金屬材料力學性能是指金屬材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。
常見的金屬力學性能下表所示：
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金屬力學性能
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常用金屬力學性能指標
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強度
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屈服強度、抗拉強度、斷裂強度
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塑性
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延伸率、斷面收縮率、應變強化指數(shù)
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彈性
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彈性模量（剛度）、彈性極限、比例極限
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硬度
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布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度
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韌性
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靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度
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疲勞
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疲勞強度、疲勞壽命、疲勞缺口敏感度
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應力腐蝕
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應力腐蝕臨界應力場強度因子、應力腐蝕裂紋擴展速率
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低碳鋼單向靜載拉伸應力-應變曲線
低碳鋼拉伸力-伸長曲線
1、oa段：彈性變形
2、ab段：彈性變形+塑性變形
3、bcd段：明顯塑性變形，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，作用力基本不變情況下，試樣連續(xù)伸長
4、dB段曲線：彈性變形+均勻塑性變形
5、B點：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。
強度指標
強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。
1、屈服強度
σs=Fs/S0
Fs：試樣屈服時所承受的拉伸力（N）；S0：試樣原始橫截面積（mm）。
2、抗拉強度
試樣拉斷前所承受的最大拉應力，反映了材料的最大均勻變形的抗力。
σb=Fb/S0
σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。
塑性指標
塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。
1、斷后伸長率
試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。
δ=(L1-L0)/L*100%
L0:標距；L1:拉斷后的試件標距。
2、斷面收縮率
試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
Ψ=(A0-A1)/A0*100%
A0:試件原橫截面積；A1:斷裂后頸縮處的橫截面積。
強度指標
強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。
1、屈服強度
σs=Fs/S0
Fs：試樣屈服時所承受的拉伸力（N）；S0：試樣原始橫截面積（mm）。
2、抗拉強度
試樣拉斷前所承受的最大拉應力，反映了材料的最大均勻變形的抗力。
σb=Fb/S0
σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。
塑性指標
塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。
1、斷后伸長率
試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。
δ=(L1-L0)/L*100%
L0:標距；L1:拉斷后的試件標距。
2、斷面收縮率
試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
Ψ=(A0-A1)/A0*100%
A0:試件原橫截面積；A1:斷裂后頸縮處的橫截面積。
彈性指標
剛度：材料在受力時，抵抗彈性變形的能力。
E=σ/ε
σ：拉應力；ε：拉伸應變
組織不敏感的力學性能指標，合金化、熱處理、冷塑性變形對其影響不大。
機構(gòu)和構(gòu)件選材重要的力學性能指標：
?行車梁應具有足夠的剛度，否則在起吊重物時會因撓度過大引起振動。
?機床和壓力機主軸、床身和工作臺對剛度都有要求，以保證加工精度。
?內(nèi)燃機、離心機和壓氣機等的主要構(gòu)件要有足夠的剛度防止發(fā)生振動。
硬度
材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。
它是衡量材料軟硬程度的指標，其物理含義與試驗方法有關(guān)。
硬度的測試方法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度、莫氏硬度
（1）布氏硬度
單位面積上所承受的平均應力，即試驗力p與壓痕球形表面積的商。
<450HB：測試壓頭為淬火鋼球，硬度符號HBS；
<650HB：測試壓頭為硬質(zhì)合金，硬度符號HBW。
經(jīng)驗公式：
低碳鋼：σb≈3.6HBS；
高碳鋼：σb≈3.4HBS。
適用范圍:用于測量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等。
優(yōu)缺點：
a.測量值較準確，重復性好；
b.可測組織不均勻材料；
c.不適合測試成品與薄件；
d.測量費時，效率低。
（2）洛氏硬度
以測量壓痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相當于1洛氏硬度單位。
壓頭分兩種：
1、圓錐角α=120°的金剛石圓錐體，
2、直徑為Φ1.588mm的小淬火鋼球。
洛氏硬度計算式：
HR=（k-h）/0.002
壓頭1：k=0.2mm；壓頭2：k=0.26mm。
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標尺
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硬度符號
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壓頭類型
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總試驗力F/N
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測量硬度范圍
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應用舉例
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C
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HRC
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金剛石圓錐
