1、,第一章 鋼鐵材料及熱處理 標題內容的含義： 鋼鐵固有的 力學性能一般是不能滿足零件的 受力性要求。 鋼鐵零件必須經 過熱處理才能用。,1-1 金屬及合金的性能 主要有：力學性能、物理性能、化學性能和工藝性能。,從機械零件和鋼結構設計角度，重點放在金屬材料的力學性能。,一、 力學性能 力學性能又稱機械性能，是材料在力的作用下所表現出的特征。 力學性能的指標主要有：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和剛度。,1. 強度 是金屬受靜外力作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。 （1）強度的定義式,（2）工程設計中常用的強度指標 最大抗拉強度 屈服點,（3）金屬材料的抗拉強度與屈服點的測試 方法：是用金

2、屬試樣做拉伸試驗測出來的。,1）低碳鋼試樣的拉伸試驗曲線 是將低碳鋼棒料加工成標準試樣，裝在拉伸機上，在試樣兩端緩慢施加軸向載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。,要點知識： oe直線彈性變形特征。 e點處的應力 ：為不產生永久變形的最大應力，稱為材料的彈性極限。,oe直線的斜率值：稱為材料的彈性模量，用E表示，表征材料抵抗彈性變形的能力，技術上表示金屬的剛度。,es曲線屈服特征。即載荷超過Fe再卸載時，試樣的伸長只能部分地恢復，產生了部分塑性變形。,S處水平段稱作“屈服點”。即當載荷增加到Fs時，拉力無需再增大，試樣仍可繼續(xù)伸長。,金屬材料屈服點的工程意義： 1）鍋爐、壓力容器、汽車發(fā)動機缸體上的

3、緊固螺栓、鍵、銷零件，在受載時是不允許屈服的，其工作應力必須小于材料的屈服點。,sb曲線強化階段。材料屈服后隨變形程度的增大，金屬內部要產生變形抗力，須不斷增大載荷，試樣才能繼續(xù)伸長。,bz曲線縮頸階段。即當載荷超過Fb值，試樣出現局部 “縮頸” 直至斷裂。,“縮頸” ：零件局部橫截面積變小，是零件發(fā)生斷裂的前奏。,要點： 1）Fb是零件產生“縮頸”所能承受的最大拉力。,2）規(guī)定：b點處的拉應力值為低碳鋼材料的抗拉強度，用,3）抗拉強度 的工程意義 金屬零件所承受的最大工作應力值不允許超過 ，否則會斷裂。,2. 塑性 指金屬在外力作用下產生永久變形而不斷裂的能力。 （1）塑性指標 以用拉伸試驗

4、測得的試樣伸長率 和端面收縮率 來衡量。,要點知識：,2）應用知識 如車身架材料，要用塑性好的低合金鋼制造，如受力過大（超載）時，先產生塑性變形而不致突然斷裂。,3）塑性好的金屬材料是進行鍛造、沖壓、焊接的必要條件。,3. 硬度 指材料抵抗局部變形，特別是局部塑性變形、壓痕、劃痕的能力。 知識點：硬度是機械零件、工具等必須具有的機械性能指標。,如制造業(yè)用的刀具、量具、鍛錘及模具等，都要具有足夠的硬度，以耐磨和防止受沖擊力時產生裂紋。,硬度可間接反映金屬的強度、塑性、韌性及化學成分，是一項綜合性的機械性能指標。,（1）金屬材料的硬度指標 最常用的有：布氏硬度和洛氏硬度 布氏硬度：用淬火鋼球或硬質

5、合金球作壓頭，用來測定“較軟”金屬材料硬度的方法。,布氏硬度的符號及表示方法： 如230HBS、500HBW。 S 淬火鋼球壓頭。 W硬質合金鋼球壓頭。,布氏硬度法的應用： 用于測定如鑄鐵件、有色金屬及合金、退火鋼、正火鋼、調質鋼等的硬度。,洛氏硬度：是用 金剛石圓錐體作壓頭，用來測定硬金屬材料硬度的方法。,洛氏硬度的符號及表示方法： 如2067HRC。 洛氏硬度法的應用：用于淬火鋼、滲碳鋼、模具工具鋼等硬度的測定。,（2）硬度指標與機械設計 零件受力面要規(guī)定足夠的硬度，以耐磨損，防止產生疲勞裂紋。 硬度和強度之間有一定換算關系，見機械設計基礎教材中的圖表。,4. 沖擊韌性 指材料受快速或突然

6、載荷的作用，斷裂前所能吸收最大沖擊功的能力。 沖擊載荷：指載荷以快速或突然的方式作用在零件上。,（1）沖擊韌性指標 以用擺錘式沖擊試驗測出的試樣所受最大沖擊吸收功AK與S0的比值來衡量，見教材圖1-4。,知識點： 強度、塑性、硬度指標，都是在緩慢加載或靜載荷條件下測定的。 機器中的零件大多要受沖擊載荷作用，如連桿、鍵連接、齒輪傳動、鉆機、碎石機械，鐵軌受力，沖模、鍛模等。,受沖擊載荷作用的零件,制造承受沖擊載荷的零件，除應保證足夠的靜強度、硬度外，還必須要有足夠的韌性，即耐沖擊的能力。,（2）沖擊韌性與機械零件設計 材料的 值，只是表明其抗一次大沖擊而不斷裂的能力。 金屬零件受大能量沖擊作用，

