机械制造基础(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：周正元

出版社：东南大学出版社

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机械制造基础试读：

前言

市场经济的迅猛发展，对我国的高等职业技术教育提出了更高的要求。如何在两到三年时间内培养出适应生产、技术、管理、服务一线急需的高技能应用型人才成为当务之急。由于职业教育的特点，理论教学时数的压缩成为必然。但如何在有限的学时内使学生掌握机械制造过程中必备的基本理论知识和基本技能，为后续学习以及走上工作岗位后的持续发展打下坚实的基础，是许多从事高等职业教育工作者正在探讨的问题。

为了适应我院国家级示范性高等职业院校建设及教学改革不断深入的需要，根据机械类专业或以机械为主的机电工程类专业培养目标的要求，本编写组对机械基础类课程及相关教学环节进行了积极的改革探索，将机电类专业基础课程教材整合为《机械制图与计算机绘图》《机械设计基础》及《机械制造基础》三本书。本书在高职机电类专业教学改革实践基础上，对传统的机械制造工艺、工程材料、公差与测量技术、机床夹具等多门课程进行整合，结合多年的教学和工程实践经验编写而成。本教材具有如下特点：（1）宽而精练。根据国家教材规划中对职业教育的少学时、宽内容的要求，全书参考学时为84～92学时。在内容安排上，既注重全面，尽量涉及机械制造所需各方面知识，又在具体知识点选取上以“必需”与“够用”为度精练、重组，满足不同专业需求。（2）注重应用。以工程应用与实践的实际需求为导向，删除了一些理论性较强的计算与公式推导，列举了较多的工程实例，由浅入深，由简到繁，贴近实际应用；列举了较多的与机械制造有关的图表、标准以及应用图例，以便查找使用。（3）服务教学。每章开头都制定了本章教学目标，末尾都对章节中的重要知识点进行小结，便于复习，每章都对应相关知识点编写了相应贴近工程实践的习题和实训与实验项目。（4）同步更新。一方面在形式上对国家标准有更新的新材料牌号、新形位公差标注方式、新的表面粗糙度标注方式都采用新国标，另一方面在内容上对相关制造技术有进步和提高的，也进行同步更新，基本体现出现代机械制造技术的总体水平。（5）表面处理。表面处理技术是机械零件制造过程中必不可少的一道工序，而几乎所有机械设计与制造教材都不涉及这部分内容。本书在介绍表面热处理技术的基础上，又将表面涂镀技术和表面转化膜技术概括介绍，弥补了该类技术的不足。

参加本书编写工作的有：常州信息职业技术学院周正元（编写

绪论

由于编者水平有限，加之时间仓促，尽管已经为本书的编写做出了巨大的努力，但仍难免有不妥乃至错误之处，欢迎同行专家和读者批评指正。编者2015年8月绪论

1．机械制造工业及其在国民经济中的地位

机械制造是将制造资源（物料、能源、设备工具、资金、技术、信息和人力），通过制造过程，转化为可供人们使用或利用的工业品或生活消费品的过程。

社会生产的各行各业，如航空航天、电力电子、交通运输、轻纺食品、农牧机械乃至人们的日常生活中，都使用着各种各样的机器、机械、仪器和工具，它们的品种、数量和性能极大地影响着这些行业的生产能力、质量水平及经济效益等。这些机器、机械、仪器和工具统称为机械装备，它们的大部分构件都是一些具有一定形状和尺寸的金属零件。能够生产这些零件并将其装配成机械装备的工业，称之为机械制造工业。显然，机械制造工业的主要任务，就是向国民经济的各行各业提供先进的机械装备。因此，机械制造工业是国民经济发展的重要基础和有力支柱，其规模和水平是反映国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

2．机械制造技术国内外状况

近年来，随着现代科学技术的发展，特别是微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，机械制造工业的各方面都已发生了深刻的变革。一方面以提高加工效率、加工精度为特点，向纵深方向发展，如特种加工、快速成形技术、高速加工技术、超精密加工技术等，加工精度达纳米级（0.001 μm），切削钢的速度超过3000 m/min；另一方面，以机械制造与设计一体化、机械制造与管理一体化为特征，向综合方向发展，如CAD/CAE/CAM一体化技术、制造资源计划MRPⅡ、敏捷制造等。

