《物流貨物材料基礎(chǔ)》項(xiàng)目六 金屬材料的采購(gòu)與使用

項(xiàng)目六金屬材料的采購(gòu)與使用12433任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能任務(wù)三

了解金屬材料的工藝性能任務(wù)四

金屬材料性能的改善返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知一、金屬材料的物理性能物理性能是指金屬所固有的特性，它是金屬的本質(zhì)不發(fā)生變化所表現(xiàn)的性能，一般包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性和磁性。(一)密度密度是指某種物質(zhì)單位體積的質(zhì)量，單位為克/厘米3(g/cm3)。金屬材料的密度直接關(guān)系到由它所制成的零件或結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和緊密程度，如鋁合金、欽合金就是因?yàn)槊芏刃?、?qiáng)度高而被廣泛用于航空、航天工業(yè)。不同金屬材料的密度不同，金屬材料管理工作中經(jīng)常利用密度計(jì)算材料的理論重量，即質(zhì)量=密度X體積。下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知(二)熔點(diǎn)金屬由固態(tài)開始熔化為液態(tài)時(shí)的溫度叫熔點(diǎn)，單位為℃。反之，由液態(tài)凝固成固態(tài)時(shí)的溫度叫凝固點(diǎn)。從理論上說，同一種金屬的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)相同，不同金屬的熔點(diǎn)差別很大，如鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3380℃，而汞則為一39℃。熔點(diǎn)的高低與金屬材料的應(yīng)用關(guān)系很大，例如保險(xiǎn)絲、印刷合金等大多采用鉛、錫等配制的低熔點(diǎn)合金;燈絲、加熱元件等則大多由熔點(diǎn)很高的鎢、鑰及其合金制成。(三)熱膨脹性金屬材料受熱時(shí)，體積脹大的特性稱為熱膨脹。精密儀器和精密機(jī)床的零件要求采用熱膨脹性小的材料制造;異性材料焊接時(shí)要考慮它們的熱膨脹性是否接近，否則會(huì)因膨脹不等而使零件變形或損壞。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知(四)導(dǎo)電性金屬具有傳導(dǎo)電流的能力，叫做導(dǎo)電性。衡量導(dǎo)電性好壞的指標(biāo)是導(dǎo)電率和電阻率，導(dǎo)電率與電阻率成反比。導(dǎo)電率越高，材料的導(dǎo)電性越好。銀的導(dǎo)電性最好，其次是銅和鋁，合金的導(dǎo)電性一般比純金屬差。所以，導(dǎo)體材料多采用純銅和純鋁等導(dǎo)電性好的材料制造;電熱元件、電阻材料等大多由導(dǎo)電性差的鎳鉻合金和鉻鐵合金等制造。金屬材料的電阻率隨溫度變化而變化，衡量這種性能的指標(biāo)叫做電阻溫度系數(shù)，對(duì)于變阻器及標(biāo)準(zhǔn)電阻等來說，電阻溫度系數(shù)是選材時(shí)考慮的重要因素。(五)導(dǎo)熱性金屬具有傳導(dǎo)熱量的能力，叫做導(dǎo)熱性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知在工業(yè)生產(chǎn)中，進(jìn)行鍛造、焊接及熱處理時(shí)，必須考慮金屬材料的導(dǎo)熱性。因?yàn)椴牧显诩訜峄蚶鋮s時(shí)，由于表面和內(nèi)部的溫度不是均勻地升高或降低，存在著溫差，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，如果內(nèi)應(yīng)力大于強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此，在制定金屬材料的熱變形及熱處理工藝規(guī)范時(shí)，導(dǎo)熱性好壞有重要意義。導(dǎo)熱性好的金屬如銅、鋁及其合金，用來制造散熱器、熱交換器等零部件。(六)磁性金屬材料能被磁場(chǎng)吸引或磁化的性能叫做磁性，也叫作電磁性能。金屬材利根據(jù)磁性通?？煞譃殍F磁性材料、順磁性材料和逆磁性材料3類。1.鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鎳、鈷及合金。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知2.順磁性材料在外加磁場(chǎng)中只能被微弱地磁化，如錳、鉻、鑰、鎢、鋁等。3.逆磁性材料能抵抗或削弱外加磁場(chǎng)對(duì)材料本身的磁化作用，如銅、鉛、鋅、錫等。通常說的磁性材料是指鐵磁性材料，而弱磁性和無磁性材料指的是順磁性和逆磁性材料。變壓器、電機(jī)中的鐵芯大多都是由電工純鐵、硅鋼片等鐵磁性材料制造的;羅盤盒、儀表殼等要求不易磁化或能避免電磁場(chǎng)干擾的零件，大多都是用銅、鋁等無磁性或弱磁性材料制造的。鐵磁性材料又可分為軟磁性材料和硬磁性材料兩種。軟磁性材料的磁導(dǎo)率大，外加磁場(chǎng)去除后剩磁少，硅鋼片就是軟磁性材料;硬磁性材料，當(dāng)外加磁場(chǎng)去除后，剩磁大，去除困難，高碳鋼、鈷鋼、鐵鈷鎳合金等屬于硬磁性材料。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知二、金屬材料的化學(xué)性能金屬腐蝕是指金屬材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞現(xiàn)象。金屬材料的腐蝕現(xiàn)象廣泛地存在于物流的各個(gè)環(huán)節(jié)中，也存在于我們的日常生活中。金屬材料被腐蝕將嚴(yán)重影響其正常使用，并縮短使用壽命，因此要求金屬材料具有抵抗周圍介質(zhì)侵蝕的能力，這種性能稱為化學(xué)性能?；瘜W(xué)性能主要指其化學(xué)穩(wěn)定性，根據(jù)腐蝕條件不同，金屬的化學(xué)性能分別叫做耐蝕性、耐酸性、耐熱性等。(1)耐蝕性:指金屬能抵抗大氣和弱介質(zhì)(如水、水蒸氣)腐蝕的能力。(2)耐酸性:指金屬能抵抗強(qiáng)腐蝕介質(zhì)(如酸、堿、鹽溶液)腐蝕的能力。(3)耐熱性:金屬的耐熱性包括抗氧化性和熱強(qiáng)性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知抗氧化性是指金屬材料在高溫下，能抵抗氣體氧化腐蝕的能力;熱強(qiáng)性指金屬材料在高溫下不僅具有抗氧化性，還具有足夠的高溫強(qiáng)度的能力。不同使用條件要求金屬材料具有不同的耐腐蝕能力，因此，應(yīng)選用不同成分的金屬材料。如化工設(shè)備中輸送酸液的管道，應(yīng)選用耐酸鋼;加熱設(shè)備的支架退火爐罩等，應(yīng)選抗氧化鋼;汽輪機(jī)的葉片，高溫下工作的螺栓、彈簧、緊固件等，應(yīng)選用熱強(qiáng)鋼。防止金屬材料腐蝕是金屬材料保管的主要任務(wù)之一，如果保管不善，將加速材料的腐蝕，使其性能、質(zhì)量和使用價(jià)值降低，甚至造成報(bào)廢。因此，只有掌握金屬材料的化學(xué)性能，據(jù)此采取有效的防護(hù)措施，才能保證庫(kù)存材料的質(zhì)量，搞好材料供應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知三、影響金屬材料性能的因素影響金屬材料的因素是多方面的，其中主要包括金屬的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和加工工藝3個(gè)方面。(一)化學(xué)成分的影響鋼的成分中除鐵和碳以外，還包含一些其他元素。根據(jù)這些元素在鋼中的來源、作用、數(shù)量的不同，可以分為常存元素和合金元素。常存元素是由原料及冶煉過程本身帶到鋼中的，如硅、錳、硫、磷、氮、氫、氧等，在鋼中一般都或多或少地存在，其數(shù)量比較少，大多數(shù)對(duì)鋼的性能有不利影響;有的元素雖然對(duì)鋼的性能有益，但影響并不顯著。合金元素則是為了改善鋼的組織和性能，特意加入鋼中的，如硅、錳、鉻、鎳等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知1.常存元素的影響1)硅的影響硅是由原料及脫氧而殘留在鋼中的元素。硅的脫氧能力比錳還強(qiáng)，能消除氧的有害影響。硅的固溶強(qiáng)化作用僅次于磷，能顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和彈性，但對(duì)鋼的沖壓性能有不利影響。2)錳的影響錳是由原料及煉鋼末期用錳鐵脫氧而殘留在鋼中的元素。錳具有很好的脫氧能力，可改善鋼的品質(zhì);錳和硫可生成高熔點(diǎn)的MnS(1620℃)，消除硫的熱脆性;錳能溶入鐵素體引起固溶強(qiáng)化，并使鋼材在熱軋冷卻時(shí)得到片層較細(xì)的珠光體，增加珠光體的相對(duì)數(shù)量，在不降低鋼的塑性、韌性的前提下，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知由于錳在鋼中的有益作用，冶煉時(shí)一般把錳控制在鋼號(hào)成分的上限。3)硫的影響硫是生鐵及原料帶入鋼中的有害雜質(zhì)。硫能引起熱脆性，影響鋼的熱加工性能和焊接性能。這是因?yàn)榱蛟阡撝胁蝗苡阼F素體，而是以FeS或FezS3與Fe的共晶體形式存在，以網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界上，其熔點(diǎn)較低(985℃)，當(dāng)鋼加熱至1000℃以上時(shí)，共晶體熔化，造成晶粒間失去牢固的聯(lián)系，使鋼在承受外力或內(nèi)部應(yīng)力時(shí)沿晶界開裂，這種因鋼在熱加工時(shí)產(chǎn)生變脆而開裂的現(xiàn)象，稱為熱脆性。硫化物夾雜還是鋼形成纖維組織的原因之一，造成鋼材性能上的方向性，影響鋼的沖壓性能。硫化物夾雜還會(huì)引起應(yīng)力集中，降低鋼的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度。硫?qū)︿撔阅芪ㄒ挥幸孀饔檬强筛纳其摰那邢骷庸ば阅?。