金属材料与热处理基础知识

第二章 金属材料与热处理基础
学习目的：
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。
学习要求：
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。
1
第一节 金属的力学性能
11
2．钢在加热时的转变 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织。 3．钢在冷却时的转变 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。
疲劳强度σ-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，进行表面热处理和强化处理等方法。
9
第二节Fra Baidu bibliotek钢的热处理常识
7
四、冲击韧度
对于承受冲击载荷的材料，如汽车 发动机中的活塞，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。
一、钢的热处理原理
1．概述 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：
10
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 曲线称为热 处理工艺曲 线，见图2-5。
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 性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。
一、强度
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。
均压力（F/A）即为布
氏硬度值，压头为淬火
钢球时用HBS表示，压
头为硬质合金球用时
HBW表示。例如120HBS，
450HBW。
6
2．洛氏硬度试验法 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。
1．断后伸长率δ
试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比
δ=(L1—L0)/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。
2．断面收缩率ψ
试样拉断处ψ=×100％横截面积的缩减量与原始横截面积之比
ψ= =(A0—A1)/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。
12
二、退火与正火
1．退火
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。
2．正火
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。
5
三、硬度
硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、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。
1．布氏硬度试验法
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
8
五、疲劳强度
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。
（1）屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。
σs= 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σ0.2作为屈服 强度指标，称为规定残余伸长应力。
σ0.2= F0.2/AO （2-2）
（2）抗拉强度σb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。
σb= Fb/AO （2-3）
式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。
4
二、塑性
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 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。
1．拉伸曲线 图2-1为低碳钢的拉伸曲线，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。
2
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
3
2．强度指标
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MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。