第一章材料的结构与性能-(三)金属学及热处理解析课件

金属学及热处理

Metallography&HeatTreatment第一章金属材料的结构与性能（三）金属学及热处理

Metallography&HeatT§1.2金属材料的性能

金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能；使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。§1.2金属材料的性能金属材料的§1.2.1金属材料的工艺性能

金属材料加工成零件的过程十分复杂（如教材29页）。金属材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。所以，选材时必须充分考虑工艺性能。铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能热处理工艺性能§1.2.1金属材料的工艺性能金属材料加工成§1.2.1金属材料的工艺性能一、铸造性能

金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析倾向来衡量。

1、流动性

熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。§1.2.1金属材料的工艺性能一、铸造性能§1.2.1金属材料的工艺性能

流动性的好与坏流动性与合金成分有关，成分对应于相图中液固相垂直距离越大者，则金属的流动性越差；反之，其流动性越好。T流动性BAB%§1.2.1金属材料的工艺性能流动性的好与坏§1.2.1金属材料的工艺性能2、收缩性

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。3、偏析倾向

金属凝固后，铸锭或铸件的化学成分和组织不均匀的现象称为偏析。偏析严重会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。§1.2.1金属材料的工艺性能2、收缩性

§1.2.1金属材料的工艺性能二、锻造性能

金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。

例如：

Cu合金和Al合金的锻造性能较好，碳钢加热状态下有较好锻造性能，但随含碳量增加而变差。铸铁锻造性很差。

§1.2.1金属材料的工艺性能二、锻造性能§1.2.1金属材料的工艺性能三、焊接性能

焊接性能是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能。一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。电弧焊气焊§1.2.1金属材料的工艺性能三、焊接性能电弧焊气焊§1.2.1金属材料的工艺性能

钢材中含碳量和合金元素含量是影响焊接性能的主要因素，一般而言，含量越高，焊接性能越差。

例：低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。§1.2.1金属材料的工艺性能钢材中含碳量和§1.2.1金属材料的工艺性能四、切削加工性能

切削加工性能是指材料是否易于切削加工的性能，一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表征。切削加工性能与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为170－230HB，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。改变钢的化学成分（加入少量Pb、P等）和进行适当热处理可提高其切削加工性能。教材31页表1-8列出几种金属材料的切削加工性能的比较。§1.2.1金属材料的工艺性能四、切削加工性能§1.2.1金属材料的工艺性能五、热处理工艺性能

钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火时形成马氏体的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严，它进行固溶处理时加热温度离熔点很近。铜合金只有几种可以用热处理强化。§1.2.1金属材料的工艺性能五、热处理工艺性能§1.2.2金属材料的机械性能

金属材料的机械性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。

载荷的形式

§1.2.2金属材料的机械性能金属材料的机械§1.2.2金属材料的机械性能

材料机械性能指标

§1.2.2金属材料的机械性能材料机械性能指标§1.2.2金属材料的机械性能一、强度

金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测定。圆形拉伸试样拉伸前拉伸后§1.2.2金属材料的机械性能一、强度

圆形拉伸试样应变应力§1.2.2金属材料的机械性能低碳钢和铸铁的拉伸曲线弹性变形阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段应变应力§1.2.2金属材料的机械性能低碳钢和铸铁的拉伸曲§1.2.2金属材料的机械性能图中：σ为应力,σ＝P/A0（MPa）

ε为应变，式中：P－载荷，A0

试样原始截面积，l0－试样原始标距长度，l－试样变形后标距长度，

△l

－伸长量。弹性变形：试样变形量与外加载荷成正比，卸载后恢复原样。塑性变形：形变不能恢复的变形。颈缩：试样发生局部收缩。§1.2.2金属材料的机械性能图中：σ为应力,σ＝P/§1.2.2金属材料的机械性能弹性极限（σe）：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是结构件的设计依据。屈服极限（屈服强度σs）：表示金属开始发生明显塑性变形时的抗力。铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（σ0.2）来表示：产生0.2%残余应变时的应力值。强度极限（抗拉强度σb）：表示金属受拉时所能承受的最大应力。

σe、σs、σb是机械零件、构件设计和选材的主要依据。§1.2.2金属材料的机械性能弹性极限（σe）：表示材料保§1.2.2金属材料的机械性能金属强度的影响因素化学成分：W(C)<0.9%时，碳钢随含碳量的增加，其强度增加。钢中加入一些合金元素，低合金高强度合金钢。加工工艺过程：纯Cu和纯Al的σb分别为60MPa和40MPa，经过冷加工后强度明显增加。热处理工艺：W(C)＝0.4%的碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，其强度由500MPa增至700－800MPa。§1.2.2金属材料的机械性能金属强度的影响因素§1.2.2金属材料的机械性能二、塑性

断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。用伸长率和断面收缩率来表示。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的。1、延伸率（δ）

在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率。§1.2.2金属材料的机械性能二、塑性

§1.2.2金属材料的机械性能

2、断面收缩率（ψ）

试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。式中：S1－试样拉断后颈缩处最小截面积(mm2)，S0－试样原始横截面积(mm2)，

