0804第一章 材料的結(jié)構(gòu)與性能 (三)金屬學(xué)及熱處理

1、 金屬材料的性能包含工藝性能和 使用性能兩方面。 l工藝性能是指制造工藝過(guò)程中材料適 應(yīng)加工的性能，即指其鑄造性能、鍛 壓性能、焊接性能、切削加工性能和 熱處理性能； l使用性能是指金屬材料在使用條件下 所表現(xiàn)出來(lái)的性能，它包括力學(xué)性能、 物理和化學(xué)性能。 金屬材料加工成零件的過(guò)程十分復(fù)雜（如教 材29頁(yè)）。金屬材料工藝性能的好壞，直接影 響到制造零件的工藝方法和質(zhì)量以及制造成本。 所以，選材時(shí)必須充分考慮工藝性能。 鑄造性能 鍛造性能 焊接性能 切削加工性能 熱處理工藝性能 一、鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為 鑄造性能，用流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向來(lái)衡 量。 1、流動(dòng)性 熔融

2、金屬的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性。流動(dòng)性好 的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺 寸精確、輪廓清晰的鑄件。 流動(dòng)性的好與壞 流動(dòng)性與合金成 分有關(guān)，成分對(duì)應(yīng) 于相圖中液固相垂 直距離越大者，則 金屬的流動(dòng)性越差； 反之，其流動(dòng)性越 好。 T 流 動(dòng) 性 BA B% 2、收縮性 鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸 減少的現(xiàn)象稱為收縮性。鑄件收縮不僅影響 尺寸，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、 變形和開(kāi)裂等缺陷。故鑄造用金屬材料的收 縮率越小越好。 3、偏析傾向 金屬凝固后，鑄錠或鑄件的化學(xué)成分和組 織不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴(yán)重會(huì)使鑄 件各部分的力學(xué)性能有很大的差異，降低鑄 件的質(zhì)量。 二、鍛

3、造性能 金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力稱 鍛造性。鍛造性能主要取決于金屬材料的塑性 和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬 的鍛造性能越好。 例如： Cu合金和Al合金的鍛造性能較好，碳鋼加熱 狀態(tài)下有較好鍛造性能，但隨含碳量增加而變 差。鑄鐵鍛造性很差。 三、焊接性能 焊接性能是指材料是否易于焊接在一起并能 保證焊縫質(zhì)量的性能。一般用焊接處出現(xiàn)各種 缺陷的傾向來(lái)衡量。 電弧焊氣焊 鋼材中含碳量和合金元素含量是影響焊 接性能的主要因素，一般而言，含量越高， 焊接性能越差。 例：低碳鋼具有優(yōu)良的可焊性，而鑄鐵和 鋁合金的可焊性就很差。 某些工程塑料也有良好的可焊性，但與 金屬的焊接機(jī)制及

4、工藝方法并不相同。 四、切削加工性能 切削加工性能是指材料是否易于切削加工的 性能，一般用切削后的表面質(zhì)量和刀具壽命來(lái) 表征。切削加工性能與材料種類、成分、硬度、 韌性、導(dǎo)熱性及內(nèi)部組織狀態(tài)等許多因素有關(guān)。 有利切削的硬度為170230HB，切削加工性好 的材料，切削容易，刀具磨損小，加工表面光 潔。 改變鋼的化學(xué)成分（加入少量Pb、P等）和 進(jìn)行適當(dāng)熱處理可提高其切削加工性能。 教材31頁(yè)表1-8 列出幾種金屬材料的切削加工 性能的比較。 五、熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性， 即鋼接受淬火時(shí)形成馬氏體的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金鋼淬透性 比較好，碳鋼的淬透

5、性較差。 鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)，它進(jìn)行固溶處 理時(shí)加熱溫度離熔點(diǎn)很近。 銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化。 金屬材料的機(jī)械性能，即是指金屬材料在外力 （載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的性能，包括強(qiáng)度、塑 性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。 載荷的形式 材料機(jī)械性能指標(biāo) 一、強(qiáng)度 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，材料 的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。 圓形拉伸試樣 拉伸前拉伸前 拉伸后拉伸后 應(yīng)變 應(yīng)力 低碳鋼和鑄鐵的拉伸曲線 彈性變形階段 屈服階段 強(qiáng)化階段 頸縮階段 l圖中：為應(yīng)力, P / A0（MPa） 為應(yīng)變， 式中：P載荷， A0 試樣原始截面積，l0試樣原 始標(biāo)距長(zhǎng)度，l試樣變形后標(biāo)距長(zhǎng)度， l 伸長(zhǎng)量。

