第2章 金属材料的性能.ppt

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1、目目 录录第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能一、强度二、塑性三、硬度四、韧性五、疲劳第二节第二节 金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能一、金属材料的物理性能二、金属材料的化学性能第三节第三节 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能一、铸造性能二、压力加工性能三、焊接性能四、热处理性能五、切削加工性能复习思考题复习思考题第第第第2 2 2 2章章章章 金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能使用性能第一章第一章第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能工艺性能 保证零件的正常工作应具

2、备的性能，即在使用过程中表现出的性能，如力学性能、物理性能、化学性能等。材料在被加工过程中，适应各种冷热加工的性能，如热处理性能、铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能等。金属的性能使用性能工艺性能物理性能化学性能力学性能铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限等。1.载荷 零件和工具在使用过程中所受的

3、力按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，这种力又称为载荷。载荷分为静载荷与动载荷。（1）静载荷 力的大小不变或变化缓慢的载荷，如静拉力、静压力 等。（2）动载荷 力的大小和方向随时间而发生改变，如冲击载荷、交变 载荷等。a）拉伸载荷 b)压缩载荷 c)弯曲载荷 d)剪切载荷 e)扭转载荷 图2-1 载荷的作用形式第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.应力 物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力称为内力，单位面积上的内力，称为应力。应力的计算公式为3.变形 金属在外力的作用下尺寸和形状的变化称为变形。（1）弹

4、性变形 去除外力后，物体的变形能完全恢复原状。（2）塑性变形 当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生永 久变形。去除外力后，物体的变形不能完全恢复原状。式中应力（MPa）；F内力（N）；A截面积（mm）。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.拉伸试样一、强度一、强度 材料在力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。在机械制造中常通过拉伸试验测定材料的屈服强度和抗拉强度，作为金属材料强度的主要判据。拉伸试样的形状与尺寸取决于被测试金属产品的形状和尺寸，试样的横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等。图2-2 圆形拉伸试样 常用

5、的圆形拉伸试样的原始标距长度（L0）与原始直径（d0）一般应符合L0/d0=5（短试样），原始标距长度不小于15mm；当试样横截面太小时，可采用L0/d0=10（长试样），或采用非比例试样。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.拉伸曲线 拉伸试验中记录的拉伸力F与伸长量L（某一拉伸力时试样的标距长度与原始标距长度的差，L=L1-L0）的关系曲线称为拉伸曲线。图2-3 拉伸曲线a)低碳钢拉伸曲线 b)铸铁拉伸曲线图2-4 低碳钢试样的力-伸长曲线（1）Oe为弹性变形阶段拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：拉伸机上，低碳钢缓慢加载

6、单向静拉伸曲线：（2）es为微量塑性变形阶段（3）ss 为屈服阶段（4）s b 为均匀塑形变形阶段（5）bz为局部集中塑性变形局部集中塑性变形 缩颈阶段第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能3.强度判据 强度测定一般用拉伸曲线上所对应某点的应力来表示。（1）屈服点（s）金属材料出现屈服现象时，在试验期间产生塑性变形而拉伸力不增加的应力点。亦表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。其计算公式为式中 Fs发生屈服时的拉伸力（N）;A0试样原始横截面积（mm）。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能

7、金属材料的力学性能（2）抗拉强度（b）拉伸试验时，相应最大拉伸力时的应力。亦表示材料能够承受的最大应力值。其计算公式为 工程上把屈服点与抗拉强度的比值（s/b）称为屈强比，其值越高，则强度的利用率越高，一般材料的屈强比以0.75为宜。式中 Fb最大拉伸力（N)；A0试样原始横截面积（mm）。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能二、塑性二、塑性 塑性是金属在外力作用下能稳定地改变自身的形状和尺寸，而各质点间的联系不被破坏的性能。1.断后伸长率（）断后标距的残余伸长量（L1-L0）与原始标距长度(L0)之比的百分数。其计算公式为式中 L

8、0试样原始标距长度（mm）；L1试样拉断后的标距长度（mm）。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.断面收缩率（）试样拉断后横截面积的最大缩减量（A0-A1）与试样原始横截面积（A0）的百分比，即为断面收缩率。其计算公式为 断后伸长率和断面收缩率的数值越大，表明材料的塑性越好。材料的塑性是决定其能否进行塑性加工的必要条件，塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。式中 A0试样原始横截面积（mm）；A1试样断口横截面积（mm）。几个结论：1）与与 值越大，材料的塑性越好。两者相比，用值越大，材料的塑性越好。两者相比，

