丝锥折断部分在孔内,可在带方头的断丝锥上旋上两个螺母,...

丝锥折断部分在孔内,可在带方头的断丝锥上旋上两个螺母,... (1) 丝锥折断部分在孔内，可在带方头的断丝锥上旋上两个螺母，钢丝插入断锥和螺母的空槽(丝锥上有几条屑槽就应插入几根钢丝)，然后用扳手反方向旋动，可将断锥取出。钢丝可制成近似屑槽的形状可增加强度。 (2) 自制旋取器取出断锥。方法有两种:一是用钢管制作，取接近螺纹底孔直径的钢管，按断锥屑槽数制作相应数目的短爪，将断锥旋出;二是用弯杆，在头部按屑槽尺寸数目钻出小孔后，插入钢丝，将断锥旋出。 图1.1-48 (3) 将断锥从螺孔中取出来，是一项难度较大而操作时又要非常细心的工作，操作者要有耐性。在上述方法取不出来而又无其他加工方法时，一般情况下，只有将断锥在孔内敲碎取出，这种方法用在M8以上尺寸的丝锥。方法为:将样冲磨细，找准断锥脆弱点，一点一点将断锥敲碎，用划针将碎块挑出，直至全部取出，取法见上图(1.1-48)。操作时要细心，否则将破坏螺孔，造成废品。 (4) 可用火焰将断锥烧退火后用钻头钻掉，但要注意加热温度，不要损伤底孔材料。 攻螺纹时产生废品的原因及防止方法: 废品形式 产 生 原 因 防 止 方 法 1. 底孔太小，丝锥不易切入; 1. 正确选取底孔直径; 2. 头锥攻螺纹时，要找正垂直后再深2. 头锥攻螺纹不正，二锥强行攻螺 攻螺纹; 纹而乱扣; 3. 换二锥时，应使丝锥与头锥攻出的3. 二锥没有对准头锥螺纹孔强行攻 螺纹吻合、对准、对正后再攻; 削; 螺纹乱扣4. 没适当倒转清屑，使已切出螺纹 4. 应及时倒转清屑; 啃伤; 5. 避免使用有损伤的丝锥，及时清 5. 丝锥磨钝、崩齿，刀刃有粘屑; 屑; 6. 手攻螺纹时，两手用力不稳、不6. 两手要用力均匀、不摇摆; 均匀; 7. 根据材料，正确的选用切削液。 7. 切削液选用不当。 1. 底孔直径较大，攻丝时丝锥歪斜晃1. 正确选择底孔尺寸，攻丝时丝锥保 动; 持垂直; 滑扣 2. 工件材料强度较低，丝锥切入后仍2. 对强度低的材料，丝锥切入时力要 施加压力。 适当。 1. 螺纹底孔与端面不垂直; 1. 钻底孔时，要使工件与钻头垂直; 2. 铸件内有较大砂眼; 2. 检查底孔，砂眼大时，处理后再攻 螺孔偏斜 3. 攻丝时，两手用力不均，倾向一侧。螺纹; 3. 要始终保持两手用力均匀，不要摆 动。 0 1. 底孔小，攻丝时用力较大; 1. 按钻出底孔; 2. 攻盲孔时已到底仍然用力; 2. 攻盲孔事先要做好深度标记; 3. 攻韧性材料时，不要用力过猛，操3. 工件材料韧性太大，或操作时精神 丝锥折断 不集中; 作时要精神集中; 4. 没有用切削液，不能及时清屑;4. 选用合适的切削液，及时清屑; 5. 铰杠过大，操作者手感觉不灵敏，5. 选择适当规格的铰杠。 丝锥卡住感觉不到。 1.2.7 套螺纹 1) 套丝工具 (1)板牙 板牙是由碳素工具钢加工并经淬火硬化制成，其结构主要由切削部分、修光(定径)部分、排屑孔组成(图1.1-49)。板牙的种类有圆板牙、可调式圆板牙、方板牙(一般不常见)、活络管子板牙和锥管螺纹板牙，其中常用的为圆板牙和活络管子板牙。圆板牙有粗牙和细牙两类，它们的规格有M1、M1.2、M1.4、M1.6、M2、M2.2、M2.5、M3、M3.5、M4、M5、M6、M7(细)、M8、M9(细)、M10、M12、M14、M16、M18、M20、M24、M27、M30——M48，其规格基本与丝锥配套相匹配。 图1.1-49 (2)板牙架的种类和应用(图1.1-50)板牙架是装夹板牙的工具，它分为圆板牙架、可调板牙架和管子板牙架。 图1.1-50 使用圆板牙架和可调板牙架时，将板牙装入架内，板牙上的锥坑与架上的紧固螺钉要对准，紧固后使用。管子板牙架内可调换装配三组不同规格的活络板牙，可套出直径、螺距不同的管子螺纹。扳动手柄，可使每组的4块板牙同时合拢或张开，以适应切削不同直径的螺纹或调整切削量。组装活络板牙时应注意:每组4块板牙都有顺序标记，按板牙架上的顺序标记依次装上。 2) 套螺纹时圆杆直径的确定 (1)圆杆直径可采用以下公式计算: 1 D=d-0.13t 式中:D为圆杆直径mm;d为螺纹外径mm;t为螺距mm。 (1) 圆杆直径也可用查法确定，见下表: 套螺纹时圆杆直径尺寸 公制螺纹 英制螺纹 管子螺纹 螺丝杆直径/mm 丝杆直径/mm 丝杆直径/mm 纹 螺纹 螺纹螺距 最小直最大直最小直最大直最小直最大直直直径 直径 径 径 径 径 径 径 径 M61 5.8 5.9 1/4 5.96 1/8 9.49.5 M81.25 7.8 7.9 5/16 7.47.6 1/4 12.7 13 M10 1.59.75 9.85 3/8 99.2 3/8 16.2 16.5 M12 1.75 11.75 11.91/2 12 12.2 1/2 20.5 20.8 M14 2 13.7 13.85 5/8 22.522.8 M16 215.7 15.85 5/8 15.2 15.43/4 26 26.3 M18 2.5 17.717.85 7/8 29.8 30.1 M202.5 19.7 19.85 3/4 18.318.5 1 32.833.1 M222.5 21.7 21.85 7/8 21.421.6 11/8 37.4 37.7 M24 3 23.6523.8 124.5 24.8 11/4 41.4 41.7 M27 3 26.6526.8 11/430.7 3113/8 43.8 44.1 M30 3.5 29.8 29.8 11/247.3 47.6 M36435.66 35.83 11/2 37.1 37.3 3) 套螺纹的方法 (1) 套螺纹时应将圆杆端部倒15?,20?角，倒角锥体小头一般应小于螺纹内径，便于起削和找正; (2) 套螺纹时应将圆杆夹持在软钳口内，要夹正、夹牢固，工件不要露出钳口过长; (3) 板牙起削时，要注意检查找正，使板牙与圆杆保持垂直，两手握持板牙架手柄，用力均匀，并适 当加压力，然后按顺时针方向(右旋螺纹)扳动板牙架起削。 (4) 当板牙切入圆杆1,2圈时，再次校正板牙与圆杆的垂直程度;当板牙切入圆杆3,4圈后，应停 止施加的压力，两手均匀地转动板牙架手柄，将螺纹套出; (5) 套螺纹过程中，每转1,2圈后应反转，使切屑断碎以便及时排屑; (6) 应根据圆杆的材料，加适当的切削液，以提高板牙的切削性能、改善螺纹的表面粗糙度。 4) 套螺纹出现废品的原因及防止方法 2 废品产生的原因及防止方法 废品形式 产生原因 防止方法 1. 圆杆直径太大; 1. 选合格的圆杆直径，并端部倒角; 2. 套螺纹时，板牙没有经常反转2. 套螺纹时经常倒转断屑、清屑; 断屑，切屑堵塞，螺纹被咬住; 烂扣 3. 板牙歪斜大，强行找正造成; 3. 在板牙粗找正时，不可强行找正; 4. 板牙刀刃形成了切削瘤，把工4. 根据圆杆材料，正确地选择切削液。 件上的螺纹灼烂。 螺纹歪斜1. 圆杆端部倒角歪出圆杆中心 1. 圆杆端头倒角要找正，套螺纹板牙找 线，使板牙偏斜; 正; 2. 用力不均匀，板牙架歪斜。 2. 套螺纹时，两手用力要均匀，注意检 查板牙架歪斜程度。 1. 板牙切入工件后，仍施加用力; 1. 板牙架切入工件后，只铰动，不施加 2. 板牙架经常上下摆动，螺纹已压力; 螺纹中径 2. 套螺纹开始时应保持板牙架平稳转歪斜，又多次校正。小 动，切削过程中用力均匀，不要摆动。 1. 圆杆直径太小; 1. 正确选用圆杆直径; 2. 板牙螺纹大于标准直径(管子2. 将板牙调整到标准直径。 牙深不够 板牙)。 2 机械基础 2.1 机械制图 2.1.1 基本概念 1) 图纸幅面 标准图纸幅面分为A0、A1、A2、A3、A4五种，各种幅面的具体尺寸如下表1.2-1: 表1.2-1 由表中数据可看出，A0的短边尺寸(841)等于A1的长边尺寸，A0的长边尺寸(1189)为A1的短边尺寸(594)的两倍，所以A0,2A1、同理A1,2A2，其余往下依次类推。当基本幅面不能满足视图的布置时，可用加长幅面，每种图纸的加长幅面是由基本幅面的短边成倍数增加，我们绘制图样时，就优先采用基本幅面。 2) 图纸比例 图纸比例已标准化，表1.2-2为国家标准规定的优先选用和允许选用比例系列，绘制图样时我们尽量选用优先系列。 3 表1.2-2 3) 字体 (1) 写的字体必须做到十六字要求:字体工整、笔画清楚、间隔均匀、排列整齐。 (2) 字体高度h系列有1.8、2.5、3.5、5、7、10、14、20mm等，高度大于20mm的字体，其尺寸按2比率递增，字体的号数即字体的高度。 (3) 机械制图中汉字采用长仿宋体，汉字的高度不应小于3.5mm，宽度一般为h/2。 (4) 用作指数、分数、极限偏差、注脚、尺寸公差上下极限偏差等采用比数字和字母小一号的字体。 4) 线型 制图线型有粗实线、细实线、波浪线、双折线、虚线、细点划线、粗点划线、双点划线等。线宽有粗 1线和细线之分，粗线宽度一般以b表示，细线宽度约为b。在各种线型中，粗实线和粗点划线用粗线表3 示，其余线型用细线表示。 5) 剖面符号 我们在工作中常遇见的剖面线符号有图1.2-,所示三种，其中金属和非金属剖面符号的斜线和水平线的角度一般为45?。 非金属金属硬质合金 图1.2-1 2.1.2 视图分类 1) 投影法 我们常见的投影方法有正投影法、轴测投影法、透视投影法，绘制技术图样时，应以前者为主，后两种投影方法为辅。正投影法中，视图又分为主视图、俯视图、左视图、右视图、仰视图、后视图，前三种视图为我们经常使用。 2) 图样画法 4 机械制图研究的对象是图样，图样画法实际上是一种表达方法，即用图的形式来表达机件的功能要求。在绘制图样时，应使用适当的表达方法，完整、清晰的把机件各部分的形状及结构表示出来，同时还要考虑到看图与制图的方便，以达到信息交流的目的。 根据机件轮廓的特征，表达方法有外形表达方法和内形表达方法两种。 3) 外形表达法 机件外形的表达方法见表1.2-3。 4) 内形表达方法 用上面的外形表达法表示部件的内形也是可以的，但会产生大量的虚线，造成看图的困难，为此我们可用剖切的方法来表达机件的内形。按剖切以后投影与否又可分为剖视与剖面两种方法，这也是内形表达的基本方法，这两种方法分别产生剖视与剖面图。 