金属材料与热处理绪 论1一、金属材料与热处理的发展史n四千多年前，我国开始使用青铜器；n三千年前，接触了铁，冶炼生铁；n战国时期，开始采用脱碳退火处理；n秦汉以后，表面淬火开始广泛应用；n现在，我国在工程材料科学方面与发达国家 比，有一定差距。2秦代铜车马34勇气号火星探测器5二、设立本课程的意义（1）金属材料是最重要的机械工程材料， 广泛应用在工业、农业、国防和科技领域。机械性能、物理性能和化学性能；工艺性能6二、设立本课程的意义（2）实际需要 （用途）选择材料 （成分）制定加工工艺 （内部组织结构 ）n金属材料与热处理，就是研究金属材料的性能与 它的成分以及内部组织结构和用途之间的关系、 改变金属材料性能的途径，以及各种常用金属材 料的介绍。成品（具有一定性能 ）7三、课程内容和学习要求n1、金属学的基本知识：力学性能、晶体结构、铁 碳合金相图等；n2、熟悉金属材料成分、组织结构、性能之间的关 系和变化规律；n3、掌握常用金属材料的牌号、性能及应用，初步 具有合理选择材料的技能；n4、了解热处理的原理、特点、工艺过程及应用， 初步具有选定热处理方法及工序位置的能力；n5、具有一定的分析问题和解决问题的能力。8四、本课程的学习与考核n1、课程内容的规律：成分组织性能应用应用n2、课程特点：名词多，总结多，实践性强，密切联系实际；n3、考核方式：期末试卷 （50%）+ 平时综合（50%）平时综合包括：到课情况、上课回答问题、课后 作业的完成情况等等。9金属材料的性能 使用性能： （力学性能、物 理性能、化学性 能等）工艺性能：（铸造性能、锻压性能、 热处理性能、切削加工 性能等） 使用范围、使用寿命使用范围、使用寿命 工艺质量工艺质量10金属的力学性能是指金属在外力作用下，抵抗变形与 断裂的能力及发生变形的能力。这种能力 的大小、强弱用力学性能指标来衡量和比 较。 常用力学性能指标：强度、塑性、硬度、韧性及疲劳极限等 。模块一 金属的力学性能11【知识点 】1.理解常用力学性能指标的含义： 强度、硬度、塑性、韧性及疲劳极限等。 2.了解常用物理性能和化学性能对材料的 应用范围、产品质量及工艺性能的影响 。1、掌握硬度的测试方法及其应用；2、了解强度、塑性、冲击韧度及疲劳极限 等力学性能指标的测试方法及其应用；3、能根据机件的工作条件，分析对其制造 材料力学性能的要求。【技能点 】12课题1 强度与塑性131、载荷：金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力 统称为载荷，符号F，可分为：静载荷：大小和方向不变，或变化很慢冲击载荷：短时间内作用于材料变动载荷：大小甚至方向随时间变化一、载荷、变形与应力【任务提出】：钢丝绳的选择 【任务分析】： 钢丝绳能承受的载荷取决于钢丝绳的材质和粗细 。142、变形：金属受到载荷作用而产生的几 何变形和尺寸的变化。 弹性变形：载荷存在而产生，载荷去除 而消失 塑性变形：载荷去除后，仍不能恢复3、应力：单位面积上的内力称为应力能够准确反映材料内部的受力 状态，强度指标都是用应力表示的。15二、金属室温静拉伸实验1.拉伸试样为使实验结果 具有可比性，拉伸 试样的形状、尺寸 、取样和制样都应 符合相应的标准。2、拉伸曲线外力F与试样绝对伸长量之间的关系曲线称为力-伸长曲线16o-p-e e-s-s s-b b-k k 弹性变形屈服均匀塑性变形缩颈断裂低碳钢的拉伸曲线17拉伸曲线的物理意义：描绘出了材料的变形 特征及各阶段受力与变形间的关系，可以从拉伸 曲线的形状来判断材料弹性与塑性的好坏，断裂 时的韧性及脆性程度及不同变形下的承载能力。不同材料有不同类型的拉伸曲线，同一材料 在不同条件下的力拉伸曲线也不相同。18将力-伸长曲线的横、纵坐标分别用 拉伸试样的原始标距和原始横截面积去除 ，就得到应力-应变曲线。在应力-应变曲线上，可以确定几个主 要的力学性能指标。3、应力-应变曲线19思考题1、变形不能随载荷的去除而消失。2、用拉伸试验可测定材料的（ ）性能指 标。A、强度 B、硬度 C、韧性3、低碳钢的拉伸过程可分为哪几个阶段？