機(jī)械基礎(chǔ) PPT課件第二章

1、常用金屬材料與鋼的熱處理概述第二章知識(shí)目標(biāo) 掌握金屬材料的力學(xué)性能 掌握常用金屬材料的分類、性能和牌號(hào) 掌握鋼熱處理的基本知識(shí)技能目標(biāo) 掌握拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)的基本操作 了解熱處理對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響本章內(nèi)容金屬材料的力學(xué)性能 1常用金屬材料 2技能訓(xùn)練 43鋼的熱處理概述2.1 金屬材料的力學(xué)性能 概念 載荷 屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力稱為載荷。變形 金屬材料受到載荷作用而產(chǎn)生的幾何形狀和尺寸的變化稱為變形。變形一般分為彈性變形（可以恢復(fù)的變形）和塑性變形（永久變形）兩種。應(yīng)力 金屬材料受外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的阻止變形且與外力相等的抗力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。金屬受拉伸載

2、荷或壓縮載荷作用時(shí)，其橫截面積上的應(yīng)力按下式計(jì)算：【基礎(chǔ)知識(shí)】 靜載荷：大小不變或變化過(guò)程緩慢的載荷。沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。交變載荷：大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。 力學(xué)性能 金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能稱為金屬材料的力學(xué)性能。力學(xué)性能一般包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。強(qiáng)度 金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的內(nèi)力稱為強(qiáng)度。在機(jī)械制造中常用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度作為判別金屬?gòu)?qiáng)度高低的指標(biāo)。強(qiáng)度指標(biāo)通常用拉伸試驗(yàn)方法測(cè)定。 屈服強(qiáng)度 S 抗拉強(qiáng)度S 塑性 金屬材料斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。金屬材料常用的塑性指標(biāo)是伸長(zhǎng)

3、率和斷面伸縮率。塑性指標(biāo)也是由拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。伸長(zhǎng)率 斷面收縮率 硬度 材料抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。根據(jù)測(cè)量方法不同，硬度指標(biāo)可分為布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度(HV)三種。 工程上應(yīng)用較為普遍的是布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度主要用于較軟材料的測(cè)量，洛氏硬度主要用于較硬材料的測(cè)量。 沖擊韌性 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力稱為沖擊韌性。 沖擊韌性的衡量指標(biāo)是沖擊韌度。沖擊韌度是指沖擊試樣缺口處單位面積上的沖擊吸收功，用符號(hào)K表示。沖擊韌度越大，表示材料的沖擊韌性越好，反之，脆性越大。材料的沖擊韌度與溫度有關(guān)，溫度越低，沖擊韌度越

4、小，沖擊韌性越差。疲勞強(qiáng)度 金屬材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)的交變應(yīng)力作用下而不被破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度，也稱疲勞極限，用符號(hào)r。實(shí)際上，金屬材料不可能作無(wú)數(shù)次交變應(yīng)力試驗(yàn)。對(duì)于黑色金屬，一般規(guī)定應(yīng)力循環(huán)107周次（有色金屬、不銹鋼等取108周次）而不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度用符號(hào)-1表示。2.2 常用金屬材料2.2.1碳素鋼 碳素鋼的分類 1、按鋼的含碳量分類低碳鋼：含碳量0.60%2、按鋼的質(zhì)量分類根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量的多少可分為：普通質(zhì)量鋼：S0.05% P0.045%優(yōu)質(zhì)鋼： S0.035% P0.035%高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S0.025% P0.025%特級(jí)質(zhì)量鋼

5、：S0.015% P0.025% 3、按鋼的用途分類結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件，其含碳量一般都小于0.70%。工具鋼：主要用于制造各種刀具、模具和量具，其含碳量一般都大于0.70%。4、按冶煉時(shí)脫氧程度的不同分類沸騰鋼：脫氧程度不完全的鋼。鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度完全的鋼。半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼。碳素鋼的牌號(hào)及用途 1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼組成：拼音字母“Q”、屈服強(qiáng)度、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧程度符號(hào)四個(gè)部分按順序組成（例如Q235-AF表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)沸騰鋼）用途：用于建筑結(jié)構(gòu)或一些受力不大的機(jī)械零件。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼組成：兩位數(shù)字（鋼平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)

