钢铁材料及其热处理知识点

第一章钢铁材料及热处理知识点：1.钢铁自身固有的力学性能一般是不能满足零件的受力性要求。2.钢铁零件必须(bìxū)经过热处理才能用。第一页，共78页。

§1-1金属及合金(héjīn)的性能

主要有：力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。第二页，共78页。从机械零件和工程结构件设计角度(jiǎodù)，重点放在金属材料的力学性能。

第三页，共78页。一、力学性能力学性能又称机械性能，是材料在力的作用(zuòyòng)下所表现出的特征。力学性能的指标主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和刚度。

第四页，共78页。1.强度

是金属受外力作用下，抵抗永久(yǒngjiǔ)变形和断裂的能力。（1）强度的定义式

第五页，共78页。（2）工程设计中常用的强度(qiángdù)指标最大抗拉强度(qiángdù)屈服点第六页，共78页。（3）金属材料的抗拉强度(kànɡlāqiánɡdù)与屈服点的测试方法：是用金属试样做拉伸试验测出来的。第七页，共78页。1）低碳钢试样的拉伸试验曲线是将低碳钢棒料加工成标准试样，装在拉伸机上，在试样两端缓慢施加轴向载荷，使其发生(fāshēng)拉伸变形直至断裂。第八页，共78页。

第九页，共78页。要点知识：oe直线—弹性变形特征。e点处的应力：为不产生永久变形的最大应力，称为材料(cáiliào)的弹性极限。

第十页，共78页。

oe直线的斜率值：称为材料的弹性模量，用E表示，表征材料抵抗(dǐkàng)弹性变形的能力，技术上表示金属的刚度。第十一页，共78页。es曲线—屈服特征(tèzhēng)。即载荷超过Fe再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，产生了部分塑性变形。第十二页，共78页。S处水平段——称作“屈服点”。即当载荷增加到Fs时，拉力(lālì)无需再增大，试样仍可继续伸长。第十三页，共78页。第十四页，共78页。金属材料屈服点的工程意义：1）锅炉、压力容器、汽车发动机缸体上的紧固(jǐnɡù)螺栓、键、销零件，在受载时是不允许屈服的，其工作应力必须小于材料的屈服点。第十五页，共78页。

第十六页，共78页。sb曲线(qūxiàn)—强化阶段。材料屈服后随变形程度的增大，金属内部要产生变形抗力，须不断增大载荷，试样才能继续伸长。第十七页，共78页。

bz曲线—缩颈阶段。即当载荷(zàihè)超过Fb值，试样出现局部“缩颈”直至断裂。第十八页，共78页。“缩颈”：零件局部横截面积变小(biànxiǎo)，是零件发生断裂的前奏。第十九页，共78页。要点：1）Fb——是零件产生(chǎnshēng)“缩颈”所能承受的最大拉力。第二十页，共78页。

2）规定(guīdìng)：b点处的拉应力值为低碳钢材料的抗拉强度，用第二十一页，共78页。3）抗拉强度(kànɡlāqiánɡdù)的工程意义金属零件所承受的最大工作应力值不允许超过，否则会断裂。第二十二页，共78页。2.塑性(sùxìng)是指金属在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。（1）塑性(sùxìng)指标是用拉伸试验测得的试样伸长率和端面收缩率来衡量。第二十三页，共78页。要点(yàodiǎn)知识：第二十四页，共78页。2）应用知识如车身架材料，要用塑性好的低合金钢制造(zhìzào)，如受力过大（超载）时，先产生塑性变形而不致突然断裂。第二十五页，共78页。3）塑性好的金属材料是进行锻造、冲压、焊接(hànjiē)的必要条件。第二十六页，共78页。3.硬度是指材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕、划痕的能力。知识点：硬度是机械零件、工具等必须(bìxū)具有的机械性能指标。

