金属材料与热处理.docx
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金属材料与热处理
第二章金属材料与热处理
材料:
是用于制造机器零件、工程构件及生活日用品,是生产和生活的物质基础。
历史学家根据制造生产工具的材料,将人类生活得时代划分为:
石器时代、陶器时代、铁器时代,当今人类正跨入人工合成材料、复合材料、功能材料的新时代。
材料总和达40余万种,每年以5%的速度增加。
材料按经济部门分为:
土木建筑材料、机械工程材料、电子材料、航空航天材料医学材料等;按材料功能分:
结构材料、功能材料。
工程材料按化学成分分为四大类:
金属材料、高分子材料和无机非金属材料和复合材料。
按使用性能分为:
结构材料(主要利用其力学性能的)、功能材料(主要利用其物理性能的)。
金属材料:
是目前用量最大使用最广的材料。
高分子材料:
力学性能不如金属材料,但有金属材料不具备的某些特性,如耐腐蚀性、点绝缘性、消声、质轻、易加工成型、生产率高、成本低等。
广泛应用生活日用品,并可部分取代金属材料(用作化工管道、盐业泵零件、汽车结构件等)。
新型无机非金属材料:
塑性和韧性远低于金属材料,但具有熔点高、硬度高、耐高温及特殊的物理性能。
如:
陶瓷材料也突破了传统应用范围,成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。
复合材料:
把两种或两种以上不同性质、不同组织结构的材料组合在一起,构成复合材料。
发挥各自的长处,又可克服各自固有的弱点。
复合材料为三大类:
高分子基复合材料、金属基和陶瓷基复合材料。
目前应用最多的是高分子基复合材料,如玻璃纤维增强树脂基复合材料(玻璃钢);金属基复合材料应用于航天部门;陶瓷基复合材料处于开发阶段。
材料的性能取决于内部结构,而材料的内部结构又取决于成分和加工工艺。
所以,正确地选择材料,确定合理的加工工艺,得到理想的组织,获得优良的使用性能,是决定机械制造中产品性能的重要环节。
20世纪末,纳米材料的开发和应用,引起世界重视。
专家预测纳米材料科学技术将成为21世纪信息时代的核心,其应用将超过计算机工业。
2.1金属材料的主要性能
2.1.1静载下金属材料的力学性能
金属材料的力学性能:
指金属材料受外力作用时反映出来的性能。
是金属材料应具备的最主要的性能,是衡量金属材料的重要指标。
金属材料的力学性能指标主要有强度、硬度、刚度、塑性、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。
1.弹性和塑性
1)弹性:
金属材料受外力作用时产生变形,当外力去除后能恢复其原来形状的性能,称为弹性。
弹性变形:
随外力消失而消失的变形。
其大小与外力成正比。
2)塑性:
金属材料在外力作用下,产生永久变形而不致引起断裂的性能,称为塑性。
塑性变形:
外力去除后保留下来的这部分不能恢复的变形,称为塑性变形。
其大小与外力不成正比。
将金属材料制成图2.1所示的标准试样,在拉伸试验机上(图2.2所示),使试样承受轴向拉力
并使试样缓慢拉伸,直至试样断裂。
以
为纵坐标(即拉应力σ,
为原始截面积),试样沿轴向产生的伸长量
(
)除以试样原始长度
为横坐标(即拉应变ε),画出应力—一应变曲线,如图2.3所示。
图2.1低碳钢拉伸标准试样图图2.2拉伸试验机示意图
图2.3低碳钢拉伸图
由图2.3可知:
载荷在E点前,试样只产生弹性变形。
弹性极限:
指材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力。
屈服:
载荷超过E点,试样产生塑性变形,载荷增加到S时,试样承受的载荷虽不再增加,仍继续产生塑性变形,图上出现水平线,这种现象为屈服。
S为屈服点。
它是金属材料从弹性状态转向塑性状态的标志。
屈服极限:
出现明显塑性变形时的应力为屈服极限。
σs表示。
缩颈现象:
载荷增加至B点时,试样截面局部出现缩颈现象(图2.4所示),因截面缩小,载荷就下降,至k点试样被拉断。
图2.4塑性拉伸试样的颈缩现象图2.5脆性材料试样无颈缩现象
金属材料的塑性:
用伸长率(
)和断面收缩率(
)表示金属材料的塑性。
或
越大,材料塑性越好。
短试样(
)比长试样(
)的伸长率大20%左右。
其伸长率分别用
、
表示。
