金属学与热处理课件

金属材料及热处理基本知识1.金属材料及热处理基本知识使用性能：为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所具备的性能。包括力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热稳定性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。工艺性能：材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如焊接、铸造、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要的影响。1.1材料力学基本知识材料的力学性能：材料在外力作用下所表现的一些性能。指标：强度、硬度、刚度、塑性、韧性等。可以通过拉伸试验测量得到。力学性能———指材料受力时在强度和变形方面表现出来的性能。塑性变形又称永久变形或残余变形弹性变形塑性变形变形塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料1.1.1应力与应变应力：物体在外力作用下而变形时其内部任一截面单位面积上的内力大小σ=N/A应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生相对改变。ε=ΔL/L=L1-L/L(工程构件，大多数情形下，内力并非均匀分布，集度的定义不仅准确而且重要，因为“破坏”或“失效”往往从内力集度最大处开始。)F1FnF3F2F1F2ΔADFΔFQyΔFQzΔFNdAdFAFNNADDD0limdAdFAFQQADDD0lim垂直于截面的应力称为“正应力”与截面相切的应力称为“切应力”应力的国际单位为N/m2（帕斯卡）1N/m2=1Pa1MPa=106Pa＝1N/mm21GPa=109PadAdFAFpADDD0lim1.1.2强度强度：指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。强度判据是通过拉伸试验测定的。拉伸试验方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据据，即可求出有关的力学性能。1.1.3塑性塑性：是指材料在载荷作用下发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性指标通常用伸长率和断面收缩率。材料的拉伸和压缩试验国家标准规定《金属拉伸试验方法》（GB228—2002)LL=10dL=5d对圆截面试样：对矩形截面试样：AL3.11AL65.5矩形截面003.11Al0065.5All0tbGB/T2975-1998；GB/T228-2002万能试验机拉伸试验视频残余变形——试件断裂之后保留下来的塑性变形。ΔL=L1-L0延伸率：A＝%100001LLLA≥5％——塑性材料A5％——脆性材料断面收缩率Z＝%100010AAA低碳钢在拉伸时的力学性能PO△LALOpesbabcde1oefg其他材料在拉伸时的力学性能锰钢强铝退火球墨铸铁四个阶段——弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。（1）弹性阶段：遵守胡克定律。应力、应变成正比，变形可恢复。弹性极限：产生最大的弹性变形，可以得到σe=Pe/A0（2）屈服阶段:至s点——屈服点在屈服阶段，材料内部晶格间发生滑移，产生的变形是塑性变形，此时的应力成为屈服应力。屈服极限：σs=Ps/A0（3）强化阶段：超过屈服点后，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，即欲使试验继续变形，必须增加应力值——加工硬化现象（形变强化），材料得到强化，当外加载荷达到Pb时达到最大载何值。—材料的抗拉强度（强度极限）σb=Pb/A0（4）颈缩阶段：曲线b~k，应力达到σb，时间的某一部位开始变细—颈缩，由于将颈缩的部分截面积急剧下降，应力急剧上升，到达k点被拉断。几个特殊点弹性极限σe=Pe/A0屈服极限：Rel=Ps/A0是金属材料的一个重要的强度指标，是设计选材的依据抗拉强度：Rm:b点应力将引起破坏，材料抵抗拉力破坏的最大能力，表征材料在外界拉力作用下所担负的最大应力水平。屈强比：Rm/Reh在锅炉压力容器选材上，不仅希望材料具有较高的Rel或Reh，而且有一定的屈强比，Rm/Reh越高，塑性储备就越低——可靠性就越低；Rm/Reh越低，可靠性提高——抗疲劳性能降低，同时也不经济。锅炉压力容器一般在0.6-0.75Rm是衡量脆性材料强度的唯一指标。b0.2%2.0σεo确定的方法是:在ε轴上取0.2％的点,对此点作平行于σ－ε曲线的直线段的直线（斜率亦为E）,与σ－ε曲线相交点对应的应力即为σ0.2.dLbbLL/d(b):1---3金属材料在压缩时的力学性能国家标准规定《金属压缩试验方法》（GB7314—87)低碳钢压缩压缩时由于横截面面积不断增加，试样横截面上的应力很难达到材料的强度极限，因而不会发生颈缩和断裂。o铸铁压缩铸铁拉伸经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化织构现象的产生残余内应力变形前后晶粒形状变化示意图塑性材料和脆性材料的主要区别：塑性材料的主要特点：塑性指标较高，抗拉断和承受冲击能力较好，其强度指标主要是σs，且拉压时具有同值。脆性材料的主要特点：塑性指标较低，抗拉能力远远低于抗压能力，其强度指标只有Rm。新标准（GB/T228-2002）旧标准（GB/T228-1987）性能名称符号性能名称符号断面收缩率Z断面收缩率ψ断后伸长率AA11.3Axmm断后伸长率δ5δ10δxmm断裂总伸长率At————最大力总伸长率Agt最大力下的总伸长率δgt最大力非比例伸长率Ag最大力下的非比例伸长率δg屈服点延伸率Ae屈服点伸长率δe屈服强度—屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定非比例延伸强度Rp规定非比例伸长应力σp规定总延伸强度Rt规定总伸长应力σt规定残余延伸强度Rr规定残余伸长应力σr抗拉强度Rm抗拉强度σb1.1.4硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。