6、 l彈性變形：試樣變形量與外加載荷成正比，卸載 后恢復(fù)原樣。 l塑性變形：形變不能恢復(fù)的變形。 l頸縮：試樣發(fā)生局部收縮。 %100 000 lllll 彈性極限（e）：表示材料保持彈性變形，不 產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，是結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)依 據(jù)。 屈服極限（ 屈服強(qiáng)度s）：表示金屬開(kāi)始發(fā)生 明顯塑性變形時(shí)的抗力。鑄鐵等材料沒(méi)有明顯 的屈服現(xiàn)象，則用條件屈服點(diǎn)（0.2 ）來(lái)表示： 產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值。 強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度b ）：表示金屬受拉時(shí)所 能承受的最大應(yīng)力。 e 、s 、b 是機(jī)械零件、構(gòu)件設(shè)計(jì)和選材的主 要依據(jù)。 金屬?gòu)?qiáng)度的影響因素 l化學(xué)成分：W(C) 0.9%時(shí)，碳鋼隨含碳量

7、的增加， 其強(qiáng)度增加。 鋼中加入一些合金元素，低合金 高強(qiáng)度合金鋼。 l加工工藝過(guò)程：純Cu和純Al的b分別為60MPa和 40MPa，經(jīng)過(guò)冷加工后強(qiáng)度明顯增加。 l熱處理工藝： W(C) 0.4%的碳鋼經(jīng)淬火和高溫 回火（調(diào)質(zhì)處理）后，其強(qiáng)度由500MPa增至700 800MPa。 二、塑性 斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。 用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示。塑性指標(biāo)也主要 是通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。 1、延伸率（） 在拉伸試驗(yàn)中，試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原 始標(biāo)距的百分比稱為延伸率。 %100 000 lllll 2、斷面收縮率（） 試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大縮減量與 原橫斷面積的百分比稱

8、為斷面收縮率。 式中：S 1試樣拉斷后頸縮處最小截面積 (mm2)， S0 試樣原始橫截面積(mm2)， S試樣頸縮處截面積的最大縮減量(mm2) 金屬材料的和越大，則其塑性越好，越 易塑性成形。 %100 0100 SSSSS 三、硬度 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV 硬度硬度( hardness )：是指：是指 材料抵抗其他硬物體壓材料抵抗其他硬物體壓 入其表面的能力。入其表面的能力。 常用測(cè)量硬度的方法常用測(cè)量硬度的方法 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) l由于布氏硬度所用的測(cè)試壓頭材料較軟，所以不 能測(cè)試太硬的材料。布氏硬度主要用于各種退火 狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有

9、色金屬等，也用于調(diào)質(zhì) 處理的機(jī)械零件。 l鋼鐵材料的b與HB之間的近似經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 對(duì)于低碳鋼：b0.36HB； 對(duì)于高碳鋼：b0.34HB； 對(duì)于灰鑄鐵：b0.10HB。 符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符之前的數(shù)字表示硬度值，符 號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及 載荷保持時(shí)間。如載荷保持時(shí)間。如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑直徑 為為10mm的鋼球的鋼球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用作用 下下保持保持30s測(cè)得的測(cè)得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。 h1-h0 洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)

10、試示意圖 洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì) 10HRCHBS 常用洛氏硬度值的符號(hào)、試驗(yàn)條件與應(yīng)用 符號(hào)壓 頭 總載荷 / N 表盤(pán)刻 度顏色 常用硬 度范圍 應(yīng) 用 舉 例 HRA 金剛石 圓錐 588黑線7085 碳化物、硬質(zhì) 合金等 HRB 1/16鋼 球 980紅線25-100 軟鋼、退火鋼、 銅合金等 HRC 金剛石 圓錐 1470黑線2067 淬火鋼、調(diào)制 鋼等 適用范圍適用范圍: 測(cè)量薄板類測(cè)量薄板類 ; HVHBS ; 顯微硬度一般為維氏硬度。 各種不同方法測(cè)得的硬度值之間可通過(guò)查表得 方法進(jìn)行互換。 例如：61HRC82HRA627HBW803HV30 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力

11、。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。 沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī) 沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖 試樣沖斷時(shí)所消耗的試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值a k 就是試樣缺口處單位截面就是試樣缺口處單位截面 積上所消耗的沖擊功：積上所消耗的沖擊功： 沖擊韌性與材料的組織密切相關(guān)。 例如：45鋼正火處理后為 SF 組織，ak為500 800kJ/m2；經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后其組織為回火索氏體， ak為8001200kJ/m2。 0 SA kk 五、疲勞強(qiáng)度 1、幾個(gè)基本概念 l交變應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)：軸、齒輪、軸承、葉

12、片、 彈簧等零件，在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作 周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力 稱為在交變應(yīng)力。 l金屬的疲勞：在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承 受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的 工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程稱為 材料的疲勞破壞。 l疲勞曲線：表征材料承受的交變應(yīng)力()與材料斷 裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系。 疲勞曲線對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力 2、疲勞極限(疲勞強(qiáng)度) ( fatigue strength ) ： 金屬承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán) 次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)，試樣可以經(jīng) 受無(wú)限周期循環(huán)而不破壞，該應(yīng)力值稱為材料的 疲勞極限（疲勞

