1.1金属材料的力学性能(课件）《机械基础--学做一体化》同步教学（西安电子科技大学出版社）

任务一 工程材料的选用 1.1 金属材料的力学性能 1.2 钢的热处理 1.3 常用金属材料 1.4 材料选用的原则和方法 任务一 工程材料的选用 1.1　金属材料的力学性能 　　金属材料在载荷作用下所表现出来的特性，称为力学性能。它主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。 任务一 工程材料的选用 　　1. 强度 　　金属材料抵抗塑性变形(永久变形)和断裂的能力称为强度。抵抗能力越大，则强度越高。 　　测定强度高低的方法通常用试验法，其中拉伸试验应用最普遍。如图1-1所示为低碳钢的拉伸曲线，试样在拉伸过程中经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。常用的强度判据有抗拉强度σb和屈服强度σs。其中，屈服强度为选用塑性材料的重要依据，抗拉强度为选用脆性材料的重要依据。 任务一 工程材料的选用 图1-1　低碳钢的拉伸曲线 任务一 工程材料的选用 　　2. 塑性 　　塑性是指金属材料断裂前发生不可逆的永久变形的能力。塑性较好的金属材料便于进行压力加工。 　　判断金属材料塑性好坏的主要判据有断后伸长率δ和断面收缩率ψ。如图1-2所示为拉伸试样，l0、l1分别为试样的原始长度和被拉断后的长度，d0、d1分别为标距内试样的原始直径和断口处直径。 任务一 工程材料的选用 图1-2　拉伸试样 任务一 工程材料的选用 　　3. 硬度 　　硬度是指金属材料抵抗局部变形，尤其是局部塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，也可以从一定程度上反映材料的综合力学性能。材料的硬度可通过硬度试验来测定。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法、维氏测试法和里氏测试法，其中前两种方法应用较广泛。 　　在实际应用时，布氏硬度值既不用计算，又不用标注单位，只需测出压痕直径D (见图1-3) 后，再查压痕直径与布氏硬度对照表即可。 任务一 工程材料的选用 图1-3　布氏硬度测试法 任务一 工程材料的选用 　　4. 冲击韧性 　　击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。工程中常用冲击韧度值aK的大小表示材料冲击韧性的好坏，aK值越大，金属抵抗冲击的能力越强。测定冲击韧性最常用的冲击试验是飞摆锤式一次性冲击试验，其工作原理如图1-4所示。 任务一 工程材料的选用 图1-4　冲击试验 任务一 工程材料的选用 　　5. 疲劳强度 　　许多零件工作时其内部都存在着变应力，如果这种变应力做周期性变化，则称之为循环应力或交变应力。 　　某金属材料的疲劳曲线如图1-5所示。 图1-5　疲劳曲线 任务一 工程材料的选用 1.2　钢 的 热 处 理 　　钢的热处理是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺。热处理是改善钢材性能的重要工艺措施，它不仅可提高机械零件的使用性能，还可用于改善钢材的工艺性能。 任务一 工程材料的选用 　　热处理的方法虽然很多，但任何热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，只是在工艺要素(温度、时间)上有所区别。因此，热处理工艺通常采用如图1-6所示的以温度和时间为坐标的工艺曲线来表示。钢的加热是热处理的第一道工序，其主要目的是使钢转变成均匀的奥氏体，为后续冷却转变做好组织准备。图1-7表示不同成分的钢在加热与冷却时相变临界点的位置。 任务一 工程材料的选用 图1-6　热处理工艺曲线 任务一 工程材料的选用 图1-7　钢在加热(冷却)时的相变临界点 任务一 工程材料的选用 1.2.1　钢的退火与正火 　　退火与正火是钢的基本热处理工艺之一，其目的主要在于消除钢材经热加工所引起的某些缺陷，或者为以后的加工做好准备，故称为预备热处理。 　　1. 退火 　　将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火工艺的主要特点是缓慢冷却。退火的主要目的是： 　　(1) 降低硬度，提高塑性。　　 　　(2) 细化晶粒，消除组织缺陷。 　　(3) 消除内应力。 任务一 工程材料的选用 　　2. 正火 　　正火是把工件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，然后在空气中冷却的工艺。与退火相比，正火冷却速度稍快，因此正火后的组织比较细，强度、硬度比退火高一些。生产中常用正火来改善低碳钢的切削加工性能。对于力学性能要求不太高的普通零件，可考虑采用正火处理作为最终热处理。 　　各种退火与正火的工艺曲线如图1-8所示。 任务一 工程材料的选用 图1-8　各种退火、正火工艺曲线 任务一 工程材料的选用 　　1.2.2　钢的淬火 　　淬火是将钢件加热到相变点Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却，获得马氏体(或贝氏体)组织的热处理工艺。淬火是强化钢铁零件最重要的热处理方法。 　　1. 淬火的目的 　　淬火的主要目的是使钢件得到马氏体(或贝氏体)组织，零件通过适当回火，获得所需要的使用性能。 