金属材料热处理-第二章材料性能

第二章金属材料的性能§2－1金属材料的损坏与塑性变形§2－2金属的力学性能§2－3金属的工艺性能§2－4力学性能实验§2－1金属材料的损坏与塑性变形一、与变形相关的几个概念二、金属的变形三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化在生产中，机器零件的性能往往达不到理想要求，许多零件在使用过程中会发生损坏，不但严重影响生产，甚至造成人身事故。问题1机械零件在使用中常见的损坏形式有哪几种呢？

一、金属的变形弹性变形弹－塑性变形断裂滑移与位错金属变形实验1.特点

弹性变形：

金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。

塑性变形：

金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。2.变形原理金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。弹性变形指外力消除后能够恢复的变形。如弹簧的工作压缩、桌面支撑物品的变形等。塑性变形指外力消除后无法恢复的永久性变形。造成零件损坏的变形，通常是指塑性变形。如钢筋的弯折、零件的冲压等3.常见塑性变形形式1）轧制（板材、线材、棒材、型材、管材）

板材轧制2）挤压

（低碳钢、有色金属等型材）3）冷拔（碳钢、有色金属等线材、型材、管材）线材拉拔管材拉拔4）锻压（碳钢、合金钢、特种钢坯料）5）冷冲压

（低碳钢、合金钢板材）二、与变形相关的几个概念

（1）静载荷———大小不变或变化过程缓慢的载荷。

（2）冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。

（3）交变载荷——大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。1．载荷

载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。根据载荷作用性质的不同分：载荷的作用形式

根据载荷作用性质不同：

a）拉深载荷--拉力

b）压缩载荷—压力

c）弯曲载荷--弯力

d）剪切载荷--剪切力

e）扭转载荷--扭转力

内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为。2．内力

应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的内力。3．应力R：应力，Pa；F：外力，N；S：横截面面积，m2。金属塑性变形的影响因素：1．晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，将产生有利和不利的不均匀的变形，导致内应力的产生。2．晶界的作用晶界阻碍位错运动，使金属的塑性变形阻力增大。3．晶粒大小的影响

单位体积内金属晶粒越细小，晶界越多，金属越难进行塑性变形。三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

1.冷塑性变形结果

外部：晶粒形状发生变化——沿着变形方向被压扁或拉长；

内部:晶粒内部位错密度增加，晶格畸变加剧；

性能:金属强度和硬度提高，塑性和韧性下降。这种现象——称为“形变强化”或“加工硬化”。塑性变形后的金属组织

金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。2.加工硬化的应用

对于不能通过热处理强化的金属是一种重要的强化手段，可提高材料抗突然超载的能力。意义：

1）是一种材料强化手段—形变强化；

2）有利于塑性变形均匀进行；

3）有利于金属构件的工作安全性。3.加工硬化的不利1）影响材料力学性能不利：使得再变形困难；使得金属的切削加工，冲压加工带来困难。解决办法：在冷加工之间进行中间热处理——再结晶退火。2）影响材料物理性能和化学性能不利：电阻增加，导电、导磁性下降；化学活性增大；耐腐蚀性下降。解决办法：去应力退火。§2－2金属的力学性能一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧性*五、疲劳强度

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。一、强度

强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。其大小用应力表示。

抗拉强度——拉伸实验测定抗压强度抗剪强度抗扭强度抗弯强度

1．拉伸试样

d——试样直径

Lo——标距长度低碳钢拉伸实验2．力－伸长曲线

弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段力－拉伸曲线3．强度指标

（1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。ReL——试样的下屈服强度，N/mm2；FeL——试样屈服时的最小载荷，N；So——试样原始横截面面积，mm2。

规定产生0.2残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2，替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。2．抗拉强度Rm

抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。Rm——抗拉强度，MPa；

Fm——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明显屈服的材料，为试验期间的最大力），N；

So——试样原始横截面面积，mm2

。二、塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。1．断后伸长率A

试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。2．断面收缩率Z

试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。

【例】有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。解题过程三、硬度

硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。布氏硬度试验机洛氏硬度试验机维氏硬度试验机1．布氏硬度

布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符号HBW表示：布氏硬度原理表示方法：

布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。例：170HBW10/1000/30：直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。600HBW1/30/20：直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。应用范围：

主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。2．洛氏硬度

洛氏硬度计表盘

洛氏硬度试验原理洛氏硬度原理HR=100—表示方法：

符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。

例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围

硬度标尺压头类型总测试力(N)硬度值有效范围应用举例HRC120°金刚石圆锥体1471.020～67HRC一般淬火钢HRBφ1.5875mm

硬质合金球980.725～100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRA120°金刚石圆锥体588.460～85HRA硬质合金、表面淬火钢等四、冲击韧性

冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲试验来测定。冲击试样

用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示。

冲击实验*五、疲劳强度

由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号R－1表示。§2－3金属的工艺性能金属材料的一般加工过程

金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工性能和焊接性能、热处理性能等。冶炼→铸造铸件铸锭热锻热轧→焊接机加工冷轧、冷拔、冷冲板料、棒材、型材、管材机加工机加工零件一、铸造性能二、锻压性能三、焊接性能四、切削加工性能五、热处理性能一、铸造性能

铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。

1．流动性熔融金属的流动能力。

2．收缩性铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中，体积和尺寸减小的现象。

3．偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现象。二、锻压性能

用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。三、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对碳钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成分有关（其中碳的影响最大）。四、切削加工性能

切削加工性能