機械基礎復習資料金屬材料和熱處理含習題答案

PAGEPAGE9第二部分機械基礎第四章金屬材料和熱處理本章重點1．掌握：強度、硬度、塑性、韌性、疲勞強度的含義。2．了解：工藝性能的含義。3．了解：熱處理的概念及目的。4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面熱處理的方法。5．掌握：碳素鋼的概念、分類、牌號的表示方法及性能。6．掌握：合金鋼的牌號及表示方法。7．熟悉：鑄鐵分類牌號及用途。本章內(nèi)容提要一．金屬材料的性能1．物理、化學性能物理性能是指金屬材料的密度、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等具有物理特征的一些性能。化學性能是指金屬在化學作用下所表現(xiàn)的性能。如：耐腐蝕性、抗氧化性和化學穩(wěn)定性。2．金屬材料的機械性能金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能就是力學性能。主要有強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。（1）強度強度是材料在靜載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度和抗扭強度。常用的強度是抗拉強度。工程上常用的強度指標是屈服點和抗拉強度。（2）塑性塑性是金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生永久變形的能力。常用塑性指標是伸長率和斷面收縮率。伸長率：是指試樣拉斷后的伸長與原始標距的百分比。式中，L0表示試樣原長度（mm），L1表示試樣拉斷時的長度（mm）。斷面收縮率：是指試樣拉斷后，縮頸處橫截面積（A1）的最大縮減量與原始橫截面積（A0）的百分比。（3）硬度硬度是金屬材料表面抵抗比它更硬的物體壓入時所引起的塑性變形能力；是金屬表面局部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破裂的能力。目前最常用的硬度是布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）和維氏硬度（HV）。（4）韌性韌性是脆性的反意，指金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。工程技術上常用一次沖擊彎曲試驗來測定金屬抵抗沖擊載荷的能力。（5）疲勞強度疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用下不發(fā)生斷裂的最大應力。一般規(guī)定，鋼鐵材料的應力循環(huán)次數(shù)取108，有色金屬取107。3．金屬材料的工藝性能是指它是否易于加工成優(yōu)良的機械零件或零件毛坯的性能。根據(jù)金屬材料加工工藝的不同，可分為鑄造性、焊接性、鍛壓性、切削加工性。二．鋼的熱處理人們常常利用加熱、保溫和冷卻，有意識地改善鋼的組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。工業(yè)生產(chǎn)中熱處理工藝分為：普通熱處，即退火、正火、淬火、回火，俗稱“四把火”表面熱處理，包括表面淬火（感應加熱淬火、火焰淬火）、化學熱處理（滲碳、氮化、碳氮共滲）。1.退火是將鋼加熱到一定溫度保溫以后，隨爐緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝。其主要目的是降低硬度，提高塑性，細化或均勻組織成分，消除內(nèi)應力。常用的退火有去應力退火、完全退火和球化退火。2.正火將鋼加熱到適當?shù)臏囟?，保持一定時間后出爐空冷的熱處理工藝。其目的是調整硬度，改善切削加工性；細化晶粒，均勻組織；消除網(wǎng)狀碳化物，為球化退火或最終熱處理作準備。正火和退火相比，正火的冷卻速度快，所得組織更細密，強度硬度較高。3.