机械零件的选材与热处理

项目二机械零件的选材与热处理第一节金属材料的力学性能第一强度第二塑性第三硬度第四

冲击韧性主要内容材料的力学行为

弹性变形、塑性变形和断裂随外力增加，物体会逐渐改变其原始形状和尺寸而发生变形，外力增加到一定数值后，物体将发生断裂。变形和断裂是固体物质受载时，随外力的增加而产生的普遍现象。一、强度1、概念——2、指标——3、意义——抵抗塑性变形和开裂的能力单位面积上所受的力（应力）；弹性极限、屈服强度、抗拉强度大多数机器零件常因过量的塑性变形而失效，若机械零件在工作时所受的应力低于材料的屈服强度，便不会产生过量塑性变形，更不会发生断裂。屈服强度σs

是设计选材的重要依据。左图为拉伸试验机下图为拉伸试验过程中试样的变形及断裂。拉伸曲线分四个阶段弹性变形阶段屈服阶段塑性变形阶段缩颈——断裂阶段注意：塑性好的材料如低碳钢在拉断前发生较大的塑性变形，而脆性材料如灰铸铁、淬火高碳钢等拉断前塑性变形量很小，甚至几乎不发生塑性变形。两种拉伸曲线的区别二、塑性1、概念——2、测试方法——3、指标——4、意义——拉伸试验法在断裂前发生的永久变形的能力。断后伸长率δ和断面收缩率Ψ①.塑性好的材料容易进行压力加工；②.塑性好的材料在工作过程中不会因稍有超载而突然断裂，即更安全可靠。

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%属脆性材料，δ≈5~10%属韧性材料，δ>10%属塑性材料其断口特征如图所示。三、硬度1、概念——2、测试方法——材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。压入法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度硬度测试方法符号常用压头公式测量范围布氏硬度HBS淬火钢球HBS值=F/S较软物、较大件、厚件洛氏硬度HRC120°的金刚石圆锥HRC值=100-h/0.002较硬、可小件、薄件。维氏硬度HV136°的金刚石正四棱锥HV值=0.1891F/d2极软、极硬、薄件厚件均可。轮廓清晰，但测量计算困难，常用于研究。

1.布氏硬度（HBS）常用于测定退火、正火、调质钢、有色金属。缺点是压痕大，易损坏成品的表面，不能测定太薄太硬的物品。2.洛氏硬度HRC常用于测定淬火钢、部分调质钢、硬质合金钢、表面硬化钢，如渗碳钢、渗氮钢，操作简便。3.维氏硬度测量精度高、范围广，但比较麻烦，主要用于研究工作。换算关系——意义——衡量材料的软硬程度，是否耐磨；1）、当硬度在200~600HBS时，10HBS≈1HRC；2）、当硬度小于450HBS时，HBS

≈HV

注意：HBS、HV、HRC只是测试方法而不是单位，硬度数值置前。如170HBS四、冲击韧性1、概念：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。2、测试方法：摆锤冲击弯曲试验法3、指标：冲击韧度值4、意义：当材料强度相差不大时，其冲击韧性越高，则抵抗大能量冲击的能力就越强。摆锤冲击弯曲试验法试样冲断时所消耗的冲击吸收功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak=(J/cm²)S0练习题1、分析下列现象属什么性能不符合要求？紧固螺栓使用后变形伸长。某轴段磨损速度极快。某杆状零件使用时发生突然断裂现象。2、下列说法是否正确？为什么？机械在运行中各零件都承受外加载荷，材料强度高的不会变形，材料强度低的就会变形。材料的强度高，其硬度就高，耐磨性也就好。强度高的材料，塑性都低。弹性极限高的材料，所产生的弹性变形大。任务实施：分析减速器中零件的性能特点。零件名称性能特点带轮齿轮轴输出轴齿轮箱体滚动轴承联轴器螺栓平键本节小结1、强度与塑性是最基本的力学性能指标。硬度在多数情况下与强度的变化方向是一致的。2、冲击韧性取决于材料的强度与塑性，但与塑性的关系更大一些。3、材料的耐磨性主要取决于材料的硬度。第二节铁碳合金工业纯铁虽然塑性好，但强度低，所以很少用它制造机械零件。在工业上应用最广的是铁碳合金。合金的结构1、固溶体——合金结晶成固态时，各组元间会相互溶解，形成的在某一组元的晶格中包含有其它组元的原子的新物质。（相互溶解）2、金属化合物——各组元的原子按一定比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并有一定金属性质的新物质。（相互反应）3、机械混合物——当组成合金的组元，其数量不能完全溶解或完全化合时。铁碳合金的结构：1、固溶体——碳含量较少时：铁素体、奥氏体。2、金属化合物——碳含量较多时，如Fe3C，

