机械制造基础学习总结超详细版(3)
机械制造基础学习总结（超详细版）
以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。钢铁材料适用范围广阔的原因，首先在于可用的成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁，在此范围内合金的相结构和微观组织都发生很大的变化;另外，还在于可采用各种热加工工艺，尤其金属热处理技术，大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。 铁碳合金中合金相的形成，与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态：912℃以下为体心立方晶体结构：称α-Fe;912～1394℃为面心立方晶体结构，称γ-Fe;1394～1538℃(熔点)，又呈体心立方，称δ-Fe。在液态，在低于7%碳范围，碳和铁可完全互溶;在固态，碳在铁中的溶解是有限的，并且溶解度取决于铁(溶剂)的晶体结构。与铁的三种同素异构物相对应，碳在铁中形成的固溶体有三种：α固溶体(铁素体)、γ固溶体(奥
氏体)和δ固溶体(8铁素体)。这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超过2.11%;碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218%;而在δ6-Fe中不超过0.09%。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态(石墨)存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C(渗碳体，6.69%C)是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。
工业上获得广泛应用的碳钢和铸铁就是铁碳合金，含碳低于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳高于2.11%的合金称为铸铁。在碳钢和铸铁中除碳之外，还含有硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等一些杂质，这些杂质是在冶炼过程中由生铁、脱氧剂和燃料等带入的。这些杂质对钢铁性能产生影响。
碳钢一般按含碳量、用途、质量和冶炼方法分类。按含碳量可分为：低碳钢(C具钢两大类;按钢的质量可分为：普通碳素钢(S≤0.055%，P≤0.45%)，优质碳素钢(S、P≤0.04%)和高级优质碳素钢(s≤0.030%，P≤0.035%)三大类;按冶炼方法可分为沸腾钢和镇静钢、半镇静钢。
根据碳在铸铁中存在的形式不同铸铁可分为：白口铸铁：绝大部分碳以渗碳体形式存在于铸铁中;灰口铸铁：绝大部分碳以片状石墨形式存在;可锻铸铁：由白口铸铁经石墨化退火制成，其中碳以团絮状石墨形式存在;球墨铸铁：在浇注前经球化处理，碳以球状或团状石墨存在。
1.4常用工程材料
1.4.1常用工程材料分类(一)金属材料
金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分：低压有源滤波>石墨密封圈
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1.黑金属材料：铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)。2.有金属材料：黑金属以外的所有金属及其合金。
应用最广的是黑金属。以铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90.0%以上。黑金属材料的工程性能比较优越，价格也较便宜，是最重要的工程金属材料。有金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、稀土金属和碱土金属。
它们是重要的有特殊用途的材料。(二)非金属材料
非金属材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀(酸)非金属材料和陶瓷材料等。(三)高分子材料
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高分子材料为有机合成材料，也称聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性和重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：塑料、橡胶、合成纤维。(四)复合材料
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复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能是其它单质材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。[1]1.4.2常用金属材料
碳钢的牌号和用途(1)碳素结构钢
用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。如：Q275，表示屈
服点为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即S、P含量不同。A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235-AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。
碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255和Q275钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。
(2)优质碳素结构钢
优质碳素结构钢牌号由二位数字，或数字与特征符号组成。以二位数字表示平均碳的质量分数(以万分之几计)。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”，镇静钢一般不标符号。较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均碳的质量分数的数字后面加锰元素符号。例如：WC=0.50%，WMn=0.70～1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”。高级优质碳素
结构钢，在牌号后加符号“A”，特级优质碳素结构钢在牌号后加符号“E”。优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。一般都要经过热处理以提高机械性能，根据碳的质量分数不同，有不同的用途，08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等;15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等;30、35、40、45、50钢经热处理(淬火+高温回火)后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件;55、60、65钢热处理(淬火+高温回火)后具有高的弹性极限，常用作弹簧。
(3)碳素工具钢
这类钢的牌号是由代表碳的符号“T”与数字组成，其中数字表示钢中平均碳的质量分数(以千分之几计)。对于较高含锰或高级优质碳素工具钢，牌号尾部表示同优质碳素结构钢。例如T12钢，表示WC=1.2%的碳素工具钢。
碳素工具钢生产成本较低，加工性能良好，可用于制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具、量具等。在使用前要进行热处理(淬火+低温回火)。常用牌号有T7、T8，用于制
造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等;T9、T10、T11用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条等;T12、T13钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。
(4)铸造碳钢
许多形状复杂的零件，很难通过锻压等方法加工成形，用铸铁时性能双难以满足需要，此时常用铸钢铸造获取铸钢件，所以，铸造碳钢在机械制造尤其是重型机械制造业中应用非常广泛。
铸钢的牌号有两种表示方法：以强度表示的铸钢牌号，是由铸钢代号“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字代表最低屈服点，第二组数字代表最低抗拉强度值。例如ZG200-400，表示不小于200MPa，不小于400MPa;另一种用化学成分表示的牌号在此不作介绍。
铸造碳铸钢碳的质量分数，一般WC=0.15～0.60%范围内，过高则塑性差，易产生裂纹。
铸钢的铸造性能比铸铁差，主要表现在铸钢流动性差，凝固时收缩比大且易产生偏析等方面。
1.5钢的热处理
1.钢的退火
将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力;同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。2.钢的正火
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