金属材料性能

项目4任务1钢铁材料认识(一)2007-3-12教师:刘小娟

机械材料分类（按化学成分分类）

金属材料(综合性能好，用量最大、应用范围最广)

高分子材料

(质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等)

陶瓷材料

（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于 电器、化工、航空航天等等）

复合材料

（轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）2007-3-12

学习金属材料的目的

（1）获得常用的金属材料、非金属材料的基本知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；

（2）为以后正确设计和合理选材打下基础。

2007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅读读小故事:1867年冬天,俄国彼得堡海军仓库的大批锡砖,一夜之间不翼而飞,留下了泥土一样的灰色粉末.1992年,俄国斯科特探险队的船只,在去南极的途中,天气十分寒冷,可是用于取暖的煤油却漏光了,以致探险队员全部冻死在南极冰原.原来装煤油的铁桶是用锡焊接的,而锡却莫名其妙地化为了灰尘.这是怎么回事呢?2007-3-12

原因:

锡在温度低于-18℃时,体积就会骤然膨胀,原子间空隙加大.如果温度下降到-33℃,这种变化就像传染病一样迅速蔓延.这种现象人们称为锡疫,使整块

的锡很快变成粉末.故事启发:学习金属材料的性能,才能很好的选择和应用金属,尤其是在机械构件材料的合理的选择.本次课我们就来学习金属材料的性能.2007-3-12一、金属材料的常用性能

包括两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）2007-3-12思考问题:图片中的金属制品用途能反应出它们哪些物理性能?（1）密度----密度的大小----分轻重金属，轻金属---铝（应用广）（2）熔点----对冶炼、铸造、焊接、配制合金很重要。（3）导热性----最好是银→铜→铝，导热性好的金属散热性也好。（4）热膨胀性---实际工作中，铺铁轨、桥梁。（5）导电性----最好是银→铜→铝，（工业上用铜、铝作导电材料）。（6）磁性----具有导磁能力的金属都能被磁铁吸引

金属的物理性能【提问】为什么图片中的自行车表面层总是要进行喷漆处理,而淋雨后置久了却会生锈呢?

金属的化学性能（1）耐腐蚀性----常见如钢铁生锈，（腐蚀现象）（2）耐氧化性---焊接等（3）化学稳定性

金属的力学性能定义:

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，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。2007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅

金属的力学性能2007-3-12拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。2.塑性(1)布氏硬度布氏硬度计

(1)布氏硬度适用范围:

＜450HBS;

450-650HBW;当压头为钢球时,硬度符号为HBS；当压头为硬质合金球时,硬度符号为HBW2/3/20232007-3-12(2)洛氏硬度HRh1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS(3)维氏硬度HV

适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;六.冲击韧性(notchtoughness):

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅试样冲断时所消耗的冲击功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，称为冲击韧度。

AK

ak

=(J/cm²)S0七.疲劳强度(fatiguestrength):

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值σ-1

。2/3/20232007-3-12钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb2/3/20232007-3-121943年美国T-2油轮发生断裂2/3/20232007-3-12

金属的工艺性能（1）定义---指各种加工条件下表现出来的性能。（2）各性能的含义①铸造性:常用材料:灰铸铁有优良的铸造性能。②锻压性:塑性好的低碳钢容易锻造成型③焊接性:你碳钢有较好的可焊性，高碳钢（较差）铸铁（更差）④可加工性:

一般认为，硬度过高或过低的金属材料，其切削加工性能较差。机械零件的失效形式2007-3-12填空题:1、

：零件丧失工作能力或达不到要求的性能时，称为

。2、零件不发生失效的安全工作限度称为

。3、机械零件失效的形式有断裂、

、

等形式。谢谢大家3.2

铁碳合金基础知识钢铁是机械工业应用最广泛的金属材料，它主要是由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。不同的钢铁材料其力学性能差别很大，这是由金属内部成分和组织结构决定的。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2.1铁碳合金的组织及性能基本组织：[含碳量、性能、工艺]1.铁素体(F)--碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。

2.奥氏体(A)--碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。3.

渗碳体(Fe3C)--铁与碳形成的金属化合物。

4.珠光体(P)--铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体(Ld)--奥氏体和渗碳体组成的机械混合物

。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅奥氏体组织金相图渗碳体组织金相图珠光体组织金相图莱氏体组织金相图组织金相图2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2.2铁碳合金分类及其室温组织2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2.3碳的质量分数与力学性能的关系铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆（1）含碳量增加，硬度增加（2）含碳量增加，塑性韧性降低（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.3钢的热处理常识热处理的定义:时间温度临界温度

热加保温冷却2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.3.1钢的普通热处理毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅一.钢的退火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。二)目的:

消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅二.钢的正火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。

二)目的:

消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理三.钢的淬火作好组织准备。三）应用范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。

2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅三.钢的淬火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后快速冷却(常用水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅四.钢的回火一)定义:

把淬火后的零件重新加温到

A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。二)目的:

消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。淬火+高温回火=调质处理2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.3.2钢的表面热处理工艺表面淬火化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅一.表面淬火一)定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。二)工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅三)表面淬火用钢:

选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）

2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅2)工艺要求:

*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。

*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:

淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅2.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅二.化学热处理

(ChemicalHeatTreatment)一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅二)化学热处理的基本过程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅三)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅1.钢的渗碳(Carburizeofsteel)1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:表层增加含碳量后，再经过淬火、回火后，获得具有高硬度和耐磨性，而工件心部仍具有高塑性韧性和足够的强度。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。如汽车齿轮、变速轴4)方法:固体、气体、液体渗碳。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅2.钢的渗氮(Nitridationofsteel)1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及提高疲劳强度和抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢。主要用于高硬度、高精度的精密零件，如阀门、精密机床主轴。4)方法:气体渗氮。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。长55.7厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。2/3/20232007-3-12《第3章机械工程材料基础》——陈君梅

渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需要热处理处理时间(h)处理温度(℃)名称需要