我国的机械制造工业经过60多年的发展，特别是30多年来的改革开放，我国已经建立了自己独立的、门类齐全的工业体系，机床、汽车、高速铁路、航天航空等技术难度较大的机械制造工业得到快速发展，取得了举世瞩目的成就。中国制造的规模仅次于美国，居世界第二位，预计2025年迈入制造强国行列。但是，与发达国家相比，我国机械制造业从工艺到装备都存在阶段性差距，自主产权的制造技术也有待提高，制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一，中国要从制造大国成为制造强国任重而道远。

3．本课程的性质、主要研究内容、学习要求及学习方法

本课程涵盖了机械制造过程的大部分内容，主要有常用机械工程材料与热处理、零件毛坯的成形方法、机械零件的检测方法、金属切削原理及金属切削条件的合理选择、典型金属切削机床及切削加工、机床夹具基础知识及典型机床夹具、机械加工工艺规程的制定、典型零件的加工及工艺编制、装配的工艺过程及常用机构的装配、先进制造技术与先进生产制造模式等。其任务是使学生掌握机械制造过程中的常用材料、机械零件尺寸和形位误差测量及机械加工的基础知识，了解其基本工艺过程，为学习其他有关课程和从事生产技术工作打下必要的基础。

通过本课程的学习，使学生达到下列基本要求：（1）掌握工程材料和热处理、表面处理的基本知识，具有合理选择常用机械工程材料和热处理、表面处理方法的能力；（2）了解零件毛坯成形方法，具有选用毛坯及成形方法的能力；（3）掌握机械零件的尺寸、形位公差、表面粗糙度的检测方法；（4）掌握金属切削加工原理及加工工艺基本知识，具有选用零件切削加工方法、编制典型零件的机械加工工艺规程、解决机械加工过程中的常见问题的初步能力；（5）了解相关的新材料、新工艺及先进制造技术和先进生产制造模式。

本课程的综合性和实践性很强，涉及的知识面也很广。因此，学生在学习本课程前，一般要进行车削、铣削、磨削加工及钳工等实践环节学习，获得加工制造的感性知识；在学习本课程相关章节时，除了重视其中必要的基本概念、基本理论外，还要通过实物模型、电化教学、现场教学、工厂参观及实训等方式，将理论知识与实际结合，注重实践知识的学习和积累。课程结束后，可通过课程设计环节，提高相关知识的综合应用能力。第1章机械工程材料与热处理

学习目标

1．了解金属材料的力学性能，了解硬质合金和超硬刀具材料，了解零件表面处理方法；3

2．理解Fe-FeC相图及铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系；

3．掌握典型钢铁材料、有色合金材料的牌号、性能、典型用途及其热处理方法。

本章简要介绍金属材料的力学性能，介绍硬质合金和超硬刀具材3料，介绍Fe-FeC相图及铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系。主要介绍钢、合金钢、铸铁、有色金属的牌号、性能、用途及热处理方法。

材料是人类生产和生活所必需的物质基础。工程材料是指工程上使用的材料。按材料的化学成分、结合键的特点分类，可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。由于金属材料具有优良的性能，所以它是目前应用最广的工程材料。

机器的性能和寿命除了取决于机器的结构设计及其使用与维护程度外，还取决于其所用材料的基本性能是否与其使用要求和使用条件相适宜。因此，合理选用材料，正确选定热处理方法，对充分发挥材料的性能潜力、节约材料、降低成本、提高产品质量有着十分重要的意义。1.1金属材料的力学性能

金属材料在各种不同形式的载荷作用下所表现出来的特性叫做力学性能，也称机械性能。在机械制造领域选用材料时，大多以力学性能为主要依据。力学性能的主要指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。1.1.1 强度和塑性

