01机械常用金属材料及热处理

第1章机械常用金属材料及热处理目录1．1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1.1.2金属材料的工艺性能1．2钢的热处理1.2.1．退火1.2.2．正火1.2.3．淬火1.2.4．回火1.2.5．钢的表面热处理1．3常用的金属材料1.3.1碳素钢1.3.2合金钢1.3.3铸铁引子——材料：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。材料的使用性能与成分、组织及加工工艺密切相关，尤其是金属材料，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构，以获得不同的性能，改善工艺性能和延长使用寿命。引子——金属材料主要性能：力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。金属材料：纯金属(应用较少：价贵、强度低)和合金（常用）。力学性能：金属材料在外力作用下所表现的抵抗能力——性能指标：弹性、塑性、强度、硬度、韧性，且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的主要依据。工艺性能：指金属材料具有的能够适应各种加工工艺要求的能力，是力学、物理和化学性能的综合表现，包括铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削加工性能。1.1.1金属材料的力学性能1.1.1.1强度1．屈服点2．抗拉强度1.1.1.2塑性1）断后伸长率2）断面收缩率1.1.1.3硬度1．布氏硬度2．洛氏硬度1.1.1.4冲击韧度1.1.1.5疲劳强度1.1.1.1强度强度：指机金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度大小可按国家标准的规定通过拉伸试验来测定。1．屈服点2．抗拉强度1．屈服点屈服：当负荷不再增加时，而试样的塑性变形量明显增加的现象。屈服点：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，大多数金属材料没有明显的屈服现象。因此，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为屈服强度。2．抗拉强度试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。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。1.1.1.2塑性金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：1）断后伸长率2）断面收缩率1）断后伸长率断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始长度的百分比。一般规定短试样：L=5d，长试样：L=10d2）断面收缩率断面收缩率：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。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，一般断后伸长率达5％、断面收缩率达10％可满足要求。1.1.1.3硬度硬度：1）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。硬度是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。硬度指标：1．布氏硬度2．洛氏硬度1．布氏硬度测量方法：将一定直径（10，5，2.5，2，1mm）的淬火球加以一定的载荷，压入被测金属材料的表面，根据所用载荷的大小和所得压痕面积来计算压痕球面上的平均压力。HBS（淬火钢球）HBW（硬质合金球）布氏硬度测量特点：数据较准确，但不宜于测太薄、太硬的材料2．洛氏硬度测量方法：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值。压痕越深，材料愈软，硬度值愈低。按压头种类和所加载荷不同，洛氏硬度指标符号有：HRA、HRB、HRC。工程上常使用HRC硬度指标。洛氏硬度测量特点：操作简便迅速，可直接从表盘上读出硬度值，没有单位。由于压痕小，可用于成品及薄件检验，但不如布氏硬度试验准确。1.1.1.4冲击韧度由于许多机械经常受到冲击载荷——必须具有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷的能力。冲击由于是瞬时的，其载荷比静载荷要大的多。冲击试验工程上常用一次摆锤冲击测定冲击韧度。冲击韧度不直接用于设计计算——材料往往不是一次冲击破坏的。1.1.1.5疲劳强度疲劳：在交变载荷下工作的零件虽然工作应力远低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但在长时间工作后会突然断裂。特点：疲劳断裂时不发生明显的塑性变形，断裂是突然的，具有很大的危险性，常造成严重的事故。1.1.1.5疲劳强度据统计，损坏的零件中，80％由于金属疲劳而造成的。疲劳强度：在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。循环次数：钢铁107，非鉄金属108，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部位——材料内部缺陷、加工造成的磨痕、刀痕、局部应力集中产生的裂纹。1．1金属材料的工艺性能1．铸造性能2．锻造性能3．焊接性能4．切削加工性能1．铸造性能铸造：将熔融金属浇铸、压射或吸入铸造型腔中，待其凝固后得到一定形状和性能的铸件的方法。铸造性能：浇铸时液态金属的流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向。流动性好：金属具有良好的充满型腔的能力，能铸出大而薄的铸件。收缩：液态金属凝固时体积收缩和凝固后的线收缩，收缩小可提高液态金属的利用率，减少变形和裂纹的可能性。偏析：铸件凝固后各化学成分的不均匀，若偏析严重，将使铸件的力学性能变差。灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。2．锻造性能锻造性能：材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能，是材料塑性好坏的表现。锻造性：低碳钢——良好；碳钢比合金钢好；铸铁无。3．焊接性能焊接性能：材料在通常焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝的性能。焊接性能好——焊缝中不易产生气孔、夹渣或裂纹。焊接性能比较：低碳钢好，高碳钢和铸铁较差。4．切削加工性能切削加工性能：对工件材料进行切削加工的难易程度。与材料本身化学成分、金相组织、刀具几何形状有关。硬度过高或过低、韧性过大——切削性能较差。灰铸铁具有良好的切削加工性能。