《金属工艺学》第一章 钢铁材料及热处理

第一章钢铁材料及热处理知识点：1.钢铁自身固有的力学性能一般是不能满足零件的受力性要求。2.钢铁零件必须经过热处理才能用。§1-1金属及合金的性能主要有：力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。从机械零件和工程结构件设计角度，重点放在金属材料的力学性能。一、力学性能力学性能又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出的特征。力学性能的指标主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和刚度。1.强度是金属受外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。（1）强度的定义式（2）工程设计中常用的强度指标①最大抗拉强度②屈服点bs（3）金属材料的抗拉强度与屈服点的测试方法：是用金属试样做拉伸试验测出来的。1）低碳钢试样的拉伸试验曲线是将低碳钢棒料加工成标准试样，装在拉伸机上，在试样两端缓慢施加轴向载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。要点知识：I.oe直线—弹性变形特征。e点处的应力：为不产生永久变形的最大应力，称为材料的弹性极限。0SFeeoe直线的斜率值：称为材料的弹性模量，用E表示，表征材料抵抗弹性变形的能力，技术上表示金属的刚度。II.es曲线—屈服特征。即载荷超过Fe再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，产生了部分塑性变形。III.S处水平段——称作“屈服点”。即当载荷增加到Fs时，拉力无需再增大，试样仍可继续伸长。。或称“屈服强度”，即料的“屈服点”的比值，定为低碳钢材与试样原始面积点处的拉力规定：MPaSFSFssss00金属材料屈服点的工程意义：1）锅炉、压力容器、汽车发动机缸体上的紧固螺栓、键、销零件，在受载时是不允许屈服的，其工作应力必须小于材料的屈服点。屈服强度等级。可直接知道材料的屈服点指标来命名的，钢等钢材是以材料的钢、）如依据之一。是机械零件设计的主要，故应力值，其零件允许的工作）金属材料的Q275Q23532sesIV.sb曲线—强化阶段。材料屈服后随变形程度的增大，金属内部要产生变形抗力，须不断增大载荷，试样才能继续伸长。V.bz曲线—缩颈阶段。即当载荷超过Fb值，试样出现局部“缩颈”直至断裂。“缩颈”：零件局部横截面积变小，是零件发生断裂的前奏。要点：1）Fb——是零件产生“缩颈”所能承受的最大拉力。2）规定：b点处的拉应力值为低碳钢材料的抗拉强度，用.0MPaSFbbb符号表示，3）抗拉强度的工程意义金属零件所承受的最大工作应力值不允许超过，否则会断裂。bb2.塑性是指金属在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。（1）塑性指标是用拉伸试验测得的试样伸长率和端面收缩率来衡量。要点知识：称为脆性材料。值几乎为零，、扎制薄板。铸铁的，可拉制细丝、；如合金、低碳钢等，不会断裂。如铜铝及其量的塑性变形而这样的金属可以发生大性越好。值越大，表示材料的塑、）%80%5012）应用知识如车身架材料，要用塑性好的低合金钢制造，如受力过大（超载）时，先产生塑性变形而不致突然断裂。3）塑性好的金属材料是进行锻造、冲压、焊接的必要条件。3.硬度是指材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕、划痕的能力。知识点：①硬度是机械零件、工具等必须具有的机械性能指标。如制造业用的刀具、量具、锻锤及模具等，都要具有足够的硬度，以耐磨和防止受冲击力时产生裂纹。②硬度可间接反映金属的强度、塑性、韧性及化学成分，是一项综合性的机械性能指标。（1）金属材料的硬度指标最常用的有：布氏硬度洛氏硬度1）布氏硬度（HB）用淬火钢球或硬质合金球作压头，用来测定“较软”金属材料硬度的方法。布氏硬度值的表示方法：如230HBS、500HBW。S——淬火钢球压头。W——硬质合金钢球压头。布氏硬度法的应用：用于测定如铸铁件、有色金属及合金、退火钢、正火钢、调质钢等。2）洛氏硬度是用金刚石圆锥体作压头，用来测定硬金属材料硬度的方法。0120洛氏硬度法的应用：用于如淬火钢、渗碳钢、模具工具钢等硬度的测定。洛氏硬度的表示方法：如20~67HRC。（2）硬度值与机械设计①零件工作面要规定足够的硬度，以耐磨损，防止疲劳断裂。②硬度和强度间有一定换算关系，如《机械设计基础》教材中的图表所示。4.冲击韧性冲击韧性又称韧性，是指材料受快速或突然载荷的作用，断裂前所能吸收最大冲击功的能力。冲击载荷：载荷以快速或突然的方式作用在零件上。（1）材料冲击韧性的指标用摆锤式冲击试验测出的试样所受最大冲击吸收功AK与S0的比值来衡量，见教材图1-4。