《金屬工藝學(xué)》第一章(1).ppt

1、,第一章 鋼鐵材料及熱處理 標(biāo)題內(nèi)容的含義： 鋼鐵固有的 力學(xué)性能一般是不能滿足零件的 受力性要求。 鋼鐵零件必須經(jīng) 過(guò)熱處理才能用。,1-1 金屬及合金的性能 主要有：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。,從機(jī)械零件和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，重點(diǎn)放在金屬材料的力學(xué)性能。,一、 力學(xué)性能 力學(xué)性能又稱機(jī)械性能，是材料在力的作用下所表現(xiàn)出的特征。 力學(xué)性能的指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和剛度。,1. 強(qiáng)度 是金屬受靜外力作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。 （1）強(qiáng)度的定義式,（2）工程設(shè)計(jì)中常用的強(qiáng)度指標(biāo) 最大抗拉強(qiáng)度 屈服點(diǎn),（3）金屬材料的抗拉強(qiáng)度與屈服點(diǎn)的測(cè)試 方法：是用金

2、屬試樣做拉伸試驗(yàn)測(cè)出來(lái)的。,1）低碳鋼試樣的拉伸試驗(yàn)曲線 是將低碳鋼棒料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，裝在拉伸機(jī)上，在試樣兩端緩慢施加軸向載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。,要點(diǎn)知識(shí)： oe直線彈性變形特征。 e點(diǎn)處的應(yīng)力 ：為不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為材料的彈性極限。,oe直線的斜率值：稱為材料的彈性模量，用E表示，表征材料抵抗彈性變形的能力，技術(shù)上表示金屬的剛度。,es曲線屈服特征。即載荷超過(guò)Fe再卸載時(shí)，試樣的伸長(zhǎng)只能部分地恢復(fù)，產(chǎn)生了部分塑性變形。,S處水平段稱作“屈服點(diǎn)”。即當(dāng)載荷增加到Fs時(shí)，拉力無(wú)需再增大，試樣仍可繼續(xù)伸長(zhǎng)。,金屬材料屈服點(diǎn)的工程意義： 1）鍋爐、壓力容器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的

3、緊固螺栓、鍵、銷零件，在受載時(shí)是不允許屈服的，其工作應(yīng)力必須小于材料的屈服點(diǎn)。,sb曲線強(qiáng)化階段。材料屈服后隨變形程度的增大，金屬內(nèi)部要產(chǎn)生變形抗力，須不斷增大載荷，試樣才能繼續(xù)伸長(zhǎng)。,bz曲線縮頸階段。即當(dāng)載荷超過(guò)Fb值，試樣出現(xiàn)局部 “縮頸” 直至斷裂。,“縮頸” ：零件局部橫截面積變小，是零件發(fā)生斷裂的前奏。,要點(diǎn)： 1）Fb是零件產(chǎn)生“縮頸”所能承受的最大拉力。,2）規(guī)定：b點(diǎn)處的拉應(yīng)力值為低碳鋼材料的抗拉強(qiáng)度，用,3）抗拉強(qiáng)度 的工程意義 金屬零件所承受的最大工作應(yīng)力值不允許超過(guò) ，否則會(huì)斷裂。,2. 塑性 指金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。 （1）塑性指標(biāo) 以用拉伸試驗(yàn)

4、測(cè)得的試樣伸長(zhǎng)率 和端面收縮率 來(lái)衡量。,要點(diǎn)知識(shí)：,2）應(yīng)用知識(shí) 如車身架材料，要用塑性好的低合金鋼制造，如受力過(guò)大（超載）時(shí)，先產(chǎn)生塑性變形而不致突然斷裂。,3）塑性好的金屬材料是進(jìn)行鍛造、沖壓、焊接的必要條件。,3. 硬度 指材料抵抗局部變形，特別是局部塑性變形、壓痕、劃痕的能力。 知識(shí)點(diǎn)：硬度是機(jī)械零件、工具等必須具有的機(jī)械性能指標(biāo)。,如制造業(yè)用的刀具、量具、鍛錘及模具等，都要具有足夠的硬度，以耐磨和防止受沖擊力時(shí)產(chǎn)生裂紋。,硬度可間接反映金屬的強(qiáng)度、塑性、韌性及化學(xué)成分，是一項(xiàng)綜合性的機(jī)械性能指標(biāo)。,（1）金屬材料的硬度指標(biāo) 最常用的有：布氏硬度和洛氏硬度 布氏硬度：用淬火鋼球或硬質(zhì)

