机械基础 PPT课件第二章

1、常用金属材料与钢的热处理概述第二章知识目标 掌握金属材料的力学性能 掌握常用金属材料的分类、性能和牌号 掌握钢热处理的基本知识技能目标 掌握拉伸试验和硬度试验的基本操作 了解热处理对碳钢力学性能的影响本章内容金属材料的力学性能 1常用金属材料 2技能训练 43钢的热处理概述2.1 金属材料的力学性能 概念 载荷 属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。变形 金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形（可以恢复的变形）和塑性变形（永久变形）两种。应力 金属材料受外力作用时，内部产生的阻止变形且与外力相等的抗力称为内力。单位面积上的内力称为应力。金属受拉伸载

2、荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力按下式计算：【基础知识】 静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。交变载荷：大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 力学性能 金属材料在外力作用下表现出来的性能称为金属材料的力学性能。力学性能一般包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。强度 金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的内力称为强度。在机械制造中常用屈服强度和抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。强度指标通常用拉伸试验方法测定。 屈服强度 S 抗拉强度S 塑性 金属材料断裂前产生永久变形的能力称为塑性。金属材料常用的塑性指标是伸长

3、率和断面伸缩率。塑性指标也是由拉伸试验测定的。伸长率 断面收缩率 硬度 材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。根据测量方法不同，硬度指标可分为布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度(HV)三种。 工程上应用较为普遍的是布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度主要用于较软材料的测量，洛氏硬度主要用于较硬材料的测量。 冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。 冲击韧性的衡量指标是冲击韧度。冲击韧度是指冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸收功，用符号K表示。冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好，反之，脆性越大。材料的冲击韧度与温度有关，温度越低，冲击韧度越

4、小，冲击韧性越差。疲劳强度 金属材料在无数次重复的交变应力作用下而不被破坏的最大应力称为疲劳强度，也称疲劳极限，用符号r。实际上，金属材料不可能作无数次交变应力试验。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次（有色金属、不锈钢等取108周次）而不断裂的最大应力为疲劳强度。当应力为对称循环时，疲劳强度用符号-1表示。2.2 常用金属材料2.2.1碳素钢 碳素钢的分类 1、按钢的含碳量分类低碳钢：含碳量0.60%2、按钢的质量分类根据钢中有害杂质硫、磷含量的多少可分为：普通质量钢：S0.05% P0.045%优质钢： S0.035% P0.035%高级优质钢：S0.025% P0.025%特级质量钢

5、：S0.015% P0.025% 3、按钢的用途分类结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件，其含碳量一般都小于0.70%。工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具，其含碳量一般都大于0.70%。4、按冶炼时脱氧程度的不同分类沸腾钢：脱氧程度不完全的钢。镇静钢：脱氧程度完全的钢。半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。碳素钢的牌号及用途 1、普通碳素结构钢组成：拼音字母“Q”、屈服强度、质量等级符号和脱氧程度符号四个部分按顺序组成（例如Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢）用途：用于建筑结构或一些受力不大的机械零件。2、优质碳素结构钢组成：两位数字（钢平均含碳量的万分数

6、）表示 （45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢 ）。用途：制造重要的机械零件，使用前一般都要经过热处理来改善力学性能。3、碳素工具钢 组成：汉语拼音字母“T”加数字表示 。（如T8表示平均含碳量为0.80%的碳素工具钢，T12A表示含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。）用途：制造刀具、模具和量具 4、铸造碳钢组成：用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成。第一组数字表示屈服强度数值，第二组数字表示抗拉强度数值。如ZG200-400表示屈服强度不小于200MPa，抗拉强度不小于400MPa的铸造碳钢。 用途：制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件，如轧钢机机架、

7、水压机横梁、锻锤和砧座等 2.2.2合金钢 合金钢的分类 1、按用途分类：合金结构钢：用于制造机械零件或工程结构的钢。合金工具钢：用于制造各种工具的钢。特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。2、按所含合金元素总含量分类：低合金钢：合金元素总含量10%合金钢的分类和牌号1、低合金高强度结构钢 拼音字母“Q”、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分组成，如Q390A表示屈服强度为390MPa的A级低合金高强度结构钢。2、合金结构钢 采用两位数字加元素符号加数字表示。前面两位数字表示钢平均含碳量的万分数，元素符号表示钢中含有的主要合金元素，后面的数字

