《工程訓練與創(chuàng)新/普通高等院校工程實踐系列規(guī)劃教材》：
　　第一篇 切削加工基礎與普通加工
　　第1章 工程材料基礎
　　教學目的 使讀者對常用金屬材料的基礎知識有一定的掌握，為后續(xù)的理論學習和實訓操作打下基礎。
　　教學要求
　�。�1）了解常用金屬材料的分類與性能。
　�。�2）掌握常用碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬的牌號和應用范圍。
　�。�3）掌握常用金屬熱處理的工藝與適用范圍。
　　1.1 常用金屬材料及其性能簡介
　　材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱。80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。這主要是因為材料與國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活密切相關。材料除了具有重要性和普遍性，還具有多樣性。由于材料多種多樣，分類方法也就沒有統(tǒng)一的標準。
　　機械加工工程所接觸到的所有物質(zhì)也都是由不同的材料組成的，因此，掌握材料的性質(zhì)是加工制造的前提條件。由于材料的種類繁多，本節(jié)只簡要介紹金屬材料的性能。
　　1.1.1 常用工程材料的分類
　　按照化學成分的不同，工程材料可分為金屬材料、非金屬材料和復合材料三大類，如圖1.1所示。隨著科學技術的不斷發(fā)展，非金屬材料和復合材料的應用也更加廣泛（特別是在航空、軍事等領域），對于這兩類材料的加工制造和工藝也是各國研究的重點。
　　1.1.2 金屬材料的性能
　　金屬材料的性能主要包括使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性能，如圖1.2所示。
　　圖1.1 工程材料的分類
　　圖1.2 金屬材料的性能
　　1.1.3 常用金屬材料的牌號、應用及說明
　　1．碳素鋼
　　碳素鋼是指碳的質(zhì)量分數(shù)<2.11%的鐵碳合金。碳鋼的價格低廉、工藝性能良好、廣泛應用于機械加工。常用碳素鋼的牌號、主要特性和應用范圍如表1-1所示。
　　表1-1 常用碳素鋼的牌號、主要特性和應用范圍
　　名稱 牌號 主要特性 應用舉例
　　碳素結
　　構鋼 Q215 具有較高的韌性、塑性和焊接性能，以及良好的壓力加工性能，但強度低 用于制造鉚釘、墊圈、地腳螺栓、薄板、拉桿、煙筒等
　　Q235 具有高的韌性、塑性和焊接性能、冷沖壓性能，以及一定的強度和好的冷彎性能 廣泛應用于制造一般要求的零件和焊接件，如受力不大的拉桿、連桿、銷、軸、螺釘、螺母、支架、基座等
　　續(xù)表
　　名稱 牌號 主要特性 應用舉例
　　優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼 15 強度低，塑性、韌性很好，焊接性能優(yōu)良，無回火脆性。容易冷熱加工成形，脆透性很差，正火或冷加工后切削性能好 用于制造機械上的受力不大，形狀簡單，但韌性要求較高或焊接性能較好的中小結構件、螺栓、螺釘、法蘭盤等
　　45 綜合力學性能和切削性能均較好，用于強度要求較高的重要零件 主要用于制造強度高的運動件，如活塞、軸、齒輪、齒條、蝸桿、曲軸、傳動軸、齒輪、連桿等
　　鑄造
　　碳鋼 ZG200-400 有良好的塑性、韌性和焊接性能、用于受力不大、要求韌性較好的各種機械零件 如機座、變速器殼等
　　2．合金鋼
　　所謂合金鋼是指在優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的基礎上適當加入一種或幾種合金元素（如硅、錳、鉻、鎳、鉬、釩以及稀土元素等）煉制而成的鋼種。合金鋼具有屈服強度高、韌性和塑性好、淬透性好、耐腐蝕、耐低溫、高磁性、高耐磨性等優(yōu)點。常用合金鋼的牌號、主要特性和應用范圍如表1-2所示。
　　表1-2 常用合金鋼的牌號、主要特性和應用范圍
　　牌號 主要特性 應用舉例
　　45MnB 可用來代替40Cr、45Cr鋼，制造較耐磨的中、小截面的調(diào)質(zhì)件和高頻淬火件等 機床上的齒輪、曲軸齒輪、花鍵軸和套、鉆床主軸等
　　40Gr 調(diào)質(zhì)后有良好的綜合力學性能，用于較重要的調(diào)質(zhì)零件，如在交變負荷下工作的零件、中等轉速和中等負荷的零件、表面淬火后可用作負荷及耐磨性較高、而無很大沖擊的零件。表面淬火硬度可達48～55HRC 齒輪、套筒、軸、曲軸、銷、連桿螺釘、螺母、進氣筒等