上一?yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知4)磷的影響磷是由于生鐵等煉鋼原料帶入鋼中的。磷在鋼中能全部溶入鐵素體，磷又是固容強(qiáng)化能力最強(qiáng)的元素，因而能顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但使鋼的塑性和韌性顯著降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，產(chǎn)生明顯的脆性。鋼在低溫變脆的現(xiàn)象稱為冷脆性。冷脆性對(duì)承受沖擊載荷或零下溫度使用的鋼結(jié)構(gòu)十分有害，而且惡化鋼的冷壓力加工性能和焊接性能，因此，磷也是鋼中的一種有害雜質(zhì)。在含碳量較低的鋼中，磷的冷脆傾向較小，可以利用磷的固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度。此外，磷還可提高鋼抗大氣腐蝕能力，改善鋼的切削加工性能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知因此，在低合金結(jié)構(gòu)鋼中，磷是一種有益的合金元素，含磷量可達(dá)0.08%~0.13%。在易切鋼中可達(dá)0.08%~0.15%，在炮彈鋼中加入磷，大大增加了鋼的脆性，使炮彈爆炸時(shí)碎片增多，可以提高炮彈的殺傷力。5)氮的影響氮是隨爐料和爐氣進(jìn)入鋼中的。氮在α一Fe中的溶解度隨溫度的降低變化很大，590℃可達(dá)0.1%，在室溫時(shí)則降低至0.001%以下，當(dāng)鋼從高溫較快冷卻時(shí)，多余的氮來不及析出，α一Fe成為含氮過飽和的固溶體，這種過飽和固溶體是不穩(wěn)定的，隨時(shí)間的延續(xù)，氮將彌散析出，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性降低。金屬材料的性能隨時(shí)間延續(xù)而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為時(shí)效。鋼中含氮量越高，時(shí)效傾向越嚴(yán)重，時(shí)效可以提高鋼的強(qiáng)度，但對(duì)一般低碳鋼來說，由于時(shí)效降低鋼的塑性和韌性，而低碳鋼又常用在對(duì)塑性、韌性要求較高的場(chǎng)合，因而，氮是有害元素。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知當(dāng)鋼中加入鋁或釩、鈦、鈮等元素時(shí)，則可形成穩(wěn)定的氮化物使氮得以固定，從而可消除氮的時(shí)效傾向。同時(shí)，這些氮化物還可以通過彌散強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用，使鋼的強(qiáng)度和韌性都得到提高。此時(shí)，氮?jiǎng)t是有益的合金元素了。6)氫的影響氫是由爐料和澆注系統(tǒng)含有水分帶入鋼中的，氫是鋼材產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷的主要因素。白點(diǎn)實(shí)際上是鋼材內(nèi)部的小裂紋，因在鋼材縱截面上表現(xiàn)為橢圓形銀自色亮點(diǎn)，所以叫做白點(diǎn)。白點(diǎn)的形成，一般認(rèn)為是固溶于鋼中的氫由于溶解度降低而析出，當(dāng)鋼在某一溫度范圍內(nèi)較快冷卻時(shí)，氫來不及從鋼中逸出，氫原子結(jié)合為氫分子，在鋼組織的空隙中集聚，產(chǎn)生很大的壓力，在鋼的內(nèi)部應(yīng)力共同作用下形成的。白點(diǎn)危害很大，是不允許存在的缺陷。氫還使鋼的塑性、韌性降低，引起氫脆。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知7)氧的影響氧在鋼中以氧化物或硅酸鹽夾雜存在，使鋼的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度降低。夾雜物沿加工方向伸長(zhǎng)，造成鋼材性能上的方向性，惡化鋼的沖壓性能;有的氧化物具有高硬度，對(duì)鋼的切削加工有不利影響。有的會(huì)惡化鋼的熱加工性能和焊接性能。2.合金元素的影響根據(jù)合金元素和碳相互作用的不同，可將其分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。1)碳化物形成元素對(duì)鋼性能的影響碳化物形成元素是指在鋼中能與碳形成碳化物。按照形成碳化物的穩(wěn)定程度，由弱到強(qiáng)依次排列:鐵、錳、鉻、鑰、鎢、釩、鈮,鈦、鋯等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知強(qiáng)碳化物形成元素，只要鋼中有足夠的碳，就可以形成自己特殊的碳化物，僅在缺少碳的情況下，才以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中。弱碳化物形成元素，一部分以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中，另一部分則進(jìn)入滲碳體中，形成合金滲碳體。碳化物的共同特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度大，是鋼中重要強(qiáng)化相。它們不僅通過其數(shù)量，而且通過其析出形式、顆粒大小與分布強(qiáng)烈地影響鋼性能，是中、高碳鋼強(qiáng)化的主要形式。它們一般可用來提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、紅硬性及其某些特殊性能，并通過細(xì)化晶粒等作用改善鋼的塑性和韌性。2)非碳化物形成元素對(duì)鋼的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知非碳化物形成元素如硅、鋁、鎳、鈷、磷、銅等，不與碳形成碳化物。非碳化物形成元素一般以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中，引起晶格畸變，起到固溶強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，但使鋼的塑性和韌性有下降的趨勢(shì)。固溶強(qiáng)化是熱軋后直接使用的低合金結(jié)構(gòu)鋼的重要強(qiáng)化手段。按照合金元素對(duì)鐵素體的強(qiáng)化效果從強(qiáng)到弱排列:為磷、硅、錳、鋁、銅、鎳、鎢、錮、鈷、鉻等。對(duì)鐵素體強(qiáng)化效果較大的元素含量超過一定限度，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，使鋼的塑性、韌性有所降低。對(duì)鐵素體強(qiáng)化效果較小的元素，則對(duì)鋼的塑性、韌性影響較小。然而鎳比較特殊，它一方面能顯著提高鋼的強(qiáng)度，另一方面卻使鋼始終保持較高的塑性和韌性。3.合金元素對(duì)鋼熱處理性能的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知1)對(duì)淬透性的影響所有的合金元素(除CO外)都能提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低鋼的臨界冷卻速度，從而提高鋼的淬透性，錳、鉻、鉬、硅、鎳、銅、硼都是提高鋼淬透性最顯著的元素。但是，只有當(dāng)合金元素溶入奧氏體后，才能提高鋼的淬透性。強(qiáng)碳化物形成元素釩、欽、錯(cuò)等，只要鋼中有足夠的碳，它們就能形成碳化物，降低奧氏體中的含碳量和合金元素含量，從而使奧氏體的穩(wěn)定性降低，有降低鋼淬透性的作用。2)對(duì)回火穩(wěn)定性的影響碳化物形成元素與碳的親和力大，能減慢碳的擴(kuò)散，阻礙碳的聚集和長(zhǎng)大，在較高溫度下回火時(shí)仍能使碳化物保持細(xì)小、分散的狀態(tài);同時(shí)，還能提高再結(jié)晶溫度，顯著提高鋼的回火穩(wěn)定性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知因合金鋼的回火穩(wěn)定性比碳鋼高，在達(dá)到相同強(qiáng)度、硬度的條件下，合金鋼可以在較高溫度進(jìn)行回火，使鋼中的殘余應(yīng)力充分消除，提高鋼的塑性和韌性，合金鋼的綜合力學(xué)性能比碳鋼好就是這個(gè)道理?；鼗鸱€(wěn)定性高的鋼，可以提高鋼的工作溫度，使鋼在較高溫度下仍保持高的強(qiáng)度和硬度。3)對(duì)回火脆性的影響回火脆性的產(chǎn)生一般認(rèn)為是由于某些雜質(zhì)元素在奧氏體晶界聚集造成的，若將已產(chǎn)生回火脆性的鋼重新加熱至600℃以上，然后快冷，由于雜質(zhì)元素還來不及在奧氏體晶界上聚集，即可消除回火脆性。但大截面的調(diào)質(zhì)零件很難做到快速冷卻，則在有回火脆性的鋼中加入少量的錮(0.3%~0.4%)或鎢(0.8%~1.2%)，能顯著降低和消除鋼的回火脆性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知4)對(duì)二次硬化的影響合金元素欽、錮、鎢、釩等能使鋼回火產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象。二次硬化在高溫回火的高碳高合金鋼中最為明顯。二次硬化是提高鋼紅硬性及蠕變強(qiáng)度的主要途徑，對(duì)高速工具鋼、熱變形模具鋼和某些耐熱鋼，都具有重要意義。(二)組織結(jié)構(gòu)的影響決定金屬材料的性能，除化學(xué)成分外，在很大程度上還取決其組織結(jié)構(gòu)。金屬的組織結(jié)構(gòu)包括金屬的內(nèi)部組織和晶體結(jié)構(gòu)。內(nèi)部組織是指借助顯微鏡而觀察到的金屬材料的內(nèi)部情況。晶體結(jié)構(gòu)是指X射線分析方法進(jìn)一步研究得到的晶體內(nèi)部原子的各種規(guī)則排列方式。(三)加工工藝的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知金屬材料的性能還與其加工工藝有關(guān)，依據(jù)不同的使用要求，金屬材料可選擇不同的冶煉工藝、壓力加工工藝和熱處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)，從而獲得不同的性能特點(diǎn)，滿足不同的使用要求。