1、学习目的：学习目的：通过学习，掌握金属材料与热处理的基本知识，通过学习，掌握金属材料与热处理的基本知识，为后续掌握阀门材料的选用奠定基础。为后续掌握阀门材料的选用奠定基础。学习要求：学习要求：工掌握金属的力学性能指标及常用数据。掌握金属的力学性能指标及常用数据。掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。及用途。 掌握钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、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。工艺特点和应用范围。 初步具有选择工程材料的能力。初步具有选择工程材料的能力。金属材料与热处理基础金属材料与热处理基础概述概述
2、材料、信息、能源和生物工程已成为当代技术的材料、信息、能源和生物工程已成为当代技术的四大支柱。四大支柱。一、材料的分类 黑色金属：铁及其合金有色金属：除铁以外的金属非金属材料金属材料复合材料高分子（C、H为主）陶瓷（硅酸盐， C、O、N化物等）树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强或纤维增强性性能能工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等加工性和热处理工艺性等使用性能力学性能：强度、硬度、塑性、强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等韧性、疲劳强度等化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性抗氧化性和耐腐蚀性物理性能：密度、熔点、导电性、密度、熔点、导电
3、性、导热性、热膨胀性能和磁性能导热性、热膨胀性能和磁性能等。等。二、材料的性能 金属材料的力学性能是指材料抵抗外力引金属材料的力学性能是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力，主要有起的变形和破坏的能力，主要有强度强度、塑性塑性、硬度硬度、韧性韧性、疲劳极限疲劳极限等。等。三、金属材料的力学性能三、金属材料的力学性能载荷载荷零件在使用过程中所受到的力，按方式零件在使用过程中所受到的力，按方式不同可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。不同可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。载荷可分为载荷可分为静载荷静载荷与与动载荷动载荷。应力应力物体在外力作用后所导致物体内部之间物体在外力作用后所导致物体内部之
4、间的相互作用力称内力，的相互作用力称内力，单位面积上的内力称应力单位面积上的内力称应力。变形变形在外力作用下尺寸和形状的变化。分在外力作用下尺寸和形状的变化。分弹弹性变形性变形与与塑性变形塑性变形。3.1 强度强度MPa (MN/m2 )在载荷作用下材料在载荷作用下材料抵抗永久变形抵抗永久变形和和断裂断裂的能力。的能力。分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。应用最广的为应用最广的为拉伸试验拉伸试验进行强度的测定。进行强度的测定。1Pa1N/m2（GB/T 2282002GB/T 2282002）（1 1）拉伸试验设备及标准试样）拉伸试验设备
5、及标准试样（2 2）拉伸三个阶段）拉伸三个阶段A、弹性变形阶段弹性变形阶段0-p-eB、弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段 屈服屈服- -强化强化- -颈缩颈缩 e-s s-s s-b b-kC、断裂断裂 koPsNbksspemmmmD lPb拉伸曲线外外力力伸长量伸长量载荷位移曲线载荷位移曲线不同性质材料的拉伸曲不同性质材料的拉伸曲线形状是不相同的线形状是不相同的osMPabksspe e e =D L/L0b应力应力：试样单位面积上所承受的力 =P/AA：拉伸试样横截面面积P：试样轴向拉力应变应变： 试样单位长度上的伸长量 = (L1-L0)/L0=L/L0L0 ：试样原标距长度L1 ：试样拉
6、断后的长度（3 3）拉伸曲线单位变换）拉伸曲线单位变换 应力应变曲线应力应变曲线osMPabksspe e =D l/Lb 屈强服度屈强服度 (s)：材料产生屈服材料产生屈服时的最小应力。时的最小应力。 抗拉强度抗拉强度(b b) )：材料所能承受的材料所能承受的最大应力。最大应力。力学性能b 条件屈服强度(0.2)：0.20.2拉伸过程中，拉伸过程中，屈服现象屈服现象不明显不明显的材料，根据国的材料，根据国标取标取残余应变量为残余应变量为0.20.2时的应力值为屈服强度时的应力值为屈服强度记做记做0.2。o1 23.2 3.2 刚度指标刚度指标E=s/e材料的刚度通常用材料的刚度通常用弹性模
7、量弹性模量E E来衡量。来衡量。弹性模量弹性模量E E：材料抵抗材料抵抗弹性变形弹性变形的能力。的能力。是指在比例极限是指在比例极限(s )范围内，范围内，应力与应变应力与应变比。比。 3.33.3 塑性指标塑性指标 （2）断面收缩率() A0-A1 y = 1 0 0 A0 （1） 伸长率() L1-L0 = 100 L0lodol1d1材料产生永久变形而不材料产生永久变形而不被破坏的能力。被破坏的能力。良好的塑性可以顺利地完成某些成型工艺，火焰筒的冷冲压及涡轮盘、涡轮轴的锻造等。良好的塑性还可以在一定程度上保证零件的工作安全，在零件使用时万一超载，塑性变形引起的强化作用使零件不致于突然断裂
8、。过高地追求塑性，会降低材料的强度。 3.4 3.4 硬度指标硬度指标 材料抵抗表面划伤、材料抵抗表面划伤、磨损磨损或或局部塑性变形局部塑性变形及破及破坏的能力坏的能力常用硬度测定方法常用硬度测定方法: 硬物压入法硬物压入法（1） 布氏硬度布氏硬度(HB) 硬物：球形压头(D = 10、5、2.5、2、1mm)载荷：P (kgf)F D h dHBSHBS:普通淬火钢球硬度值在450以下HBW:HBW:硬质合金球硬度值在450650 HBS(HBW)= FA表示为：表示为：500HBW5/750特点特点：压坑面积大，受材压坑面积大，受材料不均匀度影响小，故料不均匀度影响小，故测量误差小，硬度值
