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(yīng)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(dǎo)致物體破壞。

5．扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動汽車方向盤、攻絲都是扭轉(zhuǎn)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(fù)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(yīng)力的概念。在載荷P作用下，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的大小與外力相等的抵抗力稱為內(nèi)力。（4）抗拉強度。鋼材受拉斷裂前的最大應(yīng)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(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當應(yīng)力達到某一數(shù)值后，塑性應(yīng)變急劇增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。這一階段的最大、最小應(yīng)力分別稱為上屈服點和下屈服點。由于下屈服點的數(shù)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(yīng)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(jīng)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?jīng)_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(shù)次重復(fù)交變載荷作用下，能承受不被破壞的最大應(yīng)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(nèi)部的缺陷造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)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(yīng)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(chǎn)生單位變形所需的外力值來量度。（2）剛度的應(yīng)用。分析材料和結(jié)構(gòu)的剛度是工程設(shè)計中的一項重要工作。對于一些必須嚴格限制變形的結(jié)構(gòu)（如機翼、高精度的裝配件等）應(yīng)通過剛度分析來控制變形。2.2工程材料及其應(yīng)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(zhì)鋼；塑性好，可加工成各種型材，且具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)部組織，獲得預(yù)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(chǎn)品質(zhì)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(jīng)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(zhuǎn)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(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)熟悉各類儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點，嚴格按操作規(guī)程進行操作。未得到指導(dǎo)人員許可，不得擅自開關(guān)電源和使用各類儀器設(shè)備。

（3）使用電阻爐前，必須仔細檢查電源開關(guān)、插座及導(dǎo)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(nèi)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(nèi)。（5）嚴禁直接用手抓拿熱處理工件，應(yīng)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(jié)束后，應(yīng)關(guān)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(yīng)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(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(yù)備熱處理，以調(diào)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(fù)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(jīng)濟性方面考慮。由于正火比退火生產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生的應(yīng)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(diào)整工件的內(nèi)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