第二章金属材料和热处理

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0F P 为纵坐标（即拉应力σ，0F 为原始截面积），试样沿轴向产生的伸长量L ∆(01L L -=)除以试样原始长度0L 为横坐标（即拉应变ε），画出应力—一应变曲线，如图2.3所示。

图2.1 低碳钢拉伸标准试样图 图2.2 拉伸试验机示意图图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 金属材料的塑性：用伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）表示金属材料的塑性。

%100001⨯-=L L L δ%100010⨯-=F F F ψ 100001⨯-=L LL δ%100010⨯-=F F F ψδ或ψ越大，材料塑性越好。

短试样（005d L =）比长试样（0010d L =）的伸长率大20%左右。

其伸长率分别用5δ、10δ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σ与应变ε的比值称为弹性模量。

εσ=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 σ）：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。

0F P s s =σ(MPa) 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。

2.0σ。

2）抗拉强度（b σ）：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。

F P b b =σ(MPa)。

3）屈强比：b s σσ/。

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 σ、s σ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。

载荷除以压痕表面积的值即为布氏硬度。

HB 表示。

单位：kgf/mm 2(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。

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 ≈1/10HB3）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 。

P2. 1.2 动载和高温下金属材料的力学性能许多机械零件在动载下工作，动载有两种形式：1）载荷以较高速度施加到零件，形成冲击。

2）载荷的大小和方向呈周期性变化，形成交变载荷。

图2.7 洛氏硬度测试原理和方法 图2.8 维硬度测试原理和方法 1 .冲击韧性冲击韧性：指金属材料载冲击载荷作用下，抵抗断裂的能力。

用a k 表示。

2.7a k 的大小与材料成分、环境温度、缺口形状、试样大小等有关，a k 越大说明材料为韧性材料。

如图2.9所示。

图2.9 冲击韧性测试原理示意图2 疲劳强度疲劳断裂:许多机器零件如弹簧、齿轮等,在工作时承受交变载荷,当交变载荷的值远远低于其屈服强度时,零件就发生了断裂,这种现象称为疲劳断裂。

疲劳断裂的特点：交变载荷；应力远小于屈服强度；不管脆性材料和韧性材料，疲劳断裂都是突然发生，没有明显的塑性形，属于地应力断裂。

疲劳强度：金属材料受的最大交变应力σmax 越大，断裂前所经受的循环周次N （疲劳寿命）越小，σmax 与N 构成的曲线称为疲劳曲线，图2.10所示。

Σmax 低于某值时，曲线与横坐标平行，表示N 可以达到无穷大，而试样仍不断裂，该交变应力值为疲劳强度或疲劳极限，用σ-1表示，一般1)/(8.9212cm J FGH GH k ⨯-=α规定钢材的N=107,有色金属为N=108。

图2.10 疲劳曲线3 蠕变金属材料的机械性能在高温下会发生改变。

随温度升高，弹性模量E、屈服强度、硬度下降，塑性提高，并产生蠕变。

蠕变：指金属材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显塑性变形至断裂。

1.3金属材料的物理、化学和工艺性能一)物理性能：主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。

如：飞机零件常选密度小的铝、镁、钛合金来制造。

机电、电器零件，考虑金属的导电性。

金属材料的物理性能对热加工工艺有一定影响。

二)化学性能:指其在常温或高温时,抵抗各种活性介质侵蚀的能力。

如耐酸、耐、抗氧化性等。

如化工设备、医疗用具可用不锈钢;内燃机排气阀和电站设备的零件可用耐热钢。

三)工艺性能:指其冷、热加工难易程度,是其物理、化学和力学性能在加工过程中的综合反映。

按工艺方法不同分为：铸造性、成型加工型、焊接性、切削加工性等。

设计零件和选择工艺方法时，都要考虑材料的工艺性能。

如：灰铸铁的铸造和且削加工性能优良，广泛用于铸件；加工和焊接性能差，不能锻造和焊接。

低碳钢的焊接合成性加工性优良；高碳钢的焊接和切削加工性较差。

2.2钢的分类、编号和用途工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢:指含碳量＜2.11%的铁碳合金。

合金钢:为了提高钢的性能,在碳素钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。

1、碳素钢一）常见杂质对钢性能的影响1、Mn和Si：是钢中的有益元素，来源于炼钢原料。

对钢有固溶强化作用。

Mn可脱氧、脱碳，把钢中FeO还原成铁，与S生成MnS，减轻S危害。

一般钢中Mn0.25-0.80%，Si＜0.4%。

2、S和P:有害元素。

由生铁和燃料带来。

不能除净。

S——热脆。

在钢中以FeS形式存在，FeS与Fe形成低熔点(985℃)共晶体(FeS+Fe)，分布在A 晶界上。

钢加热到1000-1200℃热加工时，因晶界共晶体已溶化，晶粒间结合被破坏，使钢在加工过程中沿着晶界开裂，即热脆。

P ——冷脆。

P 焊接裂纹。

应严格控制[P]。

二）钢的分类1、按化学成分分1）⎪⎩⎪⎨⎧≥-≤C C C %60.0%60.025.0%25.0高碳钢中碳钢低碳钢碳素钢； 2）⎪⎩⎪⎨⎧-%10%105%5 高合金钢中合金钢低合金钢合金钢 2、按用途分1）⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧耐磨钢滚动轴承钢弹簧钢调质钢渗碳钢机器用钢、车辆。