金屬材料的性能

1、第一講第一講 金屬的性能金屬的性能工業(yè)生產(chǎn)中所使用的材料屬于工程材料。主要包括：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、 有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四 大類(lèi)。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程鋼的冶煉金屬材料是現(xiàn)代制造機(jī)械的最主要材料。金屬材料以合金為主，很少使用純金屬。合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法制成的具有金屬特性的材料。最常用的合金，有以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金；有以銅或鋁為基礎(chǔ)的銅合金和鋁合金。材 料 的 性 能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能鍛壓性能熱處理性能焊接性能切削加工性能載荷是指制造零件、部件的金屬材料在加 工及使用過(guò)程中所受的外力。根據(jù)載荷作用的性質(zhì)不同，它可以

2、分為靜載荷、沖擊載荷、及交變載荷三種：1、靜載荷 是大小不變或變化過(guò)程很緩慢的載荷。2、沖擊載荷 是指在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。3、交變載荷 是指大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。根據(jù)作用形式不同，載荷分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。應(yīng)力應(yīng)力：材料在任一時(shí)刻所受的力除以橫截面積之商。用“”表示。 變形變形：金屬在外力的作用下尺寸和形狀的變化，“彈性變形”和“塑性變形” 彈性變形去除外力后，物體能完全恢復(fù)原狀的變形。 塑性變形當(dāng)外力取消后，物體的變形不能完全恢復(fù)，而產(chǎn)生的永久變形。 金屬的力學(xué)性能的金屬的力學(xué)性能的定義定義力學(xué)性能是指在力的作用

3、下所顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的性能。通俗地講是指材料抵抗外力引起的變形和破壞的能力。 力 學(xué) 性 能強(qiáng)度硬度疲勞塑性韌性強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度強(qiáng)度:材料在力的作用下抵抗變形和破材料在力的作用下抵抗變形和破 壞的能力。壞的能力。種類(lèi)種類(lèi): 抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)抗彎強(qiáng) 度度 、 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等?？古?qiáng)度等。塑性塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變 形而不被破壞的能力。形而不被破壞的能力?？估瓘?qiáng)度與塑性測(cè)量抗拉強(qiáng)度與塑性測(cè)量 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)：GB/T228-1987（新標(biāo)準(zhǔn)，（新標(biāo)準(zhǔn)，GB/T228-200

4、2）。采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，）。采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，給拉伸試驗(yàn)緩慢施以拉力，測(cè)出拉力與變給拉伸試驗(yàn)緩慢施以拉力，測(cè)出拉力與變量的關(guān)系?？捎糜跍y(cè)量材料在拉力作用下量的關(guān)系?？捎糜跍y(cè)量材料在拉力作用下的強(qiáng)度和塑性。的強(qiáng)度和塑性。拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)液壓式萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī)* 拉伸試樣：長(zhǎng)試樣：L0=10d0 短試樣：L0=5d0d0L0拉伸試驗(yàn)過(guò)程拉伸試驗(yàn)過(guò)程拉伸曲線的形成LFesbZFsFbO屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)彈性彈性變形變形階段階段縮頸縮頸斷裂斷裂發(fā)生發(fā)生塑性塑性變形變形屈服屈服階段階段強(qiáng)化強(qiáng)化階段階段FeLFesFsO屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)彈性彈性變形變形階段階段發(fā)生發(fā)生塑性塑性變形變形屈服屈服階段階段pFpFe

5、“oe”為純彈性變形階段，卸去載荷時(shí)，試樣能恢復(fù)原狀 ?！癳”點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)力的比例極限為e = Fe = Fp p /S S0 0 Fp試樣非比例伸長(zhǎng)為規(guī)定量時(shí)的拉力( N )。 S0試樣原始橫截面積( mm2)彈性彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來(lái)形狀及尺寸當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來(lái)形狀及尺寸的性。的性。彈性變形彈性變形: 隨載荷撤除而消失的變形。隨載荷撤除而消失的變形。 彈性極限彈性極限: Fe 彈性極限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)LFsbZFsFbO屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)縮頸

