力学性能和热处理(精心整理)

金属材料力学性能与热处理工艺 2014年1月4日 1 材料科学与工程的 四要素 探索这四个要素之间的关系 覆盖了材料科学与工程领域的所有研究内容 能够根据使用性能要求 选择合适的材料 并制定出相应的加工工艺 使之最终具有满足使用性能要求的性质 是工程技术人员应该具备的能力 2 材料力学性能 材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素 温度 介质和加载速率 联合作用下表现出来的行为 3 低碳钢单向静载拉伸应力 应变曲线 1 oa段 弹性变形2 ab段 弹性变形 塑性变形3 bcd段 明显塑性变形 出现屈服现象 作用力基本不变情况下 试样连续伸长 4 dB段曲线 弹性变形 均匀塑性变形5 B点 出现缩颈现象 试样局部截面明显缩小试样承载能力降低 拉伸力达到最大值 试样即将断裂 低碳钢拉伸力 伸长曲线 材料力学性能 4 强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 2 抗拉强度 试样拉断前所承受的最大拉应力 反映了材料的最大均匀变形的抗力 1 屈服强度 b Fb S0 b常用作脆性材料的选材和设计的依据 s Fs S0 Fs 试样屈服时所承受的拉伸力 N S0 试样原始横截面积 mm 强度指标 s代表材料开始明显塑性变形的抗力 是设计和选择韧性材料的主要依据之一 材料力学性能 5 塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力 1 断后伸长率 2 断面收缩率 试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 L1 L0 L 100 L0 标距 L1 拉断后的试件标距 A0 A1 A0 100 A0 试件原横截面积 A1 断裂后颈缩处的横截面积 材料力学性能 6 弹性指标 组织不敏感的力学性能指标 合金化 热处理 冷塑性变形对其影响不大 刚度 材料在受力时 抵抗弹性变形的能力 E 拉应力 拉伸应变 机构和构件选材重要的力学性能指标 行车梁应具有足够的刚度 否则在起吊重物时会因挠度过大引起振动 机床和压力机主轴 床身和工作台对刚度都有要求 以保证加工精度 内燃机 离心机和压气机等的主要构件要有足够的刚度防止发生振动 材料力学性能 7 硬度 材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力 它是衡量材料软硬程度的指标 其物理含义与试验方法有关 硬度的测试方法 1 布氏硬度 2 洛氏硬度 3 维氏硬度 4 肖氏硬度 5 里氏硬度 6 莫氏硬度 材料力学性能 8 布氏硬度 适用范围 用于测量灰铸铁 结构钢 非铁金属及非金属材料等 优缺点 1 测量值较准确 重复性好 2 可测组织不均匀材料 3 不适合测试成品与薄件 4 测量费时 效率低 450HB 测试压头为淬火钢球 硬度符号HBS 650HB 测试压头为硬质合金 硬度符号HBW 单位面积上所承受的平均应力 即试验力p与压痕球形表面积的商 经验公式 低碳钢 b 3 6HBS 高碳钢 b 3 4HBS 材料力学性能 9 洛氏硬度 以测量压痕深度表示材料的硬度值 每0 002mm相当于1洛氏硬度单位 10HRC HBS HR k h 0 002 压头分两种 1 圆锥角 120 的金刚石圆锥体 2 直径为 1 588mm的小淬火钢球 洛氏硬度计算式 压头1 k 0 2mm 压头2 k 0 26mm 优缺点 1 试验简单 方便 迅速 2 压痕小 可测成品 薄件 3 数据不够准确 应测三点取平均值 4 不应测组织不均匀材料 如铸铁 材料力学性能 10 维氏硬度 在200 350HBS之间 HV HBS 根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值 压头是两相对面间夹角为136 的金刚石四棱锥体 测量范围 常用于测薄件 镀层 化学热处理后的表层等 优缺点 1 测量准确 应用范围广 硬度从极软到极硬 2 可测成品与薄件 3 试样表面要求高 费工 材料力学性能 11 冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 试样冲断时所消耗的冲击功Ak为 Ak mgH mgh J 冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功 ak Ak S0 J cm ak值低 脆性材料 断裂时无明显变形 金属光泽 呈结晶状 ak值高 韧性材料 明显塑变 断口呈灰色纤维状 无光泽 材料力学性能 12 