第八章-金屬材料及其熱處理

機械基礎

閆芳制作（一）強度1．定義：強度是指金屬材料在外力作用下，抵抗產生塑性變形或斷裂的能力。2．指標：抗拉強度σb單位：MPa(N/mm2)

屈服強度σs單位：MPa3．意義：抗拉強度和屈服點是選材的重要依據(jù)。機械設計時必須保證零（構）件的最大工作應力不得超過材料的抗拉強度，以免斷裂。第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能一、金屬材料的力學性能2⑴屈服強度(σs)

Fs——試樣屈服是所承受的最大載荷，N；A0——試樣原始截面積，mm；⑵

抗拉強度(σb)

Fb——試樣斷裂前所承受的最大載荷，N；A0——試樣原始截面積，mm；OE：彈變階段ES：屈服階段SB：均勻塑變BK：縮頸階段FLFd0σs/σb—稱為屈強比。屈強比愈小工程構件的可靠性愈高，但材料潛力發(fā)揮的越差。3（二）剛度1．定義：材料在載荷作用下，抵抗彈性形變的能力稱為剛度。2．指標：彈性模量E第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能一、金屬材料的力學性能4（三）塑性1．定義：在外力作用下金屬材料產生永久變形而不發(fā)生破壞的能力，稱為塑性。2．指標：延伸率δ（％）和斷面收縮率ψ（％）。3．意義：塑性好的金屬材料容易進行鍛壓、焊接，能夠采用冷變形，如冷沖壓等；好的塑性亦可避免機器零件在使用中萬一超載而產生的突然斷裂。

金屬材料的主要性能指標第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能5FLFd0⑴延伸率(δ)

δ＝(L1-L0)/L0×100%L1——試樣拉斷后的標距長度，mm；A0——試樣原始標距長度，mm；δ和ψ數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。⑵

斷面收縮率(ψ)

ψ＝(A0-A1)/A0×100%

A1——試樣拉斷后，斷口處橫截面積，mm2

；A0——試樣原始橫截面積，mm2

；第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能6（四）硬度1．定義：是金屬材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。2．指標：①壓入硬度實驗法

布氏硬度試驗方法

洛氏硬度試驗方法

維氏硬度試驗方法

②劃痕硬度實驗法（如莫氏硬度）

③回跳硬度法（肖氏硬度）

3．意義：硬度表示金屬材料局部范圍內抵抗彈變和塑變或斷裂的能力，是

衡量金屬軟硬的指標，它直接影響金屬材料的耐磨性。

金屬材料的主要性能指標第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能7

布氏硬度試驗方法：把規(guī)定直徑的淬火鋼球或硬質合金球以一定的試驗壓力壓入所測材料表面，保持規(guī)定時間測量表面壓痕直徑計算測定。式中：F—試驗力（N）

A—壓痕表面積（mm2）

D—球體直徑（mm）

d—壓痕平均直徑（mm）

h—壓痕深度（mm）應用：主要用于鑄鐵、非鐵金屬以及經退火、正火和調質處理的材料以及有色金屬。

第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能8

洛氏硬度試驗方法：用頂角為120°金剛石圓錐體或直徑為1.588mm淬火鋼球壓頭；先加初始力F1,再加主試驗力F2,保時;卸主試驗力保留初試力,試樣彈變恢復使壓頭上升到3位置，此時壓頭受主試驗力作用壓入的深度為h。式中：K—鋼球壓頭時為0.2

金剛石壓頭時為0.26

h—主試驗力作用的深度mm應用：因其測定僅產生很小壓痕而不損壞零件因而適合于成品檢驗.測多點取均值，第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能9

維氏硬度試驗方法：采用采用金剛石正四棱錐體壓頭，試驗力F（10～1000N）在試件表面壓出正方形壓痕，測量壓痕兩對角線平均長度d（mm），按下式算出硬度值。式中：Av—壓痕的面積應用：適應于準確測量試樣表面硬度,或測量硬度很高的零件?？捎糜跍y量金相組織中不同相的硬度，測得結果稱為顯微硬度。用“HM”表示。第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能10（五）沖擊韌度1．定義：金屬抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。2．指標：試驗時，將試樣缺口背向擺錘沖擊方向。當擺錘從一定高度自由落下一次將試樣擊斷時，缺口處單位橫截面面積上吸收的功，即表示沖擊韌度，用ak表示，單位為J／cm2。

