《工程材料與金屬熱加工》 課件 項目1 金屬材料的性能

主講：工程材料及熱處理1．掌握金屬材料的力學(xué)性能主要都有哪些性能指標(biāo)及其含義與測試方法；2．熟悉金屬材料的工藝性能；3．了解金屬材料的物理性能、化學(xué)性能。項目1金屬材料的性能2學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求材料的性能通常包括使用性能和工藝性能。使用性能是指材料在特定的條件下，能保證安全可靠工作所必需的性能，如力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等；工藝性能是指材料在加工過程中所反映出來的性能，如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。項目1金屬材料的性能3材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指材料在各種載荷作用下，抵抗變形和斷裂的能力，金屬材料的力學(xué)性能主要有強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。力學(xué)性能不僅是機械零件設(shè)計、選材、驗收、鑒定的主要依據(jù)，還是對產(chǎn)品加工過程實行質(zhì)量控制的重要參數(shù)。1.14材料的彈性、剛度、強度及塑性一般是通過金屬拉伸試驗來測定的。它是在標(biāo)準(zhǔn)試樣的兩端緩慢施加拉伸載荷，試樣的工作部分受軸向拉力作用產(chǎn)生變形，隨著拉力的增大，變形也相應(yīng)增加，直至斷裂。拉伸試樣如圖1-1所示，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010，拉伸試樣通常有l(wèi)0=10d0（長試樣）和l0=5d0（短試樣）兩種。通常以應(yīng)力R（試樣單位橫截面上的拉力）與應(yīng)變e（試樣單位長度的伸長量）為坐標(biāo)繪出應(yīng)力—應(yīng)變曲線（R—e曲線）。如圖1-2所示為低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，低碳鋼試樣在拉伸過程中，可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。圖1-1拉伸試樣

圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線51.1.1彈性和剛度1

彈性在低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，Oe段為彈性階段，若在此階段卸去載荷，則試樣伸長量消失，試樣恢復(fù)原狀。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。e點對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限，用符號Rp表示。6圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線彈性變形示意低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意2

剛度材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量，也就是應(yīng)力—應(yīng)變曲線中Oe直線的斜率，用符號E表示，即彈性模量E反映了材料抵抗彈性變形的能力，又稱為剛度。E值主要取決于材料內(nèi)部原子間的作用力，如晶體材料的晶格類型、原子間距等，某些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它影響很小。81.1.2強度強度是指材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。根據(jù)外力的作用方式，有多種強度指標(biāo)，如抗拉強度、抗彎強度和抗剪強度等。當(dāng)材料承受拉力時，強度性能指標(biāo)主要是屈服強度和抗拉強度。91屈服強度在低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，e～s段試樣所承受的載荷雖不再增加，但試樣仍繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力—應(yīng)變曲線上產(chǎn)生了近似水平段，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。s點對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強度，用符號Re表示，即式中：Fe

——試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時所承受的最大外力（N）；

S0

——試樣的初始截面積（mm2）。10圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線由于許多工程材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象（如高碳鋼、鑄鐵等），測定很困難，因此規(guī)定用試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力值作為該材料的屈服強度，用符號Rp0.2表示，即式中：F0.2

——試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時所承受的外力（N）；

S0

——試樣的初始截面積（mm2）。11提示機械零件在使用時，一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服強度是大多數(shù)機械零件設(shè)計時選材的主要依據(jù)，也是評定金屬材料承載能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)。122抗拉強度在低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，b點的拉力是試樣在拉斷前所承受的最大載荷，其所對應(yīng)的應(yīng)力Rm稱為抗拉強度，即式中：Fb——試樣斷裂前承受的最大拉力（N）；

S0

——試樣的初始截面積（mm2）。13屈服強度與抗拉強度的比值稱為屈強比。屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，即使外載或某些意外因素使金屬變形，也不會導(dǎo)致其立即斷裂。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率便太低。1.1.3塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性指標(biāo)也主要是通過拉伸試驗測得的。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標(biāo)。141延伸率試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號A表示，即式中：L0

