1.1-金属及合金的性能解析

第一章钢铁材料及热处理

现代工业、农业、国防和科学技术都离不开工程材料，虽然近年来非金属材料（陶瓷、高分子及复合材料）发展迅速，但是金属材料由于具有良好的物理性能、化学性能、力学性能以及工艺性能，因此在这些部门仍然获得了广泛的应用。金属材料及热处理主要研究金属与合金的成分和所经历的热处理过程与其内部组织和性能的相互关系，以及如何改善金属及合金的组织与性能。只有掌握这些知识，才能合理地选用材料、以充分发挥材料的潜力，延长使用寿命，并降低成本。此外，为了正确地制定铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工等工艺规程，提高产品质量和产量，也必须学习金属材料的基础知识。1-1金属及合金的性能1-2铁碳合金及其状态图1-3钢的热处理1-4其他常用金属材料本章的主要内容选材→选毛坯→预先热处理→机械加工→最终热处理→精加工→检验工件加工过程：

1-1金属及合金的性能

使用性能:材料在使用过程中所表现的性能。物理性能主要是指密度、熔点、热膨胀性、导热性、电磁性能等；力学性能物理性能化学性能工艺性能化学性能主要是指耐腐蚀性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能，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。由于机件的用途不同，对其物理性能的要求也不同。例如，飞机、汽车等交通工具，为了减轻重量，采用密度较低的材料；而熔点高的材料可以用来制造耐热零件；制造电机等则需要考虑材料的导电性和磁性等；金属材料对周围介质如大气、海水等各种介质侵蚀的抵抗能力叫耐蚀性。金属及合金作为结构材料，应具备的最主要性能是力学性能，即材料抵抗外力的能力。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。1.强度强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。拉伸试验机1.强度屈服强度

s：材料发生微量塑性变形时的应力值。抗拉强度

b：材料断裂前所承受的最大应力值。条件屈服强度

0.2：残余变形量为0.2%时的应力。低碳钢铸铁2.塑性塑性断裂前材料产生永久变形的能力,用伸长率和断面收缩率来表示。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。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。

说明①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0

相同时，L0

，

。只有当L0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当L0=10d0时，伸长率用

10

表示；当L0=5d0时，伸长率用

5

表示。显然

5

>

10③

>

时，无颈缩，为脆性材料表征

<

时，有颈缩，为塑性材料表征3.硬度硬度：材料抵抗其他硬物压入的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。布氏硬度原理洛氏硬度原理维氏硬度原理布氏硬度试验原理图布氏硬度HB布氏硬度计布氏硬度压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。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。布氏硬度压痕如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。洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，

HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。洛氏硬度计洛氏硬度测量原理图符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA，压头为120°金刚石圆锥，用于测量高硬度材料,如硬质合金、表面淬火钢。HRB，压头为1/16英寸淬火钢球，用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC，压头为120°金刚石圆锥，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕HV=F/S压维氏硬度压头载荷kgf硬度范围HBS钢球≤3000≤450HBW硬质合金球≤3000450～650HRA金刚石圆锥6020～88HRB钢球10020～100HRC金刚石圆锥15020～70HRD金刚石圆锥10040～77布氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥5～120<1300维氏硬度应用有色合金，退正火调质钢淬火、调质钢碳化物、硬质合金有色合金，退正火钢淬火、调质钢薄钢板、表面硬化工件各种硬度工件常用硬度的比较动载的主要形式：载荷以较高速度施加到零构件上，形成冲击。抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度aKU载荷大小和方向做周期性变化，形成交变载荷。材料能承受规定次循环而不断裂的最大应力值称为疲劳强度s-14.冲击韧性冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用的能力，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。

Ak=mgh–mgh’(J)冲击试样和冲击试验示意图建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关TITANICTitanic近代船用钢板Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果疲劳：材料在交变应力长时间作用下，在小于屈服点的应力下发生断裂疲劳极限(强度)s-1

：材料能承受规定次数应力循环而不断裂的最大应力 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳曲线示意图对称循环应力图5.疲劳强度

裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展断裂的能力。裂纹尖端附近的应力分布应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。

C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为案例讨论-三峡工程首例对日索赔纪实

钢板到货检验屈服强度抗拉强度延伸性能冲击韧性不达标湖北出入境检验检疫局