金属材料与热处理基础

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1、 通 过 本 章 的 学 习 具 备 所 必 需 的 汽 车 所 使 用 的 金 属 材 料 基 本 知识 。 掌 握 金 属 的 力 学 性 能 指 标 及 常 用 数 据 。 掌 握 钢 的 热 处 理 的 基 本 知 识 及 常 用 的 热 处 理 方 法 、 工 艺 特 点 和应 用 范 围 。 掌 握 常 用 的 机 械 工 程 材 料 类 型 、 牌 号 、 力 学 性 能 及 用 途 。 初 步 具 有 选 择 工 程 材 料 的 能 力 。 第一节金属的力学性能 材 料 的 力 学 性 能 是 指 材 料 在 外 力 作 用 下 所 表 现 出 来 的 特 性 。 力 学性 能

2、 包 括 强 度 、 塑 性 、 硬 度 、 冲 击 韧 度 及 疲 劳 强 度 等 。 强 度 是 指 金 属 材 料 在 载 荷 作 用 下 抵 抗 变 形 和 破 坏 的 能 力 。 强 度 指 标 一 般 可 以 通 过 金 属 拉 伸 试 验 来 测 定 。 把 标 准 试 样 装 夹 在试 验 机 上 ， 然 后 对 试 样 缓 慢 施 加 拉 力 ， 使 之 不 断 变 形 直 到 拉 断 为 止 。在 此 过 程 中 ， 试 验 机 能 自 动 绘 制 出 载 荷 F和 试 样 变 形 量 AL的 关 系 曲 线 。此 曲 线 叫 做 拉 伸 曲 线 。 图 2-1为 低 碳

3、钢 的 拉 伸 曲 线 ， 图 中 纵 坐 标 表 示 载 荷 单 位 为 N； 横 坐标 表 示 绝 对 伸 长 量 L， 单 位 为 mm。 从 图 2-1中 可 以 看 出 下 面 几 个 变 形 阶 段 ： （ 1） Oe弹 性 变 形 阶 段 （ 2） es屈 服 阶 段 （ 3） sb强 化 阶 段 （ 4） bk缩 颈 阶 段 材 料 受 到 外 力 作 用 会 发 生 变 形 ， 同 时 在 材 料 内 部 产 生 一 个 抵 抗 变 形的 力 称 为 内 力 。 单 位 面 积 上 的 内 力 称 为 应 力 ， 单 位 为 Pa（ 帕 ） ， 即 N/m2工 程 上 常 用

4、 MPa(兆 帕 )， 1MPa=106pa， 或 1Pa=1N/m2， 或 1MPa=1N/mm2。 （ 1） 屈 服 点 s材 料 产 生 屈 服 时 的 最 小 应 力 。 单 位 为 MPa。 s= Fs/AO （ 2-1）式 中 ， Fs是 屈 服 时 的 最 小 载 荷 (N)； A0是 试 样 原 始 截 面 积 。 对 于 无 明 显 屈 服 现 象 的 金 属 材 料 （ 如 高 碳 钢 、 铸 铁 ） ， 测 量 屈 服 点很 困 难 ， 工 程 上 经 常 采 用 残 余 伸 长 为 0.2 原 长 时 的 应 力 0.2作 为 屈 服强 度 指 标 ， 称 为 规 定

5、残 余 伸 长 应 力 。 0.2= F0.2/AO （ 2-2） （ 2） 抗 拉 强 度 b材 料 在 拉 断 前 所 承 受 的 最 大 应 力 ， 单 位 为 MPa。 抗 拉 强 度 表 示 材 料 抵 抗 均 匀 塑 性 变 形 的 最 大 能 力 ， 也 是 设 计 机 械 零 件 和选 材 的 主 要 依 据 。 b= Fb/AO （ 2-3）式 中 ， Fb是 试 样 断 裂 前 所 承 受 的 最 大 载 荷 （ N） 。 金 属 材 料 在 载 荷 的 作 用 下 ， 产 生 塑 性 变 形 而 不 断 裂 的 能 力 称 为 塑 性 。通 过 拉 伸 试 验 测 得 的

