机械工程师资格考试指导书全文(精编版)

机械工程师资格考试指导书全文(精编版)内容摘要：

氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两 个相，就是铁素体和渗碳体。 由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。 这一点是十分重要的。 铁碳合金在固态下的几种基本组织：铁素体（ F）、珠光体（ P）、渗碳体（ Fe3C）、奥氏体（ A）和莱氏体（ Ld）。 铁和碳可以形成一系列化合物，如 Fe3C， Fe2C， FeC 等，有实用意义并被深入研究的只是 FeFe3C 部分，通常称其为 FeFe3C 相图， 此时相图的组元为 Fe 和 Fe3C。 由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在 5%以下，因此成分轴从 0～ %。 所谓的铁碳合金相图实际上就是 FeFe3C 相图。 二、铁碳合金相图分析 13 1 铁碳相图分析 FeFe3C 相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将 FeFe3C 相图分成上下两个部分来分析。 1，上半部分 —— 共晶转变 在 1148℃， %C 的液相发生共晶转变： Lc 1148℃ γ E＋ Fe3C，转变的产物称为莱氏体，用符号 Ld 表示。 存在于 1148℃～ 727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号 Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于 727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号 Ldˊ 表示，组织由渗碳体 和珠光体组成。 低温莱氏体是由珠光体， Fe3CⅡ 和共晶 Fe3C 组成的机械混合物。 经 4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在 Fe3C 基体上， Fe3CⅡ 和共晶 Fe3C 交织在一起，一般无法分辨。 2，下半部分 —— 共析转变 在 727℃， %的奥氏体发生共析转变：γ S 727℃ α p＋ Fe3C，转变的产物称为珠光体。 共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。 3，相图中的一些特征点 相图中应该掌握的特征点有： A， D， E， C， G（ A3点）， S（ A1点），它们的含 义一定要搞清楚。 4， 铁碳相图中的特性线 相图中的一些线应该掌握的线有： ECF 线， PSK 线（ A1线）， GS 线（ A3线）， ES 线（ Acm 线） 水平线 ECF 为共晶反应线。 碳质量分数在 %～ %之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。 水平线 PSK 为共析反应线。 碳质量分数为 %～ %的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。 PSK 线亦称 A1线。 水平线 HJB 为包晶转变线。 LB＋δ H 1495℃ γ J。 GS 线是合金冷却时自 A 中开始析出 F 的临界温度线，通常称 A3线。 ES 线是碳在 A 中的溶解度曲线（固溶线），通常叫做 Acm 线。 由于在 1148℃时 A 中溶碳量最大可达 %， 而在 727℃时仅为 %， 因此碳质量分数大于 %的铁碳合金自 1148℃冷至 727℃的过程中， 将从 A 中析出 Fe3C。 析出的渗碳体称为二次渗碳体（ Fe3CII）。 Acm 线亦为从 A 中开始析出 Fe3CII的临界温度线。 PQ 线是碳在 F 中溶解度曲线（固溶线）。 在 727℃时 F 中溶碳量最大可达 %， 室温时仅为 %， 因此碳质量分数大于 %的铁碳合金自 727℃冷至室温的过程 中， 将从 F 中析出 Fe3C。 析出的渗碳体称为三次渗碳体（ Fe3CIII）。 PQ 线亦为从 F 中开始析出 Fe3CIII的临界温度线。 Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。 例 根据铁碳合金相图分析亚共析钢的结晶过程及组织转变。 解 以含碳量 Wc 为 %的合金为例。 当液相冷却至 BC 线时，液相中开始析出奥氏体晶粒，在温度不断下降过程中。 奥氏体量不断增加，当温度降到 JE 线时，液相全部变为单一均匀奥氏体。 在温度为 JE 线与 GS线之间时仍为奥氏体。 当冷却到 GS 线时，奥氏体中开始析出铁素体。 随着温度不断降低，铁素体量逐渐 增多，奥氏体量逐渐减少。 当温度降到 A1线（ 727℃）时，奥氏体的含碳量 Wc 升至 %则发生共析反应而转变为珠光体。 继续冷却至室温合金的组织为铁素体和珠光体。 所有的亚共析钢，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成的，不同之处在于铁素体和珠光体的相对量不同。 