△S－试样颈缩处截面积的最大缩减量(mm2)金属材料的δ和ψ越大，则其塑性越好，越易塑性成形。§1.2.2金属材料的机械性能2、断面收缩率（ψ）

三、硬度

布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV硬度(hardness)：是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。常用测量硬度的方法三、硬度

布氏硬度HB(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness§1.2.2金属材料的机械性能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。布氏硬度主要用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等，也用于调质处理的机械零件。钢铁材料的σb与HB之间的近似经验关系对于低碳钢：σb≈0.36HB；对于高碳钢：σb≈0.34HB；对于灰铸铁：σb≈0.10HB。§1.2.2金属材料的机械性能由于布氏硬度所用的测试压头材(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness§1.2.2金属材料的机械性能

常用洛氏硬度值的符号、试验条件与应用符号压头总载荷/N表盘刻度颜色常用硬度范围应用举例HRA金刚石圆锥588黑线70－85碳化物、硬质合金等HRB1/16钢球980红线25-100软钢、退火钢、铜合金等HRC金刚石圆锥1470黑线20－67淬火钢、调制钢等§1.2.2金属材料的机械性能常用洛氏硬度值的符号、(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;(3)维氏硬度HV

(diamondpenet§1.2.2金属材料的机械性能显微硬度一般为维氏硬度。各种不同方法测得的硬度值之间可通过查表得方法进行互换。例如：61HRC＝82HRA＝627HBW＝803HV30§1.2.2金属材料的机械性能四、冲击韧性(notchtoughness):

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。四、冲击韧性(notchtoughness):冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图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：冲击韧性与材料的组织密切相关。例如：45钢正火处理后为S＋F

组织，ak为500－800kJ/m2；经过调质处理后其组织为回火索氏体，ak为800－1200kJ/m2。试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–七.疲劳强度(fatiguestrength):

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值。七.疲劳强度(fatiguestrength):

§1.2.2金属材料的机械性能五、疲劳强度

1、几个基本概念

交变应力(也称循环应力)：轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为在交变应力。金属的疲劳：在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳破坏。疲劳曲线：表征材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系。§1.2.2金属材料的机械性能五、疲劳强度

§1.2.2金属材料的机械性能疲劳曲线对称循环交变应力§1.2.2金属材料的机械性能疲劳曲线对称循环交变应力§1.2.2金属材料的机械性能2、疲劳极限(疲劳强度)(fatiguestrength)

：金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，该应力值称为材料的疲劳极限（疲劳强度），用σ-1表示。实际上，不可能作无限次交变载荷实验。那么：黑色金属：N＝107

而试样不断裂时的σmax为疲劳极限。有色金属、不锈钢：N＝108

而试样不断裂时的σmax为疲劳极限。

§1.2.2金属材料的机械性能2、疲劳极限(疲劳强度钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45—0.55)σb金属疲劳极限的影响因素：工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:§1.2.2金属材料的机械性能六、断裂韧性

桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，发生这种断裂时，其断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度安全系数，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致构件破断。

断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，用K1C表示，是材料本身的特性，由材料的成分、组织状态决定，与裂纹的尺寸、形状及外加应力大小无关。

常用材料的断裂韧性值列表P381-10表§1.2.2金属材料的机械性能六、断裂韧性

1943年美国T-2油轮发生断裂1943年美国T-2油轮发生断裂§1.2.3金属材料的理化性能一、金属材料的物理性能

1、密度

单位体积物质的质量称为该物质的密度：轻金属：密度小于5×103kg/m3的金属为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。轻金属多用于航天航空材料上。重金属：密度大于5×103kg/m3的金属为重金属,如铁、铅、钨等。§1.2.3金属材料的理化性能一、金属材料的物理性能

§1.2.3金属材料的理化性能金属的理论密度可以利用晶体结构特征值来计算：

密度例如α-Fe，体心立方结构，原子量=55.85g/mol，

晶胞体积阿伏加德罗常数，可算出α-Fe的密度：§1.2.3金属材料的理化性能金属的理论密度可以利用晶体结§1.2.3金属材料的理化性能2、熔点

熔点：金属从固态向液态转变时的温度，纯金属都有固定的熔点。难熔金属：熔点高的金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。易熔金属：熔点低的金属，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。§1.2.3金属材料的理化性能2、熔点

§1.2.3金属材料的理化性能3、导热性

导热性通常用热导率（λ）来衡量。热导率越大，导热性能越好。金属的导热性以Ag为最好，Cu、Al次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中，由于内外温度不均形成过大的内应力，造成零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。§1.2.3金属材料的理化性能3、导热性

§1.2.3金属材料的理化性能4、导电性

导电性：材料传导电流的能力，用电阻率(ρ)来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以Ag为最好，Cu、Al次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。§1.2.3金属材料的理化性能4、导电性

§1.2.3金属材料的理化性能5、热膨胀性

热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。线膨胀系数或体膨胀系数由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂。§1.2.3金属材料的理化性能5、热膨胀性

§1.2.3金属材料的理化性能6、磁性铁磁性材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等，用于制造变压器、电动机、测量