温度Ms时，立即转入另一种缓慢冷却的介质中冷却至室温，以降低马氏体转变时的应力，防止变形开裂。
如形状复杂的碳钢工件常采用水淬油冷的方法，即先在水中冷却到300℃后在油中冷却；
而合金钢则采用油淬空冷，即先在油中冷却后在空气中冷却。
③分级淬火法
将加热的工件先放入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保温2～5min，使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却。
这种方法可以减少工件内外的温差和减慢马氏体转变时的冷却速度，从而有效地减少内应力，防止产生变形和开裂。
但由于盐浴或碱浴的冷却能力低，只能适用于零件尺寸较小，要求变形小，尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。
④等温淬火法
将加热的工件放入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成B转变。
适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具，模具等。
c.钢的淬透性和淬硬性：
淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。
淬硬性是指钢在淬火时的硬化能力。
淬透性好，淬硬性不一定好，同样淬硬性好，淬透性亦不一定好。
（6）回火是将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。
钢的回火按回火温度范围可分为以下三种：
a.低温回火：
回火温度范围150～250℃。
零件内应力和脆性有所降低，但保持了马氏体的高硬度和高耐磨性。
主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件。
b.中温回火：
回火温度范围为350～500℃。
零件具有一定的韧性和较高的弹性极限及屈服强度。
主要应用于各类弹簧和模具等。
c.高温回火：
回火温度范围为500～650℃。
零件具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。
广泛应用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构零件，如轴、连杆、螺栓等。
淬火＋高温回火又称调质处理。
（6）钢的表面淬火
仅对工件表层进行淬火的工艺，称为表面淬火。
它是利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、正火或调质状态的组织。
表面淬火一般适用于中碳钢（WC=0.4～0.5%）和中碳低合金钢（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具钢，低合金工具钢等。
目前应用最多的是感应加热和火焰加热表面淬火。
1.5碳钢
碳钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。
1.5.1碳钢的分类
碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。
（1）按钢的含碳量多少分类：
低碳钢，含碳量0.25%；
中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%；
高碳钢，含碳量0.60%。
（2）按钢的质量（即按钢含有害元素S、P的多少）分类：
普通钢，钢中S、P含量分别≤0.055%和0.045%；
优质钢，钢中S、P含量均≤0.040%；
高级优质钢，钢中S、P含量分别≤0.030%和0.035%。
（3）按钢的用途分类：
结构钢，主要用于制造各种工程构件和机械零件；
工具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。
（4）按脱氧程度分类：
沸腾钢：
脱氧程度低，用F表示；
镇静钢：
脱氧程度高，用Z表示；
半镇静钢：
介于沸腾钢和镇静钢之间，用b表示。
1.5.2碳钢的牌号
（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分按顺序组成。
其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，Z代表镇静钢等。
如Q235-A·
F表示屈服强度为235Mpa的A级沸腾碳素结构钢。
用途举例
Q195、Q215，用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。
Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。
Q275，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。
（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。
这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。
例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。
08钢，表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。
08钢，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷冲压零件。
