金屬材料與熱處理基礎

金屬材料與熱處理基礎,第一節(jié)金屬的力學性能,材料的力學性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強度等。一、強度強度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強度指標一般可以通過金屬拉伸試驗來測定。把標準試樣裝夾在試驗機上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。在此過程中，試驗機能自動繪制出載荷F和試樣變形量AL的關系曲線。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，圖中縱坐標表示載荷單位為N；橫坐標表示絕對伸長量L，單位為mm。,從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段：（1）Oe彈性變形階段 （2）es屈服階段 （3）sb強化階段 （4）bk縮頸階段,2強度指標材料受到外力作用會發(fā)生變形，同時在材料內部產(chǎn)生一個抵抗變形的力稱為內力。單位面積上的內力稱為應力，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s材料產(chǎn)生屈服時的最小應力。單位為MPa。s= Fs/AO （2-1）式中，F(xiàn)s是屈服時的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵），測量屈服點很困難，工程上經(jīng)常采用殘余伸長為0.2原長時的應力0.2作為屈服強度指標，稱為規(guī)定殘余伸長應力。0.2= F0.2/AO （2-2）（2）抗拉強度b材料在拉斷前所承受的最大應力，單位為MPa?？估瓘姸缺硎静牧系挚咕鶆蛩苄宰冃蔚淖畲竽芰Γ彩窃O計機械零件和選材的主要依據(jù)。b= Fb/AO （2-3）式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）。,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為塑性。通過拉伸試驗測得 的常用塑性指標有：斷后伸長率和斷面收縮率。1斷后伸長率試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距之比 =(L1L0)/L0×100 （2-4） 式中，L1試樣原始標距長度。L0試樣拉斷后的標距長度。2斷面收縮率試樣拉斷處=×100橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比= =(A0A1)/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。,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。常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗法。1布氏硬度試驗法如圖2-2所示采用直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球，在規(guī)定載荷F的作用下，壓入被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，測定壓痕直徑，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，壓頭為淬火鋼球時用HBS表示，壓頭為硬質合金球用時HBW表示。例如120HBS，450HBW。,2洛氏硬度試驗法采用頂角為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。試驗時先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量準確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來確定材料的硬度值。,四、沖擊韌度 對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動機中的活塞，不僅要求具有高的強度和一定的塑性，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為沖擊韌度。沖擊韌度的測定方法，如圖2-4所示。是將被測材料制成標準缺口試樣，在沖擊試驗機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為沖擊功，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢能差。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，這個值越大，則韌性越好，受沖擊時，越不容易斷裂。,五、疲勞強度在汽車上的許多零件中，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度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒有明顯的外觀變形時也會發(fā)生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險性。疲勞強度-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力，其大小與應力變化的次數(shù)有關。對于黑色金屬規(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度，可以通過改善零件的結構形狀，避免應力集中，減小表面粗糙度值，進行表面熱處理和強化處理等方法。,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?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。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,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，見圖2-5。,2鋼在加熱時的轉變在熱處理工藝中，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)時的組織，其強度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此，鋼在加熱時，為了得到細小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。3鋼在冷卻時的轉變冷卻是熱處理的關鍵工序，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，將獲得不同的力學性能，見表2-1。,二、退火與正火1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。三、淬火與回火1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。2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。,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（1）火焰加熱表面淬火（如圖2-8所示） （2）感應加熱表面淬火（如圖2-9所示）,2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。化學熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。（1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝，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熱處理工藝。,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，而鋼又可分為碳素鋼和合金鋼，鋼鐵以外的其他金屬稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。一、鋼鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為結構鋼、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絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀。,三、有色金屬及其合金有色金屬是指鋼鐵以外的其他金屬。有色金屬種類很多，又具有某些獨特的性能，是工業(yè)上不可缺少的金屬材料，有色金屬應用較廣的是鋁、銅、鈦及其合金和滑動軸承合金。1鋁及鋁合金2銅及銅合金3滑動軸承合金,