回火索氏体是碳钢调质处理最终获得的组织.doc

回火索氏体是碳钢调质处理最终获得的组织。而贝氏体是回火索氏体的一种，又分上贝氏体和下贝氏体。特点是机构强度高，冲击韧性好，有较佳的综合机械性能。金相组织上，贝氏体呈板条状。贝氏体是在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的温围内由过冷奥氏体转变而成。它是由铁素体和碳化物组成的机械混合物，但铁素体的是奥氏体通过晶格切变形成的。贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。中、高碳钢上贝氏体在光学显微镜下的典型特征呈羽毛状。下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针状。回火索氏体是片状马氏体在500-600度回火得到的多边形铁素体和粗粒渗碳体的机械混合物，在光学显微镜下渗碳体呈颗粒状。回火索氏体的定义及组织特征。回火索氏体(tempered martensite)是马氏体于回火时形成的，在在光学金相显微镜下放大500600倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。 定义：回火就是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的热处理方法。 一、回火的目的1.降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。2.调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。3.获得不同需要的机械性能，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求，淬火钢经回火后，其硬度随回火温度的升高而降低，回火，一般也是热处理的最后一道工序。二、回火时组织与性能的变化淬火钢中的马氏体及残余奥氏体都是不稳定的组织，具有向稳定组织转变的自发倾向。随回火温度的升高，钢的组织也相应发生以下四个阶段的转变：第一阶段：马氏体的分解(100250) 第二阶段：残余奥氏体的转变(200300)第三阶段：渗碳体的形成(250400)第四阶段：渗碳体的聚集长大和相再结晶(400以上) 性能的变化：即随着回火温度升高，强度、硬度下降，而塑性、韧性上升，如图所示。 三、回火的种类及应用 1.低温回火(150250)低温回火的组织为回火马氏体。这种回火主要是为了降低淬火钢的应力和脆性，提高韧性，而保持高硬度和耐磨性。它主要适用于各类高碳钢的刀具、冷作模具、量具；滚动轴承；渗碳或表面淬火件等。2.中温回火(350500)中温回火的组织为回火托氏体。这种回火可显著减少工件的淬火应力，具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性。它主要应用于各种弹簧、弹性夹头及锻模的处理。3.高温回火(500650)高温回火的组织为回火索氏体。这种回火可使工件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性能。淬火后高温回火的热处理称为调质处理，简称调质，常用于受力情况复杂的重要零件，如各种轴类、齿轮、连杆等。以上各温度范围中看出，没有在（250350）进行回火，因为这正是钢容易发生低温回火脆性的温度范围，应避开。索氏体是铁素体与片装渗碳体的机械混合物。.14. 试比较索氏体和回火索氏体，托氏体和回火托氏体，马氏体和回火马氏体之间在形成条件、组织形态、性能上的主要区别。索氏体回火索氏体形成条件650600淬火后高温回火500650组织形态细片状珠光体由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体所组成。F失去原M形态，成为多边形颗粒状，同时渗碳体聚集长大性 能强度和硬度较高（2530HRC），塑性和韧性较好保持较高的强度和硬度（2535HRC) 同时具有更好的塑性和韧性。托氏体回火托氏体形成条件600550淬火后中温回火（350500）组织形态极细片状珠光体由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体所组成。形态仍为淬火M的片状或板条状性 能强度和硬度高（3040HRC），塑性和韧性好获得较高的屈强比，硬度（3545HRC) 高的弹性极限，高的韧性。马氏体回火马氏体形成条件23050淬火后低温回火150250以上组织形态碳在Fe中过饱和的固溶体，形态为片状或板条状由过饱和的相与其共格的Fe2.4C组成，形态保留原M形状性能高碳片状M，硬度（6466HRC）、脆性大，塑性、韧性差。低碳板条状M，硬度（3050HRC），塑性韧性较高由于需低温淬火的都为高碳钢，故保持淬火M的高硬度（5862HRC) 高耐磨性，降低淬火应力和脆性。第六章 淬火钢在回火时的转变淬火后得到的是亚稳组织马氏体与残余奥氏体。将淬火零件重新加热到低于临界点某一温度保温，亚稳组织将发生转变，这一处理称为回火。回火可使组织转变，性能改变，内应力消除。