一、金屬材料的力學效能
金屬材料的力學效能是指金屬材料在外力作用下所反映出來的效能。金屬常用的力學效能有:
1.彈性金屬材料在受到外力作用時發生變形,外力消除後其變形逐漸消失的性質稱為彈性。
① 剛性是指材料或構件在外力作用下抵抗彈性變形的能力。
② 剛度:k=f/y
2.塑性金屬材料在受到外力作用時,產生顯著的變形而不斷裂的效能稱為塑性。
① 伸長率δ
② 斷面收縮率ψ
3.強度金屬材料在外力作用下,抵抗變形和破壞的能力稱為強度。
由於各種機器零件或構件因載荷作用形式和作用性質不同,金屬材料所表現出的強度大小也不同。
金屬材料的強度指標:
(1)屈服強度σs 在拉伸試驗中,載荷不增加而試樣仍能繼續伸長時的應力稱為屈服強度。
(2)抗拉強度σb 材料在拉斷前所能承受的最大應力稱為抗拉強度。
(3)疲勞強度σ-1 材料試樣在疲勞試驗過程中,在承受無數次(或給定次)對稱迴圈應力作用仍不斷裂的最大應力稱為疲勞強度。
4.硬度金屬表面抵抗硬物壓入的能力稱為硬度。
最常用的硬度指標:
(1)布氏硬度hbs(hbw) 布氏硬度是使用一定直徑的球體(淬火鋼球或硬質合金球),以規定的試驗力壓入試樣表面,經規定保持時間後卸除試驗力,然後用測量表面壓痕直徑來計算硬度。使用淬火鋼球作硬度試驗得到的硬度用hbs表示;使用硬質合金球作硬度試驗得到的硬度用hbw表示。
(2)洛氏硬度hrc 洛氏硬度c標尺試驗採用120°金剛石圓錐體加1471n總試驗力測量的硬度值。
5.衝擊韌性金屬材料抵抗衝擊載荷而不破壞的能力稱為衝擊韌性,其大小用衝擊韌度αk表示。
二、鋼的分類、用途與牌號
(一)鋼的分類
1.按是否特意加入合金元素分類:
(1)碳素鋼不含有特意加入合金元素的鋼,稱為碳素鋼。
(2)合金鋼在碳素鋼的基礎上,為改善鋼的效能,在冶煉時有目的地加入一種或數種合金元素的鋼,稱為合金鋼。
2.按含碳量分類
(1)低碳鋼 c ≤ 0.25%;
(2)中碳鋼 0.25% < c < 0.60%;
(3)高碳鋼 c ≥ 0.60%;
3.按質量分類
(1)普通鋼 s ≤ 0.050%,p ≤ 0.045%
(2)優質鋼 s ≤ 0.035%,p ≤ 0.035%
(3)高階優質鋼 s ≤ 0.025%,p ≤ 0.025%
4.按合金元素總量分類
(1)低合金鋼合金元素總含量 < 5%
(2)中合金鋼合金元素總含量 5% ~ 10%
(3)高合金鋼合金元素總含量 >10%
5.按用途分類
(1)結構鋼主要用於製造各種機械零件和工程構件的鋼。
(2)工具鋼主要用於製造各種刀具、模具和量具等用鋼。
(3)特殊效能鋼具有某種特殊物理、化學效能的鋼,如不鏽鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。
(二)碳素鋼的牌號表示方法、代號及符號
1.碳素結構鋼
碳素結構鋼的雜質和非金屬夾雜物較多,但冶煉容易,工藝性好,**便宜,通常軋制成鋼板和各種型材,用於廠房、橋梁、船舶等結構用鋼或一些受力不大的機械零件。
牌號: q×××
注:q後的三位數字表示其屈服強度的數值,單位是mpa。
2.優質碳素結構鋼
優質碳素結構鋼的硫、磷及非金屬夾雜物含量低,常用於製造重要的機械零件,使用前一般要進過熱處理來改善力學效能。
牌號: ××
注:兩位數字表示其平均含碳量的萬分數。
3.碳素工具鋼
碳素工具鋼是用於製造刀具、模具和量具的鋼。由於大多數工具都要求高硬度和高耐磨性,故碳素工具鋼含碳量均在0.70%以上,都是優質鋼或高階優質鋼。
牌號: t× 或 t××
注:t後的一或兩位數字表示其平均含碳量的千分數。如果該鋼的質量等級是高階優質,則在數字後加乙個a。
4. 鑄造碳鋼
鑄造碳鋼一般用於製造形狀複雜、力學效能要求較高的零件,如軋機機架、水壓機橫樑、鍛錘和砧座等。鑄造碳鋼的含碳量一般在0.20%~0.
