金屬材料及熱處理知識第1章

1、國家職業(yè)資格培訓(xùn)教材國家職業(yè)資格培訓(xùn)教材編審委員會 編姜敏鳳 主編依據(jù)依據(jù)勞動和社會保障部勞動和社會保障部 制定的制定的國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求編寫要求編寫 掌握金屬材料的力學(xué)性能；熟悉金屬材料的工藝性能；了解金屬材料的物理性能、化學(xué)性能。第一章 金屬材料的性能目目 錄錄一、強度二、塑性三、硬度四、韌性五、疲勞一、金屬材料的物理性能二、金屬材料的化學(xué)性能一、鑄造性能二、壓力加工性能三、焊接性能四、熱處理性能五、切削加工性能第一章 金屬材料的性能使用性能金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能工藝性能 保證零件的正常工作應(yīng)具備的性能，即在使用過程中表現(xiàn)出的性能，如力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。

2、 材料在被加工過程中，適應(yīng)各種冷熱加工的性能，如熱處理性能、鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能等。第一章 金屬材料的性能 金屬材料的力學(xué)性能是指在力的作用下所顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的性能，通俗地講是指材料抵抗外力引起的變形和破壞的能力。金屬材料的力學(xué)性能主要有強度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。1.載荷 零件和工具在使用過程中所受的力按作用方式不同，可分為拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等，這種力又稱為載荷。載荷分為靜載荷與動載荷。（1）靜載荷 力的大小不變或變化緩慢的載荷，如靜拉力、靜壓力 等。（2）動載荷 力的大小和方向隨時間而發(fā)生改變，如沖擊載荷、交變 載荷

3、等。第一章 金屬材料的性能2.應(yīng)力 物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力。 應(yīng)力的計算公式為AF3.變形 金屬在外力的作用下尺寸和形狀的變化稱為變形。（1）彈性變形 去除外力后，物體的變形能完全恢復(fù)原狀。（2）塑性變形 當(dāng)外力取消后，物體的變形不能完全恢復(fù)，而產(chǎn)生永 久變形。去除外力后，物體的變形能完全恢復(fù)原狀。式中應(yīng)力（MPa）； F內(nèi)力（N）； A截面積（mm ）。2第一章 金屬材料的性能1.拉伸試樣 材料在力的作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。 在機械制造中常通過拉伸試驗測定材料的屈服強度和抗拉強度，作為金屬材料強度的主要判據(jù)。 拉伸試

4、樣的形狀與尺寸取決于被測試金屬產(chǎn)品的形狀和尺寸，試樣的橫截面可以為圓形、矩形、多邊形、環(huán)形等。圖1-1 圓形拉伸試樣 常用的圓形拉伸試樣的原始標(biāo)距長度（L0）與原始直徑（d0）一般應(yīng)符合L0/d0=5（短試樣），原始標(biāo)距長度不小于15mm；當(dāng)試樣橫截面太小時，可采用L0/d0=10（長試樣），或采用非比例試樣。第一章 金屬材料的性能2.拉伸曲線 拉伸試驗中記錄的拉伸力F與伸長量L（某一拉伸力時試樣的標(biāo)距長度與原始標(biāo)距長度的差，L=L1-L0）的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線。圖1-2 拉伸曲線a)低碳鋼拉伸曲線 b)鑄鐵拉伸曲線第一章 金屬材料的性能表1-1 金屬材料強度與塑性的新、舊標(biāo)準(zhǔn)名稱和符號對照

5、第一章 金屬材料的性能3.強度判據(jù) 強度測定一般用拉伸曲線上所對應(yīng)某點的應(yīng)力來表示。（1）屈服點（s） 金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間產(chǎn)生塑性變形而拉伸力不增加的應(yīng)力點。亦表示材料發(fā)生明顯塑性變形時的最低應(yīng)力值。 其計算公式為0sAFs式中 Fs發(fā)生屈服時的拉伸力（N），見圖1-2a； A0試樣原始橫截面積（mm ）。2第一章 金屬材料的性能0bbAF（2）抗拉強度（b） 拉伸試驗時，相應(yīng)最大拉伸力時的應(yīng)力。亦表示材料能夠承受的最大應(yīng)力值。 其計算公式為 工程上把屈服點與抗拉強度的比值（s/b）稱為屈強比，其值越高，則強度的利用率越高，一般材料的屈強比以0.75為宜。式中 Fb最大拉伸力（

