金屬材料與熱處理基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)目的：通過(guò)本章的學(xué)習(xí)具備所必需的汽車(chē)所使用的金屬材料基本知識(shí)。學(xué)習(xí)要求：掌握金屬的力學(xué)性能指標(biāo)及常用數(shù)據(jù)。掌握鋼的熱處理的基本知識(shí)及常用的熱處理方法、工藝特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。掌握常用的機(jī)械工程材料類(lèi)型、牌號(hào)、力學(xué)性能及用途。初步具有選擇工程材料的能力。第二章金屬材料與熱處理基礎(chǔ)1編輯ppt第一節(jié)金屬的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。

一、強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過(guò)金屬拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。在此過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪制出載荷F和試樣變形量AL的關(guān)系曲線。此曲線叫做拉伸曲線。

1．拉伸曲線圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標(biāo)表示載荷單位為N；橫坐標(biāo)表示絕對(duì)伸長(zhǎng)量△L，單位為mm。2編輯ppt從圖2-1中可以看出下面幾個(gè)變形階段：（1）Oe———彈性變形階段 （2）es———屈服階段 （3）sb———強(qiáng)化階段 （4）bk———縮頸階段 3編輯ppt

2．強(qiáng)度指標(biāo)材料受到外力作用會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的力稱(chēng)為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱(chēng)為應(yīng)力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服點(diǎn)σs材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力。單位為MPa。σs=Fs/AO（2-1）式中，F(xiàn)s是屈服時(shí)的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵），測(cè)量屈服點(diǎn)很困難，工程上經(jīng)常采用殘余伸長(zhǎng)為0.2％原長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力σ0.2作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱(chēng)為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力。σ0.2=F0.2/AO（2-2）（2）抗拉強(qiáng)度σb材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，單位為MPa?？估瓘?qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。σb=Fb/AO（2-3）式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）。4編輯ppt

二、塑性金屬材料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱(chēng)為塑性。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得的常用塑性指標(biāo)有：斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率δ試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量和原始標(biāo)距之比δ=(L1—L0)/L0×100％（2-4）式中，L1試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。L0試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。

2．?dāng)嗝媸湛s率ψ試樣拉斷處ψ=×100％橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比ψ==(A0—A1)/AO

×100％

（2-5）式中，Ao是試樣的原始橫截面積；A．是試樣斷口處的橫截面積。5編輯ppt

三、硬度硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用來(lái)測(cè)定硬度的方法有布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法。

1．布氏硬度試驗(yàn)法如圖2-2所示采用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載荷F的作用下，壓入被測(cè)金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)定壓痕直徑，求出壓痕球形的表面積，壓痕單位表面積上所承受的平均壓力（F/A）即為布氏硬度值，壓頭為淬火鋼球時(shí)用HBS表示，壓頭為硬質(zhì)合金球用時(shí)HBW表示。例如120HBS，450HBW。6編輯ppt2．洛氏硬度試驗(yàn)法采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭．如圖2-3所示。試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測(cè)量準(zhǔn)確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時(shí)間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來(lái)確定材料的硬度值。7編輯ppt

四、沖擊韌度

對(duì)于承受沖擊載荷的材料，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞，不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱(chēng)為沖擊韌度。沖擊韌度的測(cè)定方法，如圖2-4所示。是將被測(cè)材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱(chēng)為沖擊功，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢(shì)能差。沖擊韌度值aKV就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，這個(gè)值越大，則韌性越好，受沖擊時(shí)，越不容易斷裂。8編輯ppt

五、疲勞強(qiáng)度在汽車(chē)上的許多零件中，比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒(méi)有明顯的外觀變形時(shí)也會(huì)發(fā)生斷裂，這種破壞稱(chēng)作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險(xiǎn)性。疲勞強(qiáng)度σ-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，其大小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對(duì)于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度，可以通過(guò)改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減小表面粗糙度值，進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方法。9編輯ppt

一、鋼的熱處理原理

1．概述熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。根據(jù)熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：第二節(jié)鋼的熱處理常識(shí)10編輯ppt熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個(gè)階段所組成的。熱處理工藝過(guò)程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，這種曲線稱(chēng)為熱處理工藝曲線，見(jiàn)圖2-5。11編輯ppt

