第一章金屬材料性能

1、第一章第一章 金屬材料的性能金屬材料的性能回主頁回主頁 金屬材料是金屬及其合金的總稱。引入金屬金屬材料是金屬及其合金的總稱。引入金屬 與合金的定義與合金的定義.材料的性能是設(shè)計時選材的材料的性能是設(shè)計時選材的主要依據(jù)，也是加工過程中合理選擇加工方法主要依據(jù)，也是加工過程中合理選擇加工方法，刀具及切削用量的重要依據(jù)。，刀具及切削用量的重要依據(jù)。工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、 切削加工性能切削加工性能 、熱處理工藝性能、熱處理工藝性能 使用性能：使用性能： 力學性能（機械性能）、物理性能、力學性能（機械性能）、物理性能、 化學性能化學性能 金屬材料

2、的性能包括：金屬材料的性能包括：第一節(jié)第一節(jié) 金屬的力學性能金屬的力學性能第二節(jié)第二節(jié) 金屬的工藝性能金屬的工藝性能l材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。l外力去除后能夠恢復的變形稱為外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形彈性變形。l外力去除后不能恢復的變形稱為外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形塑性變形（又稱永久變（又稱永久變形）形） 。 五萬噸水壓機五萬噸水壓機*一、與變形相關(guān)的幾個概念 （1）靜載荷靜載荷大小不變或變化過程緩慢的載荷。 （2）沖擊載荷沖擊載荷在短時間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。 （3）交變載荷交變載荷大小、

3、方向或大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。1載荷 載荷載荷金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。 根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同分：載荷的作用形式載荷的作用形式 內(nèi)力內(nèi)力工件或材料在受到外部載荷作用時，為保持其不變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種與外力相對抗的力，稱為。2內(nèi)力 應力應力假設(shè)作用在零件橫截面上的內(nèi)力大小均勻分布，單位橫截面積上的內(nèi)力。3應力SFR R：應力，Pa；F：外力，N；S：橫截面面積，m2。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的力學性能金屬的力學性能力學性能指標：力學性能指標： 一、一、 強強 度度四、四、 韌性韌性三、三、 硬硬 度度二、二、 塑塑 性性上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁 五、五、

4、疲勞強度疲勞強度 指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的抵抗指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的抵抗變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。（一）強度的概念（一）強度的概念（二）強度的測定（二）強度的測定拉伸實驗拉伸實驗（三）強度指標（三）強度指標一、一、 強強 度度返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁 指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形（又稱永久變形）指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形（又稱永久變形）和斷裂和斷裂 的能力。的能力。(即：即： 1. 定義定義2. 應用應用 強度是機械零件（或工程構(gòu)件）在設(shè)計、加工、使用過強度是機械零件（或工程構(gòu)件）在設(shè)計、加工、使用過程中的主要性能指標，特別是

5、選材和設(shè)計的主要依據(jù)。程中的主要性能指標，特別是選材和設(shè)計的主要依據(jù)。（一）強度的概念（一）強度的概念返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁（二）強度的測定（二）強度的測定拉伸實驗拉伸實驗1. 拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86）3. 力力伸長曲線伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）（以低碳鋼試樣為例）4. 脆性材料的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁2. 實驗方法實驗方法1. 拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：短試樣：L0=5d0（常用）（常用）返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁有有“圓形、矩形

6、、六方圓形、矩形、六方”等形狀，通常采用圓柱形拉伸試樣等形狀，通常采用圓柱形拉伸試樣。材料：退火低碳鋼材料：退火低碳鋼拉伸試樣 d試樣直徑 L0標距長度低碳鋼拉伸實驗低碳鋼拉伸實驗拉伸試驗機拉伸試驗機低碳鋼的應力低碳鋼的應力- -應變曲線應變曲線拉伸前拉伸前斷裂后斷裂后拉伸試樣拉伸試樣2. 實驗方法實驗方法3. 力力伸長曲線伸長曲線彈性變形階段彈性變形階段屈服階段屈服階段頸縮短裂階段頸縮短裂階段拉伸試驗中得出的拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。強化階段強化階段返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁 四個階段：四個階段：（三）強度指標：屈服點、抗拉強度（

7、三）強度指標：屈服點、抗拉強度1.1.屈服點（又稱屈服強度）屈服點（又稱屈服強度） 指在拉伸試驗過程中，外力不增加，試樣仍指在拉伸試驗過程中，外力不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力，用符號能繼續(xù)伸長時的應力，用符號s s表示。表示。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁計算公式計算公式FsS0s= （MPa） FsFs屈服載荷，屈服載荷，N N So So原始橫截面積，原始橫截面積，mmmm2 2 注：對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料，如高碳鋼、鑄鐵。就需要注：對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料，如高碳鋼、鑄鐵。就需要規(guī)定一個相當于屈服點的強度指標，即規(guī)定一個相當于屈服點的強度指標，即“規(guī)定殘余伸長應力規(guī)

