金屬材料性能

項目4任務1鋼鐵材料認識(一)2007-3-12教師:劉小娟

機械材料分類（按化學成分分類）

金屬材料(綜合性能好，用量最大、應用范圍最廣)

高分子材料

(質(zhì)輕、耐腐蝕，常用于化工、機械、航 空航天等)

陶瓷材料

（高電強、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于 電器、化工、航空航天等等）

復合材料

（輕、高的比強度、比剛度，結(jié)合兩種材 料的性能優(yōu)點，用于航空航天等領域）2007-3-12

學習金屬材料的目的

（1）獲得常用的金屬材料、非金屬材料的基本知識，了解各種機械工程材料的基本特性和應用范圍；

（2）為以后正確設計和合理選材打下基礎。

2007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅讀讀小故事:1867年冬天,俄國彼得堡海軍倉庫的大批錫磚,一夜之間不翼而飛,留下了泥土一樣的灰色粉末.1992年,俄國斯科特探險隊的船只,在去南極的途中,天氣十分寒冷,可是用于取暖的煤油卻漏光了,以致探險隊員全部凍死在南極冰原.原來裝煤油的鐵桶是用錫焊接的,而錫卻莫名其妙地化為了灰塵.這是怎么回事呢?2007-3-12

原因:

錫在溫度低于-18℃時,體積就會驟然膨脹,原子間空隙加大.如果溫度下降到-33℃,這種變化就像傳染病一樣迅速蔓延.這種現(xiàn)象人們稱為錫疫,使整塊

的錫很快變成粉末.故事啟發(fā):學習金屬材料的性能,才能很好的選擇和應用金屬,尤其是在機械構(gòu)件材料的合理的選擇.本次課我們就來學習金屬材料的性能.2007-3-12一、金屬材料的常用性能

包括兩方面材料使用性能材料工藝性能力學性能（強度、塑性韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學性能（氧化、腐蝕等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）2007-3-12思考問題:圖片中的金屬制品用途能反應出它們哪些物理性能?（1）密度----密度的大小----分輕重金屬，輕金屬---鋁（應用廣）（2）熔點----對冶煉、鑄造、焊接、配制合金很重要。（3）導熱性----最好是銀→銅→鋁，導熱性好的金屬散熱性也好。（4）熱膨脹性---實際工作中，鋪鐵軌、橋梁。（5）導電性----最好是銀→銅→鋁，（工業(yè)上用銅、鋁作導電材料）。（6）磁性----具有導磁能力的金屬都能被磁鐵吸引

金屬的物理性能【提問】為什么圖片中的自行車表面層總是要進行噴漆處理,而淋雨后置久了卻會生銹呢?

金屬的化學性能（1）耐腐蝕性----常見如鋼鐵生銹，（腐蝕現(xiàn)象）（2）耐氧化性---焊接等（3）化學穩(wěn)定性

金屬的力學性能定義:

金屬材料的力學性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應力等）時所表現(xiàn)出的力學特征。

指標:

彈性、剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強度等。2007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅

金屬的力學性能2007-3-12拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機屈服強度—是塑性材料選材和評定的依據(jù)。2.塑性(1)布氏硬度布氏硬度計

(1)布氏硬度適用范圍:

＜450HBS;

450-650HBW;當壓頭為鋼球時,硬度符號為HBS；當壓頭為硬質(zhì)合金球時,硬度符號為HBW2/3/20232007-3-12(2)洛氏硬度HRh1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRC≈HBS(3)維氏硬度HV

適用范圍:

測量薄板類;

HV≈HBS;六.沖擊韌性(notchtoughness):

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，稱為沖擊韌度。

AK

ak

=(J/cm2)S0七.疲勞強度(fatiguestrength):

表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作

用而不致引起斷裂的最大應力值σ-1

。2/3/20232007-3-12鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取

N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取

N=108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb2/3/20232007-3-121943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂2/3/20232007-3-12

金屬的工藝性能（1）定義---指各種加工條件下表現(xiàn)出來的性能。（2）各性能的含義①鑄造性:常用材料:灰鑄鐵有優(yōu)良的鑄造性能。②鍛壓性:塑性好的低碳鋼容易鍛造成型③焊接性:你碳鋼有較好的可焊性，高碳鋼（較差）鑄鐵（更差）④可加工性:

一般認為，硬度過高或過低的金屬材料，其切削加工性能較差。機械零件的失效形式2007-3-12填空題:1、

：零件喪失工作能力或達不到要求的性能時，稱為

。2、零件不發(fā)生失效的安全工作限度稱為

。3、機械零件失效的形式有斷裂、

、

等形式。謝謝大家3.2

鐵碳合金基礎知識鋼鐵是機械工業(yè)應用最廣泛的金屬材料，它主要是由鐵和碳兩種元素組成，統(tǒng)稱為鐵碳合金。不同的鋼鐵材料其力學性能差別很大，這是由金屬內(nèi)部成分和組織結(jié)構(gòu)決定的。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅3.2.1鐵碳合金的組織及性能基本組織：[含碳量、性能、工藝]1.鐵素體(F)--碳溶于α–Fe中的間隙固溶體。

2.奧氏體(A)--碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。3.

