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1、,1,第1章 工程材料及 金属热处理,【实训目的与要求】 1) 熟悉常用金属材料的种类、牌号、性能及应用。 2）了解常用非金属材料的种类、性能及应用。 3）了解金属材料热处理主要方法和热处理设备。 4）掌握金属材料热处理主要工艺过程和应用。 5）掌握本工种安全要领。,2,3,1.1 概述 4,1.2 金属材料 5,1.3 常用金属材料 19,1.4 常用非金属材料及复合材料 28,1.5 热处理与表面处理 34,章节目录,4,1.1 概述,工程材料,钢,铸铁,有色金属及合金,金属材料,有机高分子材料,工程塑料,合成纤维,合成橡胶,无机非金属材料（陶瓷）,复合材料,胶粘剂,普通陶瓷,特种陶瓷,非
2、金属基复合材料,金属基复合材料,碳钢,合金钢,1.强度 拉伸试验是评价材料强度和塑性最简单有效的方法，我国国标(GT/T 228.1-2010规定了金属材料室温拉伸试验方法，在拉伸试验中和拉伸试验后可测量力的变化与相应的伸长，从而测出材料的强度与塑性。拉伸前后试样如图1-2所示。,5,1.2 金属材料,1.2.1 金属材料的力学性能,图1-2 圆形横截面机加工试样,材料在拉断前所承受的最大力为Fm，材料在拉断前所承受的最大拉应力称为抗拉强度，用Rm表示。其计算公式为： 式中 Rm抗拉强度，单位用MPa表示； Fm 试样断裂前所承受的最大力，单位用 N 表示； S0试样原始横截面积，单位用 表示
3、。 Rm越大，说明材料抵抗破坏的能力越强，所以说Rm是一个重要的强度指标。,6,1.2.1 金属材料的力学性能,2.塑性 金属材料在外力的作用下产生永久变形（塑性变形）而不断裂的能力称为塑性。金属材料在受拉伸时，长度和横截面都会发生变化，因此，金属的塑性可以用断后伸长率A和截面收缩率Z来评定。其计算公式为： 式中 L0试样原始标距（）； Lu试样断后标距（）； S0试样平行长度的原始横截面积（）； Su试样断后的最小横截面积（）。,7,1.2.1 金属材料的力学性能,3.硬度 金属材料抵抗其它更硬的物体压人其表面的能力称为硬度。硬度反映金属材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。由于大多数
4、常用钢材的强度和硬度之间有一个近似比例关系，根据硬度可以近似估计材料的抗拉强度。目前用于测量材料硬度的方法主要包括布氏硬度，洛氏硬度和维氏硬度三种。,8,1.2.1 金属材料的力学性能,（1）布氏硬度 试验原理如图1-3所示，测量布氏硬度用的硬质合金压头球直径为1mm、2.5mm、5mm和10mm四种。根据被测材料的种类、硬度范围和试样厚度的不同，选择不同直径的硬质合金球、试验力、保持时间等参数。所测得的硬度值按下式计算：,9,1.2.1 金属材料的力学性能,式中 F试验力（N） D球直径（） d压痕平均直径（）,图1-3 布氏硬度试验原理示意图,布氏硬度用HBW表示，符号前面为硬度值，符号后
5、面依次是压头球直径（mm）；试验力（N）；与规定时间不同的试验力保持时间（s）。 例如：350HBW5/750 表示直径为5mm的硬质合金压头在7.355KN试验力下保持1015s测定的布氏硬度值为350。 布氏硬度特点：测量误差小，数据稳定。缺点是压痕直径大，太薄或成品零件不适合用。金属表面的损伤较大，不宜测定太小或太薄的试样。 布氏硬度试验主要用来测定原材料，如铸铁、非铁金属、经退火或正火处理的钢材及其半成品的硬度。HBW适合打硬度值在650以下的材料。,10,1.2.1 金属材料的力学性能,（2）洛氏硬度 试验原理如图1-4所示。将压头（金刚石圆锥、硬质合金球）按图1-4分两个步骤压入试
6、样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度h。根据h值及常数N和S（有表可查），用公式计算洛氏硬度。计算公式如下：,11,1.2.1 金属材料的力学性能,图1-4 洛氏硬度实验原理示意图,12,1.2.1 金属材料的力学性能,实际操作中，洛氏硬度值可以直接在硬度试验机的表盘上读出。由于压头和施加试验力的不同，洛氏硬度有多种标尺，常用的有HRA、HRC、HRB。洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围见表1-1。,表1-1 洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围,（3）维氏硬度 维氏硬度试验原理与布氏硬度试验相似，也是以压痕单位表面积所承受试验力大小来计算硬度值。它是用一个相对面夹
