2018年機械專業(yè)基礎與實務指導書

1、2018年機械專業(yè)基礎與實務（中級）指導書（精編版）»第一部分工程制圖與公差配合工程圖是設計工程師用以表達機械結構設計意圖的語言和工具。它由制圖標準規(guī)范和一些符號、畫法規(guī)則組成。工程制圖的一般規(guī)定圖框，即圖紙的規(guī)格尺寸，由圖紙是否需要裝訂和圖紙幅面的5927小確定。優(yōu)先采用的圖紙幅面是：A0,A1,A2,A3,A4,A5.11-1圖紙幅面尺寸（mm）幽R號A0A1A2A3A4A5山翼II的W4X841麗映2,震420110X297FS乂2沛一望裝訂地主u252$152$2525二密裝iT噴曲如期M收三01010555_不，¥噌訂之工一酒：IA所下20劉010不K1.1-2圖

2、統(tǒng)的型式和施用困線組式現寬工敏定用怪二畿b一N史的麻縹出如二泄統(tǒng)FI判制尺寸度設尺q用筑,打一跳般就甌心下7；曲3m它力味，a而堆螺毆的普眸及曲位的由副%”不眥陶發(fā)加的連琥.3:H收，成妍彼分布露相阿里索途4.紋.尊的息口附覆處灼電界就.林辭和剖桃妁分界鼓JvW為國3新翼處的a弁戰(zhàn)爭.玨不因見輪鄰線，不可見過渡線點點加!BM!.!*的媳軸戰(zhàn)、時稱山心筐、軌跡段、節(jié)圓及節(jié)稅坦盧劃線r特殊處求刑4我去布的走東雄只小翅黑廠.三-iwa&工rm-aji妁出3櫛加班助零件的輪b線.段跟位置的輪也山、好*;的輪席跑章里拓圖中刮成出的艷雌、試驗或工出目始構（曜鼻上不存支】的輪廓遇，微患投影輪右線.中

3、能線粗線寬度b應按圖的大小和復雜程度，在2mm之間選擇b的推薦系列為、1、2mm。«Lt-3推薦的圖樣比例原依比傭.:有小比例IT：1U1:2X1tSXIO*!t1Xiff_放大怔優(yōu)?I2:15MH廣I工Ml*二I1x11/1K，產品名笄或材料插記共7.5第張張irt4wIJ_用母代號圖IJ-3標題欄珞式y(tǒng)代寸新標準規(guī)定，標題欄中的文字方向為看圖的方向，即圖樣中標注尺寸、符號及說明均以標題欄的文字方向為準。第一視角和第三視角視圖兩種畫法的主要區(qū)別在于視圖的配置關系不同。就耀割七規(guī)再前夜圖主世圖左旗圖在視府雙松哥一張工程圖中，一般都包含3個基本內容：標題欄、基本視圖、技術要求。*1J-

4、4剖面符號及畫法線 八 電抑變壓器卬電同出W的送綱片2砂、用必,.粉刺冷金.孫必*【*'*”:工F 7 *7閥蹺刀外,硬硬企企片北鼓舉及供股察用W芙飽透曬材%修紜再翻而木忖心加j1）零件圖中，如剖面線為金屬材料，剖面線畫成45。平行線，而且在各視圖中應方向一致、間隔相等。在裝配圖中，相鄰兩金屬零件的剖面線方向相反或方向相同但間隔不同；還要注意在各視圖中同一零件的剖面線方向仍相同。2）零件圖中可用涂色代替剖面線，但標準中規(guī)定涂色僅能用于零件圖而不可用于裝配圖。3）對于狹小面積的剖面，當在圖中的寬度小于或等于2mm時，可以用涂黑代替剖面線。機械、液壓、氣動系統(tǒng)圖的示意畫法表12/部分常用機

5、械零、部件的篇化制法、符號（示例）二戶.荷圖利號也明名瑞IH.1符號說明4、1輛承史L_E潸厘軸承石一城動岫承Q巧3H'I1蕭耍”明皮到變初學三角皮帶0囪反帶一平反需二，同步誨然帶理札普通統(tǒng)在廠"1漆珠理杠士K:J!Ml出圓柱齒輪傳動f百輪固定在版上）翩螂蝴結產1嘴輪在角1涓次變速時m寓合器1-碳惠育霹11-M:*jet"蝸整蝸村作動凸輪-E23-昵U輪c惟齒輪傳動©平面色輪表122皆路，接口和接頭的筒化囪法及符號（示例）用途式兜號含義笆號乎意得-程揖或符號含義符號示意附管略聯接管路1二二算"二不望職搭裝置0受其管群隼聿幫裝置99菜件管蹄i,*.

6、_，快捉治妥京灣中向用&園1I放工裝置連鰻放氣J_寄作言附-fcw4-間斷放氣JL再恚蔚單向放氣±三遁警表12.3常用液壓氣動元件簡化畫法及符號（示例）名榭【KH七婀也示例書軾票設速超潮壓峙達定量式*變量式液用加，氣M電磁網率周能"二*名株前化但法抑律耳*停:S轅淹做7 也lLL.壬乙|UUR港前眼 Fl；l年同同能認識、繪制機械、液壓、氣動系統(tǒng)的原理圖，并能運用原理圖進行方案設計和分析。尺寸、公差、配合與形位公差標注基孔制配合是基本偏差為一定的孔的公差帶，選擇改變軸的公差帶獲得所需配合（狀態(tài)）的一種裝配制度?；S制配合是基本偏差為一定的軸的公差帶，選擇改變孔的公差