剖视图:假想用剖切面切开机件，将处在观察者和剖切面之间的部分移去，将剩余部分向投影面投影的方法称为剖视，其所得到的视图称为剖视图。 剖面图:假想用剖切面切开机件，仅画出其截面图形的方法称为剖面，其所得到的图形称为剖面图，剖视图与剖面图的用法见图1.2-2。 表1.2-3 5 图1.2-2 剖切的各种分类方法见下表1.2-4 表1.2-4 6 图1.2-3a 图1.2-3b 7 图1.21-3c 图1.2-3d 2.1.3 常见图样简化画法 常用零件图样的简化画法见下图1.2-4所列: 8 说明规定画法简化画法 零件上的对称结构如 轴套上的键槽的局部 视图，可按左图所示 方法简化绘制。 在不致引起误解时， 对于对称机件，可 只画一半或四分之 一，并在对称中心 线的两端画出两条 与其垂直的平行细 实线。 当回转体零件上的平面 在图形中不能充分表达 时，可用两条相交的细 实线表示这些平面。 若干直径相同且成 规律分布的孔或其 它相同结构，可以 仅画出一个或几个， 其余只需用细点划 线或"+"表示其中 心位置。 图1.2-4 2.2 尺寸配合与公差 2.2.1 尺寸表示方法 物体反映在图样中的各部分实际大小和相对位置关系都由尺寸来确定，而与图形的大小及绘图的准确度无关。因此尺寸是图样中的一个重要内容，是制造和施工的依据。 尺寸分线性尺寸和角度尺寸两种。线性尺寸是指物体某两点之间的距离，如物体的长、宽、高、直径、半径、中心距等。角度尺寸是两相交直线所形成的夹角或两相交平面所形成的两面角中任一正截面的平面角的大小。 1) 基本规则 (1) 尺寸单位 工程制图中尺寸单位国标规定以mm表示，当以mm为单位时，可省略单位，如果其它单位表示时，则必须标明相应的计量单位，不能省略。对于角度则以度、分、秒为单位。 对于某些与特定的符号一起注出的尺寸，应随同该特定符号一起标注而省略单位的代号或名称。如土建工9 程中标高的数值规定以米为单位，但必须与标高符号同时标注，此时不必标注尺寸单位;又如表面粗糙度的高度参数值与代号一起时也不需要标注数值单位“um”。 (2) 最后完工尺寸 图样中所标注的尺寸均为图样所示机件的最后完工尺寸，至于为达到最后完工尺寸的要求，中间经过的各个工序的尺寸与此无关，否则应另加说明。 (3) 不重复标注尺寸 机件的每一尺寸一般只标注一次，并应标注在反映该结构最清晰的图形上。 2) 尺寸注法 图样中标注的尺寸由三个基本要素组成，即:尺寸线、尺寸数字和尺寸界线。一般情况下，数字标注在尺寸线的上方(尺寸线为水平线)或左边(尺寸线为垂直线)，在特殊情况下数字可写在尺寸线的中断处或用引线引出标注。下面为标注尺寸的一些特殊规定: (1) 一般尺寸数值前后不带符号，当有下列几种特例:如表示半径、直径、球半径、球直径时，数值前面分别加R、φ、SR、Sφ等。 (2) 标注孔时，除直径外没有标注其它尺寸，此时应理解为通孔，否则应标注孔深。 (3) 表示角度的数字在任何情况下都必须水平书写。 (4) 尺寸数字不能被任何图线遮挡，当图线与数字出现重叠时各种图线都应断开。 (5) 当尺寸界线与邻近轮廓线很接近时，允许尺寸界线倾斜一个角度以避开轮廓线，但两尺寸界线必须平行。 用极限偏差和公用极限偏差表示用公差代号表示标注方法差代号同时表示 示例 既有配合精度又有公差数值、常用方法、数值直观、配合精度明确、标注说明适用生产规模不确定的情况适用于小批量生产简单、适用大批量生产 图1.2-5 2.2.2 尺公差和形位公差 1) 尺寸公差表示方法 线性尺寸公差有以下三种表示方法见图1.2-5。 2) 尺寸标准公差等级 国标规定尺寸标准公差有20个等级，精度由高到低分别为IT01、IT0、IT1、IT2---------IT18，精度等级越到后面，对应的尺寸公差带越宽。规定公差等级的目的，就是为了方便经济合理的加工配件，精度要求高的零件，就采用高精度等级，对应相对的机加工工艺，而如果零件使用精度要求不高，加工时却采用高的公差等级，则零件的功能过剩，加工成本却大幅上升。值得注意的是，如果图纸上标注公差等级，并不表示没有公差等级，而是要求未注公差，未注公差等级的范围为IT12-IT18，表2.1-4为基本尺寸?500的标准公差数值表。 10 表2.1-4 标准公差数值(基本尺寸?500) 表1-1-5 标准公差数值(基本尺寸?500) 公差等级基本尺寸 (mm)IT01IT0IT1IT2IT3IT4IT5IT6IT7IT8IT9IT10IT11IT12IT13IT14IT15IT16IT17IT18 ?30.30.50.81.22346101425406010014025040060011.4 ,3,60.40.611.52.545812183048751201803004807501.21.8 ,6,100.40.611.52.546915223658901502203605809001.52.2,10,180.50.81.22358111827437011018027043070011001.82.7,18,300.611.52.5469132133528413021033052084013002.13.3,30,500.611.52.5471116253962100160250390620100016002.53.9,50,800.81.2235813193046741201903004607401200190034.6,80,12011.52.546101522355487140220350540870140022003.55.4,120,1801.223.558121825406310016025040063010001600250046.3,180,250234.571014202946721151852904607201150185029004.67.2,250,3152.54681216233252811302103205208101300210032005.28.1,315,40035791318253657891402303605708901400230036005.78.9,400,500468101520274063971552504006309701550250040006.39.7 3) 尺寸公差配合 基本尺寸相同，相互配合的孔和轴公差带之间的关系定义为配合，相配合的基本尺寸称为配合尺寸。公差配合的种类有间隙配合、过渡配合、过盈配合。(见图2.1-6)公差配合的基准制有基孔制和基轴制两种，一般情况下优先采用基孔制。我们工作中常用到的基孔制配合有滚动轴承内孔与轴，基轴制配合有滚最小间隙 动轴承外径与轴承箱内孔。 4) 尺寸公差与配合的术语 最大间隙 在实际工作中，由于尺寸的测量和加工都存在误差，因此在设计和装配图中都不用具体的数值来表示一个尺寸，而用一个尺寸范围来表示，这个尺寸范围的专业术语就叫尺寸公差。尺寸公差的定义就是尺寸最小过盈 允许的变动量，简称公差。从数值上分析，公差等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值，也 最大过盈等于上偏差和下偏差之代数差的绝对值。由于概念较为抽象，需要介绍一下与极限尺寸和偏差相关的一些概念。 最大间隙 极限尺寸是允许尺寸变化的两个界限值，它以基本尺寸为基数来确定。两个界限值中较大的一个称为最大极限尺寸;较小的一个称为最小极限尺寸。 尺寸偏差是指某一尺寸减正其基本尺寸所得的代数差，简称偏差。最大极限尺寸减其基本尺寸所得的 图1-1-9 配合类型及间隙与过盈量计算简图 最大过盈过渡配合间隙配合过盈配合过渡配合1过渡配合2 孔公差带 孔公差带轴公差带最大间隙轴公差带 最大过盈轴公差带孔公差带 轴公差带 孔公差带 图1.2-6 配合类型及间隙与过盈计算简图 11 代数差称为上偏差;最小极限尺寸减其基本尺寸的代数差称为下偏差。上偏差和下偏差统称为极限偏差。 为了形象化的表示公差，我们通常不画出孔和轴的尺寸图形，只放大画出表示上、下偏差的两条水平线所围成的图形，见图1.2-7, 图中表示上、下偏差的两条水平线所限定的区域称为尺寸公差带。 图1-1-10 尺寸公差带 孔公差带标准公差下偏差=基本偏差 下偏差上偏差 零线+0-上偏差=基本偏差 基本尺寸 标准公差轴公差带 图1.2-7 尺寸公差带 公差带是限制尺寸变动量的区域，它由以下两个要素组成: a. 公差带的大小——指公差带在零线垂直方向的高度，它由标准公差确定; b. 公差带的位置——指公差带在沿零线垂直方向的坐标位置，它由基本偏差确定。 标准公差的概念在在上面已介绍过了，什么是基本偏差呢,基本偏差就是用以确定公差带相对于零线位置的上偏差和下偏差，通常为靠近零线的那个偏差(J、JS、j、js除外)。基本偏差的代号用拉丁字母表示，大写的为孔，小写的为轴，各28个，见图1.2-8。 5) 怎样查一个尺寸代号的公差 在我们日常工作中，接触到的经常是尺寸代号如30F8，而不是具体的尺寸范围，那么，怎样才能查找到它所表示的尺寸范围，即上下偏差呢, 第1步:我们先弄清30F8所代表的含义，参照图2.1-7可知，30表示基本尺寸，F表示孔的基本偏差，从图1.2.11可查出F的基本偏差为下偏差，从机械设计手册“孔的基本偏差数值表”中查得尺寸30F8的下偏差为0.025mm。 第2步:30F8的“8”代表公差带的大小，表示的是标准公差等级为8级，从表1.2-8标准公差数值表中查得尺寸“30”8级标准公差数值为0.033mm。 图1.2-8 基本偏差表 12 第3步:计算该尺寸的上下偏差，下偏差已查出为0.025mm，由于基本偏差“F”处于零线的上方，所以上偏差=下偏差+标准公差=0.025+0.033=0.058。 通过以上3个步骤，我们就可知“30F8”表示的就是该尺寸的最大极限尺寸为30.058，最小极限尺寸为30.025。 2.2.3 形位公差 形位公差包括形状公差和位置公差，各项目的符号见下表1.2-5。 表1.2-5 形位公差和尺寸公差在图中的表示方法见图1.2-9，形位公差的其它具体应用可参照相关书籍。 0 技术要求 未注棱角倒钝 图1.2-9 尺寸公差和形状公差标注示意图 2.3 机械传动 2.3.1 齿轮传动 齿轮传动主要是靠轮齿之间的相互啮合来传递运动和动力。 