若载荷的大小不变或变动很慢，则称为静载荷。金属材料的强度、塑性是在静载荷作用下测定的。

1）强度

所谓强度，是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗剪强度等，各种强度之间有一定的联系。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。（1）拉伸试样。为了使金属材料的力学性能指标在测试时能排除因试样形状、尺寸的不同而造成的影响，并便于分析比较，试验时应将被测金属材料制成标准试样。图1-1所示为圆形标准拉伸试样。00图中d是试样的直径，l是标距长度。根据标距长度与直径之间的关0000系，试样可分为长试样（l=10d）和短试样（l=5d）。（2）力—伸长曲线。拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力—伸长曲线，也称拉伸图。图1-2是低碳钢的力—伸长曲线。图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长Δl，单位为mm。图1-1 圆形标准拉伸试样图1-2 低碳钢的力—伸长曲线

由图可见，低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段：e

①弹性变形阶段（OE）：当载荷不超过F时，拉伸曲线OE为直线，即试样的伸长量与载荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫弹性变形。e

②塑性变形阶段（ES）：当载荷超过F后，试样将进一步伸长，此时若卸除载荷，变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，s这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变形。当载荷达到F时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，这表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为“屈服”。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。s

③均匀变形阶段（SB）：当载荷超过F后，欲使材料继续变形，必须继续施力。随着塑性变形增大，材料形变抗力不成比例地逐渐增加，这种现象叫形变强化或加工硬化。此阶段试样的变形是均匀发生的。b

④缩颈阶段（BK）：当载荷继续增加到某一最大值F时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面的逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上K点时，试样随即断裂。kF为试样断裂时的载荷。（3）强度指标。强度指标是用应力值来表示的。根据力学原理，试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力（即内力）。单位截面积上的内力，称为应力，用符号σ表示。

从拉伸曲线分析得出，有三个载荷值比较重要：一个是弹性变形es范围内的最大载荷F，第二个是最小屈服载荷F，另一个是最大载荷bF。通过这三个载荷值，可以得出金属材料的三个主要强度指标。e

①弹性极限。是金属材料能保持弹性变形的最大应力，用σ表示，单位MPa。e式中：F——弹性变形范围内的最大载荷（N）；20

S——试样原始横截面积（mm）。s

②屈服强度。是使材料产生屈服现象时的最小应力，用σ表示，单位MPa。s式中：F——使材料产生屈服的最小载荷（N）。

对于低塑性材料或脆性材料，由于屈服现象不明显，因此这类材料的屈服强度常以产生一定的微量塑性变形（一般用变形量为试样长0.2度的0.2%表示）的应力为屈服强度，用σ表示，称为条件屈服强度。即：0.2式中：F——塑性变形量为试样长度的0.2%时的载荷（N）。b

③抗拉强度。试样断裂前所能承受的最大应力，用σ表示，单位MPa。b式中：F——试样断裂前所能承受的最大载荷（N）。sb

20正火钢的屈服强度σ约为245 MPa，抗拉强度σ约为410 sMPa。工程上所用的金属材料，不仅希望其具有较高的σ，还希望其sb具有一定的屈强比（σ/σ）。屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属材料的强度提高，不至于立即断裂；但如果屈强比太小，则材料强度的有效利用率就会太低，一般以0.75左右为宜。

2）塑性

金属发生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率与断面收缩率。（1）伸长率。伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度比值的百分率，用符号δ表示。即：k式中：l——试样拉断时的标距长度（mm）；0

l——试样原始标距长度（mm）。

必须说明，伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样的长短不同，105测得的伸长率是不同的。长、短试样的伸长率分别用δ与δ表示。。10习惯上，δ也常写成δ对于同一材料而言，短试样所测得的伸长率510δ要比长试样所测得的伸长率δ大一些，两者不能直接比较。（2）断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处断面缩小的面积与原始横截面积比值的百分率，用符号ψ表示。即：2k式中：S——试样断裂处的横截面积（mm）；20

S——试样原始横截面积（mm）。

δ和ψ是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性好，故可以进行压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不便进行压力加工，只能进行铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，故能够保证材料不至于因稍有超载而突然破断，这就增加了材料使用的安全性和可靠性。1.1.2 硬度