7、帶獲得所需配合（狀態(tài)）的另一種裝配制度。根據GB/T規(guī)定，標準公差采用國際標準公差代號IT表示。標準公差等級分為01,0,1,2,3,18共20級，分別標記為IT01,，IT18.標準推薦，基孔制的間隙配合、軸的基本偏差用a,b,c,d,e,f,g,h;過渡配合用js,k,m,n;過盈配合用p,r,s,t,u,v,x,y,z。零件單一實際要素（指構成零件幾何特征實際存在的點、線、面）形狀所允許的變動全量稱為形狀公差。關聯實際要素（指對其他要素有功能關系的實際要素）的位置對基準所允許的變動全量稱為位置公差。形狀和位置公差簡稱為形位公差。表153形位公今特征符號分斐溪0有或無氈灌呼求甘爽域U符號書

8、或尤茲盛蒙求訝線度無定向平行度一有睜瘩平面度a五事宜度±有公差'狀3U度0無除耕度Z春圓桿度無1定<«也置度擊有或無網線輪廓度有故無向劃（同心】S©_有或輪世時機空有俅置廊面輪豳度有視無跳感跳動7.百差全跳劭U有XL5-4破測要素、范準要素及其他酎加符號說明說明符號1說碣符號說明符號碳刺夔素的:注直接包容要求-Q地尊公茂密0用字玲A景文實體尊求自山狀態(tài)，【旭機性零件】條件Q瑤推魄索的標注2果小孌體字求0基準目標的標注一中嘩一要拿產理電正碣尺寸,S_表1氐5標注后侵4府:薄UjIEI標"另舟規(guī)定,公爰帝室度方向即分豺 定方向i圖G或筆謫于讖制

9、要素方向（圖 。：對于圜度1公差帶的意度是形成而間 心居的半植方向.公差值就加在"力”或Tf©二則公無帝汨宛樣凈或球形一個表而有同一看僧的公差悟或索晡.H示方法見圖f .用同一公差慚拉概被惻 式前府，充示方法見用g 1非在公差格 恪上注明“具面” A ,共安當指向實際表面時，箭頭町置于帶點的 荼芝技.匕詒點推在實際表同h i國仙 當公翱及釉-旺戰(zhàn)平國也南帝尺寸包 案盤定的或時*帶簫炙的指弓I蝴與尺寸 統(tǒng)的延代嵬欣T （ffi b. 0當公差排設輪牌稅或表面時，構箭去世 下翟索的坨郛蛇或沿線手但也猶4尺J 嫉明艮分開I/ o ru表而粗糙度指已加工表面波距在lmm以下的微觀幾

10、何形狀誤差。表面粗糙度由加工過程中的殘留面積、塑性變形、積屑瘤、鱗刺以及工藝系統(tǒng)的高頻振動等原因造成。同一表面粗糙度值Ry>Rz>Ra,且Ry值約為Ra值白8倍。一般表面粗糙度標注優(yōu)先采用Ra值。表L6J新老表面粗陋度對照看（相當于）登曲粗精度數值&50用3口Aa0,8癡。4品g楞畛：原表也光精度V3V4守6守79GO尺寸鏈是在零件加工或機器裝配過程中，由相互聯接的尺寸形成的封閉尺寸組。按尺鏈的形成和應用場合，尺寸鏈可分為工藝尺寸鏈和裝配尺寸鏈。在零件加工過程中，由同零件有關工序尺寸所形成的尺寸鏈，稱為工藝尺寸鏈。在機器設計和裝配過程中由有關零設計尺寸所形成的尺寸鏈，稱為裝

11、配尺寸鏈。按尺寸鏈各環(huán)的幾何特征和所處空間位置，尺寸鏈可分為直線尺寸鏈、角度尺寸鏈、面尺寸鏈和空間尺寸鏈。第二部分工程材料金屬材料金屬材料的主要性能包括工藝性能和使用性能。工藝性能是指金屬材料使用某種工藝方法進行加工的難易程度。使用性能是指金屬材料在正常工作條件下所表現出來的力學性能、物理性能和化學性能。力學性能是指材料在外力作用下表現出來的性能。其主要指標有硬度、強度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。材料的力學性能主要取決于材料的組分和晶體結構。硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度是材料的重要力學性能指標。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強度越高，塑性變形抗力越大，硬

12、度值也越高。硬度和其他力學性能之間存在一定關系。金屬材料的布氏硬度HBS與抗拉強度erb在一定硬度范圍內存在線性關系，即bb=KHB§鋼鐵材料和鋁合金K值約為，銅及銅合盆約為。根據洛式硬度換算bb=-+XHRG對于刀具、冷成型模具和粘著磨損或磨粒磨損失效的零件，其磨損抗力和材料的硬度成正比，硬度是決定耐磨性的主要性能指標。對于承受接觸疲勞載荷的零件如齒輪、滾動軸承等，在一定硬度范圍內提高硬度對減輕麻點剝落是有效的。用硬度作為控制材料性能的指標時，必須對熱處理工藝作出明確的規(guī)定，設計零件時在圖樣上除注明材料外，還必須注明熱處理技術條件和熱處理后達到的硬度（硬度應有一定范圍，一般波動為5

