《金属工艺学》第一章--金属材料的力学性能

1、,第一章 钢铁材料及热处理,一、钢铁材料与热处理的关系 基本知识点： 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.钢铁机械零件必须经过热处理才能用。,机械中的大多数金属零件是用钢或铸铁制造的，但钢铁材料自身固有的性能，是不能满足如受力性、可切削加工性。必须要经过热处理：,1）提高零件的受力性； 2）调整毛坯的硬度，以利于切削加工； 3）消除毛坯的内应力，防止零件的变形。,二、钢铁生产 基本知识点： 铸铁件生产 炼钢的原料-生铁 钢锭 型材,1. 钢铁生产 是以铁矿石为原料经在高炉冶炼成生铁（含硅量较高，硬度较低） ，一部分用于浇注成铸铁件（毛坯），即铸造生产。另一部分浇注成

2、生铁块，用作炼钢的原料。,2. 钢锭 是用转炉、平炉、电炉对生铁进一步精炼成钢液，并浇注到锭模，冷却凝固成钢锭。,3. 钢锭的性能 钢的冶炼只是保证钢具有一定的化学成分，力学性能很差，不能直接用做零件的材料。,4. 型材 是钢锭经轧制、挤压、锻造等压力加工，使金属产生塑性变形，内部质量改善，机械性能提升，而制成的各种规格的钢板、圆钢、条钢、工字钢、槽钢等。,1-1 金属及合金的性能 金属材料的性能包括：使用性能和工艺性能。 使用性能 指金属材料在使用中表现出的特征，包括力学性能、物理性能、化学性能。,从机械零件和工程结构件设计角度，重点放在金属材料的力学性能。,一、 金属材料的力学性能 力学性

3、能又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来的特征。 机械力的作用形式,金属材料的力学性能指标 主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和刚度。 以上指标是机械零件和工程结构件选材和强度设计的主要依据。,强度 是金属在外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。 强度的定义式 强度是用应力表示，即,机械零件设计常用的强度指标 抗拉强度 屈服点,金属材料的抗拉强度与屈服点 金属材料这两个强度指标，是通过对金属试样做拉伸试验测定出的。,（1）低碳钢的拉伸试验 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，使其发生拉伸变形直至断裂。,低碳钢的拉伸曲线理论,要点知识： oe直线弹

4、性变形特征。去掉外力后伸长变形立即恢复。 e点处的应力 ：为不产生永久变形的最大应力，称为材料的弹性极限。,oe直线的斜率值：称为材料的弹性模量，用E表示。表征材料抵抗弹性变形的能力，技术上表示金属的刚度。,es曲线屈服特征。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。,S处水平段称作“屈服点”。即当载荷增加到Fs时，拉力无需再增大，试样仍可继续伸长。,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螺栓、键、销等零件，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。,sb曲线强化阶段。材料屈服后随变形程度的增大，金属内部要产生变形抗力，

5、须不断增大载荷，试样才能继续伸长。,bz曲线缩颈阶段。即当载荷超过Fb值，试样出现局部 “缩颈” 直至断裂。,“缩颈” ：零件受力横截面积变小，是零件发生断裂的前奏。,要点： 1）Fb是零件产生“缩颈”所能承受的最大拉力。,2）规定：b点处的拉应力值为低碳钢材料的抗拉强度，用,3）抗拉强度 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。,2. 塑性 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。,要点知识：,2）应用知识 如车身架材料，要用塑性好的低合金钢制造，如受力过大（超载）时，先产生塑性变形而不

6、致突然断裂。,3）塑性好的金属材料是进行锻造、冲压、焊接的必要条件。,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。 基本知识点： 硬度是机械零件、工具等必须具有的机械性能指标。,如制造业用的刀具、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。,硬度可间接反映金属的强度、塑性、韧性及化学成分，是一项综合性的机械性能指标。,（1）金属材料的硬度指标 最常用的有：布氏硬度 洛氏硬度,布氏硬度（HB） 布氏硬度法是用淬火钢球或硬质合金球作压头，用来测定“较软”金属材料硬度的方法。,布氏硬度（HB）测定的原理： 根据压痕直径d，按下式求出压痕表面积上

7、的应力值，此应力值即为材料的布氏硬度值。,布氏硬度值的表示方法 如230HBS、500HBW。 S 淬火钢球压头。 W硬质合金钢球压头。,布氏硬度法的应用 HBS淬火钢球压头、 HBW硬质合金压头用于测定如铸铁件、有色金属及合金、退火钢、正火钢、调质钢等。,洛氏硬度 洛氏硬度法是用 金刚石圆锥体作压头，用来测定较硬金属材料硬度的方法。,洛氏硬度法的应用 用于硬金属材料如淬火钢、渗碳钢、模具工具钢等硬度的测定。,洛氏硬度的表示方法 如2067HRC。,（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。 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。,4.

