《金屬工藝學(xué)》第一章 鋼鐵材料及熱處理

1、第一章 鋼鐵材料及熱處理知識(shí)點(diǎn)：1.鋼鐵自身固有的力學(xué)性能一般是不能滿足零件的受力性要求。2.鋼鐵零件必須經(jīng)過熱處理才能用。 1-1 金屬及合金的性能 主要有：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。 從機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)角度，重點(diǎn)放在金屬材料的力力學(xué)性能學(xué)性能。 一、 力學(xué)性能 力學(xué)性能又稱機(jī)械性能，是材料在力的作用下力的作用下所表現(xiàn)出的特征。 力學(xué)性能的指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和剛度。 1. 強(qiáng)度 是金屬受外力作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。（1）強(qiáng)度的定義式 （2）工程設(shè)計(jì)中常用的強(qiáng)度指標(biāo)最大抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)bs（3）金屬材料的抗拉強(qiáng)度與屈服點(diǎn)的測試 方法：

2、是用金屬試樣做拉伸試驗(yàn)測出來的。1）低碳鋼試樣的拉伸試驗(yàn)曲線 是將低碳鋼棒料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，裝在拉伸機(jī)上，在試樣兩端緩慢施加軸向載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。 要點(diǎn)知識(shí)：I.oe直線彈性變形特征。 e點(diǎn)處的應(yīng)力 ：為不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為材料的彈性極限。0SFee oe直線的斜率值：稱為材料的彈性模量，用E表示，表征材料抵抗彈性變形的能力，技術(shù)上表示金屬的剛度。II.es曲線屈服特征。即載荷超過Fe再卸載時(shí)，試樣的伸長只能部分地恢復(fù)，產(chǎn)生了部分塑塑性變形性變形。 III.S處水平段稱作“屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)”。即當(dāng)載荷增加到Fs時(shí)，拉力無需再增大，試樣仍可繼續(xù)伸長?；蚍Q“屈服強(qiáng)度”，即料的“

3、屈服點(diǎn)”的比值，定為低碳鋼材與試樣原始面積點(diǎn)處的拉力規(guī)定：MPaSFSFssss00金屬材料屈服點(diǎn)的工程意義：1）鍋爐、壓力容器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的緊固螺栓、鍵、銷零件，在受載時(shí)是不允許屈服的，其工作應(yīng)力必須小于材料的屈服點(diǎn)。屈服強(qiáng)度等級(jí)?？芍苯又啦牧系那c(diǎn)指標(biāo)來命名的，鋼等鋼材是以材料的鋼、）如依據(jù)之一。是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的主要，故應(yīng)力值，其零件允許的工作）金屬材料的Q275Q23532sesIV.sb曲線強(qiáng)化階段。材料屈服后隨變形程度的增大，金屬內(nèi)部要產(chǎn)生變形抗力，須不斷增大載荷，試樣才能繼續(xù)伸長。V.bz曲線縮頸階段。即當(dāng)載荷超過Fb值，試樣出現(xiàn)局部 “縮頸” 直至斷裂?！翱s頸” ：零件

4、局部橫截面積變小，是零件發(fā)生斷裂的前奏。 要點(diǎn)：1）Fb是零件產(chǎn)生“縮頸”所能承受的最大拉力。2）規(guī)定：b點(diǎn)處的拉應(yīng)力值為低碳鋼材料的抗拉強(qiáng)度，用.0MPaSFbbb符號(hào)表示，3）抗拉強(qiáng)度 的工程意義 金屬零件所承受的最大工作應(yīng)力值不允許超過 ，否則會(huì)斷裂。bb2. 塑性 是指金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。（1）塑性指標(biāo) 是用拉伸試驗(yàn)測得的試樣伸長率 和端面收縮率 來衡量。要點(diǎn)知識(shí)：稱為脆性材料。值幾乎為零，、扎制薄板。鑄鐵的，可拉制細(xì)絲、；如合金、低碳鋼等，不會(huì)斷裂。如銅鋁及其量的塑性變形而這樣的金屬可以發(fā)生大性越好。值越大，表示材料的塑、）%80%501 2）應(yīng)用知識(shí) 如車身