1) 齿轮传动的分类 13 齿轮传动分类见表1.2-6 齿轮传动分类 按轴的布置方式分平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动、交错轴齿轮传动 按齿线相对而言于齿轮母线方向分直齿、斜齿、人字齿、曲线齿 按齿轮传动工作条件分闭式传动、开式传动、半开式传动 按齿廓曲线分渐开线齿、摆线齿、圆弧齿 按齿面硬度分软齿面(?350HB)、硬齿面(?350HB) 表1.2-6: 2) 渐开线圆柱齿轮传动 渐开线圆柱齿轮是应用得最为广泛的一种齿轮传动，而外啮合直齿又是我们接触得最多的，下表1.2-7 外啮合标准直齿、斜齿(人字齿)圆柱齿轮传动几何尺寸计算公式 名称代号直齿轮斜齿轮 模数m或mn 齿数z 压力角α或αα=20?αn=20?n 分度圆直径dd=mzd=mz=mz/cosβtn *齿顶高系数ha *=1ha n*=1h 或ha n*a *径向间隙系数C*=0.25Cn*=0.25C*或Cn 齿顶高hha=ha*m=mha =ha n*mman=n 齿根高hh=(ha *+C*)m=1.25mhf=(ha n*+Cn*)mn=1.25mffn 齿全高hh=h +h=2.25mh=h +h=2.25mafafn 齿顶圆直径dd=d+2h =m(z+2)d=d+2h =m(z+2)aaaaan 齿根圆直径dd=d-2h=m(z-2.5)df=d-2hf=m(z-2.5)fffn 中心距aa=(d+d)/2=m(z+z)/2a=(d1+d2)/2=m(z1+z2)/21212 表1.21-7 我们介绍常用的主要参数和尺寸计算公式: 值得注意的是，如果我们碰到一个直齿或斜齿轮，其尺寸计算不符合上表的公式，则它很可能是变位 齿轮，有关变位齿轮的计算和相关知识，可参考相关的书籍，以便对齿轮有更深一步的了解。 3) 齿轮传动的优缺点: 优点: (1) 瞬时传动比恒定 (2)传动比范围大，可用于减速或增速; (3)速度和传递功率范围大; (4)传动效率高，可达99%以上; (5)结构紧凑，适于近距离传动。 缺点: 14 (1)制造和检修成本高。 (2)精度不高的齿轮传动时有噪声，振动和冲击大，污染环境; (3)无过载保护装置。 (4)不能用于长距离传递动力。 4) 齿轮传动的主要失效形式: (1) 轮齿折断:折断一般发生在齿根部分。折断有两种:一种是由多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断;另一种是短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力一侧。 (2) 齿面接触疲劳磨损(点蚀):点蚀是润滑良好的闭式传动轴常见的失效形式，是由节线附近的齿面接触交变应力引起的。 (3) 齿面胶合:是一种由于齿面间产生粘焊现象面产生的一种比较严重的粘着磨损。 (4) 齿面磨粒磨损:当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤而产生齿面磨粒磨损;外界硬屑落入啮合轮齿间也将产生磨粒磨损。 2.3.2 带传动 带传动的工作原理是利用张紧在带轮上的带，借助它们间的摩擦或啮合，在两轴(或多轴)间传递运动或动力。 1) 带传动的种类 按照剖面形状，带分为平型带(矩形)、V形带(梯形)、圆形带、多楔带、同步带，其中平型带和三角带应用最广，圆型带只能传递很小的功率;多楔带兼有平型带和三角带的优点，传动平稳，结构尺寸小;同步带内侧有齿，与带轮面上的凹槽相嵌合，兼有链传动的优点，传动比准确，轴上压力小，但对制造和安装要求较高。 2) 三角胶带 三角胶带有O、A、B、C、D、E、F七种型号，截面尺寸由小到大递增，它们的楔角都为40?。三角胶带是无端的，每一种型号都有若干种公称长度。由于制造上的原因，通常将胶带的内周长度Li定为公称长度，当我们选用皮带长度时，指的就是这个长度。当三角胶带弯曲时，中性层外侧受拉部分伸长，而中性层内侧受压部分缩短，只有中性层长度不变，所以计算时，将沿中性层量得的长度即基准(节线)长度Ld作为计算长度以方便计算，各种型号胶带的内周长度Li和基准长度Ld的关系可查相关的表格。 3) 皮带传动的优缺点: 优点: 1)能缓和冲击载荷。 2)运行平稳无噪声; 3)制造安装精度要求不高; 4)过载时引起带打滑，可防止其它零件的损坏。 5)适于中心距较大的工作条件。 缺点: 1)有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能保持准确的传动比。 2)传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上的压力都比啮合传动大; 3)带的寿命较短。 4) 三角胶带传动的主要失效形式 1) 带在带轮上打滑，不能传递动力。 2) 带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断。 15 3) 带的工作面磨损。 2.3.3 链传动 链传动是在两个或多个链轮之间用链作为挠性元件的一种啮合传动。 1) 链传动的分类 链传动主要分为套筒链、套筒滚子链(简称滚子链)、齿形链和成型链，其中套筒链和套筒滚子链应用得最多。 2) 套筒链和套筒滚子链 套筒滚子链的构造见图1.2-10，它是由内链板、外链板、销轴、套筒、滚子等所组成。销轴与外链板、套筒与内链板分别用过盈配合固定，滚子与套筒为间隙配合。套筒除没有滚子外，其它结构与滚子链相同， 图2-5-1 套筒滚子链当链节屈伸时，套筒可在销轴上自由转动。 销轴内链板外链板 套筒滚子 图1.2-10套筒滚子链 当套筒链和链轮进入啮合和脱离啮合时，套筒将沿链轮轮齿表面滑动，易于引起轮齿磨损，滚子链则不同，滚子起着变滑动摩擦为滚动摩擦的作用，有利于减小摩擦和磨损。 套筒链结构较简单、重量较轻、价格较便宜，常在低速传动中应用。滚子链较套筒链贵，但使用寿命长，且有减低噪声的作用，故应用很广。 套筒滚子链最重要的参数为滚子直径d和链节距p,这两个参数都已标准化，可根据实测尺寸圆整成标准数据，或根据链许用传动功率和小链轮之间的相互关系从对应图表中查出。 3) 链传动的优缺点: 优点: 和带传动相比 和齿轮传动相比 (1)没有滑动，传动效率稍高; (1)制造和安装要求低。 (2)工况相同时，传动尺寸较紧凑; (2)链轮轮齿受力情况较好，承载能力大; (3)不需要很大张紧力，附加轴上拉力小; (3)有一定缓冲和减振作用; (4)能在温度较高、湿度较大的场合使用; (4)中心距可大而结构轻便。 缺点:(1)不能保持瞬时传动比恒定，高速运转时不如带传动平稳; (2)制造费用比带传动高 (3)工作时有噪声，磨损后易发生跳齿; (4)不适应一受空间限制要求中心距小以及急速反向传动的场合。 (5)只能用于平行轴间的传动。 4) 链传动的主要失效形式 16 (1) 正常润滑的链传动，铰链元件由于疲劳强度不足而破坏; (2) 因铰链链销轴磨损使链节过度伸长(在标准试验条件下允许伸长率为3%)，从而破坏正确啮合和造成脱链现象; (3) 经常起动、反转、制动的链传动，由于过载造成冲击破断; (4) 低速重载的链传动，铰链元件发生静强度破坏; (5) 链轮轮齿磨损等。 2.4 金属材料 2.4.1 工业用钢 1) 钢的分类 钢是经济建设中极为重要的材料，用途非常广泛。为了满足各种使用要求，钢的种类繁多。随着科学技术的发展，新的钢种还不断涌现，要能合理地选用钢材，应了解钢的分类方法。 钢的分类方法很多，主要有以下几种: (1) 按化学成分分类 按化学成分钢分为碳素钢和合金钢两大类。 ? 碳素钢 钢中除铁、碳外，只含有硅、锰、磷、硫，而且硅的含量少于0.4%、锰的含量少于0.8%，这类钢称为碳素钢。钢中的含碳量少于0.25%的称为低碳钢，大于0.6%的称为高碳钢，介于两者之间的称为中碳钢。 ? 合金钢 在碳钢的基础上，还加入了铬、镍、钨、钼、钒、钛、硅(,0.4%)、锰(,0.8%)等元素的钢称为合金钢。当合金元素总量少于5%时称为低合金钢，超过10%的称为高合金钢，介于两者之间的称为中合金钢。 合金钢通常还以所含主要合金元素的名称命名，如锰钢、铬钢、硅锰钢、铬镍钢等。 (2) 按质量等级分类 钢中的磷、硫是有害元素，它们的含量都不允许超过0.05%。按磷、硫的实际含量，把钢分为普通钢(磷、硫均?0.05%)、优质钢(磷、硫均?0.04%)及高级优质钢(磷?0.035%、硫?0.03%)。 (3) 按金相组织分类 ? 按退火组 织分类 分为亚共析钢、共析钢、过共析钢及莱氏体钢。某些高合金钢在铸造状态的金相组织中有莱氏体存在，故称为莱氏体钢。 ? 按空冷组织分类 分为珠光体类、贝氏体类、马氏体类及奥氏体类钢。此外，还有些高合金钢，在固态下只有铁素体组织，称为铁素体钢。 (4) 按用途分类 分为结构钢、工具钢与特殊性能钢三大类。 ? 结构钢 是用于制造各种机器零件及工程结构的钢材。结构钢又可分为普通碳素结构钢、普通低合金钢、优质碳素结构钢、合金结构钢等多种。 ? 工具钢 是用于制造各种刃具、模具及量具的钢材。因此又可分为刃具钢、模具钢及量具钢。按成分可分为碳素工具钢与合金工具钢等多种。 ? 特殊性能钢 是指具有某种特殊物理性能或化学性能的钢，例如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。它们通常都是高合金钢。此外，根据炼钢炉的不同，分为转炉钢、平炉钢及电炉钢;根据炼钢末期脱氧程度的不17 同，分为沸腾钢及镇静钢;根据钢成形方法的不同，分为铸钢、锻钢及轧材等多种。 2.4.2 结构钢 结构钢是品种最多、用途最广、使用量最大的一类钢。按照化学成分，这类钢可分为碳素结构钢和合金结构钢。其中碳素结构钢按照钢的质量和成形方法，又可分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素铸钢三个类别;合金结构钢按照用途和热处理特点，又可分为普通低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切钢六个类别。 1) 碳素结构钢 (1) 普通碳素结构钢 普通碳素结构钢是磷、硫含量较高(P?0.045%，S?0.055%)的碳钢。其产量约占钢总产量的70%，大部分用于工程结构，少部分用于机械零件。 