6、縮頸斷裂斷裂強(qiáng)化強(qiáng)化階段階段“s”點(diǎn)試樣出現(xiàn)“塑性變形”現(xiàn)象 ，稱(chēng)為屈服點(diǎn)。 “sb”為強(qiáng)化階段，試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形，并出現(xiàn)了強(qiáng)化 “b”點(diǎn)為最大載荷，試樣出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象 “Z”點(diǎn)試樣被拉斷 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) S Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時(shí)的載荷試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)(3)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度: 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫

7、截面積( mm2)規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o 對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的材料，按國(guó)標(biāo)GB/T2281987規(guī)定可用規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力0.2表示。0.2表示試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余率達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力，也稱(chēng)為屈服強(qiáng)度。下式中： 0.2規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力MPa； F0.2殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到0.2%時(shí)的載荷，N； S0試樣原始橫截面積，2。強(qiáng)度意義：強(qiáng)度意義：一般機(jī)械零件或工具使用時(shí)，不允許發(fā)生塑性變形，故屈服點(diǎn)s是機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)；抗拉強(qiáng)度代表材料抵抗拉斷的能力，若應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，則會(huì)發(fā)生斷裂而造成事故。工程上還通過(guò)計(jì)算屈強(qiáng)比（s /b，屈

8、服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值）來(lái)判別材料強(qiáng)度的利用率，屈強(qiáng)比高，材料性能使用效率高，一般材料的屈強(qiáng)比以0.75為宜。(1)斷面收縮率斷面收縮率: 是指試樣拉斷處橫截面積是指試樣拉斷處橫截面積S 1的的收縮量與原始橫截面積收縮量與原始橫截面積S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 塑性(2)斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率(延伸率延伸率) : 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L 1與與原始標(biāo)距原始標(biāo)距L 0之比。之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料長(zhǎng)試樣：10 簡(jiǎn)寫(xiě)為簡(jiǎn)寫(xiě)為短試樣：5 同一種材料的5 10n 、愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金

9、屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。硬度硬度1.1.定義定義： 是指材料抵抗其它更硬物體是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。壓入其表面的能力。2.2.硬度試驗(yàn)方法：硬度試驗(yàn)方法：（1 1）壓入法）壓入法 （2 2）劃痕法）劃痕法 （3 3）回跳法）回跳法 硬度測(cè)量的應(yīng)用：硬度測(cè)量的應(yīng)用：硬度測(cè)量具有簡(jiǎn)便、快捷；不破壞試樣（非破壞性試驗(yàn)）；硬度能綜合反映材料的強(qiáng)度等其他力學(xué)性能；硬度與耐磨性具有直接關(guān)系，硬度越高，耐磨性越好。所以硬度測(cè)量應(yīng)用極為廣泛，常把硬度標(biāo)注于圖紙上，作為零件檢驗(yàn)、驗(yàn)收的主要依據(jù)。 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 維氏硬度維氏硬度HVHV壓入法壓入法

10、( (一一) )布氏硬度布氏硬度HBHB布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 1.1.壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW2.2.試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 選用選用淬火鋼球淬火鋼球壓頭壓頭例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS測(cè)定布氏硬度值測(cè)定布氏硬度值鋼球選用鋼球選用: :布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 選用選用硬質(zhì)合金球壓頭壓頭例如：例如：550HBW550

11、HBW 600HBW 600HBW3.3.標(biāo)注：標(biāo)注： 符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如荷保持時(shí)間。如: :120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保載荷作用下保持持30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值為120。4. 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。應(yīng)用： 常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于

12、測(cè)量成品零件或薄件的硬度。觀看布氏硬度觀看布氏硬度( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR HR 1.1.壓頭：壓頭：120120金剛石圓錐體金剛石圓錐體鋼球鋼球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算出硬度值。0011h122h233h3h1-1 1-1 初載初載10kg h110kg h12-2 2-2 總載總載150kg h2150kg h23-3 3-3 卸載卸載140kg h3140kg h3最后測(cè)得：最后測(cè)得：

