必学金属材料热处理、轧制原理基本理论知识汇编.doc

金属材料及热处理、金属塑性变形与轧制原理 基本理论知识 金属材料及热处理部分 一、金属材料的种类 材料是人类用来制造各种有用物件的物质。 工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制取零件和元件的材料。 工程材料的种类繁多，分类方法也不同，但均可分为金属材料和非金属材料两大类。 金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括钢、铸铁、锰、铬及其合金，有色金属材料是除黑色金属之外的所有金属及其合金。 在铸铁中，由于采用不同的处理方式可使石墨呈现不同的形式。根据石墨形态的差别，将铸铁分为下列几种：普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）、球墨铸铁（石墨呈球状）。 二、金属的结构 1．金属的晶体结构 金属和合金在固态下通常都是晶体。 内部原子离子在空间呈有规则的重复排列 大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种不同的晶体结构，即具有多晶型。当外部条件（如温度和压力）改变时，金属可能由一种晶体结构转变成另一种晶体结构。这种固态金属在不同温度下具有不同晶格的现象称为多晶型性或同素异晶性。固态金属在一定温度下，其原子排列由一种晶格转变为另一种晶格的过程，称为多晶型转变，也称同素异晶（构）转变。同素异晶（构）转变的产物称为同素异晶（构）体。 如纯铁的同素异构转变： 由于不同的晶体结构具有不同的致密度，因而发生同素异构转变时，必然引起体积和比容的变化，同时还会引起其它性能的变化。 3．实际金属的晶体结构 在实际应用的金属材料中，不但在结构上是多晶体，而且晶体内部总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为：点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 三、金属材料的性能 金属材料的性能与其化学成分、内部组织结构之间有着极其密切的关系。 金属材料的性能可以大致分为：使用性能和工艺性能。 金属材料的使用性能是指为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括力学性能（也称机械性能）、物理性能和化学性能等。使用性能决定了材料的应用范围、安全可靠性与使用寿命。 金属材料在加工或使用过程中，都是要承受外力作用的，当外力超过某一限度时，金属就会发生变形，甚至断裂。作用在金属材料上的外力也叫作载荷。根据载荷的性质可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。金属抵抗外力作用的能力，称为力学性能，或者说金属材料的力学性能是指材料在外加载荷作用时所表现出来的性能。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。 工艺性能是指在制造机械零件或工具的过程中，金属材料适应各种冷热加工的性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能以及热处理性能等。 1．强度和塑性 金属受到载荷作用后，其变形和破坏过程一般是：弹性变形→弹性变形加塑性变形→断裂。弹性变形是指载荷全部卸除后，可完全恢复的变形；塑性变形是指在载荷去除后，材料中仍残留下来的永久变形。 强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。手册与规范上所标出的材料的强度一般都是通过金属拉伸试验来测定。 塑性是指金属材料在断裂前发生永久变形的能力，通常用金属断裂时的最大相对塑性变形来表示。金属的塑性指标也是通过拉伸试验测得的。 图1所示为低碳钢拉伸试验时记录的拉伸曲线（力-延伸曲线）。由图可见，当载荷不大于FP时，拉伸曲线OP为一直线，即试样的延伸与载荷成正比关系，试样处于符合虎克定律的弹性变形（弹性延伸或比例延伸）阶段，当载荷大于Fp而小于Fs时，试样的延伸与载荷已不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，但试样仍处于弹性变形阶段，即这时如果去除载荷,试样便恢复原状。 图1 拉伸曲线图 载荷超过Fs后，除弹性延伸外，试样开始产生塑性延伸变形。当载荷达到Fe时，在拉伸曲线上出现水平或锯齿形的线段，这表明在载荷不增加甚至减少的情况下，试样仍继续变形，这种现象称为“屈服”。 屈服现象过后，延伸量又随载荷的增加而逐渐增大，整个试样发生均匀而显著的塑性变形。当载荷增加到某一最大值Fm（最大力）后，试样的局部截面开始急剧缩小，出现了“颈缩”现象。以后的变形主要集中在颈缩部分。由于颈部附近试样截面积急剧减小，载荷也逐渐降低。当达到Fk时,试样在颈缩处断裂。 工业上使用的金属材料，多数是没有屈服现象的，其拉伸曲线如图1b、c所示。图中b是塑性材料的拉伸曲线，如退火铝合金、调质处理的合金钢等；c图是低塑性材料的拉伸曲线图，它没有屈服现象，也不产生缩颈，断裂前载荷并不减小，如高碳钢、某些合金钢、球墨铸铁等。 1）强度指标 根据拉伸曲线