第一章 金屬材料的主要性能

第一篇金屬材料的基本知識材料是人類技術進步的標志材料導論機械工程領域中，廣泛應用著各種材料,按屬性可分類：金屬材料非金屬材料復合材料機械制造最主要的材料：廣泛應用于機床、礦山、冶金、動力、交通等機械中塑料、陶瓷、橡膠等具有金屬材料所沒有的性能，如絕緣性、耐磨性、廉價性等將兩種或兩種以上的材料組合在一起，既保原單種材料的性能又具備單種材料不具的性能。如雙金屬復合材料、金屬塑料涂覆材料等）材料類別不同，則性能不同、用途不同、成型的技術也不同以金屬元素為主要成分、原子通過金屬鍵結合而成的一類固體材料。第一章金屬材料的主要性能兩方面材料使用性能材料工藝性能力學性能（強度、塑性韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學性能（氧化、腐蝕等）生物性能（相容性、自恢復性等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）第一章金屬材料的主要性能第一節(jié)金屬材料的力學性能

力學性能:金屬材料在受外力作用時所反映出來的固有性能。金屬材料的力學性能主要有：強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。力學性能指標是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。

材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。低碳鋼的應力-應變曲線拉伸試樣拉伸試驗機應力

=P/F0應變

=(l-l0)/l0低碳鋼的拉伸曲線四個階段：彈性階段屈服階段強化階段縮頸階段塑性變形彈性變形屈服變形斷裂一、強度

１.彈性和剛度彈性：指標為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時的應力。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。2.強度強度：材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。

１）屈服強度s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。

條件屈服強度0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值。２）抗拉強度b：材料斷裂前所承受的最大應力值。0.2３.疲勞強度（疲勞極限）材料在低于s的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料（黑色金屬）周次為107，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖分散帶/水平臺疲勞強度疲勞斷口通過改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）三區(qū)：疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)二、硬度材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)而表面產(chǎn)生局部塑性變形的能力。１.布氏硬度HB：布氏硬度計

壓頭為淬火鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(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測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調質鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗關系：對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵加預載荷壓頭：錐頂角為１２０度的金剛石圓錐或淬火鋼球表盤試樣壓頭主載荷預載荷加主載荷卸載２.洛氏硬度洛氏硬度用符號HR表示，HR=k(h3-h1)/0.002洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計

根據(jù)壓頭類型和載荷不同有A、B、C、D、E、F、G、H、K等9個標尺。其中常用于鋼材硬度測試的標尺一般為A、B、C，即HRA、HRB、HRC。標尺壓頭總載荷（N）適用測試材料有效值HRA120°金剛石圓錐體600硬質合金、表面淬火鋼70~85HRBΦ1.588mm淬火鋼球1000退火鋼、有色金屬25~100HRC120°金剛石圓錐體1500淬火鋼、調質鋼20~67原理與布氏硬度的基本相同，區(qū)別在于壓頭不同。表達式：式中:P—載荷;Av—壓痕面積。維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。金剛石四方角錐體錐面夾角１３６度壓痕Ｐ３.維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。特點：載荷小、壓痕淺，適用于測定零件表面的薄硬化層、鍍層及薄片材料。載荷所調范圍大，對軟硬材料均適用。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計三、塑性

塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。

指標為：

伸長率（延伸率）：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：①用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。②直徑d0相同時，l0，。只有當l0/d0為常數(shù)時，塑性值才有可比性。當l0=10d0

時，伸長率用表示；當l0=5d0

時，伸長率用5表示。5>10③

>時，無頸縮，為脆性材料表征

<時，有頸縮，為塑性材料表征四、沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak(通過擺錘沖擊實驗測得)。H0H1AOB試樣支座試樣擺錘支座影響因素：材料、尺寸、缺口形狀、試驗環(huán)境等韌脆轉變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉變。發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質量直接有關Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板五、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關

1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導彈裂紋擴展的基本形式應力強度因子ＫＩ：描述裂紋尖端附近應力場強度的指標。斷裂韌性ＫＩＣ：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。C為斷裂應力，aC為臨界裂紋半長，ＫＩＣ單位為第二節(jié)金屬材料的物理、化學及工藝性能物理性能：密度、熔點、熱膨脹性、磁性、導熱性、導電性等?；瘜W性能：⑴耐蝕性：材料在介質中抵抗腐蝕的能力。⑵抗