钢铁材料及热处理.ppt

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金属工艺学金属工艺学河北理工大学河北理工大学机械工程学院机械工程学院第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理钢铁钢铁材料及热处理材料及热处理主要研究金属和合金的主要研究金属和合金的成分成分和所经历的热处理和所经历的热处理过程过程与其内部组织和性与其内部组织和性能的相互能的相互关系关系，以及如，以及如何何改善改善金属和合金金属和合金的的组组织和性能。

织和性能。

2第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能性能是性能是进行进行设计、选材设计、选材和和制定工艺制定工艺的的依据依据。

力学性能力学性能/物理性能物理性能/化学性能化学性能/工艺性能工艺性能1.1.力学性能：

力学性能：

金属材料在外力作用下表现出来的特金属材料在外力作用下表现出来的特金属材料在外力作用下表现出来的特金属材料在外力作用下表现出来的特性性性性，如强度、塑性、弹性、硬度和冲击韧性等。

如强度、塑性、弹性、硬度和冲击韧性等。

如强度、塑性、弹性、硬度和冲击韧性等。

如强度、塑性、弹性、硬度和冲击韧性等。

1.11.1强度强度与拉伸试验与拉伸试验强度：

强度：

金属抵抗金属抵抗永久永久变形和断裂的能力；变形和断裂的能力；常用常用抗拉强度、屈服抗拉强度、屈服强度强度等表征金属材料的性能等表征金属材料的性能。

3第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.1强度与强度与拉伸试验拉伸试验国国家家标标准准GB/T228-2002金金属属材材料料-室室温温拉拉伸伸试试验验方方法法2002年年颁颁布布实实施施F与与L关系曲线关系曲线拉伸曲线拉伸曲线图图1-21-2所示所示4第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.1强度与拉伸试验强度与拉伸试验拉伸曲线拉伸曲线OE段：

弹性变形阶段；段：

弹性变形阶段；ES段：

屈服阶段段：

屈服阶段（除产生弹性变形除产生弹性变形外，还产生部分塑性变形外，还产生部分塑性变形）；）；SB段：

均匀塑性变形段：

均匀塑性变形,强化阶段强化阶段（屈服后，试棒开始产生塑性变形）；（屈服后，试棒开始产生塑性变形）；B点点：

形成了：

形成了“缩颈缩颈”（继续变形所（继续变形所需的拉力减小，变形量增加）；需的拉力减小，变形量增加）；BK段：

非均匀变形阶段，段：

非均匀变形阶段，承载下降，到承载下降，到k点断裂。

点断裂。

图图1-21-2低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线图图1-1拉伸试棒拉伸试棒5第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.1强度与拉伸试验强度与拉伸试验应力：

金属强度指标应力：

金属强度指标，即单位面积上的外力。

，即单位面积上的外力。

常用的强度指标：

常用的强度指标：

（11）屈服强度：

屈服强度：

材料产生材料产生塑性变形塑性变形的的最低最低应力应力；（22）抗拉强度：

抗拉强度：

材料在拉断前所承受最大应力。

材料在拉断前所承受最大应力。

应力应力应变应变6第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.21.2塑性塑性金属材料在外力作用下金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏能力。

产生塑性变形而不破坏能力。

（11）伸长率：

伸长率：

试样拉断后标距伸长量试样拉断后标距伸长量与原始标距之比。

与原始标距之比。

（22）断面收缩率：

断面收缩率：

试样拉断处横截面积收试样拉断处横截面积收缩量与原始截面积之比。

缩量与原始截面积之比。

7第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.3硬度硬度:

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

压痕或划痕的能力。

硬度值的物理意义随其试验方法的不硬度值的物理意义随其试验方法的不同而不同。

工程上常用的有：

同而不同。

工程上常用的有：

布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度HBS或或HBWHRA、HRC、HRB8第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能布氏硬度布氏硬度计计洛氏硬度洛氏硬度计计布氏硬度试验是用一定的载荷布氏硬度试验是用一定的载荷F，将直，将直径为径为D的淬火钢球或硬质合金球，在一的淬火钢球或硬质合金球，在一定压力作用下，压入被测材料的表面，定压力作用下，压入被测材料的表面，保持一定的时间后卸去载荷，以载荷与保持一定的时间后卸去载荷，以载荷与压痕表面积的比值作为布氏硬度值。

压痕表面积的比值作为布氏硬度值。

洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为120的金刚石圆的金刚石圆锥体或直径为锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压人被测试样表面，的淬火钢球压人被测试样表面，根据压痕的深度确定它的硬度值。

根据压痕的深度确定它的硬度值。

9用用布氏硬度布氏硬度试验测材料的硬度值，其测试数据试验测材料的硬度值，其测试数据比较准确，但不能测太薄的试样和硬度较高的材料。

比较准确，但不能测太薄的试样和硬度较高的材料。

用用洛氏硬度洛氏硬度计可以测量从软到硬的各种不同计可以测量从软到硬的各种不同材料，这是因为它采用了不同的压头和载荷，组材料，这是因为它采用了不同的压头和载荷，组成各种不同的洛氏硬度标尺。

成各种不同的洛氏硬度标尺。

硬度和强度一样，都反映了材料对塑性变形硬度和强度一样，都反映了材料对塑性变形的抗力。

的抗力。

硬度还影响到材料的耐磨性，在一般情况下，硬度还影响到材料的耐磨性，在一般情况下，硬度高，其耐磨性能也较好硬度高，其耐磨性能也较好。

测量测量布氏硬度布氏硬度时，由于时，由于FF和和DD都是定值，所都是定值，所以，一般是先测得压痕直径以，一般是先测得压痕直径dd，根据，根据dd查表确定查表确定材料的布氏硬度值。

材料的布氏硬度值。

布氏硬度值越大，材料越硬。

布氏硬度值越大，材料越硬。

10第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.4冲击韧性：

材料抵抗冲击载荷的能力。

冲击韧性：

材料抵抗冲击载荷的能力。

Akv冲击功，冲击功，Jak冲击韧性值，冲击韧性值，J/cm2冲击试验机冲击试验机Akv=G（H1-H2）JA试样断口处截面积试样断口处截面积11第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能1.5疲劳强度疲劳强度材料在多次交变载荷作用下而不引起断裂材料在多次交变载荷作用下而不引起断裂的最大应力。

的最大应力。

疲劳破坏是机械零件失效的主要疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。

原因之一。

据统计，机械零件失效中大约有据统计，机械零件失效中大约有80%80%以上属于疲劳以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

的材料来制造。

12第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能2.2.物理性能和化学性能物理性能和化学性能物理性能：

密度、熔点、热膨胀性、导物理性能：

密度、熔点、热膨胀性、导热热性性、导电性和磁性等导电性和磁性等；化学性能：

耐腐化学性能：

耐腐蚀蚀性能（酸、氧化）性能（酸、氧化）；耐耐蚀蚀性：

金属材料对周围介质性：

金属材料对周围介质（如如大气大气、水汽及各种电介质）水汽及各种电介质）侵蚀的抵抗能力侵蚀的抵抗能力。

13第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第一节第一节金属及合金的性能金属及合金的性能3.工艺性能工艺性能金属材料适应加工工艺要求的能力。

金属材料适应加工工艺要求的能力。

铸铸造造性性能能锻锻压压性性能能焊焊接接性性能能切切削削性性能能按照按照工艺工艺方法方法不同不同划分划分由材料的由材料的物理性能、物理性能、化学性能、化学性能、力学性能力学性能综合决定。

综合决定。

14第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第二节第二节铁碳合金及其状态图铁碳合金及其状态图碳钢、铸铁碳钢、铸铁机械制造各部门中，机械制造各部门中，应用最广泛的材料。