硬度是指金属表面上局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗压痕划伤的能力。它是金属材料的重要性能之一，也是检验工模具和机械零件质量的一项重要指标。由于测定硬度的实验设备比较简单，操作方便、迅速，又属于无损检测，故在生产中应用都十分广泛。

测定硬度的方法比较多，其中常用的硬度测定法是压入法。它用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的硬度实验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。

1）布氏硬度

布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F，把直径为D的硬质合金球压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测量出压痕的平均直径d，用金属表面压痕的面积S除以载荷所得的商作为布氏硬度值，用符号HBW表示，如图1-3所示。图1-3 布氏硬度测定原理

在实际应用时，布氏硬度值既不用计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径d后，再查压痕直径与布氏硬度对照表即可。其表示方法的书写顺序为：

硬度值+压头符号+压球直径/试验力/保持时间（10～15 s可不标注），例如：

500HBW5/7500 表示用直径φ5 mm的硬质合金球在7500N的载荷作用下保持10～15 s测得的布氏硬度值为500。

布氏硬度压痕面积较大，能较真实地反映材料的平均性能，测量精度较高，常用来测量灰铸铁、有色金属及硬度较小（HBW＜650）的钢材。但因压痕较大，一般布氏硬度不适宜检验成品或薄件。

2）洛氏硬度

当材料的硬度较高或尺寸过小时，需要用洛氏硬度计进行硬度测试。洛氏硬度试验，是用顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588 0mm（1/16″）的淬火钢球作压头，在初试验力F及总试验力F（初试01验力F与主试验力F之和）分别作用下压入金属表面，然后卸除主试10验力F，在初试验力F下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压入0.002 mm为一个硬度单位，用HR表示。

洛氏硬度不用计算，也不用查表，试验时HR值可从硬度计的表盘上直接读出。根据试验时所用的压头和试验力不同，洛氏硬度常采用三种标尺：HRA、HRB和HRC。常用洛氏硬度标度的试验条件和适用范围见表1-1。其中，HRC应用最广。表1-1 常用洛氏硬度标度的试验条件和适用范围

洛氏硬度的表示方法为：硬度值+符号。如58 HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为58。

洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值；测试硬度值范围较大；而且压痕直径小，可测量成品或薄工件。其缺点是精确性较差，硬度值重复性差，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。

3）维氏硬度

维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。所不同的是所用压头为锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，如图1-4所示。试验时在载荷F的作用下，在试样表面上压出一个正方形锥面压痕，测量压痕对角线的平均长度d，借以计算压痕的面积S，以F/S的数值来表示试样的硬度值，用符号HV表示。图1-4 维氏硬度测定原理

由于维氏硬度所用压头为正四棱锥，当载荷改变时，压痕的几何形状恒相似，所以正四棱锥所用载荷可以随意选择（如50 N、100 N、1200N等），而所得到的硬度值是一样的。

维氏硬度表示方法为：硬度值+符号+载荷大小/保持时间（10～15 s不标注）。例如：

640HV300 表示用300 N的载荷保持10～15 s测定的维氏硬度为640。

640HV300/20 表示用300 N的载荷保持20 s测定的维氏硬度为640。

维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰、数值较准确，而且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径的比例关系的约束，也不存在压头变形问题。但是求维氏硬度需要先测量压痕对角线，然后经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不适宜用于成批零件的常规检验。1.1.3 韧性

韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。它主要反映金属抵抗冲击抗力而不断裂的能力。许多机械零件在工作中往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模、锻模、凿岩机零件等。制造这些零件的材料，其性能不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。

金属抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧度。目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理如图1-5所示。

试验时，把按规定制作的标准冲击试样的缺口（脆性材料不开缺口）背向摆锤方向放在冲击试验机上（图1-5（a）），将摆锤（质量1为m）扬起到规定高度H，然后自由落下，将试样冲断。由于惯性，2摆锤冲断试样后会继续上升到某一高度H。根据功能原理可知，摆K12K锤冲断试样所消耗的功A=mg（H-H），单位为J。A常叫做冲击吸K收功，可从冲击试验机上直接读出。用A除以试样缺口处的横截面K积S所得的商即为该材料的冲击韧度值，用符号a表示，单位为焦耳/

