機(jī)械基礎(chǔ) 課件全套 周前 第0-16章 緒論、機(jī)械工程材料-壓力容器

緒論機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱(chēng)。它是由力學(xué)原理組成的用于利用和轉(zhuǎn)換機(jī)械能的裝置。

機(jī)械的覆蓋面很大,無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè),國(guó)防以及日常生活都離不開(kāi)機(jī)械。

機(jī)械一般按其服務(wù)的對(duì)象分為工程機(jī)械、電力機(jī)械、冶金機(jī)械、石油機(jī)械及輕工機(jī)械等。

任何一種機(jī)械設(shè)備都是由各種材料加工成機(jī)械零件,再由若干個(gè)機(jī)械零件組成的機(jī)械設(shè)備。因此,研究機(jī)械應(yīng)從材料,加工工藝及機(jī)械原理等基礎(chǔ)知識(shí)開(kāi)始。（1）本課程性質(zhì)和主要內(nèi)容從事各種專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)人員和科研人員都必須了解和熟悉有關(guān)的機(jī)械和裝備,從而才能夠正確地使用、管理、維護(hù)以及制造某些機(jī)械裝備。本門(mén)課程主要傳授機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造方面的有關(guān)基本知識(shí)和基本理論,培養(yǎng)和訓(xùn)練機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算的基本技能。因此,本課程是培養(yǎng)各類(lèi)高級(jí)工程技術(shù)人員的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一。

本課程主要包括以下4部分內(nèi)容:①機(jī)械工程材料與機(jī)械制造相關(guān)知識(shí):主要介紹常用工程材料的種類(lèi),成分.性能、應(yīng)用;鋼的熱處理方法,零件常用加工方法.加工工藝等。②常用機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng):主要介紹常用機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用;機(jī)械傳動(dòng)原理等。③聯(lián)接與軸系零部件:主要介紹螺紋聯(lián)接和軸系零部件。④其他部分:主要介紹壓力容器。(2)本課程教學(xué)的要求①通過(guò)學(xué)習(xí)常用的工程材料及鋼的熱處理,了解工程材料的成分、主要性能;熟悉常用工程材料的牌號(hào),用途及選用原則;掌握普通的熱處理工藝以及如何用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥?lái)改善鋼的性能。②通過(guò)學(xué)習(xí)金屬的加工工藝,了解金屬加工的原理;熟悉常用的金屬加工工藝及設(shè)備。③通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械原理及零件,熟悉常用機(jī)構(gòu)及機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn),培養(yǎng)具有設(shè)計(jì)和選用常用機(jī)構(gòu)的基本能力;熟悉并掌握常用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法等。第1章

機(jī)械工程材料

機(jī)械工程材料是指在機(jī)械工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料總稱(chēng)。它在工業(yè),農(nóng)業(yè),國(guó)防等方面占有極其重要的地位。為了能正確地使用工程材料,就必須了解材料的性能和用途等。

按照材料的組成,可將機(jī)械工程材料分為金屬材料,陶瓷材料,高分子材料及復(fù)合材料4大類(lèi)。

本章著重介紹機(jī)械工程材料的種類(lèi)、成分.性能﹑組織結(jié)構(gòu)及用途等。1.1金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料具有良好的導(dǎo)電性,導(dǎo)熱性,延展性及金屬光澤,是目前用量最大,應(yīng)用最廣泛的工程材料。

金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩類(lèi)。

鐵及鐵合金稱(chēng)為黑色金屬,即鋼鐵材料，其在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60%以上。

黑色金屬之外的所有金屬及其合金,稱(chēng)為有色金屬。金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類(lèi)。

工藝性能,是指金屬材料在所經(jīng)歷的冷,熱加工條件下表現(xiàn)出來(lái)的性能。它包括鑄造性能,焊接性能﹑鍛造性能、熱處理性能及切削加工性等。金屬材料工藝性能的好壞決定了它在制造過(guò)程中加工成形的適應(yīng)能力。

使用性能,是指金屬材料在使用條件下表現(xiàn)出來(lái)的性能,它包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞決定了它的使用范圍與使用壽命。機(jī)械零件在使用過(guò)程中將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能,稱(chēng)為力學(xué)性能。

金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。

外加載荷性質(zhì)不同(如拉伸、壓縮,扭轉(zhuǎn),沖擊及循環(huán)載荷等),對(duì)金屬材料要求的力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)性能包括強(qiáng)度﹑塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。1.1.1彈性與剛度

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的辦法就是測(cè)定材料的拉伸曲線(xiàn)。

將標(biāo)準(zhǔn)試樣(見(jiàn)圖1.1)施加一單軸拉伸載荷,使之發(fā)生變形直至斷裂,便可得到試樣伸長(zhǎng)率(試樣原始標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率)隨應(yīng)力(試驗(yàn)期間任一時(shí)刻的力除以試樣原始橫截面積之商)變化的關(guān)系曲線(xiàn),稱(chēng)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

如圖1.2所示為低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。圖1.2中,Oa'段為彈性變形階段,此時(shí)卸掉載荷,試樣恢復(fù)到原來(lái)尺寸。a'點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力,稱(chēng)為彈性極限。其中,0a部分為一斜直線(xiàn),應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系,a點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力,稱(chēng)為比例極限。由于大多數(shù)材料的a’點(diǎn)和α點(diǎn)幾乎重合在一起,一般不作區(qū)分。

在彈性變形范圍內(nèi),應(yīng)力與伸長(zhǎng)率的比值稱(chēng)為彈性模量E。E實(shí)際上是0a'線(xiàn)段的斜率，其物理意義是產(chǎn)生單位彈性變形時(shí)所需應(yīng)力的大小。

材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力,稱(chēng)為剛度。其指標(biāo)即為彈性模量,可通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。1.1.2強(qiáng)度與塑性(1)強(qiáng)度

材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力,稱(chēng)為強(qiáng)度。

根據(jù)加載方式不同,強(qiáng)度指標(biāo)有許多種,如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度﹑抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度等。

其中,以拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)用最多。1)屈服強(qiáng)度Re

在圖1.2中,應(yīng)力超過(guò)c點(diǎn)后,材料將發(fā)生塑性變形。此時(shí)只產(chǎn)生塑性變形而應(yīng)力不增加,這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。此時(shí),所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度Re。

屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能力。它包含上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL。

實(shí)際上多數(shù)材料的屈服強(qiáng)度不是很明顯的,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料在受拉發(fā)生微小塑性變形(εp=0.2%)時(shí)的應(yīng)力值稱(chēng)為材料的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度。以Rp0.2表示。圖1.2中,b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度,如圖1.3所示。2)抗拉強(qiáng)度Rm

圖1.2中,ed段為均勻塑性變形階段。在這一階段,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣黾?產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化。變形超過(guò)d點(diǎn)后,試樣開(kāi)始發(fā)生局部塑性變形,即出現(xiàn)頸縮,隨應(yīng)變?cè)黾?應(yīng)力明顯下降，并迅速在e點(diǎn)斷裂。d點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力,稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度Rm。

抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂的能力,也是零件設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)材料的重要指標(biāo),即(2)塑性

塑性是指材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力。其指標(biāo)為斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

試樣被拉斷后,標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率,稱(chēng)為伸長(zhǎng)率A,即

試樣斷裂后,斷口處橫截面積的減少值與原始橫截面積的比值,稱(chēng)為斷面收縮率Z,即式中S0——原始橫截面積,mm2;Su——斷后最小橫截面積,mm2。

顯然,A與Z值越大,材料的塑性越好。工程上以材料的伸長(zhǎng)率或斷面收縮率確定材料的塑性。

塑性很差的材料稱(chēng)為脆性材料。一般認(rèn)為,A<5%的材料稱(chēng)為脆性材料。1.1.3硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性變形的能力,現(xiàn)在多用壓入法測(cè)定,壓頭壓入金屬表面的壓痕小,表明材料抵抗變形的抗力大,其材料的硬度高。根據(jù)測(cè)量方法不同,常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度等。(1)布氏硬度

布氏硬度(HBW)的試驗(yàn)原理如圖1.4所示。將直徑為D的硬質(zhì)合金球壓頭,在一定載荷Р的作用下壓入試樣表面,保持一定時(shí)間后卸除載荷。然后,采用帶刻度的專(zhuān)用放大鏡測(cè)出壓痕直徑d,并根據(jù)d的數(shù)值從專(zhuān)業(yè)的硬度表格中查出相應(yīng)的HBW值。布氏硬度習(xí)慣上只寫(xiě)出硬度值而不必注明單位,符號(hào)HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間(10~15s不標(biāo)注)。例如，500HBW5/750表示直徑為5mm的鋼球在7.35kN載荷作用下,保持10~15s測(cè)得的布氏硬度值為500。

布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定;缺點(diǎn)是壓痕大,不能用于超薄件或成品件。

