经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。
钢材疲劳强度经验公式: σ-1 = (0.45～0.55)σb
或 σ-1 = 0.27(σs+σb） σ-1p = 0.23(σs+σb）
钢材热处理工艺
定义：将固态金属或合金通过加
热、保温和冷却，使其内部组织 结构发生变化，获得所需要性能 的工艺。
目的：一是改善材料工艺性能，确保后续加工顺利进行，这种热
材料力学性能
冲击韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
试样冲断时所消耗的冲击功Ak为: Ak = m g H – m g h (J)
冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。
a k = Ak / S0 (J/cm²)
ak值低－脆性材料： 断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。
ak值高－韧性材料： 明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。
σb = Fb/S0
σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。
材料力学性能
塑性指标
塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
1、断后伸长率
试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。
δ=(L1-L0)/L *100%
L0:标距；L1:拉断后的试件标距。
2、断面收缩率
试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
Ψ=(A0-A1)/A0 *100%
A0:试件原横截面积；A1:断裂后颈缩处的横截面积。
材料力学性能
弹性指标
刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。
E=σ/ε
σ：拉应力；ε：拉伸应变
组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理、冷塑性变形对其影响不大。
机构和构件选材重要的力学性能指标： ►行车梁应具有足够的刚度，否则在起吊重物时会因挠度过大引起振动。 ►机床和压力机主轴、床身和工作台对刚度都有要求，以保证加工精度。 ►内燃机、离心机和压气机等的主要构件要有足够的刚度防止发生振动。
钢材热处理工艺
亚共析钢的C曲线
温度 (℃)
800
700
600
500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100
0
1
F A
M+A’
10
102
A3 A1 P+F S+F T
B
103
104
时间(s)
钢材热处理工艺
过共析钢的C曲线
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 Ms 200 100
金属材料力学性能与热处理工艺
123465
2014年1月4日
材料科学与工程的“四要素”
探索这四个要素之间的关 系，覆盖了材料科学与工程 领域的所有研究内容。
能够根据使用性能要求， 选择合适的材料，并制定出 相应的加工工艺，使之最终 具有满足使用性能要求的性 质，是工程技术人员应该具 备的能力。
制备/加 工
标尺 硬度符号
压头类型
总试验力F/N 测量硬度范围
应用举例
C
HRC
金刚石圆锥
1471
20-70
淬火钢、高硬度铸铁、珠光体可锻铸铁
B
HRB Φ1.588mm钢球
980.7
20-100
低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁
A
HRA
金刚石圆锥
588.4
20-88
硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢
优缺点：（1）试验简单、方便、迅速；（2）压痕小，可测成品，薄件； （3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。
材料力学性能
冲击韧性
Titanic沉没原因
一项新的科学研究回答了80年未解之谜
含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温 呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断 口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当 好的韧性。
低温脆性 韧脆转变温度
含硫高的钢
现代船舶用钢
不同碳含量钢冲击功与温度关系
材料力学性能
断裂韧度
断裂力学：在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力 学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。
< 450HB：测试压头为淬火钢球，硬度符号HBS； <650HB：测试压头为硬质合金，硬度符号HBW。 经验公式：低碳钢：σb≈3.6HBS；高碳钢：σb≈3.4HBS。 适用范围:用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等. 优缺点： （1）测量值较准确，重复性好； （2）可测组织不均匀材料； （3）不适合测试成品与薄件； （4）测量费时，效率低。
材料力学性能
低碳钢单向静载拉伸应力―应变曲线
1、oa段：弹性变形 2、ab段：弹性变形+塑性变形 3、bcd段：明显塑性变形，出现屈
服现象，作用力基本不变情况下，试 样连续伸长。
4、dB段曲线：弹性变形+均匀塑性
变形
5、B点：出现缩颈现象，试样局部
截面明显缩小试样承载能力降低，拉 伸力达到最大值，试样即将断裂。
处理称为预先热处理；二是提高材料使用性能，延长零件使用寿命， 这种热处理称为最终热处理。
分类： 热处理
普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火） 表面热处理 （表面淬火、化学热处理） 其他热处理（真空热处理、形变热处理等 ）
钢材热处理工艺
共析钢在加热时的组织转变（回顾）
珠光体向奥氏体转变过程四步： （1）奥氏体形核； （2）奥氏体长大； （3）剩余Fe3C溶解； （4）奥氏体均匀化。
A+P
Pf
（P转变终了线）
产物区
炉冷
230℃ 0℃
-100℃
Ms Mf
M
K（P转变中止线）
空冷
M+A′
水冷
Vc
油冷
（上临界冷却速度）
Vc` （下临界冷却速度）
时间 t
钢材热处理工艺
细A 均匀A
用C曲线定性说明连续冷却转变产物
A1
等温退火
650℃
退火
600℃ 550℃
500-650℃
正火
(炉冷)
(空冷)
珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。
温度越低，珠光体的层片越细。层片变细，强度硬度增加， T
塑性韧性有所增加。
钢材热处理工艺
2）贝氏体型转变（又称中温转变）
转变温度： 550—Ms（230℃）
转变产物：贝氏体 B（bainite）----由过饱和F和渗
碳体组成的混合物。
B上
550~350℃：上贝氏体（upper bainite ）（B上）
钢材热处理工艺
共析钢C曲线及转变产物
T/℃
800
A1
A
700 过
转变开始
600
冷
A→S
A A→T
A→P
转变结束
S
T
P 5~25HRC
25~35HRC 35~40HRC
500 400
过 A→上B 冷
上B
40~50HRC
300
A
A→下B
下B 50~60HRC
Ms
200
100
A→M
M+A'
60~65HRC
材料力学性能
硬度
材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。 它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。
硬度的测试方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度 （4）肖氏硬度 （5）里氏硬度 （6）莫氏硬度
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材料力学性能
布氏硬度
单位面积上所承受的平均应力，即试验力p与压痕球 形பைடு நூலகம்面积的商。
羽毛状组织，强度与塑性都较低，脆性很高。
350℃~ Ms：下贝氏体（lower bainite ）（ B下） 针片状组织，综合性能好。
B下
钢材热处理工艺
3）马氏体转变（又称低温转变）
转变温度：Ms（230°C）~ Mf 转 变 产 物 ： 马 氏 体 （ martensite ） +A′(residual austenite ) 马氏体：碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体， 用M表示。
0
Mf
-100
M
0
1
10
102
103
104
105 时间/s
钢材热处理工艺
1）珠光体型转变（又称高温转变）
转变温度： A1~550℃；转变产物：珠光体
P
A1 ~ 6500C：珠光体片层较粗， P（珠光体-pearlite ） 6500C~6000C：珠光体层片较细，S（索氏体- sorbite ） S 6000C~5500C：珠光体层片极细，T (屈氏体－troolstite）
冷却方法 随炉冷却 空气冷却 油中冷却 水中冷却
σb/Mpa 519 657~706 882 1078
σs/Mpa 272 333 608 706
δ/% 32.5 15~18 18~20 7~8
ψ/% 49 45~50 48 12~14
HRC 15~18 18~24 40~50 52~60
钢材热处理工艺
应力场强度因子K1
K1 Y a
Y—裂纹强度系数
c c
断裂韧度K1C
K1c Y c a c
裂纹不会扩展，安全 裂纹扩展，断裂失效
张开型穿透裂纹无限大板的应力分析
材料力学性能
疲劳强度
80%的断裂由疲劳造成
疲劳现象：
金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断
裂现象。
疲劳特点：
钢材热处理工艺
钢在冷却时的组织转变