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第一篇 金属材料导论第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能一、金属材料的主要力学性能：强度、塑性、一、金属材料的主要力学性能：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。硬度、韧性、疲劳强度等。二、硬度二、硬度硬度硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。变形、压痕的能力。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。常用的硬度有：常用的硬度有：金属材料的力学性能金属材料的力学性能 按我 1.1.1.1.布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度HBHBHBHB *见图见图见图见图1-3 1-3 1-3 1-3 布氏硬度法布氏硬度法布氏硬度法布氏硬度法 *用钢球为压头：用钢球为压头：用钢球为压头：用钢球为压头：HBS,HBS,HBS,HBS,常用范围常用范围常用范围常用范围HBS450HBS450HBS450HBS450 布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重 复性好，但较费时，不宜成品检验。复性好，但较费时，不宜成品检验。复性好，但较费时，不宜成品检验。复性好，但较费时，不宜成品检验。*用硬质合金为压头：用硬质合金为压头：用硬质合金为压头：用硬质合金为压头：HBWHBWHBWHBW表示，较少用。表示，较少用。表示，较少用。表示，较少用。2.2.2.2.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度HRHRHRHR *见图见图见图见图1-4 1-4 1-4 1-4 洛氏硬度的测量。洛氏硬度的测量。洛氏硬度的测量。洛氏硬度的测量。*HRCHRCHRCHRC应用最广，范围是应用最广，范围是应用最广，范围是应用最广，范围是2020202067676767，还有，还有，还有，还有HRAHRAHRAHRA、HRB HRB HRB HRB见表见表见表见表1-11-11-11-1 返回第二章第二章 铁碳合金铁碳合金 2-1 2-1 纯铁的晶体结构及其同素异晶结构纯铁的晶体结构及其同素异晶结构 一、金属的结晶一、金属的结晶一、金属的结晶一、金属的结晶 金属在固态下一般都是晶体。金属在固态下一般都是晶体。金属在固态下一般都是晶体。金属在固态下一般都是晶体。晶体晶体晶体晶体原子在空间呈规律性排列；原子在空间呈规律性排列；原子在空间呈规律性排列；原子在空间呈规律性排列；但注意，在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排但注意，在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排但注意，在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排但注意，在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列并不规律。列并不规律。列并不规律。列并不规律。制造机器设备的主要材料是钢和铁，制造机器设备的主要材料是钢和铁，他们是以铁和碳为主而组成的合金，他们是以铁和碳为主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的晶体结构。解纯铁的晶体结构。金属的结晶就是金属液转变为晶体的过程。金属的结晶就是金属液转变为晶体的过程。纯金属的结晶是在一定温度下进行的，在冷纯金属的结晶是在一定温度下进行的，在冷却曲线上出现一段水平段，见图却曲线上出现一段水平段，见图1-61-6纯金属的纯金属的冷却曲线。即：时间变化，固体增加，但金冷却曲线。即：时间变化，固体增加，但金属的温度并不下降，这是由于金属结晶时放属的温度并不下降，这是由于金属结晶时放出热量，致使温度不下降。出热量，致使温度不下降。图图1-61-6纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线合金合金两种或两种以上的金属元素，或金属两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。性的物质，称为合金。机械中大量使用合金的原因：机械中大量使用合金的原因：2-2 2-2 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。可以改变合金的成分和进行不同的热处可以改变合金的成分和进行不同的热处 理，在很大的范围内调节其性能。理，在很大的范围内调节其性能。组元组元组成合金的元素，称为组元。合金总组成合金的元素，称为组元。合金总的稳定化合物也可作组元，例如的稳定化合物也可作组元，例如FeFe3 3C C相相在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。称为相。钢液是液相。