金屬材料力學性能與熱處理工藝知識
金屬材料力學性能與熱處理工藝知識
PvTools
發(fā)布關(guān)于化工設(shè)備方面相關(guān)的技術(shù)文章，免費下載各種軟件，壓力容器設(shè)計，檢驗，無損，焊工考試資料，可拉各種專業(yè)群，發(fā)招聘，找工作，問問題，學知識，找供應(yīng)商，找客戶，找私活。
金屬材料力學性能是指金 屬材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。
常見的金屬力學性能下表所示：
|
金屬力學性能 |
常用 金屬力學性能指標 |
|
強度 |
屈服強度、抗拉強度 、斷裂強度 |
|
塑性 |
延伸率、斷面收縮率、 應(yīng) 變 強化指數(shù) |
|
彈性 |
彈性模量 （ 剛度 ） 、彈性極限、比例極限 |
|
硬度 |
布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度 |
|
韌性 |
靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度 |
|
疲勞 |
疲勞強度、疲勞壽命、疲勞缺口敏感度 |
|
應(yīng)力腐蝕 |
應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子、應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率 |
低碳鋼單向靜載拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
低碳鋼拉伸力 - 伸長曲線
1 、 oa 段： 彈性變形
2 、 ab 段： 彈性變形 + 塑性變形
3 、 bcd 段： 明顯塑性變形，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，作用力基本不變情況下，試樣連續(xù)伸長
4 、 dB 段曲線： 彈性變形 + 均勻塑性變形
5 、 B 點： 出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。
強度指標
強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。
1 、 屈服強度
σ s = F s /S 0
F s ：試樣屈服時所承受的拉伸力（ N ）； S 0 ：試樣原始橫截面積（ mm ）。
2 、抗拉強度
試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，反映了材料的最大均勻變形的抗力。
σ b = F b / S 0
σ b 常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。
塑性指標
塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。
1、斷后伸長率
試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。
δ =( L 1 -L 0 )/ L * 100 %
L 0 :標距；L 1 :拉斷后的試件標距。
2 、斷面收縮率
試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
Ψ=(A 0 -A 1 )/A 0 * 100 %
A 0 :試件原橫截面積；A 1 :斷裂后頸縮處的橫截面積。
強度指標
強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。
1 、 屈服強度
σ s = F s /S 0
F s ：試樣屈服時所承受的拉伸力（ N ）； S 0 ：試樣原始橫截面積（ mm ）。
2 、抗拉強度
試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，反映了材料的最大均勻變形的抗力。
σ b = F b / S 0
σ b 常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。
塑性指標
塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。
1、斷后伸長率
試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。
δ =( L 1 -L 0 )/ L * 100 %
L 0 :標距；L 1 :拉斷后的試件標距。
2 、斷面收縮率
試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
Ψ=(A 0 -A 1 )/A 0 * 100 %
A 0 :試件原橫截面積；A 1 :斷裂后頸縮處的橫截面積。
彈性指標
剛度：材料在受力時，抵抗彈性變形的能力。
E=σ/ε
σ ：拉應(yīng)力； ε ：拉伸應(yīng)變
組織不敏感的力學性能指標，合金化、熱處理、冷塑性變形對其影響不大。
機構(gòu)和構(gòu)件選材重要的力學性能指標：
?行車梁應(yīng)具有足夠的剛度，否則在起吊重物時會因撓度過大引起振動。