5、架材料，要用塑性好的低合金鋼制造，如受力過大（超載）時(shí)，先產(chǎn)生塑性變形而不致突然斷裂。 3）塑性好的金屬材料是進(jìn)行鍛造、沖壓、焊接的必要條件。3. 硬度 是指材料抵抗局部變形，特別是局部塑性變形、壓痕、劃痕的能力。 知識(shí)點(diǎn)：硬度是機(jī)械零件、工具等必須具有的機(jī)械性能指標(biāo)。 如制造業(yè)用的刀具、量具、鍛錘及模具等，都要具有足夠的硬度，以耐磨和防止受沖擊力時(shí)產(chǎn)生裂紋。硬度可間接反映金屬的強(qiáng)度、塑性、韌性及化學(xué)成分，是一項(xiàng)綜合性的機(jī)械性能指標(biāo)。 （1）金屬材料的硬度指標(biāo) 最常用的有：布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度1）布氏硬度（HB） 用淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，用來測定“較軟”金屬材料硬度的方法。

6、 布氏硬度值的表示方法： 如230HBS、500HBW。 S 淬火鋼球壓頭。 W硬質(zhì)合金鋼球壓頭。 布氏硬度法的應(yīng)用： 用于測定如鑄鐵件、有色金屬及合金、退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。2）洛氏硬度 是用 金剛石圓錐體作壓頭，用來測定硬金屬材料硬度的方法。0120 洛氏硬度法的應(yīng)用： 用于如淬火鋼、滲碳鋼、模具工具鋼等硬度的測定。洛氏硬度的表示方法：如2067HRC。 （2）硬度值與機(jī)械設(shè)計(jì) 零件工作面要規(guī)定足夠的硬度，以耐磨損，防止疲勞斷裂。硬度和強(qiáng)度間有一定換算關(guān)系，如機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材中的 圖表所示。4. 沖擊韌性 沖擊韌性又稱韌性，是指材料受快速或突然載荷的作用，斷裂前所能吸收最大沖擊功的能力

7、。u沖擊載荷：載荷以快速或突然的方式作用在零件上。（1）材料沖擊韌性的指標(biāo) 用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)測出的試樣所受最大沖擊吸收功AK與S0的比值來衡量，見教材圖1-4。試樣缺口處截面積受最大沖擊吸收功020)/(sAcmJsAakkk 基本知識(shí)點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、硬度指標(biāo)，都是在緩慢加載或靜載荷條件下測定的。機(jī)器中的零件大多要受沖擊載荷作用，如連桿、鍵連接、齒輪傳動(dòng)、鉆機(jī)、碎石機(jī)械，鐵軌受力，沖模、鍛模等。制造承受沖擊載荷的零件，除應(yīng)保證足夠的靜力學(xué)性能如強(qiáng)度、硬度，還必須要有足夠的韌性韌性，即耐沖擊的能力。（2）沖擊韌性與機(jī)械零件設(shè)計(jì) 材料的 值，只是表明其抗一次大沖擊而不斷裂的能力。金屬零件受大能量沖

8、擊作用，其抗沖擊能力決定于akv值。ka受小能量多次沖擊的作用，零件抗沖擊能力是取決于強(qiáng)度和塑性。u受較高沖擊力作用，要提高零件的塑性值；u受小沖擊力作用，要提高零件的強(qiáng)度。 如連桿、曲軸，碎石機(jī)鄂板等，都是受多次小能量沖擊力作用，這些零件可用球墨鑄鐵件或孕育鑄鐵件制造。注意，鑄鐵類的ak值幾乎為零，但經(jīng)熱處理后具有較高的強(qiáng)度、硬度。受大能量沖擊作用的零件，選擇材料時(shí)，要考慮材料的沖擊韌性指標(biāo)ak值大小。 如飛機(jī)起落架、礦山載重汽車的大梁、蒸汽錘的錘桿等，工作時(shí)受大能量沖擊力作用，其零件要用高ak值的金屬材料制造。5. 疲勞強(qiáng)度（1）疲勞破壞 很多機(jī)械零件如軸、齒輪、連桿等，是在交變循環(huán)載荷作

