《金属材料及热处理讲座》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料及热处理讲座（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、金属材料与热处理,金属材料的力学性能,铁碳合金,钢的热处理,三,四,一,非铁材料,碳素钢和结构钢,二,四,五,金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它主要包括力学性能、物理性能和化学性能，本模块的重点主要介绍其力学性能；工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性能，如机加工性能、热处理性能、铸造性能、锻造性能和焊接性能等。,一.金属材料的力学性能,一、强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度有多种，在通常情况下，大多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的依据。 1、拉伸试样,一.金属材料的力学性能,图1-1 标准拉伸
2、试样,2、力伸长曲线拉伸试验过程中随着载荷的均匀增加，试样不断地由弹性伸长过渡到塑性伸长直至断裂。一般试验机都具有自动记录装置，可以把作用在试样上的力和伸长描绘成拉伸图，也叫拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示伸长量，单位为mm。,一.金属材料的力学性能,一.金属材料的力学性能,图1-2中明显地表现出下面几个变形阶段。 1）Op弹性变形阶段 2）p点后的水平或锯齿状线段屈服阶段 3）屈服后至m点强化阶段 4）mk缩颈阶段（局部塑性变形阶段）,图1-2 低碳钢拉伸曲线,3、强度指标 （1）弹性极限e （2）屈服强度s （3）抗拉强度b对于大多数机械
3、零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。,一.金属材料的力学性能,二、塑性塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力。常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率，也是通过拉伸试验来测定。断后伸长率又称延伸率，是试样被拉断时，标距的伸长量L与原始标距L0的百分比，用符号A表示，即A=L/L0100%断面收缩率为试样被拉断时，缩颈处横截面的最大缩减量S与原始横截面积S0的百分比，用符号Z表示，即 Z=S/S0100%断后伸长率和断面收缩率的数值越大，表示金属材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件，也是保证零件
4、工作安全，不致发生突然脆断的重要条件。,一.金属材料的力学性能,三、硬度硬度是指材料表面上抵抗局部变形或破坏的能力。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度布氏硬度试验原理如图1-3所示。压头为硬质合金球，其在布氏硬度计上以规定的试验力和时间压入被测金属表面，卸除载荷后计算金属压痕单位面积承受的压力，即可确定被测金属材料的硬度值，用符号HBW表示，即：HBW=0.102F/Dh 式中，F为试验力（N）；h为压痕深度（mm）；D为压头直径（mm）。压痕深度h不易测量，可由压痕直径d来换算。即,一.金属材料的力学性能,在实际测定时，一般并不进行计算，而是用放大镜测量出压痕直径后
5、，查表直接读出HBW值。符号HBW前面为硬度值，后面的数字依次表示压头球体直径D、试验力F和试验力保持时间t（当为1015 s时不标注）。例如，600 HBW1/30/20表示用直径为1 mm的硬质合金球在294.2 N试验力下保持了20 s所测得的硬度值为600。,一.金属材料的力学性能,图1-3 布氏硬度试验原理图,2.洛氏硬度洛氏硬度用压入法测定，通过测量压痕深度大小来衡量材料的硬度高低。通常采用锥顶角为120的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头。如图1-4所示，在初试验力F0作用下，试样压痕深度为h1，再加上主试验力F1后，总试验力为F0+F1，压头压入深度为h2，经过一定时间保持后撤去主