6、N），見圖1-2a； A0試樣原始橫截面積（mm ）。2第一章 金屬材料的性能 塑性是金屬在外力作用下能穩(wěn)定地改變自身的形狀和尺寸，而各質(zhì)點間的聯(lián)系不被破壞的性能。1.斷后伸長率（） 斷后標(biāo)距的殘余伸長量（L1-L0）與原始標(biāo)距長度(L0)之比的百分?jǐn)?shù)。 其計算公式為%100001LLL式中 L0試樣原始標(biāo)距長度（mm）； L1試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）。第一章 金屬材料的性能2.斷面收縮率（）%100010AAA 試樣拉斷后橫截面積的最大縮減量（A0-A1）與試樣原始橫截面積（A0）的百分比，即為斷面收縮率。 其計算公式為 斷后伸長率和斷面收縮率的數(shù)值越大，表明材料的塑性越好。材料的塑性是

7、決定其能否進(jìn)行塑性加工的必要條件，塑性良好的金屬可進(jìn)行各種塑性加工，同時使用安全性也較好。式中 A0試樣原始橫截面積（mm ）； A1試樣斷口橫截面積（mm ）。22第一章 金屬材料的性能 壓入法測量硬度常用的方法有： 布氏硬度 洛氏硬度 維氏硬度圖1-3 壓入法測量硬度a)壓入法測量示意圖 b)三種常用硬度測量法 材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。第一章 金屬材料的性能布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV壓頭選取直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球金剛石圓錐或淬火鋼球相對面夾角為136度的金剛石正四棱錐壓頭壓入方法 以相應(yīng)的試驗力F壓入材料的表面（見圖1-4a），經(jīng)保持規(guī)定時間后

8、卸除試驗力硬度值測量用讀數(shù)顯微鏡測量殘余壓痕平均直徑d（見圖1-4b），用球冠形壓痕單位表面積上所受的壓力表示硬度值用殘余壓痕深度增量計算硬度值，實際測量時可通過試驗機的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值根據(jù)壓痕兩對角線長度的算術(shù)平均值來計算硬度，用正四棱錐壓痕單位表面積上所受的平均壓力表示硬度值應(yīng)用范圍測量組織抵大或組織不均勻的材料（如鑄鐵）測量成品或較薄的工件測量較薄的材料和滲碳、滲氮等表面硬化層圖1-4 布氏硬度測量原理a)壓頭壓入材料表面 b)讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑布氏硬度值分為HBS和HBW兩種（1）HBS：（2）HBW： 表示用淬火鋼球壓頭測量的布氏硬度值，用于測量硬度值小于450HBS的

9、材料。 表示用硬質(zhì)合金壓頭測量的布氏硬度值，用于測量硬度值為450650HBW的材料。第一章 金屬材料的性能表1-2 常用洛氏硬度的試驗條件、硬度范圍和應(yīng)用舉例第一章 金屬材料的性能 金屬在斷裂前吸收變形能量的能力，即抵抗沖擊破壞的能力。韌性的主要判據(jù)是沖擊吸收功。沖擊吸收功越大，材料承受沖擊的能力越強。1.沖擊吸收功（AK） 沖擊吸收功可通過一次擺錘沖擊試驗來測量。圖1-5 擺錘式?jīng)_擊試驗原理第一章 金屬材料的性能 試樣在一次沖擊試驗力作用下，斷裂時所吸收的功稱為沖擊吸收功，用AKV（或AKU）表示，單位為J。)(hHmgmghmgHAKAAaKK式中 A試樣缺口底部橫截面積(cm )。2

10、沖擊韌度是指沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功，用aK表示，單位為J/cm。2第一章 金屬材料的性能2.韌脆轉(zhuǎn)變溫度 一般金屬材料的沖擊吸收功隨溫度的下降而降低，即在高溫下表現(xiàn)出較好的韌性，而在低溫下則顯得較脆。3.小能量多次沖擊試驗的概念圖1-6 韌脆轉(zhuǎn)變溫度示意圖第一章 金屬材料的性能1.疲勞現(xiàn)象 材料在循環(huán)應(yīng)力和交變應(yīng)力作用下，盡管零件所受的應(yīng)力低于屈服點,但經(jīng)過較長時間的工作后,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。2.疲勞極限（-1） 循環(huán)應(yīng)力越小，則斷裂時的循環(huán)次數(shù)越大，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力低于某一值時，試樣可經(jīng)受無限次的循

