金属材料与热处理专业PPT课件

这是一个关于金属材料与热处理专业PPT课件，主要介绍金属的性能、测定铸铁件的硬度、测定铸模的冲击韧性、金属材料的结构。金属材料与热处理 ---1 主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师高级技能专业教师汽车维修高级考评员 作为开篇，下面举一个过去工厂经常提到的一种说法来引起学习兴趣： “3吩(3′)螺丝可承吊1吨重物”。 必须说明：这不是一道有关“螺栓联接承载能力”的计算题，而是一道有关钢的抗拉强度的说法。为什么选用英制螺栓呢？第一，过去工厂是公、英制通用时代；第二，螺栓是最普遍的零件，用其作为师傅教徒弟的教具是最合适不过了。不过，要注意到：英制螺栓与公制螺栓有两点不同：一，英制螺栓的“螺距”是用“每吋有多少个牙”来表示，单位不是㎜；二，英制螺栓的“牙顶角”不是60°而是55°。 下面我们把这个说法复核一下。 解：公式：抗拉强度（σb）＝试样断裂前所能承受的最大载荷／试样原始横断面积 依题意，3吩＝3／8吋＝9.525㎜， 3吩螺栓约相当于M10的粗牙螺栓。 1.螺栓牙底（危险截面）直径＝牙顶直径－2×牙高＝9.525㎜－2×1.44 ㎜ ＝6.645 ㎜ （考虑到牙底的圆角过渡，取6.7㎜。计算从略。），欢迎点击下载金属材料与热处理专业PPT课件哦。

金属材料与热处理专业PPT课件是由红软PPT免费下载网推荐的一款学校PPT类型的PowerPoint.

金属材料与热处理 ---1 主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师高级技能专业教师汽车维修高级考评员 作为开篇，下面举一个过去工厂经常提到的一种说法来引起学习兴趣： “3吩(3′)螺丝可承吊1吨重物”。 必须说明：这不是一道有关“螺栓联接承载能力”的计算题，而是一道有关钢的抗拉强度的说法。为什么选用英制螺栓呢？第一，过去工厂是公、英制通用时代；第二，螺栓是最普遍的零件，用其作为师傅教徒弟的教具是最合适不过了。不过，要注意到：英制螺栓与公制螺栓有两点不同：一，英制螺栓的“螺距”是用“每吋有多少个牙”来表示，单位不是㎜；二，英制螺栓的“牙顶角”不是60°而是55°。 下面我们把这个说法复核一下。 解：公式：抗拉强度（σb）＝试样断裂前所能承受的最大载荷／试样原始横断面积 依题意， 3吩＝3／8吋＝9.525㎜， 3吩螺栓约相当于M10的粗牙螺栓。 1.螺栓牙底（危险截面）直径＝牙顶直径－2×牙高＝9.525㎜－2×1.44 ㎜ ＝6.645 ㎜ （考虑到牙底的圆角过渡，取6.7㎜。计算从略。） 2.危险截面面积＝0.785 ×(6.7 ㎜)2 ＝35.3㎜2。 3.螺栓抗拉强度＝1000 ㎏ ／35.3 ㎜2 ＝28.33 ㎏／ ㎜2 ≈283Ｍｐａ 查课本P51表4－2“优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能”可知：σb＝283的钢连牌号08F（295）都达不到，说法很有疑问。 后来才了解到：“ 3吩螺丝”指缸盖螺丝，材料牌号至少是45﹟， σb＝600Ｍｐａ，显然可行。 金属概述： 1.在已知的109种元素中，金属元素有87种，准金属有5种，非金属17种，见下图。 2.金属通常可分为黑色金属和有色金属两大类： ①黑色金属：铁、锰和铬以及它们的合金，主要是铁碳合金(钢铁)。 ②有色金属：除去铁、铬、锰之外的所有金属。 3.有色金属又分为五类： ①轻有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。 ②重有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、汞、锡等。③贵金属：包括金、银和铂族元素，由于它们稳定、含量少、开采和提取困难、价格贵，因而得名贵金属。④准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、砷、硼。⑤稀有金属；自然界中含量很少，分布稀散、发现较晚，难以从原料中提取的或在工业上制备和应用较晚的金属。如：锂、铷、铯、钨、锗、稀土元素和人造超铀元素等。 金属元素之最： 1.地壳中含量最高的金属元素：铝（La） 2.人体中含量最高的金属元素：钙（Ca） 3.目前世界年产量最高的金属：铁（Fe） 4.导电、导热最好的金属：银（Ag） 5.硬度最高的金属：铬（Cr） 6.熔点最高的金属：钨（W） 7.熔点最低的金属：汞（Hg） 8.密度最大的金属：锇（Os） 9.密度最小的金属：锂（Li） 模块一 金属的性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理、化学和力学性能等。 力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来到性能，它是保证零件和构件正常工作应具备的主要性能，主要包括强度、塑性、硬度冲击韧性和疲劳强度等。 