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1、,第四章 金属材料及其热处理,第一节 金属材料的力学性能,【学习目标】 1了解金属材料力学性能的主要指标和符号。 2了解屈服点（屈服强度）、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率的计算方法。 3了解布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度试验的应用。,一、力学性能的有关概念,1.载荷 金属材料在加工和使用过程中所受的作用力称为载荷（或称负载、负荷）。 静载荷、冲击载荷和交变载荷 2内力、应力 材料内部的一部分对另一部分的作用力称为内力 单位面积上的内力称为应力（N/mm2或MPa） 3.杆件的基本变形 拉伸与压缩 剪切 扭转 弯曲,二、力学性能指标,拉伸试验: 长试样:L0=10d0 短试样:L0=5d0； L
2、0试样长度，d0试样直径 拉伸曲线(力伸长曲线) 弹性变形阶段; 屈服阶段; 强化阶段 缩颈阶段,力伸长曲线,1.强度,强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形或破坏的能力 （）屈服强度 屈服强度是指在拉伸试验过程中载荷不增加（保持恒定）的情况下，拉伸试样仍然能继续伸长（变形）时的应力 ReL=,（2）抗拉强度,抗拉强度又称抗拉极限、断裂极限，指材料断裂前所能承受的最大抵抗应力,用符号Rm表示 Rm= 2塑性 塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力,（1）断后伸长率,拉伸试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A或A11.3表示 A或A11.3= （2）断面收缩率
3、断面收缩率是指拉伸试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用Z表示 Z=,3硬度,硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标 （1）布氏硬度 原理是用一定直径的硬质合金球，以匹配的试验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径计算其硬度值的方法 布氏硬度符号HBW 例:150HBW10/1000/30,（2）洛氏硬度,洛氏硬度试验是用锥角为120的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（钢球或硬质合金球）作为压头，加上定载荷（载荷先后两次施加），使压头压入试样表面，根
4、据压痕深度确定其硬度值 A、B、C三种标尺,（3）维氏硬度,将相对面夹角为136的正四棱锥体金刚石作为压头，在规定的试验力F作用下，压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测出压痕的对角线长度后，查表得出维氏硬度值 例:640HV30表示用30kgf试验力，保持1015s时测得的维氏硬度值是640。,4韧性,韧性又称冲击韧性，是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的的能力，用冲断试样单位面积所消耗的功来表示 k=Ak/A=G(H-h)/A,5疲劳强度,金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限 一般试验时规定，钢在经受107次、有色金属经受108次交变载荷作用时不产生
5、断裂的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力，所得的疲劳强度用-1表示。 疲劳断裂与静载荷断裂不同，不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，会造成很严重事故,第二节 非合金钢（碳素钢）,【学习目标】 1了解非合金钢的分类。 2掌握非合金钢牌号的含义及应用。 一、非合金钢的分类 1按碳的质量分数分 （1）低碳钢 指碳的质量分数wc0.25%的铁碳合金。 （2）中碳钢 指碳的质量分数wc=0.25%0.6%的铁碳合金。 （3）高碳钢 指碳的质量分数wc0.6%的铁碳合金。,2按主要质量等级分,根据钢中的硫、磷含量来划分。 （1）普通质量非合金钢。 （2）优质非合金钢 （3