5、合金球作壓頭，用來(lái)測(cè)定“較軟”金屬材料硬度的方法。,布氏硬度的符號(hào)及表示方法： 如230HBS、500HBW。 S 淬火鋼球壓頭。 W硬質(zhì)合金鋼球壓頭。,布氏硬度法的應(yīng)用： 用于測(cè)定如鑄鐵件、有色金屬及合金、退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等的硬度。,洛氏硬度：是用 金剛石圓錐體作壓頭，用來(lái)測(cè)定硬金屬材料硬度的方法。,洛氏硬度的符號(hào)及表示方法： 如2067HRC。 洛氏硬度法的應(yīng)用：用于淬火鋼、滲碳鋼、模具工具鋼等硬度的測(cè)定。,（2）硬度指標(biāo)與機(jī)械設(shè)計(jì) 零件受力面要規(guī)定足夠的硬度，以耐磨損，防止產(chǎn)生疲勞裂紋。 硬度和強(qiáng)度之間有一定換算關(guān)系，見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材中的圖表。,4. 沖擊韌性 指材料受快速或突然

6、載荷的作用，斷裂前所能吸收最大沖擊功的能力。 沖擊載荷：指載荷以快速或突然的方式作用在零件上。,（1）沖擊韌性指標(biāo) 以用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)測(cè)出的試樣所受最大沖擊吸收功AK與S0的比值來(lái)衡量，見(jiàn)教材圖1-4。,知識(shí)點(diǎn)： 強(qiáng)度、塑性、硬度指標(biāo)，都是在緩慢加載或靜載荷條件下測(cè)定的。 機(jī)器中的零件大多要受沖擊載荷作用，如連桿、鍵連接、齒輪傳動(dòng)、鉆機(jī)、碎石機(jī)械，鐵軌受力，沖模、鍛模等。,受沖擊載荷作用的零件,制造承受沖擊載荷的零件，除應(yīng)保證足夠的靜強(qiáng)度、硬度外，還必須要有足夠的韌性，即耐沖擊的能力。,（2）沖擊韌性與機(jī)械零件設(shè)計(jì) 材料的 值，只是表明其抗一次大沖擊而不斷裂的能力。 金屬零件受大能量沖擊作用，

7、其抗沖擊能力決定于akv值。,受小能量多次沖擊的作用，零件抗沖擊能力是取決于強(qiáng)度和塑性。 受較高沖擊力作用，要提高零件的塑性值； 受小沖擊力作用，要提高零件的強(qiáng)度。,如連桿、曲軸，碎石機(jī)鄂板等，都是受小能量沖擊作用，這些零件可采用球墨鑄鐵件或孕育鑄鐵件。但鑄鐵的ak值幾乎為零，可經(jīng)熱處理后具有較高的強(qiáng)度、硬度。,受大能量沖擊作用的零件，選擇材料時(shí)，要考慮材料的沖擊韌性指標(biāo)ak值大小。 如飛機(jī)起落架、礦山載重汽車的大梁、鍛錘的錘桿、沖模等，工作時(shí)受大能量沖擊力作用，其零件要用高ak值的金屬材料制造。,5. 疲勞強(qiáng)度 （1）疲勞破壞 很多機(jī)械零件如軸、齒輪、連桿等，是在交變循環(huán)載荷作用下工作，盡管

8、受到的工作應(yīng)力值低于材料的強(qiáng)度極限 ，甚至 ，但在零件應(yīng)力集中處仍會(huì)產(chǎn)生裂紋，直至發(fā)生斷裂，此破壞稱為疲勞破壞。,具統(tǒng)計(jì)，有約80%的機(jī)械零件失效，都是由疲勞破壞引起。因此，研究和預(yù)防材料疲勞破壞極其重要。,（2）疲勞強(qiáng)度 工程規(guī)定，材料在指定循環(huán)基數(shù)（107次以上）的交變載荷作用下不引起斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度，用符號(hào) 表示。,（3）疲勞強(qiáng)度的測(cè)定 試驗(yàn)驗(yàn)證，在交變載荷作用下，材料承受的工作應(yīng)力值與斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有如下關(guān)系：,當(dāng)工作應(yīng)力值下降到某一數(shù)值時(shí)，材料的疲勞曲線成水平線，這表示材料可經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)作用而不發(fā)生疲勞斷裂，這個(gè)應(yīng)力值即為該材料的疲勞強(qiáng)度。,（4）

