项目二 常用金属材料

1、项目二项目二 常用金属材料常用金属材料金属材料的性能金属材料的选用常用金属材料及热处理 任务一任务一 金属材料的性能金属材料的性能一、一、工程材料的种类：工程材料的种类： 钢铁材料钢铁材料: 铁和以铁为基的合金；铁和以铁为基的合金； 1.金属材料金属材料 非铁材料：钢铁材料以外的金属及非铁材料：钢铁材料以外的金属及 其合金。其合金。2.无机非金属材料无机非金属材料3.有机高分子材料有机高分子材料4.复合材料复合材料 常用金属材料常用金属材料常用碳钢的分类：常用碳钢的分类： 低碳钢低碳钢 C% 0.25%C按钢的按钢的C含量分含量分 中碳钢中碳钢 0.25C % 0.6% 高碳钢高碳钢 C% 0

2、.6%C 普通碳素钢：普通碳素钢：S%0.055%，P%0.045% 按钢的按钢的S、P含量分含量分 优质碳素钢：优质碳素钢：S、 P%均均0.04% 高级优质碳素钢：高级优质碳素钢： S%0.03%， P%0.035% 结结 构钢构钢 按主要用途分按主要用途分 工具钢工具钢 特殊性能钢特殊性能钢 专业用钢专业用钢二、金属材料的性能二、金属材料的性能1.金属材料的力学性能金属材料的力学性能 : 金属材料的力学性能是指金属材料在金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭

3、转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。交变应力等）时所表现出的力学特征。 v指标指标 : 弹性弹性 、刚度、强度、塑性、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲硬度、冲击韧性击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。、断裂韧度和疲劳强度等。金属材料的力学性能金属材料的力学性能 表表3.1 常用金属材料的力学性能指标常用金属材料的力学性能指标金属材料的力学性能金属材料的力学性能强度强度 材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的能力。 工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(s)和抗拉强度(b)等； 金属材料的强度是通过拉伸实验测定出来的 一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆

4、形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0金属材料的力学性能金属材料的力学性能拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机金属材料的力学性能金属材料的力学性能屈服点与屈服强度Fs当载荷增大到Fs时，拉伸曲线呈直线状，即试样所承受的载荷几乎不变，但产生了较为明显的塑形变形，材料的这种现象称为屈服现象屈服强度是指在外力作用下开始产生明显塑形变形的应力，用s表示。s= FsA0（MPa)Fs试样产生塑形变形时的载荷，即拉伸曲线中s点所对应的外力（N）A0试样的原始横截面积（mm2）s屈服强度是指在外力作用下开始产生明显塑形变形的应力，用s表示。金属材料的力学性能金属材料的

5、力学性能抗拉强度bseFb抗拉强度是指金属材料断裂前所承受的最大应力，又称强度极限，常用b表示。b= FbA0（MPa)Fs试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线中b点所对应的外力（N）sbA0试样的原始横截面积（mm2）屈服强度和抗拉强度，在选择金属材料和机械设计时有重要意义，金属材料必须在小于其s的条件下工作，否则会引起零件的塑形变形；金属材料也不能在超过其b的条件工作，否则会导致零件的毁坏。金属材料的力学性能金属材料的力学性能塑形 ：材料在载荷作用下，产生塑形变形而不被破坏的能力。1.断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原标距长度的百分比，用符号表示。=S1-S0S0 L

6、0试样的原始标距（mm） L1试样拉断后的标距（mm）2.断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示。=L1-L0L0 S0试样的原始横截面积（mm2） S1试样拉断后的横截面积（mm2）塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。 10% 属塑性材料金属材料的力学性能金属材料的力学性能硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑形变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据。材料的硬度越高，则耐磨性越好，故将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一硬度布氏硬度 HB洛氏硬度 HR维氏硬度

7、 HV金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.布氏硬度(1) 试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的实验力P压入试样表面，保持规定的实验时间后卸载实验力，在试样表面留下球形压痕，布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示。用淬火钢球做压头时，布氏硬度符号用HBS表示；用硬质合金球做压头时，布氏硬度用符号HBW表示。 布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不标出单位 金属材料的力学性能金属材料的力学性能（2）硬度表示方法及应用淬火钢球用于测定HBS450的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材。硬质合金钢球用于测定HBW650的金属材料。 布

8、氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.洛氏硬度（1）实验原理用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。洛氏硬度计金属材料的力学性能金属材料的力学性能3.维氏硬度维氏硬度实验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136的正四棱锥体。试验时，根据试样大小、厚薄选用（5120）9.8N载荷压入试样表面，保持一定时间后去除载荷，用附在试验机上测