22厘米（J/cm）。即：图1-5 一次摆锤冲击弯曲试验原理KUKVK

试样缺口有U和V两种，冲击韧度值分别以a和a表示。A值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较大的塑性变形，断口K呈灰色纤维状；A值越小，材料的冲击韧度越差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽且较为平整。K

一般来说，强度、塑性两者均好的材料，a值也高。材料的冲击韧度除了取决于其化学成分和显微组织外，还与加载速度、温度、试样的表面质量（如缺口、表面粗糙度等）、材料的冶金质量等有关，K加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则α值越低。1.1.4 疲劳强度

有许多机件（如冷冲模、齿轮、弹簧等）是在交变应力（指应力大小、方向或大小和方向都随时间作周期性变化）作用下工作的，零件工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。机件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会被破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳。统计表明，机械零件失效约有80%以上属于疲劳破坏。

金属的疲劳是在交变载荷作用下，经过一定的循环周次后出现的。图1-6是某材料的疲劳曲线，横坐标表示循环周次，纵坐标表示交变应力。从该曲线可以看出，材料承受的交变应力越大，疲劳破坏前能循环工作的周次越少；当循环交变应力减少到某一数值时，曲线接近水平，即表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环也不被破坏。我们把材料在无数次交变载荷作用下也不被破坏的最大应力值称为疲劳强度。通常光滑试样在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳7-1强度用符号σ表示。对钢材来说，当循环次数N达到10周次时，曲7线便呈现水平线，所以我们把经受10周次或更多周次而不被破坏的最大应力定为疲劳强度。对于有色金属，应力循环次数一般需要达到810或更多周次，才能确定其疲劳强度。图1-6 某金属的疲劳曲线

影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等。减少零件表面粗糙度，对其进行表面强化处理，如表面淬火、滚压加工、喷丸处理等，均可提高零件的疲劳强度。1.2铁碳合金的基本成分、组织、性能之间的关系

铁碳合金是以铁和碳为主要组成元素的合金，是现代工业中应用最为广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金在不同的温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。1.2.1 铁碳合金的基本组织

1）合金的基本概念

合金是由一种金属元素加上一种或多种其他元素（金属或非金属）组成的具有金属特性的物质。例如：钢主要是由铁和碳组成的合金，黄铜主要是铜和锌组成的合金。

组成合金的最基本的、独立的物质叫组元。组元在一般情况下是元素，但在所研究范围内既不发生分解，也不发生化学反应的稳定化3合物，也可成为组元，如钢中的FeC。由若干给定组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，构成一个合金系。如含碳量不同的碳钢和生铁构成了“铁碳合金系”。

在金属或合金中，具有相同的物理和化学性质，并与该系统其他部分有界面分开的物质部分，称为相。例如，钢在液态或固态时分别为液相或固相；钢液在结晶过程中则有液相和固相两个相。将金属或合金制成的试样，在金相显微镜下看到的内部各组成相晶粒的大小、方向、形状、排列状况等的构造情况，称为显微组织，简称为组织。它是决定金属材料性能的主要因素。

2）合金的基本组织

合金有三种基本组织：固溶体、金属化合物和机械混合物。（1）固溶体。一个组元的原子均匀地溶入另一个组元的晶体中所形成的晶体称为固溶体。固溶体中，含量较多的元素称为溶剂，含量较少的元素称为溶质。

溶剂晶格中的部分原子被溶质原子所替换而形成的固溶体称为置换固溶体（见图1-7（a））；溶质原子位于溶剂晶格的间隙处而形成的固溶体称为间隙固溶体（见图1-7（b））。这里，为了描述晶体中原子排列的规律，将原子看成一个点，再用假想的线条把各点连接起来得到的空间格子，称为晶格。常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格（见图1-8）。例如，纯铁在室温下为体心立方晶格（称α-Fe），在912℃时转变为面心立方晶格（称γ-Fe）。图1-7 固溶体的类型图1-8 金属晶格的常见类型