6、 常 用 塑 性 指 标 有 ： 断 后 伸 长 率 和 断 面 收 缩 率 。 试 样 拉 断 后 的 标 距 伸 长 量 和 原 始 标 距 之 比 =(L1L0)/L0 100 （ 2-4） 式 中 ， L1试 样 原 始 标 距 长 度 。 L0试 样 拉 断 后 的 标 距 长 度 。 试 样 拉 断 处 = 100 横 截 面 积 的 缩 减 量 与 原 始 横 截 面 积 之 比 = =(A0A1)/AO 100 （ 2-5） 式 中 ， Ao是 试 样 的 原 始 横 截 面 积 ； A 是 试 样 断 口 处 的 横 截 面 积 。 硬 度 是 指 材 料 表 面 抵 抗 局

7、 部 塑 性 变 形 、 压 痕 或 划 痕 的 能 力 。 常 用 来 测 定 硬 度 的 方 法 有 布 氏 硬 度 试 验 法 和 洛 氏 硬 度 试 验 法 。 如 图 2-2所 示 采 用直 径 为 D的 淬 火 钢 球 或硬 质 合 金 球 ， 在 规 定 载荷 F的 作 用 下 ， 压 入 被测 金 属 表 面 ， 保 持 一定 时 间 后 卸 除 载 荷 ， 测定 压 痕 直 径 ， 求 出 压 痕球 形 的 表 面 积 ， 压 痕 单位 表 面 积 上 所 承 受 的 平均 压 力 （ F/A） 即 为 布氏 硬 度 值 ， 压 头 为 淬 火钢 球 时 用 HBS表 示 ，

8、 压 头 为 硬 质 合 金 球 用 时HBW表 示 。 例 如 120HBS，450HBW。 采 用 顶 角 为 120 的 金 刚 石 圆 锥 体 或 直 径 为 1.588mm的 淬 火 钢 球 作为 压 头 如 图 2-3所 示 。 试 验 时 先 施 加 初 载 荷 ， 使 压 头 与 试 样 表 面 接触 良 好 ， 保 证 测 量 准 确 ， 再 施 加 主 载 荷 ， 保 持 到 规 定 的 时 间 后 再 卸 除主 载 荷 ， 依 据 压 痕 的 深 度 来 确 定 材 料 的 硬 度 值 。 对 于 承 受 冲 击 载 荷 的 材 料 ， 如 汽 车发 动 机 中 的 活

9、塞 ， 不 仅 要 求 具 有 高 的 强度 和 一 定 的 塑 性 ， 还 必 须 具 备 足 够 的 冲击 韧 度 。 金 属 材 料 抵 抗 冲 击 载 荷 作 用 而不 破 坏 的 能 力 称 为 冲 击 韧 度 。 冲 击 韧 度 的 测 定 方 法 ， 如 图 2-4所示 。 是 将 被 测 材 料 制 成 标 准 缺 口 试 样 ，在 冲 击 试 验 机 上 由 置 于 一 定 高 度 的 重 锤自 由 落 下 而 一 次 冲 断 。 冲 断 试 样 所 消 耗的 能 量 称 为 冲 击 功 ， 其 数 值 为 重 锤 冲 断试 样 的 势 能 差 。 冲 击 韧 度 值 aKV

10、就 是 试样 缺 口 处 单 位 截 面 积 上 所 消 耗 的 冲 击 功 ，这 个 值 越 大 ， 则 韧 性 越 好 ， 受 冲 击 时 ，越 不 容 易 断 裂 。 在 汽 车 上 的 许 多 零 件 中 ， 比 如 各 种 轴 、 齿 轮 、 弹 簧 、 连 杆 等 ， 要受 到 大 小 和 方 向 呈 周 期 性 变 化 的 载 荷 作 用 。 这 种 交 变 载 荷 虽 然 小 于 材料 的 强 度 极 限 ， 甚 至 小 于 其 弹 性 极 限 ， 但 经 多 次 循 环 后 ， 在 没 有 明 显的 外 观 变 形 时 也 会 发 生 断 裂 ， 这 种 破 坏 称 作 疲