试样缺口处截面积受最大冲击吸收功020)/(sAcmJsAakkk基本知识点：①强度、塑性、硬度指标，都是在缓慢加载或静载荷条件下测定的。②机器中的零件大多要受冲击载荷作用，如连杆、键连接、齿轮传动、钻机、碎石机械，铁轨受力，冲模、锻模等。③制造承受冲击载荷的零件，除应保证足够的静力学性能如强度、硬度，还必须要有足够的韧性，即耐冲击的能力。（2）冲击韧性与机械零件设计①材料的值，只是表明其抗一次大冲击而不断裂的能力。②金属零件受大能量冲击作用，其抗冲击能力决定于akv值。ka③受小能量多次冲击的作用，零件抗冲击能力是取决于强度和塑性。受较高冲击力作用，要提高零件的塑性值；受小冲击力作用，要提高零件的强度。如连杆、曲轴，碎石机鄂板等，都是受多次小能量冲击力作用，这些零件可用球墨铸铁件或孕育铸铁件制造。注意，铸铁类的ak值几乎为零，但经热处理后具有较高的强度、硬度。④受大能量冲击作用的零件，选择材料时，要考虑材料的冲击韧性指标ak值大小。如飞机起落架、矿山载重汽车的大梁、蒸汽锤的锤杆等，工作时受大能量冲击力作用，其零件要用高ak值的金属材料制造。5.疲劳强度（1）疲劳破坏很多机械零件如轴、齿轮、连杆等，是在交变循环载荷作用下工作，尽管受到的工作应力值低于材料的强度极限，甚至，在零件应力集中处仍会产生裂纹，直至发生断裂，此破坏称为疲劳破坏。sb具统计，有约80%的机械零件失效，都是由疲劳破坏引起。因此，研究和预防材料疲劳破坏极其重要。（2）疲劳强度工程规定，材料在指定循环基数（107次以上）的交变载荷作用下不引起断裂所能承受的最大应力值，称为疲劳强度，又称疲劳极限，用符号表示。1（3）疲劳强度的测定试验结论：在交变载荷作用下的金属试样，承受的工作应力值与断裂前的应力循环次数N有如下关系：疲劳曲线水平段对应的应力值，表示材料可经受无数次应力循环作用而不发生疲劳断裂，即为材料的疲劳强度。（4）零件疲劳破坏的特征没有明显的塑性变形，是突然断裂。（5）零件疲劳断裂的原因材料内部有气孔、夹杂物，表面有划痕或显微裂痕等。（6）提高零件疲劳强度的措施①采用锻造、轧制等压力加工方式生产零件的毛坯。（因压力作用可焊合钢锭内部的孔洞、击碎夹杂物，使金属致密；对型钢，可产生加工硬化）②对零件表面进行强化处理，如滚压、喷丸、表面淬火，以提高工作面硬度。（可去除或防止出现显微裂纹，且裂纹扩展慢）（7）疲劳强度与机械设计机械中重要的转轴、螺栓杆、曲轴、连杆等，要按零件的疲劳强度进行校核计算。6.刚度指材料抵抗弹性变形的能力，材料的刚度用弹性模量E值衡量。（1）刚度与机械设计①机床主轴、滑枕、床身等，选材时应选弹性模量大的材料。②材料的刚度不等于机件的刚度。机件的刚度除与材料的E值有关，重要的是取决于机件的断面设计。③工字形断面、环型断面设计，力求壁厚均匀，都是提高机件刚度的设计形式。三、工艺性能指材料在加工的过程中所表现出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯质量如何。1.材料工艺性能的内容按工艺方法的不同有：铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能。（1）铸造性能指金属在铸造成形过程中所表现出的性能。金属的铸造性能用流动性、收缩率和偏析这三个指标来衡量。①流动性指熔融金属流动的能力。金属液流动性好，容易充满铸型，铸件外形完整、尺寸准确。②收缩率金属的收缩量愈小，铸件产生的疏松、缩孔、变形、裂纹等缺陷愈少。③偏析指铸件凝固后内部化学成分不均匀现象。金属偏析严重，铸件各部分的力学性能就不一致。知识点：①铸铁类的铸造性能最好，铝合金其次；钢的铸造性能较差。（2）锻压性能指金属用锻压成形方法获得优良制件的难易程度。要点：①材料的锻压性能，用塑性值和变形抗力两个指标来衡量。②锻压性能好的金属有低碳钢、低合金钢；黄铜、铝合金在室温下就有良好的锻压性能；铸铁、高碳钢等锻压性能差。（3）焊接性能指金属焊接时，能否获得优良焊接接头的能力。要点：①优良焊接接头指焊缝处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。②焊接性能好的金属：低碳钢、低合金钢；高碳钢、铸铁和铝合金的焊接性较差。③如用高碳钢、铸铁和铝合金制成的机件，需与其它机件相连时，应设计成螺纹联接或铆接。（4）热处理工艺性指材料是否容易通过热处理获得所需力学性能而不开裂的能力。知识点：①高碳钢、高合金钢的导热性差，加热时采用多段加热规范，以防止工件开裂，其热处理性能较差。②低碳钢、低合金钢的导热性好，采用一段加热规范，加热工艺简单，热处理性能好。（5）切削加工性指金属是否易于进行切削加工。用工件切削后的表面质量及刀具的寿命来衡量。要点：①易断屑，加工出的表面光洁，表明材料的切削性能好。②材料硬度在170~230HBS，有一定脆性，最易切削。③铸铁、铜铝合金、中碳钢、退火钢的切削性能都很好；高碳钢、白口铸铁很硬，切削性能差；低碳钢、纯铜很软，切削时易沾刀，不容易断屑，切削加工性能差。