11、環(huán)而不破壞，此應(yīng)力稱為疲勞極限，用-1表示。 機械零件失效約60%70%屬于疲勞破壞第一章 金屬材料的性能圖1-7 鋼鐵材料的疲勞曲線示意圖3.提高疲勞極限途徑 疲勞極限-1與材料的抗拉強度b存在一定的經(jīng)驗關(guān)系，一般對抗拉強度b低于1 400MPa的鋼材，其疲勞極限-1(0.40.6)b。第一章 金屬材料的性能強度、硬度、塑性、韌性等是金屬材料的常用力學(xué)性能判據(jù)表1-4 常用力學(xué)性能判據(jù)及含義表1-4 常用力學(xué)性能判據(jù)及含義第一章 金屬材料的性能 物理性能是指材料固有的屬性，金屬材料的物理性能包括熔點、密度、電性能、熱性能、磁性能等。1.密度 密度是指在一定溫度下單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，其表達(dá)式為

12、Vm/式中 物質(zhì)的密度（g/cm ）； m物質(zhì)的質(zhì)量（g）； V物質(zhì)的體積（cm ）。33第一章 金屬材料的性能2.熔點 熔點是材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。金屬等晶體材料一般具有固定的熔點，而高分子材料等非晶體材料一般沒有固定的熔點。鎢、鉬等金屬具有高的熔點3.電性能 描述材料電性能的物理量有電阻率和電導(dǎo)率。電阻率表示單位長度、單位截面積的電阻值，其單位為m。電導(dǎo)率為電阻率的倒數(shù)，單位為 m 。材料的電阻率越小，導(dǎo)電性能越好。11銀的導(dǎo)電性最好，銅與鋁次之第一章 金屬材料的性能4.熱性能（1）熱導(dǎo)率 用熱導(dǎo)率表示金屬導(dǎo)熱性能，含義是在單位厚度金 屬、溫差為1時，每秒鐘從單位截面通過的熱量，單

13、位是W/(m)。金屬越純，導(dǎo)熱性越好。（2）熱膨脹性 材料隨溫度的改變而出現(xiàn)體積變化的現(xiàn)象。用線膨 脹系數(shù)來表示熱膨脹性，含義是溫度上升1時，單 位長度的伸長量，單位是1/。5.磁性 磁性能可分為非鐵磁性物質(zhì)和鐵磁性物質(zhì)。非鐵磁性物質(zhì)不能被磁化。鐵磁性物質(zhì)在外磁場強度（H）的作用下產(chǎn)生很大的磁感應(yīng)強度（B）。銀、銅的導(dǎo)熱性最好，鋁次之Al、CuFe、Ni、Co第一章 金屬材料的性能圖1-8 鐵磁性材料的磁化和退磁曲線第一章 金屬材料的性能 材料抵抗各種化學(xué)介質(zhì)作用的能力，包括耐腐蝕性和高溫抗氧化性。1.耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。 金屬的腐蝕現(xiàn)

14、象隨處可見，如鐵生紅銹、銅生綠銹、鋁生白點等。2.高溫抗氧化性高溫下使用的工件，要求材料具有高溫抗氧化的能力。第一章 金屬材料的性能 金屬的工藝性能主要有鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能。 鑄造是指將熔化后的金屬液澆入鑄型中，待凝固、冷卻后獲得具有一定形狀和性能鑄件的成形方法。鑄造是獲得零件毛坯的主要方法之一。金屬的流動性越好，收縮率越小，表明鑄造性能越好。（1）流動性 金屬液本身的流動能力，流動性的好壞影響到金屬液的 充型能力。（2）收縮性 鑄造合金從液態(tài)凝固和冷卻至室溫過程中產(chǎn)生的體積和 尺寸的縮減。第一章 金屬材料的性能 壓力加工方法有鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等

15、。利用壓力使金屬產(chǎn)生塑性變形，使其改變形狀、尺寸和改善性能，獲得型材、棒材、板材、線材或鍛壓件的加工方法。 金屬的壓力加工性能主要決定于塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬的壓力加工性能就越好。 通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。 焊接性能是材料在限定的施工條件下焊接成規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定工作要求的能力。第一章 金屬材料的性能工藝焊接性使用焊接性在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)、無缺陷的焊接接頭的能力。焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求所規(guī)定的各種使用性能的程度，包括力學(xué)性能及耐熱、耐蝕等特殊性能。 熱處理是通過對固態(tài)下的材料進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，從而獲得所需要的組織和性能的工藝。材料接受各種切削加工的難易程度。 影響切削加工性能的主要因素是材料的硬度和組織狀況，通常材料的硬度在1