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1471
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20-70
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淬火鋼、高硬度鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵
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B
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HRB
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Φ1.588mm鋼球
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980.7
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20-100
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低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵
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A
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HRA
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金剛石圓錐
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588.4
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20-88
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硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼
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優(yōu)缺點：
a.試驗簡單、方便、迅速；
b.壓痕小，可測成品，薄件；
c.數(shù)據(jù)不夠準確，應測三點取平均值；
d.不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。
（3）維氏硬度
根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗力計算硬度值。
壓頭是兩相對面間夾角為136°的金剛石四棱錐體。
測量范圍 ：
常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。
優(yōu)缺點：
a.測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；
b.可測成品與薄件；
c.試樣表面要求高，費工。
沖擊韌性
材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。
試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:
Ak= mgH–mgh (J)
沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。
ak= Ak / S0(J/cm²)
ak值低——脆性材料：
斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。
ak值高——韌性材料：
明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。
斷裂韌度
斷裂力學：在承認機件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴展的各種新的力學參量，并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。
疲勞
疲勞現(xiàn)象：
金屬機件或構(gòu)件在變動應力和應變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。
疲勞特點：
（1）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，斷裂應力往往低于材料抗拉強度，甚至屈服強度；
（2）疲勞是脆性突發(fā)性斷裂，斷裂前不會有明顯的變形征兆，危險性大；
（3）疲勞對缺口、裂紋及組織缺陷十分敏感，具有高度的選擇性。
疲勞極限σ-1：
材料經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應力值。
條件疲勞極限：
經(jīng)受107應力循環(huán)而不致斷裂的最大應力值。
鋼材疲勞強度經(jīng)驗公式:
σ-1= (0.45～0.55)σb
或 σ-1= 0.27(σs+σb）
σ-1p= 0.23(σs+σb）
02熱處理工藝
定義：將固態(tài)金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，獲得所需要性能的工藝。
目的：一是改善材料工藝性能，確保后續(xù)加工順利進行，這種熱處理稱為預先熱處理；二是提高材料使用性能，延長零件使用壽命，這種熱處理稱為最終熱處理。
熱處理分類：
普通熱處理（四火：退火、正火、淬火、回火）
表面熱處理（表面淬火、化學熱處理）
其他熱處理（真空熱處理、形變熱處理等）
共析鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變
珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程四步：
（1）奧氏體形核；
（2）奧氏體長大；
（3）剩余Fe3C溶解；
（4）奧氏體均勻化。
鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變
奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變：奧氏體在臨界點A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。
重要性：決定了鋼熱處理后的組織和性能。同一種鋼，加熱溫度和保溫時間相同，冷卻方法不同，熱處理后的性能截然不同。
45鋼加熱到840℃，在不同冷卻條件下冷卻后的力學性能
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冷卻方法
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σb/Mpa
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σs/Mpa
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δ/%
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ψ/%
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HRC
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隨爐冷卻
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519
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272
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32.5
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49
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15~18
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空氣冷卻
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657~706