回火时的转变称为回火转变，可分为下列四种转变：(1) 马氏体转变，发生于100350；(2) 残余奥氏体转变，发生于200300， 属于低温回火，得到回火马氏体(M)；(3) 碳化物转变，()， 发生于400，属于中温回火，得到回火屈氏体(T)；(4) 相回复再结晶，碳化物聚集长大，发生于400550，属于高温回火，得到回火索氏体(S)。这四个过程的温度不能截然分开，详细讨论见下。第一节 马氏体的分解一. 马氏体中碳原子的偏聚 马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，存在于体心立方扁八面体中的碳原子将使晶体点阵产生严重畸变，使马氏体处于不稳定状态。为了降低能量，在100左右，碳原子就偏聚于位错或孪晶界面，或板条界，形成微小的碳的富集区。例1. 计算得到在230时，碳原子扩散0.2 nm，约需20s(微秒)，如钢的MS 高，则在淬火过程中就能发生扩散。例2. 含碳0.21%的Fe-C合金，奥氏体化后淬火，150回火10分钟，用原子探针测得基底含碳0.03 %，而板条马氏体的条界碳含量为0.42 %，说明淬火或回火过程中，碳偏聚于板条。二. 马氏体的分解 此过程发生在温度高于100时，随回火温度的升高及时间的延长，富集区的碳原子发生有序化然后转变为碳化物。随碳化物的析出，马氏体的含碳量不断减少，正方度c/a不断下降，马氏体的分解有两种(即双相分解和单相分解)。1.高碳马氏体分解(1) 双相分解 当温度低于125时，回火后可出现两种不同的正方度。表6-1为含C 1.4 % 的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化。从表6-1中可看出，125以下回火得到的二种正方度为: 具有高正方度的保持原始碳浓度的未分解的马氏体以及具有低正方度的碳已部分析出的相 。表6-1 含C 1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化回火温度回火时间a (埃)b (埃)c / a碳含量(%)室 温10 y2.8462.880，3.021.012,1.0620.27，1.41001 h2.8462.882,3.021.013, 1.0540.29，1.21251 h2.8462.8861.0130.291501 h2.8522.8861.0120.271751 h2.8572.8841.0090.212001 h2.8592.8781.0060.142251 h2.8612.8721.0040.082501 h2.8632.8701.0030.06双相分解机制：a) 在碳原子的富集区，形成碳化物核，周围碳原子的扩散促使其长大。但由于温度低，进行的仅仅是近程扩散，从而形成具有二个浓度的-Fe，析出的碳化物粒子也不易长大。图6-1-16-1-1马氏体双相分解过程示意图b) 在高碳区继续形成新核，随时间延长，高碳区逐渐变成低碳区，高碳区减少。图6-1-2图6-1-2马氏体双相分解碳的分布c) 低碳区增多，其平均成分将至0.250.3 %，与原始碳量、分解温度无关。(2) 单相分解 当温度高于150时，碳原子扩散能力加大，-Fe中不同浓度可通过长程扩散消除，析出的碳化物粒子可从较远处得到碳原子而长大。故在分解过程中，不再存在两种不同碳含量的相，碳含量和正方度不断下降，当温度达300时，正方度c/a接近1。2. 低碳及中碳马氏体的分解 低碳钢中MS点高，淬火过程中会发生碳原子偏聚及碳化物析出，这一特征称为自回火。淬火后，在150回火时，不再发生碳化物的析出。当回火温度高于200时，发生单相分解析出碳化物。中碳钢正常淬火得到板条与片状马氏体的混合组织，并有低碳、高碳马氏体特征。三. 碳化物的析出、转变及聚集长大1.高碳马氏体中碳化物的析出(1).高碳马氏体经双、单相分解、析出亚稳碳化物：六方(或正交)，结构式为FeXC，x=2-3。马氏体分解的反应式可写成MM(+亚稳碳化物)。当回火温度高于250时，()(Fe5C2)，是较为稳定的碳化物，具有复杂斜方点阵。当温度进一步升高后，()与可转变为稳定的(Fe3C)，具有正交点阵。转变初期析出的亚稳碳化物极为细小，不易分辨，而与碳化物长大成为片状。图6-1-3 6-1-3含C1.34%高碳马氏体回火时三中碳化物的析出范围 (2) 碳化物转变方式(a) 原位转变原碳化物发生成分、点阵改组，新、旧相具有相同析出位置与惯习面。如 的转变。(b) 独立转变新相重新形核、长大，使马氏体中含碳量降低，为维持平衡，细小的旧相溶解，如()或 。()均匀分布在基底，惯习面为100，与集中于M内孪晶面， 惯习面为112，见图6-1-4。 6-1-4沿孪晶面分布的碳化物 (3) 一般规律 高碳钢中碳化物的析出与时间、温度的关系见图。2. 低碳马氏体中碳化物析出 当碳含量低于0.2%时，在200以下回火，仅发生碳偏聚；在200以上回火以及淬成马氏体过程中的自回火，均析出稳定的碳化物。回火时，在板条内位错缠结处析出细针状碳化物，沿板条界析出薄片状碳化物。温度升高后，条内碳化物就溶解而使条间碳化物长大。温度达到500以上时，条内碳化物已消失，仅剩下较粗大的条间碳化物。3. 中碳马氏体碳化物的析出 对孪晶马氏体，当温度高于200时，由亚稳()，无相出现，对位错马氏体，当温度高于200时，在位错线上直接析出，或经自回火析出；温度高时，碳化物向板条界转移。4. 碳化物聚集长大 长期保温或提高回火温度，使碳化物聚集长大。