2．鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變?cè)跓崽幚砉に囍?，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時(shí)的組織，其強(qiáng)度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對(duì)鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此，鋼在加熱時(shí)，為了得到細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。

3．鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時(shí)，將獲得不同的力學(xué)性能，見(jiàn)表2-1。12編輯ppt

二、退火與正火

1．退火退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。

2．正火正火是指把鋼加熱到組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上保溫，使其完全奧氏體化，在空氣中冷卻的熱處理工藝。

三、淬火與回火

1．淬火淬火是將鋼的組織加熱到轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝。

2．回火鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。13編輯ppt

四、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（1）火焰加熱表面淬火（如圖2-8所示）（2）感應(yīng)加熱表面淬火（如圖2-9所示）14編輯ppt

2．化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理種類(lèi)很多，最常用的是滲碳和滲氮。（1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，如圖2-10所示。（2）鋼的滲氮是指在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。15編輯ppt第三節(jié)常用金屬材料金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料（有色金屬材料）兩大類(lèi)，而鋼又可分為碳素鋼和合金鋼，鋼鐵以外的其他金屬稱(chēng)為非鐵金屬材料或有色金屬材料。

一、鋼鋼的分類(lèi)方法很多，常用的是按鋼的用途分類(lèi)，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。

二、鑄鐵鑄鐵中的碳主要以滲碳體和石墨兩種形式存在，根據(jù)碳的存在形式不同，鑄鐵可以分為下列幾種：（1）白口鑄鐵（2）灰鑄鐵碳（3）麻口鑄鐵

根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)不同，鑄鐵又可分為：灰鑄鐵中的石墨呈片狀；可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲(chóng)狀。16編輯ppt17編輯ppt

三、有色金屬及其合金有色金屬是指鋼鐵以外的其他金屬。有色金屬種類(lèi)很多，又具有某些獨(dú)特的性能，是工業(yè)上不可缺少的金屬材料，有色金屬應(yīng)用較廣的是鋁、銅、鈦及其合金和滑動(dòng)軸承合金。

1．鋁及鋁合金

2．銅及銅合金

3．滑動(dòng)軸承合金18編輯ppt復(fù)習(xí)試題

一、選擇題1、拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷前所能夠承受的最大應(yīng)力稱(chēng)為材料的（）。A、彈性極限B、抗拉強(qiáng)度C、屈服點(diǎn)2、用拉伸試驗(yàn)可測(cè)定材料的（）性能指標(biāo)。A、強(qiáng)度B、韌性C、硬度3、將鋼件奧氏體化后，先浸入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中，然后迅速浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火方法稱(chēng)（）。A、分級(jí)淬火B(yǎng)、等溫淬火C、水冷淬火D、雙介質(zhì)淬火4、如果鋼件有嚴(yán)重的碳化物網(wǎng)，應(yīng)先進(jìn)行（）消除碳化物，然后再球化退火。A、去應(yīng)力退火B(yǎng)、正火C、完全退火D、淬火19編輯ppt5、制造小彈簧宜選用（）

，制造冷壓件宜選用（）鋼。A、08FB、45C、65MnD、T12A6、滾動(dòng)軸承鋼GCrl5中的平均含鉻量為（）

。A、0.15B、1.5C、15D、0.0157、合金滲碳鋼滲碳后必須進(jìn)行（）熱處理才能使用。A、淬火加高溫回火B(yǎng)、淬火加中溫回火 C、淬火加低溫回火D、高溫回火8、鑄鐵中的碳以石墨形態(tài)析出的過(guò)程稱(chēng)為（）

