《物流货物材料基础》项目六 金属材料的采购与使用

项目六金属材料的采购与使用12433任务一金属材料的性能认知任务二掌握金属材料的力学性能任务三

了解金属材料的工艺性能任务四

金属材料性能的改善返回任务一金属材料的性能认知一、金属材料的物理性能物理性能是指金属所固有的特性，它是金属的本质不发生变化所表现的性能，一般包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性。(一)密度密度是指某种物质单位体积的质量，单位为克/厘米3(g/cm3)。金属材料的密度直接关系到由它所制成的零件或结构的质量和紧密程度，如铝合金、钦合金就是因为密度小、强度高而被广泛用于航空、航天工业。不同金属材料的密度不同，金属材料管理工作中经常利用密度计算材料的理论重量，即质量=密度X体积。下一页返回任务一金属材料的性能认知(二)熔点金属由固态开始熔化为液态时的温度叫熔点，单位为℃。反之，由液态凝固成固态时的温度叫凝固点。从理论上说，同一种金属的熔点和凝固点相同，不同金属的熔点差别很大，如钨的熔点高达3380℃，而汞则为一39℃。熔点的高低与金属材料的应用关系很大，例如保险丝、印刷合金等大多采用铅、锡等配制的低熔点合金;灯丝、加热元件等则大多由熔点很高的钨、钥及其合金制成。(三)热膨胀性金属材料受热时，体积胀大的特性称为热膨胀。精密仪器和精密机床的零件要求采用热膨胀性小的材料制造;异性材料焊接时要考虑它们的热膨胀性是否接近，否则会因膨胀不等而使零件变形或损坏。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知(四)导电性金属具有传导电流的能力，叫做导电性。衡量导电性好坏的指标是导电率和电阻率，导电率与电阻率成反比。导电率越高，材料的导电性越好。银的导电性最好，其次是铜和铝，合金的导电性一般比纯金属差。所以，导体材料多采用纯铜和纯铝等导电性好的材料制造;电热元件、电阻材料等大多由导电性差的镍铬合金和铬铁合金等制造。金属材料的电阻率随温度变化而变化，衡量这种性能的指标叫做电阻温度系数，对于变阻器及标准电阻等来说，电阻温度系数是选材时考虑的重要因素。(五)导热性金属具有传导热量的能力，叫做导热性。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知在工业生产中，进行锻造、焊接及热处理时，必须考虑金属材料的导热性。因为材料在加热或冷却时，由于表面和内部的温度不是均匀地升高或降低，存在着温差，内部会产生内应力，如果内应力大于强度时，就会产生裂纹。因此，在制定金属材料的热变形及热处理工艺规范时，导热性好坏有重要意义。导热性好的金属如铜、铝及其合金，用来制造散热器、热交换器等零部件。(六)磁性金属材料能被磁场吸引或磁化的性能叫做磁性，也叫作电磁性能。金属材利根据磁性通常可分为铁磁性材料、顺磁性材料和逆磁性材料3类。1.铁磁性材料在外加磁场中能强烈地被磁化，如铁、镍、钴及合金。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知2.顺磁性材料在外加磁场中只能被微弱地磁化，如锰、铬、钥、钨、铝等。3.逆磁性材料能抵抗或削弱外加磁场对材料本身的磁化作用，如铜、铅、锌、锡等。通常说的磁性材料是指铁磁性材料，而弱磁性和无磁性材料指的是顺磁性和逆磁性材料。变压器、电机中的铁芯大多都是由电工纯铁、硅钢片等铁磁性材料制造的;罗盘盒、仪表壳等要求不易磁化或能避免电磁场干扰的零件，大多都是用铜、铝等无磁性或弱磁性材料制造的。铁磁性材料又可分为软磁性材料和硬磁性材料两种。软磁性材料的磁导率大，外加磁场去除后剩磁少，硅钢片就是软磁性材料;硬磁性材料，当外加磁场去除后，剩磁大，去除困难，高碳钢、钴钢、铁钴镍合金等属于硬磁性材料。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知二、金属材料的化学性能金属腐蚀是指金属材料与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏现象。金属材料的腐蚀现象广泛地存在于物流的各个环节中，也存在于我们的日常生活中。金属材料被腐蚀将严重影响其正常使用，并缩短使用寿命，因此要求金属材料具有抵抗周围介质侵蚀的能力，这种性能称为化学性能。化学性能主要指其化学稳定性，根据腐蚀条件不同，金属的化学性能分别叫做耐蚀性、耐酸性、耐热性等。(1)耐蚀性:指金属能抵抗大气和弱介质(如水、水蒸气)腐蚀的能力。(2)耐酸性:指金属能抵抗强腐蚀介质(如酸、碱、盐溶液)腐蚀的能力。(3)耐热性:金属的耐热性包括抗氧化性和热强性。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知抗氧化性是指金属材料在高温下，能抵抗气体氧化腐蚀的能力;热强性指金属材料在高温下不仅具有抗氧化性，还具有足够的高温强度的能力。不同使用条件要求金属材料具有不同的耐腐蚀能力，因此，应选用不同成分的金属材料。如化工设备中输送酸液的管道，应选用耐酸钢;加热设备的支架退火炉罩等，应选抗氧化钢;汽轮机的叶片，高温下工作的螺栓、弹簧、紧固件等，应选用热强钢。防止金属材料腐蚀是金属材料保管的主要任务之一，如果保管不善，将加速材料的腐蚀，使其性能、质量和使用价值降低，甚至造成报废。因此，只有掌握金属材料的化学性能，据此采取有效的防护措施，才能保证库存材料的质量，搞好材料供应。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知三、影响金属材料性能的因素影响金属材料的因素是多方面的，其中主要包括金属的化学成分、组织结构和加工工艺3个方面。(一)化学成分的影响钢的成分中除铁和碳以外，还包含一些其他元素。根据这些元素在钢中的来源、作用、数量的不同，可以分为常存元素和合金元素。常存元素是由原料及冶炼过程本身带到钢中的，如硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等，在钢中一般都或多或少地存在，其数量比较少，大多数对钢的性能有不利影响;有的元素虽然对钢的性能有益，但影响并不显著。合金元素则是为了改善钢的组织和性能，特意加入钢中的，如硅、锰、铬、镍等。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知1.常存元素的影响1)硅的影响硅是由原料及脱氧而残留在钢中的元素。硅的脱氧能力比锰还强，能消除氧的有害影响。硅的固溶强化作用仅次于磷，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，但对钢的冲压性能有不利影响。2)锰的影响锰是由原料及炼钢末期用锰铁脱氧而残留在钢中的元素。锰具有很好的脱氧能力，可改善钢的品质;锰和硫可生成高熔点的MnS(1620℃)，消除硫的热脆性;锰能溶入铁素体引起固溶强化，并使钢材在热轧冷却时得到片层较细的珠光体，增加珠光体的相对数量，在不降低钢的塑性、韧性的前提下，提高钢的强度和硬度。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知由于锰在钢中的有益作用，冶炼时一般把锰控制在钢号成分的上限。3)硫的影响硫是生铁及原料带入钢中的有害杂质。硫能引起热脆性，影响钢的热加工性能和焊接性能。