硬度冲击韧性疲劳强度课件

金属材料课讲座1、金属的性能2、金属的分类授课内容3、金属的结构4、金属的组织

5、钢的热处理

金属材料课讲座金属的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能变形性能金属的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸材料的其他性能

物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。

材料的其他性能

物理性能：金属的力学性能定义:

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。金属的力学性能定义:强度和塑性拉伸实验与拉伸曲线拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样强度和塑性拉伸实验与拉伸曲线拉伸试样2.拉伸过程2.拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s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。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp拉伸曲线Fssop段：比例弹性变形阶段；ΔlFΔlbΔluΔl应力与应变曲线(1)应力σ

：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S0表示:F 载荷(N)σ=——(Mpa) S0

原始横截面积(mm2)(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl 伸长量(mm)

ε=——

l0

原始长度(mm)(3)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ应力与应变曲线(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲强度:

材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

(1)屈服点与屈服强度:

产生明显塑性变形的最低应力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σsσb强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:抗

Fb

σb

=

(MPa)

S1试样拉断前的载荷(N)试样颈缩横截面积(mm2)

(2)断裂点与抗拉强度:

试样被拉断前的最大应力值.Fb试样拉断前的载塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

S与原始横截面积S0之比。

伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0塑性:断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ例如:50克黄金可以锤成9m2面积（0.0001mm），抽丝可以达到8000m（直径1.6道，人发7道，1道=0.01mm）某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。例如:50克黄金可以锤成9m2面积（0.0001mm），硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力常用测量硬度的方法硬度布氏硬度HB(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness适用范围:

＜450HBS;

＜650HBW;压头类型：Φ10

Φ5

Φ2.5载荷：125～3000Kg保荷时间：10s;15s;30s;60s;适用范围:＜450HBS;＜650HBW;压头类型：Φ1布氏硬度是无量纲单位。HBS表示用淬火钢球压头，HBW表示用硬质合金压头。

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度是无量纲单位。HBS表示用淬火钢球压头，HBW表示用(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计1HRC≈10HBS(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness洛氏硬度有三种标尺HRA:加载50公斤，金刚石压头；HRB：加载100公斤，淬火钢球压头；HRC：加载150公斤，金刚石压头；原理：测深度，硬度计内带有自测装置硬度冲击韧性疲劳强度课件(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;(3)维氏硬度HV

(diamondpenet冲击韧性(notchtoughness):

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击韧性(notchtoughness):冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak值的影响因素：与材质有关与零件的形状有关与工作温度有关当工作温度降低到某一温度以下时，金属的韧性会降至零。此温度称为该金属的韧脆转变温度。例如：泰坦尼克号南非的坦克到西伯利亚

Ak值的影响因素：当工作温度降低到某一温度以下时，金属的韧性七.疲劳强度(fatiguestrength):

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值。七.疲劳强度(fatiguestrength):

钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb例如：飞机发动机主轴的服役时间钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取1943年美国T-2油轮发生断裂1943年美国T-2油轮发生断裂工业纯铁（C%小于0.0218%）

碳素钢钢铁钢（0.0218＜C%＜2.11）合金钢铸铁（2.11＜C%＜6.69）硬度冲击韧性疲劳强度课件钢铁力学性能与碳含量WC的关系钢铁力学性能与碳含量WC的关系碳素钢（简称：碳钢）carbon-steel重点是常见牌号的含义、性能、应用。GB/T13304—1991规定：钢按化学成分分：非合金钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。非合金钢——是指WC<2.11%，并含有少量Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金。（一）、常存元素对碳钢性能的影响（了解）1、锰Mn作用：脱氧，FeO还原Fe；与S作用→MnS降低热脆性；提高强度、硬度。有益元素2、硅Si作用：与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F中，固溶强化。有益元素。碳素钢（简称：碳钢）carbon-steel重点是常见牌号3、硫S作用：形成FeS(熔点1190℃），在晶界处，在1100℃—1200℃时，压力加工，产生脆裂。“热脆”。有害元素4、磷P作用：全部溶于F中，固溶强化；σ、HB↑↑，在低温下引起脆断——“冷脆”。有害元素（二）、碳钢分类、牌号、用途（掌握内容）1、分类（1）按钢中含碳量多少分：低碳钢中碳钢高碳钢Wc<0.25%Wc=0.25%—0.7%Wc>0.7%----1.4%3、硫S作用：形成FeS(熔点1190℃），在晶界2、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少）普通碳素钢:优质钢:高级优质钢:S、P较高；Ws≤0.05%,Wp≤0.045%Ws≤0.035%,Wp≤0.035%;Ws≤0.02%.Wp≤0.03%;3、按钢的用途不同分：（1）碳素结构钢structuralsteel（2）碳素工具钢

