第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

1、第二節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能（硬度、韌性、疲勞）及工藝性能一、復(fù)習(xí)要求1、知道硬度的概念；2、熟悉硬度測試的方法及原理；3、知道各種硬度測試的表示方法；4、知道各種硬度測試方法的特點并能根據(jù)特點進行合理選用；5、知道沖擊韌性的概念并了解其測試原理、方法及適用；6、知道疲勞的概念并了解其特征和產(chǎn)生疲勞的原因；7、知道疲勞曲線和疲勞極限的概念并了解影響疲勞極限的因素；8、了解工藝性能的種類及影響因素。二、課前自主復(fù)習(xí)（一）、復(fù)法指導(dǎo)1、復(fù)習(xí)內(nèi)容1）、硬度、韌性、疲勞概念；2）、硬度、韌性、疲勞的測試方法及應(yīng)用場合；3）、影響硬度、韌性、疲勞的因素。2、怎么復(fù)1）、抓住載荷特性及衡量指標(biāo)結(jié)合強度、塑性

2、的概念對硬度、韌性、疲勞的概念進行比較記憶；2）、課堂以探究解析硬度、韌性、疲勞等知識應(yīng)用選擇來幫助同學(xué)理解知識為主；3）、提出問題、分析問題、解決問題并及時鞏固問題并學(xué)會對知識的遷移應(yīng)用。（二）、知識準(zhǔn)備1）、硬度是指金屬材料在靜載荷的作用下抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。2）、硬度的測試方法有很多，最常用的有布氏硬度測試法、洛氏硬度測試法和維氏硬度測試法。分別用HB、HR、HV表示。3）、布氏硬度值根據(jù)所采用的壓頭材料不一樣，分別用符號HBS（鋼球）和HBW（硬質(zhì)合金球）表示。4）、洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三種標(biāo)尺，壓頭型式分為1200的金剛石圓錐體和直徑為1.588

3、mm的鋼球兩種。5）、維氏硬度用的是1360的正四棱錐體金鋼石壓頭。6）、沖擊韌性在指金屬材料在沖擊載荷的作用下而不破壞的能力。常用的測試方法有大能量一次沖擊試驗和小能量多次沖擊試驗，測試結(jié)果分別用沖擊韌度k和規(guī)定沖擊載荷下沖擊的次數(shù)N表示的。7）、疲勞是金屬材料在交變載荷作用下雖然承受小于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服點的應(yīng)力但在較長的時間后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。8）、疲勞曲線指的是作用的交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。曲線表明金屬承受的交變應(yīng)力越小則斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越多。9）、疲勞極限是無限多次交變應(yīng)力作用下而不破壞的最大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力為對稱循環(huán)時，疲勞極限用符號-1表示。10）、工藝性能是指

4、金屬材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能等。11）、衡量鑄造性能的主要指標(biāo)有流動性、收縮性和偏析傾向等。12）、鍛造性能的好壞主要同金屬的塑性和變形抗力有關(guān)，焊接性主要同金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)，一般認(rèn)為金屬材料具有適當(dāng)硬度(170230HBS)和足夠的脆性時較易切削。（三）、導(dǎo)復(fù)平臺1）、金屬材料在硬度、沖擊韌性、疲勞試驗中所用的載荷分別為靜載荷、沖擊載荷、交變載荷。2）、硬度試驗中壓頭肯定不是金剛石的是布氏硬度測試法，肯定是金剛石頭的是維氏硬度測試法。3）、沖擊韌度指的是沖擊試樣在試樣缺口處單位截面積上的沖擊吸收功。沖擊韌度越大表示材料的沖擊韌性

5、越好。4）、疲勞試驗中的所受的交變應(yīng)力應(yīng)低于（高于、低于、等于）屈服點且需要長時間作用才會出現(xiàn)裂紋或斷裂現(xiàn)象5）、交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系稱為疲勞曲線，交變應(yīng)力越小則斷前應(yīng)力作用的循環(huán)次數(shù)越多，當(dāng)交變應(yīng)力小到疲勞極限時可以作用的循環(huán)次數(shù)可以達到無數(shù)次。6）、焊接性主要同金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)，其中碳的影響最大。三、課堂探析（一）、探析問題【問題1】：硬度測試與哪些條件有關(guān)？【解析過程】：常用的硬度測試法中有三種壓頭形式：球形、1200圓錐體、1360正四棱錐體，不難理解在同等條件下球形壓頭讓金屬材料留下痕跡球形最難、1200圓錐體壓頭最易。同樣是球形壓頭，直徑越小、材料越硬越易讓金屬材料留下痕

