(機(jī)械制造基礎(chǔ)第三版)學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工.ppt

1、機(jī)械制造基礎(chǔ)（第三版）主編：陳強(qiáng) 張雙俠,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1.了解階梯軸毛坯的選擇原則 2.掌握常用金屬零件的毛坯材料 3.掌握常用金屬材料的性能 4.了解現(xiàn)階段常用的機(jī)械零件材料,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【情境導(dǎo)入】 毛坯的選擇包括毛坯種類的選擇、毛坯的制造方法和毛坯形狀與尺寸的確定等方面。在生產(chǎn)中我們要用各種工具來加工零件，這些工具和零件是用什么材料制造的，它們的性能如何，用什么熱處理方法可以改變材料的性能，使其便于加工和滿足使用的技術(shù)要求，這些都是必須掌握的基本知識。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,根據(jù)圖11所示階梯軸零件簡圖，試選擇該階梯軸毛坯材料，并

2、分析該種材料所具有的性能。 圖11階梯軸零件簡圖 【任務(wù)分析】 此次任務(wù)是根據(jù)階梯軸零件簡圖尺寸的大小、結(jié)構(gòu)等分析其用途，并分析其應(yīng)具有什么性能才能滿足工作要求，再選擇該軸的毛坯材料，對選擇的毛坯材料性能進(jìn)行全面分析。,1.1.1毛坯的選擇 毛坯的選擇包括毛坯種類的選擇、毛坯的制造 方法和毛坯形狀與尺寸的確定等方面。 1 .毛坯種類的選擇 常用毛坯種類有鑄件、鍛件、型材、焊接件、 沖壓件等。通常情況下，當(dāng)零件材料確定下來后， 毛坯的種類就基本確定。 毛坯的制造方法越先進(jìn)，毛坯精度越高，材料 的損耗量越少，則機(jī)械加工成本就越低，但是毛坯 的制造成本卻因采用了先進(jìn)的設(shè)備而提高。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的

3、毛坯熱加工,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2 毛坯形狀與尺寸的確定 毛坯形狀與尺寸的確定主要依據(jù)零件的形狀、 各加工表面的總余量和毛坯的類型等。從機(jī)械加工 工藝角度考慮還應(yīng)注意下列問題： （1）為了工件加工時(shí)裝夾方便，考慮毛坯是否需 要做出工藝凸臺。 （2）考慮某些零件結(jié)構(gòu)的特殊性，可以將若干個(gè) 零件做成一個(gè)整體毛坯。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（3）為了提高機(jī)械加工生產(chǎn)率，可將多個(gè)零件做 成一個(gè)毛坯。如短小的軸套、墊圈和螺母等零件， 在選擇棒料、鋼管等毛坯時(shí)就可采用這種方法，加 工到一定階段再切割分離成單個(gè)零件，也有利于保 證加工質(zhì)量。 （4）還應(yīng)注意鑄件的分型面、拔模斜度、鑄造圓 角、

4、鍛件敷料、分模面、模鍛斜度及圓角半徑等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,3. 選擇毛坯時(shí)考慮的因素 （1）零件材料的工藝特性（如可鑄性、可塑性 等）及其力學(xué)性能 具有良好鑄造性能的材料，如鑄鐵、青銅應(yīng)采 用鑄件毛坯;對力學(xué)性能要求較高的鋼件，其毛坯最 好采用鍛件而不用型材。 （2）生產(chǎn)類型 不同的生產(chǎn)類型決定了不同的毛坯制造方法。 大量生產(chǎn)應(yīng)選精度和生產(chǎn)率都比較高的毛坯制造方 法，用于毛坯制造的昂貴費(fèi)用可用材料消耗的減少 和機(jī)械加工費(fèi)用的降低來補(bǔ)償，如鑄件應(yīng)采用金屬 模及其造型，鍛件應(yīng)采用模鍛。單件小批生產(chǎn)一般 采用木模手工造型或自由鍛。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（3）零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺

5、寸 一般用途的鋼制階梯軸，若各臺階直徑相差不 大時(shí)可用棒料;若各臺階直徑相差很大時(shí)宜用鍛件， 可節(jié)省材料。尺寸大的零件，因受設(shè)備限制一般用 自由鍛;中小型零件可用模鍛。形狀復(fù)雜的毛坯，一 般采用鑄造方法。 （4 具體生產(chǎn)條件 要考慮現(xiàn)場毛坯制造的實(shí)際水平和能力、毛坯 車間近期的發(fā)展情況以及組織專業(yè)化工廠生產(chǎn)毛坯 的可能性。此外，還應(yīng)充分考慮利用新工藝、新技 術(shù)和新材料的可能性，如精鑄、精鍛、冷擠壓、冷 軋、粉末冶金和工程塑料等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,4 毛坯的圖示 毛坯的類型、制造方法及各加工表面的總余量 確定后，即可繪制毛坯-零件綜合圖。先畫出經(jīng)簡化 了次要細(xì)節(jié)的零件圖的主視圖，將

6、已確定的總余量 畫在相應(yīng)的加工面上，可得毛坯輪廓圖。然后在圖 上標(biāo)出毛坯的主要尺寸及公差，標(biāo)明毛坯的技術(shù)要 求，如毛坯精度、圓角尺寸、拔模斜度、表面質(zhì)量 要求（氣孔、夾砂、縮孔）等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.強(qiáng)度 金屬材料在載荷的作用下抵抗彈性變形、塑性變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。 根據(jù)載荷的不同作用方式，強(qiáng)度可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。各種強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系，通過拉伸試驗(yàn)可測定材料強(qiáng)度指標(biāo)。 按國標(biāo)（GB/T63971986）規(guī)定將被測金屬材料制成一定形狀和尺寸的拉伸試樣。常用試樣的截面為圓形。圖1.2.11所示為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，其中d0 為試樣的原始直

7、徑（mm），l0 為試樣的原始長度（mm）。拉伸試樣一般還分為長試樣（l0 =10 d0 ）和短試樣（l0 =5 d0 ）兩種。 試驗(yàn)時(shí)，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上緩慢增加載荷（靜載荷），隨著載荷的不斷增加，試樣的伸長量也逐漸增加，記錄拉伸試驗(yàn)過程中的載荷大小和對應(yīng)的伸長量關(guān)系，直至試樣拉斷為止，便可獲得如圖14所示的載荷與變形量之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,圖14標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,圖15退火低碳鋼的拉伸曲線,如圖1-5所示，當(dāng)載荷F為零時(shí)，伸長量也為零。當(dāng)載荷逐漸由零加大到Fe 時(shí)，試樣的伸長量與載荷成比例增加。此時(shí)卸除載荷，試樣能完全恢復(fù)到原來的形狀和尺寸，即試樣處于彈性變形