7、角为1360的金刚石正四棱锥体压头，在规定裁荷F的作用下压人被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，然后再测压痕的两对角线长度的平均值d来计算硬度，其测试原理如图1-5所示。,13,1.2.1 金属材料的力学性能,图1-5 维氏硬度的测试原理示意图,维氏硬度用符号HV表示，计算公式为： 式中 HV维氏硬度； F试验力（N）； d压痕对角线长度算术平均值（mm）。 维氏硬度表示法：符号前面的数字为硬度值，后面的数字依次是载荷值及载荷保持时间。600HV30/20表示采用294.2N的试验力，保持20秒，得到硬度值为600。 维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于零件薄的表面硬化层、金属镀层及薄
8、片金属硬度的测量。因压头为金刚石四棱锥，载荷可调范围大，故对软、硬材料均适用，测定范围为01000HV。,14,1.2.1 金属材料的力学性能,4.冲击韧度 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧度。一般用材料单位横截面积的冲击消耗能量作为冲击韧度指标。测定冲击韧度常用的方法为夏比摆锤冲击试验(见图1-6)。,15,1.2.1 金属材料的力学性能,图 1-6 夏比摆锤冲击试验机,试样冲击韧度的计算公式为： k=Ak/So 式中 k是冲击韧度（Jcm2）； Ak是冲击消耗能量(J)； S0是试样缺口处最小横截面 积（ cm2 ）。,铸造性能：指金属材料通过铸造方法制成优质铸件的难易程度。其影响因素
9、主要包括材料的流动性和收缩性。 锻压性能：指金属材料在锻压加工过程中获得优良锻压件的难易程度。它与金属材料的塑性及变形抗力有关。材料的塑性愈高，变形抗力愈小，则锻压性能愈好。 焊接性能：指金属材料在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，其影响因素包括材料的成分、焊接方法、工艺条件等。,16,1.2.2 金属材料的工艺性能,热处理性能：指金属材料在改变温度和冷却中获得所需要的结构和性能的能力。对钢而言常指淬透性、淬硬性、回火脆性及产生裂纹的倾向性等。 切削加工性能：指用刀具切削加工金属材料的难易程度。材料切削加工性能的好坏主要体现在切削速度、已加工表面质量、切屑的控制或断屑的难易、切削
10、力等。影响材料切削加工性主要因素是材料的物理性能、化学成分和金相组织等。,17,1.2.2 金属材料的工艺性能,物理性能：金属材料的物理性能是指金属材料对自然界各种物理现象，如温度变化、地球引力等所引起的反应。主要包括密度、熔点、导热性、导电性、磁性、热膨胀性等。 化学性能：金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种活泼介质化学侵蚀的能力，也就是金属材料的化学稳定性，包含抗氧化性和耐蚀性。,18,1.2.3 金属材料的物理化学性能,工程用金属材料以合金为主，很少使用纯金属。因为合金比纯金属具有更好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，且价格低廉。最常用的合金是以铁为基体的铁碳合金，
11、如碳素钢、合金钢、灰铸铁、球墨铸铁等，还有以铜为基体的黄铜、青铜，以及以铝为基体的铝硅合金等。 金属材料一般分为四大类： 1) 工业纯铁（ 0.0218% ），一般不用来制造机械零件； 2) 钢(0.0218 2.11 )； 3) 铸铁(2.11 6.69)； 4) 有色金属，一般包括铝、铜及其合金等。,19,1.3 常用金属材料,1. 钢的分类 2008年我国颁布了钢分类国家标准（GB/T13304-2008）,分 类依据为钢的化学成分、主要质量等级、主要性能或使用特性。,20,1.3.1 钢,结构钢：一般属于低碳和中碳钢,工具钢：一般属于高碳钢,特殊性能钢：一般属于合金钢,按使用特性分,按