toolsteel（3）特殊性能钢specialsteel（4）铸钢castingsteel——适用于各种机器零件、工程结构件——制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等——用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境。——形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件。2、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少）普通碳素钢:S、（三）碳钢的牌号、用途1、碳素结构钢

GB700—1988牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高，D的S、P量最低，且质量最好。如：Q235—A.FQ——“屈”字汉语拼音字首235——σs≥235MPaA——质量等级A级F——脱氧方法，指“沸腾钢”制造的钢材，一般不标出。牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类（三）碳钢的牌号、用途1、碳素结构钢GB700—19882、优质碳素结构钢——S、P含量较低，用于重要零件GB699—88规定：牌号用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几。如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。如:45钢是WC=0.45%20Mn、65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢。3、碳素工具钢GB1298—88规定：牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示。数字表示WC的千分之几。如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢。2、优质碳素结构钢——S、P含量较低，用于重要零件GB699补充：铸钢

GB/T5613—1995牌号：用“铸钢”汉语拼音字首ZG表示。如：ZG200—400

用变速箱体、壳等，焊接性好。200——σs≥200MPa400——σb≥400MPa还有：ZG230—450；用力不大的阀体、轴承盖。ZG270—500热轧曲轴、连杆等注意：碳钢分类；说出常见钢号20、45、65Mn、Q235B、Q235A、T7、T10、T10A、T12、ZG200—400等，属哪类钢，有何性能特点，用途。补充：铸钢GB/T5613—1995牌号：用“铸铸造碳钢ZG

200-400σb

≥400MPaσs≥200MPa铸钢铸造碳钢ZG200-400σb≥400MPaσs合金钢

alloy---steel一、分类1、按含合金元素量多少：（1）低合金钢（2）中合金钢（3）高合金钢W含量<5%W含量>10%W含量=5%～10%2、按用途分：（1）合金结构钢（2）合金工具钢（3）特殊性能钢——轴、齿轮、钢筋、型钢等——刀具、模具、手用工具等——不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等二、合金元素在钢中的作用（了解）1、与铁作用：固溶于铁素体中，固溶强化，↑力学性能。合金钢alloy---steel一、分类1、按含合2、与碳作用：①固溶于铁素体；②形成碳化物，↑↑HB、σb.总的看来：在碳钢的基础上，加入些合金元素，提高淬透性，提高综合力学性能，满足使用要求。合金结构钢一、低合金高强度钢：GB/T1591—1994

（原：低合金钢）牌号：标出含碳量WC、化学元素和含量。两位数字+元素符号+数字含元素量的%<1.5%不标出1.5—2.5%用2表示2.5—3.5%用3表示主加元素WC的万分之几例如：40Cr、60Si2Mn、20CrMnTi合金元素总量<5%，主要用于桥梁、井架、电视塔架、船舶等。2、与碳作用：①固溶于铁素体；②形成碳化物，↑↑HB、σb.1、成分：WC<0.2%；合金元素强化铁素体。2、性能：良好的δ、ak，较高的σb、σs；3、钢号、用途：