20思考题1、塑性变形不能随载荷的去除而消失。2、用拉伸试验可测定材料的（ A ）性能指 标。A、强度 B、硬度 C、韧性3、低碳钢的拉伸过程可分为：弹性变形、屈 服、均匀塑性变形、缩颈和断裂5个阶段。21三、金属的弹性变形1.弹性模量表示材料对弹性变形的抵抗能力,符号E E=/在应力-应变曲线上，E就是直线（op段）的斜率 。E越大，材料发生弹性变形的难度就越大。刚度：机件在载荷作用下，抵抗弹性变形的能力 。刚度的大小，取决于机件的几何形状和材料 的弹性模量。在机件横截面积一定的情况下，机 件的刚度就取决于材料的弹性模量。222.弹性极限金属材料在外力作用下，只发生弹性变形而不发 生塑性变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。 相当于e点所对应的应力值，用e表示。在实际工程测试中，是测量规定非比例延伸率时 的应力，延伸率的大小用脚注说明。如测定试样标距 部分的非比例延伸率0.001%时的应力，记为RP0.001 物理意义：是弹性零件的失效抗力指标。233.弹性比功是表示金属材料吸收弹性变形功的能力。e=2 e/2E式中： e -弹性比功e -弹性极限E -弹性模量可知，提高材料的弹性比功：一是提高弹性极限二是降低弹性模量对于具体的零件，还可以增加零件的体积。24四、强度与强度指标1.强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力 。2、屈服强度：拉伸试样发生屈服现象时，力所 对应的点称为屈服点，对应的应力就是屈服强 度。用符号s或ReL。s= Fs/ So 式中：s -屈服强度（MPa）Fs -试样屈服时的载荷（N） So -试样原始横截面积（mm2)25屈服强度的物理意义：材料开始产生明显塑性变形的最小应力， 金属抵抗初始塑性变形的抗力。对于无明显屈服现象的材料，则用规定条 件的屈服强度来表示，称为条件屈服强度， 符号：0.2或Rr0.2。263.抗拉强度是指试样在断裂前所能承受的最大应力。符号b或Rm表示 。b=Fb/So式中： Fb -试样承受的最大载荷（N）So -试样原始横截面积（mm2)物理意义：是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，是脆性材料的断裂强度。屈强比：屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比越小，说明材料的塑性越好。合理范围是0.6-0.75。 屈服强度和抗拉强度都是机械零件设计和选材的依据27五、塑性与塑性指标2.断后伸长率 符号：或A指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。 =(L1-Lo)/Lo x 100%L1-试样拉断后的标距(mm)Lo-试样的原始标距(mm)1.塑性：金属材料断裂前产生塑性变形的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率通过单向静拉伸试验测得283.断面收缩率 符号：或Z 指试样拉断处横截面积的最大缩减量与原 始横截面积的百分比。 =(So-S1)/So x 100%式中：S1 -试样拉断处的最小横截面积 (mm2)So -试样的原始横截面积（mm2）29 根据和的相对大小，可以判定材料塑性的高低 。 和越大，材料的塑性就越好。加工时：容易通过塑性加工，制成形状复杂的零构 件；使用时：偶尔过载，能产生塑性变形增加承载能力 ，不至于突然发生断裂，比较安全。金属的强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。通过细化金属的显微组织，可同时提高其强度与塑 性。30【任务实施】1.首先，在使用中的应力1289 直径2mm的钢丝绳工作时的应力： =F/S=(510009.8)/(22/420)=780MPa 断面收缩率，无缩颈，是低塑性材料； 断后伸长率在本试验中，载荷F与压头直径D平方的比值 （0.102F/D2）应是30、15、10、5、2.5、1 中的一个。