8、階段。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,當(dāng)載荷超過Fe時(shí)，試樣除產(chǎn)生彈性變形外，還開始出現(xiàn)塑性變形（或稱永久變形），即卸除載荷后，試樣不能恢復(fù)到原來的形狀和尺寸。當(dāng)載荷加到Fs 時(shí)，在曲線上開始出現(xiàn)水平線段，即表示載荷不增加，試樣卻繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。S點(diǎn)稱做屈服點(diǎn)。載荷超過Fs 后，試樣的伸長量又隨載荷的增加而增大，此時(shí)試樣已產(chǎn)生大量的塑性變形。當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb 時(shí)，試樣的局部直徑變小，通常稱為“縮頸”現(xiàn)象。當(dāng)?shù)竭_(dá)K點(diǎn)時(shí)，試樣就在縮頸處被拉斷。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,無論何種材料，其內(nèi)部原子之間都具有平衡的原子力相互作用，以使其保持固定的形狀。材料在外力作用下

9、，其內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的作用力以抵抗變形，此力的大小和外力相等，方向相反，這種作用力稱為內(nèi)力。材料單位截面上承受的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用表示。金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來表示的，即 =F S0 式中 應(yīng)力，MPa; F載荷，N; S0 試樣的原始截面面積，mm2 。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（1）屈服強(qiáng)度 試樣屈服時(shí)的應(yīng)力為材料的屈服點(diǎn)，稱為 屈服強(qiáng)度。用s 表示。 s 表示金屬抵抗微小量 塑性變形的能力，即 s =Fs S0 式中 s 屈服強(qiáng)度，MPa; Fs 試樣屈服時(shí)的載荷，N; S0 試樣的原始截面面積，mm2 。 有些金屬材料，如鑄鐵、高碳鋼等的拉伸曲 線不出現(xiàn)平臺，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，因此

10、工程 上規(guī)定以試樣發(fā)生某一微量塑性變形（0.2%）時(shí) 的應(yīng)力作為該材料的屈服強(qiáng)度，稱為材料的條件 屈服強(qiáng)度，用0.2 表示。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（2）抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度是指試樣在拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，即 b = Fb S0 式中 b抗拉強(qiáng)度，MPa; Fb 試樣斷裂前的最大載荷，N; S0 試樣原始截面面積，mm2 。 在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)常采用s 或0.2 作為強(qiáng)度指標(biāo)，并適當(dāng)加上安全系數(shù)。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2.塑性 塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。 衡量塑性的指標(biāo)主要有延伸率和斷面收縮率。 （1）延伸率 試樣通過拉伸試驗(yàn)斷裂時(shí)，總的伸長量和

11、原始長度比值的百分率（即相對伸長）稱為延伸 率，用符號表示，即 式中 l1 試樣拉斷時(shí)的標(biāo)距長度，mm; l0 試樣原始的標(biāo)距長度，mm。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（2）斷面收縮率 試樣通過拉伸試驗(yàn)斷裂時(shí)，斷面縮小的截面積和原始截面積比值的百分率稱為斷面收縮率，用符號表示，即 式中 S0 試樣原始橫截面積，mm2 ; S1 試樣斷口處橫截面積，mm2 。 斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)，能比較可靠地代表材料的塑性。材料的或 越大，其塑性越好。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.3 硬度 硬度是指金屬材料抵抗比它更硬的物體壓入其表面的能力，即抵抗局部塑性變形的能力。一般來說，硬度越高，耐磨性

12、越好，強(qiáng)度也比較高。 最常用的測定硬度的方法是壓入測試法。生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的有布氏硬度和洛氏硬度測試法。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.布氏硬度 如圖1-3所示為布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理。淬火鋼球作壓頭用符號 HBS 表示，硬質(zhì)合金球作壓頭用 HBW 表示。布氏硬度的計(jì)算公式為,圖1-3 布氏硬度試驗(yàn) 原理示意圖,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,試驗(yàn)時(shí)用刻度放大鏡測出壓痕平均直徑 d 后，就可以通過計(jì)算或查布氏硬度表（表1-1）得出相應(yīng)的硬度值。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2.洛氏硬度 洛氏硬度試驗(yàn)也是一種壓入硬度試 驗(yàn)，它是測量壓痕的深度，以深度大小表 示材料的硬度值。圖1-4 所示為洛氏硬度試

13、 驗(yàn)原理 。,圖1-4 洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,洛氏硬度用符號 HR 表示，可以直 接由硬度計(jì)表盤上讀出，無單位。 HR = K bd / 0.002 式中，K 為常數(shù)。用金剛石圓錐體作壓頭 時(shí)，K 為100; 用淬火鋼球作壓頭時(shí)，K 為 130。洛氏硬度表示的方法為在符號前寫 出硬度值，可采用不同的壓頭和載荷來組 成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，其中最常用 的是 HRA、HRB、HRC三種。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,洛氏硬度試驗(yàn)測試過程簡單、迅速， 適用硬度范圍廣。但是，其測量結(jié)果不如 布氏硬度精確，故一般需在被測金屬的不 同部位測量數(shù)點(diǎn)，取其平均值。,學(xué)習(xí)情境

14、一階梯軸的毛坯熱加工,3.硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系 材料硬度與強(qiáng)度之間存在一定內(nèi)在 聯(lián)系，強(qiáng)度越高，硬度值也越高，下列經(jīng) 驗(yàn)公式可供參考: 低碳鋼（175HBS） b 3.45HBS（MPa）合金調(diào)質(zhì)鋼 b 3.25HBS（MPa） 灰鑄鐵 b 0.98HBS（MPa）,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.4 沖擊韌性 金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞 的能力稱為沖擊韌性。測量沖擊韌性最普 通的方法是擺錘一次沖擊試驗(yàn)。將材料制 成帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1-5 所示。,圖1-5 沖擊試樣,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,擺錘一次沖擊試驗(yàn)原理如圖1-6所示。 ak = Ak /S = G（H-h）/S