这是因为硫在钢中不溶于铁素体，而是以FeS或FezS3与Fe的共晶体形式存在，以网状分布于奥氏体晶界上，其熔点较低(985℃)，当钢加热至1000℃以上时，共晶体熔化，造成晶粒间失去牢固的联系，使钢在承受外力或内部应力时沿晶界开裂，这种因钢在热加工时产生变脆而开裂的现象，称为热脆性。硫化物夹杂还是钢形成纤维组织的原因之一，造成钢材性能上的方向性，影响钢的冲压性能。硫化物夹杂还会引起应力集中，降低钢的塑性、韧性和疲劳强度。硫对钢性能唯一有益作用是可改善钢的切削加工性能。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知4)磷的影响磷是由于生铁等炼钢原料带入钢中的。磷在钢中能全部溶入铁素体，磷又是固容强化能力最强的元素，因而能显著提高钢的强度和硬度，但使钢的塑性和韧性显著降低，脆性转变温度升高，产生明显的脆性。钢在低温变脆的现象称为冷脆性。冷脆性对承受冲击载荷或零下温度使用的钢结构十分有害，而且恶化钢的冷压力加工性能和焊接性能，因此，磷也是钢中的一种有害杂质。在含碳量较低的钢中，磷的冷脆倾向较小，可以利用磷的固溶强化作用提高钢的强度。此外，磷还可提高钢抗大气腐蚀能力，改善钢的切削加工性能。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知因此，在低合金结构钢中，磷是一种有益的合金元素，含磷量可达0.08%~0.13%。在易切钢中可达0.08%~0.15%，在炮弹钢中加入磷，大大增加了钢的脆性，使炮弹爆炸时碎片增多，可以提高炮弹的杀伤力。5)氮的影响氮是随炉料和炉气进入钢中的。氮在α一Fe中的溶解度随温度的降低变化很大，590℃可达0.1%，在室温时则降低至0.001%以下，当钢从高温较快冷却时，多余的氮来不及析出，α一Fe成为含氮过饱和的固溶体，这种过饱和固溶体是不稳定的，随时间的延续，氮将弥散析出，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。金属材料的性能随时间延续而发生变化的现象，称为时效。钢中含氮量越高，时效倾向越严重，时效可以提高钢的强度，但对一般低碳钢来说，由于时效降低钢的塑性和韧性，而低碳钢又常用在对塑性、韧性要求较高的场合，因而，氮是有害元素。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知当钢中加入铝或钒、钛、铌等元素时，则可形成稳定的氮化物使氮得以固定，从而可消除氮的时效倾向。同时，这些氮化物还可以通过弥散强化和细化晶粒的作用，使钢的强度和韧性都得到提高。此时，氮则是有益的合金元素了。6)氢的影响氢是由炉料和浇注系统含有水分带入钢中的，氢是钢材产生白点缺陷的主要因素。白点实际上是钢材内部的小裂纹，因在钢材纵截面上表现为椭圆形银自色亮点，所以叫做白点。白点的形成，一般认为是固溶于钢中的氢由于溶解度降低而析出，当钢在某一温度范围内较快冷却时，氢来不及从钢中逸出，氢原子结合为氢分子，在钢组织的空隙中集聚，产生很大的压力，在钢的内部应力共同作用下形成的。白点危害很大，是不允许存在的缺陷。氢还使钢的塑性、韧性降低，引起氢脆。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知7)氧的影响氧在钢中以氧化物或硅酸盐夹杂存在，使钢的塑性、韧性和疲劳强度降低。夹杂物沿加工方向伸长，造成钢材性能上的方向性，恶化钢的冲压性能;有的氧化物具有高硬度，对钢的切削加工有不利影响。有的会恶化钢的热加工性能和焊接性能。2.合金元素的影响根据合金元素和碳相互作用的不同，可将其分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。1)碳化物形成元素对钢性能的影响碳化物形成元素是指在钢中能与碳形成碳化物。按照形成碳化物的稳定程度，由弱到强依次排列:铁、锰、铬、钥、钨、钒、铌,钛、锆等。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知强碳化物形成元素，只要钢中有足够的碳，就可以形成自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态进入固溶体中。弱碳化物形成元素，一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分则进入渗碳体中，形成合金渗碳体。碳化物的共同特点是熔点高、硬度大，是钢中重要强化相。它们不仅通过其数量，而且通过其析出形式、颗粒大小与分布强烈地影响钢性能，是中、高碳钢强化的主要形式。它们一般可用来提高钢的强度、硬度、耐磨性、红硬性及其某些特殊性能，并通过细化晶粒等作用改善钢的塑性和韧性。2)非碳化物形成元素对钢的影响上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知非碳化物形成元素如硅、铝、镍、钴、磷、铜等，不与碳形成碳化物。非碳化物形成元素一般以原子状态进入固溶体中，引起晶格畸变，起到固溶强化作用，使钢的强度、硬度提高，但使钢的塑性和韧性有下降的趋势。固溶强化是热轧后直接使用的低合金结构钢的重要强化手段。按照合金元素对铁素体的强化效果从强到弱排列:为磷、硅、锰、铝、铜、镍、钨、锢、钴、铬等。对铁素体强化效果较大的元素含量超过一定限度，在提高强度的同时，使钢的塑性、韧性有所降低。对铁素体强化效果较小的元素，则对钢的塑性、韧性影响较小。然而镍比较特殊，它一方面能显著提高钢的强度，另一方面却使钢始终保持较高的塑性和韧性。3.合金元素对钢热处理性能的影响上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知1)对淬透性的影响所有的合金元素(除CO外)都能提高过冷奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，从而提高钢的淬透性，锰、铬、钼、硅、镍、铜、硼都是提高钢淬透性最显著的元素。但是，只有当合金元素溶入奥氏体后，才能提高钢的淬透性。强碳化物形成元素钒、钦、错等，只要钢中有足够的碳，它们就能形成碳化物，降低奥氏体中的含碳量和合金元素含量，从而使奥氏体的稳定性降低，有降低钢淬透性的作用。2)对回火稳定性的影响碳化物形成元素与碳的亲和力大，能减慢碳的扩散，阻碍碳的聚集和长大，在较高温度下回火时仍能使碳化物保持细小、分散的状态;同时，还能提高再结晶温度，显著提高钢的回火稳定性。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知因合金钢的回火稳定性比碳钢高，在达到相同强度、硬度的条件下，合金钢可以在较高温度进行回火，使钢中的残余应力充分消除，提高钢的塑性和韧性，合金钢的综合力学性能比碳钢好就是这个道理。回火稳定性高的钢，可以提高钢的工作温度，使钢在较高温度下仍保持高的强度和硬度。3)对回火脆性的影响回火脆性的产生一般认为是由于某些杂质元素在奥氏体晶界聚集造成的，若将已产生回火脆性的钢重新加热至600℃以上，然后快冷，由于杂质元素还来不及在奥氏体晶界上聚集，即可消除回火脆性。但大截面的调质零件很难做到快速冷却，则在有回火脆性的钢中加入少量的锢(0.3%~0.4%)或钨(0.8%~1.2%)，能显著降低和消除钢的回火脆性。