最常用的鋼球壓頭適于測(cè)定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。

(2)洛氏硬度

洛氏硬度(HR)的試驗(yàn)原理是根據(jù)壓痕的深度來(lái)衡量硬度的,如圖1.5所示。

在初載荷和總載荷(初載荷與主載荷之和)的先后作用下,將硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面,保持一定時(shí)間后卸除主載荷,用測(cè)量的殘余壓痕深度增量(h1-h0)計(jì)算硬度值(h0為初載荷壓入的深度，h1為卸除主載荷后殘余壓痕的深度)。洛氏硬度用符號(hào)HR表示,根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同,分為9個(gè)標(biāo)尺。常用的標(biāo)尺為A、B、C,見(jiàn)表1.1l。符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值,后面為使用的標(biāo)尺。例如,50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。實(shí)際測(cè)量時(shí),硬度值可直接從洛氏硬度計(jì)的表盤(pán)上直接讀出。

洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、壓痕小,適用范圍廣。缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果分散度大。1.1.4沖擊韌性

許多機(jī)械零件,構(gòu)件或工具在服役時(shí),會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用,如活塞銷(xiāo).沖模和鍛模等。材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力,稱(chēng)為沖擊韌性。在如圖1.6所示的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上,用規(guī)定高度的擺錘對(duì)處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的缺口試樣進(jìn)行一次沖斷,可測(cè)得沖擊吸收能量(J),用K表示。

針對(duì)不同的缺口幾何形狀(V形和U形)以及不同的擺錘刀刃半徑(2或8分別表示擺錘刀刃半徑為2mm或8mm),測(cè)得沖擊吸收能量表示為KV2。1.1.5疲勞強(qiáng)度實(shí)際工作中的構(gòu)件常常是在交變載荷的作用下。所謂交變載荷,是指大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷。在這種載荷的作用下,材料常常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂,這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞。

材料承受的交變應(yīng)力σ與斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系是隨交變應(yīng)力σ下降,N值增加。材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力,稱(chēng)為疲勞極限。對(duì)于對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力的疲勞極限用σ-1表示。實(shí)際中,作無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)的疲勞試驗(yàn)是不可能的。

對(duì)于鋼鐵材料，一般規(guī)定疲勞極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107,有色金屬為108。

金屬的疲勞強(qiáng)度與本身的質(zhì)量.零件表面狀況,結(jié)構(gòu)形狀及承受載荷的性質(zhì)等許多因素有關(guān)。提高零件的疲勞抗力,除應(yīng)合理選材外,還應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)形狀,避免應(yīng)力集中,減少缺陷，還可采用提高表面光潔度和表面強(qiáng)化等方法。

1.2鐵碳合金相圖

鋼鐵合金是碳鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱(chēng),是工業(yè)中應(yīng)用最廣的鐵碳合金。含碳量為0.0218%～2.11%的稱(chēng)為碳鋼,大于2.11%的稱(chēng)為鑄鐵。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的理論依據(jù),是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),也是制訂熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝的依據(jù)。

鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物:Fe3C,Fe2C,FeC。它們都可作為純組元看待,但由于含碳量大于Fe3C成分(6.69%C)時(shí),合金太脆,已無(wú)實(shí)用價(jià)值,因此,這里所討論的鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖。12.1鐵碳合金的組元和相（1）純鐵及鐵基固溶體純鐵在固態(tài)下有

-Fe、

-Fe和

-Fe三種同素異構(gòu)體。通常所說(shuō)的工業(yè)純鐵是指室溫下的

-Fe，其強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。鐵的3種同素異構(gòu)體都可以溶解一定量的碳形成間隙固溶體。1）鐵素體碳在

-Fe中的固溶體稱(chēng)為鐵素體。用符號(hào)F或

表示。鐵素體為體心立方晶格，其溶碳能力很低，在727℃時(shí)最高，為0.0218%，而在室溫下僅為0.0008%。其性能與純鐵相似，即強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性高。2）奧氏體碳在

-Fe中的固溶體稱(chēng)為奧氏體。用符號(hào)A或

表示。奧氏體為面心立方晶格，其溶碳能力比鐵素體高，1148℃時(shí)最大，為2.11%。

奧氏體強(qiáng)度低、塑性好，因而鋼材的熱加工都在奧氏體相區(qū)進(jìn)行。碳鋼室溫下的組織中無(wú)奧氏體，但當(dāng)鋼中含有某些合金元素時(shí)，可部分或全部變?yōu)閵W氏體組織。2）奧氏體碳在

-Fe中的固溶體稱(chēng)為奧氏體。用符號(hào)A或

表示。奧氏體為面心立方晶格，其溶碳能力比鐵素體高，1148℃時(shí)最大，為2.11%。

奧氏體強(qiáng)度低、塑性好，因而鋼材的熱加工都在奧氏體相區(qū)進(jìn)行。碳鋼室溫下的組織中無(wú)奧氏體，但當(dāng)鋼中含有某些合金元素時(shí)，可部分或全部變?yōu)閵W氏體組織。（2）滲碳體滲碳體（即Fe3C）是鐵與碳的間隙化合物，含碳量為6.69%，用Fe3C或Cm表示。滲碳體的硬度很高（HB

800），塑性和韌性幾乎為零。滲碳體在鋼和鑄鐵中一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的尺寸、形狀和分布對(duì)鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強(qiáng)化相。滲碳體是亞穩(wěn)相，在一定的條件下，它將發(fā)生分解：Fe3C

3Fe+C，所分解出的單質(zhì)碳稱(chēng)為石墨，該分解反應(yīng)對(duì)鑄鐵有著重要意義。由于碳在

-Fe中的溶解度很低，所以常溫下碳在鐵碳合金中主要以滲碳體或石墨的形式存在。1.2.2鐵碳合金相圖的分析1.2.3典型鐵碳合金

鐵碳相圖上的合金,按成分可分為以下3類(lèi):(1)工業(yè)純鐵(＜0.0218%C)其顯微組織為鐵素體晶粒,工業(yè)上很少應(yīng)用。(2)碳鋼(0.0218%～2.11%C)其特點(diǎn)是高溫組織為單相A,易于變形,碳鋼又分為亞共析鋼(0.0218%～0.77%C),共析鋼(0.77%C)和過(guò)共析鋼(0.77%～2.11%C)。(3)白口鑄鐵(2.11%~6.69%C)其特點(diǎn)是鑄造性能好,但硬而脆,白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵(2.11%～4.3%C),共晶白口鑄鐵(4.3%C)和過(guò)共晶白口鑄鐵(4.3%～6.69%C)。如圖1.8所示為典型鐵碳合金在鐵碳合金相圖中的位置圖。1.2.4鐵碳合金相圖在工程上的應(yīng)用鐵碳合金相圖在選擇和使用材料、金屬加工、熱處理以及選配合金鋼、合金鑄鐵等方面有重要的作用。(1)含碳量對(duì)鐵碳合金室溫平衡組織的影響從相的角度看，鐵碳合金在室溫下只有鐵素體和滲碳體兩個(gè)相，隨含碳量增加，滲碳體的量呈線(xiàn)性增加。但是從組織角度看，隨含碳量增加，組織中滲碳體不僅數(shù)量增加，而且形態(tài)也在變化，由分布在鐵素體基體內(nèi)的片狀（共析滲碳體）變?yōu)榉植荚趭W氏體晶界上的網(wǎng)狀(過(guò)共析鋼中的二次滲碳體)，最后形成萊氏體時(shí)，滲碳體已作為基體出現(xiàn)。(2)含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響如前所述，鐵素體強(qiáng)度、硬度低，塑性好，而滲碳體則是硬而脆的相。亞共析鋼隨含碳量增加，珠光體量增加，由于珠光體的強(qiáng)化作用，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，當(dāng)成分為0.77%C時(shí),組織為100%的珠光體，鋼的性能即珠光體的性能。當(dāng)含碳量大于0.9%時(shí)，過(guò)共析鋼中的二次滲碳體在奧氏體晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀，因而強(qiáng)度下降，但硬度仍直線(xiàn)上升。含碳量大于2.11%，由于組織中出現(xiàn)以滲碳體為基的萊氏體，此時(shí)因合金太脆而使白口鑄鐵在工業(yè)上很少應(yīng)用。含碳量對(duì)平衡狀態(tài)下碳鋼力學(xué)性能的影響如圖1.9所示。(3)含碳量對(duì)工藝性能的影響鐵碳合金相圖是選擇熱加工工藝的重要依據(jù),在鑄造、軋鍛,焊接和熱處理方面應(yīng)用很廣。鐵碳合金相圖(與鑄鍛工藝的關(guān)系如圖1.10所示)，從圖中看出，鑄鐵的澆注溫度低。越是接近共晶點(diǎn)C的鐵碳合金結(jié)晶時(shí)，液相線(xiàn)溫度低，合金的流動(dòng)性好；液固線(xiàn)距離近，偏析傾向小，所以鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)于鑄鋼。鐵碳合金相圖中有很廣闊的奧氏體區(qū)，面心立方晶格的高溫奧氏體有優(yōu)良的塑性和較低的強(qiáng)度，塑性變形抗力很低，是熱鍛、熱軋極好的組織，軋、鍛溫度一般選在圖中影線(xiàn)部分。鍛造的原則是始鍛(軋)溫度不宜過(guò)高，終鍛溫度不宜過(guò)低，以防止鍛(軋)造裂紋出現(xiàn)。