13、殘余壓痕深度增量 h hHR=K-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1常用的洛氏硬度標(biāo)尺是A，B，C三種，其中C標(biāo)尺應(yīng)用最為廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單迅速，能直接從刻度盤(pán)上讀出硬度值；壓痕小，可以測(cè)定成品及較薄工件；測(cè)試的硬度值范圍大，可測(cè)從很軟到很硬的金屬材料。如下表所示 硬度標(biāo)尺壓頭類(lèi)型總試驗(yàn)力F/N硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRA120金剛石圓錐體588.47085HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等HRB1.588鋼球980.725100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金HRC120金剛石圓錐體1471.02067HRC一般淬火鋼件HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的度不可直接比較大小例如：例如： 50HR

14、C70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特點(diǎn)：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕??；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。應(yīng)用：觀看洛氏硬度觀看洛氏硬度韌性 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。1.1.定義：定義：沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2.2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn)金屬的夏比沖擊試驗(yàn): :試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為為: A k = G H G h (J)g g 沖擊韌度沖擊韌度a ak k 就是試樣缺口處單

15、位截面積上所消就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm) S03、小能量多次沖擊能力工程實(shí)際中，多為小能量多次重復(fù)沖擊（活塞、沖模的沖頭等）。對(duì)于這類(lèi)情況應(yīng)采用小能量多次重復(fù)沖擊實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定沖擊耐性。其一般取決于材料的強(qiáng)度和塑性。疲勞強(qiáng)度疲勞現(xiàn)象：疲勞現(xiàn)象：零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞 。1、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作表示金屬材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不破壞的最大應(yīng)力。用而不破壞的最大應(yīng)力。疲勞曲線2、疲勞極限的測(cè)量：、

16、疲勞極限的測(cè)量： 疲勞試驗(yàn)測(cè)定疲勞極限，給試樣施加不同大小的循環(huán)力F，測(cè)量在不同交變應(yīng)力作用下，試樣斷裂時(shí)循環(huán)力作用的次數(shù)N，并畫(huà)出疲勞曲線（-N曲線）鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 1083、提高疲勞極限途徑、提高疲勞極限途徑改善零件的結(jié)構(gòu)形狀改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值采取表面強(qiáng)化采取表面強(qiáng)化常用的力學(xué)性能指標(biāo)及其含義力學(xué)性能性能指標(biāo)含義符號(hào)名稱(chēng)單位強(qiáng)度bs0.2抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力MPaMPaMPa試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力拉伸過(guò)程中，力不增加（保持恒定）試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)

17、的應(yīng)力規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率達(dá)0.2%時(shí)的應(yīng)力塑性伸長(zhǎng)率斷面收縮率標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比硬度HBSHBWHRCHRBHRAHV布氏硬度布氏硬度C標(biāo)尺洛氏硬度B標(biāo)尺洛氏硬度A標(biāo)尺洛氏硬度維氏硬度球形壓痕單位面積上所承受的平均壓力用洛氏硬度相應(yīng)標(biāo)尺刻度滿(mǎn)程與壓痕深度之差計(jì)算的硬度值正四棱錐形壓痕單位表面積上所承受的平均壓力沖擊韌性ak沖擊韌度J/2沖擊試樣缺口處單位橫截面積上的沖擊吸收功疲勞強(qiáng)度-1疲勞極限MPa試樣承受無(wú)數(shù)次（或給定次）對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力仍不斷裂的最大應(yīng)力物理性能物理性能物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用來(lái)說(shuō)，有著重要的意義；而且也會(huì)對(duì)材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。（一）密度（二）熱學(xué)性能 熔點(diǎn)； 熱容； 熱膨脹；熱傳導(dǎo)（三）電學(xué)性能 電阻率；