根据载荷作用性质不同，可分：静载荷、冲击载荷和交变载荷三种。 根据载荷作用形式不同，可分：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷五种。 金属材料在受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。 单位面积上的内力叫做应力。 计算应力的公式： σ＝F／S 式中：F—外力，N； S—横截面积，ｍ2。 备忘：Ｍｐａ与常用单位换算： 1Ｍｐａ＝1N／ｍｍ2 ≈0.1㎏／ｍｍ2 ＝10kg／ｃｍ２ 二、高强度螺栓的基本知识 高强度螺栓由高强度钢材制成，拧紧螺母可使栓杆产生很高的预拉力将叠合钢板压得很紧，剪力则由板叠间的摩擦力来传递，而不像普通螺栓那样，由栓杆受剪和孔壁承压来传递剪力，这就是摩擦型高强螺栓的工作原理。　　 高强度螺栓所用材料的性能等级按热处理（淬火、回火）后的强度分8.8级和10.9级两种。 任务二 ：测定铸铁件的硬度（课本P7） 硬度是指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。 　 2.布氏硬度表示方法： 硬度值一般不标单位。当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当压头为硬质合金时，用HBW表示。符号HBS或HBW之前写出硬度值，符号后面用数字依次表示压头直径、试验力及试验力保持时间（10～15 s）等试验条件。例如，150HBS10/1000/30。 一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210～230HBS。 3.布氏硬度试验的优缺点： 优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。 二、洛氏硬度 1.洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量，符号用HR表示，其计算公式为： 2.压头类型：淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。 3.试验规范及表示方法:采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。 4.洛氏硬度试验的优缺点： 优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。 缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。 三、维氏硬度 1.维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。 2.维氏硬度用符号HV表示。在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（10～15s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。 3.维氏硬度试验的优缺点： 优点是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。 缺点是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。 四、碳钢热处理后的性能——各种组织的硬度性能指标范围如下： 1.珠光体：10～20HRC； 2.索氏体 （45﹟钢的正火组织）：22～25HRC； 3.屈氏体（45﹟钢的油液淬火组织）：36～42HRC； 4.马氏体 （45﹟水液淬火组织）：62～65HRC； 5.回火马氏体（45﹟淬火后低温回火组织）：约 60HRC； 6.回火屈氏体（65﹟淬火后中温回火组织）：40～48HRC； 7.回火索氏体（45﹟淬火后高温回火即调质组织）： 25～35HRC。 五、各种洛氏硬度之间，洛氏硬度值与布氏硬度值之间都有一定的换算关系。对于钢铁材料，大致有下列关系式： HRC = 2HRA－104； HB = 10HRC （HRC = 40～60范围）； HB = 2HRB。 任务三 测定铸模的冲击韧性（课本P13） 一、冲击韧性 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。 1.摆锤式一次冲击试验（左图）。 2.小能量多次冲击试验（右图）。 摆锤冲击试验条件下的表征： AK＝ｇ（ｈ1－ｈ2）（单位：J，焦耳） 必须说明： AK这个值没有明确的物理意义。从上页的图可以看出，材料缺口截面的应力分布并不代表全部材料的情况，更可况冲击试验所消耗的功在很大程度上取决于参加塑性变形的材料体积，而不仅仅取决于缺口的截面面积。 