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金属材料与热处理第一节 金属材料的性能 金属材料的性能主要有物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能。一、金属材料的物理性能1、密度 物体的质量和其体积之比值，称为密度。单位是g/cm3。 常用金属材料的密度材料名称密度/g/ cm3材料名称密度/g/ cm3结构钢7.85铅11.3铜8.89锡7.3铝2.74灰口铸铁6.87.4镁1.7白口铸铁7.27.5锌7.19青铜7.58.9镍8.9黄铜8.58.85钨基硬质合金13.1914.9钛合金4.5 密度计算公式： =式中 密度，g/cm3； m 质量，g ； v 体积，cm32、熔点 物体在加工过程中，开始由固体熔化为液体的温度称为熔点，用摄氏温度。C来表示几种常用金属材料的熔点材料名称熔点/。C材料名称熔点/。C纯铁1538铬1765铜1083钒1900铝658锰1230钛1668镁627镍1455青铜850900铸铁11301350铸钢14001500 3、导电性 金属材料传导电流的能力称为导电性。金属材料中，银的导电性最好，铜、铝次之。 4、导热性 金属材料传导热量的能力称为导热性。纯金属的导热性最好，合金较差。 5、热膨胀性 金属材料加热时体积增大的性质称为热膨胀性。二、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。外力不同，产生的变形也不同，一般可分为拉伸、压缩、扭转、剪切和弯曲五种。金属材料的力学性能有弹性、塑性、强度、硬度、韧性。1、弹性 金属材料在受到外力作用时发生变形，外力取消后其变形逐渐消失的性质称为弹性。2、塑性 金属材料在受到外力作用时产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。塑性可用伸长率和断面收缩率来衡量。（1）伸长率 伸长率是试样拉断后标距增长量与试样拉伸前的原始标距长度之比，用百分数表示，符号为，其计算公式如下： =100%式中 伸长率 LK试样拉断后的长度，mm； L0试样拉断前的原始标距长度，mm。（2）断面收缩率 断面收缩率是指试样断口面积的缩减量与拉伸前原始横断面的百分比。符号为。计算公式为： = 100%式中 F0试样拉伸前原始横截面积，mm2； FK试样断裂处的横截面积，mm2。3、强度 金属在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为金属的强度，通常以抗拉强度为代表，用b表示。单位为MPa或N/mm2。其计公式如下： b= MPa 式中 Pb试样拉伸前承受的最大载荷，N； F0试样拉伸前的最大横截面积，mm。4、硬度 金属表面抵抗硬物压入的能力叫硬度。常用的硬度有布氏硬度（HBS）和洛氏硬度（HRC）。5、韧性 金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性（又称韧性），以K表示，单位为J/cm2。三、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能，是指冷加工或热加工的各种工艺对金属合金提出的具体要求。根据加工工艺一般有：1、 切削性切削性是指金属是否易于切削的性能。影响切削性能的有工件材料的硬度、强度、塑性和导热系数等。2、 铸造性铸造性主要是指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向。常用金属中，灰口铸铁和锡青铜及铝硅合金的铸造性能较好。铸钢的铸造性能较差。3、 可锻性可锻性是指金属通过锻造等压力加工方式成形的能力。它包括塑性变形的能力、金属固态流动性、对模具的摩擦阻力、对氧化起皮的抗力、热裂趋势及加工硬化等。低碳钢的可锻性比中碳钢、高碳钢好；碳钢比合金钢好。铸铁是脆性材料，无可锻性。4、 焊接性焊接性又称可焊性，它是指金属是否适应通常的焊接方法和工艺的性能。焊接性好的材料易于用一般的焊接方法和工艺施焊，焊接时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷；焊接后焊缝强度与基体相当。低碳钢的焊接性好，高碳钢、铸铁则较差。5、 热处理性能金属的热处理性能包括淬硬、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的趋势及晶粒长大的趋势等。第二节 碳素钢合碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳钢中除铁、碳外，还含有硅、锰有益元素和硫、磷有害杂质。一、 碳素钢的分类1、含碳量分类 有低碳钢（合碳量0.25%的钢）、中碳钢（合碳量0.250.6的钢）、高碳钢（合碳量0.6%的钢）。2、按质量分类 有普通碳素钢（含硫、磷量较高）、优质碳素钢（含硫、磷量较低）、高级优质碳素钢（含硫、磷量很低）。3、按用途分类 有碳素结构钢（又可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢）、碳素工具钢（属于高碳钢）。二、碳素钢的牌号表示方法、代号及符号1、碳素结构钢2、优质碳素结构钢3、碳素工具钢优质碳素结构钢的力学性能序号牌号试样毛坯尺寸/mm推荐热处理/。C力 学 性 能供货状态正火淬火回火b/MPas/MPa/%/%AK/JHB不大于不 大 于未热处理退火钢108F259302951753560131210F259303151853355137315F25920355205295514340825930325195336013151025930335205315513761525920375225275514372025910410245255515682525900870600450275235071170930258808606004902952150631791035258708506005303152045551971140258608406005703351945472171871245258508406006003351640392291971350258308306006303751440312412071455258208206006453801335255217156025810675400123525522916652581069541010302552291770257907154209302692291875试样10308807302852411980试样10809306302852412085试样11309806303022552115Mn2592041024526551632220Mn2591045027524501972325Mn259004902952250712072430Mn258805403152045632171872535Mn258705603351945552291972640Mn258605903351745472292072745Mn258506202751540392412172850Mn258306453901340312552172960Mn2581069541011352692293065Mn258107354309302852293170Mn25790785450830285229注：1、75、80及85钢用留有加工余量的试样进行热处理。 