机械常用金属材料及热处理

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机械常用金属材料及热处理
1.2.3．淬火
w 淬火：将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上30－50℃ ，保温后在水中 或油中快速冷却的一种操作工艺。
w 淬火目的: 为了获得马氏体组织，然后再配合 适当的回火，获得多种多样的使用性能。
ª 如：刀具和量具——高的硬度和耐磨性；轴和齿
ª 退火可以获得接近平衡状态的组织，与其它热处 理工艺相比，退火钢的硬度最低，内应力可全部 消除，可提高刚才冷变形后的塑性。又由于退火 过程中发生重结晶，故可细化晶粒，改善组织， 所以退火可以达到各个不同的目的。
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w 退火 w 正火
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w 工艺性能：指金属材料具有的能够适应各种加工工 艺要求的能力，是力学、物理和化学性能的综合表 现，包括铸造性能、锻造性能、热处理性能和切削 加工性能。
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1.1.1金属材料的力学性能
w 1.1.1.1强度
ª 1．屈服点 ª 2．抗拉强度
w 1.1.1.2 塑性
1．3常用的金属材料
ª 1.3.1 碳素钢
ª 1.3.2 合金钢
ª 1.3.3 铸铁
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引子——
w 材料：金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、 陶瓷、复合材料），金属材料应用最广泛。
w 材料的使用性能与成分、组织及加工工艺密 切相关，尤其是金属材料，可通过不同热处 理方法来改变金属的表面成分和内部组织结 构，以获得不同的性能，改善工艺性能和延 长使用寿命。
w 灰铸铁和青铜具有良好的铸造性能。
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2．锻造性能
w 锻造性能：材料在压力加工时，能改变形状 而不产生裂纹的性能，是材料塑性好坏的表 现。
w 锻造性：低碳钢——良好；碳钢比合金钢好； 铸铁无。
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3．焊接性能
w 焊接性能：材料在通常 焊接方法和焊接工艺条 件下，能否获得质量良 好焊缝的性能。
w 疲劳破坏通常发生在金属材料最薄弱的部 位——材料内部缺陷、加工造成的磨痕、刀 痕、局部应力集中产生的裂纹。
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1．1金属材料的工艺性能
w 1．铸造性能
w 2．锻造性能
w 3．焊接性能
w 4．切削加工性能
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1．铸造性能
w 铸造：将熔融金属浇铸、压射或吸入铸造型腔中， 待其凝固后得到一定形状和性能的铸件的方法。
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引子——
热处理分类：
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引子——
w 零件制造一般过程：选原料——锻造——预选 热处理——机械加工——最终热处理。
w 预选热处理：退火和正火——消除组织缺陷和 内应力。
w 含碳量——钢：0.0218-2.11%；铁：>2.11%； 45号钢бb＝600MPa。
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1）断后伸长率
w 断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原 始长度的百分比。
w 一般规定短试样：L=5d，长试样：L=10d
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2）断面收缩率
w 断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积 的最大减缩量与原横截面积的百分比。
ª 以上两个数值越大，说明金属材料的塑性越好， 良好的塑性是金属进行塑性加工的必要条件，一 般断后伸长率达5％、断面收缩率达10％可满足 要求。
w 奥氏体A：最高溶碳2.11%（1148℃）——HB＝ 170－220；δ＝40－50％塑性很高。
w 渗碳体Fe3C：含碳量6.69%。——熔点1227℃， 硬度很高（HB=800）而脆，塑性几乎为零。
w 渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存 在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳 合金的重要强化相。
w 测量方法：将一定直径 （10，5，2.5，2， 1mm）的淬火球加以 一定的载荷，压入被测 金属材料的表面，根据 所用载荷的大小和所得 压痕面积来计算压痕球 面上的平均压力。
w HBS（淬火钢球） w HBW（硬质合金球）
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•布氏硬 度测量特 点：数据 较准确， 但不宜于 测太薄、 太硬的材 料
w 马氏体 230℃：高 硬度
下贝氏体（ 400× ）
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•板条马氏体（400×） 机械针常用状金属马材料氏及热体处理（400× ）
1.2.1．退火
w 退火：将钢加热到高于或低于临界温度，保 温一段时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入导 热性能较差的介质中），从而获得接近平衡 组织的一种热处理工艺。
多。
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冲击试验
w 工程上常用一次摆锤 冲击测定冲击韧度。
w 冲击韧度不直接用于 设计计算——材料往 往不是一次冲击破坏 的。
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1.1.1.5 疲劳强度
w 疲劳：在交变载荷下工作的零件虽然工作应 力远低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但在 长时间工作后会突然断裂。
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2．抗拉强度
w 试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉 强度。
w 显然，试样不能在承受此载荷的条件下工作， 这样将导致构件破坏。
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1.1.1.2 塑性
w 金属在外力作用下产生塑性变形，其表示：
ª 1）断后伸长率
ª
ª 2）断面收缩率
w 铸造性能：浇铸时液态金属的流动性、凝固时的收 缩性和偏析倾向。
w 流动性好：金属具有良好的充满型腔的能力，能铸 出大而薄的铸件。
w 收缩：液态金属凝固时体积收缩和凝固后的线收缩， 收缩小可提高液态金属的利用率，减少变形和裂纹 的可能性。
w 偏析：铸件凝固后各化学成分的不均匀，若偏析严 重，将使铸件的力学性能变差。
ª 1）断后伸长率 ª 2）断面收缩率
w 1.1.1.3 硬度
ª 1．布氏硬度 ª 2．洛氏硬度
w 1.1.1.4 冲击韧度 w 1.1.1.5 疲劳强度
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1.1.1.1强度
w 强度： 指机金属材料在外力作用下抵抗塑性 变形和断裂的能力。
w 强度大小可按国家标准的规定通过拉伸试验 来测定。
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引子——
w 特点：不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性 能（强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、加工性 能）。