9、用下工作，盡管受到的工作應(yīng)力值低于材料的強(qiáng)度極限 ，甚至 ，在零件應(yīng)力集中處仍會(huì)產(chǎn)生裂紋，直至發(fā)生斷裂，此破壞稱為疲勞破壞疲勞破壞。sb 具統(tǒng)計(jì)，有約80%的機(jī)械零件失效，都是由疲勞破壞引起。因此，研究和預(yù)防材料疲勞破壞極其重要。 （2）疲勞強(qiáng)度 工程規(guī)定，材料在指定循環(huán)基數(shù)（107次以上）的交變載荷作用下不引起斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度，又稱疲勞極限，用符號(hào) 表示。 1（3）疲勞強(qiáng)度的測定 試驗(yàn)結(jié)論：在交變載荷作用下的金屬試樣，承受的工作應(yīng)力值與斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有如下關(guān)系： 疲勞曲線水平段對應(yīng)的應(yīng)力值，表示材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)作用而不發(fā)生疲勞斷裂，即為材料的疲勞強(qiáng)度。（

10、4）零件疲勞破壞的特征 沒有明顯的塑性變形，是突然斷裂。（5）零件疲勞斷裂的原因 材料內(nèi)部有氣孔、夾雜物，表面有劃痕或顯微裂痕等。（6）提高零件疲勞強(qiáng)度的措施采用鍛造、軋制等壓力加工方式生產(chǎn)零件的毛坯。（因壓力作用可焊合鋼錠內(nèi)部的孔洞、擊碎夾雜物，使金屬致密；對型鋼，可產(chǎn)生加工硬化）對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，如滾壓、噴丸、表面淬火，以提高工作面硬度。（可去除或防止出現(xiàn)顯微裂紋，且裂紋擴(kuò)展慢）（7）疲勞強(qiáng)度與機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械中重要的轉(zhuǎn)軸、螺栓桿、曲軸、連桿等，要按零件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。6. 剛度 指材料抵抗彈性變形的能力，材料的剛度用彈性模量E值衡量。（1）剛度與機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)床主軸、滑枕、床身等

11、，選材時(shí)應(yīng)選彈性模量大的材料。 材料的剛度不等于機(jī)件的剛度。機(jī)件的剛度除與材料的E值有關(guān)，重要的是取決于機(jī)件的斷面設(shè)計(jì)。 工字形斷面、環(huán)型斷面設(shè)計(jì)，力求壁厚均勻，都是提高機(jī)件剛度的設(shè)計(jì)形式。三、工藝性能 指材料在加工的過程中所表現(xiàn)出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯質(zhì)量如何。1. 材料工藝性能的內(nèi)容 按工藝方法的不同有：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能。（1）鑄造性能 指金屬在鑄造成形過程中所表現(xiàn)出的性能 。金屬的鑄造性能用流動(dòng)性、收縮率和偏析這三個(gè)指標(biāo)來衡量。流動(dòng)性 指熔融金屬流動(dòng)的能力。金屬液流動(dòng)性好，容易充滿鑄型，鑄件外形完整、尺寸準(zhǔn)確。收縮率 金屬的收縮量愈小，鑄

12、件產(chǎn)生的疏松、縮孔、變形、裂紋等缺陷愈少。偏析 指鑄件凝固后內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。金屬偏析嚴(yán)重，鑄件各部分的力學(xué)性能就不一致。知識(shí)點(diǎn)：鑄鐵類的鑄造性能最好，鋁合金其次；鋼的鑄造性能較差。 （2）鍛壓性能 指金屬用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良制件的難易程度。 要點(diǎn)：材料的鍛壓性能，用塑性值和變形抗力兩個(gè)指標(biāo)來衡量。鍛壓性能好的金屬有低碳鋼、低合金鋼；黃銅、鋁合金在室溫下就有良好的鍛壓性能；鑄鐵、高碳鋼等鍛壓性能差。（3）焊接性能 指金屬焊接時(shí)，能否獲得優(yōu)良焊接接頭的能力。 要點(diǎn)：優(yōu)良焊接接頭 指焊縫處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。焊接性能好的金屬：低碳鋼、低合金鋼；高碳鋼、鑄鐵和鋁合金的焊接性較差。 如用高碳鋼、鑄鐵和鋁合金制成的機(jī)件，需與其它機(jī)件相連時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)成螺紋聯(lián)接或鉚接。（4）熱處理工藝性 指材料是否容易通過熱處理獲得所需力學(xué)性能而不開裂的能力。知識(shí)點(diǎn)：高碳鋼、高合金鋼的導(dǎo)熱性差，加熱時(shí)采用多段加熱規(guī)范，以防止工件開裂，其熱處理性能較差。低碳鋼、低合金鋼的導(dǎo)熱