明显塑性变形
Fb:
缩颈开始
F>Fb:
载荷下降，变形增加
Fk:
断裂，强度极限载荷
拉伸图
，
1强度
材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力
屈服强度
试样产生屈服时的应力。
（MPa）
Fs——试样发生屈服时所承受的最大载荷，（N）；
A0——试样的原始截面积，（mm2）。
对于没有明显屈服现象的金属材料，用σr0.2作为屈服点。
σr0.2——产生0.2%塑性变形时的应力。
抗拉强度
金属材料在拉断前所承受的最大应力。
（MPa）
Fb——试样在拉断前所承受的最大载荷，（N）；
σs，σb在选择金属材料，设计机械零件时有重要意义。
σs：
强度设计的依据，不允许发生塑性变形；
σb：
脆性材料，不发生塑性变形，在强度计算时用σb。
2塑性
金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。
伸长率：
l0——试样原始标距长度，mm；
l1——试样拉断后的标距长度，mm。
断面收缩率：
A0——试样原始截面积，mm2；
A1——试样拉断后，断口处截面积，mm2。
δ，φ越大，塑性越好
脆性材料：
δ≤5％
塑性材料：
δ＞5％，φ＞10％
?
例：
一根φ10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度σb＝450MPa，问此棒能承受的最大载荷为多少？
断面收缩率为多少?
?
例：
如图所示为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性大小，并指出屈服强度的确定方法。
二.硬度
金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。
1.布氏硬度（HB）
测压痕直径，计算或查表求HB值。
纯铁80HB，石墨3HB。
?
特点：
压痕大（压头直径φ10、φ5、φ2.5），准确性好，但不宜成品检验，不宜薄试样，不能测太硬材料（HB>450）。
?
应用：
铸铁、有色金属、低合金结构钢。
淬火钢球压头：
HBS;硬质合金：
HBW
2.洛氏硬度（HR）
根据压痕的深度，可从刻度盘上直接读出HR值
?
特点：
简单、迅速、压痕小，可测薄试样和硬材料，但不及HB准确。
?
应用：
从软到硬的各种材料。
根据所用压头计载荷的不同，分为HRA、HRB、HRC，其中HRC最为常用。
例50HRC。
硬度和强度都反映了材料对塑变的抗力，两者有一定的换算关系。
一般强度愈高，硬度愈高。
碳素钢σb＝0.36HB。
三.韧性
金属材料断裂前吸收的变形能量
测试方法：
摆锤式冲击试验.
冲击韧度：
缺口处单位截面积上所吸收的冲击功
式中：
αk－冲击韧度.
Ak－冲断试样所消耗的冲击功
A－试样缺口处的截面积mm2
冲击值一般作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。
1.其值与很多因素有关
2.大部分情况是多次小能量冲击
冲击值对组织缺陷很敏感。
常用于检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量。
四.疲劳强度.
金属材料在无数次循环载荷作用下而不致引起破坏的最大应力。
受到周期性或非周期性动载荷作用，在大大低于该材料的强度极限下断裂
σ-1测量：
旋转对称弯曲疲劳试验机
钢铁N＝107；有色金属N＝108
影响疲劳强度的因素
⑴材料内在因素，含杂质，表面划痕，化学成分，内部缺陷
⑵外在因素：
温度，形状表面质量
1.1.2材料的物理、化学性能
工程材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀件和导电性等。
不同的机器零件有不同的用途，对材料物理性能的要求亦不相同。
例如．飞机零件应选用密度小、强度高的铝合金制造．以减轻飞机的自重；电器零件应选择导电性良好的材料；内燃机活塞应选用热膨胀性小的材料。
材料的化学性能是指其在室温或高温下抵抗各种化学作用的性能，包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。
在腐蚀介质中或在高温下工作的零件比在空气中或在室温下工作的零件腐蚀更加强烈。
设计这类零件时，应特别注意材料的化学性能。
例如，设计化工设备、医疗器械时可采用耐腐蚀性好的不锈钢、工程塑料等材料。
1.1.3材料的工艺性能
材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综合。
工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。
根据工艺方法的不同，材料的工艺性能可分为热处理性、铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。
在设计零件和选择工艺力法时，为了使工艺简便，成本低廉，并能保证产品质量，必须要求材料具有良好的工艺性能。
例如，灰铸铁的铸造性、切削加工性很好，而锻造性和焊接性很差，故只能用于制造铸件。