12、化学成份分,低碳钢：（ 0.25%）,中碳钢：（0.25% 0.60%）,高碳钢：（ 0.60%）,高合金钢（合金元素质量分数10%）,碳素钢,合金钢,中合金钢（合金元素质量分数510%）,低合金钢（合金元素质量分数5%）,2. 非合金钢(碳素钢)的牌号、主要性能及用途,21,1.3.1 钢,碳钢,碳素结构钢：Q235A.F，235表示屈服强度值，A表示质量等级。F表示沸腾钢。一般用于制造受力不大的机械零件主要用于钢筋、套环、桥梁、高压线塔、建筑构件等。,优质碳素结构钢：0825，3050，60以上。优质碳素结构钢的牌号是用两位数表示平均碳的质量分数的万分比。塑性、韧性较好，该类钢一般都要经过
13、热处理，以提高其力学性能。一般用于壳体，轴，齿轮，弹簧，钢丝绳等。,碳素工具钢：T7T10，T12，T13等，牌号中“T”是“碳”的汉语拼音字母的字首，数字表示平均含碳量的千分之几。经淬火、低温回火后具有高的硬度、耐磨性；但塑性较低，淬透性低，易变形。主要用作低速切削刀具，量具和模具等。,3. 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是一种合金元素含量较少、强度较高的工程用钢，价格与普通碳素结构钢相近，但强度比一般低碳结构钢高1030，且具有良好的塑性(断面收缩率20)和焊接性能，便于冲压或焊接成形。低合金高强度结构钢主要用于各种受力的工程结构。 低合金高强度结构钢主要包括Q345，Q390，Q
14、420，Q460。 其牌号表示方法与碳素结构钢相同，即以字母“Q”开始，后面以3位数字表示最低屈服强度，最后以符号表示其质量等级。如Q345A表示屈服强度不低于345MPa的A级低合金高强度钢。,22,1.3.1 钢,4. 合金钢 合金钢是在碳钢的基础上加入某些合金元素获得的高性能钢种。,23,1.3.1 钢,合金钢,渗碳钢：20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20Cr2Ni4,合金调质钢：40CrMn、38CrMoAl、40CrNiMoA,合金弹簧钢：65Mn、605i2Mn、55SiMnVB,合金结构钢,合金工具钢,滚动轴承钢：GCrl5、GCrl5SiMn,低合金刃具钢：9SiCr、
15、CrWMn、9Mn2V,高速钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,特殊性能钢,合金热作模具钢: 5CrNiMo、3Cr2W8V,合金冷作模具钢: Cr12MoV、Cr4W2MoV,合金量具钢: CrWMn、GCrl5、9Cr18,耐热钢：06Cr18Ni11Ti、14CrllMoV,不锈钢：20Crl3、40Crl3、12Crl3、10Cr17Ti,耐磨钢：ZGMnl3,铸铁是碳的质量分数大于2.11的铁碳合金。一般含有硅、锰 元素及磷、硫等杂质。铸铁在工业生产上应用比较广泛，与碳素钢 比较，其机械性能相对较差，但具有优良的减震性、耐磨性、切削 加工性和铸造性能，生产成本也比较低。 1.铸
16、铁分类 根据碳在铸铁中存在的形式分类：,24,1.3.2 铸铁,白口铸铁：碳完全以渗碳体形式存在,灰口铸铁：碳大部分以片状石墨形式存在,麻口铸铁：以石墨和渗碳体的混合形式存在,根据石墨在铸铁中的形状分类：,25,1.3.2 铸铁,普通灰铸铁：石墨呈片状,球墨铸铁：石墨呈球状,可锻铸铁：石墨呈团絮状,蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状,灰口铸铁,可锻铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,26,1.3.3 铜及铜合金,铜,工业纯铜：纯铜具有良好的导电性、导热性、抗磁性、耐腐蚀性和塑性。纯铜在电气、动力机械和仪器、仪表工业中获得广泛的应用。,黄铜：以锌为主加元素构成的铜基合金,青铜：以锡、铝、硅、铍等为主加元素构成的铜基合金,白铜：以镍为主加元素的铜合金,铜合金,