长大机制可由胶态平衡理论解释：第二相粒子在固溶体中的溶解度与其半径有关，即：ln(Cr/C) = 2(M/RTr) 其中，Cr 为第二相粒子半径为r时的溶解度；C为第二相粒子半径为时的溶解度，即为平板时的溶解度； M为第二相分子量；R为气体常数；T为绝对温度；为第二相密度；r 为小粒子的半径；为单位面积界面能。当碳化物种类确定后，上式中M，R，T，为常数，可见当半径r愈小，Cr/C 越大，小粒子溶解度依指数关系急剧增加，由此引出了两条可能的结果：(1) 片、杆状的第二相粒子，各处的曲率半径不同，小半径处易于溶解，而使片、杆断开，并进一步球化。(2) 小粒子溶解，大粒子长大。四. 相状态的变化1. 淬火时，由于马氏体转变引起晶内缺陷增加，表面与中心的温差造成热应力与组织应力引起的塑性变形，均会引起各种内应力的增加。这些内应力，一般可分解为三类：(1) 第I类内应力，存在于宏观范围，如表面与心部之间，可造成变形与开裂。回火温度越高，回火时间越长，应力下降越剧烈。其间的关系可见图6-1-5。经550回火，第I类内应力可基本消除。 6-1-5 C0.3%钢回火时第一累内应力的变化(2)第II类内应力，存在于晶粒间，可用a/a来表示其大小，按性质又可分为三种类型： (a) 存在于马氏体片之间，来源于淬火时的畸变，到300以上时，因碳的析出而大大减小。可见图中曲线2。 (b) 析出的()碳化物与基体共格，造成与基体间的应力，但在()内消除。其与温度的关系，可见图中曲线3。 (c) 因碳化物的析出而造成的与基体间的应力、与温度的关系可见图中曲线4。这三种第II类内应力综合作用的效果可见曲线1。6-1-6高碳钢回火时a/a的变化 (3) 第III类内应力，存在于晶胞内。当温度升高后，碳原子析出使单胞畸变下降。在300以上时，碳钢中的第III类应力可基本消除。 2回复与再结晶 在400以上时，开始回复。即板条界的位错通过攀移、滑移而消失。位错密度下降，板条合并、变宽。当亚结构为孪晶时，经400回火后也消失，但片状特征仍存在。在600以上时，开始再结晶，位错密度低的板条块长大成等轴晶粒，颗粒状碳化物分布在其基体上。这种组织成为回火索氏体S。孪晶马氏体经此温度回火，片状特征也消除，得到回火索氏体。所以，淬火碳钢在不同温度回火，可得到不同的组织：200回火，得到+碳化物(，)，即回火马氏体 (碳化物存在于板条或片内)，记作M 400回火，得到（0.25%C）+碳化物，即回火屈氏体(细小碳化物及针状)， 记作T.600回火，得到平衡态等轴+，即回火索氏体(细粒碳化物及等轴)，记作S。 /pdf/html/2005-11-23/ptss/cstp0601.htm热处理与金相知识钢结构组织与特性(No.1)铁素体(F)1.组织: 碳在铁中的固溶体2.特性: 呈体心立方晶格.溶碳能力最小,最大为0.02%;硬度和强度很低,HB=80-120,b=250N/mm2;而塑性和韧性很好,=50%,=70-80%.因此,含铁素体多的钢材(软钢)中用来做可压、挤、冲板与耐冲击震动的机件.这类钢有超低碳钢,如 0Cr13,1Cr13、硅钢片等奥氏体1.组织: 碳在铁中的固溶体2.特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等渗碳体(C)1.组织: 铁和碳的化合物(Fe3C)2.特性: 呈复杂的八面体晶格.含碳量为6.67%,硬度很高,HRC70-75,耐磨,但脆性很大,因此,渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起.碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是以渗碳体或其他碳化物形式出现珠光体(P) 1.组织; 铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织,是铁素体与渗碳体祷旌衔?共析体)2.特性: 是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物.其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织越细性质也不同.奥氏体在约600分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次索氏体),在500-600分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极细珠光体(有的一次屈氏体),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高.正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性能较好,但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中,故不如索氏体 莱氏体(L) 1.组织: 奥氏体与渗碳体的共晶混合物2.特性: 铁合金溶液含碳量在2.06%以上时,缓慢冷到1130便凝固出莱氏体.当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体.因此,在723以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合).