6、）特殊质量非合金钢 3按用途分 （1）碳素结构钢 用于制造各种机械零件和工程结构件，其碳的质量分数一般小于0.7%。 （2）碳素工具钢 用于制造各类工具，如刃具、模具、量具等，其碳的质量分数一般大于0.7%。,二、非合金钢的牌号及用途,1碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由代表屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分组成。质量等级分A、B、C、D四级，质量依次提高；脱氧方法用F、b、Z、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，镇静钢和特殊镇静钢符号通常可以省略。 例如，Q235AF表示屈服强度235MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。 主要用于制造螺
7、栓、螺母、拉杆、销等零件。,2优质碳素结构钢,优质碳素结构钢的牌号用两位阿拉伯数字表示，数字表示平均碳的质量分数的万分数。如40钢，表示平均wc=0.4%的优质碳素结构钢 3碳素工具钢 碳素工具钢的牌号以 “T” （“碳”字汉语拼音字首）加数字组成，数字表示平均碳的质量分数的千分数。如T8表示平均wc=0.8%的碳素工具钢,第三节 钢的热处理,【学习目标】 1掌握非合金钢常用热处理的工艺方法。 2掌握非合金钢常用热处理的目的。 一、钢的退火和正火 1退火 退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。 退火的目的有：（1）降低硬度，以利于切削加工。（2）提高塑性和韧
8、性，以利于冷变形加工。（3）消除组织缺陷,（4）消除钢中的残余内应力，防止变形与开裂,2正火,正火是将钢加热到适当温度，保持一定时间后出炉空冷的热处理工艺。 正火的目的:细化晶粒，均匀组织，提高机械性能。对于中、低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性；对于高碳钢，过高的硬度不利于切削加工，可消除钢中网状渗碳体，为球化退火作准备；对于性能要求不高的零件，可代替调质处理作为最终热处理。,二、钢的淬火,淬火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后快速冷却的热处理工艺。常见的淬火介质有水（盐水）、油等。 淬火的目的:提高钢的硬度、强度和耐磨性，是强化钢材的重要热处理工艺。 （1）淬硬性。淬硬性是指钢经淬火
9、后达到的最高硬度，主要取决于钢中的含碳量 （2）淬透性。淬透性是指钢经淬火后获得淬硬层深度的能力，淬透性愈好，淬硬层愈厚。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式,三、钢的回火,1低温回火（150250） 低温回火的目的是降低淬火钢内应力，提高韧性，并保持高的硬度和耐磨性。主要用于高碳工具钢和合金刃具钢、量具、滚动轴承、冷作模具和要求硬而耐磨的零件。 2中温回火（250500） 中温回火的目的是使淬火钢件具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性。主要用于制造弹性零件（如弹簧、发条）和热锻模具等。 3高温回火（500650） 高温回火的目的是使零件获得良好综合力学性能，即零件不仅具有较高的强度，
10、而且具有较好的塑性和韧性。生产中把淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理，简称为调质。调质处理广泛用于丝杆、连杆、齿轮、曲轴等重要的受力结构零件。,四、钢的表面热处理,1表面淬火 表面淬火是仅对工件表面层进行淬火，而心部仍保持未淬火状态。常用表面淬火有火焰表面淬火、感应加热表面淬火。 火焰表面淬火是用乙炔-氧的混合气体燃烧的火焰，快速加热，使工件表面层迅速地达到淬火温度，而后立即喷水或用乳化液进行冷却的一种方法，,感应加热表面淬火是把工件放在感应器（变磁场）中，依靠工件表面产生感应电流，使工件表面瞬时升到淬火温度，立即喷水冷却，使之获得淬硬表层的热处理工艺,2化学热处理,（1）渗碳 渗碳
11、是把低碳钢工件放在活性碳介质中，加热到一定温度（一般为930左右），保温足够长的时间，使表面层的碳浓度升高的热处理工艺 （2）氮化 氮化是向钢的表面渗入氮原子以提高表面层氮浓度的热处理工艺 氮化以后不需淬火即可获得很高的硬度（可达10001200HV），且耐磨性高,第四节 低合金钢和合金钢,【学习目标】 1了解低合金钢牌号的含义及应用。 2了解合金钢牌号的含义及应用。 一、低合金钢 低合金钢是合金含量在5%以下的钢。具有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性及良好的焊接性能。低合金钢大多数在热轧或正火状态下使用。,1低合金钢的分类,（1）按主要质量等级分类 低合金钢按主要质量等级可分为普通质量低合金
