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1、在线教务辅导网：http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,http:/,第十二章 金属材料,主 要 内 容：,金属材料的力学性能,材料的工艺性能,碳 钢,钢 的 热 处 理,合 金 钢,铸 铁,有 色 金 属,工程材料是指工程上使用的材料,可分为金属材料、非金属材料两大类。本篇主要介绍常用的工程材料，尤其是使用最广泛的金属材料。,121 金属材料的力学性能,金 属 材 料,铁及其合金（钢铁）,其它的非铁金属及其合金,黑色金属获得广泛应用的原因：,121 金属材料的力学性能, 有优良的机械性能，既有高的强度，又有好的塑性和韧性。
2、有优良的机械加工性能，易于采用不同方法制成各种形式的零件和设备。 有优良的物理性能和化学性能。 可通过热处理方法使其性能进一步改善和提高。,有色金属及其合金，如铜、铝、镍及其合金等，其产量及用量虽然不如黑色金属多，但由于它们具有许多良好的特殊性能，成为现代工业中不可缺少的材料。,121 金属材料的力学性能,金属材料在各种不同形式的载荷作用下所表现出来的性能称为机械性能，又称力学性能。,主要指标,强度（如屈服极限s、强度极限b等）、塑性（如延伸率）、持久极限r、硬度、冲击韧度。,常用试验方法测取,拉伸压缩试验、疲劳试验、硬度试验、冲击试验等,121 金属材料的力学性能,硬度及其测定,材料抵抗其它
3、硬物压入其表面的能力称做硬度,测定硬度的方法常用压入法,即用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。,测定金属材料表面硬度最常用的方法有布氏硬度和洛氏硬度二种。,121 金属材料的力学性能,布氏硬度HB,测定原理,是用一定大小的载荷F，把直径为D 的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载苛，用金属表面压痕的面积除载荷所得的商。,用钢球为压头所测出的硬度值以HBS表示,用硬质合金为压头所测出的硬度值以HBW表示,121 金属材料的力学性能,洛氏硬度HR,当材料的硬度较高或试样过小时，需要用洛氏硬度计进行硬度测试,洛氏硬度是用顶角为1
4、20的金刚石圆锥或直径为（116）的淬火钢球作压头，压入金属表面，测定压痕深度，由深度的大小来确定材料的洛氏硬度值，材料越硬，压痕越浅，而所测得的洛氏硬度值越大。,根据压头的材料及压头所加的负荷不同洛氏硬度又可分为HRA、HRB、HRC三种,HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB适用于测量有色金属和退火钢、正火钢等；HRC适用于测量调质钢、淬火钢等,121 金属材料的力学性能,维氏硬度HV,实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小为5120kg。它所测定的值比布氏、洛氏精确，压人深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的
5、各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。,121 金属材料的力学性能,冲击韧度,金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。,目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度,冲击韧度值,冲击吸收功,试样缺口处的横截面积,强度、塑性两者均好的材料，K值也高。材料的冲击韧度除取决于其化学成分和显微组织外，还与加载速度、温度、试样的表面质量等有关。,122 材料的工艺性能,材料在加工方面的物理、化学和机械性能的综合表现构成了材料的工艺性能，又叫加工性能。,选材时必须同时考虑材料的使用与加工两方面的性能。,122 材料的工艺性能,铸造性,材料的铸造性是指将金属熔化浇铸冷却后制成铸件的性能。,评 定,流动