9、量压痕对角线长度d，然后查表或根据下式计算维氏硬度值。21.85440.102FFHVAd适用于测量表面强化处理的机械零件和很薄的产品。HVHBS金属材料的力学性能金属材料的力学性能韧性材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的重用指标为冲击韧度。冲击韧度通常采用摆锤冲击试验机测定。金属材料的力学性能金属材料的力学性能疲劳极限零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。当应力下降到某值后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度。即：疲劳强度（

10、-1）是指金属材料在无数次循环载荷作用下不至于引起断裂的最大应力。-1Nn21N1N2NnNc钢材 N=107有色金属 N=108-1 = (0.450.55) b1.2 金属材料的物理和化学性能1.物理性能 材料固有的一些属性称为物理性能密度 单位体积的质量 kg/m3。轻金属 5103 kg/m3重金属 5103 kg/m3熔点 金属由固态转变为液态的温度。易熔金属 700难熔金属 700导电性 传动电流的能力。AgCuAl导热性 传动热量的能力。AgCuAl金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.化学性能 金属与周围介质接触时，抵抗发生化学或电化学反应的性能。 耐腐蚀性能 金属材料在常温

11、下抵抗周围介质侵蚀的能力。 抗氧化性 金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力 任务二任务二 金属材料的选用金属材料的选用 一、一、零件的失效零件的失效及选用及选用 失效失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完状、或材料的组织与性能发生变化而不能完全全地完成指定的功能。地完成指定的功能。表表11.1 零件失效的模式及其失效机理零件失效的模式及其失效机理 一、失效形式一、失效形式 常见的失效形式有常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效变形失效、断裂失效、表面损失失效及材料的老化失效及材料的老化失效等。等。1 1、变形失效

12、、变形失效 （1 1）弹性变形失效）弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效。不恰当的弹性变形量导致失效。 防止弹性畸变的防止弹性畸变的主要措施主要措施：增加零件截面、采用弹性模增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。量高的材料，防止超载。 （2 2）塑性变形失效）塑性变形失效 外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形变形( (永久变形永久变形) )。 防止零件塑性变形失效的措施：防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。料，进行合理的热处理，防止超载。 2 2、断裂失效、断裂失

13、效 断裂失效断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。机械零件因断裂而产生的失效。（1 1）韧性断裂失效韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。（2 2）脆性断裂失效脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。 疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受

14、的应力低于材料的在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。称金属的疲劳断裂。v低应力脆性断裂失效低应力脆性断裂失效 v石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力在工作应力远远低于材料的屈服应力远远低于材料的屈服应力作用下，由作用下，由于材料自身固有的于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂形的突然断裂，称为，称为低应力脆性断裂低应力脆性断裂。 v低应力脆性断裂按其断口的形貌可分

15、为低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂解理断裂和和沿晶断裂沿晶断裂。 解理断口解理断口沿晶断口沿晶断口v3 3、表面损失失效、表面损失失效v由于由于磨损、疲劳、腐蚀磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所等原因，使零部件表面失去正常工作所须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效表面损伤失效。 v 磨损磨损(wear)(wear)失效失效v任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现损，造成零部件尺寸变化、精

16、度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。象称为磨损失效。v 腐蚀腐蚀(corrosion)(corrosion)失效失效v由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。的失效称为腐蚀失效。v 表面疲劳失效表面疲劳失效v 表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。成的失效。v4 4、材料的老化、材料的老化v 高分子材料在贮存和使用过程中发

17、生高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失从而失去原有性能指标的现象去原有性能指标的现象，称为，称为高分子材料高分子材料的老化的老化。老化是高分子材料不可避免的。老化是高分子材料不可避免的。v二、失效原因二、失效原因v 造成零部件失效的原因很多，主要有造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用设计、选材、加工、装配使用等因素。等因素。v1 1、设计不合理、设计不合理 v2 2、选材错误、选材错误v3 3、加工工艺不当、加工工艺不当 v4 4、装配使用不当、装配使用不当v三、失效分析三、失效分析 v1 1、失效分析的、失效分

18、析的一般程序一般程序v 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。v 调查零部件的服役条件和失效过程。调查零部件的服役条件和失效过程。v 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。计、加工、安装、使用维护等方面的资料。v 试验研究试验研究 第二节第二节 零部件的选材零部件的选材v一、选材的基本原则一、选材的基本原则 v1 1、使用性能原则、使用性能原则 v材料的使用性能应满足使用要求。材料的使用

