金属材料性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,*,项目,4,任务,1,钢铁材料认识,(,一,),2,教师,:,刘小娟,1,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,机械材料分类 （,按,化学成分,分类,）,金属材料,(,综合性能好，用量最大、应用范围最广,),高分子材料,(,质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等,),陶瓷材料,（,高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于 电器、化工、航空航天等等）,复合材料,（轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）,2,2,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,学习金属材料的目的,（,1,获得常用的金属材料、非金属材料的,基本知识,，了解各种机械工程材料的,基本特性和应用范围,；,（,2,）为以后,正确设计和合理选材打下基础。,2,3,读读小故事,:,1867年冬天,俄国彼得堡海军仓库的大批锡砖,一夜之间不翼而飞,留下了泥土一样的灰色粉末.1992年,俄国斯科特探险队的船只,在去南极的途中,天气十分寒冷,可是用于取暖的煤油却漏光了,以致探险队员全部冻死在南极冰原.原来装煤油的铁桶是用锡焊接的,而锡却莫名其妙地化为了灰尘.这是怎么回事呢?,2,4,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,原因,:,锡在温度低于-18时,体积就会骤然膨胀,原子间空隙加大.如果温度下降到-33,这种变化就像传染病一样迅速蔓延.这种现象人们称为锡疫,使整块的锡很快变成粉末.,故事启发:,学习金属材料的性能,才能很好的选择和应用金属,尤其是在机械构件材料的合理的选择.本次课我们就来学习金属材料的性能.,2,5,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,一、金属材料的常用性能,包括两方面,材料,使用性能,材料,工艺性能,力学性能,（,强度、塑性韧性等）,物理性能,（光、热、电、磁等）,化学性能,（氧化、腐蚀等）,加工性能,（切削、锻造等）,铸造性能,（适合铸造与否）,焊接性能,（容易焊接与否）,热处理性能,（可热处理强化）,2,6,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,思考问题,:,图片中的金属制品用途能反应出它们哪些物理性能,?,7,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,（,1,）密度,-,密度的大小,-,分轻重金属，轻金属,-,铝（应用广）,（,2,）熔点,-,对冶炼、铸造、焊接、配制合金很重要。,（,3,）导热性,-,最好是银,铜,铝，导热性好的金属散热性也好。,（,4,）热膨胀性,-,实际工作中，铺铁轨、桥梁。,（,5,）导电性,-,最好是银,铜,铝，（工业上用铜、铝作导电材料）。,（,6,）磁性,-,具有导磁能力的金属都能被磁铁吸引,金属的物理性能,8,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,【提问】,为什么图片中的自行车表面,层总是要进行喷漆处理,而淋雨后置久了,却会生锈呢,?,金属的化学性能,（,1,）耐腐蚀性,-,常见如钢铁生锈，（腐蚀现象）,（,2,）耐氧化性,-,焊接等,（,3,）化学稳定性,9,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,金属的力学性能,定义,:,金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。,指标,:,弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。,2,10,金属的力学性能,2,拉伸试样的颈缩现象,拉伸试验机,11,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,12,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,13,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,屈服强度,是塑性材料选材和评定的依据。,14,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,15,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,2.塑性,16,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,17,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,18,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,(1),布氏硬度,布氏硬度计,19,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,(1),布氏硬度,适用范围,:,450HBS;,450-650HBW;,当压头为钢球时,硬度符号为,HBS,；当压头为硬质合金球时,硬度符号为,HBW,2,20,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,(2),洛氏硬度,HR,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,10HRCHBS,21,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,22,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,(3),维氏硬度,HV,适用范围,:,测量薄板类,;,HVHBS;,23,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2025/4/28 