金属材料与热处理

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1、第一章 金属材料与热处理金属材料是现代机械制造工业所需要的最主要材料之一。它不但具有制造机器所需要的物理、化学和 力学性能，而且还具有较简单的成形方法和良好的成形工艺性能，因此，金属材料在机械设备中所占的比 例约在 80以上：金属材料的性能主要与其成分、组织和表面结构特性有关。热处理就是通过改变金属材料的组织或改 变表面成分和组织来改变其性能的一种热加工工艺。第一节 金属材料的主要性能 金属材料获得广泛的应用，不仅是由于它的来源丰富，而且还由于它具有优良的使用性能与工艺性能。 使用性能包括力学性能和物理、化学性能。工艺性能则是指金属是否易于加工成形的性能。它们是进行设 计、选材和制定工艺的依据

2、。一、力学性能金属材料的力学性能是指金属在外力作用F所表现出来的特性。强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。金属材料的强度和塑性指标是通过拉伸试验 测定的。图1-1 为低碳钢材料试样的拉伸曲线。(1) 弹性极限ae弹性变形是指金属材料承受载荷时产生变形，卸载后又恢复原状的行为。弹性极限 是指金属材料保持弹性变形时的最大应力。ae=Pe/Fo(MPa)式中：户。 弹性极限载荷， N；Fo-试样原始截面积，咄2。(2) 屈服极限， 当载荷增加到尸。时，拉伸曲线上出现了平台，此时载荷虽然不增加，试样却继续 产生塑性变形，这一现象称为屈服现象。屈服极限是指金属材料开始发生屈服现象时的应力。

3、as=PS/Fo(MPa)式中：Ps产生屈服现象时的载荷，N。工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，对此类材料，工程规定产生 02塑性变形 时的应力作为屈服极限，用 0.2 表示，称为条件屈服极限。绝大多数机器零件在使用过程中不允许产生明显的塑性变形，所以，屈服极限dD(o2)是设计机器零 件和选择、评定金属材料性能的重要指标。(3) 强度极限 ob 强度极限是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力。ob=PD/Fo(MPa)式中：Ph试样拉断前所承受的最大载荷，N。脆性材料在拉仲试验时 02 也很难测出。因此，选用脆性材料制作机器零什时，常以 ob 作为选材和 设计的依据。2塑性 塑

4、性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破断的能力。常用的塑性指标有延伸率 J 和断面收 缩率扒式中匕5试样的原始艮度血片L试样被拉断时的长度ran时耳试样的廉燈載面积人 t试样断裂处的截面积购汽J 和沪的数值越大，表示金属材料的塑性越好，丁程上一般把 J，5 的材料称为塑性材料，把 J5 的材料称为脆性材料。金属材料的塑性对零件的成形加工和使用的安全性有着重要的意义。塑性好的金属材料能通过塑性变 形顺利地实现成形加工。另外，拉伸试验表明，经过明显塑性变形之后的金属材料得到强化，因此，材料 塑性好的机器零什万一超载时，能避免突然断裂。3硬度 硬度是指金属材料表面抵抗外物压人的能力，或者说是金

5、属材料在局部体积内抵抗变形，特别是塑性 变形的能力。硬度是一个反映金属材料弹性、塑性、韧性和强度等一系列物理特性的综合力学性能指标。 常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。(1) 布氏硬度 布氏硬度的测定是用一定的载荷P,将直径0的钢球压人被测材料的表面，以载荷压痕 面积之比作为硬度值。用 HB 表示。布氏硬度的优点是测量方法简单，数值较准确，但是压痕较大，不适宜检查成品和太薄的零件。常用 于调质钢、正火钢、退火钢和铸铁件，硬度范围为HBI40450。HB值越大，材料就越硬。(2) 洛氏硬度最常用的洛氏硬度是HRC。压头采用顶角120的金刚石圆锥，载荷为1500N，根据 压痕的深度，可

