第二章 金属材料与热处理基础(汽车机械基础教案)

学习目的：经过本章的学习具备所必需的汽车所运用的金属资料根本知识。学习要求：掌握金属的力学性能目的及常用数据。掌握钢的热处置的根本知识及常用的热处置方法、工艺特点和运用范围。掌握常用的机械工程资料类型、牌号、力学性能及用途。初步具有选择工程资料的才干。第二章金属资料与热处置根底第一节金属的力学性能资料的力学性能是指资料在外力作用下所表现出来的特性。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。一、强度强度是指金属资料在载荷作用下抵抗变形和破坏的才干。强度目的普通可以经过金属拉伸实验来测定。把规范试样装夹在实验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，实验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。此曲线叫做拉伸曲线。1．拉伸曲线图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐标表示绝对伸长量△L，单位为mm。从图2-1中可以看出下面几个变形阶段：〔1〕Oe———弹性变形阶段 〔2〕es———屈服阶段 〔3〕sb———强化阶段 〔4〕bk———缩颈阶段 2．强度目的资料遭到外力作用会发生变形，同时在资料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa〔帕〕，即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。〔1〕屈服点σs资料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。σs=Fs/AO〔2-1〕式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。对于无明显屈服景象的金属资料〔如高碳钢、铸铁〕，丈量屈服点很困难，工程上经常采用剩余伸长为0.2％原长时的应力σ0.2作为屈服强度目的，称为规定剩余伸长应力。σ0.2=F0.2/AO〔2-2〕〔2〕抗拉强度σb资料在拉断前所接受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示资料抵抗均匀塑性变形的最大才干，也是设计机械零件和选材的主要根据。σb=Fb/AO〔2-3〕式中，Fb是试样断裂前所接受的最大载荷〔N〕。二、塑性金属资料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的才干称为塑性。经过拉伸实验测得的常用塑性目的有：断后伸长率和断面收缩率。1．断后伸长率δ试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比δ=(L1—L0)/L0×100％〔2-4〕式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。2．断面收缩率ψ试样拉断处ψ=×100％横截面积的缩减量与原始横截面积之比ψ==(A0—A1)/AO×100％〔2-5〕式中，Ao是试样的原始横截面积；A．是试样断口处的横截面积。三、硬度硬度是指资料外表抵抗部分塑性变形、压痕或划痕的才干。常用来测定硬度的方法有布氏硬度实验法和洛氏硬度实验法。1．布氏硬度实验法如图2-2所示采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下，压入被测金属外表，坚持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的外表积，压痕单位外表积上所接受的平均压力〔F/A〕即为布氏硬度值，压头为淬火钢球时用HBS表示，压头为硬质合金球用时HBW表示。例如120HBS，450HBW。2．洛氏硬度实验法采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头．如图2-3所示。实验时先施加初载荷，使压头与试样外表接触良好，保证丈量准确，再施加主载荷，坚持到规定的时间后再卸除主载荷，根据压痕的深度来确定资料的硬度值。四、冲击韧度对于接受冲击载荷的资料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必需具备足够的冲击韧度。金属资料抵抗冲击载荷作用而不破坏的才干称为冲击韧度。冲击韧度的测定方法，如图2-4所示。是将被测资料制成规范缺口试样，在冲击实验机上由置于一定高度的重锤自在落下而一次冲断。冲断试样所耗费的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所耗费的冲击功，这个值越大，那么韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。五、疲劳强度在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要遭到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于资料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是忽然发生的，具有很大的危险性。疲劳强度σ-1是表示资料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。为了提高金属的疲劳强度，可以经过改善零件的构造外形，防止应力集中，减小外表粗糙度值，进展外表热处置和强化处置等方法。一、钢的热处置原理1．概述热处置是将固态金属或合金采用适当的方式进展加热、保温暖冷却以获得所需求的组织构造与性能的工艺。根据热处置的目的和工艺方法的不同，热处置可分为：第二节钢的热处置常识热处置方法虽然很多，但任何一种热处置工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。热处置工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处置工艺曲线，见图2-5。2．钢在加热时的转变在热处置工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在高温形状时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必需严厉控制加热温度和保温时间，以求在冷却后获得高性能的组织。3．钢在冷却时的转变冷却是热处置的关键工序，成分一样的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。二、退火与正火1．退火退火是将钢加热到适当温度，坚持一定时间，然后缓慢冷却〔普通随炉冷却〕的热处置工艺。2．正火正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温，使其完全奥氏体化，在空气中冷却的热处置工艺。