13、個HR。生產中常用的硬度測試方法有布氏（HB）硬度測試法、洛氏（HR）硬度試驗方法和維氏（HV）硬度試驗方法三種（HS-肖氏硬度）。（一）布氏硬度試驗法布氏硬度試驗法是用一直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球作為壓頭，在載荷P（kgf或N）的作用下壓入被測試金屬表面，保持一定時間t后卸載，測量金屬表面形成的壓痕直徑d,以壓痕的單位面積所承受的平均壓力作為被測金屬的布氏硬度值。布氏硬度指標有HBS和HBW,前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調質鋼及鑄鐵、有色金屬等；后者壓頭為硬質合金，適用于布氏硬度值為450650的金屬材料，如淬火鋼等。布氏硬度試驗特別適

14、用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或組成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火和調質后的硬度。試驗數據穩(wěn)定，重復性強。檢測布氏硬度時，檢測面應是光滑的，表面粗糙度一般為Ra口，試樣厚度至少應為壓痕直徑的10倍。試驗時，壓痕中心應距試樣邊緣4d,當材料硬度35HBS時應為6do相鄰兩個壓痕之間的間隔必須大于壓痕直徑的3倍以上。布氏硬度測試法，因壓痕較大，故不宜測試成品件或薄片金屬的硬度。（二）洛氏硬度試驗法洛式硬度是以測量壓痕深度來表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗法是用一錐頂角為120。的金剛石圓錐體或直徑為（1/16英寸）的淬火鋼球為壓頭，以一定的載荷壓入被測試金屬材料表面，根據壓痕深度可直接在

15、洛氏硬度計的指示盤上讀出硬度值。常用的洛氏硬度指標有HRA、HRB和HRC三種。表2.11洛式硬度弧驗的標尺.試嗡規(guī)范及延用三月符號生頭類型棚盤岐度翅國迸忠舉例AHKA僉陽后宜姓段圓合金，硬化營煙假、表虐薄層硬比鉤RHRR內居鋼球孤注洌，蝌含金、我.蠹計必期就鐵HRC全網而限作U71如-7小淬火柜、鬲晚社語則-最光體可鍛距優(yōu)洛氏硬度測試，操作迅速、簡便，且壓痕小不損傷工件表面，故適于成品檢驗，熱處理質量檢驗。缺點是壓痕小，代表性差，所測硬度值重復性差，分散度較大。常用于檢查淬火后的硬度。（二）維氏硬度試驗法維氏硬度試驗的壓頭是兩對面夾角“為136。的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗力F的作用下，將試

16、樣表面壓出一個四方錐形的壓痕，經一定保持時間后，卸除試驗力，測量出壓痕對角線平均長度d,用以計算壓痕的表面積A。1）金屬維氏硬度試驗方法。試驗力范圍為，共分六級，主要用于測定較大工件和較深表面層的硬度。2）金屬小負荷維氏硬度試驗方法。試驗力范圍為，共分七級，主要用于測定較薄工件和具有較淺硬化層零件的表面硬度，也可測表面硬化零件的表層硬度梯度或硬化層深度。3）金屬顯微硬度試驗方法。試驗力范圍為X10-3，共分五級，主要用于測量微小件，極薄件以及具有極薄的表面層的硬度以及合金中組成相的硬度。維氏硬度不僅試驗力可任意選取，而且壓痕測量精度高，硬度值準確。缺點是硬度值需通過測量壓痕對角線長度后進行計算

17、或查表，效率較低。其他還有努氏硬度（HK）試驗，它是一種顯微硬度的試驗方法，對表面淬硬層或鍍層，滲層等薄層區(qū)域的硬度測定以及截面上的硬度分布的測定較為方便；肖氏硬度（HS）試驗也是一種動載荷試驗法（也稱回跳硬度），較為方便，可在現場測量大型工件的硬度，其缺點是硬度測量精度較低；里氏硬度（HL）試驗法，是一種新型的反彈式硬度測量方法，便于攜帶，常用于測量大型鑄鍛件、永久組裝部件等、精度較高，可自動轉換成洛式硬度、布氏硬度、里氏硬度或肖氏硬度，并可直接打印出測量結果，被測表面的粗糙度應達到Ra=2m,表面清潔，不得有油污，被測零件的重量100g,厚度5mm,硬化層深度。習題1.材料的基本力學性能主

18、要包括哪此內容答：力學性能主要指標有硬度、強度、塑性、韌性等。硬度：制造業(yè)中，通常采用壓入法測量材料的硬度，按試驗方法不同，分有布氏硬度（HB）、洛式硬度（HR）、維氏硬度（HV）,表達材料表面抵抗外物壓入的能力。布氏硬度（HB）是用一定載荷將淬火鋼球壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸載，測得表面壓痕的面積后，計算出單位面積承受的壓力，為布氏硬度值（HB），單位是kgf/mm2,通常不標注；布氏硬度（HB）測試法一般用于HB<450。洛氏硬度（HR）以壓痕深淺表示材料的硬度。洛式硬度有三種標尺，分別記為HRA、HRB和HRC,采用不同的壓頭和載荷。生產中按測試材料不同，進行選擇，有色金屬和正

19、火鋼，選用HRB，淬火鋼選用HRC；硬質合金、表面處理的高硬層選用HRA進行測量。維氏硬度（HV）根據單位壓痕表面積承受的壓力定義硬度值，壓頭為錐角136度金鋼石角錐體，載荷根據測試進行選擇，適用對象普遍。肖氏硬度（HS）是回跳式硬度，定義為一定重量的具有金鋼石圓頭和鋼球的標準沖頭從一定高度落下，得到的回跳高度與下落高度的比值，適用于大型工件的表面硬度測量。強度：常用的強度指標為屈服強度bs,通過拉伸試驗確定，定義為材料開始產生塑性變形的應力，其大小表達材料抵抗塑性變形的能力，大多數金屬材料在拉伸時沒有明顯的屈服現象，因此將試樣產生%塑性變形時的應力值，作為屈服強度指標，稱為條件屈服強度，用b