6、在硬度计上直接读出它的硬度值。这种硬度值标准适用于调质钢和淬火钢等较硬的材料， 硬度范围为 HRC20-67。洛氏硬度法操作简便、效率高、压痕小，常用于成品检验。缺点是因为压痕小读数重复性差，故需多 测几点，取其平均值。(3) 维氏硬度 维氏硬度压头采用面夹角为 136的金刚石四棱锥体。载荷根据不同要求从 50-200N 加以选择。从硬度计上的显微镜测出压痕对角线长度d,查表即可得出维氏硬度值HV。第二章 铸造成形技术铸造是将液态金属浇注到具有与零件形状及尺寸相适应的铸型空腔中，待冷却凝固后，获得一定形状 和性能的零件或毛坏的方法。用铸造方法所获得的零件或毛坯，称为铸件。铸件通常要经过机械加工

7、后， 才能作为机器零件使用。如果采用精密的铸造方法或者对零件表面质量要求不高时，铸件也可以不经加工 而直接使用。与其他成形方法相比，铸造生产具有下列特点。1) 成形方便，适应性广铸件的轮廓尺寸可由几毫米到数十米；壁厚由几毫米到几百毫米；质量由几克到几百吨。可以制造外 形复杂，尤其是具有复杂内腔的铸件。例如，机床床身、内燃机的缸体和缸盖、箱体等的毛坯均为铸件。 铸造的适应性也很广，可用于铸铁、铸钢、铸铜、铸铝等，其中铸铁材料应用最广泛。既可用于单件小批量生产，也可用于成批及大批量生产。2）成本低廉、生产周期短铸造生产使用的原材料来源方便，成本低，而且易于回收使用。铸件的形状和尺寸与零件较接近，减

8、 少了金属材料的消耗量，并节省了切削加工的工时。铸造生产不需要大型、精密的没备，生产周期较短。3）铸造生产劳动强度大，生产条件差，铸件的质量不稳定目前广泛使用的砂型铸造，大多属于手工操作，工人的劳动强度大，生产条件差，铸造过程中产生的 废气、粉尘等对周围环境造成污染。铸造生产工序较多。一些工艺过程较难控制，铸件中常有一些缺陷（如 气孔、缩孔等），而且内部组织粗大、不均匀，使得铸件质量不够稳定，废品率较高，其力学性能不如同类 材料的锻件高。随着现代科学技术的不断发展，以及广泛采用新工艺、新技术、新材料、新设备，实现了 机械化及自动化生产，使铸造劳动条件大大改善，环境污染得到控制，铸件质量和经济效

9、益亦在不断提高。第一节 合金的铸造性能合金的铸造性能，是合金在铸造生产中表现出来的工艺性能。它对是否易于获得合格铸件有很大影响。 合金铸造性能是选择铸造合金，确定铸造工艺方案及进行铸件结构设计的重要依据。合金的铸造性能主要 指合金的充型能力、收缩、吸气性等。本节主要分析它们对铸件质量的影响，结合铸件主要缺陷的形成及 其防止，加以论述，为选择铸造合金和铸造方法打好基础。其主要内容及其相互间的联系如图 2-1所示。一、合金的充型能力合金的充型能力是指液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、尺寸完整、轮廓清晰铸件的能力。充型 能力首先决定于液态金属本身的流动能力（即内因），同时又受铸型性质、浇注条件、铸

10、件结构（即外因）等 因素的影响。因此，充型能力是上述各种因素的综合反映。影响合金合统的淹动性F合金的克型施力躺响因素“浇注条枠必型条件蔽畧收堀亠卫产生 備固收札收緡H合金的钩造杵能2書盘的收缩*产生编此抉陷一朝序褪固原蝌 -缩松诫附，内应力一狗忖凝固原刚 变形裂坡r卷人气孔合化的吸弋件析出气扌L图2-1充型能力的主要因素有：1合金的流动性 合金的流动性是液态合金本身的流动能力，它是影响充型能力的主要因素之。流动性越好，液态合 金充填铸型的能力越强，越易于浇注 出形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件；利于液态合金中的气 体和熔渣的上浮和排除；易于对液态合金在凝固过程中所产生的收缩进行补缩如果合金的

