[经济学]第5章金属材料及热处理概论

第 5章金属材料及热处理概论 第 5章金属材料及热处理概论 5.1 金属及合金的主要性能 5.2 常用的金属材料和非金属材料 5.3 热处理基本概念 第 5章金属材料及热处理概论 金属材料 : 黑色金属 铸铁 :指碳的质量分数超过 2%的铁碳合金。 钢 :指碳的质量分数小于 2%的铁碳合金。占全世界的金属材料总产量 的 95%。 有色金属占全世界的金属材料总产量 的 5%。 有色金属材料与钢铁材料相比，其突出的优良性能主要在物理性能和化学性能和力学性能等方面。热处理：是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温、冷却的方法改变金属或合金的内部组织，从而得到所需要性能的一种工艺操作。第 5章金属材料及热处理概论 5.1金属及合金的主要性能 金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。 通常所指金属材料的性能包括以下两个方面：（ 1）使用性能。 使用性能是为了保证零件、工程构件或工具等的正常工作，材料所应具备的性能。包括 物理性能 (如熔点、导热性、热膨胀性等 )、 化学性能 (如耐腐蚀性、抗氧化性等 )、 力学性能 等。金属材料的使用性能决定了其应用范围、安全可靠性和使用寿命等。 第 5章金属材料及热处理概论 （ 2）工艺性能。 工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能，即材料 适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、 压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。 第 5章金属材料及热处理概论 5.1.1金属及合金的物理、化学性能 1.金属材料的物理性能 金属材料的本质不发生变化所表现的性能称为物理性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、磁性等。 涉及到金属加工的主要物理性能有如下几种。 （ 1）密度及熔点。 金属的密度就是单位体积金属的质量；金属的熔点用温度来衡量。不同用途的机器零件，对金属材料的密度和熔点要求也不同。第 5章金属材料及热处理概论 （ 2）导热性。 金属传导热的性能称为导热性，一般用热导率 来衡量金属导热性的好坏， 值越大，导热性越好。在热加工时，若金属的导热性很差，在加热或冷却时，尤其以较快的速度加热或冷却时，会在金属中产生较大的温度差而引起较大的热应力，从而导致工件变形甚至产生裂纹。 因而对导热性差的材料，应减慢其加热或冷却速度。第 5章金属材料及热处理概论 （ 3）热膨胀性。 金属在温度升高时体积膨胀的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数 表示，其单位是 1 或 1 K， 即温度每升高 1 ，其单位长度的膨胀量。 值越大，金属的尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。 第 5章金属材料及热处理概论 2.金属材料的化学性能 金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下抵抗各种腐蚀介质对其化学侵蚀的能力，一般包括耐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。 由于金属材料的氧化和腐蚀不仅破坏零件的表面质量，而且还会降低零件的精度，严重的局部腐蚀和应力共同作用，还会使零件产生破坏。因此对处于高温或在腐蚀性介质中的工件，首先要考虑的是它们的化学稳定性。 第 5章金属材料及热处理概论 5.1.2金属及合金的力学性能及工艺性能 1.金属及合金的力学性能 金属及合金的机械性能即金属材料的力学性能。 所谓力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。 1） 强度 强度是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。 第 5章金属材料及热处理概论 2）疲劳 金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷 (即大小、方向反复变化的载荷 )的作用，在不发生显著变形的情况下而突然断裂的现象称为疲劳。 金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次 N的应力循环仍不发生断裂时所能承受的最大应力称为疲劳极限。在重复或交变力作用下，循环一定周次后断裂时所能承受的最大应力，叫疲劳强度。此时， N称为材料的疲劳寿命。某些金属材料在重复或交变应力作 用下没有明显的疲劳极限，常用疲劳强度表示。 第 5章金属材料及热处理概论 3）塑性 塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致破裂的能力。许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一，常用的塑性指标有断后伸长率 和断面收缩率 。 关于塑性的测定将在后面的力学部分进一步深 入研究。 第 5章金属材料及热处理概论 4）韧性 韧性是指金属材料在冲击力 (动力载荷 )的作用下而不破坏的能力。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度的降低以及应力集中程度的加剧而减少。韧性高的材料在断裂前要发生明显的塑性变形，由可见的塑性变形至断裂会经过一段较长的时间，能引起人们注意，一般不会造成严重事故。韧性低的材料脆性大，材料断裂前没有明显的征兆，因而危险 性极大。评定材料韧性的力学性能指标是冲击韧度和断裂韧度。 第 5章金属材料及热处理概论 金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。 