《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第2章2.2金屬材料的主要性能

第2章機械工程材料2.2金屬材料的主要性能金屬材料的力學性能2.2.1金屬材料的工藝性能2.2.2學習目標熟悉金屬材料的機械性能，了解金屬材料的工藝性能；金屬材料的性能包含使用性能和工藝性能兩方面。使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，它包括物理性能（如密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等）、化學性能（如耐腐蝕性、抗氧化性、化學穩(wěn)定性等）、力學性能等。工藝性能是指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工和熱處理的性能，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。2.2.1金屬材料的力學性能力學性能是指金屬材料在力作用下顯示出來的性能。包括強度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強度等，它反映了金屬材料在各種外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力，是選用金屬材料的重要依據(jù)。而且金屬材料的力學性能與各種加工工藝也有著密切關(guān)系。力學性能可通過國家標準試驗測定。通過拉伸試驗可測定的金屬材料力學性能參數(shù)如下。1.強度拉伸試樣a）拉伸前b）拉斷后低碳鋼拉伸的應力-延伸率曲線圖一般經(jīng)歷彈性變形階段、屈服階段、強化階段、縮頸階段工程上使用的金屬材料，多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，如退火的輕金屬、退火及調(diào)質(zhì)的合金鋼等。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮頸”，如鑄鐵等。

2.塑性

斷裂前金屬材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。塑性指標也是由拉伸試驗測得的，常用斷后伸長率和斷面收縮率來表示。試樣拉斷后，標距的殘余伸長與原始標距之比的百分率稱為斷后伸長率，用號A表示。必須說明，同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率是不同的。試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比的百分率稱為斷面收縮率，用符號Z表示。金屬材料的斷后伸長率（A）和斷面收縮率（Z）數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，易于通過塑性變形加工成復雜形狀的零件。例如，工業(yè)純鐵的A可達50%,Z可達80%，可以拉制細絲，軋制薄板等。鑄鐵的A幾乎為零，所以不能進行塑性變形加工。塑性好的材料，在受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，因此比較安全。3.硬度材料抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標，它不是一個單純的物理或力學量，而是代表彈性、塑性、塑性變形強化率、強度和韌性等一系列不同物理量的綜合性能指標。硬度測試的方法很多，最常用的有布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗法。硬度常用測試方法的測量原理、特點、應用及表達方法見表2-2-2所示。表2-2-2常用硬度測試方法的測量原理、特點、應用及表達方法布氏硬度試驗原理圖洛氏硬度測試過程示意圖測量時，先加初試驗力F0，壓入深度為h1，目的是為消除因被測零件表面不光滑而造成的誤差。然后再加主試驗力F1，在總試驗力（F0＋F1）的作用下，壓頭壓入深度為h2。卸除主試驗力，由于金屬彈性變形的恢復，使壓頭回升到h3的位置，則由主試驗力所引起的塑性變形的壓痕深度e＝h3一h1。顯然，e值越大，被測金屬的硬度越低，為了符合數(shù)值越大，硬度越高的習慣，將一個常數(shù)Κ減去e來表示硬度的大小，并用0.002mm壓痕深度作為一個硬度單位，由此獲得洛氏硬度值。HR－150型硬度計結(jié)構(gòu)示意圖1－吊環(huán)2－連接桿3－螺母4－吊桿5－吊套6－砝碼7－托盤8－加卸負荷手柄9－緩沖器調(diào)節(jié)閥10－緩沖器11－機體l2－試驗力杠桿13－游碼14－上蓋15－測量桿16－主軸17－指示百分表18－工作臺19－升降絲杠20－手輪21－止推軸承22－螺釘23－絲杠導座24－定位套25－連桿4.沖擊韌性金屬材料的強度、塑性和硬度等力學性能是在靜載荷作用下測得的。而許多機械零件在工作中，往往要受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。制造這類零件所用的材料，其性能指標不能單純用靜載荷作用下的指標來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力,即沖擊韌性。韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。目前，夏比沖擊試驗是一種常用的評定金屬材料韌性指標的動態(tài)試驗方法。用K表示沖擊吸收功，用字母V和U表示缺口幾何形狀，用下標數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU8表示U型缺口試樣在8mm擺錘刀刃下的沖擊吸收能量。U形缺口沖擊試樣V形缺口沖擊試樣l－擺錘2－機架3－試樣4－刻度盤5－指針沖擊試驗示意圖沖擊試驗：將待測的金屬材料加工成標準試樣，然后將試樣放在沖擊試驗機的支座上，放置時使試樣缺口背向擺錘的沖擊方向，再將具有一定重量G的擺錘升至一定的高度H1（圖6b），使其獲得一定的勢能（GH1），然后使擺錘自由落下，將試樣沖斷。擺錘的剩余勢能為GH2。試樣被沖斷時所吸收的能量即是擺錘沖擊試樣所作的功沖擊試驗是利用能量守恒原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。

5.疲勞強度（R-1)許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(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，疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機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。機械零件產(chǎn)生疲勞斷裂的原因是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷（夾雜、劃痕、顯微裂紋等），這些部位在交變應力反復作用下產(chǎn)生了微裂紋，致使其局部應力大于屈服點，從而產(chǎn)生局部塑性變形而導致開裂。并隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋不斷擴展使零件實際承受載荷的面積不斷減少，直至減少到不能承受外加載荷的作用時產(chǎn)生突然斷裂。實際上，測定時金屬材料不可能作無數(shù)次交變載荷試驗。所以一般試驗時規(guī)定，對于黑色金屬應力循環(huán)取10^2周次，有色金屬、不銹鋼等取1O^8周次交變載荷時，材料不斷裂的最大應力稱為該材料的疲勞極限。金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，如內(nèi)部質(zhì)量、工作條件、表面狀態(tài)、材料成分、組織垂殘余內(nèi)應力等。避免斷面形狀的急劇變化、改善零件的結(jié)構(gòu)形式、降低零件表面結(jié)構(gòu)及采取各種表面強化的方法都能提高零件的疲勞極限。

2.2.2金屬材料的工藝性能工藝性能是指金屬材料在加工過程中是否易于加工成形的能力，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能等。工藝性能直接影響到零件的制造工藝和加工質(zhì)量，是選材和制定零件工藝路線時必須考慮的因素之一。1.鑄造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有流動性、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。(1）流動性熔融金屬的流動能力稱為流動性，它主要受金屬化學成分和澆注溫度等的影響。流動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，還會使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應力、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)部化學成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴重時能使鑄件各部分的力學性能有很大的差異，降低了鑄件的質(zhì)量。這對大型鑄件的危害更大。2.鍛造性能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。3.焊接性能焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應性，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。對碳鋼和低合金鋼，焊接性主要同金屬材料的化學成分有關(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。4.切削加工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