9、准测量误差小，硬度值准确、真实。不适于成品确、真实。不适于成品检验检验, ,主要用于测量较主要用于测量较软的金属材料。软的金属材料。布氏硬度布氏硬度(HB)(HB)主要用于主要用于铸铁铸铁、非铁金属及经退火、正火和调非铁金属及经退火、正火和调质处理的钢材。质处理的钢材。 （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度(HR)(HR)压头压头顶角顶角 120120金钢石圆锥金钢石圆锥（或直径（或直径1.588mm1.588mm淬淬火钢球）火钢球） 直接测量压痕深度来确直接测量压痕深度来确定硬度值。定硬度值。载荷：初载荷10kg并压入深度h1主载荷(50kg或90kg 或140kg)使压入深度达h2 ；卸除主载荷、
10、保留初载荷，压入深度减小为h3 。洛氏硬度的计算深度值h= h3 -h1。 HR = 01230 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2压头被测材料K-h0.002特点：特点：测量简便迅速，直接读数，表面压痕小。测量简便迅速，直接读数，表面压痕小。误差稍大，需多点测量取平均值。误差稍大，需多点测量取平均值。压头压头主载荷主载荷测量范围测量范围应用材料应用材料HRA金刚石金刚石K=0.250kg2088表面硬化层、硬表面硬化层、硬质合金等质合金等HRB淬火钢球淬火钢球K=0.2690kg20100有色金属，退火、有色金属，退火、正火钢等正火钢等HRC金刚石金刚石K=0.2140kg2070淬
11、火钢、调质钢淬火钢、调质钢等等（3 3）维氏硬度）维氏硬度(HV)(HV)压头：顶角为压头：顶角为136的金刚的金刚石正四棱锥体石正四棱锥体 HV = 载荷P：分为六级 (5,10,20,30,50,100Kg)ddF136 FA特点：测量精度高，测量范围宽，应用广。不同载荷下维氏硬度可以相互比较。3.5 3.5 冲击韧性冲击韧性5510855108 240 3022横梁式悬梁式冲击吸收功（冲击吸收功（AK）：冲断试样所消耗的功冲断试样所消耗的功(J)(J)Ak=G(H-h) ak= (J/cm2)冲击 h试样摆锤 HAkSn冲击韧性（冲击韧性（K）：冲断试样横截面单位面积上所消冲断试样横截面
12、单位面积上所消 耗的功耗的功(J/cm(J/cm2 2) )3.63.6 冷脆转变温度冷脆转变温度TkTk 材料的冲击功随温度下降而减小。材料的冲击功随温度下降而减小。当温度降到某一值时会急剧减小使当温度降到某一值时会急剧减小使材料呈脆性状态。材料呈脆性状态。不同材料的冷脆转化温度不同材料的冷脆转化温度 由韧性状态变为脆性状态由韧性状态变为脆性状态的温度称为冷脆转化温度。的温度称为冷脆转化温度。3.73.7 材料的疲劳强度材料的疲劳强度 机械零件在机械零件在交变载荷交变载荷作用下，其工作应力远小作用下，其工作应力远小于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在长时间工作于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在
13、长时间工作后发生突然断裂的现象称为后发生突然断裂的现象称为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳强度疲劳强度: :-1 是指材料经无限多次（钢材：是指材料经无限多次（钢材：10107 7 ，有色金属，有色金属10108 8 ）应力循环仍不断裂时的最大应力，称疲劳极）应力循环仍不断裂时的最大应力，称疲劳极限限rr 。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。 对称对称应力时，应力时，疲劳强度用-1表示。钢的疲劳强度大致为钢的疲劳强度大致为0.450.550.450.55 b3.83.8 高温力学性能高温力学性能蠕变：金属材料长时间在一定温度、一定应力作用下，金属材料长时间在一定温度、一定应
14、力作用下，即使应力小于即使应力小于0.20.2 ，也会缓慢地发生塑性变形，也会缓慢地发生塑性变形的现象。的现象。规律：规律：温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，而产生断裂的时间就越短。而产生断裂的时间就越短。典型的蠕变曲线，典型的蠕变曲线，曲线分为三个阶段。曲线分为三个阶段。a、蠕变减速阶段。、蠕变减速阶段。b、稳态蠕变阶段。、稳态蠕变阶段。C、蠕变加速阶段，、蠕变加速阶段， 直至断裂。直至断裂。aabcdo变形第二阶段第三阶段第一阶段时间温度压力恒定 蠕变强度蠕变强度蠕变强度蠕变强度：蠕变强度是指金属在一定温度下、一定时间内产生一定变形量所能承
15、蠕变强度是指金属在一定温度下、一定时间内产生一定变形量所能承受的最大应力，高温下金属的强度可用蠕变强度和持久强度来表示，例如受的最大应力，高温下金属的强度可用蠕变强度和持久强度来表示，例如(1)在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，记为/t （MPa） ，T温度，t时间（小时），变形量。 如 0.2/1000 = 60MPa, 表示在800下，1000小时内引起0.2变形量所能承受的最大应力为60MPa。(2)稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为v （MPa）。T温度，v蠕变速度。 如 110 -5 = 60MPa, T600800TT高温持久强度持久强度：指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。t （T温度，t时间小时）。 如 100 =30MPa，表示在800，约100小时所能承受的最大应力30MPa 。T800