七、疲劳强度 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的极限强度＜抗拉强度，而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的破坏称为 “疲劳破坏”。 疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。 1.疲劳破坏的特点是： ①疲劳断裂时：受到的极限强度低于抗拉强度，甚至低于屈服强度。 ②断口通常没有显著的塑性变形；不论是脆性材料，还是塑性材料，均表现为脆性断裂，更具突然性，更危险。 ③疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间，但寿命可计算。  概述3 3.两个概念： 1）材料的疲劳极限 σrn（ＭＰａ） ：在应力比为 r 的循环应力作用下，应力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力。 2）疲劳寿命N（次数）：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。应力比r不同或N不同时，疲劳极限σrn 则不同。 简介可靠度预估 可靠度的观念最早起始于二次大战期间，德国在研制“V-1 ”火箭阶段时，对于主要设计理念已有系统強度决定其中最弱环节的观念，而每个元件的隐患会直接影响到整个系统的表現。 1952年美国电子设备可靠度顾问团提出可靠度报告之后，以其对电子装备进行研究所得到的结论为基础，並依据此结论將可靠度定义为：产品于既定的时间內，在特定的使用环境条件下，执行特定的功能，成功完成工作目标的几率。 可靠度的基本数学模型种类众多，涵盖二項式分佈、指数分佈、韦氏分佈及常态分佈等，而每种模型皆有其特定的相关失效時间分佈。对可靠度的最基本的认识是浴盆曲线。 经由实验得知机械产品的失效几率分佈，一般均呈現出类似浴缸的形狀，与人类之生命周期相似，又称之为浴缸曲线。此曲线大致可分为三个阶段，首先是“早夭期”，于此初期产品失效率较高的原因，主要原因为生产缺陷，初始故障率也会隨开始使用時数渐增而急速下降。接着到达“稳定期”，在此期间，产品在某一時段內的故障率，一直维持不变。最后进入“耗損期”，产品在某一時段內的故障率会隨時间而持续增加，直到所有的产品全部出现故障为止。 5.影响疲劳强度的主要因素三个方面： 　 ①应力集中的影响 零件截面尺寸突变处（如过渡圆角、键槽、小孔、螺纹）及过盈配合处会产生应力集中，使局部应力大于公称应力。(以疲劳缺口系数考虑其对零件疲劳极限的影响。) ②尺寸效应 零件尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷的概率越大，疲劳强度就越低(以尺寸系数考虑其对零件疲劳极限的影响)。 ③表面状态的影响 指零件表面粗糙度、表面强化的工艺效果及工作环境对零件疲劳极限的影响。喷丸（弹簧）、滚压（轴类的轴颈）和表面渗碳（曲轴）都是提高材料抗疲劳能力行之有效的方法。 第一次作业： 1.课本P18第4题 解题的思路：先从其σs（屈服强度）在课本P51表4－2查到该拉杆的材料，再用这种材料的抗拉强度（σn）反算出最大载荷（课本P5的公式），记得答案的单位是“N”或“kN”。 2.课本P19第8题 解题的方法:可以在课本P9表1－1、P11表1－2以及课本有关“测定铸铁件的硬度”的章节这中找出答案。模块二 金属材料的结构 先复习一下几个金属材料的概念： 1.合金—由两种或两种以上的金属元素组成的具有金属特性的新物质，如：汽车缸体的铝镁合金，发动机轴瓦的铅锡合金等。 2.组元—组成合金的最基本的独立的物质，如上例铝镁合金的铝和镁 ，铅锡合金的铅和锡。 3.相—在纯金属或合金中，具有相同成分、相同结构，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，如：液相（液体）、固相（固体）、气相（气体）等。 4.显微组织—用金相分析方法，在金属及内部看到的有关晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列情况等组成关系的构造情况，如铁的液状奥氏体，铁回火处理得到的索氏体，铁淬火处理得到的马氏体等组织。 再复习一下常见的金属晶体结构： 1.体心立方晶格—晶胞是一个正立方体，其金属有ɑ–Fe、钒、铬、钼、钨等。一般来讲，这类金属材料的强度较大而塑性相对较差一些。 下面是体心立方的原子排列模型、晶格和晶胞。 2.面心立方晶格—晶胞也是一个正立方体，其金属有γ–Fe、铝、镍、铜、铅等。一般来讲，这类金属材料的强度较低而塑性很好。 下面是面心立方的原子模型、晶格和晶胞。 3.密排六方晶格—晶胞是一个六方柱体，其金属有铍、镁、钛、锌等。一般来讲，这类金属材料的强度和塑性均较差。 下面是密排六方的原子模型、晶格和晶胞。 其实，正立方体、六方柱体等都是所谓“布拉维十四种空间粒子”的两种。