第一章_金属材料性能

1、公司公司金属材料与热处理方法选择金属材料与热处理方法选择文本文本文本文本闻道有先后闻道有先后, ,术业有专攻术业有专攻韩愈韩愈师说师说一、课程的性质与作用一、课程的性质与作用文本文本文本文本 金属材料热处理与热加工金属材料热处理与热加工是数控技术专业必修的是数控技术专业必修的技术基础课。该课程理论性较强，新概念较多，同时又技术基础课。该课程理论性较强，新概念较多，同时又与生产实际有着密切联系。主要讲授金属材料典型组织、与生产实际有着密切联系。主要讲授金属材料典型组织、结构的基本概念，金属材料的成分、组织结构变化对性结构的基本概念，金属材料的成分、组织结构变化对性能的影响，热处理的基本类型及简单

2、热处理工艺的制定，能的影响，热处理的基本类型及简单热处理工艺的制定，热加工的基本知识，为学生从事机械设计、制造及相关热加工的基本知识，为学生从事机械设计、制造及相关的工作打下基础。的工作打下基础。 机械制图与测绘机械制图与测绘普通零件铣磨加工普通零件铣磨加工机械结构分析与设计机械结构分析与设计计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助工程图绘计算机辅助工程图绘制制二、课程主要学习内容二、课程主要学习内容1.1.金属材料及性能的认知金属材料及性能的认知2.2.二元合金相图的识读二元合金相图的识读3.3.钢的普通热处理与特殊热处理钢的普通热处理与特殊热处理5. 铸铁材料的认知与了解铸铁材料的认知与了解

3、6.有色金属与粉末冶金材料的认知与了解有色金属与粉末冶金材料的认知与了解 4.4.合金材料的认知与了解合金材料的认知与了解7.热加工工艺的认知与了解热加工工艺的认知与了解 文本文本文本三、应达到的基本要求三、应达到的基本要求1.1.掌握有关金属材料与热处理的基本理论和基本知识掌握有关金属材料与热处理的基本理论和基本知识2.2.掌握常用金属材料的种类、牌号、热处理方法、性能掌握常用金属材料的种类、牌号、热处理方法、性能特点和应用范围特点和应用范围3.3.熟悉常用金属材料的选用方法及热处理工序位置的安排熟悉常用金属材料的选用方法及热处理工序位置的安排方方法法四、课程考核与评价四、课程考核与评价文本

4、文本文本文本期评成绩期评成绩=考勤（考勤（10%）+综合素养（职业素养、综合素养（职业素养、与人合作、自主学习）（与人合作、自主学习）（20%）+作业（作业（10%）+期末笔试（期末笔试（60%）文本文本第一章 金属材料的性能与材料有关的故事之一与材料有关的故事之一 造剑造剑 古代侠士使用著名的宝剑，例举？古代侠士使用著名的宝剑，例举？文本文本文本文本黄帝用女娲补天留下五块黄帝用女娲补天留下五块神石，铸轩辕剑斩杀蚩尤。神石，铸轩辕剑斩杀蚩尤。仁者无敌仁者无敌湛泸剑为仁者之剑湛泸剑为仁者之剑文本文本文本文本泰阿泰阿威道之剑威道之剑干将莫邪干将莫邪挚情之剑挚情之剑文本文本文本文本古代侠士使用著名的

5、宝剑是如何造出来的呢？古代侠士使用著名的宝剑是如何造出来的呢？1.1.到深山中寻找优质铁矿石；到深山中寻找优质铁矿石；2.2.铁矿石炼成生铁铁矿石炼成生铁以生铁为原料以生铁为原料添加相应的化学元添加相应的化学元素，用不同的方法炼成钢素，用不同的方法炼成钢铸剑成坯；铸剑成坯；3.3.在剑坯上进行锤击使之成型在剑坯上进行锤击使之成型 采用：加热采用：加热锤击锤击加热加热锤击锤击 故有成语故有成语“千锤百炼千锤百炼”4.4.高温下趁热，将剑放到冷水中，入水中快速冷却得到成品。高温下趁热，将剑放到冷水中，入水中快速冷却得到成品。原材原材料料冶炼和冶炼和锻造锻造热处理热处理文本文本文本文本 中国古代冶炼

6、技术在春秋中国古代冶炼技术在春秋以前以前, ,处于比较原始的阶段，处于比较原始的阶段，当时使用的冶炼方法称为当时使用的冶炼方法称为“块块炼法炼法”进一步发展到进一步发展到“块块炼渗碳钢炼渗碳钢”这种钢组织紧密、这种钢组织紧密、碳分均匀，适用于制作兵器和碳分均匀，适用于制作兵器和刀具，虽然具有一定的硬度，刀具，虽然具有一定的硬度，但强度差易折断但强度差易折断后进一步后进一步发展到发展到“百炼钢百炼钢”技术，主要技术，主要用于制作宝刀、宝剑。用于制作宝刀、宝剑。文本文本 在西汉中晚期，中国出在西汉中晚期，中国出现新的炼钢技术现新的炼钢技术“炒钢炒钢”，其基本方法是将生铁加热其基本方法是将生铁加热成

