金屬材料及熱處理第一章

1、緒緒 論論 金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及科學(xué)技術(shù)等部門使用最廣泛的材料，機械制造業(yè)更是如此，作為將來機械制造業(yè)從業(yè)人員，會經(jīng)常遇到金屬材料的選用及熱處理問題。在機械零件或工具的制造中，如果選材不當或熱處理工藝、工序安排不合理，不僅不能使金屬材料滿足加工和使用的性能要求，而且還會帶來很大的經(jīng)濟損失或生產(chǎn)事故。因此，金屬材料與熱處理是機械制造類專業(yè)學(xué)生必須學(xué)習(xí)和掌握的重要課程之一。一、本課程的性質(zhì)和任務(wù)：一、本課程的性質(zhì)和任務(wù)：二、本課程的基本內(nèi)容二、本課程的基本內(nèi)容 ：三、學(xué)習(xí)本課程需注意的幾個問題：三、學(xué)習(xí)本課程需注意的幾個問題：第一章第一章 金屬的性能金屬的性能第一節(jié)第一節(jié) 金屬的物理、

2、化學(xué)性能金屬的物理、化學(xué)性能 金屬的物理性能是指金屬所固有的屬性，它包括密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。金屬的化學(xué)性能是指金屬在化學(xué)作用下所表現(xiàn)的性能，如耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。一、金屬的物理性能：一、金屬的物理性能：1 1、密度：、密度： 密度是指金屬材料單位體積的質(zhì)量2 2、熔點：、熔點： 金屬和合金從固體向液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變時的熔化溫度稱為熔點3 3、導(dǎo)熱性：、導(dǎo)熱性： 金屬能傳導(dǎo)熱的性能稱為導(dǎo)熱性。4 4、導(dǎo)電性：、導(dǎo)電性： 金屬能夠傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。5、熱膨脹性：、熱膨脹性： 金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。6磁性：磁性： 金屬能導(dǎo)磁的性

3、能稱為磁性。常用金屬的物理性能常用金屬的物理性能金屬金屬名稱名稱符號符號密度密度(20)（kg/m3）熔點熔點()熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(W/mK)線脹系數(shù)線脹系數(shù)L(0100 100 )(10-6/)電阻率電阻率(0)10-8m銀銀Ag10.49103960.8418.619.71.5銅銅Cu8.961031083393.5171.671.68(20 )鋁鋁Al2.7103660221.923.62.655鎂鎂Mg1.74103650153.724.34.47鎢鎢W19.31033380166.24.6(20 )5.1鎳鎳Ni4.5103145392.113.46.84鐵鐵Fe7.8710315387

4、5.411.769.7錫錫Sn7.3103231.962.82.311.5鉻鉻Cr7.191031903676.212.9鈦鈦Ti4.508103167715.18.242.147.8錳錳Mn7.4310312444.98(-192 )37185(20 )c一、金屬的化學(xué)性能：一、金屬的化學(xué)性能：1、耐腐蝕性：、耐腐蝕性： 金屬材料抵抗化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。2、抗氧化性：、抗氧化性： 金屬材料抵抗氧氣氧化作用的能力，稱為抗氧化性。3、化學(xué)穩(wěn)定性：、化學(xué)穩(wěn)定性： 化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。 金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性叫做熱穩(wěn)定性。金屬的物理、化學(xué)性能在

5、實際生產(chǎn)中的意義金屬的物理、化學(xué)性能在實際生產(chǎn)中的意義 根據(jù)不同金屬的物理特性，可以開發(fā)具有特殊性能的金屬材料，如超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、阻尼材料（無聲材料）等等，在現(xiàn)代工業(yè)、科學(xué)研究和高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義 化學(xué)性能與實際生產(chǎn)也具有重要關(guān)系 ,提高金屬材料自身的化學(xué)穩(wěn)定性，采取防止金屬氧化和腐蝕的外部措施，是一個重要的研究課題 一、強度與塑性一、強度與塑性1載荷、變形與應(yīng)力載荷、變形與應(yīng)力第二節(jié)第二節(jié) 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能載荷載荷:金屬材料在加工或金屬材料在加工或使用過程中所承受的外使用過程中所承受的外力力彈性變形：能隨載荷的去除彈性變形：能隨載荷的去除而消失的變形而消失的