1.冶煉工藝的影響鋼是由生鐵冶煉而成的，是在高溫下利用各種來源的氧，把生鐵中的碳氧化到規(guī)定的范圍，并去除有害雜質(zhì)或添加必要的合金元素，以得到一定成分和性能的鋼，這一過程稱為煉鋼。鋼的冶煉工藝不同，冶煉出來的平爐煉鋼生產(chǎn)效率低、節(jié)奏慢、成本高，先進(jìn)產(chǎn)鋼國(guó)家早在20世紀(jì)70年代就已基本淘汰了平爐，而廣泛采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐。由于歷史原因，中國(guó)的平爐一直沒有淘汰。但最近幾年我國(guó)大型鋼鐵企業(yè)逐漸淘汰了平爐。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知轉(zhuǎn)爐是目前我國(guó)的主要煉鋼設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。電爐是利用電能作為熱源的煉鋼方法，對(duì)爐內(nèi)氣氛容易控制，可將硫、磷含量降低到很低程度(0.10%一0.015%以下)，氣體和非金屬夾雜少，故絕大部分合金鋼都是由電爐冶煉的。煉鋼是個(gè)氧化的過程，氧對(duì)煉鋼起著主要作用，但氧在固態(tài)鋼中十分有害，因此在煉鋼末期，必須將鋼中多余的氧去除，這一過程稱為脫氧。根據(jù)脫氧程度的不同，可將鋼分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，鋼液中氧含量較高，當(dāng)澆注時(shí)，碳與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w，鋼液在鋼錠模內(nèi)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，因此而得名。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知沸騰鋼中存在大量的氣泡，抵消了鋼凝固時(shí)的體積收縮，沒有集中縮孔，成材率高，成本低。沸騰鋼由于不用硅脫氧，其含硅量低，表面質(zhì)量和沖壓性能好。但鋼的雜質(zhì)多，偏析大，冷脆和時(shí)效傾向大，沖擊韌性差。鎮(zhèn)靜鋼是脫氧完全的鋼。澆注時(shí)鋼液平靜不沸騰，由于鋼液平靜，夾雜物易于上浮，純凈度較高;同時(shí)鎮(zhèn)靜鋼偏析小，組織均勻致密，性能均勻，冷脆和時(shí)效傾向小。因此大多數(shù)優(yōu)質(zhì)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼。但鎮(zhèn)靜鋼鋼錠頭部有集中的縮孔，在軋制中需要切去，成材率較低。半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間，其性能介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，沒有集中縮孔，偏析小，性能波動(dòng)小，力學(xué)性能好。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一金屬材料的性能認(rèn)知2.壓力加工方法的影響金屬按加工溫度不同，分為熱加工和冷加工。冷加工后的金屬被加熱到較高溫度，已拉長(zhǎng)破碎的晶粒被新的等軸晶粒而取代，已歪斜、畸變的晶格也得以恢復(fù)，這種現(xiàn)象叫再結(jié)晶，能發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度，叫做再結(jié)晶溫度。在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形叫冷加工，冷加工能使金屬材料產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，提高金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形叫熱加工，熱加工實(shí)際上是冷變形與再結(jié)晶現(xiàn)象同時(shí)進(jìn)行的，不產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，塑性、韌性較好。因此，相同成分的冷、熱加工材相比，冷加工材料的強(qiáng)度、硬度較高，但塑性、韌性和耐蝕性較差。上一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能一、概述機(jī)械設(shè)備、工程結(jié)構(gòu)、工具等在使用中不可避免地會(huì)受到各種外力的作用，它們能否在各種外力作用下正常工作，不發(fā)生變形或破壞，很大程度上取決于金屬材料的力學(xué)性能。所謂力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的各種特性，也就是抵抗變形和破壞的能力。一般機(jī)械零部件，在設(shè)計(jì)和選用材料時(shí)，都以力學(xué)性能指標(biāo)作為主要依據(jù)。力學(xué)性能主要包括彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度、疲勞等。金屬材料在加工及使用過程中所受的外力，稱為載荷或負(fù)荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同，分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷3種。靜載荷是指大小不變或變動(dòng)很慢的載荷。沖擊載荷是指突然增加的載荷。下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能交變載荷是指大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。金屬材料受載荷作用而發(fā)生的形狀和尺寸的變化稱為變形。變形分為彈性變形和塑性變形兩種:彈性變形是指去掉外力后能恢復(fù)原來的形狀和尺寸的變形。塑性變形是指在外力去掉后不能恢復(fù)原來形狀和尺寸的變形。在外力作用下，材料在發(fā)生變形的同時(shí)，其內(nèi)部原子間會(huì)產(chǎn)生一種阻止變形的抗力，稱為內(nèi)力，其數(shù)值大小與外力相等。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用下式計(jì)算:上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能式中P—外力(N);F—橫截面積(mm2);σ—應(yīng)力(MPa或N/mm2)。二、力學(xué)性能指標(biāo)(一)強(qiáng)度的概念1.概念強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。由于承受載荷形式的不同，金屬的強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等。其表示指標(biāo)也不一樣。通常以屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)來表示強(qiáng)度值的大小，它們是通過拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)和拉伸曲線:拉伸試驗(yàn)是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的形狀和尺寸把材料制成拉伸試樣，裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)試樣施加逐漸增大的拉力，使試樣逐漸產(chǎn)生變形，直到拉斷試樣為止。根據(jù)拉伸試驗(yàn)過程中試樣變形量與載荷大小的關(guān)系，可以畫出拉伸曲線，也叫拉伸圖。拉伸試樣的形狀通常有圓形和矩形兩種，試樣的形狀、尺寸及加工在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中均有明確規(guī)定。常用的是圓形試樣，如圖6-1所示，do為試樣直徑;Lo試樣標(biāo)距長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定試樣可分為長(zhǎng)試樣(Lo=10do，)和短試樣(Lo=5do)兩種。大多數(shù)拉力試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪出試樣的拉伸曲線。圖6-2為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標(biāo)表示載荷即拉力，橫坐標(biāo)表示變形量。圖6-3為脆性材料的拉伸曲線。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能由圖6-2可以看出試樣在拉伸過程中，變形與載荷的關(guān)系分為以下幾個(gè)階段:當(dāng)載荷為零時(shí)，變形量也為零。當(dāng)載荷由零增加到Pp時(shí)，隨載荷增加，試樣伸長(zhǎng)，試樣伸長(zhǎng)與載荷增加成正比例，拉伸曲線保持直線關(guān)系，如果此時(shí)卸去載荷，變形完全消失，這種隨載荷的作用而產(chǎn)生，隨載荷卸除而消失的變形，即為彈性變形。載荷超過Pp后拉伸曲線開始偏離直線，但發(fā)生的仍是彈性變形，Pe是保持彈性變形的最大載荷，實(shí)際上Pp和Pe很接近。當(dāng)載荷超過Pe后，試樣進(jìn)一步發(fā)生變形，此時(shí)若去除載荷，大部分變形能隨之消失，但有部分微量變形不能消失，這種不能隨載荷去除而消失的變形，稱為塑性變形。Pe是使試樣只發(fā)生彈性變形的最大載荷。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能當(dāng)載荷增加到Ps時(shí)，載荷保持不變而試樣的變形繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。這時(shí)在拉伸曲線上出現(xiàn)水平階段。s點(diǎn)叫做屈服點(diǎn)。Ps是使試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的載荷。