金屬材料力學(xué)性能與熱處理工藝知識(shí)

金屬材料力學(xué)性能是指金屬材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。

常見的金屬力學(xué)性能下表所示：

金屬力學(xué)性能	常用金屬力學(xué)性能指標(biāo)
強(qiáng)度	屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度
塑性	延伸率、斷面收縮率、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)
彈性	彈性模量（剛度）、彈性極限、比例極限
硬度	布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度
韌性	靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度
疲勞	疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命、疲勞缺口敏感度
應(yīng)力腐蝕	應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率

低碳鋼單向靜載拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

低碳鋼拉伸力-伸長(zhǎng)曲線

1、oa段：彈性變形

2、ab段：彈性變形+塑性變形

3、bcd段：明顯塑性變形，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，作用力基本不變情況下，試樣連續(xù)伸長(zhǎng)

4、dB段曲線：彈性變形+均勻塑性變形

5、B點(diǎn)：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，試樣即將斷裂。

強(qiáng)度指標(biāo)

強(qiáng)度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。

1、屈服強(qiáng)度

σs=Fs/S0

Fs：試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N）；S0：試樣原始橫截面積（mm）。

2、抗拉強(qiáng)度

試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，反映了材料的最大均勻變形的抗力。

σb=Fb/S0

σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。

塑性指標(biāo)

塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。

1、斷后伸長(zhǎng)率

試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。

δ=(L1-L0)/L*100%

L0:標(biāo)距；L1:拉斷后的試件標(biāo)距。

2、斷面收縮率

試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

Ψ=(A0-A1)/A0*100%

A0:試件原橫截面積；A1:斷裂后頸縮處的橫截面積。

強(qiáng)度指標(biāo)

強(qiáng)度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。

1、屈服強(qiáng)度

σs=Fs/S0

Fs：試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N）；S0：試樣原始橫截面積（mm）。

2、抗拉強(qiáng)度

試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，反映了材料的最大均勻變形的抗力。

σb=Fb/S0

σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。

塑性指標(biāo)

塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。

1、斷后伸長(zhǎng)率

試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。

δ=(L1-L0)/L*100%

L0:標(biāo)距；L1:拉斷后的試件標(biāo)距。

2、斷面收縮率

試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

Ψ=(A0-A1)/A0*100%

A0:試件原橫截面積；A1:斷裂后頸縮處的橫截面積。

彈性指標(biāo)

剛度：材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力。

E=σ/ε

σ：拉應(yīng)力；ε：拉伸應(yīng)變

組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化、熱處理、冷塑性變形對(duì)其影響不大。

機(jī)構(gòu)和構(gòu)件選材重要的力學(xué)性能指標(biāo)：

?行車梁應(yīng)具有足夠的剛度，否則在起吊重物時(shí)會(huì)因撓度過大引起振動(dòng)。

?機(jī)床和壓力機(jī)主軸、床身和工作臺(tái)對(duì)剛度都有要求，以保證加工精度。

?內(nèi)燃機(jī)、離心機(jī)和壓氣機(jī)等的主要構(gòu)件要有足夠的剛度防止發(fā)生振動(dòng)。

硬度

材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。

它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，其物理含義與試驗(yàn)方法有關(guān)。

硬度的測(cè)試方法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度、莫氏硬度

（1）布氏硬度

單位面積上所承受的平均應(yīng)力，即試驗(yàn)力p與壓痕球形表面積的商。

<450HB：測(cè)試壓頭為淬火鋼球，硬度符號(hào)HBS；

<650HB：測(cè)試壓頭為硬質(zhì)合金，硬度符號(hào)HBW。

經(jīng)驗(yàn)公式：

低碳鋼：σb≈3.6HBS；

高碳鋼：σb≈3.4HBS。

適用范圍:用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等。

優(yōu)缺點(diǎn)：

1. 測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好；

2. 可測(cè)組織不均勻材料；

3. 不適合測(cè)試成品與薄件；

4. 測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低。

（2）洛氏硬度

以測(cè)量壓痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相當(dāng)于1洛氏硬度單位。

壓頭分兩種：

1、圓錐角α=120°的金剛石圓錐體，

2、直徑為Φ1.588mm的小淬火鋼球。

洛氏硬度計(jì)算式：

HR=（k-h）/0.002

壓頭1：k=0.2mm；壓頭2：k=0.26mm。

標(biāo)尺	硬度符號(hào)	壓頭類型	總試驗(yàn)力F/N	測(cè)量硬度范圍	應(yīng)用舉例
C	HRC	金剛石圓錐	1471	20-70	淬火鋼、高硬度鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵
B	HRB	Φ1.588mm鋼球	980.7	20-100	低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵
A	HRA	金剛石圓錐	588.4	20-88	硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼

優(yōu)缺點(diǎn)：

1. 試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、迅速；

2. 壓痕小，可測(cè)成品，薄件；

3. 數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值；

4. 不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料，如鑄鐵。

（3）維氏硬度

根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算硬度值。

壓頭是兩相對(duì)面間夾角為136°的金剛石四棱錐體。

測(cè)量范圍：

常用于測(cè)薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。

優(yōu)缺點(diǎn)：

1. 測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；

2. 可測(cè)成品與薄件；

3. 試樣表面要求高，費(fèi)工。

沖擊韌性

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。

試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak= mgH–mgh (J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

ak=Ak/ S0(J/cm2)

ak值低——脆性材料：

斷裂時(shí)無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。

ak值高——韌性材料：

明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。

斷裂韌度

斷裂力學(xué)：在承認(rèn)機(jī)件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴(kuò)展的各種新的力學(xué)參量，并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。

疲勞

疲勞現(xiàn)象：

金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。

疲勞特點(diǎn)：

（1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，斷裂應(yīng)力往往低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度；

（2）疲勞是脆性突發(fā)性斷裂，斷裂前不會(huì)有明顯的變形征兆，危險(xiǎn)性大；

（3）疲勞對(duì)缺口、裂紋及組織缺陷十分敏感，具有高度的選擇性。

疲勞極限σ-1：

材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。

條件疲勞極限：

經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。

鋼材疲勞強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式:

σ-1= (0.45～0.55)σb

或 σ-1= 0.27(σs+σb）

σ-1p= 0.23(σs+σb）

02熱處理工藝

定義：將固態(tài)金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，獲得所需要性能的工藝。

目的：一是改善材料工藝性能，確保后續(xù)加工順利進(jìn)行，這種熱處理稱為預(yù)先熱處理；二是提高材料使用性能，延長(zhǎng)零件使用壽命，這種熱處理稱為最終熱處理。

熱處理分類：

普通熱處理（四火：退火、正火、淬火、回火）

表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理）

其他熱處理（真空熱處理、形變熱處理等）

共析鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程四步：

（1）奧氏體形核；

（2）奧氏體長(zhǎng)大；

（3）剩余Fe3C溶解；

（4）奧氏體均勻化。

鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變：奧氏體在臨界點(diǎn)A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

重要性：決定了鋼熱處理后的組織和性能。同一種鋼，加熱溫度和保溫時(shí)間相同，冷卻方法不同，熱處理后的性能截然不同。

45鋼加熱到840℃，在不同冷卻條件下冷卻后的力學(xué)性能

冷卻方法	σb/Mpa	σs/Mpa	δ/%	ψ/%	HRC
隨爐冷卻	519	272	32.5	49	15~18
空氣冷卻	657~706	333	15~18	45~50	18~24
油中冷卻	882	608	18~20	48	40~50
水中冷卻	1078	706	7~8	12~14	52~60

共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立（金相硬度法）

也稱“TTT曲線”（Time-Temperature-Transformation Curve），因形狀類似“C”，常稱“C曲線”。

借助“C曲線”，可以了解奧氏體在不同的冷卻條件下轉(zhuǎn)變成何種組織以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能，為正確制定和選擇熱處理工藝提供理論依據(jù)。

共析鋼C曲線及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

1）珠光體型轉(zhuǎn)變（又稱高溫轉(zhuǎn)變）

轉(zhuǎn)變溫度：A1~550℃；轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體

A1~6500℃：珠光體片層較粗，P（珠光體-pearlite ）

6500℃~6000℃：珠光體層片較細(xì)，S（索氏體-sorbite ）

6000℃~5500℃：珠光體層片極細(xì)，T (屈氏體－troolstite）

珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細(xì)與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。溫度越低，珠光體的層片越細(xì)。層片變細(xì)，強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性有所增加。

2）貝氏體型轉(zhuǎn)變（又稱中溫轉(zhuǎn)變）

轉(zhuǎn)變溫度：550-Ms（230℃）

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體B（bainite）——由過飽和F和滲碳體組成的混合物。

