鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)

第一章鋼鐵材料及熱處理知識點(diǎn)：1.鋼鐵本身固有力學(xué)性能普通是不能滿足零件受力性要求。2.鋼鐵零件必須經(jīng)過熱處理才能用。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第1頁

§1-1金屬及合金性能

主要有：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第2頁

從機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計角度，重點(diǎn)放在金屬材料力學(xué)性能。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第3頁一、力學(xué)性能力學(xué)性能又稱機(jī)械性能，是材料在力作用下所表現(xiàn)出特征。力學(xué)性能指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和剛度。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第4頁1.強(qiáng)度

是金屬受外力作用下，抵抗永久變形和斷裂能力。（1）強(qiáng)度定義式

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第5頁（2）工程設(shè)計中慣用強(qiáng)度指標(biāo)最大抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第6頁（3）金屬材料抗拉強(qiáng)度與屈服點(diǎn)測試方法：是用金屬試樣做拉伸試驗測出來。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第7頁1）低碳鋼試樣拉伸試驗曲線

是將低碳鋼棒料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，裝在拉伸機(jī)上，在試樣兩端遲緩施加軸向載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第8頁

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第9頁關(guān)鍵點(diǎn)知識：oe直線—彈性變形特征。e點(diǎn)處應(yīng)力：為不產(chǎn)生永久變形最大應(yīng)力，稱為材料彈性極限。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第10頁

oe直線斜率值：稱為材料彈性模量，用E表示，表征材料抵抗彈性變形能力，技術(shù)上表示金屬剛度。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第11頁es曲線—屈服特征。即載荷超出Fe再卸載時，試樣伸長只能部分地恢復(fù)，產(chǎn)生了部分塑性變形。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第12頁S處水平段——稱作“屈服點(diǎn)”。即當(dāng)載荷增加到Fs時，拉力無需再增大，試樣仍可繼續(xù)伸長。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第13頁鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第14頁金屬材料屈服點(diǎn)工程意義：1）鍋爐、壓力容器、汽車發(fā)動機(jī)缸體上緊固螺栓、鍵、銷零件，在受載時是不允許屈服，其工作應(yīng)力必須小于材料屈服點(diǎn)。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第15頁

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第16頁sb曲線—強(qiáng)化階段。材料屈服后隨變形程度增大，金屬內(nèi)部要產(chǎn)生變形抗力，須不停增大載荷，試樣才能繼續(xù)伸長。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第17頁

bz曲線—縮頸階段。即當(dāng)載荷超出Fb值，試樣出現(xiàn)局部“縮頸”直至斷裂。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第18頁“縮頸”：零件局部橫截面積變小，是零件發(fā)生斷裂前奏。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第19頁

關(guān)鍵點(diǎn)：1）Fb——是零件產(chǎn)生“縮頸”所能承受最大拉力。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第20頁

2）要求：b點(diǎn)處拉應(yīng)力值為低碳鋼材料抗拉強(qiáng)度，用鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第21頁3）抗拉強(qiáng)度工程意義金屬零件所承受最大工作應(yīng)力值不允許超出，不然會斷裂。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第22頁2.塑性是指金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不停裂能力。（1）塑性指標(biāo)是用拉伸試驗測得試樣伸長率和端面收縮率來衡量。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第23頁關(guān)鍵點(diǎn)知識：鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第24頁

2）應(yīng)用知識如車身架材料，要用塑性好低合金鋼制造，如受力過大（超載）時，先產(chǎn)生塑性變形而不致突然斷裂。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第25頁3）塑性好金屬材料是進(jìn)行鑄造、沖壓、焊接必要條件。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第26頁3.硬度是指材料抵抗局部變形，尤其是局部塑性變形、壓痕、劃痕能力。知識點(diǎn)：硬度是機(jī)械零件、工具等必須含有機(jī)械性能指標(biāo)。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第27頁如制造業(yè)用刀具、量具、鍛錘及模具等，都要含有足夠硬度，以耐磨和預(yù)防受沖擊力時產(chǎn)生裂紋。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第28頁

硬度可間接反應(yīng)金屬強(qiáng)度、塑性、韌性及化學(xué)成份，是一項綜合性機(jī)械性能指標(biāo)。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第29頁

