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、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、耐腐蚀性及抗氧化性等。常见的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗、渗金属等。
渗碳多用气体渗碳，在专用井式电阻炉中进行。渗碳后，工件表层0.5～2.0㎜范围内含碳量可提高0.85～1.0%，渗碳后，工件还要进行淬火和低温回火。适用低碳钢和低碳合金钢，提高工件表面硬度，耐磨性和使用寿命。
渗氮也称氮化。氮化可使工件表面得到一定的氮化层，有更高的硬度和耐磨性，高的耐疲劳强度。渗氮没有相变，不需淬火，变形也很小。但生产周期长，工艺复杂，成本高。
碳氮共渗也叫氰化。碳氮共渗时通入碳氮气体和一定数量的干燥无水的氨气，使其发生分解，形成活性碳原子和氮原子，同时被工件表面吸附并扩散形成氰化层。氰化过程加热温度较低（820～840℃），氰化后可直接淬火或冷却后再加热淬火。碳氮共渗工件变形小，渗层有较高的耐磨性，疲劳强度和抗压强度。但其工艺复杂，用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件，如仪表和缝纫机零件等
渗金属：是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等
