單元四機(jī)械工程材料-3

金屬材料的主要性能金屬材料的性能使用性能

指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。

指在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。

金屬材料力學(xué)性能:主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。

包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。工藝性能強(qiáng)度與塑性圖低碳鋼的力－伸長曲線拉伸試驗(yàn)

）兩種

長試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）兩種

圖圓形拉伸試樣a）拉伸前b）拉斷后強(qiáng)度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力強(qiáng)度的指標(biāo)2、抗拉強(qiáng)度指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。1、屈服點(diǎn)Rm=

Fb/S0

當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力σ＞σb時(shí)，材料將產(chǎn)生斷裂。

符號(hào)：σs材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力Re=Fs/S0

Fs：試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N）S0

：試樣原始橫截面積（mm）

塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。評(píng)定指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。塑性指標(biāo)2、斷面收縮率1、伸長率A=(L1-L0)/L0x100%Z=(S0-S1)/S0x100%指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原標(biāo)距長度的百分比。指試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，其物理含義與試驗(yàn)方法有關(guān)。硬度硬度的測(cè)試方法布氏硬度洛氏硬度維氏硬度原理:用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法。布氏硬度值:

用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。如：

500HBW測(cè)量范圍

:

用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等.優(yōu)缺點(diǎn):（1）測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好，可測(cè)組織不均勻材料（鑄鐵）（2）可測(cè)的硬度值不高（3）不測(cè)試成品與薄件（4）測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低布氏硬度

原理:

用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗(yàn)力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。

洛氏硬度值:

用測(cè)量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出。如：50HRC測(cè)量范圍:

用于測(cè)量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.優(yōu)缺點(diǎn):（1）試驗(yàn)簡單、方便、迅速（2）壓痕小，可測(cè)成品，薄件（3）數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值（4）不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料，如鑄鐵。洛氏硬度

原理:用夾角為136°的金剛石四棱錐體壓頭，使用很小試驗(yàn)力F（49.03-980.07N）壓入試樣表面，測(cè)出壓痕對(duì)角線長度d。維氏硬度值:

用壓痕對(duì)角線長度表示。如：640HV。

測(cè)量范圍

:

常用于測(cè)薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。優(yōu)缺點(diǎn):（1）測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）（2）可測(cè)成品與薄件（3）試樣表面要求高，費(fèi)工。維氏硬度

沖擊韌度沖擊試驗(yàn)原理圖

沖擊韌度是材料抗沖擊能力的指標(biāo)之一，它是用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的韌性，其試驗(yàn)原理如圖所示。疲勞的概念

許多機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。

疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中大約有80％以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故。疲勞斷裂宏觀斷口示意圖

疲勞強(qiáng)度常用的力學(xué)性能指標(biāo)及其含義

力學(xué)性能性能指標(biāo)符號(hào)名稱單位含義應(yīng)力RmRe抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)PaMPa試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。拉伸過程中，載荷不增加（保持恒定）試樣仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力。塑性AZ伸長率斷面收縮率標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比?？s頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。硬度HBWHR+標(biāo)尺HV布氏硬度值洛氏硬度值維氏硬度值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)A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺測(cè)得的對(duì)應(yīng)硬度值。正四棱錐形壓痕單位表面積上所承受的平均壓力。沖擊韌度RK沖擊韌度J/cm2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R－1疲勞極限MPa試樣承受無數(shù)次（或給定次）對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力仍不斷裂的最大應(yīng)力。工藝性能金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。衡量鑄造性能的主要指標(biāo)有流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向等。金屬材料中，以灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。

鑄造性能

①流動(dòng)性熔融金屬的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性，它主要受金屬化學(xué)成分和澆注溫度等的影響。流動(dòng)性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。

②收縮性鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。鑄件收縮不僅影響尺寸精度，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷，故用于鑄造的金屬其收縮率越小越好。

