机械制造基础复习
第1章金属材料基本知识
1.1金属材料的力学性能
力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗力。主要的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度等。 1.1.1 强度
强度是金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。根据载荷作用方式的不同，强度可分为抗拉强度（σb）、抗压强度（σbc）、抗弯强度（σbb）和抗剪强度（σt）等
抗拉强度指标是通过金属拉伸试验测定。 1)拉伸曲线
①弹性变形阶段。 ②屈服阶段。
③均匀塑性变形阶段。 ④缩颈阶段。 强度指标
常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。
①屈服点 它是拉伸过程中，载荷不增加，试样还继续发生变形的最小应力。
②抗拉强度 它是金属材料在拉断前所能承受的最大应力。
? 当零件在工作时所受应力σ<σe时，材料只产生弹性变形；当σe<σ<σS时，材料除产生弹性变形外，还产生微量塑性变形；当σS<σ<σb时，材料除产生弹性变形外，还产生明显塑性变形；当σ>σb时，零件产生裂纹，甚至断裂。 1.1.2塑性
塑性是金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力，指标也是
通过拉伸试验测定 。
常用塑性指标是断后伸长率和断面收缩率
①断后伸长率 是指拉伸试验拉断后，标距长度的相对伸长值。 ②断面收缩率 是指拉伸试样拉断后试样截面积的收缩率。
1.1.3 硬度
硬度是指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，即金属材料抵抗局部塑性变形或破环的能力。 1）布氏硬度
将一定直径的压头，在一定的载荷下垂直压入试样表面，保持规定的时间卸载，压痕表面所承受的平均应力值称为布氏硬度。以HB表示。 ①当试验压头为淬硬钢球时，硬度符号为HBS，适于测量布氏硬度小于450的材料。
②当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW，适于测量布氏硬度小于650的材料。
③HBS或HBW之前的数字为硬度值。
2）洛氏硬度
用规定的载荷，将顶角为120o的圆锥形金刚石压头或直径为1.588ｍｍ的粹火钢球压入金属表面，取其压痕深度计算硬度的大小，这和
1
机械制造基础复习
硬度称为烙氏硬度HR。
①HRA主要用于测量硬质合金，表面淬火钢等。 ②HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等。 ③HRC主要用于测量一般淬火钢件。
3）维氏硬度
用49～981N的载荷，将顶角为136o的金刚石四方角锥体压头压入金属表面，以其压痕面积除载荷所得的商称为维氏硬度HV。 1.1.4 冲击韧度
冲击韧度是金属材料抵抗冲击载荷作用而不破环的能力，通常用
一次摆锤冲击试验来测定
1.1.5 疲劳强度
许多机械零件，例如轴、齿轮、轴承、弹簧等，在工作中承受的是交变载荷。在这种载荷作用下，虽然零件所受应力远低于材料的屈服点，但在长期使用中往往会突然发生断裂，这种破环过程称为疲劳强度。
1.2 金属与合金的晶体结构和结晶
1.2.1 金属的晶体构造
1）晶体与非晶体
自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体。
固态下原子在物质内部作有规则排列，即为晶体 固态下物质内部原子呈无序堆积状况，即为非晶体 2）晶格与晶胞
为了形象地描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些
假想连线将几何点在三维方向连接起来，这样构成的空间格子称为晶格。
晶格中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个
能够完整反映格特征的最小几何单元，称为晶胞。 4）三种典型的金属晶格类型
①体心立方晶格 ②面心立方晶格
③密排六方晶格
1..2.2 金属的结晶
金属的结晶一般是指金属由液态转变为固态的过程。
1）纯金属的冷却曲线。
原理的在液态纯金属的缓慢冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，直到冷却至室温。将测量结果绘制在温度一时间坐标上，便得到纯金属的冷却曲线，即温度随时间而变化的曲线。 2）结晶过程 ①晶核的形成
a.在过冷度存在的条件下，依靠产生微细小晶体形成晶体过程，称
2
机械制造基础复习
为自发形核。
b.在实际金属中常有杂质的存在，这种依附于杂质或型壁而形成晶核的过程，称为非自发形核。
c. 自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行的，但非自发形核常起优先和主导作用。 ②晶核的长大
晶核形后，会吸附其周围液态中的原子，不断长大。晶核长大使液态金属的相对量逐渐减少。 3）晶体缺陷
晶体缺陷按其几何形态特征 分为三类：
①点缺陷：最常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子等。 ②线缺陷：线缺陷主要指的是位错。 ③面缺陷：通常指的是晶界和亚晶界。
4）晶粒大小及其控制
为了细化晶体粒，改善其性能，常采用以下方法。
①增加过冷度。形核率和长大速率都随过冷度增大而增大。 ②变质处理。在液态金属结晶前加入一此细小变质剂，使结晶
时形核率N增加，而长大速率G降低，这种细化晶粒方法称为变质处理。
1.2.3 合金的晶体结构
1）合金的基本概念
①合金：一种金属元素与其他金属或非金属元素，经熔练、烧结或与
其他方法结合具有金属特性的物质，称为合金。
②组元：组成合金的最基本的独立物质称为组元。
③合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分
的合金，称为合金系。
④相：合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称
为相。
⑤组织：用肉眼或借助显微镜观擦到材料具有独特微观形貌特征的部
分称为组织。
2）合金的组织
通常固态时合金中形成固溶体、金属化合物、机械混合物三类组织。 ① 固溶体
合金由液态结晶为固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的相称为固溶体。