周一,六,.,冲击韧性,(notch toughness):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,2,24,25,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,试样冲断时所消耗的,冲击功,A,k,为,:,A,k,=m g H m g h(J),冲击韧性值,a,k,就是试样缺口处单位截,面积上所消耗的冲击功，称为冲击韧度。,A,K,a,k,=(J/cm,),S,0,26,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,七,.,疲劳强度,(fatigue strength):,表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值,-1,。,2,27,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,钢材的循环次数,一般取,N=10,7,有色金属的循环次数,一般取,N=10,8,钢材的,疲劳强度,与,抗拉强度,之间的关系,:,-1,=,(0.45,0.55),b,2,28,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,1943,年美国,T-2,油轮发生断裂,2,29,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,30,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,金属的工艺性能,（,1,）定义,-,指各种加工条件下表现出来的性能。,31,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,（,2,）各性能的含义,铸造性,:,常用材料,:,灰铸铁 有优良的铸造性能。,锻压性,:,塑性好的 低碳钢 容易锻造成型,焊接性,:,你碳钢有较好的可焊性，高碳钢（较差）铸铁,（更差）,可加工性,:,一般认为，硬度过高或过低的金属材料，,其切削加工性能较差。,32,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,机械零件的失效形式,2,填空题,:,1,、,：零件丧失工作能力或达不到要求的性能时，称为,。,2,、零件不发生失效的安全工作限度称为,。,3,、机械零件失效的形式有断裂、,、,等形式。,33,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,谢谢大家,34,第,3,章 机械工程材料基础,陈君梅,2007-3-12,3.2,铁碳合金基础知识,钢铁,是机械工业应用最广泛的金属材料，它主要是由铁和碳两种元素组成，统称为,铁碳合金,。,不同的钢铁材料其力学性能差别很大，这是由金属内部成分和组织结构决定的。,2,35,3.2.1,铁碳合金的组织及性能,基本组织：,含碳量、性能、工艺,1.,铁素体,(F)-,碳溶于,Fe,中的间隙固溶体。,2.,奥氏体,(A)-,碳溶于,-Fe,中形成的间隙固溶体。,3.,渗碳体,(Fe3C)-,铁与碳形成的金属化合物。,4.,珠光体,(P),-,铁素体和渗碳体组成的机械混合物。,5.,莱氏体,(Ld),-,奥氏体和渗碳体组成的机械混合物,。,2,36,奥氏体组织金相图,渗碳体组织金相图,珠光体组织金相图,莱氏体组织金相图,组织金相图,2,37,3.2.2,铁碳合金分类及其室温组织,2,38,3.2.3,碳的质量分数与力学性能的关系,铁素体,(F),：软而韧,渗碳体,(Fe3C):,硬而脆,（,1,）含碳量增加，硬度增加,（,2,）含碳量增加，塑性韧性降低,（,3,）含碳量增加，强度先增后降（,0.9%,最高）,2,39,3.3,钢的热处理常识,热处理的定义,:,时间,温度,临界温度,热,加,保温,冷,却,2,40,2.,热处理的主要目的,:,改变钢的性能。,3.,热处理的应用范围,:,整个制造业。,4.,热处理的分类,热处理,普 通,热处理,表 面,热处理,退火,;,正火,;,淬火,;,回火,;,表面淬火,化 学,热处理,感应加,热淬火,火焰加,热淬火,渗碳,;渗氮,;,碳氮共渗,;,2,41,3.3.1,钢的普通热处理,毛坯生产,预备热处理,机械加,工,最终热处理,机械精加工,预备热处理,:,退火,;,正火,最终热处理,:,淬火,;,回火,一般零件生产的工艺路线,:,2,42,一,.,钢的退火,一,),定义,:,把零件加温到,临界温度以上,30,50,保温一段时间,然后,随炉冷却,。,二,),目的,:,消除应力,;,降低硬度,;,细化晶,粒,;,均匀成分,;,为最终热处理,作好组织准备。,2,43,三,),种类,退火,重结晶,退 火,低温,退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化,退 火,等温球化,退 火,2,44,二,.,钢的正火,一,),定义,:,把零件加温到,临界温度以上,30,50,保温一段时间,然后,在空气中冷却,。