11、流动性不良，铸 件易产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。合金的流动性大小，通常以浇注的螺旋试样长度来衡量。如图2-2 所示，螺旋上每隔50一有一个小 凸点作测量计算用。在相同的浇注条件 F 浇注出的试样越长，表示合金的流动性越好。*4I试样凸点4利定流动性的蜒加试样不同合金的流动性不同。表21列出了常用铸造合金的流动性。由表2-1 可见，灰口铸铁、硅黄铜 的流动性最好，铸钢的流动性最差。合金1 MUO砂30)t 300铸铁砂5 34砂砂型T鈍200砂420秒表2JC + Si =4.2%镐青钢口0乂 10-3Srt；2M lQ-3Wn)硅黄 S(3xl0-JSi)E000680-720700-80(C

12、 + Si = 6,2%造型材料JOY铝令金硅铝明）金厲埶如常用合金的流动性宦注洱度/弋摞施蛾长度尤聊C + S1 = 5 一9滋7000-600第三章 压力加工成形技术第一节 压力加工方法压力加工是在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原 材料、毛坯或零件的一种加工方法：压力加工主要依靠金属的塑性变形而成形，因此要求金属材料必须具 有良好的塑性。工业用钢和大多数有色金属及其合金均具有一定的塑性，能在热态或冷态 F 进行压力加工 压力加工可生产出各种不同截面的型材（如板材、线材、管材等）和各种机器零件的毛坯或成品（如轴、齿轮、 汽车大梁、连杆等）。现将各种

13、压力加工方法简单介绍如下。一、型材生产方法1轧制生产借助于坯料与轧桃之间的摩擦力，使金属坯料连续地通过两个旋转方向相反的轧辊的孔隙而受压变形的加工方法称为轧制，见图3, 1a)轧制示意图。合理设计轧辊上的孔型，通过轧制可将金属钢锭加工成不 同截面形状的原材料，如图31b)所示，轧制出的型材。b)倒氛1轧間 ./轧制示意国止轧制的型粉塔料2挤压生产 将金属坯料放人挤压模内，使其受压被挤出模孔而变形的加工方法称为挤压。生产中常用的挤压方法 主要有两种。(1) 正挤压金属流动方向与凸模运动方向相一致的称为止挤压，如图32a)所示。(2) 反挤压 金属流动方向与凸模运动方向相反的称为反挤压，如图32b

14、)所示。在挤压过程中，坯料的横截面依照模孔的形状缩小，长度增加，从而获得各种复杂截面的型材或零件，如图 3-3 所示。挤压不仅适用于有色金属及其合金，而且适用于碳钢、合金钢及高合金钢。对于难熔合金，如钨、钼及其合金等脆性材料也能适用。根据挤压时，金属材料是否被加热，挤压又分为热挤压和冷挤压。图32挤压示意图正挤Hub）反挤压图33挤压产品載面形状图3 拉拔生产将金属条料或枠料拉过拉拔的模孔而变形的压力加工方法称为拉拔，如图34a）所示。 拉拔生产主要用来制造各种细线材、薄壁管和各种特殊儿何形状的型材，如图3/b）所示。 多数拉拔是在冷态F进行加工，拉拔的产品尺寸精度较高，衣面粗糙度&校小。塑性

15、高的低 碳钢和有色金属及其合金都町拉拔成形。图34拉拔G拉拔示&图;b）拉拔产品截回形状二.机械零件的毛坯及成品生产（1）自由锻造 白由锻造址将加热后的金属坯料放在上、下砥铁（砧块）之间，在冲击力或 静压力的作用下，使之变形的压力加工方法,如图3九）所示。b)c)图锻造与神压示意图G白由锻造;b）模型敢造；C）冲压第四章 焊接成形技术焊接是现代制造技术中重要的金属连接方法。焊接过程的实质是利用加热或加压等手段，使分离的金属材 料达到原子间的结合，从而形成我们所需要的金属结构。金属构件的连接方式有多种形式，除焊接外，经常采用的还有铆接、粘结、螺栓连接等方式，如图4-1 所示，其中焊接构件强度高、密封性好、工艺简便，且可以焊接复杂的构件。圈4-1各科连接方法韵娜接巾）焊接;小胶接詔）螺栓连扭焊接方法种类很多，应用广泛。如在汽车、造船、锅炉、压力容器、桥梁、建筑、飞机制造、电子等工业部门广泛应用焊