20、表示。抗拉強度bb是材料產生最大均勻變形的應力。bb對設計塑性低的材料如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的零件具有直接意義。設計時以抗拉強度確定許用應力，即。=bb/K（K為安全系數）。塑性：通過拉伸試驗確定塑性指標，包括伸長率（8）和斷面收縮率（W）,分別定義為斷裂后試樣的長度相對伸長和截面積的相對收縮，單位是。它們是材料產生塑性變形重新分布而減小應力集中的能力的度量。8和W值愈大則塑性愈好，金屬材料具有一定的塑性是進行塑性加工的必要條件。塑性還可以提高零件工作的可靠性，防止零件突然斷裂。韌性：沖擊韌度指標ak或Ak表示在有缺口時材料在沖擊載荷下斷裂時塑性變形的能力及所吸

21、收的功，反映了應力集中和復雜應力狀態(tài)下材料的塑性，而且對溫度很敏感，單位為kgf-m/cm2。8和少數值大小只能表示在單向拉伸應力狀態(tài)下的塑性，不能表示復雜應力狀態(tài)下的塑性，即不能反映應力集中、工作溫度、零件尺寸對零件斷裂強度的影響，因此不能可靠地避免零件脆斷。標準件廠在螺栓或螺釘成品檢驗時都必須隨機抽樣對螺栓或螺釘實物進行偏斜拉伸試驗。沖擊韌度指標ak或Ak、表征在有缺口時材料塑性變形的能力，反映了應力集中和復雜應力狀態(tài)下材料的塑性，而且對溫度很敏感，正好彌補了8和3的不足。在設計中對于脆斷是主要危險的零件，沖擊韌度是判斷材料脆斷抗力的重要性能指標。其缺點是ak或Ak不能定量地用于設計，只能

22、憑經驗提出對沖擊韌度值的要求。若過分追求高的ak值，結果會造成零件笨重和材料浪費。尤其對于中低強度材料制造的大型零件和高強度材料制造的焊接構件，由于其中存在冶金缺陷和焊接裂紋，此時，僅以沖擊韌度值已不能評定零件脆斷傾向的大小。應當指出，在沖擊載荷作用下工作的零件，實際承受的載荷是小能量多次重復沖擊，這與ak值的實驗條件不同，因此材料承受小能量多次重復沖擊的能力主要決定于強度，而無需過高的沖擊韌度。材料經受無數次重復交變應力作用而不致引起斷裂的最大應力，此種應力稱為疲勞強度，用（T-1表示彎曲疲勞強度。試驗規(guī)范規(guī)定：鋼的循環(huán)次數以107為基數，非鐵合金或某些超高強度鋼取108為基數。疲勞斷裂的原

23、因是由于材料內部缺陷，表面?zhèn)奂霸诠ぷ髦辛慵植繎?，導致微裂紋的產生。這些微裂紋在交變應力作用下，隨循環(huán)次數增加而逐漸擴展，使零件有效截面減小，從而導致突然斷裂。為了提高零件的疲勞強度，在設計時可通過改變零件結構的形狀，避免應力集中。加工時改善表面粗糙度，采取表面處理、滾壓和噴丸等措施，以提高材料的疲勞強度。習題5.常用材料硬度的測定法有哪三種它們主要適應于檢驗什么材料答：（1）硬度（HB）測定法：布氏硬度測定是用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質合金球為壓頭，測量壓痕球形面積A（mm2）。布氏硬度（HB）就是t驗力F除以壓痕球形面積A所得的商。布氏硬度試驗特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具

24、有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火和調質后的硬度。（2）洛式硬度（HR）試驗：洛式硬度是以測量壓痕深度來表示材料的硬度值。洛式硬度試驗所用的壓頭有兩種。一種是圓錐角a=120。的金鋼石圓錐體；另一種是一定直徑的小淬火鋼球。常的三種洛式硬度如表所示。洛氏硬度試驗常用于檢查淬火后的硬度。應用舉例標尺符號壓頭類型總試驗力F（N）測量硬度范圍A HRA 金鋼石圓錐B HRB 鋼球C HRC 鋼金石圓錐22-88硬質合金、表面薄層硬化鋼20-100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵147120-70淬火鋼、高硬鑄件、珠光體可鍛鑄鐵（3）維氏硬度（HV）試驗：維氏硬度試驗適用于常規(guī)材料，其壓頭

25、是兩對面夾角a=136。的金鋼石四棱錐體。測量出壓痕對角線平均長度并計算壓痕的表面積A (mm2),得到 HV= + d2。強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強度指標一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符號為叫單位為MPa。工程中常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是指金屬材料在外力作用下，產生屈服現象時的應力，或開始出現塑性變形時的最低應力值，用bs表示。抗拉強度是指金屬材料在拉力的作用下，被拉斷前所能承受的最大應力值，用bb表示。對于大多數機械零件，工作時不允許產生塑性變形，所以屈服強度是零件強度設計的依據；對于因斷裂而失效的零件，而用抗拉強度作為其強度設計的依據

