金属材料以及热处理基础知识
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金属学及热处理
时效处理工艺
总结词
时效处理是一种通过长时间放置或加热使金属内部发生沉淀 或析出反应的过程，主要用于提高金属的强度和稳定性。
详细描述
时效处理工艺通常将金属加热至较低的温度，并保持一定时 间，使金属内部的原子或分子的分布发生变化，形成更加稳 定的结构。通过时效处理，金属的强度和稳定性可以得到提 高。
表面热处理工艺
总结词
表面热处理是一种仅对金属表面进行 加热和冷却的过程，主要用于改善金 属表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化 性等。
详细描述
表面热处理工艺通常仅对金属表面进行加热 和冷却，而内部保持不变。通过表面热处理 ，可以改变金属表面的晶格结构、化学成分 和组织结构等，从而改善其表面的性能。
04 热处理设备与工具
热处理炉应定期进行维护和保养，确保设备的正常运行 和使用寿命。
在操作过程中，应定期检查炉温和炉压是否正常，防止 超温或超压。
在使用过程中，应保持炉膛的清洁，防止杂物和积炭对 加热元件和金属材料的影响。
热处理工具的选择与使用
01
02
03
04
根据不同的热处理工艺和金属 材料，选择合适的热处理工具
。
在使用过程中，应注意工具的 材质和尺寸是否符合要求，防 止工具损坏或金属材料表面损
金属学及热处理
contents
目录
• 金属学基础 • 热处理原理 • 热处理工艺技术 • 热处理设备与工具 • 热处理的应用与发展趋势
01 金属学基础
金属材料的分类与特性
钢铁材料
根据碳含量和用途，钢铁材料可分为生铁、铸铁和钢 材。其特性包括高强度、耐磨性和耐腐蚀性。
有色金属
如铜、铝、锌等，具有良好的导电性、导热性和延展 性。
金属材料及热处理基础知识
VS
金属材料可以根据其晶体结构、相组 成、显微组织等特征进行分类。例如 ，根据晶体结构，金属材料可分为面 心立方晶格、体心立方晶格和密排六 方晶格等。根据相组成，金属材料可 分为单相合金和多相合金。根据显微 组织，金属材料可分为奥氏体、铁素 体、马氏体等。
金属材料的性质与用途
金属材料的性质包括物理性质、化学性质和机械性能等。物理性质包括密度、熔点、导热性、导电性 和磁性等。化学性质包括耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等。机械性能包括强度、硬度、韧性、塑性 和耐磨性等。
金属材料及热处理基础知识
2023-11-08
contents
目录
• 金属材料概述 • 金属材料的结构与性能 • 金属材料热处理原理及工艺 • 常用金属材料及其热处理 • 金属材料及热处理的应用与发展 • 金属材料及热处理案例分析
01
金属材料概述
金属材料的定义与分类
金属材料是指具有金属特性的材料， 通常包括纯金属和合金。纯金属是由 同种元素组成的金属材料，如铁、铜 、铝等。合金是由两种或两种以上的 金属元素组成的金属材料，如不锈钢 、钛合金等。
热处理缺陷及防止措施
热处理过程中可能出现多种缺陷，如裂 纹、变形、氧化、脱碳等。
裂纹是热处理过程中最常见的缺陷之一 ，它主要是由于加热或冷却速度过快、和冷却速度、选
择合适的加热温度等。
变形是热处理过程中常见的缺陷之一， 它主要是由于加热或冷却过程中产生的 应力引起的。防止变形的措施包括采用 多阶段加热或冷却、合理安排工件的放
性能。
退火
将金属材料加热到适当温度后缓慢 冷却，以消除内应力、提高韧性等 。
正火
将金属材料加热到适当温度后保温 一定时间，然后空冷，使金属材料 内部结构更均匀、硬度更高。
金属热处理基本知识
金属热处理基本知识金属热处理是一种通过加热和冷却来改变金属结构和性能的工艺，广泛应用于工业制造过程中。
本文将介绍金属热处理的基本知识，包括常见的热处理方法、热处理的目的以及热处理对金属材料性能的影响。
一、常见的热处理方法1. 固溶处理固溶处理是一种通过加热金属至其固溶温度，然后迅速冷却以增加金属的硬度和强度的方法。
常见的固溶处理方法包括淬火和时效处理。
淬火是将金属加热至固溶温度，然后迅速冷却以形成固溶体，从而提高金属的硬度和强度。
时效处理是在淬火后，将金属加热至适当温度保持一段时间，以达到固溶体中的晶粒溶解和析出硬化相的目的，提高金属的综合性能。
2. 马氏体转变马氏体转变是一种通过加热金属至马氏体起始温度，然后迅速冷却以在金属中形成马氏体组织的方法。
马氏体转变可以显著提高金属的强度和硬度，同时还可以改善其耐磨性能和韧性。
常见的马氏体转变方法包括淬火和回火。
淬火是将金属加热至马氏体起始温度，然后迅速冷却以形成马氏体，进而提高金属的硬度和强度。
回火是在淬火后，将金属加热至适当温度保持一段时间，使马氏体转变为较为稳定的组织，从而提高金属的韧性。
3. 回火处理回火处理是一种通过加热金属至适当温度，然后保温一段时间以改善金属的组织和性能的方法。
回火处理可以降低金属的硬度和强度，提高其韧性和延展性。
不同的回火处理参数可以得到不同的金属组织和性能。