普通碳素结构钢按照供货条件不同分为三类:甲类钢、乙类钢、特类钢。甲类钢是保证机械性能符合国家有关标准的钢;乙类钢是保证化学成分的钢;特类钢是保证机械性能和化学成分。 普通碳素结构钢的钢号一般由四个符号构成。首位符号是汉语拼音字母，表示钢的类别，甲、乙、特类钢分别用A、B、C表示;第二位符号也是汉语拼音字母，表示钢的冶炼方法(平炉钢无此位符号);第三位符号是数字，表示钢的序号，数字越大，钢的含碳量就越高，其强度和硬度也越高，塑性和韧性则越低;第四位符号是汉语拼音字母，表示钢的脱氧制度，F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，无此位符号的钢是镇静钢。沸腾钢冶炼时没有进行脱氧或者只进行了部分脱氧，浇注后钢液会产生沸腾，造成钢的化学成分不均匀。 普通碳素结构钢中，甲类钢的用量最大，应用范围也最广。A1、A2强度低，但塑性高、可焊性好，通常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管或拉制成低碳钢丝(俗称铁丝)，用于制作钉子、铆钉、钢丝网、地脚螺栓、垫圈、炉体部件及其它轻载荷的冲压件及焊接件等;A3、A4有一定的强度和塑性，可焊性好，常轧制成型钢、钢筋、钢管、钢板，用于制作一般金属构件和不重要的机械零件，如桥梁、门窗、支架、压力容器、螺栓、螺母、拉杆、钩、销轴等;A5、A6强度较高，塑性和焊接性能较差，可用于不重要的转轴、心轴、链轮、齿轮、键等;A7强度高，塑性低，可焊性差，可用于制造农机具轴类零件。特类钢一般用于比较重要的零件，但应用较少，多为优质碳素结构钢所替代。 (2) 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是磷、硫含量较低(P?0.04%，S?0.04%)的碳素结构钢。这类钢必须同时保证化学成分和机械性能，冶炼上控制较严。钢的纯洁度、均匀性及表面质量较好，塑性和韧性较高。虽然生产成本高于普通碳素结构钢，但与合金钢相比价格还是低廉的。其产量仅次于普通碳素结构钢。凡是淬透性、强韧性要求不高的较重要的机械零件，一般都可以用这类钢制造。 优质碳素结构钢有普通含锰量和较高含锰量之分。普通含锰量的优质碳素结构钢，含碳量小于0.24%的，含锰量为0.35%,0.65%;含碳量大于0.22%的，含锰量为0.5%,0.8%。其钢号一般由两位数字构成，表示钢的平均含碳量，以0.01%为单位。例如45，平均含碳量为0.45%的普通含锰量的优质碳素结构钢。个别钢号后面标有汉语拼音字母F时，表示该钢是沸腾钢，例如08F、20F。较高含锰量的优质碳素结构钢，含碳量为0.12%,0.65%时，含锰量为0.7%,1.0%;含碳量大于0.62%时，含锰量为0.9%,1.2%。其钢号的表示是在两位数字之后再标上化学元素符号“Mn”，例如15 Mn、45 Mn、70 Mn。较高含锰量的优质碳素结构钢的用途与普通含锰量的优质碳素结构钢基本相同，前者的淬透性和强度高于后者，可制作尺寸稍大或强度要求略高的零件。 (3) 碳素铸钢 18 碳钢铸钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的碳钢。为了防止铸件在内应力作用下因塑性较差而产生裂纹，这类钢的含碳量不超过0.60%。碳素铸钢的牌号由两个汉语拼音字母和两组数字构成，例如ZG310—570。“ZG”系铸钢二字汉语拼音的第一个字母，后面的数字第一组表示钢的屈服强度，第二组表示钢的抗拉强度。 2) 合金结构钢 合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或数种合金元素获得的。常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、B等。 合金结构钢的价格比较高，因此，其用量远比碳素结构钢少。但是，合金结构钢在机械上所起的作用很大，淬透性、强韧性要求高的零件都需要用这类钢制造。 合金结构钢的种类较多，相互之间性能差异很大，应用范围也各不相同。要想比较灵活的应用它们，需掌握其化学成分的特点、所含合金元素的主要作用、性能特点和热处理特点。 合金结构钢的钢号由数字和化学元素符号构成。前面两位数字表示钢的平均含碳量，以万分之一为单位，随后的化学元素符号表示钢中所含合金元素。化学元素后面的数字表示该元素的含量，以百分之一为单位，含量低于1.5%时不标数字。轴承钢为特殊，钢号冠有字母“G”，含碳量不标，铬含量以千分之一为单位。例如:40Cr,60Si2Mn,GCr15等。 (1)普通低合金钢 普通低合金钢是具有较高强度，主要用于工程结构的低合金钢。简称普低钢。 普通低合金钢的含碳量一般不大于0.2%。低碳使这类钢有良好的塑性和可焊性，能够经受冷拉、冷弯、冷卷等变形加工，并能满足大型构件的焊接要求。 大多数普通低合金钢都含有0.8%,1.8%的Mn。Mn是这类钢的主加元素。加入Mn的目的是提高强度。Mn在钢中溶入铁素体，起固溶强化作用。此外，Mn降低钢的A1温度，使共析转变在较低的温度下进行，钢中的珠光体得到细化，钢的强度则相应提高。 普通低合金钢的辅加元素有V、Ti、Nb、Al、Cu、P、Xt等。加入量一般小于0.5%。V、Ti、Nb、Al的主要作用是细化晶粒，进一步提高钢的强度或保持低温韧性。Cu、P 主要是提高钢的抗大气腐蚀能力。Xt可以改善钢的韧性。 3) 渗碳钢 许多零件在工作中既承受强烈的摩擦，又承受较大的冲击载荷。例如汽车的变速齿轮、柴油机的凸轮轴、自行车的链条等。这类零件表层应具有高硬度和高耐磨性，从而减轻零件表面的磨损，延长零件的使用寿命;心部则应有良好的韧性和塑性，以免零件受冲击时发生脆性断裂。如果载荷较大，心部还应有较高的强度。为满足上述“表硬里韧“的性能要求，这类零件须进行渗碳处理，通常统称为渗碳件。主要用来制造渗碳件的钢称为渗碳钢。 (1)渗碳钢的化学成分 渗碳钢的含碳量在0.1%,0.25%之间。含碳量低是为了保证零件心部具有良好的韧性和塑性。即使零件完全淬透，心部得到的是低碳马氏体，仍具有良好的韧性和塑性。零件表层通过渗碳淬火后，得到的是高碳马氏体，则具有高的硬度和耐磨性。 渗碳钢中常加入Si、Mn、Cr、Ni等元素。加入这些合金元素，主要是为了提高钢的淬透性，从而提高零件心部的强韧性。有些薄件或形状复杂的渗碳件，使用淬透性较好的钢，可降低淬火冷却速度，减小淬火应力，避免产生淬火裂纹。 有些渗碳钢还加入V、Ti、Mo、W等元素，主要目的是在高温长时间的渗碳过程中，抑制钢的晶粒长大，以便渗碳后直接淬火。 19 (2)常用渗碳钢 按淬透性和强度高低，渗碳钢可分为四类: ? 低淬透性碳钢 主要有15、20、20 Mn、25 Mn等。其水淬临界直径?15mm，抗拉强度约为500-800N/mm2,只适于制造小截面、轻载荷、形状简单的渗碳件。其中使用较多的是20钢， ? 中淬透性渗碳钢 主要有20 Cr 、20Mn2B、15CrMn、20CrV等。水淬临界直径约为15—40mm， 油淬临界直径为10—25mm，抗拉强度约为800—1000 N/mm2，广泛用于截面尺寸较小，心部强度要求不高的一般中、小型渗碳件。 这类钢应用较多的是20Cr。20Cr与20钢相比较。加入了0.7.%--1.00%的铬，淬透性和强度都明显提高，油淬临界直径为9—20mm，可达850 N/mm2 ? 较高淬透性渗碳钢 这类钢有20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNiMo、20MnVB等。它们的合金元素总量较高，而且几种合金元素起复合作用，因此有较高的淬透性和强度，水淬临界直径约为30—70mm，油淬临界直径约为 15—50mm，。 ? 高淬透性渗碳钢 这类钢有12Cr2Ni4A 、18Cr2Ni4WA 、20Cr2Ni4A等。它们的合金元素含量高，故有很好的淬透性，小尺寸零件在空气中冷却就可淬硬，油淬临界直径为45—200 mm，ζb可达1100—1200N/mm2。主要用于承受重载荷的重要大型零件，曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。 4) 调质钢 各种机械设备上，几乎都有承受动载荷、要求综合机械性能良好的零件。例如车床的主轴，工作时承受较大的扭矩和弯矩，开车、停车及运转过程中的载荷变化和振动，又使其受到冲击，要求既有较高的强度又有较好的韧性。这类零件一般在调质状态下使用，常称为调质件。主要用来制造调质件的钢称为调质钢。 (1) 调质钢的化学成分 调质钢的含碳量一般在0.3%,0.5%之间。碳量过低，钢的强度不够;碳量过高，又会使钢的韧性不足。调质钢中常加入Si、Mn、Cr、Ni等元素。它们在调质钢中所起的主要作用，是提高淬透性。 (2) 常用调质钢 ? 低淬透性调质钢 主要有35、45、45Mn、50Mn等。相对来说，这类钢淬透性差、强度低。水淬临界直径约为10,30mm，油淬临界直径约为5,20mm，调质后ζs的约为300,600N/mm2，ζb约为500,800N/mm2。αk值约为40,100J/cm2，只适用于小尺寸、轻载荷的调质零件。 这类钢最常用的是45钢，其水淬临界直径约为13,17mm，油淬临界直径约为5.5,9mm，调质后ζs为450,550N/mm2，αk为40,48J/ cm2。可用来制造车床主轴、减速器高速轴、汽车凸轮轴以及机床上的许多齿轮、丝杆和蜗杆等。 ? 中淬透性调质钢 主要有40Cr、40Mn2、40SiMn、40MnVB等。其水淬临界直径约为25,60mm，油淬临界直径约为15, 2240mm，调质后为ζs 600,800N/mm，αk约为70,100J/ cm。适用于中等截面、承受中等载荷的调质件，如内燃机的连杆、齿轮、中轴，机床上较重要的轴、齿轮、套筒，汽车的半轴、转向节等。 这类钢最常用的是40Cr。它的水淬临界直径约为37,42mm，油淬临界直径约为19,38mm，强度和韧性均比45钢高，主要用于较为重要的中小型调质件。 20 ? 较高淬透性调质钢 主要有35CrMo.40CrMn.40CrNi.30CrMnSi等。