第一章补充概念

1、第一章第一章 钢的合金化基础钢的合金化基础（补充概念）（补充概念）主讲：黄丽红主讲：黄丽红YOUR SITE HERELOGO一些基本概念一些基本概念 v材料的力学性能材料的力学性能v碳钢与铸铁碳钢与铸铁v钢的热处理钢的热处理YOUR SITE HERELOGO 材料在外力（或外加能量）作用下抵抗外力所表现的行材料在外力（或外加能量）作用下抵抗外力所表现的行为，包括为，包括变形和抗力变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允许，即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。的变形或不被破坏的能力。 硬硬度度强强度度塑塑性性韧韧性性一、材料的力学性能一、材料的力学性能YOUR SITE HER

2、ELOGO金属材料承受载荷作用，金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现显的塑性变形，这种现象就称为屈服。象就称为屈服。 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性塑性变变形和形和断裂断裂的特性。的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限nYOUR SITE HERELOGO常温拉应力下20号钢的拉抻试验 l0=10d0l0= 5d0或或YOUR SITE HERELOGO从开始加载到发生断裂所从开始加载到发生断裂

3、所能达到的最大应力值，叫能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。做抗拉强度。 开始出现塑性变形时的应开始出现塑性变形时的应力，称为力，称为“屈服点屈服点”s ss s sbYOUR SITE HERELOGO1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 金属在拉伸条件下，金属在拉伸条件下，从开始加载到从开始加载到发生发生断裂断裂所能承受的最所能承受的最大应力值，叫作抗大应力值，叫作抗拉强度。拉强度。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限nYOUR SITE HEREL

4、OGO1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 材料在材料在高温高温下，在下，在一定的应力下，抵一定的应力下，抵抗发生抗发生缓慢缓慢塑性变塑性变形的能力。形的能力。持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限nYOUR SITE HERELOGO 材料在材料在高温高温下，抵抗下，抵抗发生发生断裂断裂的能力。的能力。 1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变

5、强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限nYOUR SITE HERELOGO材料在材料在交变载荷交变载荷作用下，作用下，会在远低于材料本身的屈会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把种现象就是疲劳。我们把经过经过106108次次循环试验循环试验而而不发生断裂的最大应力不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。作为疲劳强度。1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度

6、抗拉强度b疲劳极限疲劳极限nYOUR SITE HERELOGO2、塑性塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。能力。主要有两个塑性指标：主要有两个塑性指标：%100%100000lllllKK%100%100000FFFFFKK延伸率延伸率断面收缩率断面收缩率YOUR SITE HERELOGO钢板的冷弯试验钢板的冷弯试验通常要求冷弯角=180时不裂不断。弯心直径d是关键，d=0.5a，a，1.5a，2a等。a为板厚，宽度b=2aYOUR SITE HERELOGO3、韧性：韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量表示材料弹塑性变形为断裂全过

7、程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。承受承受静静载荷抗裂纹扩展的能力载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性缺口敏感性承受承受动动载荷时抗裂纹的能力载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性冲击韧性YOUR SITE HERELOGO冲击功冲击功 ，而冲击韧度而冲击韧度 （F为面积）为面积） 图图1-1冲击试样的安放冲击试样的安放1-摆锤摆锤2-试样试样3-机座机座图图1-2 冲击试验原理冲击试验原理1-摆锤摆锤2-试样试样21GHGHAk FAkk/ （1）冲击韧度）冲击韧度 YOUR SITE HERELOGO（2）缺口敏感性）缺口敏感性指在带有一定应力集中的缺

8、口条件下，并且在静载荷作用条件指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。下，抵抗裂纹扩展的能力。图图1-3 冲击试验的标准试样冲击试验的标准试样10281055R1(a) U型缺口型缺口104581055R0.25(a) V型缺口型缺口YOUR SITE HERELOGO 4、硬度硬度：金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。弹性变形、塑性变形或破断的能力。布氏硬度布氏硬度HB（一般在（一般在HB650以上就

9、不能使以上就不能使用用) 、 洛氏硬度洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材料料) 、 维氏硬度维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度定极薄试样的硬度) ，显微硬度。，显微硬度。YOUR SITE HERELOGO二、碳钢与铸铁二、碳钢与铸铁 v铁碳合金：铁碳合金：碳钢和铸铁的总称碳钢和铸铁的总称v碳钢：碳钢：含碳量含碳量0.02%2.11%（小于（小于0.02%为工程纯铁，很软，工程上极少使用）为工程纯铁，很软，工程上极少使用）v铸铁：铸铁：含碳量大于含碳量大于2.11%（大于（大于4.3%时，铸时，铸铁太脆，无实际应用价值）铁太脆，无实

