《金属材料与热处理》课件1.项目一

1、金属材料与热处理项目一 金属材料的性能项目导入金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛应用于制造生产和生活用具，金属材料之所以获得广泛的应用，是由于它具有许多良好的性能。 在机械制造过程中，为了设计制造具有较强竞争力的产品，必须了解和掌握金属材料的各种性能，以便使机械产品在设计、选材和制造等方面体现出最优化。 01目录CONTENT认识金属材料画低碳钢拉伸曲线图金属材料的冲击试验和疲劳试验020403测试钢的硬度CONTENT金属的其他性能05任务一认识金属材料 金属材料具有比其他材料优越的性能，广泛的应用于机械制造、工程建设，交通、石 油化工、农业、国防等领域，所以我们认识金属材料具有重要意

2、义。学习目标具有识别金属材料的初步能力。结合实际情况能确定出不同设备承受的载荷性质。任务描述认识金属及金属材料。初步了解金属材料的分类。 了解各种载荷的含义。一、金属材料的基本概念金属是指具有特殊的光泽、良好的导电性、导热性，一定的强度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。 金属元素是指具有金属特性的元素称金属元素。在化学元素周期表中，约四分之三是 属于金属元素。 金属材料是由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有一般金属特性的材料通称为金属材料。二、金属材料的分类金属材料黑色金属材料碳素钢合金钢碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢黑色金属材料黑色金属材料黑色金属材料黑色金

3、属材料铜及铜合金铝及铝合金钛及钛合金轴承合金铸铁有色金属材料硬质合金三、金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。包括:物理性能、化学性能、力学性能等。 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。包括:铸造性能、锻造性、焊接性能、热处理性和切削加工性。四、金属材料的载荷金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种。 （1）静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 （2）冲击载荷是指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 （3）交变载荷是指大小、方向或大

4、小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 根据作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。四、金属材料的载荷任务二画低碳钢拉伸曲线图在建筑工地、港口码头、工厂车间等地方，同学们经常会看到用一根或几根钢丝绳就可以提起几吨甚至上百吨的货物。由此可见，钢丝绳能承受由这些货物所产生的力即拉力，这说明金属材料应具有一定的抗拉强度才会具有使用价值。学习目标在老师的监护下会做拉伸试验。 会画低碳钢的拉伸曲线图。 任务描述强度的含义和计算。 塑性的含义和计算。 理解拉伸曲线各阶段含义。一、认识低碳钢低碳钢是生活中常见的一种优质碳素结构钢，其碳的质量分数平均小于0.25%。塑性、韧

5、性较高，冷挤压性能和焊接性能好、抗拉强度为253500 MPa，伸长率 A14%。 低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉 体和农用机具等。优质低碳钢轧成薄板，制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品;制成棒材，制作强度要求不高的机械零件。二、低碳钢的拉伸实验拉伸实验是用国家标准规定制成的金属试样，把试样装夹在拉伸试验机上，在轴向静拉伸力的作用下使它不断产生变形，直到断裂为止。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其他拉伸性能指标。（1）测定拉伸曲线的试样和设备（2）认识低碳钢拉伸曲线二、低碳

6、钢的拉伸实验拉伸试验常用的标准试样截面为圆形。根据GB/T 2282010要求制成圆柱形拉伸试样。根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样和短试样两种，长试样l0 =10d0，短试样l0=5d0。拉伸试验机也叫材料拉伸试验机、万能拉伸强度试验机。主要用于各种金属、非金属及复合材料进行力学性能指标的测试。如检测金属材料的最大承载拉力、抗拉强度、伸长变形、延伸率等技术指标。在拉伸试验机上，试样从变形到拉断，可以通过自动记录设备把拉力与伸长量的关系用曲线表示出来，该曲线即为拉伸曲线。二、低碳钢的拉伸实验由拉伸曲线可以看出，低碳钢在外力作用下所引起的变形和失效的过程大致可以分为弹性变形阶段、屈服