6、跡。所以布氏硬度中壓頭材料不一表示方法也不一樣，有HBS（鋼球壓頭）與HBW（硬質(zhì)合金壓頭之分）；洛氏硬度也有HRB與HRA、HRC標(biāo)尺之分。試驗力的大小及保持時間不一測試結(jié)果不一樣，試驗力越大留下痕跡越明顯、保持時間越長回彈越小留下的痕跡也越明顯。 默認(rèn)條件下硬度值只需在符號前加硬度值即可，非默認(rèn)條件需在符號后注明條件。布氏硬度的默認(rèn)條件是試驗力3000Kg力、球體直徑10mm、力的保持時間是1015s；洛氏硬度各種標(biāo)尺的測試條件是只有力的保持時間可以變動，默認(rèn)的也為1015s；維氏硬度測試條件可可改變的有測試力和保持時間，默認(rèn)值分別為1Kg力、1015s。例如170HBS10/1000/3

7、0表示在用10mm的鋼球，在1000Kg試驗力的作用下作用30s時測得的布氏硬度值為170；640HV30表示在30Kg試驗力的條件下保持1015s測得的維氏硬度值為640?！窘忸}結(jié)論】：壓頭的形式及材料，試驗力的大小及保持時間?！就卣褂?xùn)練】：有三種材料的硬度值分別為450HBS、450HBW、450HV，試比較硬度高低?！窘馕鏊悸贰浚河捎跍y試原理相同，但維氏硬度采用的是金鋼石四棱錐體壓頭，比布氏硬度的球形壓頭更易壓入，故硬度值相同時維氏硬度最低。同樣是球形壓頭時，鋼球比硬質(zhì)合金球易變形，在同等條件下工件的壓痕不及硬質(zhì)合金球，即硬度相等的布氏硬度值鋼球測試出來的結(jié)果反映的硬度較高。【解題結(jié)論】

8、：硬度從高到低排列450HBS、450HBW、450HV【問題2】：為什么說布氏硬度的測試原理與維氏硬度基本相同？【解析過程】：二者均以壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示硬度值，其硬度值的計算也均以應(yīng)力公式F/S來計算的，單位也均以Mpa為單位。由于面積的計算相對較為復(fù)雜，也均測量壓痕的直徑（維氏硬度測量的是正方形的對角線長度也稱正方形直徑）來通過硬度表中查出。表中查出的數(shù)值即為應(yīng)力公式中計算出來的數(shù)值所以說硬度值可以間接的金屬的強度，但試驗比拉伸試驗簡單易行。二者不同點是一個壓痕為球面，一個壓痕為四正棱表面；一個試驗力大，一個試驗力小，測試時對工件的損傷也不一樣，故在應(yīng)用上也不同?！窘忸}結(jié)

9、論】：二者均以壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示硬度值?！締栴}3】：為什么洛氏硬度沒有單位？【解析過程】：洛氏硬度測試法是以壓痕的深度來計算硬度值的大小的，計算方法是用常數(shù)減壓入的硬度單位來計算的，以每壓入0.002mm的壓痕深度作為一個硬度單位，故無單位。當(dāng)壓頭為球體時常數(shù)為130，當(dāng)壓頭為金剛石圓錐體時常數(shù)為100。常數(shù)也即為最高理想硬度值。例用洛氏硬度C標(biāo)尺來測量材料硬度時測量的壓痕深度為0.12mm時,硬度值HRC=1000.12/0.002=40，即40HRC。還注意的是洛氏硬度的測試結(jié)果可以直接從硬度計上讀出來而勿需查表?！窘忸}結(jié)論】：可由洛氏硬度的計算公式推導(dǎo)?！締栴}4】：測試

10、法與工件材料的關(guān)系如何？【解析過程】：布氏硬度主要適用于測定灰鑄鐵、有色金屬、各種軟鋼等硬度不是很高的材料，如果測試硬度較高的材料時壓頭變形比較明顯從而使測量結(jié)果比實際硬度低，故當(dāng)布氏硬度值大于450時必須采用硬質(zhì)合金壓頭，但測試材料布氏硬度值仍不能高于650。由于布氏硬度的測試力大，壓痕較大，故測量結(jié)果較能真實反映材料的硬度，同時也對材料有了一定程度的破壞，所有不能對成品或薄件進行測量以防造成工件報廢。 洛氏硬度由于采用的試驗力較小，故選用了小徑鋼球或金鋼石圓錐體作為壓頭，對材料的破壞較小，適用于測量各種成品或半成品。但由于材料組織的不均勻性，測試結(jié)果不能真實反映出材料性能，需多次測量取平均