15、 式中 ak沖擊韌性，Jcm-2 ; S試樣缺口處的橫截 面積，cm2 ; Ak沖擊吸收功，J; G擺錘重力，N; H擺錘初始高度，m; h擺錘沖斷試樣后 上升的高度，m。,圖1-6 擺錘一次沖擊 試驗(yàn)原理圖,1擺錘;2機(jī)架;3試樣; 4表盤;5指針;6支座,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,沖擊韌性值大小與溫度有關(guān)。如圖 1-7所示,沖擊韌性值隨溫度的降低而減小，在某一溫度范圍內(nèi)顯著降低，使試樣呈現(xiàn)脆性，這個(gè)溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊韌性越好。沖擊韌性值的大小還受試樣的形狀、表面粗糙度和內(nèi)部組織等因素的影響。,圖1-7 溫度對沖擊韌性值的影響,學(xué)習(xí)情境一階梯軸

16、的毛坯熱加工,1.1.5 疲勞強(qiáng)度 一些機(jī)器零件，如齒輪、連桿、軸、彈 簧等，在交變載荷長期作用下，往往在工作 應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的情況下突然破壞，這種 現(xiàn)象稱為疲勞破壞。 金屬在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并使 其擴(kuò)展而導(dǎo)致的斷裂稱為疲勞斷裂。 交變應(yīng)力是指大小、方向隨時(shí)間呈周期性 變化的應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)受無數(shù)次 的應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,材料的疲勞曲線，如圖1-8 所示。其中的曲 線1，表示在該應(yīng)力作用下，材料經(jīng)無數(shù)次 應(yīng)力循環(huán)也不會發(fā)生斷裂。,圖1-8 金屬材料的疲勞曲線,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.6碳鋼,碳鋼價(jià)格低廉，加工容易，通過不

17、同的熱處理工藝可以滿足一定的力學(xué)性能，因此碳鋼在機(jī)器制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但是碳鋼淬透性不好，熱硬性低，不能用于大尺寸、受重載荷的零件，也不能用于耐熱、耐磨、耐蝕等方面的零件，因而其使用受到了一定的限制。為了滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在碳鋼的基礎(chǔ)上加入一些合金元素，形成合金鋼。 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）小于2.11%的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。由于碳鋼具有一定的力學(xué)性能和良好的工藝性能，且價(jià)格低廉，因此碳鋼是工業(yè)中用量最大的金屬材料，在機(jī)械制造、建筑及交通運(yùn)輸工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.碳鋼的分類 （1）根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少，可分為低碳鋼（C 0.60%）。 （2

18、）根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量的多少，可分為普通質(zhì)量鋼（S0.05%，P0.045%）、優(yōu)質(zhì)鋼（S0.035%，P0.035%）和高級優(yōu)質(zhì)鋼（S0.02%，P0.03%）。 （3）根據(jù)鋼的用途可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。前者主要用于制作各種機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)件，一般屬于低碳鋼和中碳鋼;后者主要用于制作各種量具、刃具和模具等，一般屬于高碳鋼。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2.碳鋼的牌號、性能和用途 （1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號是由代表鋼材屈服強(qiáng)度的字母、屈服強(qiáng)度值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四個(gè)部分按順序組成的。 （2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中磷、硫有害雜質(zhì)的含量較低，廣泛用來制

19、造較重要的機(jī)器零件，其牌號用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳萬分之幾。例如45鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45% 中碳鋼的綜合力學(xué)性能較好，可用于制造受力較大的零件，如主軸、曲軸、齒輪、鏈桿、活塞銷等 高碳鋼有較高的強(qiáng)度、彈性和耐磨性，主要用于制造凸輪、車輪、板彈簧、螺旋彈簧和鋼絲繩等。 滲碳鋼一般常用的有15鋼和20鋼。這些低碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳淬火后，導(dǎo)致心部強(qiáng)度、韌性不足，因此只能用來制造承受載荷較小、形狀簡單、不太重要，但要求耐磨的小型零件。 碳素工具鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.65%1.35%。根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷的含量，碳素工具鋼分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具

20、鋼，其編號是在T（碳）字母后面附以數(shù)字，表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為千分之幾,碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能等見表1-3。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,表1-3碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途舉例,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（4）鑄鋼 鑄鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.15%0.60%。在生產(chǎn)中，有些形狀復(fù)雜的零件很難用鍛壓方法成形，用鑄鐵又難以滿足性能要求，此時(shí)可采用鑄鋼。鑄鋼件均需進(jìn)行熱處理。其牌號冠以“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首“ZG”，后面有兩組數(shù)字，第一組表示屈服強(qiáng)度，第二組表示抗拉強(qiáng)度。如牌號ZG310-570表示屈服強(qiáng)度為310MPa，抗拉強(qiáng)度為570MPa的工程鑄鋼。

21、常用的鑄鋼有ZG200-400、ZG230-450等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.7 合金鋼 1.合金鋼的分類 合金鋼的種類繁多，按主要用途可分為如下幾種: （1）合金結(jié)構(gòu)鋼 結(jié)構(gòu)鋼又分為以下兩種: 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼:它主要用于制造機(jī)械設(shè)備上的結(jié)構(gòu)零件，這類鋼基本上屬于優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼，它包括合金結(jié)構(gòu)鋼、易切削結(jié)構(gòu)鋼。 （2）合金工具鋼 指用于制造各種工具的鋼，包括合金工具鋼和高速工具鋼等。 （3）特殊性能鋼 指具有特殊的物理或化學(xué)性能的鋼。它包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、超高強(qiáng)度鋼等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2.合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一種或幾種合

22、金元素，以滿足各種使用性能要求的結(jié)構(gòu)鋼，它是應(yīng)用最廣、用量最大的金屬材料。合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號用“兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字”表示。前面兩位數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為萬分之幾;元素符號表示鋼中所含的合金元素;元素符號后面的數(shù)字表示該元素平均含量為百分之幾。如55Si2Mn鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.55%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%2.5%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5%。 合金結(jié)構(gòu)鋼又分為普通低合金鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼、易切削鋼等幾類。 （1）普通低合金鋼 普通低合金鋼實(shí)質(zhì)上是低碳低合金工程結(jié)構(gòu)用鋼。這類鋼含合金元素比較少，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，多數(shù)為0.1%0.2%，其屈

