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1、2019/7/13,1,工 程 训 练 主编 崔明铎,普通高等教育“十二五”规划教材,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,2,第1章 金属材料及金属热处理,教学基本要求： 1.了解常用金属材料和工程塑料的种类、牌号、性能和用途。 2.了解退火、正火、淬火、回火及材料表面处理的目的和方法。 3.进行几种常见热处理操作。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,3,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 通常情况下,以材料的力学性能作为主要依据来选用金属材料。 一、力学性能 金属的力学性能是指金属在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性
2、能。 金属力学性能所用的指标和依据称为金属的力学性能判据。 主要力学性能有强度、塑性、硬度、韧性等。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,4,1.强度 强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂的能力。 工程上常用的强度判据是在拉伸试验中所测得拉伸曲线及试样测得的屈服强度和抗拉强度。 (1)屈服强度 Re 屈服强度是拉伸试样在试验过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力。 可用符号Re表示: Re=Fe/S0 (MPa),2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,5,式中：Fe外力 (N) S0试样横截面积 (mm2) 国标规定,应区分为上屈服强
3、度ReH和下屈服强度ReL,单位为N/mm2,=1MPa。 有些金属材料(铸铁)没有明显的屈服现象。 (2)抗拉强度(Rm ) 抗拉强度是指拉伸试样拉断前所承受的最大拉应力,用符号Rm表示,单位为N/mm2=1MPa 。 Rm=Fm/S0 (MPa),2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,6,式中：Fm最大外力(N) S0试样横截面积(mm2) 上述两指标是按照GB/T228-2002标准将待测试材料制成标准拉伸试样,在拉伸试验机上通过拉伸试验法测得. 2.塑性 塑性,指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力. 塑性判据是通过拉伸试验时,以拉伸试样断裂时的最大相对塑性变形量表示的
4、。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,7,常用的塑性判据是断后伸长率(A)和断面收缩率(Z). A=(Lu-L0)/L0100 式中：Lu断后标距； L0原始标距。 Z=(S0-Su)/S0100 式中：S0原始横截面积； Su断后最小横截面积。 3.硬度 硬度是指材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,8,硬度是衡量金属软硬的性能指标,常用的硬度判据有布氏硬度和洛氏硬度两种。 布氏硬度用符号HBW表示。 洛氏硬度用符号HRA、HRB和HRC等表示; 其中HBW(HBS)值和HRC值在生产中常用来表示材
5、料(或零部件)的硬度。 硬度值的大小在硬度计上通过硬度实验法测得。 HBW适用于测量较软的金属或未经淬火的钢件,布氏硬度值有效范围小于650HBW；,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,9,二、铁碳合金状态图,铁碳合金状态图是表示平衡状态下,不同成分的铁碳合金在不同温度时具有的状态或组织的图形,是研究钢和生铁的基础,它对于了解钢铁材料的性能、加工、应用等具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物,考虑到使用价值,目前应用的铁碳合金状态图是Fe-Fe3C部分(Wc6.69%),下图所示为简化的Fe-Fe3C状态图。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理
6、,10,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,11,(一)铁碳合金的基本组织 1.铁素体(F) 铁素体是铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体。 其性能与纯铁相似,即强度、硬度低,塑性、韧性好。正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色,在钢中的形态多为不规则的多边形块,在接近共析成分的钢中,往往呈网状或断续网状。 2.奥氏体(A),2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,12,奥氏体是铁中溶入碳和(或)其他元素构成的固溶体。 其强度和硬度比铁素体高,塑性、韧性也好。因此,钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造。 高温显微镜下(727以上)才能观察到奥氏体组织。其晶粒呈多边形，且
7、晶界较铁素体平直。 3.渗碳体(Fe3C) 渗碳体是晶体结构属于正交系,化学式为Fe3C的金属化合物,是钢和铸铁中常见的固相。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,13,其硬度高，塑性、韧性差,脆性大。 渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状分布，主要起强化作用,它的形态、大小、数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。 4.珠光体(P) 珠光体是铁素体薄层(片)与碳化物(包括渗碳体)薄层(片)交替重叠组成的共析组织。 其性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,硬度适中,有一定的塑性。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,14,5.莱氏体(Ld) 莱氏体是铸铁
8、或高碳高合金钢中由A(或其转变的产物)与碳化物(渗碳体)组成的共晶组织。 莱氏体冷却到727以下时,其中的奥氏体又转变成珠光体,莱氏体成为珠光体和渗碳体的复合物,称为“变态莱氏体”(Ld)。 其力学性能与渗碳体相近。 组织特征为：白亮的渗碳体为基体，上面分布着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,15,(二)Fe-Fe3C状态图中的特性点,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,16,(三)Fe-Fe3C状态图中特性线的意义 1.ACD线液相相；液体到此开始结晶。 2.AECF线固相线；合金至此全部结晶为固体。 在液固