③偏析傾向金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴(yán)重時(shí)能使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的差異，降低了鑄件的質(zhì)量。這對(duì)大型鑄件的危害更大。

用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要同金屬的塑性和變形抗力有關(guān)，也與材料的成分和加工條件有很大關(guān)系。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。例如黃銅和鋁合金在室溫狀態(tài)下就有良好的鍛造性能；碳鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好；鑄鐵、鑄鋁、青銅則幾乎不能鍛壓。鍛造性能

焊接性能是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對(duì)碳鋼和低合金鋼，焊接性主要同金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)（其中碳含量的影響最大）。如低碳鋼具有良好的焊接性，高碳鋼、、不銹鋼、鑄鐵的焊接性較差。焊接性能

金屬材料的切削加工性能是指金屬材料在切削加工時(shí)的難易程度。切削加工性能一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具壽命等方面來衡量。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、塑性、導(dǎo)熱性和形變強(qiáng)化等。切削加工性能有色金屬材料簡介

表常用有色金屬的類型及用途

分類

名稱

型號(hào)

用途銅（俗稱紫銅）純銅工業(yè)純銅CU-1CU-2T1、T2、T3（序號(hào)越大，純度越低）主要用作各種導(dǎo)電材料，在電氣工業(yè)中可制造電刷、電線、電纜、發(fā)電機(jī)、變壓器；在機(jī)械設(shè)備制造中可作散熱器、冷卻器等。主要特點(diǎn)是導(dǎo)電，導(dǎo)熱性好，具有良好的抗蝕性和可焊性。銅合金（常用的有黃銅、白銅、青銅）普通黃銅（銅鋅合金）H62H96用于一般機(jī)械中的導(dǎo)管、冷凝管、散熱片、銷釘、螺帽以及導(dǎo)電零件等。特殊黃銅（普通黃銅中加入鉛、鋁、錳等元素）HSn90-1用于汽車，拖拉機(jī)彈性導(dǎo)管及其他耐蝕零件。錫青銅無錫青銅（特殊青銅）QSn4-3QBe2制作彈性元件及耐磨零件和抗磁零件等。制作彈性元件、耐磨零件、高速軸承等。鋁純鋁如L1、L2、L6等是一種銀白色的輕金屬，有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，強(qiáng)度低、塑性好、易加工，廣泛用于航空、航天、電氣工業(yè)和汽車等制造業(yè)及日常用品中。鋁合金鑄造鋁合金鋁銅鑄造合金（鋁硅、鋁鎂、鋁鋅合金）“ZL”和后面加三位數(shù)字表示如ZL102為鋁銅鑄造合金，主要用于儀表、抽水機(jī)殼體等鑄件。鑄鋁主要用來制造一些形狀復(fù)雜、承載不大、質(zhì)量較輕，有一定耐蝕、耐熱要求的鑄件，不宜壓力加工。變形鋁合金防銹鋁合金5A053A21用于制作焊接管道、容器、鉚釘?shù)取Ｓ蹭X合金2A012A112A12主要用于制造飛機(jī)的大梁、空氣螺旋槳以及螺栓、鉚釘?shù)?。超硬鋁合金7A047A06主要用于制造飛機(jī)上受力較大的結(jié)構(gòu)零件，如飛機(jī)大梁、起落架等。硬質(zhì)合金鎢鈷類硬質(zhì)合金P主要用于做切削脆性材料的刀具。鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金M主要用于做高速切削韌性材料的刀具。通用類硬質(zhì)合金K主要用于做耐熱鋼、高錳鋼不銹鋼等難加工鋼材的刀具。習(xí)題與思考1．說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的名稱、單位及其含義：Rm、Re、A、Z、BW、HRC、HV。2．何謂強(qiáng)度？衡量強(qiáng)度的常用指標(biāo)有哪些？各用什么符號(hào)表示？3．何謂塑性？衡量塑性的指標(biāo)有哪些？各用什