6、變形塑性變形：不能隨載荷的去塑性變形：不能隨載荷的去除而消失的變形除而消失的變形應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。2拉伸試驗拉伸試驗（1）試樣拉伸試樣）拉伸前）拉伸前 ）拉斷后）拉斷后拉伸式樣拉伸式樣 （2）試驗設(shè)備拉伸試驗機（3）試驗結(jié)果與分析拉伸曲線變形階段：變形階段：屈服：載荷不增加變形仍在屈服：載荷不增加變形仍在增加的現(xiàn)象增加的現(xiàn)象形變強化（加工硬化）：隨形變強化（加工硬化）：隨塑性變形的增加，變形抗力塑性變形的增加，變形抗力也增加的現(xiàn)象也增加的現(xiàn)象3強度與強度指標強度與強度指標規(guī)定非比例延伸強度規(guī)定非比例延伸強度規(guī)定總延伸強度規(guī)定總延伸強度規(guī)定殘余延伸強度規(guī)定殘余延伸強

7、度（5）抗拉強度）抗拉強度 4塑性與塑性指標塑性與塑性指標（1）斷后伸長率A （2）斷面收縮率Z%100-010SSS%100-00lllu 斷后伸長率（A）與斷面收縮率（Z）數(shù)值越大，表示金屬材料的塑性越好。塑性好的金屬易通過塑性變形加工，制成形狀復(fù)雜的零件。例如，鋼的塑性較好，能通過鍛造成形；鑄鐵的塑性差，不能進行變形加工。另外，塑性好的材料，在受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，因此比較安全。二、硬度二、硬度1布氏硬度布氏硬度（1）試驗原理D壓頭試樣dFh布氏硬度試驗原理圖 使用一定直徑的硬質(zhì)合金球，以規(guī)定的試驗力壓入金屬表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，然后用刻度放大鏡測量

8、表面壓痕直徑，再計算硬度值，如左圖所示。 布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來計算，用符號HBW表示。（2）布氏硬度的表示方法 布氏硬度用符號HBW表示，符號之前的數(shù)字是硬度值，符號之后為試驗條件，依次為：壓頭直徑（mm）/試驗力（）/保持時間（s）。（3）優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍 優(yōu)點：試驗力和壓頭直徑都比較大，壓痕面積也大，能反映出較大范圍內(nèi)金屬材料的平均硬度，因此測定的硬度值比較準確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強。 缺點：缺點：試驗過程復(fù)雜，而且由于壓痕面積大，對金屬表面的損傷也較大，不宜于測量表面質(zhì)量要求嚴格的成品零件及薄件。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：布氏硬度適用于測量鑄鐵、有色金屬及退火、正火、

9、調(diào)質(zhì)處理的鋼材等。2洛氏硬度洛氏硬度（1）試驗原理HR150A型洛氏硬度計型洛氏硬度計 洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗，將錐角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm（1/16吋）的淬火鋼球壓入金屬表面，以壓痕深度確定其硬度值。洛氏硬度沒有單位。（2）常用洛氏硬度標尺及表示方法 為了用一臺硬度計測定從軟到硬不同金屬材料的硬度，可采用不同的壓頭和總試驗力組成15種洛氏硬度標尺，常用的是A，B，C三種，其中C標尺應(yīng)用最為廣泛。 洛氏硬度用符號HR表示，每一種標尺的符號在其后注明（HRC、HRB、HRA），硬度值置于符號之前。常用洛氏硬度標尺的試驗條件和適用范圍常用洛氏硬度標尺的試驗條件和適用范圍

