金属材料与热处理

1、绪 论,世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥,材料分：金属材料、非金属材料、复合材料,金属材料指钢铁、有色金属等材料,非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶）， 复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料,现在新材料-纳米材料、智能材料,材料按物质结构不同分： 金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料 材料按用途不同分： 机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按功能不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等,材料分类,材料发展概括,石器时代,铜器时代,司母戊鼎（公元前1116世纪）11307801100,战国编钟（前4752

2、21年）65个 总重2500Kg,天然石，兽骨，树枝,泥巴（日晒原始陶器；火烧瓷器用具,铁器时代 沧州大狮（公元953年 ）重50T ,长5.3m,宽3m,人工复合材 料,塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等,陶器时代,沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,本课程的性质和目的,2、目的,a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识,c 具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力,d 为后续课程和从事技术工作打下基础,1、性质,本课学习方法是：预习 、笔记 、复习、讨论问题 本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理,基础课,第一章

3、金属的性能,金属材料的性能,使用性能力学、物理、化学,力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能,判据 如： 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等,第一节 金属的力学性能,工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工,一、基本概念 1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性,研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据,2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。 3、应力：单位面积上的内力。 4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（%）表示 5、载荷：金属材料在加工及使用

4、过程中所受的外力。 按作用性质分： 静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。,冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷,按作用形式不同分,6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。分为弹性变形与塑性变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形,一、强度 概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。 =F/S -应力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa 按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压

5、强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。 注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标,拉伸实验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定,GB/T228-2002,1. 拉伸试样,2. 力伸长曲线（以低碳钢试样为例,3. 脆性材料的拉伸曲线,1. 拉伸试样（GB6397-86,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式,2. 力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服阶段,颈缩现象,拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线,强化阶段,a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂,拉伸试样的颈缩现象,3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试

6、样相对比,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象,应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0,三、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力,工程上常用的金属材料的强度指标： 屈服点（ s ）或规定残余伸长应力（ r） 抗拉强度(b,屈服点（ s ）:指材料产生屈服时的应力,规定残余伸长率为0.2%时的应力,原标准（GB228-76）： 屈服强度,很重要，大多数零件不允许有塑性变形,规定残余伸长应力,对有明显屈服现象的材料,对无明显屈服现象的材料,抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值,若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的s或0.2进行设计计算。 若零件在使用时

7、只要求不发生破坏，则以材料的b来设计计算。 因此s和b是机械零件设计计算的主要依据,很重要，表示零件破坏前能抗的最大应力值,强度的意义 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。 强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。 因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化,二、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力,常用的塑性判据： 拉伸时的断后伸长率和断面收缩率,1、断后伸长率,由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不同，因

8、此应注明试样尺寸比例。如: 10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0,2、断面收缩率,和是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。 一般认为5的材料为塑性材料，如低碳钢；5的为脆性材料，如灰铸铁,塑性对材料的意义: 1.是金属材料进行压力加工的必要条件; 2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂,强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。 正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性,超塑性,通常情况

9、下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用,三、硬 度,硬度,硬度试验方法,压入法,它是材料性能的一个综合的物理量。 (表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力） 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标,布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（HV,材料抵抗表面局部塑性变形的能力,一、布氏硬度,1、测

10、定原理,布氏硬度试验原理图,2、计算公式,HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBS HBW：硬质合金作压头；适用于650HBW,试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表1-1选择,表1-1 布氏硬度试验规范,3、表示方法,XXX HBS(W) XX / XXX / XX,500HBW5/750,例,表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500,120HBS10/1000/30,表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120,习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如 170HBS,4、适用范围常用

11、于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度,优点：测值重复性强、测量结果准确,缺点：压痕大，不适合成品检验,二、洛氏硬度,测 定 原 理,试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种,表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围,2、符号,3、表示方法,硬度值+HR,52HRC 70HRA,例,洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多,4、适用范围,优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测,三、维氏硬度,1、测定原理,用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压

12、入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d,2、计算公式,3、表示方法,硬度值+HV+试验力/保持时间 如：640HV30/20,4、适用范围 适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度,四、冲击韧性,强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。 材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种,在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力,冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中

13、。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。 冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。 示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低,1、冲击试验,冲击试样 冲击试验原理 一次摆锤冲击试验 冲击韧性的表示方法,如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm10mm55mm试样常用于薄板材料的检验。 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面,原理,冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将

14、带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J,2.材料冲击韧性的表示方法,国标GB/T2291994 冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。 根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出,2.材料冲击韧性的表示方法,国标GB/T2292007 冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的

15、指标是冲击吸收能量; Kmg（H1-H2,2.材料冲击韧性的表示方法,按照国标GB/T2292007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2 ，其单位是焦耳（J）。 冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出,冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料,小资料】GB/T 2292007与GB/T 2291994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变

