第四章金属材料热处理知识

1、第四章第四章金属材料的热处理知识金属材料的热处理知识一一.金属材料的特性金属材料的特性常见的特性：常见的特性：1、机械性能：、机械性能： 1）强度：强度： 材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单 位面积受载荷称应力。位面积受载荷称应力。 2）、屈服点（）、屈服点（s）：）： 称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临 界值时，载荷不再增加变形却继续增加时应力值界值时，载荷不再增加变形却继续增加时应力值 3）、抗拉强度（）、抗拉强度（b）：）： 也叫强度极限指材

2、料在拉断前承受最大应力值。（也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。（N/mm2）表）表 示（拉和压的截面变形实际状况描述）。示（拉和压的截面变形实际状况描述）。 4）、硬度：）、硬度： 指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度表示：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度表示： 布氏硬度布氏硬度和和洛氏硬度洛氏硬度5）、冲击韧性：）、冲击韧性： 材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米厘米2（J/cm2）.3.化学性能：化学性能： 含义：含义：指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化

3、学反应的性能。 1）、耐腐蚀性：）、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 2）、抗氧化性：）、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。 2、工艺性能：、工艺性能：1）、铸造性能：）、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性 能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；2）、焊接性能：）、焊接性能：指金属材料通过加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金指金属材料通过加热和加压

4、焊接方法，把两个或两个以上金 属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。力学性能力学性能1、内、内 力：力： 是指材料在外力作用下，其内部各部分之间相互作用的力。是指材料在外力作用下，其内部各部分之间相互作用的力。2、应、应 变：变： 物体在外力作用下，其形状尺寸发生的相对改变。物体在外力作用下，其形状尺寸发生的相对改变。3、线应变：、线应变：物体内某处的线段在变形后长度的改变值与线段原长之比。物体内某处的线段在变形后长度的改变值与线段原长之比。4、应、应 力：力： 物体在外力作用下变形时，其内部任一截面单位面积上的内物体在外力作用下变形时，其

5、内部任一截面单位面积上的内 力大小。力大小。5、正应力正应力：是方向垂直于截面的应力。正应力分为拉应力和压应力。是方向垂直于截面的应力。正应力分为拉应力和压应力。6、工作应力：、工作应力： 是由外加载荷作用而产生的应力。是由外加载荷作用而产生的应力。 强度的概念：强度的概念：1、强度的定义：、强度的定义：是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。2、测定方法：、测定方法：拉伸试验。拉伸试验。3、拉伸过程四个阶段：、拉伸过程四个阶段：（1）弹性阶段：）弹性阶段：曲线的曲线的oe段，材料发生弹性变形。弹性极限用段，材料发生弹性变形。弹性极限用e表表 示。示。（2）屈服阶段

6、：）屈服阶段：曲线曲线s点及其后的一段，此阶段应力不再增加，但应变点及其后的一段，此阶段应力不再增加，但应变继续增大，材料失去抵抗变形的能力。发生塑性变形。此时的应力称为继续增大，材料失去抵抗变形的能力。发生塑性变形。此时的应力称为屈服点或屈服强度。用屈服点或屈服强度。用s表示。表示。应力的概念：应力的概念：拉伸过程四个阶段：拉伸过程四个阶段：（3）强化阶段：曲线sb段，从屈服之后到最大强度值。材料又恢复了变形抗力。可以测得抗拉强度b 。在此阶段，要让试件继续变形，必须增加应力值，也就是说必须增大拉力，这种现象称为加工硬化，材料因此得到强化。（4）颈缩阶段：曲线bk段，达到最大强度值后，试件的

7、某一部位开始变细，叫做颈缩现象。试件继续变形的载荷也减小，最后被拉断。抗拉强度抗拉强度b和屈服强度和屈服强度s是评价材料强度性能的两个主要指标。是评价材料强度性能的两个主要指标。金属构件都是在金属构件都是在弹性状态弹性状态下工作的，不允许发生塑性变形。下工作的，不允许发生塑性变形。从图从图1-3的曲线中我们可以得知，随着含碳量增加，材料的抗拉强度增大。的曲线中我们可以得知，随着含碳量增加，材料的抗拉强度增大。对于高碳钢、铸铁、合金钢来说，对于高碳钢、铸铁、合金钢来说，屈服现象不明显屈服现象不明显了。那么，就规定拉伸试了。那么，就规定拉伸试件发生某一微量塑性变形时的应力作为该材料的屈服点，例如以

