《材料性能和熱處理》PPT課件

1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)多媒體課件,編 輯：李光玲 動(dòng)畫(huà)制作：李光玲 文 字：李光玲,1.4 金屬材料的性能,1、金屬材料的性能,使用性能,指材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能,工藝性能,指在制造機(jī)械零件的過(guò)程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能,2、金屬材料力學(xué)性能,包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等,指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等,強(qiáng)度,一、材料的拉伸曲線(xiàn),1、oe段：直線(xiàn)、彈性變性,2、es段：曲線(xiàn)、彈性變形+塑性變形,5、b點(diǎn)：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力

2、降低，拉伸力達(dá)到最大值，試樣即將斷裂。(強(qiáng)化階段,3、s s段：水平線(xiàn)（略有波動(dòng)）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長(zhǎng),4、sb曲線(xiàn)：彈性變形+均勻塑性變形,1.4.1金屬材料的力學(xué)性能,低碳鋼的拉伸曲線(xiàn)圖,a)原始試樣 （b)拉伸后試樣 圓形拉伸試樣,長(zhǎng)試樣:l0=10d0 短試樣l0=5d0,低碳鋼的拉伸過(guò)程,強(qiáng)度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力,二、強(qiáng)度的指標(biāo),3、抗拉強(qiáng)度b,指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。 其物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力,2、屈服點(diǎn),b = Fb/S0,當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力b時(shí)，材料將產(chǎn)生斷裂。 b常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù),s = Fs/

3、S0,1、彈性極限e,e = Fe/S0,沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（鑄鐵、高碳鋼）： 工程上規(guī)定 用條件屈服點(diǎn)（ 0.2 ）來(lái)表示: 產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值,4.低碳鋼和鑄鐵在壓縮時(shí)的力學(xué)性能,塑性,塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。評(píng)定指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率,1、斷后伸長(zhǎng)率,2、斷面收縮率,指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比,指試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比,L0:標(biāo)距Lk:拉斷后的試件標(biāo)距。將斷口密合在一起，用卡尺直接量出,S0 :試件原橫截面積。Sk:斷裂后頸縮處的橫截面積，用卡尺直接量出,5%為塑性材料， 5%為脆

4、材料,硬度,1、定義：指材料局部表面抵抗塑性變形和壓痕或劃痕的能力。它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，其物理含義與試驗(yàn)方法有關(guān),2、硬度的測(cè)試方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）維氏硬度 （4）肖氏硬度,1、布氏硬度試驗(yàn)（布氏硬度計(jì),原理:用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法,2、布氏硬度值 用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。 如：120HBS（用鋼球壓頭 ） 500HBW（硬質(zhì)合金球,4、測(cè)量范圍 用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等,一、布氏

5、硬度,3、優(yōu)缺點(diǎn) （1）測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好，可測(cè)組織不均勻材料（鑄鐵）（2）可測(cè)的硬度值不高（3）不測(cè)試成品與薄件（4）測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低,南山學(xué)院,1、洛氏硬度試驗(yàn)（洛氏硬度計(jì),原理: 用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗(yàn)力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn),2、洛氏硬度值 用測(cè)量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P(pán)上直接讀出。如：50HRC,4、測(cè)量范圍 用于測(cè)量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料,二、洛氏硬度,3、優(yōu)缺點(diǎn) （1）試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、迅速（2）壓痕小，可測(cè)成品，薄件（3）數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值（4）不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料，如鑄鐵,洛

6、氏硬度測(cè)量原理圖,將金剛石壓頭(或鋼球壓頭), 在先后施加兩個(gè)載荷(預(yù)載荷F0和總載荷F)的作用下壓入金屬表面?？傒d荷F為預(yù)載荷F0和主載荷F1之和。卸去主載荷F1后, 測(cè)量其殘余壓入深度h, 用h與h0之差h來(lái)計(jì)算洛氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低, 實(shí)際測(cè)量時(shí)硬度可直接從洛氏硬度計(jì)表盤(pán)上讀得。根據(jù)壓頭的種類(lèi)和總載荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三種,韌性,韌性是指材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱(chēng)為沖擊韌性。 用擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功,用符號(hào) Ak 表示。 用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積 S0 , 即得到材料的沖擊韌度 ak,沖擊吸收功:AK