。A、石墨化B、變質(zhì)處理C、球化處理D、結(jié)晶9、選擇下列材料的零件：汽車(chē)后橋外殼（）

，柴油機(jī)曲軸（）

。A、HT200B、KTH350-10C、QT500-05D、RUT42010、不是工業(yè)純鋁的特點(diǎn)的是（）

。A、密度小B、導(dǎo)電性好C、強(qiáng)度高D、抗腐蝕能力高20編輯ppt

二、判斷題1、材料的屈服點(diǎn)越低，則允許的工作應(yīng)力越高。（）2、洛氏硬度值是沒(méi)有單位的。（）3、布氏硬度測(cè)量法不適合于測(cè)量成品及較薄的零件。（）4、鑄鐵的鑄造性能比鋼好得多，所以常用來(lái)鑄造復(fù)雜的工件。（）5、對(duì)鋼進(jìn)行熱處理的目的都是為了獲得細(xì)小、均勻的奧氏體組織。（）6、退火與正火的目的大致相同，它們主要的區(qū)別是保溫時(shí)間長(zhǎng)短。（）7、回火的目的主要是消除應(yīng)力，降低硬度，便于進(jìn)行切削加工。（）8、感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)所使用的電流頻率越高，則工件表面的淬硬層嘗試越大。（）9、滲碳的零件可以是低碳鋼也可以是高碳鋼。（）21編輯ppt10、碳素工具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都大于0.7％。（）11、灰口鑄鐵包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵。（）12、從灰鑄鐵的牌號(hào)上可以看出它的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度值。（）13、耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵都屬于合金鑄鐵。（）14、通過(guò)熱處理可以改變灰鑄鐵的基體組織，故可以顯著地提高力學(xué)性能。（）15、QT400-18是指σb=400MPa，σ=1.8％的球墨鑄鐵。（）16、A1-Si系鑄造合金，又叫硅鋁明。鑄造性能良好，強(qiáng)度韌性較高。（）17、在去應(yīng)力退火過(guò)程中，鋼的組織不發(fā)生變化。（）18、合金鋼只有經(jīng)過(guò)熱處理，才能顯著提高其力學(xué)性能。（）19、可鍛鑄鐵比灰鑄鐵的塑性好，因此可以進(jìn)行鍛壓加工。（）20、工業(yè)純鋁具有較高的強(qiáng)度，常用作工程結(jié)構(gòu)材料。（）22編輯ppt

三、填空題1、金屬材料的使用性能包括————、————和————等；工藝性能包括————、————、————、————和————等。2、材料的力學(xué)性能包括————、————、————、————和————等。3、強(qiáng)度是指金屬材料在————作用下，抵抗————和————的能力。4、斷裂前金屬材料————材料的能力稱(chēng)為塑性。金屬材料的————和————的數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。5、金屬材料抵抗————作用而不破壞的能力，稱(chēng)為沖擊韌度。6、熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行————、————和————以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。7、生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有————、————和————等。8、生產(chǎn)中在鋼淬火后進(jìn)行————的熱處理工藝稱(chēng)為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后的組織為————。9、Q235—A·F表示————為235MPa，質(zhì)量為————級(jí)的鋼23編輯ppt

10、ZG270-500表示σb=————，σs=————的工程用鑄鋼。11、T10A表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為————的鋼。12、常用來(lái)制造高速切削的車(chē)刀、刨刀的高速工具鋼有————和————。13、鑄鐵的性能決定于————和————。當(dāng)基體一定時(shí)，鑄鐵的性能決定于————的形狀、數(shù)量、大小和分布。14、合金彈簧鋼中硅、錳的主要作用是————。15、不銹鋼是指在————介質(zhì)或大氣中具有抗腐蝕性能的鋼，其成分特點(diǎn)是含————量較高，含————量較低。16、表面要求具有高的————，而心部需要足夠的————的零件應(yīng)進(jìn)行表面熱處理。17、滾動(dòng)軸承鋼的熱處理首先采用————，以降低鍛造后鋼的硬度，便于切削加工，然后采用————，以提高軸承的硬度和耐磨性。18、白口鑄鐵中的碳主要以————形式存在，而灰口鑄鐵中的碳主要以————形式存在。24編輯pptσbσsδψHRCakσ-119、普通黃銅是由————、————組成的二元合金。在普通黃銅中加入其他合金元素時(shí)稱(chēng)————黃銅。20、變形鋁根據(jù)其主要性能特點(diǎn)不同可分為：————鋁、————鋁、————鋁和————鋁等幾種。

四、連線題

1、連出下列力學(xué)性能指標(biāo)的符號(hào)：