金属材料及热处理基础知识

冲击韧性
韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力--韧性。 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F(J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，断口 呈金属光泽，呈结晶状。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性 材料。
I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹
Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有 关的系数――几何形状因子。
3．断裂韧性 对于一个有裂纹的试样，在 拉伸载荷作用下，Y值是一 定的，当外力逐渐增大，或 裂纹长度逐渐扩展时，应力 场强度因子也不断增大，当 应力场强度因子KI增大到某 一值时，
静载单向静拉伸应力―应变曲线
低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：
1．I(oab)段―弹性变形阶段 a: Pp ，b: Pe （不产生永久变 形的最大抗力） oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 2．II(bcd)段―屈服变形 c: 屈服点 Ps 3．III(dB)段―均匀塑性变形 B: Pb材料所能承受的最大载 荷 4．IV(BK) 段―局部集中塑性 变形 颈缩
晶体结构
• 理想晶体 • 面心立方晶体 • 体心立方晶体 • 密排六方晶体 • 点缺陷 • 线缺陷－位错 • 面缺陷－晶间 • 金属材料的塑性变形 • 冷塑性变形对金属组织性能的影响
BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数
晶胞 晶体学参数
原子半径 晶胞原子 配位 致密
数
数度
FCC a=b=c, a =b =g =90o
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
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
→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
KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力 的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本 身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的 成分、热处理及加工工艺有关。
应用
断裂韧性是强度和韧性的综合体现。
（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作 是否安全KI≥KIC ，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观 裂纹的临界尺寸。
硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度―综合性能指标 1．布氏硬度
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻 软的轴承合金。
洛氏硬度
定义：每0.002mm相当于洛氏1度 洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 ①HRB 轻金属，未淬火钢 ②HRC 较硬，淬硬钢制品 ③HRA 硬、薄试件
维氏硬度
维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30， 50，100，120kg等，小于10kg的压力可以 测定显微组织硬度。
塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一
。）
b: σ 0.02条件屈服强度 3．疲劳强度σ-1 （80%的断裂由疲劳造成） 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳
塑性 1．延伸率
Lk:试样拉断后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)
2．断面收缩率 y =△F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% d ,y 越大，塑性愈好 d<5%, 脆性材料
刚度和弹性 1．刚度－材料在受力时，抵抗弹性变形的能力 E=σ/ε 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组 织不敏感的力系指标。
2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能 承受的最大应力。 比例极限：σp=Pp/Fo 应力―应变保持线性关系的 极限应力值 弹性极限：σe=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力 工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01
b.滑移时晶 体的转动
①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。 ②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切 应力方向。
（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。
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↑
意义 1）一种强化手段 2）冷加工成形得以顺利进行 3）具有过载能力，使用安全 4）↓塑性，↑切削性能 不利：塑性变形困难→中间退火→消除
2．纤维组织 晶粒拉长，纤维组织→各同异性
2
8
68%
BCC a=b=c,a =b =g =90o
4
12 74%
HCP a=b ≠c,c/a=1.633, a/2
6
a =b =90o,g =120o
12 74%
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
3．残余内应力
第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变 形不均
第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区 域变形不均
第三类内应力——超微观，晶粒畸变
三、塑性变形金属在加热时组织性能变化
1．回复 D较小，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：
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；σ ↓--->伸长 量↓，σ →O，变形恢复；σ ↑--->伸长量↑，σ ＞原 子间结合力时，拉断。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。
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Βιβλιοθήκη 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。
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
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 1．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）
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
σy =KI
就可使裂纹前沿某一区域的 内应力大到足以使材料产生 分离，从而导致裂纹突然失 稳扩展，即发生脆断。
这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性， 用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂 的能力。
当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。
KI＝KIC时，裂纹处于临界状态
KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。
切应力作用使晶格发生弹性歪扭；τ ＜τ c（临界 切应力），τ ↓---->变形量↓，τ →O，变形恢复； τ ＞τ c，发生滑移，产生永久塑性变形。
滑移与位错
滑移的实现 →借助于位错运动。 （刚性滑移模型计算出的临界切应力值＞＞实测值）
位错产生→滑移→塑性变形 ·位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面 →一个原子间距的 滑移台阶 →塑性变形 · 滑移线（晶体表面的滑移台阶）→滑移带（大量滑移线） · 滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑， 材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系 为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC。 金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。
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γFe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％。
金属材料及热处理基础知识
• 力学性能 • 晶体结构 • 金属材料的塑性变形 • 铁－碳平衡图 • 过冷奥氏体的转变 • 常用热处理工艺 • 碳钢 • 合金钢分类及用途 • 材料选用原则
金属材料力学性能
• 静载单向静拉伸应力―应变曲线 • 材料的强度 • 塑性 • 刚度和弹性 • 硬度 • 冲击韧性 • 断裂韧性
铁碳合金
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。
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：σ s=σ 0+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
材料的强度――材料所能承受的极限应力.
单位: MPa(N/mm2)
σ =P/Fo 表示材料抵抗变形和断裂的能力 1．抗拉强度 σ b=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外
力而不致断裂的极限应力值）。
2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.02
a: σ s=Ps/Fo
（σ s代表材料开始明显
韧性与温度有关 —脆性转变温度TK
断裂韧性
1．问题的提出 低应力脆断――断裂力学 2．应力场强度因子KI 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续 的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂 、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这 可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生， 形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数—— “应力场强度因子”。