6、）表示 （45表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 ）。用途：制造重要的機(jī)械零件，使用前一般都要經(jīng)過(guò)熱處理來(lái)改善力學(xué)性能。3、碳素工具鋼 組成：漢語(yǔ)拼音字母“T”加數(shù)字表示 。（如T8表示平均含碳量為0.80%的碳素工具鋼，T12A表示含碳量為1.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。）用途：制造刀具、模具和量具 4、鑄造碳鋼組成：用“鑄鋼”兩漢字的漢語(yǔ)拼音字母字頭“ZG”后面加兩組數(shù)字組成。第一組數(shù)字表示屈服強(qiáng)度數(shù)值，第二組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度數(shù)值。如ZG200-400表示屈服強(qiáng)度不小于200MPa，抗拉強(qiáng)度不小于400MPa的鑄造碳鋼。 用途：制造形狀復(fù)雜、力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零件，如軋鋼機(jī)機(jī)架、

7、水壓機(jī)橫梁、鍛錘和砧座等 2.2.2合金鋼 合金鋼的分類 1、按用途分類：合金結(jié)構(gòu)鋼：用于制造機(jī)械零件或工程結(jié)構(gòu)的鋼。合金工具鋼：用于制造各種工具的鋼。特殊性能鋼：具有某種特殊物理、化學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。2、按所含合金元素總含量分類：低合金鋼：合金元素總含量10%合金鋼的分類和牌號(hào)1、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 拼音字母“Q”、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D、E）三部分組成，如Q390A表示屈服強(qiáng)度為390MPa的A級(jí)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。2、合金結(jié)構(gòu)鋼 采用兩位數(shù)字加元素符號(hào)加數(shù)字表示。前面兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，元素符號(hào)表示鋼中含有的主要合金元素，后面的數(shù)字

8、則表示該元素平均含量的百分?jǐn)?shù)，若合金元素含量小于1.5%時(shí)，不標(biāo)注。 （60Si2Mn表示平均含碳量為0.60%，主要合金元素硅平均含量為2%，錳平均含量小于1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼） 3、合金工具鋼 合金工具鋼牌號(hào)用一位數(shù)字加元素符號(hào)加數(shù)字表示。前面數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)，當(dāng)含碳量大于等于1.0%時(shí)，不標(biāo)注。元素符號(hào)后面數(shù)字表示該合金元素的百分含量；若含量小于1.5%時(shí)不標(biāo)注。如9SiCr表示平均含碳量為0.90%，主要合金元素為Si、Cr，且含量均小于1.5%的合金工具鋼。Cr12MoV表示平均含碳量大于或等于1.0%，主要合金元素鉻的平均含量為12%，Mo和V的含量均小于1.5%。高

9、速鋼屬于合金工具鋼 4、特殊性能鋼 與合金工具鋼的表示方法類似。如不銹鋼2Cr13表示含碳量為0.20%，平均含Cr量為13%。當(dāng)含碳量為0.03%0.10%時(shí)，含碳量用0表示，含碳量小于等于0.03%時(shí)，用00表示。如0Cr18Ni9的平均含碳量為0.03%0.10%，00Cr30Mo2鋼的平均含碳量小于0.03%。2.2.3鑄鐵 鑄鐵的分類1、根據(jù)碳存在的形式不同，鑄鐵可分為以下幾種： (1)白口鑄鐵 (2)灰鑄鐵 (3)麻口鑄鐵 2、根據(jù)石墨形態(tài)的不同，鑄鐵可分為以下幾種： (1)灰鑄鐵 (2)可鍛鑄鐵 (3)球墨鑄鐵 (4)蠕墨鑄鐵鑄鐵的性能特點(diǎn)及牌號(hào) (1)灰鑄鐵組成：由“灰鐵”兩字