其油淬临界直径约为25,60mm，调质后ζs约为700 2 ,900 N/mm2，αk约为70,100 J/cm，适用于制造截面较大，载荷较重的调质件和较为重要的中型调质件。例如汽轮机的转子、叶轮、连杆，重型汽车的曲轴、半轴、连杆等。 ? 高淬透性调质钢 主要有40CrMnMo.40CrNiMoA.25Cr2Ni4WA等。它们的油淬临界直径约为60,100mm，有的可达150,200mm。ζs约为900,1000 N/mm2，αk约为80,120 J/cm2。适宜于制作重载、大截面的重要调质件，如卷板机轴、轧机齿轮轴、挖掘机传动轴等。 ? 氮化钢 最常用的是38CrMoAlA。该钢经氮化处理后有很高的表面硬度(1000,1200HV)，无回火脆性，综合机械性能良好。但钢的淬透性不高，油淬只能淬透Φ30mm。主要用于制造尺寸精确、表面耐磨性要求很高的中小型调质件，如精密磨床主轴、精密镗床丝杆、滚齿机分度蜗杆等。 5) 滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢。除滚动轴承外，这类钢还可以制造冷冲模、冷轧辊、精密量具、精密偶件、机床丝杠、球磨机磨球等。常用的滚动轴承钢有GCr6、GCr9、GCr15、GCr15SiMn等。它们的含碳量为0.95%--1.15%，含铬量为0.40%--1.65%。高的含碳量，是为了保证高耐磨性和高硬度。 6) 工具钢 工具钢是用来制造切削刃具、模具和量具的钢种。工业生产中，各类工具的质量直接影响产品质量及劳动生产率，正确选择制作工具材料及加工工艺，是提高工具质量的关键。 工具钢按化学成分可分为碳素工具钢、低合金工具钢及高合金工具钢三类;按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢三类。刃具钢用于制造钻头、铣刀、滚刀等各种切削工具;模具钢用于制造锻模、压铸模、挤压模、冷冲模等各种冷、热模具;量具钢用于制造量规、块规、样板等各种量具。实际上，由于刃具、冷作模具及量具基本上都要求硬度高、耐磨性好。因此，除热作模具钢之外，各类工具钢之间的通用性很大。例如，碳素工具钢和低合金刃具钢，既可做刃具，也可做冷作模具和量具，高速钢除是典型的刃具钢外，也可用于制造冷作模具。 工具钢钢号的表示方法如下:碳素工具钢的钢号是在“碳”的汉语拼音字母头“T”后面附加数字表示，数字表示钢的平均含碳量，以0.1%为单位，高级优质钢则在钢号末端再附加“A”，例如T8、T10A等。合金工具钢的钢号表示方法基本上与合金结构钢相同，不同之处是钢的平均含碳量以千分之几表示，当钢中平均含碳量?1.0%时，含碳量不予标出;合金元素的表示方法与合金结构钢相同;高速钢中的含碳量，不论多少，一般都不标出;例如9SiCr、CrWMn、W18Cr4V等。 7) 特殊性能钢 (1) 不锈钢 在自然环境或一定工业介质中具有良好的耐腐蚀性钢，称为不锈钢 下面具体介绍一些常用不锈钢。 ? 铁素体型不锈钢 铁素体型不锈钢是含碳量低于0.15%、含铬量为12%,30%、室温组织为铁素体的不锈钢。铁素体型不锈钢的含铬量一般为13%、17%和28%，对应的钢种有0Cr13、1Cr17、1Cr28等。铁素体不锈钢在氧化性介质中有良好的耐腐蚀性。0Cr13主要用于制造耐水蒸汽、碳酸氢氨母液、含硫石油腐蚀的零件。1Cr17主要用于制造耐大气、淡水、稀硝酸腐蚀的零件。1Cr28主要用于制造耐浓硝酸腐蚀的零件，也可用于制造耐次氯酸钠、磷酸腐蚀的零件。 ? 马氏体型不锈钢 21 马氏体型不锈钢的含碳量为0.1%,1.0%，含铬量为12%,18%、室温组织为马氏体的不锈钢。常用钢种有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2、9Cr18MoV等。 与铁素体型不锈钢相比较，马氏体型不锈钢在成分上只是含碳量高一些。但是，含碳量的差别在组织及性能方面产生的影响却很大。马氏体不锈钢是含碳量增高，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。1Cr13具有较高的韧性和冷变形能力，可用于在淡水、盐水、蒸汽、潮湿空气、稀硝酸中工作的要求韧性较高的零件，如汽轮机的叶片、水压机阀等。2Cr13的性能与1Cr13相近，广泛用于医疗器械、家庭用具和餐具。3Cr13具有较高的强度，用来制造耐腐蚀的轴、螺栓、弹簧、轴承等。9Cr18具有高硬度(HRC55)和高耐磨性，用来制造耐腐蚀的工具、量具、轴承、阀片、手术刀片等。 ? 奥氏体型不锈钢 奥氏体不锈钢是含铬量大于16%、含镍量一般大于8%、室温组织为奥氏体的不锈钢。常用的钢种有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。 奥氏体不锈钢没有磁性，塑性、韧性较高，强度、硬度较低，耐腐蚀性能优于铁素体不锈钢，对强氧化性酸有良好的耐腐蚀性。对碱性溶液及大部分有机酸亦有一定的耐腐蚀性。常用来制作耐硝酸、冷磷酸、有机酸、盐溶液、碱溶液腐蚀的机械零件、容器内衬、输送管道，也可用于医疗器械和抗磁仪表。不锈钢经冷变形或焊接后都会存在残余应力。残余应力会造成钢的腐蚀失效加快，引起应力腐蚀。因此，不锈钢冷变形或焊接后应进行去应力退火。消除冷变形产生的内应力，可加热到300,350?。消除焊接应力，宜加热到850?以上，以便同时起到减轻晶间腐蚀作用。 2.4.3 铸铁 概述 1) 铸铁的基本特点 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。工业上常用的铸铁除含有碳之外，还有硅、锰等元素以及杂质硫和磷，在合金铸铁中，加入了其他一些元素，如铬、钼、铜和铝等。与钢相比，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比较差，不能进行压力加工。但它具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性和耐磨性，而且它的生产设备与工艺简单，价格低廉。因此铸铁在机械制造业中得到广泛应用。如按重量计算，汽车与拖拉机制造中铸铁用量占50%,70%，机床中占60%,90%，矿山冶金设备中占50%,80%。近些年来，由于稀土镁球墨铸铁的发展，使得以往用碳钢与合金钢制造的一些重要零件，如曲轴、连杆、大齿轮等，现在已可以用球墨铸铁来制造，这不仅可以为国家节省大量优质钢材，并且还可以减少机械加工工时，降低产品成本。 2) 灰口铸铁 灰口铸铁的牌号、成分、性能与用途 国家标准(GB5675,85)中规定用“HT”代表灰口铸铁，“HT”后面的数字代表该铸铁的最低抗拉强度，如HT200表示最低抗拉强度为200N/mm2的灰口铸铁。在根据零件的性能要求选择铸铁牌号时，应该同时注意到铸件的壁厚尺寸与表中所列铸铁牌号的机械性能对应的壁厚尺寸相符。例如，一壁厚为20,30mm的铸件，要求ζb?250 N/mm2，选择的牌号应该是HT300，而不是选择HT250，因为HT250灰口铸铁当壁厚为20,30mm时其ζb约为220N/mm2，不能满足要求。 3) 可锻铸铁 (1) 可锻铸铁的特点及分类 可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火而获得的一种铸铁，可锻铸铁具有较高的抗拉强度、塑性与韧性。 (2) 可锻铸铁的牌号、性能和用途 可锻铸铁的牌号、性能和用途: 代号中“KT”表示可锻铸铁，“H”表示黑心，“B”表示白心，“Z”22 表示为珠光体基体。代号中的两组数字分别代表最低抗拉强度和最低延伸率。 铁素体可锻铸铁的韧性较高，强度适中，一般用于制造承受冲击和振动载荷的零件;珠光体可锻铸铁韧性较低，但强度大、硬度高、耐磨损性好，可用于制造小曲轴及连杆等零件。白心可锻铸铁生产周期较长，工艺复杂，强度不高，在机械制造中很少应用。 4) 球墨铸铁 (1) 球墨铸铁的成分、性能与用途 石墨呈圆球状的铸铁称为球墨铸铁，它是近三四十年迅速发展起来的重要铸铁。 球墨铸铁不仅机械性能远远超过灰口铸铁，而且同样具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性能、减摩性能、切削加工性能以及低的缺口敏感性。球墨铸铁的缺点是凝固收缩较大，容易出现缩松与缩孔，熔铸工艺要求高，铁水成分要求严格。此外，它的消震能力也比灰口铸铁低。 (2) 球墨铸铁的牌号、机械性能及用途: 代号中“QT”代表球墨铸铁，其后的第一组数字表示抗拉强度，第二组数字表示延伸率。例如，QT400,18是抗拉强度不低于400 N/mm2、延伸率不低于18%的铁素体球墨铸铁。由于球墨铸铁具有优异的性能，因而在机器制造中得到广泛应用。可以用它代替铸钢和锻钢制造各种负荷较大、受力复杂和耐磨损的零件，如曲轴、大齿轮，大型水压机的工作缸与活塞等。 2.4.4 有色金属及其合金 1) 轴承合金 轴承有两类。滚动轴承具有摩擦系数小、工作效率高和寿命长等优点，在机器中得到广泛应用;而滑动轴承承压面积大，承受冲击负荷的能力强，工作平稳无噪音，检修方便，故它仍不失为一类重要的轴承。 滑动轴承由轴承座和轴瓦组成，制造轴瓦及其内衬的材料叫做轴承合金。 轴承支承着轴进行工作，轴瓦则直接与轴颈相接触，当轴高速运转时，它们之间必然发生强烈的摩擦，从而造成轴和轴承的磨损。轴是机器上最重要的零件之一，价格较贵，更换困难。所以，在磨损不可避免的情况下，选择合适的轴承合金以确保轴的磨损为最小，具有重要意义。 轴承材料应具备如下性能: (1) 为了承受轴颈所施加的较大单位压力，轴瓦材料在一定的工作温度下应该有足够的抗压强度和疲劳强度; (2) 具有一定的硬度和耐磨性能，并要求有较小的摩擦系数，以减小轴颈的磨损; (3) 具有足够的塑性和韧性,以保证与轴的良好配合,并能抵抗冲击和震动; (4) 具有良好的磨和能力,以使负荷均匀分布,并能保住润滑油. 导热性和抗蚀性良好,热膨胀系数较小,以防轴瓦和轴因强烈摩擦升温而发生咬合,以及能够抵抗润滑油的侵蚀. 从性能要求可知,轴承合金因当兼有硬金属与软金属的特点.从金相组织来看,在软基体上均匀分布一定大小的硬质点,当机器运转时,软的基体组织很快被磨损而凹下去,硬质点比较耐磨而变得凸起来,这时凸起的硬质点支撑轴所施加的压力,凹坑可贮存润滑油，从而保证了较为理想的摩擦条件和低的摩擦系数。