不同成分的鐵碳合金冷卻后組織不同，在焊接時(shí)要選擇不同的焊接工藝。如鍋爐中有大量不同材質(zhì)的管道，其中含碳量越低的鋼焊接性能越好，含碳量增加時(shí)，隨著焊件壁厚的增加，需要預(yù)熱和焊后退火處理。1.3碳鋼目前使用的金屬材料中,碳鋼占有重要的地位。這不僅因?yàn)樗膬r(jià)格較為低廉,冶煉較為容易,同時(shí)還能滿(mǎn)足大多數(shù)工程上的要求。工程上使用的碳鋼一般是指含碳量不超過(guò)1.4%且含有錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)的鐵碳合金。1.3.1常存雜質(zhì)對(duì)碳鋼性能的影響

碳、錳、硅、硫、磷是碳鋼中的常存元素,統(tǒng)稱(chēng)5大元素。在煉鋼時(shí),要對(duì)它們的含量進(jìn)行分析和控制。碳在鋼中的影響已如前述。錳、硅、硫、磷則稱(chēng)為常存雜質(zhì),它們的含量對(duì)碳鋼的性能也有較大的影響。(1)錳的影響錳作為煉鋼時(shí)的脫氧劑而殘存在鋼中。它以置換固溶體的形式溶入鐵素體,可提高鋼的強(qiáng)度。特別是它能與鋼中的硫,化合形成高熔點(diǎn)的MnS化合物,可消除硫的熱脆性,因此,錳是有益元素。在碳鋼中錳的含量一般不超過(guò)1.2%。(2)硅的影響

硅與錳相似,也是煉鋼脫氧時(shí)殘存在鋼中的。硅溶入鐵素體可起固溶強(qiáng)化的作用,但含量增多時(shí)使鋼變脆,碳鋼中硅的含量一般在0.4%以下。(3)硫的影響

硫是從礦石和燃料中帶來(lái)而殘存在鋼中。硫不溶于鐵,但容易以FeS

的形式與Fe形成低熔點(diǎn)共晶體并存在于晶界上,這種共晶體在985℃時(shí)熔化,使得在1100～1200℃軋,鍛鋼材時(shí)發(fā)生晶間開(kāi)裂而報(bào)廢,稱(chēng)為熱脆性,故硫是有害元素,在鋼中的含量要控制在0.055%以下。(4)磷的影響

磷也是礦石經(jīng)冶煉殘存在鋼中的有害雜質(zhì),它可溶入鐵素體中使鋼的韌性下降,并使鋼變脆,這種現(xiàn)象稱(chēng)為冷脆性。磷在鋼中的含量被限制在0.045%以?xún)?nèi)。除了以上4種常存雜質(zhì)外,還有氫,氧,氮等殘存于鋼中,這些氣體易于形成白點(diǎn)、氣孔和非金屬夾雜物。特別是氧化物夾雜,如SiO2、MnO等。這些缺陷存在均使鋼材質(zhì)量下降。對(duì)于重要的設(shè)備零件,如汽輪機(jī)輪轂、葉片等,要求非金屬夾雜物限定在一定范圍內(nèi)。1.3.2碳鋼的分類(lèi)碳鋼的分類(lèi)方法很多,通常按照鋼的含碳量、質(zhì)量和用途分類(lèi)。(1)按含碳量分類(lèi)①低碳鋼:含碳量不大于0.25%。②中碳鋼:含碳量為0.25%～0.6%。③高碳鋼:含碳量大于0.6%。(2)按鋼的質(zhì)量分類(lèi)①碳素鋼:鋼中含S≤0.055%,P≤0.045%。②優(yōu)質(zhì)碳素鋼:鋼中含S≤0.040%,P≤0.040%。③高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼:鋼中含S≤0.030%,P≤0.035%。(3)按鋼的用途分類(lèi)①碳素結(jié)構(gòu)鋼:用于制造工程構(gòu)件及機(jī)械零件。一般為低、中碳鋼。②碳素工具鋼:用于制造各種工具、刀具,量具,模具等。一般屬于高碳鋼。1.3.3碳素結(jié)構(gòu)鋼

這類(lèi)鋼的牌號(hào)是按照力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度分成5種來(lái)編號(hào)的,數(shù)字越大說(shuō)明屈服強(qiáng)度值越高,碳鋼中的含碳量也越高;塑性也就越低。5種碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表1.3。碳素結(jié)構(gòu)鋼用于制作螺栓﹑螺母、鋼板、圓鋼.鋼管以及各類(lèi)型鋼,廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造及建筑等行業(yè)中。1.3.4優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(1)正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(2)較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(3)優(yōu)質(zhì)鋼在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中,對(duì)于專(zhuān)門(mén)用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼編號(hào),是在鋼號(hào)前面或后面加一個(gè)表示用途的漢字或漢字的拼音符號(hào)。例如,作焊絲用的寫(xiě)作HO8,鍋爐用的20號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可寫(xiě)作20g(或20鍋),20g可用作鍋爐鋼板、壓力容器和鍋爐水冷壁管及小型汽包等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用很廣泛。低碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用作橋梁,起重及工程機(jī)械,鋼結(jié)構(gòu)件,還可滲碳后使用,制作機(jī)械零件;中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可經(jīng)調(diào)質(zhì)后制作軸.齒輪,溫度不超過(guò)450℃的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸器和汽缸緊固件;中,高碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用作各類(lèi)彈簧.板簧和鋼絲繩等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼一般經(jīng)熱處理后使用,或在正火狀態(tài)下供應(yīng)。若是含S.P量更低的稱(chēng)為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,就在鋼號(hào)后面加寫(xiě)A字(或高字),如20A(或20高)。1.3.5碳素工具鋼

碳素工具鋼的含碳量一般為0.65%～1.35%。編號(hào)方法是用字母T(或碳)加數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的千分之幾。例如,T8、T12(碳8,碳12)表示含碳量為0.8%,1.2%的碳素工具鋼。鋼號(hào)有T7,T8,….,T13(碳7,碳8,……,碳13)。碳素工具鋼含S,P量均較少,屬于優(yōu)質(zhì)鋼。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼,則在鋼號(hào)后面加寫(xiě)A字(或高字),如T8A、T12A(碳8高,碳12高)。常用碳素工具鋼或高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的牌號(hào),成分及用途見(jiàn)表1.5。1.4鋼的熱處理熱處理是指通過(guò)將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻,以改變鋼的組織結(jié)構(gòu),從而獲得所需要性能的一種工藝。

熱處理是一種重要的加工工藝,在機(jī)械制造業(yè)已被廣泛應(yīng)用。通常用溫度-時(shí)間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線(xiàn),如圖1.11所示。熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過(guò)改變工件的組織來(lái)改變性能，而不改變其形狀。熱處理只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理來(lái)強(qiáng)化。描述熱處理時(shí)鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱(chēng)為熱處理原理。根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時(shí)間、介質(zhì)等參數(shù)稱(chēng)為熱處理工藝。根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點(diǎn)不同，將熱處理工藝分類(lèi)如下：⑴普通熱處理：退火、正火、淬火和回火。⑵表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理。⑶其他熱處理：真空熱處理、形變熱處理、控制氣氛熱處理、激光熱處理等。根據(jù)在零件生產(chǎn)過(guò)程中所處的位置和作用不同，又可將熱處理分為預(yù)備熱處理與最終熱處理。

預(yù)備熱處理是指為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進(jìn)一步熱處理做準(zhǔn)備的熱處理。

最終熱處理是指賦予工件所要求的使用性能的熱處理。1.4.1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種:一種是在A(yíng)1以下加熱,不發(fā)生相變;另一種是在臨界點(diǎn)(Ac1,Ac3,Accm)以上加熱,目的是為了獲得均勻的奧氏體組織,這一過(guò)程稱(chēng)為奧氏體化。鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過(guò)程是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。以共析鋼為例，其奧氏體化過(guò)程可簡(jiǎn)單地分為四個(gè)步驟，如圖所示。1.4.2鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

冷卻是熱處理更重要的工序,因?yàn)殇摰某匦阅芘c其冷卻后的組織直接有關(guān)。鋼在不同的過(guò)冷度下可轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織,包括平衡組織和非平衡組織。(1)過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過(guò)程處于臨界點(diǎn)A1以下的奧氏體稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體。過(guò)冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過(guò)冷度不同，過(guò)冷奧氏體將發(fā)生三種類(lèi)型轉(zhuǎn)變，即珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)以共析鋼為例說(shuō)明。1)珠光體轉(zhuǎn)變(a)光學(xué)顯微鏡下形貌400×(b)電子顯微鏡下形貌珠光體組織1)珠光體轉(zhuǎn)變(a)光學(xué)顯微鏡下形貌400×(b)電子顯微鏡下形貌索氏體組織1)珠光體轉(zhuǎn)變托氏體組織圖珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖2)貝氏體轉(zhuǎn)變(a)光學(xué)顯微鏡下形貌400×(b)電子顯微鏡下形貌

上貝氏體組織2)貝氏體轉(zhuǎn)變(a)光學(xué)顯微鏡下形貌400×(b)電子顯微鏡下形貌下貝氏體組織3)馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體晶格示意圖3)馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系馬氏體的硬度、韌性與含碳量的關(guān)系(2)過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變?cè)跓崽幚碇校ǔＳ袃煞N冷卻方式，即等溫冷卻和連續(xù)冷卻，如圖所示。1.4.3鋼的退火與正火

