金属材料以及热处理基础知识
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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。
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
6
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
变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）
b: σ0.02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
断裂的最高应力值。
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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)
KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。
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。
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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。
4
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 σb=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: σs=Ps/Fo
（σs代表材料开始明显塑性
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。
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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，
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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
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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
3
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
数
数度
FCC a=b=c, a =b =g =90o
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%
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wenku.baidu.com
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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
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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
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。
13
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
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
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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
韧性与温度有关 —脆性转变温度TK
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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”。
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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。
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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
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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。
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。
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
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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
变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）
b: σ0.02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
断裂的最高应力值。
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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)
KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。
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。
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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。
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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 σb=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: σs=Ps/Fo
（σs代表材料开始明显塑性
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。
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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，
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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
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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
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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
数
数度
FCC a=b=c, a =b =g =90o
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68%
BCC a=b=c,a =b =g =90o
4
12 74%
HCP a=b ≠c,c/a=1.633, a/2
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a =b =90o,g =120o
12 74%
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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
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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
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。
13
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
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
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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
韧性与温度有关 —脆性转变温度TK
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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”。
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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。
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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
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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。