機械基礎 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目標 掌握金屬材料的力學性能 掌握常用金屬材料的分類、性能和牌號 掌握鋼熱處理的基本知識技能目標 掌握拉伸試驗和硬度試驗的基本操作 了解熱處理對碳鋼力學性能的影響本章內容金屬材料的力學性能 1常用金屬材料 2技能訓練 43鋼的熱處理概述2.1 金屬材料的力學性能 概念 載荷 屬材料在加工及使用過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（可以恢復的變形）和塑性變形（永久變形）兩種。應力 金屬材料受外力作用時，內部產生的阻止變形且與外力相等的抗力稱為內力。單位面積上的內力稱為應力。金屬受拉伸載

2、荷或壓縮載荷作用時，其橫截面積上的應力按下式計算：【基礎知識】 靜載荷：大小不變或變化過程緩慢的載荷。沖擊載荷：在短時間內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間發(fā)生周期性變化的載荷。 力學性能 金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能稱為金屬材料的力學性能。力學性能一般包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。強度 金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的內力稱為強度。在機械制造中常用屈服強度和抗拉強度作為判別金屬強度高低的指標。強度指標通常用拉伸試驗方法測定。 屈服強度 S 抗拉強度S 塑性 金屬材料斷裂前產生永久變形的能力稱為塑性。金屬材料常用的塑性指標是伸長

3、率和斷面伸縮率。塑性指標也是由拉伸試驗測定的。伸長率 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。根據測量方法不同，硬度指標可分為布氏硬度（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量，洛氏硬度主要用于較硬材料的測量。 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，溫度越低，沖擊韌度越

4、小，沖擊韌性越差。疲勞強度 金屬材料在無數(shù)次重復的交變應力作用下而不被破壞的最大應力稱為疲勞強度，也稱疲勞極限，用符號r。實際上，金屬材料不可能作無數(shù)次交變應力試驗。對于黑色金屬，一般規(guī)定應力循環(huán)107周次（有色金屬、不銹鋼等取108周次）而不斷裂的最大應力為疲勞強度。當應力為對稱循環(huán)時，疲勞強度用符號-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、按鋼的質量分類根據鋼中有害雜質硫、磷含量的多少可分為：普通質量鋼：S0.05% P0.045%優(yōu)質鋼： S0.035% P0.035%高級優(yōu)質鋼：S0.025% P0.025%特級質量鋼

5、：S0.015% P0.025% 3、按鋼的用途分類結構鋼：主要用于制造各種機械零件和工程構件，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。碳素鋼的牌號及用途 1、普通碳素結構鋼組成：拼音字母“Q”、屈服強度、質量等級符號和脫氧程度符號四個部分按順序組成（例如Q235-AF表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼）用途：用于建筑結構或一些受力不大的機械零件。2、優(yōu)質碳素結構鋼組成：兩位數(shù)字（鋼平均含碳量的萬分數(shù)

6、）表示 （45表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質碳素結構鋼 ）。用途：制造重要的機械零件，使用前一般都要經過熱處理來改善力學性能。3、碳素工具鋼 組成：漢語拼音字母“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%的高級優(yōu)質碳素工具鋼。）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)字表示屈服強度數(shù)值，第二組數(shù)字表示抗拉強度數(shù)值。如ZG200-400表示屈服強度不小于200MPa，抗拉強度不小于400MPa的鑄造碳鋼。 用途：制造形狀復雜、力學性能要求較高的機械零件，如軋鋼機機架、

7、水壓機橫梁、鍛錘和砧座等 2.2.2合金鋼 合金鋼的分類 1、按用途分類：合金結構鋼：用于制造機械零件或工程結構的鋼。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1、低合金高強度結構鋼 拼音字母“Q”、屈服強度數(shù)值、質量等級符號（A、B、C、D、E）三部分組成，如Q390A表示屈服強度為390MPa的A級低合金高強度結構鋼。2、合金結構鋼 采用兩位數(shù)字加元素符號加數(shù)字表示。前面兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分數(shù)，元素符號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數(shù)，若合金元素含量小于1.5%時，不標注。 （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%的合金結構鋼） 3、合金工具鋼 合金工具鋼牌號用一位數(shù)字加元素符號加數(shù)字表示。前面數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分數(shù)，當含碳量大于等于1.0%時，不標注。元素符號后面數(shù)字表示該合金元素的百分含量；若含量小于1.5%時不標注。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%。當含碳量為0.03%0.10%時，含碳量用0表示，含碳量小于等于0.03%時，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及牌號 (1)灰鑄鐵組成：由“灰鐵”兩字

10、的漢語拼音字母字頭“HT”加一組數(shù)字組成，這組數(shù)字表示最低抗拉強度。如HT200表示最低抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵。 特點：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，且具有一定強度，應用十分廣泛。(2)可鍛鑄鐵組成：由“可鐵”兩字的漢語拼音字母字頭“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度和最低伸長率。可鍛鑄鐵類別有H（黑心）、B（白心）、Z（珠光體）。如KTZ45006表示最低抗拉強度為450MPa,最低伸長率為6%的珠光體可鍛鑄鐵。特點：具有較高的強度，塑性和韌性相比灰鑄鐵也有很大提高，但并不能鍛造，廣泛應用于汽車、拖拉機制造行業(yè)，常用于制