550~350℃：上貝氏體（upperbainite）（B上）羽毛狀組織，強(qiáng)度與塑性都較低，脆性很高。

350℃~ Ms：下貝氏體（lower bainite ）（B下）針片狀組織，綜合性能好。

3）馬氏體轉(zhuǎn)變（又稱低溫轉(zhuǎn)變）

轉(zhuǎn)變溫度：Ms（230℃）~Mf

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體（martensite）+A′(residual austenite )

馬氏體：碳在α-Fe中形成的過飽和固溶體，用M表示。

分類：

低碳馬氏體（low carbonmartensite）：呈板條狀，具有較高的強(qiáng)度和塑韌性。也稱板條M（lathmartensite）。

高碳馬氏體（high carbonmartensite）：呈透鏡狀，片狀，中間有脊線。其強(qiáng)度很高，但塑韌性差，脆性大。

亞共析鋼的C曲線

過共析鋼的C曲線

過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線（CCT曲線）(Continuous Cooling Transformation)

退火

定義：將金屬加熱到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻

目的：

• 細(xì)化晶粒；

• 降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；

• 消除內(nèi)應(yīng)力。

分類：按退火的目的和工藝特點(diǎn)可分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。

完全退火（full annealing）

l適用范圍：亞共析鋼

l加熱溫度：Ac3+30～50℃

l目的：細(xì)化組織，降低硬度，改善切削加工性,

消除內(nèi)應(yīng)力

l室溫組織：F+P

球化退火（spheroidizingannealing）

• 適用范圍：共析鋼和過共析鋼

• 加熱溫度：Ac1+20~30℃

• 目的：使網(wǎng)狀或片狀Fe3CⅡ球化

• 組織：球狀珠光體

等溫退火(isothermal annealing)

• 工藝：加熱到Ac1+30~50℃或Ac3+30~50℃，保溫后，迅速冷卻至Ar1以下某一位溫度，待A都變?yōu)镻類組織，出爐空冷。

• 組織：P類

• 優(yōu)點(diǎn)：退火時(shí)間短，組織均勻

去應(yīng)力退火（relief annealing）

• 目的：去除殘余應(yīng)力

• 加熱溫度：T加熱＜AC1（500～600℃）

• 應(yīng)用：消除鑄件，鍛件，焊接件等的殘余內(nèi)應(yīng)力。

  

均勻化退火（擴(kuò)散退火）

• 目的：消除偏析；均勻成分、組織

• 加熱溫度：AC3＋150～250℃

• 組織：亞共析鋼為P+F。

• 應(yīng)用：主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。

再結(jié)晶退火(recrystallizationannealing)

• 工藝：加熱到Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃，保溫，緩冷。

• 目的：消除加工硬化，恢復(fù)鋼材的塑韌性。

• 應(yīng)用：冷加工后的工件消除加工硬化。如在鋼絲拉拔過程中，中間進(jìn)行的退火。

正火

定義：將工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝。

目的：

低碳鋼：提高硬度，利于切削。

過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體，利于P球化。

中碳鋼和中碳低合金鋼：受力不大，性能要求不高可作為最終熱處理。

淬火

目的：獲得M或B下組織，提高鋼的的硬度和耐磨性。

淬火溫度的選擇

• 亞共析鋼：AC3+30～50℃；

• 共析鋼及過共析鋼：AC1+30～50℃。

淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，理想的冷卻速度應(yīng)是如圖所示的速度。

650℃以上，慢，減小熱應(yīng)力

650-400℃，快，避免C曲線

400℃以下，慢，減輕相變應(yīng)力

常用的淬火介質(zhì)(quenching medium)

目前生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水，其冷卻能力依次增加。

水：淬冷能力強(qiáng)，但工件表面有軟點(diǎn)，易變形開裂。

鹽水：淬冷能力更強(qiáng)，工件表面光潔、無軟點(diǎn)，但更易變形開裂；

油：淬冷能力弱，但工件不易變形開裂

常見的淬火冷卻方法(quench cooling method)

回火

定義：

回火的主要目的

• 消除內(nèi)應(yīng)力，降低脆性

• 穩(wěn)定組織和工件尺寸

• 降低硬度，提高塑性

回火的組織和性能變化

淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在加熱階段。隨加熱溫度升高，淬火鋼的組織發(fā)生四個(gè)階段變化。