Fe2C，FeC，其中后两种太脆。3、机械混合物铁素体α(F)：bcc，C%=0.0218%~0；强度硬度很低，塑性很好。奥氏体γ(A)：fcc，

C%=0~2.11%；具有一定的强度硬度，且塑性仍很好。渗碳体Fe3C:C%=6.69%；硬度很高,但脆性很大,塑性几乎为0，是钢中主要的强化相，不可单独用，一般与F混合使用。珠光体P=F+Fe3C，层片相间。平均C%为0.77%，强度较高，有良好的综合机械性能。但由于F含量较多，所以塑性韧性较为突出。莱氏体：高温Ld=A+Fe3C，低温Ld’=P+Fe3C，平均C%为4.3%，由于Fe3C含量较多，所以硬度高，塑性很差。

固溶体金属化合物机械混合物铁碳合金的结构工业纯铁钢白口铸铁铁碳合金的分类：1）工业纯铁

(ωc＜0.0218%）——组织为铁素体和少量三次渗碳体；2）钢

(ωc=0.0218%-2.11%)，分三类：亚共析钢（ωc＜0.77%）——组织为铁素体和珠光体;共析钢（ωc为0.77%）——组织为珠光体;过共析钢（ωc＞0.77%）——组织为渗碳体和珠光体;3）白口铸铁

(ωc=2.11%-6.69%)，分三类：亚共晶白铁口铸铁（ωc＜4.3%）——组织为珠光体、渗碳体和莱氏体。共晶白口铸铁（ωc为4.3％）——组织为莱氏体。过共晶白口铸铁（ωc＞4.3％）——组织为渗碳体和莱氏体。

白口铸铁：碳全部以渗透碳体（Fe3c）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3c，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料

灰口铸铁；含碳量大于4.3％，铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件

C%与平衡组织间的关系

F→F十Fe3CIII→F十P→P→P+Fe3CII→P十Fe3CII十L′d→L′d→L′d十Fe3CC%与力学性能间的关系碳的质量分数对工艺性能的影响

1）切削加工性低碳钢中F较多，塑性好，切削加工时产生切削热大，易粘刀，不易断屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，故切削加工性也差。中碳钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性较好。

2）可锻性金属可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。当钢加热到高温得到单相A组织时，可锻性好。低碳钢中铁素体多可锻性好，随着碳的质量分数增加金属可锻性下降。白口铸铁无论在高温或低温，因组织是以硬而脆的Fe3C为基体，所以不能锻造。

3）铸造性能低碳钢的液相线温度较高，使钢液过热度较小，流动性较差。随着碳的质量分数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性能变差。共晶成分附近的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且液相线温度也最低，其流动性好，铸造性能好。4）可焊性随着钢中的碳的质量分数增加，钢的塑性下降，可焊性下降。所以，为了保证获得优质焊接接头，应优先选用低碳钢(碳的质量分数＜0.25％的钢）。铁碳相图的应用1、作为选材的重要依据2、在铸造生产上的应用3、在锻压工艺方面的应用4、在热处理方面的应用1.分析加热到1000℃,Wc=0.4%的钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能锻造的原因。

2.指出何种成分的铸铁的铸造性能最好。3.为了保证获得优质焊接接头，应优先选用低碳钢。这是为什么？4.在平衡条件下，45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度、塑性、韧性哪个大，哪个小？变化规律是什么？原因何在？5.试从显微组织方面来说明ωc=0.2%、ωc=0.45%、ωc=0.77%三种钢力学性能有何不同？1.答:加热到1000℃Wc=0.4%的钢是A组织，具有良好的塑性和低的变形抗力，能进行锻造，而Wc=4%的铸铁加热到1000℃时，是A+Fe3C+Ld组织，Fe3C+Ld都是硬相，很脆，不能锻造。3答:焊芯成分中含碳较低，可保证焊缝金属具有良好的塑性、韧性，以减少产生焊接裂纹倾向，改善焊缝的力学性能。根据铁碳合金相图，分析下列现象：Wc=1.2%的钢比Wc=0.45%的钢硬度高;Wc=1.2%的钢比Wc=0.8%的钢硬度低;低温莱氏体硬度高,脆性大.碳钢进行热锻热轧时，都要加热到奥氏体