w 作用：材料给人们提供的性能是有限的，经过热处 理的零件，可以使材料的各种性能得到很大的改善 和提高，充分发挥材料的潜力，延长寿命和节约材 料。
ª 机床、汽车、拖拉机制造中，80％的材料要热处理。 ª 刀具、量具、模具和滚动轴承要全部进行热处理。
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以组织组成物表示的鉄碳合金相图
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奥氏体形成过程
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金相组织
w 铁素体F：室温下碳溶量0.0008%，727℃溶 0.0218%——强度和硬度（HB=50－80）低，而塑 性和韧性好的相；——δ＝30－50％，ψ＝70－80 ％，бb＝180－280MPa
w 灰铸铁具有良好的切削加工性能。
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1．2钢的热处理
w 1.2.1．退火
w 1.2.2．正火
w 1.2.3．淬火
w 1.2.4．回火
w 1.2.5．钢的表面热处理
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引子——
w 热处理：将钢在固 态下通过加热、保 温和不同的冷却方 式，改变金属内部 结构，从而获得所 需性能的操作工艺， 工艺曲线如图1－ 4。
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机械常用金属材料及热处理
引子——
w 金属材料主要性能：力学性能、物理性能、化学性 能和工艺性能等。
w 金属材料：纯金属(应用较少：价贵、强度低)和合 金（常用）。
w 力学性能：金属材料在外力作用下所表现的抵抗能 力——性能指标：弹性、塑性、强度、硬度、韧性， 且是机械设计、材料选择、工艺评定、材料检验的 主要依据。
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热处理工艺曲线示意图
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相图
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•晶界的原子排列
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相图
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相图
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以相组成物表示的鉄碳合金相图
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•45钢的轮正常—淬—火较好的韧•3性5钢。的—76—0℃淬淬火火＋回火•。T12钢的正常淬
• 组织ª（回40火0×通）常作为最• 终组热织（处4理00。×）
火
• 组织（400×）
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1.2.3．淬火
w 淬透性：钢获得淬硬层深度的能力，淬硬层越深， 表明钢的淬透性越好。
w 焊接性能好——焊缝中 不易产生气孔、夹渣或 裂纹。
w 焊接性能比较：低碳钢 好，高碳钢和铸铁较差。
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4．切削加工性能
w 切削加工性能：对工件材料进行切削加工的 难易程度。
w 与材料本身化学成分、金相组织、刀具几何 形状有关。
w 硬度过高或过低、韧性过大——切削性能较 差。
w 特点：疲劳断裂时不发生明显的塑性变形， 断裂是突然的，具有很大的危险性，常造成 严重的事故。
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1.1.1.5 疲劳强度
w 据统计，损坏的零件中，80％由于金属疲劳 而造成的。
w 疲劳强度：在一定的循环次数下不发生断裂 的最大应力。循环次数：钢铁107，非鉄金属 108，当循环应力对称时，疲劳强度用表示。
1.2.2．正火
w 正火: 将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm （过共析钢）以上30－50℃，保温后从炉中 取出在空气中冷却的一种操作方法。
ª 正火的冷却速度较退火快，所得到的组织较细， 强度和硬度较高。
ª 此外，正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生 产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工 艺简单经济，所以低碳钢多采用正火来代替退火。
ª 1．屈服点
ª 2．抗拉强度
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1．屈服点
w 屈服：当负荷不再增加时，而试样的塑性变 形量明显增加的现象。
w 屈服点：产生屈服现象时的应力。
ª 除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外， 大多数金属材料没有明显的屈服现象。
ª 因此，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为屈服 强度。
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2．洛氏硬度
w 测量方法：在特点的压头上加上压力压入被 测资料，根据压痕的深度来度量材料的硬度 值。压痕越深，材料愈软，硬度值愈低。
w 按压头种类和所加载荷不同，洛氏硬度指标 符号有：HRA、HRB、HRC。工程上常使用 HRC硬度指标。
w 洛氏硬度测量特点：操作简便迅速，可直接
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2020/11/18
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目录
1．1金属材料的力学性能及工艺性能
ª 1.1.1金属材料的力学性能
ª 1.1.2 金属材料的工艺性能
1．2钢的热处理
ª 1.2.1．退火
ª 1.2.2．正火
ª 1.2.3．淬火
ª 1.2.4．回火
ª 1.2.5．钢的表面热处理
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机械常用金属材料及热处理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
金相组织
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机械常用金属材料及热处理
加热 冷却 临界 温度
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金相组织
w 上贝氏体 550℃ ：脆 性较大、硬 度较低。
w 下贝氏体 350℃ ：较 •上贝氏体（400×） 高强度和硬 度，良好的 塑性和韧性。
从表盘上读出硬度值，没有单位。由于压痕
小，可用于成品及薄件检验，但不如布氏硬
度试验准确。
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1.1.1.4 冲击韧度
w 由于许多机械经常受到冲击载荷——必须具 有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。
w 冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷的能力。 w 冲击由于是瞬时的，其载荷比静载荷要大的
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1.1.1.3 硬度
w 硬度：
ª 1）指金属材料表面抵抗硬物压入的能力； ª 2）金属表面对局部塑性变形的抗力。
w 硬度是检验毛坯或成品件、热处理件的重要 性能指标。
w 硬度指标：
ª 1．布氏硬度 ª 2．洛氏硬度
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1．布氏硬度