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天氏庫(kù)力 聚焦試驗(yàn)機(jī) 專(zhuān)注材料性能檢測(cè)
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2022-11-22 瀏覽：金屬材料力學(xué)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(lái)的行為。
常見(jiàn)的金屬力學(xué)性能下表所示：
| 金屬力學(xué)性能 | 常用金屬力學(xué)性能指標(biāo) |
| 強(qiáng)度 | 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度 |
| 塑性 | 延伸率、斷面收縮率、應(yīng)變強(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度因子、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率 |
1、屈服強(qiáng)度
σs = Fs/S0
Fs：試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N）； S0 ：試樣原始橫截面積（mm）。
2、抗拉強(qiáng)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。
σb = Fb/S0
σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。
塑性指標(biāo)
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(zhǎng)率
試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。
δ=(L1-L0)/L *100%
L0:標(biāo)距；L1:拉斷后的試件標(biāo)距。
2、斷面收縮率
試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
Ψ=(A0-A1)/A0 *100%
A0:試件原橫截面積；A1:斷裂后頸縮處的橫截面積。
E=σ/ε
σ：拉應(yīng)力；ε：拉伸應(yīng)變
組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化、熱處理、冷塑性變形對(duì)其影響不大。
機(jī)構(gòu)和構(gòu)件選材重要的力學(xué)性能指標(biāo)：
?行車(chē)梁應(yīng)具有足夠的剛度，否則在起吊重物時(shí)會(huì)因撓度過(guò)大引起振動(dòng)。
?機(jī)床和壓力機(jī)主軸、床身和工作臺(tái)對(duì)剛度都有要求，以保證加工精度。
?內(nèi)燃機(jī)、離心機(jī)和壓氣機(jī)等的主要構(gòu)件要有足夠的剛度防止發(fā)生振動(dòng)。
1.布氏硬度
單位面積上所承受的平均應(yīng)力，即試驗(yàn)力p與壓痕球形表面積的商。
< 450HB：測(cè)試壓頭為淬火鋼球，硬度符號(hào)HBS；
<650HB：測(cè)試壓頭為硬質(zhì)合金，硬度符號(hào)HBW。
經(jīng)驗(yàn)公式：
低碳鋼：σb≈3.6HBS；
高碳鋼：σb≈3.4HBS。
適用范圍:用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等.
優(yōu)缺點(diǎn)：
1.測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好
2.可測(cè)組織不均勻材料；
3.不適合測(cè)試成品與薄件；
4.測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低。
2.洛氏硬度
以測(cè)量壓痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相當(dāng)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(jì)算式：
HR=（k-h）/ 0.002
壓頭1：k=0.2mm；壓頭2：k=0.26mm。
| 標(biāo)尺 | 硬度符號(hào) | 壓頭類(lèi)型 |
總試驗(yàn)力 F/N |
測(cè)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(diǎn)：
試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、迅速；
壓痕小，可測(cè)成品，薄件；
數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值；
不應(yīng)測(cè)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(yàn)力計(jì)算硬度值。
壓頭是兩相對(duì)面間夾角為136°的金剛石四棱錐體。
測(cè)量范圍 ：
常用于測(cè)薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。
優(yōu)缺點(diǎn)：
1.測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；
2.可測(cè)成品與薄件
3.試樣表面要求高，費(fèi)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(shí)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/cm²)
ak值低－脆性材料：
斷裂時(shí)無(wú)明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。
ak值高－韌性材料：
明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無(wú)光澤。
斷裂韌度
斷裂力學(xué)：在承認(rèn)機(jī)件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴(kuò)展的各種新的力學(xué)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(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。
疲勞特點(diǎn)：
1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，斷裂應(yīng)力往往低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度；
2）疲勞是脆性突發(fā)性斷裂，斷裂前不會(huì)有明顯的變形征兆，危險(xiǎn)性大；
3）疲勞對(duì)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(wú)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107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。
鋼材疲勞強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式:
σ-1 = (0.45～0.55)σb
或 σ-1 = 0.27(σs+σb）
σ-1p = 0.23(σs+σb）
熱處理工藝
定義：將固態(tài)金屬或合金通過(guò)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(jìn)行，這種熱處理稱(chēng)為預(yù)先熱處理；二是提高材料使用性能，延長(zhǎng)零件使用壽命，這種熱處理稱(chēng)為最終熱處理。
熱處理分類(lèi)：
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(xué)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(shí)的組織轉(zhuǎn)變
珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程四步：
1）奧氏體形核；
2）奧氏體長(zhǎng)大；
3）剩余Fe3C溶解；
4）奧氏體均勻化。
鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變
奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變：奧氏體在臨界點(diǎn)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(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(shí)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(xué)性能
|
冷卻方法 |
σb/Mpa |
σs/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(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)的建立（金相硬度法）
也稱(chēng)“TTT曲線(xiàn)”（Time-Temperature-Transformation Curve），因形狀類(lèi)似“C”，常稱(chēng)“C曲線(xiàn)”。
借助“C曲線(xiàn)”，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(xiàn)及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物