?機床和壓力機主軸、床身和工作臺對剛度都有要求，以保證加工精度。
?內(nèi)燃機、離心機和壓氣機等的主要構(gòu)件要有足夠的剛度防止發(fā)生振動。
硬度
材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。
它是衡量材料軟硬程度的指標，其物理含義與試驗方法有關(guān)。
硬度 的測試方法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏 硬度、肖氏硬度、里氏硬度、莫氏硬度
（1）布氏硬度
單位面積上所承受的平均應(yīng)力，即試驗力 p 與壓痕球形表面積的商。
< 450HB ：測試壓頭為淬火鋼球，硬度符號 HBS ；
<650HB ：測試壓頭為硬質(zhì)合金，硬度符號 HBW 。
經(jīng)驗公式：
低碳鋼：σb≈3.6HBS；
高碳鋼：σb≈3.4HBS。
適用范圍 : 用于測量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等。
優(yōu)缺點：
-
測量值較準確，重復(fù)性好；
-
可測組織不均勻材料；
-
不適合測試成品與薄件；
-
測量費時，效率低。
（2）洛氏硬度
以測量壓痕深度表示材料的硬度值，每 0.002mm 相當于 1 洛氏硬度單位。
壓頭分兩種：
1 、圓錐角 α=120° 的金剛石圓錐體，
2 、直徑為 Φ1.588mm 的小淬火鋼球。
洛氏硬度計算式：
HR= （ k-h ） / 0.002
壓頭 1 ： k=0.2mm ；壓頭 2 ： k=0.26mm 。
|
標尺 |
硬度符號 |
壓頭類型 |
總試驗力 F/N |
測量硬度范圍 |
應(yīng)用舉例 |
|
C |
HRC |
金剛石圓錐 |
1471 |
20-70 |
淬火鋼、高硬度鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵 |
|
B |
HRB |
Φ1.588mm 鋼球 |
980.7 |
20-100 |
低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵 |
|
A |
HRA |
金剛石圓錐 |
588.4 |
20-88 |
硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼 |
優(yōu)缺點：
-
試驗簡單、方便、迅速；
-
壓痕小，可測成品，薄件；
-
數(shù)據(jù)不夠準確，應(yīng)測三點取平均值；
-
不應(yīng)測組織不均勻材料，如鑄鐵。
（3）維氏硬度
根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗力計算硬度值。
壓頭是兩相對面間夾角為 136° 的金剛石四棱錐體。
測量范圍 ：
常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。
優(yōu)缺點：
-
測量準確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；
-
可測成品與薄件；
-
試樣表面要求高，費工。
沖擊韌性
材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。
試樣沖斷時所消耗的沖擊功 A k 為 :
A k = mgH – mgh (J)
沖擊韌性 值 a k 就是試樣缺口處 單位截面 積上所消耗的沖擊功。
a k = A k / S 0 (J/cm 2)
a k 值低——脆性材料：
斷裂 時無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。
a k 值高——韌性材料：
明顯 塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。
斷裂韌度
斷裂力學：在承認機件 存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴展的各種新的力 學參量， 并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。
疲勞
疲勞現(xiàn)象：
金屬機件或構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。
疲勞特點：
（ 1 ）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，斷裂應(yīng)力往往低于材料抗拉強度，甚至屈服強度；
（2 ）疲勞是脆性突發(fā)性斷裂，斷裂前不會有明顯的變形征兆，危險性大；
（ 3 ）疲勞對缺口、裂紋及組織缺陷十分敏感，具有高度的選擇性。
疲勞極限 σ -1 ：
材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。
條件疲勞極限：
經(jīng)受10 7 應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。
鋼材疲勞強度經(jīng)驗公式:
σ -1 = (0.45～0.55)σ b
或 σ -1 = 0.27(σ s +σ b ）
