力學性能和熱處理(精心整理)

1、金屬材料力學性能與熱處理工藝,2014年1月4日,材料科學與工程的“四要素,探索這四個要素之間的關系，覆蓋了材料科學與工程領域的所有研究內(nèi)容,能夠根據(jù)使用性能要求，選擇合適的材料，并制定出相應的加工工藝，使之最終具有滿足使用性能要求的性質(zhì)，是工程技術人員應該具備的能力,材料力學性能,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,低碳鋼單向靜載拉伸應力應變曲線,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，

2、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,低碳鋼拉伸力伸長曲線,材料力學性能,強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力,2、抗拉強度,試樣拉斷前所承受的最大拉應力，反映了材料的最大均勻變形的抗力,1、屈服強度,b = fb/s0,b常用作脆性材料的選材和設計的依據(jù),s = fs/s0,fs：試樣屈服時所承受的拉伸力（n）； s0 ：試樣原始橫截面積（mm,強度指標,s代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設計和選擇韌性材料的主要依據(jù)之一,材料力學性能,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,2、斷面收縮率,試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長

3、度的百分比,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,(l1-l0)/l *100,l0:標距；l1:拉斷后的試件標距,(a0-a1)/a0 *100,a0:試件原橫截面積；a1:斷裂后頸縮處的橫截面積,材料力學性能,彈性指標,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,剛度：材料在受力時，抵抗彈性變形的能力,e,拉應力；：拉伸應變,機構和構件選材重要的力學性能指標,行車梁應具有足夠的剛度，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件要有足夠的剛度防止發(fā)生振動,材料

4、力學性能,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,硬度的測試方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）維氏硬度 （4）肖氏硬度 （5）里氏硬度 （6）莫氏硬度,材料力學性能,布氏硬度,適用范圍:用于測量灰鑄鐵、結構鋼、非鐵金屬及非金屬材料等,優(yōu)缺點： （1）測量值較準確，重復性好； （2）可測組織不均勻材料； （3）不適合測試成品與薄件； （4）測量費時，效率低,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,單位面積上所承受的平均應力，即試驗力p與壓痕球形表面積的商,經(jīng)驗公式：低碳

5、鋼：b3.6hbs；高碳鋼：b3.4hbs,材料力學性能,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,10hrchbs,hr=（k-h）/ 0.002,壓頭分兩種：1、圓錐角=120的金剛石圓錐體， 2、直徑為1.588mm的小淬火鋼球,洛氏硬度計算式,壓頭1：k=0.2mm；壓頭2：k=0.26mm,優(yōu)缺點：（1）試驗簡單、方便、迅速；（2）壓痕小，可測成品，薄件； （3）數(shù)據(jù)不夠準確，應測三點取平均值（4）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵,材料力學性能,維氏硬度,在200-350hbs之間，hvhbs,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

6、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： （1）測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；（2）可測成品與薄件 （3）試樣表面要求高，費工,材料力學性能,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ak為,ak = m g h m g h (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 = ak / s0 (j/cm,ak值低脆性材料： 斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結晶狀。 ak值高韌性材料： 明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤,材料力學性能,titanic沉沒原因,含硫高的鋼板，韌性

7、很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性,一項新的科學研究回答了80年未解之謎,沖擊韌性,低溫脆性,韌脆轉變溫度,不同碳含量鋼沖擊功與溫度關系,材料力學性能,含硫高的鋼,現(xiàn)代船舶用鋼,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,張開型穿透裂紋無限大板的應力分析,應力場強度因子k1,y裂紋強度系數(shù),斷裂韌度k1c,裂紋不會擴展，安全,裂紋擴展，斷裂失效,材料力學性能,疲勞強度,疲勞現(xiàn)象： 金屬機件或構件在變動應力和應變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)

8、象,80%的斷裂由疲勞造成,疲勞特點： （1）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，斷裂應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,材料力學性能,疲勞極限-1 ： 材料經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應力值,條件疲勞極限： 經(jīng)受107應力循環(huán)而不致斷裂的最大應力值,鋼材疲勞強度經(jīng)驗公式: -1 = (0.450.55)b 或 -1 = 0.27(s+b） -1p = 0.23(s+b,材料力學性能,定義：將固態(tài)金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部組織結構發(fā)生變化，獲得所需

