金属材料性能分析

2018/10/142007-3-12
《第3章 机械工程材料基础》——陈君梅
3.2.1
•
铁碳合金的组织及性能
基本组织： [含碳量、性能、工艺]
• 1.铁素体 ( F )--碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。
• • • •
2.奥氏体 ( A )--碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。 3. 渗碳体 ( Fe3C )--铁与碳形成的金属化合物。 4.珠光体 ( P )--铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 5.莱氏体 ( Ld ) --奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 。
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3.2.3
碳的质量分数与力学性能的关系
• 铁素体(F)：软而韧 • 渗碳体(Fe3C):硬而脆
（1）含碳量增加，硬度 增加
（2）含碳量增加，塑性 韧性降低
（3）含碳量增加，强度 先增后降（0.9%最高）
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退火;正火; 淬火;回火; 表面淬火
感应加 热淬火
火焰加 热淬火
化 学 热处理
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渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;
3.3.1
钢的普通热处理
一般零件生产的工艺路线:
毛坯生产 工
预备热处理
机械加
最终热处理
机械精加工
预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火
指标 :
弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击 韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。
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金属的力学性能 拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
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拉伸试验机
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
2. 塑性
(1)布氏硬度
布氏硬度计
1.感应加热表面淬火 1)感应加热的基本原理:
* 感应电流 --- 涡流
* 集肤效应 *淬火层深度(δ)与电流频率( f )的关系: δ = 500 / √ f （mm）
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感应加热表面淬火示意图
集肤效应示意图
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适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;
六.冲击韧性( notch toughness ):
材料在冲击载荷作用下抵抗破 坏的能力。
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试样冲断时所消耗的冲击功A k为: A k = m g H – m g h (J)
3.3
• 热处理的定义:
温 度 热 加
钢的热处理常识
保温
临界温度
冷 却
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时间
2.热处理的主要目的:改变钢的性能。 3.热处理的应用范围:整个制造业。 4.热处理的分类
普 通 热处理 热处理 表 面 热处理
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二) 化学热处理的基本过程: 1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗 的活性原子。 2CO CO2 +〔C〕
2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。 3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。
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一.钢的退火
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 随炉冷却。 二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
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三) 种类
普通退火
完全退火 重结晶 退 火
退火 扩散退火 球化退火
等温退火 普通球化 退 火
等温球化 退 火
低温 退火
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再结晶退火 去应力退火
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二.钢的正火
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～ 50℃,保温一段时间,然后 在空气中冷却。 二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成 分;为最终热处理三.钢的淬火 作好组织准备。 三）应用范围: • 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 • 度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。 • 2.最终热处理:用于力学性能要求不 • 高的普通零件。
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二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。
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(1)布氏硬度
• 当压头为钢球时,硬度 符号为HBS；当压头 为硬质合金球时,硬度 符号为HBW
适用范围:
＜450HBS; 450-650HBW;
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(2)洛氏硬度 HR
洛氏硬度测试示意图
洛氏硬度计
h1 - h0
10HRC≈HBS
(3)维氏硬度 HV
钢的表面热处理工艺
工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。 • 表面淬火 • 化学热处理
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一.表面淬火
一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。 二) 工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。
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三)表面淬火用钢: 选用中碳或中碳低合金钢。40、 45、40Cr、40MnB等。
四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等。
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三.钢的淬火
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 ～ 50℃,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 常用水冷 )。 二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。
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2.火焰加热表面淬火 1)火焰加热表面淬火的基本方法
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2)火焰加热表面淬火的特点:
*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。
项目4 任务1钢铁材料认识(一)
教师:刘小娟
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机械材料分类 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料
（按化学成分分类）
(综合性能好，用量最大、应用范围最广) (质轻、 耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等)
（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于
电器、化工、航空航天等等） （轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）
机械零件的失效形式
填空题:
1、 ：零件丧失工作能力或达不到要求的性能时，称 为 。 2、 零件不发生失效的安全工作限度称为 。 3、 机械零件失效的形式有断裂、 、 等形式。
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谢谢大家
3.2
铁碳合金基础知识
• 钢铁是机械工业应用最广泛的金属材料， 它主要是由铁和碳两种元素组成，统称 为铁碳合金。 • 不同的钢铁材料其力学性能差别很大， 这是由金属内部成分和组织结构决定的。
金属的化学性能
【提问】为什么图片中的自行车表面
层总是要进行喷漆处理,而淋雨后置久了 却会生锈呢?