屈服現(xiàn)象以后，當(dāng)載荷超過Ps時(shí)，試樣開始發(fā)生大量的塑性變形，同時(shí)為使變形增加，載荷也必須增加，直到Pb。此時(shí)試樣的變形量是沿著試樣長(zhǎng)度方向均勻發(fā)生的。Pb是試樣被拉斷前所能承受的最大載荷。當(dāng)載荷超過Pb時(shí)，試樣局部發(fā)生大量變形，稱為頸縮現(xiàn)象。此后試樣的變形也局限在頸縮現(xiàn)象部分。由于試樣局部截面積減少，使試樣需要較小的載荷就斷裂了，Pk為試樣斷裂時(shí)的載荷。通過上述分析可以看出，金屬材料在外力作用下發(fā)生的變化是彈性變形，彈一塑性變形，直至斷裂。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能2.強(qiáng)度指標(biāo)常用強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。1)屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是指材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最小應(yīng)力或出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，單位是牛頓/毫米2(N/mm2)或兆帕(MPa)。式中Ps—開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的載荷。

F0—試樣原始截面積。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能屈服點(diǎn)代表材料抵抗微量塑性變形的能力，σS值越大，則表示該能力越大。它是設(shè)計(jì)零件與壓力容器時(shí)選用金屬材料的依據(jù)。例如，為了保證汽缸蓋和汽缸體之間的密封性，缸蓋螺栓是不允許發(fā)生塑性變形的。所以，設(shè)計(jì)缸蓋螺栓是就以屈服點(diǎn)作為計(jì)算依據(jù)。拉伸試驗(yàn)時(shí)，只有少數(shù)材料如低碳鋼、中碳鋼等有明顯的屈服現(xiàn)象，其他大多數(shù)材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象，如高碳鋼、鑄鐵等，如要測(cè)定其屈服點(diǎn)是很困難的。在這種情況下，就規(guī)定以屈服強(qiáng)度代替屈服點(diǎn)，用σ0.2來表示。屈服強(qiáng)度指材料產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力，也稱為條件屈服強(qiáng)度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能式中P0.2—拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣產(chǎn)生0.2%伸長(zhǎng)量時(shí)的載荷。由于屈服點(diǎn)(或屈服強(qiáng)度)和彈性極限的數(shù)值相差不大，而彈性極限又不易測(cè)定，因此，實(shí)際工作中常用屈服點(diǎn)而不用彈性極限來衡量材料的彈性。2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指金屬材料在拉伸過程中被拉斷之前，所能承受的最大應(yīng)力，用Rm表示，單位是牛頓/毫米2(N/mm2)或兆帕(MPa)。式中Pb—試樣在斷裂前承受的最大載荷。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度代表材料抵抗大量塑性變形的能力，對(duì)于不發(fā)生頸縮的材料，則代表抵抗破斷的能力。屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度是工程設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)，因此，也是金屬材料營(yíng)銷和檢驗(yàn)工作中的重要性能指標(biāo)。工程結(jié)構(gòu)上，為了提高材料的有效利用率，往往對(duì)屈強(qiáng)比還有一定要求。所謂屈強(qiáng)比是指屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度的比。屈強(qiáng)比較高，意味著屈服點(diǎn)接近抗拉強(qiáng)度，金屬材料強(qiáng)度的有效利用率高，但可靠性較低。屈強(qiáng)比愈小，愈不易發(fā)生突然斷裂，結(jié)構(gòu)零件的可靠性較高。但屈強(qiáng)比太低，材料的強(qiáng)度水平就不能充分發(fā)揮。因此，不同的零部件對(duì)屈強(qiáng)比有不同的要求，選用不同屈強(qiáng)比的金屬材料。如彈簧就要求有高的屈強(qiáng)比。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能3)高溫強(qiáng)度高溫強(qiáng)度指金屬材料在高溫下對(duì)機(jī)械載荷的抵抗能力。金屬材料在某一溫度下工作時(shí)，如果受到外力的作用，即使應(yīng)力小于屈服點(diǎn)，也會(huì)隨時(shí)間的推移產(chǎn)生緩慢的塑性變形以致破壞的現(xiàn)象，稱為蠕變。溫度越高，蠕變現(xiàn)象越嚴(yán)重，在較短的時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生較多的變形。例如，蒸汽鍋爐及化工設(shè)備中的一些高溫高壓管道，雖然所受的應(yīng)力小于工作溫度下材料的屈服點(diǎn)，但在長(zhǎng)期事業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的塑性變形，使管徑日益增大，管壁越來越薄，如設(shè)計(jì)不當(dāng)或事業(yè)過程中疏忽，可能導(dǎo)致管道破裂。由于溫度及高溫載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大，因此，對(duì)在高溫下工作的機(jī)械零件，不能只考慮常溫下的力學(xué)性能指標(biāo)，還必須同時(shí)考慮工作溫度和時(shí)間兩個(gè)因素的影響。金屬材料常用的高溫強(qiáng)度指標(biāo)有蠕變極限和持久強(qiáng)度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能蠕變極限是指在某一溫度下，在規(guī)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變變形量的最大應(yīng)力。它代表材料在高溫下對(duì)塑性變形的抗力。用σδT/t表示。其中T表示試驗(yàn)溫度(℃)，t表示試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間(h),8表示伸長(zhǎng)率(%)。持久強(qiáng)度是指金屬材料在給定溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間破壞時(shí)所能承受的恒定應(yīng)力。它代表材料在高溫下對(duì)破斷的抗力，用σbT/t表示。

4)疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零部件，如軸、齒輪、連桿、彈簧等，經(jīng)常在交變載荷作用下工作，雖然所受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作后也會(huì)發(fā)生突然的斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞或金屬的疲勞。疲勞斷裂與靜載荷下斷裂不同，無論在靜載荷下顯示脆性或塑性材料，在疲勞斷裂時(shí)，事先都不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂往往是突然發(fā)生的，因此具有很大的危險(xiǎn)性，常常造成嚴(yán)重事故。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能金屬材料抵抗疲勞破壞的能力，叫疲勞強(qiáng)度。衡量疲勞強(qiáng)度的指標(biāo)是疲勞極限，疲勞極限是指材料在交變應(yīng)力作用下，能承受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力，用符號(hào)σ-1表示，單位為MPa。疲勞極限越大，材料承受無限次應(yīng)力循環(huán)時(shí)所能承受的交變應(yīng)力也越大。影響金屬材料疲勞極限的因素很多，主要是金屬材料的內(nèi)部缺陷、零部件表面質(zhì)量及應(yīng)力集中等。(二)塑性金屬材料在外力作用下，發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力叫作塑性。常用的指標(biāo)有伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。其值也是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得的。金屬材料的塑性是進(jìn)行壓力加工、冷彎工藝等必須考慮的重要因素，此外，適當(dāng)?shù)乃苄詫?duì)提高金屬結(jié)構(gòu)的安全可靠性十分必要。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能1.伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率是指拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣被拉斷后，長(zhǎng)度增長(zhǎng)量與原始長(zhǎng)度的百分比率，用δ表示。式中L1—拉斷后試樣的長(zhǎng)度(mm);L0—試樣的原始長(zhǎng)度(mm)。伸長(zhǎng)率的大小表明金屬材料斷裂前能夠拉長(zhǎng)的程度，δ值越大，表明材料的塑性越好。