淬火是將鋼加熱到一定溫度保溫后，快速泠卻，以取得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高硬度、強度和耐磨性，淬火后必須配以適當回火。淬火是在冷卻液中進行冷卻，理想的淬火冷卻液應該保證工件在650～500℃快速冷卻，而在300～200℃慢速冷卻。常見冷卻方法有單液、雙液、分級和等溫淬火。淬火工藝應區(qū)分兩個概念：淬硬性和淬透性。淬火的缺陷：硬度不足和軟點、過熱與過燒、變形和裂紋、氧化和脫碳。4.回火是將淬火后的工件重新加熱到低于727℃的溫度，保溫冷卻的熱處理工藝。回火常是工件最終的熱處理，淬火+回火是強化鋼材的一個完整過程。其目的：消除淬火應力與脆性，穩(wěn)定淬火組織，并獲得較高的機械性能。按回火溫度不同分：低溫回火（150～250℃）、中溫回火（350～500℃）、高溫回火（500～650℃）。淬火后的高溫回火也稱為調質，在軸類零件、齒輪應用很多，可獲得優(yōu)良的綜合力學性能。5.表面熱處理只僅對工件表層進行淬火的工藝，以獲得“表硬心韌”的力學性能。常用的表面熱處理方法有表面淬火和化學熱處理兩種。時間保溫時間保溫爐冷空冷水冷（油冷）諷）淬火退火調質回火正火溫度加熱淚盈眶各種熱處理的示意圖三．鋼鐵材料非金屬材料的分類有色金屬金屬鑄鐵黑色金屬 鋼鋼鐵材料是鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱。鋼是以鐵為主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳合金。含碳量2.11%通常是鋼和鑄鐵的分界線。根據(jù)化學成分，鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。（一）碳素鋼碳素鋼也稱碳鋼，使用最為普遍。它的主要成分是鐵和碳，此外還有硫、磷、錳、硅。1.分類2.碳素鋼的牌號表示、性能及用途（1）普通碳素結構鋼牌號表示方法：由代表屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級符號、脫氧方法符號四部分順序組成。質量等級有：A、B、C、D脫氧方法有：F（沸騰鋼）、b（半鎮(zhèn)靜鋼）、Z（鎮(zhèn)靜鋼）、TZ（特殊鎮(zhèn)靜鋼）。通常Z和TZ可省略。例如：Q235－AF普通碳素結構鋼牌號、性能特點及用途見下表（2）優(yōu)質碳素結構鋼牌號表示法：用兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分數(shù)，如45鋼表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質碳素結構鋼。含錳量較高（WMn=0.7％～1.2％）的鋼，在兩位數(shù)字后面寫“Mn”，如60Mn鋼。脫氧方法表示法同碳素結構鋼。高級優(yōu)質鋼，在牌號后面加“A”；特級優(yōu)質鋼，在牌號后面加“E”。性能特點及用途見表（每種牌號的具體數(shù)值可查資料，這里僅按性能、用途類似的歸納作介紹）（3）碳素工具鋼牌號表示法：用“碳”的漢語拼音字首“T’加數(shù)字（表示鋼的平均Wc的千分數(shù)）表示，例如，T8A。這類鋼Wc＝0.65％～1.35％，一般均需熱處理后使用，主要制作低速切削刃具,以及對熱處理變形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具鋼牌號、性能特點及用途見下表。（二）合金鋼合金鋼就是在碳鋼的基礎上加入其他元素的鋼，加入的其他元素就叫做合金元素。合金元素在鋼中的作用，是通過與鋼中的鐵和碳發(fā)生作用、合金元素之間的相互作用提高了鋼的力學性能，改善鋼的熱處理工藝性能。1．合金鋼分類合金鋼的分類方法很多，按主要用途一般分為：合金結構鋼：主要用于制造重要的機械零件和工程結構。合金工具鋼：主要用于制造重要的刃具、量具和模具。特殊性能鋼：具有特殊的物理、化學性能的鋼。２．合金鋼牌號表示方法（1）合金結構鋼牌號采用兩位數(shù)字加元素符號加數(shù)字表示。