（1）金屬材料硬度指標(biāo)最慣用有：布氏硬度洛氏硬度鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第30頁1）布氏硬度（HB）用淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，用來測定“較軟”金屬材料硬度方法。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第31頁

布氏硬度值表示方法：

如230HBS、500HBW。S——淬火鋼球壓頭。W——硬質(zhì)合金鋼球壓頭。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第32頁布氏硬度法應(yīng)用：用于測定如鑄鐵件、有色金屬及合金、退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第33頁

2）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方法。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第34頁

洛氏硬度法應(yīng)用：用于如淬火鋼、滲碳鋼、模具工具鋼等硬度測定。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第35頁

洛氏硬度表示方法：如20~67HRC。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第36頁（2）硬度值與機(jī)械設(shè)計零件工作面要要求足夠硬度，以耐磨損，預(yù)防疲勞斷裂。硬度和強(qiáng)度間有一定換算關(guān)系，如《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》教材中圖表所表示。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第37頁鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第38頁

4.沖擊韌性

沖擊韌性又稱韌性，是指材料受快速或突然載荷作用，斷裂前所能吸收最大沖擊功能力。沖擊載荷：載荷以快速或突然方式作用在零件上。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第39頁（1）材料沖擊韌性指標(biāo)用擺錘式?jīng)_擊試驗測出試樣所受最大沖擊吸收功AK與S0比值來衡量，見教材圖1-4。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第40頁

基本知識點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、硬度指標(biāo)，都是在遲緩加載或靜載荷條件下測定。機(jī)器中零件大多要受沖擊載荷作用，如連桿、鍵連接、齒輪傳動、鉆機(jī)、碎石機(jī)械，鐵軌受力，沖模、鍛模等。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第41頁鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第42頁制造承受沖擊載荷零件，除應(yīng)確保足夠靜力學(xué)性能如強(qiáng)度、硬度，還必須要有足夠韌性，即耐沖擊能力。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第43頁

（2）沖擊韌性與機(jī)械零件設(shè)計材料值，只是表明其抗一次大沖擊而不停裂能力。金屬零件受大能量沖擊作用，其抗沖擊能力決定于akv值。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第44頁受小能量屢次沖擊作用，零件抗沖擊能力是取決于強(qiáng)度和塑性。受較高沖擊力作用，要提升零件塑性值；受小沖擊力作用，要提升零件強(qiáng)度。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第45頁如連桿、曲軸，碎石機(jī)鄂板等，都是受屢次小能量沖擊力作用，這些零件可用球墨鑄鐵件或孕育鑄鐵件制造。注意，鑄鐵類ak值幾乎為零，但經(jīng)熱處理后含有較高強(qiáng)度、硬度。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第46頁

受大能量沖擊作用零件，選擇材料時，要考慮材料沖擊韌性指標(biāo)ak值大小。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第47頁

如飛機(jī)起落架、礦山載重汽車大梁、蒸汽錘錘桿等，工作時受大能量沖擊力作用，其零件要用高ak值金屬材料制造。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第48頁5.疲勞強(qiáng)度（1）疲勞破壞很多機(jī)械零件如軸、齒輪、連桿等，是在交變循環(huán)載荷作用下工作，盡管受到工作應(yīng)力值低于材料強(qiáng)度極限，甚至<，在零件應(yīng)力集中處仍會產(chǎn)生裂紋，直至發(fā)生斷裂，此破壞稱為疲勞破壞。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第49頁具統(tǒng)計，有約80%機(jī)械零件失效，都是由疲勞破壞引發(fā)。所以，研究和預(yù)防材料疲勞破壞極其主要。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第50頁（2）疲勞強(qiáng)度工程要求，材料在指定循環(huán)基數(shù)（107次以上）交變載荷作用下不引發(fā)斷裂所能承受最大應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度，又稱疲勞極限，用符號表示。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第51頁（3）疲勞強(qiáng)度測定試驗結(jié)論：在交變載荷作用下金屬試樣，承受工作應(yīng)力值與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有以下關(guān)系：鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第52頁疲勞曲線水平段對應(yīng)應(yīng)力值，表示材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)作用而不發(fā)生疲勞斷裂，即為材料疲勞強(qiáng)度。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第53頁

