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)出來的特性。力學(xué) 性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強度等。 一、強度 強度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 強度指標一般可以通過金屬拉伸試驗來測定。把標準試樣裝夾在 試驗機上,然后對試樣緩慢施加拉力,使之不斷變形直到拉斷為止。 在此過程中,試驗機能自動繪制出載荷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,圖中縱坐標表示載荷單位為N;橫坐 標表示絕對伸長量△L,單位為mm。,,從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段: (1)Oe———彈性變形階段 ?。?)es———屈服階段 (3)sb———強化階段 ?。?)bk———縮頸階段,,2.強度指標 材料受到外力作用會發(fā)生變形,同時在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個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σs材料產(chǎn)生屈服時的最小應(yīng)力。單位為MPa。 σs= Fs/AO (2-1) 式中,F(xiàn)s是屈服時的最小載荷(N);A0是試樣原始截面積。 對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料(如高碳鋼、鑄鐵),測量屈服點很困難,工程上經(jīng)常采用殘余伸長為0.2%原長時的應(yīng)力σ0.2作為屈服強度指標,稱為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力。 σ0.2= F0.2/AO (2-2) ?。?)抗拉強度σb材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力,單位為MPa。抗拉強度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力,也是設(shè)計機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。通過拉伸試驗測得 的常用塑性指標有:斷后伸長率和斷面收縮率。 1.斷后伸長率δ 試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距之比 δ=(L1—L0)/L0×100% (2-4) 式中,L1試樣原始標距長度。L0試樣拉斷后的標距長度。 2.斷面收縮率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。 常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗法。 1.布氏硬度試驗法 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 測金屬表面,保持一 定時間后卸除載荷,測 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 鋼球時用HBS表示,壓 頭為硬質(zhì)合金球用時 HBW表示。例如120HBS, 450HBW。,,2.洛氏硬度試驗法 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。試驗時先施加初載荷,使壓頭與試樣表面接觸良好,保證測量準確,再施加主載荷,保持到規(guī)定的時間后再卸除主載荷,依據(jù)壓痕的深度來確定材料的硬度值。,,,四、沖擊韌度 對于承受沖擊載荷的材料,如汽車發(fā)動機中的活塞,不僅要求具有高的強度和一定的塑性,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。 沖擊韌度的測定方法,如圖2-4所示。是將被測材料制成標準缺口試樣,在沖擊試驗機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,這個值越大,則韌性越好,受沖擊時,越不容易斷裂。,五、疲勞強度 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度極限,甚至小于其彈性極限,但經(jīng)多次循環(huán)后,在沒有明顯的外觀變形時也會發(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,具有很大的危險性。 疲勞強度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度,可以通過改善零件的結(jié)構(gòu)形狀,避免應(yīng)力集中,減小表面粗糙度值,進行表面熱處理和強化處理等方法。,,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?shù)姆绞竭M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,,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、和冷卻三個階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標系中的曲線圖表示,這種曲線稱為熱處理工藝曲線,見圖2-5。,,2.鋼在加熱時的轉(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)時的組織,其強度及硬度高,塑性良好,晶粒的大小、成分及其均勻化程度,對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此,鋼在加熱時,為了得到細小均勻的奧氏體晶粒,必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間,以求在冷卻后獲得高性能的組織。 3.鋼在冷卻時的轉(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,將獲得不同的力學(xué)性能,見表2-1。,二、退火與正火 1.退火 退火是將鋼加熱到適當溫度,保持一定時間,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 (如圖2-8所示) ?。?)感應(yīng)加熱表面淬火 (如圖2-9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絮狀;球墨鑄鐵中的石墨呈球狀,蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀。,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、鈦及其合金和滑動軸承合金。 1.鋁及鋁合金 2.銅及銅合金 3.滑動軸承合金,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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