7、阶段、强化阶段、缩颈阶段四个阶段。（1） oe弹性变形阶段 随着载荷增加，拉力在e点以下，试样变形完全是弹性的，此时如卸载，试样即恢复原状。随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为能恢复原始形状和尺寸的最大拉伸力。 二、低碳钢的拉伸实验（2） es屈服阶段 当载荷超过Fe时，若卸载的话，试样的伸长只能部分恢复，而保留部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。当载荷增加到Fs时,铸铁的力伸长曲线图上出现平台或锯齿状，这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服，Fs称为屈服载荷，屈服后，材料将残留较大的塑性变形。 二、低碳钢的拉伸实

8、验（3）sb强化阶段 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形的增加，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称为冷作硬化）。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。 （4）bz缩颈阶段 当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。试样所需要的载荷也随之降低，这时伸长主要集中在缩颈部位，直至断裂。 三、弹性和刚度三、弹性和刚度四、强度四、强度四、强度五、塑性五、塑性任务三 测试钢的硬度在日常生活中，我们用手锤锤击铅块和钢块，或用划针在铅块和钢块划线，就会发现在铅块上留下的痕迹比在钢块上留下的痕迹要深，这是为什么呢?这是因为钢比铅块硬，那么，如何知道材料的硬

9、度呢?这就需要通过硬度试验测定。学习目标在老师的监护下会做硬度试验。 知道各种硬度值符号含义。任务描述硬度的含义。理解硬度的相关公式。 熟悉不同硬度测试方法的特点和应用。 一、布氏硬度 一、布氏硬度 2.布氏硬度值的表示方法 布氏硬度值的表示方法为:硬度值+HBW+球直径+试验力+规定时间。试验力保持时间1015 s时不标注。 例如:530HBW 5/750表示用直径5 mm的硬质合金球在7355 N（750 kgf）的试验力作用下，保持101 5s时测得的布氏硬度值为530。 又如:170 HBS 10/1000/30表示用直径10 mm的钢球在9807 N（1000 kgf）的试验力作用下

10、保持30s测得的布氏硬度值为170。 做布氏硬度试验时，压头球体的直径（D）、试验力（F）及试验力保持时间（t），应根据被测金属材料的种类、硬度值的范围及金属的厚度进行选择。 常用的压头直径（D）有1、2、2.5、5和10 mm五种，试验力（F）在9807 N29.42 kN范围内。试验力保持时间，一般黑色金属为1015 s;有色金属为30 s;布氏硬度值小于35时为60s。二、洛氏硬度1.洛氏硬度试验原理 洛氏硬度试验采用以锥角为120的金刚石锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球压头，压入试样表面，保持规定时间后卸除主试验力，以测量压痕深度来计算洛氏硬度值。二、洛氏硬度洛氏硬度试验时，先在

11、样品表面施加100 N的预载荷，其压入深度为h0，此时表盘上的指针指向零点。然后再加上主载荷（500 N、900 N、1400 N），压头压入表面的深度为h1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度。在主载荷的作用下，样品表面的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，卸除主载荷后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离，即（h1-e），表盘上的指针将相应地回转。最后，在试件表面留下的残余压痕深度为e。e值越大，被测金属的硬度越低。为了符合数字越大，硬度越高的习惯，将一个常数K减去e来表示硬度的大小，并用0.002 mm压痕深度作为一个硬度单位，由此获得洛氏硬度值，用符号HR表示。二、洛氏硬度二

12、、洛氏硬度2.常用洛氏硬度标尺及适用范围 为了用一台硬度计测定不同硬度的金属材料，可根据所加的载荷和压头不同组成不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面注明。常用的洛氏硬度标尺有HRA、HRB、HRC三种。HRA主要用于高硬度表面、硬质合金的硬度测试，HRB主要用于退火钢、铸铁、非铁金属的硬度测试，HRC主要用于淬火钢的硬度测试。 三、维氏硬度 三、维氏硬度维氏硬度的表示方法为:硬度值+HV+试验力数值+规定时间，试验力保持时间在 10 s15 s时不标注。如640 HV 30/20表示在294 N作用下保持20 s后测得的维氏硬度值为640。 维氏硬度的优点是试验时加载