7、其抗沖擊能力決定于akv值。,受小能量多次沖擊的作用，零件抗沖擊能力是取決于強度和塑性。 受較高沖擊力作用，要提高零件的塑性值； 受小沖擊力作用，要提高零件的強度。,如連桿、曲軸，碎石機鄂板等，都是受小能量沖擊作用，這些零件可采用球墨鑄鐵件或孕育鑄鐵件。但鑄鐵的ak值幾乎為零，可經熱處理后具有較高的強度、硬度。,受大能量沖擊作用的零件，選擇材料時，要考慮材料的沖擊韌性指標ak值大小。 如飛機起落架、礦山載重汽車的大梁、鍛錘的錘桿、沖模等，工作時受大能量沖擊力作用，其零件要用高ak值的金屬材料制造。,5. 疲勞強度 （1）疲勞破壞 很多機械零件如軸、齒輪、連桿等，是在交變循環(huán)載荷作用下工作，盡管

8、受到的工作應力值低于材料的強度極限 ，甚至 ，但在零件應力集中處仍會產生裂紋，直至發(fā)生斷裂，此破壞稱為疲勞破壞。,具統(tǒng)計，有約80%的機械零件失效，都是由疲勞破壞引起。因此，研究和預防材料疲勞破壞極其重要。,（2）疲勞強度 工程規(guī)定，材料在指定循環(huán)基數（107次以上）的交變載荷作用下不引起斷裂所能承受的最大應力值，稱為疲勞強度，用符號 表示。,（3）疲勞強度的測定 試驗驗證，在交變載荷作用下，材料承受的工作應力值與斷裂前的應力循環(huán)次數N有如下關系：,當工作應力值下降到某一數值時，材料的疲勞曲線成水平線，這表示材料可經受無數次應力循環(huán)作用而不發(fā)生疲勞斷裂，這個應力值即為該材料的疲勞強度。,（4）

9、零件疲勞破壞的特征 沒有明顯的塑性變形，是突然斷裂。 （5）零件疲勞斷裂的原因 材料內部有氣孔、夾雜物，表面有劃痕或顯微裂痕等。,（6）提高零件疲勞強度的措施 采用鍛造、軋制等壓力加工方式生產零件的毛坯。 （因壓力加工方式可消除材料內部的氣孔、擊碎夾雜物，使材料內部組織致密）,對零件表面進行強化處理，如滾壓、噴丸、表面淬火，以提高工作面硬度。 （可去除或防止出現顯微裂紋，且裂紋擴展慢）,（7）疲勞強度與機械設計 機械傳動中重要的軸、連接螺栓桿、發(fā)動機中的曲軸、連桿等，要進行零件的疲勞強度校核計算。,6. 剛度 指材料抵抗彈性變形的能力。材料的剛度用彈性模量E值衡量。,（1）剛度與機械設計 機床

10、主軸、滑枕、床身等，選材時應選彈性模量大的材料。 材料的剛度不等于機件的剛度。機件的剛度除與材料的E值有關，還取決于機件的斷面形式。,工字形截面、環(huán)行截面，并力求結構中壁厚均勻等，都是提高機件剛度的設計。,三、工藝性能 指材料在加工的過程中所表現出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯質量如何。 1. 材料工藝性能的內容 按工藝方法的不同有：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能。,（1）鑄造性能 指金屬用鑄造方法制成鑄件，材料所表現出的性能。用流動性、收縮率和偏析這三個指標來衡量。,流動性 指熔融金屬流動的能力。流動性好的金屬，容易充滿鑄型，鑄件外形完整、尺寸準確。 收縮率 材料

11、的收縮量愈小，鑄件產生的疏松、縮孔、變形、裂紋等缺陷愈少。,偏析 指鑄件凝固后內部化學成分不均勻現象。材料偏析嚴重，鑄件各部分的力學性能就不一致。 基本知識點： 鑄鐵類的鑄造性能最好，鋁合金其次；鋼的鑄造性能較差。,（2）鍛壓性能 指金屬用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良制件的難易程度。 要點： 材料的鍛壓性能，用塑性值和變形抗力兩個指標來衡量。,鍛壓性能好的金屬有低碳鋼、低合金鋼；黃銅、鋁合金在室溫下就有良好的鍛壓性能；鑄鐵、高碳鋼等鍛壓性能差。,（3）焊接性能 指金屬焊接時，能否獲得優(yōu)良焊接接頭的能力。 要點： 優(yōu)良焊接接頭 指焊縫處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。,焊接性能好的金屬：低碳鋼、低合金鋼；高碳鋼、鑄鐵和鋁合金的焊接性較差。,如用高碳鋼、鑄鐵和鋁合金制成的機件，需與其它機件相連時，應采用螺紋聯(lián)接或鉚接。,（4）熱處理工藝性 指材料是否容易通過熱處理獲得所需力學性能而不開裂的能力。,基本知識點： 高碳鋼、中高合金鋼，其導熱性較差，加熱時采用多段加熱規(guī)范，以防止工件開裂，其熱處理性能較差。,低碳鋼和低合金鋼的導熱性好，采用一段加熱規(guī)范，熱處理性能好。