金屬材料的主要性能教學課件

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機械零件在使用過程中，要受到諸如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切以及溫度和化學介質等作用，并且還要傳遞力和能。因此，作為構成機械零件的金屬材料，應具備良好的力學性能、物理性能和化學性能以防止零件早期失效，同時還要有良好的工藝性能。1.1.1金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能：金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如彈性、塑性、強度、硬度和韌性等。力學性能判據(jù)（指標）：用來表征材料力學性能的各種臨界值或規(guī)定值，可通過試驗測定。１.彈性彈性：即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當外力卸除后物體又回復到原始形狀和尺寸的特性。彈性的判據(jù)可通過拉伸試驗來測定。圖1－1

拉伸曲線及拉伸試樣(1)拉伸試驗拉伸試驗：

即靜拉伸力對試樣軸向拉伸,測量力和相應的伸長,一般拉至斷裂以測定其力學性能的試驗。

圖1－2低碳鋼拉伸曲線(ΔL)

σ(F)bkseσbεσsσe（2）彈性極限

即金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應力。拉伸曲線e點對應的應力σe為彈性極限：

σe=Fe/S0

式中

σe—彈性極限（MPa）；Fe

—試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的最大外力（N）；S0

—試樣原始橫截面積（mm2）。

2.剛度即材料抵抗彈性變形的能力。

剛度的大小以彈性模量來衡量，彈性模量在拉伸曲線上表現(xiàn)為oe段的斜率，即：

E=σ/ε式中E——彈性模量（MPa）；

σ——應力（MPa）；

ε——應變。3.強度

即金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。（1）屈服點屈服點：即試樣在拉伸過程中力不增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長（變形）時的應力。在拉伸曲線上s點對應的應力為屈服點。

σs=Fs/S0

式中σs——屈服點（MPa）；

Fs——試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的拉力（N）；S0——試樣原始橫截面積（mm2）。3.強度

（1）屈服點條件屈服強度:

許多金屬材料拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)象,為了測這些材料屈服點，規(guī)定試樣產(chǎn)生0.2％塑性變形時對應的應力值作為屈服點，稱為條件屈服強度，表示為σ0.2。（2）抗拉強度

即試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。

拉伸曲線上b點對應的應力為抗拉強度。

σb=Fb/S0

式中σb——抗拉強度（MPa）；

Fb——試樣斷裂前所能承受的最大拉力（N）；

S0——試樣原始橫截面積（mm2）。

抗拉強度：σb，它是設計和選材的主要依據(jù)之一，是工程技術上的主要強度指標。

屈強比：σs/σb，是一個有意義的指標。其比值越大，越能發(fā)揮材料的潛力。但是為了使用安全，該比值亦不宜過大，適當?shù)谋戎狄话阍?.65～0.75之間。

比強度：σb/ρ，它表征了材料強度與密度之間的關系。在考慮汽車輕量化的問題時，常常用到這個指標。

4.塑性即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。伸長率斷面收縮率壓縮率塑性（1）伸長率

即試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比。

δ=(L1-L0)/L0×100%式中δ——伸長率（%）；

L1——試樣拉斷后標距（mm)；

L0——試樣原始標距（mm)。（2）斷面收縮率

即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始的橫截面積的百分比。

Ψ=（S0-S1）/S0×100%式中Ψ——斷面收縮率（%）；

S0——試樣的原始截面積（mm2）

S1——試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（mm2)塑性材料：斷裂前有明顯的塑性變形，稱為塑性斷裂,塑性斷裂的斷口呈“杯錐”狀。如低碳鋼。

脆性材料：在斷裂前未發(fā)生明顯的塑性變形，為脆性斷裂，斷口是平整的。如鑄鐵、玻璃等。

5.硬度

即材料抵抗局部變形的能力。

特別是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學性能的一項綜合指標。(1）布氏硬度即用一定直徑的球體（鋼球或硬質合金球）以相應的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的表面壓痕直徑計算硬度的一種壓痕硬度試驗。

布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示：

式中：F—試驗力（N）；D—球體直徑（mm）；d—壓痕平均直徑（mm）。所以在測定布氏硬度時，只要先測得壓痕直徑d，即可根據(jù)d值查有關表格得出HB值。采用淬火鋼球時，記為HBS采用硬質合金鋼球時，記為HBW布氏硬度特點：優(yōu)點：測量數(shù)值穩(wěn)定，準確缺點：操作慢，不適用批量生產(chǎn)和薄形件及成品應用：鑄鐵，有色金屬；退火、正火、調質處理鋼，適用于較軟的金屬材料。當HBS<450時有效（HBW450-650）例如：220HBS；600HBW(2）洛氏硬度

即在初始試驗力及總試驗力先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐或鋼球）壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度的一種壓痕硬度試驗。如表1－1，P11。h——殘余壓痕深度增量，用0.002mm為單位表示。100,130——相應標尺滿量程值。HRB=130-hHRA(HRC)=100-h優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，用于成品和薄形件缺點：測量數(shù)值分散應用：淬火鋼，調質鋼批量生產(chǎn)零件

當HRC為20-67時有效例如：50HRCHRC與HB的數(shù)值關系（當HBS＞220時）約為1﹕10例如：40HRC約為400HBS洛氏硬度分類：

符號壓頭載荷適用范圍HRC120°金剛石錐體150kg淬火鋼HRB淬火鋼球φ1.59毫米100kg退火鋼及有色金屬HRA120°金剛石錐體60kg薄板或硬脆材料6.沖擊韌性即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。

常采用夏比沖擊試驗來測定材料的韌性。

αＫ＝ＡＫ／Ａ＝Ｇ(h1-h2)/A式中αＫ——沖擊韌度（J/cm2）ＡＫ——試樣的沖擊吸收功（J)

Ａ——缺口底部橫截面積(mm2)Ｇ——擺錘重量(N)h1——擺錘舉起高度(m)

h2——擊斷試樣后升起高度(m)圖１－4

夏比沖擊試驗6.沖擊韌性通常將αＫ低的材料稱為脆性材料，反之稱為韌性材料。沖擊韌性一般僅作為選材時的參考，不直接用于設計計算。實際材料破壞往往是小能量多次重復沖擊（而非大量能一次沖擊破壞）的結果，這時承受沖擊的能力取決于強度。αＫ對材料的夾雜物等缺陷及晶粒大小十分敏感，常用來檢驗冶煉、熱加工和熱處理等的工藝質量。7、疲勞強度疲勞現(xiàn)象：材料在小于屈服強度的交變應力長期作用下，無明顯塑性變形也會斷裂的。交變應力：大小、方向隨時間周期性變化的應力。疲勞極限（疲勞強度）——材料經(jīng)無限多次應力循環(huán)而不斷裂的最大應力。它表示材料抵抗疲勞斷裂的能力。（如圖1-6，P12）1.1.2金屬材料的物理、化學性能

金屬材料的物理、化學性能包括密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、熱膨脹性、耐熱性和耐蝕性等。

機械零件的用途不同，對材料的物理、化學性能要求也不同。1.1.3金屬材料的工藝性能金屬的工藝性能：即金屬材料對加工工藝的適應性。