包邮金属材料及其成形加工-(机械加工技术专业)

bsp; 前    言
    为了贯彻落实教育部课程教材改革要面向21世纪，适应素质教育需要，以及国务
院要求大力发展中等职业教育的精神，针对目前中等职业技术教育缺少合适的《金属材
料及其成形加工》教材的状况，我们查阅了大量的参考资料，进行了多次专题交流与研
讨，组织编写了本教材。
    知识经济时代迫切需要具有综合素质高、实践能力强和创新能力突出的职业技术人
才。突出能力教育必须以人的素质与能力为基础和核心，强调重视学生学习和掌握知
识，引导学生掌握获取知识的方法，学会运用知识进行创造性的思考和实践，学会把知
识有效地转化为素质和能力。同时，对于技术与职业教育要加强基础的认知学习，使学
生有更大的“柔性”。“柔性”就是给予每个在校学生更大的发展空间和深层的受教育
机会和能力，适应今后工作中的需求和岗位变换。    ．
    本教材的教学目标是：
    1)比较系统地介绍金属材料的生产、性能、牌号及应用方面的知识。
    2)了解金属零件的各种成形加工方法的基本原理和工艺特点，并初步具有选择毛
坯和编制零件成形加工工艺规程的基本能力。
    3)了解各种主要成形加工方法所用设备(工具)的工作原理和使用范围，掌握一
些主要设备(工具)的基本操作方法。
    4)培养综合应用能力，引导学生学会应用所学的理论知识解决一些实际问题，初
步使学生建立一定的解决实际问题的感性经验。
    5)造就研究型学习环境，培养学生团结合作，相互交流，适应终身学习型社会的
需要。
    6)实行开放式教学方式，引导学生深入实习现场，了解现代企业的状况。
    7)培养学生的信息素养，引导学生善于利用现代信息技术拓宽知识面。
    本书在内容上尽量做到布局合理、丰富、新颖；在文字介绍方面做到精炼、准确、
通俗易懂和插图形象生动；在内容组织上注意逻辑性、系统性和层次分明，突出实践性
和使用性，注重理论与实际相结合；在时代性上尽量反映金属成形加工方面的新技术、
新材料、新工艺和新设备，使师生的认识在一定层次上能跟上现代科技发展与职业技术
教育的新要求。每单元配有综合训练题，供学生自学时自我检查是否掌握和理解了所学
的基础知识。
    本教材除供中等职业技术教育学校使用外，还可作为成人教育和技工类学校用教
材，也可作为有关人员的参考书。
    本教材建议总课时60学时(含实验10学时)，具体学时分配见表O．1：
    本书主编：王英杰；副主编：王美玉。全书由王英杰拟定编写提纲和统稿，郭晓平
审稿。    
  绪论、**单元至第五单元由王英杰编写；第六单元和第七单元由侯小兵编写；第
八单元和第九单元由王美玉编写；第十单元和第十一单元由孙曼曼编写；第十二单元由
王中才编写；第十三单元和第十四单元由陈妍编写；第十五单元由石爱军编写。
    本书在编写过程中参考了大量的文献资料，在此向文献资料的作者致以诚挚的谢
意。
    由于编写时间及编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，恳请广大读者批评指
正。
    编  者
    《金属材料及其成形加工》编写组

 第三单元  非一l-1金钢
    【学习目标】  本单元主要介绍非合金铜的定义、分类、牌号、性能及其应用等内容。
在学习过程中，**，要了解非合金钢的分类和牌号的命名方法，以便为后续课程的学习奠
定基础；第二，要了解非合金钢的化学成分与组织和性能之间的定性关系，为分析材料的性
能和加工工艺建立感性认识；第三，了解部分非合金钢在典型零件生产中的应用，为制订加
工工艺建立感性经验，如简单弹簧零件一般可选用60钢、65钢、70钢等，一般的轴与齿轮
类零件可选用40钢、45：钢等。
    钢材按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。其中非合金钢是指以铁为
主要元素，碳的质量分数一般在2％以下并含有少量其他元素的金属材料。非合金钢具有价
格低、工艺性能好、力学性能一般能满足使用要求的优点，是工业生产中用量较大的金属材