11、劳 破 坏 或 疲 劳 断 裂 。 这种 破 坏 都 是 突 然 发 生 的 ， 具 有 很 大 的 危 险 性 。 疲 劳 强 度 -1是 表 示 材 料 以 周 期 性 交 变 载 荷 作 用 而 不 致 引 起 断 裂的 最 大 应 力 ， 其 大 小 与 应 力 变 化 的 次 数 有 关 。 对 于 黑 色 金 属 规 定 循 环次 数 为 107次 ， 有 色 金 属 循 环 次 数 为 108次 。 为 了 提 高 金 属 的 疲 劳 强 度 ， 可 以 通 过 改 善 零 件 的 结 构 形 状 ， 避 免应 力 集 中 ， 减 小 表 面 粗 糙 度 值 ， 进 行 表 面

12、热 处 理 和 强 化 处 理 等 方 法 。 热 处 理 是 将 固 态 金 属 或 合 金 采 用 适 当 的 方 式 进 行 加 热 、 保 温 和 冷 却以 获 得 所 需 要 的 组 织 结 构 与 性 能 的 工 艺 。 根 据 热 处 理 的 目 的 和 工 艺 方 法 的 不 同 ， 热 处 理 可 分 为 ：第二节钢的热处理常识 热 处 理方 法 虽 然 很多 ， 但 任 何一 种 热 处 理工 艺 都 是 由加 热 、 保 温 、和 冷 却 三 个阶 段 所 组 成的 。 热 处 理工 艺 过 程 可用 在 温 度 一时 间 坐 标 系中 的 曲 线 图表 示 ， 这 种曲

13、 线 称 为 热处 理 工 艺 曲 线 ， 见 图 2-5。 在 热 处 理 工 艺 中 ， 钢 的 加 热 目 的 是 为 了 获 得 奥 氏 体 ， 奥 氏 体 是 钢 在高 温 状 态 时 的 组 织 ， 其 强 度 及 硬 度 高 ， 塑 性 良 好 ， 晶 粒 的 大 小 、 成 分 及其 均 匀 化 程 度 ， 对 钢 冷 却 后 的 组 织 和 性 能 有 重 要 影 响 。 因 此 ， 钢 在 加 热时 ， 为 了 得 到 细 小 均 匀 的 奥 氏 体 晶 粒 ， 必 须 严 格 控 制 加 热 温 度 和 保 温 时间 ， 以 求 在 冷 却 后 获 得 高 性 能 的 组

14、 织 。 冷 却 是 热 处 理 的 关 键 工 序 ， 成 分 相 同 的 钢 经 加 热 获 得 奥 氏 体 组 织 后 ，以 不 同 的 速 度 冷 却 时 ， 将 获 得 不 同 的 力 学 性 能 ， 见 表 2-1。 退 火 是 将 钢 加 热 到 适 当 温 度 ， 保 持 一 定 时 间 ， 然 后 缓 慢 冷 却（ 一 般 随 炉 冷 却 ） 的 热 处 理 工 艺 。 正 火 是 指 把 钢 加 热 到 组 织 转 变 为 奥 氏 体 的 临 界 温 度 以 上 保 温 ，使 其 完 全 奥 氏 体 化 ， 在 空 气 中 冷 却 的 热 处 理 工 艺 。 淬 火 是 将

15、 钢 的 组 织 加 热 到 转 变 为 奥 氏 体 的 临 界 温 度 以 上 ， 保 温一 定 时 间 ， 以 大 于 临 界 冷 却 速 度 快 速 冷 却 的 热 处 理 工 艺 。 钢 的 回 火 是 指 将 淬 火 后 的 钢 ， 在 组 织 转 变 为 奥 氏 体 的 临 界 温 度以 下 加 热 ， 保 温 一 定 时 间 ， 然 后 冷 却 到 室 温 的 热 处 理 工 艺 。 常 用 的 表 面 热 处 理 方 法 有 表 面 淬火 及 化 学 热 处 理 两 种 。 （ 1） 火 焰 加 热 表 面 淬 火 （ 如图 2-8所 示 ） （ 2） 感 应 加 热 表 面