9、用表示表示 塑性塑性 比用比用表示更接近于真实变形。表示更接近于真实变形。2）当当 时，试样无颈缩，是脆性材料的表征；时，试样无颈缩，是脆性材料的表征；当当 时，试样有颈缩，是塑性材料的表征；时，试样有颈缩，是塑性材料的表征；3）试样）试样d0不变时，随不变时，随l l0 0的增加，的增加，下降，只有当l0/d0为常为常 数时，不同材料的伸长率才有可比性。当数时，不同材料的伸长率才有可比性。当l0=10 d0时，伸时，伸 长率用长率用 表示；当当l0=5 d0时，伸长率用时，伸长率用5 表示。计算公式：式中 F试验力（N）；S球面压痕表面积（mm2）；D球体直径（mm）；d压痕平均直径（mm）

10、。图2-5 布氏硬度试验原理图1.布氏硬度四、硬度（1）测试原理 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能图2-6 布氏硬度测量原理a)压头压入材料表面 b)读数显微镜测量压痕直径第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能布氏硬度值分为HBS和HBW两种（1）HBS：（2）HBW：表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值，用于测量硬度值小于450HBS的材料。表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值，用于测量硬度值为450650HBW的材料。

11、第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能（2）表示方法：按以下顺序书写：硬度值、布氏硬度符号HBW、压头球体直径、试验力、试验力保持时间（1015s不标注）。如如120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。（3）适用范围及优缺点：布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还

12、硬的材料。还硬的材料。适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或0.6(HB-40)第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能图2-7 洛氏硬度试验原理图2.洛氏硬度：测量原理计算公式 HR（K-e）/0.002式中 K常数，用金刚石圆锥体压头进行试验时，K取0.2mm；用钢球压头进行试验时，K

13、取0.26mm；e残余压痕深度增量（mm）。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能常用标尺有：常用标尺有：B、C、A三种三种 HRA 硬、薄试件，硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。层和渗碳层。HRB 轻金属，未淬火钢，轻金属，未淬火钢，如有色金属和退如有色金属和退火、正火钢等。火、正火钢等。HRC 较硬，淬硬钢制品；较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火如调质钢、淬火钢等。钢等。洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范操作简便，压痕小，适用范围广。围广。缺点缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大

14、。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计图2-8 维氏硬度测试原理计算公式 HV0.1891F/d2式中 F试验力（N）；d压痕两条对角线长度的 算术平均值（mm）。3.维氏硬度测试原理（2）适用范围及优缺点第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点优点：既可测量由极软到极硬的材料的：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量料、表面硬化层的硬度，又可测量金

15、相金相组织中不同相的硬度组织中不同相的硬度。维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计四、韧性四、韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力。韧性的主要判据是冲击吸收功。冲击吸收功越大，材料承受冲击的能力越强。1.冲击吸收功（AK）冲击吸收功可通过一次摆锤冲击试验来测量。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能图2-9 摆锤式冲击试验原理 试样在一次冲击试验力作用下，断裂时所吸收的功称为冲击吸收功，用AKV（或AKU）表示，单位为J。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性

16、能金属材料的力学性能式中 A试样缺口底部横截面积(cm)。冲击韧度是指冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，用aK表示，单位为J/cm。测定试样在冲击载荷的作用下折断时所吸收的功测定试样在冲击载荷的作用下折断时所吸收的功AK，即以冲击吸收，即以冲击吸收功功AK除以试样缺口横截面积除以试样缺口横截面积S0(cm2)所得的商所得的商(kAKA J/cm2)来表征材料的韧性。来表征材料的韧性。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能2.韧脆转变温度图2-10 韧脆转变温度示意图材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。降而下

17、降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称的现象称韧脆转变韧脆转变。发生发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变温度脆转变温度。材料的使用温度应高于韧材料的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。五、疲劳五、疲劳1.疲劳现象 材料在循环应力和交变应力作用下，尽管零件所受的应力低于屈服点,但经过较长时间的工作后,在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象称为疲劳。2.疲劳极限（-1）循环应力越小，则断裂时的循环次数越大，当循环应力低于某一值时，试样可经受无限次的循环而不破坏，此应力称为疲劳极限，用-

18、1表示。机械零件失效约60%70%属于疲劳破坏第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能图2-11 钢铁材料的疲劳曲线示意图3.提高疲劳极限途径 疲劳极限-1与材料的抗拉强度b存在一定的经验关系，一般对抗拉强度b低于1 400MPa的钢材，其疲劳极限-1(0.40.6)b。第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能改善零件的结构形式改善零件的结构形式降低零件表面粗糙度值降低零件表面粗糙度值采取各种表面强化的方法采取各种表面强化的方法由图由图2-11可以看出，应力越小，则材可以看出，应

19、力越小，则材料断裂前所能承受的循环次数越多，料断裂前所能承受的循环次数越多，当应力降低到某一值时，曲线趋于水当应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力作用下，材料经平，即表示在该应力作用下，材料经无数次应力循环而不断裂。无数次应力循环而不断裂。工程上规定工程上规定,材料在循环应力作用材料在循环应力作用下达到某一基数下达到某一基数N而不断裂时，其最而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。大应力就作为该材料的疲劳极限。一般钢铁材料的循环基数取一般钢铁材料的循环基数取107次。次。强度、硬度、塑性、韧性等是金属材料的常用力学性能判据第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的