1）珠光體型轉(zhuǎn)變（又稱(chēng)高溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度： A1~550℃；轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體
A1 ~ 6500C：珠光體片層較粗， P（珠光體-pearlite ）
6500C~6000C：珠光體層片較細(xì)，S（索氏體- sorbite ）
6000C~5500C：珠光體層片極細(xì)，T (屈氏體－troolstite）
珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細(xì)與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。溫度越低，珠光體的層片越細(xì)。層片變細(xì)，強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性有所增加。
2）貝氏體型轉(zhuǎn)變（又稱(chēng)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(guò)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(qiáng)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(chēng)低溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度：Ms（230°C）~ Mf
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(guò)飽和固溶體，用M表示。
分類(lèi)：
低碳馬氏體（low carbon martensite ）：呈板條狀，具有較高的強(qiáng)度和塑韌性。也稱(chēng)板條M（lath martensite ）。
高碳馬氏體（high carbon martensite ）：呈透鏡狀，片狀，中間有脊線(xiàn)。其強(qiáng)度很高，但塑韌性差，脆性大。
亞共析鋼的C曲線(xiàn)
過(guò)共析鋼的C曲線(xiàn)
過(guò)冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線(xiàn)（CCT曲線(xiàn) ）(Continuous Cooling Transformation)
退火
定義：將金屬加熱到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻
目的：
細(xì)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(lèi)：按退火的目的和工藝特點(diǎn)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 ）
適用范圍：亞共析鋼
加熱溫度： Ac3+30～50℃
目的：細(xì)化組織，降低硬度，改善切削加工性,
消除內(nèi)應(yīng)力
室溫組織：F+P
球化退火（spheroidizing annealing ）
適用范圍：共析鋼和過(guò)共析鋼
加熱溫度： Ac1+20~30℃
目的：使網(wǎng)狀或片狀 Fe3CⅡ球化。
組織：球狀珠光體
等溫退火(isothermal annealing )
工藝：加熱到Ac1+30~50℃或Ac3+30~50℃，保溫后，迅速冷卻至Ar1以下某一位溫度，待A都變?yōu)镻類(lèi)組織，出爐空冷。
組織：P類(lèi)
優(yōu)點(diǎn)：退火時(shí)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＜AC1（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(kuò)散退火）
目的：消除偏析；均勻成分、組織
加熱溫度： AC3＋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Ac1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(guò)程中，中間進(jìn)行的退火。
正火
定義：將工件加熱到Ac3或Accm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(guò)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：AC3+30 ～50 ℃；
共析鋼及過(guò)共析鋼：AC1 +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(xiàn)
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(qiáng)，但工件表面有軟點(diǎn)，易變形開(kāi)裂。
鹽水：淬冷能力更強(qiáng)，工件表面光潔、無(wú)軟點(diǎn)，但更易變形開(kāi)裂；
油：淬冷能力弱，但工件不易變形開(kāi)裂
常見(jiàn)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(shí)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(gè)階段變化。
1.馬氏體的分解
回火階段：<100℃回火時(shí)，組織無(wú)變化；100-200℃加熱時(shí)，馬氏體將發(fā)生分解。
獲得組織：回火馬氏體 M回（過(guò)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)锽下。
獲得組織：M回（Tempered Martensite）表示
性能變化：應(yīng)力進(jìn)一步降低，強(qiáng)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 （F+極細(xì)粒狀Fe3C）。
性能變化：內(nèi)應(yīng)力基本消除，硬度下降，塑韌性增加。
4.Fe3C聚集長(zhǎng)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(kāi)始回復(fù)，500℃以上時(shí)發(fā)生再結(jié)晶；
獲得組織：回火索氏體，用S回（Tempered Sorbite）表示（F+細(xì)粒狀Fe3C）。
性能變化：獲得良好的綜合性能。
鋼材回火后組織與力學(xué)性能
|
工藝 |
回火溫度 (℃) |
回火后組織 |
回火后硬度(HRC) |
性能特點(diǎn) |
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(dòng)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(shí)力學(xué)性能變化總的趨勢(shì)：隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)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(duì)工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。
分類(lèi)：表面淬火和化學(xué)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(qiáng)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(mǎn)足其要求。解決這一問(wèn)題的方法是表面熱處理。
表面淬火(surface quenching )
定義：僅對(duì)工件表面進(jìn)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(lèi)：
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?xì)怏w）火焰，對(duì)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(xué)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(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。
分類(lèi)：根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳（carburizing ）、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等
基本過(guò)程：
① 分解：使化學(xué)介質(zhì)在加熱保溫過(guò)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(kuò)散：滲入原子由工件表層向內(nèi)擴(kuò)散，形成具有一定深度的擴(kuò)散層，即滲層
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)，900—950℃
時(shí)間：根據(jù)滲層深度而定，約10小時(shí)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+Fe３CⅡ→P→P+F
其他化學(xué)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(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。
碳氮共滲(carbonitriding)：碳氮同時(shí)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(diǎn)。
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。
【本文標(biāo)簽】：金屬材料,力學(xué)性能,和,熱處理,工藝,金屬材料,力
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