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1、,第一章 钢铁材料及热处理,一、钢铁材料与热处理的关系基本知识点: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.钢铁机械零件必须经过热处理才能用。,机械中的大多数金属零件是用钢或铸铁制造的,但钢铁材料自身固有的性能,是不能满足如受力性、可切削加工性。必须要经过热处理:,1)提高零件的受力性;2)调整毛坯的硬度,以利于切削加工;3)消除毛坯的内应力,防止零件的变形。,二、钢铁生产 基本知识点:铸铁件生产炼钢的原料-生铁钢锭型材,1.钢铁生产 是以铁矿石为原料经在高炉冶炼成生铁(含硅量较高,硬度较低),一部分用于浇注成铸铁件(毛坯),即铸造生产。另一部分浇注成生铁块,用作炼钢的原料
2、。,2.钢锭 是用转炉、平炉、电炉对生铁进一步精炼成钢液,并浇注到锭模,冷却凝固成钢锭。,3.钢锭的性能 钢的冶炼只是保证钢具有一定的化学成分,力学性能很差,不能直接用做零件的材料。,4.型材 是钢锭经轧制、挤压、锻造等压力加工,使金属产生塑性变形,内部质量改善,机械性能提升,而制成的各种规格的钢板、圆钢、条钢、工字钢、槽钢等。,1-1 金属及合金的性能 金属材料的性能包括:使用性能和工艺性能。使用性能 指金属材料在使用中表现出的特征,包括力学性能、物理性能、化学性能。,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、金属材料的力学性能 力学性能又称机械性能,是材料在力的作用
3、下所表现出来的特征。机械力的作用形式,金属材料的力学性能指标 主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和刚度。以上指标是机械零件和工程结构件选材和强度设计的主要依据。,强度 是金属在外力作用下,抵抗永久变形和断裂的能力。强度的定义式 强度是用应力表示,即,机械零件设计常用的强度指标 抗拉强度 屈服点,金属材料的抗拉强度与屈服点 金属材料这两个强度指标,是通过对金属试样做拉伸试验测定出的。,(1)低碳钢的拉伸试验 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。,低碳钢的拉伸曲线理论,要点知识:oe直线弹性变形特征。去掉外力后伸长变形立即恢复。
4、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。,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。,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。,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。,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、销等零件,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。,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。,bz曲线缩
5、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”:零件受力横截面积变小,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,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。,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:,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
6、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。基本知识点: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。,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,布氏硬度(HB)布氏硬度法是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(HB)测定的原理:根据压痕直径d,按下式求出压痕表面积上的应力值,此应力值即为材料的布氏硬度值。,布氏硬度值的表示方法 如23
7、0HBS、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 HBS淬火钢球压头、HBW硬质合金压头用于测定如铸铁件、有色金属及合金、退火钢、正火钢、调质钢等。,洛氏硬度 洛氏硬度法是用 金刚石圆锥体作压头,用来测定较硬金属材料硬度的方法。,洛氏硬度法的应用 用于硬金属材料如淬火钢、渗碳钢、模具工具钢等硬度的测定。,洛氏硬度的表示方法 如2067HRC。,(2)硬度值与机械设计 零件工作面要规定足够的硬度,以耐磨损,防止疲劳断裂。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
8、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。,基本知识点: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。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。,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 材料的 值,只是表明其抗一次大冲击而不断裂的能力。金属零件受大能量冲击作用,其抗冲击能力决定于akv值。,受小能量多次冲击
9、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。,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
10、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。,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。,(3)疲劳强度的测定 试验验证,在交变载荷作用下,材料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:,当工作应力值下降到某一数值时,材料的疲劳曲线成水平线,这表示材料可经受无数次应力循环作用而不发生疲劳断裂,这个应力值即为该材料的疲劳强度。,(4)零件疲劳破坏的特征 没有明显的塑性变
11、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采用锻造、轧制等压力加工方式生产零件的毛坯。(因压力加工方式可消除材料内部的气孔、击碎夹杂物,使材料内部组织致密),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 机械传动中重要的轴、连接螺栓杆、发动机中的曲轴、连杆等,要进行零件的疲劳强度校核计算。,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)刚度与机械设计机床主轴、滑枕、床身等,选材时应选弹性模量大的材料。
12、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,还取决于机件的断面形式。,工字形截面、环行截面,并力求结构中壁厚均匀等,都是提高机件刚度的设计。,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 指金属用铸造方法制成铸件,材料所表现出的性能。用流动性、收缩率和偏析这三个指标来衡量。,流动性 指熔融金属流动的能力。流动性好的金属,容易充满铸型,铸件外形完整、尺寸准确。收缩率 材料的收缩量愈小,铸件产生的疏松、缩孔、变形、裂纹等缺陷愈少
13、。,偏析 指铸件凝固后内部化学成分不均匀现象。材料偏析严重,铸件各部分的力学性能就不一致。基本知识点: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:材料的锻压性能,用塑性值和变形抗力两个指标来衡量。,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:优良焊接接头 指焊缝处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。,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。,如用高碳钢、铸铁和铝合金制成的
14、机件,需与其它机件相连时,应采用螺纹联接或铆接。,(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。,基本知识点:高碳钢、中高合金钢,其导热性较差,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。,低碳钢和低合金钢的导热性好,采用一段加热规范,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:易断屑,加工出的表面光洁,刀具寿命长,表明材料的切削加工性能好。材料硬度在170230HBS,有一定的脆性最易切削。,铸铁、铜铝合金、中碳钢、退火钢的切削加工性都很好;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。,