金屬材料與熱處理基礎(chǔ)

1、第二章金屬材料與熱處理基礎(chǔ),第一節(jié)金屬的力學(xué)性能,材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學(xué) 性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。 一、強(qiáng)度 強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過金屬拉伸試驗(yàn)來測定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在 試驗(yàn)機(jī)上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。 在此過程中，試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪制出載荷F和試樣變形量AL的關(guān)系曲線。 此曲線叫做拉伸曲線。 1拉伸曲線 圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標(biāo)表示載荷單位為N；橫坐 標(biāo)表示絕對伸長量L，單位為mm,從圖2-1中可以看出下面幾個(gè)變形階段： （1）Oe彈性變形階段 （

2、2）es屈服階段 （3）sb強(qiáng)化階段 （4）bk縮頸階段,2強(qiáng)度指標(biāo) 材料受到外力作用會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。 （1）屈服點(diǎn)s材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力。單位為MPa。 s= Fs/AO （2-1） 式中，F(xiàn)s是屈服時(shí)的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。 對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵），測量屈服點(diǎn)很困難，工程上經(jīng)常采用殘余伸長為0.2原長時(shí)的應(yīng)力0.2作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力。 0.

3、2= F0.2/AO （2-2） （2）抗拉強(qiáng)度b材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，單位為MPa?？估瓘?qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。 b= Fb/AO （2-3） 式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N,二、塑性 金屬材料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。通過拉伸試驗(yàn)測得 的常用塑性指標(biāo)有：斷后伸長率和斷面收縮率。 1斷后伸長率 試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量和原始標(biāo)距之比 =(L1L0)/L0100 （2-4） 式中，L1試樣原始標(biāo)距長度。L0試樣拉斷后的標(biāo)距長度。 2斷面收縮率 試樣拉斷處=100橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比 =

4、=(A0A1)/AO 100（2-5） 式中，Ao是試樣的原始橫截面積；A是試樣斷口處的橫截面積,三、硬度 硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法。 1布氏硬度試驗(yàn)法 如圖2-2所示采用 直徑為D的淬火鋼球或 硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載 荷F的作用下，壓入被 測金屬表面，保持一 定時(shí)間后卸除載荷，測 定壓痕直徑，求出壓痕 球形的表面積，壓痕單 位表面積上所承受的平 均壓力（F/A）即為布 氏硬度值，壓頭為淬火 鋼球時(shí)用HBS表示，壓 頭為硬質(zhì)合金球用時(shí) HBW表示。例如120HBS， 450HBW,2洛氏硬度試驗(yàn)法 采用頂角為120

5、的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭如圖2-3所示。試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量準(zhǔn)確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時(shí)間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來確定材料的硬度值,四、沖擊韌度 對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞，不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。 沖擊韌度的測定方法，如圖2-4所示。是將被測材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊功，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢能差。沖擊韌度值aKV就是試樣缺口處單位

6、截面積上所消耗的沖擊功，這個(gè)值越大，則韌性越好，受沖擊時(shí)，越不容易斷裂,五、疲勞強(qiáng)度 在汽車上的許多零件中，比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒有明顯的外觀變形時(shí)也會(huì)發(fā)生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險(xiǎn)性。 疲勞強(qiáng)度-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，其大小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。 為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度，可以通過改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減小表面

7、粗糙度值，進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方法,一、鋼的熱處理原理 1概述 熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。 根據(jù)熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為,第二節(jié)鋼的熱處理常識(shí),熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個(gè)階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線，見圖2-5,2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 在熱處理工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時(shí)的組織，其強(qiáng)度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因

8、此，鋼在加熱時(shí)，為了得到細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。 3鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時(shí)，將獲得不同的力學(xué)性能，見表2-1,二、退火與正火 1退火 退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。 2正火 正火是指把鋼加熱到組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上保溫，使其完全奧氏體化，在空氣中冷卻的熱處理工藝。 三、淬火與回火 1淬火 淬火是將鋼的組織加熱到轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝。 2回火 鋼

