内容发布更新时间 : 2024/10/11 8:31:12星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

（2）洛式硬度（HR）试验：洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。洛式硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角ɑ＝120°的金钢石圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。常的三种洛式硬度如表2.1-2所示。洛氏硬度试验常用于检查淬火后的硬度。

标尺 符号 压头类型 总试验力F（N） 测量硬度范围 应用举例

A HRA 金钢石圆锥 5.884 22-88 硬质合金、表面薄层硬化钢

B HRB Φ1.558钢球 980.7 20-100 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 C HRC 钢金石圆锥 1471 20-70 淬火钢、高硬铸件、珠光体可锻铸铁 （3）维氏硬度（HV）试验：维氏硬度试验适用于常规材料，其压头是两对面夹角ɑ＝136°的金钢石四棱锥体。测量出压痕对角线平均长度并计算压痕的表面积A（mm2），得到HV＝0.1891F÷d2。

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为ζ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用ζs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用ζb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

从图2.1-1可看出，钢在低于弹性极限ζe的应力下，应力和应变成正比，服从虎克定律，即ζ=Eξ称为线弹性变形，式中E为拉伸杨式模量。显然比例极限ζp是应力和应变成正比的最大应力，而弹性极限ζe则是不产生塑性变形的最大应力。当应力超过弹性极限ζe后，在继续发生弹性变形的同时，开始发生塑性变形并出现屈服现象，即外力不增加，但变形继续进行。显然，屈服极限ζs是材料开始产生塑性变形的应力。当应力超过屈服极限 ζs后，随着应力增加，塑性变形逐渐增加，并伴随加工硬化，即塑性变形需要不断增加外力才能继续进行，产生均匀塑性变形，直至应力达到抗拉强度ζb后均匀塑性变形阶段结束，试样开始产生不均匀集中塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大至K点而发生断裂。显然，抗拉强度ζb是材料产生最大均匀变形的应力，而断裂强度ζK则是材料发生断裂的应力。除低碳钢外，正火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料也具有上述类似的应力—应变行为。

ζs是强度设计中应用最多的性能指标，设计中规定零件工作应力ζ必须小于许用应力[ζ]。即

??[?]??sK K—安全系数。

按此式计算材料的屈服强度ζs愈高，承载能力愈大，零件的寿命越长。实际上不能一概而论。对于纯剪或纯拉伸的零件，例如螺栓，ζs可直接作为设计的依据，并取K=1.1～1.3；对于承受交变接触应力的零件，由于表面经热处理强化（渗碳、渗氮、感应加热淬火），疲劳裂纹多发生在表面硬化层和心部交界处，因而适当提高零件心部屈服强度对提高接触疲劳性能有利；对于低应力脆断零件，其承载能力已不是由材料的屈服强度来控制，而是决定于材料的韧性，此时应适当降低材料屈服强度；对于承受弯曲和扭转的轴类零件，由于工作应力表层最高，心部趋于零，因此只要求一定的淬硬层深度，对于零件心部的屈服强度不需过高的要求。需要指出的是大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生0.2%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用ζ0.2表示。

抗拉强度对设计塑性低的材料如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。设计时以抗拉强度确定许用应力，即[ζs]=ζb/K。而对于塑性材料制作的零件，ζb虽然在设计中没有直接意义，但由于大多数断裂事故都是由疲劳断裂引起的，疲劳强度ζ-1与抗拉强度ζb有一定关系。对于钢，当ζb<1400MPa时，ζ-1/ζb=0.5；对于灰铸铁ζ-1/ζb=0.4；有色金属ζ-1/ζb=0.3～0.4。通常以抗拉强度来衡量材料疲劳强度的高低，提高材料的抗拉强度对零件抵抗高周疲劳断裂有利。此外，抗拉强度对材料的成分和组织很敏感。两种材料的成分或热处理工艺不同，有时尽管硬度相同，但抗拉强度不同，因此可用

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抗拉强度作为两种不同材料或同一种材料两种不同热处理状态的性能比较标准，这样可以弥补硬度作为检验标准的不足之处。

习题2. 设计中的许用应力[ζ]与材料的强度有何关系？如何确定设计中的许用应力？ 答：设计中规定零件工作应力ζ必须小于许用应力[ζ]，即屈服强度除以安全系数的值ζ≤[ζ]＝ζs÷K，式中K—安全系数，ζb对设计塑性低的材料，如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的具有直接意义。设计时以抗拉强度ζb确定许用应力，即[ζ]＝ζb÷K（K为安全系数）。