16、化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中,缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度,3.冲击试验的应用,3.冲击试验的应用,缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重

17、要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标,低温脆性,低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有,冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（ Tt ）。 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要

18、十分重要,金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（ Tt ）大约为-20，某些合金钢的韧脆转变温度（ Tt ）可达-40以下,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速

19、沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样,4.提高冲击韧性的途径,冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有： 改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性； 提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、 气泡等缺陷,五、疲劳强度,人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？ 金属的疲劳能得到恢复吗,金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳,1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。

20、一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故,1.变动载荷和循环应力,1.变动载荷 引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变

21、动应力两种,金属疲劳产生的原因,a)应力大小变化 b)c）应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化,1.平均应力,2.应力幅,2.疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂. 疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂三个阶段组成,尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。 疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区,3.疲劳断口,3.疲劳断口,当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳

22、断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作R（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。 通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作-1,4.疲劳强度,若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。 对一般低、中强度钢：107周次 对高强度钢：108周次 对铝合金，不锈钢：108周次 对钛合金：107周次,在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环周次下，测出max，并称之为疲劳强度，实际上就是条件疲劳极限,5.提高疲劳极限的途径,1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。 (2) 提高零件表面加工质量。 (3)

23、 对材料表面进行强化处理,四、 冲击韧性,在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度,一、摆锤式一次冲击试验,把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak,1、试样冲断时所消耗的冲击功A k为,A k = m g H m g h (J,2、冲击韧度a k,二、冲击吸收功和冲击韧度,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功,冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸

24、、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关,1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感 能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量,冲击韧度对材料的意义,2.冲击韧度随温度下降越来越低冷脆现象 在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好,第四节 疲劳强度,交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力,材料的疲劳,材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程,在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂

25、纹或完全断裂,疲劳破坏的原因： 应力集中微裂纹扩展断裂破坏,疲劳强度（-1） ：金属材料经无穷多次（107）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值,疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系,第一章 金属材料的力学性能,本节重点：金属材料的力学性能,主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强 度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等,本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法,材料分类,材料的性能,金属材料的力学性能 -是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能,思考 如果把铁丝和钢丝折弯有何区别,常用的力学性能主要有：强度、硬度、塑

26、性、冲击韧度和疲劳强度等,研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据,第一节 刚度、强度、塑性,一、拉伸试验及拉伸曲线,拉伸试验机,OE段：弹性变形 阶段； 平台或锯齿（ES段）：屈服阶段； SB段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 B点：形成了“缩颈”。 BK段：非均匀变形阶段，承载下降，到K点断裂,弹性变形去除外力后试样恢复原状的变形 塑性变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形,1 、变形过程,2、应力与应变曲线,应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F = ( M pa ) S 0 应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除

27、以试样的原始标距表示: l = l 0 应力应变曲线（ - 曲线） 形状和拉伸曲线相同，单位不同,思考 怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小,2、应力与应变曲线,比例极限（ p ） 例:弹簧秤 弹性极限（ e） 如:弹簧 屈服极限（ s ） 抗拉极限(b,二、刚度 是表征金属材料抵抗弹性变形的能力,E 式中的E为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常用E作为衡量材料刚度的指标。 E值越大，在一定应力作用下产生的弹性变形越小，则刚度越大 弹性模量主要取决于金属材料的种类，即金属的本性（晶格类型、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，对刚度有一定要求，如机床主轴、起重机臂等，在使用时不允

28、许产生过量的弹性变形,三、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力,工程上常用的金属材料的强度指标： 屈服点（ s ）或规定残余伸长应力（ r） 抗拉强度(b,屈服点（ s ）:指材料产生屈服时的应力,规定残余伸长率为0.2%时的应力,原标准（GB228-76）： 屈服强度,很重要，大多数零件不允许有塑性变形,规定残余伸长应力,对有明显屈服现象的材料,对无明显屈服现象的材料,抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值,若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的s或0.2进行设计计算。 若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的b来设计计算。 因此s和b是机械零件设计计算的

29、主要依据,很重要，表示零件破坏前能抗的最大应力值,四、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力,常用的塑性判据： 拉伸时的断后伸长率和断面收缩率,1、断后伸长率,由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如: 10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0,2、断面收缩率,和是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。 一般认为5的材料为塑性材料，如低碳钢；5的为脆性材料，如灰铸铁,塑性对材料的意义: 1.是金属材料进行压力加工的必要条件; 2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂,第二节

30、 冲击韧性,在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度,一、摆锤式一次冲击试验,把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak,1、试样冲断时所消耗的冲击功A k为,A k = m g H m g h (J,2、冲击韧度a k,二、冲击吸收功和冲击韧度,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功,冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关,1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感 能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量,冲击韧度对材料的意义,2.冲击韧度随温度下降越来越低冷脆现象 在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好,第四节 疲劳强度,交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力,材料的疲劳,材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数