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知4)对二次硬化的影响合金元素钦、锢、钨、钒等能使钢回火产生二次硬化现象。二次硬化在高温回火的高碳高合金钢中最为明显。二次硬化是提高钢红硬性及蠕变强度的主要途径，对高速工具钢、热变形模具钢和某些耐热钢，都具有重要意义。(二)组织结构的影响决定金属材料的性能，除化学成分外，在很大程度上还取决其组织结构。金属的组织结构包括金属的内部组织和晶体结构。内部组织是指借助显微镜而观察到的金属材料的内部情况。晶体结构是指X射线分析方法进一步研究得到的晶体内部原子的各种规则排列方式。(三)加工工艺的影响上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知金属材料的性能还与其加工工艺有关，依据不同的使用要求，金属材料可选择不同的冶炼工艺、压力加工工艺和热处理工艺进行生产，从而获得不同的性能特点，满足不同的使用要求。1.冶炼工艺的影响钢是由生铁冶炼而成的，是在高温下利用各种来源的氧，把生铁中的碳氧化到规定的范围，并去除有害杂质或添加必要的合金元素，以得到一定成分和性能的钢，这一过程称为炼钢。钢的冶炼工艺不同，冶炼出来的平炉炼钢生产效率低、节奏慢、成本高，先进产钢国家早在20世纪70年代就已基本淘汰了平炉，而广泛采用氧气顶吹转炉。由于历史原因，中国的平炉一直没有淘汰。但最近几年我国大型钢铁企业逐渐淘汰了平炉。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知转炉是目前我国的主要炼钢设备，具有生产效率高、质量好、成本低等优点，得到广泛应用。电炉是利用电能作为热源的炼钢方法，对炉内气氛容易控制，可将硫、磷含量降低到很低程度(0.10%一0.015%以下)，气体和非金属夹杂少，故绝大部分合金钢都是由电炉冶炼的。炼钢是个氧化的过程，氧对炼钢起着主要作用，但氧在固态钢中十分有害，因此在炼钢末期，必须将钢中多余的氧去除，这一过程称为脱氧。根据脱氧程度的不同，可将钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，钢液中氧含量较高，当浇注时，碳与氧发生化学反应，产生大量的一氧化碳气体，钢液在钢锭模内产生沸腾现象，因此而得名。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知沸腾钢中存在大量的气泡，抵消了钢凝固时的体积收缩，没有集中缩孔，成材率高，成本低。沸腾钢由于不用硅脱氧，其含硅量低，表面质量和冲压性能好。但钢的杂质多，偏析大，冷脆和时效倾向大，冲击韧性差。镇静钢是脱氧完全的钢。浇注时钢液平静不沸腾，由于钢液平静，夹杂物易于上浮，纯净度较高;同时镇静钢偏析小，组织均匀致密，性能均匀，冷脆和时效倾向小。因此大多数优质钢都是镇静钢。但镇静钢钢锭头部有集中的缩孔，在轧制中需要切去，成材率较低。半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间，其性能介于沸腾钢和镇静钢之间，没有集中缩孔，偏析小，性能波动小，力学性能好。上一页下一页返回任务一金属材料的性能认知2.压力加工方法的影响金属按加工温度不同，分为热加工和冷加工。冷加工后的金属被加热到较高温度，已拉长破碎的晶粒被新的等轴晶粒而取代，已歪斜、畸变的晶格也得以恢复，这种现象叫再结晶，能发生再结晶现象的最低温度，叫做再结晶温度。在再结晶温度以下的塑性变形叫冷加工，冷加工能使金属材料产生加工硬化现象，提高金属的强度、硬度和耐磨性。在再结晶温度以上进行的塑性变形叫热加工，热加工实际上是冷变形与再结晶现象同时进行的，不产生加工硬化现象，塑性、韧性较好。因此，相同成分的冷、热加工材相比，冷加工材料的强度、硬度较高，但塑性、韧性和耐蚀性较差。上一页返回任务二掌握金属材料的力学性能一、概述机械设备、工程结构、工具等在使用中不可避免地会受到各种外力的作用，它们能否在各种外力作用下正常工作，不发生变形或破坏，很大程度上取决于金属材料的力学性能。所谓力学性能是指金属材料在外力作用下表现出来的各种特性，也就是抵抗变形和破坏的能力。一般机械零部件，在设计和选用材料时，都以力学性能指标作为主要依据。力学性能主要包括弹性、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳等。金属材料在加工及使用过程中所受的外力，称为载荷或负荷。根据载荷作用性质的不同，分为静载荷、冲击载荷和交变载荷3种。静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷。冲击载荷是指突然增加的载荷。下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能交变载荷是指大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。金属材料受载荷作用而发生的形状和尺寸的变化称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形两种:弹性变形是指去掉外力后能恢复原来的形状和尺寸的变形。塑性变形是指在外力去掉后不能恢复原来形状和尺寸的变形。在外力作用下，材料在发生变形的同时，其内部原子间会产生一种阻止变形的抗力，称为内力，其数值大小与外力相等。单位面积上的内力称为应力，用下式计算:上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能式中P—外力(N);F—横截面积(mm2);σ—应力(MPa或N/mm2)。二、力学性能指标(一)强度的概念1.概念强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。由于承受载荷形式的不同，金属的强度可分为抗拉强度、抗压强度、弯曲强度等。其表示指标也不一样。通常以屈服点和抗拉强度指标来表示强度值的大小，它们是通过拉伸实验测定的。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能拉伸试验和拉伸曲线:拉伸试验是按照国家标准规定的形状和尺寸把材料制成拉伸试样，装在拉力试验机上，对试样施加逐渐增大的拉力，使试样逐渐产生变形，直到拉断试样为止。根据拉伸试验过程中试样变形量与载荷大小的关系，可以画出拉伸曲线，也叫拉伸图。拉伸试样的形状通常有圆形和矩形两种，试样的形状、尺寸及加工在国家标准中均有明确规定。常用的是圆形试样，如图6-1所示，do为试样直径;Lo试样标距长度。标准中规定试样可分为长试样(Lo=10do，)和短试样(Lo=5do)两种。大多数拉力试验机能自动绘出试样的拉伸曲线。图6-2为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷即拉力，横坐标表示变形量。图6-3为脆性材料的拉伸曲线。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能由图6-2可以看出试样在拉伸过程中，变形与载荷的关系分为以下几个阶段:当载荷为零时，变形量也为零。当载荷由零增加到Pp时，随载荷增加，试样伸长，试样伸长与载荷增加成正比例，拉伸曲线保持直线关系，如果此时卸去载荷，变形完全消失，这种随载荷的作用而产生，随载荷卸除而消失的变形，即为弹性变形。