6、性,吸气性,收缩性,金属液体填充铸型的能力,材料在液态时吸收气体的能力,液态金属在冷却过程中体积减少的性质,122 材料的工艺性能,可焊性,材料的可焊性是指材料在一定条件下焊接时，能否得到与被焊金属本体相当的机械、化学和物理性能，而不发生袭缝和气孔等缺陷的总的说明。,决定于被焊金属本身的固有性质， 也取决于焊接方法和工艺过程。,122 材料的工艺性能,可锻性,金属承受压力加工的能力叫金属的可锻性,决定于材料的化学组成与组织结构， 同时也与加工条件（温度等）有关,经过压力加工后的金属，由于消除了内部的气孔、缩孔等缺陷使金属组织结构紧密，从而提高了材料的机械性能。,122 材料的工艺性能,切削性,
7、材料在切削加工时所表现的性能叫切削性。,当切削某种材料时，刀具寿命长、切削用量大、表 面质量高，就认为该材料的切削性好。,热处理性,热处理是以改善钢材的某些性能为目的，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以不同的冷却速度，将构件冷却下来的一种操作。材料适用于哪种热处理操作，主要取决于材料的化学组成和零件的结构。,123 碳 钢,含碳量为0.022的称为钢,含碳量大于2的称为铸铁,按化学成分,低碳钢（含碳量小于0.25）,中碳钢（含碳量0.250.6）,高碳钢（含碳量0.61.3）,按用途,结构钢（用于制造机械零件和工程结构）,工具钢（制造工具、刃具和量具）,特殊性能钢（如不锈
8、钢、耐热钢等）,钢,123 碳 钢,碳素结构钢,碳的含量一般在0.060.38,钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、角钢、钢筋等）供应。,牌号表示方法：屈服点的字母Q+屈服强度数值组成,例：Q235： 表示该碳素结构钢的屈服强度为235MPa。,123 碳 钢,优质碳素结构钢,强度、塑性、韧性均比普通碳素结构钢好。主要用于制造较重要的机械零件。,牌号用两位数字表示，如08、10、45等，数字表示钢中平均含碳量为0.01倍。,08牌号表示其平均含碳量为0.08。,按其含锰量的不同，分为普通含锰量Mn0.250.
9、8 较高含锰量Mn0.71.2,牌号数字后面加“Mn”字。如45Mn,123 碳 钢,铸造碳钢（简称铸钢）,形状复杂、力学性能要求高的机械零件难以用锻压或切削加工的方法制造，通常采用铸造碳钢制造。,铸钢中碳的含量一般在0.150.6范围内铸造性差，而且在铸态时晶粒粗大。铸钢件均需进行热处理。,牌号是用铸钢两字的汉语拼音的首字母“ZG”后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。,例：ZG270500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500Mpa的铸造碳钢。,124 钢的热处理,钢的热处理是指钢在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构从而
10、获得所需性能的一种工艺方法。,热处理的作用,可以充分发挥钢材的潜力，显著提高钢的力学性能，延长零件的使用寿命；还可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，为后续工序作好组织准备。,124 钢的热处理,热处理工艺过程,热处理工艺曲线,124 钢的热处理,热处理的分类,热处理,124 钢的热处理,常用的热处理方法,退火 将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后随炉或埋入砂中冷却的热处理方法。,完全退火 主要用于含碳量低于0.8的钢材热加工后及切削加工时，其目的在于消除组织缺陷，降低硬度，充分消除因加工而产生的内应力。,再结晶退火 主要用于经过冲压或冷轧加工的低碳钢件。将钢件加热到600700，经