金屬材料的主要性能指標第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能11二、金屬材料的工藝性能：是物理、化學和力學性能的綜合。按工藝分為鑄造性能可鍛性、深沖性、彎曲性、可焊性、切削加工性等。

第一節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能12黑色金屬材料通常以鐵、錳、鉻為基的合金稱黑色金屬。 以鐵為基的合金稱為鋼。有色金屬及其合金以其余合金為基的合金稱有色金屬。有色金屬通常按其元素名稱命名。 如鋁及鋁合金，銅及銅合金。第二節(jié)金屬材料的種類和用途131、普通碳素結構鋼

除鐵碳外主要含有少量SiMnSP雜質，總含量不超過2％。1）按碳的質量分數(shù)分類：低碳鋼——含碳量小于0.25％中碳鋼——含碳量0.25～0.6％高碳鋼——含碳量大于0.6％第二節(jié)金屬材料的種類和用途一、黑色金屬材料142）牌號：Q+最低屈服強度值+質量等級符號+脫氧方法符號Q表示“屈服強度”；屈服強度值單位是MPa；質量等級符號為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質量提高。脫氧方法符號:沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。如碳素結構鋼牌號表示為Q235AF、Q235BZ。鋼板第二節(jié)金屬材料的種類和用途15特性：價格低廉，工藝性能（如焊接性和冷成形性）優(yōu)良。應用：主要用于一般工程結構和普通機械零件。碳素結構鋼通常熱軋成各種型材（如圓鋼.方鋼.工字鋼等），一般不經熱而直接使用。Q195、Q215，通常軋制成薄板、鋼筋供應市場。也可用于制作鉚釘、螺釘、輕負荷的沖壓零件和焊接結構件等；Q235、Q255強度稍高，可制作螺栓、螺母、銷子、吊鉤和不太重要的機械零件以及建筑結構中的螺紋鋼、型鋼、鋼筋等；質量較好的Q235C，D級可作為重要焊接結構用材；Q275鋼可部分代替優(yōu)質碳素結構鋼25、30、35鋼使用。

第二節(jié)金屬材料的種類和用途16齒輪加工方鋼2、優(yōu)質碳素結構鋼牌號用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾。如45鋼—平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%）的優(yōu)質碳素結構鋼。第二節(jié)金屬材料的種類和用途17特性：與碳素結構鋼相比，夾雜物較少，質量較好。應用：主要用于機械零件，一般都要經過熱處理后使用08F鋼，碳質量分數(shù)低，塑性好，強度低，軋成薄板，主要用于冷沖壓件如家電、汽車和儀表外殼；20鋼，冷塑性變形和焊接性好可用于強度要求不高的零件及滲碳零件，例如機罩、焊接容器，小軸、螺母、墊圈及滲碳齒輪等；45鋼，經調質后可獲得良好的綜合力學性能，中碳鋼主要用于受力較大的機械零件，如齒輪、連桿、軸等65鋼（65Mn）鋼具有較高的強度；可用于制造各種彈簧。

第二節(jié)金屬材料的種類和用途183、合金鋼1）牌號牌號用兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）+合金元素符號+該元素百分含量數(shù)字+……當合金元素的平均含量小于1.50%時，只標元素符號，不標含量；合金彈簧鋼60Si2Mn—含碳量~0.6%；硅含量~2%；錳含量Mn~1%。第二節(jié)金屬材料的種類和用途192）分類按合金元素的含量分：低合金鋼—合金元素總含量小于等于5%；中合金鋼—合金元素總含量在5%~10%之間；高合金鋼—合金元素總含量大于等于10%；第二節(jié)金屬材料的種類和用途20合金結構鋼