26、。從圖可看出，鋼在低于彈性極限be的應力下，應力和應變成正比，服從虎克定律，即b=EE稱為線彈性變形，式中E為拉伸楊式模量。顯然比例極限（Tp是應力和應變成正比的最大應力，而彈性極限be則是不產生塑性變形的最大應力。當應力超過彈性極限be后，在繼續(xù)發(fā)生彈性變形的同時，開始發(fā)生塑性變形并出現屈服現象，即外力不增加，但變形繼續(xù)進行。顯然，屈服極限b是材料開始產生塑性變形的應力。當應力超過屈服極限bs后，隨著應力增加，塑性變形逐漸增加，并伴隨加工硬化，即塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行，產生均勻塑性變形，直至應力達到抗拉強度bb后均勻塑性變形階段結束，試樣開始產生不均勻集中塑性變形，產生縮頸，變

27、形量迅速增大至K點而發(fā)2.M 低蹂鈉的應力-質淮胎線生斷裂。顯然，抗拉強度（Tb是材料產生最大均勻變形的應力，而b s是強度設計中應用最多的性能指標,設計中規(guī)定零件工作應力（7必須小于許用應力b。即斷裂強度bK則是材料發(fā)生斷裂的應力。除低碳鋼外，正火、調質態(tài)的中碳鋼或低、中碳合金鋼和有些鋁合金及某些高分子材料也具有上述類似的應力一應變行為。sK安全系數。K按此式計算材料的屈服強度bs愈高，承載能力愈大，零件的壽命越長。實際上不能一概而論。對于純剪或純拉伸的零件，例如螺栓，bs可直接作為設計的依據，并取K=；對于承受交變接觸應力的零件，由于表面經熱處理強化（滲碳、滲氮、感應加熱淬火），疲勞裂紋多

28、發(fā)生在表面硬化層和心部交界處，因而適當提高零件心部屈服強度對提高接觸疲勞性能有利；對于低應力脆斷零件，其承載能力已不是由材料的屈服強度來控制，而是決定于材料的韌性，此時應適當降低材料屈服強度；對于承受彎曲和扭轉的軸類零件，由于工作應力表層最高，心部趨于零，因此只要求一定的淬硬層深度，對于零件心部的屈服強度不需過高的要求。需要指出的是大多數金屬材料在拉伸時沒有明顯的屈服現象，因此將試樣產生塑性變形時的應力值，作為屈服強度指標，稱為條件屈服強度，用b表示。抗拉強度對設計塑性低的材料如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的零件具有直接意義。設計時以抗拉強度確定許用應力，即bs=bb/

29、K。而對于塑性材料制作的零件，bb雖然在設計中沒有直接意義，但由于大多數斷裂事故都是由疲勞斷裂引起的，疲勞強度b-1與抗拉強度bb有一定關系。對于鋼，當bb<1400MPa時，（T-1/（Tb=；對于灰鑄鐵（T-1/（Tb=；有色金屬（T-1/（Tb=。通常以抗拉強度來衡量材料疲勞強度的高低，提高材料的抗拉強度對零件抵抗高周疲勞斷裂有利。此外，抗拉強度對材料的成分和組織很敏感。兩種材料的成分或熱處理工藝不同，有時盡管硬度相同，但抗拉強度不同，因此可用抗拉強度作為兩種不同材料或同一種材料兩種不同熱處理狀態(tài)的性能比較標準，這樣可以彌補硬度作為檢驗標準的不足之處。習題2.設計中的許用應力b與材

30、料的強度有何關系如何確定設計中的許用應力答：設計中規(guī)定零件工作應力b必須小于許用應力打，即屈服強度除以安全系數的值bWb=bs+K,式中K安全系數，。b對設計塑性低的材料，如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的具有直接意義。設計時以抗拉強度bb確定許用應力，即b=（rb+K（K為安全系數）。彈性模量（E）（等于彈性應力，即彈性模量是產生100%彈性變形所需的應力）剛度是指零件在受力時抵抗彈性變形的能力。工程中彈性模量E被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值愈大，則在相同應力下產生的彈性變形就愈小。設計彈性零件必須考慮彈性極限和彈性模量。金屬材料的主要物理性能有密

31、度、熔點、熱膨脹性、導電性、導熱性、磁性等。導熱差的材料，在經熱處理或鍛壓工藝加工的加熱速度應緩慢些，以防止產生裂紋。金屬材料的化學性能是指金屬及合金在常溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力。金屬材料的工藝性能包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、機械加工性能和熱處理工藝性能。晶體中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)則作周期性的重復排列；非晶體中的這些質點，則是雜亂無章的堆積在一起無規(guī)則可循。這就是晶體和非晶體的根本區(qū)別。晶體有一定的熔點且性能呈各向異性，而非晶體與此相反。在自然界中，除普通玻璃、松香、石蠟等少數物質以外，包括金屬和合金在內的絕大多數固體都是晶體。最典型、最常見的三種晶體

32、結構類型：體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構。晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。最常見的點缺陷是空位和間隙原子，因為這些點缺陷的存在，會使其周圍的晶格發(fā)生畸變，引起性能的變化。晶體中晶格空位和間隙原子都處在不斷地運動和變化之中，晶格空位和間隙原子的運動是金屬中原子擴散的主要方式之一，這對熱處理過程起著重要的作用。晶體中的線缺陷通常是各種類型的位錯。所謂位錯就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現象。位錯密度愈大，塑性變形抗力愈大。因此，目前通過塑性變形，提高位錯密度，是強化金屬的有效途徑之一。面缺陷即晶界和亞晶界。晶界實際上是不同位向晶粒之間原子無規(guī)則排列的過渡