8、材料塑性伸件发生某一微量塑性变形时的应力作为该材料的屈服点，例如以材料塑性伸长长0.2%作为屈服点，其屈服强度用作为屈服点，其屈服强度用0.2表示表示.1、塑性定义：是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。2、评定指标：伸长率和断面收缩率。（1）伸长率=（L1-L0）/L0 100%L0-试件原标距长度。L1-拉断后试件的标距长度。见图1-2所示。常见伸长率5和10两种形式。5 ：试件原标距长度L0=5d（d 为试件直径）时的伸长率。10 ：试件原标距长度L0=10d时的伸长率。同一种材料的5和10的值是不同的， 5的值较大，10的值较小。所以只有相同符号的伸长率才能互相比较。2）

9、断面收缩率公式：=（A0-A1）/A0 100%A0：试件原始的横截面积。A1 ：试件拉断后颈缩处的横截面积。见图1-2所示。断面收缩率不受试件标距长度的影响，能更可靠地反映材料的塑性。伸长率和断面收缩率还能反映材料在静载和缓慢拉伸状态下的韧性。注意：塑性好的材料，其冷压成型的性能好。重要的受力元件，要求具有一定的塑性。国内锅炉压力容器材料的伸长率（ 5 ），一般要达到10%以上。硬硬 度度硬度定义：硬度定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系。硬度高，强度也高。硬度较高，材料耐磨性较好。工程上常用的硬度试验方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬

10、度HL。布氏硬度布氏硬度HB ：用于测定硬度较低的材料，例如经退火，正火，调质处 理的钢材；铸铁；非铁金属等。试验方法:是把规定直径的淬火钢球（或硬质合金球）以一定的试验力F压入 所测材料表面，保持规定的时间后，测量表面压痕直径d，计算 出压痕表面积A，再计算出布氏硬度值HB=F/A。 计算公式： 0.102x2F/(D(D-根号下（D2-d2) 用淬火钢球淬火钢球压头测定的硬度值用HBS表示； 用硬质合金球压头测定的硬度值用HBW表示；洛氏硬度洛氏硬度HR ：在钢铁热处理质量检验中应用最多。测量方法：是采用测量压痕深度来测定硬度值。有三种硬度标度：（1）HRB使用的是钢球压头，用于测量非铁金

11、属，退火或正火钢等；（2）HRA和HRC使用 120金刚石圆锥体压头，用于测量淬火钢，硬质合 金，渗碳层等。维氏硬度维氏硬度HV ：用于检测金属的表面硬度。测量方法：采用正棱角锥体金刚石压头，在一定试验力下在试件表面压出 正方形压痕，然后通过测量压痕两对角线平均长度来测量硬度 值。 可以测量金相组织中不同相的硬度； 在焊接性能试验中可以测量焊缝、熔合线和热影响区的硬度。里氏硬度里氏硬度HL ：里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上 均可测试，适合施工现场使用。测量方法：采用一个装有碳化钨球的冲击测头，在一定的试验力作用下冲 击试样表面，利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系， 测量

12、出冲击测头距离试样表面1mm处的冲击速度VA和回跳速度 VR。 HL= (VR/ VA)1000.冲击韧度冲击韧度冲击韧度冲击韧度1、定义 ：冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时所消耗能量大小 的特性。2、测定方法：用摆锤式冲击试验机冲断带有缺口的试样所消耗的功,称为 冲击吸收功，用AK表示。 冲击韧度用K表示， K= AK/SN(试样断口处的横截面积） K或AK值越大，材料韧性越好。3、试样的缺口形式：夏比U形和夏比V形。承压设备必须用夏比V形。注意：注意：冲击韧度高的材料一般具有较高的塑性；反之则不然。冲击韧度是对材料的化学成分，冶金质量，组织状态，内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一

13、个质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。二二.金属热处理方法金属热处理方法1、英文名称翻译：、英文名称翻译：heat treatment of metal 2、定义：、定义：金属材料的热处理方法：金属材料的热处理方法： 1）退火， 2）正火， 3）淬火 4）回火 四种其本的热处理工艺。 1 1）、退火：）、退火： 定义：定义：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速 度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理 工艺 作用：作用： ( 1) 降低硬度，改善切削加工性； (2) 消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； (3) 细化晶粒，调整组织，消

14、除组织缺陷 2）正火）正火: 定义：定义：是将工件加热至临界温度以上3050，保温一段时间后，从炉 中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其 目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化 区别区别：正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所 以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性 能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都 采用正火热处理。一般合金钢合金钢坯料常采用退火，若用正火，由 于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工 3）淬火：）淬火： 定义：将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬定义：将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬 冷冷介质介质中快速冷却的中快速冷却的金属热处理工艺金属热处理工艺 ，常用的淬冷介质有盐水、，常用的淬冷介质有盐水、 水、水、矿物油矿物油、空气等、空气等 。 用途：用途： 淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、 量具及要求量具及要求表面表面耐磨的零件（如耐磨的零件（如齿轮齿轮、轧辊、轧辊、渗碳渗碳零件等）。通过零件等）。通过 淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及淬火与不同温度的回火配合，可以大