金属材料的性能

11.1.3金属材料的组织

一、组织的概念

金属材料内部的微观形貌称做显微组织（简称组织）。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。例如,图（a）为纯铁的室温平衡组织。这种组织叫铁素体，由颗粒状的单相α相(也称铁素体相)组成。图（c）是碳质量分数为0.77%的铁碳合金的室温平衡组织,叫珠光体。它是由粗片状的α相和细片状的Fe3C相两相相间所组成，等等。

（a）500×（b）500×(c)500×(d)500×

w(c)=0.01%(F)w(c)=0.45%(F+P)w(c)=0.77%(P)w(c)=1.0%(P+Fe3CⅡ)

四种不同碳质量分数的铁碳合金的室温平衡组织12二、影响组织的因素

不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。纯铁经冷拔后,其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。碳含量为0.77%的铁碳合金经球化退火后,得到的组织为球状珠光体。这种组织与室温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样。

金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。金属材料的化学成分一定时,工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。

片状珠光体球状珠光体23三、组织与性能的关系

图为三种不同组织的灰口铸铁。灰口铸铁（a）的组织为铁素体和片状石墨；灰口铸铁（b）的组织为铁素体和团絮状石墨;灰口铸铁（c）的组织为铁素体和球状石墨。它们的基体都是铁素体,但石墨的形态不同,使它们的抗拉强度相差很大。（a（b）、（c）三种灰口铸铁的抗拉强度分别为150MPa、350MPa和420

MPa。冲击韧性最高的是灰口铸铁（c）,其次为（b）,最低的是（a）。(a)(b)(c)灰口铸铁的组织34

纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形,同时其内部位错密度等晶体缺陷增多,其强度与硬度均比未变形前要高得多。纯铁经变形度为80%的冷拔变形后,其抗拉强度由冷拔前的180MPa提高到500MPa。冷变形对纯铁的物理、化学性能也有较大的影响,如导电性、耐蚀性降低。碳含量为0.77%的铁碳合金,室温平衡组织中含有片状的Fe3C相,其硬度高达800HB。切削加工时,车刀要不断切断Fe3C，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后,Fe3C相变为分散的颗粒状，切削时对刀具的磨损较小,使切削性能得到提高。金属的组织类型相同,组成相也相同,但晶粒形状、大小不同，性能不同；合金中组织相同，组成相也相同，且形状、大小无明显差异，只是化学成分不同，这时表现出的性能也不同。金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定;金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定;不同组织结构的材料具有不同的性能;451.2金属材料的性能

金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能；使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。金属材料性能工艺性能使用性能力学性能铸造性能物理性能化学性能锻造性能焊接性能热处理性能切削加工性能51.2.1金属材料的工艺性能一、铸造性

金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。

1.流动性

熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2.收缩性

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。3.偏析

金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。

铸造

6二、锻造性能

金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。三、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。

冷冲电弧焊切削加工7四、切削加工性能材料切削加工性能是指材料是否适合切削加工的性能

切削加工性能评价:切削后的表面质量刀具寿命金属材料具有适当的硬度(170HBS～230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。五、热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力;含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好,碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严;铜合金只有几种可以用热处理强化;81.2.2金属材料的机械性能金属材料的机械性能既是指力学性能,是金属材料在外力作用时表现出来的性能。包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。9一、强度

金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力,

材料的强度用拉伸试验测定。金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：1.弹性极限（σe）

表示材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。

2.屈服强度（σs）表示金属开始发生明显塑性变形的抗力,铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用条件屈服点（σ0.2）来表示:产生0.2%残余应变时的应力值。3.强度极限（抗拉强度σb)

表示金属受拉时所能承受的最大应力（断裂之前所承受的最大应力）。屈强比越小越安全低碳钢的拉伸曲线10σe

、σ0.2

、σb是机械零件和构件设计和选材的的主要依据。金属材料的强度与其化学成分和工艺，尤其是热处理工艺密切相关。退火状态的三种碳钢抗拉强度：含碳量0.4%的碳钢调质（淬火加高温回火）后，抗拉强度700～800MP；合金钢的抗拉强度1000～1800MP；纯金属抗拉强度：铁200MP、铜60MP、铝40MP；铜合金和铝合金的抗拉强度：铜合金600～700MP、铝合金400～600MP；成分（含碳量）0.2%0.4%0.6%抗拉强度350MP500MP700MP11二、塑性

断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性,用伸长率和断面收缩率来表示。

1.伸长率（δ）

在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

2.断面收缩率（ψ）

试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。（塑性好的金属在压力加工时的变形能力强，但切削加工性不好，因为切削加工时要保持一定的硬度，因此一般在加工之前采用一定的热处理方式提高其硬度。）金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好；12三、硬度

材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。

载荷的性质及测量方法的不同可分为:

布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）等多种。前三种都是静载荷压入法。肖氏硬度是动载荷压人法也称为弹性回跳法，适用于对大型构件现场测量。硬度值不仅可直接反映出材料的硬度，而且可以间接地反映出材料的强度。131.布氏硬度（HB）

布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示。布氏硬度试验原理原理:一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值。应用范围:布氏硬度主要使用于：退火状态的钢材、铸铁、有色金属等也用于调制处理的机械零件。铝合金和铜合金的硬度低，铝合金硬度一般低于150HBS，铜合金的硬度范围大约是：70HBS～200HBS，退火低碳钢、中碳钢、高碳钢的硬度大致为：120HBS～180HBS、180HBS～250HBS、250HBS～350HBS。142.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)原理:

洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。

压痕越深表示材料硬度越低,根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度的压痕小直接读数、操作简单，可测量低硬度、高硬度应用广泛。应用范围：用于试验各种钢铁原材料、有色金属、淬火后工件及硬质合金等。中碳钢淬火后硬度可达：50HRC～58HRC，高碳钢60HRC～65HRC。洛氏硬度测量原理图

洛氏硬度计153.维氏硬度

维氏硬度是用正四棱锥金刚石的压头测量的。硬度值的定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力，不同的是压痕形状是正四棱锥。维氏硬度代号HV。优点：仅用一种压头配以适当的试验力就可以对薄厚不同的工件从高硬度到低硬度进行较大范围的测量。克服了布氏硬度不适宜用于测量高硬度和洛氏硬度不适合测量太低硬度的的不足。16四、韧度（ak）（五、疲劳强度六、断裂韧性等值）

许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号Ak

表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0，即得到材料的冲击韧度

ak。45钢正火冲击韧性500～800kJ/m2；45钢调质韧性800～1200kJ/m2；铸铁冲击韧性很低；ak=Ak/S017五、疲劳强度

轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随