10、硬度硬度標尺標尺壓頭類型壓頭類型初試驗初試驗力力（N）總試驗總試驗力力（N）硬度值硬度值有效范圍有效范圍應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例HRC120金剛石圓金剛石圓錐體錐體98.0714712067HRC一般淬火鋼件一般淬火鋼件HRB鋼球鋼球98.07980.725100 HRB有色金屬、退火有色金屬、退火鋼、正火鋼等鋼、正火鋼等HRA120金剛石圓金剛石圓錐體錐體98.07588.46085HRA硬質(zhì)合金、表面硬質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳層淬火層、滲碳層等等（3）優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍 洛氏硬度的優(yōu)點是：操作簡單迅速，能直接從表盤上讀出硬度值；壓痕較小，可以測定成品及較薄工件；測量的硬度值范圍大，可測從很軟到很硬的

11、金屬材料。 其缺點是：因壓痕較小，測定的硬度值不夠準確，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，不宜測量表面質(zhì)量差或組織不均勻的材料。3維氏硬度維氏硬度（1）試驗原理 維氏硬度試驗原理與布氏硬度基本相同，所不同的是其壓頭是一個相對面夾角為136的金剛石正四棱錐體，用測量壓痕對角線的長度來計算壓痕面積和硬度值。維氏硬度符號為HV，其表示方法與布氏硬度基本相同。三、沖擊韌性與疲勞強三、沖擊韌性與疲勞強度度1沖擊韌性沖擊韌性 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌性。金屬材料的沖擊韌性是通過沖擊試驗的方法測量的。 （1）一次沖擊試驗 多次重復(fù)沖擊試驗所使用的沖擊能量較小，試樣經(jīng)多次重復(fù)沖擊作用后斷裂，以試樣斷裂時經(jīng)

12、受沖頭沖擊的次數(shù)（N）代表金屬的抗沖擊能力。（2）多次重復(fù)沖擊試驗 實踐表明，金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時，其沖擊抗力主要取決于沖擊韌度ak的大??；而在多次重復(fù)沖擊條件下，其沖擊抗力主要取決于金屬材料的強度和塑性。2疲勞強度疲勞強度 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，都是在交變應(yīng)力作用下工作的。雖然工作應(yīng)力的最大值低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。 疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。（1）疲勞破壞的特征疲勞斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，而是突然破壞；引起疲勞斷裂的應(yīng)力較低，常常低于材料的屈服點；疲勞破壞都要經(jīng)過

13、裂紋形成、擴展和整體斷裂三個階段，其斷口形貌也往往呈現(xiàn)這一斷裂過程；（3）疲勞曲線和疲勞極限對稱循環(huán)應(yīng)力圖對稱循環(huán)應(yīng)力圖 金屬材料的疲勞抗力是采用專門試驗設(shè)備，通過疲勞試驗的方法測量的。將材料制成試樣，對其施加交變應(yīng)力 疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖 觀察交變應(yīng)力 與試樣斷裂前的應(yīng)力循環(huán)周次N的關(guān)系，如果將 和N的對應(yīng)關(guān)系繪制成圖，就得到 -N曲線或稱為疲勞曲線，如左圖所示。 金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，如工作條件、表面狀態(tài)、材料成分、組織及殘余內(nèi)應(yīng)力等。改善零件的結(jié)構(gòu)形式、降低零件表面粗糙度及采取各種表面強化方法等，都能提高零件的疲勞極限。 金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的性能表現(xiàn)是不同的

14、，必須對其受力狀態(tài)進金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的性能表現(xiàn)是不同的，必須對其受力狀態(tài)進行全面分析，合理確定設(shè)計和選材依據(jù)。在進行工程設(shè)計時，可以從以下幾個方行全面分析，合理確定設(shè)計和選材依據(jù)。在進行工程設(shè)計時，可以從以下幾個方面加以考慮面加以考慮金屬材料力學(xué)性能的應(yīng)用金屬材料力學(xué)性能的應(yīng)用 一、當零件或構(gòu)件受到簡單載荷（如靜載荷）作用時，主要以所選用材料一、當零件或構(gòu)件受到簡單載荷（如靜載荷）作用時，主要以所選用材料的屈服強度作為設(shè)計依據(jù)，根據(jù)其承載大小確定截面尺寸。如橋梁、工程結(jié)構(gòu)的屈服強度作為設(shè)計依據(jù)，根據(jù)其承載大小確定截面尺寸。如橋梁、工程結(jié)構(gòu)等的設(shè)計一般屬于這種情況等的設(shè)計一般屬于這種