常见的回火处理方法包括低温回火、中温回火和高温回火，分别适用于不同的金属材料和应用需求。
二、热处理的目的金属热处理的主要目的是改善金属材料的组织和性能，以满足特定的工艺和使用要求。
具体来说，热处理可以实现以下几个方面的目标：1. 提高金属的硬度和强度：通过热处理，可以使金属中的晶体细化，晶体界面增多，从而提高金属的硬度和强度。
2. 改善金属的韧性和延展性：热处理可以消除金属中的内应力和缺陷，减少晶界的孔洞，从而提高金属的韧性和延展性。
3. 提高金属的耐磨性和耐蚀性：通过调整金属的组织和相态，热处理可以增加金属的耐磨性和耐蚀性，提高其在恶劣环境下的使用寿命。
金属材料和热处理基本概念及基础知识-热处理工艺
淬透性一般可用淬火临界直径、截面硬度分布曲 线和端淬硬度分布曲线等表示。由于钢中化学成分的 波动，表示钢淬透性硬度曲线有一个波动范围，被称 为淬透性带。 钢材的淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念。 淬火硬度高的不一定淬透性好，而硬度低的钢材也可 能具有高的淬透性。 一般机械制造行业大多以心部获得50％ 马氏体为 淬火临界直径标准，对于重要机加及军工行业则以心 部获得90 ％马氏体作为临界直径标准，以保证零件整 个截面都获得较高力学性能。
2.加热与保温时间
五、钢的回火与回火工艺
将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温后冷 却到室温的热处理工艺称回火。
1、回火的目的
• ⑴ 降低淬火钢的脆性，消除或减少淬火钢的内应力。 • ⑵ 提高钢的塑性和韧性，获得所要求的性能。
• ⑶ 稳定工件尺寸，降低硬度，便于切削加工。
第四节 钢的表面淬火
将钢加热到临界点以上（某些退火也可在临界点以下） 保温一定时间，随炉缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的 热处理工艺。主要用于铸、锻、焊件毛坯的热处理。
• 1、退火的目的 • 1）降低钢件硬度，便于切削加工。 • 2）消除工件内应力，稳定尺寸。
• 3）细化晶粒，改善组织，提高钢的机械性能。 • 4）为最终热处理做好组织准备。
一、钢的渗碳 渗碳是将钢件加热到奥氏体状态下，于富碳介质 中长时间加热，使碳原子渗入表层，增加钢件表层的 含碳量，然后通过淬火获得高硬度的马氏体组织，达 到提高强度、耐磨性及疲劳强度的目的。 渗碳一般用含碳0.1～0.25%的低碳钢。 渗碳—淬火+低温回火
1、渗碳方法
⑴ 气体渗碳（煤油、苯、甲醇+丙酮） 渗碳介质的分解—吸收—扩散三个基本过程。 主要应控制好加热温度（930 º C）和保温时间。 温度越高，渗速越大，扩散层越厚，但晶粒越大，使 钢变脆。保温时间取决于渗层厚度，但时间越长，扩 散速度减慢。钢件渗碳几小时到几十小时，可得到 0.5~2mm的渗碳层深度。 ⑵ 固体渗碳 ⑶ 液体渗碳
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硬质合金 HBW 450- 600 用于测量淬火钢
2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
金属材料及热处理
• 钢和铁的区别在于含碳量的多少： • 含碳量﹤0.02%为工业纯铁； • 含碳量在 0.02～2.06%为钢（共析 钢0.77%）； • 含碳量＞2.06%为生铁（铸铁） • 钢加热到高于723 ℃时出现A组织，则塑 性好的抗变形能力强。
1-3 钢的热处理
• • • • • • 一、概述 1．热处理的基本概念： 1）改善钢的性质，通常可以通过两种途径来实现： ①调整钢的化学成分； ②对钢进行热处理。 2）钢的热处理是指对钢在固态下加热，保温和冷 却，以改变其内部组织结构，从而改变钢的性能 的一种工艺法； • 3）目的在于充分发挥材料潜力、节约钢材、提高 产品质量、延长使用寿命；
临界
• 图中：V1— 相当于缓冷（退火）与“C”相交位置可以判断转变为P； • V2— 相当于空冷（正火）可判断转变为 氏体（细P） • V3— 相当于油冷（油淬）与“C”开始相交故一部分转变为T；另 一部分来不及转变，为过冷A最后转为Ms； • V4— 相当于水冷（水淬）不与“C”线相交，冷却时A来不及发生 分解，象马氏体转变。
例: 共析钢在冷却时的转变
• A等温转变曲线
过冷奥氏体 珠光体开始形成 珠光体形成中间 珠光体形成结束
珠光体形 马氏体形 贝氏体形
珠光体10～20 转 变
2 1 1
索氏体25～30
转 变 终 始
3
屈氏体30～40
开
温度/
上贝氏体40～45 了
≈240℃Ms
下贝氏体 50～60
时间/ 图1-21 共析碳钢的奥氏体等温转变曲线
三、钢的热处理工艺 • 1．退火— 将钢件加热到AC1或AC3以上 某一温度，保温一定时间后随炉冷却，从 而得到近似平衡组织的热处理方法。 • 目的：降低硬度，细化晶粒，提高强度， 塑性和韧性，消除内应力等 • ① 完全退火（重结晶退火）：将钢加热到 AC3以上20～40 ℃使钢组织完全重结晶， 可细化晶粒、均匀组织、降低强度。
金属材料及热处理的基本知识