1．2钢的热处理1.2.1．退火1.2.2．正火1.2.3．淬火1.2.4．回火1.2.5．钢的表面热处理引子——热处理：将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部结构，从而获得所需性能的操作工艺，工艺曲线如图1－4。引子——特点：不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能（强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性能）。作用：材料给人们提供的性能是有限的，经过热处理的零件，可以使材料的各种性能得到很大的改善和提高，充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材料。机床、汽车、拖拉机制造中，80％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。引子——热处理分类：引子——零件制造一般过程：选原料——锻造——预选热处理——机械加工——最终热处理。预选热处理：退火和正火——消除组织缺陷和内应力。含碳量——钢：0.0218-2.11%；铁：2.11%；45号钢бb＝600MPa。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铁素体F：室温下碳溶量0.0008%，727℃溶0.0218%——强度和硬度（HB=50－80）低，而塑性和韧性好的相；——δ＝30－50％，ψ＝70－80％，бb＝180－280MPa奥氏体A：最高溶碳2.11%（1148℃）——HB＝170－220；δ＝40－50％塑性很高。渗碳体Fe3C：含碳量6.69%。——熔点1227℃，硬度很高（HB=800）而脆，塑性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。金相组织加热冷却临界温度金相组织上贝氏体550℃：脆性较大、硬度较低。下贝氏体350℃：较高强度和硬度，良好的塑性和韧性。马氏体230℃：高硬度上贝氏体（400×）下贝氏体（400×）板条马氏体（400×）针状马氏体（400×）1.2.1．退火退火：将钢加热到高于或低于临界温度，保温一段时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入导热性能较差的介质中），从而获得接近平衡组织的一种热处理工艺。退火可以获得接近平衡状态的组织，与其它热处理工艺相比，退火钢的硬度最低，内应力可全部消除，可提高刚才冷变形后的塑性。又由于退火过程中发生重结晶，故可细化晶粒，改善组织，所以退火可以达到各个不同的目的。退火正火1.2.2．正火正火:将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30－50℃，保温后从炉中取出在空气中冷却的一种操作方法。正火的冷却速度较退火快，所得到的组织较细，强度和硬度较高。此外，正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单经济，所以低碳钢多采用正火来代替退火。1.2.3．淬火淬火：将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30－50℃，保温后在水中或油中快速冷却的一种操作工艺。淬火目的:为了获得马氏体组织，然后再配合适当的回火，获得多种多样的使用性能。如：刀具和量具——高的硬度和耐磨性；轴和齿轮——较好的韧性。——淬火＋回火。回火通常作为最终热处理。45钢的正常淬火组织（400×）35钢的760℃淬火组织（400×）T12钢的正常淬火组织（400×）1.2.3．淬火淬透性：钢获得淬硬层深度的能力，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。钢的淬透性好坏对力学性能的影响很大，当工件整个截面都淬透时，回火后表面和心部得到完全一致的力学性能；若不能全部淬透，表面和心部的组织不同，经回火后的性能就不一致。淬硬性：指淬火后获得的最高硬度，主要取决于马氏体中的含碳量。淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高，如：高碳工具钢与低碳合金钢，前者淬硬性较高，后者淬透性较高。碳钢的淬火温度范围钢的热处理与硬度（影线部分为合适的切削加工硬度范围）1.2.4．回火淬火后应及时回火，以保证达到所需要的性能——调质。淬火：硬而脆，存在内应力。回火：将淬火的钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却。1.2.4．回火目的：1）降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。2）调整和稳定淬火钢的结晶组织，以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。3）获得不同需要的力学性能，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求。淬火经回火后，硬度随回火温度的升高而降低，回火一般也是热处理的最后一道工序。根据工件的不同性能要求，将回火分类如下：1）低温回火（150－250℃）2）中温回火（350－500℃）3）高温回火（500－600℃）1.2.4．回火1）低温回火（150－250℃）——回火马氏体：降低淬火钢的应力和脆性，提高韧性，保持高硬度和耐磨性。——高碳钢刀具、冷作模具、量具、滚动轴承和渗碳、表面淬火件。2）中温回火（350－500℃）——回火托氏体：显著减少工件的淬火应力和脆性，具有较高的弹性极限和屈服点，并具有一定的韧性——弹簧、弹性夹头和锻模的热处理。3）高温回火（500－600℃）——回火索氏体：使工件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。淬火后高温回火——调质处理、调质——用于受力情况复杂的重要零件（轴、齿轮、连杆）250－350℃——容易发生回火脆性，故避开。1.2.5．调质：淬火+高温回火——改善材料的综合力学性能：（1）表面硬——耐磨；（2）芯部韧性好——抗冲击。1.2.5．钢的表面热处理表面层强化的提出——①要求材料具有耐磨的高硬度②要求材料具有抗冲击的高韧性：表层承受着比内部高的应力——对零件的表面层提出了强化（表面的高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限，内部保持足够的塑性和韧性）的要求。表面热处理：1．表面淬火：快速加热、喷水冷却。加热：感应、火焰、电接触、电解液。前两者应用最多。2．化学热处理：放入特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面。1）渗碳渗入碳原子（气体、固体、液体）2）氮化渗入氮原子1．3常用的金属材料金属材料包括：钢铁材料、非铁金属。钢铁材料包括：钢、铸铁。钢应用最广泛。非铁金属包括：钢以外的金属及其合金。1.3.1碳素钢1.3.