合金工具鋼

特殊性能鋼按主要用途分普通低合金鋼合金滲碳鋼合金調質鋼彈簧鋼滾動軸承鋼易切削鋼不銹鋼耐酸鋼耐熱鋼第二節(jié)金屬材料的種類和用途21普通低合金鋼化學成分:碳素結構鋼+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以內。輔加合金元素:V、Ti、Nb、B。性能：高強度；高韌性；良好的焊接性和冷成型性能；低的冷脆轉變溫度；良好的耐蝕性；第二節(jié)金屬材料的種類和用途22Q460強度高，用于石化中溫高壓容器。Q345鋼(16Mn)綜合性能好，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結構。

Q390鋼含V、Ti、Nb，強度高，用于中等壓力的容器。萬噸遠洋輪南京長江大橋壓力容器第二節(jié)金屬材料的種類和用途23定義:

在腐蝕介質中具有很高的抗腐蝕能力的鋼。牌號：含碳量的千分之幾、合金元素、合金元素百分之幾。

不銹鋼第二節(jié)金屬材料的種類和用途24常用的牌號：0Cr19Ni9、3Cr18Mn12Si2N

耐熱鋼

主要用于制造工業(yè)加熱爐、高壓鍋爐、汽輪機、內燃機、航空發(fā)動機、熱交換器等在高溫下工作的構件和零件。第二節(jié)金屬材料的種類和用途254、鑄鐵 鑄鐵是含碳量大于2.11％的鐵碳合金。在鑄鐵的化學成分中還有Si、Mn、S、P等雜質。按碳的存在形態(tài)和石墨形態(tài)的不同分為：白口鑄鐵灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵第二節(jié)金屬材料的種類和用途26白口鑄鐵—斷口銀白色；性能硬而脆，很難切削加工，很少用它來制造機械零件?；诣T鐵—斷口呈暗灰色；牌號由HT+數(shù)字組成，HT表示灰鑄鐵，數(shù)字表示最低抗拉強度值可鍛鑄鐵—牌號由KTH或KTZ和其后的兩組數(shù)字組成。球墨鑄鐵—牌號由QT+數(shù)字+數(shù)字組成。第二節(jié)金屬材料的種類和用途27第二節(jié)金屬材料的種類和用途28第三節(jié)鋼鐵材料的熱處理一、熱處理的綜述

金屬材料的熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，采用適當方式進行加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的內部組織結構，從而獲得所需性能的一種工藝方法。29

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、和冷卻三個階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線。二、熱處理工藝過程和分類1、熱處理工藝過程302、熱處理的分類311）退火

退火是將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，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。

3）淬火

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

4）回火

鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。1、普通熱處理的方法和作用三、普通熱處理32箱式電阻爐。箱式電阻爐根據(jù)使用溫度不同，可分為高溫、中溫和低溫箱式電阻爐。井式電阻爐井式電阻爐。工作原理與箱式電阻爐相同。井式電阻爐比箱式電阻爐具有更優(yōu)越的性能?？販貎x表(包括熱電偶)、冷卻設備(如水槽、油槽、浴爐、緩冷坑)質檢設備(如硬度試驗機、金相顯微鏡、量具、無損檢測或探傷設備)等。2、常用的熱處理設備33

四、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）表面淬火火焰加熱表面淬火感應加熱表面淬火34

2）表面化學熱處理化學熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。滲碳將工件置于滲碳介質中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。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熱處理工藝。35

除鋼鐵以外的其他金屬。良好的導電性、導熱性、密度小、熔點高、低溫韌性、耐腐蝕以及良好的工藝性和一定的力學性能。常用的有色金屬有：鋁及鋁合金銅及銅合金鈦及鈦合金第三節(jié)有色金屬及其合金36純鋁：密度較小，約為2.7g/cm3；面心立方晶格，無同素異晶轉變。導電、導熱性好，僅次于銀、金、銅。極強的抗大氣腐蝕能力，在空氣中鋁的表面生成致密的氧化膜，保護內部金屬不被腐蝕——鈍化現(xiàn)象。但鋁不能耐酸、堿、鹽的腐蝕；非磁性、無火花材料；強度低，塑性好，比強度高；可通過冷變動強化提高強度、硬度；1、鋁及