第二十七页，共78页。如制造业用的刀具(dāojù)、量具、锻锤及模具等，都要具有足够的硬度，以耐磨和防止受冲击力时产生裂纹。第二十八页，共78页。

硬度可间接反映金属(jīnshǔ)的强度、塑性、韧性及化学成分，是一项综合性的机械性能指标。

第二十九页，共78页。（1）金属材料的硬度(yìngdù)指标最常用的有：布氏硬度(yìngdù)洛氏硬度(yìngdù)第三十页，共78页。1）布氏硬度（HB）用淬火钢球或硬质合金(yìnɡzhìhéjīn)球作压头，用来测定“较软”金属材料硬度的方法。第三十一页，共78页。

布氏硬度值的表示方法：

如230HBS、500HBW。S——淬火(cuìhuǒ)钢球压头。W——硬质合金钢球压头。第三十二页，共78页。布氏硬度法的应用：用于测定(cèdìng)如铸铁件、有色金属及合金、退火钢、正火钢、调质钢等。第三十三页，共78页。

2）洛氏硬度是用金刚石圆锥体作压头，用来测定(cèdìng)硬金属材料硬度的方法。第三十四页，共78页。

洛氏硬度法的应用：用于如淬火钢、渗碳钢、模具(mújù)工具钢等硬度的测定。第三十五页，共78页。

洛氏硬度的表示(biǎoshì)方法：如20~67HRC。第三十六页，共78页。（2）硬度值与机械设计零件工作面要规定足够的硬度，以耐磨损，防止疲劳断裂(duànliè)。硬度和强度间有一定换算关系，如《机械设计基础》教材中的图表所示。第三十七页，共78页。第三十八页，共78页。

4.冲击韧性

冲击韧性又称韧性，是指材料受快速或突然载荷(zàihè)的作用，断裂前所能吸收最大冲击功的能力。冲击载荷(zàihè)：载荷(zàihè)以快速或突然的方式作用在零件上。第三十九页，共78页。（1）材料(cáiliào)冲击韧性的指标用摆锤式冲击试验测出的试样所受最大冲击吸收功AK与S0的比值来衡量，见教材图1-4。第四十页，共78页。基本知识点：强度、塑性、硬度指标，都是在缓慢(huǎnmàn)加载或静载荷条件下测定的。机器中的零件大多要受冲击载荷作用，如连杆、键连接、齿轮传动、钻机、碎石机械，铁轨受力，冲模、锻模等。第四十一页，共78页。第四十二页，共78页。制造承受冲击载荷的零件，除应保证足够的静力学性能如强度(qiángdù)、硬度，还必须要有足够的韧性，即耐冲击的能力。第四十三页，共78页。

（2）冲击韧性与机械零件设计材料的值，只是表明其抗一次大冲击而不断裂的能力。金属零件受大能量(néngliàng)冲击作用，其抗冲击能力决定于akv值。第四十四页，共78页。受小能量多次冲击的作用(zuòyòng)，零件抗冲击能力是取决于强度和塑性。受较高冲击力作用(zuòyòng)，要提高零件的塑性值；受小冲击力作用(zuòyòng)，要提高零件的强度。第四十五页，共78页。如连杆、曲轴，碎石机鄂板等，都是受多次小能量冲击力作用，这些零件可用球墨铸铁件或孕育铸铁件制造。注意，铸铁类的ak值几乎为零，但经热处理后具有较高的强度(qiángdù)、硬度。第四十六页，共78页。

受大能量冲击(chōngjī)作用的零件，选择材料时，要考虑材料的冲击(chōngjī)韧性指标ak值大小。

第四十七页，共78页。如飞机(fēijī)起落架、矿山载重汽车的大梁、蒸汽锤的锤杆等，工作时受大能量冲击力作用，其零件要用高ak值的金属材料制造。第四十八页，共78页。5.疲劳强度（1）疲劳破坏很多机械零件如轴、齿轮、连杆等，是在交变循环载荷作用下工作，尽管受到的工作应力值低于材料的强度极限，甚至<，在零件应力集中处仍会产生裂纹，直至发生(fāshēng)断裂，此破坏称为疲劳破坏。第四十九页，共78页。具统计，有约80%的机械零件失效，都是由疲劳破坏引起。因此，研究和预防(yùfáng)材料疲劳破坏极其重要。