Titanic沉没原因 含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 冲击试样是典型的脆性断口 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性 一项新的科学研究回答了80年未解之谜 冲击韧性 低温脆性 韧脆转变温度 不同碳含量钢冲击功与温度关系 材料力学性能 含硫高的钢 现代船舶用钢 13 断裂韧度 断裂力学 在承认机件存在宏观裂纹的前提下 建立了裂纹扩展的各种新的力学参量 并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度 张开型穿透裂纹无限大板的应力分析 应力场强度因子K1 Y 裂纹强度系数 断裂韧度K1C 裂纹不会扩展 安全 裂纹扩展 断裂失效 材料力学性能 14 疲劳强度 疲劳现象 金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下 由于累积损伤而引起的断裂现象 80 的断裂由疲劳造成 疲劳特点 1 疲劳是低应力循环延时断裂 断裂应力往往低于材料抗拉强度 甚至屈服强度 2 疲劳是脆性突发性断裂 断裂前不会有明显的变形征兆 危险性大 3 疲劳对缺口 裂纹及组织缺陷十分敏感 具有高度的选择性 材料力学性能 15 疲劳极限 1 材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值 条件疲劳极限 经受107应力循环而不致断裂的最大应力值 钢材疲劳强度经验公式 1 0 45 0 55 b或 1 0 27 s b 1p 0 23 s b 材料力学性能 16 定义 将固态金属或合金通过加热 保温和冷却 使其内部组织结构发生变化 获得所需要性能的工艺 目的 一是改善材料工艺性能 确保后续加工顺利进行 这种热处理称为预先热处理 二是提高材料使用性能 延长零件使用寿命 这种热处理称为最终热处理 分类 普通热处理 四火 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 其他热处理 真空热处理 形变热处理等 热处理 钢材热处理工艺 17 共析钢在加热时的组织转变 回顾 钢材热处理工艺 珠光体向奥氏体转变过程四步 1 奥氏体形核 2 奥氏体长大 3 剩余Fe3C溶解 4 奥氏体均匀化 18 钢在冷却时的组织转变 重要性 决定了钢热处理后的组织和性能 同一种钢 加热温度和保温时间相同 冷却方法不同 热处理后的性能截然不同 奥氏体的冷却转变 奥氏体在临界点A1以上是稳定相 冷却至A1以下就成了不稳定相 要发生组织转变 钢材热处理工艺 45钢加热到840 在不同冷却条件下冷却后的力学性能 19 钢材热处理工艺 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立 金相硬度法 也称 TTT曲线 Time Temperature TransformationCurve 因形状类似 C 常称 C曲线 借助 C曲线 可以了解奥氏体在不同的冷却条件下转变成何种组织以及转变产物的性能 为正确制定和选择热处理工艺提供理论依据 20 钢材热处理工艺 共析钢C曲线及转变产物 21 1 珠光体型转变 又称高温转变 转变温度 A1 550 转变产物 珠光体 A1 6500C 珠光体片层较粗 P 珠光体 pearlite 6500C 6000C 珠光体层片较细 S 索氏体 sorbite 6000C 5500C 珠光体层片极细 T 屈氏体 troolstite 珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关 温度越低 珠光体的层片越细 层片变细 强度硬度增加 塑性韧性有所增加 钢材热处理工艺 P S T 22 2 贝氏体型转变 又称中温转变 转变温度 550 Ms 230 转变产物 贝氏体B bainite 由过饱和F和渗碳体组成的混合物 550 350 上贝氏体 upperbainite B上 羽毛状组织 强度与塑性都较低 脆性很高 350 Ms 下贝氏体 lowerbainite B下 针片状组织 综合性能好 钢材热处理工艺 B上 B下 23 3 马氏体转变 又称低温转变 转变温度 Ms 230 C Mf转变产物 马氏体 martensite A residualaustenite 马氏体 碳在 Fe中形成的过饱和固溶体 用M表示 分类 低碳马氏体 lowcarbonmartensite 呈板条状 具有较高的强度和塑韧性 也称板条M lathmartensite 高碳马氏体 highcarbonmartensite 