低碳钢的锻造件和焊接性都很好，而高碳钢的锻造性和焊接性都较差，切削加工性也不好。
材料的各种工艺性能将在有关章节中分别介绍。
思考题：
1.什么叫做应力？
什么叫做应变？
2.缩颈发生在拉伸图上那一点？
3.如果式样没有出现缩颈现象，是否表示该式样没有塑性变形？
4.σ0.2的意义是什么？
能在拉伸图上画出0.2吗？
5.布氏和洛氏硬度法各有什么优缺点？
下列情况应采用那种硬度法来检查其硬度？
库存钢材硬质合金刀头锻件台虎钳钳口
6.下列符号所表示的力学性能指标的名称和含义是什么？
σbσsσr0.2σ-1δɑkHRCHBSHBW
7.将钟表发条拉成一条直线，这是弹性变形还是塑性变形？
8.布氏、洛氏、维氏等硬度机，用于测量硬度时各有什么优缺点？
9.为什么冲击值不直接用于设计计算？
10.硬度和抗拉强度之间有没有一定的关系？
为什么？
11.一根φ10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度σb＝450MPa，问此棒能承受的最大载荷为多少？
断面收缩率为多少
12.有一低碳钢试样，原直径为φ10mm，长度为100mm。
在试验力为2100N时屈服，试样断裂前的最大试验力为30000N，拉断后长度为133mm，断裂处最小直径为φ6mm，试计算σs、σb、δ、ψ。
13图所示为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性大小，并指出屈服强度的确定方法。
1.2铁碳合金的组织与状态图
1.2.1铁碳合金的基本组织
一.纯铁的晶体结构
1.晶体的基本概念
抽象化最小单元棱边常数
晶体————→晶格————→晶胞————→晶格常数
晶体：
原子在空间呈规律性排列。
晶格：
为了清楚地表明原子在空间的排列规则，可以把原子看成是一个几何质点，把原子之间的相互联系与作用假想为几何直线。
这种用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格。
晶胞：
能够代表晶格特征的最小几何单元。
晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格。
因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征。
晶格常数：
用来描述晶胞大小与形状的几何参数数。
包括晶胞的三个棱边a、b、c和三个棱边夹角α、β、γ共六个参数。
2.纯铁的晶体结构
体心立方晶格：
α-铁，强度高、塑性较好。
面心立方晶格：
γ-铁，很好的塑性。
体心立方晶格：
在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。
在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。
属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。
面心立方晶格：
在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。
在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。
属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-铁等。
3.金属的实际晶体结构
?
多晶体：
由多晶粒组成的晶体结构
?
晶体缺陷：
偏离晶体完整性的微观区域。
有点缺陷、线缺陷、面缺陷。
以上讨论的金属晶体结构是理想的结构，是由原子排列位向或方式完全已知的晶格组成的，称为单晶体。
单晶体：
晶体内部的晶格位向是完全一致。
在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。
而一般的金属材料，即使一块很小的金属中也含有许多颗粒状小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而每个小晶体彼此间位向却不同，这种外形不规则的颗粒状小晶体通常称为晶粒。
晶粒：
颗粒状小晶体。
多晶体：
由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。
研究发现，即使在一个晶粒内，实际金属的结构与理想的状态也有差异。
因此，在实际金属中或多或少地存在着偏离理想结构的微观区域，称为晶体缺陷。
晶体缺陷：
偏离晶体完整性的微观区域。
有点缺陷、线缺陷、面缺陷。
点缺陷——空位和间隙原子
使得原子之间的作用力失去平衡，其周围的原子发生靠拢或撑开，使晶体结构的规律性遭到破坏，晶格发生扭曲，即晶格畸变
面缺陷——晶界
晶界是位向不同，相邻晶粒之间的过渡层。
它可以看做是由空位、间隙原子以及位错堆积起来的一种面层状晶体缺陷，也是各种杂质原子聚集的场所。
晶界处表现出较高的强度和硬度。
晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。
一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，但常常降低金属的耐腐蚀性能。
二.金属的结晶
?