8、定殘余伸長應力”。 指試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到指試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到試樣標距長度的試樣標距長度的0.2%0.2%時的應力，用符號時的應力，用符號0.20.2表示。表示。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁F0.2S00.2=F0.20.2%L0F0 0L應用應用：工程上常將工程上常將s和和0.2確定為塑性材料的確定為塑性材料的 極限應力，作為零件選極限應力，作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。材和設(shè)計的依據(jù)。計算公式計算公式LF0 04. 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

9、脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。 返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁2.2.抗拉強度抗拉強度 指試樣拉斷前所能承受的最大應力，指試樣拉斷前所能承受的最大應力， 用符號用符號b b表示。表示。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁 應用：是脆性材料制作機械零件和工程構(gòu)件時應用：是脆性材料制作機械零件和工程構(gòu)件時 選材和設(shè)計的依據(jù)，并選用適當?shù)陌踩x材和設(shè)計的依據(jù)，并選用適當?shù)陌踩?系數(shù)。系數(shù)。 b=FbS0抗拉強度抗拉強度返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁計算公式：計算公式：FbFb極限載荷，極限載荷，N NSoSo原始橫截面積，原始橫截面積，mmmm2 2s

10、和和b越大強度越好。越大強度越好。（二）衡量指標（二）衡量指標二、二、 塑塑 性性 金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。（金屬材料在靜金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。（金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。）載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。）斷面收縮率：斷面收縮率：伸長率：伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比。試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。原始橫截面積的百分比。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁（一）（一） 定義定義1.伸長率（伸長率（ ）

11、l1-l0l0100%=l1試樣拉斷后的標距試樣拉斷后的標距,mm;l0試樣的原始標距試樣的原始標距,mm。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2.斷面收縮率（斷面收縮率（ ）S0-S1S0=100%S0試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積,mm2；S1頸縮處的橫截面積頸縮處的橫截面積,mm2 。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁和和越大塑性越好。越大塑性越好。l說明：說明：l 當當l0=10d0 時，伸長率用時，伸長率用 表示；表示；l當當l0=5d0 時，伸長率用時，伸長率用 5 表示，顯然表示，顯然 5 l 時，無頸縮，為脆性材料表征

12、時，無頸縮，為脆性材料表征 時，有頸縮，為塑性材料表征時，有頸縮，為塑性材料表征無頸縮試樣無頸縮試樣有頸縮試樣有頸縮試樣（一）布氏硬度（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（二）洛氏硬度三、三、 硬硬 度度1. 原理原理2. 應用應用3. 優(yōu)缺點優(yōu)缺點 1. 原理原理2. 應用應用3. 優(yōu)缺點優(yōu)缺點返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁l硬度是金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓硬度是金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是一個綜合的物理量。痕或劃痕的能力，是一個綜合的物理量。硬度是通過硬度是通過在專用的硬度試驗機上實驗測得的。在專用的硬度試驗機上實驗測得的。 布氏硬度試驗

13、機 洛氏硬度試驗機 維氏硬度試驗機 1. 原理原理布氏硬度布氏硬度= F A凹凹=2FDD-（D-d ）（一）布氏硬度（一）布氏硬度HBS或或HBW返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁1布氏硬度 布氏硬度值布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示，單位為MPa，但一般均不標出，用符號HBW表示：2220.102 ()FFHBWSD DDd布氏硬度原理布氏硬度原理表示方法： 布氏硬度用硬度值、硬度符號、壓頭直徑、實驗力及硬度值、硬度符號、壓頭直徑、實驗力及實驗力保持時間實驗力保持時間表示。當保持時間為1015s時可不標。 例：170HBS10/1000/30： 直徑10mm

14、的壓頭，在9807N（1000kg）的試驗力作用下，保持30 s時測得的布氏硬度值為170。600HBW1/30/20： 直徑為1mm壓頭，在294.2N（30kg）的實驗力作用下，保持20 s時測得的布氏硬度值為600。 測量比較軟的材料。測量比較軟的材料。毛坯或半成品的硬度毛坯或半成品的硬度測量測量范圍范圍 HBS450 HBS450、HBW650HBW650的金屬材料。的金屬材料。3. 優(yōu)缺點優(yōu)缺點2. 應用應用 壓痕大，測量準確，壓痕大，測量準確，但不能測量成品件。但不能測量成品件。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁1. 原理原理 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度返返 回回上一

15、頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁加初載荷加初載荷加主載荷加主載荷卸除主載荷卸除主載荷讀硬度值讀硬度值2洛氏硬度 3HR1000.002h洛氏硬度計表盤 洛氏硬度試驗原理 洛氏硬度原理洛氏硬度原理表示方法： 符號HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標尺。 例：45HRC表示用C標尺測定的洛氏硬度值為45。 常用的三種洛氏硬度標尺的試驗條件和適用范圍 洛氏硬度實驗機洛氏硬度實驗機返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁洛氏硬度主要測較硬的洛氏硬度主要測較硬的材料的硬度材料的硬度鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕2.常用的三種洛氏硬度標尺及應

