机械常用金属材料及热处理.ppt

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第第1章章机械常用金属材料及热处理机械常用金属材料及热处理目录11金属材料的力学性能及工艺性能金属材料的力学性能及工艺性能1.1.1金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.1.2金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能12钢的热处理钢的热处理1.2.1退火退火1.2.2正火正火1.2.3淬火淬火1.2.4回火回火1.2.5钢的表面热处理钢的表面热处理13常用的金属材料常用的金属材料1.3.1碳素钢碳素钢1.3.2合金钢合金钢1.3.3铸铁铸铁引子w材料材料：

金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、：

金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、陶瓷、复合材料），金属材料应用最广泛。

陶瓷、复合材料），金属材料应用最广泛。

w材料的材料的使用性能与成分、组织及加工工艺密使用性能与成分、组织及加工工艺密切相关切相关，尤其是金属材料，尤其是金属材料，可通过不同热处可通过不同热处理方法来改变金属的表面成分和内部组织结理方法来改变金属的表面成分和内部组织结构，以获得不同的性能构，以获得不同的性能，改善工艺性能和延，改善工艺性能和延长使用寿命。

长使用寿命。

引子w金属材料主要性能：

金属材料主要性能：

力学性能力学性能、物理性能、化学性、物理性能、化学性能和能和工艺性能工艺性能等。

等。

w金属材料金属材料：

纯金属：

纯金属（应用较少：

价贵、强度低应用较少：

价贵、强度低）和合和合金（常用）。

金（常用）。

w力学性能力学性能：

金属材料在：

金属材料在外力作用下外力作用下所表现所表现的抵抗能的抵抗能力力性能指标：

性能指标：

弹性、塑性、强度、硬度、韧性弹性、塑性、强度、硬度、韧性，且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的主要主要依据依据。

w工艺性能工艺性能：

指金属材料具有的：

指金属材料具有的能够适应各种加工工能够适应各种加工工艺要求的能力艺要求的能力，是力学、物理和化学性能的综合表，是力学、物理和化学性能的综合表现，包括现，包括铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削加工性能加工性能。

1.1.1金属材料的力学性能w1.1.1.1强度强度1屈服点屈服点2抗拉强度抗拉强度w1.1.1.2塑性塑性1）断后伸长率）断后伸长率2）断面收缩率）断面收缩率w1.1.1.3硬度硬度1布氏硬度布氏硬度2洛氏硬度洛氏硬度w1.1.1.4冲击韧度冲击韧度w1.1.1.5疲劳强度疲劳强度1.1.1.1强度w强度强度：

指机金属材料在外力作用下指机金属材料在外力作用下抵抗塑性抵抗塑性变形和断裂的能力变形和断裂的能力。

w强度大小可按国家标准的规定强度大小可按国家标准的规定通过通过拉伸试验拉伸试验来测定来测定。

1屈服点屈服点2抗拉强度抗拉强度1屈服点w屈服屈服：

当负荷不再增加时，而试样的塑性变：

当负荷不再增加时，而试样的塑性变形量明显增加的现象。

形量明显增加的现象。

w屈服点屈服点：

产生屈服现象时的应力。

：

产生屈服现象时的应力。

除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象。

大多数金属材料没有明显的屈服现象。

因此，规定产生因此，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为屈服残余伸长时的应力作为屈服强度。

强度。

2抗拉强度w试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。

强度。

w显然，试样不能在承受此载荷的条件下工作，显然，试样不能在承受此载荷的条件下工作，这样将导致构件破坏。

这样将导致构件破坏。

1.1.1.2塑性w金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：

金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：

1）断后伸长率）断后伸长率2）断面收缩率）断面收缩率1）断后伸长率w断后伸长率：

断后伸长率：

试样拉断后，标距的伸长与原试样拉断后，标距的伸长与原始长度的百分比。

始长度的百分比。

w一般规定一般规定短试样短试样：

L=5d，长试样长试样：

L=10d2）断面收缩率w断面收缩率断面收缩率：

试样拉断后，缩颈处横截面积：

试样拉断后，缩颈处横截面积的最大减缩量与原横截面积的百分比。

的最大减缩量与原横截面积的百分比。

以上两个数值越大，说明金属材料的塑性越好，以上两个数值越大，说明金属材料的塑性越好，良好的塑性是金属进行塑性加工的必要条件，一良好的塑性是金属进行塑性加工的必要条件，一般断后伸长率达般断后伸长率达5、断面收缩率达、断面收缩率达10可满足可满足要求。