结晶：
金属液体——→固态晶体
金属原子无序——→有序排列的过程
1.冷却曲线
纯金属由液态向固态的冷却过程，可用冷却过程中所测得的温度与时间的关系曲线———冷却转变曲线来表示，这种方法称热分析法。
纯金属的结晶是在一定温度下进行的
?
T0——理论结晶温度，纯金属在在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶的温度，称为理论结晶温度（即熔化温度）。
在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都比较快，因而液态金属的结晶总是在T0以下发生。
?
T1——实际结晶温度
金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷现象。
?
ΔT=T0－T1——过冷度
理论结晶温度与实际结晶温度之差，称为过冷度。
过冷度并不是一个恒定值，v冷↑，ΔT↑，结晶推动力↑。
实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以
过冷是金属结晶的一个必要条件。
2.结晶过程
?
晶核的不断形成和长大
?
自发形核：
金属液中的原子自发聚集到一起。
ΔT↑，自发形核↑
?
外来晶核：
外来细小的固态质点，如杂质
液态纯金属在冷却到结晶温度时，其结晶过程是：
先在液体中产生一批晶核，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到全部液体转变成固体为止。
最后形成由外形不规则的许多小晶体所组成的多晶体。
3.晶粒的细化
金属的晶粒越细，则晶界越多。
由于晶界处的品格排列位向极不一致，犬牙交错，相互咬合。
从而增强了金属的结合力，提高了金属的力学性能。
晶粒的粗细与晶核的数目和晶核长大的速度有关。
液态金属中的晶核越多，则每个晶核长大的余地越小，长成的晶粒就越细。
生产中，细化晶粒的方法如下：
?
增加过冷度
结晶时增加过冷度ΔT会使结晶后晶粒变细。
增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。
实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。
但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又增加了铸件变形与开裂的倾向。
因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒。
?
变质处理
变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
如往钢液中加入钛、锆、铝等。
?
附加振动
金属结晶时，利用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。
?
热处理、压力加工
例：
如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒大小：
（1）金属型浇注与砂型浇注；
（2）铸成薄壁件与铸成厚壁件；
（3）厚大壁件的表面部分与中心部分；
（4）浇注时采用振动与不采用振动。
三.纯铁的同素异晶转变
大多数金属在结晶后，直至冷却到室温，其晶格类型都将保持不变
金属在固态下，其晶格类型随温度发生转变的现象，称为同素异构转变。
广义上讲，属于结晶，称为二次结晶。
?
有晶核的形成和长大
?
有过冷现象
?
转变时放出潜热，冷却曲线有水平段
铁的同素异构性也影响到钢。
这就是通过各种热处理工艺，改变钢的内部组织，改善其力学性能的主要依据。
四.铁碳合金的基本组织
工业纯铁虽然塑性好，但强度低，制造成本高，所以很少用它制造机械零件。
在工业上应用最广的是铁碳合金。
1.基本概念：
?
合金：
由两种或两种以上的元素组成的具有金属特性的物质。
如钢和生铁都是铁碳合金。
?
组元：
组成合金的基本的物质称为组元。
简称元。
如铁碳合金是组元为铁和碳的二元合金。
合金的特点：
?
更高的机械性能
具有比组成该合金元素更高的机械性能
如纯铁80HB；石墨3HB，而20钢120～160HB;
?
调节合金的性能
组成元素的数量和比例能在较大范围内变动，以此来调节合金的性能，满足人们对金属材料提出的各种要求。
?
相：
是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。
例如：
纯金属——→固液并存——→液体
固相两相液相
?
组织：
泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。
2.铁碳合金的基本组织
铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时铁碳合金的组织相当复杂，并随温度、成分、冷却速度而改变，可分为：
（1）固溶体
固溶体：
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。
工业合金绝大部分是以固溶体为基础的，例如低碳钢和低合金钢中的固溶体占85％以上。
根据溶解方式的不同：
?
间隙固溶体：
溶质原子溶入溶剂晶格间隙中。
铁碳合金中都是间隙固溶体。
?
置换固溶体：
溶剂晶格节点上的原子被溶质原子所代替。
固溶强化：
溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象。
?