钢液是液相。铁碳合金的组织铁碳合金的组织按显微镜下各相的形态特按显微镜下各相的形态特征，又可分成不同的组织：固溶体、金属化征，又可分成不同的组织：固溶体、金属化合物，和机械混合物。合物，和机械混合物。例如：2-3 2-3 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 图图1-151-15是简化了的状态图，纵坐标是温度，是简化了的状态图，纵坐标是温度，横坐标是含碳量（横坐标是含碳量（WcWc）,含碳量到含碳量到6.696.69,超过超过6.696.69,在工业上无实用价值。因在工业上无实用价值。因FeFe3 3C C是稳定的化合物是稳定的化合物,故可作为合金的一个组元故可作为合金的一个组元,因此，这个状态图实际上是因此，这个状态图实际上是FeFeFeFe3 3C C图图 一、铁碳合金状态图的建立一、铁碳合金状态图的建立 1.1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地 冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线（时冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线（时 间、温度）。间、温度）。表表12 12 各种成分的临界点各种成分的临界点 2.2.从冷却曲线上找出临界点，并画到图从冷却曲线上找出临界点，并画到图1-161-16的的 成分成分温度坐标中。温度坐标中。图图116 116 铁碳合金状态图的建立铁碳合金状态图的建立 3.3.相同意义的点连接起来。相同意义的点连接起来。一、钢的分类一、钢的分类按化学成分分：碳素钢、合金钢两大类。按化学成分分：碳素钢、合金钢两大类。按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢三按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。类。按质量分：普通钢，优质钢和高级优质钢三按质量分：普通钢，优质钢和高级优质钢三类。类。按脱氧程度分：镇静钢，沸腾钢等按脱氧程度分：镇静钢，沸腾钢等2-4 2-4 工业用钢简介工业用钢简介1.1.应满足零件的工作要求应满足零件的工作要求 例如：例如：受力状态，工作温度，环境介质受力状态，工作温度，环境介质等等2.2.应能满足工艺性能要求应能满足工艺性能要求金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲压，焊接，切削加工和热处理，各种加工工压，焊接，切削加工和热处理，各种加工工艺对材料均有其工艺性能要求。艺对材料均有其工艺性能要求。例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压件例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压件选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良的合选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良的合金工具钢。金工具钢。2-5 2-5 零件选材的一般原则零件选材的一般原则3.3.必须重视材料的经济性必须重视材料的经济性一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选用碳素钢或灰铸铁，难以满足要求时，选用合用碳素钢或灰铸铁，难以满足要求时，选用合金钢，球墨铸铁，铸钢或其它材料。金钢，球墨铸铁，铸钢或其它材料。16Mn16Mn比比Q235Q235成本略高，但强度高成本略高，但强度高4646，可减少用量，可减少用量材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。3-1 3-1 概述概述热处理只改变材料组织性能，而不改变其形状和大小。基本过程为：加热-保温-冷却零件经适当热处理后，可以提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。第三章第三章 钢的热处理钢的热处理热处理方法热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氧共渗其他形变真空其他3-2 3-2 退火和正火退火和正火退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。入灰中缓慢冷却。退火目的退火目的一、退火一、退火降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）细化晶粒，提高钢的塑性和韧性细化晶粒，提高钢的塑性和韧性细化晶粒，提高钢的塑性和韧性细化晶粒，提高钢的塑性和韧性消除内应力，并为淬火作准备消除内应力，并为淬火作准备消除内应力，并为淬火作准备消除内应力，并为淬火作准备退火种类：退火种类：(1)(1)(1)(1)完全退火完全退火完全退火完全退火 (2)(2)(2)(2)球化退火球化退火球化退火球化退火 方法：方法：方法：方法：用途：主要用于具有亚共析组织的碳钢、合金钢的铸件、用途：主要用于具有亚共析组织的碳钢、合金钢的铸件、用途：主要用于具有亚共析组织的碳钢、合金钢的铸件、用途：主要用于具有亚共析组织的碳钢、合金钢的铸件、锻件、热轧型材等，有时也用于淬火返修件。