莱氏体硬而脆(HB700),是一种较粗的组织,不能进行压力加工,如白口铁.在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等.这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性淬火与马氏体 1.组织: 碳在-Fe中的过饱和固溶体,显微组织呈针叶状2.特性:淬火后获得的不稳定组织.具有很高的硬度,而且随含碳量增加而提高,但含碳量超过0.6%后的硬度值基本不变,如含C0.8%的马氏体,硬度约为HRC65,冲击韧性很低,脆性很大,延伸率和断面收缩率几乎等于零.奥氏体晶粒愈大,马氏体针叶愈粗大,则冲击韧性愈低;淬火温度愈低,奥氏体晶粒愈细,得到的马氏体针叶非常细小,即无针状马氏组织,其韧性最高回火马氏体(S) 1.组织: 与淬火马氏体硬度相近,而脆性略低的黑色针叶状组织2.特性:淬火钢重新加热到150-250回火获得的组织.硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格,但内应力比淬火马氏体小索氏体(S) 1.组织: 铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织2.特性:淬火钢重新加热到500-680回火后获得的组织.与细珠光体相比,在强度相同情冲下塑性及韧性都高,随回火温度提高,硬度和强度降低,冲击韧性提高.硬度约为HRC23-35.综合机械性能比较好.索氏体有的叫二次索氏体或回火索氏体 屈氏体 屈氏体(T)组织或特性1.组织: 铁索体和更细的粒状渗碳体组成的组织2.特性:淬火钢重新加热到350-450回火后获得的组织.它的硬度和强度虽然比马氏体低,但因其组织很致密,仍具有较高的强度和硬度,并有比马氏体好的韧性和塑性,硬度约为HRC35-45.屈氏体有的叫二次屈氏体或回火屈氏体下贝氏体(B) 1.组织: 显微组织呈黑色针状形态,其中的铁素体呈现针状,而碳化物呈现极小的质点以弥散状分布在针状铁素体内2.特性:过冷奥氏体在400-240等温度转变后的产物.具有较高的硬度,约为HRC40-55,良好的塑性和很高的冲击韧性,其综合机械性能比索氏体更好;因此,在要求较大的、韧性和高强度相配合时,常以含有适当合金元素的中碳结构钢等温淬火,获得贝氏体以改善钢的机械性能,并减小内应力和变形低碳马氏体 具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点(b=1200-1600N/mm2,0.2=1000-1300N/mm2,510%,40%k60J/cm2); 同时还有低的冷脆转化温度(-60);在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下,其缺口敏感度和过载敏感性都较低.低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA综合力学性能,比中碳合金钢等温淬火获得的下贝氏体更好.保持了低碳钢的工艺性能,但切削加工较难铁-碳合金平衡图中特性点与线(搂冷却叙述,加热为可逆的)符号 说明A 纯铁的凝固点 E 碳在-Fe中的最大溶解度G -Fe-Fe转变点C 共晶点S 共折点ABCD 液相线.液体开始结晶AHJECF 固相线,液体终止结晶ES Acm线,渗碳体开始从奥氏体中析出ECF 共晶线,开始从液体结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物GS As线,自奥氏体开始析出铁素体, 即-Fe-Fe的开始线PSK 共析线或称A1线,自奥氏体开始析出铁素体和渗碳体的共析混合物注:1.As线在加热时称为Ac3线,冷却时称Ar3线;2.A1线在加热时称为Ac1线,冷却时称Ar1线 室温下铁-碳合金的平衡组织名称 含碳晶,% 平衡组织亚共析钢 0.02-0.8 铁素体珠光体共析钢 0.8 珠光体过共析钢 0.8-2.06 珠光体二次渗碳体亚共晶的口铁 2.06-4.3 树状珠光体二次渗透体共晶体共晶白口铁 4.3 共晶体(珠光体渗碳体)过共晶白口铁 4.3-6.67 板状一次渗碳体共晶体钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含有：C 0.06、Cr 11-16.5、Ni 3.50-6.0、Mn2、Mo 0.5-2、Si 1，余量为Fe和少量杂质，杂质包括Al、O、N、H、S、P，其含量分别为Al0.15、O0.01、N0.03、H0.0005、S0.020、 P0.025。屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值，规定了钢管塑性变形区的行为，即屈强比越小，钢管在屈服后产生起始塑性变形到最后断裂前的形变容量越大。从这个角度来看，钢管的屈强比（YB）尽量小一些，对管道安全有利。一般屈强比（YB）0.90范围内。但高强度钢管（特别是高强度微合金化控轧钢）屈强比较高，X70以上钢级的屈强比（YB）有时会超过0.93。屈强比（YB）的提高，对管道的安全性各有利弊。有利的一面，因为爆破压力与屈强比成正比，所以，从这个角度看，屈强比越高，管道趋于安全；不利的一面，因为环向应变的允许值与屈强比成反比，屈强比越高，环向应变允许值减少。