铁素体F：
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体
由于体心立方晶格原子间的空隙较小，碳在α-Fe中的溶解度也较小，在727°C时，溶碳能力为最大wC=0.0218%，随着温度降低，α-Fe中的碳的质量分数逐渐减少，在室温时降到0.0008%。
铁素体的力学性能与工业纯铁相似，即塑性、韧性较好，强度、硬度较低。
σb＝250MPa，σs＝120MPa，δ＝45～50％，ψ＝85％
?
奥氏体A：
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体
由于面心立方晶格间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。
在1148°C时溶碳能力为最大wC=2.11%，随着温度下降，γ-Fe中的碳的质量分数逐渐减少，在727°C时碳的质量分数为0.77%。
奥氏体是一个硬度较低、塑性较高的相，适用于锻造。
绝大多数钢热成形要加热到奥氏体状态进行加工。
（2）化合物
由合金组元化合而成的一种新的晶体。
结构：
复杂的晶格结构；性能：
硬而脆
?
渗碳体Fe3C：
铁与碳形成的金属化合物。
渗碳体中的wC=6.69%，熔点为1227°C，是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物。
渗碳体的硬度很高，但塑性和韧性几乎等于零，800HBW,δ、ak≈0。
渗碳体是钢中主要强化相，在铁碳合金中存在形式有：
粒状、球状、网状和细片状。
其形状、数量、大小及分布对钢的性能有很大的影响。
（3）机械混合物
由两种以上的相混合而成。
结构：
各相均保持其原有的晶格。
性能：
介于各组成相之间，取决于各相的形状、大小、分布。
?
珠光体：
P＝F＋Fe3C
?
莱氏体：
?
高温莱氏体：
Ld＝A＋Fe3C727℃以上
?
低温莱氏体：
Ld’＝P＋Fe3C
碳的质量分数ωc＝4.3％，硬而脆。
铁碳合金的组织是有F,Fe3C，P几种基本组织组成，铁碳合金的成分不同，各组成物的比例也不相同，表现出不同的机械性能。
例如：
σbHBδαk
F23080HBS50％200
Fe3C30800HBW00
P75018020～25％30～40
1.2.2铁碳合金状态图
铁碳合金状态图是以温度为纵坐标，合金成分（含碳量）为横坐标的图形，是研究不同含碳量的钢和铸铁在不同温度下组织变化规律的重要工具
碳的质量分数>6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。
另外，Fe3C中的碳的质量分数为6.69%，是一个稳定的金属化合物，可以作为一个组元，因此，研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。
一.四个基本相
四个单相区：
液相区（L）、奥氏体区（A）、铁素体区（F）、渗碳体区（Fe3C）
二.特性点
由字母标出的具有特定意义的点
三.特性线
?
ACD——液相线；
?
AECF——固相线
其中：
ACE区——L＋A
CDF区——A＋Fe3CI
C点：
共晶点LC←——→Ld（AE+Fe3C）
ECF——共晶线；wC=（2.11～6.69）%的铁碳合金，缓冷至1148°C（ECF共晶线）都发生共晶转变。
共晶：
在一定条件下（温度、成分），由液体合金中同时结晶出两种不同晶体的转变。
?
GS——A冷却析出F开始线,通常称为A3线。
?
ES——C在A中溶解度曲线/冷却时A析出Fe3C开始线,又称Acm线。
?
PSK——共析线，又称A1线。
S点：
共析点AS←——→P（FP+Fe3C）
wC>0.0218%的铁碳合金，缓冷至727°C（PSK共析线）都发生共析转变；转变的产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体（P）。
?
PQ——C在F中的溶解度曲线。
四.铁碳合金的分类
按其碳的质量分数和显微组织的不同，铁碳合金相图中的合金可分成工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。
?
1）工业纯铁wC<0.0218%。
?
2）钢0.0218%?
a.亚共析钢：
0.0218%?
b.共析钢：
wC=0.77%；
?
c.过共析钢：
0.77%?
