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1、1,机械工程材料 金属材料部分,2,材料的分类,3,几个概念,金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。 合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。,4,金属材料性能,材料的使用性能包括：物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能（机械性能）。 材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。,5,金属的机械性能,机械性能（力学性能）：机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。 强度：材料在外力（载
2、荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。 屈服点（s）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L时应力值，单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。 抗拉强度（b）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。 抗弯强度:金属材料弯曲断裂前的最大应力称为抗弯强度。 抗压强度：指外力是压力时的强度极限。压缩试验主要适用于低塑性材料，如铸铁等。 抗剪强度：指外力是剪切力时的强度极限。 抗扭强度：相应最大扭矩的切应力称为抗扭强度。 延伸率（）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分
3、比。 断面收缩率（）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。 硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度（HRA、HRB、HRC） 冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2（J/cm2）.,6,金属的力学性能,一、 强 度,四、 冲击韧性,三、 硬 度,二、 塑 性,7,（一）强度的概念,（二）强度的测定拉伸实验,（三）强度指标,一、 强 度,8,指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂 的能力。,1. 定义,2. 应用,强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设
4、计的主要依据。,（一）强度的概念,9,（二）强度的测定拉伸实验,1. 拉伸试样（GB6397-86）,2. 力伸长曲线（以低碳钢试样为例）,3. 脆性材料的拉伸曲线,10,1. 拉伸试样（GB6397-86）,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,11,2. 力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服阶段,颈缩现象,拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。,强化阶段,12,3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,13,（三）强度指标,1.屈服点,2.抗拉强度,在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号s表示。,材料在断裂前所能承受
5、的最大应力，用符号b表示。,脆性材料的屈服点：,试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号0.2表示。,14,1.屈服点,应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。,脆性材料的屈服点,L,F,0,F0.2,计算公式,15,2.抗拉强度,应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。,计算公式,16,（二）衡量指标,二、 塑 性,金属材料断裂前发生永久变形的能力。,断面收缩率：,伸长率：,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。,试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,（一） 定义,17,伸长率（ ）,l1试样拉断后的标
6、距,mm;,l0试样的原始标距,mm。,18,断面收缩率（ ）,S0试样原始横截面积,mm2；,S1颈缩处的横截面积,mm2 。,19,（一）布氏硬度,（二）洛氏硬度,三、 硬 度,1. 原理,2. 应用,3. 优缺点,1. 原理,2. 应用,3. 优缺点,20,1. 原理,（一）布氏硬度,21,测量比较软的材料。测量范围 HBS450、HBW650的金属材料。,3. 优缺点,2. 应用,压痕大，测量准确，但不能测量成品件。,22,1. 原理,（二）洛氏硬度,23,2. 应用范围,2067,1500N,120金刚石圆锥体,HRC,25100,1000N,1.588mm钢球,HRB,7085,6
7、00N,120金刚石圆锥体,HRA,常用洛氏硬度标度的试验范围,24,优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件 及高硬度 的材料。,3. 优缺点,缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。,25,四、冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,（三）冲击试验原 理及方法,（一）定义,（二）冲击试样,26,计算公式 Ak=GH1 - GH2 =G（H1 - H2）,试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。,试验过程如图所示。,冲击韧度（a k）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。,27,材料的工艺性能,工艺性能：指材料承受各种加工、处理
8、的能力的那些性能。 铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流动性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。 焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。 金属材料的可锻性：指金属材料在受锻压后，可改变自己的形状而又不产生破裂的性能。 冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度（外角）或弯心直径d 对材料厚度a 的比值表示，a 愈大或d/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。 冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检
9、验方法用杯突试验进行检验。,28,材料的化学性能,化学性能：指金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。 耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。,29,什么是黑色金属,黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。 习惯上把碳含量2.11%的归类于铁，碳含量2.11%的归类于钢。 当铁中含C 在0.03%1.2%范围时则为钢，含C1.2%2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业 生产。,30,钢是用生铁（炼钢生铁）或生铁加一部分废钢炼成的钢中含碳量低于2.11
10、%，并使其杂质（主要指S、P）含量降低到规定标准。 钢是含碳量在0.04%2.3%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。,31,钢的分类,钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种： 1.按品质分类 2.按化学成份分类 3.按成形方法分类 4.按用途分类 5.按金相组织分类 6.综合分类 7.按冶炼方法分类,32,按品质分类 按照钢中硫（S）和磷（P）的含量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。 (1)普通钢（P0.045%，S0.055%） (2)优质钢（P、S 均0.035%） (3)高级优质钢（P0.035%，S0.03
11、0%）,33,按化学成份分类 (1)碳素钢： a.低碳钢（C0.25%）； b.中碳钢（C0.250.60%）； c.高碳钢（C0.60%）。 (2)合金钢： a.低合金钢（合金元素总含量5%） b.中合金钢（合金元素总含量510%） c.高合金钢（合金元素总含量10%）。,34,按成形方法分类 (1)锻钢； (2)铸钢； (3)热轧钢； (4)冷拉钢。,35,按用途分类 (1)建筑及工程用钢 a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。 (2)结构钢 a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氮钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括
12、冷冲压用钢、冷镦用钢。 b.弹簧钢 c.轴承钢 (3)工具钢 a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 (4)特殊性能钢 a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。 (5)专业用钢 如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。,36,按金相组织分类 (1)正火状态 a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。 (2)退火状态： a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）;c.过共析钢（珠光体+渗碳体）;d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。,37,综合分类 (1)普通钢 a.碳素结构钢：
13、Q195；Q215(A、B)；Q235(A、B、C)；Q255(A、B)；Q275。 b.低合金结构钢 c.特定用途的普通结构钢 (2)优质钢（包括高级优质钢） 结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢； 特定用途优质结构钢。 b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。 c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。,38,按冶炼方法分类 (1)按炉种分 a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。 b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或(a)底吹转炉钢
14、；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。 c.电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。 (2)按脱氧程度和浇注制度分 a.沸腾钢； b.半镇静钢； c.镇静钢； d.特殊镇静钢。,39,有关钢的热处理的名词： 退火：将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺
15、陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。 正火：正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。 淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。 回火：将已经淬火的钢重新加热到一定温度
16、，再用一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。,40,调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500650之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。 时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150250）精加工前，把工件重新加热到100150，保持520 小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。,41,表面热处理 表面淬火：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢
