金屬材料熱處理-第二章材料性能

第二章金屬材料的性能§2－1金屬材料的損壞與塑性變形§2－2金屬的力學(xué)性能§2－3金屬的工藝性能§2－4力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)§2－1金屬材料的損壞與塑性變形一、與變形相關(guān)的幾個(gè)概念二、金屬的變形三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化在生產(chǎn)中，機(jī)器零件的性能往往達(dá)不到理想要求，許多零件在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生損壞，不但嚴(yán)重影響生產(chǎn)，甚至造成人身事故。問(wèn)題1機(jī)械零件在使用中常見(jiàn)的損壞形式有哪幾種呢？

一、金屬的變形彈性變形彈－塑性變形斷裂滑移與位錯(cuò)金屬變形實(shí)驗(yàn)1.特點(diǎn)

彈性變形：

金屬?gòu)椥宰冃魏笃浣M織和性能不發(fā)生變化。

塑性變形：

金屬經(jīng)塑性變形后其組織和性能將發(fā)生變化。2.變形原理金屬在外力作用下，發(fā)生塑性變形是由于晶體內(nèi)部缺陷—位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，宏觀表現(xiàn)為外形和尺寸變化。彈性變形指外力消除后能夠恢復(fù)的變形。如彈簧的工作壓縮、桌面支撐物品的變形等。塑性變形指外力消除后無(wú)法恢復(fù)的永久性變形。造成零件損壞的變形，通常是指塑性變形。如鋼筋的彎折、零件的沖壓等3.常見(jiàn)塑性變形形式1）軋制（板材、線材、棒材、型材、管材）

板材軋制2）擠壓

（低碳鋼、有色金屬等型材）3）冷拔（碳鋼、有色金屬等線材、型材、管材）線材拉拔管材拉拔4）鍛壓（碳鋼、合金鋼、特種鋼坯料）5）冷沖壓

（低碳鋼、合金鋼板材）二、與變形相關(guān)的幾個(gè)概念

（1）靜載荷———大小不變或變化過(guò)程緩慢的載荷。

（2）沖擊載荷——在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。

（3）交變載荷——大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。1．載荷

載荷——金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力。根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同分：載荷的作用形式

根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同：

a）拉深載荷--拉力

b）壓縮載荷—壓力

c）彎曲載荷--彎力

d）剪切載荷--剪切力

e）扭轉(zhuǎn)載荷--扭轉(zhuǎn)力

內(nèi)力——工件或材料在受到外部載荷作用時(shí)，為保持其不變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對(duì)抗的力，稱(chēng)為。2．內(nèi)力

應(yīng)力——假設(shè)作用在零件橫截面上的內(nèi)力大小均勻分布，單位橫截面積上的內(nèi)力。3．應(yīng)力R：應(yīng)力，Pa；F：外力，N；S：橫截面面積，m2。金屬塑性變形的影響因素：1．晶粒位向的影響由于多晶體中各個(gè)晶粒的位向不同，在外力作用下，將產(chǎn)生有利和不利的不均勻的變形，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。2．晶界的作用晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使金屬的塑性變形阻力增大。3．晶粒大小的影響

單位體積內(nèi)金屬晶粒越細(xì)小，晶界越多，金屬越難進(jìn)行塑性變形。三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化

1.冷塑性變形結(jié)果

外部：晶粒形狀發(fā)生變化——沿著變形方向被壓扁或拉長(zhǎng)；

內(nèi)部:晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度增加，晶格畸變加劇；

性能:金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降。這種現(xiàn)象——稱(chēng)為“形變強(qiáng)化”或“加工硬化”。塑性變形后的金屬組織

金屬的塑性變形，在外形變化的同時(shí)，晶粒的形狀也會(huì)發(fā)生變化。通常晶粒會(huì)沿變形方向壓扁或拉長(zhǎng)。2.加工硬化的應(yīng)用

對(duì)于不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化的金屬是一種重要的強(qiáng)化手段，可提高材料抗突然超載的能力。意義：

1）是一種材料強(qiáng)化手段—形變強(qiáng)化；

2）有利于塑性變形均勻進(jìn)行；

3）有利于金屬構(gòu)件的工作安全性。3.加工硬化的不利1）影響材料力學(xué)性能不利：使得再變形困難；使得金屬的切削加工，沖壓加工帶來(lái)困難。解決辦法：在冷加工之間進(jìn)行中間熱處理——再結(jié)晶退火。2）影響材料物理性能和化學(xué)性能不利：電阻增加，導(dǎo)電、導(dǎo)磁性下降；化學(xué)活性增大；耐腐蝕性下降。解決辦法：去應(yīng)力退火?！?－2金屬的力學(xué)性能一、強(qiáng)度二、塑性三、硬度四、沖擊韌性*五、疲勞強(qiáng)度

任何機(jī)械零件或工具，在使用過(guò)程中，往往要受到各種形式外力的作用，這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)械載荷而不超過(guò)許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學(xué)性能。一、強(qiáng)度