金属材料及热处理的基本知识金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。
白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。
中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。
三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。
这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。
中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。
但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。
金属材料及热处理基本知识
• 硬度
• 定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。
• 试验：通常有以下几种试验形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里 氏硬度HL。
• 应用：
• 布氏硬度试验是指用一定直径的（球体钢球或硬质合金球）以相应的试验 压力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量 表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验方法。
• σ相：是在研究Fe-Cr合金变脆时发现的一种合金相 。
• 从铁碳合金状态图中可知:
含碳量为0.77％的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100％珠光体，称为 共析钢;
含碳量＞0.77％的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P＋渗碳体Fe3C ；
含碳量＜0.77％的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F＋珠光体P。组 织中铁素体F的含量越多，表明碳含量越低，则材料的塑性和韧性就越好，但强 度和硬度就随之降低。
• 苛性脆化 由于介质内具有含量很高的苛性钠（NaOH）促使钢材腐蚀加 剧而引起的脆化现象（一般都发生在受压元件的铆接等处）。
苛性脆化 的破坏形式是在肉眼可看到的主裂纹上有大量肉眼看不
到的分支细裂纹。元件发生苛性脆化时，裂纹附近的钢材仍具有良好的塑 性及脆性性能。
• 应力腐蚀脆性断裂 断裂。
由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性
• 含碳量0.2%的铁碳合金的结晶过程：
液态金属随着温度的降低开始结晶，冷却至AB线以下时析出б-Fe；至HJB线 （14950C）发生包晶反应，液相和б-Fe一起转变，形成奥氏体；继续冷至GS线 ，奥氏体开始向铁素体转变，同时引起母相奥氏体（A）中碳浓度的变化。随着 温度降低，奥氏体（A）中的含碳量沿GS线逐渐增加而趋近于S点，即合金冷却 至7270C时，奥氏体（A）中的含碳量增为0.77%，故当合金再冷却至稍低于7270C 时，其组织中剩余的奥氏体（A）便按共析反应而转变为珠光体，最终的显微组 织为F+P。
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2．断面收缩率 y =△F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% d ,y 越大，塑性愈好 d<5%, 脆性材料
6
刚度和弹性 1．刚度－材料在受力时，抵抗弹性变形的能力 E=σ/ε 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组 织不敏感的力系指标。
2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能 承受的最大应力。 比例极限：σp=Pp/Fo 应力―应变保持线性关系的 极限应力值 弹性极限：σe=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力 工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01
I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹
Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有
关的系数――几何形状因子。
12
3．断裂韧性 对于一个有裂纹的试样，在 拉伸载荷作用下，Y值是一 定的，当外力逐渐增大，或 裂纹长度逐渐扩展时，应力 场强度因子也不断增大，当 应力场强度因子KI增大到某 一值时，
4
材料的强度――材料所能承受的极限应力.