σ -1p = 0.23(σ s +σ b ）
定義： 將固態(tài)金屬或合金通過 加熱、保溫 和 冷卻 ，使其內(nèi)部 組織結(jié)構(gòu) 發(fā)生變化，獲得所 需要性能 的工藝。
目的： 一是改善材料工藝性能，確保后續(xù)加工順利進行，這種熱處理稱為 預(yù)先熱處理 ；二是提高材料使用性能，延長零件使用壽命，這種熱處理稱為 最終熱處理 。
熱處理分類：
普通熱處理 （ 四火 ：退火、正火、淬火、回火 ）
表面熱處理 （ 表面淬火、化學熱處理 ）
其他熱處理（ 真空熱處理、形變熱處理等 ）
共析鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變
珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程四步：
（ 1 ）奧氏體形核；
（ 2 ）奧氏體長大；
（ 3 ）剩余 Fe 3 C 溶解；
（ 4 ）奧氏體均勻化。
鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變
奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變： 奧氏體在臨界點 A 1 以上是 穩(wěn)定相 ，冷卻至 A 1 以下就成了 不穩(wěn)定相 ，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。
重要性 ： 決定了鋼熱處理后的組織和性能。同一種鋼，加熱溫度和保溫時間相同，冷卻方法不同，熱處理后的性能截然不同。
45 鋼加熱到 840℃ ，在不同冷卻條件下冷卻后的力學性能
|
冷卻方法 |
σ b /Mpa |
σ s /Mpa |
δ/% |
ψ/% |
HRC |
|
隨爐冷卻 |
519 |
272 |
32.5 |
49 |
15~18 |
|
空氣冷卻 |
657~706 |
333 |
15~18 |
45~50 |
18~24 |
|
油中冷卻 |
882 |
608 |
18~20 |
48 |
40~50 |
|
水中冷卻 |
1078 |
706 |
7~8 |
12~14 |
52~60 |
共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立（金相硬度法）
也稱“ TTT 曲線”（ Time-Temperature-Transformation Curve ）， 因形狀類似“ C ”，常稱“ C 曲線”。
借助“ C 曲線”，可以了解奧氏體在不同的冷卻條件下轉(zhuǎn)變成何種組織以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能，為正確制定和選擇熱處理工藝提供理論依據(jù)。
共析鋼 C 曲線及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物
1）珠光體型轉(zhuǎn)變（又稱高溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度： A 1 ~550℃ ； 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體
A 1 ~6500℃：珠光體片層較粗，P（珠光體-pearlite ）
6500℃~6000℃：珠光體層片較細，S（索氏體-sorbite ）
6000℃~5500℃：珠光體層片極細，T (屈氏體－troolstite）
珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。溫度越低，珠光體的層片越細。層片變細，強度硬度增加，塑性韌性有所增加。
2 ）貝氏體型轉(zhuǎn)變（又稱中溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度： 550-Ms （ 230℃ ）
轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體 B （ bainite ） —— 由過飽和 F 和滲碳體組成的混合物。
550~350℃ ：上貝氏體（ upper bainite ）（ B 上 ）羽毛狀組織，強度與塑性都較低，脆性很高。
350℃~ Ms ：下貝氏體（lower bainite ）（B 下 ）針片狀組織，綜合性能好。
3 ）馬氏體轉(zhuǎn)變（又稱低溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度 ： M s （ 230℃ ） ~M f
轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 ： 馬氏體（ martensite ）+A ′(residual austenite )
馬氏體 ： 碳在 α-Fe 中形成的 過飽和固溶體 ，用 M 表示。
分類 ：
低碳馬氏體 （ low carbon martensite ） ： 呈 板條狀 ，具有 較高的強度和塑韌性 。 也稱板條 M （ lath martensite ）。
高碳馬氏體 （ high carbon martensite ） ： 呈透鏡狀，片狀，中間有脊線。其 強度很高，但塑韌性差，脆性大 。