9、的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝,四、表面熱處理 常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理兩種。 1表面淬火 （1）火焰加熱表面淬火（如圖2-8所示） （2）感應(yīng)加熱表面淬火（如圖2-9所示,2化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。 化學(xué)熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。 （1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，如圖2-10所示。 （2）鋼的滲氮是指在一定溫度下，使活性氮原子滲

10、入工件表面的化學(xué)熱處理工藝,第三節(jié)常用金屬材料,金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料（有色金屬材料）兩大類，而鋼又可分為碳素鋼和合金鋼，鋼鐵以外的其他金屬稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。 一、鋼 鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。 二、鑄鐵 鑄鐵中的碳主要以滲碳體和石墨兩種形式存在，根據(jù)碳的存在形式不同，鑄鐵可以分為下列幾種：（1）白口鑄鐵 （2）灰鑄鐵碳（3）麻口鑄鐵 根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)不同，鑄鐵又可分為：灰鑄鐵中的石墨呈片狀；可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀,三、有色金屬及其合金 有色金屬是指鋼鐵以外的其他金屬

11、。有色金屬種類很多，又具有某些獨(dú)特的性能，是工業(yè)上不可缺少的金屬材料，有色金屬應(yīng)用較廣的是鋁、銅、鈦及其合金和滑動(dòng)軸承合金。 1鋁及鋁合金 2銅及銅合金 3滑動(dòng)軸承合金,復(fù)習(xí)試題,一、選擇題 1、拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷前所能夠承受的最大應(yīng)力稱為材料的（ ）。 A、彈性極限B、抗拉強(qiáng)度C、屈服點(diǎn) 2、用拉伸試驗(yàn)可測定材料的（）性能指標(biāo)。 A、強(qiáng)度B、韌性C、硬度 3、將鋼件奧氏體化后，先浸入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中，然后迅速浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火方法稱（）。 A、分級淬火B(yǎng)、等溫淬火C、水冷淬火D、雙介質(zhì)淬火 4、如果鋼件有嚴(yán)重的碳化物網(wǎng)，應(yīng)先進(jìn)行（）消除碳化物，然后

12、再球化退火。 A、去應(yīng)力退火B(yǎng)、正火C、完全退火D、淬火,5、制造小彈簧宜選用 （） ，制造冷壓件宜選用 （）鋼。 A、08FB、45C、65MnD、T12A 6、滾動(dòng)軸承鋼GCrl5中的平均含鉻量為（） 。 A、0.15B、1.5C、15D、0.015 7、合金滲碳鋼滲碳后必須進(jìn)行 （）熱處理才能使用。 A、淬火加高溫回火B(yǎng)、淬火加中溫回火 C、淬火加低溫回火D、高溫回火 8、鑄鐵中的碳以石墨形態(tài)析出的過程稱為 （） 。 A、石墨化B、變質(zhì)處理C、球化處理D、結(jié)晶 9、選擇下列材料的零件：汽車后橋外殼（） ，柴油機(jī)曲軸（） 。 A、HT200B、KTH350-10C、QT500-05D、RU

13、T420 10、不是工業(yè)純鋁的特點(diǎn)的是（） 。 A、密度小B、導(dǎo)電性好C、強(qiáng)度高D、抗腐蝕能力高,二、判斷題 1、材料的屈服點(diǎn)越低，則允許的工作應(yīng)力越高。（ ） 2、洛氏硬度值是沒有單位的。（ ） 3、布氏硬度測量法不適合于測量成品及較薄的零件。（ ） 4、鑄鐵的鑄造性能比鋼好得多，所以常用來鑄造復(fù)雜的工件。（ ） 5、對鋼進(jìn)行熱處理的目的都是為了獲得細(xì)小、均勻的奧氏體組 織。（ ） 6、退火與正火的目的大致相同，它們主要的區(qū)別是保溫時(shí)間長短。（ ） 7、回火的目的主要是消除應(yīng)力，降低硬度，便于進(jìn)行切削加工。（ ） 8、感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)所使用的電流頻率越高，則工件表面的淬硬層嘗試越大。（ ）