单位: MPa(N/mm2)
σ=P/Fo 表示材料抵抗变形和断裂的能力 1．抗拉强度 σb=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外
力而不致断裂的极限应力值）。
2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.02
a: σs=Ps/Fo
（σs代表材料开始明显塑性
数
数度
FCC a=b=c, a =b =g =90o
2
8
68%
BCC a=b=c,a =b =g =90o
4
12 74%
HCP a=b ≠c,c/a=1.633, a/2
6
a =b =90o,g =120o
12 74%
21
22
23
24
25
金属材料的塑性变形
• 单晶体的塑性变形——滑移和孪生 • 多晶体的塑性变形 • 冷塑性变形对金属组织性能的影响 • 塑性变形金属在加热时组织性能变
σy =KI
就可使裂纹前沿某一区域的 内应力大到足以使材料产生 分离，从而导致裂纹突然失 稳扩展，即发生脆断。
13
这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性， 用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂 的能力。
当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。
KI＝KIC时，裂纹处于临界状态
变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）
b: σ0.02条件屈服强度 3．疲劳强度σ-1 （80%的断裂由疲劳造成） 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳
断裂的最高应力值。
5
塑性 1．延伸率
Lk:试样拉断后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)
KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。
KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力 的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本 身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的 成分、热处理及加工工艺有关。
14
应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作 是否安全KI≥KIC ，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观 裂纹的临界尺寸。
3
静载单向静拉伸应力―应变曲线
低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：
1．I(oab)段―弹性变形阶段 a: Pp ，b: Pe （不产生永久变 形的最大抗力） oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 2．II(bcd)段―屈服变形 c: 屈服点 Ps 3．III(dB)段―均匀塑性变形 B: Pb材料所能承受的最大载 荷 4．IV(BK) 段―局部集中塑性 变形 颈缩
10
冲击韧性
韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力--韧性。 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F(J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，断口 呈金属光泽，呈结晶状。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性 材料。
金属材料及热处理基础知识
• 力学性能 • 晶体结构 • 金属材料的塑性变形 • 铁－碳平衡图 • 过冷奥氏体的转变 • 常用热处理工艺 • 碳钢 • 合金钢分类及用途 • 材料选用原则
1
2
金属材料力学性能
• 静载单向静拉伸应力―应变曲线 • 材料的强度 • 塑性 • 刚度和弹性 • 硬度 • 冲击韧性 • 断裂韧性
15
晶体结构
• 理想晶体 • 面心立方晶体 • 体心立方晶体 • 密排六方晶体 • 点缺陷 • 线缺陷－位错 • 面缺陷－晶间 • 金属材料的塑性变形 • 冷塑性变形对金属组织性能的影响
16
17
18
19
20
BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数
晶胞 晶体学参数
原子半径 晶胞原子 配位 致密
化
26
金属材料的塑性变形
1、单晶体的塑性变形——滑移和孪生
（1）滑移：
在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一
部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）
发生相对的滑动
如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切
应力τ。
正应力作用使晶格发生弹性伸长；σ↓--->伸长
量↓，σ→O，变形恢复；σ↑--->伸长量↑，σ＞原
韧性与温度有关 —脆性转变温度TK
11Βιβλιοθήκη 断裂韧性1．问题的提出 低应力脆断――断裂力学 2．应力场强度因子KI 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续 的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂 、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这 可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生， 形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数—— “应力场强度因子”。
7
硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度―综合性能指标 1．布氏硬度
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻 软的轴承合金。
8
洛氏硬度
定义：每0.002mm相当于洛氏1度
洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种
①HRB 轻金属，未淬火钢
②HRC 较硬，淬硬钢制品
③HRA 硬、薄试件
9
维氏硬度
维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30， 50，100，120kg等，小于10kg的压力可以 测定显微组织硬度。
6
刚度和弹性 1．刚度－材料在受力时，抵抗弹性变形的能力 E=σ/ε 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组 织不敏感的力系指标。
2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能 承受的最大应力。 比例极限：σp=Pp/Fo 应力―应变保持线性关系的 极限应力值 弹性极限：σe=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力 工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01
I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹
Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有
关的系数――几何形状因子。
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3．断裂韧性 对于一个有裂纹的试样，在 拉伸载荷作用下，Y值是一 定的，当外力逐渐增大，或 裂纹长度逐渐扩展时，应力 场强度因子也不断增大，当 应力场强度因子KI增大到某 一值时，
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材料的强度――材料所能承受的极限应力.
