材料的主要性能課件

工程材料及熱處理主講朱曉虹工程材料及熱處理主講朱曉虹第一章金屬材料的主要性能教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能教學(xué)難點(diǎn)：б-ε曲線特點(diǎn)第一章金屬材料的主要性能教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能1.使用性能（1）力學(xué)性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能2.工藝性能——加工成形的性能材料的主要性能:1.使用性能材料的主要性能:第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能（又稱機(jī)械性能）是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來(lái)的性能。零件受力情況有：靜載荷、動(dòng)載荷、交變載荷力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)1.衡量在靜載荷作用下的力學(xué)性能指標(biāo)有：強(qiáng)度、塑性、硬度2.衡量在動(dòng)載荷作用下的力學(xué)性能指標(biāo)有：沖擊韌度3.衡量在交變載荷作用下的力學(xué)性能指標(biāo)有：疲勞強(qiáng)度。

第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能（又稱機(jī)械性能）是指金屬外力作用下材料的變形與失效FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’Fσ=F’

/S外力作用下材料的變形與失效FFF=F’（MPa）外一、強(qiáng)度與塑性

標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度:材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變或斷裂的能力。塑性:材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形而不破壞的能力。拉伸試驗(yàn)一、強(qiáng)度與塑性標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度:材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0拉伸試樣（GB6397-86）長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0拉伸試樣（GB6第一章材料的主要性能課件σ=F/Aoε=△L/L0分別以σ和ε為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與拉伸曲線完全相似，只是坐標(biāo)與數(shù)值不同。oe——彈性變形階段；es——屈服階段；sb——強(qiáng)化階段；bk——縮頸階段s-屈服點(diǎn)b-開(kāi)始發(fā)生縮頸現(xiàn)象退火低碳鋼力-伸長(zhǎng)曲線

σ=F/Aooe——彈性變形階段；es——屈服階段；s-屈屈服極限S強(qiáng)化階段彈性極限P屈服階段強(qiáng)度極限B頸縮階段彈性階段屈服極限S強(qiáng)化階段彈性極限P屈服階段強(qiáng)度極限B頸縮階段拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象低碳鋼拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線F——Δl：載荷伸長(zhǎng)量拉伸曲線σ——ε：應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線F——Δl：載荷伸長(zhǎng)量拉伸曲線

（1）彈性變形：材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來(lái)形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。（2）塑性變形材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。兩種基本變形形式（1）彈性變形：材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)彈性變形塑性變形斷裂變形的三個(gè)階段彈性變形塑性變形斷裂變形的三個(gè)階段（1）斷裂（2）塑性變形（3）過(guò)量彈性變（4）磨損（5）腐蝕常見(jiàn)的幾種失效形式（1）斷裂（2）塑性變形（3）過(guò)量彈性變（4）磨損（5）腐蝕1．強(qiáng)度：強(qiáng)度——材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）（σS）

指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。

σS=Fs/A0（MPa）式中：Fs—試樣屈服時(shí)的載荷，N；

A0—試樣原始橫截面積，mm2。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs

時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。1．強(qiáng)度：強(qiáng)度——材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能（1）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。中、高碳鋼和其他脆性金屬材料無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生0.2%塑性變形的應(yīng)力來(lái)表示屈服強(qiáng)度，即：σ0.2

=

F0.2

/

A0（1）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。中、（2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力值，用符號(hào)σb表示，單位Mpa，即

σb=Fb

/A0

(Mpa)式中：Fb—試樣承受的最大載荷，N；

A0—試樣原始橫截面積，mm2。屈服點(diǎn)應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計(jì)機(jī)械和選擇、評(píng)定金屬材料時(shí)有重要意義。機(jī)械零件多以σs作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于脆性材料，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，則以σb為依據(jù)。（2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力值，用符—材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不引起破壞的能力。（2）斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。2.塑性δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料(1)伸長(zhǎng)率δ=（L1-L0）/L0×100%式中：L0—試樣原標(biāo)距的長(zhǎng)度（mm）L1—試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）—材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不引起破壞的能力。（2）斷金屬材料抵抗局部變形、特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力。硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)。硬度直接影響到材料的耐磨性及切削加工性二．硬度布氏硬度計(jì)

金屬材料抵抗局部變形、特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力。硬度1、布氏硬度應(yīng)用：測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。優(yōu)缺點(diǎn)：壓痕大，測(cè)量準(zhǔn)確，但測(cè)量費(fèi)時(shí)壓痕較大不能測(cè)量成品件。