11、值。在三種洛氏硬度中，HRB標(biāo)尺采用的是直徑為1.588mm的鋼球較HRA、HRC標(biāo)尺采用金鋼石圓滿錐體壓頭相比較難壓入材料，故適用于軟鋼、退火鋼、銅合金等較軟的材料。通過HRA、HRC標(biāo)尺對比，雖采用同樣的壓頭但試驗力HRC標(biāo)尺是HRA標(biāo)尺的2.5倍，也就是說明能測量更硬的材料。一般來講，HRA標(biāo)尺用來測量硬質(zhì)合金或表面淬火鋼的硬度，HRC標(biāo)尺用來測量一般淬為鋼的硬度。 通過對比可知，當(dāng)某工件用布氏或洛氏硬度均可測量時優(yōu)先選用的是布氏硬度。但不管哪種測試方法均由于試驗力的問題不能對較薄件和表層硬度測量，不然不是對工件造成了破壞就是測量的整體硬度而非表層硬度。對較薄件和表層硬度的測量一般采用維

12、氏硬度進行，且維氏硬度計根據(jù)工件的實際狀況對試驗力的調(diào)整較為方便、對測試結(jié)果影響也較小。【解題結(jié)論】：布氏硬度主要適用于測定灰鑄鐵、有色金屬、各種軟鋼等硬度不是很高的坯料或破壞性試驗，洛氏硬度主要用于測量各種成品硬度，維氏硬度主要適用于測量前兩種方法不宜測量的薄件或工件的表層硬度?！就卣褂?xùn)練】：某企業(yè)用40Cr加工一批齒輪且齒輪成品要求表面進行滲氮處理，試問對齒輪的坯料及成品分別用什么方法來測試其硬度較為合理？ 【解析思路】：布氏硬度測試法測量值較為準(zhǔn)確，對坯料的破壞可以在加工中得到修整；維氏硬度測試法所施加的測試力較小，只能測示出表層的硬度，故材料整體硬度的測量需試驗力稍大的洛氏硬度?？紤]到

13、成品的齒輪是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的淬火鋼件，可采用洛氏硬度C標(biāo)尺測試其硬度以免損傷工件，但需多次測量以達到較為準(zhǔn)確的硬度值。如要測量齒輪更準(zhǔn)確的整體硬度值，可采用布氏硬度測試法對齒輪進行破壞性試驗進行抽檢，這也是某些齒輪圖紙技術(shù)要求中常標(biāo)注布氏硬度值的原因?！窘忸}結(jié)論】：坯料采用布氏硬度測試法，成品整體硬度的測試采用洛氏硬度測試法、表面硬度測試采用維氏硬度測試法?！締栴}5】：沖擊韌性的兩種測試方法與工件材料有什么關(guān)系？沖擊力的大小根據(jù)什么來選擇？【解析過程】：兩種測試方法的選用與工件材料有一定關(guān)系。因為像鑄鐵等脆性材料用大能量一次沖擊試驗測試出的沖擊韌度幾乎為零，不能真實的反映出這類材料的真實抗沖擊性

14、能。相反像一些軟鋼用小能量多次沖擊試驗測試結(jié)果經(jīng)受的沖擊次較多也不能反映出受到大量沖擊時抗沖擊能力就強。故用哪種測試方法還是根據(jù)工件的實際工作狀況來分，一般來講脆性材料像鑄鐵、工具鋼等用小能量多次沖擊試驗來測試沖擊韌性。沖擊力的大小根據(jù)沖擊試驗方法不同取決的因素也不一樣，大能量沖擊載荷作用時取決于試樣被沖斷時單位面積的沖擊吸收功即材料的沖擊韌度k，小能量多次沖擊條件下取決于材料的強度和塑性?！窘忸}結(jié)論】：塑性材料用大能量一次沖擊試驗、脆性材料用小能量多次沖擊試驗，大能量沖擊載荷作用時取決于材料的沖擊韌度k、小能量多次沖擊條件下取決于材料的強度和塑性?！締栴}6】：疲勞產(chǎn)生的原因是什么？【解析過程