单位: MPa(N/mm2)
σ=P/Fo 表示材料抵抗变形和断裂的能力 1．抗拉强度 σb=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外
力而不致断裂的极限应力值）。
2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.02
a: σs=Ps/Fo
（σs代表材料开始明显塑性
数
数度
FCC a=b=c, a =b =g =90o
2
8
68%
BCC a=b=c,a =b =g =90o
4
12 74%
HCP a=b ≠c,c/a=1.633, a/2
6
a =b =90o,g =120o
12 74%
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金属材料的塑性变形
• 单晶体的塑性变形——滑移和孪生 • 多晶体的塑性变形 • 冷塑性变形对金属组织性能的影响 • 塑性变形金属在加热时组织性能变
σy =KI
就可使裂纹前沿某一区域的 内应力大到足以使材料产生 分离，从而导致裂纹突然失 稳扩展，即发生脆断。
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这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性， 用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂 的能力。
当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。
KI＝KIC时，裂纹处于临界状态
变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）
b: σ0.02条件屈服强度 3．疲劳强度σ-1 （80%的断裂由疲劳造成） 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳
断裂的最高应力值。
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塑性 1．延伸率
Lk:试样拉断后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)
KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。
KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力 的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本 身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的 成分、热处理及加工工艺有关。
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应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作 是否安全KI≥KIC ，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观 裂纹的临界尺寸。
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静载单向静拉伸应力―应变曲线
低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：
1．I(oab)段―弹性变形阶段 a: Pp ，b: Pe （不产生永久变 形的最大抗力） oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 2．II(bcd)段―屈服变形 c: 屈服点 Ps 3．III(dB)段―均匀塑性变形 B: Pb材料所能承受的最大载 荷 4．IV(BK) 段―局部集中塑性 变形 颈缩
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冲击韧性
韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力--韧性。 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F(J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，断口 呈金属光泽，呈结晶状。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性 材料。
金属材料及热处理基础知识
• 力学性能 • 晶体结构 • 金属材料的塑性变形 • 铁－碳平衡图 • 过冷奥氏体的转变 • 常用热处理工艺 • 碳钢 • 合金钢分类及用途 • 材料选用原则
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2
金属材料力学性能
• 静载单向静拉伸应力―应变曲线 • 材料的强度 • 塑性 • 刚度和弹性 • 硬度 • 冲击韧性 • 断裂韧性
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晶体结构
• 理想晶体 • 面心立方晶体 • 体心立方晶体 • 密排六方晶体 • 点缺陷 • 线缺陷－位错 • 面缺陷－晶间 • 金属材料的塑性变形 • 冷塑性变形对金属组织性能的影响
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BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数
晶胞 晶体学参数
原子半径 晶胞原子 配位 致密
化
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金属材料的塑性变形
1、单晶体的塑性变形——滑移和孪生
（1）滑移：
在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一
部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）
发生相对的滑动
如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切
应力τ。
正应力作用使晶格发生弹性伸长；σ↓--->伸长
量↓，σ→O，变形恢复；σ↑--->伸长量↑，σ＞原
韧性与温度有关 —脆性转变温度TK
11Βιβλιοθήκη 断裂韧性1．问题的提出 低应力脆断――断裂力学 2．应力场强度因子KI 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续 的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂 、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这 可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生， 形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数—— “应力场强度因子”。
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硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度―综合性能指标 1．布氏硬度
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻 软的轴承合金。
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洛氏硬度
定义：每0.002mm相当于洛氏1度
洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种
①HRB 轻金属，未淬火钢
②HRC 较硬，淬硬钢制品
③HRA 硬、薄试件
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维氏硬度
维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30， 50，100，120kg等，小于10kg的压力可以 测定显微组织硬度。