弹性模量（E）（等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力）

刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。工程中弹性模量E被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。设计弹性零件必须考虑弹性极限和弹性模量。

金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。导热差的材料，在经热处理或锻压工艺加工的加热速度应缓慢些，以防止产生裂纹。

金属材料的化学性能是指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。

金属材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能和热处理工艺性能。 晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性的重复排列；非晶体中的这些质点，则是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。这就是晶体和非晶体的根本区别。

晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。

在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。 最典型、最常见的三种晶体结构类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。 晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。

最常见的点缺陷是空位和间隙原子，因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。

晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。

晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。

面缺陷即晶界和亚晶界。晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层。晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是有许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。晶界还有耐蚀性低、熔点低，原子扩散速度较快的特点。晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高。对于在较低温度下使用的金属材料，一般总是希望获得细小的晶粒。

在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。

金属由液态转变为固态晶体的过程叫做结晶。而一般非晶体由液态向固态的转变则称为凝固。

每种金属都有一个平衡结晶温度，也称理论结晶温度。只有金属的实际结晶温度低于理论结晶温度才能结晶，这种现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。因此认为：金属要结晶就必须有过冷度，即过冷度是结晶的必要条件，冷却速度愈快，则过冷度愈大。

生产中，细化晶粒的方法如下：

1）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。

2）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。

3）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。

纯金属在固态下的转变有两种，一种是同素异晶转变，一种是磁性转变。

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纯铁的同素异晶转变是：1538～1394℃时为体心立方晶格称δ-Fe；在1394～912℃时为面心立方晶格，称γ-Fe；在912℃以下时为体心立方晶格，称α-Fe。晶格改变，其性能随之变化，这就是钢能利用热处理方法改变性能的原因所在。

面心立方结构的金属塑性最好，可加工成极薄的金属箔，体心立方结构的金属塑性次之，密封六方结构的金属塑性最差。具有同素异晶转变的金属有铁、锡、钛、锰等。

磁性转变与同素异晶转变有着原则上的区别，不发生晶格类型转变，而是发生磁性和无磁性的转变。铁、钻、镍均具有磁性转变特性。纯铁的磁性转变温度为768℃，低于768℃的铁才具有磁性。

合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。

一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下而改变其显微组织，从而达到调整金属材料力学性能的目的。

根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物、机械混合物三大类。

合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。置换固溶体如铜镍二元合金，铁碳合金中，铁素体和奥氏体皆为间隙固溶体。

由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。

金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。如碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn等。

金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高、硬度高、而脆性大、电阻高。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。

机械混合物具有比单一固溶体更高的硬度、强度、耐磨性和良好的切削加工性，但其塑性和抗蚀性较差，如锡、锑、铜组成的轴承合金。

Fe-Fe3C相图 （铁碳合金相图）

相图中各主要点的温度、碳的质量分数及意义如表2.1一1所示。

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一、铁碳合金中的基本相

铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe-Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。

1，铁素体（ferrite）

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号\（或α）表示，体心立方晶格；铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。

铁素体的力学性能特点是塑性，韧性好，而强度，硬度低。

δ=30%～50%，AKU=128～160J，ζb=180～280MPa，50～80HBS。

铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

2，奥氏体（Austenite ）

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号\（或γ）表示，面心立方晶格；

虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%（1148℃时），727℃时为0.77%。

在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727～1394℃，故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造，热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓\趁热打铁\正是这个意思。ζb=400MPa，170～220HBS，δ=40%～50%。

另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。 奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。 3，渗碳体（Cementite）

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式\3C\表示。它的碳质量分数Wc=6.69%，熔点为1227℃，

质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。

渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状，网状，片状，粒状等形态，它们的大小，数量，分布对铁碳合金性能有很大影响。

总结：

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体，奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。

铁碳合金在固态下的几种基本组织：铁素体（F）、珠光体（P）、渗碳体（Fe3C）、奥氏体（A）和莱氏体（Ld）。

铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，Fe2C，FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图， 此时相图的组元为Fe和Fe3C。

由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0～6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe-Fe3C相图。

二、铁碳合金相图分析

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