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硬度最大的金属 §1-3 金属材料及钢的热处理金属材料及热处理的主要的内容是：研究金属及合金的内部结构、性能及其用途；研究金属及合金的成分、温度、结构之间的关系，以及改变结构其性能变化情况。
§1-3-1 金属及合金的主要性能
在已发现的化学元素中大多数为金属元素，如铁、铝、铜、镍、铬、钨等。由两种或两种以上的金属元素，或者金属与非金属元素所组成的具有金属性质的物质叫合金。如钢是由铁和碳组成的合金；黄铜是由铜和锌组成的合金。
金属与合金统称金属材料。由于合金比纯金属具有更好的的机械性能和工艺性能，而且成本一般较纯金属低，因此在机器制造中所用的金属材料以合金为主，很少使用纯金属。
从CA6140普通车床所使用的金属材料来看，铁碳合金应用得最多。见表1-1
。
从表1-1和生产实际可知：
（1） 不同的材料有不同的用途。
（2） 同一种材料，通过不同的热处理方法，可作不同的用途。
（3） 要以零件的具体工作条件出发，选择能够满足零件技术要求的材料和热处理工艺。
因此，在设计和机械零件时，首先熟悉材料的使用性能和工艺性能是十分必要的。
所谓使用性能是指机械零件在正常工作情况下，材料应具备的性能。它包括机械性能（或称力学性能）和物理化学性能等。而工艺性能是指机械零件在冷、热加工制造过程中，材料应具备的性能。
一、 金属材料的机械性能
金属在进行压力加工时，以及被制成机械零件或工具来
使用时，都要受到外力的作用，通常把这种外力叫做载荷。载荷有大有小，方向也不尽相同；作用的情形有静止的、冲击的、变化的、不变化的。由于外力的不同，金属的变形情况也不同，常见的有：压缩、拉伸、扭转、剪切和弯曲等变形。
金属材料在外力作用下，所引起的变形分为弹性变形
（指外力除去后，变形完全消失而恢复原状的）机塑性变形（指外力除去后，残余有永久变形的）。
金属材料和机械性能是指金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。
材料的机械性能是设计零件时选择材料的重要依据。常用的机械性能指标有：强度、硬度、塑性、冲击韧性等。
1、强度 强度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗变形和锻炼的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷（应力）表示，符号为σ，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指材料刚开始产生塑性变形时的最低应力值，用σs表示；抗拉强度是指材料在破坏前所能承受的最大应力值，用бb表示。
它们是零件设计时的主要依据，也是评定金属材料强度的重要指标。
2、硬度 硬度是材料抵抗外物压入的能力，也可以说是材料抵抗局部塑性变形的能力。它是材料的主要性能之一。一般情况下硬度高时耐磨性能也较好，并且硬度雨强度之间有一定的关系。
根据经验，硬度与抗拉强度有如下近似关系；即高碳钢要与低碳钢бb相同必须增加硬度。
低碳钢 бb=0.36HB
高碳钢 бb=0.34HB
调质合金钢 бb=0.325HB
测定硬度的方法常采用压入法。就是把硬质材料制成的圆球或锥体，用压力压入金属材料的表层，然后根据压痕的深度或面积来确定被测金属的硬度值。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。
1） 布氏硬度
布氏硬度测定原理：它是用载荷为P的压力，把直径为D的钢球压入金属表面（图1-32）并保持一定时间，而而后去除载荷，测量圆球在金属表面上所压出的圆形凹陷压痕的直径d，据此计算压痕球面积F。求出每单位面积所受的力P／F凹，用以作为金属的硬度值，称为布氏硬度值，以符号HB来表示。
HB=
试验所得的压痕直径应在下列范围之内：0.25〈d〈0.6D。d〈0.25D，则灵敏度和准确性随之降低；若d〉0.6D测钢球的压下量太大亦引起不准确。对于钢来讲，一般确定采用钢球的直径D为10毫米，载荷P为300公斤，压入时间为10秒。假如用一般规定试验条件所得压痕直径不在上列范围内时，即应考虑选用其他载荷量作试验，并在布氏硬度值符号HB的右下角加以注明；如HB10／100／10，即表示用10毫米直径的钢球，在1000公斤力的载荷下保持10秒钟后所得的结果。
它的使用上限一般不起过HB450，所以适用于测定退火、正火、调板钢，铸铁及有色金属的硬度、进行布氏硬度试验时，应根据金属的种类和试件的厚度，正常选择。实验条件：钢球直径、载荷大小和加载时间，可见表1-2。
表1-2布氏硬度试验规程
布氏硬度试验方法的优缺点：
优点：测量值较准确。与其他机械性能，特别与бb之间存在一定的关系。
缺点：由于钢球本身存在变形问题，不能测量硬度＞HB450的材料。
压痕较大，对成品检测不适宜。
2） 洛氏硬度
洛氏硬度测定原理：和布氏硬度试验一样，也是压痕试验法之一。所不同的是，它不是测定压痕大小，而是用测量压痕凹陷深度来表示硬度值（图1-33）。
在同一级硬度下，金属越硬，压痕深度越小；反之，金属越软，压痕深度越大。
洛氏硬度试验的压头分硬质和软质两种。硬质压头的顶角为120°的金刚石圆锥体，适用于淬火钢材等较硬材料的硬度测定；软质压头由直径为1.588毫米（16分之一）或3.175毫米（8分之一）钢球制成，洛氏硬度所加负荷根据试验金属本身硬度不同而作不同规定（表1-3）。其常用的三种符号以HRA、HRB、HRC表示。
洛氏硬度试验方法的优缺点：
优点：操作迅速，简便。可以直接得出硬度值。压痕小，不损伤工件表面，可以测量较软到极硬的或厚度较薄的材料硬度。