含碳量愈高，组织中珠光体量愈多，而铁素体量愈少。 因此，可根据亚共析钢缓冷下的室温组织估计其碳含量 Wc=Sp179。 %。 式中 Wc— 钢中 C 的质量分数； Sp— 珠光体在显微组织中所占的面积百分比； %— 珠光体的 C 的质量分数。 三、含碳量对铁碳合金组织和性能 的影响 1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响 按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系。 当碳的质量分数增高时，不仅其组织中的渗碳体数量增加，而且渗碳体的分布和形态发生如下变化： Fe3CIII（沿铁素体晶界分布的薄片状） 共析 Fe3C（分布在铁素体内的层片状） Fe3CII（沿奥氏体晶界分布的网状） 共晶 Fe3C（为莱氏体的基体） Fe3CI（分布在莱氏体上的粗大片状）。 2．含碳量对机械性能的影响 渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬 度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。 低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。 随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体量不断减少，而珠光体量不断增加，导致强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，当钢的含碳量增加至 %时，其组织大多数为珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达到最大值。 当 Wc＞ %时， 14 由于网状 Fe3CII 出现，导致钢的强度下降。 为了保证工业用钢具有足够的强度、硬度和适宜的塑性、韧性，其 Wc 一般不超过 %～ %。 3．含碳量对工艺性能的影响 对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在 HB200 左右，切削加工性能最好。 含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。 对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。 由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。 锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度也不能过低，以免产生裂纹。 对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结 晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。 从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。 一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。 习题 3. 简述低碳钢、中碳钢和高碳钢的划分标准及其各自的性能特点。 答：低碳钢（ Wc 为 ％～ ％），若零件要求塑性、韧性好，焊接性能好，例如建筑结构、容器等，应选用低碳钢；中碳钢（ Wc 为 ％～ ），若零件要求强度、塑性、韧性都较好，具有综合机械性能，便如轴类零件，应选用中碳钢；高碳钢（ Wc 为 ％～ ％），若零件要求强度硬度高、耐磨性好，例如工具等，应选用高碳钢。 习题 4. 简述铁碳相图的应用。 （ 1）为选材提供成份依据 FeFe3C 相图描述了铁碳合金的平衡组织随碳的质量分数的变化规律，合金性能和碳的质量分数关系，这就可以根据零件性能要求来选择不同成份的铁碳合金。 （ 2）为制订热加工工艺提供依据 FeFe3C 相图总结了不同成份的铁碳合金在缓慢冷却时组织随温度变化的规律，这就为制订热加工工艺提供了依据。 a. 铸造 根据 FeFe3C 相图可以找出不同成份的钢或铸铁的熔点，确定铸造 温度。 根据相图中液相线和固相线之间的距离估计铸造性能的好坏，距离越小，铸造性能越好，例如纯铁、共晶成分或接近共晶成分的铸铁铸造性能比铸钢好。 因此，共晶成分的铸铁常用来浇注铸件，其流动性好，分散缩孔小，显微偏析少。 b. 锻造 根据 FeFe3C 相图可以确定锻造温度。 始轧和始锻温度不能过高，以免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化（称为过烧）。 一般控制在固相线以下 100～ 200℃。 一般对亚共析钢的终轧和终锻温度控制在稍高于 GS 线（ A3线）；过共析钢控制在稍高于 PSK 线（ A1线）。 实际生产中各处碳钢的始锻和始轧 温度为 1150～1250℃，终轧和终锻温度为 750～ 850℃。 