7、=mgh1-mgh2 (J) 不用計(jì)算,從試驗(yàn)機(jī)上獲得AK越大,材料的韌性越好,沖擊韌度:k=AK /S,疲勞強(qiáng)度,在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程稱(chēng)為金屬的疲勞,材料承受的交變應(yīng)力( )與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線(xiàn)來(lái)表示。金屬承受的交變應(yīng)力越大, 則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí), 試樣可以經(jīng)受無(wú)限周期循環(huán)而不破壞, 此應(yīng)力值稱(chēng)為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強(qiáng)度)，用r表示,1.4.2 金屬材料的加工工藝性能,金屬材料的一般加工過(guò)程如下,1.焊接性能 金屬材料對(duì)焊接加工的

8、適應(yīng)性稱(chēng)焊接性。也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.18 %的合金鋼有較好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差,2.切削性能 切削加工性能一般用切削后的表面質(zhì)量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具壽命來(lái)表示。 金屬材料具有適當(dāng)?shù)挠捕?170 HBS230 HBS)和足夠的脆性時(shí)切削性良好。 改變鋼的化學(xué)成分(如加入少量鉛、磷等元素)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?如低碳鋼進(jìn)行正火，高碳鋼進(jìn)行球化退火)可提高鋼的切削加工性能。銅有良好的切削加工性能,3.壓力加工性能 金屬材料在外力的作用下變形成為零件的加工方法

9、稱(chēng)為壓力加工。壓力加工分為熱壓力加工（鍛造）和冷壓力加工（沖壓）。壓力加工性能是指材料是否易于用壓力加工方法制成零件的性能。如鍛造性能。它主要取決于金屬的塑性和變形抗力,1.4.2 金屬材料的加工工藝性能,流動(dòng)性 熔融金屬的流動(dòng)能力稱(chēng)為流動(dòng)性。 流動(dòng)性好的金屬容易充滿(mǎn)鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。 收縮性 鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮性。 鑄件收縮不僅影響尺寸，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開(kāi)裂等缺陷。故鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。 偏析 金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱(chēng)為偏析。 偏析大會(huì)使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大

10、的差異，降低鑄件的質(zhì)量,1.4.2 金屬材料的加工工藝性能,4.鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱(chēng)為鑄造性能，用流動(dòng)性、收縮性和偏析來(lái)衡量,5.熱處理性能 金屬經(jīng)熱處理可使性能順利改善的性質(zhì)稱(chēng)為熱處理性能。鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性, 即鋼接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金鋼淬透性比較好, 碳鋼的淬透性較差。 鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。 銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化,1.5 鋼的熱處理方法及目的,1、熱處理的概念,2、熱處理的目的,將固態(tài)鋼材采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織與性能的工藝,1）提高鋼的力學(xué)性能 （2）改善鋼的工藝性能,鋼的熱處理

11、原理,根據(jù)工藝類(lèi)型、工藝名稱(chēng)和實(shí)現(xiàn)工藝的加熱將熱處理分為,1、整體熱處理,2、表面熱處理,表面淬火、氣相沉積,3、化學(xué)熱處理：滲碳、氮化、碳氮共滲,退火、正火、淬火、回火,1.5 鋼的熱處理,熱處理的理論依據(jù),1.5 鋼的熱處理,鋼的退火與正火,1、概念：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后在爐中緩慢地冷卻的熱處理工藝,2、目的： 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷； 3）消除內(nèi)應(yīng)力,一、鋼的退火,1.5 鋼的熱處理,3、分類(lèi)： 根據(jù)鋼的成分和處理目的的不同，可分為完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火。 （1）完全退火 1、定義：將鋼加熱Ac3以上3050C,完全奧

12、氏體后，保溫一定時(shí)間隨之緩慢冷卻到500C以下，出爐空冷。 2、目的：細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，以利于切削加工。 3、適用范圍：亞共析鋼型材,1.5 鋼的熱處理,2）球化退火 1、定義：將鋼加熱到Ac1以上2030 C,保溫后隨爐緩冷至600 C，出爐空冷。 2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 3、適用范圍：主要用于過(guò)共析鋼及合金工具鋼,1.5 鋼的熱處理,3）去應(yīng)力退火 1、定義：將鋼加熱到500-600 C,保溫后隨爐緩冷至200-300 C出爐空冷。又稱(chēng)低溫退火。 2、目的：消除鑄件、鍛件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力 。（沒(méi)有發(fā)生組織變化） 3、適用范圍：用于所有的鋼,1.5 鋼