当屈强比（YB）=0.93时，可允许周长方向变形量为2.5；而屈强比（YB）=0.95时，允许周长方向变形量1.5。从这个角度看，屈强比不宜过高。另外，屈强比还同钢管壁厚有关。例如：12.7mmt17.5mm，允许YB0.93，而t=25.4mm时，允许YB0.97。/font屈强比小，说明屈服强度小或抗拉强度大，那么在材料发生屈服后，到材料发生破坏，有较长的一段延时性，人们可以及早发现故障而作出停机准备，故其可靠性高。反之，屈强比大，材料在屈服前工作时间长，则材料利用率高。影响金属屈强比的因素有那些？组织均匀程度、晶粒大小和均匀性、内部缺陷、某些元素均匀性（S、P）都会影响钢的屈强比。降低屈强比可以从细化晶粒（如快速凝固，超级钢）、均匀化晶粒组织、热处理退火、净化合金、微合金化、复合强化等方面入手，降低屈强比来提高材料的韧性和可靠性。屈强比（s/b）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。1. 屈服点（s） 钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点s=Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）2. 2.屈服强度（0.2） 有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2。 3.抗拉强度（b） 材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。 设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度 b=Pb/Fo（MPa）。3. 4.伸长率（s） 材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。材料力学性能材料力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力和应变，是单位面积上的作用力，是单位长度的变形。描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指标有以下几项：1 弹性和刚度 材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=/（MN/m2）称为弹性模量。E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。零件提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。2强度在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。（1）屈服强度s在图1-6（b）上，当曲线超过A点后，若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。当曲线达到A点时，曲线出现水平线段，表示外加载荷虽然没有增加，但试样的变形量仍自动增大，这种现象称为屈服。屈服时的应力值称为屈服强度，记为S。有的塑性材料没有明显的屈服现象发生，如图1-6（c）所示。对于这种情况，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以0.2表示。机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。材料的屈服强度越高，允许的工作应力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。（2）抗拉强度b 材料发生屈服后，其应力与应变的变化如图1-1所示，到最高点应力达最大值b。在这以后，试样产生“缩颈”，迅速伸长，应力明显下降，最后断裂。最大应力值b称为抗拉强度或强度极限。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。b测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，可用作为设计依据，但所取的安全系数应该大一些。屈服强度与抗拉强度的比值S/b称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。3塑性材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的（图1-6）。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。（1） 延伸率 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号表示，即b式中：L0 试样原始标距长度；L1 试样拉断后的标距长度。（2） 断面收缩率 试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号表示，即式中：F0 试样原始的横截面积；F1 试样拉断处的横截面积。延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的道理。