1.馬氏體的分解

回火階段：<100℃回火時(shí)，組織無變化；100~200℃加熱時(shí)，馬氏體將發(fā)生分解。

獲得組織：回火馬氏體M回（過飽和α固溶體）。

性能變化：內(nèi)應(yīng)力逐漸減小，性能基本不變。

2.殘余奧氏體分解

回火階段：200-300℃。A′分解，轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>B下。

獲得組織：M回（TemperedMartensite）表示

性能變化：應(yīng)力進(jìn)一步降低，強(qiáng)度和硬度略有下降。

3.馬氏體分解完成和滲碳體的形成

回火階段：300-400℃。ε碳化物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的滲碳體。

獲得組織：回火屈氏體，用T回（TemperedTroostite）表示。

性能變化：內(nèi)應(yīng)力基本消除，硬度下降，塑韌性增加。

4.Fe3C聚集長(zhǎng)大和α固溶體的回復(fù)與再結(jié)晶

回火階段：400℃以上。α相開始回復(fù)，500℃以上時(shí)發(fā)生再結(jié)晶；

獲得組織：回火索氏體，用S回（TemperedSorbite）表示。

性能變化：獲得良好的綜合性能。

鋼材回火后組織與力學(xué)性能

工藝	回火溫度 (℃)	回火后組織	回火后硬度(HRC)	性能特點(diǎn)	用途
低溫回火	150～250	M回	58～64	硬度高，耐磨性高；脆性、內(nèi)應(yīng)力降低	工具鋼、 滾動(dòng)軸承 、滲碳件等
中溫回火	250～500	T回	35～50	較高的彈性極限和屈服極限，有一定的塑性和韌性	彈簧鋼、 熱作模具
高溫回火	500～600	S回	25～35	良好的綜合性能	重要結(jié)構(gòu)件

回火時(shí)力學(xué)性能變化總的趨勢(shì)：隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高。

表面熱處理（Surface Heat Treatment）

表面熱處理：只對(duì)工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。

分類：表面淬火和化學(xué)熱處理。

在生產(chǎn)中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度；而心部要求有較好的塑性和韌性。

在這種情況下，單從材料選擇入手或采用普通熱處理方法，都有不能滿足其要求。解決這一問題的方法是表面熱處理。

表面淬火(surface quenching)

定義：僅對(duì)工件表面進(jìn)行淬火（+回火）的熱處理工藝

目的：使工件表硬心韌。

表面淬火用鋼：中碳結(jié)構(gòu)鋼（含碳量0.4％-0.5％）

方法：感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。

感應(yīng)加熱表面淬火(induction surface quenching)

基本原理：感應(yīng)圈通入交流電→形成渦流（集膚效應(yīng)）→表層得A→水冷得M。

分類：

高頻感應(yīng)加熱：

200～300kHz，0.5～2.5mm；

中頻感應(yīng)加熱：

0.5～10kHz，2～10mm；

工頻感應(yīng)加熱：

50Hz，10～20mm。

規(guī)律：電流頻率越大，淬硬層深度越淺。

火焰加熱表面淬火(flame heating surface quenching)

定義：火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧－乙炔（或其它可燃?xì)怏w）火焰，對(duì)零件表面加熱，然后快速冷卻的淬火，淬硬層深度一般為2～6mm。

應(yīng)用：適用于單件、小批量生產(chǎn)。

鋼的化學(xué)熱處理（chemical heat treatment）

定義：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。

分類：根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳（carburizing ）、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。

基本過程：

①分解：使化學(xué)介質(zhì)在加熱保溫過程中分解出滲入元素的活性原子；

②吸收：活性原子被工件表面吸附，形成固溶體或特殊化合物；

③擴(kuò)散：滲入原子由工件表層向內(nèi)擴(kuò)散，形成具有一定深度的擴(kuò)散層，即滲層

鋼的滲碳（Carburize of steel）

目的：提高工件表面的硬度和耐磨性

滲碳用鋼：低碳鋼或者低碳合金鋼

介質(zhì)：最常用的氣體（煤油、苯等),具有活性碳原子。

溫度：在奧氏體區(qū)，900—950℃

時(shí)間：根據(jù)滲層深度而定，約10小時(shí)左右。

其他化學(xué)熱處理方法

滲氮（nitriding）：在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。

碳氮共滲(carbonitriding)：碳氮同時(shí)滲入工件表層。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優(yōu)點(diǎn)。

滲鉻(chromizing)：有較好的耐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不銹鋼和耐熱鋼用于工具制造。

滲硼(boronizing)：十分優(yōu)秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明顯優(yōu)于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。