滲碳體(Fe3C)--鐵與碳形成的金屬化合物。

4.珠光體(P)--鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。5.萊氏體(Ld)--奧氏體和滲碳體組成的機械混合物

。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅奧氏體組織金相圖滲碳體組織金相圖珠光體組織金相圖萊氏體組織金相圖組織金相圖2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅3.2.2鐵碳合金分類及其室溫組織2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅3.2.3碳的質(zhì)量分數(shù)與力學性能的關(guān)系鐵素體(F)：軟而韌滲碳體(Fe3C):硬而脆（1）含碳量增加，硬度增加（2）含碳量增加，塑性韌性降低（3）含碳量增加，強度先增后降（0.9%最高）2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅3.3鋼的熱處理常識熱處理的定義:時間溫度臨界溫度

熱加保溫冷卻2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅2.熱處理的主要目的:改變鋼的性能。3.熱處理的應用范圍:整個制造業(yè)。4.熱處理的分類熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學熱處理感應加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅3.3.1鋼的普通熱處理毛坯生產(chǎn)預備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般零件生產(chǎn)的工藝路線:2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅一.鋼的退火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然后

隨爐冷卻。二)目的:

消除應力;降低硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅三)種類退火重結(jié)晶退火低溫退火完全退火擴散退火球化退火再結(jié)晶退火去應力退火普通退火等溫退火普通球化退火等溫球化退火2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅二.鋼的正火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然后在空氣中冷卻。

二)目的:

消除應力;調(diào)整硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理三.鋼的淬火作好組織準備。三）應用范圍:

1.預備熱處理:調(diào)整低、中碳鋼的硬度;消除過共析鋼中的Fe3CⅡ。

2.最終熱處理:用于力學性能要求不高的普通零件。

2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅三.鋼的淬火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然

后快速冷卻(常用水冷)。二)目的:為了獲得馬氏體組織,提高鋼的硬度和耐磨性。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅四.鋼的回火一)定義:

把淬火后的零件重新加溫到

A1線以下某個溫度,保溫一段時間,然后冷卻到窒溫。二)目的:

消除淬火應力,降低脆性;穩(wěn)定工件尺寸;調(diào)整淬火零件的力學性能。淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅3.3.2鋼的表面熱處理工藝表面淬火化學熱處理工藝的核心:使零件具有“表硬里韌”的力學性能。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅一.表面淬火一)定義:是一種不改變鋼表層化學成分,但改變表層組織的局部熱處理工藝。二)工藝特征:通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化,然后急冷,使表層形成馬氏體組織,而心部仍保持不變。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅三)表面淬火用鋼:

選用中碳或中碳低合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感應加熱(高、中、工頻)、火焰加熱、電接觸加熱法等。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅1.感應加熱表面淬火1)感應加熱的基本原理:*

感應電流---渦流*

集膚效應*淬火層深度(δ)與電流頻率(f)的關(guān)系:δ=500/√f（mm）

2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅感應加熱表面淬火示意圖集膚效應示意圖2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅2)工藝要求:

*表面淬火前,必須對零件進行正火或調(diào)質(zhì)處理,以保證零件有良好的基體。

*表面淬火后,必須對零件進行低溫回火處理,以降低淬火應力和脆性。3)生產(chǎn)特點:

淬火件的質(zhì)量好;工件變形小;不易氧化及脫碳;淬火層容易控制;生產(chǎn)率高。設備投資大,不適于復雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅2.火焰加熱表面淬火1)火焰加熱表面淬火的基本方法2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅2)火焰加熱表面淬火的特點:*設備簡單,操作方便,成本低。*淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。*適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅二.化學熱處理

(ChemicalHeatTreatment)一)定義:將零件置于一定的化學介質(zhì)中,通過加熱、保溫,使介質(zhì)中一種或幾種元素原子滲入工件表層,以改變鋼表層的化學成分和組織的熱處理工藝。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅二)化學熱處理的基本過程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.擴散:

活性原子由零件表面向內(nèi)部擴散,形成一定的擴散層。1.分解:

化學介質(zhì)在高溫下釋放出待滲的活性原子。

2COCO2+〔C〕2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅三)化學熱處理的種類:滲碳;滲氮;碳氮共滲;滲硼;滲鋁;滲硫;滲硅;滲鉻等。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅1.鋼的滲碳(Carburizeofsteel)1)定義:向鋼的表面滲入碳原子的過程。2)目的:表層增加含碳量后，再經(jīng)過淬火、回火后，獲得具有高硬度和耐磨性，而工件心部仍具有高塑性韌性和足夠的強度。3)用鋼:低碳鋼和低碳合金鋼。如汽車齒輪、變速軸4)方法:固體、氣體、液體滲碳。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅2.鋼的滲氮(Nitridationofsteel)1)定義:向鋼的表面滲入氮原子的過程。2)目的:獲得具有表硬里韌及提高疲勞強度和抗蝕性能的零件。3)用鋼:中碳合金鋼。主要用于高硬度、高精度的精密零件，如閥門、精密機床主軸。4)方法:氣體滲氮。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅越王勾踐劍春秋晚期越國青銅兵器,出土于湖北江陵楚墓。長55.7厘米，劍鍔鋒芒犀利，鋒能割斷頭發(fā)。2/3/20232007-3-12《第3章機械工程材料基礎》——陳君梅

滲碳與滲氮的工藝特點處理后是否需要熱處理處理時間(h)處理溫度(℃)名稱需要