要求。

1.1.1.3硬度w硬度：

硬度：

1）指金属材料表面抵抗硬物压入的能力；）指金属材料表面抵抗硬物压入的能力；2）金属表面对局部塑性变形的抗力。

）金属表面对局部塑性变形的抗力。

w硬度是硬度是检验毛坯或成品件、热处理件检验毛坯或成品件、热处理件的重要的重要性能指标。

性能指标。

w硬度指标：

硬度指标：

1布氏硬度布氏硬度2洛氏硬度洛氏硬度1布氏硬度w测量方法测量方法：

将一定直径：

将一定直径（10，5，2.5，2，1mm）的淬火球加以）的淬火球加以一定的载荷，压入被测一定的载荷，压入被测金属材料的表面，根据金属材料的表面，根据所用载荷的大小和所得所用载荷的大小和所得压痕面积来计算压痕球压痕面积来计算压痕球面上的平均压力。

面上的平均压力。

wHBS（淬火钢球）（淬火钢球）wHBW（硬质合金球）（硬质合金球）布氏硬度布氏硬度测量特点测量特点：

数据较准数据较准确，但不确，但不宜于测太宜于测太薄、太硬薄、太硬的材料的材料2洛氏硬度w测量方法测量方法：

在特点的压头上加上压力压入被：

在特点的压头上加上压力压入被测资料，根据压痕的深度来度量材料的硬度测资料，根据压痕的深度来度量材料的硬度值。

值。

压痕越深，材料愈软，硬度值愈低压痕越深，材料愈软，硬度值愈低。

w按压头种类和所加载荷不同，按压头种类和所加载荷不同，洛氏硬度指标洛氏硬度指标符号符号有：

有：

HRA、HRB、HRC。

工程上常使用。

工程上常使用HRC硬度指标。

硬度指标。

w洛氏硬度洛氏硬度测量特点测量特点：

操作：

操作简便迅速简便迅速，可，可直接直接从表盘上从表盘上读读出硬度值，没有单位。

由于出硬度值，没有单位。

由于压痕压痕小小，可用于成品及薄件检验可用于成品及薄件检验，但，但不如布氏硬不如布氏硬度试验准确度试验准确。

1.1.1.4冲击韧度w由于由于许多机械经常受到冲击载荷许多机械经常受到冲击载荷必须具必须具有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

w冲击韧度冲击韧度：

金属材料：

金属材料抵抗冲击载荷的能力抵抗冲击载荷的能力。

w冲击由于是瞬时的，其载荷冲击由于是瞬时的，其载荷比静载荷要大比静载荷要大的的多。

多。

冲击试验w工程上常用工程上常用一次摆锤一次摆锤冲击冲击测定冲击韧度。

测定冲击韧度。

w冲击韧度冲击韧度不直接用于不直接用于设计计算设计计算材料往材料往往不是一次冲击破坏往不是一次冲击破坏的。

的。

1.1.1.5疲劳强度w疲劳疲劳：

在：

在交变载荷交变载荷下工作的零件虽然下工作的零件虽然工作应工作应力远低于抗拉强度力远低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但在，甚至低于屈服点，但在长时间工作后会长时间工作后会突然断裂突然断裂。

w特点特点：

疲劳断裂时：

疲劳断裂时不发生明显的塑性变形不发生明显的塑性变形，断裂是断裂是突然突然的，具有很大的危险性，常造成的，具有很大的危险性，常造成严重的事故。

严重的事故。

1.1.1.5疲劳强度w据统计，损坏的零件中，据统计，损坏的零件中，80由于金属疲劳由于金属疲劳而造成的而造成的。

w疲劳强度疲劳强度：

在一定的循环次数下不发生断裂：

在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。

的最大应力。

循环次数循环次数：

钢铁钢铁107，非鉄金属非鉄金属108，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。

，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。

w疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部位疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部位材料内部材料内部缺陷缺陷、加工造成的、加工造成的磨痕、刀痕磨痕、刀痕、局部应力集中产生的局部应力集中产生的裂纹裂纹。