14、 9、滲碳的零件可以是低碳鋼也可以是高碳鋼。（,10、碳素工具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都大于0.7。（ ） 11、灰口鑄鐵包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵。（ ） 12、從灰鑄鐵的牌號上可以看出它的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度值。（ ） 13、耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵都屬于合金鑄鐵。（ ） 14、通過熱處理可以改變灰鑄鐵的基體組織，故可以顯著地提高力學(xué)性能。（ ） 15、QT400-18是指b=400MPa，=1.8的球墨鑄鐵。（ ） 16、A1-Si系鑄造合金，又叫硅鋁明。鑄造性能良好，強(qiáng)度韌性較高。（ ） 17、在去應(yīng)力退火過程中，鋼的組織不發(fā)生變化。（ ） 18、合金鋼只有經(jīng)過熱處理，才能

15、顯著提高其力學(xué)性能。（ ） 19、可鍛鑄鐵比灰鑄鐵的塑性好，因此可以進(jìn)行鍛壓加工。（ ） 20、工業(yè)純鋁具有較高的強(qiáng)度，常用作工程結(jié)構(gòu)材料。 （,三、填空題 1、金屬材料的使用性能包括、和等；工藝性能包括、 、和等。 2、材料的力學(xué)性能包括 、 、和 等。 3、強(qiáng)度是指金屬材料在作用下，抵抗和的能力。 4、斷裂前金屬材料材料的能力稱為塑性。金屬材料的和的數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。 5、金屬材料抵抗作用而不破壞的能力，稱為沖擊韌度。 6、熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行、和以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。 7、生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有 、和等。 8、生產(chǎn)中在鋼淬火后進(jìn)行的熱處理工

16、藝稱為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后的組織為。 9、Q235AF表示為235MPa，質(zhì)量為級的鋼,10、ZG270-500表示b=，s=的工程用鑄鋼。 11、T10A表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 的鋼。 12、常用來制造高速切削的車刀、刨刀的高速工具鋼有 和 。 13、鑄鐵的性能決定于 和 。當(dāng)基體一定時(shí)，鑄鐵的性能決定于 的形狀、數(shù)量、大小和分布。 14、合金彈簧鋼中硅、錳的主要作用是 。 15、不銹鋼是指在 介質(zhì)或大氣中具有抗腐蝕性能的鋼，其成分特點(diǎn)是含 量較高，含 量較低。 16、表面要求具有高的 ，而心部需要足夠的 的零件應(yīng)進(jìn)行表面熱處理。 17、滾動(dòng)軸承鋼的熱處理首先采用 ，以降低鍛造后鋼的硬度，便于切削加工，

17、然后采用 ，以提高軸承的硬度和耐磨性。 18、白口鑄鐵中的碳主要以 形式存在，而灰口鑄鐵中的碳主要以 形式存在,b s HRC ak -1,19、普通黃銅是由 、 組成的二元合金。在普通黃銅中加入其他合金元素時(shí)稱 黃銅。 20、變形鋁根據(jù)其主要性能特點(diǎn)不同可分為： 鋁、 鋁、 鋁和 鋁等幾種。 四、連線題 1、連出下列力學(xué)性能指標(biāo) 的符號： 屈服點(diǎn) 抗拉強(qiáng)度 沖擊韌度 伸長率 斷面收縮率 疲勞極限 洛氏硬度C標(biāo)尺,2、正確選用下列材料： 機(jī)床主軸 板彈簧 坦克履帶 軸承滾動(dòng)體 儲(chǔ)酸槽 汽車變速齒輪 3、正確選用下列工具材料： 高精度長絲錐 麻花鉆頭 醫(yī)療手術(shù)器械 冷沖模 熱鍛模,1Cr18Ni9 40Cr GCrl5 20CrMnTi 60Si2Mn ZGMnl3 CrWMn Crl2Mo