固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。
溶剂结点上的部分原子被溶质原子所替代而形成的固溶体，称为置换固溶体。
溶质原子溶入溶剂晶格之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体。 无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都是均匀的单相组织，晶格类型保持溶剂的晶格类型。但由于溶质原子的溶入使晶格畸变。畸变的存在使位借运动阻力增加，从而提高了合金的强度和硬度，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。
3
机械制造基础复习
② 金属化合物：合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称 为金属化合物。
③ 机械混合物：两种以上按一定质量分数组合成的物质称为机械混合物。
1.2.4 铁碳合金
1）铁碳合金基本组织
①纯铁的同素异构转变：金属这种在固态下晶格类型随温度(压力)变
化的特性称为同素异构转变
②铁碳合金的组本组织
铁碳合金中含有质量分数为0.10％～0.20％杂质的称之为工业
纯铁。
由铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：铁素体、奥氏
体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
铁素体：铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号
F表示，它仍保持α-Fe的体心立方晶格结构。
奥氏体：奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体。用符呈
A表示，它保持γ-Fe的面心立方晶格结构
渗碳体：渗碳体是铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合
物，用化学式Fe3C表示，渗碳体中碳的质量分数为6.69％。
珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P
表示
莱氏体：莱氏体是ΨC为4.3％的合金，缓慢冷却到1148℃时从
液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld表示。
2）含碳量对铁碳合金组和力性能的影响规律是。 ①含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金在室温的组织都是由铁素体和渗碳体组成。 ②含碳量对力学性能的影响
随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性和韧性下
降。这是由于组织中渗碳体量不断增多，铁素体不断减少的缘故。
第2章 钢的热处理
钢的热处理是将钢在固态下进加热、保温和冷却。以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。 钢的热处理方法主要有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等多种。
2.1钢在加热和冷却时的组织转变
2.1.1 钢在加热时的组织转变。
热处理加热的最主要目的就是为了得到奥氏体，因此这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。
但随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒就会自发地长大。奥氏体晶粒愈粗大，冷却转变产物的组织愈粗大，冷却后钢的力学性能愈差，特
4
机械制造基础复习
别是冲击韧度明显降低，所以在粹火加热时总是希望得到细小的奥氏体晶粒。 在加热温度相同时，加热速度愈快，保温时间愈短，奥氏体晶粒愈小。 2.1.2 钢在冷却时的组织转变
冷却过程是热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能。
1）过冷奥氏体的等温冷却转变。
在不同的过冷度下，反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线
称为过冷奥氏体等温转变的动力学曲线。称为C曲线。
3种不同的转变，即珠光体转变(550度以上)，贝氏本转变（220
度以上）和马氏体转变（220度以下） 2）过冷奥氏体的连续却转变。
在共析碳钢的连续冷却转变过程中，只发生珠光体和马氏体转变
而不发生贝氏体转变。
过冷奥氏体在连续却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度，用uK表示。
2.2 钢的退火和正火
退火和正火经常作为钢的预先热处理工序，安排在铸造和焊接之后或粗加工之前。
2.2.1 钢的退火
退火是将钢材（或钢件）加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢
冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
退火的主要目的是：
1）降低或调整硬度，以便于切削加工。 2）消除或降低残余应力，以防变形、开裂。
3）细化晶粒、改善组织，提高力学性能，并为最终热处理作好组织准备。
完全退火是把钢加热到完全奥氏体化，保温后随后之缓慢冷却的退火工艺。
2.2.2 钢的正火
将钢材或钢件加热到Ac3（或Acm）以上30～50℃，保温适当的时间
后，在静止的空气中冷却的热处理工艺，称为正火。 正火的冷却速度比退火的冷却速度较快
1）低碳钢可通过正火处理提高强度和硬度，以改善切削加工性能。 2）中碳钢进行正火处理可直接用于对性能要求不高的零件的最终热处理或代替完全退火。
2.3钢的淬火和回火
淬火和回火称为最终热处理，以提零件的性能，充分发挥钢的潜力。 2.3.1钢的粹火
将钢件加热到Ac1（或Ac3）以上30～50℃，保温一定的时间，然后
以大于临界冷却速度冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。
淬火质量取决于淬火三要素，即加热温度，保温时间和冷却速度。
1）淬火加热温度。
5