33、層。晶粒內部的晶格位向也不是完全一致的，每個晶粒皆是有許多位向差很小的小晶塊互相鑲嵌而成的，這些小晶塊稱為亞組織。亞組織之間的邊界稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所形成的小角度晶界。晶界和亞晶界處表現出有較高的強度和硬度。晶粒越細小晶界和亞晶界越多，它對塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強度、硬度越高。晶界還有耐蝕性低、熔點低，原子擴散速度較快的特點。晶粒越細，金屬材料的強度和硬度便越高。對于在較低溫度下使用的金屬材料，一般總是希望獲得細小的晶粒。在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程叫做結晶。而一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)的轉變則稱

34、為凝固。每種金屬都有一個平衡結晶溫度，也稱理論結晶溫度。只有金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度才能結晶，這種現象稱為過冷現象，理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度。因此認為：金屬要結晶就必須有過冷度，即過冷度是結晶的必要條件，冷卻速度愈快，則過冷度愈大。生產中，細化晶粒的方法如下：1。增加過冷度。結晶時增加過冷度AT會使結晶后晶粒變細。增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻轉變速度。實際生產中常常是采用降低鑄型溫度和采用導熱系數較大的金屬鑄型來提高冷卻速度。但是，對大型鑄件，很難獲得大的過冷度，而且太大的冷卻速度，又增加了鑄件變形與開裂的傾向。因此工業(yè)生產中多用變質處理方法細化晶粒。2）變質

35、處理。變質處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細小的難熔的物質（變質劑），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒顯著細化。如往鋼液中加入鈦、鋯、鋁等。3）附加振動。金屬結晶時，利用機械振動、超聲波振動，電磁振動等方法，既可使正在生長的枝晶熔斷成碎晶而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。純金屬在固態(tài)下的轉變有兩種，一種是同素異晶轉變，一種是磁性轉變。純鐵的同素異晶轉變是：15381394c時為體心立方晶格稱8-Fe；在1394912c時為面心立方晶格，稱丫-Fe；在912c以下時為體心立方晶格，稱“-Fe。晶格改變，其性能隨之變化，這就是鋼能利用熱處理方法改變性能的原因所在。

36、面心立方結構的金屬塑性最好，可加工成極薄的金屬箔，體心立方結構的金屬塑性次之，密封六方結構的金屬塑性最差。具有同素異晶轉變的金屬有鐵、錫、鈦、錳等。磁性轉變與同素異晶轉變有著原則上的區(qū)別，不發(fā)生晶格類型轉變，而是發(fā)生磁性和無磁性的轉變。鐵、鉆、鎳均具有磁性轉變特性。純鐵的磁性轉變溫度為768，低于768的鐵才具有磁性。合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質。相是指合金中成分、結構均相同的組成部分，相與相之間具有明顯的界面。通常把合金中相的晶體結構稱為相結構，而把在金相顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形貌特征的組成部分總稱為組織。所以合金中的各種相是組成合金的基本單

37、元，而合金組織則是合金中各種相的綜合體。一種合金的力學性能不僅取決于它的化學成分，更取決于它的顯微組織。通過對金屬的熱處理可以在不改變其化學成分的前提下而改變其顯微組織，從而達到調整金屬材料力學性能的目的。根據構成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物、機械混合物三大類。合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。根據溶質原子在溶劑晶格中所占據位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。置換固溶體如銅饃二元合金，鐵碳合金中，鐵素體和奧氏體皆為

38、間隙固溶體。由于溶質原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元，又因它具有一定的金屬性質，故稱金屬化合物。如碳鋼中的FaC、黃銅中的CuZn等。金屬化合物具有復雜的晶體結構，熔點較高、硬度高、而脆性大、電阻高。當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度及耐磨性明顯提高，這一現象稱為彌散強化。因此金屬化合物在合金中常作為強化相存在。它是許多合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。機械混合物具有比單一固溶體更高的硬度、

39、強度、耐磨性和良好的切削加工性，但其塑性和抗蝕性較差,如錫、睇、銅組成的軸承合金。tire.CM心”注幅位1A1227t.6. MlMH0.U1Fe-F&C相圖（鐵碳合金相圖）相圖中各主要點的溫度、碳的質量分數及意義如表一1所示。點的符號提理計80廠含碳量嗎含義A1538Q純鈦的焙點C11484.3共晶點D12276.69演磁體的熔點霹11陰2.11碳在奧氏體中的最大溶解度G9120（7-Fc彳二J-&同案碎而轉變:點P7270.02碳生鐵素體中的最大溶醉度S7270.77共析點0室爆0.00081碳在鐵素體中的溶解度一、鐵碳合金中的基本相鐵碳合金相圖實際上是Fe-FC相圖，鐵

40、碳合金的基本組元也應該是純鐵和FesCo鐵存在著同素異晶轉變，即在固態(tài)下有不同的結構。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體，Fe-Fe3c相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于a-Fe和丫-Fe晶格中的孔隙特點不同，因而兩者的溶碳能力也不同。1,鐵素體（ferrite）鐵素體是碳在a-Fe中的間隙固溶體，用符號"F"（或a）表示，體心立方晶格；鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。鐵素體的力學性能特點是塑性，韌性好，而強度，硬度低。8=30%50%,Aku=128160J,b=180280MPa,5080HBSo鐵素體的顯微組織與純鐵相同，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后

