金工實习教材之金属材料及钢的热处理.doc

§1-3 金属材料及钢的热处理 金属材料及热处理的主要的内容是：研究金属及合金的内部结构、性能及其用途；研究金属及合金的成分、温度、结构之间的关系，以及改变结构其性能变化情况。 §1-3-1 金属及合金的主要性能 在已发现的化学元素中大多数为金属元素，如铁、铝、铜、镍、铬、钨等。由两种或两种以上的金属元素，或者金属与非金属元素所组成的具有金属性质的物质叫合金。如钢是由铁和碳组成的合金；黄铜是由铜和锌组成的合金。金属与合金统称金属材料。由于合金比纯金属具有更好的的机械性能和工艺性能，而且成本一般较纯金属低，因此在机器制造中所用的金属材料以合金为主，很少使用纯金属。从CA6140普通车床所使用的金属材料来看，铁碳合金应用得最多。见表1-1 。 从表1-1和生产实际可知： 不同的材料有不同的用途。 同一种材料，通过不同的热处理方法，可作不同的用途。 要以零件的具体工作条件出发，选择能够满足零件技术要求的材料和热处理工艺。 因此，在设计和机械零件时，首先熟悉材料的使用性能和工艺性能是十分必要的。所谓使用性能是指机械零件在正常工作情况下，材料应具备的性能。它包括机械性能（或称力学性能）和物理化学性能等。而工艺性能是指机械零件在冷、热加工制造过程中，材料应具备的性能。 金属材料的机械性能 金属在进行压力加工时，以及被制成机械零件或工具来 使用时，都要受到外力的作用，通常把这种外力叫做载荷。载荷有大有小，方向也不尽相同；作用的情形有静止的、冲击的、变化的、不变化的。由于外力的不同，金属的变形情况也不同，常见的有：压缩、拉伸、扭转、剪切和弯曲等变形。 金属材料在外力作用下，所引起的变形分为弹性变形 （指外力除去后，变形完全消失而恢复原状的）机塑性变形（指外力除去后，残余有永久变形的）。 金属材料和机械性能是指金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。材料的机械性能是设计零件时选择材料的重要依据。常用的机械性能指标有：强度、硬度、塑性、冲击韧性等。 1、强度 强度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗变形和锻炼的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷（应力）表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指材料刚开始产生塑性变形时的最低应力值，用σs表示；抗拉强度是指材料在破坏前所能承受的最大应力值，用бb表示。它们是零件设计时的主要依据，也是评定金属材料强度的重要指标。 2、硬度 硬度是材料抵抗外物压入的能力，也可以说是材料抵抗局部塑性变形的能力。它是材料的主要性能之一。一般情况下硬度高时耐磨性能也较好，并且硬度雨强度之间有一定的关系。根据经验，硬度与抗拉强度有如下近似关系；即高碳钢要与低碳钢бb相同必须增加硬度。 低碳钢 бb=0.36HB 高碳钢 бb=0.34HB 调质合金钢 бb=0.325HB 测定硬度的方法常采用压入法。就是把硬质材料制成的圆球或锥体，用压力压入金属材料的表层，然后根据压痕的深度或面积来确定被测金属的硬度值。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。 布氏硬度 布氏硬度测定原理：它是用载荷为P的压力，把直径为D的钢球压入金属表面（图1-32）并保持一定时间，而而后去除载荷，测量圆球在金属表面上所压出的圆形凹陷压痕的直径d，据此计算压痕球面积F。求出每单位面积所受的力P／F凹，用以作为金属的硬度值，称为布氏硬度值，以符号HB来表示。 HB= 试验所得的压痕直径应在下列范围之内：0.25〈d〈0.6D。d〈0.25D，则灵敏度和准确性随之降低；若d〉0.6D测钢球的压下量太大亦引起不准确。对于钢来讲，一般确定采用钢球的直径D为10毫米，载荷P为300公斤，压入时间为10秒。假如用一般规定试验条件所得压痕直径不在上列范围内时，即应考虑选用其他载荷量作试验，并在布氏硬度值符号HB的右下角加以注明；如HB10／100／10，即表示用10毫米直径的钢球，在1000公斤力的载荷下保持10秒钟后所得的结果。它的使用上限一般不起过HB450，所以适用于测定退火、正火、调板钢，铸铁及有色金属的硬度、进行布氏硬度试验时，应根据金属的种类和试件的厚度，正常选择。实验条件：钢球直径、载荷大小和加载时间，可见表1-2。 表1-2布氏硬度试验规程 布氏硬度试验方法的优缺点： 优点：测量值较准确。与其他机械性能，特别与бb之间存在一定的关系。 缺点：由于钢球本身存在变形问题，不能测量硬度＞HB450的材料。压痕较大，对成品检测不适宜。 洛氏硬度 洛氏硬度测定原理：和布氏硬度试验一样，也是压痕试验法之一。所不同的是，它不是测定压痕大小，而是用测量压痕凹陷深度来表示硬度值（图1-33）。在同