9、两线之间为液固两相区。 在C点产生共晶反应，其反应式： Lc Ld(A+Fe3C) 3.GS线自A中析出F线。以：A3线表示。 4.ES线C在A中的溶解度曲线.以：Acm表示。,1148,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,17,5.PSK线共析反应线，常以：A1表示。 6.PQ线碳在铁素体中溶解度曲线。产生Fe3C 按含碳量不同,将铁碳合金分为：钢和铸铁 钢含碳量小于2.11的铁碳合金; 按室温组织又分为： 亚共析钢 含碳量0.77,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,18,铸铁指生铁(白口生铁)含碳量为2.116.69,又分： 亚共晶白口生铁含碳量4
10、.3%,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,19,三、金属热处理基本概念,金属热处理是将固态金属或合金采用适当的方法进行加热、保温和冷却，获得所需要的组织结构与性能的工艺。 热处理用于消除上一工艺过程产生的金属材料内部组织结构上的某些缺陷,改善切削性能,还可进一步提高金属材料的性能,充分发挥材料性能的潜力.因此,大部分机器零件都要进行热处理。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,20,(一)退火 退火是将金属和合金加热到适当温度保温一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺 按金属成分和性能要求的不同,退火可分为: 1.完全退火 将铁碳合金完全奥氏体化,随之缓慢
11、冷却,获得接近平衡状态组织的退火工艺。 其目的是通过完全重结晶细化晶粒,降低硬度,改善切削性能。多用于亚共析钢的铸、锻件。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,21,2.球化退火 使钢件中碳化物球状化而进行的退火工艺。 球化退火主要用于过共析钢,目的是使网状渗碳体球状化,降低硬度、提高韧性,改善切削性能,为淬火作组织准备。 3.去应力退火 为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。 主要用于消除用于消除铸件、锻件、焊接件和切削件的残余应力。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,22,(二)正火 正火是将钢材或钢件加热到或
12、Accm以上3050,保温适当的时间后,在静止空气中冷却的热处理工艺。 与退火类似,冷却速度比退火快。 钢件正火后的强度和硬度比退火稍高,但消除残余应力不彻底,又操作简便、生产率高,所以,正火常优先采用。 低碳钢件可代替退火。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,23,(三)淬火与回火 1.淬火 淬火是将钢件加热到Ac3 或Ac1以上某一温度，保持一定时间,然后以适当的速度冷却获得马氏体和(或)贝氏体组织的热处理工艺。 目的：提高钢件的硬度和耐磨性,淬火不同回火,获得各种需要的性能,是强化钢的主要方法。 淬火介质：淬火冷却时所用的介质。,2019/7/13,工程训练-第1章
13、 金属材料及热处理,24,钢的种类不同,淬火介质不同,常用介质:水、油 水便宜,冷却能力较强,碳素钢件用的多。 油冷却能力较水低、成本高,但是,可以防止工件产生裂纹等缺陷,主要用于合金钢淬火的场合. 2.回火 回火是钢件淬硬后,再加热至Ac1以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。 其目的是稳定组织,减少内应力,降低脆性,获得所需性能。下表为常见的回火方法及其应用。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,25,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,26,(四)表面热处理和化学热处理 1.表面淬火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。 目的
14、：为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布,提高工件的硬度和耐磨性。 表面淬火加热的方法很多,如感应加热、火焰加热、电接触加热、激光加热等。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,27,2.化学热处理 化学热处理是将金属和合金工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,28,四、常用金属材料,(一)钢 以铁为主元素,含C2以下,并含有其它元素的材料。 1.碳钢分类 钢从不同角度可以有不同分类(详见下页)： 2.
15、非合金钢(碳素钢) 俗称 碳钢 碳素结构钢 (非合金结构钢),2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,29,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,30,牌号由代表屈服点的字母Q、 屈服点数值、 质量等级符号、 脱氧方法四部分组成。 其中质量等级分别用A、B、C、D表示。 A的S、P量高,D的S、P量最低,且质量最好。 如：Q235A . F Q“屈”字汉语拼音字首,读“屈”。 235Rm(b)235MPa A质量等级 A级 F脱氧方法,指“沸腾钢”,一般不标。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,31,牌号：Q195；Q215；Q235；Q
16、255；Q275五类. 用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等。 优质碳素结构钢 S、P含量较低,用于重要零件 GB:牌号用两位数字表示含碳量万分之几(十) 如：08F、10、15、20、25,为低碳钢,塑性好，耐冲、好焊；,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,32,30、35、40、45、50、55,中碳钢含P多,强硬适中,多做重要件； 60、65、70、75，高碳钢。多需淬火回火,制作弹性耐磨件。 20Mn、65Mn等称含锰量较高的优质碳结钢。 碳素工具钢。 牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示Wc的千分之几。 如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。,2019/7/13,工程训练-第1章 金属材料及热处理,33,如T10钢,WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢(适用各类高级优质钢）。 3.合金钢 为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性能