亞共析鋼的C曲線
過共析鋼的C曲線
過冷奧氏體連續(xù) 轉(zhuǎn)變冷卻曲線（ CCT 曲線 ） (Continuous Cooling Transformation)
退火
定義 ： 將金屬加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以 適宜速度冷卻
目的：
-
細化晶粒；
-
降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；
消除內(nèi)應(yīng)力。
分類： 按退火的目的和工藝特點可分為 完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火 等。
完全退火（full annealing）
l 適用范圍： 亞共析鋼
l 加熱溫度： A c3 +30 ～ 50℃
l 目的 ： 細化組織，降低硬度，改善切削加工性 ,
消除 內(nèi)應(yīng)力
l 室溫組織： F+P
球化退火（spheroidizing annealing ）
-
適用范圍： 共析鋼和過共析鋼
-
加熱溫度： Ac1+20~30℃
-
目的： 使 網(wǎng)狀或片狀Fe 3 C Ⅱ 球化
-
組織： 球狀珠光體
等溫退火(isothermal annealing )
-
工藝： 加熱到A c1 +30~50℃或Ac3+30~50℃，保溫后，迅速冷卻至A r1 以下某一位溫度，待A都變?yōu)镻類組織，出爐空冷。
-
組織： P類
-
優(yōu)點 ： 退火時間短，組織均勻
去應(yīng)力退火（relief annealing ）
-
目的： 去除殘余應(yīng)力
-
加熱溫度： T 加熱 ＜A C1 （500～600℃）
-
應(yīng)用： 消除鑄件，鍛件，焊接件等的殘余內(nèi)應(yīng)力。
均勻化退火（擴散退火）
-
目的： 消除偏析；均勻成分、組織
-
加熱溫度： A C3 ＋150～250℃
-
組織： 亞共析鋼為P+F。
-
應(yīng)用： 主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。
再結(jié)晶退火(recrystallization annealing)
-
工藝： 加熱到 A c1 以下 50-150℃ ，或 T 再 +30-50℃ ，保溫，緩冷。
-
目的 ：消除加工硬化，恢復(fù)鋼材的塑韌性。
-
應(yīng)用： 冷加工后的工件消除加工硬化。如在鋼絲拉拔過程中，中間進行的退火。
正火
定義 ： 將工件加熱到 A c3 或 A ccm 以上 30 ～ 50℃ ，保溫后從爐中取出在 空氣中冷卻 的熱處理工藝。
目的：
低碳鋼： 提高硬度，利于切削。
過共析鋼 ： 消除網(wǎng)狀二次滲碳體，利于 P 球化。
中碳鋼和中碳低合金鋼 ： 受力不大，性能要求不高可作為最終熱處理。
淬火
目的： 獲得M或B下組織，提高鋼的的硬度和耐磨性。
淬火溫度的選擇
-
亞共析鋼： A C3 +30～50 ℃；
-
共析鋼及過共析鋼： A C1 +30～50℃。
淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，理想的冷卻速度應(yīng)是如圖所示的速度。
650℃ 以上，慢，減小熱應(yīng)力
650-400 ℃ ，快，避免 C 曲線
400 ℃ 以下，慢，減輕相變應(yīng)力
常用 的淬火介質(zhì) ( quenching medium )
目前生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水，其冷卻能力依次增加。
水： 淬冷能力強，但工件表面有軟點，易變形開裂。
鹽水： 淬冷能力更強，工件表面光潔、無軟點，但更易變形開裂；
油 ：淬冷能力弱，但工件不易變形開裂
常見 的淬火冷卻方法 ( quench cooling method )
回火
定義：
回火 的主要目的
-
消除內(nèi)應(yīng)力，降低脆性
-
穩(wěn)定組織和工件尺寸
-
降低硬度，提高塑性
回火 的組織和性能變化
淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在加熱階段。隨加熱溫度升高，淬火鋼的組織發(fā)生四個階段變化。
1. 馬氏體的分解
回火階段： < 100℃ 回火時，組織無變化；100~200℃加熱時，馬氏體將發(fā)生分解。
獲得組織： 回火馬氏體 M 回 （過飽和 α 固溶體）。
性能變化： 內(nèi)應(yīng)力逐漸減小，性能基本不變。
2. 殘余奧氏體分解
回火階段： 200-300℃ 。 A′ 分解，轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> B 下 。
獲得組織： M 回 （ Tempered Martensite ）表示
性能變化： 應(yīng)力進一步降低，強度和硬度略有下降。
3. 馬氏體分解完成和滲碳體的形成
回火階段： 300-400℃ 。 ε 碳化物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的滲碳體。
獲得組織： 回火屈氏體，用 T 回 （ Tempered Troostite ）表示。