機(jī)械零件的一般加工工藝路線(xiàn)為:毛坯(鑄、鍛)→預(yù)備熱處理→機(jī)加工→最終熱處理。退火與正火工藝主要用于預(yù)備熱處理,只有當(dāng)工件性能要求不高時(shí)才作為最終熱處理。(1)退火

將鋼加熱至適當(dāng)溫度保溫,然后緩慢冷卻(爐冷)的熱處理工藝,稱(chēng)為退火。退火后的組織接近于鋼在平衡狀態(tài)下的組織。1)退火目的①調(diào)整硬度,便于切削加工。工件經(jīng)鑄造或鍛造等熱加工后,硬度常偏高或偏低,而且不均勻,嚴(yán)重影響切削加工。適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜墒构ぜ挠捕日{(diào)整為170～250HB,從而改善切削加工性能。②消除殘余內(nèi)應(yīng)力,防止在后續(xù)加工或熱處理中發(fā)生變形和開(kāi)裂。

③細(xì)化晶粒,提高力學(xué)性能或?yàn)樽罱K熱處理作組織準(zhǔn)備。2)退火工藝

退火的種類(lèi)很多,常用的有完全退火,等溫退火.球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火及再結(jié)晶退火。

①完全退火

是指將工件加熱到臨界溫度以上30～50℃保溫后緩冷的退火工藝。完全退火主要用于亞共析鋼,使中碳以上的鋼軟化以便于切削加工,并消除內(nèi)應(yīng)力。

②等溫退火

是指將亞共析鋼,共析鋼和過(guò)共析鋼加熱到臨界溫度以上30～50℃,保溫后快冷到某一溫度,在此溫度下停留,待相變完成后出爐空冷的退火工藝。③球化退火

是指將工件加熱到臨界溫度以上30～50℃充分保溫后緩冷,從而使珠光體中的滲碳體球狀化的退火工藝。球化退火主要用于共析鋼和過(guò)共析鋼,目的在于降低硬度,改善切削加工性能,并為后續(xù)熱處理作組織準(zhǔn)備。

④擴(kuò)散退火

又稱(chēng)均勻化退火,是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線(xiàn)的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫,然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。⑤去應(yīng)力退火

是將鋼件加熱至500～600℃(低于A(yíng)。點(diǎn))溫度,適當(dāng)保溫,然后緩慢冷卻到室溫,這種退火處理稱(chēng)為去應(yīng)力退火,又稱(chēng)低溫退火。去應(yīng)力退火一般用于鑄件.鍛件及焊接件;目的是消除內(nèi)應(yīng)力,便于隨后的加工或者在以后的使用過(guò)程中不易變形或開(kāi)裂。

⑥再結(jié)晶退火

是將經(jīng)過(guò)冷變形的工.件加熱到一定溫度(再結(jié)晶溫度以上),保溫一段時(shí)間然后緩慢冷卻的退火工藝。目的是消除冷變形引起的冷作硬化,恢復(fù)材料塑性以便進(jìn)一步的塑性加工;或者是保證一定的使用性能。(2)正火

將鋼件加熱到臨界溫度以上30～50℃,保溫一定時(shí)間,然后在空氣中冷卻至室溫,這種熱處理工藝稱(chēng)為正火。

正火與退火的主要區(qū)別是冷卻速度較快,因此,奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體片層就較薄,晶粒較細(xì),強(qiáng)度與硬度較高。

正火的主要目的是細(xì)化晶粒,消除鍛﹑軋和焊接件的組織缺陷,改善鋼的力學(xué)性能。正火主要用于以下3個(gè)方面:①作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。因?yàn)檎鹂上T造或鍛造中產(chǎn)生的過(guò)熱缺陷,細(xì)化晶粒,提高鋼的強(qiáng)度﹑硬度和韌性,因此能滿(mǎn)足普通結(jié)構(gòu)件使用時(shí)的性能要求。

②用于改善低碳鋼的切削加工性能。一般認(rèn)為,金屬材料的硬度在160～230HB時(shí)切削加工性能較好。低碳鋼退火狀態(tài)的硬度普遍低于160HB,切削時(shí)易“黏刀”,零件的表面質(zhì)量也較差。正火后,可適當(dāng)提高其硬度,以改善切削加工性能。

③作為較為重要的零件預(yù)備性熱處理。合金結(jié)構(gòu)鋼在調(diào)質(zhì)前用正火來(lái)調(diào)整一下組織,以獲得均勻而細(xì)密的結(jié)構(gòu);過(guò)共析鋼在球化退火前用正火來(lái)消除組織中的網(wǎng)狀滲碳體。

1.4.4鋼的淬火與回火(1)淬火淬火是指將鋼加熱到臨界溫度以上30～50℃,保溫后以大于vk的速度冷卻,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。

淬火的目的就是為了獲得馬氏體,提高鋼的力學(xué)性能。淬火是鋼的最重要的強(qiáng)化方法,也是應(yīng)用最廣的熱處理工藝之一。理想淬火介質(zhì)的冷卻曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1.14)應(yīng)只在C曲線(xiàn)“鼻尖”處快冷,而在Ms附近盡量緩冷,以達(dá)到既獲得馬氏體組織,又減小內(nèi)應(yīng)力的目的。但目前還沒(méi)有找到這種理想的淬火介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)是水和油。淬火方法采用適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒梢詮浹a(bǔ)冷卻介質(zhì)的不足。常用的淬火方法如圖所示。l)單介質(zhì)淬火法：操作簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,應(yīng)用較廣。2)雙介質(zhì)淬火法：主要用于形狀復(fù)雜的碳鋼工件及大型合金鋼工件。3)分級(jí)淬火法：顯著降低工件的內(nèi)應(yīng)力,減少變形或開(kāi)裂的傾向。4)等溫淬火法：適用于形狀復(fù)雜及要求較高的小型件。(2)回火

回火是指將淬火鋼加熱到A，以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。1)回火的目的①減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力,防止工件變形或開(kāi)裂。②獲得工藝所要求的力學(xué)性能。③穩(wěn)定工件尺寸。④對(duì)于某些高淬透性的鋼,由于空冷即可淬火,如采用退火則軟化周期太長(zhǎng),而采用回火軟化則既能降低硬度,又能縮短軟化周期。淬火鋼不經(jīng)回火一般不能直接使用,為避免淬火件在放置過(guò)程中發(fā)生變形或開(kāi)裂,鋼件經(jīng)淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火。2)回火的種類(lèi)根據(jù)鋼的回火溫度范圍,可將回火分為以下3類(lèi):①低溫回火主要用于處理各種工具,模具.軸承及經(jīng)滲碳和表面淬火的工件。②中溫回火主要用于各類(lèi)彈簧的處理。③高溫回火通常把淬火加高溫回火的熱處理工藝,稱(chēng)為“調(diào)質(zhì)處理”,簡(jiǎn)稱(chēng)“調(diào)質(zhì)”。廣泛用于各種重要結(jié)構(gòu)件,如連桿.軸﹑齒輪等的處理,也可作為某些要求較高的精密零件,量具等的預(yù)備熱處理。1.4.5鋼的表面熱處理(1)表面淬火表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下,利用快速加熱,將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火,以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。1)表面淬火用材及預(yù)備熱處理2)表面淬火后的回火及組織3)表面淬火常用加熱方法：①感應(yīng)加熱②火焰加熱(2)化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是指將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫,使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層,從而改變工件表層化學(xué)成分和組織,進(jìn)而改變其性能的熱處理工藝。根據(jù)滲入的元素不同,化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲及滲其他元素等。化學(xué)熱處理由以下3個(gè)基本過(guò)程組成①介質(zhì)(滲劑)的分解,即加熱時(shí)介質(zhì)中的化合物分子發(fā)生分解并釋放出活性原子。②工件表面的吸收,即活性原子向固溶體中溶解或與鋼中某些元素形成化合物。③原子向內(nèi)部擴(kuò)散,即溶入的元素原子在濃度梯度的作用下由表層向鋼內(nèi)部的擴(kuò)散。1.5合金鋼

