《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課件-01篇 第一單元 金屬材料的性能

第一單元金屬材料的性能01篇

機(jī)械加工材料介紹教學(xué)目標(biāo):1.了解金屬材料的分類。2.掌握金屬材料的力學(xué)性能。3.了解金屬材料的物理性能、化學(xué)性能與工藝性能。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn):

1.金屬材料的分類。2.強(qiáng)度概念與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)

度等強(qiáng)度指標(biāo)。3.塑性、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率概念。4.硬度概念及布氏、洛氏、維氏三種硬度的特點(diǎn)。5.沖擊韌度（韌性）的概念與特點(diǎn)。6.疲勞強(qiáng)度的概念與特點(diǎn)。7.金屬材料的物理性能與化學(xué)性能。1.1.1機(jī)械工程材料

機(jī)械工程材料是指用于制造各類機(jī)械零件、構(gòu)件的材料。

機(jī)械工程材料按屬性分，可分為非金屬材料和金屬材料兩大類。其中金屬材料應(yīng)用最為廣泛。1.1.2金屬材料

金屬是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等物理屬性，同時(shí)具有一定的強(qiáng)度和塑性，并具有光澤的物質(zhì)。

金屬材料按功能和化學(xué)成分分，可分為純金屬、合金和特種金屬材料等。

金屬材料從外觀顏色和組成元素來(lái)分類，可分為鋼鐵材料（或黑色金屬）和非鐵金屬（或有色金屬）兩大類。1.1.3

金屬材料的性能

金屬材料的性能分為力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能等。一、金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用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，主要包括強(qiáng)度、塑性、剛度、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。1、強(qiáng)度和塑性（1）強(qiáng)度材料在受載荷過(guò)程中一般會(huì)出現(xiàn)三個(gè)過(guò)程，即彈性變形、塑性變形和斷裂。

彈性變形是指材料在載荷卸除后能恢復(fù)到原形的變形，而塑性變形是載荷卸除后永久保留下來(lái)的變形。使用中一般多用靜拉伸試驗(yàn)法（如圖1-1）來(lái)測(cè)定金屬材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。低碳鋼試棒的拉伸過(guò)程具有典型意義。將拉伸試棒按GB6397—86的規(guī)定，制成如圖1-2所示的試棒，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上緩慢增加載荷，記錄載荷與變形量的數(shù)值，直至試樣拉斷為止，便可獲得如圖1-3所示的載荷與變形量之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線。（a）拉伸試驗(yàn)原理（b）新型拉伸試驗(yàn)機(jī)圖1-1

拉伸試驗(yàn)圖1-2拉伸試樣（a）（b）

常用的拉伸試樣有長(zhǎng)、短兩種試棒，如圖1-3(a)所示。其中短試樣要求L0≥5d0，長(zhǎng)試樣要求L0≥10d0。圖1-3退火低碳鋼拉伸曲線金屬材料在外力作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用力以抵抗變形，這種作用力稱為內(nèi)力。單位截面上承受的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用σ表示。金屬材料的強(qiáng)度用應(yīng)力來(lái)表示。式中：σ——應(yīng)力（MPa）；

F——載荷（N）；

S0——試樣的原始截面面積（mm2）。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。1）彈性極限

彈性極限是試樣在彈性變形范圍內(nèi)承受的最大拉應(yīng)力，用符號(hào)σe表示。即：式中：σe——應(yīng)力（MPa）；

Fe——載荷（N）；

S0——試樣的原始截面面積（mm2）。2）屈服強(qiáng)度

試棒屈服時(shí)的應(yīng)力為材料的屈服點(diǎn)，稱為屈服強(qiáng)度，用σS表示。σS表示金屬抵抗小量塑性變形的應(yīng)力。即：式中：σS——屈服強(qiáng)度（MPa）;

FS——試樣屈服時(shí)載荷（N）;

S0——試樣的原始截面面積（mm2）。3）抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是指試樣在拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。即：式中：σb——抗拉強(qiáng)度（MPa）；

Fb——試樣在斷裂前的最大載荷（N）；

S0——試樣的原始截面面積（mm2）。（2）塑性

金屬材料在載荷作用下，在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱為塑性。常用的塑性指標(biāo)有伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ兩種。1）伸長(zhǎng)率

伸長(zhǎng)率是試樣被拉斷時(shí)的標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，用符號(hào)δ表示。即：式中：L0——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；L1——試樣拉斷時(shí)的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）。2）斷面收縮率

