机械基础(金属材料与热处理)

第四章金属材料与热处理国家职业资格培训教材技能型人才培训用书机械基础（初级）国家职业资格培训教材编审委员会编李培根主编依据劳动和社会保障部制定的《国家职业标准》要求编写国家职业资格培训教材技能型人才培训用书金属材料与热处理第四章第四章金属材料与热处理第四章金属材料与热处理培训学习目标熟悉常用金属材料的牌号、性能和选用原则：了解钢铁热处理的方法、工艺特点和应用范围；初步具有合理选用材料和确定热处理方法的能力。一、金属材料的历史地位1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。石器时代→青铜器时代→铁器时代2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。二、金属材料的分类黑色金属有色金属金属材料铸铁钢工程构件用钢机器零件用钢工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)结构金属材料功能金属材料第四章金属材料与热处理三、钢的表面热处理四、钢的表面处理第四节合金钢一、合金钢的特点及分二、常用合金钢类第五节铸铁一、铸铁的分类及石墨化二、常用铸铁件第六节非铁金属材料一、铝及铝合金二、铜及铜合金三、滑动轴承合金四、硬质合金复习思考题目录第四章金属材料与热处理第一节金属材料的性能一、金属材料的力学性能二、金属的物理、化学及工艺性能第二节碳素钢一、杂质元素对钢的影响二、碳素钢的分类三、常用碳素钢第三节钢的热处理一、概述二、钢的普通热处理第四章金属材料与热处理金属材料的性能力学性能物理性能化学性能工艺性能第一节第一节金属材料的性能第四章金属材料与热处理力学性能力学性能指金属在外力的作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗的能力。外力按作用形式分静载荷、冲击载荷和交变载荷等。材料的力学性能也分为强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。第四章金属材料与热处理第一节金属材料的性能一、金属材料的力学性能1．强度和塑性2．硬度(1)布氏硬度(2)洛氏硬度3．冲击韧度4．疲劳强度图4-3拉伸试样图4-2低碳钢力——变形曲线图第四章金属材料与热处理强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。•强度指标•塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。•硬度定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。布氏硬度洛氏硬度第四章金属材料与热处理1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低第四章金属材料与热处理1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。第四章金属材料与热处理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。常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。冲击试样冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。小能量多次冲击试验第四章金属材料与热处理疲劳强度疲劳概念：在交变应力作用下，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。第四章金属材料与热处理第一节金属材料的性能二、金属的物理、化学及工艺性能1．物理性能2．化学性能3．工艺性能１）由于机器零件的用途不同，对于其物理性能的要求也有所不同。２）金属材料的一些物理性能对于工艺性能还有一定的影响。化学性能是指金属材料在化学作用下所表现的性能。工艺性能是指金属材料是否易于加工成形的性能。耐腐蚀性抗氧化性铸造性可锻性焊接性切削加工性第四章金属材料与热处理物理性能密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性第四章金属材料与热处理化学性能耐蚀性抗氧化性第四章金属材料与热处理金属的工艺性能工艺性能是指金属材料是否易于加工成形，包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。第四章金属材料与热处理金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。1、流动性：熔融金属的流动能力称为流动性。主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。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引缩性。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。铸造性能：第四章金属材料与热处理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。铸铁不能锻压。焊接性能：焊接接性能是指能否将金属用一定的焊接方法焊成优良接头的性能。没有裂缝、气孔等缺陷，并且具有一定的力学性能。切削加性能：切削加工（性能）金属材料的难易程度称为切削加工性能。第四章金属材料与热处理第四章金属材料与热处理第二节碳素钢铁碳合金的基本知识1.金属金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。2.合金具有两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。3.铁碳合金是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。钢铁材料适用范围广阔的原因，首先在于可用的成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁。C≤0.0218%工业纯铁0.0218%＜C≤2.11%钢(碳钢）2.11%＞C＜4%铸铁第四章金属材料与热处理第二节碳素钢一、杂质元素对钢的影响二、碳素钢的分类一、杂质元素对钢的影响二、碳素钢的分类1．锰和硅2．硫和磷1．按碳的质量分数分类2．按钢的质量分类3．