合金鋼是以鐵和碳元素為基礎(chǔ),為了滿(mǎn)足某方面的性能要求,有目的加入一些其他元素冶煉而成的鋼。這種有目的加入的元素,稱(chēng)為合金元素。

常用的合金元素有鉻、錳、硅、鉬、鎢、釩.鈦.記、硼.鎳、誥.稀土等。合金元素加入后,可提高鋼的力學(xué)性能,改善鋼的工藝性能。有些合金元素的含量達(dá)到一定時(shí),還可使鋼具有某些特殊的力學(xué)性能或某些特殊的物理化學(xué)性能。1.5.1合金元素對(duì)鋼的影響(1)合金元素在鋼中的存在形式及對(duì)性能的影響1)合金元素溶入鐵素體2)形成碳化物(2)合金元素對(duì)鋼熱處理的影響1)合金元素對(duì)奧氏體化的影響2)合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響3)合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響1.5.2合金鋼的分類(lèi)及編號(hào)方法(1)合金鋼的分類(lèi)合金鋼的種類(lèi)繁多,通常按鋼的成分和用途來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。1)按化學(xué)成分分類(lèi)①按合金元素總含量的多少,可分為低合金鋼(合金元素含量小于5%),中合金鋼(合金元素含量為5%-10%)及高合金鋼(合金元素含量大于10%)。②按加入的合金元素品種,可分為錳鋼﹑鉻鋼﹑鉻鉬鋼等。2)按用途分類(lèi)①合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼又分為兩類(lèi):一類(lèi)為建筑及工程結(jié)構(gòu)用鋼,即普通低合金鋼;另一類(lèi)為機(jī)器制造用鋼,分為滲碳鋼,調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼及滾動(dòng)軸承鋼等。②合金工具鋼合金工具鋼又分為3類(lèi):刃具鋼(包括低合金刃具鋼及高速鋼),模具鋼(包括熱模具鋼和冷模具鋼)量具鋼。③特殊性能鋼特殊性能鋼又按所具有的特殊物理、化學(xué)和力學(xué)性能,分為磁鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。(2)合金鋼的編號(hào)方法我國(guó)合金鋼的牌號(hào)是按照合金鋼的用途和化學(xué)成分,用數(shù)字和元素的化學(xué)符號(hào)相結(jié)合的方法來(lái)表示的。1)合金結(jié)構(gòu)鋼這類(lèi)鋼的編號(hào)是;兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字。兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù);元素符號(hào)是指所含的合金元素;數(shù)字表示該元素在鋼中平均含量的百分?jǐn)?shù)。合金元素在鋼中的平均含量小于1%或1.5%時(shí),鋼號(hào)中只標(biāo)明元素符號(hào),不標(biāo)數(shù)字。如果數(shù)字為2或3,則表示該元素的平均含量為1.5%-2.5%或2.5%-3.5%,以此類(lèi)推。例如：40Mn2表示鋼中平均含碳量為0.4%,平均含錳量為2%;20Cr3MoWV表示鋼中平均含碳量為0.2%,平均含鉻量為3%,鉬、鎢、釩元素的含量均小于1.5%。

合金結(jié)構(gòu)鋼中,滾動(dòng)軸承鋼的編號(hào)有些特殊,是用“G”字起首,不標(biāo)含碳量,而標(biāo)所含鉻的元素符號(hào)Cr及其平均含量的千分?jǐn)?shù)。

例如,CCrl5表示含碳量0.95%-1.05%,含鉻量1.3%-1.65%的滾動(dòng)軸承鋼。2)合金工具鋼這類(lèi)鋼的編號(hào)是:一位數(shù)字(或無(wú)數(shù)字)+元素符號(hào)+數(shù)字。一位數(shù)字表示含碳量的千分?jǐn)?shù),合金元素及其含量的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。如果合金工具鋼中的含碳量大于或等于1.0%,用來(lái)表示含碳量的數(shù)字就省略,否則易與合金結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)混淆。

高合金工具鋼中的高速鋼,其含碳量雖小于1%,但在鋼號(hào)中也不標(biāo)出含碳量的數(shù)字。3)特殊性能鋼特殊性能鋼一般可分為高合金與低合金兩大類(lèi)。

高合金的特殊性能鋼的鋼號(hào)表示方法與合金工具鋼相似。

例如要2Crl3表示鋼中平均含碳量為0.2%,平均含鉻量為13%;又如，1Cr18Ni9Ti表示鋼中平均含碳量0.1%,平均含鉻量為18%,平均含鎳量為9%,含鈦量小于1%。在某些情況下,高合金特殊性能鋼的含碳量,在鋼號(hào)中也不標(biāo)出,而直接寫(xiě)出所含的合金元素及其含量。1.5.3合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造各種機(jī)械零件以及用于制造各種工程結(jié)構(gòu)的鋼,稱(chēng)為結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼中常用的合金元素為錳、硅、鉻、鎳、鎢、鉬、釩.鈦等。錳、鉻,鎳等元素對(duì)提高鋼的綜合力學(xué)性能起著主要作用,可稱(chēng)為主加元素。鎢、鉬、釩.鈦等元素加入后能提高鋼的淬透性,細(xì)化晶粒,為進(jìn)一步改善鋼的性能起著輔助作用,可稱(chēng)為輔加元素。

合金結(jié)構(gòu)鋼按成分以及用途的不同,又可分為普通低合金鋼,滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼及滾動(dòng)軸承鋼等。1.5.4工具鋼

工具鋼又可分為刃具鋼、量具鋼,模具鋼等。

工具鋼的用途不同,對(duì)力學(xué)性能的要求也不同。工具鋼的含碳量一般較高,為0.65%-1.5%,主要加入的元素有鉻、鎢、鉬、釩等。鉻是最基本的加入元素,能有效地提高鋼的淬透性,從而增加鋼的硬度和耐磨性。鎢、鉬、釩都是碳化物形成元素,加入后通過(guò)彌散硬化,可顯著地提高鋼的熱硬性和耐磨性。(1)刃具鋼

刃具鋼主要是指制造車(chē)刀、銑刀、鉆頭、絲錐、板牙等切削刀具的鋼種。

刃具在工作中受到很大的切削力、振動(dòng)、摩擦及切削熱的作用。

因此,刃具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性,并能在高溫狀態(tài)下維持其高硬度,即有熱硬性。此外,刃具鋼還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性,以免在切削過(guò)程中發(fā)生斷裂或崩刃。合金刃具鋼按其成分和性能分為低合金刃具鋼和高速鋼。(2)量具鋼

量具鋼用于制造各種測(cè)量工具,如卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)及螺旋測(cè)微儀等。

測(cè)量工具的工作面應(yīng)有高的硬度和耐磨性,并要求熱處理時(shí)變形小,使用過(guò)程中尺寸穩(wěn)定。

量具鋼無(wú)專(zhuān)用鋼種。精度要求一般,形狀簡(jiǎn)單的量具可用TIOA、T12A、9SiCr等鋼制造。板形量規(guī)(樣板、卡板)可用60Mn、65Mn合金彈簧鋼來(lái)制造。精度要求較高的量規(guī),則用低合金刃具鋼CrMn

、SiMn或滾動(dòng)軸承鋼GCr15來(lái)制造。(3)模具鋼

模具鋼是用以制造各種冷熱模具的鋼種,分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。1)冷模具鋼用于制造金屬在冷態(tài)下成型的模具,如冷沖模,冷剪切模,冷彎模冷擠壓模等。2)熱模具鋼用于制造金屬在高溫狀態(tài)下成型的模具,如鑄模,鍛模,熱擠壓模等。

熱模具鋼一般是含碳量為0.3%-0.6%的中碳合金鋼。鋼中的主要合金元素有鉻、錳、鎳,硅等。適中的含碳量是保證鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性;合金元素用以保證鋼具有較高的淬透性,從而提高鋼的硬度和抗熱疲勞的能力。1.6鑄鐵

鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅,錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。

鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便,成本低廉等優(yōu)點(diǎn),因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。

例如,機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體,缸套、活塞環(huán)及軸瓦.曲軸等都是由鑄鐵制造的。1.6.1鑄鐵的石墨化過(guò)程鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外,主要以化合態(tài)的滲碳體(Fe3C)和游離態(tài)的石墨(C)兩種形式存在。石墨是碳的單質(zhì)態(tài)之一,其強(qiáng)度、塑性和韌性都幾乎為零。滲碳體是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解:Fe3C3Fe+C,形成游離態(tài)石墨。鑄鐵中的石墨可在結(jié)晶過(guò)程中直接析出,也可由滲碳體加熱時(shí)分解得到。鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過(guò)程,稱(chēng)為石墨化。1.6.2鑄鐵的特點(diǎn)由于工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵,因此,下面介紹的內(nèi)容專(zhuān)指灰口鑄鐵。(1)鑄鐵的組織特點(diǎn)鑄鐵的組織是由基體和石墨組成的,基體組織有3種,即鐵索體、珠光體和鐵素體加珠光體。鑄鐵的基體是鋼的組織,因此,鑄鐵的組織實(shí)際上是在鋼的基體上分布著不同形態(tài)石墨的組織。(2)鑄鐵的性能特點(diǎn)1)力學(xué)性能低2)耐磨性好

3)消振性能好4)鑄造性能好5)切削性能好1.6.3常用鑄鐵的分類(lèi)與牌號(hào)表示方法

鑄鐵是根據(jù)石墨的形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)的。鑄鐵中石墨的形態(tài)有片狀、團(tuán)絮狀、球狀及蠕蟲(chóng)狀4種。其所對(duì)應(yīng)的鑄鐵分別為灰鑄鐵.可鍛鑄鐵球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵。(1)灰鑄鐵

灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵?；诣T鐵價(jià)格便宜,應(yīng)用廣泛,其產(chǎn)量占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。