60%之間。如果含碳量過高,則塑性變差,而且鑄造時易產生裂紋。
牌號:zg×××-×××
注:zg後的前三位數字表示其最低屈服強度,後三位數字表示其最低抗拉強度,單位均為mpa。
(二)合金鋼的牌號表示方法
1.合金結構鋼
(1)低合金結構鋼
低合金結構鋼含碳量一般為0.10%~0.25%,加入了少量合金,具有良好的塑性、韌性、耐蝕性和焊接性,廣泛用於製造工程鋼結構件。例如橋梁、船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、輸油管等。
牌號:q×××
注:q後的三位數字表示其屈服強度的數值,單位是mpa。
(2)合金結構鋼(合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼和滾動軸承鋼)
牌號:兩位數字(鋼中平均含碳量的萬分數)+ 合金元素符號 + 數字(合金元素平均含量的百分數)
注:當合金元素的平均含量<1.5%時,只標元素符號,不標含量。
2.合金工具鋼
牌號:數字(鋼中平均含碳量的千分數)+ 合金元素符號 + 數字(合金元素平均含量的百分數)
注:① 當鋼中平均含碳量>1%時,不標含量。
② 當合金元素的平均含量<1.5%時,只標元素符號,不標含量。
常用合金工具鋼的種類:
(1)低合金刃具鋼
(2)高速鋼
3.特殊效能鋼
牌號:數字(鋼中平均含碳量的千分數)+ 合金元素符號 + 數字(合金元素平均含量的百分數)
注:① 當鋼中平均含碳量>1%時,不標含量。
② 當鋼中平均含碳量為0.03% ~ 0.10%時,含碳量用0表示,如0cr18ni9。
③ 當鋼中平均含碳量≤0.03%時,含碳量用00表示,如00cr30mo2。
④ 當合金元素的平均含量<1.5%時,只標元素符號,不標含量。
為了表示鋼的特殊用途,有的在鋼的牌號前面冠以漢語拼音首字母,而不標含碳量,如gcr15,g表示滾動軸承鋼,但cr元素後面的數字表示平均含鉻量的千分數,而其他合金元素的平均含量仍用百分數表示。例如gcr15simn。
(1)不鏽鋼
① 鉻不鏽鋼
常用牌號有:1cr13、2cr13、3cr13等。其中1cr13、2cr13耐腐蝕能力和塑性、韌性很好,適用於製造在腐蝕條件下工作、受衝擊載荷的零件,如汽輪機葉片、水壓機閥門等。
3cr13的含碳量高,用於製造彈簧、軸承、醫療器械等。
② 鉻鎳不鏽鋼
常用牌號有:0cr19ni9、1cr18ni9等。鉻鎳不鏽鋼主要用於製造強腐蝕介質中工作的零件或構件,如化工裝置中的零件或構件等。
(2)耐熱鋼
常用牌號有:4cr9si2、1cr13al、4crni14w2mo等。4cr9si2、1cr13al可用於加熱爐底板、滲碳箱等;4crni14w2mo可用於製造汽輪機葉片、大型發動機排氣閥等。
三、鑄鐵的分類、用途及牌號
1.白口鑄鐵
2.灰鑄鐵
牌號:ht×××
注:ht後的三位數字表示其最低抗拉強度的數值,單位mpa。
3.球墨鑄鐵
牌號:qt×××-××
注:qt後的前三位數字表示其最低抗拉強度數值,單位mpa,後兩位數字表示最低伸長率。
4.可鍛鑄鐵,
① 黑心可鍛鑄鐵
牌號:kth×××-××
② 珠光體可鍛鑄鐵
牌號:ktz×××-××
注:兩組數字的意義與球墨鑄鐵相同。
5.蠕墨鑄鐵rut×××
注:rut後的數字的意義與灰鑄鐵相同。
四、鋼的熱處理
1.退火把鋼加熱到適當溫度,保溫一定時間,然後緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)到室溫的熱處理工藝稱為退火。常用的退火方法有:
(1)完全退火把含碳量<0.77%的鋼(一般為中、低碳鋼)加熱到預定溫度(完全奧氏體化),保溫一定時間,然後隨爐緩慢冷卻的熱處理方法。
完全退火的目的:降低鋼的硬度,細化晶粒,增加塑性,消除鋼中的不均勻組織和內應力。