15、】：疲勞產(chǎn)生的原因是由于材料的表面或內(nèi)部有缺陷造成這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點，從而產(chǎn)生局部的塑性變形而導(dǎo)致開裂。隨著應(yīng)力的循環(huán)裂紋也隨之?dāng)U展，造成承受載荷的截面積不斷減少以至不能承受載荷而發(fā)生突然斷裂。因此疲勞具有以下特征：斷前沒有明顯的宏觀塑變，斷前沒有預(yù)兆（但有裂紋擴展）；引起疲勞的應(yīng)力很低，常低于屈服點或遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點（裂紋擴展使實際受力面積減?。?；疲勞破壞的宏觀斷口有兩部分組成：光滑區(qū)和斷裂區(qū)（光滑區(qū)是擴展中擠壓磨損、斷裂區(qū)呈粗糙狀）?！窘忸}結(jié)論】：疲勞產(chǎn)生的原因是由于材料的表面或內(nèi)部有缺陷造?！締栴}7】：為什么說金屬材料具有適當(dāng)硬度(170230HBS)和足夠的脆性時較易切削？【解

16、析過程】：材料太硬時，刀具難以切入，使刀具壽命明顯降低；材料太軟時，摩擦力太大、切削溫度過高，易產(chǎn)生粘刀和切削瘤等，使加工精度降低?！窘忸}結(jié)論】：切削時主要受到磨擦、變形、分離等阻力，當(dāng)硬度(170230HBS)和足夠的脆性時進行切削加工其磨擦、變形、分離的合力為最小?！就卣褂?xùn)練】：20鋼與20Cr鋼的切削性能哪個較差？如何提高？【解析思路】：一般認(rèn)為金屬材料具有適當(dāng)硬度(170230HBS)和足夠的脆性時較易切削。所以鑄鐵比鋼切削加工性能好，一般碳鋼比高合金鋼切削加工性能好。改變鋼的化學(xué)成分和進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，是改善鋼切削加工性能的重要途徑?！窘忸}結(jié)論】：20Cr鋼的切削加工性能較差。要提高

17、20Cr的切削性能需對其進行正火處理。（二）、鞏固練習(xí)1、2008高考題：用15鋼制作要求耐磨的小軸(直徑20mm)，其工藝路線為：下料鍛造熱處理1機加工熱處理2磨削加工。成品硬度要求：5864HRC。測量該工件硬度所用壓頭為1200金鋼石圓錐體；該硬度測定時由于壓痕較小，可以測定成品或半成品工件。釋義：5864HRC是洛氏硬度值，壓痕小。2、2010高考題：鑄鐵的硬度測定用布氏硬度實驗法，淬火鋼的硬度測定用洛氏硬度實驗法。釋義：鑄鐵較軟，布氏硬度值測試較為準(zhǔn)確，但對其成品也會造成一定的破壞。淬火鋼硬度值較高，鋼球不易壓入，故需采用洛氏硬度測試法中采用其中試驗力較大的C標(biāo)尺。為提高其測試值的準(zhǔn)

18、確性，需多次測試求其平均值。3、沖模的沖頭一般采用小能量多次沖擊試驗的測試測試結(jié)果來衡量該材料的沖擊波韌性。釋義：沖頭的材料為工具鋼，脆性較大，沖擊韌度不能反映出材料的真實的抗沖擊性能。4、下列材料中D不能用來進行鍛壓。 A. 黃銅 B. 鋁合金 C. 碳鋼 D. 可鍛鑄鐵釋義：可鍛鑄鐵只是具有一定鍛件的性能，但其組織成分決定了其不具備鍛壓性能。（三）、課堂總結(jié)： 1、常用的力學(xué)性能指標(biāo)及其含義：力學(xué)性能性能指標(biāo)含義應(yīng)用符號名稱單位強度b抗拉強度MPa試樣斷前承受的最大應(yīng)力S屈服點MPa力不增加試樣伸長時應(yīng)力低碳鋼等02規(guī)定殘余伸長應(yīng)力MPa規(guī)定殘余伸長率0.2%時的應(yīng)力一般工程材料塑性伸長率-標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)柜百分比非脆性材料斷面收縮率-縮頸處的收縮程度的百分比非脆性材料硬度HBS/HBW布氏硬度值MPa球形壓痕的單位面積上所受應(yīng)力非高硬度坯料HRC洛氏硬度C標(biāo)尺-最高理想值與壓痕深度硬度單位差淬火鋼HRB洛氏硬度B標(biāo)尺-最高理想值與壓痕深度硬度單位差軟鋼、退為鋼等HRA洛氏硬度A標(biāo)尺-最高理想值與壓痕深度硬度單位差硬質(zhì)合金等HV維氏硬度MPa棱錐壓痕的單位面積上所受應(yīng)力薄件、表層沖擊韌性k沖擊韌度J/cm2試樣