灰鑄鐵的牌號(hào)由“HT+數(shù)字"組成。其中,"HT”是“灰鐵”二字是漢語(yǔ)拼音字頭,數(shù)字表示直徑30mm單鑄試棒的最低抗拉強(qiáng)度值。例如,HT150是指最低抗拉強(qiáng)度不小于150MPa的灰口鑄鐵。(2)可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的,其石墨呈團(tuán)絮狀。可鍛鑄鐵的組織與石墨化退火的程度和方式有關(guān)。當(dāng)石墨化充分進(jìn)行,則得到鐵素體加團(tuán)絮狀石墨組織,由于表層脫碳而使心部的石墨多于表層,斷口心部呈灰黑色,表層呈灰白色，故稱(chēng)為黑心可鍛鑄鐵。

可鍛鑄鐵的牌號(hào)由“KT+數(shù)字-數(shù)字”組成。其中,“KT”是“可鐵”二字是漢語(yǔ)拼音字頭，KTH、KTB、KTZ分別為黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào);第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值;第二組數(shù)字表示最低延伸率值。例如,KTH330-08是最低抗拉強(qiáng)度不小于330MPa,延伸率不小于8%的鐵素體黑心可鍛鑄鐵。(3)球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是指石墨呈球形的灰口鑄鐵,是由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化后得到的。球墨鑄鐵是由基體和球狀石墨組成的。鑄態(tài)下的基體組織有鐵素體、鐵素體加珠光體和珠光體3種。球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。加入鐵水中能使石墨結(jié)晶成球形的物質(zhì),稱(chēng)為球化劑。常用的球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。

球墨鑄鐵的牌號(hào)由“QT+數(shù)字-數(shù)字"組成。其中,“QT”是“球鐵”二字的漢語(yǔ)拼音字頭，第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值;第二組數(shù)字表示最低延伸率值。例如,QT400-15是最低抗拉強(qiáng)度不小于400MPa,延伸率不小于15%的鐵素體基體球墨鑄鐵。(4)蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型鑄鐵。與球墨鑄鐵類(lèi)似,蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。常用蠕化劑有稀土硅鐵鎂合金,稀土硅鐵合金,稀土硅鐵鈣合金等。蠕墨鑄鐵的顯微組織由基體與蠕蟲(chóng)狀石墨組成。其基體組織與球墨鑄鐵類(lèi)似。蠕墨鑄鐵的牌號(hào)由“RuT+數(shù)字”組成。其中,"RuT”是“蠕鐵”二字的漢語(yǔ)拼音字頭,數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值。

例如,RuT340是最低抗拉強(qiáng)度不小于340MPa

的蠕墨鑄鐵。第2章焊接

2.1概述

焊接是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種金屬連接方法。它是通過(guò)對(duì)分離的材料進(jìn)行加熱或加壓(或兩者并用),并且用(或不用)填充材料,使焊件形成原子(分子)間結(jié)合的一種連接方法。

焊接實(shí)現(xiàn)的連接是不可拆卸的永久性連接,被連接的焊件材料可以是同種金屬或異種金屬,也可以是金屬與非金屬等。

在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是金屬焊接。(1)焊接的特點(diǎn)與其他類(lèi)似的材料加工工藝(如鑄造、鍛壓、鉚接)相比,焊接具有以下特點(diǎn):①焊接可將不同類(lèi)型、不同形狀及尺寸的金屬材料連接起來(lái)。②焊接接頭是通過(guò)原子間結(jié)合力實(shí)現(xiàn)的連接,整體性好,剛度大,在外力作用下不像機(jī)械聯(lián)接(如鉚接,銷(xiāo)子聯(lián)接等)那樣產(chǎn)生較大的變形,而且焊接結(jié)構(gòu)具有良好的氣密性,水密性，這是其他連接無(wú)法比擬的。③焊接加工一般不需要大型、貴重設(shè)備,因此,它是一種投資少、見(jiàn)效快的加工方法。

④利用焊接進(jìn)行加工時(shí),可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型構(gòu)件分解為許多小型零部件分別加工,然后再將這些零部件焊接起來(lái),這樣就簡(jiǎn)化了金屬結(jié)構(gòu)的加工工藝、縮短了加工周期。

在機(jī)械制造工業(yè)中,廣泛應(yīng)用焊接技術(shù)制造各種金屬結(jié)構(gòu)件,如廠(chǎng)房屋架.橋梁、船體,汽車(chē)、飛機(jī)、鍋爐、壓力容器.管道及其他行業(yè)中。(2)焊接的種類(lèi)

焊接方法的種類(lèi)很多,按焊接過(guò)程的特點(diǎn)不同,可分為熔焊,壓焊和釬焊3大類(lèi)。1)熔焊

熔焊方法的特點(diǎn)是將焊件連接處局部加熱到熔化狀態(tài),然后冷卻凝固成一體,不加壓力完成焊接。

工業(yè)生產(chǎn)中,常用的熔焊方法有手工電弧焊、氣焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊及氬弧焊等。2)壓力焊

壓力焊是指在焊接過(guò)程中必須對(duì)焊件施加壓力(加熱或不加熱)完成焊接的方法,如電阻焊,摩擦焊、氣壓焊等。3)釬焊

釬焊是指利用熔點(diǎn)比金屬低的填充金屬(稱(chēng)為釬料)加熱熔化后,填入接頭間隙與固態(tài)的母材金屬通過(guò)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的一類(lèi)焊接方法,如軟釬焊﹑硬釬焊等。2.2手工電弧焊

手工電弧焊是用電弧熱來(lái)熔化金屬,用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。它是熔化焊中最基本的一種焊接方法,也是目前焊接生產(chǎn)中使用最廣泛的焊接方法。2.2.1手工電弧焊原理及焊接電弧(1)手工電弧焊原理如圖2.1所示

手工電弧焊的焊接過(guò)程如圖2.2所示。

(2)手工電弧焊焊接電弧當(dāng)使用直流電源進(jìn)行焊接時(shí),焊接電弧是由陰極區(qū)、弧柱和陽(yáng)極區(qū)3部分組成,如圖2.3所示。2.2.2手工電弧焊焊接電源手工電弧焊機(jī)有交流和直流兩種。(1)交流弧焊機(jī)

交流弧焊機(jī)是一個(gè)特殊的變壓器,由固定鐵芯,可移動(dòng)鐵芯和繞在鐵芯上的線(xiàn)圈組成。

如圖所示為BXI-330型交流弧焊機(jī)外形圖。

交流弧焊機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單,質(zhì)量輕、成本低、效率高及維修方便等優(yōu)點(diǎn),但電弧穩(wěn)定性較差。(2)直流弧焊機(jī)

常用的直流手工電孤焊機(jī)有焊接整流器和逆變直流焊機(jī)。1)焊接整流器

焊接整流器是由變壓器,整流器及為獲得所需外特性的調(diào)節(jié)裝置,指示裝置等組成的。它把電網(wǎng)交流電經(jīng)降壓整流后獲得直流電,并能滿(mǎn)足對(duì)焊接所需電源的要求,大多數(shù)弧焊整流器可遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù),能自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓和電流的影響。2)逆變直流焊機(jī)

它把單相(或三相)交流電經(jīng)整流后,由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)閹装僦翈兹f(wàn)赫茲的中頻交流電,降壓后輸出交流或直流電(逆變式弧焊機(jī)既可以輸出交流電,又可輸出直流電。但目前常用后種形式,故又可把它稱(chēng)為逆變式弧焊整流器)。整個(gè)過(guò)程由電子電路控制,它具有高效節(jié)能、質(zhì)量輕,體積小等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于各種弧焊方法,是一種很有前途的普及型弧焊電源。直流弧焊機(jī)焊接時(shí),電弧穩(wěn)定,宜在焊接質(zhì)量要求高或焊接薄件、有色金屬、鑄鐵及特殊性能鋼時(shí)采用。2.2.3焊條1)焊條的組成及作用焊條是由焊芯和藥皮所組成,如圖2.5所示。焊接時(shí),焊芯是形成焊縫金屬的主要材料，它既用作電極,同時(shí)又作為填充焊縫的金屬。它的化學(xué)成分和非金屬夾雜物的多少將直接影響焊縫的質(zhì)量。我國(guó)生產(chǎn)的電焊條,基本上以HO8A鋼作焊芯,牌號(hào)中“H”表示焊條用鋼,“A”表示高級(jí)優(yōu)質(zhì),焊條直徑是用焊芯的直徑來(lái)表示的,常用的直徑為2.5～6mm,長(zhǎng)度一般為250～450mm。2)焊條的種類(lèi)焊條按焊件材料的不同,可分為若干類(lèi),如碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條,堆焊焊條、鑄鐵焊條、銅及銅合金焊條、鋁及鋁合金焊條及其他焊條等。焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的是結(jié)構(gòu)鋼焊條(包括碳鋼和低合金鋼焊條)。

各類(lèi)焊條按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有一定的型號(hào)。GB5117規(guī)定碳鋼焊條的型號(hào)是以字母E后加上4位數(shù)字來(lái)表示。字母E代表焊條,4位數(shù)字中的前兩位數(shù)字表示焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度最小值,第三位數(shù)字表示適用的焊接位置,最后一位數(shù)字表示藥皮類(lèi)型及電源種類(lèi)。