呈透镜状 片状 中间有脊线 其强度很高 但塑韧性差 脆性大 低碳马氏体 高碳马氏体 钢材热处理工艺 24 亚共析钢的C曲线 钢材热处理工艺 25 过共析钢的C曲线 钢材热处理工艺 26 过冷奥氏体连续转变冷却曲线 CCT曲线 ContinuousCoolingTransformation 钢材热处理工艺 27 P 均匀A 细A 等温退火 P P 退火 炉冷 正火 空冷 S 淬火 油冷 T M A 等温淬火 B下 M A 分级淬火 M A 淬火 水冷 M回 150 250 T回 350 500 S回 500 650 P T S回 S T B下 M A 用C曲线定性说明连续冷却转变产物 550 600 650 钢材热处理工艺 28 目的 细化晶粒 降低硬度 改善钢的成形和切削加工性能消除内应力 退火 annealing 分类 按退火的目的和工艺特点可分为完全退火 不完全退火 等温退火 球化退火 去应力退火等 定义 钢材热处理工艺 29 完全退火 fullannealing 适用范围 亚共析钢加热温度 Ac3 30 50 目的 细化组织 降低硬度 改善切削加工性 消除内应力室温组织 F P AC3 30 50 球化退火 spheroidizingannealing 适用范围 共析钢和过共析钢加热温度 Ac1 20 30 目的 使网状或片状Fe3C 球化 组织 球状珠光体 AC1 20 30 钢材热处理工艺 30 等温退火 isothermalannealing 工艺 加热到Ac1 30 50 或Ac3 30 50 保温后 迅速冷却至Ar1以下某一位温度 待A都变为P类组织 出炉空冷 组织 P类优点 退火时间短 组织均匀 钢材热处理工艺 31 去应力退火 reliefannealing 目的 去除残余应力加热温度 T加热 AC1 500 600 应用 消除铸件 锻件 焊接件等的残余内应力 均匀化退火 扩散退火 目的 消除偏析 均匀成分 组织加热温度 AC3 150 250 组织 亚共析钢为P F 应用 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件 锻件 钢材热处理工艺 32 再结晶退火 recrystallizationannealing 工艺 加热到Ac1以下50 150 或T再 30 50 保温 缓冷 目的 消除加工硬化 恢复钢材的塑韧性 应用 冷加工后的工件消除加工硬化 如在钢丝拉拔过程中 中间进行的退火 钢材热处理工艺 33 目的 低碳钢 提高硬度 利于切削 过共析钢 消除网状二次渗碳体 利于P球化 中碳钢和中碳低合金钢 受力不大 性能要求不高可作为最终热处理 正火 normalizing 定义 将工件加热到Ac3或Accm以上30 50 保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺 钢材热处理工艺 34 退火与正火的选择 1 从切削加工性方面考虑 低碳钢采用正火 中碳钢用退火 正火都行 过共析钢在消除网状渗碳体后采用球化退火 2 从使用性能方面考虑 一些受力不大的工件 性能要求不高 可用正火作为最终热处理 形状复杂 尺寸大或重要零件采用退火 3 从经济性方面考虑 正火成本低 退火成本高 在满足钢质量的前提下 应尽可能用正火代替退火 钢材热处理工艺 35 淬火 Quenching 定义 目的 获得M或B下组织 提高钢的的硬度和耐磨性 淬火温度的选择 亚共析钢 AC3 30 50 共析钢及过共析钢 AC1 30 50 钢材热处理工艺 36 但到目前为止还没有找到十分理想的冷却介质能符合这一理想的冷却速度的要求 650 以上 慢 减小热应力650 400 快 避免C曲线400 以下 慢 减轻相变应力 淬火冷却是决定淬火质量的关键 理想的冷却速度应是如图所示的速度 淬火 Quenching 钢材热处理工艺 37 常用的淬火介质 quenchingmedium 目前生产中常用的冷却介质有油 水 盐水 其冷却能力依次增加 水 淬冷能力强 但工件表面有软点 易变形开裂 盐水 淬冷能力更强 工件表面光洁 无软点 但更易变形开裂 油 淬冷能力弱 但工件不易变形开裂 常见的淬火冷却方法 quenchcoolingmethod 钢材热处理工艺 38 钢的淬透性 Hardenabilityofsteel 淬透性 hardenability 表示钢在淬火后能获得淬硬层的深度 淬硬 hardenability 表示钢在淬火后能达到的最高硬度 取决于WC的含量 C 淬硬性 淬硬层深度 depthofhardeningzone 表面到半M组织的距离 淬硬度层越深 淬透性越好 淬透性的应用 横截面受力均匀的零件 选用淬透性高的钢 