成分-温度-组织-性能

材料力学性能

强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。(体现与应力-应变曲线)

• 屈服强度 σ s \sigma_s σs​：材料发生屈服时的强度(脆性材料的屈服强度：0.1%残余应变时的应力)。
• 抗拉强度 σ b \sigma_b σb​：强度极限，材料的最大强度。

塑性：材料受力破坏前承受最大塑性形变的能力。

• 伸长率(δ/%)
• 断面收缩率(ψ/%)

硬度：材料表面局部区域抵抗更坚硬物体压入的能力。

布氏硬度：

当压头是钢球时，用符号HBS表示，适用于布氏硬度450以下的材料；当压头是硬质合金时，用符号HBW表示。

压头在一定载荷的作用下压入试样表面，保持一段时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。

洛氏硬度：

利用一定载荷将压头压入试样表面，保持一段时间后卸除载荷，根据压痕深度确定硬度。缺点是要多次测量取均值。

符号	压头类型	初载荷	主载荷	硬度范围
HRA	金刚石圆锥		490.3	20~88
HRA	1.588mm钢球	98.07N	882.6	20~100
HRA	金刚石圆锥		1373	20~70

维氏硬度(HV)：

用一个相对面间夹角为136度的金刚石正棱锥体压头，在规定载荷作用下压入被测试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量压痕对角线长度，进而计算出压痕表面积，最后求出压痕表面积上的平均压力，即为金属的维氏硬度值。

弹性与刚度

• 弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后恢复到原来的形状和大小的一种特性。
• 刚度材料受力时抵抗弹性变形的能力

指标

• 比例极限 σ p \sigma_p σp​：材料在外力作用下应变和应力成正比的最大值,超过这个最大值后,应变和应力不再是正比关系,但仍是弹性形变,既撤去外力时还能回复原长。
• 弹性极限 σ e \sigma_e σe​：弹性阶段最大应力

冲击韧性

材料抵抗冲击荷载作用而不被破坏的能力，用冲击功K来衡量。

疲劳：材料在循环应力的作用下，在远低于其屈服强度的应力下发生断裂。

• 疲劳强度 σ − 1 \sigma_{-1} σ−1​：材料在规定次数(钢铁为 1 0 7 10^7 107次，有色金属为 1 0 8 10^8 108次)的交变载荷作用下，不发生断裂时的最大应力。

材料物理性能

• 比强度：抗拉强度与密度的比值
• 线膨胀系数

材料化学性能

耐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性。

• 耐蚀性：材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力称为耐蚀性。
• 抗氧化性：材料抵抗高温氧化的能力称为抗氧化性。

金属的实际晶体结构

一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度、硬度就愈高,塑性、韧性也愈好，综合力学性能好。

变质处理：向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。

合金的相结构

相：合金中具有同一化学成分、结构、原子聚集态，并以界面相互分开的、均一的组成部分。

相可以分为固溶体和金属化合物

固溶体：固态下一种组元的晶格内溶解了另一组元的原子而形成的晶体相。

• 置换固溶体：溶质原子替换了一部分溶剂原子而占据溶剂晶格部分结点位置形成的固溶体。
• 间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格之间的间隙。

金属化合物：合金元素间发生相互作用而形成的具有金属特性的合金相。

组织：用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态。

机械混合物：固溶体 + 少量金属化合物

铁碳合金的基本组织与铁碳相图

同素异构转变

固态下晶格类型随温度发生变化。

基本组织

铁素体：碳溶于 α − F e \alpha-Fe α−Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格，用符号F(或 α \alpha α)表示。

奥氏体：碳溶于 γ − F e \gamma-Fe γ−Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格，用符号A(或 γ \gamma γ)表示。

渗碳体：铁和碳的金属化合物，具有复杂的晶体结构，用化学式 F e 3 C Fe_3C Fe3​C表示。

铁碳相图

特性点	温度	碳含量	含义
A	1538	0	纯铁的熔点
C	1148	4.3	共晶反应点
D	1227	6.69	渗碳体熔点
E	1148	2.11	γ − F e \gamma-Fe γ−Fe的最大溶碳量
F	1148	6.69	共晶渗碳体
G	912	0	铁素体和奥氏体同素异构转变点
S	727	0.77	共析反应点
P	727	0.0218	α − F e \alpha-Fe α−Fe的最大溶碳量

钢的热处理原理

定义

根据钢在固态下组织转变的规律，通过不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，达到改善钢材性能的一种热机加工工艺。

作用

• 强化金属材料，充分发挥材料潜力
• 消除加工工艺中的缺陷
• 机械零件加工工艺过程中的重要工序
• 使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等物理化学性能(加buff)