16、淬 火 （ 如图 2-9所 示 ） 化 学 热 处 理 是 指 将 钢 件 放 入 一 定温 度 的 活 性 介 质 中 保 温 ， 使 一 种 或 几种 元 素 渗 入 它 的 表 层 ， 以 改 变 其 表 层化 学 成 分 、 组 织 和 性 能 的 热 处 理 工 艺 。 化 学 热 处 理 种 类 很 多 ， 最 常 用 的是 渗 碳 和 渗 氮 。 （ 1） 钢 的 渗 碳 将 工 件 置 于 渗 碳介 质 中 加 热 并 保 温 ， 使 碳 原 子 渗 入 工件 表 层 的 化 学 热 处 理 工 艺 ， 如 图 2-10所 示 。 （ 2） 钢 的 渗 氮 是 指 在 一 定

17、温 度下 ， 使 活 性 氮 原 子 渗 入 工 件 表 面 的 化学 热 处 理 工 艺 。 第三节常用金属材料 金 属 材 料 可 分 为 钢 铁 材 料 和 非 铁 材 料 （ 有 色 金 属 材 料 ） 两 大 类 ，而 钢 又 可 分 为 碳 素 钢 和 合 金 钢 ， 钢 铁 以 外 的 其 他 金 属 称 为 非 铁 金 属材 料 或 有 色 金 属 材 料 。 钢 的 分 类 方 法 很 多 ， 常 用 的 是 按 钢 的 用 途 分 类 ， 可 分 为 结 构 钢 、工 具 钢 和 特 殊 性 能 钢 。 铸 铁 中 的 碳 主 要 以 渗 碳 体 和 石 墨 两 种 形 式

18、 存 在 ， 根 据 碳 的 存 在形 式 不 同 ， 铸 铁 可 以 分 为 下 列 几 种 ： （ 1） 白 口 铸 铁 （ 2） 灰 铸 铁 碳（ 3） 麻 口 铸 铁 根 据 铸 铁 中 石 墨 形 态 不 同 ， 铸 铁 又 可 分 为 ： 灰 铸 铁 中 的 石 墨 呈片 状 ； 可 锻 铸 铁 中 的 石 墨 呈 团 絮 状 ； 球 墨 铸 铁 中 的 石 墨 呈 球 状 ， 蠕墨 铸 铁 中 的 石 墨 呈 蠕 虫 状 。 有 色 金 属 是 指 钢 铁 以 外 的 其 他 金 属 。 有 色 金 属 种 类 很 多 ， 又 具 有 某些 独 特 的 性 能 ， 是 工 业 上

19、 不 可 缺 少 的 金 属 材 料 ， 有 色 金 属 应 用 较 广 的 是铝 、 铜 、 钛 及 其 合 金 和 滑 动 轴 承 合 金 。 复习试题 1、 拉 伸 试 验 时 ， 试 样 拉 断 前 所 能 够 承 受 的 最 大 应 力 称 为 材 料 的（ ） 。 A、 弹 性 极 限 B、 抗 拉 强 度 C、 屈 服 点 2、 用 拉 伸 试 验 可 测 定 材 料 的 （ ） 性 能 指 标 。 A、 强 度 B、 韧 性 C、 硬 度 3、 将 钢 件 奥 氏 体 化 后 ， 先 浸 入 一 种 冷 却 能 力 强 的 介 质 中 ， 然 后 迅速 浸 入 另 一 种 冷

20、却 能 力 弱 的 介 质 中 ， 使 之 发 生 马 氏 体 转 变 的 淬 火 方 法 称（ ） 。 A、 分 级 淬 火 B、 等 温 淬 火 C、 水 冷 淬 火 D、 双 介 质 淬 火 4、 如 果 钢 件 有 严 重 的 碳 化 物 网 ， 应 先 进 行 （ ） 消 除 碳 化 物 ， 然后 再 球 化 退 火 。 A、 去 应 力 退 火 B、 正 火 C、 完 全 退 火 D、 淬 火 5、 制 造 小 弹 簧 宜 选 用 （ ） ， 制 造 冷 压 件 宜 选 用 （ ） 钢 。 A、 08F B、 45 C、 65Mn D、 T12A 6、 滚 动 轴 承 钢 GCrl