8、 冲击韧性 冲击韧性又称韧性，是指材料受快速或突然载荷的作用，断裂前所能吸收最大冲击功的能力。 冲击载荷：载荷以快速或突然的方式作用在零件上。,（1）材料冲击韧性的指标 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。,基本知识点： 强度、塑性、硬度指标，都是在缓慢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。,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、硬度，还必须要有足够的韧性，即耐冲击的能力。,（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

9、不断裂的能力。 金属零件受大能量冲击作用，其抗冲击能力决定于akv值。,受小能量多次冲击的作用，零件抗冲击能力是取决于强度和塑性。 受较高冲击力作用，要提高零件的塑性值； 受小冲击力作用，要提高零件的强度。,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、硬度。,受大能量冲击作用的零件，选择材料时，要考虑材料的冲击韧性指标ak值大小。,如飞机起落架、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。,5. 疲劳强度 （1）疲劳破坏 很多机械零件

10、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，直至发生断裂，此破坏称为疲劳破坏。,具统计，有约80%的机械零件失效，都是由疲劳破坏引起。因此，研究和预防材料疲劳破坏极其重要。,（2）疲劳强度 工程规定，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。,（3）疲劳强度的测定 试验验证，在交变载荷作用下，材料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：,当工作应力值下降到某一数值时，材料的疲劳曲线成水平线，这表示材料可经受无数次应力循

11、环作用而不发生疲劳断裂，这个应力值即为该材料的疲劳强度。,（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 材料内部有气孔、夹杂物，表面有划痕或显微裂痕等。,（6）提高零件疲劳强度的措施 采用锻造、轧制等压力加工方式生产零件的毛坯。 （因压力加工方式可消除材料内部的气孔、击碎夹杂物，使材料内部组织致密）,对零件表面进行强化处理，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）,（7）疲劳强度与机械设计 机械传动中重要的轴、连接螺栓杆、发动机中的曲轴、连杆等，要进行零件的疲劳强度校核计算。,6. 刚度 指材料抵抗弹性变形的

12、能力。材料的刚度用弹性模量E值衡量。,（1）刚度与机械设计 机床主轴、滑枕、床身等，选材时应选弹性模量大的材料。 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，还取决于机件的断面形式。,工字形截面、环行截面，并力求结构中壁厚均匀等，都是提高机件刚度的设计。,三、工艺性能 指材料在加工的过程中所表现出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯质量如何。 1. 材料工艺性能的内容 按工艺方法的不同有：铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能。,（1）铸造性能 指金属用铸造方法制成铸件，材料所表现出的性能。用流动性、收缩率和偏析这三个指标来衡量。,流动性 指熔融金属流动的能力。流动

13、性好的金属，容易充满铸型，铸件外形完整、尺寸准确。 收缩率 材料的收缩量愈小，铸件产生的疏松、缩孔、变形、裂纹等缺陷愈少。,偏析 指铸件凝固后内部化学成分不均匀现象。材料偏析严重，铸件各部分的力学性能就不一致。 基本知识点： 铸铁类的铸造性能最好，铝合金其次；钢的铸造性能较差。,（2）锻压性能 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，用塑性值和变形抗力两个指标来衡量。,锻压性能好的金属有低碳钢、低合金钢；黄铜、铝合金在室温下就有良好的锻压性能；铸铁、高碳钢等锻压性能差。,（3）焊接性能 指金属焊接时，能否获得优良焊接接头的能力。 要点： 优良焊接接头 指焊缝处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。,焊接性能好的金属：低碳钢、低合金钢；高碳钢、铸铁和铝合金的焊接性较差。,如用高碳钢、铸铁和铝合金制成的机件，需与其它机件相连时，应采用螺纹联接或铆接。,（4）热处理工艺性 指材料是否容易通过热处理获得所需力学性能而不开裂的能力。,基本知识点： 高碳钢、中高合金钢，其导热性较差，加热时采用多段加热规范，以防止工件开裂，其热处理性能较差。