机械设计常用基础知识资料

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1、机械设计常用基础知识一：金属材料及相关工艺1、钢的分类（1） 按化学成分分类有： ①碳素钢：根据含碳量多少又分为： 低碳钢：含C量﹤0.25%,强度低,但塑性、焊接性好。 中碳钢: 0.25～0.60%之间,强度高 塑性、焊接性差。 高碳钢:含C量﹥0.6%，塑性及焊接性都差，热处理后有较高强度和硬度。 ②合金钢：加入一种或数种合金元素的钢称合金钢，比碳素钢有较高强度和韧性，或有特殊性能。 （2） 按质量分类： 碳素钢质量的高低是根据钢中杂质——磷、硫的含量来区分的 普通钢：钢中磷、硫的含量较高； 优质钢：钢中磷、硫的含量较低； 高级优质钢：钢中磷、硫的含量

2、很低。 （3） 按用途分类： ①结构钢——制造多种机械零件和工程结构。 ②工具钢——制造多种刃具、量具和模具。 ③特殊性能钢——特殊的物理化学性能、如不锈钢，耐热、耐磨钢等2、钢的热处理钢的热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热，保温和冷却，以改变其整体或表面组织，获得所需性能的工艺方法。重要的零件要进行热处理，以提高金属材料的强度和硬度，改善材料的逆性和韧性等，充分发挥材料的潜力。大多数的热处理都要将钢加热到相变温度以上，使其组织由铁素体和渗碳体的混合物转变为均匀的奥氏体。只有奥氏体状态才能通过不同的冷却方式转变成不同的组织，从而使钢获得所需要的性能。钢

3、的热处理工艺主要有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。1、退火: 将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），以达到接近平衡状态组织。根据退火目的将退火分为以下两种： （1） 完全退火：使用最广泛，主要用于亚共析钢（C﹤0.77%）锻件，轧件和铸件退火，其目的是通过重结晶使晶粒细化，均匀组织，消除残余应力。 （2） 球化退火：使钢中碳化物呈球化，用于过共析钢（含碳0.77%﹤C﹤2.11%）和工具钢，使渗碳体球化，降低硬度提高韧性，改善工件切削加工性能，减少工件淬火时产生变形和开裂。 2、正火: 将工件加热后，保

4、温适当时间后在自由流通的空气中冷却得到球光体组织。对低碳钢或低碳合金钢，正火目的是提高硬度改善切削加工性能。对过共析钢或合金工具钢，正火目的是减少渗碳体数量，便于球化退火。对不太重要的工件，目的是细化晶粒，使组织均匀化，提高机械性能，可作为工件的最终热处理。 3、淬火: 将合金加热到相变温度以上，保温，快速冷却，获得不稳定组织。淬火后的工件再配合适当的回火，使金属材料达到使用要求。如刃具和模具要求高的硬度和耐磨性，多种轴类和齿轮要求较好的韧性都是通过淬火和回火来达到的。   钢件淬火通常用水、油和盐、碱的水溶液作为淬火介质，使用什么介质取决于钢的化学成分及对

5、工件的技术要求，形状简单，截面较大的碳素钢件多在水中淬火，合金钢和复杂的碳素钢件多在油中淬火 。 4、回火: 为消除残余应力及获得所要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到一定温度保温，然后冷却到室温。淬火后的工件应及时回火，这是由于淬火马氏体是不稳定的组织，回火促使其组织结构稳定，保持工件使用过程中不再发生形状和尺寸的改变，其次回火可降低淬火工件的脆性，减少和消除内应力，最后回火可获得要求的强度，硬度和韧性，以满足工件使用要求。 根据加热温度范围，回火可分为低温、中温和高温回火，其中低温回火应用于高碳工具模具、量具、渗碳后表面淬火的工件；中温回火用于多种弹簧

6、、弹性夹头及锻模；高温回火用于重要工件如轴、齿轮、连杆和螺栓等。5、表面热处理 仅对工件表面加热、冷却而不改变成分的热处理称为表面热处理。最常用的是表面淬火，使工件表层变硬，而心部仍保持原来的组织。表面淬火使工件表面具有较好的硬度和耐磨性。表面淬火有火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火等。 火焰加热是用氧气—乙炔（或氧气—煤气）混合气体燃烧的火焰，喷射加热工件表面，然后再喷水冷却，这种方法设备简单，淬硬速度快，成本低，但火焰加热表面容易过热，淬火效果不稳定。利用中、高频（频率一般为500～30万HZ）高变电磁场在工件表面产生感应电流进行加热的热处理工艺称为

7、感应加热表面淬火。感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，心部电流几乎等于零，表面电流密度极大，这个现象称为集肤效应。频率越高，电流密度极大的表层越薄。工件表层可迅速被加热，几秒钟即可使温度升高800～1000℃，而心部仍接近室温。一但表层温度上升到淬火加热温度时，立即喷水冷却（合金钢浸油淬火），表面形成马氏体，工件表面变硬。这种方法较为先进，生产率高，加热温度和淬硬层容易控制，淬火质量好，但是设备昂贵，主要适用于大批生产。 6、化学热处理 将工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面，改变表面的化学成份，组织和性能，提高工件表面的耐磨性、

8、耐腐蚀性及抗氧化性等。常见的化学热处理有渗碳、渗氮和