21、5中 的 平 均 含 铬 量 为 （ ） 。 A、 0.15 B、 1.5 C、 15 D、 0.015 7、 合 金 渗 碳 钢 渗 碳 后 必 须 进 行 （ ） 热 处 理 才 能 使 用 。 A、 淬 火 加 高 温 回 火 B、 淬 火 加 中 温 回 火 C、 淬 火 加 低 温 回 火 D、 高 温 回 火 8、 铸 铁 中 的 碳 以 石 墨 形 态 析 出 的 过 程 称 为 （ ） 。 A、 石 墨 化 B、 变 质 处 理 C、 球 化 处 理 D、 结 晶 9、 选 择 下 列 材 料 的 零 件 ： 汽 车 后 桥 外 壳 （ ） ， 柴 油 机 曲 轴（ ） 。 A

22、、 HT200 B、 KTH350-10 C、 QT500-05 D、 RUT420 10、 不 是 工 业 纯 铝 的 特 点 的 是 （ ） 。 A、 密 度 小 B、 导 电 性 好 C、 强 度 高 D、 抗 腐 蚀 能 力 高 1、 材 料 的 屈 服 点 越 低 ， 则 允 许 的 工 作 应 力 越 高 。 （ ） 2、 洛 氏 硬 度 值 是 没 有 单 位 的 。 （ ） 3、 布 氏 硬 度 测 量 法 不 适 合 于 测 量 成 品 及 较 薄 的 零 件 。 （ ） 4、 铸 铁 的 铸 造 性 能 比 钢 好 得 多 ， 所 以 常 用 来 铸 造 复 杂 的 工 件

23、 。（ ） 5、 对 钢 进 行 热 处 理 的 目 的 都 是 为 了 获 得 细 小 、 均 匀 的 奥 氏 体 组 织 。（ ） 6、 退 火 与 正 火 的 目 的 大 致 相 同 ， 它 们 主 要 的 区 别 是 保 温 时 间 长 短 。（ ） 7 、 回 火 的 目 的 主 要 是 消 除 应 力 ， 降 低 硬 度 ， 便 于 进 行 切 削 加 工 。（ ） 8、 感 应 加 热 表 面 淬 火 时 所 使 用 的 电 流 频 率 越 高 ， 则 工 件 表 面 的 淬 硬层 尝 试 越 大 。 （ ） 9、 渗 碳 的 零 件 可 以 是 低 碳 钢 也 可 以 是 高

24、碳 钢 。 （ ） 10、 碳 素 工 具 钢 的 碳 的 质 量 分 数 一 般 都 大 于 0.7 。 （ ） 11、 灰 口 铸 铁 包 括 灰 铸 铁 、 球 墨 铸 铁 、 可 锻 铸 铁 和 蠕 墨 铸 铁 。 （ ） 12、 从 灰 铸 铁 的 牌 号 上 可 以 看 出 它 的 抗 拉 强 度 和 冲 击 韧 度 值 。 （ ） 13、 耐 磨 铸 铁 、 耐 热 铸 铁 、 耐 蚀 铸 铁 都 属 于 合 金 铸 铁 。 （ ） 14、 通 过 热 处 理 可 以 改 变 灰 铸 铁 的 基 体 组 织 ， 故 可 以 显 著 地 提 高 力 学 性能 。 （ ） 15、 Q

25、T400-18是 指 b=400MPa， =1.8 的 球 墨 铸 铁 。 （ ） 16、 A1-Si系 铸 造 合 金 ， 又 叫 硅 铝 明 。 铸 造 性 能 良 好 ， 强 度 韧 性 较 高 。（ ） 17、 在 去 应 力 退 火 过 程 中 ， 钢 的 组 织 不 发 生 变 化 。 （ ） 18、 合 金 钢 只 有 经 过 热 处 理 ， 才 能 显 著 提 高 其 力 学 性 能 。 （ ） 19、 可 锻 铸 铁 比 灰 铸 铁 的 塑 性 好 ， 因 此 可 以 进 行 锻 压 加 工 。 （ ） 20、 工 业 纯 铝 具 有 较 高 的 强 度 ， 常 用 作 工