例如，“E4303”中E表示焊條,E字后面的兩位數(shù)字43代表熔敷金屬抗拉強(qiáng)度最小值分別為420MPa(43kg/mm2),焊條型號(hào)中第三數(shù)字表示適用的焊接位置,"0”和“1”表示適用于全位置焊接,第四位數(shù)字表示藥皮類(lèi)型和焊接電源種類(lèi),"3”表示鈦鈣型藥皮,用交流或直流正,反接焊接電源均可。常用碳鋼焊條的型號(hào)及用途見(jiàn)表2.1。

3)焊條的選用

焊條的種類(lèi)、規(guī)格很多，合理選用焊條是保證焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低成本和改善勞動(dòng)條件的重要因素。選用焊條時(shí)，主要應(yīng)考慮如下3點(diǎn)：①滿(mǎn)足化學(xué)成分的要求②滿(mǎn)足等強(qiáng)度的要求③考慮焊件形狀、受力狀況和結(jié)構(gòu)重要性來(lái)選用焊條2.2.4手工電弧焊工藝(1)接頭形式和坡口形狀

根據(jù)產(chǎn)品的使用條件和焊件的厚度,手工電弧焊常采用的焊接接頭形式有對(duì)接接頭、T形接頭、角接接頭及搭接接頭等,如圖2.6所示。

對(duì)接接頭是指兩焊件表面構(gòu)成大于135°,小于180°夾角的接頭;

搭接接頭是指兩焊件部分重疊構(gòu)成的接頭;

角接接頭是指兩焊件端部構(gòu)成大于30°,小于135°夾角的接頭;

T形接頭是指一焊件之端面與另一焊件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭。焊件較薄時(shí),在焊件接頭處只要留出一定的間隙,采用單面焊或雙面焊,就可保證焊透。

焊件較厚時(shí),為了保證焊透,焊接前要把焊件的待焊部位加工成所需的幾何形狀,即需要開(kāi)坡口。

對(duì)接接頭常見(jiàn)的坡口形式有I形坡口、Y形坡口、雙Y形坡口及帶鈍邊U形坡口等。各種坡口形狀如圖2.6所示。(2)焊接的空間位置

熔焊時(shí),焊件接縫所處的空間位置稱(chēng)為焊接位置。它有平焊位置、立焊位置、橫焊位置及仰焊位置等。對(duì)接接頭和角接接頭的各種焊接位置如圖2.7所示。平焊位置易于操作,生產(chǎn)效率高,勞動(dòng)條件好,焊接質(zhì)量容易保證。因此,焊件應(yīng)盡量放在平焊位置施焊,立焊位置和橫焊位置次之,仰焊位置最差。

(3)焊接工藝參數(shù)

手工電弧焊的焊接工藝參數(shù)主要有：焊條直徑、焊接電流、焊接速度和弧長(zhǎng)等。正確選擇工藝參數(shù)是保證施焊質(zhì)量和提高生產(chǎn)率的重要因素。1)焊條直徑

通常在保證焊接質(zhì)量的前提下,盡可能選用大直徑焊條以提高生產(chǎn)率。選擇焊條直徑時(shí)，主要依據(jù)焊接的厚度,同時(shí)考慮接頭形式,焊接位置和焊接層數(shù)等因素。厚焊件可選用大直徑焊條,薄焊件應(yīng)選用小直徑焊條,可參考表2.2選取。

表2.2依據(jù)焊件厚度選取焊條直徑

2）焊接電流

主要根據(jù)焊條直徑來(lái)選擇。對(duì)平焊低碳鋼和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼焊件，焊條直徑為3～6mm時(shí)，可由下列經(jīng)驗(yàn)公式算出：焊件厚度(mm)<22～34～66～10>10

焊條直徑(mm)233～44～55～6I=Kd式中：I-焊接電流：A；d-焊條直徑，mm；K-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，常取30～50(A／mm）

K值當(dāng)操作熟練，焊件較厚、氣候寒冷時(shí)，宜取上限；反之取下限。

此外，焊接的空間位置不同，對(duì)焊接電流也應(yīng)作如下的修正：立焊和橫焊要比平焊減少10～15％；仰焊比平焊減少15～20％。3)電弧電壓

電弧電壓由電弧長(zhǎng)度決定。電弧長(zhǎng),則電弧電壓高;反之,則低。手工電弧焊時(shí),電弧長(zhǎng)度是指焊芯熔化端到焊接熔池表面的距離。若電弧過(guò)長(zhǎng),電弧飄擺,燃燒不穩(wěn)定,熔深減小,熔寬加大,并且容易產(chǎn)生焊接缺陷;

若電弧太短,熔滴過(guò)渡時(shí)可能經(jīng)常發(fā)生短路,使操作困難。正常的電弧長(zhǎng)度是小于或者等于焊條直徑,即所謂短弧焊。4)焊接速度

焊接速度是指單位時(shí)間內(nèi)焊接電弧沿焊件接縫移動(dòng)的距離。手工電弧焊時(shí),一般不規(guī)定焊接速度,而由焊工憑經(jīng)驗(yàn)掌握。2.3氣焊與氣割

氣焊與氣割是利用可燃?xì)怏w在純氧中燃燒時(shí)所釋放出來(lái)的熱量作為熱源進(jìn)行焊接或切割金屬的加工工藝方法。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單.操作方便、質(zhì)量可靠,成本低及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。2.3.1氣焊

氣焊是利用氧氣和可燃?xì)怏w(一般是乙炔,故又稱(chēng)氧-乙炔焊)混合燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量熱量,將焊件和焊絲局部熔化,再經(jīng)冷卻結(jié)晶后使焊件連接在一起的方法。所用的設(shè)備有氧氣瓶、乙炔氣瓶、減壓器、回火保險(xiǎn)器,焊炬及橡皮管等,如圖2.8所示。(1)氧氣瓶

氧氣瓶是貯存高壓氧氣的容器。純氧氣的純度不低于98.5%,貯氣的最高壓力為15MPa,容積40L。瓶體漆成天藍(lán)色,并漆有“氧氣"黑色字樣。瓶上裝有瓶閥,打開(kāi)瓶閥瓶?jī)?nèi)的氧氣即流入減壓器。(2)乙炔氣瓶

乙炔氣瓶是貯存高壓乙炔氣的容器。貯氣的最高壓力1.5MPa,乙炔瓶體漆成白色,"乙炔”字樣漆成紅色。瓶上裝有瓶閥,打開(kāi)瓶閥瓶?jī)?nèi)的乙炔氣即流入減壓器。乙炔瓶安全且衛(wèi)生,正在逐步取代乙炔發(fā)生器。(3)減壓器減壓器的作用是把高壓氧氣壓力降低至氣焊時(shí)所需的工作壓力(0.3-0.4MPa),并維持穩(wěn)定不變。(4)回火保險(xiǎn)器回火保險(xiǎn)器是一種安全裝置。其作用是防止火焰沿乙炔管道倒流(回火)至乙炔瓶?jī)?nèi)而產(chǎn)生爆炸事故。(5)焊炬

焊炬的作用是將氧氣和乙炔氣以一定比例混合,并通過(guò)焊嘴口噴出,點(diǎn)燃后,就產(chǎn)生氣焊時(shí)所需的火焰。

如圖2.9所示為低壓式焊炬外形和原理示意圖。它的工作原理是:打開(kāi)氧氣調(diào)節(jié)閥,氧氣經(jīng)噴射管從噴射孔快速射出,并在噴射孔外圍形成真空而造成負(fù)壓(吸力);再打開(kāi)乙炔調(diào)節(jié)閥,乙炔即聚集在噴射孔的外圍;由于氧射流負(fù)壓的作用,乙炔很快被氧氣吸入混合室和混合氣體通道,并從焊嘴噴出。調(diào)節(jié)氧氣調(diào)節(jié)閥和乙炔調(diào)節(jié)閥,即可得到不同比例的混合氣和流速。

焊炬均備有5個(gè)大小不同的焊嘴,可供焊接不同厚度的工件使用。二、焊絲和焊劑(一)焊絲氣焊時(shí)，要用焊絲作為填充金屬，接頭的質(zhì)量直接和焊絲的成分有關(guān)。焊接低碳鋼時(shí)，一般用H08A作為焊絲，重要接頭可選用H08MnA焊絲。焊接有色金屬及鑄鐵時(shí)，選用和焊件化學(xué)成分相同或者含有其它元素的合金焊絲。氣焊用的焊絲規(guī)格，一般直徑為2～4mm。(2)焊劑

氣焊時(shí),焊劑的選擇要根據(jù)焊件的成分及其性質(zhì)而定,主要是為了去除氧化物,改善熔池金屬的流動(dòng)性等。

一般碳素結(jié)構(gòu)鋼氣焊時(shí)不需要焊劑,而不銹鋼、合金鋼、鑄鐵和有色金屬焊接時(shí),必須使用焊劑才能保證焊接質(zhì)量。

焊劑的選用應(yīng)根據(jù)焊件材料而定。2.3.3氣焊工藝(1)氣焊火焰

常用的氣焊火焰是乙炔與氧混合燃燒所形成的火焰,也稱(chēng)氧-乙炔焰。根據(jù)氧與乙炔混合比的不同,氧-乙炔焰可分為中性焰,碳化焰(也稱(chēng)還原焰)和氧化焰3種。其溫度分布如圖所示。1)中性焰