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能必須指出，同一材料做拉伸試驗(yàn)時(shí)所用試樣尺寸不同，測(cè)得的伸長(zhǎng)率值不同。因此，用長(zhǎng)試樣和短試樣求得的伸長(zhǎng)率，分別用δ10和δ5表示，對(duì)于同一材料的，存在δ5>δ10的關(guān)系，這是因?yàn)樵嚇永瓟嗪罂偵扉L(zhǎng)量是均勻伸長(zhǎng)量與頸縮部分伸長(zhǎng)量之和。其中頸縮部分伸長(zhǎng)量與試樣長(zhǎng)度無關(guān)，所以，短試樣測(cè)得的伸長(zhǎng)率大于長(zhǎng)試樣。對(duì)于不同材料，只有采用相同長(zhǎng)度的試樣δ值才能比較。2.斷面收縮率斷面收縮率是指試樣被拉斷后，其截面積的縮減量與原截面積(F0)的百分比率，用ψ表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能式中F1—試樣斷裂處的最小橫截面積mm2；F0—試樣原始橫截面積mm2。斷面收縮率越大，則材料的塑性越好。工程上通常把δ>5%的材料稱為塑性材料;δ<2%~5%的材料稱為脆性材料。斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)，它能可靠地代表金屬材料的塑性。金屬材料的好壞，對(duì)零件的加工和使用都具有十分重要的意義。例如，低碳鋼的塑性較好，故可進(jìn)行壓力加工;普通鑄鐵的塑性很差，因而不能進(jìn)行壓力加工，但能鑄造。同時(shí)，由于金屬材料具有一定的塑性，故能保證不致因稍有超載而突然斷裂，增加了金屬材料使用的安全可靠性。因此，對(duì)于機(jī)械零件的塑性指標(biāo)是有一定要求的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能(三)硬度金屬材料的硬度，一般是指材料表面局部區(qū)域抵抗變形或破裂的能力。根據(jù)試驗(yàn)方法和適用范圍不同，硬度可分為壓痕硬度、刻痕硬度、回彈硬度三種。顯然，“硬度”不是一個(gè)確定的物理量，隨測(cè)量方法的不同，其含義也不同。對(duì)于壓痕法的硬度值，是表示材料抵抗其他更硬的物體壓入其表面的能力。其實(shí)，硬度值也不是一個(gè)單純的物理量，而是反映材料的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性等一系列物理量的綜合性指標(biāo)，它與材料的耐磨性關(guān)系密切，一般來說，硬度越高耐磨性越好。所以，硬度是金屬材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)。目前金屬材料檢驗(yàn)中用得最多的是壓痕法中的布氏硬度和洛氏硬度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能1.布氏硬度布氏硬度是通過布氏硬度試驗(yàn)測(cè)得的。布氏硬度試驗(yàn)是以一定的載荷P，把直徑D的淬火鋼球壓入被測(cè)金屬材料的表面，并保持一定時(shí)間后，卸除載荷，在材料表面便留下一個(gè)壓痕，如圖6-4所示。用載荷P除以壓痕面積F就是布氏硬度，用HBW表示。在實(shí)際使用中，布氏硬度值一般不標(biāo)注單位，也不需要經(jīng)過計(jì)算。式中P—載荷(N);F—試樣的壓痕面積(mm2);上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能D—鋼球直徑(mm);

d—壓痕直徑(mm)。只要測(cè)得壓痕直徑(d)的大小，便可查表(標(biāo)準(zhǔn)和材料手冊(cè)中有)得出布氏硬度值。壓痕直徑(d)越小，布氏硬度值HBW越大，表明材料硬度越高。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但壓痕較大，不適宜較薄的板材、帶材，同時(shí)也受壓頭鋼球的限制，不能測(cè)試硬度超過HB1}%450的材料，常用于測(cè)定有色金屬、退火、正火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能2.洛氏硬度洛氏硬度值是通過洛氏硬度試驗(yàn)測(cè)得的。和布氏硬度一樣，屬于壓入法硬度試驗(yàn)，但不是測(cè)定壓痕的面積，而是測(cè)量壓痕的深度，以深度的大小來表示材料的硬度值。試驗(yàn)時(shí)以錐頂角為120o的金剛石圓錐體或直徑為1.588毫米的淬火鋼球?yàn)閴喝肫鳎燃右猿踺d荷P0，然后加以主載荷P1，垂直壓入試樣表面之后，卸除主載荷后，在初載荷作用下，所引起的殘余壓力深度，以此壓痕深度作為計(jì)量洛氏硬度值的基礎(chǔ)，如圖6-5所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能圖6-5中為h0初載荷產(chǎn)生的壓入深度，h0為初載荷和主載荷共同作用下的壓入深度，h2為卸除主載荷后，金屬恢復(fù)彈性變形而彈回的距離，這樣由主載荷引起的殘余壓入深度h=h1-h0-h2。殘余壓痕深度越淺，材料越硬，為了合乎數(shù)值越大硬度越高的習(xí)慣，采用常數(shù)K減去h，并人為地規(guī)定每0.002毫米壓痕深度為一個(gè)洛氏硬度單位，洛氏硬度值用HR表示。為了能用同一試驗(yàn)機(jī)測(cè)定極軟到極硬較大范圍的材料硬度，采用了不同的壓頭和載荷，組成了各種不同的洛氏硬度標(biāo)度。我國(guó)常用的HRA,HRB,HRC三種標(biāo)度，它們之間互不聯(lián)系，彼此不能換算，與HBW值之間也不能相互換算。洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范見表6-1。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作迅速簡(jiǎn)便，洛氏硬度值可以從試驗(yàn)機(jī)上直接讀出;壓痕小，不損傷工件表面，可以測(cè)較小尺寸的試樣或成品工件;可以用不同標(biāo)度測(cè)定各種金屬材料的硬度。但準(zhǔn)確性不如布氏硬度高，所測(cè)硬度值的重復(fù)性差。(四)沖擊韌性前面提到的強(qiáng)度、硬度、塑性都是材料在靜載荷作用下所表現(xiàn)的特性。實(shí)際許多構(gòu)件工作中常常要承受沖擊載荷的作用，如火車開車、剎車、改變速度時(shí)，連桿、曲軸等都將受到?jīng)_擊。剎車越急，啟動(dòng)越猛，沖擊力越大。另外，還有一些機(jī)械本身就是利用沖擊載荷工作的，如鍛錘、沖床、鑿巖機(jī)等，這時(shí)僅有一定的強(qiáng)度不夠，還應(yīng)具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力，人們將材料對(duì)沖擊載荷的抵抗能力稱為沖擊韌性(簡(jiǎn)稱韌性)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能沖擊韌性的好壞，一般用沖擊吸收功或沖擊韌性值和脆性轉(zhuǎn)變溫度來衡量。1.沖擊吸收功和沖擊韌性值沖擊吸收功是指試樣在沖擊載荷作用下，折斷時(shí)所吸收的功，用Ak表示，單位為焦。沖擊韌性值是試樣缺口處單位面積上所消耗的功，用ak表示，單位為焦/厘米2。沖擊吸收功和沖擊值通常通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)求得的。采用的試樣有V形缺口和U形缺口兩種。試驗(yàn)時(shí)將試樣放在試驗(yàn)機(jī)上，使其缺口背向擺錘的沖擊方向，然后將重量為G的擺錘舉至一定高度H1，使其自由落下，將試樣沖斷，又繼續(xù)提起一定的高度H2。如圖6-6所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能式中G—擺錘的重量(kg);H1—擺錘舉起的規(guī)定高度(cm);H2—擺錘沖斷試樣后擺錘回升的高度(cm);F—試樣缺U處的橫截面積(cm2)。

一般認(rèn)為ak或Ak值越大，材料的韌性越好。我國(guó)目前一般是以沖擊韌性值作為韌性指標(biāo)的。實(shí)際上把a(bǔ)k作為材料沖擊韌性指標(biāo)不是很合適的，由于沖擊功Ak在很大程度上取決于參加塑性變形的金屬體積，而不取決于缺口截面積F，所以用ak值表示材料韌性的好壞，存在不合適的一面。因此，目前許多國(guó)家直接用沖擊功Ak來衡量。在沖擊載荷下工作的零件，實(shí)際上很少受一次超載荷沖擊而破壞，多數(shù)情況下是受小能量的多次沖擊下，才被破壞的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二掌握金屬材料的力學(xué)性能因此，用一次沖擊功或沖擊值來衡量其抗力是不準(zhǔn)確的，而應(yīng)進(jìn)行小能量多次沖擊試驗(yàn)來衡量。在能量不大的情況下，材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度高低，而不是取決于沖擊值的大小。因此，對(duì)于在能量不太大多次沖擊載荷作用下工作的零件，主要強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。2.脆性轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性同溫度有關(guān)，有些材料在常溫20℃左右時(shí)，具有較好的韌性，但在低溫時(shí)變脆，材料沖擊韌性顯著降低的溫度叫做脆性轉(zhuǎn)變溫度。此溫度越低，材料的低溫沖擊韌性越好。脆性轉(zhuǎn)變溫度也是判斷金屬材料沖擊韌性的重要指標(biāo)，對(duì)在寒冷地區(qū)和低溫下使用的材料，尤其重要。此外，沖擊韌性值的大小還受試樣的形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織等因素的影響。上一頁(yè)返回任務(wù)三了解金屬材料的工藝性能金屬材料在各種加工過程中，所表現(xiàn)出來的可接受加工的能力，叫做工藝性能。它包括鑄造性、頂鍛性、沖壓性、焊接性、切削加工性、冷彎性等。(一)鑄造性金屬材料的鑄造性是指金屬經(jīng)過熔化后，澆鑄成型的性能。它包括流動(dòng)性、收縮性和偏析。1.流動(dòng)性流動(dòng)性是指金屬在液態(tài)時(shí)充滿鑄模的能力。流動(dòng)性越好，越容易鑄造復(fù)雜精致的鑄件。影響流動(dòng)性的主要因素是金屬材料的化學(xué)成分，如含碳、硅、磷較高時(shí)，流動(dòng)性好。