2、对于直径或厚度小于25mm的钢材，热处理在与成品截面尺寸相同的试样毛坯上进行。 3、表中所列正火推荐保温时间不少于30min，空冷；淬火推荐保温时间不少于30min，水冷；回火推荐保温时间不少于60min。优质碳素结构钢的用途钢 号应 用 举 例08、08F、10、10F、15、20、25 用来制造冲压件、焊接件、紧固零件及渗碳零件，如螺栓、铆钉、垫圈等低负荷的零件30、35、40、45、50、55用来制造负荷较大的零件，如连杆、曲轴、主轴、活塞销、表面淬火齿轮、凸轮等60、65、70、75用来制造轧辊、弹簧、钢丝绳、偏心轮等高强度、耐磨零件第四节 铸 铁含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。铸铁中除铁和碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等元素。一、铸铁的分类根据碳在铸铁中存在的形态不同，可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁。1、白口铸铁 这类铸铁中的碳绝大多数以FeC的形式存在，断口呈亮白色，硬度高、脆性大，很难进行切削加工。主要用作炼钢或制造可锻铸铁的原料。2、灰口铸铁 铸铁中的碳大部分以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称灰可铸铁。3、灰口铸铁 它由白口铸铁经高温石墨化退火而制得，其组织中的碳呈团絮壮。4、球墨铸铁 铸铁中的碳绝大部分以球状石墨存在，故称球墨铸铁。二、铸铁的牌号及用途金属材料机械性能基础知识 1金属材料机械性能基础术语： 1）屈服点（s）： 钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，此时应力不增加或开始有所下降，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点s=Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2） 2）屈服强度（0.2） 有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2。 3）抗拉强度（b） 材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。 设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度b=Pb/Fo（MPa）。 4）抗压强度（lc） 材料试样受压力时，在压坏前所承受的最大应力。 5）抗弯强度（cb） 材料试样受弯曲力时，在破坏前所承受的最大应力。 6）伸长率（s） 材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。 7）屈强比（s/b） 钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。 8）硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 布氏硬度（HB） 以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2（N/mm2）。 洛氏硬度（HR） 当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。 维氏硬度（HV） 以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV） 2力学性能与可成形性及使用性能的关系 要使钢板获得所需的形状，必须使其永久变形，所采取的工艺可以是局部或整体弯曲、深冲、张拉或这些成型方法的组合。 （1）薄钢板的屈服强度表示出成形后的可成形性和强度，对普通碳素钢板的成形，屈服点值过高，常常有可能发生过大的回弹、成形时容易破断，磨具磨损快以及由于塑性不良而出现缺陷。然而材料的屈服点小于140Mpa时，又可能经受不住成形过程中施加的应力，对用于较复杂或复杂成形加工或冲压加工的钢板，通常要求具有比较低的屈服强度值，而且屈服比值愈小，由钢板的成形性能愈好。 （2）中厚板的冷态可成形性与材料的屈服强度和伸长率有直接关系。屈服强度值愈低，产生永久变形所需的应力愈小；伸长率值愈高，高的延展性可以允许承受大的变形量而不致断裂。 （3）对用于建筑结构、桥梁及机械结构件的钢板，为防止构件断裂，要求钢板材料具有特点的抗拉强度，而为防止构件变形，又要求钢板材料具有一定的屈服强度，因此对这类用途的钢材都要求规定抗拉强度、屈服强度的最小值或范围值。 （4）对用于承受冲击负荷变形，例如船舶、桥梁、石油、天然气管线用钢板，为防止其使用中发生脆性断裂，又要求其具有一定足够高的冲击韧性-冲击功值。拉伸曲线 描述构件应力与应变关系的曲线分为弹性变形OE段,存在比例极限 屈服段ES,存在屈服极限 强化阶段SB,存在强度极限 颈缩阶段BK做拉伸试验的条件是，所加载荷必须是静载（载荷的大小和方向不随时间变化，或随时间很缓慢的变化），如果应力速率太大，即加载速度太快，加的就不是静载（是动载）了，试验结果也就不准确。 拉伸曲线图 由试验机绘出的拉伸曲线，实际上是载荷伸长曲线（见图），如将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积和试样标距，就可得到应力应变曲线图。图中op部分呈直线，此时应力与应变成正比，其比值为弹性模量，Pp是呈正比时的最大载荷，p点应力为比例极限p。继续加载时，曲线偏离op，直到 e点，这时如卸去载荷，试样仍可恢复到原始状态，若过e点试样便不能恢复原始状态。e点应力为弹性极限e。工程上由于很难测得真正的e,常取试样残余伸长达到原始标距的0.01时的应力为弹性极限,以0.01 表示。继续加载荷，试样沿es曲线变形达到s点，此点应力为屈服点S或残余伸长为 0.2的条件屈服强度0.2。过s点继续增加载荷到拉断前的最大载荷b点,这时的载荷除以原始截面积即为强度极限b。在 b点以后，试样继续