见表1-1. 试验尺寸允许时，优先选用直径为10mm的球 压头。 在图样文件中，一般不规定试验条件，只需 标出要求的硬度值范围和硬度符号，如 200230HBW。383）特点及适用范围优点：压痕面积大，能较好反应材料的平均 硬度值，数据稳定，重复性好；缺点：测试麻烦，压痕较大，对材料表面的 损伤较大，不适合测量成品件及薄件材料 ；适用：铸铁、非铁金属及退火、正火或调质 处理后的钢材等，尤其适用软金属。393.布氏硬度试验过程1）试样：表面光滑，厚度至 少为压痕深度的10倍。2）设备：HB-3000B型数显布 氏硬度计。3）过程：放样品加载荷保持时 间去载荷取下试样 读压痕直径查硬度值。40二、洛氏硬度实验HR=N-h/S1.实验原理：洛氏硬度是 用压痕的深度表示洛氏 硬度值的，符号HR：式中：N常数,K=100（金刚石圆锥体压头），K=130（钢球压头）h残余压痕深度（mm)S 常数，分别为0.001和0.002 41采用不同的压头与总试验力，组合成 15种不同的洛氏硬度标尺。洛氏硬度无单 位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写 出硬度值.1）表示方法：58 HR C 表面硬度：70 HR 30T W2.洛氏硬度规范422）试验条件及应用范围：见表1-2和1-3。3）优点：测量迅速、简便；压痕较小，可测 量成品件。缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分 散度大，通常需要在材料的不同部位测试三 次，取其平均值来代表材料的硬度。各标尺之间没有对应关系。431）试样：表面粗糙度Ra0.8微米。 2）设备：HR-150型洛氏硬度计 3）过程：放样加初始力调表针 加主实验力保持读硬度 值多次重复，取平均值。3.洛氏硬度试验过程44练习题1.常用的三种硬度测试方法是？2.简述布氏硬度的原理。45思考题1.布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。2.简述布氏硬度的原理。 答：单位压痕面积上的平均压力。46维氏硬度也是 以单位压痕面积 的力作为硬度值 计量。三、维氏硬度实验1.实验原理压头：136金刚石四棱椎体 符号：HV HV=F/S=0.189F/d2 式中，d压痕两对角线的平均长度（mm)471）表示方法： 640 HV 30/20在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按 试验力大小和试验力保持时间（1015s 不标出）的顺序用数字表示试验条件。 2)优点：压痕浅，适用范围宽，尤其适合 测量表面处理过的零件，只用一种标尺 ，可以直接通过维氏硬度比较材料硬度 的大小。缺点：对试样表面要求高，测量麻烦，不 适合大批次的测试。2.维氏硬度规范481）试样：表面粗糙度、厚度 2）设备：维氏硬度计 3）过程：放样品加载荷保 持时间去载荷读 压痕对角线长度查 硬度值 （与布氏硬度 的测量过程类似）3.维氏硬度试验过程49硬度小结（1）符号压头表示方法布氏硬度HBW硬质合金球200HBW10/1000/30洛氏硬度HR钢球，或 120金刚石圆锥 体50HRC 70HR30TW维氏硬度HV136 正四棱椎体 金刚石640HV30/2050符号优缺点适用范围布氏硬度HBW测量麻烦 结果准确 损害表面铸铁、非铁金属及退火、正火 或调质后的钢材。 主要是半成品或毛坯洛氏硬度HR测量简单 精度较低 不伤工件淬火、回火钢件 主要是成品件。维氏硬度HV测量麻烦 精确可靠 效率低下薄件 渗碳、渗氮等表面硬化层硬度小结（2）51综合训练1.下列零件和材料，用何种方式测量为好： A：淬火钢 B：仪表小黄铜齿轮 C：渗碳工件的表面硬度 2.有甲、乙两个工件，甲工件的硬度是 230HBW,乙工件的硬度是34HRC，是否说明 甲比乙硬度高？521.下列零件和材料