23、服強(qiáng)度比普通低碳鋼高25%50%，并有良好的耐蝕性和焊接性，一般是在正火或熱軋狀態(tài)下使用。主要用于橋梁、船舶、車輛、管道、起重運(yùn)輸機(jī)械等。常用普通低合金鋼有12Mn、16Mn等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（2）合金滲碳鋼 按合金元素含量的不同，可將合金滲碳鋼分為低淬透性合金滲碳鋼、中淬透性合金滲碳鋼和高淬透性合金滲碳鋼三類。 低淬透性合金滲碳鋼:如20Cr、20MnV，用于制造受力不太大，不需要很高強(qiáng)度的耐磨零件，如截面尺寸在30mm2 以下的形狀復(fù)雜、心部要求較高、工作表面承受磨損的機(jī)床變速箱齒輪、凸輪、蝸桿、活塞銷等。 中淬透性合金滲碳鋼:如20CrMnTi、12CrNi3，主要用來

24、制造中等載荷的耐磨零件。如在汽車、拖拉機(jī)工業(yè)中用于截面尺寸在30mm2 以下，承受高速、中或重載荷以及受沖擊、摩擦的重要滲碳件，如齒輪、軸、齒輪軸、蝸桿等。 高淬透性合金滲碳鋼:這類鋼即使空冷也能獲得馬氏體組織，用來制作承受重載荷及強(qiáng)烈磨損的重要大型零件。屬于此類鋼的有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（3）合金調(diào)質(zhì)鋼 合金調(diào)質(zhì)鋼通常指經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的結(jié)構(gòu)鋼，一般為中碳的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼。其主要用于制造承受大循環(huán)載荷及沖擊載荷作用的零件。這些零件要求具有高強(qiáng)度和良好的塑性與韌性相配合的綜合力學(xué)性能。這類鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%0.

25、5%。由于合金元素的加入，合金調(diào)質(zhì)鋼的淬透性好，綜合力學(xué)性能高于碳素調(diào)質(zhì)鋼。 合金調(diào)質(zhì)鋼常按淬透性分為三類:低淬透性調(diào)質(zhì)鋼，如40Cr、40MnB等，常用于中等截面、要求力學(xué)性能比碳鋼高的調(diào)質(zhì)件，如齒輪、軸、連桿等;中等淬透性調(diào)質(zhì)鋼，如38CrMoAl鋼，常用于截面大、承受較重載荷的機(jī)器零件;高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，如40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等，這類鋼調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度最高，韌性也很好，可用于大截面、承受更大載荷的重要調(diào)質(zhì)零件。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（4）合金彈簧鋼 用來制造彈簧和彈性元件的合金結(jié)構(gòu)鋼叫做合金彈簧鋼。合金彈簧鋼要求具有較高的彈性極限和高的疲勞強(qiáng)度及塑性和韌性。這類材料為

26、中碳鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%0.9%，以保證得到高的疲勞極限和屈服點(diǎn)。加入合金元素后，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低為0.45%0.70%。常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、V等，主要目的是提高鋼的淬透性和彈性極限以及彈簧的疲勞強(qiáng)度。 常用的彈簧鋼有65Mn、55Si2Mn等，主要用于汽車、拖拉機(jī)、電力機(jī)車上的減振板彈簧或圓彈簧等。 （5）滾動(dòng)軸承鋼 滾動(dòng)軸承鋼是用來制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外套圈和滾動(dòng)體的專用鋼種。滾動(dòng)軸承工作時(shí)，承受很大的交變載荷，要求材料具有很高的接觸疲勞強(qiáng)度和足夠的彈性極限、耐磨性和抗蝕性。 我國最常用的滾動(dòng)軸承鋼是GCr15、GGr15SiMn等鉻軸承鋼，GCr15主要用于制造中

27、小型軸承以及精密量具、冷沖模、機(jī)床絲杠等，而GGr15SiMn主要用于制造大型和特大型軸承。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,3.合金工具鋼 合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上，加入適量合金元素而獲得的工具鋼。合金工具鋼按用途可分為合金刃具鋼、合金模具鋼、合金量具鋼。 （1）合金刃具鋼 合金刃具鋼主要是指用來制造車刀、銑刀、鉆頭等金屬切削刃具的鋼。根據(jù)合金刃具鋼中合金元素的含量，可分為低合金工具鋼和高合金工具鋼。 常用低合金工具鋼牌號為9SiCr、GCr15、GrWMn，用于制造要求耐磨性高、切削不劇烈的刃具，如板牙、絲錐、鉆頭、絞刀等，還可用來制造冷沖模、冷軋模等。高合金工具鋼又稱高速工具鋼，主

28、要用來制造高速切削的刃具。 常用的高速鋼有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。W18Cr4V主要用于制造一般高速切削用的成形車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、齒輪刀具等;W6Mo5Cr4V2主要用于制造要求耐磨性和韌性好的高速切削刀具，更適合制造熱軋工具。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（2）合金模具鋼 合金模具鋼是用來制造模具的鋼種。制造模具的材料很多，如碳素工具鋼、軸承鋼、耐熱鋼等，應(yīng)用最多的是合金模具鋼。根據(jù)用途的不同，合金模具鋼可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼等。 冷作模具鋼 冷作模具鋼是用來制造使金屬在冷態(tài)（一般指室溫）下產(chǎn)生塑性變形或分離的模具用鋼。如落料模、冷鐓模、剪切模、拉絲模

29、等。冷作模具鋼在工作時(shí)刃口部位承受很大的壓力、彎曲應(yīng)力、沖擊載荷和摩擦，所以冷作模具鋼應(yīng)具備高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度以及足夠的韌性，同時(shí)還要有良好的工藝性能。 尺寸小的模具可以選用低合金含量的冷作模具鋼，如9Mn2V、CrWMn等，也可采用T10A、T12A、9SiCr、滾動(dòng)軸承鋼GCr15等;承受重載荷、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小、耐磨性高的大型模具，則必須選用淬透性好的高鉻（Cr12、Cr12MoV）、高碳鋼或高速鋼,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,熱作模具鋼 熱作模具鋼用來制造在受熱狀態(tài)下對金屬進(jìn)行變形加工的模具，如熱鍛模、熱擠模、壓鑄模等。熱作模具在工作中除承受壓應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力外

