机械加工中常用金属材料的工艺性能与热处理

机械加工中常用金属材料的工艺性能与热处理

一、常见金属材料的性能

金属材料在机械制造和造船工业中占有相当大的部分，在船舶中可达90%以上。充分了解和掌握金属材料的性能，充分发挥材料的潜力，合理使用金属材料。提高产品质量。

优良的机械性能

金属材料具有性能优良的工艺性能

优良的物理性能

这些性能的优劣取决于金属材料的成分和内部组织结构。而利用热处理改善金属材料的组织结构满足一定的性能要求。值此科学地处理好金属材料的性能，内部结构与热处理相关联的问题就具有极大的意义。

1、金属材料的机械性能

机械性能：是指金属材料在外力作用下表现的抵抗能力。它包括：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。

金属材料所制零件在加工和使用过程中根据载荷性质的不同有静载荷，冲击载荷、

交变载荷。而根据载荷对金属材料的作用方式不同，又可分为拉伸、压缩、剪切、扭转

和弯曲等。

在工程设计上材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，以表明材料的性能高低。材料的强度与塑性一般都是通过静拉伸试验测得。

L

L

d

D=20mm

h=15mm

——

拉伸后试样——

缓缓地在试样两端施加拉力，随着轴向拉力的增加、试样不断地弹性伸长过渡到塑性伸长直到断裂。这样得到如图所示的外力——变形量曲线，使之反映材料的性能（强

度与型性），将载荷值除以试样的载面积，即采用 强度：金属材料对外力作用所引起的变形或断裂的抵抗能力。

比例极限：oa 段是直线应力与应变成正比例，相对于a 点的应力为比例极限，在这范围内，材料处于弹性变形阶段。

弹性极限：ab 段还属于弹性变形阶段，变形的速度加快，应变与应力不再成正比例，上二者数值极为接近，实践中不将二者加以严格区分。

屈服极限（屈服强度）：过了b 点后材料进入塑性变形阶段，到了C 点曲线上出现了近于水平的线段，此时应力几乎没有变化或变化很小但变形却显著增加，好象材料屈服于载荷而自行伸长，这一现象称为屈服现象。出现屈服现象的应力称作屈服极限，以s σ表示。

如果没有明显的屈服现象当试样的残余变形量相当于试样原长的0.2%时的应力称作屈服极限并以2.0σ表示。

抗拉强度（强度极限）：当应力超过屈服点外力继续增加试样就不断增长，一直到试样产生明显的局部变形（即缩颈）时应力达到最大值，此时以后，试样截面积急剧缩小，直到试样断裂，所以抗拉强度是指试样承受拉力载荷时，在断裂前的最大应力。用b σ表示。

)(/20

MPa mm N F P s s =σ20

/mm N F P =σσ表示)(/20MPa mm N F P b b =

σ

屈强比= 其比值越大，表示材料使用性能好。 塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形（即塑性变形）的性能叫塑性。金属材料的塑性大小用伸长率和断面收缩率来表示。

伸长率：试样断裂后的伸长长度与原来长度之比叫做伸长率，用δ表示：

L 0——试样拉抻前的长度 L 0=10d 0时用δ或δ

10 L 0=5d 0时，用δ5表示 L ——试样受拉抻断裂后的长度（mm ）

δ值的大小可以评定材料塑性，脆性的依据，当δ＞5%时为塑性材料，δ值＜5%时为脆性材料。

断面收缩率：试样断裂后的断口面积收缩量与原来截面积之比称断面收缩率（简称面缩率）通常用ψ表示。

F 0——试样原来截面积mm 2 F K ——试样断裂后的截面积mm 2

δ和ψ值越大，材料的塑性越好。

硬度： 金属抵抗其他更硬物体压入其表面的能力称为硬度。

根据试验方法的不同，所得的硬度值也不一样，常用的有布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等。

布氏硬度（HB ）：从一定直径D 的淬硬钢球（D 为10mm 、5mm 或2.5mm ）在规定载荷（3000、750、187.5kg 力）作用下压于试件表面，保持一定时间，去除载荷后，必然在试件表面形成一凹痕，即以载荷P 与压痕表面积F 的比值F

P 表

示其硬度值，以HB 表示。 D ——钢球直径（mm ）

d ——压痕直径（mm ） b

s σσ%1004%1000

00⨯=⨯-=L L L L L δ%1000

0⨯-=F F F K ψ2

222/)(2/mm N d D D D P mm N P HB --==π

压痕面积

生产中测量出压痕直径后直接查表得出HB 值。

金属材料越软，其压痕面积越大，布氏硬度值越低。反之则布氏硬度值越高。 当材料较硬时（HB ＞450）就不用布氏硬度测量。

由于压痕成几毫米的凹面对最终的成品表面有影响，不适于测成品。

对于大件的硬度测量无法用台式硬度计现用锤击式或里氏硬度计。HB 值与静拉伸所得之强度极限σb 之间有着正比关系（经验公式）

轧钢、锻钢件：σb ≈（3.4~3.6）HB 铸钢件：σb ≈（3~4）HB 值，灰口铸铁： 洛氏硬度：是用顶角为1200金刚石圆锥作为压印头，压入试件表面，以压痕深度来判断材料的硬度。材料越软，压痕h 越深。为了测量从软到硬材料的硬度采用了不同压头和载荷的组合，生产上最常用的是A 、B 和C 标R 。

HRA ：压头为金刚石圆锥体，总载荷60kg 力测量较薄硬化层

HRB ：压头为1/16〃直径的淬硬钢球，总载荷为100kg 力，测量较软的材料的硬度。 HRC ：压头为金刚石圆锥体，总载荷为150kg 力，多于用淬火工件的高硬度的测量。洛氏硬度测量迅速简便，可直接读数，压痕小、精确度高可测量成品。

维氏硬度： 测定方法基本上是采用了布氏硬度试验法的原理，但所加载荷较小（5、10、20、30、50、100公斤等6级，压头是用相对两面夹角为136°金刚石四棱锥作为压头。在载荷P 的作用下，在被测金属表面上压出一对角线长度为d 的方形压痕。在生产中根据测得压痕两对角线的平均值d ，可以从有关表格查出维氏硬度值，d 值越大，材料硬度越低。

适用于测量很薄的材料和表层硬度较薄的硬度层如渗铬层、渗氮层。

)(6

.040Mpa HB b -=σF

P HV

=