汽车修理062第二章　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,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,。,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,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,）。,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,=(,L1,L0)/L0,100,（,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,=(,A0,A1)/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。,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,。,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。,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。,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。,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,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,。,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,。,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。,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）,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。,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。,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,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,5,、制造小弹簧宜选用（）,，制造冷压件宜选用（）钢。,A,、,08F,B,、,45,C,、,65Mn,D,、,T12A,6,、滚动轴承钢,GCrl5,中的平均含铬量为（）,。,A,、,0.15,B,、,1.5,C,、,15,D,、,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,、,HT200,B,、,KTH350-10,C,、,QT500-05,D,、,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,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。（）,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。（）,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