金属材料力学性能与热处理工艺
金属材料力学性能是指金属材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。
常见的金属力学性能下表所示：
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金属力学性能 |
常用金属力学性能指标 |
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强度 |
屈服强度、抗拉强度、断裂强度 |
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塑性 |
延伸率、断面收缩率、应变强化指数 |
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弹性 |
弹性模量（刚度）、弹性极限、比例极限 |
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硬度 |
布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度 |
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韧性 |
静力韧度、冲击韧度、断裂韧度 |
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疲劳 |
疲劳强度、疲劳寿命、疲劳缺口敏感度 |
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应力腐蚀 |
应力腐蚀临界应力场强度因子、应力腐蚀裂纹扩展速率 |
低碳钢单向静载拉伸应力―应变曲线
低碳钢拉伸力―伸长曲线
1、oa段：弹性变形
2、ab段：弹性变形+塑性变形
3、bcd段：明显塑性变形，出现屈服现象，作用力基本不变情况下，试样连续伸长。
4、dB段曲线：弹性变形+均匀塑性变形
5、B点：出现缩颈现象，试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。
强度指标
强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。
1、屈服强度
σs=Fs/S0
Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）；S0：试样原始横截面积（mm）。
2、抗拉强度
试样拉断前所承受的最大拉应力，反映了材料的最大均匀变形的抗力。
σb=Fb/S0
σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。
塑性指标
塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
1、断后伸长率
试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。
δ=(L1-L0)/L*100%
L0:标距；L1:拉断后的试件标距。
2、断面收缩率
试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
Ψ=(A0-A1)/A0*100%
A0:试件原横截面积；A1:断裂后颈缩处的横截面积。
强度指标
强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。
1、屈服强度
σs=Fs/S0
Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）；S0：试样原始横截面积（mm）。
2、抗拉强度
试样拉断前所承受的最大拉应力，反映了材料的最大均匀变形的抗力。
σb=Fb/S0
σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。
塑性指标
塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
1、断后伸长率
试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。
δ=(L1-L0)/L*100%
L0:标距；L1:拉断后的试件标距。
2、断面收缩率
试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
Ψ=(A0-A1)/A0*100%
A0:试件原横截面积；A1:断裂后颈缩处的横截面积。
弹性指标
刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。
E=σ/ε
σ：拉应力；ε：拉伸应变
组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理、冷塑性变形对其影响不大。
机构和构件选材重要的力学性能指标：
►行车梁应具有足够的刚度，否则在起吊重物时会因挠度过大引起振动。
►机床和压力机主轴、床身和工作台对刚度都有要求，以保证加工精度。
►内燃机、离心机和压气机等的主要构件要有足够的刚度防止发生振动。
硬度
材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。
它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。
硬度的测试方法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度、莫氏硬度
（1）布氏硬度
单位面积上所承受的平均应力，即试验力p与压痕球形表面积的商。
< 450HB：测试压头为淬火钢球，硬度符号HBS；
<650HB：测试压头为硬质合金，硬度符号HBW。
经验公式：
低碳钢：σb≈3.6HBS；
高碳钢：σb≈3.4HBS。
适用范围:用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.
优缺点：
-
测量值较准确，重复性好；
-
可测组织不均匀材料；
-
不适合测试成品与薄件；
-
测量费时，效率低。
（2）洛氏硬度
以测量压痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相当于1洛氏硬度单位。
压头分两种：
1、圆锥角α=120°的金刚石圆锥体，
2、直径为Φ1.588mm的小淬火钢球。
洛氏硬度计算式：
HR=（k-h）/0.002
压头1：k=0.2mm；压头2：k=0.26mm。
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标尺 |
硬度符号 |
压头类型 |
总试验力F/N |
测量硬度范围 |
应用举例 |
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C |
HRC |
金刚石圆锥 |
1471 |
20-70 |
淬火钢、高硬度铸铁、珠光体可锻铸铁 |
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B |
HRB |
Φ1.588mm钢球 |
980.7 |
20-100 |
低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 |
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A |
HRA |
金刚石圆锥 |
588.4 |
20-88 |
硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢 |
优缺点：
-
试验简单、方便、迅速；
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压痕小，可测成品，薄件；
-
数据不够准确，应测三点取平均值；
-
不应测组织不均匀材料，如铸铁。
（3）维氏硬度
根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。
压头是两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体。
测量范围：
常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。
优缺点：
-
测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；
-
可测成品与薄件
-
试样表面要求高，费工。
冲击韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:
Ak= m g H – m g h (J)
冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。
ak=Ak/ S0(J/cm²)
ak值低－脆性材料：
断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。
ak值高－韧性材料：
明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。
断裂韧度
断裂力学：在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。
疲劳
疲劳现象：
金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。
疲劳特点：
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，断裂应力往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度；
（2）疲劳是脆性突发性断裂，断裂前不会有明显的变形征兆，危险性大；
（3）疲劳对缺口、裂纹及组织缺陷十分敏感，具有高度的选择性。
疲劳极限σ-1：
材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。
条件疲劳极限：
经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。
钢材疲劳强度经验公式:
σ-1= (0.45～0.55)σb
或 σ-1= 0.27(σs+σb）
σ-1p= 0.23(σs+σb）
02热处理工艺
定义：将固态金属或合金通过加热、保温和冷却，使其内部组织结构发生变化，获得所需要性能的工艺。
目的：一是改善材料工艺性能，确保后续加工顺利进行，这种热处理称为预先热处理；二是提高材料使用性能，延长零件使用寿命，这种热处理称为最终热处理。
热处理分类：
普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火）
表面热处理（表面淬火、化学热处理）
其他热处理（真空热处理、形变热处理等）
共析钢在加热时的组织转变
珠光体向奥氏体转变过程四步：
（1）奥氏体形核；
（2）奥氏体长大；
（3）剩余Fe3C溶解；
（4）奥氏体均匀化。
钢在冷却时的组织转变
奥氏体的冷却转变：奥氏体在临界点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。
重要性：决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。
45钢加热到840℃，在不同冷却条件下冷却后的力学性能
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冷却方法 |
σb/Mpa |
σs/Mpa |
δ/% |
ψ/% |
HRC |
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随炉冷却 |
519 |
272 |
32.5 |
49 |
15~18 |
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空气冷却 |
657~706 |
333 |
15~18 |
45~50 |