载荷超过Pp后拉伸曲线开始偏离直线，但发生的仍是弹性变形，Pe是保持弹性变形的最大载荷，实际上Pp和Pe很接近。当载荷超过Pe后，试样进一步发生变形，此时若去除载荷，大部分变形能随之消失，但有部分微量变形不能消失，这种不能随载荷去除而消失的变形，称为塑性变形。Pe是使试样只发生弹性变形的最大载荷。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能当载荷增加到Ps时，载荷保持不变而试样的变形继续增加，这种现象称为屈服现象。这时在拉伸曲线上出现水平阶段。s点叫做屈服点。Ps是使试样发生屈服现象时的载荷。屈服现象以后，当载荷超过Ps时，试样开始发生大量的塑性变形，同时为使变形增加，载荷也必须增加，直到Pb。此时试样的变形量是沿着试样长度方向均匀发生的。Pb是试样被拉断前所能承受的最大载荷。当载荷超过Pb时，试样局部发生大量变形，称为颈缩现象。此后试样的变形也局限在颈缩现象部分。由于试样局部截面积减少，使试样需要较小的载荷就断裂了，Pk为试样断裂时的载荷。通过上述分析可以看出，金属材料在外力作用下发生的变化是弹性变形，弹一塑性变形，直至断裂。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能2.强度指标常用强度指标有屈服点和抗拉强度。1)屈服点屈服点是指材料开始产生塑性变形时的最小应力或出现屈服现象时的应力，单位是牛顿/毫米2(N/mm2)或兆帕(MPa)。式中Ps—开始产生屈服现象时的载荷。

F0—试样原始截面积。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能屈服点代表材料抵抗微量塑性变形的能力，σS值越大，则表示该能力越大。它是设计零件与压力容器时选用金属材料的依据。例如，为了保证汽缸盖和汽缸体之间的密封性，缸盖螺栓是不允许发生塑性变形的。所以，设计缸盖螺栓是就以屈服点作为计算依据。拉伸试验时，只有少数材料如低碳钢、中碳钢等有明显的屈服现象，其他大多数材料没有明显的屈服现象，如高碳钢、铸铁等，如要测定其屈服点是很困难的。在这种情况下，就规定以屈服强度代替屈服点，用σ0.2来表示。屈服强度指材料产生0.2%塑性变形时的应力，也称为条件屈服强度。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能式中P0.2—拉伸试验时，试样产生0.2%伸长量时的载荷。由于屈服点(或屈服强度)和弹性极限的数值相差不大，而弹性极限又不易测定，因此，实际工作中常用屈服点而不用弹性极限来衡量材料的弹性。2)抗拉强度抗拉强度是指金属材料在拉伸过程中被拉断之前，所能承受的最大应力，用Rm表示，单位是牛顿/毫米2(N/mm2)或兆帕(MPa)。式中Pb—试样在断裂前承受的最大载荷。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能抗拉强度代表材料抵抗大量塑性变形的能力，对于不发生颈缩的材料，则代表抵抗破断的能力。屈服点和抗拉强度是工程设计和选材的重要依据，因此，也是金属材料营销和检验工作中的重要性能指标。工程结构上，为了提高材料的有效利用率，往往对屈强比还有一定要求。所谓屈强比是指屈服点和抗拉强度的比。屈强比较高，意味着屈服点接近抗拉强度，金属材料强度的有效利用率高，但可靠性较低。屈强比愈小，愈不易发生突然断裂，结构零件的可靠性较高。但屈强比太低，材料的强度水平就不能充分发挥。因此，不同的零部件对屈强比有不同的要求，选用不同屈强比的金属材料。如弹簧就要求有高的屈强比。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能3)高温强度高温强度指金属材料在高温下对机械载荷的抵抗能力。金属材料在某一温度下工作时，如果受到外力的作用，即使应力小于屈服点，也会随时间的推移产生缓慢的塑性变形以致破坏的现象，称为蠕变。温度越高，蠕变现象越严重，在较短的时间内能产生较多的变形。例如，蒸汽锅炉及化工设备中的一些高温高压管道，虽然所受的应力小于工作温度下材料的屈服点，但在长期事业过程中会产生缓慢而连续的塑性变形，使管径日益增大，管壁越来越薄，如设计不当或事业过程中疏忽，可能导致管道破裂。由于温度及高温载荷持续时间对材料的力学性能影响很大，因此，对在高温下工作的机械零件，不能只考虑常温下的力学性能指标，还必须同时考虑工作温度和时间两个因素的影响。金属材料常用的高温强度指标有蠕变极限和持久强度。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能蠕变极限是指在某一温度下，在规定持续时间内产生一定蠕变变形量的最大应力。它代表材料在高温下对塑性变形的抗力。用σδT/t表示。其中T表示试验温度(℃)，t表示试验持续时间(h),8表示伸长率(%)。持久强度是指金属材料在给定温度下，经过一定时间破坏时所能承受的恒定应力。它代表材料在高温下对破断的抗力，用σbT/t表示。

4)疲劳强度许多机械零部件，如轴、齿轮、连杆、弹簧等，经常在交变载荷作用下工作，虽然所受的应力远小于材料的屈服点，但经过长时间的工作后也会发生突然的断裂，这种现象称为疲劳破坏或金属的疲劳。疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下显示脆性或塑性材料，在疲劳断裂时，事先都不产生明显的塑性变形，断裂往往是突然发生的，因此具有很大的危险性，常常造成严重事故。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能金属材料抵抗疲劳破坏的能力，叫疲劳强度。衡量疲劳强度的指标是疲劳极限，疲劳极限是指材料在交变应力作用下，能承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力，用符号σ-1表示，单位为MPa。疲劳极限越大，材料承受无限次应力循环时所能承受的交变应力也越大。影响金属材料疲劳极限的因素很多，主要是金属材料的内部缺陷、零部件表面质量及应力集中等。(二)塑性金属材料在外力作用下，发生塑性变形而不断裂的能力叫作塑性。常用的指标有伸长率和断面收缩率。其值也是通过拉伸试验测得的。金属材料的塑性是进行压力加工、冷弯工艺等必须考虑的重要因素，此外，适当的塑性对提高金属结构的安全可靠性十分必要。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能1.伸长率伸长率是指拉伸试验时，试样被拉断后，长度增长量与原始长度的百分比率，用δ表示。式中L1—拉断后试样的长度(mm);L0—试样的原始长度(mm)。伸长率的大小表明金属材料断裂前能够拉长的程度，δ值越大，表明材料的塑性越好。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能必须指出，同一材料做拉伸试验时所用试样尺寸不同，测得的伸长率值不同。因此，用长试样和短试样求得的伸长率，分别用δ10和δ5表示，对于同一材料的，存在δ5>δ10的关系，这是因为试样拉断后总伸长量是均匀伸长量与颈缩部分伸长量之和。其中颈缩部分伸长量与试样长度无关，所以，短试样测得的伸长率大于长试样。对于不同材料，只有采用相同长度的试样δ值才能比较。2.