第1章 工程材料

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1.2 铁碳合金
钢和铸铁是现代工业上使用最广泛的金属材料.它们都是主要 由铁与碳两种元索所组成的合金。钢铁的成分不同.其组织和 性能也不同。下面将依据铁碳合金相图及对典型铁碳合金结 晶过程的分析.研究铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系。 铁碳合金相图是研究钢和铸铁的基础.对于钢铁材料的应用以 及制定热加工和热处理丁艺也具有重要的指导意义。 铁和碳的结合方式有两种其一是碳溶于铁中形成间隙固溶体. 其二是铁和碳发生化学作用形成一系列化合物.
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1.2 铁碳合金
1. Fe-Fe3C相图中的相 (1)液相，铁和碳的液溶体。 (2)高温铁索体。 (3)铁索体 (4)奥氏体 (5)渗碳体
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1.2 铁碳合金
2. Fe-Fe3C相图中的特性点和特性线 Fe-Fe3C相图中部分特性点的温度、碳质量分数及含义如表 1-1所示。 在Fe-Fe3C相图上.有若干合金状态的分界线.它们是不同成 分合金具有相同含义的临界点的连线几条主要特性线的物理 含义如表1-2所示。
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1.1 金属材料的力学性能
3.维氏硬度及显微硬度 1)维氏硬度试验原理 维氏硬度的试验原理与布氏硬度的相同.也是根据压痕单位面 积所承受的载荷来计算硬度值。所不同的是.维氏硬度试验的 压头不是球体.而是两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚 石. 压头在载荷F(kg)的作用下.保持一定时间后卸除载荷.将 在试样表面压出一个正四棱锥形的压痕.测量出试样表面压痕 对角线长度d(mm)用以计算硬度值。维氏硬度和压痕表面 积除载荷的商成比例.
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1.3 钢的热处理
1.3.2淬火
1.淬火温度的选择 碳钢的淬火温度可利用Fe-Fe3C相图来选择. 为防止奥氏体 晶粒粗化，一般淬火温度不宜太高.只允许超出临界点3050℃。 对于亚共析碳钢.适宜的淬火温度一般为Ac3+30-50℃.这样 可以获得均匀细小的马氏体组织。 对于过共析碳钢.适宜的淬火温度一般为Ac1+30-50℃.这样 可以获得均匀细小的马氏体和粒状渗碳体的混合组织。 对于合金钢. 淬火温度允许比碳钢稍微高一些.这样可使合金 兀索充分溶解和均匀化.以便取得较好的淬火效果。
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1.1 金属材料的力学性能
2)应用及优缺点 布氏硬度试验时一般采用直径较大的压头.因而所得压痕面积 较大。压痕面积大的一个优点是其硬度值能反映金属材料在 较大范围内各组成相的平均性能.而不受个别组成相及微小不 均匀性的影响。因此.布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、 轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。压痕 较大的另一个优点是试验数据稳定.重复性好。布氏硬度试验 的缺点是对不同金属材料需要更换不同直径的压头和改变载 荷.压痕直径的测量也较麻烦.因而用于自动检测时受到限制; 当压痕较大时不宜在成品上进行试验。
(2)引起疲劳断裂的应力很低.正常低于金属材料的屈服点;
(3)疲劳破坏的宏观断口由两部分组成.即疲劳裂纹的产生及 扩展区和最后断裂区。
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1.1 金属材料的力学性能
3)疲劳曲线和疲劳极限 金属材料的疲劳极限通常都是在旋转弯曲疲劳试验机上测定 的.疲劳试验证明在交变载荷作用下.材料承受的交变应力值 与断裂前的应力循环次数之间的关系称为疲劳曲线.在应力下 降到某值之后.疲劳曲线成为水平线.这表示该材料可经受无 数次应力循环而仍不发生疲劳断裂.这个应力值称为疲劳极限 或疲劳强度.亦即金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起 断裂的最大应力。显然疲劳极限的数值愈大.材料抵抗疲劳破 坏的能力愈强。
第1章 工程材料
1.1 金属材料的力学性能 1.2 铁碳合金 1.3 钢的热处理 1.4 常用金属材料 1.5 其他材料简介
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1.1 金属材料的力学性能
1.1.1强度
强度是金属材料在力的作用下.抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度有多种判据.工程上以屈服强度和抗拉强度最为常用。屈 服强度和抗拉强度可用拉伸试验测定。 1.屈服强度 屈服强度是指拉伸试样产生屈服现象时的应力. 2.抗拉强度 抗拉强度是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力.