9、零件疲勞破壞的特征 沒(méi)有明顯的塑性變形，是突然斷裂。 （5）零件疲勞斷裂的原因 材料內(nèi)部有氣孔、夾雜物，表面有劃痕或顯微裂痕等。,（6）提高零件疲勞強(qiáng)度的措施 采用鍛造、軋制等壓力加工方式生產(chǎn)零件的毛坯。 （因壓力加工方式可消除材料內(nèi)部的氣孔、擊碎夾雜物，使材料內(nèi)部組織致密）,對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，如滾壓、噴丸、表面淬火，以提高工作面硬度。 （可去除或防止出現(xiàn)顯微裂紋，且裂紋擴(kuò)展慢）,（7）疲勞強(qiáng)度與機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械傳動(dòng)中重要的軸、連接螺栓桿、發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸、連桿等，要進(jìn)行零件的疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算。,6. 剛度 指材料抵抗彈性變形的能力。材料的剛度用彈性模量E值衡量。,（1）剛度與機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)床

10、主軸、滑枕、床身等，選材時(shí)應(yīng)選彈性模量大的材料。 材料的剛度不等于機(jī)件的剛度。機(jī)件的剛度除與材料的E值有關(guān)，還取決于機(jī)件的斷面形式。,工字形截面、環(huán)行截面，并力求結(jié)構(gòu)中壁厚均勻等，都是提高機(jī)件剛度的設(shè)計(jì)。,三、工藝性能 指材料在加工的過(guò)程中所表現(xiàn)出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯質(zhì)量如何。 1. 材料工藝性能的內(nèi)容 按工藝方法的不同有：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能。,（1）鑄造性能 指金屬用鑄造方法制成鑄件，材料所表現(xiàn)出的性能。用流動(dòng)性、收縮率和偏析這三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。,流動(dòng)性 指熔融金屬流動(dòng)的能力。流動(dòng)性好的金屬，容易充滿鑄型，鑄件外形完整、尺寸準(zhǔn)確。 收縮率 材料

11、的收縮量愈小，鑄件產(chǎn)生的疏松、縮孔、變形、裂紋等缺陷愈少。,偏析 指鑄件凝固后內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。材料偏析嚴(yán)重，鑄件各部分的力學(xué)性能就不一致。 基本知識(shí)點(diǎn)： 鑄鐵類的鑄造性能最好，鋁合金其次；鋼的鑄造性能較差。,（2）鍛壓性能 指金屬用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良制件的難易程度。 要點(diǎn)： 材料的鍛壓性能，用塑性值和變形抗力兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。,鍛壓性能好的金屬有低碳鋼、低合金鋼；黃銅、鋁合金在室溫下就有良好的鍛壓性能；鑄鐵、高碳鋼等鍛壓性能差。,（3）焊接性能 指金屬焊接時(shí)，能否獲得優(yōu)良焊接接頭的能力。 要點(diǎn)： 優(yōu)良焊接接頭 指焊縫處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。,焊接性能好的金屬：低碳鋼、低合金鋼；高碳鋼、鑄鐵和鋁合金的焊接性較差。,如用高碳鋼、鑄鐵和鋁合金制成的機(jī)件，需與其它機(jī)件相連時(shí)，應(yīng)采用螺紋聯(lián)接或鉚接。,（4）熱處理工藝性 指材料是否容易通過(guò)熱處理獲得所需力學(xué)性能而不開(kāi)裂的能力。,基本知識(shí)點(diǎn)： 高碳鋼、中高合金鋼，其導(dǎo)熱性較差，加熱時(shí)采用多段加熱規(guī)范，以防止工件開(kāi)裂，其熱處理性能較差。,低碳鋼和低合金鋼的導(dǎo)熱性好，采用一段加熱規(guī)范，熱處理性能好。