41、，在顯微鏡下呈現明亮的多邊形等軸晶粒，在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布，但當含碳量接近共析成分時，鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網狀分布在珠光體的周圍。2,奧氏體（Austenite）奧氏體是碳在丫-Fe中的間隙固溶體，用符號"A"（或丫）表示，面心立方晶格；雖然FCC的間隙總體積較小，但單個間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有（1148C時），727c時為%。在一般情況下，奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為7271394C,故奧氏體的硬度低，塑性較高，通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工，如鍛造，熱軋等時，都應將其加熱成奧氏體狀態(tài)，所謂“趁熱打鐵”正是這個意思。db=400

42、MPa,170220HBS,8=40%50%。另外奧氏體還有一個重要的性能，就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場的零件或部件。奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有攣晶存在。3,滲碳體（Cementite）滲碳體是鐵和碳形成的具有復雜結構的金屬化合物，用化學分子式"Fe3C"表示。它的碳質量分數Wc=%,熔點為1227C,質硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。滲碳體是鋼中的強化相，根據生成條件不同滲碳體有條狀，網狀，片狀，粒狀等形態(tài)，它們的大小，數量，分布對鐵碳合金性能有很大影響?？偨Y：在鐵碳合金中

43、一共有三個相，即鐵素體，奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相，就是鐵素體和滲碳體。由于鐵素體中的含碳量非常少，所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點是十分重要的。鐵碳合金在固態(tài)下的幾種基本組織：鐵素體（F）、珠光體（P）、滲碳體（Fe3Q、奧氏體（A）和萊氏體（Ld）。鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C,Fe2C,FeC等，有實用意義并被深入研究的只是Fe-FeC部分，通常稱其為Fe-FC相圖，此時相圖的組元為Fe和Fe3C。由于實際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分軸從。所謂的鐵碳合金相圖實際上就是Fe-Fe3C相圖

44、。二、鐵碳合金相圖分析1鐵碳相圖分析Fe-Fe3C相圖看起平比較復雜，但它仍然是由一些基本相圖組成的，我們可以將Fe-Fe3C相圖分成上下兩個部分來分析。1,上半部分共晶轉變在1148C,%C的液相發(fā)生共晶轉變：Lc1148jE+FesC,轉變的產物稱為萊氏體，用符號Ld表示。存在于1148c727c之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示，組織由奧氏體和滲碳體組成；存在于727c以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號Ld，表示，組織由滲碳體和珠光體組成。低溫萊氏體是由珠光體，Fe3Cn和共晶Fe3c組成的機械混合物。經4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察，其中珠光體呈黑色顆粒狀或

45、短棒狀分布在Fe3c基體上，Fe3Cn和共晶FesC交織在一起，一般無法分辨。2,下半部分一一共析轉變在727C,%的奧氏體發(fā)生共析轉變：丫s727：一葉Fe3C,轉變的產物稱為珠光體。共析轉變與共晶轉變的區(qū)別是轉變物是固體而非液體。3,相圖中的一些特征點相圖中應該掌握的特征點有：A,D,E,C,G（A3點），S（A1點），它們的含義一定要搞清楚。4,鐵碳相圖中的特性線相圖中的一些線應該掌握的線有：ECF線，PSK線（A1線），GS線（A3線），ES線（Acm線）水平線ECF為共晶反應線。碳質量分數在-%之間的鐵碳合金，在平衡結晶過程中均發(fā)生共晶反應。水平線PSK為共析反應線。碳質量分數為%的

46、鐵碳合金，在平衡結晶過程中均發(fā)生共析反應。PSK線亦稱Ai線。水平線HJB為包晶轉變線。Lb+8h1495c/入GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線，通常稱A線。ES線是碳在A中的溶解度曲線（固溶線），通常叫做Acm線。由于在1148c時A中溶碳量最大可達%,而在727c時僅為,因此碳質量分數大于的鐵碳合金自1148c冷至727c的過程中，將從A中析出FC。析出的滲碳體稱為二次滲碳體（FesQi）。Acm線亦為從A中開始析出F-Q的臨界溫度線。PQ線是碳在F中溶解度曲線（固溶線）。在727c時F中溶碳量最大可達%,室溫時僅為%,因此碳質量分數大于的鐵碳合金自727c冷至室溫的過程中，

47、將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體（FmOii）。PQ線亦為從F中開始析出Fe3C川的臨界溫度線。FesOii數量極少，往往予以忽略。例根據鐵碳合金相圖分析亞共析鋼的結晶過程及組織轉變解以含碳量Wc為的合金為例。當液相冷卻至BC線時，液相中開始析出奧氏體晶粒，在溫度不斷下降過程中。奧氏體量不斷增加，當溫度降到JE線時，液相全部變?yōu)閱我痪鶆驃W氏體。在溫度為JE線與GS線之間時仍為奧氏體。當冷卻到GS線時，奧氏體中開始析出鐵素體。隨著溫度不斷降低，鐵素體量逐漸增多，奧氏體量逐漸減少。當溫度降到A1線（727C）時，奧氏體的含碳量Wc升至則發(fā)生共析反應而轉變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻至室溫合金

48、的組織為鐵素體和珠光體。所有的亞共析鋼，其室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成的，不同之處在于鐵素體和珠光體的相對量不同。含碳量愈高，組織中珠光體量愈多，而鐵素體量愈少。因此，可根據亞共析鋼緩冷下的室溫組織估計其碳含量Wc=SpX%。式中Wc一鋼中C的質量分數；Sp-珠光體在顯微組織中所占的面積百分比；珠光體的C的質量分數。三、含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響1 .含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響按杠桿定律計算，可總結出含碳量與鐵碳合金室溫時的組織組成物和相組成物間的定量關系。當碳的質量分數增高時，不僅其組織中的滲碳體數量增加，而且滲碳體的分布和形態(tài)發(fā)生如下變化：Fe3Qi（沿鐵素體晶界分布的薄片狀