由于各种元素的原子大小不一，无论形成置换固溶体还是间隙固溶体，都会使固溶体的晶格发生扭曲（见图1-9），从而使合金塑性变形的阻力变大，表现为固溶体的强度和硬度要比纯金属高。这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象叫固溶强化。铁中溶入碳和合金元素后硬度高于纯铁，普通黄铜强度高于纯铜，就是固溶强化的结果。在实际应用中，固溶强化已成为提高金属强度的主要方法之一。图1-9 固溶体中晶格畸变示意图（2）金属化合物。金属化合物是合金组元间相互作用而形成的一种具有金属特性的固相。金属化合物的晶格类型和性能不同于任一组成组元。其显著特征是硬度高、脆性大、熔点高。在许多合金中，金属化合物作为强化相，可以大大提高合金的强度、硬度和耐磨性。3如铁碳合金中的FeC。（3）机械混合物。由两种或两种以上具有不同晶体结构的相（纯金属、固溶体、金属化合物）机械地混合在一起而得到的组织叫机械混合物。在机械混合物中，各组成相仍保持各自的晶体结构和性能，而整个混合物的性能则取决于各组成相的性能及其形状、数量、大小和分布情况。

3）铁碳合金的基本组织

铁碳合金在液态时可以无限互溶，在固态时碳能溶解于铁的晶体中，形成间隙固溶体。当含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳便与铁33形成金属化合物FeC。此外，还可以形成由固溶体与FeC组成的机械混合物。因此，铁碳合金的基本组织有以下几种。（1）铁素体。碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体保持α-Fe的体心立方晶格，其显微组织如图1-10所示。

碳在α-Fe中的溶解度很小，在727℃时，最大溶解度为0.0218%，而在室温时降低为0.0008%。因此，铁素体的性能与纯铁基本相同，即强度、硬度较低（约50～80 HBW），韧性、塑性好（伸长率δ为30%～50%）。图1-10 铁素体的显微组织图1-11 奥氏体的显微组织（2）奥氏体。碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体保持γ-Fe的面心立方晶格，其显微组织如图1-11所示。

奥氏体的溶碳能力比铁素体大得多。在1148℃时，碳在γ-Fe中的溶解度最大，可达2.11%。随着温度下降，奥氏体的溶碳能力逐渐减小，在727℃时，降至0.77%。奥氏体的强度、硬度不高，塑性韧性良好，其硬度约为170～220 HBW，伸长率δ为40%～50%，是多数钢种在高温下进行压力加工和热处理时要求的组织。（3）渗碳体。渗碳体是铁和碳所形成的具有复杂晶体结构的金3属化合物，用分子式FeC表示。渗碳体的含碳量为6.69%，熔点约为1227 ℃。渗碳体的硬度很高（达800 HBW）、脆性极大，而塑性和韧性很差，几乎为零。一般说来，在铁碳合金中，渗碳体越多，合金就越硬、越脆。例如，在退火状态下，高碳钢由于所含的渗碳体比低碳钢和中碳钢多，所以硬度较高。（4）珠光体。铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫珠光体（也叫共析体），用符号P表示。珠光体中平均含碳量为0.77%。在珠光体中，渗碳体以片状分布在铁素体基体上，其显微组织如图1-12所示。

由于珠光体是铁素体和渗碳体相间组成的机械混合物，所以其力b学性能介于两者之间，有较高的强度（σ约为750 MPa），一定的硬度（180 HBW）、塑性（δ为20%～30%）和韧性。图1-12 珠光体的显微组织图1-13 低温莱氏体的显微组织（5）莱氏体。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫莱氏体（也叫共晶体），用符号Ld表示。莱氏体缓冷到727℃时，其中的奥氏体将转变成珠光体，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。低温莱氏体的显微组织如图1-13所示。