锻件、热轧型材等，有时也用于淬火返修件。锻件、热轧型材等，有时也用于淬火返修件。锻件、热轧型材等，有时也用于淬火返修件。注意：注意：注意：注意：“完全完全完全完全”是退火件加热获得完全的奥氏体组织，是退火件加热获得完全的奥氏体组织，是退火件加热获得完全的奥氏体组织，是退火件加热获得完全的奥氏体组织，也就是钢的组织全部进行了重结晶，所以，原来的晶粒也就是钢的组织全部进行了重结晶，所以，原来的晶粒也就是钢的组织全部进行了重结晶，所以，原来的晶粒也就是钢的组织全部进行了重结晶，所以，原来的晶粒组大，组织不匀，有内应力，塑性、韧性差，易裂，变组大，组织不匀，有内应力，塑性、韧性差，易裂，变组大，组织不匀，有内应力，塑性、韧性差，易裂，变组大，组织不匀，有内应力，塑性、韧性差，易裂，变形可以解决形可以解决形可以解决形可以解决,但必须控制退火加热温度但必须控制退火加热温度但必须控制退火加热温度但必须控制退火加热温度,否则晶粒仍粗大。否则晶粒仍粗大。否则晶粒仍粗大。否则晶粒仍粗大。亚共析钢加热到亚共析钢加热到亚共析钢加热到亚共析钢加热到AcAcAcAc3 3 3 3以上以上以上以上30303030 50-50-50-50-保温保温保温保温-炉冷炉冷炉冷炉冷炉冷空冷炉冷空冷炉冷空冷炉冷空冷(快些快些快些快些)3-3 3-3 淬火和回火淬火和回火淬火方法：将钢加热到淬火方法：将钢加热到淬火方法：将钢加热到淬火方法：将钢加热到AcAcAcAc3 3 3 3或或或或AcAcAcAc1 1 1 1以上以上以上以上30305050，保保保保 温后在介质中快速冷却。温后在介质中快速冷却。温后在介质中快速冷却。温后在介质中快速冷却。以共析钢为例以共析钢为例以共析钢为例以共析钢为例共析钢被加热到共析钢被加热到共析钢被加热到共析钢被加热到Ac1Ac1Ac1Ac1以上，全部转变成奥氏体。以上，全部转变成奥氏体。以上，全部转变成奥氏体。以上，全部转变成奥氏体。缓慢冷却。缓慢冷却。缓慢冷却。缓慢冷却。(A(A(A(A，至，至，至，至650650650650温度内温度内温度内温度内)得到铁素体和渗碳体的混合物珠光体。得到铁素体和渗碳体的混合物珠光体。得到铁素体和渗碳体的混合物珠光体。得到铁素体和渗碳体的混合物珠光体。一、淬火一、淬火快速冷却 冷却曲线不与冷却曲线不与C C曲线相遇，则发生马氏体转变。曲线相遇，则发生马氏体转变。由于过冷度很大，铁碳原子都不能进行扩散，由于过冷度很大，铁碳原子都不能进行扩散，仅能发生仅能发生FeFe向向FeFe的同素异晶转变，的同素异晶转变，而形成含碳过饱和的固溶体马氏体而形成含碳过饱和的固溶体马氏体M M。(碳在铁中溶解度和温度有关碳在铁中溶解度和温度有关)3-4 3-4 表面淬火和化学热处理表面淬火和化学热处理 目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着 原来的塑性、韧性。原来的塑性、韧性。原来的塑性、韧性。原来的塑性、韧性。(退火、正火或调质退火、正火或调质退火、正火或调质退火、正火或调质 状态的组织状态的组织状态的组织状态的组织)目前生产中常用感应加热，其次是火焰加热。目前生产中常用感应加热，其次是火焰加热。目前生产中常用感应加热，其次是火焰加热。目前生产中常用感应加热，其次是火焰加热。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。淬火后深度和电流频率有关，频率低淬火后深度和电流频率有关，频率低淬火后深度和电流频率有关，频率低淬火后深度和电流频率有关，频率低 深度大些。深度大些。深度大些。深度大些。常用于中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，常用于中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，常用于中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，常用于中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，硬度可比普通淬火高硬度可比普通淬火高硬度可比普通淬火高硬度可比普通淬火高2 2 2 23HRC3HRC3HRC3HRC一、表面淬火一、表面淬火1 1、渗碳、渗碳 向低碳钢或低碳合金钢渗入碳原子的过程。向低碳钢或低碳合金钢渗入碳原子的过程。加热到加热到900900950950，长期保温，长期保温-渗碳渗碳 渗碳后要淬火和低温回火渗碳后要淬火和低温回火 主要用于承受较大冲击载荷和严重磨损的零件，硬度主要用于承受较大冲击载荷和严重磨损的零件，硬度HRC58HRC586464左右左右2 2、氮化（渗氮）、氮化（渗氮）向钢表层渗氮原子，以提高硬度、耐磨性、疲劳强度、向钢表层渗氮原子，以提高硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等。耐蚀性等。氮化后不需淬火，氮化生产周期长，不能承受冲击。氮化后不需淬火，氮化生产周期长，不能承受冲击。二、化学热处理