8、则表示该元素平均含量的百分数，若合金元素含量小于1.5%时，不标注。 （60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素硅平均含量为2%，锰平均含量小于1.5%的合金结构钢） 3、合金工具钢 合金工具钢牌号用一位数字加元素符号加数字表示。前面数字表示钢中平均含碳量的千分数，当含碳量大于等于1.0%时，不标注。元素符号后面数字表示该合金元素的百分含量；若含量小于1.5%时不标注。如9SiCr表示平均含碳量为0.90%，主要合金元素为Si、Cr，且含量均小于1.5%的合金工具钢。Cr12MoV表示平均含碳量大于或等于1.0%，主要合金元素铬的平均含量为12%，Mo和V的含量均小于1.5%。高

9、速钢属于合金工具钢 4、特殊性能钢 与合金工具钢的表示方法类似。如不锈钢2Cr13表示含碳量为0.20%，平均含Cr量为13%。当含碳量为0.03%0.10%时，含碳量用0表示，含碳量小于等于0.03%时，用00表示。如0Cr18Ni9的平均含碳量为0.03%0.10%，00Cr30Mo2钢的平均含碳量小于0.03%。2.2.3铸铁 铸铁的分类1、根据碳存在的形式不同，铸铁可分为以下几种： (1)白口铸铁 (2)灰铸铁 (3)麻口铸铁 2、根据石墨形态的不同，铸铁可分为以下几种： (1)灰铸铁 (2)可锻铸铁 (3)球墨铸铁 (4)蠕墨铸铁铸铁的性能特点及牌号 (1)灰铸铁组成：由“灰铁”两字

10、的汉语拼音字母字头“HT”加一组数字组成，这组数字表示最低抗拉强度。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。 特点：具有良好的铸造性和切削加工性，较高的耐磨性、耐压性、减震性，且具有一定强度，应用十分广泛。(2)可锻铸铁组成：由“可铁”两字的汉语拼音字母字头“KT”加可锻铸铁类别再加两组数字组成，这两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。可锻铸铁类别有H（黑心）、B（白心）、Z（珠光体）。如KTZ45006表示最低抗拉强度为450MPa,最低伸长率为6%的珠光体可锻铸铁。特点：具有较高的强度，塑性和韧性相比灰铸铁也有很大提高，但并不能锻造，广泛应用于汽车、拖拉机制造行业，常用于制

11、造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁、中小型零件。(3)球墨铸铁特点：球墨铸铁具有良好的力学性能和工艺性能，且能通过热处理使其力学性能在较大范围内变化，有时可代替铸钢制造一些受力复杂，强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件。组成：由“球铁”两字的汉语拼音字母字头“QT”加两组数字组成，这两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。如QT40018表示最低抗拉强度为400MPa,最低伸长率为18%的球墨铸铁。(4)蠕墨铸铁特点：是一种新型结构材料，性能介于优质灰铸铁和球墨铸铁之间，抗拉强度和疲劳强度相当于球墨铸铁，减震性、导热性、耐磨性、切削加工性和铸造性接近灰铸铁，主要用于制造一些承受循环载荷、要求组

12、织致密、强度较高、形状复杂的零件。组成：蠕墨铸铁牌号由“RUT”加一组数字组成，这组数字表示最低抗拉强度。如RUT340表示最低抗拉强度为340MPa的蠕墨铸铁。2.2.4 有色金属1、铜及其合金（1）纯铜 纯铜呈紫红色，又称为紫铜，具有良好的导电性、导热性、塑性及抗蚀性。 纯铜的牌号由“T”加顺序号组成，如T1、T2、T3，顺序号越大，纯度越低。（2）铜合金 常用的铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。2、铝及其合金 密度小、塑性好，且具有良好的导电性、抗腐蚀性和加工工艺性能。 纯铝的牌号由“L”加顺序号组成，如L1、L2L6，顺序号越大，纯度越低。 3、钛及其合金 是一种新型结构材料，密度小、