11、保温一定时间后随炉冷却。该种退火也常用来消除焊接件的内应力，以消除因塑性变形以后发生的冷作硬化现象。,低温退火 主要用来消除铸铁、锻件、焊接件、热轧件及冷拉件等的内应力。又称为去应力退火。,124 钢的热处理,正火 将钢加热到临界点以上4060，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理方法。,正火的目的是细化晶粒，消除钢件冷热加工时造成的缺陷，提高钢的强度。,对于一般要求不高的零件，正火可作为最终热处理。 对于低碳钢，常用正火代替完全退火，以改善组织结构和切削加工性，提高生产率。 对于中碳钢大型零件，在受设备限制不能进行调质时，也可用正火代替。 对于有些重要零件，正火可作为淬火前的预备热处理，以减
12、少淬火时的变形和开裂倾向。,124 钢的热处理,淬火 将零件加热到“上临界点”（如45号优质钢，上临界点为870）以上的温度，然后投入水、盐水或矿物油中快速冷却。,淬火可以增加零件的硬度、强度和耐磨性。,淬火常常是产品质量关键的工艺过程。,124 钢的热处理,回火 将淬火钢重新加热到某一低于临界的温度，保温一段时间，然后冷却下来的热处理方法。,低温回火的加热温度为150250，淬火钢经低温回火后，可以减小内应力和脆性，仍能保持淬火钢的高硬度和耐磨性，适用于刀具、量具等工具； 中温回火的加热温度为350500，淬火钢经中温回火后提高了弹性，但硬度有所降低，适用于有弹性要求的零件，如弹簧等； 高温
13、回火的加热温度为500650，淬火钢经高温回火后，可以获得强度、硬度塑性和韧性等都较好的综合机械性能，适用于各种重要的机械零件，如齿轮、轴等。,淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。,124 钢的热处理,表面热处理,表面淬火 利用乙炔氧火焰或高频感应加热等方法将零件表面加热到淬火温度，然后在介质中快速冷却，使零件表面淬硬（零件中心则仍有较好的塑性和韧性）。,表面淬火一般用于中碳钢或中碳合金钢零件。,表面化学热处理 将某些化学元素渗入钢的表层，改变钢的表层化学成分、组织和性能，从而获得高的硬度、耐磨和抗疲劳等性能的热处理方法。,按渗入零件表层元素的不同，表面化学热处理有渗碳、氮化、氰化等工艺过
14、程。,124 钢的热处理,渗碳 将碳原子渗入零件表层，使零件表面含碳量增加。,固体渗碳 将零件放在装有木炭粒和碳酸盐的密封铁箱中，然后将铁箱在炉中加热，其生产率较低。,气体渗碳 将零件直接放在密封的炉中加热，并通入渗碳气体， 生产效率较高。,氮化 将氮原子渗入零件表层。氮化处理温度较低，内应力和变形都较小。,氰化 在钢的表层同时渗入碳和氮。,氰化剂是剧毒品，操作时需特别注意安全。,125 合 金 钢,合金钢分为合金结构钢、特殊性能钢和工具钢,牌号采用“数字+化学元素+数字”的表示方法,代表钢中含碳量的平均数，以0.01为单位,代表钢中含碳量的平均数，以0.01为单位,该元素的平均含量，以1%为
15、单位,并规定当平均含量小于1.5%时,省略不注,当平均含量等于或大于1.5%、2.5 % 时,则相应以2、3表示。,125 合 金 钢,合金结构钢 在优质碳素钢的基础上加入一种或几种少量合金元素冶炼而得的,合金结构钢可用来制做各种机器零件及钢结构,多数是低合金(1.5%)钢。 由于合金元素的加入,可以大大提高钢材的强度,并可改善钢材的耐腐蚀性,低温性能和焊接性能。合金结构钢是用途最广、用量最大的一类合金钢。,125 合 金 钢,低合金结构钢 成分特点是低碳(C0.20% )。低合金(一般合金元素总量3%)以锰为主加元素,并辅加以钒、钛、铌、硅、铜、磷等。,性能特点,具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性。用它来制作金属结构,可以缩减截面,减轻重量,节约钢材。 良好的焊接性。这类钢不易在焊接区产生淬火组织及裂纹，且成分中的碳化物形成元素钒、钛、铌可抑制焊缝区的晶粒长大，故它的焊接性良好。 较好的耐蚀性。加入铜、磷提高了钢材抵抗海水、大气、土壤腐蚀的能力。,125 合 金 钢,合金渗碳钢 渗碳钢是在优质碳素钢(一般C=0.10%0.25% )的基础上加入合金元素形成的。,性能特点,渗碳淬火后，渗碳层硬度高，具有优异的耐磨性和接 触疲劳强度； 渗碳件心部具有高的韧性和足够高的强度； 具有良好的热处理工