,二,),目的,:,消除应力,;,调整硬度,;,细化晶粒,;,均匀成分,;,为最终热处理,三,.,钢的淬火,作好组织准备。,三）应用范围,:,1.,预备热处理,:,调整低、中碳钢的硬,度,;,消除过共析钢中的,Fe3C,。,2.,最终热处理,:,用于力学性能要求不,高的普通零件。,2,45,三,.,钢的淬火,一,),定义,:,把零件加温到,临界温度以上,30,50,保温一段时间,然,后,快速冷却,(,常用水冷,),。,二,),目的,:,为了获得马氏体组织,提高钢,的硬度和耐磨性。,2,46,四,.,钢的回火,一,),定义,:,把,淬火后,的零件重新加温到,A,1,线以下某个温度,保温一段,时间,然后冷却到窒温。,二,),目的,:,消除淬火应力,降低脆性,;,稳定,工件尺寸,;,调整淬火零件的力,学性能。,淬火,+,高温回火,=,调质处理,2,47,3.3.2,钢的表面热处理工艺,表面淬火,化学热处理,工艺的核心,:,使零件具有“表硬里韧”,的力学性能。,2,48,一,.,表面淬火,一,),定义,:,是一种,不改变钢表层化学成,分,但改变表层组织,的局部热,处理工艺。,二,),工艺特征,:,通过快速加热使钢的表,层奥氏体化,然后急冷,使表层,形成马氏体组织而心部仍保,持不变。,2,49,三,),表面淬火用钢,:,选用,中碳,或,中碳低合金钢,。,40,、,45,、,40Cr,、,40MnB,等。,四,),表面淬火加工的方法,:,感应加热,(,高、中、工频,),、,火,焰加热,、电接触加热法等。,2,50,1.,感应加热表面淬火,1),感应加热的基本原理,:,*,感应电流,-,涡流,*,集肤效应,*,淬火层深度,(,),与电流频率,(,f,),的关系,:,=500/,f,（,mm,）,2,51,感应加热表面淬火示意图,集肤效应示意图,2,52,2),工艺要求,:,*,表面淬火前,必须对零件进行,正火,或调质处理,以保证零件有良好的,基体。,*,表面淬火后,必须对零件进行,低温,回火处理,以降低淬火应力和脆性。,3),生产特点,:,淬火件的质量好,;,工件变,形小,;,不易氧化及脱碳,;,淬火层容易,控制,;,生产率高。设备投资大,不适,于复杂形状零件和小批量生产。,2,53,2.,火焰加热表面淬火,1),火焰加热表面淬火的基本方法,2,54,2),火焰加热表面淬火的特点,:,*,设备简单,操作方便,成本低。,*,淬火质量不稳定。,*,适于单件、小批量及大型零件的生产。,2,55,二,.,化学热处理,(Chemical Heat Treatment),一,),定义,:,将零件置于一定的化学介质,中,通过加热、保温,使介质,中一种或几种元素原子渗入,工件表层,以,改变钢表层的化,学成分和组织,的热处理工艺。,2,56,二,),化学热处理的基本过程,:,2.,吸收,:,活性原子被,零件表面吸收和溶,解。,3.,扩散,:,活性原子由零件表面向内部扩,散,形成一定的扩散层,。,1.,分解,:,化学介质在高温下释放出待渗,的,活性原子,。,2CO CO,2,+,C,2,57,三,),化学热处理的种类,:,渗碳,;,渗氮,;,碳氮,共渗,;,渗硼,;,渗铝,;,渗硫,;,渗硅,;,渗铬等。,2,58,1.,钢的渗碳,(Carburize of steel),1),定义,:,向钢的,表面渗入碳原子,的过程。,2),目的,:,表层增加含碳量后，再经过淬火、回火后，,获得具有高,硬度和耐磨性，而工件心部仍具有高,塑性韧,性和足够的强度。,3),用钢,:,低碳钢,和,低碳合金钢。如,汽车齿轮、变速轴,4),方法,:,固体、气体、,液体渗碳。,2,59,2.,钢的渗氮,(Nitridation of steel),1),定义,:,向钢的,表面渗入氮原子,的过程。,2),目的,:,获得具有,表硬里韧及提高疲劳强度和,抗蚀,性能的零件。,3),用钢,:,中碳合金钢。主要用于高硬度、高精度,的精密零件，如阀门、精密机床主轴。,4),方法,:,气体,渗氮。,2,60,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。,长,55.7,厘米剑锷锋芒犀利，,锋能割断头发。,2,61,渗碳与渗氮的工艺特点,处理后是否需要热处理,处理时间,(h),处理温度,(),名称,需要,3,9,900,950,渗碳,不需要,20,50,500,600,渗氮,2,62,典型零件工艺路线的制定,1,轴类零件（机床主轴）,（,1,）分析工作条件：,承受中等交变扭矩载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。,（,2,）,失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；,冲击过载断裂等,（偶尔发生）,2,63,（,3,）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；局部高硬度；,（,4,）,中碳钢,或者中碳合金钢,：,45,（,40Cr,5,）工艺路线：,下料,锻造,正火,粗加工,调质,(,淬火,+,高温回火,),局部表面淬火,+,低温回火,精磨,成品；,2,64,2,、齿轮（低碳钢、表面渗碳）,(1),工作条件,:,齿轮根部承受交变弯曲应力；（传递扭矩时）,;,齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损；换挡、气动、制动时齿轮承受一定的冲击。,(2),失效形式,：齿的折断（疲劳断裂和冲击过载断裂）；齿表面磨损。,（,3,）性能要求,：高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑性韧性。,（,4,）选材,：低碳钢（,20,，,25,）,（,5,）工艺路线,：下料,锻造,正火,机加工,渗碳,+,淬火,+,低温回火,喷丸,精磨,成品；,2,65,