软基体不能抵抗冲击和震动以及有较好的磨合能力，且能起到嵌藏外来硬质点的作用，以防止轴颈受到擦伤。如果采用硬基体上分布软质点的组织，也可以满足轴瓦的工作条件。同软基体硬质点组织相比较，硬基体软质点组织具有较大的承载能力，但磨合能力较差。 能够满足上述要求、适宜于制作轴瓦的材料很多，常用的有称为“巴氏合金”的锡基轴承合金和铅基轴承合金、以及铝基和铜基轴承合金等几种。轴承合金的代号是以“铸”与“承”的汉语拼音字母头“ZCh”，加上基本元素和主加元素的化学符号，后面紧跟主加元素与辅加元素平均含量的百分数表示。如ZChSnSb11-6为含锑为11%、铜为6%的锡基轴承合金。 23 2) 锡基轴承合金 锡基轴承合金属于软基轴承材料，其主加合金元素为锑，辅加元素为铜，有时还加入铅。 锡基轴承合金的膨胀系数较小，嵌藏性和减摩性较好，还具有优良的韧性、导热性和耐蚀性，常在高速轴上应用。 锡基轴承合金的熔点低，工作温度不宜超过150?，并且它的疲劳强度比较低，应采用离心浇注法将它浇注在钢质轴瓦上，形成薄而均匀的一层内衬，成为双层结构的所谓“双金属”轴承，常把这种工艺称作“挂衬”。 3) 铅基轴承合金 铅基轴承合金也是一种软基材料，主加元素为锑，其次是锡和铜，有些铅基合金中还加入少量镍、碲、砷等元素。其基体由(α+β)共晶体组成，α相是锑溶于铅中的固溶体很软，β相是铅溶于锑中的固溶体，硬度较大。硬质点是方块状的SnSb和针状的Cu2Sb两种化合物相。 铅基轴承合金的性能较锡基轴承合金低，不宜制造在剧烈震动或冲击条件下工作的轴承。不过，它的价格比较便宜，在工业部门仍有广泛应用，多用于制造低速、低负荷或静载下工作的机械设备轴承。 2.4.5 选择零件用材需要考虑的几个基本问题 1) 选择材料的依据 正确地选择机械零件的材料是设计与制造中一项重要的内容，因为这不仅影响到零件本身的质量和寿命，还直接关系到机器整体的工作性能和生产成本。 通常，在设计机械零件的过程中，选择材料需要考虑的基本因素包括分析零件的工作条件、考察它的失效形式并提出其预期寿命，然后通过力学计算得出零件应具有的主要机械性能指标，并以此作为选择材料的基本依据。 零件的工作条件是指零件的受力状态、载荷性质、环境介质、工作温度和使用状态等诸方面的情况。其中受力状态一般分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等形式;载荷性质有静载、动载、冲击、交变载荷等几类;环境介质包括有无润滑、有无化学腐蚀及海水腐蚀或湿热环境;工作温度有常温、低温及高温或变温之分;使用状态包括运转的连续性、操作者的技术水平等。 零件的失效形式常见的有三种，即零件的表面损伤、过量变形和断裂。许多零件由于表面损伤而失效，表面损伤中又以磨损为最常见的失效形式，据统计，有70%的机器是因为过量磨损而失效的。零件的过量变形包括过量弹性变形、过量塑性变形和高温过量蠕变，在一般情况下，零件过量变形将使机器工作性能降低，严重则会造成机器破坏或使它不能继续运行。零件最严重的失效形式是在使用过程中发生断裂，特别是在没有明显塑性变形的情况下发生的脆性断裂，由于难以事先发现，往往造成灾难性的事故。 从分析零件的工作条件和失效形式可以提出它的预期寿命。一般地说，零件应该经久耐用，但并非是使预期寿命越长越好，因为这不但导致生产成本上升，还可能出现顾此失彼而适得其反的情况。例如，滑动轴承是常见的易磨损件，如果把它做得非常坚硬，则势必导致与其相偶的轴颈过早磨损，使轴失效报废。轴的价格比轴承贵得多，更换也困难，把轴承做得坚硬耐磨显然是不合适的。因此，每种零件应该根据其用途，经济效益和技术发展等情况确定其合理的预期使用寿命。 2.4.6 金属材料的性能 金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中反映出来的特性，它决定金属材料的应用范围、安全可靠性和使用寿命。使用性能又分为机械性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种特性，是决定它是否易于加工或如何进行加工的重要因素。 在选用金属材料和制造机械零件时，主要考虑机械性能和工艺性能。在某些特定条件下工作的零件，24 还要考虑物理性能和化学性能。 金属材料的机械性能 各种机械零件或者工具，在使用时都将承受不同的外力，如拉力、压力、弯曲、扭转、冲击或摩擦等等的作用。为了保证零件能长期正常的使用，金属材料必须具备抵抗外力而不破坏或变形的性能，这种性能称为机械性能。即金属材料在外力作用下所反映出来的力学性能。金属材料的机械性能是零件设计计算、选择材料、工艺评定以及材料检验的主要依据。 不同的金属材料表现出来的机械性能是不一样的。衡量金属材料机械性能的主要指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 (1) 强度 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度等。一般所说的强度是指抗拉强度。它是用金属拉伸试验方法测出来的。 (2) 刚性与弹性 金属材料在外力作用下，抵抗弹性变形的能力称为刚性。刚性的大小可用材料的弹性模量(E)表示。弹性模量是金属材料在弹性变形范围内的规定非比例伸长应力(ζρ)与规定非比例伸长率(ερ)的比值。所以材料的弹性模量(E)愈大，刚性愈大，材料愈不易发生弹性变形。但必须注意的是:材料的刚性与零件的刚度是不同的，零件的刚度除与材料的弹性模量有关外，还与零件的断面形状和尺寸有关。例如，同一种材料的两个零件，弹性模量E虽然相同，但断面尺寸大的零件不易发生弹性变形，而断面尺寸小的零件则易发生弹性变形。 零件在使用过程中，一般处于弹性变形状态。对于要求弹性变形小的零件，如泵类主轴、往复机的曲轴等，应选用刚性较大的金属材料。对于要求弹性好的零件，如弹簧则可通过热处理和合金化的方法，达到提高弹性的目的。 (3) 硬度 金属材料抵抗集中负荷作用的性能称为硬度。换句话说，硬度是金属材料抵抗硬物压入的能力。材料的硬度是强度、塑性和加工硬化倾向的综合反映。硬度与强度之间往往有一定的概略比例关系，并在很大程度上反映出材料的耐磨性能。此外，硬度测定方法简便，不需制备特殊的试样，可以直接在零件上进行测定，而不损坏工件。所以硬度通常在生产上作为热处理质量检验的主要方法。 (4) 冲击韧性 有些机器零件在工作时，如齿轮换挡、设备起动、刹车等，往往受到冲击负荷的作用;还有一些机器，如锻锤、冲床、凿岩机、气动舂砂锤等，它们本身就是利用冲击能量来工作的。金属抵抗冲击负荷的能力称为冲击韧性。 对于承受小能量多次冲击的机器零件，对材料要求高的强度，又要求过高的塑性和冲击韧性，并不能提高零件的寿命，相反却因牺牲了强度，不能发挥材料的潜力，反击会降低零件的寿命。 (5) 疲劳强度 金属材料在重复或交变负荷的作用下，循环一定周次Ni后，断裂时所能承受的最大应力称为疲劳强度。材料的疲劳强度是通过各种条件下的疲劳试验确定的。对称应力循环下的疲劳极限通常是在旋转弯曲疲劳试验机上用光滑试样测定。 材料的疲劳极限是材料机械性能中的一个重要性能。凡承受交变负荷的机器零件在设计时需用疲劳极限进行强度计算。在断裂的零件中，绝大多数是交变负荷下工作的，如往复机的曲轴，各种机器的主轴、齿轮、弹簧等。它们的主要破坏形式是疲劳断裂，而且疲劳断裂中大多数是突然发生的，通常所承受的应力也小于材料的屈服强度。因此，疲劳断裂具有很大的危险性。 25 材料的疲劳极限是材料机械性能中最敏感的性能之一。受各种内因和外因的影响。例如工作时的负荷性质、环境温度和介质;零件的几何尺寸、表面加工的质量及处理;材料的化学成分、内部组织及缺陷等，都显著地影响疲劳极限。为了提高机械零件的疲劳强度，除了根据强度要求正确选材外，合理地设计零件的结构形状，避免应力集中，提高零件的表面质量，避免各种损伤，以及采用表面淬火、化学热处理、喷丸处理等表面强化方法，都能不同程度地提高抗疲劳断裂的能力。 (6) 断裂韧性 金属材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。断裂韧性与其他韧性一样，综合地反映了材料的强度和塑性。 按传统力学方法对零件进行强度设计时，以材料的屈服强度为依据，运用强度储备法确定零件的许用应力和工作应力。照此设计的零件，一般认为是安全可靠的。但是，一些用高强度钢和超高强度钢制造的零件，以及中、低强度钢制造的大型零件，在工作应力低于屈服强度的条件下，有时发生脆性断裂。这种在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆断。 大量断裂事故分析表明:零件的低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的。为了防止低应力脆断事故发生，在选用材料时，应根据材料的断裂韧性指标，对零件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算，提出明确的数据要求。 2.4.7 金属材料的其他性能 1) 物理性能 金属材料的物理性能，有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。 金属材料密度大于5的称为重金属;小于5的称为轻金属。对于某些工业部门(如航空)，密度对产品的重量具有重要的意义。 金属材料的熔点影响到材料的使用和制造工艺。例如:电阻丝、锅炉零件、燃气轮机的喷嘴等，要求材料有高的熔点，保险丝则要求熔点低。在制造工艺上，熔点低的共晶合金，流动性好，便于铸造成形。 金属材料的热膨胀性主要是指它的线膨胀系数。热膨胀性会带来零件的变形、开裂及改变配合状态，从而影响机器设备的精度和使用寿命。高精度的机床和仪器，要求在一定温度下加工和测量产品，就是考虑了这个因素。 金属材料的导热性影响加热和冷却的速度。导热性差的材料在加热或冷却时，工件内外温差大，容易产生大的内应力。当内应力大于材料的强度时，则会产生变形或裂纹。 金属材料的导电性和导磁性，对一些电机、电器产品是很重要的性能。如铜、铝导线要求导电性好，镍铬合金的电阻丝则要求有大的电阻，变压器和电机的铁芯则采用磁性好的铁磁材料。 