金属材料力学性能与热处理工艺知识

强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。 

1、屈服强度

σs = Fs/S0

Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）； S0 ：试样原始横截面积（mm）。

2、抗拉强度

试样拉断前所承受的最大拉应力，反映了材料的最大均匀变形的抗力。

σb = Fb/S0

σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。

塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

1、断后伸长率

试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。

δ=(L1-L0)/L*100%

L0:标距；L1:拉断后的试件标距。

2、断面收缩率

试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

Ψ=(A0-A1)/A0*100%

A0:试件原横截面积；A1:断裂后颈缩处的横截面积。

刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

 E=σ/ε

 σ：拉应力；ε：拉伸应变

组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理、冷塑性变形对其影响不大。

机构和构件选材重要的力学性能指标：

►行车梁应具有足够的刚度，否则在起吊重物时会因挠度过大引起振动。

►机床和压力机主轴、床身和工作台对刚度都有要求，以保证加工精度。

►内燃机、离心机和压气机等的主要构件要有足够的刚度防止发生振动。

材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。

它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。

硬度的测试方法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度、莫氏硬度

（1）布氏硬度

单位面积上所承受的平均应力，即试验力p与压痕球形表面积的商。

< 450HB：测试压头为淬火钢球，硬度符号HBS；

 <650HB：测试压头为硬质合金，硬度符号HBW。

经验公式：

低碳钢：σb≈3.6HBS；

高碳钢：σb≈3.4HBS。

适用范围:用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。

优缺点：

（2）洛氏硬度

以测量压痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相当于1洛氏硬度单位。

压头分两种：

1、圆锥角α=120°的金刚石圆锥体，

2、直径为Φ1.588mm的小淬火钢球。

洛氏硬度计算式：

HR=（k-h）/ 0.002

压头1：k=0.2mm；压头2：k=0.26mm。

优缺点：

（3）维氏硬度

根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。

压头是两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体。

测量范围 ：

常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。

优缺点：

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak = mgH – mgh (J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

ak= Ak / S0 (J/cm²)

ak值低——脆性材料：

       断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。

ak值高——韧性材料：

       明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。

断裂力学：在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。

疲劳现象：

      金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。

疲劳特点：

      （1）疲劳是低应力循环延时断裂，断裂应力往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度；

       （2）疲劳是脆性突发性断裂，断裂前不会有明显的变形征兆，危险性大；

       （3）疲劳对缺口、裂纹及组织缺陷十分敏感，具有高度的选择性。

疲劳极限σ-1：

      材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。

条件疲劳极限：

      经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。     

钢材疲劳强度经验公式:

   σ-1= (0.45～0.55)σb

或 σ-1= 0.27(σs+σb）

   σ-1p= 0.23(σs+σb）

定义：将固态金属或合金通过加热、保温和冷却，使其内部组织结构发生变化，获得所需要性能的工艺。

目的：一是改善材料工艺性能，确保后续加工顺利进行，这种热处理称为预先热处理；二是提高材料使用性能，延长零件使用寿命，这种热处理称为最终热处理。

热处理分类：

普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火）

表面热处理 （表面淬火、化学热处理）

其他热处理（真空热处理、形变热处理等）

共析钢在加热时的组织转变

珠光体向奥氏体转变过程四步：

（1）奥氏体形核；

（2）奥氏体长大；

（3）剩余Fe3C溶解；

钢在冷却时的组织转变

奥氏体的冷却转变：奥氏体在临界点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。

重要性：决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。

45钢加热到840℃，在不同冷却条件下冷却后的力学性能

共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立（金相硬度法）

也称“TTT曲线”（Time-Temperature-Transformation Curve），因形状类似“C”，常称“C曲线”。

借助“C曲线”，可以了解奥氏体在不同的冷却条件下转变成何种组织以及转变产物的性能，为正确制定和选择热处理工艺提供理论依据。

共析钢C曲线及转变产物

1）珠光体型转变（又称高温转变）

转变温度： A1~550℃；转变产物：珠光体

A1~6500℃：珠光体片层较粗，P（珠光体-pearlite ）

6500℃~6000℃：珠光体层片较细，S（索氏体-sorbite ）

6000℃~5500℃：珠光体层片极细，T (屈氏体－troolstite）

珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。

2）贝氏体型转变（又称中温转变）

转变温度： 550-Ms（230℃）

转变产物：贝氏体 B（bainite）——由过饱和F和渗碳体组成的混合物。

550~350℃：上贝氏体（upper bainite ）（B上）羽毛状组织，强度与塑性都较低，脆性很高。

350℃~ Ms：下贝氏体（lower bainite ）（B下）针片状组织，综合性能好。

3）马氏体转变（又称低温转变）

转变温度：Ms（230℃）~Mf

转变产物：马氏体（martensite ）+A′(residual austenite )

马氏体：碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体，用M表示。

分类：

低碳马氏体（low carbon martensite ）：呈板条状，具有较高的强度和塑韧性。也称板条M（lath martensite ）。

高碳马氏体（high carbon martensite ）：呈透镜状，片状，中间有脊线。其强度很高，但塑韧性差，脆性大。

亚共析钢的C曲线

过共析钢的C曲线

过冷奥氏体连续转变冷却曲线（CCT曲线）(Continuous Cooling Transformation)

定义：将金属加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却

目的：

分类：按退火的目的和工艺特点可分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。

完全退火（full annealing）

l适用范围：亚共析钢   

l加热温度：Ac3+30～50℃ 

l目的：细化组织，降低硬度，改善切削加工性,

            消除内应力

球化退火（spheroidizing annealing ）

等温退火(isothermal annealing )

去应力退火（relief annealing ）

均匀化退火（扩散退火）

定义：将工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺。

目的：

低碳钢：提高硬度，利于切削。

过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于P球化。

中碳钢和中碳低合金钢：受力不大，性能要求不高可作为最终热处理。

目的：获得M或B下组织，提高钢的的硬度和耐磨性。

淬火温度的选择

淬火冷却是决定淬火质量的关键，理想的冷却速度应是如图所示的速度。

650℃以上，慢，减小热应力

650-400 ℃，快，避免C曲线

400 ℃以下，慢，减轻相变应力

常用的淬火介质(quenching medium)

目前生产中常用的冷却介质有油、水、盐水，其冷却能力依次增加。

水：淬冷能力强，但工件表面有软点，易变形开裂。

盐水：淬冷能力更强，工件表面光洁、无软点，但更易变形开裂；

油：淬冷能力弱，但工件不易变形开裂

常见的淬火冷却方法(quench cooling method)

定义：

回火的主要目的