10、际应用价值）YOUR SITE HERELOGO2. 1铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构 金属的组织与结构v金属的（显微）金属的（显微）组织：通通常在低于常在低于1500倍的显微倍的显微镜下观察到的镜下观察到的金属的晶粒。见图见图1-6v金属的晶体金属的晶体结构：用用X光或光或电子显微镜可以观察到的电子显微镜可以观察到的金属原子的各种规则排列。YOUR SITE HERELOGOYOUR SITE HERELOGOv 面心立方面心立方铁铁v 体心立方体心立方铁铁 YOUR SITE HERELOGO v 纯铁的同素异构转变固态下，晶体构造随温度固态下，晶体构造随温度发生改变的现象发生改变的

11、现象 铁铁 铁铁v 铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织 碳在铁中的存在形式 C910YOUR SITE HERELOGO碳在铁中的存在形式： v固溶体固溶体v化合物化合物v混合物混合物YOUR SITE HERELOGOv固溶体：两种或两种以上元素在固态下互相溶解，而两种或两种以上元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。铁素体铁素体“F” ：碳在碳在铁中所形成的固溶体。铁中所形成的固溶体。奥氏体奥氏体“A” ：碳在碳在铁中所形成的固溶体。铁中所形成的固溶体。 YOUR SITE HERELOGOv化合物渗碳体渗碳体“C” ：铁和碳以化合物形态系统出

12、现的碳化铁：铁和碳以化合物形态系统出现的碳化铁（Fe3C）。）。v混合物珠光体珠光体“P” ：铁素体和渗碳体二者的机械混合物。：铁素体和渗碳体二者的机械混合物。莱氏体莱氏体“L” ：珠光：珠光铁体和初次渗碳体共晶混合物。铁体和初次渗碳体共晶混合物。马氏体马氏体“M” ：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在一种碳原子在铁中过饱和的固溶体。铁中过饱和的固溶体。YOUR SITE HERELOGO2. 2 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 YOUR SITE HERELOGOYOUR SITE HERELOGO2.3 钢的分类钢的分类YOUR SITE

13、HERELOGO三、三、 钢的热处理钢的热处理v 热处理：热处理： 钢铁在固态下通过钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷加热、保温和不同的冷却却方式，以改变其组织，满足所要求的物理、化方式，以改变其组织，满足所要求的物理、化学及机械性能的加工工艺。学及机械性能的加工工艺。YOUR SITE HERELOGO v钢的热处理工艺一般经过加热、保温、冷却等工序，钢的热处理工艺一般经过加热、保温、冷却等工序，如图如图1-14所示：所示：YOUR SITE HERELOGO v钢的热处理工艺一般分为钢的热处理工艺一般分为退火、正火、淬火和回火退火、正火、淬火和回火等。等。v 1. 退火与正火退火与正火v

14、作用：作用：HB、A、部分改善机械性能、组织均匀化、部分改善机械性能、组织均匀化、消除部分内应力消除部分内应力 退火：退火：加热（临界点以上）加热（临界点以上）保温保温随炉冷却冷却 正火：正火：加热（临界点以上）加热（临界点以上）保温保温置于空气中冷却冷却YOUR SITE HERELOGO YOUR SITE HERELOGO 2. 淬火与回火：淬火与回火：v 淬火：淬火：加热（临界点以上加热（临界点以上3050）保温保温淬火剂中冷却（所得组织为冷却（所得组织为“M”）。）。HB、耐、耐磨性磨性。v 回火：回火：零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却

15、处理工艺。处理工艺。 淬火后的内应力淬火后的内应力、组织稳定、控制回火温度可获得、组织稳定、控制回火温度可获得技术上所需要的性能技术上所需要的性能YOUR SITE HERELOGO 低温回火：低温回火：HB较淬火较淬火“M”稍低，部分消除残余应力，脆稍低，部分消除残余应力，脆性性。一般用于需要。一般用于需要HB、耐磨性、耐磨性的零件。的零件。 回火温度：回火温度：150250；保温时间：；保温时间：13小时；小时； 冷却环境：空气；冷却环境：空气； 所得组织：回火所得组织：回火“M” 。 中温回火：中温回火：要求要求HB、弹性、弹性、K的零件采用中温回火。的零件采用中温回火。 回火温度：回火温度：300500。 高温回火：高温回火：要求零件的要求零件的、A、K的综合性能时采用的综合性能时采用高温回火。高温回火。 回火温度：回火温度：500650。淬火高温回火淬火高温回火“调质处理”YOUR SITE HERELOGO v 淬火时淬火时冷却速度是关键：速度：速度太快太快 容易引起变形和裂纹；容易引起变形和裂纹；速度太慢速度太慢 达不到技术要求。达不到技术要求。v 淬火剂的冷却能力：空气淬火剂的冷却能力：空气油油水水盐水。盐水。YOUR SITE HERELOGO碳钢的强度、硬度总的说来还是比较低的，虽然可以通过调节碳含量及热处理