金属材料性能课件

项目4任务1钢铁材料认识(一),2007-3-12,教师:刘小娟,机械材料分类（按化学成分分类）金属材料(综合性能好，用量最大、应用范围最广)高分子材料(质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航空航天等)陶瓷材料（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于电器、化工、航空航天等等）复合材料（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）,2007-3-12,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。,2007-3-12,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?,2007-3-12,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.,2007-3-12,一、金属材料的常用性能,2007-3-12,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?,（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,金属的物理性能,【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?,金属的化学性能,（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。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。,2007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,金属的力学性能,2007-3-12,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,(1)布氏硬度,适用范围:,450HBS;,450-650HBW;,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,2020/6/62007-3-12,(2)洛氏硬度HR,10HRCHBS,(3)维氏硬度HV,适用范围:,测量薄板类;,HVHBS;,六.冲击韧性(notchtoughness):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:,Ak=mgHmgh(J),冲击韧性值ak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。,七.疲劳强度(fatiguestrength):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-1。,2020/6/62007-3-12,钢材的循环次数一般取N=107,有色金属的循环次数一般取N=108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1=(0.450.55)b,2020/6/62007-3-12,1943年美国T-2油轮发生断裂,2020/6/62007-3-12,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）各性能的含义铸造性:常用材料:灰铸铁有优良的铸造性能。锻压性:塑性好的低碳钢容易锻造成型焊接性:你碳钢有较好的可焊性，高碳钢（较差）铸铁（更差）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。,机械零件的失效形式,2007-3-12,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。,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。,2020/6/62007-3-12,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Fe中的间隙固溶体。2.奥氏体(A)-碳溶于-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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,组织金相图,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,3.2.2铁碳合金分类及其室温组织,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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）,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,3.3钢的热处理常识,热处理的定义:,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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,热处理,普通热处理,表面热处理,退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化学热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳;渗氮;碳氮共渗;,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,3.3.1钢的普通热处理,预备热处理:退火;正火,最终热处理:淬火;回火,一般零件生产的工艺路线:,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,一.钢的退火,一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,三)种类,退火,重结晶退火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化退火,等温球化退火,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,二.钢的正火,一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,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Fe3C。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,三.钢的淬火,一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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。,淬火+高温回火=调质处理,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,3.3.2钢的表面热处理工艺,表面淬火化学热处理,工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,2.火焰加热表面淬火,1)火焰加热表面淬火的基本方法,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,二.化学热处理(ChemicalHeatTreatment),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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,二)化学热处理的基本过程:,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。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,三)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,1.钢的渗碳(Carburizeofsteel),1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。,2)目的:表层增加含碳量后，再经过淬火、回火后，获得具有高硬度和耐磨性，而工件心部仍具有高塑性韧性和足够的强度。,3)用钢:,低碳钢和低碳合金钢。如汽车齿轮、变速轴,4)方法:固体、气体、液体渗碳。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,2.钢的渗氮(Nitridationofsteel),1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。,2)目的:获得具有表硬里韧及提高疲劳强度和抗蚀性能的零件。,3)用钢:,中碳合金钢。主要用于高硬度、高精度的精密零件，如阀门、精密机床主轴。,4)方法:气体渗氮。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。长55.7厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,渗碳与渗氮的工艺特点,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,典型零件工艺路线的制定,1轴类零件（机床主轴）,（1）分析工作条件：承受中等交变扭矩载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2）失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；冲击过载断裂等（偶尔发生）,2020/6/62007-3-12,第3章机械工程材料基础陈君梅,（3）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；局部高硬度；（4）中碳钢或者中碳合金钢：45（40Cr）,（5）工艺路线：下料锻造正火粗加工调质(淬火+高温回火)局部表面淬火+低温回火精磨成品；,2020/6/62