11、造形狀復雜、承受沖擊載荷的薄壁、中小型零件。(3)球墨鑄鐵特點：球墨鑄鐵具有良好的力學性能和工藝性能，且能通過熱處理使其力學性能在較大范圍內變化，有時可代替鑄鋼制造一些受力復雜，強度、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度和最低伸長率。如QT40018表示最低抗拉強度為400MPa,最低伸長率為18%的球墨鑄鐵。(4)蠕墨鑄鐵特點：是一種新型結構材料，性能介于優(yōu)質灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，抗拉強度和疲勞強度相當于球墨鑄鐵，減震性、導熱性、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、強度較高、形狀復雜的零件。組成：蠕墨鑄鐵牌號由“RUT”加一組數(shù)字組成，這組數(shù)字表示最低抗拉強度。如RUT340表示最低抗拉強度為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，具有良好的導電性、導熱性、塑性及抗蝕性。 純銅的牌號由“T”加順序號組成，如T1、T2、T3，順序號越大，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，且具有良好的導電性、抗腐蝕性和加工工藝性能。 純鋁的牌號由“L”加順序號組成，如L1、L2L6，順序號越大，純度越低。 3、鈦及其合金 是一種新型結構材料，密度小、

13、強度高、耐高溫、抗腐蝕、資源豐富。4、軸承合金 制造滾動軸承的材料，具有足夠的強度、硬度、塑性、韌性以及疲勞強度，良好的耐磨性、導熱性及耐腐蝕性。2.3 鋼的熱處理概述鋼的退火定義：將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻（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。細化晶粒，均勻組織及成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理做準備。消除殘余應力，防止變形和開裂。常用的退火方法：完全退火、球化退火、去應力退火等。鋼的正火定義：將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時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，強度、硬度比退火鋼要高。比較：正火比退火生產周期短，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，在零件形狀較復雜時，易引起開裂，應采用退火。鋼的淬火 定義：將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間后快速冷卻，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度、硬度和耐磨性，但淬火后會降低鋼的韌性，易引起開裂，因此淬火后必須配以適當?shù)幕鼗?。鋼的回?定義：將淬火鋼加熱到適當溫度，保溫一定時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，調整強度和硬度以獲得較好的綜合力學性能。穩(wěn)定內部組織，以保證工件的幾何精度。消除殘余應力，

15、防止工件變形和開裂。 回火時，決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度。根據回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。鋼正火與調質狀態(tài)的力學性能b/MPa/%k/J/cm2HBS正火70080015205080162220調質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熱處理兩種。1.表面淬火 僅對工件表層進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，而含碳量過高，則容易淬裂。2.化學熱處理 將工件置于一定溫度的活性介質中保溫，是一種或幾種元素滲入其表層，

16、以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝，稱為化學熱處理?；瘜W熱處理不僅改變鋼的組織，且使鋼表層的化學成分也發(fā)生變化?；瘜W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。常見的化學熱處理有滲碳、滲氮、滲硼、滲鉻、碳氮共滲等。2.4 技能訓練 碳鋼熱處理對其力學性能的影響【實驗目標】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、回火溫度對碳鋼力學性能的影響?！緦嶒炂鞑摹肯涫诫娮锠t、硬度計、淬火水槽和油槽、夾鉗等；20、45、T8、T12鋼試樣若干，已經淬火的45鋼試樣若干?！緦嶒瀮热荨?0、45、T8、T12鋼試樣的淬火、正火、退火及回火的操作；用硬度計測定試樣的硬度

17、?！緦嶒灉蕚洹?、常用熱處理加熱設備。加熱爐是熱處理的主要設備，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，實驗室內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。常用碳鋼的臨界點鋼號Ac1/Ac3/Acm/常用淬火溫度/20727835860104572778083010T872780079010T12727895780103、保溫時間。碳鋼保溫時間可根據工件厚度按1min/mm計算?！緦嶒灢襟E】按不同實驗內容分成四組，每組各完成下

18、列一項內容。第一組：（1）領取20、45、T8、T12鋼試樣各3個。（2）確定各類鋼常規(guī)淬火加熱溫度及保溫時間。（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）測定并記錄各試樣的硬度。第二組：（1）領取45鋼試樣4個。（2）將4個45鋼試樣分別加熱到650、740、840、950，保溫后在水中快速冷卻。（3）測定并記錄各試樣的硬度。第三組：（1）領取45鋼試樣4個。（2）確定45鋼常規(guī)淬火加熱溫度及保溫時間。（3）將試樣加熱到常規(guī)淬火加熱溫度，保溫后將4個試樣分別以10鹽水、油、空氣及隨爐冷卻。（4）測定并記錄各試樣的硬度。第四組：（1）領取已淬火的45鋼試樣3個。（2）測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）測定并記錄各試樣回火后的硬度。 【注意事項】1、實驗前應先了解加熱爐的結構與爐溫調節(jié)方法。2、實驗時必須注意安全。3、取試樣時，開關爐門應盡