断面收缩率断面收缩率是指试样被拉断后，其截面积的缩减量与原截面积(F0)的百分比率，用ψ表示。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能式中F1—试样断裂处的最小横截面积mm2；F0—试样原始横截面积mm2。断面收缩率越大，则材料的塑性越好。工程上通常把δ>5%的材料称为塑性材料;δ<2%~5%的材料称为脆性材料。断面收缩率与试样尺寸无关，它能可靠地代表金属材料的塑性。金属材料的好坏，对零件的加工和使用都具有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性较好，故可进行压力加工;普通铸铁的塑性很差，因而不能进行压力加工，但能铸造。同时，由于金属材料具有一定的塑性，故能保证不致因稍有超载而突然断裂，增加了金属材料使用的安全可靠性。因此，对于机械零件的塑性指标是有一定要求的。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能(三)硬度金属材料的硬度，一般是指材料表面局部区域抵抗变形或破裂的能力。根据试验方法和适用范围不同，硬度可分为压痕硬度、刻痕硬度、回弹硬度三种。显然，“硬度”不是一个确定的物理量，随测量方法的不同，其含义也不同。对于压痕法的硬度值，是表示材料抵抗其他更硬的物体压入其表面的能力。其实，硬度值也不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度、韧性等一系列物理量的综合性指标，它与材料的耐磨性关系密切，一般来说，硬度越高耐磨性越好。所以，硬度是金属材料的一个重要性能指标。目前金属材料检验中用得最多的是压痕法中的布氏硬度和洛氏硬度。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能1.布氏硬度布氏硬度是通过布氏硬度试验测得的。布氏硬度试验是以一定的载荷P，把直径D的淬火钢球压入被测金属材料的表面，并保持一定时间后，卸除载荷，在材料表面便留下一个压痕，如图6-4所示。用载荷P除以压痕面积F就是布氏硬度，用HBW表示。在实际使用中，布氏硬度值一般不标注单位，也不需要经过计算。式中P—载荷(N);F—试样的压痕面积(mm2);上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能D—钢球直径(mm);

d—压痕直径(mm)。只要测得压痕直径(d)的大小，便可查表(标准和材料手册中有)得出布氏硬度值。压痕直径(d)越小，布氏硬度值HBW越大，表明材料硬度越高。布氏硬度试验的优点是测得数据准确，但压痕较大，不适宜较薄的板材、带材，同时也受压头钢球的限制，不能测试硬度超过HB1}%450的材料，常用于测定有色金属、退火、正火、调质状态的钢。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能2.洛氏硬度洛氏硬度值是通过洛氏硬度试验测得的。和布氏硬度一样，属于压入法硬度试验，但不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小来表示材料的硬度值。试验时以锥顶角为120o的金刚石圆锥体或直径为1.588毫米的淬火钢球为压入器，先加以初载荷P0，然后加以主载荷P1，垂直压入试样表面之后，卸除主载荷后，在初载荷作用下，所引起的残余压力深度，以此压痕深度作为计量洛氏硬度值的基础，如图6-5所示。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能图6-5中为h0初载荷产生的压入深度，h0为初载荷和主载荷共同作用下的压入深度，h2为卸除主载荷后，金属恢复弹性变形而弹回的距离，这样由主载荷引起的残余压入深度h=h1-h0-h2。残余压痕深度越浅，材料越硬，为了合乎数值越大硬度越高的习惯，采用常数K减去h，并人为地规定每0.002毫米压痕深度为一个洛氏硬度单位，洛氏硬度值用HR表示。为了能用同一试验机测定极软到极硬较大范围的材料硬度，采用了不同的压头和载荷，组成了各种不同的洛氏硬度标度。我国常用的HRA,HRB,HRC三种标度，它们之间互不联系，彼此不能换算，与HBW值之间也不能相互换算。洛氏硬度试验规范见表6-1。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能洛氏硬度试验的优点是操作迅速简便，洛氏硬度值可以从试验机上直接读出;压痕小，不损伤工件表面，可以测较小尺寸的试样或成品工件;可以用不同标度测定各种金属材料的硬度。但准确性不如布氏硬度高，所测硬度值的重复性差。(四)冲击韧性前面提到的强度、硬度、塑性都是材料在静载荷作用下所表现的特性。实际许多构件工作中常常要承受冲击载荷的作用，如火车开车、刹车、改变速度时，连杆、曲轴等都将受到冲击。刹车越急，启动越猛，冲击力越大。另外，还有一些机械本身就是利用冲击载荷工作的，如锻锤、冲床、凿岩机等，这时仅有一定的强度不够，还应具有足够的抵抗冲击载荷的能力，人们将材料对冲击载荷的抵抗能力称为冲击韧性(简称韧性)。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能冲击韧性的好坏，一般用冲击吸收功或冲击韧性值和脆性转变温度来衡量。1.冲击吸收功和冲击韧性值冲击吸收功是指试样在冲击载荷作用下，折断时所吸收的功，用Ak表示，单位为焦。冲击韧性值是试样缺口处单位面积上所消耗的功，用ak表示，单位为焦/厘米2。冲击吸收功和冲击值通常通过一次摆锤冲击试验求得的。采用的试样有V形缺口和U形缺口两种。试验时将试样放在试验机上，使其缺口背向摆锤的冲击方向，然后将重量为G的摆锤举至一定高度H1，使其自由落下，将试样冲断，又继续提起一定的高度H2。如图6-6所示。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能式中G—摆锤的重量(kg);H1—摆锤举起的规定高度(cm);H2—摆锤冲断试样后摆锤回升的高度(cm);F—试样缺U处的横截面积(cm2)。

一般认为ak或Ak值越大，材料的韧性越好。我国目前一般是以冲击韧性值作为韧性指标的。实际上把ak作为材料冲击韧性指标不是很合适的，由于冲击功Ak在很大程度上取决于参加塑性变形的金属体积，而不取决于缺口截面积F，所以用ak值表示材料韧性的好坏，存在不合适的一面。因此，目前许多国家直接用冲击功Ak来衡量。在冲击载荷下工作的零件，实际上很少受一次超载荷冲击而破坏，多数情况下是受小能量的多次冲击下，才被破坏的。上一页下一页返回任务二掌握金属材料的力学性能因此，用一次冲击功或冲击值来衡量其抗力是不准确的，而应进行小能量多次冲击试验来衡量。在能量不大的情况下，材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度高低，而不是取决于冲击值的大小。因此，对于在能量不太大多次冲击载荷作用下工作的零件，主要强调的是应具有足够的强度。2.脆性转变温度材料的冲击韧性同温度有关，有些材料在常温20℃左右时，具有较好的韧性，但在低温时变脆，材料冲击韧性显著降低的温度叫做脆性转变温度。此温度越低，材料的低温冲击韧性越好。脆性转变温度也是判断金属材料冲击韧性的重要指标，对在寒冷地区和低温下使用的材料，尤其重要。