二　金属材料与热处理基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,学习目的：,通过本章的学习具备所必需的汽车所使用的金属材料基本知,识。,学习要求：,掌握金属的力学性能指标及常用数据。,掌握钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、工艺特点和,应用范围。,掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。,初步具有选择工程材料的能力。,第二章金属材料与热处理基础,1,第一节金属的力学性能,材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学,性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。,一、强度,强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。,强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在,试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。,在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。,此曲线叫做拉伸曲线。,1拉伸曲线,图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐,标表示绝对伸长量L，单位为mm。,2,从图2-1中可以看出下面几个变形阶段：,（1）Oe弹性变形阶段,（2）es屈服阶段,（3）sb强化阶段,（4）bk缩颈阶段,3,2强度指标,材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。,（1）屈服点s材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。,s=,Fs/AO,（2-1）,式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。,对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2原长时的应力0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。,0.2=,F0.2/AO,（2-2）,（2）抗拉强度b材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。,b=,Fb/AO,（2-3）,式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。,4,二、塑性,金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。,1断后伸长率,试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比,=(,L1L0)/L0100 （2-4）,式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。,2断面收缩率,试样拉断处=100横截面积的缩减量与原始横截面积之比,= =(,A0A1)/AO,100,（2-5）,式中，Ao是试样的原始横截面积；A是试样断口处的横截面积。,5,三、硬度,硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。,常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。,1布氏硬度试验法,如图2-2所示采用,直径为D的淬火钢球或,硬质合金球，在规定载,荷F的作用下，压入被,测金属表面，保持一,定时间后卸除载荷，测,定压痕直径，求出压痕,球形的表面积，压痕单,位表面积上所承受的平,均压力（,F/A）即为布,氏硬度值，压头为淬火,钢球时用HBS表示，压,头为硬质合金球用时,HBW表示。例如120HBS，,450HBW。,6,2洛氏硬度试验法,采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。,7,四、冲击韧度,对于承受冲击载荷的材料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。,冲击韧度的测定方法，如图2-4所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。,8,五、疲劳强度,在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。,疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。,为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。,9,一、钢的热处理原理,1概述,热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。,根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：,第二节钢的热处理常识,10,热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线，见图2-5。,11,2钢在加热时的转变,在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以求在冷却后获得高性能的组织。,3钢在冷却时的转变,冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。,12,二、退火与正火,1退火,退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。,2正火,正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温，使其完全奥氏体化，在空气中冷却的热处理工艺。,三、淬火与回火,1淬火,淬火是将钢的组织加热到转变为奥氏体的临界温度以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度快速冷却的热处理工艺。,2回火,钢的回火是指将淬火后的钢，在组织转变为奥氏体的临界温度以下加热，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,13,四、表面热处理,常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。,1表面淬火,（1）火焰加热表面淬火（如图2-8所示）,（2）感应加热表面淬火（如图2-9所示）,14,2化学热处理,化学热处理是指将钢件放入一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。,化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。