9、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,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,熱處理,鋼材熱處理工藝,共析鋼在加熱時的組織轉變（回顧,鋼材熱處理工藝,珠光體向奧氏體轉變過程四步,1）奧氏體形核； （2）奧氏體長大； （3）剩余fe3c溶解； （4）奧氏體均勻化,鋼在冷卻時的組織轉變,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,奧

10、氏體的冷卻轉變：奧氏體在臨界點a1以上是穩(wěn)定相，冷卻至a1以下就成了不穩(wěn)定相，要發(fā)生組織轉變,鋼材熱處理工藝,45鋼加熱到840，在不同冷卻條件下冷卻后的力學性能,鋼材熱處理工藝,共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線的建立（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變成何種組織以及轉變產(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),鋼材熱處理工藝,共析鋼c曲線及轉變產(chǎn)物,1）珠光體型轉變（又稱高溫轉變,轉變溫度： a1550；轉變產(chǎn)物：珠光體,a1 6

11、500c：珠光體片層較粗， p（珠光體-pearlite ） 6500c6000c：珠光體層片較細，s（索氏體- sorbite ） 6000c5500c：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變溫度有關。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,鋼材熱處理工藝,p,s,t,2）貝氏體型轉變（又稱中溫轉變,轉變溫度： 550ms（230） 轉變產(chǎn)物：貝氏體 b（bainite）-由過飽和f和滲碳體組成的混合物,550350：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 m

12、s：下貝氏體（lower bainite ）（ b下）針片狀組織，綜合性能好,鋼材熱處理工藝,b上,b下,3）馬氏體轉變（又稱低溫轉變,轉變溫度：ms（230c） mf 轉變產(chǎn)物：馬氏體（martensite ）+a(residual austenite ) 馬氏體：碳在-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,低碳馬氏體,高碳

13、馬氏體,鋼材熱處理工藝,亞共析鋼的c曲線,鋼材熱處理工藝,過共析鋼的c曲線,鋼材熱處理工藝,過冷奧氏體連續(xù)轉變冷卻曲線（cct曲線 ） (continuous cooling transformation,鋼材熱處理工藝,p,均勻a,細a,等溫退火,p,p,退火,爐冷,正火,空冷,s,淬火,油冷,t+m+a,等溫淬火,b下,m+a,分級淬火,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曲線定性說明連續(xù)冷卻轉變產(chǎn)物,550,600,650,鋼材熱處理工藝,目的： 細化晶粒； 降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能 消

14、除內(nèi)應力,退火（annealing,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、去應力退火等,定義,鋼材熱處理工藝,完全退火（full annealing,適用范圍：亞共析鋼 加熱溫度： ac3+3050 目的：細化組織，降低硬度，改善切削加工性, 消除內(nèi)應力 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+2030 目的：使網(wǎng)狀或片狀 fe3c球化。 組織：球狀珠光體,鋼材熱處理工藝,等溫退火(isothermal annealing,工藝：加熱到ac1+3050或ac3+3050，保

15、溫后，迅速冷卻至ar1以下某一位溫度，待a都變?yōu)閜類組織，出爐空冷。 組織：p類 優(yōu)點：退火時間短，組織均勻,鋼材熱處理工藝,去應力退火（relief annealing,目的：去除殘余應力 加熱溫度：t加熱ac1（500600） 應用：消除鑄件，鍛件，焊接件等的殘余內(nèi)應力,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： ac3150 250 組織：亞共析鋼為p+f。 應用：主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件,鋼材熱處理工藝,再結晶退火(recrystallization annealing,工藝：加熱到ac1以下50-150，或t再+30-50，保溫，緩冷。 目的：

16、消除加工硬化，恢復鋼材的塑韌性。 應用：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,鋼材熱處理工藝,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,正火（normalizing,定義：將工件加熱到ac3或accm以上3050，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝,鋼材熱處理工藝,退火與正火的選擇,1.從切削加工性方面考慮,低碳鋼采用正火；中碳鋼用退火、正火都行；過共析鋼在消除網(wǎng)狀滲碳體后采用球化退火,2.從使用性能方面考慮,一些受力不大的工件，性能要求不高，可用正火作為最終熱