此外，冲击韧性值的大小还受试样的形状、表面粗糙度、内部组织等因素的影响。上一页返回任务三了解金属材料的工艺性能金属材料在各种加工过程中，所表现出来的可接受加工的能力，叫做工艺性能。它包括铸造性、顶锻性、冲压性、焊接性、切削加工性、冷弯性等。(一)铸造性金属材料的铸造性是指金属经过熔化后，浇铸成型的性能。它包括流动性、收缩性和偏析。1.流动性流动性是指金属在液态时充满铸模的能力。流动性越好，越容易铸造复杂精致的铸件。影响流动性的主要因素是金属材料的化学成分，如含碳、硅、磷较高时，流动性好。下一页返回任务三了解金属材料的工艺性能2.收缩性收缩性是指铸件凝固时体积的收缩程度。收缩性越小，铸件凝固变形就小，铸件的质量越好。影响收缩性的主要因素是金属的化学成分、冷却速度和浇注温度。3.偏析偏析是指化学成分的不均匀性，偏析越严重，铸件各部位的性能就不均匀。铸件的可靠性越差。合金钢比碳钢偏析倾向大，高碳钢比低碳钢偏析倾向大。常用的金属材料中，铸铁和青铜具有良好的铸造性能，钢的铸造性低于铸铁。上一页下一页返回任务三了解金属材料的工艺性能(二)顶锻性顶锻性是指金属材料承受打铆、徽头等变形的能力。顶锻性是通过顶锻试验测定的，在常温下进行的叫冷顶锻试验;在锻造温度范围进行的叫热顶锻试验。进行试验时，应将试样锻至规定的长度(一般为原长度的1/3,1/2或2/3)后，试样侧面无裂缝、扯破、气泡等为合格。(三)冲压性冲压性是指金属材料经过冲压变形而不产生裂纹等缺陷的能力。冲压性能用杯突试验测定，试验是用规定的钢球或球形冲头顶压夹紧在压模内的试样，直至试样产生第一个裂纹为止。这时的压入深度叫杯突深度。杯突深度不小于标准规定时就为合格。材料能承受的杯突深度越大，冲压性能越好。上一页下一页返回任务三了解金属材料的工艺性能(四)切削加工性切削加工性是指金属材料承受切削加工时表现出来的能力。切削后工件的表面光洁、切削刀具不易磨损和切屑容易脱落，金属的切削加工性就好。金属材料的切削加工性由其硬度和韧性大致判断，硬度过大、过小或韧性过大，切削加工性能都不好，合适的硬度为HBW140一2500(五)冷弯性冷弯性是指金属材料在常温下能承受弯曲变形而不破裂的能力。出现裂纹之前能承受的弯曲程度越大，材料的冷弯性越好。金属材料的弯曲是弯曲处的塑性变形来实现的，因此塑性越大，冷弯性能越好。上一页下一页返回任务三了解金属材料的工艺性能(六)焊接性焊接性指把需焊接的接头部分，快速加热到熔化或半熔化状态，然后使两个分离体的接头牢固地结合成一体的性能。焊接性好的金属材料易于用常用的焊接方法和工艺焊接;焊接性差的金属材料必须用特定的焊接方法进行焊接;焊接性很差的甚至不能焊接。金属焊接性的好坏一般根据焊接时产生裂纹的敏感性及焊缝区力学性能的变化来判断。上一页返回任务四金属材料性能的改善一、热处理概述要改善金属材料的性能，可以有两个途径，一是通过调整金属材料的化学成分即合金化来改变金属内部组织，使其性能得以提高;另一个途径是对金属材料进行热处理。热处理就是对固态金属或合金通过不同的加热、保温和冷却的过程，以得到所需组织与性能的一种综合工艺。热处理的特点是不改变零件或成材的形状和尺寸，而通过改变其内部组织，使金属的性能得到改善与提高。热处理的目的，一是提高金属材料的使用性能，如提高强度、硬度、耐磨性等，提高材料的使用寿命，节约材料;二是改善材料的工艺性能，如切削加工性能、冲压性能等，提高生产效率和加工质量，降低成本。下一页返回任务四金属材料性能的改善热处理是强化金属材料、改善和提高其加工性能与使用性能、充分发挥材料性能潜力的重要手段之一。对延长材料的使用寿命、节约材料、降低成本有十分重要的意义，在金属材料的生产、使用中有着举足轻重的地位和作用。据统计，在汽车、拖拉机制造中，70%一80%的零件要经过热处理，刃具、量具及模具制造中，几乎全部都要进行热处理。在化工机械制造中，许多重要零件，如压缩机活塞杆、连杆、曲轴、活塞环、化工设备中钢制焊接件等，大多要进行热处理。根据热处理时加热和冷却方式不同，钢的热处理可分为几类，如图6-7所示。根据热处理在生产和加工过程中的作用，热处理又可分为预先热处理和最终热处理两大类。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善预先热处理是为冷加工(切削加工及冷压力加工)或进一步热处理作组织准备，如降低硬度、提高塑性、消除内应力、细化晶粒等。预先热处理多在冶金企业进行，所谓热处理交货状态，一般指的就是由冶金企业进行的预先热处理的交货方式。为了获得材料和零件使用性能的热处理，叫最终热处理，最终热处理主要在机械部门进行。如果金属材料由冶金企业交货后直接使用，则出厂前的预先热处理也就成了最终热处理。钢之所以能进行各种形式的热处理，主要是因为钢在固态下能发生组织的转变，而对钢进行加热、保温和冷却是热处理的必要条件，不同的热处理方法，加热和冷却方式不同，但都可以在温度一时间坐标图中描绘出来，如图6-8所示，该图称为热处理工艺曲线。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善二、钢在加热、冷却时的组织转变(一)加热时的组织转变加热是热处理工艺的第一道工序。加热的目的是获得细小而成分均匀的奥氏体，从而保证冷却后的组织和性能。一般来说奥氏体越细，冷却后力学性能越高。根据铁碳合金状态图可以知道铁碳合金的成分、温度和组织间的关系。某成分的钢在加热或冷却过程中，经过PSK线(A1线)时，会发生珠光体与奥氏体之间的相互转变;经过GS线(A3线)会发生铁素体与奥氏体之间的相互转变;经过ES线(Acm线)时，会发生渗碳体与奥氏体之间相互转变。这三条特征线是一系列不同含碳量的钢在固态时相变温度线，对某一成分的钢，它的相变温度就是临界点。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善从铁碳合金状态图可以看出，共析钢在室温下的组织为珠光体，当加热到A1时，珠光体转变为奥氏体;对于亚共析钢室温下组织为铁素体和珠光体，如果加热A1~A3温度时，只有珠光体向奥氏体转变，要继续加热到A3温度以上，才能使剩余的铁素体全部转变为奥氏体。同样，对于过共析钢室温下组织为珠光体和渗碳体，在加热到A1~Acm温度时，其组织为渗碳体和奥氏体，只有加热到Acm温度以上时，才能使剩余的渗碳体全部变为奥氏体。但是，加热的温度也不能太高，否则会得到粗晶粒，恶化钢热处理后的性能。在热处理时，奥氏体是通过形核和核长大来实现的。由于珠光体中的碳几乎都存在于渗碳体中，故当珠光体转变为奥氏体后，奥氏体的成分很不均匀。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善原先铁素体存在的区域含碳量较低，渗碳体存在的区域含碳量较高。因此，只有经过适当的保温，使钢件表面和芯部温度均匀，组织转变才能充分得到成分均匀的奥氏体组织，冷却后得到良好的组织和性能。(二)冷却时的组织转变钢经过加热和保温得到细小均匀的奥氏体，并不是热处理的最终目的，而是热处理过程中的一个手段，仅仅是为了冷却作组织准备。冷却是热处理工艺中最关键的一个工序，把加热后的奥氏体组织以不同的冷却速度进行冷却，使钢的组织和性能发生不同的转变，这才是热处理的最终目的。因为不同的冷却方式对控制冷却后的组织与性能，具有决定性作用。