強(qiáng)度——金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。其大小用應(yīng)力表示。

抗拉強(qiáng)度——拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度

1．拉伸試樣

d——試樣直徑

Lo——標(biāo)距長(zhǎng)度低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)2．力－伸長(zhǎng)曲線

彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段力－拉伸曲線3．強(qiáng)度指標(biāo)

（1）屈服強(qiáng)度——當(dāng)金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在實(shí)驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。屈服強(qiáng)度分為上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL。ReL——試樣的下屈服強(qiáng)度，N/mm2；FeL——試樣屈服時(shí)的最小載荷，N；So——試樣原始橫截面面積，mm2。

規(guī)定產(chǎn)生0.2殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力為條件屈服強(qiáng)度Rp0.2，替代ReL，稱(chēng)為條件（名義）屈服強(qiáng)度。2．抗拉強(qiáng)度Rm

抗拉強(qiáng)度——材料在斷裂前所能承受的最大的應(yīng)力。Rm——抗拉強(qiáng)度，MPa；

Fm——試樣在屈服階段后所能抵抗的最大力（無(wú)明顯屈服的材料，為試驗(yàn)期間的最大力），N；

So——試樣原始橫截面面積，mm2

。二、塑性塑性——材料受力后在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率A

試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距之比的百分率。2．?dāng)嗝媸湛s率Z

試樣拉斷后，縮頸處面積變化量與原始橫截面面積比值的百分率。

【例】有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉身實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得FeL=21kN，F(xiàn)m=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此試樣的ReL、Rm、A11.3、Z。解題過(guò)程三、硬度

硬度——材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是通過(guò)在專(zhuān)用的硬度試驗(yàn)機(jī)上實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。布氏硬度試驗(yàn)機(jī)洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)維氏硬度試驗(yàn)機(jī)1．布氏硬度

布氏硬度值——用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來(lái)表示，單位為MPa，但一般均不標(biāo)出，用符號(hào)HBW表示：布氏硬度原理表示方法：

布氏硬度用硬度值、硬度符號(hào)、壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力及實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間表示。當(dāng)保持時(shí)間為10～15s時(shí)可不標(biāo)。例：170HBW10/1000/30：直徑10mm的壓頭，在9807N（1000kg）的試驗(yàn)力作用下，保持30s時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為170。600HBW1/30/20：直徑為1mm壓頭，在294.2N（30kg）的實(shí)驗(yàn)力作用下，保持20s時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為600。應(yīng)用范圍：

主要用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。2．洛氏硬度

洛氏硬度計(jì)表盤(pán)

洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度原理HR=100—表示方法：

符號(hào)HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標(biāo)尺。

例：45HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為45。常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍

硬度標(biāo)尺壓頭類(lèi)型總測(cè)試力(N)硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRC120°金剛石圓錐體1471.020～67HRC一般淬火鋼HRBφ1.5875mm

硬質(zhì)合金球980.725～100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRA120°金剛石圓錐體588.460～85HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等四、沖擊韌性

沖擊韌性——金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材料的沖擊韌性用夏比擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。沖擊試樣

用試樣所吸收的能量K的大小來(lái)作為衡量材料韌性好壞的指標(biāo)，稱(chēng)為沖擊吸收能量。用U形和V形缺口試樣測(cè)得的沖擊吸收能量分別用KU和KV表示。

沖擊實(shí)驗(yàn)*五、疲勞強(qiáng)度

由于所承受的載荷為交變載荷，零件承受的應(yīng)力雖低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作后，仍會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂。金屬這樣的斷裂現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。金屬材料抵抗交變載荷作用而不產(chǎn)生破壞的能力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度。疲勞極限用符號(hào)R－1表示?！?－3金屬的工藝性能金屬材料的一般加工過(guò)程

金屬材料的工藝性能——金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。它包括鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能和焊接性能、熱處理性能等。冶煉→鑄造鑄件鑄錠熱鍛熱軋→焊接機(jī)加工冷軋、冷拔、冷沖板料、棒材、型材、管材機(jī)加工機(jī)加工零件一、鑄造性能二、鍛壓性能三、焊接性能四、切削加工性能五、熱處理性能一、鑄造性能

鑄造成形過(guò)程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力，主要取決于金屬的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向等。

1．流動(dòng)性熔融金屬的流動(dòng)能力。

2．收縮性鑄造合金由液態(tài)凝固和冷卻至室溫的過(guò)程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。

3．偏析傾向金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織不均勻現(xiàn)象。二、鍛壓性能

用鍛壓成形方法得優(yōu)良鍛件的難易程度。常用塑性和變形抗力兩個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合衡量。三、焊接性能

金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，也就是在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對(duì)碳鋼和低合金鋼而言，焊接性能主要與其化學(xué)成分有關(guān)（其中碳的影響最大）。四、切削加工性能

切削加工性能