第八章-金属材料及其热处理

机械基础

闫芳制作（一）强度1．定义：强度是指金属材料在外力作用下，抵抗产生塑性变形或断裂的能力。2．指标：抗拉强度σb单位：MPa(N/mm2)

屈服强度σs单位：MPa3．意义：抗拉强度和屈服点是选材的重要依据。机械设计时必须保证零（构）件的最大工作应力不得超过材料的抗拉强度，以免断裂。第一节金属材料的力学性能和工艺性能一、金属材料的力学性能2⑴屈服强度(σs)

Fs——试样屈服是所承受的最大载荷，N；A0——试样原始截面积，mm；⑵

抗拉强度(σb)

Fb——试样断裂前所承受的最大载荷，N；A0——试样原始截面积，mm；OE：弹变阶段ES：屈服阶段SB：均匀塑变BK：缩颈阶段FLFd0σs/σb—称为屈强比。屈强比愈小工程构件的可靠性愈高，但材料潜力发挥的越差。3（二）刚度1．定义：材料在载荷作用下，抵抗弹性形变的能力称为刚度。2．指标：弹性模量E第一节金属材料的力学性能和工艺性能一、金属材料的力学性能4（三）塑性1．定义：在外力作用下金属材料产生永久变形而不发生破坏的能力，称为塑性。2．指标：延伸率δ（％）和断面收缩率ψ（％）。3．意义：塑性好的金属材料容易进行锻压、焊接，能够采用冷变形，如冷冲压等；好的塑性亦可避免机器零件在使用中万一超载而产生的突然断裂。

金属材料的主要性能指标第一节金属材料的力学性能和工艺性能5FLFd0⑴延伸率(δ)

δ＝(L1-L0)/L0×100%L1——试样拉断后的标距长度，mm；A0——试样原始标距长度，mm；δ和ψ数值越大，表示材料的塑性越好。⑵

断面收缩率(ψ)

ψ＝(A0-A1)/A0×100%

A1——试样拉断后，断口处横截面积，mm2

；A0——试样原始横截面积，mm2

；第一节金属材料的力学性能和工艺性能6（四）硬度1．定义：是金属材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。2．指标：①压入硬度实验法

布氏硬度试验方法

洛氏硬度试验方法

维氏硬度试验方法

②划痕硬度实验法（如莫氏硬度）

③回跳硬度法（肖氏硬度）

3．意义：硬度表示金属材料局部范围内抵抗弹变和塑变或断裂的能力，是

衡量金属软硬的指标，它直接影响金属材料的耐磨性。

金属材料的主要性能指标第一节金属材料的力学性能和工艺性能7

布氏硬度试验方法：把规定直径的淬火钢球或硬质合金球以一定的试验压力压入所测材料表面，保持规定时间测量表面压痕直径计算测定。式中：F—试验力（N）

A—压痕表面积（mm2）

D—球体直径（mm）

d—压痕平均直径（mm）

h—压痕深度（mm）应用：主要用于铸铁、非铁金属以及经退火、正火和调质处理的材料以及有色金属。

第一节金属材料的力学性能和工艺性能8

洛氏硬度试验方法：用顶角为120°金刚石圆锥体或直径为1.588mm淬火钢球压头；先加初始力F1,再加主试验力F2,保时;卸主试验力保留初试力,试样弹变恢复使压头上升到3位置，此时压头受主试验力作用压入的深度为h。式中：K—钢球压头时为0.2

金刚石压头时为0.26

h—主试验力作用的深度mm应用：因其测定仅产生很小压痕而不损坏零件因而适合于成品检验.测多点取均值，第一节金属材料的力学性能和工艺性能9

维氏硬度试验方法：采用采用金刚石正四棱锥体压头，试验力F（10～1000N）在试件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线平均长度d（mm），按下式算出硬度值。式中：Av—压痕的面积应用：适应于准确测量试样表面硬度,或测量硬度很高的零件。可用于测量金相组织中不同相的硬度，测得结果称为显微硬度。用“HM”表示。第一节金属材料的力学性能和工艺性能10（五）冲击韧度1．定义：金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力。2．指标：试验时，将试样缺口背向摆锤冲击方向。当摆锤从一定高度自由落下一次将试样击断时，缺口处单位横截面面积上吸收的功，即表示冲击韧度，用ak表示，单位为J／cm2。

金属材料的主要性能指标第一节金属材料的力学性能和工艺性能11二、金属材料的工艺性能：是物理、化学和力学性能的综合。按工艺分为铸造性能可锻性、深冲性、弯曲性、可焊性、切削加工性等。

第一节金属材料的力学性能和工艺性能12黑色金属材料通常以铁、锰、铬为基的合金称黑色金属。 以铁为基的合金称为钢。有色金属及其合金以其余合金为基的合金称有色金属。有色金属通常按其元素名称命名。 如铝及铝合金，铜及铜合金。第二节金属材料的种类和用途131、普通碳素结构钢