不少机器零件如冲床连杆、曲轴等，在工作时要承受冲击载荷，且冲击所引起的变形和应力比静载时大得多，如果仍只用静载荷作用下的抗拉强度来设计计算，就不能保证零件工作时的安全性，因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。目前，工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料的冲击韧度 值 k。 金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状和尺寸的试样 (图 5 1(a)为 u形缺口冲击试样 )，将其安放在冲击试验机上，把具有一定重量 G的摆锤提到 h1高度后，使摆锤自由下落 (见图 5 1(b)。 第 5章金属材料及热处理概论 图 5-1冲击试验原理图 第 5章金属材料及热处理概论 冲断试样后，摆锤摆至 h2高度，其位能的变化值即为摆锤对试样所做的冲击功，即 Ak G(h1-h2) 冲击功除以冲击试样缺口处初始截面积即为冲击韧度 k， 即 式中： k为冲击韧度，单位为 J/cm2； Ak为冲击功，单位为 J；S为试样缺口处初始截面积，单位为 cm2。 k值越大，金属材料的冲击韧度越好，对于重要零件，要求 k 50J/cm2。 实践中往往是零件要经过小能量多次重复冲击才被冲断，因此 k值一般只作为设计计算的参考。 第 5章金属材料及热处理概论 5）硬度 硬度是指金属抵抗硬物体压入其表面的能力。硬度不是一个单纯的物理量，而是反映弹性、强度、塑性等的一个综合性能指标。 硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度才能保证使用性能和寿命，因此，硬度是金属材料重要的力学性能之一。第 5章金属材料及热处理概论 测定金属材料硬度的常用方法有 布氏硬度试验和洛氏硬度试验。 （ 1）布氏硬度。 布氏硬度用 HB表示，是用淬硬小钢球或硬质合金球压入金属表面，以 其压痕面积除以加在钢球上的载荷，所得的商即为金属的布氏硬度数值。图 5-2所示为布氏硬度试验原理图。 第 5章金属材料及热处理概论 图 5-2布氏硬度试验原理图 第 5章金属材料及热处理概论 布氏硬度按下式计算： 式中： HBS(HBW)为用钢球 (或硬质合金球 )试验时的布氏硬度值； F为试验力，单位为 N； S为球面压痕表面积，单位为mm2； D为球体直径，单位为 mm； d为压痕平均直径，单位为 mm。 第 5章金属材料及热处理概论 从上式中可以看出， 当试验力 (F)、 球体直径 (D)一定时，布氏硬度值仅与压痕直径 (d)的大小有关。 d越小，布氏硬度值越大，也就是硬度越高。相反， d越大，布氏硬度值越小，硬度也越低。 通常布氏硬度值不标单位。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径 (d)， 根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。 第 5章金属材料及热处理概论 布氏硬度符号，如硬度机压头为 淬火钢球时用 HBS表示， 适用于硬度较低 (HB 450)的材料；硬度机压头为 硬质合金钢球时用 HBW表示 ，适用于硬度较高 (450HB650)的材料。由于布氏硬度压痕较深且面积较大，故不适宜测试太薄的试样和成品零件的硬度。 标注布氏硬度时， 符号 “HBS”或 “HBW”之前为硬度值，符号后面用数值按顺序依次表示球体直径、试验力和试验保持时间 (10 15s不标注 )，并用斜线分别隔开。 第 5章金属材料及热处理概论 例如： 170HBS10 30000 30， 表示用直径 10mm的淬火钢球压头在 30000N试验力作用下保持 30s， 测得的布氏硬度值为 170； 500HBW5 7500， 表示用直径 5mm的硬质合金 球在7500N试验力作用下保持 1015s， 测得的布氏硬度值为 500。第 5章金属材料及热处理概论 (2) 洛氏硬度。 用一定的试验力 F， 将顶角为 120 的金刚石圆锥体或直径为 1.588mm的淬火钢球压入被测金属表面，然后根据压痕的深度确定被测金属材料硬度值的方法称为洛氏硬度测试法。 图 5-3为洛氏硬度试验原理图。一般洛氏硬度机不需要直接测量压痕深度，其值 可由刻度盘上的指针指示出来。 第 5章金属材料及热处理概论 图 5-3洛氏硬度试验原理图 第 5章金属材料及热处理概论 表 5-1常用洛氏硬度的试验条件和应用范围根据所加试验力的大小和压头类型的不同，洛氏硬度可分为 HRA、 HRB、 HRC三种，他们的测量和应用范围见表：例如： 60HRC 表示用 C标尺所测得的洛氏硬度值为 60。第 5章金属材料及热处理概论 2.金属及合金的工艺性能 工艺性能指金属材料在加工过程中所表现出来的性能，即接受加工难易程度的性能。 工艺性能主要有铸造性、切削加工性、焊接性、可锻性、冲压性、顶锻性、冷弯性和热处理工艺性等。在设计机械零件和选择加工方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。第 5章金属材料及热处理概论 1）铸造性 铸造是将熔融金属浇注、压射或吸入铸型腔中，待其凝固后而得到一定形状和性能铸件的方法。衡量铸造性的指标有流动性、收缩性和偏析趋势。 （ 1）流动性。 流动性是液态金属充满铸型的能力。流动性越好，液态金属充满铸型的能力越强，容易铸造细、薄、精密的铸件。流动性差，铸型就不易被液态金属充满，铸件就容易造成 “ 缺肉 ” 而成为废品。 第 5章金属材料及热处理概论 （ 2）收缩性。 收缩性是指铸件在冷却凝固时，体积和线性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造，它将使铸件产生缩孔、缩松、变形等缺陷。 （ 3）偏析趋势。 偏析趋势是指铸件凝固后出现的化学成分和组织上不均匀的现象，从而导致铸件各部位的力学性能差异。一般说来，合金钢的偏析倾向较大，高碳钢的偏析倾向比低碳钢大 。 第 5章金属材料及热处理概论 2）切削加工性 金属材料在切削加工时所表现的性能，称为切削加工性。 评价金属材料的切削加工性是比较复杂的，它包括切削力、切削热、对刀具的磨损、断屑性能