15、情況 二、當零件或構(gòu)件受到復(fù)雜載荷（如同時承受多種形式的應(yīng)力和沖擊載二、當零件或構(gòu)件受到復(fù)雜載荷（如同時承受多種形式的應(yīng)力和沖擊載荷）作用時，要求其制造材料具有良好的綜合力學(xué)性能，即強度、塑性和韌荷）作用時，要求其制造材料具有良好的綜合力學(xué)性能，即強度、塑性和韌性等指標要有良好配合。如軸類、連桿等零件即屬于這種情況性等指標要有良好配合。如軸類、連桿等零件即屬于這種情況 三、當零件或構(gòu)件受到交變載荷作用時，其主要失效形式是疲勞破壞三、當零件或構(gòu)件受到交變載荷作用時，其主要失效形式是疲勞破壞,此此種情況不能簡單地以材料的屈服強度作為設(shè)計依據(jù)，而是用疲勞強度指標計算種情況不能簡單地以材料的屈服強度作

16、為設(shè)計依據(jù)，而是用疲勞強度指標計算零件或構(gòu)件的截面尺寸零件或構(gòu)件的截面尺寸 四、當零件或構(gòu)件受到摩擦載荷作用時，其主要失效形式是因表面過度四、當零件或構(gòu)件受到摩擦載荷作用時，其主要失效形式是因表面過度磨損而喪失使用功能磨損而喪失使用功能,因此要求其表面具有較高的硬度因此要求其表面具有較高的硬度 ，此時需采取一定的技，此時需采取一定的技術(shù)手段，讓其表面達到一定的硬度要求，而心部需具有良好的綜合機械性能術(shù)手段，讓其表面達到一定的硬度要求，而心部需具有良好的綜合機械性能 特殊條件下還要考慮周圍環(huán)境對金屬材料力學(xué)性能的影響。特殊條件下還要考慮周圍環(huán)境對金屬材料力學(xué)性能的影響。 第三節(jié)第三節(jié) 金屬的工藝

17、性能金屬的工藝性能 所謂工藝性能是指在機械零件或工具加工制造過程中，金屬材料所表現(xiàn)出來的適應(yīng)能力。金屬的工藝性能包括切削加工性、鑄造性、可鍛性及可焊性等。1常用切削加工簡介 切削加工是指用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料層切去成為切屑，使工件獲得規(guī)定的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。切削加工是機械制造中最主要的加工方法。一、切削加工與切削加工性一、切削加工與切削加工性 CA6140車床車床 X 6325萬能搖臂銑床萬能搖臂銑床2金屬切削加工性 切削加工性好的金屬材料，加工時刀具的磨損量小，切削用量大，加工出來的表面質(zhì)量也比較好。 金屬材料使用某種切削方法以獲得優(yōu)良工

18、件的可能性，稱為切削加工性。它也是指金屬材料經(jīng)過切削加工而成為合乎要求的工件的難易程度。二、鑄造加工與鑄造性二、鑄造加工與鑄造性 鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。1鑄造加工簡介 金屬材料能否用鑄造的方法制成優(yōu)良鑄件的性能，稱為鑄造性。鑄造性包括流動性，收縮性和偏析（化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象）傾向等。2鑄造性 各種形狀的鑄件各種形狀的鑄件三、三、壓力加工與壓力加工與可鍛性可鍛性 金屬固態(tài)塑性成形過程簡稱金屬成形過程(又叫金屬壓力加工或鍛壓加工)，它是指在外力作用下，使金屬材料產(chǎn)生預(yù)期的塑性變形，以獲得所需形狀、尺寸和力學(xué)性能的毛坯或零件的加工方法。1壓力加工簡介 要實現(xiàn)金屬材料的固態(tài)成形，必須要有兩個基本