性能變化： 內(nèi)應(yīng)力基本消除，硬度下降，塑韌性增加。
4.Fe 3 C 聚集長大和 α 固溶體的回復(fù)與再結(jié)晶
回火階段： 400℃ 以上。 α 相開始回復(fù)， 500℃ 以上時發(fā) 生再結(jié)晶；
獲得組織： 回火索氏體，用 S 回 （ Tempered Sorbite ）表示。
性能變化： 獲得良好的綜合性能。
鋼材回火后組織與力學性能
|
工藝 |
回火溫度 ( ℃ ) |
回火后組織 |
回火后硬度 (HRC) |
性能特點 |
用途 |
|
低溫回火 |
150 ～ 250 |
M 回 |
58 ～ 64 |
硬度高， 耐磨性高；脆性、 內(nèi)應(yīng)力降低 |
工具鋼、 滾動軸承 、滲碳件等 |
|
中溫回火 |
250 ～ 500 |
T 回 |
35 ～ 50 |
較高的彈性極限和屈服極限，有一定的塑性和韌性 |
彈簧鋼、 熱作模具 |
|
高溫回火 |
500 ～ 600 |
S 回 |
25 ～ 35 |
良好的綜合性能 |
重要結(jié)構(gòu)件 |
回火時力學性能變化總的趨勢：隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。
表面 熱處理（ Surface Heat Treatment ）
表面熱處理： 只對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。
分類： 表面淬火和化學熱處理。
在生產(chǎn)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，有較高的耐磨性和疲勞強度；而心部要求有較好的塑性和韌性。
在這種情況下，單從材料選擇入手或采用普通熱處理方法，都有不能滿足其要求。解決這一問題的方法是表面熱處理。
表面 淬火 ( surface quenching )
定義： 僅對工件表面進行淬火（+回火）的熱處理工藝
目的： 使工件表硬心韌。
表面淬火用鋼： 中碳結(jié)構(gòu)鋼（含碳量0.4％-0.5％）
方法： 感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。
感應(yīng)加熱表面淬火(induction surface quenching)
基本原理： 感應(yīng)圈通入交流電→形成渦流（集膚效應(yīng)）→表層得A→水冷得M。
分類：
高頻感應(yīng)加熱：
200～300kHz，0.5～2.5mm；
中頻感應(yīng)加熱：
0.5～10kHz，2～10mm；
工頻感應(yīng)加熱：
50Hz，10～20mm。規(guī)律： 電流頻率越大， 淬硬層深度越淺。
火焰加熱表面淬火(flame heating surface quenching)
定義： 火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧－乙炔（或其它可燃氣體）火焰，對零件表面加熱，然后快速冷卻的淬火，淬硬層深度一般為2～6mm。
應(yīng)用： 適用于單件、小批量生產(chǎn)。
鋼的化學熱處理（chemical heat treatment）
定義： 將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。
分類： 根據(jù)滲入的元素不同，化學熱處理可分為滲碳（carburizing ）、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。
基本過程：
①分解：使化學介質(zhì)在加熱保溫過程中分解出滲入元素的活性原子；
②吸收：活性原子被工件表面吸附，形成固溶體或特殊化合物；
③擴散：滲入原子由工件表層向內(nèi)擴散，形成具有一定深度的擴散層，即滲層
鋼的滲碳（Carburize of steel）
目的： 提高工件表面的硬度和耐磨性
滲碳用鋼： 低碳鋼或者低碳合金鋼
介質(zhì)： 最常用的氣體（煤油、苯等),具有活性碳原子。
溫度： 在奧氏體區(qū)，900—950℃
時間： 根據(jù)滲層深度而定，約10小時左右。
其他化學熱處理方法
滲氮（nitriding）： 在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。
碳氮共滲(carbonitriding)： 碳氮同時滲入工件表層。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優(yōu)點。
滲鉻(chromizing)： 有較好的耐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不銹鋼和耐熱鋼用于工具制造。
滲硼(boronizing)： 十分優(yōu)秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明顯優(yōu)于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。
好資料免費領(lǐng)
長按下碼，關(guān)注 化工設(shè)備人
【 我有什么 】中的子菜單【 免費資料 】進行了解
點擊圖片可看目錄