Q295；Q345

；Q390；Q420；Q460常用的是：Q345

代替旧标准16Mn4、热处理：热轧后，正火状态使用。二、合金渗碳钢GB3077—991、成分：WC<0.25%；目的保证心部有良好的塑性、韧性。2、性能：良好的淬透性；经渗碳后，耐磨性↑，σ-1↑，良好的δ、ak，抗冲击。3、钢号、用途：统一数字代号：20Cr;20CrMnTi1、成分：WC<0.2%；合金元素强化铁素体。2、性能：4、热处理：渗碳、淬火+低温回火，58HRC—62HRC三、合金调质钢

GB/T3077—991、成分：Wc=0.25--0.50%；过高，ak↓；过低，淬不硬，σ不高。2、性能：具有良好的综合力学性能。3、钢号：40Cr---A204024、热处理：淬火+高温回火——S回四、合金弹簧钢

GB1222—841、成分：Wc=0.5---0.7%过低，σe不高，屈服比低；过高—σ-1、δ、ak↓2、性能：具有高的σb；高的屈强比σs/σb，σ-1、足够的δ、ak

3、钢号、用途：60Si2Mn4、热处理：渗碳、淬火+低温回火，58HRC—62HRC三、4、热处理：（1）冷成形弹簧：当d<8mm,200—250℃去应力退火；淬火+中温回火。五、滚动轴承钢（专用）——应用在高速运转中。1、成分：Wc=0.95---1.1%,目的保证高硬度、耐磨性；加Wcr=0.4---1.6%，提高淬透性。2、性能：较高的σ-1，HB，σe一定的ak3、钢号、用途：p112,常用的GCr15——小型套圈，直径<25mm钢球；GCr9——直径为10—20mm滚珠。WCr=0.9%说明：Cr

铬、Cd镉——银白色，多用于电镀。在工厂中（电镀中），为了区别，而读音不同。4、热处理：球化退火、淬火+低温回火——M回4、热处理：（1）冷成形弹簧：当d<8mm,200—250普通低合金钢Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。

Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮普通低合金钢压力容器南京长江大桥Q345钢(16Mn)综合合金工具钢

GB1299——85Alloytool—steel

一、合金刃具钢——要求高的硬度、耐磨性，保证一定的寿命。1、性能特点：热硬性好——在较高温度下保持较高硬度的能力；如600℃时硬度达60HRC2、钢号、用途3、热处理：球化退火、淬火+低温回火60HRC—63HRC二、量具钢三、模具钢GB1299—85——按工作条件不同分：冷变形模具钢（冷作模具钢）、热变形模具钢（热作模具钢）两类。合金工具钢GB1299——85Alloytool—1、冷作模具钢——制造工件在冷态下成型的模具。如冷冲模、落料模。要求有足够的塑性、韧性，高硬度、耐磨性。Wc=1.0%----2.0%；热处理：淬火+低回常见的有：Cr12、Cr12MoV,简单的用T10、T10A2、热作模具钢——制造热态下成型的模具。如热锻模，压铸模。Wc=0.3%---0.6%；热处理：淬火+中温回火——S回如：5CrMnMo

、5CrNiMo

、3Cr2W8V;四、高速钢

GB9943—88

；——锋钢；又称风钢。特点是高热硬性、耐磨性、淬透性。应用高速切削刀具：车刀、刨刀、钻头等。常见的牌号：W18Cr4V;W6Mo5Cr4V21、冷作模具钢——制造工件在冷态下成型的模具。如冷冲模、落料合金工具钢的牌号牌号：标出含碳量WC、化学元素和含量。一位数字+元素符号+数字或无数字含元素量的%<1.5%不标出1.5—2.5%用2表示2.5—3.5%用3表示主加元素WC的千分之几，当WC超过1.0%时不标数字例如：9SiCr、5CrNiMo

、Cr12MoV等合金工具钢的牌号牌号：标出含碳量WC、化学元素和含量。一位数特殊性能钢

specialsteel一、不锈钢GB1220—92具有抵抗大气或其他介质腐蚀的钢称为不锈钢。WCr>12%1、铬不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，2、铬镍不锈钢：1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9另：铁素体不锈钢：1Cr17——容器，日用品二、耐磨钢