前面的兩位數(shù)字表示鋼的平均碳含量的萬分數(shù)，元素符號表示鋼中所含的合金元素，而后面數(shù)字表示該元素平均含量的質量分數(shù)。當合金元素含量小于1.5%時，牌號中只標明元素符號，而不標明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，則相應地在元素符號后面標出2、3、4等。例如60Si2Mn，表示平均碳含量為0.6%；含硅量約為2%，含錳量小于1.5%。（2）合金工具鋼牌號表示方法與合金結構鋼相似，其區(qū)別在于用一位數(shù)字表示平均碳含量的千分數(shù)，當碳含量大于或等于1.00%時則不予標出。如：9SiCr，其中平均碳含量為0.9%，Si、Cr的含量都小于1.5%；Cr12MoV，表示平均碳含量大于1.00%，鉻含量約為12%，鉬和釩的含量都小于1.5%的合金工具鋼。除此之外，還有一些特殊專用鋼，為表示鋼的用途在鋼號前面冠以漢語拼音，而不標出含碳量。如GCr15為滾珠軸承鋼，“G”為“滾”的漢語拼音字首。還應注意，在滾珠軸承鋼中，鉻元素符號后面的數(shù)字表示鉻含量的千分數(shù)，其他元素仍用百分數(shù)表示。如GCr15SiMn，表示鉻含量為1.5%，硅、錳含量均小于1.5%的滾珠軸承鋼。3．合金鋼的性能和用途（1）合金結構鋼合金結構鋼按用途可分為工程結構用鋼和機械機械制造用鋼。工程結構用鋼主要用于制造各種工程結構，如橋梁、建筑、船舶、車輛、高壓容器等。這類鋼是在普通碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素制成的鋼，故名普通低合金結構鋼（簡稱普低鋼）。由于合金元素的作用，普低鋼比相同含量的普通碳素結構鋼強度高得多，而且還具有良好的塑性、韌性、焊接性和較好的耐磨性。因此，采用普低鋼代替普通碳素結構鋼可減輕結構重量，保證使用可靠，節(jié)約鋼材。如用普低鋼16Mn代替Q235鋼，一般可節(jié)約鋼材25%～30%以上。機械制造用鋼主要用于制造各種機械零件。它是在優(yōu)質或高級優(yōu)質碳素鋼結構鋼的基礎上加入合金元素制成的合金結構鋼。這類鋼一般都要經(jīng)過熱處理才能發(fā)揮其性能。因此，這類鋼的性能與使用都與熱處理相關。機械制造用合金結構鋼按用途和熱處理特點，可以分為合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼等。(2)合金工具鋼碳素工具鋼淬火后，雖能達到高的硬度和耐磨性，但因它的淬透性差、紅硬性差（只能在200℃以下保持高硬度），因此模具、量具及刃具大多都要采用合金工具鋼制造。合金工具鋼按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。（3）特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學性能的鋼。特殊性能鋼的種類很多，在機械制造中常用的有不銹耐酸鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。（三）鑄鐵與鑄鋼鑄鐵是在凝固過程經(jīng)歷共晶轉變，用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金的總稱。鑄鐵有良好的鑄造性、耐磨性、減震性、切削加工性等，且制造容易、價格便宜。1．灰鑄鐵灰鑄鐵斷口呈暗灰色，故稱灰鑄鐵。具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的切削加工性，良好的減摩擦性和減振性，因而被廣泛地用來制作各種承受壓力和要求消振性的床身、機架、結構復雜的箱體、殼體和經(jīng)受摩擦的導軌、缸體等?；诣T鐵的牌號以“HT加數(shù)字組成”表示，其中“HT”是“灰”和“鐵”的漢語拼音字首表示灰口鑄造，數(shù)字表示其最低的抗拉強度。2．球墨鑄鐵球墨鑄鐵是指石墨以球狀形式存在的鑄鐵。