第2章 金屬材料及熱處理

第2章工程材料及金屬材料的熱處理

金屬材料的機械性能

2.1工程材料及其應用2.2鋼的熱處理2.32.1金屬材料的機械性能2.1.1材料載荷的形式

1．拉伸拉伸是最常見的一種受力形式。其特點為受力方向沿著物體軸線，且受力方向相背離。橋式起重機上的鋼絲繩在吊起重物時主要承受拉伸作用。

2．壓縮壓縮與拉伸一樣，受力方向沿著物體軸線，但是受力方向相對。大型零件的底座在工作中都要承受自身重量帶來的壓力。3．彎曲當物體受到垂直于其軸線的橫向外力作用時，軸線將由直線變?yōu)榍€，這就是彎曲。起重機的起重臂、車床上加工的軸都是承受彎曲變形的實例。4．剪切剪切的物體受到大小相等、方向相反、不在同一直線上并且作用距離很近的一對力的作用。剪切力將使物體沿著剪切面發(fā)生錯動而導致物體破壞。

5．扭轉扭轉是指物體受到一對大小相等、方向相反、作用面垂直于軸心線的外力偶的作用。轉動汽車方向盤、攻絲都是扭轉的實例。2.1.2材料的機械性能1．材料的強度（1）強度的概念。強度是指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形（不可恢復變形）和斷裂的能力。（2）強度的測定。一般以抗拉強度作為最基本的強度指標。低碳鋼材料的強度大小通過拉伸試驗來測定。（3）應力的概念。在載荷P作用下，試樣內部產生的大小與外力相等的抵抗力稱為內力。（4）抗拉強度。鋼材受拉斷裂前的最大應力值稱為強度極限或抗拉強度。（5）屈服強度。材料拉伸時，當應力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了產生彈性變形外，還產生部分塑性變形。當應力達到某一數值后，塑性應變急劇增加，這種現象稱為屈服。這一階段的最大、最小應力分別稱為上屈服點和下屈服點。由于下屈服點的數值較為穩(wěn)定，因此以它作為材料抗力的指標。2．材料的硬度（1）硬度的概念。硬度是指金屬材料抵抗硬物體壓入的能力，或者說金屬表面對局部塑性變形的抵抗能力。（2）布氏硬度（HB）。將一定直徑的淬火鋼球以規(guī)定的載荷P壓入被測材料表面，保持一定時間后，卸除載荷，測出壓痕直徑d，求出壓痕面積S，計算出平均應力值。（3）洛氏硬度（HR）。測量洛氏硬度時，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，經規(guī)定時間后，卸除主試驗力，由測量的原殘余壓痕深度增量（h2?h1）來計算硬度值，以符號HR表示。3．材料的沖擊韌性（1）認識沖擊載荷。金屬材料的強度、硬度、塑性都是在靜載荷情況下測定金屬材料承受變形和破壞的能力。靜載荷是指被測金屬所受的載荷從零逐漸增加到最大值。（2）沖擊韌性的概念。沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，其值以沖擊韌度表示。其值越大，材料的韌性越好，在受到沖擊時越不易斷裂。4．材料的疲勞強度（1）認識交變載荷。有許多機械零件（如軸、齒輪、連桿及彈簧等）在工作過程中受到大小、方向隨時間呈周期性變化的載荷作用，這種載荷稱為交變載荷。（2）認識疲勞強度。疲勞強度是指金屬材料在無數次重復交變載荷作用下，能承受不被破壞的最大應力。（3）疲勞破壞的原因。疲勞斷裂的原因一般認為是由于材料表面與內部的缺陷造成局部應力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應力循環(huán)次數的增加而逐漸擴展，使零件的有效承載面積逐漸減小，以至于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。5．材料的塑性塑性是指金屬材料受力后發(fā)生變形而不被破壞的能力。塑性好的材料就像一團橡皮泥，在受力后可以自由變形，但是整體不會破壞分離。（1）塑性的表示。材料的塑性優(yōu)劣通常用伸長率來表示：（2）塑性的應用。具有良好塑性的金屬材料在加工時受到的抗力小，變形充分。

6．材料的剛度（1）剛度的影響因素。材料的剛度由使其產生單位變形所需的外力值來量度。（2）剛度的應用。分析材料和結構的剛度是工程設計中的一項重要工作。對于一些必須嚴格限制變形的結構（如機翼、高精度的裝配件等）應通過剛度分析來控制變形。2.2工程材料及其應用2.2.1金屬材料的分類1.鑄鐵2.鋼2.2.2有色合金材料1．鋁合金鋁合金密度低，但強度較高，接近或超過優(yōu)質鋼；塑性好，可加工成各種型材，且具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業(yè)上的使用量僅次于鋼。2．銅合金常用的銅合金分為黃銅﹑白銅﹑青銅3大類。黃銅是以鋅作主要添加元素的銅合金。生產中常添加如鋁﹑鎳﹑錳﹑錫﹑硅及鉛等元素來改善普通黃銅的性能。黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等。白銅是以鎳為主要添加元素的銅合金。結構白銅的機械性能和耐蝕性好，色澤美觀，廣泛用于制造精密機械﹑化工機械和船舶構件。電工白銅一般有良好的熱電性能，用于制造精密電工儀器﹑變阻器以及熱電偶等。青銅是銅和錫、鉛的合金，具有熔點低、硬度大、可塑性強、耐磨、耐腐蝕、色澤光亮等特點，適用于鑄造各種器具、機械零件、軸承和齒輪等。2.2.3工程塑料