——試樣原始標(biāo)距長度（mm）；

L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）。同一材料用不同長度的試樣所測得的延伸率A數(shù)值是不同的，用長度為直徑5倍的試樣測得的延伸率用A5表示，用長度為直徑10倍的試樣測得的延伸率用A10表示。A10常寫成A，但A5不能將下角標(biāo)的5省去，一般A5>A10。152斷面收縮率試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號Z表示，即式中：S0

——試樣原始的橫截面積（mm2）；

S1——試樣拉斷處的橫截面積（mm2）。延伸率和斷面收縮率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性對材料進(jìn)行冷塑性變形有重要意義。此外，工件的偶然過載，可因塑性變形而防止突然斷裂；工件的應(yīng)力集中處，也可因塑性變形使應(yīng)力松弛，從而使工件不至于過早斷裂。這就是大多數(shù)機械零件除要求一定強度指標(biāo)外，還要求一定塑性指標(biāo)的原因。163、硬度HB－3000布氏硬度計布氏硬度試驗原理圖——材料抵抗硬物體壓入其表面的能力或材料抵抗局部變形的能力適用范圍：HBS＜450（鋼球）

HBW450～650（硬質(zhì)合金）退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬等特點：被測面積大，精度高；不適于太薄、太硬物體。布氏硬度（HBS）材料的力學(xué)性能（機械性能）洛氏硬度計洛氏硬度試驗原理圖適用范圍：HRA

硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；

（表1-1）HRB

有色金屬和退火、正火鋼等；

HRC

調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。特點：

簡單、迅速、適用范圍廣（軟硬材料均適用）；洛氏硬度（HR）材料的力學(xué)性能（機械性能）洛氏硬度根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同又可分為HRA，HRB，HRC三種，其試驗規(guī)范如表1-1所示。洛氏硬度操作簡便、迅速、壓痕小，硬度值可直接從試驗機表盤上讀出，所以得到了廣泛的應(yīng)用，三種洛氏硬度中以HRC應(yīng)用最多。但洛氏硬度由于壓痕小，所以其硬度值的代表性較差。表1-1洛氏硬度試驗規(guī)范標(biāo)度壓頭預(yù)載荷/N總載荷/N適用范圍適用的材料HRA120°的金剛石圓錐98.0760×9.80720～88HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等HRBφ1.588mm的淬火鋼球98.07100×9.80720～100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC120°的金剛石圓錐98.07150×9.80720～70HRC淬火鋼等19適用范圍：

表面硬化層金屬鍍層薄片金屬特點：壓痕淺、適用范圍廣；顯微硬度(HV)適用范圍：

金相顯微組織中相特點：載荷小、壓痕極小維氏硬度(HV)材料的力學(xué)性能（機械性能）布氏硬度測試示意

洛氏硬度測試維氏硬度測試原理示意1.1.5韌性材料的韌性是其斷裂時所需能量的度量，描述材料韌性的指標(biāo)通常有沖擊韌性和斷裂韌性。1沖擊韌性沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，通常用符號表示。22——材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力沖擊功：沖擊韌性：（單位面積沖擊功）材料的力學(xué)性能（機械性能）沖擊韌性沖擊試驗2斷裂韌性在實際生產(chǎn)中，有的大型傳動零件、高壓容器、船舶、橋梁等，常在其工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于Re的情況下，突然發(fā)生低應(yīng)力脆斷。通過大量研究證明，這種破壞與零件本身存在裂紋和裂紋擴展有關(guān)。實際使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如氣孔、夾雜物、機械缺陷等，它們破壞了材料的連續(xù)性，實際上成為材料內(nèi)部的微裂紋。在服役過程中，裂紋擴展的結(jié)果，便是造成零件在較低應(yīng)力狀態(tài)下（即低于材料的屈服強度，而材料本身的塑性和沖擊韌性又不低于傳統(tǒng)的經(jīng)驗值的情況下）發(fā)生低應(yīng)力脆斷。25材料中存在的微裂紋，在外加應(yīng)力的作用下，裂紋尖端處存在有較大的應(yīng)力場。斷裂力學(xué)分析指出，這一應(yīng)力場的強弱程度可用應(yīng)力強度因子來描述。值的大小與裂紋尺寸和外加應(yīng)力的關(guān)系為：式中：Y——與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，一般Y=1~2；