49、）共卅Fe3c（分布在鐵素體內白層片狀）碗1（沿奧氏體晶界分布的網狀）共指+e3c（為萊氏體的基體）Fe3Cr（分布在萊氏體上的粗大片狀）。2 .含碳量對機械性能的影響滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強度越高，塑性和韌性越低；但當滲碳體分布在晶界或作為基體存在時，則材料的塑性和韌性大為下降，且強度也隨之降低。低碳鋼的組織多為鐵素體，強度、硬度較低，而塑性、韌性很高。隨著含碳量的增加，鋼的組織中鐵素體量不斷減少，而珠光體量不斷增加，導致強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，當鋼的含碳量增加至時，其組織大多數為珠光體，且有尚未成為網狀的滲碳體作為強化相，使其強度達到最大值。當Wc>%時，

50、由于網狀F6Q出現，導致鋼的強度下降。為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強度、硬度和適宜的塑性、韌性，其Wc一般不超過1%。3 .含碳量對工藝性能的影響對切削加工性來說，一般認為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過高或過低，都會降低其切削加工性能。對可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時，塑性好、強度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態(tài)下進行。鍛造時必須根據鐵碳相圖確定合適的溫度，始軋和始鍛溫度不能過高，以免產生過燒；始軋和始鍛溫度也不能過低，以免產生裂紋。對鑄造性來說，鑄鐵的流動性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結晶溫度低

51、，流動性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來講，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造性能越差。一般而言，含碳量越低，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。習題3.簡述低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼的劃分標準及其各自的性能特點。答：低碳鋼（Wc為）,若零件要求塑性、韌性好，焊接性能好，例如建筑結構、容器等，應選用低碳鋼；中碳鋼（Wc為），若零件要求強度、塑性、韌性都較好，具有綜合機械性能，便如軸類零件，應選用中碳鋼；高碳鋼（Wc為%）,若零件要求強度硬度高、耐磨性好，例如工具等，應選用高碳鋼。習題4.簡述鐵碳相圖的應用。（1）為選材提供成份依據Fe-Fe3c相圖描述了鐵碳合金

52、的平衡組織隨碳的質量分數的變化規(guī)律，合金性能和碳的質量分數關系，這就可以根據零件性能要求來選擇不同成份的鐵碳合金。（2）為制訂熱加工工藝提供依據Fe-Fe3c相圖總結了不同成份的鐵碳合金在緩慢冷卻時組織隨溫度變化的規(guī)律，這就為制訂熱加工工藝提供了依據。a.鑄造根據Fe-Fe3c相圖可以找出不同成份的鋼或鑄鐵的熔點，確定鑄造溫度。根據相圖中液相線和固相線之間的距離估計鑄造性能的好壞，距離越小，鑄造性能越好，例如純鐵、共晶成分或接近共晶成分的鑄鐵鑄造性能比鑄鋼好。因此，共晶成分的鑄鐵常用來澆注鑄件，其流動性好，分散縮孔小，顯微偏析少。b.鍛造根據Fe-Fe3C相圖可以確定鍛造溫度。始軋和始鍛溫度不

53、能過高，以免鋼材氧化嚴重和發(fā)生奧氏體晶界熔化（稱為過燒）。一般控制在固相線以下100200C。一般對亞共析鋼的終軋和終鍛溫度控制在稍高于GS線（A3線）；過共析鋼控制在稍高于PSK線（Ai線）。實際生產中各處碳鋼的始鍛和始軋溫度為11501250C,終軋和終鍛溫度為750850C。c.焊接由焊縫到母材在焊接過程中處于不同溫度條件，因而整個焊縫區(qū)出現不同組織，引起性能不均勻，可根據相圖來分析碳鋼的焊接組織，并用適當熱處理方法來減輕或消除組織不均勻性和焊接應力。d.熱處理熱處理的加熱溫度都以相圖上的臨界點Ai、A3、Acm為依據。由相圖可知，任何成分的鋼加熱到Ai溫度以上時，都會發(fā)生珠光體向奧氏體

54、的轉變。將共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼分別加熱到Ai、A3、Acm以上時，都完全轉變?yōu)閱蜗鄪W氏體，通常把這種加熱轉變稱為奧氏體化。顯然加熱的目的就是為了使鋼獲得奧氏體組織，并利用加熱規(guī)范控制奧氏體晶粒大小。鋼只有處于奧氏體狀況才能通過不同的冷卻方式使其轉變?yōu)椴煌慕M織，從而獲得所需要的性能。拉力試驗是用來測定金屬材料的強度、塑性。金屬材料試驗機可以做抗拉試驗，還可進行彎曲、壓縮、伸長率、斷面收縮率等項目的試驗。材料的抗拉強度（bb）按下式計算：b-FbA0式中后一試樣拉斷前承受的最大外力（N）。A。一試樣原始橫截面積（mm2）°為了測定材料在受拉力狀態(tài)下對缺口的敏感程度，還可做缺口拉伸試驗。對于在服役條件下承受附加彎曲的零件如螺栓等，必要時做缺口偏斜拉伸試驗。缺口偏斜拉伸試驗是在試驗機的拉伸夾具中加一個帶一定斜度的墊圈，常用的偏斜角為4?；?。，相應的缺口強度標記為4n或8bN。