7、半液体和液体状，然后成半液体和液体状，然后加入铁矿粉，同时不断搅加入铁矿粉，同时不断搅拌，利用铁矿粉和空气中拌，利用铁矿粉和空气中的氧去掉生铁中的一部分的氧去掉生铁中的一部分碳，使生铁中的碳含量降碳，使生铁中的碳含量降低，去渣，直接获得钢，低，去渣，直接获得钢，这就是炒钢技术。这就是炒钢技术。文本文本 中国南北朝时期，著名冶金家綦毋怀文发明灌钢法：选用中国南北朝时期，著名冶金家綦毋怀文发明灌钢法：选用品位比较高的铁矿石，冶炼出优质生铁，然后，把液态生铁品位比较高的铁矿石，冶炼出优质生铁，然后，把液态生铁浇注在熟铁上，经过几度熔炼，使铁渗碳成为钢，綦毋怀文浇注在熟铁上，经过几度熔炼，使铁渗碳成为

8、钢，綦毋怀文以此法制成著名的以此法制成著名的“宿铁刀宿铁刀”，此时钢接近现代钢。，此时钢接近现代钢。同百炼法或炒炼法比较，其优点：同百炼法或炒炼法比较，其优点：（1)1)生铁作为一种渗碳剂，因熔化后温度高，加速向熟铁中渗碳的速度，生铁作为一种渗碳剂，因熔化后温度高，加速向熟铁中渗碳的速度，缩短冶炼时间，提高生产率。缩短冶炼时间，提高生产率。(2)(2)熟铁因为碳的渗入而成为钢，生铁由于脱碳也可以变成钢，增加了钢的熟铁因为碳的渗入而成为钢，生铁由于脱碳也可以变成钢，增加了钢的产量。产量。(3)(3)在高温下，液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生反应，在高温下，液态生铁中的碳、硅、锰等

9、与熟铁中的氧化物夹杂发生反应，去除杂质，纯化金属组织，提高金属品质。去除杂质，纯化金属组织，提高金属品质。(4)(4)灌钢法操作简便，容易掌握。要想得到不同含碳量的钢，只要把生铁和灌钢法操作简便，容易掌握。要想得到不同含碳量的钢，只要把生铁和熟铁按一定比例配合好，加以熔炼，就可获得。熟铁按一定比例配合好，加以熔炼，就可获得。文本文本 古代英雄的宝剑古代英雄的宝剑“削铁如泥削铁如泥”含义包括了宝剑机械性含义包括了宝剑机械性能中的能中的“硬度硬度”和和“韧性韧性”两个性能。单纯的提高某一两个性能。单纯的提高某一机械性能指标值并不好，现代科学的观点机械性能指标值并不好，现代科学的观点“好好”的标准的

10、标准即即“经济适用经济适用”。使用性能：材料在使用过程中所表现的性能，包括机械使用性能：材料在使用过程中所表现的性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在制造加工过程中所表现的性能。包括工艺性能：材料在制造加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。第一章 金属材料的性能文本文本材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的

11、变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机先谈谈“硬度”文本文本一、强度一、强度1.1.强度是指金属材料在载荷作强度是指金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度是机械零件在设计、力。强度是机械零件在设计、加工、使用过程中的主要性能加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主指标，特别是选材和设计的主要依据。要依据。 强度指标一般可以通过金强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上，然后对试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。形直到拉断为

12、止。金属拉伸试验机金属拉伸试验机文本文本2.2.拉伸试验：拉伸试验：拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86GB6397-86）长试样：长试样：L L0 0=10d=10d0 0短试样：短试样：L L0 0=5d=5d0 0文本文本拉伸曲线：拉伸力与伸长量的关系曲线拉伸曲线：拉伸力与伸长量的关系曲线OE弹性变形阶段弹性变形阶段ES屈服阶段屈服阶段BK颈缩现象颈缩现象SB强化阶段强化阶段低碳钢低碳钢文本文本LF0 0 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象文本文本ossSF3.3.强度指标

13、强度指标屈服强度：使金属材料产生明显塑性变形的最小应力，屈服强度：使金属材料产生明显塑性变形的最小应力，用符号用符号s s表示。表示。计算公式：计算公式：强度极限：材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号强度极限：材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号b b表示。表示。计算公式：计算公式：OssSFoBbSF s和和b b都是强度指标，如金属强度极限高，同等条件下都是强度指标，如金属强度极限高，同等条件下零件的尺寸可减小，重量减轻；或在较大载荷下不发生过零件的尺寸可减小，重量减轻；或在较大载荷下不发生过量塑性变形和破坏，能保持正常工作。量塑性变形和破坏，能保持正常工作。文本文本二、塑性二、塑性1

