金属学与热处理课件

增大的现象。
应力集中
r
D
d
与杆件的尺寸 和所用的材料 无关，仅取决
于截面突变处
几何参数的比
max
值。
nom
r or d
d
D
金属材料的力学性能小结
1.2钢材的脆化
1.2.1冷脆性
冷脆性：随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下 降，金属材料在低温下呈现的脆性。
随着温度降低，ak值不断减小，即材料的韧性降低，脆性增加。
残余变形—— 试件断裂之后保留下来的塑性变形。
ΔL=L1-L0
延伸率：A＝
L1 L0 100% L0
A≥5％——塑性材料
A<5％——脆性材料
断面收缩率
Z＝
A0 A1 100% A0
低碳钢在拉伸时的力学性能
P
A
de
b
s e p
abc
O
o1 f e g
△L
L
其他材料在拉伸时的力学性能
对称弯曲必定是平面弯
F
曲，而平面弯曲不一定是
对称弯曲。
A
非对称弯曲
构件不具有纵对称面，或 虽有纵对称面但外力不作用 在纵对称面时的弯曲变形
y F Ay
F1
FA q
F2
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杆轴
X
FB
纵向对称面 Me 纵 向
对称面
B x
F By
应力集中的概念
构件几何形状不连续
d/2 r
d/2
max
nom
r
d
应力集中：几何形状不连续处应力局部
冲击试验视频
弯曲试验视频
dy
z
有关材料的进一步知识
y

在相互垂直的两个平面 上，切应力必成对出现， 两切应力的数值相等， 方向均垂直于该平面的 交线，且同时指向或背
x 离其交线。
dz dx
弯曲的概念
对称弯曲
构件的几何形状、材料性能和外力作用均 对称于杆件的纵对称面
平面弯曲
梁变形后的轴线所在平面与外力所在平面 相重合
硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。
4、里氏硬度HL
里氏硬度的测量原理是：当材料被一个小冲击体撞击时，较硬的材料使 冲击体产生的反弹速度大于较软者．里氏硬度计采用一个装有碳化钨球 的冲击测头，在一定的试验力作用下冲击试样表面，利用电磁感应原理 中速度与电压成正比的关系，测量出冲击测头距试样表面1mm处的冲击 速度和回跳速度．里氏硬度值HL以冲击测头回跳速度VB与冲击速度VA 之比来表示：HL=1000*VB／VA． 里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特 别适合现场使用；由于测量获得的信号是电压值，电脑处理十分方便， 测量后可立即读出硬度值，并能即时换算为布、洛、维等各种硬度值。
力学性能———指材料受力时在强度和变形方面表现
出来的性能。
塑性变形
变形

弹性变形
塑性变形又称永久变形或残余变形
塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢
脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料
1.1.1应力与应变
✓ 应力：物体在外力作用下而变形时其内部任一截面单位面积上的内力大 小σ=N/A
锰钢 强铝
退火球墨铸铁
四个阶段——弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。 （1）弹性阶段：遵守胡克定律。应力、应变成正比，变形可恢复。
弹性极限：产生最大的弹性变形，可以得到σe=Pe/A0 （2）屈服阶段:至s点——屈服点
在屈服阶段，材料内部晶格间发生滑移，产生的变形是塑性变形，此时 的应力成为屈服应力。屈服极限：σs=Ps/A0 （3）强化阶段：超过屈服点后，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，即欲 使试验继续变形，必须增加应力值——加工硬化现象（形变强化），材 料得到强化，当外加载荷达到Pb时达到最大载何值。—材料的抗拉强度 （强度极限）σb=Pb/A0 （4）颈缩阶段：曲线b~k，应力达到σb，时间的某一部位开始变细—颈缩， 由于将颈缩的部分截面积急剧下降，应力急剧上升，到达k点被拉断。
材料的拉伸和压缩试验
国家标准规定《金属拉伸试验方法》 （GB228—2002)
L
对圆截面试样： 对矩形截面试样：
L=10d
L=5d
L11.3 A L5.65A
矩形截面
t b
l0
l01.13 A0 l05.65A0
GB/T2975-1998；GB/T228-2002
万能试验机
拉伸试验视频
Rm是衡量脆性材料强度的唯一指标。
金属材料在压缩时的力学性能
国家标准规定《金属压缩试验方法》 （GB7314—87)
d L
b b
L
L/d(b): 1---3
低
压缩时由于
碳
横截面面积
钢 压 缩
不断增加， 试样横截面
上的应力很
难达到材料
的强度极限，
因而不会发
生颈缩和断
裂。
铸铁压缩
铸铁拉伸
o