料。实际生产中使用的非合金钢除含有碳元素之外，还含有少量的硅、锰、硫、磷、氢等元
素，这些元素的存在对于钢材的组织和性能都有一定的影响，他们通称为杂质元素。
    模块一  杂质元素对钢材性能的影响
    1．硅的影响
    硅是作为脱氧剂带进钢材中的。硅的脱氧作用比锰强，可以防止形成FeO，改善钢材的
冶炼质量；硅能溶于铁素体中，并使铁素体强化，从而提高钢材的强度、硬度和弹性，但硅
元素降低钢材的塑性和韧性。在硅的含量不高时，对钢的性能影响不大，总体来说是有益元
素。
    2．锰的影响
    锰是炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢材中的杂质元素。锰具有一定的脱氧能力，能把钢材
中的FeO还原成铁，改善钢的冶炼质量；锰还可以与硫化合成MnS，以减轻硫的有害作用，
降低钢材的脆性，改善钢材的热加工性能；锰能大部分溶解于铁素体中，形成置换固溶体，
并使铁素体强化，提高钢材的强度和硬度。一般来说，锰也是钢材中的有益元素。
    3．硫的影响
    硫是在炼钢时由矿石和燃料带进钢材中的，而且在炼钢时难以除尽。总的来讲，硫是钢
材中的有害杂质元素。在固态下硫不溶于铁，而以FeS的形式存在。FeS与Fe能形成低熔
点的共晶体(Fe+FeS)，其熔点为985，并且分布在晶界上。当钢材在1000～120092进行
热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致钢材在热加工时开裂，这种现象称为“热脆”。
钢材中硫的质量分数必须严格控制，我国一般控制在0．050％以下。但在易切削钢中可适当
提高硫的质量分数，其目的在于提高钢材的切削加工性。此外，硫对钢材的焊接性有不良的
影响，容易导致焊缝产生热裂，产生气孔和疏松。
    4．磷的影响    
    磷是由矿石带入钢材中的。一般来讲，磷在钢材中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的
强度和硬度。但在室温下却使钢材的塑性和韧性急剧下降，产生低温脆性，这种现象称为
“冷脆”。一般来说，磷是钢材中的有害元素，钢材中磷的质量分数即使只有千分之几，也
会因析出脆性化合物Fe，P而使钢材的脆性增加，特别是在低温时更为显著，因此，要限制
磷的质量分数。但在易切削钢材中可适当提高磷的质量分数，脆化铁素体，改善钢材的切削
加工性。此外，钢材中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能，尤其是在钢材中含
有适量的铜元素时，其耐大气腐蚀性能更为显著。
    5．非金属夹杂物的影响
    在炼钢过程中，由于少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物进入钢液中，从而在钢材中
形成非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。这些非金属夹杂物都会降低钢
的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。严重时还会使钢材在热加工与热处理过程
中产生裂纹，或使用时造成钢材突然脆断。非金属夹杂物也促使钢材形成热加工纤维组织与
带状组织，使钢材具有各向异性。严重时横向塑性仅为纵向的一半，并使钢材的冲击韧度大
为降低。因此，对于重要用途的钢材，如弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢等，需要检查非金属
夹杂物的数量、形状、大小与分布情况，并按相应的等级标准进行评定。
    此外，钢材在整个冶炼过程中，与空气接触，因而钢液中会吸收一些气体，如氮、氧、
氢等。这些气体对钢材的质量也会产生不良的影响。尤其是氢对钢材的危害很大，它使钢材
变脆(称氢脆)，也可使钢材产生微裂纹(称白点)，严重影响钢材的力学性能，使钢材容
易产生脆断。    ．
    模块二非合金钢的分类
    非合金钢的种类较多，为了便于生产、选用和储运，需要按一定标准对钢材进行分类。
