第二章 金屬材料與熱處理基礎(汽車機械基礎教案)

學習目的：經(jīng)過本章的學習具備所必需的汽車所運用的金屬資料根本知識。學習要求：掌握金屬的力學性能目的及常用數(shù)據(jù)。掌握鋼的熱處置的根本知識及常用的熱處置方法、工藝特點和運用范圍。掌握常用的機械工程資料類型、牌號、力學性能及用途。初步具有選擇工程資料的才干。第二章金屬資料與熱處置根底第一節(jié)金屬的力學性能資料的力學性能是指資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、強度強度是指金屬資料在載荷作用下抵抗變形和破壞的才干。強度目的普通可以經(jīng)過金屬拉伸實驗來測定。把規(guī)范試樣裝夾在實驗機上，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，實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．強度目的資料遭到外力作用會發(fā)生變形，同時在資料內部產(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?！?〕屈服點σs資料產(chǎn)生屈服時的最小應力。單位為MPa。σs=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。對于無明顯屈服景象的金屬資料〔如高碳鋼、鑄鐵〕，丈量屈服點很困難，工程上經(jīng)常采用剩余伸長為0.2％原長時的應力σ0.2作為屈服強度目的，稱為規(guī)定剩余伸長應力。σ0.2=F0.2/AO〔2-2〕〔2〕抗拉強度σb資料在拉斷前所接受的最大應力，單位為MPa?？估瓘姸缺硎举Y料抵抗均勻塑性變形的最大才干，也是設計機械零件和選材的主要根據(jù)。σb=Fb/AO〔2-3〕式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所接受的最大載荷〔N〕。二、塑性金屬資料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的才干稱為塑性。經(jīng)過拉伸實驗測得的常用塑性目的有：斷后伸長率和斷面收縮率。1．斷后伸長率δ試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距之比δ=(L1—L0)/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ψ試樣拉斷處ψ=×100％橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比ψ==(A0—A1)/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、硬度硬度是指資料外表抵抗部分塑性變形、壓痕或劃痕的才干。常用來測定硬度的方法有布氏硬度實驗法和洛氏硬度實驗法。1．布氏硬度實驗法如圖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，壓入被測金屬外表，堅持一定時間后卸除載荷，測定壓痕直徑，求出壓痕球形的外表積，壓痕單位外表積上所接受的平均壓力〔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．洛氏硬度實驗法采用頂角為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。實驗時先施加初載荷，使壓頭與試樣外表接觸良好，保證丈量準確，再施加主載荷，堅持到規(guī)定的時間后再卸除主載荷，根據(jù)壓痕的深度來確定資料的硬度值。四、沖擊韌度對于接受沖擊載荷的資料，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，還必需具備足夠的沖擊韌度。金屬資料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的才干稱為沖擊韌度。沖擊韌度的測定方法，如圖2-4所示。是將被測資料制成規(guī)范缺口試樣，在沖擊實驗機上由置于一定高度的重錘自在落下而一次沖斷。沖斷試樣所耗費的能量稱為沖擊功，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耗費的沖擊功，這個值越大，那么韌性越好，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，要遭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資料的強度極限，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。這種破壞都是忽然發(fā)生的，具有很大的危險性。疲勞強度σ-1是表示資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，可以經(jīng)過改善零件的構造外形，防止應力集中，減小外表粗糙度值，進展外表熱處置和強化處置等方法。一、鋼的熱處置原理1．概述熱處置是將固態(tài)金屬或合金采用適當?shù)姆绞竭M展加熱、保溫暖冷卻以獲得所需求的組織構造與性能的工藝。根據(jù)熱處置的目的和工藝方法的不同，熱處置可分為：第二節(jié)鋼的熱處置常識熱處置方法雖然很多，但任何一種熱處置工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個階段所組成的。熱處置工藝過程可用在溫度一時間坐標系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處置工藝曲線，見圖2-5。2．鋼在加熱時的轉變在熱處置工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫形狀時的組織，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，必需嚴厲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置的關鍵工序，成分一樣的鋼經(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，堅持一定時間，然后緩慢冷卻〔普通隨爐冷卻〕的熱處置工藝。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置工藝。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置工藝。