下一頁(yè)返回任務(wù)三了解金屬材料的工藝性能2.收縮性收縮性是指鑄件凝固時(shí)體積的收縮程度。收縮性越小，鑄件凝固變形就小，鑄件的質(zhì)量越好。影響收縮性的主要因素是金屬的化學(xué)成分、冷卻速度和澆注溫度。3.偏析偏析是指化學(xué)成分的不均勻性，偏析越嚴(yán)重，鑄件各部位的性能就不均勻。鑄件的可靠性越差。合金鋼比碳鋼偏析傾向大，高碳鋼比低碳鋼偏析傾向大。常用的金屬材料中，鑄鐵和青銅具有良好的鑄造性能，鋼的鑄造性低于鑄鐵。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三了解金屬材料的工藝性能(二)頂鍛性頂鍛性是指金屬材料承受打鉚、徽頭等變形的能力。頂鍛性是通過頂鍛試驗(yàn)測(cè)定的，在常溫下進(jìn)行的叫冷頂鍛試驗(yàn);在鍛造溫度范圍進(jìn)行的叫熱頂鍛試驗(yàn)。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將試樣鍛至規(guī)定的長(zhǎng)度(一般為原長(zhǎng)度的1/3,1/2或2/3)后，試樣側(cè)面無裂縫、扯破、氣泡等為合格。(三)沖壓性沖壓性是指金屬材料經(jīng)過沖壓變形而不產(chǎn)生裂紋等缺陷的能力。沖壓性能用杯突試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)是用規(guī)定的鋼球或球形沖頭頂壓夾緊在壓模內(nèi)的試樣，直至試樣產(chǎn)生第一個(gè)裂紋為止。這時(shí)的壓入深度叫杯突深度。杯突深度不小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)就為合格。材料能承受的杯突深度越大，沖壓性能越好。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三了解金屬材料的工藝性能(四)切削加工性切削加工性是指金屬材料承受切削加工時(shí)表現(xiàn)出來的能力。切削后工件的表面光潔、切削刀具不易磨損和切屑容易脫落，金屬的切削加工性就好。金屬材料的切削加工性由其硬度和韌性大致判斷，硬度過大、過小或韌性過大，切削加工性能都不好，合適的硬度為HBW140一2500(五)冷彎性冷彎性是指金屬材料在常溫下能承受彎曲變形而不破裂的能力。出現(xiàn)裂紋之前能承受的彎曲程度越大，材料的冷彎性越好。金屬材料的彎曲是彎曲處的塑性變形來實(shí)現(xiàn)的，因此塑性越大，冷彎性能越好。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三了解金屬材料的工藝性能(六)焊接性焊接性指把需焊接的接頭部分，快速加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，然后使兩個(gè)分離體的接頭牢固地結(jié)合成一體的性能。焊接性好的金屬材料易于用常用的焊接方法和工藝焊接;焊接性差的金屬材料必須用特定的焊接方法進(jìn)行焊接;焊接性很差的甚至不能焊接。金屬焊接性的好壞一般根據(jù)焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊縫區(qū)力學(xué)性能的變化來判斷。上一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善一、熱處理概述要改善金屬材料的性能，可以有兩個(gè)途徑，一是通過調(diào)整金屬材料的化學(xué)成分即合金化來改變金屬內(nèi)部組織，使其性能得以提高;另一個(gè)途徑是對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理。熱處理就是對(duì)固態(tài)金屬或合金通過不同的加熱、保溫和冷卻的過程，以得到所需組織與性能的一種綜合工藝。熱處理的特點(diǎn)是不改變零件或成材的形狀和尺寸，而通過改變其內(nèi)部組織，使金屬的性能得到改善與提高。熱處理的目的，一是提高金屬材料的使用性能，如提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性等，提高材料的使用壽命，節(jié)約材料;二是改善材料的工藝性能，如切削加工性能、沖壓性能等，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低成本。下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善熱處理是強(qiáng)化金屬材料、改善和提高其加工性能與使用性能、充分發(fā)揮材料性能潛力的重要手段之一。對(duì)延長(zhǎng)材料的使用壽命、節(jié)約材料、降低成本有十分重要的意義，在金屬材料的生產(chǎn)、使用中有著舉足輕重的地位和作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車、拖拉機(jī)制造中，70%一80%的零件要經(jīng)過熱處理，刃具、量具及模具制造中，幾乎全部都要進(jìn)行熱處理。在化工機(jī)械制造中，許多重要零件，如壓縮機(jī)活塞桿、連桿、曲軸、活塞環(huán)、化工設(shè)備中鋼制焊接件等，大多要進(jìn)行熱處理。根據(jù)熱處理時(shí)加熱和冷卻方式不同，鋼的熱處理可分為幾類，如圖6-7所示。根據(jù)熱處理在生產(chǎn)和加工過程中的作用，熱處理又可分為預(yù)先熱處理和最終熱處理兩大類。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善預(yù)先熱處理是為冷加工(切削加工及冷壓力加工)或進(jìn)一步熱處理作組織準(zhǔn)備，如降低硬度、提高塑性、消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒等。預(yù)先熱處理多在冶金企業(yè)進(jìn)行，所謂熱處理交貨狀態(tài)，一般指的就是由冶金企業(yè)進(jìn)行的預(yù)先熱處理的交貨方式。為了獲得材料和零件使用性能的熱處理，叫最終熱處理，最終熱處理主要在機(jī)械部門進(jìn)行。如果金屬材料由冶金企業(yè)交貨后直接使用，則出廠前的預(yù)先熱處理也就成了最終熱處理。鋼之所以能進(jìn)行各種形式的熱處理，主要是因?yàn)殇撛诠虘B(tài)下能發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，而對(duì)鋼進(jìn)行加熱、保溫和冷卻是熱處理的必要條件，不同的熱處理方法，加熱和冷卻方式不同，但都可以在溫度一時(shí)間坐標(biāo)圖中描繪出來，如圖6-8所示，該圖稱為熱處理工藝曲線。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善二、鋼在加熱、冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(一)加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變加熱是熱處理工藝的第一道工序。加熱的目的是獲得細(xì)小而成分均勻的奧氏體，從而保證冷卻后的組織和性能。一般來說奧氏體越細(xì)，冷卻后力學(xué)性能越高。根據(jù)鐵碳合金狀態(tài)圖可以知道鐵碳合金的成分、溫度和組織間的關(guān)系。某成分的鋼在加熱或冷卻過程中，經(jīng)過PSK線(A1線)時(shí)，會(huì)發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變;經(jīng)過GS線(A3線)會(huì)發(fā)生鐵素體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變;經(jīng)過ES線(Acm線)時(shí)，會(huì)發(fā)生滲碳體與奧氏體之間相互轉(zhuǎn)變。這三條特征線是一系列不同含碳量的鋼在固態(tài)時(shí)相變溫度線，對(duì)某一成分的鋼，它的相變溫度就是臨界點(diǎn)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善從鐵碳合金狀態(tài)圖可以看出，共析鋼在室溫下的組織為珠光體，當(dāng)加熱到A1時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體;對(duì)于亞共析鋼室溫下組織為鐵素體和珠光體，如果加熱A1~A3溫度時(shí)，只有珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，要繼續(xù)加熱到A3溫度以上，才能使剩余的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。同樣，對(duì)于過共析鋼室溫下組織為珠光體和滲碳體，在加熱到A1~Acm溫度時(shí)，其組織為滲碳體和奧氏體，只有加熱到Acm溫度以上時(shí)，才能使剩余的滲碳體全部變?yōu)閵W氏體。但是，加熱的溫度也不能太高，否則會(huì)得到粗晶粒，惡化鋼熱處理后的性能。在熱處理時(shí)，奧氏體是通過形核和核長(zhǎng)大來實(shí)現(xiàn)的。由于珠光體中的碳幾乎都存在于滲碳體中，故當(dāng)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，奧氏體的成分很不均勻。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善原先鐵素體存在的區(qū)域含碳量較低，滲碳體存在的區(qū)域含碳量較高。因此，只有經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋兀逛摷砻婧托静繙囟染鶆?，組織轉(zhuǎn)變才能充分得到成分均勻的奧氏體組織，冷卻后得到良好的組織和性能。(二)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)過加熱和保溫得到細(xì)小均勻的奧氏體，并不是熱處理的最終目的，而是熱處理過程中的一個(gè)手段，僅僅是為了冷卻作組織準(zhǔn)備。冷卻是熱處理工藝中最關(guān)鍵的一個(gè)工序，把加熱后的奧氏體組織以不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻，使鋼的組織和性能發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變，這才是熱處理的最終目的。