2) 化学性能 金属材料的化学性能主要是指金属抵抗活泼介质的化学侵蚀能力。 在室温下金属材料抵抗周围介质(如大气、水气等)侵蚀的能力称为耐蚀性。一般机器零件为了不被腐蚀，常用热镀或电镀金属、发兰处理、涂油漆、烧搪瓷、加润滑油等方法来进行保护。在易腐蚀环境工作的重要零件，有时需采用不锈钢制造。 金属材料抵抗酸碱侵蚀的能力称为耐酸性。在化工机械中受到酸碱盐等化学介质侵蚀的零件，则需采用耐酸钢制造。 金属材料在高温下保持足够的强度，并能抵抗氧或水蒸气侵蚀的能力称为耐热性。在锅炉、汽轮机及化工、石油等设备上的一些零件，为了满足这一性能，需采用耐热不锈钢制造。 3) 工艺性能 金属材料的工艺性能是反映金属材料在各种加工过程中，适应加工工艺要求的能力。它是物理性能、26 化学性能和机械性能的综合表现。工艺性能主要有铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性等。 在机械设计和制造中，以及选择材料和工艺方法时，必须考虑材料的工艺性能。 4) 铸造性能 金属材料的铸造性能主要是指流动性、收缩性和产生偏析的倾向。流动性是流体金属充满铸型的能力。流动性好能铸出细薄精致的复杂铸件，能减少缺陷。收缩性是指金属材料在冷却凝固中，体积和尺寸缩小的性能。收缩是使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形、开裂的基本原因。偏析是指金属材料在凝固时造成零件内部化学成分不均匀的现象。它使零件各部分机械性能不一致，影响零件使用的可靠性。 5) 可锻性 金属材料的可锻性是指它是否易于锻压的性能。可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。可锻性好的金属材料，不但塑性好，可锻温度范围宽，再结晶温度低，变形时不易产生加工硬化，而且所需的变形外力小。如中、低碳钢，低合金等都有良好的可锻性，高碳钢、高合金钢的可锻性较差，而铸铁则根本不能锻造。 6) 可焊性 金属材料的可焊性是指金属在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。对于易氧化、吸气性强、导热性好(或差)、膨胀系数大、塑性低的材料，一般可焊性差。可焊性好的金属材料，在焊缝内不易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷，同时焊接接头强度高。如低碳钢具有良好的可焊性，而铸铁、高碳钢、高合金钢、铝合金等材料的可焊性则较差。 7) 切削加工性 金属材料的切削加工性是指它被切削加工的难易程度。切削加工性好的材料，切削时消耗的能量少，刀具寿命长，易于保证加工表面的质量，切削易于折断和脱落。金属材料的切削加工性与它的强度、硬度、塑性、导热性等有关。如灰口铸铁、铜合金及铝合金等均有较好的切削加工性，而高碳钢的切削性能则较差。 8) 热处理性 金属材料在进行热处理时反映出来的性能，称为热处理性，如淬透性、淬硬性、淬火变形开裂的倾向、氧化脱碳的倾向等。这些热处理性能将在本书有关章节中讨论。 2.4.8 零件失效与金属材料性能的关系 金属材料制造的各种机器零件(或构件)都具有一定的功能。若在服役条件下失去了最初规定的功能，则称为失效。零件失效是由于外界损害作用超过了材料抵抗损害能力的结果。下面分别讨论零件失效的主要形式与金属材料性能之间的关系。 1) 过量变形 各种机器零件受力后总要产生变形。当变形量超过允许限度时，就会影响零件之间的配合关系，严重时可使零件最终失效，这种现象称为过量变形。过量变形有下面两种情况: (1) 过量的弹性变形: 机器零件受力后发生的变形，总是存在弹性变形。在多数情况下，机器零件的弹性变形不能太大，一般要限制过量的弹性变形，要求零件有足够的刚度。如果零件的弹性变形超过了设计所允许的范围，将影响零件的使用，以致失效。例如，镗床的镗杆发生过量的弹性变形，将影响加工的精度。此外，零件有过量的弹性变形，还可能与其他零件相碰，或引起震动，对于薄壁零件甚至使整个结构丧失稳定。 实际生产中，制造弹簧等零件则要选用弹性材料，并要求材料的弹性模量小，弹性极限高，使之能产生较大的弹性变形。 27 材料弹性模量与比重的比值称为比模量。是近代工程材料的一个重要参数。例如铝的弹性模量小于钢，但它的比模量大于钢，因此被大量用作航空材料。 (2) 过量塑性变形: 零件卸载后不能恢复的变形都是塑性变形。塑性变形产生后，零件在不受力的状态下，也会偏离设计的形状，这对一般机器来说是不允许的。因此，过量塑性变形是机器零件失效的一种形式。例如，齿轮发生塑性变形后，会啮合不好，甚至卡死、断齿。 塑性变形与材料本身的组织结构和外部各种因素都十分敏感。不但材料的成分、组织结构不同，会有不同的塑性变形能力，而且温度、加载速度、表面状态和应力状况等外界条件也会对塑性变形能力产生很大的影响。例如:室温下的塑性材料，在低温则可能呈脆性;静载下呈塑性的材料，在冲击负荷下，由于塑性变形速度滞后于加载速度而呈脆性;材料在单向拉伸时呈塑性，而在三向拉伸时则可能呈脆性。这些特点在防止过量塑性变形时必须予以注意。 2) 断裂 机器零件发生断裂，是一种最严重的失效形式。特别在没有明显塑性变形的情况下，突然发生的脆性断裂，往往会造成不应有的经济损失和伤亡事故。 为防止脆性断裂，其传统方法是:正确分析零件所承受的应力，再考虑应力集中的情况，即可选择强度能够满足要求，又有一定塑性和韧性的材料制造。 近代研究表明:断裂是一个物理过程，由裂纹的萌生和扩展两个基本阶段所组成，断裂力学就是研究材料裂纹的萌生、扩展直到断裂的规律，并提出的新的断裂判断理论。用断裂韧性Kic表征材料抵抗裂纹扩展能力。这个认识对断裂分析是个重大的进展，具有极大的实用价值。 3) 过量磨损 任何一台运转的机器设备，在接触状态下有相对运动的零件，都会产生摩擦，引起磨损。磨损超过一定的数量，机器运行情况就会恶化，使效率和精度降低，甚至报废。磨损不仅消耗材料，损坏机器，而且耗费大量的能源。根据磨损的破坏机理，磨损可以分以下四种。 (1) 磨粒磨损 磨粒磨损也称为磨料磨损，一般是指硬的磨粒或凸出物在对零件表面的摩擦过程中，使材料表面发生损耗的现象。其实质是微量切削与疲劳破坏的综合。这种磨粒或凸出物一般是非金属磨料，如石英、矿岩、砂土等，但也包括硬金属与软金属表面的磨损。所以磨粒磨损在矿山、土建、国防、农业等部门应用的机器上大量存在。研究表明，当材料表面硬度大于或等于磨粒硬度的0.9—1.4倍时，就能有效地减少磨损。 (2) 疲劳磨损 零件接触表面在接触压应力的长期反复作用后，使表面或次表面形成裂纹，裂纹再沿着与表面平行或垂直的方向扩展，导致表层材料成细片状剥落，这种损坏现象称为疲劳磨损，表层材料剥落将使机器工作时的噪音加大，振动增加，温度上升，磨损加剧，以至失效而不能工作。例如，在齿轮和滚动轴承中产生的疲劳磨损是典型的例子。生产上提高抗疲劳磨损的方法有:选择具有较高疲劳强度和表面硬度的材料;通过热处理使零件具有合适的组织结构;降低零件表面加工的粗糙度;提高机器的装配精度;改善机器的润滑条件等。 (3) 粘着磨损 粘着磨损又称为咬合磨损，它是两个互相接触的零件在相对运动时，接触表面局部发生粘着，在粘着处分开时，材料从一个表面转移到另一个表面造成磨损。这种磨损也可能转变成磨粒磨损。例如，在蜗轮与蜗杆的啮合中，内燃机的活塞在缸套内的运行中，均可看到粘者磨损的现象，粘者磨损可能使机器产生咬死，焊合、擦伤、胶合等故障，致使相对运动突然停止，造成事故;或者造成漏气、漏油，使机器功率28 下降，油耗增加。实践证明，摩擦偶件材料的互溶性、硬度、组织结构、表面加工的粗糙度、接触压力、滑动速度、表面温度以及润滑状态，对粘着磨损都有较大的影响。 (4) 腐蚀磨损 腐蚀磨损是机械磨损和化学腐蚀同时起作用的一种磨损。摩擦表面在流体或气体的环境中，或在润滑剂中发生化学或电化学反应，使零件表面形成腐蚀产物，这些产物往往粘附不牢，在摩擦过程中被剥离下来，而后新的表面又继续与介质发生反应，这种腐蚀与磨损重复的过程，称为腐蚀磨损。 腐蚀磨损是极为复杂的，工作的环境、温度、滑动速度、载荷、或润滑条件稍有变化，都会使腐蚀磨损发生很大的变化。 4) 腐蚀 金属材料在周围环境介质的作用下，所产生的化学、电化学反应，或物理溶解而逐渐产生的损坏或变质称为腐蚀。金属材料的腐蚀是一个十分复杂的过程。因为零件工作环境介质的组成、浓度、压力、温度、PH值千差万别;材料本身的化学成分、组织结构、表面状态各种各样;零件的受力状态各不相同，因此存在各种不同的腐蚀。 金属材料的腐蚀问题，遍及国民经济各个领域，并给人们带来巨大的经济损失。据统计，每年有10,20%的金属被腐蚀掉;设备因腐蚀使用寿命大为缩短;石油、化工、农药等工业部门中，因腐蚀造成设备的跑、冒、滴、漏，使有害物质泄漏，污染环境、危害人们的健康;更为严重的因腐蚀酿成的灾难性事故，也是屡见不鲜。为此，在设计、制造和使用设备时，应根据环境的腐蚀特性，采取相适应的防腐技术。 2.4.9 钢的热处理 在机械制造中，所有工具及重要零件都必须进行热处理。例如45钢制主轴，其制造工艺过程为:?锻造??正火??粗机加工??调质??半精机加工??表面淬火及低温回火(轴颈处)??磨削，其中???都属于热处理工序。 对钢件进行热处理的基本目的是使其组织结构与性能达到使用要求，这一目的通常由排在粗机加工之后的热处理工序(一般称为最终热处理)达到，例如上述主轴经调质处理可使钢的综合机械性能明显提高，轴颈经表面淬火及低温回火后显著提高了耐磨性，这样就使主轴具有了良好的使用性能。由此可见，热处理是充分发挥金属材料内在潜力、提高机械产品质量、延长使用寿命的重要措施;进行热处理的另一目的是改善钢的切削加工性能，并为最终热处理作组织上的准备，这类热处理通常安排在粗机加工前进行，如上例中的正火(一般称为预备热处理)。 热处理是将金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。通常用工艺曲线来表达其热处理。 热处理所以能使钢的性能发生变化，是因为钢的组织发生了变化的结果。在热处理过程中，钢的组织变化有严格的规律性，在加热及冷却过程中组织的变化规律是热处理原理的基本内容，根据热处理原理制订的加热温度及冷却速度等具体参数，则是热处理工艺的基本内容。 