材料的和值越大，塑性越好。两者相比，用表示塑性更接近材料的真实应变。4硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。硬度测试应用得最广的是压入法，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来说，硬度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。（1）布氏硬度HB 布氏硬度是用一定载荷P，将直径为D 的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积F确定硬度大小。其单位面积所受载荷称为布氏硬度。由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。当测试压头为淬火钢球时，只能测试硬度小于450HB的材料；当测试压头为硬质合金时，可测试硬度小于650HB的材料。对金属来讲，钢球压头只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间，有以下近似经验关系：对于低碳钢：b0.36HB；对于高碳钢：b0.34HB；对于灰铸铁：b0.10HB。（2）洛氏硬度HR 洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。（3）维氏硬度HV 维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小（5120kgf）。它所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。5疲劳强度以上几项性能指标，都是材料在静载荷作用下的性能指标。而许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷，在这种载荷反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下即发生断裂，这种现象称为“疲劳”。材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力称为“疲劳极限”。光滑试样的弯曲疲劳极限用1表示。一般钢铁的1值约为其b的一半，非金属材料的疲劳极限一般远低于金属。疲劳断裂的原因一般认为是由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进行强化等，可以提高材料的疲劳抗力。6韧性材料的韧性是断裂时所需能量的度量。描述材料韧性的指标通常有两种：（1）冲击韧性aK 冲击韧性是在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。通常用冲击韧性指标aK来度量。aK是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（MJ），其单位为MJ/m2。aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。标准冲击试样有两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大于夏氏试样的aK值，所以两种试样的aK值不能互相比较。夏氏试样必须注明aK（夏）。实际工作中承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是因小能量多次冲击使损伤积累，导致裂纹产生和扩展的结果。所以需采用小能量多冲击作为衡量这些零件承受冲击抗力的指标。实践证明，在小能量多次冲击下，冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。（2）断裂韧性K1 在实际生产中，有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于S的情况下，突然发生低应力脆断。通过大量研究认为，这种破坏与制件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。实际使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如气孔、夹杂物、机械缺陷等，它们破坏了材料的连续性，实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过程中，裂纹扩展的结果，造成零件在较低应力状态下，即低于材料的屈服强度，而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下，发生低应力脆断。材料的断裂韧性K1C与裂纹的形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（成分、热处理条件、加工工艺等），是一个反映材料性能的常数。第三节 弹簧钢弹簧是各种机械和仪表中的重要零件,它主要利用弹性变形时所储存的能量来起到缓和机械上的震动和冲击作用.由于弹簧一般是在动负荷的条件下使用,因此要求制造弹簧用的弹簧钢必须具有高的抗拉强度,高的屈强比(S/b),高的疲劳强度(尤其是缺口