斷面收縮率是指試樣被拉斷時(shí)，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)ψ表示。即：式中：S1——試樣被拉斷時(shí)縮頸處最小橫截面積（mm2）；

S0——原始截面面積（mm2）。2、剛度

在外力作用下，材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。衡量剛度大小的指標(biāo)是彈性模量。彈性模量是材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變（即試樣的相對(duì)伸長(zhǎng)量ΔL/L0）的比值，即：式中：E——彈性模量（Pa）；σ——在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力（Pa）；ε彈——在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變（%）。3、硬度

硬度是材料表面抵抗局部塑性變形的能力，是反映材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。硬度值是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的。常見硬度有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度三種。（1）布氏硬度

布氏硬度試驗(yàn)原理如圖1-4所示。用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球以一定的試驗(yàn)力壓入所測(cè)表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，隨即在金屬表面出現(xiàn)一個(gè)壓坑（壓痕）。以壓痕單位面積上所承受試驗(yàn)力的大小確定被測(cè)材料的硬度值，用符號(hào)HBS（淬火鋼球壓頭）或HBW（硬質(zhì)合金鋼球壓頭）表示。圖1-4布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖式中：

F——試驗(yàn)力（kgf）；

S——表面積（mm2）；H——壓痕深度（mm）；D——壓頭直徑（mm）。

由于壓痕深度H的測(cè)量比較困難，而測(cè)量壓痕直徑d比較方便，因此上式中H可換算成壓痕直徑d。即：式中：d——壓痕直徑（mm）。

在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，鋼球直徑D、試驗(yàn)力F與力保持時(shí)間應(yīng)根據(jù)所測(cè)試金屬的種類和試樣厚度，按表1-1所示布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范，正確進(jìn)行選擇。表1-1布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范

（2）洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)法采用金剛石圓錐體或淬火鋼球壓入金屬表面，如圖1-5所示。經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸除主載荷，根據(jù)壓痕深度確定金屬硬度值。

根據(jù)所用壓頭種類和所加試驗(yàn)力，洛氏硬度分為HRA、HRB及HRC等。表1-2所列為有關(guān)洛氏硬度指標(biāo)的規(guī)定。圖1-5洛氏硬度試驗(yàn)原理表1-2洛氏硬度及其應(yīng)用范圍（3）維氏硬度

維氏硬度的測(cè)試原理是使用規(guī)定的試驗(yàn)力，將頂部?jī)上鄬?duì)面夾角為136度的金剛石正四棱錐體壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后撤除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度見圖1-6（a）所示,目前常用的維氏硬度計(jì)見圖1-6（b)所示。圖1-6維氏硬度試驗(yàn)原理4、沖擊韌性

實(shí)際上有許多工件是在沖擊載荷作用下工作的，如冷沖模上的沖頭、鍛錘的錘桿、飛機(jī)的起落架、變速箱的齒輪等。對(duì)于這些承受沖擊載荷的工件，不僅要有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必需有足夠的沖擊韌性。

金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。目前測(cè)量沖擊韌性最普通的方法是一次擺錘彎曲沖擊試驗(yàn)。將材料制成帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1-7所示。

將試件放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的機(jī)座上，讓一重量為G的擺錘自高度為H處自由下擺，擺錘沖斷試樣后又升至高度為h處，如圖1-8所示。擺錘沖斷試樣所失去的能量即為試樣在被沖斷過(guò)程中吸收的功，用Ak表示。斷口處單位面積上所消耗的沖擊吸收功（Ak）即為材料的沖擊韌性，用ak表示，即：式中:ak——沖擊韌性（J·cm-2）；

F——試樣缺口處的橫截面積(cm2)；

Ak——沖擊吸收功(J)；

G——擺錘重力(kgf);

H——擺錘初始高度(m)；

h——擺錘沖斷試樣后上升的高度(m)。圖1-7沖擊試樣圖1-8擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理圖5、疲勞強(qiáng)度

有些機(jī)器零件，如軸、齒輪、連桿、彈簧等，在交變載荷長(zhǎng)期作用下，往往在工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的情況下突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞。

金屬在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并使其擴(kuò)展而導(dǎo)致的斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂具有很大的危險(xiǎn)性，常造成嚴(yán)重的事故。交變應(yīng)力是指大小、方向隨時(shí)間呈周期性變化的應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)受無(wú)數(shù)次的應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力。二、材料的其他性能1、物理性能

考慮金屬材料的性能除了力學(xué)性能外，物理性能也是很重要的，主要包含6個(gè)方面：（1）密度：指單位體積中材料的質(zhì)量。