(2)球化退火把含碳量>0.77%的鋼(高碳鋼)加熱到750℃左右,保溫一定時間,然後隨爐緩慢冷卻至500℃以下,最後在空氣中冷卻至室溫的熱處理方法。
球化退火的目的:使鋼中的碳化物呈球狀,降低鋼的硬度,改善切削加工效能;也可作為高碳鋼淬火處理前的預備熱處理。
(3)去應力退火又稱低溫退火。它是把鋼加熱到500~650℃,保溫一定時間,隨爐緩冷至300℃以下出爐的熱處理方法。
去應力退火的目的:消除由於塑性變形、焊接、切削加工、鑄造、鍛造等形成的殘餘內應力。
2.正火把鋼加熱到適當溫度(完全奧氏體化),保溫一定時間,然後在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。
正火的目的與退火基本相同,但正火的冷卻速度比退火快,成本比退火低,得到的組織較細,硬度、強度比退火高。缺點是:因冷卻速度較退火快,對現狀較複雜的零件,有引起開裂的危險。
高碳鋼在球化退火前應安排正火處理,以消除網狀碳化物。
3.淬火把鋼加熱到一定溫度,經保溫後快速在水(或油)中冷卻的熱處理方法稱為淬火。
淬火的目的:獲得馬氏體組織,提高鋼的強度、硬度和耐磨性。
4.回火將淬火後的鋼重新加熱到某一溫度,保溫一定時間,然後冷卻到室溫的熱處理方法稱為回火。
回火的目的:
① 減少或消除工件淬火時產生的內應力,防止工件在使用過程中的變形和開裂。
② 適當降低鋼的強度和硬度,提高鋼的韌性。
③ 消除殘餘奧氏體,穩定鋼的組織和工件尺寸。
回火的種類:
(1)低溫回火(150~250℃):降低內應力、脆性,保持淬火的高硬度和高耐磨性。
(2)中溫回火(350~500℃):提高彈性、強度,獲得較好的韌性。
(3)高溫回火(500~600℃):「淬火+高溫回火」稱為調質,可獲得良好的綜合機械效能。
5.鋼的表面淬火僅對工件表層進行淬火的工藝稱為表面淬火。表面淬火的目的是提高零件表面的硬度和耐磨性,保持心部的塑性和韌性。
常用的部門淬火有:
(1)火焰加熱表面淬火
(2)感應加熱表面淬火
感應加熱表面淬火的加熱方式分高頻感應加熱、中頻感應加熱和工頻感應加熱三種。隨感應電流頻率的降低,加熱速度逐次降低,熱傳導深度逐次增大,因此淬硬層深度逐次增加。
6.化學熱處理
(1)滲碳
(2)滲氮
(3)碳氮共滲
五、硬質合金
(一)硬質合金的效能特點
硬質合金是將難熔的高硬度的wc、tic、tac粉末與鈷、鎳等金屬粘接劑粉末混合、壓制成形,再在高溫下燒結而成的。其特點是:
1.硬度高、熱硬性高、耐磨性好。
2.抗壓強度高、韌性差。
金屬材料及熱處理基本知識
n 概述 金屬材料是製造裝置最常用的材料,因此了解和掌握金屬材料效能是十分必要的,通常所指的金屬材料效能是指金屬材料的使用效能和工藝效能。如力學效能 強度 硬度 塑性 韌性等 物理效能 密度 熔點 導熱性 熱膨脹性等 化學效能 耐腐蝕性 熱穩定性等 等使用效能和冷 熱加工 鑄造 焊接 熱處理 壓力加...
金屬材料及熱處理
1.金屬材料的力學效能包括哪些?答 力學效能包括 強度 剛度 塑性 硬度 衝擊韌性和疲勞強度。2.什麼是疲勞現象?如何提高疲勞極限?答 疲勞現象 機械零件在交變應力作用下,雖然所承受的應力低於材料的屈服點,但經過長時間的工作後產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象。提高疲勞極限的方法 1 在零件結構設計中...
金屬材料與熱處理的基本知識
第一章鐵碳合金 第一節合金及其組織 一 合金的基本概念 1 合金 合金是以一種金屬為基礎,加入其它金屬或非金屬,經過融合而獲得的具有金屬特性的材料,即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。例如,工業上廣泛應用的鋼鐵材料就是由鐵和碳組成的合金。與純金屬相比,合金具有更好的力學效能,可通過調整組...