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1、第一篇 金属材料的基本知识第一章 金属材料的主要性能金属材料的力学性能又称机械性能，是金属材料在力的作用所表现出来的性能。零件的受力情况有静载荷，动载荷和交变载荷之分。用于衡量在静载荷作用下的力学性能指标有强度，塑性和硬度等；在动载荷和作用下的力学性能指标有冲击韧度等；在交变载荷作用下的力学性能指标有疲劳强度等。金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。P6低碳钢的拉伸曲线图1， 强度强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种指标，工程上以屈服点和强度最为常用。屈服点：s是拉伸产生屈服时的应力。产生屈服时的应力=屈服时所承受的最大载荷/原始截面积对于没有明显屈服现象的金属
2、材料，工程上规定以席位产生0.2%变形时的应力，作为该材料的屈服点。抗拉强度：b是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力。拉断前所能承受的最大应力=拉断前所承受的最大载荷/原始截面积2， 塑性塑性是金属材料在力的作用下，产生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。伸长率：试样拉断后，其标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。伸长率=（原始标距长度拉断后的标距长度）拉断后的标距长度100%伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较。同一种材料的5比10要大一些。断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩
3、率，以表示。收缩率=（原始横截面积断口处横截面积）原始横截面积100%伸长率和断面收缩率的数值愈大，表示材料的塑性愈好。3， 硬度金属材料表面抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕、划痕）的能力称为硬度。金属材料的硬度是在硬度计上测出的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法。1， 布氏硬度（HB）是以直径为D的淬火钢球HBS或硬质合金球HBW为压头，在载荷的静压力下，将压头压入被测材料的表面，停留若干秒后卸去载荷，然后采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的表格中查出相应的HB值。布氏硬度法测试值较稳定，准确度较洛氏法高。是测量费时，且压痕较大，不适于成品检验。2， 洛氏硬度(HR)
4、是将压头（金刚石圆锥体、淬火钢球或合金球）施以100N的初始压力，使压头与试样始终保持紧密接触。然后，向压头施加主载荷，保持数秒后卸除主载荷，以残余压痕尝试计算其硬度值。实际测量时，由刻度盘上的指针直接指示出HR值。洛氏硬度法测试简便、迅速，因压痕小、不损伤零件，可用于成品检验。其缺点是测得的硬度值重复性较差，需在不同部位测量数次。3， 韧性金属材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。金属材料的韧度通常采用摆锤冲击弯曲试验机来测定。冲击韧度=冲断试样所消耗的冲击功/试样缺口处的横截面积冲击值的大小与很多因素有关。它不公受试样开关、表面粗糙度及内部组织的影响，还与试验时
5、的环境温度有关。因此，冲击值的大小一般公作为选择材料时的参考，不直接用于强度计算。4， 疲劳强度承受循环应力或交变应力的零件在工作一段时间后，有时突然发生断裂，而其所承受的应力往往低于该材料的屈服点，这种断裂称为疲劳断裂。一般认为产生疲劳断裂的原因，是由于材料有内部缺陷、表面划痕驻其他能引起应力食品的缺陷，导致产生微裂纹。下列符号所表示的力学性能指标名称和含义是什么？b 抗拉强度s屈服强度或屈服点0.2工程规定屈服点-1 按正弦曲线变化的对称循环应力的疲劳强度伸长率k冲击韧度HRC 120金刚石圆锥体HBS 布氏硬度计以淬火钢球为压头HBW 布氏硬度计以合金球为压头第二章铁碳合金金属的结晶就是
6、金属液态转变为晶体的过程，亦即金属原子由无序到有序的排列过程。液态金属的结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律进行的。金属的冷却速度愈快，自发晶核愈多。金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。一般来说，同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性也愈好。影响晶粒粗细的因素很多，但主要取决于晶核的数目。细化铸态金属晶粒的主要途径是：提高冷却速度，以增加晶核的数目。在金属浇铸之前，向金属液内加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。此外，还可采用招牌理或塑性加工方法，使固态金属晶粒细化。钝铁的晶格有体心立方和面心立方两种。铁及锡、钛，锰等金属在结晶之后，在不同温度范
7、围内将呈现出不同的晶格。这种随着温度的改变，固态金属的晶格也随之改变的现象称为同素异晶转变。两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质称为合金。组成合金的元素称为组元，简称元。按照铁和碳相互作用形式的不同，铁碳合金的组织可分为固溶体、金属人物和机械混合物三种类型。固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。铁素体F：碳溶解于-Fe中形成的固溶体称为铁素体，呈体心立方晶格。力学性能与纯铁相近。铁素体在显微镜下为明亮的多边形晶粒，得晶界曲折。奥氏体A：碳溶入-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，呈面心立方晶格。力学性能与其溶碳量有关。一般来
8、说，其强度、硬度不高，但塑性优良。在显微镜下，奥氏体也是呈多边形晶粒，但晶界较铁素体平直，并存有双晶带。化合物：是各组元按照一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。金属化合物一般具有复杂的晶格，且与构成人物的各组元晶格皆不相同，其性能特征是硬而脆。渗碳体Fe3C是钢铁中的强化相，其组织可呈片状、球状、网状等不同形状。它的硬度，可以刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。渗碳体在一定条件下可发生分解，形成石墨。机械混合物：是由结晶过程所形成的两相混合组织。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体。莱氏体：奥氏体和渗碳