11金属材料的工艺性能w1铸造性能铸造性能w2锻造性能锻造性能w3焊接性能焊接性能w4切削加工性能切削加工性能1铸造性能w铸造铸造：

将：

将熔融金属熔融金属浇铸、压射或吸入浇铸、压射或吸入铸造型腔铸造型腔中，中，待其待其凝固后得到凝固后得到一定形状和性能的一定形状和性能的铸件铸件的方法。

的方法。

w铸造性能铸造性能：

浇铸时液态金属的：

浇铸时液态金属的流动性、凝固时的收流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向缩性和偏析倾向。

w流动性好流动性好：

金属具有良好的：

金属具有良好的充满型腔充满型腔的能力，能铸的能力，能铸出大而薄的铸件。

出大而薄的铸件。

w收缩收缩：

液态金属凝固时：

液态金属凝固时体积收缩体积收缩和凝固后的和凝固后的线收缩线收缩，收缩小可收缩小可提高液态金属的利用率，提高液态金属的利用率，减少变形和裂纹减少变形和裂纹的可能性。

的可能性。

w偏析偏析：

铸件：

铸件凝固后各化学成分的不均匀凝固后各化学成分的不均匀，若偏析严，若偏析严重，将使铸件的力学性能变差。

重，将使铸件的力学性能变差。

w灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。

灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。

2锻造性能w锻造性能锻造性能：

材料在压力加工时，：

材料在压力加工时，能改变形状能改变形状而不产生裂纹的性能而不产生裂纹的性能，是材料塑性好坏的表，是材料塑性好坏的表现。

现。

w锻造性锻造性：

低碳钢低碳钢良好；碳钢比良好；碳钢比合金钢合金钢好；好；铸铁无铸铁无。

3焊接性能w焊接性能焊接性能：

材料在通常：

材料在通常焊接方法和焊接工艺条焊接方法和焊接工艺条件下，件下，能否获得质量良能否获得质量良好焊缝的性能好焊缝的性能。

w焊接性能好焊接性能好焊缝中焊缝中不易产生气孔、夹渣或不易产生气孔、夹渣或裂纹裂纹。

w焊接性能比较焊接性能比较：

低碳钢：

低碳钢好，高碳钢和铸铁较差。

好，高碳钢和铸铁较差。

4切削加工性能w切削加工性能切削加工性能：

对工件材料：

对工件材料进行切削加工的进行切削加工的难易程度难易程度。

w与与材料本身材料本身化学成分、金相组织、刀具几何化学成分、金相组织、刀具几何形状形状有关有关。

w硬度过高或过低、韧性过大硬度过高或过低、韧性过大切削性能较切削性能较差。

差。

w灰铸铁具有良好的切削加工性能。

灰铸铁具有良好的切削加工性能。

12钢的热处理w1.2.1退火退火w1.2.2正火正火w1.2.3淬火淬火w1.2.4回火回火w1.2.5钢的表面热处理钢的表面热处理引子w热处理热处理：

将钢在固：

将钢在固态下通过态下通过加热、保加热、保温和不同的冷却方温和不同的冷却方式式，改变金属内部改变金属内部结构结构，从而，从而获得所获得所需性能需性能的操作工艺，的操作工艺，工艺曲线如图工艺曲线如图14。

引子w特点特点：

不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性：

不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能（能（强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性能强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性能）。

w作用作用：

材料给人们提供的性能是有限的，经过热处：

材料给人们提供的性能是有限的，经过热处理的零件，可以使材料的理的零件，可以使材料的各种性能得到很大的改善各种性能得到很大的改善和提高，和提高，充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材料料。

机床、汽车、拖拉机制造中，机床、汽车、拖拉机制造中，80的材料要热处理。

的材料要热处理。

刀具、量具、模具和滚动轴承要全部进行热处理。

刀具、量具、模具和滚动轴承要全部进行热处理。

引子热处理分类：

热处理分类：

引子w零件制造一般过程零件制造一般过程：

选原料：

选原料锻造锻造预选预选热处理热处理机械加工机械加工最终热处理。

最终热处理。

w预选热处理预选热处理：

退火和正火：

退火和正火消除组织缺陷和消除组织缺陷和内应力。

内应力。

w含碳量含碳量钢：

钢：

0.0218-2.11%；铁：

；铁：

2.11%；45号钢号钢b600MPa。

热处理工艺曲线示意图相图晶界的原子排列相图相图以相组成物表示的鉄碳合金相图以组织组成物表示的鉄碳合金相图奥氏体形成过程金相组织w铁素体铁素体F：

室温下碳溶量：

室温