第五十页，共78页。（2）疲劳强度工程(gōngchéng)规定，材料在指定循环基数（107次以上）的交变载荷作用下不引起断裂所能承受的最大应力值，称为疲劳强度，又称疲劳极限，用符号表示。

第五十一页，共78页。（3）疲劳强度的测定试验结论：在交变载荷作用(zuòyòng)下的金属试样，承受的工作应力值与断裂前的应力循环次数N有如下关系：第五十二页，共78页。疲劳曲线水平段对应的应力值，表示(biǎoshì)材料可经受无数次应力循环作用而不发生疲劳断裂，即为材料的疲劳强度。第五十三页，共78页。

（4）零件疲劳破坏的特征

没有明显的塑性变形，是突然断裂。（5）零件疲劳断裂的原因

材料(cáiliào)内部有气孔、夹杂物，表面有划痕或显微裂痕等。第五十四页，共78页。（6）提高零件(línɡjiàn)疲劳强度的措施采用锻造、轧制等压力加工方式生产零件(línɡjiàn)的毛坯。（因压力作用可焊合钢锭内部的孔洞、击碎夹杂物，使金属致密；对型钢，可产生加工硬化）第五十五页，共78页。对零件(línɡjiàn)表面进行强化处理，如滚压、喷丸、表面淬火，以提高工作面硬度。（可去除或防止出现显微裂纹，且裂纹扩展慢）第五十六页，共78页。第五十七页，共78页。（7）疲劳强度与机械设计机械中重要的转轴、螺栓杆、曲轴、连杆等，要按零件的疲劳强度进行校核(xiàohé)计算。第五十八页，共78页。6.刚度

指材料抵抗弹性(tánxìng)变形的能力，材料的刚度用弹性(tánxìng)模量E值衡量。第五十九页，共78页。（1）刚度与机械设计机床主轴、滑枕、床身等，选材时应选(yīnɡxuǎn)弹性模量大的材料。材料的刚度不等于机件的刚度。机件的刚度除与材料的E值有关，重要的是取决于机件的断面设计。第六十页，共78页。

工字形断面、环型断面设计，力求壁厚均匀(jūnyún)，都是提高机件刚度的设计形式。第六十一页，共78页。

三、工艺性能

指材料在加工的过程(guòchéng)中所表现出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯质量如何。第六十二页，共78页。1.材料工艺性能的内容按工艺方法的不同(bùtónɡ)有：铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能。

第六十三页，共78页。（1）铸造(zhùzào)性能指金属在铸造(zhùzào)成形过程中所表现出的性能。金属的铸造(zhùzào)性能用流动性、收缩率和偏析这三个指标来衡量。

第六十四页，共78页。流动(liúdòng)性指熔融金属流动(liúdòng)的能力。金属液流动(liúdòng)性好，容易充满铸型，铸件外形完整、尺寸准确。收缩率金属的收缩量愈小，铸件产生的疏松、缩孔、变形、裂纹等缺陷愈少。第六十五页，共78页。偏析指铸件凝固(nínggù)后内部化学成分不均匀现象。金属偏析严重，铸件各部分的力学性能就不一致。知识点：铸铁类的铸造性能最好，铝合金其次；钢的铸造性能较差。

第六十六页，共78页。第六十七页，共78页。

（2）锻压性能(xìngnéng)指金属用锻压成形方法获得优良制件的难易程度。要点：材料的锻压性能(xìngnéng)，用塑性值和变形抗力两个指标来衡量。第六十八页，共78页。锻压性能好的金属有低碳钢、低合金钢；黄铜、铝合金在室温(shìwēn)下就有良好的锻压性能；铸铁、高碳钢等锻压性能差。

第六十九页，共78页。

（3）焊接(hànjiē)性能指金属焊接(hànjiē)时，能否获得优良焊接(hànjiē)接头的能力。要点：优良焊接(hànjiē)接头指焊缝处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

第七十页，共78页。

焊