三、淬火与回火1．淬火淬火是将钢的组织加热到转变为奥氏体的临界温度以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度快速冷却的热处置工艺。2．回火钢的回火是指将淬火后的钢，在组织转变为奥氏体的临界温度以下加热，保温一定时间，然后冷却到室温的热处置工艺。四、外表热处置常用的外表热处置方法有外表淬火及化学热处置两种。1．外表淬火〔1〕火焰加热外表淬火〔如图2-8所示〕〔2〕感应加热外表淬火〔如图2-9所示〕2．化学热处置化学热处置是指将钢件放入一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改动其表层化学成分、组织和性能的热处置工艺。化学热处置种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。〔1〕钢的渗碳将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处置工艺，如图2-10所示。〔2〕钢的渗氮是指在一定温度下，使活性氮原子渗入工件外表的化学热处置工艺。第三节常用金属资料金属资料可分为钢铁资料和非铁资料〔有色金属资料〕两大类，而钢又可分为碳素钢和合金钢，钢铁以外的其他金属称为非铁金属资料或有色金属资料。一、钢钢的分类方法很多，常用的是按钢的用途分类，可分为构造钢、工具钢和特殊性能钢。二、铸铁铸铁中的碳主要以渗碳体和石墨两种方式存在，根据碳的存在方式不同，铸铁可以分为以下几种：〔1〕白口铸铁〔2〕灰铸铁碳〔3〕麻口铸铁根据铸铁中石墨形状不同，铸铁又可分为：灰铸铁中的石墨呈片状；可锻铸铁中的石墨呈团絮状；球墨铸铁中的石墨呈球状，蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。三、有色金属及其合金有色金属是指钢铁以外的其他金属。有色金属种类很多，又具有某些独特的性能，是工业上不可短少的金属资料，有色金属运用较广的是铝、铜、钛及其合金和滑动轴承合金。1．铝及铝合金2．铜及铜合金3．滑动轴承合金复习试题一、选择题1、拉伸实验时，试样拉断前所可以接受的最大应力称为资料的〔〕。A、弹性极限B、抗拉强度C、屈服点2、用拉伸实验可测定资料的〔〕性能目的。A、强度B、韧性C、硬度3、将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却才干强的介质中，然后迅速浸入另一种冷却才干弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火方法称〔〕。A、分级淬火B、等温淬火C、水冷淬火D、双介质淬火4、假设钢件有严重的碳化物网，应先进展〔〕消除碳化物，然后再球化退火。A、去应力退火B、正火C、完全退火D、淬火5、制造小弹簧宜选用〔〕，制造冷压件宜选用〔〕钢。A、08FB、45C、65MnD、T12A6、滚动轴承钢GCrl5中的平均含铬量为〔〕。A、0.15B、1.5C、15D、0.0157、合金渗碳钢渗碳后必需进展〔〕热处置才干运用。A、淬火加高温回火B、淬火加中温回火 C、淬火加低温回火D、高温回火8、铸铁中的碳以石墨形状析出的过程称为〔〕。A、石墨化B、蜕变处置C、球化处置D、结晶9、选择以下资料的零件：汽车后桥外壳〔〕，柴油机曲轴〔〕。A、HT200B、KTH350-10C、QT500-05D、RUT42010、不是工业纯铝的特点的是〔〕。A、密度小B、导电性好C、强度高D、抗腐蚀才干高二、判别题1、资料的屈服点越低，那么允许的任务应力越高。〔〕2、洛氏硬度值是没有单位的。〔〕3、布氏硬度丈量法不适宜于丈量废品及较薄的零件。〔〕4、铸铁的铸造性能比钢好得多，所以常用来铸造复杂的工件。〔〕5、对钢进展热处置的目的都是为了获得细小、均匀的奥氏体组织。〔〕6、退火与正火的目的大致一样，它们主要的区别是保温时间长短。〔〕7、回火的目的主要是消除应力，降低硬度，便于进展切削加工。〔〕8、感应加热外表淬火时所运用的电流频率越高，那么工件外表的淬硬层尝试越大。〔〕9、渗碳的零件可以是低碳钢也可以是高碳钢。〔〕10、碳素工具钢的碳的质量分数普通都大于0.7％。〔〕11、灰口铸铁包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。〔〕12、从灰铸铁的牌号上可以看出它的抗拉强度和冲击韧度值。〔〕13、耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁都属于合金铸铁。〔〕14、经过热处置可以改动灰铸铁的基体组织，故可以显著地提高力学性能。〔〕15、QT400-18是指σb=400MPa，σ=1.8％的球墨铸铁。〔〕16、A1-Si系铸造合金，又叫硅铝明。铸造性能良好，强度韧性较高。〔〕17、在去应力退火过程中，钢的组织不发生变化。〔〕18、合金钢只需经过热处置，才干显著提高其力学性能。〔〕19、可锻铸铁比灰铸铁的塑性好，因此可以进展锻压加工。〔〕20、工业纯铝具有较高的强度，常用作工程构造资料。〔〕三、填空题1、金属资料的运用性能包括————、————和————等；工艺性能包括————、————、————、————和————等。2、资料的力学性能包括————、————、————、————和————等。3、强度是指金属资料在————作用下，抵抗————和————的才干。4、断裂前金属资料————资料的才干称为塑性。金属资料的————和————的数值越大，表示资料的塑性越好。5、金属资料抵抗————作用而不破坏的才干，称为冲击韧度。6、热处置是将固态金属或合金采用适当的方式进展————、————和————以获得所需求的组织构造与性能的工艺。7、消费中常用的冷却介质有————、————和————等。8、消费中在钢淬火后进展————的热处置工艺称为调质，调质后的组织为————。9、Q235—A·F表示————为235MPa，质量为————级的钢

10、ZG270-500表示σb=————，σs=————的工程用铸钢。11、T10A表示碳的质量分数为————的钢。12、常用来制造高速切削的车刀、刨刀的高速工具钢有————和————。13、铸铁的性能决议于————和————。当基体一定时，铸铁的性能决议于————的外形、数量、大小和分布。14、合金弹簧钢中硅、锰的主要作用是————。15、不锈钢是指在————介质或大气中具有抗腐蚀性能的钢，其成分特点是含————量较高，含————量较低。16、外表要求具有高的————，而心部需求足够的————的零件应进展外表热处置。17、滚动轴承钢的热处置首先采用————，以降低锻造后钢的硬度，便于切削加工，然后采用————，以提高轴承的硬度和耐磨性。18、白口铸铁中的碳主要以————方式存在，而灰口铸铁中的碳主要以————方式存在。σbσsδψHRCakσ-119、普通黄铜是由————、————组成的二元合金。在普通黄铜中参与其他合金元素时称————黄铜。20、变形铝根据其主要性能特点不同可分为：————铝、————铝、————铝和————铝等几种。四、连线题1、连出以下力