金属材料有塑性,才能进行各种变形加工,零件偶尔过载,产生一定塑性变形,不至于突然断裂,提高零件使用可靠性。
2.刚度
刚度:
指金属材料受外力作用时,抵抗弹性变形的能力。
弹性模量:
应力
与应变
的比值称为弹性模量。
。
越大表示在一定应力作用下,能发生的弹性变形越小,即刚度越大。
的大小取决于材料内部原子的结合力,同一种材料
基本一样,但截面大的零件不易发生弹性变形。
考虑零件刚度时注意材料的
和零件的形状和尺寸大小。
3.强度
强度:
是指金属材料在外力作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。
1)屈服强度(
):
指金属材料发生屈服现象时的屈服极限。
即表示材料抵抗微量塑性变形的能力。
(MPa)
脆性材料的拉伸曲线上无水平线段,难确定屈服点,规定试样产生0.2%残余塑性变形的应力值,为材料的条件屈服强度。
。
2)抗拉强度(
):
金属材料拉断前所能承受的最大应力。
是零件设计的重要参数。
(MPa)。
3)屈强比:
。
屈强比越小,构件可靠性越高。
屈强比越大,材料的强度利用率越高,但可靠性降低。
合金化、热处理、冷加工对材料的
、
均有很大影响。
4.硬度
硬度:
指金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。
是衡量金属材料软硬的指标。
测量硬度常用方法:
压入法。
工程上常用的硬度主要包括以下三种:
1)布氏硬度
布氏硬度实验:
用3000kgf的压力P,将直径D的淬火钢球压入金属表面,载荷保持10-60s后卸载,得到直径d的压痕。
图2.6所示。
载荷除以压痕表面积的值即为布氏硬度。
HB表示。
单位:
kgf/mm2(或Mpa)。
习惯不标单位。
压头为淬火钢球(HBS)用于测硬度值<450的材料。
压头为硬质合金钢(HBW)用于测硬度值450--650的材料。
卸载
布氏硬度实验使材料表面压痕大,不易测成品薄片的硬度,常测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛坯材料的硬度。
钢球
图2.6布氏硬度测试原理和方法
2)洛氏硬度
洛氏硬度实验:
用定角120°金刚石圆锥压头。
图2.7所示。
使一定压力,压入被测材料,据压痕深度度量材料软硬,压痕越深,硬度越低。
用HRC表示。
测量范围20-67,其硬度值是一无名数,没有单位。
每0.002mm压痕深度为一个硬度单位。
压痕很小几乎不损伤工件表面,可测淬火钢、调制钢等成品件的硬度。
HB与HRC可以查表互换,心算公式为:
1HRC≈1/10HB
3)维氏硬度
维氏硬度实验:
用锥面夹角136°金刚石四棱锥体压头。
一定载荷下经规定保持时间后卸载,得对角线长长度为d的四方锥形压痕。
如图2.8所示。
载荷/压痕表面积得维氏硬度。
用HV表示。
维氏硬度用于测定从极软到极硬的薄片金属材料、表面淬硬层、渗碳层等硬度。
因硬度实验条件不同,相互间无换算公式。
据实验结果,大致换算关系:
1HBS=10HRC=1HV。
2.1.2动载和高温下金属材料的力学性能
许多机械零件在动载下工作,动载有两种形式:
1)载荷以较高速度施加到零件,形成冲击。
2)载荷的大小和方向呈周期性变化,形成交变载荷。
图2.7洛氏硬度测试原理和方法图2.8维硬度测试原理和方法
1.冲击韧性
冲击韧性:
指金属材料载冲击载荷作用下,抵抗断裂的能力。
用ak表示。
用一次摆锤冲击弯曲试验测定金属材料的冲击韧性。
按GB229-84制成U形缺口标准试样,如图2.7所示。
则:
ak
的大小与材料成分、环境温度、缺口形状、试样大小等有关,ak越大说明材料为韧性材料。
如图2.9所示。
图2.9冲击韧性测试原理示意图
2疲劳强度
疲劳断裂:
许多机器零件如弹簧、齿轮等,在工作时承受交变载荷,当交变载荷的值远远低于其屈服强度时,零件就发生了断裂,这种现象称为疲劳断裂。
疲劳断裂的特点:
交变载荷;应力远小于屈服强度;
不管脆性材料和韧性材料,疲劳断裂都是突然发生,没有明显的塑性形,属于地应力断裂。
疲劳强度:
金属材料受的最大交变应力σmax越大,断裂前所经受的循环周次N(疲劳寿命)越小,σmax与N构成的曲线称为疲劳曲线,图2.10所示。
Σmax低于某值时,曲线与横坐标平行,表示N可以达到无穷大,而试样仍不断裂,该交变应力值为疲劳强度或疲劳极限,用σ-1表示,一般规定钢材的N=107,有色金属为N=108。
应力
.