9、体组成的机械混合物称高温莱氏体，当冷却到727以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体。钢它是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。铸铁即生铁，它是指含碳量为2.11%6.69%的铁碳合金。P18 铁碳合金状态图共析钢亚共析钢 过共析钢第三章钢的热处理在固态下，通过回执、保温和冷却，以获得预期组织和性能的工艺。它只改变金属材料的组织和性能而不以改变形状和尺寸为目的。退火：退火是将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。常用的有完全退火，球化退火，去应力退火。正火：正火是将钢加热到亚共析钢或过共析钢，保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火主要用于：1，取代部分完全退
10、火。但中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。2，用于普通件的最终热处理。3，用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。淬火和回火是强化钢最常用的工艺。淬火是将钢加热到一定温度，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。注意：1严格控制淬火加热温度。2，合理选择淬火介质使其冷却速度略大于临界冷却速度。3，正确选择淬火方法。回火：将淬火的钢重新加热到Ac1以下某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时也使钢获得所需的力学性能。总的趋势是回火温度愈高、析出的碳化物愈多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升高
11、。将钢的回火分为如下三种：1，低温回火250度以下目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度和高耐磨性。用途最广，如各种刀具、模具、流动轴承和耐磨件等。2，中温回火250500度目的是使钢获得高弹性，保持较高硬度和一定的韧性。中温回火主要用于弹簧、发条、锻模等。3，高温回火500度以上它广泛用于承受循环应力的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。经调质处理的钢可获得强度及韧性都好的综合力学性能。表面淬火常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。快速加热法有多种，如电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用广泛的是电感应加热法。第四章工业用钢碳素钢即“非合金钢”，简称碳钢。
12、碳素钢的含碳量在1.5%以下，除碳之外，还含有硅、锰、磷、硫等杂质。磷和硫是钢中的有害杂质。磷可使钢的塑性、韧性下降，特别是在低温时脆性急剧增加，这种现象称为冷脆性。硫在钢的晶界处可形成低熔点的共晶体，致使含硫较高的钢在高温变回工时 容易产生裂纹，这种现象称为热脆性。硅和锰是炼钢后期作为脱氧剂加入钢液中残存的。硅和锰可提高钢的强度和硬度，锰还能与硫形成MnS，从而抵消硫的部分有害作用。显然，它们都是钢中的有益元素。碳素钢通常分为如下三类：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。1、碳素结构钢的牌号以代表屈服点的“屈”字汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示，每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16
13、mm时的最低（Mpa）。在钢号尾部A、B为普通级别，C、D为磷、硫低的优等级别，可用于较重要的焊接结构。Q315塑性好通常轧制成薄板、钢管、型材制造钢结构，也用于制作铆钉、螺钉、冲压件、开口销等。Q235强度较高，塑性也较好，常轧制成各种型钢、钢管、钢筋等制成各种钢构件、冲压件、焊接件及不重要的轴类、螺钉、螺母等。Q255强度更高，用做键、轴、俏、齿轮、撙、连杆、销钉等。2、优质碳素结构钢的硫、磷含量较低，供货时既保证化学成分，又保证力学性能，主要用于制造机器零件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字即是钢中平均含碳量的万分数。例如，20钢表示平均含碳量为0.20%的优质结构钢。08
14、、10、15、20等牌号属于低碳钢。20钢用途最广，常用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴，焊接件，有时也用于渗碳件。40、45等牌号属于中碳钢。45钢常用来制造主轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键和重要螺钉等。60、65等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后，不仅强度、硬度显著提高，且弹性优良，常用弹簧、发条、钢丝绳、轧辊、凸轮等。3、碳素工具钢的含碳量高达0.7%1.3%，淬火、回火后有高的硬度和耐磨性，常用于制造锻工、钳工工具和小型模具。碳素工具钢一般均为优质钢。对于硫、磷含量更低的高级优质碳素工具钢，则在数字后面增加“A”表示，例如，T10A表示平均含碳量为1.05的高级优质碳素工具钢。T8冲头
15、、錾子、锻工工具、木工工具、台钳钳口等。T10，T10A硬度较高、但仍要求一定韧性的工具，如手锯条、小冲模、丝锥、板牙等。T12 适用于不受冲击的耐磨工具，如钢锉、刮刀、绞刀等。合金钢是为了改善钢的某些性能，在钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%，或者含锰量大于1.0%，也属于合金钢。低合金钢是指合金总含量较低（小于3%）、含碳量也较低的合金结构钢。可焊接低合金高强钢（简称合金高强钢）应用最为广泛。低合金高强钢的牌号表示方法与碳素钢相同，即以字母“Q”开始，后面以三们数字表示其最像屈服点，最后以符号表示其质量等级。如Q345A表示不小于345Mpa的A级低合金高强钢。Q295低压容器、输油管道、车辆等Q345桥梁、船舶、压力容器、车辆等Q390桥梁、船舶、起重机、压力容器等Q420高压容器、牺牲、桥梁、锅炉等合金钢：当钢中合金元素超过低钢的限度时，即为合金钢。合金钢不仅合金元素含量高，且严格控制硫、磷等有害杂质的含量，属于优质钢或高级优质钢。合金钢可分为合金结构钢（常用于制造机器零件用的合金钢），合