30、，還受到因熾熱金屬在模具型腔中流動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)烈摩擦力，并且反復(fù)受到熾熱金屬的加熱和冷卻介質(zhì)（如水、油、空氣）的冷卻作用，使模具反復(fù)在冷、熱狀態(tài)下工作，從而導(dǎo)致模具工作表面出現(xiàn)龜裂，這種現(xiàn)象稱之為熱疲勞。因此要求熱作模具鋼在高溫下具有足夠的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性以及一定的導(dǎo)熱性和抗熱疲勞性。對于尺寸較大的模具，還必須具有高的淬透性和較小的變形。 5CrNiMo、5CrMnMo鋼是最常用的熱作模具鋼。這類鋼具有高的韌性、強(qiáng)度與耐磨性，淬透性也比較好，常用來制造大、中型熱鍛模。常用的壓鑄模用鋼為3Cr2W8V，這種鋼具有較高的熱疲勞抗力和強(qiáng)度以及好的淬透性，適合制造澆注溫度較高的銅合金、鋁合金的壓

31、鑄模。 塑料模具鋼 塑料模具在受力不大、沒有沖擊、溫度不高的工作條件下，一般選用45鋼或鑄鐵制造。玻璃纖維或礦物無機(jī)物較多的工程塑料容易對模具產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損、劃傷，所以宜采用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的合金工具鋼，如Cr12、7CrMn2WMo等;在成形過程中產(chǎn)生腐蝕氣體的聚苯乙烯等塑料制品和含有腐蝕介質(zhì)的塑料制品，宜采用不銹鋼如Cr13、Cr17;表面要求非常光潔、透明度高的塑料制品，其模具常用3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo鋼。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（3）合金量具鋼 合金量具鋼主要用來制造各種測量工具，如卡尺、塊規(guī)、千分尺等。由于量具在使用過程中主要受磨損而失效，幾乎不承受任何載荷力的作用

32、，因而對量具的性能要求是高的耐磨性和硬度，同時(shí)，還必須具有高的尺寸穩(wěn)定性，對精密量具還要求熱處理變形小。 簡單的量具一般用高碳鋼如T10A、T12A制造;要求精度高、形狀復(fù)雜的量具可采用GCr15、CrWMn、9SiCr等鋼制造;要求耐蝕的量具可選用不銹工具鋼如7Cr17、3Cr13等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,4.特殊性能鋼 特殊性能鋼是指具有某些特殊性能（如物理、化學(xué)性能）和力學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。 （1）不銹鋼 通常將具有抵抗空氣、蒸汽、酸、堿或者其他介質(zhì)腐蝕能力的鋼稱為不銹鋼。不銹鋼按其化學(xué)成分不同可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。 鉻不銹鋼 代表性的牌號是Cr13，主

33、要制造能抗弱腐蝕介質(zhì)、能承受沖擊載荷的零件，如汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥等。 鉻鎳不銹鋼 常用的鉻鎳不銹鋼有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等，主要用于制造抗酸溶液腐蝕的容器及襯里、輸送管道等設(shè)備和零件。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2）耐磨鋼 耐磨鋼是指在巨大壓力和強(qiáng)烈沖擊載荷作用下才能發(fā)生硬化而且具有高耐磨性的鋼。挖掘機(jī)鏟齒、坦克履帶、鐵道道叉、防彈板等，都是在強(qiáng)烈沖擊和嚴(yán)重磨損條件下工作的，因此要求有良好的韌性和耐磨性。最常用的耐磨鋼為高錳鋼，牌號為ZGMn13。由于高錳鋼極易加工硬化，很難進(jìn)行切削加工，因此大多數(shù)高錳鋼是采用鑄造方法成形的。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.8

34、鑄 鐵 根據(jù)Fe-Fe3 C相圖，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。由于鑄鐵成本低，生產(chǎn)工藝簡單，具有優(yōu)良的鑄造性能、好的耐磨性和減振性及切削加工性能，因此鑄鐵是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種鑄造金屬材料。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵等。 1 .灰鑄鐵 灰鑄鐵中的碳大部分以片狀石墨的形式存在，斷口呈暗灰色，常用來制造機(jī)器的底座、支架、工作臺、減速箱箱體、閥體等。 灰鑄鐵的牌號由“HT+數(shù)字”組成。其中“HT”表示“灰鐵”，數(shù)字表示其最低抗拉強(qiáng)度的值。如HT200表示最低抗拉強(qiáng)度為200MPa的灰鑄鐵。灰鑄鐵的牌號、鑄件壁厚、力學(xué)性能及用途可查機(jī)械材料手冊。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱

35、加工,2 .球墨鑄鐵 我國球墨鑄鐵的牌號中的“QT”是“球鐵”兩字漢語拼音的第一個(gè)字母，后面數(shù)字分別是單鑄試塊時(shí)的抗拉強(qiáng)度和伸長率。 球墨鑄鐵因其力學(xué)性能接近于鋼，鑄造和其他一些性能優(yōu)于鋼，因此在機(jī)械行業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用，在部分場合已成功地取代了鑄鋼件或鍛鋼件，用來制造一些受力較大、受沖擊和耐磨損的鑄件。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,3 .可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵是一種歷史悠久的鑄鐵材料。它是由一定化學(xué)成分的鐵水澆注成白口坯件，經(jīng)高溫退火而獲得的具有團(tuán)絮狀石墨的鑄鐵。與灰鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有較高的力學(xué)性能，尤其是塑性和韌性較好。但必須指出，可鍛鑄鐵實(shí)際上是不能鍛造的。 可鍛鑄鐵主要用于薄壁、

36、復(fù)雜小型零件的生產(chǎn)，鑄造時(shí)容易獲得全白口的坯件。由于它生產(chǎn)周期長，需要連續(xù)退火設(shè)備，因此在使用上受到一定限制，有些可鍛鑄鐵零件被球墨鑄鐵代替。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,4 .蠕墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵，因其石墨很像蠕蟲而命名。蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能介于相同基體組織的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，它的抗拉強(qiáng)度、延伸率、疲勞強(qiáng)度均優(yōu)于灰鑄鐵，鑄造性能、減振性能、切削加工性均優(yōu)于球墨鑄鐵。 蠕墨鑄鐵主要用于制造氣缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓件等零件。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.8 有色金屬及其合金 1.鋁和鋁合金 純鋁有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性，但強(qiáng)度低，主要用來