任务一 熟悉金属的实际晶体结构（课本P21） 金属的实际结构并非如上述都是单晶体（除非专门制作），呈现的是多晶体结构，这是其一；其二，金属的冶炼过程不可能是理想状态，绝大多数的情况下，都会产生晶体缺陷，要不，就不会一根老鼠须般细小的金属，其抗拉强度竟超过理论值的几百倍了。 线缺陷示意图：呈线状分布的缺陷位错(正刃型位错、负刃型位错与螺型位错) 面缺陷有多种类型：大角度晶界、小角度晶界、孪晶界、相界、表面：任务二 明确合金的相结构（课本P25） 一、固溶体 概念：合金中其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体，习惯上用希腊字母、、……来表示。 溶剂与溶质：一般把与合金晶体结构相同的元素称为溶剂，其他元素称为溶质。 固溶体的分类：间隙固溶体和置换固溶体两种。 （一）间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体称为间隙固溶体，例如钢中奥氏体就是C原子固溶到γ–Fe晶格的间隙中形成的固溶体。间隙固溶体对溶质的溶解是有限的，所以是有限固溶体；另外，在间隙固溶体中，溶质原子的排列是无序的，所以也都是无序固溶体。如下图所示。 （二）置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。 1.无序固溶体： 在置换固溶体中，溶质原子呈无序分布的称为无序固溶体，见左图； 2.有序固溶体： 溶质原子呈有序分布的称为有序固溶体，见右图。 （三）固溶强化 在固溶体中，当溶质含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随着溶质含量的提高，通常都会是固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，称之为“固溶强化”，其影响因素有： 1.溶质原子不同，浓度不同，强化效果不同。 2.溶质原子与基体金属原子尺寸差越大，强化作用越大。 3.间隙溶质原子比置换溶质原子强化作用大。 4.溶质与基体价电子数差越大，强化作用越强。 铁碳合金的基本组织 四、铁碳合金基本组织的力学性能 1.铁素体 σb = 180～280MPa；δ= 30%～50%； HBS = 50～80。 2.奥氏体 σb =（液态）； δ= 0（液态）； HBS= 120～220； 3.渗碳体 σb = 30MPa； δ=（硬而脆）； HBS= ～800。 4.珠光体 σb = 800MPa； δ= 25%～30%； HBS= 180。 5.莱氏体 σb =（液态） δ= 0（液态）； HBS= ＞700 金属材料与热处理 ---2 主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师高级技能专业教师汽车维修高级考评员模块三 铁碳合金相图 相图是合金的成分、温度和组织之间关系的一个简明图表。合金在液态时一般呈均匀的溶液，在结晶、冷却以后既可以是单相固溶体，亦可以是化合物，更常见的是固溶体、固溶体与化合物、几种固溶体与化合物组成的多相组织，也称混合物。 了解相图可以回答生产上的很多问题：比如合金系随着成分的变化，它的组织和性能会发生样的变化？随着温度的变化它的组织和性能又如何变化？等等。十分有用。任务一：绘制铜镍二元合金相图并进行分析(课本P31） 共析转变和共晶转变基本相似，都是恒温转变过程，但也有不同之处： 1.因固态下的原子扩散极缓慢，故共析转变过程很容易过冷； 2.由于共析转变的过冷度大，故形核率较高，所得到的新固相比共晶体更细密均匀； 3.共析转变前后格相的晶体结构不同，晶格密度不同，所以转变时伴随有体积变化，从而引起较大的内应力。 任务二：典型铁碳合金结晶过程分析（课本P36) 钢与铁的组织区别： 1.铁为共晶转变的产物—莱氏体或莱氏体＋渗碳体；钢则为共析转变的产物—珠光体或珠光体＋渗碳体。 2.C＝2.11％位于E点，即碳在r–Fe中的最大溶解度。在E点之右（铸铁），碳已析出为两相机械混合物；在E点之左（钢），碳仍然为单相化合物。 3.钢的新固相组织比铁的共晶体组织更细密均匀。 温 馨 提 醒 同学们： 学校为加强教学管理，调整了一些管理制度，其中我们成人高教班的课堂管理（每节课学生的出勤和交作业情况）采取了电脑录入和纸版登记同时进行的方式，由授课老师当天完成，过时则封网。 因此，从本周起，我们班采用老师每晚点两次名，迟到和早退的同学则自己在黑板写上学号的对应做法，请大家周知和理解，共同遵守。 潘 森 2008.03.20 任务三：分析碳对铁碳合金组织与性能的影响（课本P43) 一、含碳量对钢性能的影响 二、含碳量对钢组织的影响(课本P44）基本规律 三、铁碳平衡图与铸、锻工艺的关系(课本P45） 金属材料与热处理 请续---3 主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师高级技能专业教师汽车维修高级考评员 　　　谢谢大家Qp2红软基地