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1、第三章 常用材料与热处理知识,金属的性能钢铁材料钢铁材料的热处理有色金属及非金属材料简介,第一节 金属的性能,力学性能强度塑性硬度物理、化学性能工艺性能,1 强度,金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。单位Pa1Pa1N/m2,抗拉强度,先将被测金属材料制成标准试样。测试时，将标准试样装夹在拉什试验机的两个夹头上，在试样两端缓慢施加拉力。随着拉力的增大，试样逐渐发生变形，直至被拉断为止。拉伸试验机自动的将每一瞬间试样所受拉力P及相应的伸长量L记录下来，绘制成拉伸曲线,试样,材料性能及基本特性抗拉强度,抗拉强度,低碳钢的拉伸曲线,低碳钢的拉伸曲线,当外力小于Fe时，试样产生的变形属于弹性变形
2、，即外力去除后材料将恢复到初始状态。当外力大于Pe后，试样除产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。,Fe,Fs,颈缩,屈服点,低碳钢的拉伸曲线,低碳钢的拉伸曲线,材料产生屈服现象时的应力，称为屈服点，可按下式计算：s=FsS0,Pe,Ps,颈缩,屈服强度，可按下式计算：s=F0。2S0 F0.2是残余伸长率为0.2%时的载荷。,低碳钢的拉伸曲线,低碳钢的拉伸曲线,试样在拉断前所能承受的最大应力称拉应力，称为抗拉强度，可通过下式计算：b=Fb/S0,Pe,Ps,颈缩,Fb,2.塑性,材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。断后伸长率断面收缩率,塑性,或愈大，则材料的塑性愈好。良好的塑
3、性是金属材料进行塑性加工的必要条件,低碳钢的拉伸曲线,Fe,Fs,颈缩,3.硬度,材料抵抗比其本身更硬的物体压入其内部的性能，称为硬度。抵抗塑性变形、压痕或滑痕的能力。,硬度,(1)布氏硬度HBS，HBW。(2)洛氏硬度HRAHRK(3)维氏硬度HV。(4)肖氏硬度HS,测量方法,布氏硬度,原理,布氏硬度,采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在相应的试验力P的作用下垂直的压入试样表面，保持规定的时间后卸载。以试验力P与压痕表面积的比值作为布氏硬度。,压头为淬火钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料,压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料,适用于调质钢、正火钢
4、、退火钢、铸铁、有色金属毛坯或半成品等硬度较低的材料，HBS（HBW）值越大，则材料的硬度越大,举例,120HBS10/1000/30,硬度为120,直径为10mm的钢球,9807N试验载荷,载荷保持时间30s,洛氏硬度,洛氏硬度计采用不同的压头和载荷相配合，洛氏硬度有HRA、HRB、HRC等几种不同的标度,洛氏硬度,洛氏硬度,标注52HRC70HRA,HR=k ee=h/0.002k=130,维氏硬度,维氏硬度硬度计136度的正四棱锥体的金刚石压头优点：实验时所加载荷小，适合于测试零件表面淬硬层及化学表面层；同时HV是一个连续一致的标尺，载荷可以任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可测量极
5、软到极硬的各种材料的硬度值。,硬度和强度之间存在有一定的关系，通常材料的强度愈高，其硬度也愈高,三种硬度之间可通过查表进行换算。,维氏硬度,表示方法64HV30适用范围可测极软到极硬的各种金属材料，还可以测渗碳、渗氮层的硬度。,4 冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,材料性能及基本特性冲击实验,冲击韧度,4 冲击韧性,冲击功：AKG(H1-H2)G摆锤重力；H1初始高度；H2摆锤回升高度；,冲击韧度,冲击韧度，J/cm2。,冲击功，J,试样缺口处横截面积。,5 疲劳强度,金属材料在多次交变应力的作用下，不发生破坏的最大应力称为疲劳强度。,Mpa,二、物理、化学性能,1 化学性能
6、 成分、显微组织、结晶结构、抗腐蚀性。耐酸性、耐碱性、抗氧化性。2 物理性能 材料本质不发生变化所表现的性能。颜色、密度、熔点、折射率、导热率、热膨胀率、热变形温度、吸水率、绝缘强度、电阻率、比热等,三、工艺性能,是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。包括：铸造性锻造性焊接性切削加工性,第二节 钢铁材料,钢铁材料钢 含碳量小于2.11%碳素钢合金钢铸铁 含碳量大于2.11%,一、碳素钢,简称碳钢,Wc1.5,并含有少量Si,Mn,S,P等杂质元素的铁碳合金.碳含量对碳钢的力学性能影响最大,以0.09 为界.Si,Mn 使钢强化.S使钢热脆,P导致钢冷脆.,含碳量对碳钢力学性能的影响,碳素钢
7、分类,按含碳量分:低碳钢-Wc0.60 按质量分:普通碳素钢-Wp 0.70.,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,碳素工具钢,铸造碳钢,ZG270500,用于制造形状复杂、力学性能要求较高的重型机械零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤等。,屈服点,抗拉强度,含碳量在0.20%0.60%之间。,合金钢,提高强度、改善磁性，提高耐腐蚀性和耐热性，提高淬透性,减轻热脆性，提高强度，硬度、淬透性，是高锰耐磨钢的主要元素。,提高强度、韧性、淬透性、抗氧化性和耐磨性,提高强度、韧性、耐腐蚀性、耐热性、淬透性,提高淬透性，改善高温强度，红硬性，提高耐腐蚀性,提高硬度、耐磨性，改善高温强度，红硬性,提高耐磨性，