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333
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15~18
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45~50
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18~24
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油中冷卻
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882
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608
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18~20
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48
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40~50
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水中冷卻
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1078
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706
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7~8
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12~14
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52~60
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共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立（金相硬度法）
也稱“TTT曲線”（Time-Temperature-Transformation Curve），因形狀類似“C”，常稱“C曲線”。
借助“C曲線”，可以了解奧氏體在不同的冷卻條件下轉(zhuǎn)變成何種組織以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能，為正確制定和選擇熱處理工藝提供理論依據(jù)。
共析鋼C曲線及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物
1）珠光體型轉(zhuǎn)變（又稱高溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度：A1~550℃；轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體
A1~6500℃：珠光體片層較粗，P（珠光體-pearlite ）
6500℃~6000℃：珠光體層片較細，S（索氏體-sorbite ）
6000℃~5500℃：珠光體層片極細，T (屈氏體－troolstite）
珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。溫度越低，珠光體的層片越細。層片變細，強度硬度增加，塑性韌性有所增加。
2）貝氏體型轉(zhuǎn)變（又稱中溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度： 550-Ms（230℃）
轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體B（bainite）——由過飽和F和滲碳體組成的混合物。
550~350℃：上貝氏體（upper bainite ）（B上）羽毛狀組織，強度與塑性都較低，脆性很高。
350℃~ Ms：下貝氏體（lower bainite ）（B下）針片狀組織，綜合性能好。
3）馬氏體轉(zhuǎn)變（又稱低溫轉(zhuǎn)變）
轉(zhuǎn)變溫度：Ms（230℃）~Mf
轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體（martensite ）+A′(residual austenite )
馬氏體：碳在α-Fe中形成的過飽和固溶體，用M表示。
分類：
低碳馬氏體（low carbon martensite）：呈板條狀，具有較高的強度和塑韌性。也稱板條M（lath martensite）。
高碳馬氏體（high carbon martensite）：呈透鏡狀，片狀，中間有脊線。其強度很高，但塑韌性差，脆性大。
亞共析鋼的C曲線
過共析鋼的C曲線
過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線（CCT曲線）(Continuous Cooling Transformation)
退火
定義：將金屬加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻
目的：
細化晶粒；
降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；
消除內(nèi)應力。
分類：按退火的目的和工藝特點可分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火等。
完全退火（full annealing）
適用范圍：亞共析鋼
加熱溫度：Ac3+30～50℃
目的：細化組織，降低硬度，改善切削加工性,
消除內(nèi)應力
室溫組織：F+P
球化退火（spheroidizing annealing ）
適用范圍：共析鋼和過共析鋼
加熱溫度： Ac1+20~30℃
目的：使網(wǎng)狀或片狀Fe3CⅡ球化
組織：球狀珠光體
等溫退火(isothermal annealing )
工藝：加熱到Ac1+30~50℃或Ac3+30~50℃，保溫后，迅速冷卻至Ar1以下某一位溫度，待A都變?yōu)镻類組織，出爐空冷。
組織：P類
優(yōu)點：退火時間短，組織均勻
去應力退火（relief annealing ）
目的：去除殘余應力
加熱溫度：T加熱＜AC1（500～600℃）
應用：消除鑄件，鍛件，焊接件等的殘余內(nèi)應力。
均勻化退火（擴散退火）
目的：消除偏析；均勻成分、組織
加熱溫度：AC3＋150～250℃
組織：亞共析鋼為P+F。
應用：主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。
再結(jié)晶退火(recrystallization annealing)
工藝：加熱到Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃，保溫，緩冷。
目的：消除加工硬化，恢復鋼材的塑韌性。
應用：冷加工后的工件消除加工硬化。如在鋼絲拉拔過程中，中間進行的退火。
正火
定義：將工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝。
目的：
低碳鋼：提高硬度，利于切削。
過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體，利于P球化。
中碳鋼和中碳低合金鋼：受力不大，性能要求不高可作為最終熱處理。
淬火
目的：獲得M或B下組織，提高鋼的的硬度和耐磨性。
淬火溫度的選擇
亞共析鋼：AC3+30～50℃；
共析鋼及過共析鋼：AC1+30～50℃。
淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，理想的冷卻速度應是如圖所示的速度。
650℃以上，慢，減小熱應力
650-400℃，快，避免C曲線
400℃以下，慢，減輕相變應力
常用的淬火介質(zhì)(quenching medium)
目前生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水，其冷卻能力依次增加。
水：淬冷能力強，但工件表面有軟點，易變形開裂。
鹽水：淬冷能力更強，工件表面光潔、無軟點，但更易變形開裂；
油：淬冷能力弱，但工件不易變形開裂
常見的淬火冷卻方法(quench cooling method)
回火
定義：