37、制造導(dǎo)電零件。 在純鋁中加入硅、銅、鎂、錳等合金元素，即可制成機(jī)械性能較高的鋁合金。鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，后者又可分為硬鋁、鍛鋁和防銹鋁等。鋁合金廣泛用于制造輕質(zhì)零件。 2.銅和銅合金 純銅又叫紫銅，有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性，熔點(diǎn)較高，但強(qiáng)度低，多用來制造導(dǎo)電零件。 銅與鋅的合金叫黃銅。黃銅有較好的機(jī)械性能和抗蝕性，用來制造螺釘、管接頭和沖壓件等。銅與除鋅以外的元素所構(gòu)成的合金統(tǒng)稱青銅。青銅分為錫青銅和無錫青銅。錫青銅有良好的耐磨性和抗蝕性，用來制造軸承、蝸輪等耐磨性要求高的零件。無錫青銅是錫青銅的代用品，價(jià)格低廉，而且強(qiáng)度較高。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.1.9 常

38、用非金屬材料 1.粉末冶金材料 粉末冶金是用金屬粉末或金屬與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)壓制成型后燒結(jié)，以獲得金屬零件和金屬材料的方法。粉末冶金主要分為硬質(zhì)合金、燒結(jié)減摩材料、燒結(jié)鐵基結(jié)構(gòu)材料。在生產(chǎn)上用于制造其他工藝方法無法制造或難以制造的零件材料。 2. 塑料及橡膠 塑料是高分子化合物，近幾十年來發(fā)展很快。它重量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性和耐磨性好，不僅在日常生活中到處可見，而且在工程結(jié)構(gòu)件中也被廣泛地應(yīng)用。 塑料的種類很多，按性能可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。 熱塑性塑料在加熱時(shí)軟化和熔融，冷卻后能保持一定的形狀，再次加熱時(shí)又可軟化和熔融，具有可塑性。屬于熱塑性塑料的有聚乙烯（PE）、聚

39、氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和ABS等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,熱固性塑料在固化后加熱時(shí)，不能再次軟化和熔融，不再具有可塑性。屬于熱固性塑料的有酚醛樹脂（PF）、環(huán)氧塑料（EP）等。 塑料按用途可分為通用塑料和工程塑料兩類。通用塑料有酚醛塑料、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）等。工程塑料有聚酰胺（PA，即尼龍）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）和ABS等。工程塑料具有良好的力學(xué)性能，能替代金屬制造一些機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件。 還有一些具有特殊性能的塑料，如聚四氟乙烯，它具有很好的耐蝕、耐磨和耐熱性，有塑料王之稱。 橡膠是一種天然

40、的或人工合成的高聚物。它具有良好的彈性，還有一定的耐磨性。在生產(chǎn)中它是一種極好的密封材料。 橡膠的種類很多，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠等。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,3. 復(fù)合材料 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料復(fù)合而成。它保留了各組成材料的優(yōu)良性能，從而得到單一材料所不具備的優(yōu)良的綜合性能。 復(fù)合材料一般由增強(qiáng)材料和基體材料兩部分組成，增強(qiáng)材料均勻地分布在基體材料中。增強(qiáng)材料有纖維（玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等）、絲、顆粒、片材等?；w材料有金屬基和非金屬基兩類，金屬基主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金等，非金屬基有合成樹脂、陶瓷等。 復(fù)合材料種類繁多，性能各有特點(diǎn)。如

41、玻璃纖維和合成樹脂的合成材料具有優(yōu)良的強(qiáng)度，可制造密封件及耐磨、減摩的機(jī)械零件。碳纖維復(fù)合材料密度小、比強(qiáng)度高，可應(yīng)用于航空、航天及原子能工業(yè)。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【任務(wù)實(shí)施】 根據(jù)零件圖確定該軸的使用性能和材質(zhì)。 根據(jù)零件使用要求，確定毛坯材料，根據(jù)毛坯材料確定毛坯的加工方法。 【拓展訓(xùn)練】 學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)材料手冊的使用，按照實(shí)訓(xùn)室的機(jī)械設(shè)備，找到部分零件，確定其材料類型，查材料手冊，學(xué)習(xí)了解其具有的基本性能，與設(shè)備中所起作用相比較是否相適應(yīng)。 【習(xí)題與訓(xùn)練】 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊分別找出下列材料的基本力學(xué)性能及使用范圍。 20Cr，T10A，45，1Cr13，GCr15，HT250

42、，CrWMn，QT400-10，W18Cr4V，16Mn 試分析自行車的中軸和鏈盒所用的材料，哪一種需要較高的硬度和強(qiáng)度？哪一種需要較好的塑性和韌性？為什么？ 試一試，將一截鐵絲反復(fù)彎折，看看會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,任務(wù)2 鐵碳合金相圖的建立 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1、掌握鐵碳合金相圖的含義。 2、會分析典型鐵碳合金的結(jié)晶過程。 3、掌握含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響。 4、鐵碳合金相圖在機(jī)械制造工藝方面的應(yīng)用。 5、激情投入，合作探究，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂。 【情境導(dǎo)入】 提兩個(gè)問題：（1）什么是合金相圖？（2）工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的合金材料是什么？從某種意義上講，鐵碳合金相

43、圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【任務(wù)描述】 通過金相實(shí)驗(yàn)觀察金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生了解當(dāng)外界條件或內(nèi)在因素改變時(shí)，對金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。所謂外部條件就是指溫度、加工變形、澆注情況等。所謂內(nèi)在因素主要指金屬或合金的化學(xué)成分。逐步對鐵碳合金相圖加深理解。 【任務(wù)分析】 學(xué)會使用相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行測試并能處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；能夠分析鐵碳合金相圖以及典型合金的結(jié)晶過程；掌握鐵碳合金相圖的應(yīng)用。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【相關(guān)知識】 1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.晶體與非晶體的基

44、本概念 自然界中的固態(tài)物質(zhì)，通常分為晶體和非晶體兩大類。晶體其內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列，純金屬及合金均屬于晶體，如食鹽、金剛石等。非晶體其內(nèi)部原子是雜亂無章地不規(guī)則的堆積排列，如玻璃、瀝青等。 2. 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體有規(guī)則的原子排列，主要是由于各原子之間的相互吸引力與排斥力相平衡。為了便于說明和分析各種晶體的原子排列規(guī)律，把原子看成一個(gè)點(diǎn)，并用假想的直線將各點(diǎn)連接起來，這樣就構(gòu)成了一個(gè)假想的空間格子。這種用以描述原子在晶體中排列的空間幾何點(diǎn)陣叫晶格。組成晶格的最基本幾何單元叫晶胞。晶胞各邊尺寸及夾角稱為“晶格常數(shù)”如圖1-13所示,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,圖1-13晶體結(jié)構(gòu)示意圖

