质检技师金属材料与热处理

金属材料与热处理第一章金属材料的性能金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛地应用于制造生产和生活用品。金属材料之所以获得广泛的应用，是由于它具有良好的性能。金属材料的性能包含使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）、力学性能。工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能。§1-1金属材料的力学性能力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。金属材料在加工过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它分为静载荷、冲击载荷及交变载荷。（1）静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。（2）冲击载荷在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。（3）交变载荷是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。＝F/A式中：—应力，Pa。1Pa＝1N/m2。当面积用mm2时，则应力用MPa为单位。1MPa＝1N/mm2＝106Pa。F—外力，N。A—横截面积，m2。一、强度金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小通常用应力来表示。根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等五种。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。1、拉伸试样2、力—伸长曲线3、强度指标（1）屈服点在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长的应力称为屈服点。用符号S表示，计算公式如下：S=FS/A0式中：S—屈服点，MPaFS—试样屈服时的载荷，NA0—试样原始横截面积，mm2（2）抗拉强度材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号b表示。计算公式如下：b=Fb/A0式中：b—抗拉强度，MPaFb—试样拉断前承受的最大载荷，NA0—试样原始横截面积，mm2零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会断裂。b也是机械零件设计和选材的重要依据。二、塑性断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标常用伸长率和断面收缩率来表示。1、伸长率试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率，用符号表示。其计算公式如下：=（L1－L0）/L0×100%式中：—伸长率，%L1—试样拉断后的标距，mmL0—试样的原始标距，mm2、断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用符号表示。其计算公式如下：=（A0A1）/A0×100%式中：—断面收缩率，%A0—试样原始横截面积，mm2A1—试样拉断后缩颈处的横截面积，mm2金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。下面举例说明强度、塑性的计算方法。例：有一直径d0=10mm，L0=100mm的低碳钢试样，拉伸时测得Fs=21KN，Fb=29KN，d1=5.65mm，L1=138mm。求：此试样的S，b，，。解（1）计算A0，A1:A0=∏d20/4=3.14×102/4=78.5mm2A1=∏d12/4=3.14×5.652/4=25mm2(2)计算S，bS=Fs/Ao=21000/78.5=267.5MPab=Fb/Ao=29000/78.5=369.4MPa（3），=（L1－L0）/L0×100%=（138－100）/100×100%=38%=（A0A1）/A0×100%=（78.5－25）/78.5×100%=68%三、硬度材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。最常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1、布氏硬度（1）测试原理（2）布氏硬度的表示方法符号HBS或HBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序数字表示试验条件。1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间（10~15秒不标注）。例如170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30秒时测得的布氏硬度值为170。530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10~15秒时测得的布氏硬度值为530。（3）应用范围及优缺点布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。2、洛氏硬度（1）洛氏硬度测试原理洛氏硬度按下列公式计算：HR=(K－e)／0.002式中：HR—洛氏硬度值K—常数。用金刚石圆锥体积压头进行实验时K为0.2mm；用钢球积压头进行实验时K为0.26mm。e—压痕深度，mm（2）常用洛氏硬度标尺及适用范围常用洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。常用洛氏硬度标尺的试验条件及适用范围硬度标尺压头类型总试验力（N）硬度值有效范围应用举例HRC1200金刚石圆锥体1471.020—67HRC一般淬火钢件HRB1.588mm钢球980.725—100HRB软钢、退火钢铜合金等HRA1200金刚石圆锥体588.460—85HRA硬质合金、表面淬火钢等3、维氏硬度维氏硬度原理基本上和布氏硬度试验相同，用符号HV表示。计算公式如下：HV=0.1891F/d2式中：HV—维氏硬度F—试验力d—压痕两对角线长度算术平均值四、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。五、疲劳强度1、疲劳的概念在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。2、疲劳破坏的特征1）疲劳断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏。2）引起疲劳断裂的应力很低，常低于材料的屈服点。3）疲劳破坏的宏观断口由疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）。§1-2金属材料的物理和化学性能一、金属材料的物理性能金属材料的物理性能是指在重力、电磁力、热力（温度）等物理因素作用下，材料所表现的性能或固有属性。主要包括密度、熔点、导电性、热膨胀性、磁性等。1、密度：同一温度下单位体积物质的质量称为密度。单位(kg/m3)。2、熔点：材料在缓慢加热时由固态转变为液态并有一定潜热吸收或放出时的转变温度称为熔点。3、导电性：材料传导电流的能力称为导电性。4、导热性：材料传导热量的能力称为导热性。5、热膨胀性：材料因温度改变而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数来表示。6、磁性：材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性。二、金属材料的化学性能1、耐蚀性：金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性。包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。2、热稳定性：金属材料在高温下抵抗氧化的能力称为热稳定性。§1-3金属材料的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。一、铸造性能金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。1、流动性熔融金属的流动能力称为流动性，它主受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2、收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。3、偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异。这对大型铸件的危害更大。二、锻造性能用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好、变形抗力越小，金属的锻造性能越好。三、焊接性能指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸件的焊接性较差。四、切削加工性能切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。其影响因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强度等。一般认为金属材料具有适当硬度(170—230HBS)和足够的脆性时较易切削。所以铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能的重要途径。第二章金属的晶体结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同条件下其性能也是不同的。金属性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料，具有非常重要的意义。§2-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。例如：普通玻璃、松香、树脂等。相反，凡原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。金属在固态下一般均属于晶体。晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定的熔点，而且表现为各向同性。二、晶体结构的概念1、晶格和晶胞表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。2、晶面和晶向在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可以代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能，这也就是晶体具有各向异性的原因。三、金属晶格的类型金属晶格的类型很多，但绝大多数（占85%）金属属于下面三种晶格。1、体心立方晶格它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。属于这种晶体格类型的金属有Cr、V、W、Mo、及-Fe等金属。2、面心立方晶格它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。属于这种晶体格类型的金属有Al、Cu、Pb、Ni、及-Fe等金属。3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在棱柱体的每个顶角上和上、下底面的中心。属于这种晶体格类型的金属有Mg、、Be、Cd、及Zn等金属。§2-2纯金属的结晶金属材料通常需要经过熔炼和铸造，要经历由液态变成固态的凝固过程。金属由原子不规则排列转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。了解金属的结晶过程及规律，对于控制材料内部组织和性能是十分重要的。一、纯金属的冷却曲线及过冷度二、纯金属的结晶过程就是晶核的形成与长大的过程。（树枝晶长大）三、晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能有很重要的影响。一般在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。金属晶粒的大小取决于结晶时的形核率（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度。形核率越高、长大速度越小，则结晶后的晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度。常用的细化晶粒方法有以下几种：1、增加过冷度适用与于中、小型铸件。2、变质处理在浇注前向液态金属中加入一些细小的形核剂（又称变质剂或孕育剂），使它分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著增加，或者降低晶核的长大速度，这种细化晶粒的方法称为变质处理。钢中加入钛、硼、铝等，钛铁中加入硅铁、硅钙等均能起到细化晶粒的作用。3、振动处理在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，达到