应用最广泛的材料。

资源丰富、冶炼简单、价格低廉、资源丰富、冶炼简单、价格低廉、具有良具有良好的力学性能、工艺性能好的力学性能、工艺性能。

1.碳钢碳钢碳钢主要是由碳钢主要是由铁铁和和碳碳两种元素组成两种元素组成的合金；的合金；含碳量含碳量2.11%，还含有少量还含有少量硅、锰、硫、磷等杂质硅、锰、硫、磷等杂质。

151.11.1碳及杂质对碳钢的影响碳及杂质对碳钢的影响碳碳-钢中的主要元素，对钢中的主要元素，对碳钢的碳钢的性能性能影响影响最最大，含大，含碳碳量量升高升高，强度、硬度强度、硬度提高提高，而而塑性、韧性塑性、韧性下降下降；硅硅-钢中有益的元素，它能消除氧的不良影钢中有益的元素，它能消除氧的不良影响，并能适当提高钢的强度、硬度和弹响，并能适当提高钢的强度、硬度和弹性，而使塑性和韧性有所下降；性，而使塑性和韧性有所下降；锰锰-钢中有益的元素，能使钢的钢中有益的元素，能使钢的强度、硬度强度、硬度增增加加，减少氧和硫对钢的危害，因含量较减少氧和硫对钢的危害，因含量较少，少，对对钢的钢的性能影响不大性能影响不大；硫硫-来自矿石和燃料，不熔于铁，与铁化合来自矿石和燃料，不熔于铁，与铁化合生成生成FeSFeS。

FeSFeS与与FeFe形成共晶体，热脆，形成共晶体，热脆，严格控制含硫量；严格控制含硫量；磷磷-强度、硬度强度、硬度增加增加，塑性、韧性，塑性、韧性显著显著下下降降，冷脆，冷脆，严格控制含磷量。

，严格控制含磷量。

16第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第二节第二节铁碳合金及其状态图铁碳合金及其状态图1.2碳钢的碳钢的分类分类、编号、性能和用途、编号、性能和用途

（1）分类）分类碳含量碳含量:

低碳钢低碳钢Wc0.60%钢的质量钢的质量普通质量碳钢普通质量碳钢Ws,Wp0.045%优质碳钢优质碳钢Ws,Wp0.035%特殊优质碳钢特殊优质碳钢Ws,Wp0.020%用途不同用途不同碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢17第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第二节第二节铁碳合金及其状态图铁碳合金及其状态图1.2碳钢的分类、碳钢的分类、编号编号、性能和用途、性能和用途

（2）编号）编号a.碳素结构钢：

碳素结构钢：

以钢材厚度（或直径）不大于以钢材厚度（或直径）不大于16mm钢的屈服强度数值表示。

钢的屈服强度数值表示。

Q+Q+Q+Q+屈服强度数值屈服强度数值屈服强度数值屈服强度数值+质量等级符号质量等级符号质量等级符号质量等级符号+脱氧方法脱氧方法脱氧方法脱氧方法Q-Q-钢的屈服强度；钢的屈服强度；A,B,C,D-A,B,C,D-质量等级；质量等级；F-F-沸腾钢；沸腾钢；Z-Z-镇静钢；镇静钢；b-b-半镇静钢；半镇静钢；TZ-TZ-特殊镇静钢特殊镇静钢例：

例：

Q235-A表示屈服强度（表示屈服强度（s）为）为235MPa的的A级普通碳素结构钢。

级普通碳素结构钢。

18第一章第一章钢铁材料及热处理钢铁材料及热处理第二节第二节铁碳合金及其状态图铁碳合金及其状态图沸腾钢沸腾钢（F）为脱氧不完全的钢。

为脱氧不完全的钢。

浇注时浇注时，钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。

这类钢的特点是钢中含硅量种气泡空腔会被粘合起来。

这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大