氧氣與乙炔的混合比為1.1—1.2時(shí)燃燒所形成的火焰,稱(chēng)為中性焰,又稱(chēng)正常焰(見(jiàn)圖2.10(a))。它由焰芯,內(nèi)焰和外焰3個(gè)部分組成。中性焰的最高溫度在內(nèi)焰處,距焰心前2—4mm處，為3050—3150℃。2)氧化焰

當(dāng)氧氣與乙炔的混合比值大于1.2時(shí),火焰為氧化焰(見(jiàn)圖2.10(b))。焰芯、內(nèi)焰和外焰都比中性焰短,且輪廓不明顯,噪聲也大。3)碳化焰

當(dāng)氧氣與乙炔氣的混合比值小于1.0時(shí),火焰為碳化焰(見(jiàn)圖2.10(c))。(2)氣焊工藝

氣焊的接頭形式和焊接空間位置等工藝問(wèn)題的考慮與手工電弧焊基本相同。氣焊盡可能用對(duì)接接頭,厚度大于5mm的焊件須開(kāi)坡口以便焊透。焊前接頭處應(yīng)清除鐵銹、油污、水分等。氣焊工藝參數(shù)主要是指焊嘴大小,焊絲直徑、焊炬傾斜角度及焊接速度等。焊嘴及其傾斜角度的選擇是根據(jù)焊件材料和焊件厚度而定。焊接厚度大,熔點(diǎn)高,導(dǎo)熱性好的金屬材料,應(yīng)選用較大的焊嘴孔徑和傾角;反之,選用較小的焊嘴孔徑和傾角。傾角最大為90°,即焊炬與焊件相垂直。焊接方法有左焊法和右焊法，如圖所示。2.3.4氣割

氣割是根據(jù)高溫的金屬能在純氧中燃燒的原理來(lái)進(jìn)行的。氣割時(shí),首先用中性焰將被切割的金屬割件預(yù)熱到燃燒點(diǎn)(如低碳鋼約為1300℃),然后噴出高壓切割氧氣,直接使預(yù)熱金屬燃燒,強(qiáng)烈氧化生成的熔渣當(dāng)即被高壓氧氣流吹走(見(jiàn)圖2.11),同時(shí)燃燒放出大量的熱又預(yù)熱待切割的金屬,隨著割炬不斷均勻地向前移動(dòng),割件被切出平整的切口。手工氣割所用的割炬如圖2.12所示。與焊炬比較,割嘴結(jié)構(gòu)不同于焊嘴,增加了輸送切割氧氣的管道和閥門(mén)。

根據(jù)氣割原理,金屬材料能否氣割取決于下列條件:①金屬的燃點(diǎn)應(yīng)低于其熔點(diǎn),否則金屬先熔化(變成熔割),使切口凹凸不平。在鐵碳合金中,碳的含量對(duì)燃點(diǎn)有很大影響,隨著含碳量的增加,合金的燃點(diǎn)升高,故含碳量越大,氣割越困難。②燃燒生成的氧化物其熔點(diǎn)應(yīng)低于金屬本身的熔點(diǎn),以便氧化物熔化后被吹掉;有些金屬由于形成氧化物的熔點(diǎn)比金屬熔點(diǎn)高,故不易或不能氣割。

③金屬氧化物應(yīng)易熔化和流動(dòng)性好,否則不易被氧氣流吹走,難于切割。

④金屬燃燒時(shí)應(yīng)放出足夠的熱量,以加熱待切割的金屬,有利于切割過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。

⑤金屬導(dǎo)熱性要低,否則預(yù)熱的熱量和切割中所發(fā)出的熱量會(huì)迅速擴(kuò)散,不利于預(yù)熱到燃燒點(diǎn),使切割處熱量不足,切割困難。2.4其他常用焊接方法(1)氬弧焊

氬弧焊是以氬氣作為保護(hù)氣體的電弧焊。按所用的電極不同,可分為不熔化電極(鎢極)和熔化電極兩種,如圖2.13所示。(2)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是利用CO2作為保護(hù)氣體的一種熔化極氣體保護(hù)電弧焊,簡(jiǎn)稱(chēng)CO2氣體保護(hù)焊或CO2焊。焊絲作電極并兼作填充金屬。它由焊接電源﹑焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、供氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成,如圖2.14所示。2.5焊接結(jié)構(gòu)工藝性

在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),不僅要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用工作條件等要求,還要考慮焊接工藝的特點(diǎn),這樣才能獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。焊接結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下方面:2.5.1焊件材料的選用①在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)使用要求的前提下,應(yīng)盡量選擇焊接性較好的材料。一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25%的碳素鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.20%的低合金結(jié)構(gòu)鋼都具有良好的焊接性,應(yīng)盡量采用;

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.50%的碳素鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.40%的合金鋼焊接性不好，應(yīng)盡量避免采用。同一構(gòu)件焊接時(shí),應(yīng)盡量選用同種金屬材料。

②焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用工字鋼.槽鋼﹑角鋼及鋼管等型材或沖壓件,以減少焊縫數(shù)量.簡(jiǎn)化工藝。③焊件最好采用相等的厚度,否則接頭處要逐漸過(guò)渡,如表2.4,圖2.15,圖2.16所示。④不宜采用薄而帶銳角的板料,在端部應(yīng)盡量使角度變緩。2.5.2焊縫位置的安排合理安排焊縫的位置見(jiàn)表2.5。2.6常見(jiàn)的焊接缺陷及焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

金屬結(jié)構(gòu)中如果存在著焊接缺陷，將會(huì)直接影響到它的安全使用，甚至給生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)不可彌補(bǔ)的損失，如鍋爐爆炸、橋梁斷裂等。因此，必須建立嚴(yán)格的檢驗(yàn)制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，并找出產(chǎn)生原因，以便采用有效的措施，確保焊接質(zhì)量。2.6.1焊接接頭的缺陷及其產(chǎn)生原因焊接生產(chǎn)中，常見(jiàn)的焊接缺陷及其產(chǎn)生的原因見(jiàn)表2.6。2.6.2焊接質(zhì)量檢驗(yàn)焊接檢驗(yàn)是對(duì)焊接生產(chǎn)質(zhì)量的檢驗(yàn)。它是指根據(jù)產(chǎn)品的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，對(duì)焊接生產(chǎn)過(guò)程中的原材料、半成品、成品的質(zhì)量以及工藝過(guò)程進(jìn)行檢查和驗(yàn)證。其目的是保證產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，防止廢品的產(chǎn)生。焊接檢驗(yàn)方法分破壞性檢驗(yàn)和非破壞性檢驗(yàn)兩類(lèi)。(1)破壞性檢驗(yàn)破壞性檢驗(yàn)是指從焊件或試件上切取試樣，或以產(chǎn)品（或模擬體）的整體破壞做試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其各種力學(xué)性能、化學(xué)成分和金相組織的試驗(yàn)方法。其主要內(nèi)容如下：1)焊縫金屬及焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)它包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)等。2)焊接金相檢驗(yàn)它包括宏觀(guān)組織檢驗(yàn)和顯微組織檢驗(yàn)。3)斷口分析它包括宏觀(guān)斷口分析和微觀(guān)斷口分析。4)化學(xué)分析與試驗(yàn)它包括焊縫金屬化學(xué)成分分析、擴(kuò)散氫測(cè)定和腐蝕試驗(yàn)等。(2)非破壞性檢驗(yàn)非破壞性檢驗(yàn)是指不破壞被檢對(duì)象的結(jié)構(gòu)與材料的檢驗(yàn)方法，如外觀(guān)檢驗(yàn)、水壓檢驗(yàn)、致密性試驗(yàn)及無(wú)損檢驗(yàn)等。1)外觀(guān)檢驗(yàn)外觀(guān)檢驗(yàn)是用肉眼或用低倍放大鏡觀(guān)察焊件，以發(fā)現(xiàn)表面缺陷以及測(cè)量焊縫的外形尺寸的方法。2)水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)用來(lái)檢查受壓容器的強(qiáng)度和焊縫致密性。試驗(yàn)壓力根據(jù)容器設(shè)計(jì)工作壓力確定。3)致密性試驗(yàn)致密性試驗(yàn)主要用于檢查不受壓或壓力很低的容器、管道的焊縫是否存在滲漏性缺陷。常用方法有氣壓試驗(yàn)和煤油試驗(yàn)等。4)磁粉探傷磁粉探傷是利用磁粉在處于磁場(chǎng)中的焊接接頭中的分布特征，檢查磁性材料的表面微裂紋和近表面缺陷。檢查時(shí)，要將被檢驗(yàn)的焊件放置磁場(chǎng)中，撒上磁粉（鐵粉），無(wú)缺陷處磁力線(xiàn)在焊件表面的分布是均勻的。當(dāng)有缺陷時(shí)，缺陷處的磁力線(xiàn)會(huì)發(fā)生彎曲，表面形成漏磁。根據(jù)磁粉吸附位置、形狀和數(shù)量來(lái)判斷缺陷處的位置、性質(zhì)和大小。5)射線(xiàn)探傷射線(xiàn)探傷是用