13、小，压痕深度浅，可测量较薄的材料，也可测量零件表面淬硬层的硬度，其测量结果准确可靠。缺点是生产率比洛氏硬度试验低，不宜于成批生产检验，故在生产中直接使用较少。任务四金属材料的冲击试验和疲劳试验生产中许多机器零件，是在冲击载荷下工作的，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、冲模和锻模等，因此，制造这类零件所用的材料，不能用静载荷下的性能指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。学习目标在老师的监护下做冲击试验。根据疲劳特征，讨论如何减少疲劳源。 讨论哪些措施可以提高零件的疲劳强度。 任务描述冲击韧度的含义。 理解冲击韧度公式。 理解疲劳的含义及危害性。一、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称

14、为冲击韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。 1.冲击试样 为使试验结果有可比性，必须采用标准试样。常用的试样有10 mm10 mm55 mm的U形缺口和V形缺口试样。一、冲击韧性2.冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用能量守恒定律原理:试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。 试验步骤:（1）将待测的金属材料加工成标准试样。 （2）把标准试样放在试验机的支座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向。（3）将具有一定重量 G 的摆锤升至一定的高度H1，使其获得一定的势能（GH1）。 （4）使摆锤自由落下，将试件冲断。 一、冲击韧性一、冲击韧性一、冲击韧性3

15、.小能量多次冲击试验 在实际工作中，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数金属材料或零件是在小能量多次冲击作用下而破坏的。如冲模的冲头、凿岩机风镐上的活塞等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累。对于这样的零件，用冲击韧度来做为设计依据是不符合实际的。小能量多次冲击试验采用PC 150型落锤式多次冲击试验机。其试验原理如图所示，试件在冲头多次冲击下断裂时，经受的冲击次数（N），代表金属的抗冲击能力。二、疲劳强度 1.疲劳现象 许多机械零件，如:轴、齿轮、轴承、弹簧等，在工作中各点的应力随时间作周期性变化，这种随时间作周期性变化的应力称交变应力。在交变应力的作用下。虽然零件

16、所承受的应力低于材料的屈服点，但经过长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一，并且在疲劳破坏前没有明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，具有很大的危险性，造成的事故大多数是灾难性的。据统计，在机械零件失效中大约80%以上属于疲劳破坏。二、疲劳强度 2.疲劳破坏的特征 尽管交变载荷有不同的类型，但疲劳破坏有以下共同特点:（1）疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏。（2）引起疲劳断裂的应力常常低于材料的屈服点。 （3）疲劳断裂的宏观断口由三部分组成，即:疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区。 对于韧性材料，一般三

17、个区均可较明显;脆性材料，整个断口齐平光亮，三个区用肉眼难以观察到。二、疲劳强度 3.疲劳强度 金属材料在循环应力的作用下能经受无限多次的循环，而不断裂的最大应力称为金属材料的疲劳强度。即循环次数值 N 无穷大时，所对应的最大应力值称疲劳强度，用符号 Rr 表示。对于金属材料，常用旋转弯曲试验方法测定在对称应力循环条件下材料的疲劳极限 R-1 。试验时用多组试件，在不同的交变应力测定试件发生断裂的周次（N），绘制 R-N 曲线。对于金属材料，当应力降到某值后，R-N曲线趋于水平直线，此直线对应的应力为疲劳极限。二、疲劳强度 一般钢铁材料取循环周次为107次时，能承受的最大循环应力为疲劳极限，有

18、色金属、不锈钢取108周次。影响金属的疲劳强度的因素很多，比如工作条件、表面质量、材料成分、组织和残余应力等。 提高零件疲劳强度的措施: （1）在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免产生应力集中而出现疲劳裂纹。 （2）改善零件表面粗糙度，减少缺口效应，提高疲劳强度。 （3）采用表面处理，如高频淬火、表面形变强化（喷丸、滚压等）、化学热处理（渗碳、渗氮等）。 （4）改善材料表层的残余应力状态。 （5）提高零件表面加工质量，尽量减少表面缺陷（夹杂、氧化、脱碳等）和表面加工损伤（刀痕、擦伤、磨痕等），减少疲劳源。任务五金属的其他性能前面我们已经学习了金属材料的力学性能，金属材料仅有良好的