6、试验力F1，仍保持初试验力F0，试样的弹性变形恢复，则压入试样深度为h3。,一.金属材料的力学性能,图1-4 洛氏硬度试验原理图,3.维氏硬度维氏硬度试验是用两面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头，在一定试验力下，经规定的保持时间后卸载，得到一个正四方锥形压痕，如图1-5所示。卸载后以试验力与压痕面积的比值关系作为维氏硬度，用HV表示。 HV=F/S=1.8544F/d2 式中，HV为维氏硬度（kgf/mm2）。 HV=0.189 1F/md2 式中，HV为维氏硬度（MPa）。,一.金属材料的力学性能,图1-5 维氏硬度试验原理图,4.冲击韧性冲击试样缺口底部单位横截面面积上的冲击吸收功称为
7、冲击韧性。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧性，如图1-6所示。,一.金属材料的力学性能,图中， 1摆锤； 2试样； 3支座； 4底座； 5机身； 6刻度盘； 7指针,图1-6 冲击韧性试验原理图,五、疲劳强度,一.金属材料的力学性能,材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。据统计，工作中破坏的机械零件，大部分是因为疲劳破坏失效。试样承受的交变应力S与断裂前应力循环次数Nf之间的关系曲线称为疲劳曲线。如图1-7所示，当S低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示工程材料经无限次循环而不断裂，这一应力称为疲劳强度，用1
8、表示。,图1-7 疲劳曲线,一、合金的基本概念,二.铁碳合金,常用的磁性 材料,1.合金：由一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质。如铁和碳组成的铁碳合金碳素钢、铸铁等。,2.组元：是组成合金的最基本的、独立的物质，简称元。组元通常是组成合金的元素或某些稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的称为三元合金，依此类推。,3. 相：指金属或合金中化学成分相同、结构相同或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀的组成部分，如液态纯金属与结晶出的固态纯金属，即为液、固两相。,4.组织：指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料
9、内部微观形貌图像。通常又把借助金相显微镜、电子显微镜观测的内部微观形貌图专门称为“显微组织”。,二、合金的相,二.铁碳合金,1.固溶体 固态合金中，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相，称为固溶体。保留晶格的组元称为溶剂，溶入晶格的组元称为溶质。根据溶质原子在溶剂中分布的位置不同，固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体两类。,1）间隙固溶体 间隙固溶体是溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体，如图2-1（a）所示。 2）置换固溶体 置换固溶体是溶质原子置换溶剂晶格结点上部分原子而形成的固溶体，如图2-1（b）所示。,图2-1 固溶体的类型,二.铁碳合金,2.金属化合物合金组元间按一
10、定比例组成，并形成新的晶格结构和明显金属特性的新相，这种新相称为金属化合物。金属化合物可用一定的分子式来表示，如Mg2Si、Fe3C、Fe4W2C等。金属化合物通常具有复杂的晶格结构，熔点高、硬度高、脆性大，在合金中金属化合物可提高硬度和强度，但会降低塑性和韧性，是金属材料中的重要强化相。 3.多相复合组织 合金中的组元相互作用，一般并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，而可形成多种固溶体和金属化合物，最后组成多相复合组织。这种由两种以上相组成的多相组织合金，称为多相复合组织合金。多相复合组织合金的性能主要取决于各组成相的数量、形态、分布状况和性能。当组成相数量不变时，形态和分布等组织状况