10、20钢，常用于制造冲压件和焊接件。
也常用于制造渗碳件。
35、40、45、50钢属中碳钢，经热处理后可获得良好的综合力学性能，主要用制造齿轮、套筒、轴类零件等。
这几种钢在机械制造中应用非常广泛。
（3）碳素工具钢碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。
其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。
若为高级优质，则在数字后面加“A”。
例如，T12钢，表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。
T8钢，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。
T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。
T7、T8钢，用于制造具有较高韧性的工具，如冲头、凿子等。
T9、T10、T11钢，用作要求中等韧性、高硬度的刃具，如钻头、丝锥、锯条等。
T12、T13钢，用于要求更高硬度、高耐磨性的锉刀、拉丝模具等。
1.6合金钢的牌号
合金钢是按钢材的含碳量以及所含合金元素的种类和数量编号的。
①钢号首部是反映含碳量。
合金结构钢与碳素结构钢相同，以万分之一的碳作为单位，如首部数字为45，则表示平均含碳量为0.45%；
合金工具钢以千分之一的碳作为单位，如首部数字为5，则表示平均含碳量为0.5%。
②在表示含碳量的数字后面，用元素的化学符号表示出所含的合金元素。
合金元素的含量以百分之几表示，当平均含量小于1.5%时，只标明元素符号，不标含量。
如25Mn2V，表示平均含碳量为0.25%，含锰量约为2%，含钒量小于1.5%的合金结构钢。
又如9SiCr，表示平均含碳量为0.9%，含硅、铬都少于1.5%的合金工具钢。
③对于含碳量超过1.0%的合金工具钢，则在牌号中不表示含碳量。
如CrWMn钢，表示含碳量大于1.0%并含有铬、钨、锰三种合金元素的合金工具钢。
但也有特例，高速钢牌号中不表示含碳量。
如W18Cr4V钢，其含碳量仅为0.7%～0.8%。
1.7铸铁
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，它含有比碳钢更多的硅、锰、硫、磷等杂质。
根据铸铁中碳的存在形式不同，铸铁可分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。
铸铁中C的存在形式：
碳化物（Fe3C）和石墨。
（1）白口铸铁
白口铸铁中的碳几乎全部以Fe3形式存在，断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件。
主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯。
（2）灰口铸铁
灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色。
根据灰口铸铁中石墨存在形式不同，它又可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁等。
a．灰铸铁
石墨形态呈片状。
因此其综合力学性能较低，但其减振性、耐磨性、铸造性及切削加工性较好，主要用于制造承受压力的床身、箱体、机座、导轨等零件。
灰口铸铁牌号的表示方法为“HT”加数字，其中“HT”是灰铁两字汉语拼音的第一个字母，数字表示最低抗拉强度。
如HT150等。
b．可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火后而得到，其石墨形态呈团絮状。
其抗拉强度、塑性、韧性都比灰口铸铁高，主要用于制造一些形状比较复杂而在工作中承受一定冲击载荷的薄壁小型零件，如管接头、农具等。
可锻铸铁的牌号由“KTH”或“KTZ”加两组数字组成。
其中“KT”是可铁两字汉语拼音第一个字母，后面的“H”表示黑心可锻铸铁，“Z”表示珠光体可锻铸铁。
其后面的两组数字分别表示材料的最低抗拉强度数值和最小伸长率数值。
如KTH350-10、KTZ550-04等。
c．球墨铸铁
球墨铸铁中石墨形态呈球状。
具有较高的强度、塑性和韧性，所以应用较广，在某些情况下可替代中碳钢使用。
主要用于制造受力较复杂、负荷较大的机械零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等。
球墨铸铁的牌号由“QT”加两组数字组成。
其中“QT”是球铁两字汉语拼音的第一个字母，两组数字分别表示最低抗拉强度数值和最小伸长率数值。
如QT500-7等。
d.蠕墨铸铁
蠕墨铸铁总石墨呈蠕虫状。
抗拉强度、塑性、疲劳强度大于灰铸铁导热性、铸造性、可切削性大于球墨铸铁。
主要用于热循环载荷条件下的钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、气缸盖、刹车件等。
蠕墨铸铁的牌号由“RuT+数字”，组成。
其中“RuT”表示是蠕墨铸铁，数字表示最小抗拉强度值（MPa）。
如RuT340等。
[复习样题]
一．填空
1.在室温下，百分之九十以上的金属具有、和密排六方三种紧密的晶体结构。
2.强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗和的能力。
3.过冷度是指和之差。
4.纯铁在20℃时具有晶格，叫铁；