14、.1.塑性：金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断塑性：金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力，塑性指标也是通过金属拉伸试验来测定。裂的能力，塑性指标也是通过金属拉伸试验来测定。断后伸长率断后伸长率：试样拉断后的标距伸长量和原始标距之：试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比比计算公式：计算公式：断面收缩率断面收缩率：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比截面积之比计算公式：计算公式：001lll 010SSS 有颈缩则为塑性材料，否则为脆性材料；塑性好的材料易进行压力有颈缩则为塑性材料，否则为脆性材料；塑性好的材料易进行压力加工（冲压、锻

15、造等），也易于焊接，制成的零件不易出现突然断裂。加工（冲压、锻造等），也易于焊接，制成的零件不易出现突然断裂。文本文本三、硬度1.1.硬度：材料抵抗表面硬度：材料抵抗表面局部塑性变形的能力。局部塑性变形的能力。布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBSHBS表示，适用于布氏表示，适用于布氏硬度值在硬度值在450450以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBWHBW表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬度在度在650650以下的材料。以下的材料。文本文本 符号符号HBSHBS或

16、或HBWHBW之前的数之前的数字表示硬度值字表示硬度值, , 符号后面的符号后面的数字按顺序分别表示球体直数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。径、载荷及载荷保持时间。如如 120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载荷作）载荷作用下保持用下保持30s30s测得的布氏硬测得的布氏硬度值为度值为120120。文本文本 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大缺点：压痕大, ,不能用于太薄件、成品件及比压头

17、还硬不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。的材料。 适用于测量退火、正火、调质钢适用于测量退火、正火、调质钢, , 铸铁及有色金属的硬铸铁及有色金属的硬度。度。 材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: : b b(MPa)3.6HB(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa)3.4HB(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b b(MPa)1HB(MPa)1HB或或 b b(MPa(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁文本文本加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸

18、除主载荷读硬度值读硬度值洛氏硬度洛氏硬度文本文本洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=C-bd/0.002h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计文本文本 符号符号HRHR前面的数字为硬度值，前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺后面为使用的标尺 HRAHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, , 如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层。质合金、表淬层和渗碳层。 HRBHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, , 如有如有色金属和退火、正火钢等。色金属和退火、正火钢等。 HRCHRC用于测量中等硬度材料，如用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬

19、火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕文本文本与材料有关的故事之二与材料有关的故事之二听音乐听音乐文本文本四、冲击韧性四、冲击韧性 1912 1912年年4 4月月1010日，泰日，泰坦尼克号从英国南安普坦尼克号从英国南安普敦出发，目的地为美国敦出发，目的地为美国纽约，开始了这艘纽约，开始了这艘“梦梦幻客轮幻客轮”的处女航。的处女航。4 4月月1414日晚日晚1111点点4040分，泰分，泰坦尼克号在北大西洋撞坦尼克号

20、在北大西洋撞上冰山上冰山, ,拦腰整体断裂。拦腰整体断裂。建造中的建造中的Titanic 号号两小时四十分钟后两小时四十分钟后沉没，由于只有沉没，由于只有2020艘救生艇，艘救生艇，15231523人葬身海底，造成了人葬身海底，造成了当时在和平时期最严重的一次航海事当时在和平时期最严重的一次航海事故。电影泰坦尼克号就是根据这故。电影泰坦尼克号就是根据这一真实海难而改编。一真实海难而改编。文本文本 泰坦尼克号全长约泰坦尼克号全长约269.06269.06米米、宽宽28.1928.19米米，排水量达到了规模，排水量达到了规模空前的空前的6600066000吨吨，耗资，耗资75007500万英万英镑

21、，其巨大和奢华当时堪称空前。镑，其巨大和奢华当时堪称空前。 “ “永不沉没永不沉没”的泰坦尼克号沉的泰坦尼克号沉没之谜？没之谜？事件发生过程：瞭望员打瞌睡事件发生过程：瞭望员打瞌睡发现发现采取措施采取措施早：避免沉船发生；早：避免沉船发生；晚晚: :船头直接撞上冰川；船头直接撞上冰川；实际：拦腰撞断，船舱（水密舱）进水，沉没。实际：拦腰撞断，船舱（水密舱）进水，沉没。文本文本疑团一：为保险索赔而人为制造的恶性事件疑团一：为保险索赔而人为制造的恶性事件疑团二：与船体材料有直接关系，对金属材料存在误区疑团二：与船体材料有直接关系，对金属材料存在误区 当时一味提高钢板的硬度，而忽略了钢板的当时一味提高钢板的硬度，而忽略了钢板的韧性韧性。且。且当时的炼钢技术并不十分成熟，炼出的钢铁在现代的标当时的炼钢技术并不十分成熟，炼出的钢铁在现代的标准根本不能造船。泰坦尼克号上所使用的钢板含有许多准根本不能造船。泰坦尼克号上所使用的钢板含有许多化学杂质硫化锌，加上长期浸泡在冰冷的海水中，使得化学杂质硫化锌，加上长期浸泡在冰冷的海水中，使得钢板更加脆弱。钢板更加脆弱。文本文本1.1.冲击韧性：指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧性：指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 指标为冲击韧性指标为冲