由于石墨呈球狀分布在基體上，對基體的割裂作用降到最小，可以充分發(fā)揮基體的性能，所以球墨鑄鐵的力學性能比灰鑄鐵和可鍛鑄鐵都高，其抗拉強度、塑性、韌性與相應基體組織的鑄鋼相近。球墨鑄鐵兼有鑄鐵和鋼的優(yōu)點，因而得到廣泛應用。它可以用來代替碳鋼、合金鋼、可鍛鑄鐵等材料，制成受力復雜，強度、硬度、韌性和耐磨性要求較高的零件，如柴油機曲軸、減速箱齒輪以及軋鋼機軋輥等。球墨鑄鐵的牌號由QT加兩組數(shù)字組成。QT分別是“球”與“鐵”的漢語拼音字首，代表球墨鑄鐵，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強度和伸長率。3．可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是將一定成分的白口鑄鐵經(jīng)過退火處理，使?jié)B碳體分解，形成團絮狀石墨的鑄鐵。由于石墨呈團絮狀，大大減輕了對基體的割裂作用。與灰鑄鐵相比，可鍛鑄鐵不僅有較高的強度，而且有較好的塑性和韌性，并由此得名“可鍛”，但實際上并不可鍛?？慑戣T鐵分為鐵素體可鍛鑄鐵（用KTH表示）和珠光體可鍛鑄鐵（用KTZ表示）。牌號為“字母加兩組數(shù)字”組成。前組數(shù)籽表示最低抗拉強度，后組數(shù)字表示最小伸長率。如KTH300-06。4．鑄鋼牌號表示法：鑄鋼代號用“鑄”和“鋼”二字漢語拼音的字首“ZG”表示。牌號有兩種表示方法:以強度表示時,在“ZG”后面有兩組數(shù)字，第一組數(shù)字表示該牌號屈服點的最低值，第二組數(shù)字表示其抗拉強度的最低值，兩組數(shù)字間用“－”隔開。如ZG200－400。以化學成分表示鑄鋼牌號時，在“ZG”后面的數(shù)字表示鑄鋼平均碳含量的萬分數(shù)。平均碳含量＞1％時不標出,平均碳含量＜0.1％時,其第一位數(shù)字為“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符號,每個元素符號后面用整數(shù)標出含量的百分數(shù)，如ZG15Cr1MolV。（四）有色金屬和非金屬材料一．有色金屬材料鋼鐵材料呈黑色，稱為黑色金屬；而銅、鋁、鎂等及其合金具有一定的顏色，稱為有色金屬。有色金屬具有一些特殊的性質，所以在工業(yè)上應用很廣。常用的有銅與銅合金1.銅與銅合金純銅呈紫紅色又稱紫銅。導電性極好，常用作導電材料，如電極、電線。黃銅是純銅和鋅的合金。鋅占20—40％，鋅的含量越高，黃銅的顏色越發(fā)白，價格越便宜，強度增加而塑性變差，如電線。牌號為H62表示銅的含量為62％，鋅含38％。青銅是純銅和錫、鋁的合金，有很好的力學性能和鑄造性能，是一種很好的減摩材料，常用作滑動軸承的軸瓦，牌號為QSn4—3，表示壓力加工青銅，錫含4％，鋅含3％，其余為銅。2.鋁及鋁合金純鋁是一種比重很輕、僅為鐵的三分之一、導熱導電性好的金屬，而且在容氣中易形成氧化膜，具有良好的抗腐蝕能力。變形鋁合金在鋁中加入銅、鎂等合金，具有較高的強度和塑性，可加工成管材和結構件，如飛機外殼等零件。3．鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能，可以鑄造成形狀復雜的機器外殼，如摩托車發(fā)動機零件等。牌號為ZL102，其中1表示合金類別。1為鋁—硅系；02為鑄造合金是02號，詳細內(nèi)容要查相關資料。二．非金屬材料非金屬材料的應用越來越廣。如現(xiàn)在采用鋁塑管、PPR管代替鋼管作冷、熱水管。1.塑料以合成樹脂為主要成分的高分子化合物，從石油中提取。按受熱后表現(xiàn)的性能不同分：熱塑性塑料加熱后熔化成流動的液體，冷卻后成型。如塑料袋、塑料生活用品。熱固性塑料加熱后軟化，冷卻后并發(fā)生了化學變化，回收后不能再次使用。如電木，電氣開關外殼等。按應用的范圍分為：工程材料、通用塑料和耐高溫塑料。常用的工程塑料有：ABS塑料，如做電風扇葉片，家用電器外殼等。有硬性、韌性和剛性的綜合性能。聚酰胺，又名尼龍，如作軸承、齒輪、蝸輪等，具有堅韌、耐磨等特點。酚醛塑料，又名電木，如電話機外殼，插座等。具有耐熱、絕緣的特點。