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。1、布氏硬度應(yīng)用：測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍H布氏硬度測(cè)量布氏硬度測(cè)量淬火鋼球HBS硬質(zhì)合金鋼球HBW壓頭材質(zhì)表示方法淬火鋼球HBS壓頭材質(zhì)表示方法布氏硬度值450的材料,選用淬火鋼球壓頭布氏硬度值與壓頭例如：200HBS350HBS布氏硬度值450~650的材料，選用硬質(zhì)合金球壓頭例如：550HBW

600HBW布氏硬度值450的材料,選用淬火鋼球壓頭布氏硬度值與壓頭例布氏硬度標(biāo)注符號(hào)HBS或HBW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、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度標(biāo)注符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字優(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。不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。布氏硬度特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅瑪?shù)據(jù)穩(wěn)定，布氏硬度特點(diǎn)

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。洛氏硬度試驗(yàn)原理用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值2.洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值2.洛氏硬度00112332h1h2h3h1-1初載10kgh12-2總載150kgh23-3卸載140kgh3最后測(cè)得：殘余壓痕深度增量hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度試驗(yàn)原理00112332h1h2h3h1-1初載10kgh120~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍洛氏硬度應(yīng)用范圍20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小例如：50HRC<70HRA〤

50HRB>40HRC〤注：HBS和HBW分別測(cè)得的硬度，可直接比較大小例如：

400HBW=400HBS洛氏硬度標(biāo)注HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小洛氏硬優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕小；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低，可比性差，需多次測(cè)量，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。洛氏硬度特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕小；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法?？捎糜诔善窓z驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測(cè)量組織不均勻材料。洛氏硬度應(yīng)用是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法。洛氏硬度應(yīng)用三、韌性

有些機(jī)件在工作時(shí)要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機(jī)的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機(jī)的起落架等。瞬時(shí)沖擊引起的應(yīng)力和應(yīng)變要比靜載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變大得多，因此在選擇制造該類機(jī)件的材料時(shí)，必須考慮材料的抗沖擊能力，即沖擊韌度。三、韌性有些機(jī)件在工作時(shí)要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機(jī)金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌性。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。試驗(yàn)表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。沖擊值對(duì)組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌性。常用一次AK=G（H1–H2）（J）ak=

AK/S（J/cm2）式中：沖擊韌度（ak）——就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。Ak—折斷試樣所消耗的沖擊功（J）S—試樣斷口處的原始截面積（cm2）

材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。

沖擊韌性

AK=G（H1–H2）（J）材料抵抗沖擊載荷作用下計(jì)算公式；Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）試樣被沖斷過(guò)程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。試驗(yàn)過(guò)程如圖所示。沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。試驗(yàn)原理計(jì)算公式；Ak=GH1-GH2=G（H1-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)象稱為疲勞。四、疲勞強(qiáng)度在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。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)力低于材料疲勞強(qiáng)度：材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。在循環(huán)載荷作用下，材料承受一定的循環(huán)應(yīng)力σ和斷裂時(shí)相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可以用曲線來(lái)描述，即σ－Ｎ之間的關(guān)系曲線，稱疲勞曲線當(dāng)零件所受的應(yīng)力按正弦曲線對(duì)稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度以符號(hào)σ-1表示，即當(dāng)應(yīng)力低于σ-1值，既使循環(huán)周次無(wú)窮多也不發(fā)生斷裂。疲勞強(qiáng)度：材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)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N=108提高疲勞極限途徑：1.改善零件的結(jié)構(gòu)形狀2.降低表面粗糙度值3.采取表面強(qiáng)化疲勞極限σ-1鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107疲勞極限σ-1第二節(jié)金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能

一、物理性能1．

密度2．

熔點(diǎn)3．

導(dǎo)熱性4．

導(dǎo)電性5．

熱膨脹性6．

磁性第二節(jié)金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能一、物理性能二、化學(xué)性能它是金屬材料在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力，1.耐腐蝕性(如耐酸性、耐堿性等)2．抗氧化性3．化學(xué)穩(wěn)定性二、化學(xué)性能它是金屬材料在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作三、工藝性能工藝性能是物理、化學(xué)、力學(xué)性能的綜合。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、可鍛性、焊接性和切削加工性等1、鑄造性能：金屬在鑄造成形過(guò)程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動(dòng)性、吸氣性、收縮性和偏析等。在金屬材料中灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。