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善热处理工艺中，奥氏体化后的冷却方式通常有等温冷却和连续冷却两种:等温冷却是将已奥氏体化的钢迅速冷却到A1以下某一温度进行保温，使其在该温度下转变，这种冷却称为等温转变。连续冷却是将已奥氏体化的钢，以某种速度连续冷却，使其在临界点以下的不同温度转变，这种冷却称为连续冷却。如图6-9所示。铁碳合金状态图反映的是钢在非常缓慢冷却的条件下的组织转变情况，但在实际热处理生产中一般冷却速度较快，奥氏体的转变温度较低，其转变组织和性能并不完全符合铁碳合金状态图所反映的变化规律。研究钢在冷却时的组织转变对控制钢的组织和性能，具有重要意义。下面介绍共析钢过冷奥氏体在等温冷却时的组织转变。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善1.共析钢的奥氏体等温转变曲线通常把已冷却临界点A1以下，还没有发生组织转变的奥氏体，叫作过冷奥氏体。奥氏体的等温转变亦称为过冷奥氏体的等温转变。用来描述过冷奥氏体在等温转变时，其转变温度、转变时间和转变产物之间关系的曲线叫过冷奥氏体的等温转变曲线。亦称C曲线或S曲线，如图6-10所示。2.共析钢等温转变产物共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织和性能是不一样的，按转变的温度范围和转变产物组织的特点，可分为3种转变。1)高温转变(又称珠光体型转变)上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善从A1以下到550℃之间发生的转变为高温转变，其转变产物为珠光体型组织，即渗碳体呈片层状分布在铁素体基体上的组织。转变时过冷度越大，生成的组织片层越细，根据片层粗细不同，分别叫作珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。这三种组织没有本质区别，也没有严格的界限，只是片层粗细不同。由于片层粗细不同，其性能不同，片层越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好，具有良好的综合力学性能。2)中温转变(贝氏体型转变)过冷奥氏体从C曲线“鼻尖”以下至M.s(约230℃)以上温度范围内发生的转变为中温转变，其转变产物为贝氏体。贝氏体也是由铁素体和渗碳体组成的两相混合物，但和珠光体型组织不同，由于该区转变温度较低，铁扩散困难，碳扩散减弱，奥氏体中还有相当数量的碳不能扩散出来，转变成贝氏体后，贝氏体中的铁素体是含碳过饱和的固溶体。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善根据转变温度和生成物组织形态不同，贝氏体又可分为上贝氏体和下贝氏体。在550℃~350℃形成的贝氏体，称为上贝氏体。在350℃~Ms范围内形成的贝氏体，称为下贝氏体。3)低温转变(马氏体型转变)将过冷奥氏体从A1以上温度迅速冷却至230℃以下发生的转变，为低温转变，其转变产物为马氏体。由于转变温度低，过冷度大，铁、碳原子都失去了扩散能力，在Ms以下奥氏体直接发生同素异构转变，由γ-Fe转变为α-Fe，奥氏体的含碳量全部转移到α-Fe中，而α-Fe在727℃时含碳量最大只有0.0218%，碳原子强制地分布到铁晶格的间隙中，使α-Fe的体心立方晶格发生畸变而改组成体心正方晶格(a=b≠c)。把具有体心立方晶格、含碳过饱和的固溶体称为马氏体，用“M”表示。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善马氏体转变前后，新相马氏体和旧相奥氏体之间没有成分的变化，只是晶格类型发生改变。当奥氏体冷却至Ms以下，便有一批马氏体在奥氏体中出现，并以极快的速度瞬间长大，而且产生很大的体积膨胀，从而会对尚未转变的奥氏体造成很大的压力，抑制奥氏体向马氏体继续转变，这时冷却一旦停止，马氏体转变也就中断，必须继续冷却，在更低温度下才会有新的马氏体生成，可见马氏体是在一定温度范围内(Ms一Mz)连续冷却的产物。应该指出的是，即使冷却至马氏体转变终了温度Mz，奥氏体也不能100%地转变成马氏体，总有一部分奥氏体被保留下来。在实际热处理过程中，一般只冷却至室温，这样被保留下来的奥氏体数量将会更多。我们把被保留到室温，组织仍未发生转变的这部分奥氏体，称为残余奥氏体，用“A''’表示。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善残余奥氏体的硬度低，它的存在会显著降低工件的硬度和耐磨性，同时它还是一种不稳定组织，在工件长期使用中会发生分解，引起工件尺寸的变化，对精密工件和零件的尺寸精度极为不利。马氏体的特点是硬度高、脆性大、塑性差，是钢中重要的强化组织，只有经过回火处理后才能使用。马氏体的硬度主要取决于含碳量，随着马氏体含碳量的增加，其硬度也随之增加，塑性、韧性逐渐降低。所以，低碳马氏体除有较高的强度外，还兼有较好的塑性、韧性。低碳马氏体在生产中已经得到广泛的应用。三、热处理对钢性能的影响(一)退火上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善将钢加热到一定温度，经过保温，然后缓慢地冷却(一般为随炉冷却)，以获得接近平衡组织的热处理工艺，称为退火。退火的主要目的在于:(1)降低钢的硬度，改善切削加工性能。(2)细化晶粒，提高钢的力学性能。(3)消除应力，稳定工件尺寸。(4)消除偏析，改善和消除组织中的缺陷。根据钢的成分、退火目的、加热温度不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火去应力退火和再结晶退火等。各种退火和正火的加热温度范围及工艺过程如图6-11所示。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善1.完全退火完全退火是将钢加热至AC3以上30℃一50℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。所谓“完全”是指退火加热时，钢的组织完全转变成奥氏体，冷却时发生重结晶(固态结晶有晶格类型转变的，称为重结晶，如果没有晶格类型的转变，则称为再结晶)。完全退火可以得到细小而均匀的晶粒，消除热加工造成的内应力和钢中组织缺陷，降低硬度，提高塑性，改善钢的性能。退火只适用于亚共析钢，过共析钢一般不采用，因为钢加热AC3以上再缓慢冷却，渗碳体将以网状形式沿晶界析出，恶化钢的力学性能。2.等温退火上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善将钢加热AC3以上30℃一50℃，保温后，以任意的冷却速度冷却至Ar1以下某一温度，在此温度下经过一段时间保温，然后在空气中冷却，这种退火方法，称为等温退火。这种退火与完全退火相比，退火操作时间短，并可以获得在同一温度下转变的组织，因此可较好地控制组织和硬度。主要用于合金钢。3.球化退火球化退火亦称不完全退火。它是将钢加热至Ac1以上20℃一30℃，保温一定时间后缓慢地冷却的热处理工艺。它和完全退火的区别在于加热温度较低，钢的组织没有完全转变为奥氏体组织，所以亦称不完全退火。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，其目的使钢具有球化组织。