有機玻璃，如作標牌、機殼等。具有良好的透明性。2.橡膠是一種彈性體，具有良好的吸振性和絕緣性。是在橡膠中加入硫磺經(jīng)過硫化處理而成的。常用作車胎的是丁基橡膠。3.陶瓷由粘土粉碎成型燒結而成。具有硬度高、耐高溫、抗氧化和腐蝕的特點。4.復合材料由兩種以上不同組織結構的材料組合而成。如鋁塑板作建筑裝飾，鋁塑管作冷熱水管，碳纖維作眼鏡架。練習題一．判斷題1×2√3×4×5×6×7√8√9√10×11√12×13×14√15×16×17×18√19×20×21√22√23√1.硬度高的材料強度一定高。(×)2.韌性是指金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。(√)3.金屬材料的壓力加工性能取決于材料的強度。()4.可鍛鑄鐵可以進行鍛壓加工。()5.強度是指材料在交變載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。()6.金屬材料的硬度越高，零件的壽命就越長。()7.洛氏硬度是目前應用最廣泛的硬度試驗方法。()8.正火與退火基本目的相同，但正火冷卻速度快，所得的組織更細密，強度硬度高。()9.滲碳的目的是使低碳鋼的表面含碳量增加，使淬火后獲得較高的硬度。()10.常把淬火和中溫回火相結合的熱處理稱為調質。()11.隨含碳量的增加，鋼的強度硬度增大，塑性韌性降低；當含碳量超過0.9%時，鋼的強度下降。()12.退火和正火工序應按排在機械加工過程中的粗加工后，精加工前。()13.鋼中存在硅、錳、硫、磷等雜質元素，它們都是有害元素。（）14．球墨鑄鐵有較好的力學性能，可替代鋼生產(chǎn)一些零件。（）15．鑄鐵的力學性能特點是硬、脆，都不能產(chǎn)生塑性變形。（）16．淬透性越好的鋼淬火后的硬度越高。（）17．鋼熱處理的目的是提高工件的強度和硬度。（）18．H70表示含銅量為70%的黃銅。（）19．軸承合金有很高的硬度，因此耐磨性好。（）20．包裝用的塑料屬于工程塑料。（）21．一般陶瓷材料有高的硬度但質脆。（）22．滾珠軸承鋼有高的碳含量，它屬于結構鋼。（）23．軸類零適合用中碳鋼制造，在調質狀態(tài)下使用。（）二選擇題1.45鋼的含碳量是()A．0.045%B.0.45%C.4.5%2.退火是將鋼加熱到一定的溫度以后，再在（）中冷卻的熱處過程。A.空氣B.水C.油D.加熱爐3.鑄鐵的牌號為HT300，它表示此鑄鐵是（）A.灰鑄鐵B.可鍛鑄鐵C.球墨鑄鐵D.合金鑄佚4.對于重要機械零件都要進行調質處理，它適應（）A.中碳鋼B.低碳鋼C.高碳鋼D.高速鋼5.金屬材料在外力的作用下成表現(xiàn)的各種性能叫金屬材料的（）A.材料性能B.機械性能C.塑性性能D.使用性能6．Q215-B.F是一種（）質量的鋼。A.普通B.優(yōu)質C.高級優(yōu)質7.改善低碳鋼的切削加工性，通常采用（）A.正火B(yǎng).完全退火C.淬火8.飛機在使用規(guī)定時間后，為保證飛機的安全，必須強制退役，這是考慮到強度對零件()的影響。A.接觸強度B.疲勞強度C.擠壓強度9.普通、優(yōu)質和高級優(yōu)質碳鋼是按（）A.含C量分類B.S、P含量分類C.Si、Mn含量分類10.灰口鑄鋼中石墨以（）存在。A.片狀B.團絮狀C.棒狀11.鑄鐵是含碳（）的鐵碳合金。A.0.77%B.2.1%C.大于2.1%小于6.9%12.下列三種鋼材中（）鋼的硬度最大。A.T10B.20鋼C.65Mn13．對于經(jīng)淬火熱處理的刀具，如鋸條，其硬度應當采用（）指標來表示。A.HBB.HRCC.HV14．T13A鋼是一種（）鋼。A.低碳B.中碳C.高碳15．T8鋼的碳含量為（）。A.0.08%B.0.8%C.8%16．下列鑄鐵中（）力學性能最好。A.灰鑄鐵B.可鍛鑄鐵C.球墨鑄鐵17．下列鋼中（）是鑄造用鋼。A.40GrB.ZG40GrC.GGr1518．生產(chǎn)要承受重載荷的軸類零件的毛坯，要采用（）。A.鑄鐵毛坯B.鑄鋼毛坯C.鍛造毛坯19．降低工件的硬度，改善切削加工性能采用的熱處理是（）。A.退火或正火B(yǎng).