45、,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,3金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格：晶胞是一個(gè)正六面體，立方體的八個(gè)角上和立方體的中心各有一個(gè)原子，如圖1-14。屬于這類晶格的金屬如鉻、鉬等。,圖1-14體心立方晶格,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,面心立方晶格 ：晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面中心各有一個(gè)原子，如圖1-15屬于這類晶格的金屬如鋁、銅等。,圖1-15面心立方晶格,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,密排六方晶格：晶胞是一個(gè)正六方柱體，在六方柱體的十二個(gè)角上和上、下底面的中心各有一個(gè)原子，在上、下底面之間還均勻分布著三個(gè)原子如圖1-16屬于這類晶格的金屬如鎂、鋅等,圖1-16 密排六方晶格

46、,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.2.2 合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素，通過熔化或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組成合金獨(dú)立的、最基本的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。合金的組元通常是純元素，也可以是穩(wěn)定化合物。由二個(gè)或二個(gè)以上的組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，稱為一個(gè)合金系，簡稱系。合金中凡是結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。組織是指用肉眼或借助顯微鏡能觀察到的具有某種形態(tài)特征的合金組成物。其實(shí)質(zhì)是一種或多種相按一定的方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱。它直接決定合金的性能。 合金的晶體結(jié)構(gòu)大致可歸納為3類，

47、即固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.固溶體 合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。根據(jù)固溶體晶格中溶劑與溶質(zhì)原子的相互位置的不同，可分為置換固溶體（如黃銅）和間隙固溶體(如鐵素體和奧氏體)，如圖1-17所示。,圖1-17固溶體的兩種類型,（a）置換固溶體,(b) 間隙固溶體,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,2.金屬化合物 組成合金的元素相互化合形成一種新的晶格組成的物質(zhì)。它的晶體結(jié)構(gòu)與性能，和原兩組元都不同，如滲碳體就是鐵和碳組成的晶格復(fù)雜的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。 3機(jī)械混合物 由兩種或兩種以上的組元、固溶體或金屬化合物按一定重量比例組成的均勻

48、物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。混合物中各組成部分仍按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，如鐵素體和滲碳體形成珠光體?；旌衔锏男阅苋Q于組成混合物的各部分的性能及其數(shù)量、大小、分布和形態(tài)。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.2.3 金屬的結(jié)晶 1.純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶。純金屬的結(jié)晶是在固定的溫度下進(jìn)行的。 在實(shí)際結(jié)晶過程中，金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）以下的某個(gè)溫度時(shí)才結(jié)晶,理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之間的溫度差 叫過冷度，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大。 右圖1-18圖為純金屬的冷卻曲線。 理論結(jié)晶溫度：t0 實(shí)際結(jié)晶溫度：t1 過冷度：tt0t1

49、。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。 2、純金屬的結(jié)晶過程,圖1-18,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,純金屬的結(jié)晶過程是一個(gè)不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程。 圖1-19純金屬的冷卻曲線，在液體金屬開始結(jié)晶時(shí)，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團(tuán)，成為結(jié)晶的核心，即晶核。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒。在晶體長大的同時(shí)，新的晶核又繼續(xù)產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶完成。由于各個(gè)晶粒成長時(shí)的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。,圖1-19結(jié)晶過程示意圖,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.2 鐵碳合金相圖 1.2.1 鐵碳合

50、金的基本組織 金屬Fe、Co、Ti、Sn 等在結(jié)晶完成后，隨著溫 度繼續(xù)下降，其晶格類型 還會發(fā)生變化。這種金屬 在固態(tài)下晶格類型隨溫度 發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為同素 異構(gòu)轉(zhuǎn)變。圖 1-9 是純鐵 的冷卻曲線 。,圖1-9 純鐵的冷卻 曲線示意圖,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,工業(yè)純鐵塑性好，但強(qiáng)度較低，純鐵中 加入少量的碳元素，組成鐵碳合金提高其強(qiáng) 度和硬度。常用的鐵碳合金在固態(tài)時(shí)的基本 組織有如下幾種: 1.鐵素體 （F） 2.奧氏體 （A） 3.滲碳體 （Fe3C) 4.珠光體 （P） 5.萊氏體（Ld）（低溫萊氏體， Ld ）,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.2.2 鐵碳合金相圖 鐵碳合金

51、相圖是由實(shí)驗(yàn)方法獲得的。簡 化的鐵碳合金相圖如圖1-10所示。,圖1-10 簡化的Fe-Fe3C相圖,圖中:L為液相;A為奧氏體相;F為鐵素體相;Fe3C（Fe3C 、 Fe3C ）為滲碳體相;P為珠光體相;Ld 為萊氏體相,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.2.6 含碳量對鐵碳合金組織與性能的影響 1.含碳量對鐵碳合金組織的影響 隨著含碳量的增加，鐵碳合金組織中滲碳體的數(shù)量相應(yīng)增加，其形態(tài)、分布也隨著發(fā)生變化。滲碳體開始在珠光體中以層片狀分布，繼而以網(wǎng)狀分布，最后形成萊氏體時(shí)，滲碳體又變成主要成分且以針狀分布。 2.含碳量對鐵碳合金性能的影響 由于滲碳體硬度高，一般認(rèn)為滲碳體是一種強(qiáng)化相。當(dāng)

52、滲碳體以鐵素體為基體構(gòu)成珠光體時(shí)，可提高其強(qiáng)度和硬度，因此鐵碳合金中含珠光體越多，強(qiáng)度和硬度越高，但塑性與韌性越低。 圖1-22表示含碳量對碳鋼力學(xué)性能的影響。從圖中可以看出，當(dāng)碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.9%時(shí)，隨著鋼中含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度不斷上升，而塑性與韌性不斷下降。當(dāng)碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.9%時(shí)，由于網(wǎng)狀滲碳體的存在，不僅鋼的塑性與韌性進(jìn)一步下降，而且強(qiáng)度也明顯下降。為了保證工業(yè)上使用的碳鋼具有一定的塑性與韌性，碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過1.3%。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.11%的白口鑄鐵，其性能硬而脆，難以切削加工，故工業(yè)上應(yīng)用很少。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,圖1-22