非合金钢的分类方法有多种，常用的分类方法有以下几种：
    一、按非合金钢碳的质量分数分类
    1．低碳钢
    低碳钢是指碳的质量分数(c)<O．25％的铁碳合金，如08钢、10钢、15钢、20钢和
25钢等。
    2．中碳钢
    中碳钢是指碳的质量分数-(C)=0．25％～0．60％的铁碳合金，如30钢、35钢、40钢、
45钢、50钢、55钢、60钢等。
    3．高碳钢
    高碳钢是指碳的质量分数(C)>0．60％的铁碳合金，如65钢、70钢、75钢、80钢、
85钢、T7钢、T8钢、TIO钢、T12钢等。
    二、按非合金钢主要质量等级和主要性能或使用特性分类
    非合金钢按主要质量等级分为普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。
    1．普通质量非合金钢
    普通质量非合金钢是指对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的非合金钢。应用
时满足下列条件：钢为非合金化的；不规定热处理；如产品标准或技术条件中有规定，其特
 性值(*高值和*低值)应达规定值；未规定其他质量要求。
    普通质量非合金钢主要包括：一般用途碳素结构钢，如GB700规定中的A、B级钢；碳
素钢筋钢；铁道用一般碳素钢，如轻轨和垫板用碳素钢；一般钢板桩型钢。
    2．优质非合金钢
    优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢，在生产过
程中需要特别控制质量(例如，控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面质量或增加工艺
控制等)，以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求(如良好的抗脆断性能，良好的冷成
形性等)，但这种钢生产控制不如特殊质量非合金钢严格。
    优质非合金钢主要包括：机械结构用优质碳素钢，如‘GB699规定中的优质碳素结构钢
中的低碳钢和中碳钢；工程结构用碳素钢，如GB700规定的c、D级钢；冲压薄板的低碳结
构钢；镀层板、带用碳素钢；锅炉和压力容器用碳素钢；造船用碳素钢；铁道用优质碳素
钢，如重轨用碳素钢；焊条用碳素钢；冷锻、冷冲压等冷加工用非合金钢；非合金易切削结
构钢；电工用非合金钢板、带；优质铸造碳素钢。
    3．特殊质量非合金钢
    特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能(例如，控制淬透
性和纯洁度)的非合金钢。此类钢应符合下列条件：钢材要经热处理并至少具有下列一种’
特殊要求的非合金钢(包括易切削钢和工具钢)，例如，要求淬火和回火状态下的冲击性
能；有效淬硬深度或表面硬度；限制表面缺陷；限制钢中非金属夹杂物含量和(或)要求
内部材质均匀性；限制磷和硫的含量(成品(P)和(s)均≤0．025％)；限制残余元素
cu、co、V的*高含量等方面的要求。
    特殊质量非合金钢主要包括：保证淬透性非合金钢；保证厚度方向性能非合金钢；铁道
用特殊非合金钢，如车轴坯、车轮、轮箍钢；航空、兵器等专业用非合金结构钢；核能用的
非合金钢；特殊焊条用非合金钢；碳素弹簧钢；特殊盘条钢及钢丝；特殊易削钢；碳素工具
钢和中空钢；电磁纯铁；原料纯铁。
    三、按非合金钢的用途分类
    1．碳素结构钢
    碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其碳的质量分数一般都小于
0．70％。此类钢常用于制造齿轮、轴、螺母、弹簧等机械零件，用于制作桥梁、船舶、建筑
等工程结构件。
  2．碳素工具钢   
  碳素工具钢主要用于制造工具，如制作刃具、模具、量具等，其碳的质量分数一般都大
于0．70％。
    此外，钢材还可以从其他角度进行分类，如按专业(如锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢
等)、按冶炼方法进行分类等。