第2章 金属材料及热处理

第2章工程材料及金属材料的热处理

金属材料的机械性能

2.1工程材料及其应用2.2钢的热处理2.32.1金属材料的机械性能2.1.1材料载荷的形式

1．拉伸拉伸是最常见的一种受力形式。其特点为受力方向沿着物体轴线，且受力方向相背离。桥式起重机上的钢丝绳在吊起重物时主要承受拉伸作用。

2．压缩压缩与拉伸一样，受力方向沿着物体轴线，但是受力方向相对。大型零件的底座在工作中都要承受自身重量带来的压力。3．弯曲当物体受到垂直于其轴线的横向外力作用时，轴线将由直线变为曲线，这就是弯曲。起重机的起重臂、车床上加工的轴都是承受弯曲变形的实例。4．剪切剪切的物体受到大小相等、方向相反、不在同一直线上并且作用距离很近的一对力的作用。剪切力将使物体沿着剪切面发生错动而导致物体破坏。

5．扭转扭转是指物体受到一对大小相等、方向相反、作用面垂直于轴心线的外力偶的作用。转动汽车方向盘、攻丝都是扭转的实例。2.1.2材料的机械性能1．材料的强度（1）强度的概念。强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形（不可恢复变形）和断裂的能力。（2）强度的测定。一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。低碳钢材料的强度大小通过拉伸试验来测定。（3）应力的概念。在载荷P作用下，试样内部产生的大小与外力相等的抵抗力称为内力。（4）抗拉强度。钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。（5）屈服强度。材料拉伸时，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到某一数值后，塑性应变急剧增加，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标。2．材料的硬度（1）硬度的概念。硬度是指金属材料抵抗硬物体压入的能力，或者说金属表面对局部塑性变形的抵抗能力。（2）布氏硬度（HB）。将一定直径的淬火钢球以规定的载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后，卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积S，计算出平均应力值。（3）洛氏硬度（HR）。测量洛氏硬度时，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，经规定时间后，卸除主试验力，由测量的原残余压痕深度增量（h2−h1）来计算硬度值，以符号HR表示。3．材料的冲击韧性（1）认识冲击载荷。金属材料的强度、硬度、塑性都是在静载荷情况下测定金属材料承受变形和破坏的能力。静载荷是指被测金属所受的载荷从零逐渐增加到最大值。（2）冲击韧性的概念。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，其值以冲击韧度表示。其值越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不易断裂。4．材料的疲劳强度（1）认识交变载荷。有许多机械零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧等）在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。（2）认识疲劳强度。疲劳强度是指金属材料在无数次重复交变载荷作用下，能承受不被破坏的最大应力。（3）疲劳破坏的原因。疲劳断裂的原因一般认为是由于材料表面与内部的缺陷造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。5．材料的塑性塑性是指金属材料受力后发生变形而不被破坏的能力。塑性好的材料就像一团橡皮泥，在受力后可以自由变形，但是整体不会破坏分离。（1）塑性的表示。材料的塑性优劣通常用伸长率来表示：（2）塑性的应用。具有良好塑性的金属材料在加工时受到的抗力小，变形充分。

6．材料的刚度（1）刚度的影响因素。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。（2）刚度的应用。分析材料和结构的刚度是工程设计中的一项重要工作。对于一些必须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等）应通过刚度分析来控制变形。2.2工程材料及其应用2.2.1金属材料的分类1.铸铁2.钢2.2.2有色合金材料1．铝合金铝合金密度低，但强度较高，接近或超过优质钢；塑性好，可加工成各种型材，且具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上的使用量仅次于钢。2．铜合金常用的铜合金分为黄铜﹑白铜﹑青铜3大类。黄铜是以锌作主要添加元素的铜合金。生产中常添加如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅及铅等元素来改善普通黄铜的性能。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。白铜是以镍为主要添加元素的铜合金。结构白铜的机械性能和耐蚀性好，色泽美观，广泛用于制造精密机械﹑化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能，用于制造精密电工仪器﹑变阻器以及热电偶等。青铜是铜和锡、铅的合金，具有熔点低、硬度大、可塑性强、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等特点，适用于铸造各种器具、机械零件、轴承和齿轮等。2.2.3工程塑料