,（1）钢的渗碳将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺，如图2-10所示。,（2）钢的渗氮是指在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。,15,第三节常用金属材料,金属材料可分为钢铁材料和非铁材料（有色金属材料）两大类，而钢又可分为碳素钢和合金钢，钢铁以外的其他金属称为非铁金属材料或有色金属材料。,一、钢,钢的分类方法很多，常用的是按钢的用途分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。,二、铸铁,铸铁中的碳主要以渗碳体和石墨两种形式存在，根据碳的存在形式不同，铸铁可以分为下列几种：（1）白口铸铁 （2）灰铸铁碳（3）麻口铸铁,根据铸铁中石墨形态不同，铸铁又可分为：灰铸铁中的石墨呈片状；可锻铸铁中的石墨呈团絮状；球墨铸铁中的石墨呈球状，蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。,16,17,三、有色金属及其合金,有色金属是指钢铁以外的其他金属。有色金属种类很多，又具有某些独特的性能，是工业上不可缺少的金属材料，有色金属应用较广的是铝、铜、钛及其合金和滑动轴承合金。,1铝及铝合金,2铜及铜合金,3滑动轴承合金,18,复习试题,一、选择题,1、拉伸试验时，试样拉断前所能够承受的最大应力称为材料的（ ）。,A、弹性极限B、抗拉强度C、屈服点,2、用拉伸试验可测定材料的（）性能指标。,A、强度B、韧性C、硬度,3、将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质中，然后迅速浸入另一种冷却能力弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火方法称（）。,A、分级淬火B、等温淬火C、水冷淬火D、双介质淬火,4、如果钢件有严重的碳化物网，应先进行（）消除碳化物，然后再球化退火。,A、去应力退火B、正火C、完全退火D、淬火,19,5、制造小弹簧宜选用 （）,，制造冷压件宜选用 （）钢。,A、08FB、45C、65MnD、T12A,6、滚动轴承钢GCrl5中的平均含铬量为（）,。,A、0.15B、1.5C、15D、0.015,7、合金渗碳钢渗碳后必须进行 （）热处理才能使用。,A、淬火加高温回火B、淬火加中温回火,C、淬火加低温回火D、高温回火,8、铸铁中的碳以石墨形态析出的过程称为 （）,。,A、石墨化B、变质处理C、球化处理D、结晶,9、选择下列材料的零件：汽车后桥外壳（）,，柴油机曲轴（）,。,A、HT200B、KTH350-10C、QT500-05D、RUT420,10、不是工业纯铝的特点的是（）,。,A、密度小B、导电性好C、强度高D、抗腐蚀能力高,20,二、判断题,1、材料的屈服点越低，则允许的工作应力越高。（ ）,2、洛氏硬度值是没有单位的。（ ）,3、布氏硬度测量法不适合于测量成品及较薄的零件。（ ）,4、铸铁的铸造性能比钢好得多，所以常用来铸造复杂的工件。（ ）,5、对钢进行热处理的目的都是为了获得细小、均匀的奥氏体组 织。（ ）,6、退火与正火的目的大致相同，它们主要的区别是保温时间长短。（ ）,7、回火的目的主要是消除应力，降低硬度，便于进行切削加工。（ ）,8、感应加热表面淬火时所使用的电流频率越高，则工件表面的淬硬层尝试越大。（ ）,9、渗碳的零件可以是低碳钢也可以是高碳钢。（ ）,21,10、碳素工具钢的碳的质量分数一般都大于0.7。（ ）,11、灰口铸铁包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。（ ）,12、从灰铸铁的牌号上可以看出它的抗拉强度和冲击韧度值。（ ）,13、耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁都属于合金铸铁。（ ）,14、通过热处理可以改变灰铸铁的基体组织，故可以显著地提高力学性能。（ ）,15、QT400-18是指b=400MPa，=1.8的球墨铸铁。（ ）,16、A1-Si系铸造合金，又叫硅铝明。铸造性能良好，强度韧性较高。（ ）,17、在去应力退火过程中，钢的组织不发生变化。（ ）,18、合金钢只有经过热处理，才能显著提高其力学性能。（ ）,19、可锻铸铁比灰铸铁的塑性好，因此可以进行锻压加工。（ ）,20、工业纯铝具有较高的强度，常用作工程结构材料。 （ ）,22,三、填空题,1、金属材料的使用性能包括、和等；工艺性能包括、 、和等。,2、材料的力学性能包括 、 、和 等。,3、强度是指金属材料在作用下，抵抗和的能力。,4、断裂前金属材料材料的能力称为塑性。金属材料的和的数值越大，表示材料的塑性越好。,5、金属材料抵抗作用而不破坏的能力，称为冲击韧度。,6、热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行、和以获得所需要的组织结构与性能的工艺。,7、生产中常用的冷却介质有 、和等。,8、生产中在钢淬火后进行的热处理工艺称为调质，调质后的组织为。,9、Q235AF表示为235MPa，质量为级的钢,23,10、ZG270-500表示b=，s=的工程用铸钢。,11、T10A表示碳的质量分数为 的钢。,12、常用来制造高速切削的车刀、刨刀的高速工具钢有 和 。,13、铸铁的性能决定于 和 。当基体一定时，铸铁的性能决定于 的形状、数量、大小和分布。,14、合金弹簧钢中硅、锰的主要作用是 。,15、不锈钢是指在 介质或大气中具有抗腐蚀性能的钢，其成分特点是含 量较高，含 量较低。,16、表面要求具有高的 ，而心部需要足够的 的零件应进行表面热处理。,17、滚动轴承钢的热处理首先采用 ，以降低锻造后钢的硬度，便于切削加工，然后采用 ，以提高轴承的硬度和耐磨性。,18、白口铸铁中的碳主要以 形式存在，而灰口铸铁中的碳主要以 形式存在。,24,b,s,HRC,ak,-1,19、普通黄铜是由 、 组成的二元合金。在普通黄铜中加入其他合金元素时称 黄铜。,20、变形铝根据其主要性能特点不同可分为： 铝、 铝、 铝和 铝等几种。,四、连线题,1、连出下列力学性能指标 的符号：,屈服点,抗拉强度,冲击韧度,伸长率,断面收缩率,疲劳极限,洛氏硬度C标尺,25,2、正确选用下列材料：,机床主轴,板弹簧,坦克履带,轴承滚动体,储酸槽,汽车变速齿轮,3、正确选用下列工具材料：,高精度长丝锥,麻花钻头,医疗手术器械,冷冲模,热锻模,1Cr18Ni9,40Cr,GCrl5,20CrMnTi,60Si2Mn,ZGMnl3,CrWMn,Crl2Mo,4Crl3,W18Cr4V,5CrNiMo,26,4、正确选择牌号表示方法：,灰铸铁,黑心可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,球墨铸铁,5、正确选择钢材的分类：,20CrMnTi,50CrVA,9SiCr,W18Cr4V,1Crl3,ZGMnl3,4Crl4Nil4W2Mo,KTZ500-04,QT600-02,HT250,KTH35010,合金刃具钢,合金弹簧钢,合金渗碳钢,不锈钢,高速钢,铸钢,耐热钢,27,五、讨论题,1、汽车中采用了哪些金属材料?采用了什么样的热处理?用于什么地方?,2、汽车发动机应用了哪些金属材料?采用了什么样的热处理?用于什么地方?,28,