53、含碳量對碳鋼力學(xué)性能的影響,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【任務(wù)實(shí)施】 根據(jù)鐵碳合金相圖討論下面的應(yīng)用： 1.選擇材料方面的應(yīng)用 通過鐵碳合金相圖，我們可以根據(jù)零件的要求來選擇材料。 例如，若需要塑性、韌性高的材料，應(yīng)選擇低碳鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%0.25%）;若需要塑性、韌性和強(qiáng)度都高的材料，應(yīng)選擇中碳鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%0.55%）。這在以后的章節(jié)中還要詳細(xì)討論。 2.鑄造方面的應(yīng)用 通過鐵碳合金相圖，可以確定鋼鐵的合適澆注溫度，一般在液相線以上50100。共晶成分的鑄鐵，其無凝固溫度區(qū)間（液相線與固相線之間的距離）小，且液相線溫度最低，所以它們的流動(dòng)性好，分散縮孔少，鑄造性

54、能良好，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,鑄鋼也是常用的鑄造材料。鑄鋼的含碳量不高，為中、低碳鋼，其凝固溫度區(qū)間較小，但液相線溫度較高，過熱度較小，流動(dòng)性差，鑄造性能不好。因此，鑄鋼件在鑄造后必須經(jīng)過熱處理，以消除組織缺陷。 3.鍛造方面的應(yīng)用 處于奧氏體狀態(tài)的鋼，其強(qiáng)度較低，塑性較好，便于鍛造。所以，一般把鋼加熱到高溫單相奧氏體區(qū)進(jìn)行壓力加工。但始鍛、軋溫度不要太高，以免鋼材氧化嚴(yán)重;終鍛、軋溫度不能過低，以免鋼材塑性變差產(chǎn)生裂紋。 4.熱處理方面的應(yīng)用 可以根據(jù)鐵碳合金相圖來確定鋼的各種熱處理（退火、正火、淬火等）的加熱溫度，這將在下一任務(wù)中討論。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛

55、坯熱加工,【拓展訓(xùn)練】 正確繪制鐵碳合金相圖并能夠填寫相區(qū)組織； 【習(xí)題與訓(xùn)練】 1.根據(jù)鐵碳合金相圖討論鐵碳合金相圖還有什么其他用途？ 2.根據(jù)鐵碳合金相圖說明產(chǎn)生下列現(xiàn)象的原因： （1）含碳量1%的鐵碳合金比含碳量0.5%的鐵碳合金硬度高？ （2）一般要把鋼材加熱到10001250高溫下進(jìn)行鍛軋加工？ （3）靠近共晶成分的鐵碳合金的鑄造性能好？ 3.想一想，為什么白口鑄鐵一般不能直接作為機(jī)加工零件的材料，但卻能用它鑄造犁鏵等農(nóng)具？,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,任務(wù)3 毛坯軸的熱處理 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1. 理解熱處理的概念、用途和分類。 2. 了解鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。 3. 掌握退火

56、、正火、淬火、回火及時(shí)效處理和金屬表面熱處理和化學(xué)熱處理的概念及其工藝。 4.了解熱處理的新技術(shù)及其發(fā)展趨勢。 【情境導(dǎo)入】 為什么現(xiàn)在市場上同樣尺寸的軸價(jià)格差別很大，為什么使用時(shí)他們的壽命不同。 【任務(wù)描述】 講解車床主軸加工工藝過程，分析工藝方法不同會使軸的使用性能、耐磨性能、抗腐蝕性能、壽命等不同。 【任務(wù)分析】 根據(jù)零件的用途，如何在毛坯加工過程中，做好熱處理工作。分析熱處理后零件的內(nèi)部組織和性能。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,【相關(guān)知識】 1.3.1鋼的普通熱處理 鋼的熱處理就是將鋼材在固態(tài)范圍內(nèi)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變內(nèi)部組織，獲得所需性能的一種工藝方法。 鋼

57、的熱處理在機(jī)械制造業(yè)中占有非常重要的地位，現(xiàn)代機(jī)床工業(yè)中60%70%的零件及汽車拖拉機(jī)工業(yè)中70%80%的零件均要進(jìn)行熱處理，熱處理是強(qiáng)化鋼材，使其發(fā)揮潛在能力的重要方法，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和壽命的主要途徑。 熱處理工藝有多種類型，其過程都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段所組成。一般可用熱處理工藝曲線來表示，如圖1-23所示。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,圖1-23 熱處理工藝曲線,熱處理可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類。普通熱處理包括:退火、正火、淬火和回火。 表面熱處理包括:表面淬火:火焰加熱、感應(yīng)加熱。 化學(xué)熱處理:滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等。 根據(jù)在零件加工過程中的工序位置不同，熱處理

58、可分為預(yù)備熱處理（如退火、正火）和最終熱處理（如淬火、回火）。 在機(jī)器零件或工模具等的加工制造過程中，退火和正火作為預(yù)備熱處理工序被安排在工件毛坯生產(chǎn)之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一工序帶來的某些缺陷，并為后一工序做好組織準(zhǔn)備，而淬火和回火作為最終熱處理，以保證其性能。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,1.鋼的退火 作為預(yù)備熱處理，退火主要用于鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件，退火后獲得珠光體型組織。退火可達(dá)到降低鋼件的硬度、利于切削加工、消除內(nèi)應(yīng)力、防止鋼件變形與開裂、細(xì)化晶粒、改善組織的目的，為零件的最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。常用的退火方法有完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火

59、等。 （1）完全退火 完全退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼、合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)件。 完全退火是將鋼件加熱到Ac3 以上3050，保溫一定時(shí)間，隨爐冷至600以下，再出爐空冷的退火工藝。其目的是使熱加工所造成的粗大、不均勻組織均勻細(xì)化，消除組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和改善切削加工性能。完全退火所需時(shí)間較長，是一種費(fèi)時(shí)的工藝。生產(chǎn)中常采用等溫退火工藝。 （2）等溫退火 等溫退火主要用于處理高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼。等溫退火是將鋼件加熱到Ac3 （或Ac1）溫度以上，保溫一定時(shí)間后，以較快的速度冷卻到珠光體區(qū)域的某一溫度并等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后再緩慢冷卻的退火工藝。等溫退火不僅可以大大縮短退火時(shí)間，而且由于組織轉(zhuǎn)變時(shí)工件內(nèi)外溫度相同，故能得到均勻的組織和性能。亞共析鋼的等溫退火與完全退火的目的相同。,學(xué)習(xí)情境一階梯軸的毛坯熱加工,（3）球化退火