13、強(qiáng)度），用-1 表示。 實(shí)際上，不可能作無(wú)限次交變載荷實(shí)驗(yàn)。那么： 黑色金屬：N107 而試樣不斷裂時(shí)的max 為疲勞 極限。 有色金屬、不銹鋼：N108 而試樣不斷裂時(shí)的 max 為疲勞極限。 鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系: -1 = (0.450.55)b 金屬疲勞極限的影響因素：工作條件、表面狀態(tài)、 材質(zhì)、殘余內(nèi)應(yīng)力等。 六、斷裂韌性 橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆 斷，發(fā)生這種斷裂時(shí)，其斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。 盡管在設(shè)計(jì)時(shí)保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強(qiáng)度安 全系數(shù)，但仍不免破壞。究其原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部存 在著或大或小、或多或少的裂紋和類似裂紋的缺陷造成

14、的。裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件破斷。 斷裂韌性：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力，用K1C表 示，是材料本身的特性，由材料的成分、組織狀態(tài)決定， 與裂紋的尺寸、形狀及外加應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。 常用材料的斷裂韌性值列表P38 1-10表 一、金屬材料的物理性能 1、密度 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度： 輕金屬：密度小于 5103 kg/m3 的金屬為輕金屬, 如鋁、鎂、鈦及它們的合金。 輕金屬多用于航天航空材料上。 重金屬：密度大于 5103 kg/m3 的金屬為重金屬, 如鐵、鉛、鎢等。 Vm 金屬的理論密度可以利用晶體結(jié)構(gòu)特征值來(lái)計(jì)算： 密度 例如-Fe，體心立方結(jié)構(gòu)，原子量=55

15、.85g/mol， 晶胞體積 阿伏加德羅常數(shù) ， 可算出-Fe 的密度： 2、熔點(diǎn) l熔點(diǎn)：金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度， 純金屬都有固定的熔點(diǎn)。 l難熔金屬：熔點(diǎn)高的金屬，如鎢、鉬、釩等， 可以用來(lái)制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、 燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。 l易熔金屬：熔點(diǎn)低的金屬，如錫、鉛等，可 用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。 3、導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率（）來(lái)衡量。熱導(dǎo)率 越大，導(dǎo)熱性能越好。 金屬的導(dǎo)熱性以Ag為最好，Cu、Al 次之。合 金的導(dǎo)熱性比純金屬差。 在熱加工和熱處理時(shí)，必須考慮金屬材料的 導(dǎo)熱性，防止材料在加熱或冷卻過(guò)程中，由于 內(nèi)外溫度不均形成過(guò)大的

16、內(nèi)應(yīng)力，造成零件變 形或開(kāi)裂。 導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、 熱交換器與活塞等零件時(shí)，要選用導(dǎo)熱性好的 金屬材料。 4、導(dǎo)電性 l導(dǎo)電性：材料傳導(dǎo)電流的能力，用電阻率()來(lái) 衡量。 電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好，金屬導(dǎo)電性 以 Ag 為最好，Cu、Al 次之。合金的導(dǎo)電性比純 金屬差。 電阻率小的金屬(純銅、純鋁)適于制造導(dǎo)電零件 和電線。電阻率大的金屬或合金(如鎢、鉬、鐵、 鉻、鋁)適于做電熱元件。 5、熱膨脹性 l熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收 縮的特性。 線膨脹系數(shù) 或 體膨脹系數(shù) 由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件，在溫度變 化時(shí)，尺寸和形狀變化較大。軸和軸瓦之間要 根

17、據(jù)其膨脹系數(shù)來(lái)控制其間隙尺寸；在熱加工 和熱處理時(shí)也要考慮材料的熱膨脹影響，以減 少工件的變形和開(kāi)裂。 tLLL L 112 LV 3 6、磁性 l鐵磁性材料：在外磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷 等，用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)、測(cè)量?jī)x表等。 l順磁性材料：在外磁場(chǎng)中只能微弱地被磁化，如錳、 鉻等。 l抗磁性材料：能抗拒或削弱外磁場(chǎng)對(duì)材料本身的磁化 作用，如銅、鋅等，用于要求避免電磁場(chǎng)干擾的零件和 結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤(pán)。 l居里點(diǎn)：鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇 被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)。 如鐵的居里點(diǎn)是770 。 二、金屬的化學(xué)性能 主要指耐腐蝕性和抗氧化性。金屬材料的耐腐 蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下的穩(wěn) 定性稱為熱穩(wěn)定性，其中也包括化學(xué)熱穩(wěn)定性。 1、耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué) 介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐腐蝕性。 碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差；鈦及其合金、不 銹鋼的耐腐蝕性好。鋁合金和銅合金有較好的耐 腐蝕性。 2、抗氧化性 金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力稱 抗氧化性。 加入Cr、Si 等元素，可