19、性能应满足使用要求。使用性使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的能指零件在使用状态下材料应该具有的机机械性能、物理性能、化学性能。械性能、物理性能、化学性能。v2 2、工艺性能原则、工艺性能原则 v材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。（1 1）金属材料的工艺性能）金属材料的工艺性能 金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线v（2 2）高分子材料工艺性能）高分子材料工艺性能v高分子材料的加工工艺比较简

20、单，主要是成形加高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。 高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 v（3 3）陶瓷材料的工艺性能）陶瓷材料的工艺性能v 陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉

21、浆成形、压制成形、挤压艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。成形、可塑成形等。v 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线 v3 3、经济性原则、经济性原则 v满足使用性能要求的前提下，满足使用性能要求的前提下，采用便采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。最大的经济效益。材料的相对价格选择材料的基本过程选择材料的基本过程v二、典型零部件选材及工艺分析二、典型零部件选材

22、及工艺分析 v 齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材v1 1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。求。v 齿轮的齿轮的工作条件工作条件：啮合齿表面承受较大的既啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。受较大的弯曲疲劳应力。换挡、启动、制动或换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。啮合不均匀时，承受冲击载荷。v 齿轮的齿轮的主要失效形式主要失效形式：断齿：除因过载（主断齿：除因过载

23、（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。劳应力造成的。齿面磨损：由于齿面接触区的磨齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。擦，使齿厚变小、齿隙加大。接触疲劳；在交变接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。成麻点。v 对齿轮材料的对齿轮材料的性能要求性能要求：高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度；高的耐磨性和接触疲劳强度；高的耐磨性和接触疲劳强度；轮齿心部要有足

24、轮齿心部要有足够的强度和韧性。够的强度和韧性。v2 2、典型齿轮的选材、典型齿轮的选材v 变速箱变速箱齿轮齿轮 变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。无强烈冲击。 一般可选中碳钢一般可选中碳钢(45(45钢钢) )制造，制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢金钢(40Cr(40Cr钢钢) )。机床变速箱齿轮机床变速箱齿轮 工艺路线为工艺路线为： 下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精

25、加工-高频高频淬火及低温回火淬火及低温回火-精磨。精磨。v（2）汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮v与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受受力较大，受冲击频繁力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。，因而对性能的要求较高。v这 类 齿 轮 通 常 使 用这 类 齿 轮 通 常 使 用 合 金 渗 碳 钢合 金 渗 碳 钢 （ 例 如 ：（ 例 如 ：20CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。v其工艺路线为：备料其工艺路线为：备料锻造锻造正火正火机械加工机械加工渗碳渗碳淬火淬火+ +低温回大低温回大喷丸喷丸磨削磨削装配。装配

26、。 v 轴类零部件的选材轴类零部件的选材v1 1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。v 轴的轴的工作条件：工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。载荷的作用。轴颈承受较大的磨擦。轴颈承受较大的磨擦。承受一承受一定的过载或冲击载荷。定的过载或冲击载荷。v 轴的主要轴的主要失效形式失效形式：疲劳断裂疲劳断裂 由于受交变由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要

27、的失效形式。疲劳断裂，这是最主要的失效形式。断裂失效断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。磨损失效磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。寸发生变化。v 对轴用材料的对轴用材料的性能要求：性能要求：高的疲劳强度，以高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。防止疲劳断裂。良好的综合力学性能，以防止冲良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。击或过载断裂。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。v2 2、典型轴的选材、典型轴的选材 v 轴轴 v 主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载

28、荷和主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。 v C620C620车床主轴可选用车床主轴可选用4545钢钢，经调质处理后，经调质处理后，硬度为硬度为220250HB220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为硬度为46-54HRC46-54HRC。 v其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料锻造锻造正火正火粗机械加工粗机械加工调质调质精机械加工精机械加工表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火磨削磨削装配装配 v

29、汽轮机主轴汽轮机主轴 v汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。扭转载荷及离心力和温度的联合作用。 v因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在对于在500500以上工作的主轴还要求其材料具以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。有一定的高温强度。 v对于工作在对于工作在450450以下的材料，如果汽轮机功率较小以下的材料，如果汽轮机功率较小12000kW12000kW12000kW），且主轴尺寸较大，则须），且主轴尺寸较大，则须选用选用35CrMo35CrMo钢钢，以提高淬透性。对于工作在，以提高淬透性。对于工作在500500以以上的主轴，由于汽轮机功率大（上的主轴，由于汽轮机功率大（125000kW125000kW），要求），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用选用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA钢钢，低压主轴选用，低压主轴选