金屬材料與熱處理基礎(chǔ)

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金屬材料與熱處理基礎(chǔ),第一節(jié)　金屬的力學(xué)性能,材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。力學(xué) 性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。 　　一、強(qiáng)度 　　強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 　　強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過(guò)金屬拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在 試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。 在此過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪制出載荷F和試樣變形量AL的關(guān)系曲線。 此曲線叫做拉伸曲線。 　　1．拉伸曲線 　　圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標(biāo)表示載荷單位為N；橫坐 標(biāo)表示絕對(duì)伸長(zhǎng)量△L，單位為mm。,,從圖2-1中可以看出下面幾個(gè)變形階段： 　　（1）Oe———彈性變形階段 　?。?）es———屈服階段 　?。?）sb———強(qiáng)化階段 　?。?）bk———縮頸階段,,2．強(qiáng)度指標(biāo) 　　材料受到外力作用會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。 　?。?）屈服點(diǎn)σs材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力。單位為MPa。 　　　　σs= Fs/AO （2-1） 式中，F(xiàn)s是屈服時(shí)的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。 　　對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵），測(cè)量屈服點(diǎn)很困難，工程上經(jīng)常采用殘余伸長(zhǎng)為0.2％原長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力σ0.2作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力。 　　　　σ0.2= F0.2/AO （2-2） 　?。?）抗拉強(qiáng)度σb材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，單位為MPa。抗拉強(qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。 　　　　σb= Fb/AO （2-3） 式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）。,二、塑性 　　金屬材料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得 的常用塑性指標(biāo)有：斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。 　　1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率δ 　　試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量和原始標(biāo)距之比 δ=(L1—L0)/L0×100％ （2-4） 式中，L1試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。L0試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。 　　2．?dāng)嗝媸湛s率ψ 　　試樣拉斷處ψ=×100％橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比 　　ψ= =(A0—A1)/AO ×100％　　　?。?-5） 　　式中，Ao是試樣的原始橫截面積；A．是試樣斷口處的橫截面積。,三、硬度 　　硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 　　常用來(lái)測(cè)定硬度的方法有布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法。 　　1．布氏硬度試驗(yàn)法 　　如圖2-2所示采用 直徑為D的淬火鋼球或 硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載 荷F的作用下，壓入被 測(cè)金屬表面，保持一 定時(shí)間后卸除載荷，測(cè) 定壓痕直徑，求出壓痕 球形的表面積，壓痕單 位表面積上所承受的平 均壓力（F/A）即為布 氏硬度值，壓頭為淬火 鋼球時(shí)用HBS表示，壓 頭為硬質(zhì)合金球用時(shí) HBW表示。例如120HBS， 450HBW。,,2．洛氏硬度試驗(yàn)法 　　采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭．如圖2-3所示。試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測(cè)量準(zhǔn)確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時(shí)間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來(lái)確定材料的硬度值。,,,四、沖擊韌度 　　對(duì)于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞，不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。 　　沖擊韌度的測(cè)定方法，如圖2-4所示。是將被測(cè)材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊功，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢(shì)能差。沖擊韌度值aKV就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，這個(gè)值越大，則韌性越好，受沖擊時(shí)，越不容易斷裂。,五、疲勞強(qiáng)度 　　在汽車上的許多零件中，比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒(méi)有明顯的外觀變形時(shí)也會(huì)發(fā)生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險(xiǎn)性。 　　疲勞強(qiáng)度σ-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，其大小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對(duì)于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。 　　為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度，可以通過(guò)改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減小表面粗糙度值，進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方法。,,一、鋼的熱處理原理 　　1．概述 　　熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。 　　根據(jù)熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：,第二節(jié)　鋼的熱處理常識(shí),,熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個(gè)階段所組成的。熱處理工藝過(guò)程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線，見(jiàn)圖2-5。,,2．鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 　　在熱處理工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時(shí)的組織，其強(qiáng)度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對(duì)鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此，鋼在加熱時(shí)，為了得到細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。 　　3．鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 　　冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時(shí)，將獲得不同的力學(xué)性能，見(jiàn)表2-1。,二、退火與正火 　　1．退火 　　退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。 　　2．正火 　　正火是指把鋼加熱到組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上保溫，使其完全奧氏體化，在空氣中冷卻的熱處理工藝。 　　三、淬火與回火 　　1．淬火 　　淬火是將鋼的組織加熱到轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝。 　　2．回火 　　鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。,,,四、表面熱處理 　　常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理兩種。 　　1．表面淬火 　?。?）火焰加熱表面淬火?。ㄈ鐖D2-8所示） 　?。?）感應(yīng)加熱表面淬火?。ㄈ鐖D2-9所示）,,2．化學(xué)熱處理 　　化學(xué)熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。 　　化學(xué)熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。 　?。?）鋼的滲碳　將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，如圖2-10所示。 　?。?）鋼的滲氮　是指在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。,第三節(jié)　常用金屬材料,金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料（有色金屬材料）兩大類，而鋼又可分為碳素鋼和合金鋼，鋼鐵以外的其他金屬稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。 　　一、鋼 　　鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。 　　二、鑄鐵 　　鑄鐵中的碳主要以滲碳體和石墨兩種形式存在，根據(jù)碳的存在形式不同，鑄鐵可以分為下列幾種：（1）白口鑄鐵 （2）灰鑄鐵碳（3）麻口鑄鐵 　　根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)不同，鑄鐵又可分為：灰鑄鐵中的石墨呈片狀；可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲(chóng)狀。,三、有色金屬及其合金 　　有色金屬是指鋼鐵以外的其他金屬。有色金屬種類很多，又具有某些獨(dú)特的性能，是工業(yè)上不可缺少的金屬材料，有色金屬應(yīng)用較廣的是鋁、銅、鈦及其合金和滑動(dòng)軸承合金。 　　1．鋁及鋁合金 　　2．銅及銅合金 　　3．滑動(dòng)軸承合金,