11、对性能影响很大。,4、纯铁的同素异构转变 金属在固态时随温度变化而晶格类型发生变化的现象，称为同素异晶转变，也称同素异构转变。通过研究纯铁的冷却结晶过程，发现纯铁具有典型的同素异晶转变特征。如图2-2所示为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程：纯铁熔液从高温冷却至1538以下，结晶成具有体心立方晶格的-Fe；固态的-Fe继续冷却至1394 以下，铁原子重新排列，由体心立方晶格的-Fe转变为面心立方晶格的-Fe；再继续却冷却至912 以下，面心立方晶格的-Fe又转变为体心立方晶格的-Fe。再继续冷却，晶格类型不再发生变化，一直保持体心立方晶格的-Fe至室温。如果将室温的纯铁进行
12、加热，上述转变可逆向进行。即,二.铁碳合金,二.铁碳合金,图2-2 纯铁的冷却曲线,常见金属的晶体结构简介： （1）体心立方晶格 在立方体中心有一个原子，八个顶角各有一个原子。具有此类晶格的金属有-Fe、W、Mo、Cr、V、-Ti、-Fe等； （2）面心立方晶格 在立方体六个面的中心有一个原子，八个顶角各有一个原子。具有此类晶格的金属有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Pb等； （3）密排六方晶格 在晶胞六方柱体的十二角和上、下的六边形底中心各排一个原子，晶胞中间还有3个原子。具有此类晶格的金属有Mg、Zn、Be、-Ti等。图2-3 (a)体心立方晶格 图2-3 (b)面心立方晶格 图2-3 (
13、c)密排六方晶格,二.铁碳合金,三、铁碳合金的相 1.铁素体铁素体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用F表示。铁素体在显微镜下观察，为均匀明亮的多边形晶粒，其显微组织如图2-4所示。铁素体保持-Fe的体心立方晶格，在-Fe中碳的溶解度很小，室温下接近于零。铁素体强度、硬度很低，塑性和韧性好，性能近似于工业纯铁。铁素体是单相固溶体，是铁碳合金组织中的重要基本相。,二.铁碳合金,图2-4 铁素体显微组织,2.奥氏体奥氏体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用A表示。用高温金相显微镜观察，奥氏体呈外观不规则的颗粒状结构，其显微组织如图2-5所示。奥氏体保持-Fe的面心立方晶格，碳溶解度较大，有一定的强
14、度、硬度和良好的塑性、韧性，适于进行锻压加工。奥氏体也是单相固溶体，是铁碳合金组织中存在于727 以上温度的重要高温相。,二.铁碳合金,图2-5 奥氏体显微组织,3.渗碳体渗碳体是铁和碳形成的具有复杂晶格的金属化合物，用Fe3C表示，其晶体结构如图2-6所示。渗碳体硬度高而塑性、韧性极低，熔点为1227 ，是铁碳合金中性能硬脆的重要强化相，能以片状、球状和网状等不同大小形态，不同数量和不同分布状况存在于铁碳合金组织中，对铁碳合金性能有重大影响。渗碳体是亚稳定金属化合物，在一定条件下可分解为铁和石墨，对铸铁石墨化有重要意义。,图2-6 渗碳体晶体结构,二.铁碳合金,4.珠光体珠光体是由铁素体和渗
15、碳体组成的两相复合组织，用P表示。其转变过程是从单相固溶体奥氏体中，同时析出两种互不相溶的组织，即铁素体和渗碳体，组成两相复合组织，这一转变称为共析转变，相应的温度和成分称为共析温度和共析成分，产物（珠光体）称为共析体。共析转变过程可表示为：,二.铁碳合金,图2-7 珠光体显微组织,5.莱氏体莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的两相复合组织，用Ld表示。其转变过程是从熔液中同时结晶出固态的奥氏体和渗碳体，组成两相复合组织，这种转变称为共晶转变，相应的成分、温度和产物，分别称为共晶成分、共晶温度和共晶体。莱氏体的共晶转变过程可表示为：,二.铁碳合金,随着温度下降至727 （共析温度），莱氏体组织转变为
16、珠光体和渗碳体，这种莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体，用Ld表示。,图2-8 低温莱氏体显微组织,四、典型铁碳合金的结晶过程,二.铁碳合金,图2-9 6种典型铁碳合金结晶过程示意图,6种典型铁碳合金结晶过程 1）共析钢的结晶。图2-9中合金为wC=0.77的共析钢，其结晶过程如图2-10所示。共析钢的室温组织为珠光体。共析钢的显微组织见图2-10（d），其中白色部分为铁素体，黑色部分为渗碳体。,二.铁碳合金,图2-10 共析钢结晶过程示意图,6种典型铁碳合金结晶过程 2）亚共析钢的结晶。图2-9中合金为wC =0.45的亚共析钢，其结晶过程如图2-11所示。亚共析钢的显微组织见图2-11（e），其中白色部分为铁素体，黑白相间部分为珠光体。所有亚共析钢的冷却过程均相似，其室温组织均由铁素体和珠光体组成。所不同的是随碳的质量分数的增加，组织中珠光体量增多，铁素体量减少。,
