金属工艺学
河北理工大学 机械工程学院
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第一章 钢铁材料及热处理
钢铁材料及热处理 主要研究金属和合金的
成分和所经历的热处理 过程与其内部组织和性 能的相互关系，以及如 何改善金属和合金的组
织和性能。
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
性能是进行设计、选材和制定工艺的 依据。
力学性能//物理性能//化学性能//工艺性能
颁材准
GB/T -
布料
实 施
室 温
22
拉8
伸 试 验
20 02
方
法
》
F与ΔL关系曲线 —— 拉伸曲线
图1-2所示
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.1 强度与拉伸试验
拉伸曲线
OE段：弹性变形阶段； ES段：屈服阶段（除产生弹性变形
外，还产生部分塑性变形）；
SB段：均匀塑性变形,强化阶段
1.力学性能：
金属材料在外力作用下表现出来的特性，
如强度、塑性、弹性、硬度和冲击韧性等。
1.1 强度与拉伸试验
强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力；
☻常用抗拉强度、屈服强度等表征金属材料的性能3 。
第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.1 强度与拉伸试验
20 《 国
02 金 家 年属标
性，而使塑性和韧性有所下降；
锰 ---钢中有益的元素，能使钢的强度、硬度增 加，减少氧和硫对钢的危害，因含量较
少，对钢的性能影响不大；
硫 --- 来自矿石和燃料，不熔于铁，与铁化合
生成FeS。FeS与Fe形成共晶体，热脆，
严格控制含硫量；
磷 --- 强度、硬度增加，塑性、韧性显著下
降，冷脆，严格控制含磷量。
HBS或HBW
HRA 、 HRC、HRB
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
布氏硬度计
布氏硬度试验是用一定的载荷F，将直 径为D的淬火钢球或硬质合金球，在一 定压力作用下，压入被测材料的表面， 保持一定的时间后卸去载荷，以载荷与 压痕表面积的比值作为布氏硬度值。
洛氏硬度计
洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为120°的金刚石 圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压人被测试样表面， 根据压痕的深度确定它的硬度值。
3. 工艺性能
金属材料适应加工工艺要求的能力。
按照 工艺 方法 不同 划分
铸造性能 锻压性能 焊接性能 切削性能
由材料的 物理性能、 化学性能、 力学性能 综合决定。
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第一章 钢铁材料及热处理
第二节 铁碳合金及其状态图
碳钢、铸铁—机械制造各部门中，
应用最广泛的材料。
资源丰富、冶炼简单、价格低廉、
原始标距之比。
L0
（2）断面收缩率：
试样拉断处横截面积收缩 A0Ak 10% 0
量与原始截面积之比。
A0
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.3 硬度:
材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、 压痕或划痕的能力。
硬度值的物理意义随其试验方法的不 同而不同。工程上常用的有：
布氏硬度
洛氏硬度
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
2.物理性能和化学性能
物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导 热性、导电性和磁性等；
化学性能：耐腐蚀性能（酸、氧化）；
耐 蚀 性：金属材料对周围介质 （如大气、水汽及各种电介质） 侵蚀的抵抗能力。
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
Wc> 0.60%
Ws,Wp ≤ 0.020%
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第一章 钢铁材料及热处理
第二节 铁碳合金及其状态图
1.2 碳钢的分类、编号、性能和用途 （2）编号
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测量布氏硬度时，由于F和D都是定值，所以，
一般是先测得压痕直径d，根据d查表确定材料
的布氏硬度值。 布氏硬度值越大，材料越硬。
用布氏硬度试验测材料的硬度值，其测试数据比 较准确，但不能测太薄的试样和硬度较高的材料。
用洛氏硬度计可以测量从软到硬的各种不同材 料，这标尺。
（屈服后，试棒开始产生塑性变形）；
B 点：形成了“缩颈”（继续变形所
需的拉力减小，变形量增加）；
BK段：非均匀变形阶段， 承载下降，到k点断裂。
图1-1 拉伸试棒
图1-2 低碳钢的拉伸曲线 5
第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.1 强度与拉伸试验
应力：金属强度指标，即单位面积上的外力。
应力
应变
F A0
L L0
常用的强度指标：
（1）屈服强度：材料产生塑性变形的最低应力； s （2）抗拉强度：材料在拉断前所承受最大应力。 b 6
第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.2 塑性
金属材料在外力作用下 产生塑性变形而不破坏能力。
（1）伸长率：
试样拉断后标距伸长量与 L1L0 10% 0
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.5 疲劳强度
材料在多次交变载荷作用下而不引起断裂 的最大应力。疲劳破坏是机械零件失效的主要 原因之一。
据统计，机械零件失效中大约有80%以上属于疲 劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳 破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、 叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较 好的材料来制造。
硬度和强度一样，都反映了材料对塑性变形的 抗力。
硬度还影响到材料的耐磨性，在一般情况下， 硬度高，其耐磨性能也较好。
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.4 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。
Akv—冲击功，J ak —冲击韧性值， J/cm2
冲击试验机
Akv = G(H1 - H2) J A—试样断口处截面积
具有良好的力学性能、工艺性能。
1. 碳钢
碳钢主要是由铁和碳两种元素组成 的合金；
含碳量<2.11%， 还含有少量硅、锰、硫、磷等杂质15 。
1.1 碳及杂质对碳钢的影响
碳 --- 钢中的主要元素，对碳钢的性能影响最
大，含碳量升高，强度、硬度提高，而
塑性、韧性下降；
硅 ---钢中有益的元素，它能消除氧的不良影 响，并能适当提高钢的强度、硬度和弹
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第一章 钢铁材料及热处理
第二节 铁碳合金及其状态图
1.2 碳钢的分类、编号、性能和用途
（1）分类
碳含量:
钢的质量
用途不同
低碳钢
普通质量碳钢
碳素结构钢
Wc< 0.25% 中碳钢
Ws ,Wp ≥ 0.045% 优质碳钢
碳素工具钢
Wc=0.25%~0.60% Ws,Wp ≤ 0.035%
高碳钢
特殊优质碳钢