12、钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢。 （2）按主要性能及使用特性分类 低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐热钢、低合金专业用钢 2低合金高强度结构钢的牌号及用途 低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音首位字母、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）、脱氧方法符号（F、b、Z和TZ，其中Z和TZ可省略）,二、合金钢,1合金钢的分类 （1）按其主要质量等级分 合金钢按主要质量等级可分为优质合金钢和特殊质量合金钢。 （2）按主要性能及使用特性分 合金钢按主要性能及使用特性可分为： 合金结构钢 用于制造重要机械零件和工程结构； 合金工具钢 用
13、于制造重要的刃具、量具和模具； 特殊性能钢 具有特殊的物理、化学性能的钢。,2合金钢的牌号及用途,合金结构钢的牌号采用“二位数字加元素符号加数字”表示。前面的二位数字表示钢的平均碳质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而元素符号后面数字表示该元素平均含量的质量分数 (1)机械制造用钢 1）合金渗碳钢 用于制造渗碳零件的合金钢 2）合金调质钢 指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的合金结构钢 3）合金弹簧钢 用于制造各种弹簧的专用结构钢 （2）滚动轴承钢滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚动体和内外套圈的专用钢,（3）合金工具钢,1）合金刃具钢 合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。 低
14、合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素形成的一类钢 高速钢是一种含钨、铬、钒等多种元素的高合金刃具钢。经过适当热处理后，具有高的硬度、红硬性和耐磨性 2）合金模具钢 3）合金量具钢,（4）特殊性能钢,1）不锈钢 不锈钢是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢。 铬不锈钢常用的不锈钢牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，钢中的铬含量约为13%，碳含量为0.1%0.4%。 铬镍不锈钢主要用于制造在强腐蚀介质中工作的设备，常用牌号有0Cr18Ni9、00Cr18Ni9。 2）耐热钢 耐热钢是指在高温下不发生氧化并具有较高强度的钢。 常用牌号有15CrMo、4Cr9Si2、1C
15、r13SiAl等。 3）耐磨钢 是指在强烈冲击载荷下发生冲击硬化，从而获得高的耐磨性的高锰钢。常用的牌号为Mn13。,第五节 铸铁和铸钢,【学习目标】 1了解灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的牌号含义及应用。 2了解铸钢的牌号含义及应用。 一、铸铁 铸铁是碳含量大于2.0%的铁碳合金 铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、减振性和切削加工性及一定的力学性能,1白口铸铁,白口铸铁中的碳以渗碳体形式（Fe3C）存在，断口呈亮白色，白口铸铁硬而脆，切削加工困难，很少具有实用价值，常作为炼钢用原料等。 2灰铸铁 灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形态存在，断口呈暗灰色，具有良好的铸造性、减振性、耐磨性及切削加工性，是目前
16、生产中应用最多的一种铸铁，广泛用于制造各种机架、底座、箱体、缸套等。 灰铸铁的牌号以“HT” （“灰铁”的汉语拼音字首）加数字表示，数字表示其最低抗拉强度。,3可锻铸铁,可锻铸铁中的碳是以团絮状石墨形式存在 可锻铸铁牌号由“KT”（“可铁”两字汉语拼音字首）和代表类别的字母（H、B、Z）及后面两组数字组成。其中，“H”代表黑心，“B”代表“白心”，“Z”代表珠光体基体；两组数字分别代表最低抗拉强度和最低伸长率。如KTH330-08。 4球墨铸铁 球墨铸铁是指石墨以球状形式存在的铸铁 球墨铸铁的牌号由“QT” （“球铁”两字汉语拼音字首）及两组数字组成。两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。如QT400-15。,1碳素铸钢,碳素铸钢又叫铸造碳钢，简称铸钢 铸钢的牌号用“ZG”（“铸钢”两字汉语拼音字首）加两组数字组成。两组数字分别表示屈服强度和抗拉强度的最小值。如ZG200400表示屈服强度不低于200MPa，抗拉强度不低于400M