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1.3 钢的热处理
4.钢的淬透性和淬硬性 1)淬透性 钢的淬透性是指在规定条件下.决定钢材淬硬层深度和硬度分 布的特性。 2)淬硬性 钢在理想条件下进行淬火硬化后所能达到的最高硬度的能力 称为淬硬性。
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1.1 金属材料的力学性能
1.1.2塑性
塑性是指在外力作用下金属材料产生永久变形而不被破坏的 能力。塑性指标也是由拉伸试验测得的.在测定金属材料的强 度时.可以同时测定它们的塑性。常用的塑性指标是延伸率和 断面收缩率。
1.1.3硬度
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能。金属材料的硬度 是通过硬度试验来测定的.目前测定金属材料硬度的方法有很 多种.基本上可分为压人法和刻划法两大类。在压人法中.根 据加载速率不同又可分为静载压人法和动载压人法。
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1.1 金属材料的力学性能
2)小能量多次冲击试验 机器零件在实际工作中承受冲击载荷时.很少是在大能量下一 次冲击而破坏的.大多是受到小能量多次重复冲击而破坏的. 因此.在大能量、一次冲断条件下来测定冲击韧度.虽然方法 简便.但对大多数在工作中承受小能量、重复冲击的机器零件 来说就不一定适合。 实践表明一次冲击韧度高的金属材料.在小能量多次冲击试验 条件下其抗力却不一定高.反过来也一样。 试验研究表明.金属材料受大能量的冲击载荷作用时.其冲击 抗力主要取决于冲击韧度的大小.而在冲击载荷不太大的情况 下.金属材料承受多次重复冲击的能力.主要取决于金属材料 的强度.而不要求过高的冲击韧度.
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1.1 金属材料的力学性能
2.疲劳强度
1)疲劳的概念
机械上的许多零件是在周期性或非周期性动载荷的作用下工 作的。在疲劳载荷的作用下.虽然零件所承受的应力低于金属 材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发 生完全断裂的现象称为金属材料的疲劳。
2)疲劳破坏的特征
(1)疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形.断裂前没有征兆. 而是突然破坏;
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1.1 金属材料的力学性能
4.里氏硬度 里氏硬度是一种动载荷试验方法。其基本原理是用规定质量 的冲击体(碳化钨球冲头)在弹力作用下以一定速度冲击试样 表面.用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度vR与冲击、速 度vA的比值计算硬度值。 里氏硬度试验法有其独特的优点.它主要用于大型金属产品及 部件的硬度检验.特别适用于其他硬度计难以胜任的、不易移 动的大型工件和不易拆卸的大型部件及构件的硬度检验。其 缺点是试验结果的准确性受人为因索影响较大.硬度测量精度 较低。
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1.1 金属材料的力学性能
2)维氏硬度试验的优缺点 维氏硬度试验的优点是不存在布氏硬度试验时要求载荷与压 头直径之间所规定条件的约束.也不存在洛氏硬度试验时不同 标尺的硬度值无法统一的弊端。维氏硬度试验时不仅载荷可 任意选取.而且压痕测量的精度较高.硬度值较为精确。唯一 的缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计 算或查表.因此工作效率比洛氏硬度试验低得多。 3)显微硬度 显微硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验.其原理和维 氏硬度试验一样.所不同的是载荷以克计量.压痕对角线以μm 计量.显微硬度符号用HM表示。主要用来测定各种组成相的 硬度和表面硬化层的硬度分布。
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1.1 金属材料的力学性能
1.1.4冲击韧性与疲劳强度
1.冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。 1)冲击试验的原理 冲击韧性通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时一般是将 带缺日的标准冲击试样放在试验机上.然后用摆锤将其一次冲 断.并以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示其冲击 韧性。
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1.3 钢的热处理
2.淬火冷却介质 淬火冷却介质是指工件进行淬火冷却时所使用的介质。在实 际生产中还没有找到一种淬火介质能符合上述的理想淬火冷 却速度.最常用的淬火冷却介质是水、水溶液、油、硝盐浴、 碱浴和空气等
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1.3 钢的热处理
3.淬火方法 为保证淬火时既能得到马氏体组织.又能减小变形.避免开裂 一方面可选用合适的淬火介质.另一方面可通过采用不同的淬 火方法加以解决。工业上常用的淬火方法有以下几种。 1)单放淬火法 2)双液淬火法 3)分级淬火法 4)等温淬火法 5)局部淬火法 6)冷处理
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1.1 金属材料的力学性能
1.布氏硬度 1)布氏硬度的测定原理 使用一定直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球为压头.施 以一定的载荷F(kg).将其压人试样表面.经规定保持时间t(S) 后卸除载荷.然后测量试样表面压痕直径d(mm).用压痕表面 积S除载荷F所得的商值即为布氏硬度值.