10、的漢語(yǔ)拼音字母字頭“HT”加一組數(shù)字組成，這組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。如HT200表示最低抗拉強(qiáng)度為200MPa的灰鑄鐵。 特點(diǎn)：具有良好的鑄造性和切削加工性，較高的耐磨性、耐壓性、減震性，且具有一定強(qiáng)度，應(yīng)用十分廣泛。(2)可鍛鑄鐵組成：由“可鐵”兩字的漢語(yǔ)拼音字母字頭“KT”加可鍛鑄鐵類別再加兩組數(shù)字組成，這兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長(zhǎng)率。可鍛鑄鐵類別有H（黑心）、B（白心）、Z（珠光體）。如KTZ45006表示最低抗拉強(qiáng)度為450MPa,最低伸長(zhǎng)率為6%的珠光體可鍛鑄鐵。特點(diǎn)：具有較高的強(qiáng)度，塑性和韌性相比灰鑄鐵也有很大提高，但并不能鍛造，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)制造行業(yè)，常用于制

11、造形狀復(fù)雜、承受沖擊載荷的薄壁、中小型零件。(3)球墨鑄鐵特點(diǎn)：球墨鑄鐵具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，且能通過(guò)熱處理使其力學(xué)性能在較大范圍內(nèi)變化，有時(shí)可代替鑄鋼制造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性要求較高的零件。組成：由“球鐵”兩字的漢語(yǔ)拼音字母字頭“QT”加兩組數(shù)字組成，這兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長(zhǎng)率。如QT40018表示最低抗拉強(qiáng)度為400MPa,最低伸長(zhǎng)率為18%的球墨鑄鐵。(4)蠕墨鑄鐵特點(diǎn)：是一種新型結(jié)構(gòu)材料，性能介于優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度相當(dāng)于球墨鑄鐵，減震性、導(dǎo)熱性、耐磨性、切削加工性和鑄造性接近灰鑄鐵，主要用于制造一些承受循環(huán)載荷、要求組

12、織致密、強(qiáng)度較高、形狀復(fù)雜的零件。組成：蠕墨鑄鐵牌號(hào)由“RUT”加一組數(shù)字組成，這組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。如RUT340表示最低抗拉強(qiáng)度為340MPa的蠕墨鑄鐵。2.2.4 有色金屬1、銅及其合金（1）純銅 純銅呈紫紅色，又稱為紫銅，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性及抗蝕性。 純銅的牌號(hào)由“T”加順序號(hào)組成，如T1、T2、T3，順序號(hào)越大，純度越低。（2）銅合金 常用的銅合金可分為黃銅、青銅和白銅三類。2、鋁及其合金 密度小、塑性好，且具有良好的導(dǎo)電性、抗腐蝕性和加工工藝性能。 純鋁的牌號(hào)由“L”加順序號(hào)組成，如L1、L2L6，順序號(hào)越大，純度越低。 3、鈦及其合金 是一種新型結(jié)構(gòu)材料，密度小、

13、強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕、資源豐富。4、軸承合金 制造滾動(dòng)軸承的材料，具有足夠的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性以及疲勞強(qiáng)度，良好的耐磨性、導(dǎo)熱性及耐腐蝕性。2.3 鋼的熱處理概述鋼的退火定義：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝稱為退火。目的：降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。細(xì)化晶粒，均勻組織及成分，改善鋼的性能或?yàn)橐院蟮臒崽幚碜鰷?zhǔn)備。消除殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂。常用的退火方法：完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。鋼的正火定義：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。目的：正火與退火的目的基本相同，但正火冷卻速度比退火稍快

14、，故正火鋼組織較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火鋼要高。比較：正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下優(yōu)先選用正火，但正火冷卻速度較快，在零件形狀較復(fù)雜時(shí)，易引起開(kāi)裂，應(yīng)采用退火。鋼的淬火 定義：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后快速冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。目的：淬火的目的是提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但淬火后會(huì)降低鋼的韌性，易引起開(kāi)裂，因此淬火后必須配以適當(dāng)?shù)幕鼗?。鋼的回?定義：將淬火鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。目的：提高鋼的韌性，調(diào)整強(qiáng)度和硬度以獲得較好的綜合力學(xué)性能。穩(wěn)定內(nèi)部組織，以保證工件的幾何精度。消除殘余應(yīng)力，