任务一 工程材料的选用 　　2. 淬火的方法及其应用 　　为了保证钢淬火后得到马氏体，同时又防止钢件产生变形和开裂，应选择合适的淬火方法。常用的淬火方法如图1-9所示。 任务一 工程材料的选用 图1-9　常用淬火方法示意图 任务一 工程材料的选用 　　(1) 单液淬火(图1-9中的①)：操作简单，易实现机械化，应用广泛。缺点是水淬变形开裂倾向大，油淬冷却速度小，容易产生硬度不足或硬度不均匀现象。 　　(2) 双液淬火(图1-9中的②)：其优点在于能将两种不同冷却能力介质的长处结合起来，既可保证获得马氏体组织，又可减小淬火应力，防止工件的变形与开裂。双液液火的关键是要准确控制工件由第一种介质转入第二种介质时的温度。 　　(3) 分级淬火(图1-9中的③)：主要用于形状复杂、尺寸较小的零件。 　　(4) 等温淬火(图1-9中的④)：产生的内应力很小，工件不容易变形与开裂，常用于形状复杂，尺寸要求精确，强度、韧性要求较高的小型工件，如各种模具、成形刃具和弹簧等。 任务一 工程材料的选用 　　1.2.3　回火 　　将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。它是紧接淬火的热处理工序。 　　1. 回火的目的 　　回火的目的是减少内应力；稳定组织，使工件形状、尺寸稳定；调整组织，消除脆性，以获得工件所需要的使用性能。 任务一 工程材料的选用 　　2. 回火的方法及其应用 　　(1) 低温回火(150～250℃)：回火后的硬度一般为58～64 HRC。低温回火的主要目的是降低工件内应力，减少脆性，保持淬火后的高硬度和高耐磨性。 　　(2) 中温回火(350～500℃)：中温回火后的硬度为35～50 HRC。其目的是获得较高的弹性极限和屈服点，并保持一定的韧性。 　　(3) 高温回火(500～650℃)(调质处理)：高温回火后的硬度一般为220～330 HBW。通常将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。 任务一 工程材料的选用 1.2.4　钢的表面热处理 　　表面热处理又分为两类：一类是只改变表面组织而不改变表面化学成分的热处理工艺，称之为表面淬火；另一类是同时改变表面化学成分及组织的热处理工艺，称之为化学热处理。 　　1. 钢的表面淬火 　　表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心时就立即迅速冷却，实现表面淬火。常用的表面淬火有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。 任务一 工程材料的选用 　　(1) 感应加热表面淬火：在一个感应圈中通过一定频率的交流电，在感应圈周围就会产生一个频率相同的交变磁场，将工件置于磁场中，它就会产生与感应圈频率相同、方向相反的封闭的感应电流，这个电流叫作涡流，它主要集中分布在工件表面。如图1-10所示，感应加热表面淬火是依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒内快速加热到淬火温度，然后立即冷却，达到表面淬火的目的。 任务一 工程材料的选用 图1-10　感应加热表面淬火示意图 任务一 工程材料的选用 　　(2) 火焰加热表面淬火：应用氧—乙炔或其他可燃气的火焰对工件表面进行加热，然后快速冷却的淬火工艺(见图1-11)。 图1-11　火焰加热表面淬火示意图 任务一 工程材料的选用 　　2. 钢的化学热处理 　　化学热处理的基本过程：活性介质在一定温度下通过化学反应进行分解，形成渗入元素的活性原子；活性原子被工件表面吸收；被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散，形成一定深度的渗层。 　　(1) 钢的渗碳：渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的热处理工艺(见图1-12)。 任务一 工程材料的选用 图1-12　气体渗碳示意图 任务一 工程材料的选用 　　(2) 钢的渗氮：渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗氮又叫作氮化，其目的是提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、疲劳强度和抗蚀性。 　　渗氮主要适用于表面要求耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、气缸套、阀门等。 任务一 工程材料的选用 　　(3) 钢的碳氮共渗：碳氮共渗是碳、氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。这种工艺是渗碳与渗氮的综合，兼有二者的优点。目前生产中应用较广的有碳氮共渗(以渗碳为主)和氮碳共渗(以渗氮为主)两种方法。前者主要用于低碳及中碳结构钢零件，如汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件等；后者常用于模具、量具、刃具和小型轴类零件。 任务一 工程材料的选用 12 工件 进水 出水 进水 进水 加热淬火层 电流集中层 淬火喷水套 加热感应圈 (接高频电源) 间隙1.5～3 mm 电流密度 12 工件 烧嘴 喷水管 淬硬层 移动方向 $$