c. 焊接 由焊缝到母材在焊接过程中处于不同温度条件，因而整个焊缝区出现不同组织，引起性能不均匀，可根据相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。 d. 热处理 热处理的加热温度都以相图上的临界点 A A Acm 为依据。 由相图可知，任何成分的钢加热到 A1温度以上时，都会发生珠光体向奥氏体的转变。 将共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热到 A A Acm 以上时，都完全转变为单相奥氏体，通常把这种加热转变 称为奥氏体化。 显然加热的目的就是为了使钢获得奥氏体组织，并利用加热规范控制奥氏体晶粒大小。 钢只有处于奥氏体状况才能通过不同的冷却方式使其转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。 拉力试验是用来测定金属材料的强度、塑性。 金属材料试验机可以做抗拉试验，还可进行弯曲、压缩、伸长率、断面收缩率等项目的试验。 材料的抗拉强度（σ b）按下式计算：0b AFb 式中 Fb— 试样拉断前承受的最大外力（ N）。 A0— 试样原始横截面积（ mm2）。 为了测定材 料在受拉力状态下对缺口的敏感程度，还可做缺口拉伸试验。 对于在服役条件下承受附加弯曲的零件如螺栓等，必要时做缺口偏斜拉伸试验。 缺口偏斜拉伸试验是在试验机的拉伸夹具中加一个带一定斜度的垫圈，常用的偏斜角为 4176。 或 8176。 ，相应的缺口强度标记为 4bN 或8bN。 15 为了测定某些特殊材料在一定高温下的强度指标，在拉伸试验机上加一个电阻加热或感应加热的加热装置即可。 低温试 验则需安装一个低温箱，用干冰或液氮做为冷却剂。 一些先进的材料试验机，本身带有高温和低温拉伸试验装置。 对于脆性材料和低塑材料可进行弯曲试验和压缩试验。 对于检测表面强化试件的力学性能进行扭转试验最为合适。 冲击试验是将冲击试样放在冲击试验机的支座上，使试样的缺口背向摆锤的冲击方向，再将具有一定质量的摆锤，由一定高度自由落下，测得一次冲击试样缺口处单位面积所消耗的功，称为冲击韧度（α k）。 冲击试验主要用于结构钢。 对于脆性材料（如铸铁、铸铝等）和塑性很好的材料（如铜、黄铜和奥氏体钢等）一般均不采用冲击试验。 为了测定材料的韧脆转变温度，以判断材料的冷脆性或回火脆性，常常采用系列冲击试验。 即通过不同温度下的冲击试验测得一系列的冲击值而得到材料冲击韧度随试验温度变化曲线，然后以（α k max＋α k min）/2 相当的温度或 50%纤维断口相当的温度确定为韧脆转变温度 Tk。 测定金属材料化学成分的常用方法有化学分析法、火花鉴别法、光谱分析法和看谱镜法。 1. 化学分析法 （ 1）测定钢铁中的含碳量 其原理是首先在高温下将钢铁试样中的碳燃烧生成二氧化碳后再进行测定。 较常用的是气体容量定碳法：将试样在高温（ 1100～ 1300℃）的氧气流中燃烧，使碳燃烧生成二氧化碳，硫燃烧生成二氧化硫，再把混合气体经除硫后收集于量气管中，用氢氧化钾溶液吸收二氧化碳，以吸收前后的体积之差测出二氧化碳的体积，通过换算确定碳的含量。 此方法适用于含碳量约 0. 10%～ %的碳钢及合金钢试样。 （ 2）钢铁中含锰量的测定方法 亚砷酸钠 — 亚硝酸钠容量法（过硫酸铵容量法）是将试样经酸溶解，在硫酸 — 磷酸混合酸介质中以硝酸银为催化剂，用过硫酸铵将二价锰氧化成七价，再用亚砷酸钠一亚硝酸钠标准液滴定。 此方法适用于普通钢、铸铁及含铬质量分数为 2%以上、含锰质量分数 为 3%以下的合金钢与合金铸铁。 （ 3）含铬量的测定方法 一般测试含铬质量分数为 1%以下的低合金钢多采用二苯卡巴肼比色法，而对于高含铬量的合金钢则采用过硫酸铵银盐容量法。 （ 4）含钼量的测定方法 硫氰酸盐直接比色法可适用于含钼质量分数为 %～ %的钢和合金铸铁。 （ 5）含钨量的测定方法 硫氰酸盐直接比色法可适用于含钨质量分数为 %～ %的碳钢和合金钢。 2. 火花鉴别法 依靠观察材料被砂轮磨削时产生的流线、节点、苞花、爆花和尾花及色泽特征、形态来鉴别钢铁牌号。 砂轮片宜采用中硬度 46～ 60 号 普通氧化铝砂轮，不宜使用碳化硅或白色氧化铝砂轮。 火花鉴别法只能定性和半定量地对碳钢和合金元素含量较高的合金钢进行鉴别，适宜于生产现场初步判断钢种。 3. 光谱分析法 大型精密光谱仪适用中央实验室，对于热处理现场，一般可使用台式光谱仪或便携式光谱仪。 4. 看谱镜法 通常的化学分析法、光谱分析法和火花鉴别法只能测出材料的平均成分，无法测定微观尺度上元素分布不均或沉淀相及夹杂物的化学成分。 目前微区化学成分分析的主要方法有电子探针 X 射线分析、离子探针显微分析、俄歇电子能谱分析以及激光显微光谱分析等。 金相分析包含以下三个方面 ：原材料缺陷的低倍检验、断口分析和显微组织检验。 钢的低倍检验通常是用肉眼或低倍放大后观察判断的，因此也称为宏观检验。 钢材进厂前或使用前必须进行缺陷检查。 低倍检验的内容一般包括疏松、缩孔、偏析、白点、夹杂和裂纹等。 低倍检验的一般方法有：酸浸蚀方法，。