15、防止工件變形和開(kāi)裂。 回火時(shí)，決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度。根據(jù)回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。鋼正火與調(diào)質(zhì)狀態(tài)的力學(xué)性能b/MPa/%k/J/cm2HBS正火70080015205080162220調(diào)質(zhì)750850202580120220250鋼的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 僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝稱為表面淬火。表面淬火的目的是鋼的表面獲得較高硬度，主要適用于中碳鋼、中碳合金鋼。如果含碳量太低，淬火后硬度低，而含碳量過(guò)高，則容易淬裂。2.化學(xué)熱處理 將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，是一種或幾種元素滲入其表層，

16、以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝，稱為化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理不僅改變鋼的組織，且使鋼表層的化學(xué)成分也發(fā)生變化?；瘜W(xué)熱處理的目的是改善鋼的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和硬度等。常見(jiàn)的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、滲硼、滲鉻、碳氮共滲等。2.4 技能訓(xùn)練 碳鋼熱處理對(duì)其力學(xué)性能的影響【實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)】1、了解碳鋼熱處理的基本操作。2、了解含碳量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響?！緦?shí)驗(yàn)器材】箱式電阻爐、硬度計(jì)、淬火水槽和油槽、夾鉗等；20、45、T8、T12鋼試樣若干，已經(jīng)淬火的45鋼試樣若干?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】20、45、T8、T12鋼試樣的淬火、正火、退火及回火的操作；用硬度計(jì)測(cè)定試樣的硬度

17、?！緦?shí)驗(yàn)準(zhǔn)備】1、常用熱處理加熱設(shè)備。加熱爐是熱處理的主要設(shè)備，其種類很多，常用的加熱爐有箱式電爐、井式電爐和鹽浴爐等，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多采用小型箱式電爐。2、加熱溫度。碳鋼淬火加熱溫度可按以下原則選擇：亞共析鋼（含碳量小于0.77%）加熱溫度為Ac3以上3050，過(guò)共析鋼淬火加熱溫度為Ac1以上3050。表23為常用碳鋼的臨界點(diǎn)。常用碳鋼的臨界點(diǎn)鋼號(hào)Ac1/Ac3/Acm/常用淬火溫度/20727835860104572778083010T872780079010T12727895780103、保溫時(shí)間。碳鋼保溫時(shí)間可根據(jù)工件厚度按1min/mm計(jì)算?！緦?shí)驗(yàn)步驟】按不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成四組，每組各完成下

18、列一項(xiàng)內(nèi)容。第一組：（1）領(lǐng)取20、45、T8、T12鋼試樣各3個(gè)。（2）確定各類鋼常規(guī)淬火加熱溫度及保溫時(shí)間。（3）將各試樣加熱到各自常規(guī)淬火加熱溫度，保溫后在水中快速冷卻。（4）測(cè)定并記錄各試樣的硬度。第二組：（1）領(lǐng)取45鋼試樣4個(gè)。（2）將4個(gè)45鋼試樣分別加熱到650、740、840、950，保溫后在水中快速冷卻。（3）測(cè)定并記錄各試樣的硬度。第三組：（1）領(lǐng)取45鋼試樣4個(gè)。（2）確定45鋼常規(guī)淬火加熱溫度及保溫時(shí)間。（3）將試樣加熱到常規(guī)淬火加熱溫度，保溫后將4個(gè)試樣分別以10鹽水、油、空氣及隨爐冷卻。（4）測(cè)定并記錄各試樣的硬度。第四組：（1）領(lǐng)取已淬火的45鋼試樣3個(gè)。（2）測(cè)定并記錄各試樣淬火后的硬度。（3）將試樣分別加熱到180、400、600，保溫后0.5h后，在空氣中冷卻至室溫。（4）測(cè)定并記錄各試樣回火后的硬度。 【注意事項(xiàng)】1、實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先了解加熱爐的結(jié)構(gòu)與爐溫調(diào)節(jié)方法。2、實(shí)驗(yàn)時(shí)必須注意安全。3、取試樣時(shí)，開(kāi)關(guān)爐門應(yīng)盡