图2.10疲劳曲线
3蠕变
金属材料的机械性能在高温下会发生改变。
随温度升高,弹性模量E、屈服强度、硬度下降,塑性提高,并产生蠕变。
蠕变:
指金属材料在高温长时间应力作用下,即使所加应力小于该温度下的屈服强度,也会逐渐产生明显塑性变形至断裂。
1.3金属材料的物理、化学和工艺性能
一)物理性能:
主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。
如:
飞机零件常选密度小的铝、镁、钛合金来制造。
机电、电器零件,考虑金属的导电性。
金属材料的物理性能对热加工工艺有一定影响。
二)化学性能:
指其在常温或高温时,抵抗各种活性介质侵蚀的能力。
如耐酸、耐、抗氧化性等。
如化工设备、医疗用具可用不锈钢;内燃机排气阀和电站设备的零件可用耐热钢。
三)工艺性能:
指其冷、热加工难易程度,是其物理、化学和力学性能在加工过程中的综合反映。
按工艺方法不同分为:
铸造性、成型加工型、焊接性、切削加工性等。
设计零件和选择工艺方法时,都要考虑材料的工艺性能。
如:
灰铸铁的铸造和且削加工性能优良,广泛用于铸件;加工和焊接性能差,不能锻造和焊接。
低碳钢的焊接合成性加工性优良;高碳钢的焊接和切削加工性较差。
2.2钢的分类、编号和用途
工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。
碳素钢:
指含碳量<2.11%的铁碳合金。
合金钢:
为了提高钢的性能,在碳素钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。
1、碳素钢
一)常见杂质对钢性能的影响
1、Mn和Si:
是钢中的有益元素,来源于炼钢原料。
对钢有固溶强化作用。
Mn可脱氧、脱碳,把钢中FeO还原成铁,与S生成MnS,减轻S危害。
一般钢中Mn0.25-0.80%,Si<0.4%。
2、S和P:
有害元素。
由生铁和燃料带来。
不能除净。
S——热脆。
在钢中以FeS形式存在,FeS与Fe形成低熔点(985℃)共晶体(FeS+Fe),分布在A晶界上。
钢加热到1000-1200℃热加工时,因晶界共晶体已溶化,晶粒间结合被破坏,使钢在加工过程中沿着晶界开裂,即热脆。
P——冷脆。
P焊接裂纹。
应严格控制[P]。
二)钢的分类
1、按化学成分分
1)
;2)
2、按用途分
1)
2)
3)
三)钢的牌号、性能和用途
1.普通碳素结构钢
Q+屈服强度值+质量等级(A、B、C、D、E,由A到E,质量提高)+脱氧方法(F、b、Z、TZ)四部分顺序组成。
一般热轧状态供货,大多不热处理使用。
成分:
<0.4%C,P、S量较多。
性能:
可焊性、塑性好。
用途:
常以热轧型材使用,约占钢材总量的70%。
用于建筑结构,适合焊接、铆接、栓接等。
常见牌号:
1)Q195、Q215A、Q215B、Q235A—Q235D,主要用于制造受力不大的零件,如:
螺钉、螺母、焊接件、冲压件、金属结构件等
2)Q255A、Q255B、Q275等,主要用于制造承受中等载荷的零件,如小轴、销子、连杆、农机零件等。
2.优质碳素结构钢
牌号为两位数字,这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。
如45钢,平均含碳量0.45%C的优质碳素结构钢。
若Mn含量较高(0.7%-1.2%)时,牌号后加Mn,如20Mn、65Mn钢等。
表2.1常用优质碳素结构钢牌号:
钢种
性能
用途
08F、10
塑性好、强度低
薄钢板、冷冲压件、容器
15、20、25
渗碳后,表面得高