回火的主要目的
消除內(nèi)應力，降低脆性
穩(wěn)定組織和工件尺寸
降低硬度，提高塑性
回火的組織和性能變化
淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在加熱階段。隨加熱溫度升高，淬火鋼的組織發(fā)生四個階段變化。
1.馬氏體的分解
回火階段：<100℃回火時，組織無變化；100~200℃加熱時，馬氏體將發(fā)生分解。
獲得組織：回火馬氏體 M回（過飽和α固溶體）。
性能變化：內(nèi)應力逐漸減小，性能基本不變。
2.殘余奧氏體分解
回火階段：200-300℃。A′分解，轉(zhuǎn)變?yōu)锽下。
獲得組織：M回（Tempered Martensite）表示
性能變化：應力進一步降低，強度和硬度略有下降。
3.馬氏體分解完成和滲碳體的形成
回火階段：300-400℃。ε碳化物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的滲碳體。
獲得組織：回火屈氏體，用T回（Tempered Troostite）表示。
性能變化：內(nèi)應力基本消除，硬度下降，塑韌性增加。
4.Fe3C聚集長大和α固溶體的回復與再結(jié)晶
回火階段：400℃以上。α相開始回復，500℃以上時發(fā)生再結(jié)晶；
獲得組織：回火索氏體，用S回（Tempered Sorbite）表示。
性能變化：獲得良好的綜合性能。
鋼材回火后組織與力學性能
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工藝
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回火溫度
(℃)
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回火后組織
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回火后硬度(HRC)
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性能特點
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用途
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低溫回火
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150～250
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M回
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58～64
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硬度高，耐磨性高；脆性、內(nèi)應力降低
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工具鋼、
滾動軸承 、滲碳件等
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中溫回火
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250～500
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T回
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35～50
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較高的彈性極限和屈服極限，有一定的塑性和韌性
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彈簧鋼、
熱作模具
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高溫回火
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500～600
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S回
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25～35
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良好的綜合性能
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重要結(jié)構(gòu)件
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回火時力學性能變化總的趨勢：隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。
表面熱處理（Surface Heat Treatment ）
表面熱處理：只對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。
分類：表面淬火和化學熱處理。
在生產(chǎn)中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強度；而心部要求有較好的塑性和韌性。
在這種情況下，單從材料選擇入手或采用普通熱處理方法，都有不能滿足其要求。解決這一問題的方法是表面熱處理。
表面淬火(surface quenching )
定義：僅對工件表面進行淬火（+回火）的熱處理工藝
目的：使工件表硬心韌。
表面淬火用鋼：中碳結(jié)構(gòu)鋼（含碳量0.4％-0.5％）
方法：感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。
感應加熱表面淬火(induction surface quenching)
基本原理：感應圈通入交流電→形成渦流（集膚效應）→表層得A→水冷得M。
分類：
高頻感應加熱：
200～300kHz，0.5～2.5mm；
中頻感應加熱：
0.5～10kHz，2～10mm；
工頻感應加熱：
50Hz，10～20mm。
規(guī)律：電流頻率越大，淬硬層深度越淺。
火焰加熱表面淬火(flame heating surface quenching)
定義：火焰加熱表面淬火是應用氧－乙炔（或其它可燃氣體）火焰，對零件表面加熱，然后快速冷卻的淬火，淬硬層深度一般為2～6mm。
應用：適用于單件、小批量生產(chǎn)。
鋼的化學熱處理（chemical heat treatment）
定義：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。
分類：根據(jù)滲入的元素不同，化學熱處理可分為滲碳（carburizing ）、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。
基本過程：
①分解：使化學介質(zhì)在加熱保溫過程中分解出滲入元素的活性原子；
②吸收：活性原子被工件表面吸附，形成固溶體或特殊化合物；
③擴散：滲入原子由工件表層向內(nèi)擴散，形成具有一定深度的擴散層，即滲層
鋼的滲碳（Carburize of steel）
目的：提高工件表面的硬度和耐磨性
滲碳用鋼：低碳鋼或者低碳合金鋼
介質(zhì)：最常用的氣體（煤油、苯等),具有活性碳原子。
溫度：在奧氏體區(qū)，900—950℃
時間：根據(jù)滲層深度而定，約10小時左右。
滲氮（nitriding）：在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。
碳氮共滲(carbonitriding)：碳氮同時滲入工件表層。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優(yōu)點。
滲鉻(chromizing)：有較好的耐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不銹鋼和耐熱鋼用于工具制造。
滲硼(boronizing)：十分優(yōu)秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明顯優(yōu)于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。
京公網(wǎng)安備11010802046783號
