第2章 工程材料及热处理

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1、第2章工程材料及热处理2.1金属材料的力学性能2.2铁碳合金相图2.3钢的热处理2.4碳钢与合金钢2.5铸铁2.6非金属及新型材料习题22.1金属材料的力学性能2.1.1强度和塑性1.强度材料在受载荷过程中一般会出现三个过程，即弹性变形、塑性变形和断裂。弹性变形是指材料在载荷卸除后能恢复到原形的变形，而塑性变形是载荷卸除后永久保留下来的变形。对于不同类型的载荷，这三个过程的发生和发展是不同的。使用中一般多用静拉伸试验法来测定金属材料的强度和塑性指标。低碳钢试棒的拉伸过程具有典型意义。将拉伸试棒按GB6397—86的规定，制成如图2-1所示

2、的试棒，在拉伸试验机上缓慢增加载荷，记录载荷与变形量的数值，直至试样拉断为止，便可获得如图2-2所示的载荷与变形量之间的关系曲线，即拉伸曲线。图2-1钢的拉伸试棒图2-2退火低碳钢拉伸曲线无论何种材料，其内部原子之间都具有平衡的原子力相互作用，以使其保持其固定的形状。材料在外力作用下，其内部会产生相应的作用力以抵抗变形，这种作用力称为内力。材料单位截面上承受的内力称为应力，用σ表示。金属材料的强度是用应力来表示的。式中：σ——应力（MPa）；P——载荷（N）；F0——试样的原始截面面积（mm2）。常用的强度指标有弹性极限、屈服强度和抗拉强

3、度。1）弹性极限弹性极限是试样在弹性变形范围内承受的最大拉应力，用符号σe表示。即：式中：σe——应力（MPa）；Pe——载荷（N）；F0——试样的原始截面面积（mm2）。2）屈服强度试棒屈服时的应力为材料的屈服点，称为屈服强度，用σS表示。σS表示金属抵抗小量塑性变形的应力。即：式中：σS——屈服强度（MPa）;PS——试样屈服时载荷（N）;F0——试样的原始截面面积（mm2）。3）抗拉强度抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大拉应力。即：式中：σb——抗拉强度（MPa）；Pb——试样在断裂前的最大载荷（N）；F0——试样的原始截面面积（

4、mm2）。2.刚度在外力作用下，材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。衡量刚度大小的指标是弹性模量。弹性模量是材料在弹性变形范围内，应力与应变（即试样的相对伸长量Δl/l0）的比值，即：式中：E——弹性模量（Pa）；σ——在弹性范围内的应力（Pa）；ε弹——在弹性范围内的应变（%）。3.塑性金属材料在载荷作用下，在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ两种。1）伸长率伸长率是试样被拉断时的标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比，用符号δ表示。即：式中：L0——试样原始标距长度（mm）；L1——试样拉断时的标距长

5、度（mm）。2）断面收缩率断面收缩率是指试样被拉断时，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。即：式中：Fk——试样被拉断时缩颈处最小横截面积（mm2）；F0——原始截面面积（mm2）。2.1.2硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是反映材料软硬程度的力学性能指标。硬度是材料的一个重要指标，其测试方法简便、迅速，不需要专门试样，也不损坏试样，设备也很简单。而且对大多数金属材料，可以从硬度值估算出它的抗拉强度。硬度值是通过试验测得的。图2-3布氏硬度试验原理示意图1.布氏硬度布氏硬度试验原理如图2-3所示。用一

6、规定直径（D为10.5mm和2.5mm）的淬火钢球或硬质合金球以一定的试验力压入所测表面，保持一定时间后卸除试验力，随即在金属表面出现一个压坑（压痕）。以压痕单位面积上所承受试验力的大小确定被测材料的硬度值，用符号HBS（淬火钢球压头）或HBW（硬质合金钢球压头）表示，如45钢调质后其硬度为220～240HBS。式中：P——试验力（kgf）；F——表面积（mm2）；H——压痕深度（mm）；D——压头直径（mm）。由于压痕深度H的测量比较困难，而测量压痕直径d比较方便，因此上式中H可换算成压痕直径d。即：式中：d——压痕直径（mm）。由于金

7、属材料有软有硬，工件有薄有厚、有大有小，如果仅采用一种标准的试验力P和钢球直径D，就会出现如下现象：如果对硬的材料适合，对软的材料就会发生钢球陷入金属内部；若对厚的材料适合，对薄的材料就会产生压透现象等等。因此在生产中进行布氏硬度试验时，要求使用不同大小的试验力和不同直径的钢球或硬质合金球。因此在进行布氏硬度试验时，钢球直径D、试验力P与力保持时间应根据所测试金属的种类和试样厚度，按表2-1所示布氏硬度试验规范，正确进行选择。表2-1布氏硬度试验规范2.洛氏硬度洛氏硬度试验法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压入金属表面，如图2-4所示。用一定直

8、径（D）的淬火钢球或硬质合金球在初载荷与初、主载荷的先后作用下，将压头压入试件表面。经规定的保持时间后卸除主载荷，根据压痕深度确定金属硬度值。根据所用压头种类和所加试验力，洛氏硬度分为HRA、