按用途分类低碳钢——w(C)≤0.25%中碳钢——w(C)＝0.25%～0.60%高碳钢——w(C)＞0.60%普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢碳素结构钢碳素工具钢第四章金属材料与热处理杂质元素对钢的影响一、硅1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；2、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；3、是钢中的有益元素。二、锰1、来源：炼钢脱氧剂。2、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。3、是钢中的有益元素三、硫1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响：对钢造成热脆性；3、是钢中的有害元素。四、磷1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；3、是钢中的有害元素。第四章金属材料与热处理第二节铁碳素钢三、常用碳素钢1．碳素结构钢2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢钢号由两位数字构成，数字表示钢的平均碳的质量分数的万分之几。3．碳素工具钢碳素工具钢的钢号以“碳”字汉语拼音字首“T”与其后面的一组数字组成，数字表示钢中平均碳的质量分数为千分之几。4．铸钢铸钢的钢号用“ZG+两组数字”表示，ZG是“铸钢”二字汉语拼音首位字母，两组数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值，单位是MPa。脱氧方法（沸腾钢、镇静钢分别以“F”、“Z”表示；半镇静钢用“b”表示，“Z”可以省略质量等级（质量等级分A、B、C、D四级，A级质量最低）屈服点数值（表示σs＝235MPa）屈服点字母Q235AF第四章金属材料与热处理练习•说出下列钢号的含义•45•Q215AF•65Mn•T10A•ZG270-500第四章金属材料与热处理第四章金属材料与热处理第四章金属材料与热处理第三节钢的热处理（自学）纯金属的构造合金的构造第四章金属材料与热处理第三节钢的热处理一、概述1．钢在加热时的组织转变2．钢在冷却时的组织和性能(1)冷却的目的(2)钢热处理的冷却方式(3)钢在冷却时的转变1)珠光体型转变①珠光体转变②索氏体转变(又称细珠光体转变)③托氏体转变(又称极细珠光体)2)马氏体转变第四章金属材料与热处理铁碳合金一、铁碳合金的基本组织1．铁素体碳溶解在α－Fe中形成的固溶体叫铁素体，通常用F表示。2．奥氏体碳溶解在γ－Fe中形成的固溶体叫奥氏体，通常用A表示。3．渗碳体碳与铁相互作用形成的化合物Fe3C叫渗碳体。4．珠光体由铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫珠光体，通常用P表示。5．莱氏体由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫莱氏体，通常用Ld表示。第四章金属材料与热处理第二节铁碳合金二、铁碳相图简介特性点温度/℃w(C)(%)意义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点LcAE+Fe3CD12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度G9120Α-FeγFe同素异构转变P7270.02碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点AsFp+Fe3C1．相图中的特性点和特性线图4-3简化后的铁碳相图第四章金属材料与热处理第二节铁碳合金二、铁碳相图简介2．典型合金的结晶过程在铁碳相图上，可以按铁碳合金的碳的质量分数不同分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。3．铁碳合金的组织和性能从铁碳相图可知，铁碳合金的组织与碳的质量分数有很大的关系，随碳的质量分数的增加，室温下的组织变化如下：P+F→P→P+Fe3CΠ→P+Fe3CΠ+L′d→L′d→L′d+Fe3CΙ4．铁碳相图的应用铁碳相图较全面地总结了铁碳合金的组织和性能随成分变化的规律，从而为选择材料提供了理论依据。同时，铁碳相图又是制定铸、锻、热处理加工工艺的重要依据图4-4碳的质量分数对钢的力学性能的影响第四章金属材料与热处理第四节钢的热处理二、钢的普通热处理1．退火退火是将钢加热到工艺预定的某一温度，经保温后缓慢冷却下来的热处理方法。2．正火正火是将钢加热到工艺规定的某一温度，使钢的组织完全转变为奥氏体，经保温一段时间后，在空气中冷却到室温的工艺方法。在实际生产中，正火主要应用于下列几个方面：＊凡碳的质量分数低于045%的碳钢，都用正火替代退火；＊过共析钢常用正火来消除网状渗碳体，给球化退火作组织上的准备；＊对使用性能要求不高的工件，常用正火代替调质。1)完全退火2)球化退火3)去应力退火第四章金属材料与热处理第四节钢的热处理3．淬火淬火是将钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上，保温一段时间，然后快速冷却下来的一种热处理方法。(1)淬火加热温度的选择(2)淬火加热的保温(3)淬火介质(4)淬火方法及应用(5)淬透性与淬硬性4．回火回火就是将淬火钢重新加热到工艺预定的某一温度(低于临界温度)，经保温后再冷却到室温的热处理工艺(1)低温回火(2)中温回火(3)高温回火二、钢的普通热处理1)单介质淬火2)双介质淬火3)马氏体分级淬火4)贝氏体等温淬火第四章金属材料与热处理三、钢的表面热处理第四节钢的热处理1．表面淬火加热工件的方法主要有2．化学热处理(1)渗碳：渗碳是使介质分解出的活性碳原子渗入工件表层，提高表层组织中的碳的质量分数，经淬火及低温回火使工件表层具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持原来的组织和性能的热处理工艺方法。渗碳主要用于低碳钢和低碳合金钢，方法分为固体渗碳法和气体渗碳法等，目前生产中广泛应用的是气体渗碳法。(2)渗氮：渗氮是使化学介质分解出的活性氮原子，渗入工件表层形成氮化层的热处理工艺方法。渗氮方法是气体渗氮，气体渗氮用钢以中碳合金钢为主，使用最广泛的钢为38CrMoAlA。感应加热火焰加热第四章金属材料与热处理第四节钢的热处理三、钢的表面热处理1．氧化氧化的基本原理是将工件置于浓碱和氧化剂亚硝酸钠或硝酸钠的溶液中加热。如需改善表面质