金属材料及热处理基础理论教案

金属材料的力学性能•应力―应变曲线•材料的强度•塑性•硬度性能使用性能工艺性能力学性能：材料受力时表现出来性能物理性能、化学性能材料使用时表现出的性能材料加工时表现出的性能热加工工艺性能：铸造、锻压、焊接、热处理冷加工工艺性能：切削加工力的相关术语1）载荷载荷分为静载荷、冲击载荷及变动载荷三种。2）变形3）应力（σ）金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力统称为载荷，用符号F表示。金属材料受到载荷作用而产生的几何变形和尺寸的变化称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。也就是单位面积所能承受的载荷大小。即σ=F/S一、低碳钢的拉伸应力-应变曲线O应力应变弹性阶段下屈服强度ReL屈服阶段强化阶段颈缩阶段断裂抗拉强度(Rm)：tensilestrength相应最大力(Fm)的应力。0mmSFRS0：试样原始横截面积屈服强度：yieldstrength当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度(ReH)：upperyieldstrength试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度(ReL)：loweryieldstrength在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。根据低碳钢应力-应变曲线不同阶段的变形特征，整个拉伸过程依次分为：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。弹性阶段：当外力解除后变形能够全部消除、恢复原状，为弹性变形。屈服阶段：开始产生塑性变形，即当外力解除后，变形不能完全恢复，而残留下一部分变形。强化阶段：经过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力。颈缩阶段：在试件某一薄弱的横截面处发生急剧的局部收缩，横截面面积迅速减小，塑性变形迅速增加。a)试样b)拉伸c)颈缩d)断裂颈缩二、强度1.定义：2.意义：3.强度指标1)弹性极限材料受到外力时，产生弹性变形时所能承受的最大应力。用符号σe表示。σe=Fe/Ao式中Fe—试样发生弹性变形时的最大载荷（N）;Ao—试样的原始横截面积（mm2）。金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。强度指标是机器零件选材和设计的主要依据。2）屈服点与屈服强度金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点，用符号σs表示。σs=Fs/Ao式中Fs—试样发生屈服时的载荷（N）;Ao—试样的原始横截面积（mm2）。工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs，按GB/T2228规定，可用屈服强度σ0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长率时的应力值，即σ0.2=F0.2/Ao式中F0.2—试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）；Ao—试样的原始横截面积（mm2）屈服强度的测定3）抗拉强度•金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号σb表示。σb=Fb/Ao式中Fb—试样在断裂前所承受的载荷（N）；Ao—试样原始横截面积（mm2）。三、塑性金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。1.定义2.意义1）断后伸长率=(L1-L0)/L0材料有一定的塑性既能保证安全性，又能使材料便于加工（工艺性能）。3.常用的塑性指标2）断面收缩率ψψ=(S0-S1)/S0四、硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。1）布氏硬度（HBW、HBS）2）洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）3）和维氏硬度（HV）1、定义2、常用的硬度指标硬度测试原理各种硬度表示方法、特点及应用范围硬度测定方法表示方法特点应用范围布氏硬度（HB）450HBW5/750/20表示用直径5mm的硬质合金球，在750kgf载荷下保持20s,测定的布氏硬度值为450。测试值稳定，准确，但测量费时，且压痕较大。不适测薄件或成品；常用于测HBW值小于650的材料，如灰铸铁、非铁合金及退火、正火、调质钢等洛氏硬度（HR）50~55HRC,数值越大，表示材料越硬。操作迅速简便，压痕小，不如布氏硬度精确，一般需测不同部位几处，求其算术平均值。适宜大量生产成品检验维氏硬度（HV）500Hv100/20表示在试验载荷100kgf下保持20s测定的维氏硬度值为500载荷小，压痕浅.特适测软、硬金属及陶瓷等非金属材料，尤其是极薄的零件和渗碳层的硬度；还可测显微组织硬度。晶体结构三种典型的金属晶体结构：•面心立方晶体•体心立方晶体•密排六方晶体1、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞由八个原子构成的立方体，但在立方体的每一个面的中心还有一个原子。显然，在这种晶胞中，是在每一个面的对角线上各原子彼此相互接触。属于这种晶格的有铝、铜等。2、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞由八个原子构成的立方体，并在其立方体的体心还有一个原子，因其晶格常数a=b=c，故只用一个常数a即可表示。这种晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密相接触排列的。属于这种晶格的金属有铁、铬等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞不仅在上下两个六方面各有7个原子，而且在两个六方面之间还有三个原子。属于这种晶格的金属有镁、锌等。金属材料的塑性变形•单晶体的塑性变形——滑移和孪生•多晶体的塑性变形•冷塑性变形对金属组织性能的影响•塑性变形金属在加热时组织性能变化金属材料的塑性变形1、单晶体的塑性变形——滑移和孪生（1）滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切应力τ。正应力作用使晶格发生弹性伸长。正应力σ只能使晶体产生弹性变形和断裂，不能使晶体产生塑性变形。切应力作用使晶格发生弹性歪扭；τ＜τc（临界切应力），τ↓----变形量↓，τ→O，变形恢复；τ＞τc，发生滑移，产生永久塑性变形。（2）孪生晶体的一切分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生带的晶格位向发生变化，发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。（3）滑移和孪生：1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生→ⅰ.FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生。→ⅱ.