GB5680—98——又称“高锰钢”，强烈冲击力作用下发生硬化现象。如牌号：ZGMn13—1；ZGMn13—2

；等应用防弹板、铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。三、耐热钢特殊性能钢specialsteel一、不锈钢G铸铁

cast重点：铸铁的分类、常用的牌号、应用。一、什么是铸铁？GB5611—95一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称，称为铸铁。补充：生铁：pig—iron铁矿石在高炉中炼出来的。炼铁（Iron—making)工艺，分铸造生铁和炼钢生铁（WSi<1.25%)两种；铸造生铁与其他材料一起熔化后，获得的材料，叫铸铁；炼钢生铁通过进一步的熔炼，得到钢材，此过程称炼钢steel—making。特点：铸铁有良好的铸造性、耐磨性、减摩性、减振性、切削加工性等优良性能，且制造容易、价格便宜，在工业生产中应用广泛。铸铁cast重点：铸铁的分类、常用的牌号、应用。铸铁分类按碳的存在形式分1、白口铸铁

whitecast--iron——碳以碳化物（Fe3C)形式出现。断口：银白色，硬而脆；很难切削加工，很少直接用于零件.2、灰口铸铁

graycast--iron——碳以石墨形式出现。断口：呈灰色；常用材料。按石墨的形状不同，又分为：（1）灰铸铁——片状石墨（2）球墨铸铁——球状石墨（3）可锻铸铁——团絮状石墨（4）蠕墨铸铁——蠕虫状石墨3、麻口铸铁

mottledcast--iron——碳以Fe3C+石墨形式出现。断口：白色与灰色之间；此类铸铁脆性很大，很少使用。另：合金铸铁（向铸铁中加入合金元素，改善性能）。铸铁分类按碳的存在形式分1、白口铸铁whiteca二、灰铸铁的牌号、用途GB9439—88牌号：HT×××σb≥

×××灰铸铁简称“灰铁”，汉语拼音字母首如：HT150；HT200；主要应用于床身、箱体、底座等。三、热处理1、消除应力退火2、消除白口组织改善切削加工性能退火3、表面淬火如车床导轨二、灰铸铁的牌号、用途GB9439—88牌号：HT×1．灰铸铁的化学成分、组织和性能（1）化学成分灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%～4．0%，wSi=1.0%～2．5%，wMn=O．5%～1.4%，wS≤O.15%，wP≤0.3%。(2)组织由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)—珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。1．灰铸铁的化学成分、组织和性能类别牌号用途举例铁素体灰铸铁HTl00低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等铁索体—珠光体灰铸铁HT150承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件珠光体灰铸铁HT200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等HT250孕育铸铁HT300床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等HT350类别牌号用途举例铁素体HTl00低载荷和不球墨铸铁

nodulargraphitecast--iron一、成分、组织、性能1、成分：在金属液中加入球化剂稀土镁合金

——球化处理使G变为球状。2、组织：基体是（F，F+P，P）+球状石墨G3、性能：较高的σb、

σ-1，但δ、ak比钢差。二、牌号、用途

GB1348—88牌号：QT—δ=

%σb=MPa球墨铸铁简称球铁（汉语拼音字母字首）如：QT400—18；QT600—3；球墨铸铁nodulargraphitec1．球墨铸铁的化学成分、组织和性能球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%～3.9%，wSi=2.0%～2.8%，wMn=0.6%～0.8%，wS<0.04%，wP≤0.1%,wMg=0.03%～0.05%（2）组织