　　20CrMo 強度好、韌性較高，在500℃以下有足夠的高溫強度，焊接性能好 軸、活塞連桿等
　　42CrMo 淬透性比35CrMo高，調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性好，表面淬火硬度可達54～60HRC 牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、發(fā)動機氣缸、石油探井鉆桿接頭與打撈工具等
　　3．鑄鐵
　　鑄鐵是一種以Fe、C、Si為基礎的復雜多元合金，其含碳量在2.0%～4.0%。鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性、減振性和耐磨性，且價格低廉，在制造業(yè)使用相對廣泛。鑄鐵的種類有灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵三類，常用鑄鐵的牌號、主要特性和應用范圍如表1-3所示。
　　表1-3 常用鑄鐵的牌號、主要特性和應用范圍
　　名稱 牌號 主要特性 應用舉例
　　灰
　　鑄
　　鐵 HT100 鑄造性能好、工藝簡單、鑄造應力小、不用人工時效處理、減振性好 用于負荷低，對摩擦和磨損無特殊要求的場合，如外罩、手輪、支架等
　　HT200 強度、耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能好，需進行人工時效處理 用于承受較大應力（彎曲應力<29.4MPa），摩擦面間單位應力<0.459MPa條件下受磨損的零件，如氣缸、機床床身與床面、制動輪、聯(lián)軸器盤、活塞環(huán)等
　　球
　　墨
　　鑄
　　鐵 QT400-15
　　QT400-18 焊接性和切削性能好，常溫下沖擊韌性高，脆性轉變溫度低 汽車、拖拉機輪轂，驅(qū)動橋、離合器、差速器、減速器等的殼體。通用機械的1.6～6.4MPa氣壓閥門的閥體、閥蓋，壓縮機上承受一定溫度的高低壓氣缸、電動機機殼等
　　QT450-10 焊接性、切削性均較好，韌性略低于QT400-18，強度和小能量沖擊力優(yōu)于QT400-18
　　可
　　鍛
　　鑄
　　KTH300-06 黑心可鍛鑄鐵強度高、韌性和塑性好，抗沖擊，有一定耐腐蝕性，切削性能好 管路配件（彎頭、三通、管體）、中低壓閥門、農(nóng)機中一般零件等
　　KTZ450-06
　　KTZ550-4
　　KTZ650-02
　　KTZ700-2 珠光體可鍛鑄鐵韌性較低、強度大、硬度高、耐磨性好�？商娲�中低碳鋼，低合金鋼及有色合金等耐磨性和強度要求較高的零件 曲軸、傳動箱體、凸輪軸、活塞環(huán)、梨刀、齒輪、連桿等
　　4．有色金屬
　　有色金屬的種類繁多，雖然其產(chǎn)量和使用不及黑色金屬，但是由于它具有某些特殊性能，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的材料。常用有色金屬的牌號、主要特性和應用范圍如表1-4所示。
　　表1-4 常用有色金屬的牌號、主要特性和應用范圍
　　名稱 牌號 主要特性 應用范圍
　　純銅 T1、T2 有良好的導電、導熱、耐蝕和加工性能，可焊接和釬焊 電線、電纜、導電螺釘、化工用蒸發(fā)器、各種管道等
　　黃銅 H62、H63 有良好的力學性能，熱態(tài)下塑性良好，可加工性好，易釬焊和焊接，耐蝕，但易產(chǎn)生腐蝕裂紋，應用廣泛 各種拉伸和和折彎的受力零件，如銷釘、鉚釘、螺母、導管、氣壓表彈簧、散熱器零件等
　　鋁合金 2A11 是應用最為廣泛的一種硬鋁，一般稱為標準硬鋁。它具有中等強度，在退火、剛淬火和熱態(tài)下的可塑性較好，可熱處理強化，在淬火和自然時效狀態(tài)下使用，點焊焊接性能良好 用作各種中等強度的零件和構件，沖壓的連接部件，如螺栓、鉚釘?shù)?br /> 　　1.2 鋼的熱處理簡介
　　金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，以使工件達到其相應的技術指標。
　　為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。
　　熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。
　　加熱是熱處理的重要工序之一，加熱溫度則是其中的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。
