金属材料与热处理 - 图文

第二章 金属材料与热处理

材料：是用于制造机器零件、工程构件及生活日用品，是生产和生活的物质基础。历史学家根据制造生产工具的材料，将人类生活得时代划分为：石器时代、陶器时代、铁器时代，当今人类正跨入人工合成材料、复合材料、功能材料的新时代。

材料总和达40余万种，每年以5%的速度增加。材料按经济部门分为：土木建筑材料、机械工程材料、电子材料、航空航天材料医学材料等；按材料功能分：结构材料、功能材料。

工程材料按化学成分分为四大类：金属材料、高分子材料和无机非金属材料和复合材料。按使用性能分为：结构材料（主要利用其力学性能的）、功能材料（主要利用其物理性能的）。

金属材料：是目前用量最大使用最广的材料。

高分子材料：力学性能不如金属材料，但有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀性、点绝缘性、消声、质轻、易加工成型、生产率高、成本低等。广泛应用生活日用品，并可部分取代金属材料（用作化工管道、盐业泵零件、汽车结构件等）。

新型无机非金属材料：塑性和韧性远低于金属材料，但具有熔点高、硬度高、耐高温及特殊的物理性能。如：陶瓷材料也突破了传统应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。

复合材料：把两种或两种以上不同性质、不同组织结构的材料组合在一起，构成复合材料。发挥各自的长处，又可克服各自固有的弱点。复合材料为三大类：高分子基复合材料、金属基和陶瓷基复合材料。目前应用最多的是高分子基复合材料，如玻璃纤维增强树脂基复合材料（玻璃钢）；金属基复合材料应用于航天部门；陶瓷基复合材料处于开发阶段。

材料的性能取决于内部结构，而材料的内部结构又取决于成分和加工工艺。所以，正确地选择材料，确定合理的加工工艺，得到理想的组织，获得优良的使用性能，是决定机械制造中产品性能的重要环节。20世纪末，纳米材料的开发和应用，引起世界重视。专家预测纳米材料科学技术将成为21世纪信息时代的核心，其应用将超过计算机工业。

2.1 金属材料的主要性能 2.1.1 静载下金属材料的力学性能

金属材料的力学性能：指金属材料受外力作用时反映出来的性能。是金属材料应具备的最主要的性能，是衡量金属材料的重要指标。

金属材料的力学性能指标主要有强度、硬度、刚度、塑性、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。 1. 弹性和塑性

1）弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能，称为弹性。

弹性变形：随外力消失而消失的变形。其大小与外力成正比。

2）塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起断裂的性能，称为塑性。塑性变形：外力去除后保留下来的这部分不能恢复的变形，称为塑性变形。其大小与外力不成正比。

将金属材料制成图2.1所示的标准试样，在拉伸试验机上（图2.2所示），使试样承受轴向拉力

P并使试样缓慢拉伸，直至试样断裂。以

P为纵坐标（即拉应力σ，F0为原始截面积），试样沿F0轴向产生的伸长量?L(?L1?L0)除以试样原始长度L0为横坐标（即拉应变ε），画出应力—一应变曲线，如图2.3所示。

F0L0F1L1

图2.1 低碳钢拉伸标准试样图 图2.2 拉伸试验机示意图

应力?B SPE?b?e?pK ?s0应变?%图2.3 低碳钢拉伸图

由图2.3可知：载荷在E点前，试样只产生弹性变形。弹性极限：指材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力。

屈服：载荷超过E点，试样产生塑性变形，载荷增加到S时，试样承受的载荷虽不再增加，仍继续产生塑性变形，图上出现水平线，这种现象为屈服。S为屈服点。它是金属材料从弹性状态转向塑性状态的标志。

屈服极限：出现明显塑性变形时的应力为屈服极限。σs表示。

缩颈现象：载荷增加至B点时，试样截面局部出现缩颈现象（图2.4所示），因截面缩小，载荷就下降，至k点试样被拉断。

图2.4 塑性拉伸试样的颈缩现象 图2.5 脆性材料试样无颈缩现象

10???）表示金属材料的塑性。100?金属材料的塑性：用伸长率（?）和断面收缩率（ L0L?L??L1?L0?100%L0??

F0?F1?100e

F?FL0?5d0）比长试样（L0?10d0）的伸长率大20%左?或?越大，材料塑性越好。短试样（??01?100e右。其伸长率分别用?5、?10表示。

金属材料有塑性，才能进行各种变形加工，零件偶尔过载，产生一定塑性变形，不至于突然断

裂，提高零件使用可靠性。 2 .刚度

刚度：指金属材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力。 弹性模量：应力?与应变?的比值称为弹性模量。E??。E越大表示在一定应力作用下，能?发生的弹性变形越小，即刚度越大。

E的大小取决于材料内部原子的结合力，同一种材料E基本一样，但截面大的零件不易发生弹性变形。

考虑零件刚度时注意材料的E和零件的形状和尺寸大小。 3 .强度

强度：是指金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

1）屈服强度（?s）：指金属材料发生屈服现象时的屈服极限。即表示材料抵抗微量塑性变形的能力。?s?Ps(MPa) F0脆性材料的拉伸曲线上无水平线段，难确定屈服点，规定试样产生0.2%残余塑性变形的应力值，为材料的条件屈服强度。?0.2。

2）抗拉强度（?b）：金属材料拉断前所能承受的最大应力。是零件设计的重要参数。

?b?Pb(MPa)。 F03）屈强比：?s/?b。屈强比越小，构件可靠性越高。屈强比越大，材料的强度利用率越高，但可靠性降低。

合金化、热处理、冷加工对材料的?b、?s均有很大影响。 4. 硬度

硬度：指金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。是衡量金属材料软硬的指标。 测量硬度常用方法：压入法。工程上常用的硬度主要包括以下三种： 1）布氏硬度

布氏硬度实验：用3000kgf的压力P，将直径D的淬火钢球压入金属表面，载荷保持10-60s后卸载，得到直径d的压痕。图2.6所示。

2

载荷除以压痕表面积的值即为布氏硬度。HB表示。单位：kgf/mm(或Mpa)。习惯不标单位。压头为淬火钢球（HBS）用于测硬度值＜450的材料。压头为硬质合金钢（HBW）用于测硬度值450--650的材料。

布氏硬度实验使材料表面压痕大，不易测成品薄片的硬度，常测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛坯材料的硬度。

工件 加载 钢球

卸载d 钢球

图2.6 布氏硬度测试原理和方法

2）洛氏硬度

洛氏硬度实验：用定角120°金刚石圆锥压头。图2.7所示。使一定压力，压入被测材料，据压痕深度度量材料软硬，压痕越深，硬度越低。用HRC表示。

测量范围20-67，其硬度值是一无名数，没有单位。每0.002mm压痕深度为一个硬度单位。 压痕很小几乎不损伤工件表面，可测淬火钢、调制钢等成品件的硬度。HB与HRC可以查表互换，心算公式为：1HRC≈1/10HB 3）维氏硬度

维氏硬度实验：用锥面夹角136°金刚石四棱锥体压头。一定载荷下经规定保持时间后卸载，得对角线长长度为d的四方锥形压痕。如图2.8所示。载荷/压痕表面积得维氏硬度。用HV表示。

维氏硬度用于测定从极软到极硬的薄片金属材料、表面淬硬层、渗碳层等硬度。

因硬度实验条件不同，相互间无换算公式。据实验结果，大致换算关系：1HBS=10HRC=1HV。