R——外加應(yīng)力（MPa）；

a——裂紋的半長（m）。由上式可知，隨應(yīng)力的增大，也隨之增大，當(dāng)增大到一定值時，就可使裂紋前端某一區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力大到足以使裂紋失去穩(wěn)定而迅速擴展，發(fā)生脆斷。這個的臨界值稱為臨界應(yīng)力強度因子或斷裂韌性，用符號表示。它反映了材料抵抗裂紋擴展和抗脆斷的能力。材料的斷裂韌性與裂紋的形狀、大小無關(guān)，也和外加應(yīng)力無關(guān)，只決定于材料本身的特性（如成分、熱處理條件、加工工藝等），是一個反映材料性能的常數(shù)。可通過試驗來測定。26材料的斷口類型韌性韌性材料的力學(xué)性能（機械性能）脆性脆性1.1.6疲勞強度許多零件和制品，經(jīng)常受到大小及方向變化的交變載荷，在這種載荷的反復(fù)作用下，材料常在遠(yuǎn)低于其屈服強度的應(yīng)力下突然發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞（疲勞斷裂）。疲勞強度是用來表示材料抵抗交變應(yīng)力的能力，常用Sr表示，其下角標(biāo)r稱為應(yīng)力循環(huán)對稱因素，即式中：Smin——交變循環(huán)應(yīng)力中的最小應(yīng)力值（MPa）；

Smax——交變循環(huán)應(yīng)力中的最大應(yīng)力值（MPa）。對于對稱循環(huán)交變應(yīng)力，

，這種情況下材料的疲勞代號為S-1

。28材料所受交變應(yīng)力S與其斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)N之間的曲線稱為疲勞曲線或S—N曲線，如圖1-7所示。對于一般具有應(yīng)變時效的金屬材料，如碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平降低到某一臨界值時，低應(yīng)力段變成水平線段，表示試樣可以經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，用符號S-1表示。實際生產(chǎn)中通常將材料在規(guī)定次數(shù)（一般鋼鐵材料取107次，有色金屬及其合金取108次）的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。圖1-7疲勞曲線（S—N曲線）疲勞斷裂的原因一般認(rèn)為是由于材料表面與內(nèi)部含有缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，使零件的有效承載面積逐漸減小，以至于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。通過合理選材，改善材料的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少材料和零件的缺陷，降低零件表面粗糙度，對表面進(jìn)行強化如表面淬火、噴丸處理、表面滾壓等，可以提高材料的疲勞抗力。29物理性能BECDA導(dǎo)電性能折射、反射、吸收光及聲學(xué)性能密度、熔點磁性熱效應(yīng)及導(dǎo)熱性能1、物理性能二、材料的物理性能和化學(xué)性能材料的腐蝕:材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用而引起的變質(zhì)或破環(huán)現(xiàn)象，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。催化性質(zhì)：能夠加速化學(xué)反應(yīng)，且在反應(yīng)前后材料自身不被消耗。其它化學(xué)性能：抗氧化性、抗?jié)B入性、高分子材料的老化等2、化學(xué)性能材料的物理性能和化學(xué)性能車、鉗、銑、刨、磨材料的切削鑄造、拉拔、擠壓、鍛造、沖壓材料的成型合金化、熱處理材料的改性焊接、粘接材料的聯(lián)接材料加工1.3

材料的工藝性能

鑄造性能可鍛性能焊接性能切削加工性能熱處理性能精密鑄件灰鐵鑄件——流動性、收縮性及偏析傾向材料的工藝性能