2.2.4材料的选用2.3钢的热处理2.3.1热处理概述1．热处理的概念热处理就是把固态金属加热到一定温度，并在这个温度保持一定时间（保温），然后以一定的冷却速度、方式冷却下来，从而改变金属的内部组织，获得预期性能的工艺过程。2．热处理的目的处理不仅可以改善钢的加工工艺性能，更重要的是可以改善其使用性能，特别显著地提高钢的机械性能，并延长其使用寿命，达到充分发挥材料潜力，提高产品质量，延长使用寿命的目的。3．热处理的基本原理因此，各种热处理工艺都要经过加热、保温和冷却3个阶段。（1）加热。加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热温度较低时，材料不发生组织变化；加热温度较高时，材料将发生组织转变。（2）保温。保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。（3）冷却。冷却是热处理的最终工序，也是最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织，从而确保材料获得不同的机械性能。4．热处理的分类和应用5．热处理安全操作规程（1）操作之前，必须穿好工作服，做好防护措施。

（2）操作者应熟悉各类仪器设备的结构和特点，严格按操作规程进行操作。未得到指导人员许可，不得擅自开关电源和使用各类仪器设备。

（3）使用电阻炉前，必须仔细检查电源开关、插座及导线，保证绝缘良好，以防发生漏电、触电事故。（4）必须在断电状态下往炉内装、取工件，并注意轻拿轻放，工件或工具不得接触或碰撞电热元件，更不允许将工件随意扔入炉内。（5）严禁直接用手抓拿热处理工件，应按规定使用专用工具或夹具，并戴好防护手套，以防烫伤。

（6）操作结束后，应关掉总电源，并按规定做好整理工作和场所的清洁卫生工作。2.3.2钢的普通热处理1．退火降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。消除工件中的残余应力，防止变形和开裂。消除缺陷，改善组织，细化晶粒，提高钢的机械性能。消除冷作硬化，提高塑性，以利于继续冷加工。改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造成的成分或组织不均匀，以提高其工艺性能和使用性能。消除前一道工序（铸造、锻造、冷加工等）所产生的内应力，为下道工序的最终热处理（淬火回火）做好组织准备。2．正火对力学性能要求不高的结构、零件可用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。对低、中碳素钢，可用正火作为预备热处理，以调整硬度，改善切削加工性能。从使用性能方面考虑。一些受力不大的工件，力学性能要求不高，可用正火作为最后热处理；对于某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，可用正火代替淬火、回火处理。从经济性方面考虑。由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低，因此，在满足钢的使用性能和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。3．淬火提高钢的硬度及耐磨性。例如量具、模具、刀具等零件，通过淬火可以大幅提高其硬度及耐磨性。这类零件淬火后一般要配合低温回火。提高钢的强韧性，即提高钢的硬度、强度的同时获得较高的塑韧性。如机器中的大部分承载零件（变速箱花键轴、机床主轴、齿轮等）。这类零件淬火后一般要配合高温回火。提高硬磁性，如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁。提高零件的弹性，如各种弹簧。这类零件淬火后一般要配合中温回火。提高钢的耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。4．回火减小和消除淬火时产生的应力与脆性，防止和减小工件变形与开裂。获得稳定组织，保证工件在使用中的形状和尺寸不发生改变。调整工件的内部组织和性能，获得工件所要求的使用性能。2.3.3钢的表面热处理1．表面淬火不改变工件表面的化学成分，只改变表面组织和性能。表面与心部的成分一致，组织不同。表面淬火一般多适用于中碳钢、中碳合金钢，也少量用于工具钢、球墨铸铁等。例如用40、45钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。

零件表面淬火时的工艺路线如下。下料→锻造→退火