（1）耐腐蚀性 ---- 常见如钢铁生锈，（腐蚀现象） （2）耐氧化性 --- 焊接等 （3）化学稳定性
金属的力学性能
定义 :
金属材料的力学性能是指金属材料在不同 环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷 （拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应 力等）时所表现出的力学特征。
冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截 面积上所消耗的冲击功，称为冲击韧度。
AK
a k=
S0
(J/cm² )
七.疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值σ-1 。
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钢材的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σ b
金属的物理性能
（1）密度 ---- 密度的大小 ---- 分轻重金属，轻金属 --铝（应用广） （2）熔点 ---- 对冶炼、铸造、焊接、配制合金很重要。 （3）导热性 ----最好是银 → 铜→ 铝，导热性好的金属 散热性也好。 （4）热膨胀性 --- 实际工作中，铺铁轨、桥梁。 （5）导电性 ----最好是银→ 铜→ 铝，（工业上用铜、铝 作导电材料）。 （6）磁性 ---- 具有导磁能力的金属都能被磁铁吸引
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2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。
3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。
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1943年美国T-2油轮发生断裂
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金属的工艺性能
（1）定义 --- 指各种加工条件下表现出来的 性能。
（2）各性能的含义
① 铸造性:常用材料: 灰铸铁 有优良的铸造性能。 ②锻压性:塑性好的 低碳钢 容易锻造成型 ③焊接性:你碳钢有较好的可焊性，高碳钢（较差）铸铁 （更差） ④可加工性: 一般认为，硬度过高或过低的金属材料， 其切削加工性能较差。
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• 组织金相图
•
奥氏体组织金相图
渗碳体组织金相图
•
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珠光体组织金相图
《第3章 机械工程材料基础》——陈君梅
•
莱氏体组织金相图
3.2.2 铁碳合金分类及其室温组 织
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原因: 锡在温度低于-18℃时,体积就会骤然膨
胀,原子间空隙加大.如果温度下降到-33℃,这种变 化就像传染病一样迅速蔓延.这种现象人们称为 锡疫,使整块 的锡很快变成粉末.
故事启发 : 学习金属材料的性能 ,才能很好的选择和
应用金属,尤其是在机械构件材料的合理的选择 .本次 课我们就来学习金属材料的性能.
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学习金属材料的目的
（1） 获得常用的金属材料、非金属材料的 基本知识，了解各种机械工程材料的基本特性 和应用范围；
（2）为以后正确设计和合理选材打下基础。
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《第3章 机械工程材料基础》——陈君梅
读读小故事:
1867 年冬天 , 俄国彼得堡海军仓库的大批 锡砖 , 一夜之间不翼而飞 , 留下了泥土一样 的灰色粉末 .1992年 , 俄国斯科特探险队的 船只,在去南极的途中,天气十分寒冷 ,可是 用于取暖的煤油却漏光了 , 以致探险队员 全部冻死在南极冰原 . 原来装煤油的铁桶 是用锡焊接的 , 而锡却莫名其妙地化为了 灰尘.这是怎么回事呢?
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一、 金属材料的常用性能
力学性能（强度、塑性韧性等） 材料使用性能
包 括 两 方 面
材料工艺性能
物理性能（光、热、电、磁等）
化学性能（氧化、腐蚀等） 加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
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思考问题:图片中的金属制品用途能反应出它们哪些物理性能?
四.钢的回火 一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。 二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。
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淬火 + 高温回火 = 调质处理
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3.3.2