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置工藝。四、外表熱處置常用的外表熱處置方法有外表淬火及化學熱處置兩種。1．外表淬火〔1〕火焰加熱外表淬火〔如圖2-8所示〕〔2〕感應加熱外表淬火〔如圖2-9所示〕2．化學熱處置化學熱處置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，以改動其表層化學成分、組織和性能的熱處置工藝?；瘜W熱處置種類很多，最常用的是滲碳和滲氮?！?〕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置工藝，如圖2-10所示?！?〕鋼的滲氮是指在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件外表的化學熱處置工藝。第三節(jié)常用金屬資料金屬資料可分為鋼鐵資料和非鐵資料〔有色金屬資料〕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資料或有色金屬資料。一、鋼鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為構造鋼、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方式存在，根據(jù)碳的存在方式不同，鑄鐵可以分為以下幾種：〔1〕白口鑄鐵〔2〕灰鑄鐵碳〔3〕麻口鑄鐵根據(jù)鑄鐵中石墨形狀不同，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)上不可短少的金屬資料，有色金屬運用較廣的是鋁、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．滑動軸承合金復習試題一、選擇題1、拉伸實驗時，試樣拉斷前所可以接受的最大應力稱為資料的〔〕。A、彈性極限B、抗拉強度C、屈服點2、用拉伸實驗可測定資料的〔〕性能目的。A、強度B、韌性C、硬度3、將鋼件奧氏體化后，先浸入一種冷卻才干強的介質中，然后迅速浸入另一種冷卻才干弱的介質中，使之發(fā)生馬氏體轉變的淬火方法稱〔〕。A、分級淬火B(yǎng)、等溫淬火C、水冷淬火D、雙介質淬火4、假設鋼件有嚴重的碳化物網(wǎng)，應先進展〔〕消除碳化物，然后再球化退火。A、去應力退火B(yǎng)、正火C、完全退火D、淬火5、制造小彈簧宜選用〔〕，制造冷壓件宜選用〔〕鋼。A、08FB、45C、65MnD、T12A6、滾動軸承鋼GCrl5中的平均含鉻量為〔〕。A、0.15B、1.5C、15D、0.0157、合金滲碳鋼滲碳后必需進展〔〕熱處置才干運用。A、淬火加高溫回火B(yǎng)、淬火加中溫回火 C、淬火加低溫回火D、高溫回火8、鑄鐵中的碳以石墨形狀析出的過程稱為〔〕。A、石墨化B、蛻變處置C、球化處置D、結晶9、選擇以下資料的零件：汽車后橋外殼〔〕，柴油機曲軸〔〕。A、HT200B、KTH350-10C、QT500-05D、RUT42010、不是工業(yè)純鋁的特點的是〔〕。A、密度小B、導電性好C、強度高D、抗腐蝕才干高二、判別題1、資料的屈服點越低，那么允許的任務應力越高?！病?、洛氏硬度值是沒有單位的?！病?、布氏硬度丈量法不適宜于丈量廢品及較薄的零件?！病?、鑄鐵的鑄造性能比鋼好得多，所以常用來鑄造復雜的工件?！病?、對鋼進展熱處置的目的都是為了獲得細小、均勻的奧氏體組織?！病?、退火與正火的目的大致一樣，它們主要的區(qū)別是保溫時間長短。〔〕7、回火的目的主要是消除應力，降低硬度，便于進展切削加工?！病?、感應加熱外表淬火時所運用的電流頻率越高，那么工件外表的淬硬層嘗試越大?！病?、滲碳的零件可以是低碳鋼也可以是高碳鋼?！病?0、碳素工具鋼的碳的質量分數(shù)普通都大于0.7％?！病?1、灰口鑄鐵包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵?！病?2、從灰鑄鐵的牌號上可以看出它的抗拉強度和沖擊韌度值?！病?3、耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵都屬于合金鑄鐵?！病?4、經(jīng)過熱處置可以改動灰鑄鐵的基體組織，故可以顯著地提高力學性能?！病?5、QT400-18是指σb=400MPa，σ=1.8％的球墨鑄鐵?！病?6、A1-Si系鑄造合金，又叫硅鋁明。鑄造性能良好，強度韌性較高?！病?7、在去應力退火過程中，鋼的組織不發(fā)生變化?！病?8、合金鋼只需經(jīng)過熱處置，才干顯著提高其力學性能?！病?9、可鍛鑄鐵比灰鑄鐵的塑性好，因此可以進展鍛壓加工?！病?0、工業(yè)純鋁具有較高的強度，常用作工程構造資料?！病橙?、填空題1、金屬資料的運用性能包括————、————和————等；工藝性能包括————、————、————、————和————等。2、資料的力學性能包括————、————、————、————和————等。3、強度是指金屬資料在————作用下，抵抗————和————的才干。4、斷裂前金屬資料————資料的才干稱為塑性。金屬資料的————和————的數(shù)值越大，表示資料的塑性越好。5、金屬資料抵抗————作用而不破壞的才干，稱為沖擊韌度。6、熱處置是將固態(tài)金屬或合金采用適當?shù)姆绞竭M展————、————和————以獲得所需求的組織構造與性能的工藝。7、消費中常用的冷卻介質有————、————和————等。8、消費中在鋼淬火后進展————的熱處置工藝稱為調質，調質后的組織為————。9、Q235—A·F表示————為235MPa，質量為————級的鋼

10、ZG270-500表示σb=————，σs=————的工程用鑄鋼。11、T10A表示碳的質量分數(shù)為————的鋼。12、常用來制造高速切削的車刀、刨刀的高速工具鋼有————和————。13、鑄鐵的性能決議于————和————。當基體一定時，鑄鐵的性能決議于————的外形、數(shù)量、大小和分布。14、合金彈簧鋼中硅、錳的主要作用是————。15、不銹鋼是指在————介質或大氣中具有抗腐蝕性能的鋼，其成分特點是含————量較高，含————量較低。16、外表要求具有高的————，而心部需求足夠的————的零件應進展外表熱處置。17、滾動軸承鋼的熱處置首先采用————，以降低鍛造后鋼的硬度，便于切削加工，然后采用————，以提高軸承的硬度和耐磨性。18、白口鑄鐵中的碳主要以————方式存在，而灰口鑄鐵中的碳主要以————方式存在。σbσsδψHRCakσ-119、普通黃銅是由————、————組成的二元合金。在普通黃銅中參與其他合金元素時稱————黃銅。20、變形鋁根據(jù)其主要性能特點不同可分為：————鋁、————鋁、————鋁和————鋁等幾種。四、連線題1、連出以下力