26、程 结 构 材 料 。 （ ） 1、 金 属 材 料 的 使 用 性 能 包 括 、 和 等 ； 工 艺性 能 包 括 、 、 、 和 等 。 2、 材 料 的 力 学 性 能 包 括 、 、 、 和 等 。 3、 强 度 是 指 金 属 材 料 在 作 用 下 ， 抵 抗 和 的能 力 。 4、 断 裂 前 金 属 材 料 材 料 的 能 力 称 为 塑 性 。 金 属 材 料 的 和 的 数 值 越 大 ， 表 示 材 料 的 塑 性 越 好 。 5、 金 属 材 料 抵 抗 作 用 而 不 破 坏 的 能 力 ， 称 为 冲 击 韧 度 。 6、 热 处 理 是 将 固 态 金 属 或

27、合 金 采 用 适 当 的 方 式 进 行 、 和 以 获 得 所 需 要 的 组 织 结 构 与 性 能 的 工 艺 。 7、 生 产 中 常 用 的 冷 却 介 质 有 、 和 等 。 8、 生 产 中 在 钢 淬 火 后 进 行 的 热 处 理 工 艺 称 为 调 质 ， 调 质 后 的组 织 为 。 9、 Q235AF表 示 为 235MPa， 质 量 为 级 的 钢 10、 ZG270-500表 示 b=， s=的 工 程 用 铸 钢 。 11、 T10A表 示 碳 的 质 量 分 数 为 的 钢 。 12、 常 用 来 制 造 高 速 切 削 的 车 刀 、 刨 刀 的 高 速 工

28、 具 钢 有 和 。 13、 铸 铁 的 性 能 决 定 于 和 。 当 基 体 一 定 时 ，铸 铁 的 性 能 决 定 于 的 形 状 、 数 量 、 大 小 和 分 布 。 14、 合 金 弹 簧 钢 中 硅 、 锰 的 主 要 作 用 是 。 15、 不 锈 钢 是 指 在 介 质 或 大 气 中 具 有 抗 腐 蚀 性 能 的 钢 ，其 成 分 特 点 是 含 量 较 高 ， 含 量 较 低 。 16、 表 面 要 求 具 有 高 的 ， 而 心 部 需 要 足 够 的 的 零 件 应 进 行 表 面 热 处 理 。 17、 滚 动 轴 承 钢 的 热 处 理 首 先 采 用 ， 以

29、 降 低 锻 造 后 钢 的 硬 度 ， 便 于 切 削 加 工 ， 然 后 采 用 ， 以 提 高 轴 承 的 硬 度 和 耐 磨性 。 18、 白 口 铸 铁 中 的 碳 主 要 以 形 式 存 在 ， 而 灰 口 铸 铁 中 的碳 主 要 以 形 式 存 在 。 b sHRCak -1 19、 普 通 黄 铜 是 由 、 组 成 的 二 元 合 金 。 在普 通 黄 铜 中 加 入 其 他 合 金 元 素 时 称 黄 铜 。 20、 变 形 铝 根 据 其 主 要 性 能 特 点 不 同 可 分 为 ： 铝 、 铝 、 铝 和 铝 等 几 种 。屈服点 抗拉强度 冲击韧度 伸长率 断面收

30、缩率疲劳极限 洛氏硬度C标尺 机 床 主 轴 板 弹 簧 坦 克 履 带 轴 承 滚 动 体 储 酸 槽 汽 车 变 速 齿 轮 高 精 度 长 丝 锥 麻 花 钻 头 医 疗 手 术 器 械 冷 冲 模 热 锻 模 1Cr18Ni9 40Cr GCrl5 20CrMnTi 60Si2Mn ZGMnl3 CrWMn Crl2Mo 4Crl3 W18Cr4V 5CrNiMo 灰 铸 铁 黑 心 可 锻 铸 铁 珠 光 体 可 锻 铸 铁 球 墨 铸 铁 20CrMnTi 50CrVA 9SiCr W18Cr4V 1Crl3 ZGMnl3 4Crl4Nil4W2Mo KTZ500-04QT600-02HT250KTH35010合 金 刃 具 钢合 金 弹 簧 钢合 金 渗 碳 钢不 锈 钢高 速 钢 铸 钢耐 热 钢 1、 汽 车 中 采 用 了 哪 些 金 属 材 料 ?采 用 了 什 么 样 的 热 处 理 ?用 于 什么 地 方 ? 2、 汽 车 发 动 机 应 用 了 哪 些 金 属 材 料 ?采 用 了 什 么 样 的 热 处 理 ?用于 什 么 地 方 ?