19、力学性能是不够的，还必须具有良好的工艺性能，了解金属材料的其他性能，是为了得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的工件。学习目标熟悉材料的物理和化学性能。 理解金属材料的工艺性能含义。任务描述金属材料的物理性能和化学性能。 金属材料的工艺性能。 一、金属的物理性能 金属材料的物理性能是指物体本身固有的性能。它包括物体的密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。 1.密度 金属材料的密度是指在一定温度下单位体积金属材料的质量。密度是金属材料的特性之一，不同的金属材料密度是不同的，在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量也越大，金属材料的密度大小直接影响到由它所制造设备的自重。一般将密度小

20、于5103 kg/m3的金属称轻金属，密度大于5103 kg/m3的金属称重金属。 一、金属的物理性能 2.熔点 金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有它固有的熔点，合金的熔点取决于它的化学成分，如钢和铸铁虽然都是铁碳合金，但由于其碳的质量分数不一样，其熔点也各不相同。熔点是金属材料和合金在冶炼、铸造、焊接等工艺的重要参数。熔点高的金属材料称难熔金属（如钨、钼、钒等）可以用来制造耐高温零件，它们在火箭、导弹燃气轮机和喷气飞机等方面有广泛的应用。熔点低的金属称易熔金属（如锡、铅、铋等），它们可以用来制造熔断器、焊接钎料和防火、高压安全阀等零件。 一、金属的物理性能 3.导热性 金属

21、材料传导热量的能力称为导热性。金属材料导热能力的大小常用热导率表示。金属材料的热导率越大，其导热性越好。一般来说，金属材料越纯，其导热能力越大，合金的导热能力比纯金属的差，金属材料中，导热能力以银为最好，铜、铝次之。 导热性好的金属材料其散热性也良好，如在制造散热器、热交换器等零件时，就选用散热好的金属材料。在制订焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，也必须考虑金属的导热性，以防止金属材料在加热或冷却过程中形成较大的内应力，以避免金属材料发生变形和开裂。 一、金属的物理性能 4.导电性 金属材料能够传导电流的性能称为导电性，金属是良好的导电体，各种金属的导电性不同，导电性的好坏，取决于它的电阻率，电

22、阻率越小，导电性越好，金属的导电能力以银最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。导电性好的金属材料适于做导电材料如电线、电缆、电气仪表等。导电性差的适于做电热元件如电热丝、电热棒、电热板等。 一、金属的物理性能 一、金属的物理性能 6.磁性 金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。具有导磁能力的金属都能被磁铁所吸 引，据金属材料在磁场中受的磁化程度不同，分为铁磁材料（如铁、钴等）、顺磁材料（如锰、铬等）、抗磁材料（如铜、锌等）三类，顺磁性和抗磁性材料也称弱磁性材料。铁磁性材料的磁性不是固定不变的，铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性;在居里温度以上，由于受到晶体热运动的干扰，原子磁矩的定

23、向排列被破坏，使得铁磁性消失，这时物质转变为顺磁性。如纯铁当温度高于770 以上就会失去磁性。所以纯铁的居里点是770 。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等，抗磁性材料可用来制造避免电磁场干扰的零件和结构材料。 二、金属的化学性能1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称耐腐蚀性。腐蚀作用对金属材料的危害性很大，它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大事故。因此提高金属材料的耐腐蚀性能，对于节约金属、延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。 2.抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料

24、的氧化随温度升高而加速，如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。这不仅造成材料过量的损耗，也可形成各种缺陷。为此，常在工件的周围造成一种保护气氛，避免金属材料的氧化。二、金属的化学性能3.化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性，在高温条件下工作的设备（如工业用的锅炉、加热设备、汽轮机等）上的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。三、金属的工艺性能金属材料仅有良好的力学性能是不够的，还必须具有良好的工艺性能，只有这样才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的零件。 工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。包括:铸造性能、锻造性能、焊接性能、