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1.3Baidu Nhomakorabea钢的热处理
2.钢的正火 正火主要应用于以下几方面: (1)对于力学性能要求不高的零件.正火可作为最终热处理; (2)低碳钢退火后硬度偏低.切削加工后表面粗糙度高.正火后 可获得合适的硬度.改善切削性能; (3)过共析钢球化退火前进行一次正火.可消除网状二次渗碳 体.以保证球化退火时渗碳体全部球粒化.
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1.1 金属材料的力学性能
3)优缺点 洛氏硬度试验的优点是操作简便迅速.硬度值可直接读出.压 痕较小.可在工件上直接进行试验.采用不同标尺可测定各种 软硬不同的金属材料和厚薄不一的试样的硬度.因而广泛用于 热处理质量的检验。其缺点是压痕较小.代表性差.由于金属 材料中有偏析及组织不均匀等缺陷.致使所测硬度值重复性差. 分散度大。
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1.3 钢的热处理
1.退火 退火是将钢加热至适当温度.保温一定时间.然后缓慢冷却的热 处理工艺。根据目的和要求的不同.工业上常用的退火工艺有 完全退火、球化退火、去应力退火和扩散退火. 1)完全退火 完全退火是将钢完全奥氏体化后缓慢冷却.获得接近平衡组织 的退火工艺. 2)球化退火 球化退火是使钢中碳化物(渗碳体)球状化而进行的退火工艺. 3)去应力退火 缓去冷应的力热退处火理是工将艺工。件加热至Ac1以下100-200℃.保温后随炉 4)扩散退火 为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分的偏折和组织的不均匀 性热处.将理工工件艺加.称热到为A扩c散3以退上火1或5均0-匀20化0退℃火.长. 时间保温后缓冷的
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1.1 金属材料的力学性能
2.洛氏硬度 1)洛氏硬度试验原理 洛氏硬度试验是以顶角为120°的 金刚石圆锥体为压头.在规定的载荷下.垂直地压人被测金属 材料表面.卸载后依据压人深度h.由刻度盘上的指针直接指示 出硬度值。 2)常用洛氏硬度标尺 采用不同的压头和载荷.可组合成几种不同的洛氏硬度标尺。 每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国最常用的标尺的有 A,B, C3种.其硬度值的符号分别用HRA, HRB及HRC表示。 用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系.不能直接进行比较。
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1.3 钢的热处理
1. 3. 1钢的退火和正火
退火和正火主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件. 由于处理时冷却速度较慢.故对钢的强化作用较小.在许多情 况下不能满足使用要求。除少数性能要求不高的零件外一般 不作为获得最终使用性能的热处理.而主要用于改善其工艺性 能.故称为预备热处理。退火和正火的目的有以下几点: (1)消除残余内应力.防止工件变形、开裂; (2)改善组织.细化晶粒; (3)调整硬度.改善切削性能; (4)为最终热处理做好组织上的准备.
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1.3 钢的热处理
3.退火与正火的选择 退火与正火同属钢的预备热处理.在操作过程中如装炉、加热 速度、保温时间都基本相同.只是冷却方式不同.在生产实际 中有时两者可以互相代替。究竞如何选择退火与正火一般可 以从以下几点考虑: 1)从切削加工性考虑 2)从零件形状考虑 3)从经济性考虑