20、力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能表1-4 常用力学性能判据及含义表2-1 常用力学性能判据及含义第一节第一节第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能表2-2 金属材料强度与塑性的新、旧标准名称和符号对照 蠕变蠕变 耐热钢应该具有高的热强性（高温强度），亦即指钢在高温耐热钢应该具有高的热强性（高温强度），亦即指钢在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。高温零件长时间承受载荷时，下抵抗塑性变形和断裂的能力。高温零件长时间承受载荷时，强度将大大下降；与室温力学性能相比，高温力学性能还要强度将大大下降；与室温力学性能相比，高温力学性能还要受受温度和时

21、间温度和时间的影响。的影响。常用的高温力学性能指标有：常用的高温力学性能指标有：蠕变极限蠕变极限 材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；的抗力；持久强度持久强度 材料在高温长期载荷下对断裂的抗力。材料在高温长期载荷下对断裂的抗力。第二节第二节第二节第二节 金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能一、金属材料的物理性能一、金属材料的物理性能 物理性能是指材料固有的属性，金属材料的物理性能包括熔点、密度、电性能、热性能、磁性能等。1.密度 密度是指在一定温度下单位体积物

22、质的质量，其表达式为式中 物质的密度（g/cm）；m物质的质量（g）；V物质的体积（cm）。2.熔点 熔点是材料从固态转变为液态的温度。金属等晶体材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。第二节第二节第二节第二节 金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能钨、钼等金属具有高的熔点3.电性能 描述材料电性能的物理量有电阻率和电导率。电阻率表示单位长度、单位截面积的电阻值，其单位为m。电导率为电阻率的倒数，单位为 m 。材料的电阻率越小，导电性能越好。银的导电性最好，铜与铝次之4.热性能第二节第二节第二

23、节第二节 金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能（1）热导率 用热导率表示金属导热性能，含义是在单位厚度金 属、温差为1时，每秒钟从单位截面通过的热量，单 位是W/(m)。金属越纯，导热性越好。（2）热膨胀性 材料随温度的改变而出现体积变化的现象。用线膨 胀系数来表示热膨胀性，含义是温度上升1时，单 位长度的伸长量，单位是1/。5.磁性 磁性能可分为非铁磁性物质和铁磁性物质。非铁磁性物质不能被磁化。铁磁性物质在外磁场强度（H）的作用下产生很大的磁感应强度（B）。银、铜的导热性最好，铝次之Al、CuFe、Ni、Co第二节第

24、二节第二节第二节 金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能金属材料的物理性能与化学性能二、金属材料的化学性能二、金属材料的化学性能 材料抵抗各种化学介质作用的能力，包括耐腐蚀性和高温抗氧化性。1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。金属的腐蚀现象随处可见，如铁生红锈、铜生绿锈、铝生白点等。2.高温抗氧化性高温下使用的工件，要求材料具有高温抗氧化的能力。第三节第三节第三节第三节 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 金属的工艺性能主要有铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性

25、能、热处理性能。一、铸造性能一、铸造性能 铸造是指将熔化后的金属液浇入铸型中，待凝固、冷却后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。铸造是获得零件毛坯的主要方法之一。金属的流动性越好，收缩率越小，表明铸造性能越好。（1）流动性 金属液本身的流动能力，流动性的好坏影响到金属液的 充型能力。（2）收缩性 铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中产生的体积和 尺寸的缩减。二、压力加工性能二、压力加工性能 压力加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。利用压力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。金属的压力加工性能主要决定于塑性和变形抗力。塑性越好，

26、变形抗力越小，金属的压力加工性能就越好。三、焊接性能三、焊接性能 通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。焊接性能是材料在限定的施工条件下焊接成规定设计要求的构件，并满足预定工作要求的能力。第三节第三节第三节第三节 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能工艺焊接性使用焊接性在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。焊接接头或整体结构满足技术要求所规定的各种使用性能的程度，包括力学性能及耐热、耐蚀等特殊性能。四、热处理性能四、热处理性能五、切削加工性能五、切削加工性能 热处理是通过对固态下的材料进行加热、保

27、温、冷却，从而获得所需要的组织和性能的工艺。材料接受各种切削加工的难易程度。影响切削加工性能的主要因素是材料的硬度和组织状况，通常材料的硬度在170230HBS时较容易加工。第三节第三节第三节第三节 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能1.材料的使用性能与工艺性能有何区别？2.金属常用的力学性能判据有哪些？3.拉伸试验能测量哪些力学性能指标？4.常用的硬度测量方法有哪些？5.为什么铸铁等组织粗大的材料要用布氏硬度测量法？6.为什么一般冲击试验要强调测量时环境的温度？7.什么叫疲劳现象？8.为什么飞机等要求质轻的构件采用密度小的材料？11.常用的工艺性能有哪些？