3）白口铸铁2.11%?
a.亚共晶白口铸铁：
2.11%?
b.共晶白口铸铁：
wC=4.3%；
?
c.过共晶白口铸铁：
4.3%五.典型铁碳合金的结晶过程及其组织
六.铁碳合金相图的应用
1.选择材料方面
根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律，可以根据零件的服役的条件来选择材料。
如要求有良好的焊接性能和冲压性能的机件，应选用组织中铁素体较多、塑性好的低碳钢（wC<0.25%）制造，如冲压件、桥梁、船舶和各种建筑结构；
对于一些要求具有综合力学性能（强度、硬度和塑性、韧性都较高）的机械零件，如齿轮、传动轴等应选用中碳钢（wC=0.25%～0.6%）制造；
高碳钢（wC>0.6%）主要用来制造弹性零件及要求高硬度、高耐磨性的工具、磨具、量具等；
对于形状复杂的箱体、机座等可选用铸造性能好的铸铁来制造。
2.制定热加工工艺方面
?
在铸造生产方面
根据Fe-Fe3C相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度。
浇注温度一般在液相以上150℃左右。
另外，从相图中还可看出接近共晶成分的铁碳合金，熔点低、结晶温度间隔小，因此它们的流动性好，分散缩孔少，可得到组织致密的铸件。
所以，铸造生产中，接近共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。
?
在锻造生产方面
钢处于单相奥氏体时，塑性好，变形抗力小，便于锻造成型。
因此，钢材的热轧、锻造时要将钢加热到单相奥氏体区。
一般碳钢的始锻温度为1250~1150°C，而终锻温度在800°C左右。
?
在焊接方面
可根据Fe-Fe3C相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况。
?
热处理
各种热处理方法的加热温度的选择也需参考Fe-Fe3C相图，这将在后续章节详细讨论。
必须指出，铁碳合金相图不能说明快速加热和冷却时铁碳合金组织的变化规律。
相图中各相的相变温度都是在所谓的平衡（即非常缓慢地加热和冷却）条件下得到的。
另外，通常使用的铁碳合金中，除含铁、碳两元素外，尚有其他多种杂质或合金元素，这些元素对相图将有影响，应予以考虑。
思考：
碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
（1）碳的质量分数对平衡组织的影响
由Fe-Fe3C相图可知，随着碳的质量分数的增加，铁碳合金显微组织发生如下变化：
F→F+Fe3CIII→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3C
从图中看出，当碳的质量分数增加时，不仅组织中Fe3C相对量增加，而且Fe3C大小、形态和分布也随之发生变化，即由分布在F晶界上（如Fe3CIII），变为分布在F的基体内（如P），进而分布在原A的晶界上（如Fe3CII），最后形成Ld′时，Fe3C已作为基体出现，即碳的质量分数不同的铁碳合金具有不同的组织，因此它们具有不同的性能。
（2）碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对钢的力学性能影响
由于硬度对组织形态不敏感，所以钢中碳的质量分数增加，高硬度的Fe3C增加，低硬度的F减少，故钢的硬度呈直线增加，而塑性、韧性不断下降。
又由于强度对组织形态很敏感。
在亚共析钢中，随着碳的质量分数增加，强度高的P增加，强度低的F减少，因此强度随碳的质量分数的增加而升高。
当碳的质量分数为0.77%时，钢的组织全部为P，P的组织越细密，则强度越高。
但当碳的质量分数为0.77%0.9%时，Fe3CII数量增加且呈网状分布在晶界处，导致钢的强度明显下降。
（3）碳的质量分数对工艺性能的影响
1）切削加工性金属的切削加工性能是指切削加工工件的难易程度。
低碳钢中F较多，塑性好，切削加工时产生切削热大，易粘刀，不易断屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。
高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，故切削加工性也差。
中碳钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性较好。
在高碳钢Fe3C呈球状时，可改善切削加工性。
2）可锻性金属可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。
当钢加热到高温得到单相A组织时，可锻性好。
低碳钢中铁素体多可锻性好，随着碳的质量分数增加金属可锻性下降。
白口铸铁无论在高温或低温，因组织是以硬而脆的Fe3C为基体，所以不能锻造。
3）铸造性能合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离。
距离越大，合金的铸造性能越差。
低碳钢的液相线与固相线距离很小，则有较好的铸造性能，但其液相线温度较高，使钢液过热度较小，流动性较差。
随着碳的质量分数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性能变差。
共晶成分附近的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且液相线温度也最低，其流动性好，铸造性能好。
4）可焊性随着钢中的碳的质量分数增加，
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