13、强度高、耐高温、抗腐蚀、资源丰富。4、轴承合金 制造滚动轴承的材料，具有足够的强度、硬度、塑性、韧性以及疲劳强度，良好的耐磨性、导热性及耐腐蚀性。2.3 钢的热处理概述钢的退火定义：将钢加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。目的：降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。细化晶粒，均匀组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。消除残余应力，防止变形和开裂。常用的退火方法：完全退火、球化退火、去应力退火等。钢的正火定义：将钢加热到适当温度，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。目的：正火与退火的目的基本相同，但正火冷却速度比退火稍快

14、，故正火钢组织较细，强度、硬度比退火钢要高。比较：正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下优先选用正火，但正火冷却速度较快，在零件形状较复杂时，易引起开裂，应采用退火。钢的淬火 定义：将钢加热到适当温度，保温一定时间后快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。目的：淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨性，但淬火后会降低钢的韧性，易引起开裂，因此淬火后必须配以适当的回火。钢的回火 定义：将淬火钢加热到适当温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。目的：提高钢的韧性，调整强度和硬度以获得较好的综合力学性能。稳定内部组织，以保证工件的几何精度。消除残余应力，

15、防止工件变形和开裂。 回火时，决定钢的组织和性能的主要因素是回火温度。根据回火温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。钢正火与调质状态的力学性能b/MPa/%k/J/cm2HBS正火70080015205080162220调质750850202580120220250钢的表面热处理常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。1.表面淬火 仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。表面淬火的目的是钢的表面获得较高硬度，主要适用于中碳钢、中碳合金钢。如果含碳量太低，淬火后硬度低，而含碳量过高，则容易淬裂。2.化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中保温，是一种或几种元素渗入其表层，

16、以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。化学热处理不仅改变钢的组织，且使钢表层的化学成分也发生变化。化学热处理的目的是改善钢的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和硬度等。常见的化学热处理有渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、碳氮共渗等。2.4 技能训练 碳钢热处理对其力学性能的影响【实验目标】1、了解碳钢热处理的基本操作。2、了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢力学性能的影响。【实验器材】箱式电阻炉、硬度计、淬火水槽和油槽、夹钳等；20、45、T8、T12钢试样若干，已经淬火的45钢试样若干。【实验内容】20、45、T8、T12钢试样的淬火、正火、退火及回火的操作；用硬度计测定试样的硬度

17、。【实验准备】1、常用热处理加热设备。加热炉是热处理的主要设备，其种类很多，常用的加热炉有箱式电炉、井式电炉和盐浴炉等，实验室内多采用小型箱式电炉。2、加热温度。碳钢淬火加热温度可按以下原则选择：亚共析钢（含碳量小于0.77%）加热温度为Ac3以上3050，过共析钢淬火加热温度为Ac1以上3050。表23为常用碳钢的临界点。常用碳钢的临界点钢号Ac1/Ac3/Acm/常用淬火温度/20727835860104572778083010T872780079010T12727895780103、保温时间。碳钢保温时间可根据工件厚度按1min/mm计算。【实验步骤】按不同实验内容分成四组，每组各完成下

18、列一项内容。第一组：（1）领取20、45、T8、T12钢试样各3个。（2）确定各类钢常规淬火加热温度及保温时间。（3）将各试样加热到各自常规淬火加热温度，保温后在水中快速冷却。（4）测定并记录各试样的硬度。第二组：（1）领取45钢试样4个。（2）将4个45钢试样分别加热到650、740、840、950，保温后在水中快速冷却。（3）测定并记录各试样的硬度。第三组：（1）领取45钢试样4个。（2）确定45钢常规淬火加热温度及保温时间。（3）将试样加热到常规淬火加热温度，保温后将4个试样分别以10盐水、油、空气及随炉冷却。（4）测定并记录各试样的硬度。第四组：（1）领取已淬火的45钢试样3个。（2）测定并记录各试样淬火后的硬度。（3）将试样分别加热到180、400、600，保温后0.5h后，在空气中冷却至室温。（4）测定并记录各试样回火后的硬度。 【注意事项】1、实验前应先了解加热炉的结构与炉温调节方法。2、实验时必须注意安全。3、取试样时，开关炉门应尽