所谓球化组织，就是在铁素体基体上均匀分布颗粒状的渗碳体。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善具有球化组织的钢，硬度较低，切削加工性能好，淬火时不易变形、开裂，并有较好的韧性，用于制造工具和轴承的高碳钢都以球化退火状态交货。4.扩散退火扩散退火是将钢加热到远高于AC3或ACcm以上作长时间的保温，然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。扩散退火的目的是消除偏析，使成分和组织均匀。所以亦称均匀化退火。扩散退火由于高温长时间加热，奥氏体晶粒特别粗大，因此扩散退火后，要用完全退火或正火来细化晶粒。这种退火的生产周期长，成本高，一般钢件很少采用，主要用于高级优质合金钢。5.去应力退火和再结晶退火上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善去应力退火又称低温退火。去应力退火是将钢加热到Ac1以下的某一温度(500℃一600℃，经保温后缓慢冷却的热处理工艺。去应力退火不发生组织转变，其目的是消除铸件、锻件、焊接件、热轧件等的残余应力，避免钢件在随后的切削加工及使用过程中变形或开裂。再结晶退火是将钢加热到Ac1以下，再结晶温度以上100℃一200℃，经保温后缓慢冷却的热处理工艺。主要用于消除冷变形产生的加工硬化现象，降低硬度，恢复其塑性，以便于继续加工。去应力退火和再结晶退火的加热温度都低于Ac1温度，钢的组织都没有发生相变，因此，又称为不发生相变退火。综上所述，退火工艺由于冷却速度很慢，钢的组织接近平衡状态，因此，在所有热处理中退火钢件的硬度最低，塑性最好。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善(二)正火正火是将钢加热至AC3或ACcm以上30℃一50℃，保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺。由于正火冷却速度较快，奥氏体过冷度较大，得到的组织中珠光体片层较细，因此，钢件的强度和硬度比退火的高。正火对于亚共析钢、共析钢和过共析钢都适用。正火的目的:对于亚共析钢和共析钢主要是细化晶粒、消除组织中的缺陷，提高强度、硬度;对于过共析钢主要是消除网状渗碳体。目前低碳钢和中碳钢常以正火状态交货，其操作简便，费用较低，生产率较高。(三)淬火将钢加热至AC3或AC1以上30℃一500C:，经保温后快速冷却的热处理工艺称为淬火。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善1.淬火的目的对于不同的钢有不同的淬火目的:(1)钢件连续冷却至Ms后发生马氏体转变，从而获得马氏体组织，其目的是提高钢件的硬度和耐磨性。大多数钢件都进行这种淬火。(2)使钢件迅速冷至稍高于Ms的温度，在此温度等温并完成贝氏体转变，以获得贝氏体组织。其目的使钢件获得较高的综合力学性能。这类淬火主要用于尺寸较小，形状复杂且要求较高硬度和韧性的工件。(3)使钢在淬火后具有单一的奥氏体组织，从而具有耐磨、耐蚀等特殊性能。这类淬火叫固溶处理，用于含有大量锰、镍等元素的耐磨钢、不锈钢等特殊性能钢。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善2.淬火工艺1)淬火加热温度亚共析钢淬火加热温度为AC3以上30℃一50℃，以得到单一的奥氏体组织，淬火后可得到细小而均匀的马氏体。如果淬火加热温度低于AC3，得到铁素体和奥氏体组织，经淬火后，奥氏体转变为马氏体，而铁素体被保留下来，会出现软点，造成淬火硬度不足，同时还会影响回火后的力学性能;如果加热温度过高，会得到粗大针状的马氏体，增加了钢的脆性，还会增加淬火应力，引起钢件变形。过共析钢淬火加热温度应为AC1以上30℃一50℃，因为过共析钢淬火加热前，都要经过球化退火，故加热至AC1以上时，其组织为奥氏体和一部分未溶的粒状渗碳体，淬火后奥氏体转变为马氏体和残余奥氏体。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善未溶的渗碳体被保留下来，渗碳体比马氏体还硬，不但不会降低钢的硬度，反而对提高钢的耐磨性有利。如果把钢加热至Accm以上获得单相奥氏体再冷却，这时由于奥氏体含碳量增加，Ms点下降，淬火后组织中会有较多的残余奥氏体，反而降低了钢的硬度和耐磨性。同时，由于淬火加热温度高，奥氏体晶粒长大，淬火应力增大，促使工件变形或开裂。对于某些特殊性能钢及某些高合金钢，为了使碳化物完全溶入奥氏体，淬火加热温度可高达1000℃以上。2)淬火冷却介质淬火冷却速度是淬火后获得理想组织和性能的重要条件。为了使钢件淬火后获得马氏体组织，必须使冷却速度大于临界冷却速度，但冷却速度快就不可避免地要在工件内造成很大内应力，引起变形开裂。因此，要选择合适的冷却介质，既能获得马氏体组织，又不使其变形开裂。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善3)钢的淬透性和淬硬性通常情况下，钢淬火是为了获得马氏体组织。经过淬火，如果零件整个截面都得到马氏体组织，就称淬透了。工件在淬火时，表面冷却速度最大，芯部冷却速度最小，凡工件截面上冷却速度大于临界冷却速度的，淬火后都能得到马氏体。习惯将工件表面到50%马氏体区的深度，叫做淬透层深度。淬透层深度是可变的，它不仅与钢件的尺寸、淬火剂冷却能力有关，还与钢种有关。为了便于比较不同钢种获得淬透层深度的能力，必须规定相同的试验条件。在试样尺寸和冷却条件相同的情况下，不同钢种获得一定淬透层深度的能力，称为淬透性。淬透性反映不同钢种获得马氏体的难易程度，它是钢重要的热处理性能。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善钢的淬透性越好，在相同的条件下，淬火时获得淬透层深度越大，有利于截面较大的零件淬透。回火以后，整个截面组织均匀，性能均匀。如果未淬透，则整个截面组织不相同，芯部性能(特别是韧性)将显著降低。钢的淬透性越好，越能采用比较缓和的冷却介质来淬火，从而可减少热处理时的变形和开裂倾向。淬透性是机械结构用钢选材应考虑的重要因素，例如，大尺寸零件，如果要求表里性能一致，就必须选用淬透性高的钢来制造。对于需要进行热处理使用的各种机器零件，在考虑代用钢种时，一定要首先考虑钢的淬透性是否能满足使用要求。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善淬硬性是指钢在正常淬火条件下，所能达到的最高硬度。它与淬透性是两个不同含义的概念，二者不能混淆。淬硬性的大小主要取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的含碳量，奥氏体中固溶的碳量越多，淬火后马氏体的含碳量越高，其硬度越高。淬透性的好坏主要取决于钢中合金元素及含量。因而淬透性好的钢，淬火后硬度不一定高;淬火后硬度较低的钢，也可能具有较高的淬透性。(四)回火把淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后以一定的冷却速度冷至室温的热处理工艺，称为回火。上一页下一页返回任务四金属材料性能的改善1.