5.将纯铁加热到1100℃时，具有晶格，叫铁。
6.金属结晶时冷却速度越快，则晶粒。
7.金属的结晶过程是由和两个基本过程组成。
8.碳溶解在中所形成的固溶体称为奥氏体。
9.晶体线缺陷的主要形式是。
10.Fe—Fe3C相图中，PSK线为，S点为，其含碳量为。
11.工业上使用的金属材料，可分为和两大类。
12.碳溶于γ-Fe中形成的固溶体称为，以符号表示。
13.钢的热处理中，通常将淬火后高温回火的操作称为。
14.碳含量较高的钢在淬火后易得到状马氏体。
15.碳含量较低的钢在淬火后易得到状马氏体。
16.钢的热处理是指将钢在态下施以不同的加热、保温和冷却，以获得所需
的一种工艺过程。
17.正火是将钢加热到一定温度，保温后在中冷却。
18.碳钢是指碳的质量分数小于,大于的铁碳合金。
19.含碳量高于的碳钢称为高碳钢。
20.优质碳素结构钢牌号中的两位数字表示其平均含碳量的倍。
21.铸铁含碳量一般大于。
22.铸铁中的碳一般以和的形式存在。
23.球墨铸铁中的碳主要以状态存在。
24.高碳钢为了改善切削加工性经常使用退火。
二．选择
1.液态金属结晶的基本过程是【】
A.形核和长大B.细晶和长大C.非自发形核和长大D.枝晶生成和生长
2.室温下金属的晶粒越细小，则【】
A.强度高、塑性差B.强度低、塑性差C.强度高、塑性好D.强度低、塑性好
3.亚共析钢的室温组织为【】
A.珠光体B.铁素体+珠光体C.二次渗碳体+奥氏体D.二次渗碳体+珠光体
4.铁碳合金相图中，GS线是平衡结晶时【】
A.奥氏体向珠光体转变的开始线B.奥氏体向二次渗碳体转变的开始线
C.奥氏体向铁素体转变的开始线D.奥氏体向δ固溶体转变的开始线
5.在金属材料的机械性能指标中，“σbb”是指【】
A.屈服强度B.抗拉强度C.弹性强度D.抗弯强度
6.在金属材料的机械性能指标中，“200HBS”是指【】
A.硬度B.强度C.弹性D.塑性
7.实际金属一般表现出各向同性，这是因为实际金属为【】
A.多晶体B.单晶体C.理想晶体D.固溶体
8.铁碳合金中属于金属化合物的相是【】
A.铁素体B.奥氏体C.渗碳体D.珠光体
9.在晶体缺陷中，属于面缺陷的有【】
A.空位B.位错C.晶界D.裂纹
10.下列钢中，退火后塑性最好的是【】
A.T10AB.30CrMnSiC.60钢D.08F钢
11.下列钢中，淬火后硬度最高的是【】
A.T12B.Q175C.45钢D.15钢
12.碳大部分以渗碳体形式存在的铸铁是【】
A.白口铸铁B.灰口铸铁C.可锻铸铁D.球墨铸铁
13.可锻铸铁中的石墨形态为【】
A.片状石墨B.絮状石墨C.球状石墨D.粒状石墨
14.钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为【】
A.淬硬性B.淬透性C.淬韧性D.淬塑性
15.制造锉刀应当选用的材料和热处理方法为【】
A.45钢淬火＋高温回火B.T8钢淬火＋中温回火
C.T12钢淬火＋低温回火D.Q275淬火＋正火
16.为了改善轴类零件的综合机械性能，通常对轴进行的热处理是【】
A.淬火B.回火C.调质处理D.完全退火
17.马氏体的硬度主要取决于【】
A.加热温度B.保温时间C.含碳量D.杂质含量
18.钢在热处理时，一般都要通过加热使其组织转变为【】
A.珠光体B.渗碳体C.奥氏体D.莱氏体
19.调质是指【】
A.淬火＋低温回火B.淬火＋中温回火C.淬火＋高温回火D.淬火＋常温回火
20.合金工具钢都是【】
A.普通钢B.优质钢C.高级优质钢D.特级优质钢
21.过共析钢淬火时，其常规加热温度范围为【】
A.Ac1+30~50℃B.Ac3+30~50℃C.Accm+30~50℃D.Ac1~Accm
22.共析钢通过淬火获得下贝氏体组织的方法有【】
A.单液淬火B.双液淬火C.分级淬火D.等温淬火
23.完全退火主要用于【】
A.亚共析钢B.共析钢C.过共析钢D.所有钢种
24.碳钢正火是将其加热到一定温度后保温一段时间，然后采用的冷却形式是【】
A.在水中冷却B.在油中冷却C.在空气中冷却D.随炉冷却
25.HT150的石墨形态为【】
A.片状石墨B.团絮状石墨C.球状石墨D.蠕虫状石墨
26.含碳0.77%的铁碳合金冷却时在PSK线上发生的反应为【】
A.共析反应B.共晶反应C.匀晶反应D.包晶反应
27.下列铁碳合金中，具有球状石墨组织的为【】
A.QT400-5B.45C.T10D.RuT340
28.滚动轴承钢成份要求【】
A.高碳低铬B.低碳低铬C.低碳高铬D.高碳高铬
三．名词解释
1.过冷度
2.合金
3.同素异构转变
4.晶格缺陷
5.固溶体
6.奥氏体
7.塑性
8.合金的组元
9.单液淬火法
10.淬透性
11.合金钢
12.共析钢
四．问答题
1.在下面图框中填写适当的温度和晶格类型
2.铁碳合金基本组织有哪些？
其性能特点如何？
3.简述奥氏体形成的过程。
4.常用的淬火方式有哪些？
各有何操作特点？
5.何为淬硬性？
何为淬透性？
两者有无联系？
6.常见的回火种类有哪些？
各有何作用？
7.简述常见的几种铸铁中碳的组织结构各有何特点。
8.铁碳相图中，铁碳合金按含碳量可以分为几类？
含碳量范围各是多少？
9.碳钢按照品质可以分为哪几种？
10.说明下列各种牌号的铁碳合金所属类别，并简述其牌号的含义。
45钢
20Cr
T10
3Cr2W8V
Q195
1Cr13
W6Mo5Cr4V2
HT-200
Q235
2Cr13
W18Cr4V
Q390
五、分析题
1.绘制简化后的铁碳合金相图，标明各点、组织、温度、
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