（4）零件疲勞破壞特征

沒有顯著塑性變形，是突然斷裂。（5）零件疲勞斷裂原因

材料內(nèi)部有氣孔、夾雜物，表面有劃痕或顯微裂痕等。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第54頁（6）提升零件疲勞強(qiáng)度辦法采取鑄造、軋制等壓力加工方式生產(chǎn)零件毛坯。（因壓力作用可焊合鋼錠內(nèi)部孔洞、擊碎夾雜物，使金屬致密；對型鋼，可產(chǎn)生加工硬化）鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第55頁對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，如滾壓、噴丸、表面淬火，以提升工作面硬度。（可去除或預(yù)防出現(xiàn)顯微裂紋，且裂紋擴(kuò)展慢）鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第56頁鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第57頁（7）疲勞強(qiáng)度與機(jī)械設(shè)計機(jī)械中主要轉(zhuǎn)軸、螺栓桿、曲軸、連桿等，要按零件疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核計算。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第58頁6.剛度

指材料抵抗彈性變形能力，材料剛度用彈性模量E值衡量。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第59頁（1）剛度與機(jī)械設(shè)計機(jī)床主軸、滑枕、床身等，選材時應(yīng)選彈性模量大材料。材料剛度不等于機(jī)件剛度。機(jī)件剛度除與材料E值相關(guān)，主要是取決于機(jī)件斷面設(shè)計。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第60頁

工字形斷面、環(huán)型斷面設(shè)計，力爭壁厚均勻，都是提升機(jī)件剛度設(shè)計形式。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第61頁

三、工藝性能

指材料在加工過程中所表現(xiàn)出特征。如是否輕易加工或做出毛坯質(zhì)量怎樣。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第62頁1.材料工藝性能內(nèi)容按工藝方法不一樣有：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第63頁（1）鑄造性能指金屬在鑄造成形過程中所表現(xiàn)出性能。金屬鑄造性能用流動性、收縮率和偏析這三個指標(biāo)來衡量。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第64頁流動性指熔融金屬流動能力。金屬液流動性好，輕易充滿鑄型，鑄件外形完整、尺寸準(zhǔn)確。收縮率金屬收縮量愈小，鑄件產(chǎn)生疏松、縮孔、變形、裂紋等缺點(diǎn)愈少。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第65頁偏析指鑄件凝固后內(nèi)部化學(xué)成份不均勻現(xiàn)象。金屬偏析嚴(yán)重，鑄件各部分力學(xué)性能就不一致。知識點(diǎn)：鑄鐵類鑄造性能最好，鋁合金其次；鋼鑄造性能較差。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第66頁鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第67頁

（2）鍛壓性能指金屬用鍛壓成形方法取得優(yōu)良制件難易程度。關(guān)鍵點(diǎn)：材料鍛壓性能，用塑性值和變形抗力兩個指標(biāo)來衡量。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第68頁鍛壓性能好金屬有低碳鋼、低合金鋼；黃銅、鋁合金在室溫下就有良好鍛壓性能；鑄鐵、高碳鋼等鍛壓性能差。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第69頁

（3）焊接性能指金屬焊接時，能否取得優(yōu)良焊接接頭能力。關(guān)鍵點(diǎn)：優(yōu)良焊接接頭指焊縫處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺點(diǎn)。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第70頁

焊接性能好金屬：低碳鋼、低合金鋼；高碳鋼、鑄鐵和鋁合金焊接性較差。

鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第71頁

如用高碳鋼、鑄鐵和鋁合金制成機(jī)件，需與其它機(jī)件相連時，應(yīng)設(shè)計成螺紋聯(lián)接或鉚接。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第72頁

（4）熱處理工藝性指材料是否輕易經(jīng)過熱處理取得所需力學(xué)性能而不開裂能力。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第73頁知識點(diǎn)：高碳鋼、高合金鋼導(dǎo)熱性差，加熱時采取多段加熱規(guī)范，以預(yù)防工件開裂，其熱處理性能較差。鋼鐵材料及其熱處理知識點(diǎn)第74頁低碳鋼、低合金鋼導(dǎo)熱性好，采取一段加熱規(guī)范，加