韧脆转变温度：材料由延性破坏转化到脆性破坏的上限温度。采用 落锤试验方法确定冷脆转变温度。
1.2.2热脆性与红脆性
热脆性：钢材长时间停留在400～500℃ 后再冷却至室温时，冲击韧 性值会有明显的下降，这种现象称为热脆性。 具有热脆性的钢材在高温下并不呈现脆化，仍具有较高的冲击 韧性，只有当冷却到室温时，才显示出脆化现象；用冲击试验检 验，一般比正常的冲击韧度低50～60%，甚至下降80～90%，金 相组织无明显变化；对于工作温度在400～500 ℃内的受压元件， 必须重视热脆性现象。
维氏硬度试验的优缺点：
优点：是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、
渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏 硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外， 维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统 一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的 硬度。
缺点：是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏
✓ 应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生相对改变。ε=ΔL/L=L1L/L
(工程构件，大多数情形下，内力并非均匀分布，集度的定义不仅准确而且 重要，因为“ 破坏”或“ 失效”往往从内力集度最大处开始。) F1 F2
F3 Fn
F1
ΔFQy
DF
ΔFQz ΔA
ΔFN
垂直于截面 的应力称为 “ 正应力”
测定硬度的方法比较多，其中常用的硬度测定法是压入法，即用一定 的静载荷（试验力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积
或深度来确定其硬度。常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度三种。
1、布氏硬度
布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬 度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS （用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）
工艺性能：材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应 各种冷、热加工的性能，例如焊接、铸造、热处理、压力加工、 切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品 质量有重要的影响。
1.1材料力学基本知识
材料的力学性能：材料在外力作用下所表现的一些性能。 ✓ 指标：强度、硬度、刚度、塑性、韧性等。 ✓ 可以通过拉伸试验测量得到。
表 示，即：
布氏硬度试验方法主要用于硬度较低的一些材料， 例如经退火，正火，调质处理的钢材以及铸铁， 非铁金属等。
布氏硬度表示方法：
硬度值一般不标单位。当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当 压头为硬质合金时，用HBW表示。符号HBS或HBW之前写出硬 度值，符号后面用数字依次表示压头直径、试验力及试验力保持 时间（10～15s不标）等试验条件。例如， 150HBS10/1000/30。
脆性材料的主要特点：
塑性指标较低，抗拉能力远远低于抗压能力，其 强度指标只有Rm。
1.1.4 硬度
金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料
软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗 破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。
硬度是金属材料重要性能之一。由于测定硬度的试验设备比较简单， 操作方便、迅速，又属无损检验，故在生产上和科研中得到广泛应用。
定的屈强比， Rm/Reh越高，塑性储备就越低——可靠性就越低； Rm/Reh越低，可靠性提高——抗疲劳性能降低，同时也不经济。 ✓ 锅炉压力容器一般在0.6-0.75
σ
o
0.2%
确定的方法是:
b
0.2
在ε轴上取0.2％的点, 对此点作平行于σ－ε曲 线的直线段的直线（斜率 亦为E）,与σ－ε曲线相交 ε 点对应的应力即为σ0.2 .
洛氏硬度试验的优缺点：
优点:是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；
压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度， 因而广泛用于热处理质量的检验。
缺点:是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通
常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表 材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间 没有联系，也不能直接进行比较。
一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定 试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210～ 230HBS。
布氏硬度试验的优缺点：
优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退 火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕 直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行 试验。
3、维氏硬度
维氏硬度它采用正棱角锥体金刚石压头在一定试验力下在 试件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线平均长度来确定 硬度值。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱 锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。
维氏硬度表示方法：
在符号HV前方标出硬度值， 在HV后面按试验力大小和试验力 保持时间（10～15s不标出） 的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。
布氏硬度测试视频
2、 洛氏硬度
洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符 号用HR表示，其计算公式为：
洛氏硬度压头类型：
淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材 料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢 等较硬材料的硬度，压入深度较浅。
试验规范及表示方法:
采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏 硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中 HRC应用最广。其试验规范见表1.1。洛氏硬度无单位， 须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如 58HRC、76HRA。
经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大 的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。 ✓ 晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 ✓ 晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化 ✓ 织构现象的产生 ✓ 残余内应力
变形前后晶粒形状变化示意图
塑性材料和脆性材料的主要区别：
塑性材料的主要特点： 塑性指标较高，抗拉断和承受冲击能力较好，其 强度指标主要是σs，且拉压时具有同值。
与截面相切的
应力称为
F2
DF dF plim
DA0 DA dA
“ 切应力”
应力的国际单位为N/m2 （帕斯卡）
limDFN dFN
DA DA0 dA
1N/m2=1Pa

limDFQ
d
FQ
DA0 DA dA
1MPa=106Pa＝1N/mm2 1GPa=109Pa
1.1.2强度
1.1.5冲击韧性
冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特 性．材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的，摆锤冲断试 样所作的功称为冲击吸收功，以Ak表示，若试样断口处截面积为Sn，则 冲击韧性ak=Ak／Sn。试样的缺口型式有夏比U型和夏比v型两种，其冲 击韧性分别用aku和akv表示．V型缺口根部半径小，对冲击更敏感，在 锅炉压力容器材料的冲击试验中应用较多。 国家标准现规定采用AK作为衡量韧性好坏的指标。AK越大，材料的韧性 越好。 冲击吸收功AK与温度有关，韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能 越好。
金属材料及热处理 基本知识
1.金属材料及热处理基本知识
使用性能：为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材 料所具备的性能。
✓ 包括力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能 （密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热 稳定性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性 和使用寿命。
几个特殊点
✓ 弹性极限σe=Pe/A0 ✓ 屈服极限：Rel=Ps/A0 是金属材料的一个重要的强度指标，是设计选材
的依据 ✓ 抗拉强度：Rm:b点应力将引起破坏，材料抵抗拉力破坏的最大能力，表
征材料在外界拉力作用下所担负的最大应力水平。 ✓ 屈强比：Rm/Reh ✓ 在锅炉压力容器选材上，不仅希望材料具有较高的Rel或Reh，而且有一
✓ 强度：指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。抵抗塑性 变形和断裂的能力越大，则强度越高。
✓ 强度判据是通过拉伸试验测定的。拉伸试验方法是用静拉伸力对标准试 样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得 的数据据，即可求出有关的力学性能。
1.1.3塑性
塑性：是指材料在载荷作用下发生不可逆永久变形的能力。 评定材料塑性指标通常用伸长率和断面收缩率。