球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)+球状石墨(G)，铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，珠光体(P)+球状石墨(G)，下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。为铁素体球墨铸铁的显微组织。图6-3铁素体球墨铸铁显微组织1．球墨铸铁的化学成分、组织和性能图6-3铁素体球墨铸铁基体类型牌号用途举例铁素体QT400-15QT400-10阀体，汽车、内燃机车零件，机床零件，减谴器壳铁素体+珠光体QT500-7机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦珠光体QT700-2QT800-2柴油机曲轴、凸轮轴．汽缸体、缸套，活塞环，部分磨床、铣床、车床的主轴等下贝氏体QT900-2汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速齿轮．柴油机凸轮轴基体类型牌号用途举例铁素体QT400-15阀体，汽车、内燃机可锻铸铁

malleablecast--iron——又称马铁；玛钢一、成分、生产过程1、成分：Wc=2.2~2.8%,Wsi=1~1.8;含碳、硅量低；2、生产过程：首先浇注成白口铸铁件，然后再经过可锻化（石墨化）退火而得到团絮状石墨的可锻铸铁。据退火后断口颜色不同又分：白心可锻铸铁；黑心可锻铸铁；可锻铸铁malleablecast--iron—

可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白类别牌号应用举例黑心可锻铸铁KTH300-06KTH330-08KTH350—10KTH370—12汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管接头，铁道扣板和农具等珠光体可锻铸铁KTZ550-04KTZ700-02曲轴，连杆，齿轮，凸轮轴，播臂，活塞环等类别牌号应用举例黑心可KTH300-06汽车、拖拉机二、性能、牌号、用途1、性能：σ、δ、ak比灰铸铁好，但不能锻造。2、牌号：KTH（或Z）

—δ=%σb≥

MPa可锻铸铁（可铁）珠光体黑心（铁素体）如：KTH300—06；用：弯头、三通管件、阀门。KTZ550—04；用于；载荷较高的耐磨损、凸轮轴，齿轮等。GB9440—88二、性能、牌号、用途1、性能：σ、δ、ak比灰铸铁好，但不能晶体与非晶体

固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）

晶体的基本知识

晶体与非晶体晶体的基本知识晶格、晶胞、晶格常数

1、晶格

为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。晶格、晶胞、晶格常数金属中常见晶格

由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。

1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有、、W、Mo、V等。

金属中常见晶格2、面心立方晶格

面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。具有面心立方晶格的金属有、Cu、Ni、Au、Ag等。

2、面心立方晶格3、密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn等

。3、密排六方晶格

合金的相结构

由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。

1、固溶体合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。

合金的相结构

不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都硬度冲击韧性疲劳强度课件

晶体的缺陷

晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷

线缺陷

面缺陷

晶体的缺陷

1、点缺陷——空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。1、点缺陷——空位和间隙原子2、线缺陷——位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。2、线缺陷——位错3、面缺陷——晶界和亚晶界实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图2－23、2－24），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。3、面缺陷——晶界和亚晶界纯铁的同素异晶转变反应式:金属的同素异晶转变1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe纯铁的同素异晶转变反应式:金属的同素异晶转变1394°C9钢的热处理1.热处理的定义:时间温度临界温度

热加保温冷却钢的热处理1.热处理的定义2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整

钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式，以改变合金的组织与结构，从而改变其性能的一种工艺方法。钢的热处理

钢铁材料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式，以

公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。热处理的发展史

早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢热处理

随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。

中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。

法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢

1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。1850～1880年，对于应用各种气体(诸如越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。长55.7厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器,钢的退火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。二)目的:

消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。钢的退火一)定义:把零件加温到临界温度以上二)目的:消除钢的正火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

在空气中冷却。二)目的:

消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。钢的正火一)定义:把零件加温到临界温度以上二)目的:消除钢的淬火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后在冷却介质中快速冷却

(水、油冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。钢的淬火一)定义:把零件加温到临界温度以上二)目的:为了理想淬火介质：高温冷速快，低温冷速慢淬火介质：（1）：盐（碱）水，600℃/s（2）：工业用水,450～500℃/s（3）：矿物油，240～300℃/s（4）：其它水高温冷速慢，低温冷速快油高温冷速慢，低温冷速慢※注意：钢淬火后必须立即回火理想淬火介质：钢的回火一)定义:

把淬火后的零件重新加温到

A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。二)目的:

消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。钢的回火一)定义:把淬火后的零件重新加温到二)目的:消耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500～650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650～A1高温软化工艺参数淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回感应加热表面淬火感应加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）

感应加热表面淬火感应加热的基本原理:*感应电流---涡硬度冲击韧性疲劳强度课件火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火的基本方法化学热处理

(ChemicalHeatTreatment)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。化学热处理

(ChemicalHeatT

化学热处理的基本过程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕化学热处理的基本过程:2.吸收:活性原子被零件表面吸收和化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,

即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。

化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,

气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图2.钢的渗氮(Nitridationofsteel)1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢。4)方法:气体渗氮。2.钢的渗氮(Nitridationofsteel金属材料课讲座1、金属的性能2、金属的分类授课内容3、金属的结构4、金属的组织

5、钢的热处理

金属材料课讲座金属的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能变形性能金属的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸材料的其他性能

物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。

材料的其他性能

物理性能：金属的力学性能定义:

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。金属的力学性能定义:强度和塑性拉伸实验与拉伸曲线拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样强度和塑性拉伸实验与拉伸曲线拉伸试样2.拉伸过程2.拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s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。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp拉伸曲线Fssop段：比例弹性变形阶段；ΔlFΔlbΔluΔl应力与应变曲线(1)应力σ

：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S0表示:F 载荷(N)σ=——(Mpa) S0

原始横截面积(mm2)(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl 伸长量(mm)

ε=——

l0

原始长度(mm)(3)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ应力与应变曲线(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲强度:

材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

(1)屈服点与屈服强度:

产生明显塑性变形的最低应力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σsσb强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:抗

Fb

σb

=

(MPa)

S1试样拉断前的载荷(N)试样颈缩横截面积(mm2)

(2)断裂点与抗拉强度:

试样被拉断前的最大应力值.Fb试样拉断前的载塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

S与原始横截面积S0之比。

伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0塑性:断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ例如:50克黄金可以锤成9m2面积（0.0001mm），抽丝可以达到8000m（直径1.6道，人发7道，1道=0.01mm）某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。例如:50克黄金可以锤成9m2面积（0.0001mm），硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力常用测量硬度的方法硬度布氏硬度HB(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness适用范围:

＜450HBS;

＜650HBW;压头类型：Φ10

Φ5

Φ2.5载荷：125～3000Kg保荷时间：10s;15s;30s;60s;适用范围:＜450HBS;＜650HBW;压头类型：Φ1布氏硬度是无量纲单位。HBS表示用淬火钢球压头，HBW表示用硬质合金压头。

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度是无量纲单位。HBS表示用淬火钢球压头，HBW表示用(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计1HRC≈10HBS(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness洛氏硬度有三种标尺HRA:加载50公斤，金刚石压头；HRB：加载100公斤，淬火钢球压头；HRC：加载150公斤，金刚石压头；原理：测深度，硬度计内带有自测装置硬度冲击韧性疲劳强度课件(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;(3)维氏硬度HV

(diamondpenet冲击韧性(notchtoughness):

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击韧性(notchtoughness):冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak值的影响因素：与材质有关与零件的形状有关与工作温度有关当工作温度降低到某一温度以下时，金属的韧性会降至零。此温度称为该金属的韧脆转变温度。例如：泰坦尼克号南非的坦克到西伯利亚

Ak值的影响因素：当工作温度降低到某一温度以下时，金属的韧性七.疲劳强度(fatiguestrength):

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值。七.疲劳强度(fatiguestrength):

钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb例如：飞机发动机主轴的服役时间钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取1943年美国T-2油轮发生断裂1943年美国T-2油轮发生断裂工业纯铁（C%小于0.0218%）