莱氏体因含有大量的渗碳体，故力学性能与渗碳体相近，即硬度高、脆性大。1.2.2 铁碳合金平衡图

铁碳合金平衡图是表示在极其缓慢的加热或冷却条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形。它是表示铁碳合金的成分、温度和组织三者之间在平衡条件（极其缓慢的加热或冷却）下相互关系的图形，是认识铁碳合金性能、正确选用钢铁材料和制定铁碳合金的热加工工艺（如热处理、铸造、锻造）的重要依据。3图1-14 简化的Fe-FeC平衡图C

由于含碳量w＞6.69%的铁碳合金力学性能极差，工业上无实用价值。所以，目前应用的铁碳合金相图只是含碳0%～6.69%的部33分，即以Fe作为一组元，以FeC作为另一组元的Fe-FeC二元合金平3衡图。图1-14为简化的Fe-FeC平衡图。3

1）Fe-FeC平衡图的分析3

Fe-FeC平衡图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分（含碳量）。平衡图中的每个点表示某种成分的铁碳合金在某个温度时的组织、状态或相。3（1）Fe-FeC平衡图的主要特性点。平衡图主要特性点的温度、成分、含义如表1-2所示。3表1-2 Fe-FeC平衡图的主要特性点3（2）Fe-FeC平衡图的主要特性线。

①ACD线——液相线。在此线以上合金处于液体状态，用L表示。冷却时含碳量小于4.3%的合金在AC线开始结晶出奥氏体；大于4.3%3Ⅰ的合金在CD线开始结晶出一次渗碳体FeC。

②AECF线——固相线。在此线下方，铁碳合金全部结晶为固相。其中AE段为钢的固相线。

③ECF线——共晶线，也是生铁的固相线。液态合金冷却到此线都会发生共晶转变，形成莱氏体。

共晶转变是指一定成分的液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变。其转变式为：3

④GS线——A线。它是含碳量小于0.77%的奥氏体和铁素体的相互转变线。在冷却过程中从奥氏体中析出铁素体。cm

⑤ES线——A线。它是碳在γ-Fe中的溶解度曲线，在1148℃时，奥氏体的溶碳能力最大为2.11%，随温度降低，溶解度沿此曲线降低，到727℃时，奥氏体的含碳量为0.77%。在冷却过程中从奥氏体中析3Ⅱ出二次渗碳体FeC。1

⑥P SK线——共析线，又称A线。奥氏体冷却到此线时发生共析转变，形成珠光体。

共析转变是指一定成分的固溶体在恒温下同时结晶出两种新固相的转变。其转变式为：

2）铁碳合金的分类

根据铁碳合金中的含碳量不同，可将铁碳合金分为以下三类：C（1）工业纯铁。其成分在P点的左边，即w＜0.0218%的铁碳合金。在冷却过程中不发生共析转变，室温组织为铁素体。（2）钢。钢的含碳量在P点和E点之间。其中，含碳量在S点的钢称为共析钢；含碳量在S点以左的钢称为亚共析钢；含碳量在S点以右的钢称为过共析钢。C

此外，常根据含碳量把钢分为低碳钢（w＜0.25%）、中碳钢CC（0.25%≤w≤0.6%）和高碳钢（0.6%＜w＜2.11%）。（3）白口铁。白口铁的含碳量大于E点成分。白口铁在冷却过程中都要发生共晶转变，室温组织中都有低温莱氏体。C

白口铁以C点为界又可分为三类：亚共晶白口铁（2.11%＜w＜CC4.3%）、共晶白口铁（w=4.3%）、过共晶白口铁（4.3%＜w＜6.69%）。

3）钢的结晶过程和组织转变（1）钢的结晶过程。钢在AC线以上为液相。冷却到AC线开始结晶出奥氏体。结晶过程中的AC线和AE线之间，液相和奥氏体共存。随着温度下降，液相减少，奥氏体增多。冷却到AE线，结晶完毕。AE线以下，GS和ES线以上，钢的组织为单相奥氏体。（2）钢的组织转变。1