13、的熱處理,二、鋼的正火,1、概念： 將鋼件加熱到Ac3或Accm線(xiàn)以上3050 C ，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝,2、目的： 1）對(duì)低碳鋼，可細(xì)化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2）對(duì)中碳鋼，可提高硬度和強(qiáng)度，作為最終熱處理； 3）對(duì)高碳鋼，可為球化退火作準(zhǔn)備,1.5 鋼的熱處理,退火與正火的加熱溫度范圍,1.5 鋼的熱處理,正火和退火比較,正火的冷卻速度稍快一些，正火組織比較細(xì)， 其硬度高，強(qiáng)度高； 操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)周期短，能耗少,選擇,一般情況下，優(yōu)先考慮采用正火； 當(dāng)零件復(fù)雜時(shí)，則用退火； 正火作為較重要零件的預(yù)先熱處理 （正火球化退火或淬火,正火作為一般零件的最終熱處理,

14、2、目的： 提高鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性并保持足夠的韌性,1、概念： 將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間后，快速冷卻的熱處理工藝,三、鋼的淬火,1.5 鋼的熱處理,3、淬火劑：水、礦物油、鹽水和堿水等,為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開(kāi)裂，必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。通常的淬火方法包括單液淬火、雙液淬火、分級(jí)淬火等，如圖所示,4. 淬火方法,1.5 鋼的熱處理,4、淬火方法： （1）單液淬火：將加熱后的零件投入一種 冷卻 劑中冷卻至室溫。 特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 （2）雙液淬火：先水后油，或先油后空氣。 特點(diǎn)：可防止變形與開(kāi)裂。 （3）分

15、級(jí)淬火：先放入一定溫度的鹽浴或堿浴中，再空冷。 特點(diǎn)：有效減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開(kāi)裂； 但只適于小尺寸工件,1.5 鋼的熱處理,四、鋼的回火,1、回火的概念： 將淬火后鋼件再加熱到Ac1以下的某一溫度，保 溫一定時(shí)間后，然后冷卻到室溫的熱處理工藝,2、回火的目的： 降低淬火鋼的脆性，提高韌性，調(diào)整硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸，獲得所需要的力學(xué)性能,1.5 鋼的熱處理,3、回火的種類(lèi) 按回火溫度的不同，回火可分以下三種： 低溫回火：150 C 250 C 中溫回火：350 C 500 C 高溫回火：500 C 650 C,1.5 鋼的熱處理,1、低溫回火（150250）C 目的：保持淬火鋼的

16、高硬度和高耐磨性，降低淬火應(yīng) 力,減少鋼的脆性。硬度為58-64HRC。 主要用于：刃具、量具、模具、滾動(dòng)軸承、滲碳淬火 件和表面淬火件。 2、中溫回火（350500）C 目的：獲得高的彈性極限、屈服點(diǎn)和較好的韌性。 又稱(chēng)彈性處理。硬度為35-45HRC. 主要用于：彈性零件及熱鍛模具等。 3、高溫回火（500650）C 目的：獲得良好的綜合力學(xué)性能。 又稱(chēng)調(diào)質(zhì)處理。硬度為25-35HRC. 主要用于：各種重要結(jié)構(gòu)零件如螺栓、齒輪及軸承,1.5 鋼的熱處理,回火的種類(lèi),五 鋼的表面熱處理,為了兼顧零件表面和心部?jī)煞N不同性能要求,生產(chǎn)中廣泛采用表面熱處理的方法,即表面淬火和化學(xué)熱處理. 1、表面

17、淬火 1)、概念：指僅改變鋼的表層組織的局部熱處理工藝,1.5 鋼的熱處理,2)、種類(lèi) 火焰加熱表面淬火 ： 用氧乙炔火焰噴射到工件表面，使其被快速加熱到淬火溫度，并立即噴水冷卻的操作方法。 適用于含C 0.35%0.7%的中碳鋼和中碳合金鋼，如45，40Cr。 感應(yīng)加熱表面淬火 ： 用一定頻率的感應(yīng)電流使工件表面被快速加熱到淬火溫度，并立即噴水冷卻的操作方法。 適用于含C 0.4%0.5%的中碳鋼和中碳合金鋼，如40，40Cr,1.5 鋼的熱處理,六 鋼的化學(xué)熱處理,引言 1、概念：將鋼置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。 2、

18、分類(lèi)：滲碳、滲氮、 碳氮共滲,1.5 鋼的熱處理,鋼的滲碳,概念：將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱(chēng)為滲碳,目的：通過(guò)滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性能，而心部具有一定的強(qiáng)度和良好的韌性配合,滲碳方法：滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法,滲碳用鋼：含碳量為0.1%0.25%的低碳鋼和低碳合 金鋼,1.5 鋼的熱處理,鋼的滲氮,概念：滲氮俗稱(chēng)氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝,目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等,滲氮方法：氣體滲氮、離子滲氮等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮,滲氮用鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如20，40等；一般合金結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr等；滲氮專(zhuān)用鋼，如3