8、改善强度和韧性,提高强度、硬度、耐热性,提高淬透性,阻止晶粒长大，耐高温氧化（Al2O3）,增加强度，耐大气腐蚀,改善耐热、耐蚀、抗氧化性，提高冲击韧性、塑性,Si Mn CrNi Mo W V Ti B Al Cu RE,合金钢,合金钢的分类按用途分:合金结构钢-低合金结构钢,合金结构钢合金工具钢-合金刃具钢,合金模具钢,量具钢特殊性能钢-不锈钢,耐热钢,耐磨钢按合金元素的含量分:低合金钢:合金元素总的质分数10,合金结构钢的编号,弹簧,合金工具钢的编号,特殊性能钢的编号,三、铸铁,铸铁是以铁、碳、硅为主要元素组成的，碳的质量分数大于2.11的铁碳合金。铸铁中所含杂质较钢多。铸铁具有许多优良
9、的性能，且生产简便，成本价廉，是工程上常用的一类金属材料。根据铸铁中碳的存在形态不同，铸铁可分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁五类。铸铁还可在加入一定数量的合金元素或经特殊处理后，获得特殊性能，称为合金铸铁。耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁均属这类铸铁。,灰铸铁,灰铸铁,组织铁素体灰铸铁铁素体珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁孕育处理在浇注前往铁水中加入少量孕育剂(硅铁)，使石墨片及基体组织得到细化。强度有很大提高，塑性、韧性有所改善。,灰口铸铁的显微组织,可锻铸铁,可锻铸铁,含碳量：2.2%2.8组织珠光体团絮状石墨铁素体团絮状石墨性能珠光体可锻铸铁具有一定的强度和一定的塑性和韧性铁素体可
10、锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨兴，塑性和韧性较低。,球墨铸铁,球墨铸铁的显微组织,球墨铸铁,热处理退火正火调质等温淬火,第三节 钢铁材料的热处理,热处理是指金属在固态下通过改变温度、保温和随后调整至室温，实现改变金属组织，从而获得所需性能的工艺方法。,金属内部组织转变,目的,组织转变的进行得彻底,保温,调整至室温是热处理的重要阶段,方法,一、热处理概述,目的：提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命。改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀锯磨损。分类普通热处理表面热处理,铁碳合金状态图,说明合金成分、温度和组织三者关系的图形,B,A,C,D,E,F,H,J,G,S,P,K
11、,A3,Acm,A1,一、普通热处理,1、退火把钢加热到某一温度，经保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的方法。目的：降低硬度；提高塑性；细化晶粒；消除应力；1 完全退火：用于亚共析钢的铸、锻、焊件。2 球化退火：用于过共析钢。3去应力退火：加热到 Ac1线以下某个温度，炉冷，用于消除铸、锻、焊件及冷冲压件的残余应力。4 扩散退火5等温退火6 再结晶退火,2、正火,把钢加热到A3线(对亚共析钢)或Acm线(过共析钢)以上3050，保温后，在静止空气中冷却。冷却速度比退火快，退火后钢的性能因钢种不同而有很大的差别。改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；细化晶粒；消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力
12、学性能，为球化退火做组织准备；代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火，改善组织结构和切削加工性。,3、淬火,把钢加热到组织转变温度(A3或A1)以上3050，保温后快速冷却的处理工艺。目的在于获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。冷却介质水、油、盐或碱的溶液方法：单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火淬透性淬火时能得到的淬硬层深度。淬硬性淬火后能达到的最高硬度值。实质是马氏体的硬度，其硬度取决于它的含碳量。,4、回火,是把淬火后的钢加热到A1线以下某一温度，保温后冷却到室温的处理工艺。是淬火工件必须进行的一个工序。低温回火淬火后的钢加热至150200 保温后冷却至室温中温回火淬火后的钢加热至35
13、0500 保温后冷却至室温高温回火（调质）淬火后的钢加热至500650 保温后冷却至室温获得了回火索氏体组织HRC20，综合力学性能很高。,三、表面热处理方法,仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺方法。一）表面淬火1 感应加热表面淬火2 火焰加热表面淬火二）化学热处理1 渗碳2 渗氮3 碳氮共渗,表面淬火,钢件快速加热，使其表面迅速达到淬火温度，而心部仍低于Ac1温度，表面喷水快速冷却，使得零件“外硬内韧”。适合于中碳钢和中碳合金钢。,火焰加热表面淬火1 烧嘴 2喷水管 3加热层 4工件 5淬硬层,例如齿轮,化学表面热处理,渗碳向低碳钢或低碳合金钢工件表层渗入碳原子的过程。表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和较高的韧性。齿轮、活塞销。渗氮钢件表层渗入氮原子的过程。提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度以及热硬性。适于在交变载荷下工作，要求耐磨和尺寸精度高的零件。如高精密机床的主轴、柴油机曲轴、碳氮共渗,气体渗碳法,1 风扇电动机 2 排出废气火焰 3 炉盖 4 砂封 5 电炉丝 6 耐热罐 7 工件,