钢的临界温度

• A 1 A_1 A1​：奥氏体-珠光体转变温度
• A 3 A_3 A3​：奥氏体-先共析铁素体转变温度
• A 1 A_1 A1​：奥氏体-二次渗碳体析出溶解温度

奥氏体化过程

钢加热获得奥氏体的转变过程

珠光体向奥氏体转变的四个阶段

• 奥氏体的形核：铁素体和渗碳体的相界面上奥氏体形核
• 奥氏体的长大：奥氏体与铁素体相邻的边界处碳浓度升高，与渗碳体相邻的边界处碳浓度降低，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移
• 残余渗碳体的溶解：铁素体先溶解完，剩下的渗碳体(碳浓度不同导致)
• 奥氏体成分的均匀化：扩散，扩散…

影响奥氏体形成速度的因素

• 加热温度：奥氏体形成的开始温度和终了温度愈高，孕育期和转变时间愈短，奥氏体形成速度愈快。
• 加热速度：加热速度愈快，孕育期和转变时间愈短，奥氏体形成速度愈快。

化学成分影响

• 碳：原始组织中渗碳体的数量多，铁素体和渗碳体的相界面也多，使形核率增大；且增加了碳的扩散速度。
• 合金元素：合金元素影响碳在奥氏体中扩散的速度；改变钢的平衡临界点。

原始组织

• 原始组织越细，相界面越多，形核率越高。

奥氏体的晶粒度及其影响因素

奥氏体的晶粒度

• 起始晶粒度：把钢加热到临界温度以上，奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。
• 实际晶粒度：钢在某一具体热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。
• 本质晶粒度：把钢加热到 930 ± 1 0 ∘ c 930 \pm 10^{\circ} c 930±10∘c，保温3~8小时，条件下的奥氏体晶粒大小。

奥氏体晶粒长大的因素

加热温度和保温时间

加热速度

钢的化学成分

钢在冷却时的转变

A 1 − 65 0 ∘ c A_1 - 650^{\circ} c A1​−650∘c

珠光体，25HRC，0.6 ~ 0.7um

650 − 60 0 ∘ c 650 - 600^{\circ} c 650−600∘c

索氏体，25 ~ 36HRC，0.2 ~ 0.4um

600 − 50 0 ∘ c 600 - 500^{\circ} c 600−500∘c

屈氏体，35 ~ 40HRC，小于0.2um

550 − 35 0 ∘ c 550 - 350^{\circ} c 550−350∘c

上贝氏体，40 ~ 45HRC，过饱和铁素体(长条状) + KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ce at position 1: \̲c̲e̲{Fe3C}细条状

350 − 23 0 ∘ c 350 - 230^{\circ} c 350−230∘c

下贝氏体，50 ~ 60HRC，过饱和碳KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ce at position 10: \alpha - \̲c̲e̲{Fe}(针叶状) + KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ce at position 1: \̲c̲e̲{Fe3C}细片状

钢的热处理工艺

退火

退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，经保温后随炉缓慢冷却下来，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。

目的：

完全退火
正火

淬火

回火

将淬火后的零件加热到低于 A 1 A_1 A1​温度并保温，然后以适当的方式冷却到室温的热处理工艺。

目的是：

• 消除淬火应力
• 提高塑、韧性

低温回火

模具钢

模具钢可用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。根据使用性质、工作条件及其用途不同，可分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢。

冷作模具钢：

用于制造对金属进行冷变形的模具，如冲裁模、冷镦模、压弯模、冷挤压模、拉丝模、冷冲模等。一般情况下，冷作模具钢应是高碳成分，且多以回火马氏体状态使用。

服役条件和性能要求

• 工作温度 200~300℃。
• 模具承受很大的压应力、冲击应力、弯曲力及摩擦力等，冷作模具钢时效形式主要是磨损。
• 模具应具有高硬度、高耐磨性、高抗弯强度和足够韧性。
• 冷作模具钢要求高淬透性，及较小的变形和开裂倾向性。

常用的冷作模具钢

• 碳素工具钢：(T10A、T12A)，尺寸较小、形状简单、轻负荷的冷作模具
• 低合金冷作模具钢：(9Mn2V、9SiCr、CrWMn)，尺寸稍大、形状复杂、轻负荷的冷作模具
• 中、高铬模具钢：(Cr12、Cr12MoV，统称Cr12型；Cr6WV)，尺寸大、形状复杂、载荷繁重的各种冷作模具
• 高速钢类模具钢：(65Nb、CG-2钢来自于6-5-4-2高速钢)，冷、热模具钢均可

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