《機械制造基礎》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

機械加工材料介紹教學目標:1.了解金屬材料的分類。2.掌握金屬材料的力學性能。3.了解金屬材料的物理性能、化學性能與工藝性能。教學重點和難點:

1.金屬材料的分類。2.強度概念與抗拉強度、屈服強度、抗壓強度、抗彎強

度等強度指標。3.塑性、伸長率、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。5.沖擊韌度（韌性）的概念與特點。6.疲勞強度的概念與特點。7.金屬材料的物理性能與化學性能。1.1.1機械工程材料

機械工程材料是指用于制造各類機械零件、構件的材料。

機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。其中金屬材料應用最為廣泛。1.1.2金屬材料

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

金屬材料按功能和化學成分分，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性能、物理性能、化學性能和工藝性能等。一、金屬材料的力學性能

力學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相關或涉及應力應變關系的性能，主要包括強度、塑性、剛度、硬度、韌性、疲勞強度等。1、強度和塑性（1）強度材料在受載荷過程中一般會出現(xiàn)三個過程，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到原形的變形，而塑性變形是載荷卸除后永久保留下來的變形。使用中一般多用靜拉伸試驗法（如圖1-1）來測定金屬材料的強度和塑性指標。低碳鋼試棒的拉伸過程具有典型意義。將拉伸試棒按GB6397—86的規(guī)定，制成如圖1-2所示的試棒，在拉伸試驗機上緩慢增加載荷，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系曲線，即拉伸曲線。（a）拉伸試驗原理（b）新型拉伸試驗機圖1-1

拉伸試驗圖1-2拉伸試樣（a）（b）

常用的拉伸試樣有長、短兩種試棒，如圖1-3(a)所示。其中短試樣要求L0≥5d0，長試樣要求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)部會產(chǎn)生相應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)力稱為應力，用σ表示。金屬材料的強度用應力來表示。式中：σ——應力（MPa）；

F——載荷（N）；

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

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

Fe——載荷（N）；

S0——試樣的原始截面面積（mm2）。2）屈服強度

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

FS——試樣屈服時載荷（N）;

S0——試樣的原始截面面積（mm2）。3）抗拉強度

抗拉強度是指試樣在拉斷前所承受的最大拉應力。即：式中：σb——抗拉強度（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。常用的塑性指標有伸長率δ和斷面收縮率ψ兩種。1）伸長率

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

斷面收縮率是指試樣被拉斷時，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ψ表示。即：式中：S1——試樣被拉斷時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是彈性模量。彈性模量是材料在彈性變形范圍內(nèi)，應力與應變（即試樣的相對伸長量ΔL/L0）的比值，即：式中：E——彈性模量（Pa）；σ——在彈性范圍內(nèi)的應力（Pa）；ε彈——在彈性范圍內(nèi)的應變（%）。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性能指標。硬度值是通過試驗測得的。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力壓入所測表面，保持一定時間后卸除試驗力，隨即在金屬表面出現(xiàn)一個壓坑（壓痕）。以壓痕單位面積上所承受試驗力的大小確定被測材料的硬度值，用符號HBS（淬火鋼球壓頭）或HBW（硬質(zhì)合金鋼球壓頭）表示。圖1-4布氏硬度試驗原理示意圖式中：

F——試驗力（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的測量比較困難，而測量壓痕直徑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）。

在進行布氏硬度試驗時，鋼球直徑D、試驗力F與力保持時間應根據(jù)所測試金屬的種類和試樣厚度，按表1-1所示布氏硬度試驗規(guī)范，正確進行選擇。表1-1布氏硬度試驗規(guī)范

（2）洛氏硬度

洛氏硬度試驗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力，洛氏硬度分為HRA、HRB及HRC等。表1-2所列為有關洛氏硬度指標的規(guī)定。圖1-5洛氏硬度試驗原理表1-2洛氏硬度及其應用范圍（3）維氏硬度

維氏硬度的測試原理是使用規(guī)定的試驗力，將頂部兩相對面夾角為136度的金剛石正四棱錐體壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后撤除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度見圖1-6（a）所示,目前常用的維氏硬度計見圖1-6（b)所示。圖1-6維氏硬度試驗原理4、沖擊韌性

實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、飛機的起落架、變速箱的齒輪等。對于這些承受沖擊載荷的工件，不僅要有高的強度和一定的塑性，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。目前測量沖擊韌性最普通的方法是一次擺錘彎曲沖擊試驗。將材料制成帶缺口的標準試樣，如圖1-7所示。

將試件放在沖擊試驗機的機座上，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)_擊試驗原理圖5、疲勞強度

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

金屬在交變應力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并使其擴展而導致的斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂具有很大的危險性，常造成嚴重的事故。交變應力是指大小、方向隨時間呈周期性變化的應力；疲勞強度是指材料經(jīng)受無數(shù)次的應力循環(huán)仍不斷裂的最大應力。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性能外，物理性能也是很重要的，主要包含6個方面：（1）密度：指單位體積中材料的質(zhì)量。