表1-3常用的三种洛氏硬度试验范围
缺点：用不同硬度级测得硬度值无法比较；误差稍大。由于金刚石圆锥压头顶角和圆弧半径的误差（顶角为120°±30′，顶角圆弧半径为0.2±0.01毫米）造成了各国洛氏硬度标准的差别，给比较和使用不同国家试验数据造成困难。
3、塑性 塑性是指金属在静载荷的作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
塑性与硬度、强度的关系，并不是在所有情况下，硬度大，强度高的材料，其塑性就一定差。由表1-4可见，Fe、Ni金属不但硬度高并且塑性也很好。
常用的塑性指标有延伸率σ和断面收缩率ψ。
1） 延伸率 它是用试样拉断后的总伸长同原始长度之比值的百分率来度良性的大小。
由于总伸长是均匀伸长与产生局部缩颈后的伸长只和，故σ值的大小与试样尺寸有关。为了便于比较，试样必须标准化。
σ5或σ10表示试样的计算长度为其直径的5倍或10倍。
2） 断面收缩率 它是用试样在拉断后，断口面积的缩减同截面面积之比值的百分率来度量塑性的大小。
一般来说塑性材料的σ或ψ较大，而脆性材料的σ或ψ
较小。由于σ的大小随试样尺寸而变化，因此，它不能充分地代表材料的塑性。
而断面收缩率与试样尺寸无关，它能较可靠地代表金属材料的塑性。
塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义。
首先，良好的塑性可顺利完成某些成型工艺，如冷冲，冷拔等。其次，良好的塑性使零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形使材料强度提高而避免突然断裂，故在静载荷下使用的机械零件都需要具有一定的塑性。
根据不同的工艺而有不用的要求。但是一般并不需要很大的塑性，σ达5%或ψ达10%能满足绝大多数零件的要求，过高的塑性是没有必要的。
4、冲击韧性 前面讨论的是在静载荷作用下的机械作用下的机械性能指标，但是机器上的零件还经常受到各种冲击动载荷作用。比如，机床的爪形离合器，柴油机上的连杆、曲轴、连杆螺钉等零件在工作时都要受到冲击载荷的作用；冲床的冲头，锻锤的锤杆等也在冲击载荷下工作。对承受冲击载荷的工件，不仅要求有高的强度和一定的硬度，还必须具有抵抗冲击载荷而不破坏的能力。所谓冲击韧性就是衡量材料抵抗冲击破坏能力的指标。
为了测量材料的冲击韧性，在冲击机上利用升高的摆锤降试样打断，算出打断试样所需要的冲击功Ak，再用试样断口处的截面积F去除，所得商值，即为冲击韧性dk（焦／米²）。
Xk值愈大，表示材料的韧性愈好，在受到冲击时愈不容易断裂。
对于重要零件要求Xk大于500千焦／米²。
二、金属的结构
金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固体物质按其构造可分为非晶体与晶体两种。非晶体的特点是原子的排列不规则，如玻璃，沥青和松香等都是非晶体；晶体的特点是它们的原子都按一定的次序作有规则的排列，如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。
1、 纯金属的晶体结构
1） 体心立方晶体图（图1-34a），在立方晶胞的中心和八个顶角上各有一个原子。属于这种晶体结构的纯金属有铬、钼、钨、铁（α-Fe）等。
2） 面心立方晶体（图1-34b），在立方晶胞的八个角和六个面的中心各有一个原子。属于这种晶体结构的纯金属有铜、铅、铝、铁（γ-Fe）等。
3） 密排六方晶体（图1-34c），它是由七个原子组成的上下两个六方底面，在两个底面之间还有三个原子。属于这种晶体结构的纯金属有镁、锌等。
金属的晶体结构不同，性能也不同。如同是纯铁，
面心立方结构的γ-Fe比体心立方结构的α-Fe有较好的塑性。
2、 合金的结构
所谓合金，指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如钢是铁与碳的合金，黄铜是铜与锌的合金。
合金的内部结构与纯金属不同，根据合金元素的性能及含量的不同，可将合金结构分为固溶体、金属化合物和混合物三种类型。
1）固溶体 组成合金的各元素，在液态时能相互溶解，在固态时也能相互溶解，组成均匀固态金属的为固溶体。固溶体各元素中保留原有晶体结构的元素为溶剂，溶于溶剂中的元素为溶质。根据溶质原子在晶格里的存在位置，，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。
如图1-35所示。
溶质原子占据了部份溶剂晶格结点的位置而形成的固溶体叫置换固溶体（图1-35a）。
溶质原浸入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体叫间隙固溶体（图1-35b）。固溶体随着溶质含量的增加，其强度，硬度也增加，而塑性和韧性逐渐下降。
适当控制固溶体的溶质含量，可以得到较高的强度和硬度，同时还可以得到相当还的塑性和韧性。
具有固溶体结构的合金如铁碳合金中的铁元素和奥氏体组织的合金。
2）金属化合物 组成合金的各元素相互作用生成一种具有金属特性的化合物为金属化合物。金属化合物的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，其结构一般都很复杂，其特性是：熔点高、硬度高、韧性差而耐磨性好。
具有金属化合物结构的合金组织如铁碳合金中的渗碳体（Fe3C）。
3）混合物 组成合金的元素或化合物，在固态下不能互相溶解，又不能形成化合物，而是机械地混合在一起故为混合物。
混合物既可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。。