根据热处理规范及组织性能变化的特点，通常将热处理分为: ?普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火。 ?表面热处理 包括表面淬火和化学热处理(渗碳、氮化、碳氮共渗等) ?其它方法热处理 如形变热处理等。 1) 钢的退火与正火 在制造机器零件的工艺过程中，退火、正火通常安排在粗加工工序前进行，某些零件还多次安排退火工序。退火或正火的基本目的，是消除前道工序所造成的某些缺陷，改善切削加工性，并为后续热处理(例如淬火)作好组织上的准备。对于性能要求不高的零件，也可作为最终热处理。 29 (1) 退火 将钢加热到适当的温度，保温后经缓慢冷却(一般为随炉冷却)的热处理工艺称为退火。退火态组织基本上接近于平衡组织。 钢的退火方法有完全退火、扩散退火、球化退火、再结晶退火及低温退火等多种，它们的加热温度范围及工艺范围如图所示。 ? 完全退火 规范 将钢件加热到Ac3以上30,50?，保温(一般以工件每毫米厚保温1.5,2分钟计)后随炉缓冷到500?左右出炉。其“完全”是指加热达到完全奥氏体化。 应用 主要用于亚共析钢的铸件、锻件及重要焊接件。 铸钢件进行完全退火的目的，是消除其粗大晶粒及对机械性能有害的魏氏组织，以提高其机械性能。例如某含碳量为0.20%的碳钢铸件，铸态抗拉强度仅为383N/mm2，完全退火后提高到437N/mm2，韧性也显著改善。 ? 球化退火 规范 将钢件加热到Ac1以上10,20?，保温后随炉以很缓慢的速度(20,60?/h)冷却到500?出炉。 应用 适用于共析钢、过共析钢的锻轧件，以及结构钢的冷挤压件等，使钢中碳化物球化，球化退火也因此得名。其目的在于降低硬度、改善切削加工性、改善组织、提高塑性，并为后续的淬火处理作好组织上的准备。 ? 扩散退火 规范 将钢件加热到很高的温度(熔点以下200?左右)并经8,15小时的长时间保温后缓慢冷却下来。 应用 用于高合金钢铸锭及大型铸件。目的是使成分均匀。 ? 低温退火 规范 将钢件加热到Ac1以下某一温度保温后缓冷。 应用 消除铸件和焊接件的内应力，通常加热到500,650?;在某些零件加工过程中，为消除前道工序造成的内应力，也穿插进行低温退火，退火温度视情况而定。低温退火又称为消除内应力退火。 (2) 正火 规范 将钢件加热到Ac3或ACcm以上50,70?，保温后在空气中冷却。 应用 作为最终热处理 对机械性能要求不很高的零件，在选用碳素结构钢制造时，通常选用正火作为其最终热处理。通过正火可在一定程度上提高其使用性能，因为正火的冷却速度比退火快，所得到的晶粒较细，强度有所提高。 (3) 退火与正火的选用 钢件是选用正火还是退火，应根据其化学成分确定，一般为: 含碳量C,0.3%用正火。可细化晶粒，改善切削加工性能。 含碳量C,0.3%,0.5%的碳钢用正火。可使加工表面光洁、生产率高，因而降低成本。但复杂零件尚须进行消除内应力的退火。 含碳量C,0.5%,0.75%的碳钢应采用完全退火以降低硬度，便于切削。 含碳量C,0.75%,1%的碳钢应采用球化退火，改善加工性能。 含碳量C,1%,1.3%的碳钢应先正火消除网状渗碳体，再球化退火改善加工性能。 高合金钢应采用退火，而不用正火，因正火后硬度高，有时甚至变为马氏体，不易加工。 30 2) 钢的淬火与回火 如前所述，淬火是将钢加热到相变温度上，保温后以大于V临的速度冷却下来，得到以马氏体(M)为主要组织的热处理工艺。淬火是使钢强化的最重要的方法。 由于淬火态马氏体是一种不稳定的组织，淬火应力一般比较大，同时在许多情况下，对强度与韧性的匹配还要作进一步的调整。因此，要对淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度并保温，使马氏体转变为相对较稳定的组织，然后再冷却下来，以消除或降低内应力，并获得所需的性能，对淬火钢进行的这种处理称为回火。回火是淬火处理后必须进行的后续处理。 (1) 钢淬火及回火的目的 对钢件进行淬火及回火处理的目的，总得来说是使其性能达到使用要求，至于各类钢件的具体目的，大致有如下几种情况: (2) 提高钢件的硬度及耐磨性 对于要求硬度及耐磨性的钢件(例如刀具、滚动轴承)，通常采用工具钢，滚动轴承钢等制造，并采用淬火加低温回火处理。 (3) 提高钢件的综和机械性能 要求综合机械性能良好的钢件(例如齿轮、轴)，通常采用中碳钢或中碳合金结构钢制造，并经淬火加高温回火处理(既调质处理);在某些情况下，也可采用低碳钢或低碳和金结构钢制造，并经淬火加低温回火处理。 (4) 提高钢件的弹性极限与疲劳极限 要求有较高弹性极限、疲劳极限并有一定韧性匹配的钢件(例如弹簧)，常采用含碳较高的亚共析碳钢或合金结构钢制造，并经淬火加中温回火处理。 (5) 钢的淬透性 钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即钢在规定条件下，经受淬火形成马氏体的能力。淬透性的好坏是评定钢材质量的基本依据之一，在选用钢材及确定其热处理工艺上有重要意义. 3) 钢的回火 回火是钢经淬火处理后必须的后续处理，其目的是消除或降低淬火应力;稳定工件的组织和尺寸;以及把钢的机械性能调整到符合使用性能的要求。 钢淬火后得到的组织是不稳定的，有自发转变为较稳定组织的倾向。淬火钢在不同的回火温度下将转变成不同的回火组织，即回火温度与回火组织之间存在着一定的关系。 回火的种类及应用 (1) 低温回火(150,250?) 主要应用于各种高碳钢工模具、滚动轴承以及渗碳零件和表面淬火零件，其目的是在保持淬火所得到的高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火应力和提高韧性。 (2) 中温回火 (350,500?)由于中温回火组织是回火托氏体，具有高的和，同时还具有一定的韧性。因此，主要用于处理用弹簧钢制造的弹簧等零件。 (3) 高温回火(,500?)如前所述，淬火后再高温回火称为调质处理。钢经调质处理后的机械性能比正火状态高，因此齿轮、轴等重要零件一般都采用调质处理，也常作为氮化零件和重要表面淬火零件的预备热处理。 31 表1.2-9 45钢(Φ20-40mm)调质和正火状态下机械性能比较 机 械 性 能 工艺 金相组织 ζb(N/mm2)δ(%) αk(N.m/cm2)HBS 正火700-800 10-20 50-80 163-220S+F 调质750-850 20- 2580-120 210-250S回 4) 的表面淬火 在各种机器中，齿轮、轴和销子等许多零件都在动载荷和摩擦条件下工作。它们在性能上不仅要求齿部和轴颈等处表面硬而耐磨，还要求心部有足够的强度和韧性，以传递很大的扭矩和承受相当大的冲击负荷，即要求“表硬心韧”。采用前述几种热处理工艺难以兼顾这两方面的要求，为此生产中广泛采用表面热处理的方法来满足这些工件的性能。 所谓表面热处理，是指只对工件表层进行热处理以改变其组织(化学热处理还改变成分)和性能的工艺。 所谓表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺，通过快速加热的方法来实施，把工件表面快速加热到淬火温度后迅速冷却下来。钢件表面淬火后，表层为马氏体组织，心部则保持表面淬火前的调质或正火组织。此法在工业生产上，特别是成批大量生产中得到广泛的应用。 2.4.10 钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等多种。它们分别应用于不同的工件，可以达到提高钢件的耐磨性、疲劳强度、或耐蚀性等目的。因此，在工业生产中有重要意义。例如，某些工件要求有较高的耐蚀性，需采用价格昂贵的高合金钢制造，若改用一般钢材制造，再经过渗氮或渗铬等处理，既能满足使用要求，又能降低成本。 1) 钢的渗碳 渗碳的目的及应用 渗碳是将含碳量为0.1%,0.25%的低碳钢或低碳合金钢工件置于渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表层，以得到含碳量为1.0%左右，并使渗碳层具有一定深度的热处理工艺。一般规定，由表面向内至过渡层的一半处的垂直距离称为渗碳层深度，更便捷的测定方法是在渗碳淬火后由表及里测定试棒的维氏硬度(载荷1公斤)，以硬度等于550 HV1处的垂直距离为有效渗碳硬化层深度。 低碳钢件经渗碳处理后再经淬火及低温回火，就能使工件变得“表硬心韧”，表层硬度可达HRC58,62，超过中碳钢表面淬火件的表层硬度，心部韧性通常也比表面淬火件好。因此，凡是要求“表硬心韧”的工件，如高速齿轮、凸轮轴、活塞销等都可采用渗碳处理。 2) 钢的渗氮(氮化) 氮化的特点及应用 氮化是在一定温度下(一般在Ac1温度以下)使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。经氮化处理后的钢件在性能上有如下特点: (1) 表面硬度高 38CrMoAl钢氮化后表面硬度达1000,1100HV(相当于HRC65,72)，耐磨性比渗碳件更好。试验指出，在同样的工作条件(压力为200Pa、转动线速度为5m/s、润滑良好)下，20Cr钢渗碳件每60小时磨损0.037mm，而38CrMoAl钢氮化件仅磨损0.008mm。 32 氮化层不仅硬度高，且热硬性好，即高硬度可维持到相当高的温度(500?左右)不明显下降，这一特性对在较高温度下工作的耐磨零件有重要意义。 (2) 疲劳强度高 由于氮化层的体积增大，使钢件表层形成压应力，可使钢件的疲劳强度比氮化前提高15%,35%(渗碳也有此作用，但较小) (3) 耐蚀性良好 这是由于氮化件表面形成了一层薄的致密的化学稳定性高的氮化物的缘故。氮化件在水中、过热蒸汽中和碱性溶液中均具有高的耐蚀性。 (4) 抗“咬卡”性良好 由于氮化层的常温及高温硬度高，可避免相对运动的两表面间由于短时间缺乏润滑和过热而产生卡死、擦伤或焊合现象。 此外，由于氮化温度低(,600?)，钢件经氮化处理后变形很小，且心部能保持预先热处理(调质)所得到的良好综合机械性能。鉴于以上特点，氮化广泛应用于各种叶轮口环、轴套、活塞杆、曲轴、螺杆，及高速钢刃具等工件。 33 34