①共析钢的组织转变。共析钢组织在AE线到A线之间为单相奥11氏体，冷却到A线时发生共析转变，形成珠光体。在A线以下，共析钢的组织为珠光体。3

②亚共析钢的组织转变。亚共析钢组织在AE线到A线之间为单3相奥氏体，冷却到A线时开始出现铁素体。随着温度下降，铁素体逐1渐增多，奥氏体逐渐减少。冷却到A线，剩余的奥氏体全部转变为珠1光体。在A线以下，亚共析钢的组织为铁素体和珠光体。亚共析钢中含碳量越高，组织中珠光体越多，铁素体越少。亚共析钢的显微组织如图1-15所示。图1-15 亚共析钢在室温下的平衡组织cm

③过共析钢的组织转变。过共析钢组织在AE线到A线之间为单cm相奥氏体，冷却到A线时开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体。随着1温度下降，二次渗碳体逐渐增多，奥氏体逐渐减少。冷却到A线，剩1余的奥氏体全部转变为珠光体。在A线以下，过共析钢的组织为二次渗碳体和珠光体。过共析钢中含碳量越高，组织中二次渗碳体越多，C珠光体越少。当w＞0.9%后，二次渗碳体呈网状分布。过共析钢的显微组织如图1-16所示。图1-16 过共析钢在室温下的平衡组织1.2.3 钢的成分、组织、性能之间的关系

钢的成分、组织、性能之间有着密切的关系。铁和碳是钢的两个主要元素。在缓慢冷却条件下，碳除了小部分溶入铁形成固溶体外，其余以渗碳体形式存在于合金中。钢的室温组织是由铁素体和渗碳体两个基本相组成，随着含碳量的增加，渗碳体量逐渐增多，而且形状及分布状况亦有变化，使钢的组织和性能发生变化。

1）含碳量对组织的影响

随着含碳量的增加，亚共析钢中珠光体逐渐增多，铁素体逐渐减少；到共析钢时，全部是珠光体组织；含碳量超过0.77%以后，过共析钢中珠光体逐渐减少，逐渐出现少量二次渗碳体。钢的组织按下式变化：

铁素体+珠光体→珠光体→珠光体+二次渗碳体

2）含碳量对钢的性能的影响

含碳量对钢的性能的影响是通过对组织的影响来实现的。钢的性能主要取决于组织中组成相及其相对量。随着含碳量的增加，亚共析钢中珠光体逐渐增多，铁素体逐渐减少，因而钢的强度、硬度上升，b塑性、韧性下降；到共析钢时，全部是珠光体组织，故强度（σ约为750 MPa）、硬度比亚共析钢高，塑性（δ为20%～30%）、韧性则较低；过共析钢随着含碳量的增加，珠光体逐渐减少，二次渗碳体增多，因而强度、硬度升高，塑性、韧性下降。当钢中含碳量大于0.9%时，过共析钢中出现网状渗碳体，钢的强度明显下降，而塑性、韧性C进一步下降。钢的力学性能与w的关系如图1-17所示。

为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并兼有一定的塑性和韧性，所以钢的含碳量一般不超过1.3%～1.4%，且要避免二次渗碳体呈网状分布。C图1-17 钢的力学性能与w的关系1.3钢的热处理

钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。

热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。它可以保证和提高零件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等；可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于各种冷热加工；还可以延长零件的使用寿命，因此是强化材料的重要工艺途径之一。在现代机床工业中，60%～70%的零件要经过热处理；汽车制造业中，60%～70%的零件要经过热处理；而在各种工具、模具制造中，几乎100%都要进行热处理。

根据热处理的目的要求和工艺方法不同，钢的热处理分类如下：

热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的，因此，热处理工艺过程可用以“温度—时间”为坐标的曲线图形表示，如图1-18所示，此曲线称为热处理工艺曲线。1.3.1 钢在加热及冷却时的组织转变

热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本原因是由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，其内部发生了组织与结构变化的结果。

1）钢在加热时的组织转变3

在极其缓慢的加热条件下，钢的组织转变是按Fe-FeC平衡图进13行的，即将共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到临界温度A、A、cmA线就能获得单相奥氏体。但在实际生产中加热速度比较快，相变

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