硬度是金属材料重要性能之一。由于测定硬度的试验设备比较简单，操作方便、迅速，又属无损检验，故在生产上和科研中得到广泛应用。测定硬度的方法比较多，其中常用的硬度测定法是压入法，即用一定的静载荷（试验力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。1、布氏硬度布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示，即：布氏硬度试验方法主要用于硬度较低的一些材料，例如经退火，正火，调质处理的钢材以及铸铁，非铁金属等。布氏硬度表示方法：硬度值一般不标单位。当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当压头为硬质合金时，用HBW表示。符号HBS或HBW之前写出硬度值，符号后面用数字依次表示压头直径、试验力及试验力保持时间（10～15s不标）等试验条件。例如，150HBS10/1000/30。一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210～230HBS。布氏硬度试验的优缺点：优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。布氏硬度测试视频2、洛氏硬度洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为：洛氏硬度压头类型：淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。试验规范及表示方法:采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。其试验规范见表1.1。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。洛氏硬度试验的优缺点：优点:是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。缺点:是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。3、维氏硬度维氏硬度它采用正棱角锥体金刚石压头在一定试验力下在试件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线平均长度来确定硬度值。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。维氏硬度表示方法：在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（10～15s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。维氏硬度试验的优缺点：优点：是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。缺点：是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。4、里氏硬度HL里氏硬度的测量原理是：当材料被一个小冲击体撞击时，较硬的材料使冲击体产生的反弹速度大于较软者．里氏硬度计采用一个装有碳化钨球的冲击测头，在一定的试验力作用下冲击试样表面，利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系，测量出冲击测头距试样表面1mm处的冲击速度和回跳速度．里氏硬度值HL以冲击测头回跳速度VB与冲击速度VA之比来表示：HL=1000*VB／VA．里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合现场使用；由于测量获得的信号是电压值，电脑处理十分方便，测量后可立即读出硬度值，并能即时换算为布、洛、维等各种硬度值。1.1.5冲击韧性冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性．材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功，以Ak表示，若试样断口处截面积为Sn，则冲击韧性ak=Ak／Sn。试样的缺口型式有夏比U型和夏比v型两种，其冲击韧性分别用aku和akv表示．V型缺口根部半径小，对冲击更敏感，在锅炉压力容器材料的冲击试验中应用较多。国家标准现规定采用AK作为衡量韧性好坏的指标。AK越大，材料的韧性越好。冲击吸收功AK与温度有关，韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。冲击试验视频弯曲试验视频有关材料的进一步知识xyzdxdydz在相互垂直的两个平面上，切应力必成对出现，两切应力的数值相等，方向均垂直于该平面的交线，且同时指向或背离其交线。弯曲的概念对称弯曲构件的几何形状、材料性能和外力作用均对称于杆件的纵对称面X杆轴纵向对称面F1F2FAFB平面弯曲梁变形后的轴线所在平面与外力所在平面相重合qFeMAyFByFxBAy对称面向纵对称弯曲必定是平面弯曲，而平面弯曲不一定是对称弯曲。非对称弯曲构件不具有纵对称面，或虽有纵对称面但外力不作用在纵对称面时的弯曲变形应力集中的概念d/2d/2rmaxnomDdrmaxnom构件几何形状不连续应力集中：几何形状不连续处应力局部增大的现象。应力集中与杆件的尺寸和所用的材料无关，仅取决于截面突变处几何参数的比值。drdrDdor金属材料的力学性能小结1.2钢材的脆化1.2.1冷脆性冷脆性：随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性。随着温度降低，ak值不断减小，即材料的韧性降低，脆性增加。韧脆转变温度：材料由延性破坏转化到脆性破坏的上限温度。采用落锤试验方法确定冷脆转变温度。1.2.