因?yàn)椴煌睦鋮s方式對(duì)控制冷卻后的組織與性能，具有決定性作用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善熱處理工藝中，奧氏體化后的冷卻方式通常有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種:等溫冷卻是將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到A1以下某一溫度進(jìn)行保溫，使其在該溫度下轉(zhuǎn)變，這種冷卻稱為等溫轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻是將已奧氏體化的鋼，以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點(diǎn)以下的不同溫度轉(zhuǎn)變，這種冷卻稱為連續(xù)冷卻。如圖6-9所示。鐵碳合金狀態(tài)圖反映的是鋼在非常緩慢冷卻的條件下的組織轉(zhuǎn)變情況，但在實(shí)際熱處理生產(chǎn)中一般冷卻速度較快，奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度較低，其轉(zhuǎn)變組織和性能并不完全符合鐵碳合金狀態(tài)圖所反映的變化規(guī)律。研究鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變對(duì)控制鋼的組織和性能，具有重要意義。下面介紹共析鋼過冷奧氏體在等溫冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善1.共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線通常把已冷卻臨界點(diǎn)A1以下，還沒有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的奧氏體，叫作過冷奧氏體。奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變亦稱為過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。用來描述過冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，其轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線叫過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線。亦稱C曲線或S曲線，如圖6-10所示。2.共析鋼等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共析鋼過冷奧氏體在不同溫度等溫轉(zhuǎn)變的組織和性能是不一樣的，按轉(zhuǎn)變的溫度范圍和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織的特點(diǎn)，可分為3種轉(zhuǎn)變。1)高溫轉(zhuǎn)變(又稱珠光體型轉(zhuǎn)變)上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善從A1以下到550℃之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷剞D(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織，即滲碳體呈片層狀分布在鐵素體基體上的組織。轉(zhuǎn)變時(shí)過冷度越大，生成的組織片層越細(xì)，根據(jù)片層粗細(xì)不同，分別叫作珠光體(P)、索氏體(S)和屈氏體(T)。這三種組織沒有本質(zhì)區(qū)別，也沒有嚴(yán)格的界限，只是片層粗細(xì)不同。由于片層粗細(xì)不同，其性能不同，片層越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好，具有良好的綜合力學(xué)性能。2)中溫轉(zhuǎn)變(貝氏體型轉(zhuǎn)變)過冷奧氏體從C曲線“鼻尖”以下至M.s(約230℃)以上溫度范圍內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)變?yōu)橹袦剞D(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體。貝氏體也是由鐵素體和滲碳體組成的兩相混合物，但和珠光體型組織不同，由于該區(qū)轉(zhuǎn)變溫度較低，鐵擴(kuò)散困難，碳擴(kuò)散減弱，奧氏體中還有相當(dāng)數(shù)量的碳不能擴(kuò)散出來，轉(zhuǎn)變成貝氏體后，貝氏體中的鐵素體是含碳過飽和的固溶體。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度和生成物組織形態(tài)不同，貝氏體又可分為上貝氏體和下貝氏體。在550℃~350℃形成的貝氏體，稱為上貝氏體。在350℃~Ms范圍內(nèi)形成的貝氏體，稱為下貝氏體。3)低溫轉(zhuǎn)變(馬氏體型轉(zhuǎn)變)將過冷奧氏體從A1以上溫度迅速冷卻至230℃以下發(fā)生的轉(zhuǎn)變，為低溫轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度低，過冷度大，鐵、碳原子都失去了擴(kuò)散能力，在Ms以下奧氏體直接發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe，奧氏體的含碳量全部轉(zhuǎn)移到α-Fe中，而α-Fe在727℃時(shí)含碳量最大只有0.0218%，碳原子強(qiáng)制地分布到鐵晶格的間隙中，使α-Fe的體心立方晶格發(fā)生畸變而改組成體心正方晶格(a=b≠c)。把具有體心立方晶格、含碳過飽和的固溶體稱為馬氏體，用“M”表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善馬氏體轉(zhuǎn)變前后，新相馬氏體和舊相奧氏體之間沒有成分的變化，只是晶格類型發(fā)生改變。當(dāng)奧氏體冷卻至Ms以下，便有一批馬氏體在奧氏體中出現(xiàn)，并以極快的速度瞬間長(zhǎng)大，而且產(chǎn)生很大的體積膨脹，從而會(huì)對(duì)尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體造成很大的壓力，抑制奧氏體向馬氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變，這時(shí)冷卻一旦停止，馬氏體轉(zhuǎn)變也就中斷，必須繼續(xù)冷卻，在更低溫度下才會(huì)有新的馬氏體生成，可見馬氏體是在一定溫度范圍內(nèi)(Ms一Mz)連續(xù)冷卻的產(chǎn)物。應(yīng)該指出的是，即使冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mz，奧氏體也不能100%地轉(zhuǎn)變成馬氏體，總有一部分奧氏體被保留下來。在實(shí)際熱處理過程中，一般只冷卻至室溫，這樣被保留下來的奧氏體數(shù)量將會(huì)更多。我們把被保留到室溫，組織仍未發(fā)生轉(zhuǎn)變的這部分奧氏體，稱為殘余奧氏體，用“A''’表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善殘余奧氏體的硬度低，它的存在會(huì)顯著降低工件的硬度和耐磨性，同時(shí)它還是一種不穩(wěn)定組織，在工件長(zhǎng)期使用中會(huì)發(fā)生分解，引起工件尺寸的變化，對(duì)精密工件和零件的尺寸精度極為不利。馬氏體的特點(diǎn)是硬度高、脆性大、塑性差，是鋼中重要的強(qiáng)化組織，只有經(jīng)過回火處理后才能使用。馬氏體的硬度主要取決于含碳量，隨著馬氏體含碳量的增加，其硬度也隨之增加，塑性、韌性逐漸降低。所以，低碳馬氏體除有較高的強(qiáng)度外，還兼有較好的塑性、韌性。低碳馬氏體在生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。三、熱處理對(duì)鋼性能的影響(一)退火上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善將鋼加熱到一定溫度，經(jīng)過保溫，然后緩慢地冷卻(一般為隨爐冷卻)，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝，稱為退火。退火的主要目的在于:(1)降低鋼的硬度，改善切削加工性能。(2)細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能。(3)消除應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸。(4)消除偏析，改善和消除組織中的缺陷。根據(jù)鋼的成分、退火目的、加熱溫度不同，退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。各種退火和正火的加熱溫度范圍及工藝過程如圖6-11所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善1.完全退火完全退火是將鋼加熱至AC3以上30℃一50℃，保溫一段時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。所謂“完全”是指退火加熱時(shí)，鋼的組織完全轉(zhuǎn)變成奧氏體，冷卻時(shí)發(fā)生重結(jié)晶(固態(tài)結(jié)晶有晶格類型轉(zhuǎn)變的，稱為重結(jié)晶，如果沒有晶格類型的轉(zhuǎn)變，則稱為再結(jié)晶)。完全退火可以得到細(xì)小而均勻的晶粒，消除熱加工造成的內(nèi)應(yīng)力和鋼中組織缺陷，降低硬度，提高塑性，改善鋼的性能。退火只適用于亞共析鋼，過共析鋼一般不采用，因?yàn)殇摷訜酇C3以上再緩慢冷卻，滲碳體將以網(wǎng)狀形式沿晶界析出，惡化鋼的力學(xué)性能。2.