碳素钢钢铁钢（0.0218＜C%＜2.11）合金钢铸铁（2.11＜C%＜6.69）硬度冲击韧性疲劳强度课件钢铁力学性能与碳含量WC的关系钢铁力学性能与碳含量WC的关系碳素钢（简称：碳钢）carbon-steel重点是常见牌号的含义、性能、应用。GB/T13304—1991规定：钢按化学成分分：非合金钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。非合金钢——是指WC<2.11%，并含有少量Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金。（一）、常存元素对碳钢性能的影响（了解）1、锰Mn作用：脱氧，FeO还原Fe；与S作用→MnS降低热脆性；提高强度、硬度。有益元素2、硅Si作用：与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F中，固溶强化。有益元素。碳素钢（简称：碳钢）carbon-steel重点是常见牌号3、硫S作用：形成FeS(熔点1190℃），在晶界处，在1100℃—1200℃时，压力加工，产生脆裂。“热脆”。有害元素4、磷P作用：全部溶于F中，固溶强化；σ、HB↑↑，在低温下引起脆断——“冷脆”。有害元素（二）、碳钢分类、牌号、用途（掌握内容）1、分类（1）按钢中含碳量多少分：低碳钢中碳钢高碳钢Wc<0.25%Wc=0.25%—0.7%Wc>0.7%----1.4%3、硫S作用：形成FeS(熔点1190℃），在晶界2、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少）普通碳素钢:优质钢:高级优质钢:S、P较高；Ws≤0.05%,Wp≤0.045%Ws≤0.035%,Wp≤0.035%;Ws≤0.02%.Wp≤0.03%;3、按钢的用途不同分：（1）碳素结构钢structuralsteel（2）碳素工具钢

toolsteel（3）特殊性能钢specialsteel（4）铸钢castingsteel——适用于各种机器零件、工程结构件——制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等——用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境。——形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件。2、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少）普通碳素钢:S、（三）碳钢的牌号、用途1、碳素结构钢

GB700—1988牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高，D的S、P量最低，且质量最好。如：Q235—A.FQ——“屈”字汉语拼音字首235——σs≥235MPaA——质量等级A级F——脱氧方法，指“沸腾钢”制造的钢材，一般不标出。牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类（三）碳钢的牌号、用途1、碳素结构钢GB700—19882、优质碳素结构钢——S、P含量较低，用于重要零件GB699—88规定：牌号用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几。如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。如:45钢是WC=0.45%20Mn、65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢。3、碳素工具钢GB1298—88规定：牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示。数字表示WC的千分之几。如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢。2、优质碳素结构钢——S、P含量较低，用于重要零件GB699补充：铸钢

GB/T5613—1995牌号：用“铸钢”汉语拼音字首ZG表示。如：ZG200—400

用变速箱体、壳等，焊接性好。200——σs≥200MPa400——σb≥400MPa还有：ZG230—450；用力不大的阀体、轴承盖。ZG270—500热轧曲轴、连杆等注意：碳钢分类；说出常见钢号20、45、65Mn、Q235B、Q235A、T7、T10、T10A、T12、ZG200—400等，属哪类钢，有何性能特点，用途。补充：铸钢GB/T5613—1995牌号：用“铸铸造碳钢ZG

200-400σb

≥400MPaσs≥200MPa铸钢铸造碳钢ZG200-400σb≥400MPaσs合金钢

alloy---steel一、分类1、按含合金元素量多少：（1）低合金钢（2）中合金钢（3）高合金钢W含量<5%W含量>10%W含量=5%～10%2、按用途分：（1）合金结构钢（2）合金工具钢（3）特殊性能钢——轴、齿轮、钢筋、型钢等——刀具、模具、手用工具等——不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等二、合金元素在钢中的作用（了解）1、与铁作用：固溶于铁素体中，固溶强化，↑力学性能。合金钢alloy---steel一、分类1、按含合2、与碳作用：①固溶于铁素体；②形成碳化物，↑↑HB、σb.总的看来：在碳钢的基础上，加入些合金元素，提高淬透性，提高综合力学性能，满足使用要求。合金结构钢一、低合金高强度钢：GB/T1591—1994

（原：低合金钢）牌号：标出含碳量WC、化学元素和含量。两位数字+元素符号+数字含元素量的