除铁碳外主要含有少量SiMnSP杂质，总含量不超过2％。1）按碳的质量分数分类：低碳钢——含碳量小于0.25％中碳钢——含碳量0.25～0.6％高碳钢——含碳量大于0.6％第二节金属材料的种类和用途一、黑色金属材料142）牌号：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板第二节金属材料的种类和用途15特性：价格低廉，工艺性能（如焊接性和冷成形性）优良。应用：主要用于一般工程结构和普通机械零件。碳素结构钢通常热轧成各种型材（如圆钢.方钢.工字钢等），一般不经热而直接使用。Q195、Q215，通常轧制成薄板、钢筋供应市场。也可用于制作铆钉、螺钉、轻负荷的冲压零件和焊接结构件等；Q235、Q255强度稍高，可制作螺栓、螺母、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、型钢、钢筋等；质量较好的Q235C，D级可作为重要焊接结构用材；Q275钢可部分代替优质碳素结构钢25、30、35钢使用。

第二节金属材料的种类和用途16齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。第二节金属材料的种类和用途17特性：与碳素结构钢相比，夹杂物较少，质量较好。应用：主要用于机械零件，一般都要经过热处理后使用08F钢，碳质量分数低，塑性好，强度低，轧成薄板，主要用于冷冲压件如家电、汽车和仪表外壳；20钢，冷塑性变形和焊接性好可用于强度要求不高的零件及渗碳零件，例如机罩、焊接容器，小轴、螺母、垫圈及渗碳齿轮等；45钢，经调质后可获得良好的综合力学性能，中碳钢主要用于受力较大的机械零件，如齿轮、连杆、轴等65钢（65Mn）钢具有较高的强度；可用于制造各种弹簧。

第二节金属材料的种类和用途183、合金钢1）牌号牌号用两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+……当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；合金弹簧钢60Si2Mn—含碳量~0.6%；硅含量~2%；锰含量Mn~1%。第二节金属材料的种类和用途192）分类按合金元素的含量分：低合金钢—合金元素总含量小于等于5%；中合金钢—合金元素总含量在5%~10%之间；高合金钢—合金元素总含量大于等于10%；第二节金属材料的种类和用途20合金结构钢

合金工具钢

特殊性能钢按主要用途分普通低合金钢合金渗碳钢合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢不锈钢耐酸钢耐热钢第二节金属材料的种类和用途21普通低合金钢化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。性能：高强度；高韧性；良好的焊接性和冷成型性能；低的冷脆转变温度；良好的耐蚀性；第二节金属材料的种类和用途22Q460强度高，用于石化中温高压容器。Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。

Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮南京长江大桥压力容器第二节金属材料的种类和用途23定义:

在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。牌号：含碳量的千分之几、合金元素、合金元素百分之几。

不锈钢第二节金属材料的种类和用途24常用的牌号：0Cr19Ni9、3Cr18Mn12Si2N

耐热钢

主要用于制造工业加热炉、高压锅炉、汽轮机、内燃机、航空发动机、热交换器等在高温下工作的构件和零件。第二节金属材料的种类和用途254、铸铁 铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金。在铸铁的化学成分中还有Si、Mn、S、P等杂质。按碳的存在形态和石墨形态的不同分为：白口铸铁灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁第二节金属材料的种类和用途26白口铸铁—断口银白色；性能硬而脆，很难切削加工，很少用它来制造机械零件。灰铸铁—断口呈暗灰色；牌号由HT+数字组成，HT表示灰铸铁，数字表示最低抗拉强度值可锻铸铁—牌号由KTH或KTZ和其后的两组数字组成。球墨铸铁—牌号由QT+数字+数字组成。第二节金属材料的种类和用途27第二节金属材料的种类和用途28第三节钢铁材料的热处理一、热处理的综述

金属材料的热处理是指金属材料在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。29

热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线。二、热处理工艺过程和分类1、热处理工艺过程302、热处理的分类311）退火

退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。

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理工艺。

3）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理工艺。

4）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理工艺。1、普通热处理的方法和作用三、普通热处理32箱式电阻炉。箱式电阻炉根据使用温度不同，可分为高温、中温和低温箱式电阻炉。井式电阻炉井式电阻炉。工作原理与箱式电阻炉相同。井式电阻炉比箱式电阻炉具有更优越的性能。控温仪表(包括热电偶)、冷却设备(如水槽、油槽、浴炉、缓冷坑)质检设备(如硬度试验机、金相显微镜、量具、无损检测或探伤设备)等。2、常用的热处理设备33

四、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）表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火34

2）表面化学热处理化学热处理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，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。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理工艺。渗氮是指在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。35

除钢铁以外的其他金属。良好的导电性、导热性、密度小、熔点高、低温韧性、耐腐蚀以及良好的工艺性和一定的力学性能。常用的有色金属有：铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金第三节有色金属及其合金36纯铝：密度较小，约为2.7g/cm3；面心立方晶格，无同素异晶转变。导电、导热性好，仅次于银、金、铜。极强的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面生成致密的氧化膜，保护内部金属不被腐蚀——钝化现象。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀；非磁性、无火花材料；强度低，塑性好，比强度高；可通过冷变动强化提高强度、硬度；1、铝及