等溫退火上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善將鋼加熱AC3以上30℃一50℃，保溫后，以任意的冷卻速度冷卻至Ar1以下某一溫度，在此溫度下經(jīng)過一段時(shí)間保溫，然后在空氣中冷卻，這種退火方法，稱為等溫退火。這種退火與完全退火相比，退火操作時(shí)間短，并可以獲得在同一溫度下轉(zhuǎn)變的組織，因此可較好地控制組織和硬度。主要用于合金鋼。3.球化退火球化退火亦稱不完全退火。它是將鋼加熱至Ac1以上20℃一30℃，保溫一定時(shí)間后緩慢地冷卻的熱處理工藝。它和完全退火的區(qū)別在于加熱溫度較低，鋼的組織沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，所以亦稱不完全退火。球化退火主要用于共析鋼和過共析鋼，其目的使鋼具有球化組織。所謂球化組織，就是在鐵素體基體上均勻分布顆粒狀的滲碳體。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善具有球化組織的鋼，硬度較低，切削加工性能好，淬火時(shí)不易變形、開裂，并有較好的韌性，用于制造工具和軸承的高碳鋼都以球化退火狀態(tài)交貨。4.擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火是將鋼加熱到遠(yuǎn)高于AC3或ACcm以上作長(zhǎng)時(shí)間的保溫，然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。擴(kuò)散退火的目的是消除偏析，使成分和組織均勻。所以亦稱均勻化退火。擴(kuò)散退火由于高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱，奧氏體晶粒特別粗大，因此擴(kuò)散退火后，要用完全退火或正火來細(xì)化晶粒。這種退火的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，一般鋼件很少采用，主要用于高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼。5.去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善去應(yīng)力退火又稱低溫退火。去應(yīng)力退火是將鋼加熱到Ac1以下的某一溫度(500℃一600℃，經(jīng)保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。去應(yīng)力退火不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，其目的是消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件等的殘余應(yīng)力，避免鋼件在隨后的切削加工及使用過程中變形或開裂。再結(jié)晶退火是將鋼加熱到Ac1以下，再結(jié)晶溫度以上100℃一200℃，經(jīng)保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。主要用于消除冷變形產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象，降低硬度，恢復(fù)其塑性，以便于繼續(xù)加工。去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火的加熱溫度都低于Ac1溫度，鋼的組織都沒有發(fā)生相變，因此，又稱為不發(fā)生相變退火。綜上所述，退火工藝由于冷卻速度很慢，鋼的組織接近平衡狀態(tài)，因此，在所有熱處理中退火鋼件的硬度最低，塑性最好。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善(二)正火正火是將鋼加熱至AC3或ACcm以上30℃一50℃，保溫一定時(shí)間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。由于正火冷卻速度較快，奧氏體過冷度較大，得到的組織中珠光體片層較細(xì)，因此，鋼件的強(qiáng)度和硬度比退火的高。正火對(duì)于亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼都適用。正火的目的:對(duì)于亞共析鋼和共析鋼主要是細(xì)化晶粒、消除組織中的缺陷，提高強(qiáng)度、硬度;對(duì)于過共析鋼主要是消除網(wǎng)狀滲碳體。目前低碳鋼和中碳鋼常以正火狀態(tài)交貨，其操作簡(jiǎn)便，費(fèi)用較低，生產(chǎn)率較高。(三)淬火將鋼加熱至AC3或AC1以上30℃一500C:，經(jīng)保溫后快速冷卻的熱處理工藝稱為淬火。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善1.淬火的目的對(duì)于不同的鋼有不同的淬火目的:(1)鋼件連續(xù)冷卻至Ms后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，從而獲得馬氏體組織，其目的是提高鋼件的硬度和耐磨性。大多數(shù)鋼件都進(jìn)行這種淬火。(2)使鋼件迅速冷至稍高于Ms的溫度，在此溫度等溫并完成貝氏體轉(zhuǎn)變，以獲得貝氏體組織。其目的使鋼件獲得較高的綜合力學(xué)性能。這類淬火主要用于尺寸較小，形狀復(fù)雜且要求較高硬度和韌性的工件。(3)使鋼在淬火后具有單一的奧氏體組織，從而具有耐磨、耐蝕等特殊性能。這類淬火叫固溶處理，用于含有大量錳、鎳等元素的耐磨鋼、不銹鋼等特殊性能鋼。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善2.淬火工藝1)淬火加熱溫度亞共析鋼淬火加熱溫度為AC3以上30℃一50℃，以得到單一的奧氏體組織，淬火后可得到細(xì)小而均勻的馬氏體。如果淬火加熱溫度低于AC3，得到鐵素體和奧氏體組織，經(jīng)淬火后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而鐵素體被保留下來，會(huì)出現(xiàn)軟點(diǎn)，造成淬火硬度不足，同時(shí)還會(huì)影響回火后的力學(xué)性能;如果加熱溫度過高，會(huì)得到粗大針狀的馬氏體，增加了鋼的脆性，還會(huì)增加淬火應(yīng)力，引起鋼件變形。過共析鋼淬火加熱溫度應(yīng)為AC1以上30℃一50℃，因?yàn)檫^共析鋼淬火加熱前，都要經(jīng)過球化退火，故加熱至AC1以上時(shí)，其組織為奧氏體和一部分未溶的粒狀滲碳體，淬火后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和殘余奧氏體。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善未溶的滲碳體被保留下來，滲碳體比馬氏體還硬，不但不會(huì)降低鋼的硬度，反而對(duì)提高鋼的耐磨性有利。如果把鋼加熱至Accm以上獲得單相奧氏體再冷卻，這時(shí)由于奧氏體含碳量增加，Ms點(diǎn)下降，淬火后組織中會(huì)有較多的殘余奧氏體，反而降低了鋼的硬度和耐磨性。同時(shí)，由于淬火加熱溫度高，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，淬火應(yīng)力增大，促使工件變形或開裂。對(duì)于某些特殊性能鋼及某些高合金鋼，為了使碳化物完全溶入奧氏體，淬火加熱溫度可高達(dá)1000℃以上。2)淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻速度是淬火后獲得理想組織和性能的重要條件。為了使鋼件淬火后獲得馬氏體組織，必須使冷卻速度大于臨界冷卻速度，但冷卻速度快就不可避免地要在工件內(nèi)造成很大內(nèi)應(yīng)力，引起變形開裂。因此，要選擇合適的冷卻介質(zhì)，既能獲得馬氏體組織，又不使其變形開裂。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善3)鋼的淬透性和淬硬性通常情況下，鋼淬火是為了獲得馬氏體組織。經(jīng)過淬火，如果零件整個(gè)截面都得到馬氏體組織，就稱淬透了。工件在淬火時(shí)，表面冷卻速度最大，芯部冷卻速度最小，凡工件截面上冷卻速度大于臨界冷卻速度的，淬火后都能得到馬氏體。習(xí)慣將工件表面到50%馬氏體區(qū)的深度，叫做淬透層深度。淬透層深度是可變的，它不僅與鋼件的尺寸、淬火劑冷卻能力有關(guān)，還與鋼種有關(guān)。為了便于比較不同鋼種獲得淬透層深度的能力，必須規(guī)定相同的試驗(yàn)條件。在試樣尺寸和冷卻條件相同的情況下，不同鋼種獲得一定淬透層深度的能力，稱為淬透性。淬透性反映不同鋼種獲得馬氏體的難易程度，它是鋼重要的熱處理性能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善鋼的淬透性越好，在相同的條件下，淬火時(shí)獲得淬透層深度越大，有利于截面較大的零件淬透?；鼗鹨院螅麄€(gè)截面組織均勻，性能均勻。如果未淬透，則整個(gè)截面組織不相同，芯部性能(特別是韌性)將顯著降低。鋼的淬透性越好，越能采用比較緩和的冷卻介質(zhì)來淬火，從而可減少熱處理時(shí)的變形和開裂傾向。淬透性是機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼選材應(yīng)考慮的重要因素，例如，大尺寸零件，如果要求表里性能一致，就必須選用淬透性高的鋼來制造。對(duì)于需要進(jìn)行熱處理使用的各種機(jī)器零件，在考慮代用鋼種時(shí)，一定要首先考慮鋼的淬透性是否能滿足使用要求。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善淬硬性是指鋼在正常淬火條件下，所能達(dá)到的最高硬度。它與淬透性是兩個(gè)不同含義的概念，二者不能混淆。淬硬性的大小主要取決于淬火加熱時(shí)固溶于奧氏體中的含碳量，奧氏體中固溶的碳量越多，淬火后馬氏體的含碳量越高，其硬度越高。淬透性的好壞主要取決于鋼中合金元素及含量。因而淬透性好的鋼，淬火后硬度不一定高;淬火后硬度較低的鋼，也可能具有較高的淬透性。(四)回火把淬火后的鋼件重新加熱到Ac1以下某一溫度，經(jīng)保溫后以一定的冷卻速度冷至室溫的熱處理工藝，稱為回火。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四金屬材料性能的改善1.