横截面受力不均匀的零件 选用淬透性不必高的钢 避免脆性断裂的零件 选用淬透性不能高的钢 钢材热处理工艺 39 回火 Tempering 定义 回火的主要目的 消除内应力 降低脆性稳定组织和工件尺寸降低硬度 提高塑性 注意 未经淬火的钢回火无意义 而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂 钢经淬火后应立即进行回火 钢材热处理工艺 40 回火的组织和性能变化 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段 随加热温度升高 淬火钢的组织发生四个阶段变化 1 马氏体的分解 回火阶段 100 回火时 组织无变化 100 200 加热时 马氏体将发生分解 获得组织 回火马氏体M回 过饱和 固溶体 性能变化 内应力逐渐减小 性能基本不变 2 残余奥氏体分解 回火阶段 200 300 A 分解 转变为B下 获得组织 M回 TemperedMartensite 表示性能变化 应力进一步降低 强度和硬度略有下降 钢材热处理工艺 41 3 马氏体分解完成和渗碳体的形成 回火阶段 300 400 碳化物转变成稳定的渗碳体 获得组织 回火屈氏体 用T回 TemperedTroostite 表示 F 极细粒状Fe3C 性能变化 内应力基本消除 硬度下降 塑韧性增加 4 Fe3C聚集长大和 固溶体的回复与再结晶 回火阶段 400 以上 相开始回复 500 以上时发生再结晶 获得组织 回火索氏体 用S回 TemperedSorbite 表示 F 细粒状Fe3C 性能变化 获得良好的综合性能 钢材热处理工艺 42 钢材回火后组织与力学性能 钢材热处理工艺 回火时力学性能变化总的趋势 随回火温度提高 钢的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 43 表面热处理 SurfaceHeatTreatment 在生产中 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 有较高的耐磨性和疲劳强度 而心部要求有较好的塑性和韧性 钢材热处理工艺 在这种情况下 单从材料选择入手或采用普通热处理方法 都有不能满足其要求 解决这一问题的方法是表面热处理 表面热处理 只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺 分类 表面淬火和化学热处理 44 表面淬火 surfacequenching 方法 感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火 定义 仅对工件表面进行淬火 回火 的热处理工艺目的 使工件表硬心韧 表面淬火用钢 中碳结构钢 含碳量0 4 0 5 钢材热处理工艺 45 感应加热表面淬火 inductionsurfacequenching 基本原理 感应圈通入交流电 形成涡流 集肤效应 表层得A 水冷得M 分类 高频感应加热 200 300kHz 0 5 2 5mm 中频感应加热 0 5 10kHz 2 10mm 工频感应加热 50Hz 10 20mm 规律 电流频率越大 淬硬层深度越浅 钢材热处理工艺 46 火焰加热表面淬火 flameheatingsurfacequenching 定义 火焰加热表面淬火是应用氧 乙炔 或其它可燃气体 火焰 对零件表面加热 然后快速冷却的淬火 淬硬层深度一般为2 6mm 应用 适用于单件 小批量生产 钢材热处理工艺 47 钢的化学热处理 chemicalheattreatment 定义 将钢件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 分类 根据渗入的元素不同 化学热处理可分为渗碳 carburizing 渗氮 碳氮共渗 渗硼 渗铝等 基本过程 分解 使化学介质在加热保温过程中分解出渗入元素的活性原子 吸收 活性原子被工件表面吸附 形成固溶体或特殊化合物 扩散 渗入原子由工件表层向内扩散 形成具有一定深度的扩散层 即渗层 钢材热处理工艺 48 钢的渗碳 Carburizeofsteel 目的 提高工件表面的硬度和耐磨性渗碳用钢 低碳钢或者低碳合金钢 如20 25介质 最常用的气体 煤油 苯等 具有活性碳原子 温度 在奥氏体区 900 950 时间 根据渗层深度而定 约10小时左右 渗碳后的组织 若工件渗碳后缓慢冷却 从表面到心部的组织为P Fe C P P F 表面 心部 钢材热处理工艺 49 其他化学热处理方法 碳氮共渗 carbonitriding 碳氮同时渗入工件表层 提高表面硬度 抗疲劳性和耐