　　為保證顯微組織轉變完全，當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，這段時間稱為保溫時間。當采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。
　　冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。
　　金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。
　　1.2.1 整體熱處理
　　整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。
　　1．退火
　　退火是將工件加熱到適當溫度（相變或不相變），保溫后緩慢冷卻，目的是消除應力，降低硬度，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火做好組織準備。
　　退火的方式較多，如擴散退火、完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火、鍛后余熱等溫退火等。
　　2．正火
　　正火是將工件加熱至Ac3或Acm+40～60℃，保溫一定時間，達到奧氏體化和均勻化后在自然流通的空氣中均勻冷卻的方式。正火能調(diào)整鋼件的硬度、細化組織及消除網(wǎng)狀碳化物，并為淬火做好組織準備。正火常用于改善材料的切削性能，也有時作為一些要求不高的零件的最終熱處理。
　　3．淬火
　　淬火是將工件加熱至Ac3或Ac1+20～30℃，保溫一定時間后，在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬火介質(zhì)中快速冷卻，以獲得均勻細小的馬氏體組織和粒狀滲碳體混合組織。淬火可提高鋼件硬度和耐磨性，但同時也會變脆，因此，一般淬火后要經(jīng)中溫或高溫回火，以獲得良好的綜合力學性能。
　　淬火的方式一般有單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火等。
　　4．回火
　　回火是將淬火后的鋼件重新加熱至Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，再進行冷卻的工藝�；鼗鹁哂薪档弯摷�脆性、消除內(nèi)應力、減少工件的變形和開裂、提高塑性和韌性、穩(wěn)定工件尺寸的作用。
　　回火的方式有低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。
　　退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝，讀者可查閱相關資料。
　　1.2.2 表面熱處理
　　表面熱處理是僅對工件表面進行熱處理，以改變其組織和性能的熱處理工藝。其中表面淬火應用最為廣泛。
　　表面淬火是通過加熱感應線圈使工件表面迅速加熱升溫到臨界溫度以上，然后快速冷卻的熱處理工藝。表面淬火只改變工件表層一定深度的組織和性能，并未改變表層與心部的化學成分，因此，對于需要表面具有較高硬度和耐磨性、心部要求具有足夠塑性和韌性的零件就需要用表面淬火工藝，如凸輪軸、曲軸、床身導軌等。
　　按照加熱方式的不同，表面淬火主要有感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和激光加熱表面淬火等。
　　1．感應加熱表面淬火
　　利用感應電流使零件表面在交變磁場中產(chǎn)生感應電流和集膚效應，以渦流形式將零件表面快速加熱，而后急冷的淬火方法。根據(jù)感應電流的使用頻率不同，可以分為超高頻（27MHz）、高頻（200～250kHz）、中頻（2500～8000Hz）和工頻（50Hz）四種方式。
　　感應加熱表面淬火的特點是：
　�。�1）加熱速度快，熱效率高。
　　（2）零件表面氧化脫碳少，與其他熱處理相比，廢品率極低。
　　（3）零件脆性小，表面的硬度高，心部能保持較好的塑性和韌性，同時還能提高零件的力學性能。
　�。�4）不僅應用于零件的表面淬火，還可以用于零件的內(nèi)孔淬火。
　　（5）生產(chǎn)過程清潔、無高溫、設備緊湊、占地面積小、使用簡單、勞動條件好。
　　2．火焰加熱表面淬火
　　利用氧-乙炔氣體或可燃氣體（天然氣、石油氣、焦爐煤氣等）以一定比例混合進行燃燒，形成強烈的高溫火焰，將零件迅速加熱至淬火溫度，然后急速冷卻（用水或乳化液做冷卻介質(zhì)）的工藝。
　　……