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。→ⅲ.HCP金属较容易发生孪生。3.滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化。孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移4.孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％）→孪生变形引起的晶格畸变大。2、多晶体的塑性变形（1）影响多晶体塑性变形的因素1.晶粒位向：晶粒位向不一致2.晶界：ⅰ.滑移的主要障碍：晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大→变形抗力大。ⅱ.协调变形：晶界自身变形→处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。（2）细晶强化Hall-Pitch关系：σs=σ0+Kyd-1/2晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大晶粒小→晶界附近位错密度小→应力集中小→滑移由这晶粒到另外一个晶粒机会少→变形困难→屈服强度↑晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高。冷塑性变形对金属组织性能的影响加工硬化（形变硬化）金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降——加工硬化塑性变形→位错开动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→弹度↑、硬度↑、塑性、韧性↓位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑1．回复物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低——去应力退大。2．再结晶1）新的形核一长大过程，无新相生成加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化→等轴晶粒，强度大大下降再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺再结晶温度：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0.5-0.7Tm(K)2）影响再结晶晶粒度的因素①温度T↑—D↑—↑晶界迁移—长大↑②预变形度3．晶粒长大塑性变形金属在加热时组织性能变化铁碳合金•Fe-Fe3C平衡相图•铁素体、奥氏体、渗碳体•纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程•共析钢的奥氏体化过程•奥氏体晶粒度•过冷奥氏体的等温转变•过冷奥氏体的连续冷却转变•铁碳合金相图表示在缓慢冷却或缓慢加热的条件下，不同成份的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。相图上的线表示某些意义相同的点的集合。由线分割出的面又划分出不同组织区域。钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。普通碳钢和铸铁均属于铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。因此，铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先从研究铁碳合金开始，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金成分、组织结构与性能之间的关系。纯铁及其同素异构转变大多数金属在结晶终了之后以及继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化，但也有一些金属，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，在结晶之后继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构(晶)转变。铁素体碳溶解于a-Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”，以符号F表示。由于a-Fe是体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，因而碳在a-Fe中的溶解度很小，最大的溶解度为0.02％（727℃）。随着温度下降溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量仅为0.0008％。这是因为在a-Fe中容纳碳原子的空隙半径很小，通常情况下，a-Fe中晶格的最大空隙半径为0.36A，而碳原子半径为0.77A。因此碳原子不可能处于晶格的空隙中，而是存在于a-Fe晶格的缺陷处（如位错、晶界、空位等）。所以铁素体含碳量很低，它的显微组织是由网络状的多面体晶粒组成，它的性能几乎与纯铁相同，即强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。奥氏体碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格它的致密度虽然高于体心立方晶格的a-Fe，但由于其晶格间隙的直径要比a-Fe大，故溶碳能力也较大。在1148℃时溶碳量最大可达2.11％，碳通常填充在γ-Fe中的八面体间隙中。随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为Wc=0.77％。奥氏体只存在于727℃以上的高温范围内。因此加热到高温时可以得到单一的A组织。由于A是易产生滑移的面心立方晶格，奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。奥氏体为非铁磁性相。渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体含碳6.69％；熔点为1227℃；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；硬度很高，能轻易地刻划玻璃，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。在室温平衡状态下，铁碳合金（钢）中的碳大多以渗碳体形式存在于组织中。渗碳体在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或板状。它的形态与分布对钢的性能有很大影响。当渗碳体的形状和分布合适时，可提高钢的强度和耐磨性。因此它是铁碳合金中重要的强化相。同时，Fe3C在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。Fe3C→3Fe+C（石墨）以上是碳在铁中的存在形式，也是铁碳合金中的基本组织，除此三种之外，铁碳合金中还有另外两种组织，即珠光体和莱氏体。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示，其平均含碳量为0.77％。工业纯铁（C%≤0.0218%）共析钢C%=0.77%亚共析钢0.0218%C%0.77%过共析钢a.形核（优先在相界（F，Fe3C