17、處理；形狀復雜、尺寸大或重要零件采用退火,3.從經(jīng)濟性方面考慮,正火成本低，退火成本高。在滿足鋼質(zhì)量的前提下，應盡可能用正火代替退火,鋼材熱處理工藝,淬火(quenching,定義,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：ac3+30 50 ； 共析鋼及過共析鋼：ac1 +30 50,鋼材熱處理工藝,但到目前為止還沒有找到十分理想的冷卻介質(zhì)能符合這一理想的冷卻速度的要求,650以上，慢，減小熱應力 650-400 ，快，避免c曲線 400 以下，慢，減輕相變應力,淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關鍵，理想的冷卻速度應是如圖所示的速度,淬火(quenching,鋼材熱處

18、理工藝,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,鋼材熱處理工藝,鋼的淬透性（hardenability of steel,淬透性（hardenability ） ：表示鋼在淬火后能獲得淬硬層的深度,淬硬（hardenability ）：表示鋼在淬火后能達到的最高硬度。取決于wc的含量。c%淬硬性,淬硬層深度(depth of

19、 hardening zone )：表面到半m組織的距離。淬硬度層越深，淬透性越好,淬透性的應用,橫截面受力均勻的零件：選用淬透性高的鋼。 橫截面受力不均勻的零件：選用淬透性不必高的鋼。 避免脆性斷裂的零件：選用淬透性不能高的鋼,鋼材熱處理工藝,回火(tempering,定義,回火的主要目的,消除內(nèi)應力，降低脆性 穩(wěn)定組織和工件尺寸 降低硬度，提高塑性,注意：未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，而淬火鋼不回火在放置使用過程中易變形或開裂。鋼經(jīng)淬火后應立即進行回火,鋼材熱處理工藝,回火的組織和性能變化,淬火鋼回火時的組織轉變主要發(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,

20、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（過飽和固溶體）。 性能變化：內(nèi)應力逐漸減小，性能基本不變,2.殘余奧氏體分解,回火階段： 200-300。 a分解，轉變?yōu)閎下。 獲得組織：m回（tempered martensite）表示 性能變化：應力進一步降低，強度和硬度略有下降,鋼材熱處理工藝,3.馬氏體分解完成和滲碳體的形成,回火階段： 300-400。碳化物轉變成穩(wěn)定的滲碳體。 獲得組織：回火屈氏體，用t回（tempered troostite）表示 （f+極細粒狀fe3c）。 性能變化：內(nèi)應力基本消除，硬度下降，塑韌性增加,

21、4.fe3c聚集長大和固溶體的回復與再結晶,回火階段：400以上。 相開始回復，500以上時發(fā) 生再結晶； 獲得組織：回火索氏體，用s回（tempered sorbite）表示 （f+細粒狀fe3c）。 性能變化：獲得良好的綜合性能,鋼材熱處理工藝,鋼材回火后組織與力學性能,鋼材熱處理工藝,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,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,鋼材熱處理工藝,在這種情況下，單從材料選擇入手

22、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,表面淬火(surface quenching,方法：感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火,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：中碳結構鋼（含碳量0.4-0.5,鋼材熱處理工藝,感應加熱表面淬火(induction surface quenching,基本原理：感應圈通入交流電 形成渦流（集膚效應） 表層得a 水冷得m,分類,高頻感應加熱： 200300khz，0.52.5mm；

23、中頻感應加熱： 0.510khz，210mm； 工頻感應加熱： 50hz，1020mm,規(guī)律：電流頻率越大， 淬硬層深度越淺,鋼材熱處理工藝,火焰加熱表面淬火(flame heating surface quenching,定義：火焰加熱表面淬火是應用氧乙炔（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26mm,應用：適用于單件、小批量生產(chǎn),鋼材熱處理工藝,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

24、處理可分為滲碳（carburizing ）、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等,基本過程： 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； 吸收：活性原子被工件表面吸附，形成固溶體或特殊化合物； 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,鋼材熱處理工藝,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，如20，25 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)，900950 時間：根據(jù)滲層深度而定，約10小時左右。 滲碳后的組織：若工件滲碳后緩慢冷卻，從表面到心部的組織為 p+fecpp+f,表面,心部,鋼材熱處理工藝,其他化學熱處理方法,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(chromiz