2.2.4材料的選用2.3鋼的熱處理2.3.1熱處理概述1．熱處理的概念熱處理就是把固態(tài)金屬加熱到一定溫度，并在這個溫度保持一定時間（保溫），然后以一定的冷卻速度、方式冷卻下來，從而改變金屬的內部組織，獲得預期性能的工藝過程。2．熱處理的目的處理不僅可以改善鋼的加工工藝性能，更重要的是可以改善其使用性能，特別顯著地提高鋼的機械性能，并延長其使用壽命，達到充分發(fā)揮材料潛力，提高產品質量，延長使用壽命的目的。3．熱處理的基本原理因此，各種熱處理工藝都要經過加熱、保溫和冷卻3個階段。（1）加熱。加熱是熱處理的第一道工序。不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。加熱溫度較低時，材料不發(fā)生組織變化；加熱溫度較高時，材料將發(fā)生組織轉變。（2）保溫。保溫的目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時間和介質的選擇與工件的尺寸和材質有直接的關系。一般工件越大，導熱性越差，保溫時間就越長。（3）冷卻。冷卻是熱處理的最終工序，也是最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉變?yōu)椴煌慕M織，從而確保材料獲得不同的機械性能。4．熱處理的分類和應用5．熱處理安全操作規(guī)程（1）操作之前，必須穿好工作服，做好防護措施。

（2）操作者應熟悉各類儀器設備的結構和特點，嚴格按操作規(guī)程進行操作。未得到指導人員許可，不得擅自開關電源和使用各類儀器設備。

（3）使用電阻爐前，必須仔細檢查電源開關、插座及導線，保證絕緣良好，以防發(fā)生漏電、觸電事故。（4）必須在斷電狀態(tài)下往爐內裝、取工件，并注意輕拿輕放，工件或工具不得接觸或碰撞電熱元件，更不允許將工件隨意扔入爐內。（5）嚴禁直接用手抓拿熱處理工件，應按規(guī)定使用專用工具或夾具，并戴好防護手套，以防燙傷。

（6）操作結束后，應關掉總電源，并按規(guī)定做好整理工作和場所的清潔衛(wèi)生工作。2.3.2鋼的普通熱處理1．退火降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。消除工件中的殘余應力，防止變形和開裂。消除缺陷，改善組織，細化晶粒，提高鋼的機械性能。消除冷作硬化，提高塑性，以利于繼續(xù)冷加工。改善或消除毛坯在鑄、鍛、焊時所造成的成分或組織不均勻，以提高其工藝性能和使用性能。消除前一道工序（鑄造、鍛造、冷加工等）所產生的內應力，為下道工序的最終熱處理（淬火回火）做好組織準備。2．正火對力學性能要求不高的結構、零件可用正火作為最終熱處理，以提高其強度、硬度和韌性。對低、中碳素鋼，可用正火作為預備熱處理，以調整硬度，改善切削加工性能。從使用性能方面考慮。一些受力不大的工件，力學性能要求不高，可用正火作為最后熱處理；對于某些大型或形狀復雜的零件，當淬火有開裂的危險時，可用正火代替淬火、回火處理。從經濟性方面考慮。由于正火比退火生產周期短，操作簡便，工藝成本低，因此，在滿足鋼的使用性能和工藝性能的前提下，應盡可能用正火代替退火。3．淬火提高鋼的硬度及耐磨性。例如量具、模具、刀具等零件，通過淬火可以大幅提高其硬度及耐磨性。這類零件淬火后一般要配合低溫回火。提高鋼的強韌性，即提高鋼的硬度、強度的同時獲得較高的塑韌性。如機器中的大部分承載零件（變速箱花鍵軸、機床主軸、齒輪等）。這類零件淬火后一般要配合高溫回火。提高硬磁性，如用高碳鋼和磁鋼制的永久磁鐵。提高零件的彈性，如各種彈簧。這類零件淬火后一般要配合中溫回火。提高鋼的耐蝕性和耐熱性，如不銹鋼和耐熱鋼。4．回火減小和消除淬火時產生的應力與脆性，防止和減小工件變形與開裂。獲得穩(wěn)定組織，保證工件在使用中的形狀和尺寸不發(fā)生改變。調整工件的內部組織和性能，獲得工件所要求的使用性能。2.3.3鋼的表面熱處理1．表面淬火不改變工件表面的化學成分，只改變表面組織和性能。表面與心部的成分一致，組織不同。表面淬火一般多適用于中碳鋼、中碳合金鋼，也少量用于工具鋼、球墨鑄鐵等。例如用40、45鋼制作的機床齒輪齒面的強化、主軸軸頸處的硬化等。

零件表面淬火時的工藝路線如下。下料→鍛造→退火