16、用常用的三種洛氏硬度標尺及應用硬度標硬度標尺尺壓頭類型壓頭類型總實驗總實驗力（力（N）硬度值有效硬度值有效范圍范圍應用應用HRC120金剛石金剛石圓錐體圓錐體1471.02067 HRC一般淬火鋼一般淬火鋼HRB1.588mm淬火鋼球淬火鋼球980.725100HRB軟鋼、退火軟鋼、退火鋼、銅合金鋼、銅合金等等HRA120金剛石金剛石圓錐體圓錐體588.46085 HRA硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、表面淬火鋼表面淬火鋼優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率 高，可直接測量成品件高，可直接測量成品件 及高硬度及高硬度 的材料。的材料。3. 優(yōu)缺點優(yōu)缺點缺點：壓痕小，測量不準確，缺點：壓痕小

17、，測量不準確， 需多次測量。需多次測量。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁原理與布氏硬度相似，采用原理與布氏硬度相似，采用“錐面夾角為錐面夾角為136的金的金剛石四棱錐體剛石四棱錐體”作壓頭。符號：作壓頭。符號：HV（三）維氏硬度（三）維氏硬度測量范圍：測量范圍：51000 51000 HVl維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示，符號前表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持順序分別表示載荷值及載荷保持時間時間.l根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定小負荷維氏硬度計小負荷維

18、氏硬度計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計 了三種測定方法了三種測定方法 維氏硬度試驗維氏硬度試驗 、小負荷維氏硬度試驗小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏顯微維氏硬度試驗硬度試驗.l維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點硬度的優(yōu)點。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁（三）維氏硬度（三）維氏硬度2. 應用應用3. 優(yōu)缺點優(yōu)缺點硬薄層工件及表面硬度的測量，如表面滲碳、滲氮層常用維氏硬度測量 測量精度高，操作復雜，效率低。實驗力小，壓痕淺。 返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁顯微硬度顯微硬度HMHM用來測量組織中某一相硬度用來測量組織中某一相硬度硬度和強度又有

19、一定關(guān)系，可以從有關(guān)硬度和強度又有一定關(guān)系，可以從有關(guān)手冊上進行換算通過容易的硬度測量來手冊上進行換算通過容易的硬度測量來估算材料強度，比用拉伸法要快捷。估算材料強度，比用拉伸法要快捷。三種硬度的粗略關(guān)系：三種硬度的粗略關(guān)系：HRC1/10HBW HRC1/10HBW HBWHV* *補充：補充：常用的三種硬度實驗對照表常用的三種硬度實驗對照表壓頭壓頭符號符號測量范圍測量范圍特點及用途特點及用途布氏布氏硬度硬度淬火鋼球或淬火鋼球或 硬質(zhì)硬質(zhì)合金合金HBSHBW8650 HBW壓痕直徑大，操作時間長，不壓痕直徑大，操作時間長，不宜測成品及高硬材料，測量較宜測成品及高硬材料，測量較準確，可測鑄鐵、

20、有色金屬及準確，可測鑄鐵、有色金屬及軟鋼。軟鋼。洛氏洛氏硬度硬度120金剛石圓錐金剛石圓錐體或體或1.588mm淬淬火鋼球火鋼球HRC常用常用HRBHRA2067 HRC25100HRB6085 HRA操作簡單，壓痕小，不損傷工操作簡單，壓痕小，不損傷工件表面，可直接讀數(shù)，工程上件表面，可直接讀數(shù)，工程上應用最廣，可測成品，測量不應用最廣，可測成品，測量不夠準確。夠準確。維氏維氏硬度硬度錐尖夾角為錐尖夾角為136的金剛石正四棱錐的金剛石正四棱錐體體HV51000 HV測量精度高，操作復雜，測量精度高，操作復雜，效率低；適用于零件表層效率低；適用于零件表層硬度的測量，如滲碳、滲硬度的測量，如滲碳

21、、滲氮層的硬度。氮層的硬度。 四、沖擊韌性四、沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材材料的沖擊韌性用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。料的沖擊韌性用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。 （三）沖擊試驗原（三）沖擊試驗原 理及方法理及方法（一）定義（一）定義（二）沖擊試樣（二）沖擊試樣返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁 計算公式計算公式 A Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2） 試驗原理：試樣被試驗原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（即沖擊吸收功（Ak ）

22、等于擺錘沖擊試樣前后等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。的勢能差。返返 回回上一頁上一頁下一頁下一頁回主頁回主頁試驗過程如圖所示。試驗過程如圖所示。沖擊韌度（沖擊韌度（a k）：）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。四、疲勞強度 由于所承受的載荷為交變載荷，零件承受的應力雖低于材料的屈服強度，但經(jīng)過長時間的工作后，仍會產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂。金屬這樣的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞疲勞斷裂斷裂。金屬材料抵抗交變載荷作用而不產(chǎn)生破壞的能力稱為疲勞強度疲勞強度。疲勞極限用符號1表示。 四、疲勞四、疲勞l材料在低于s重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象.l材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的

23、最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。l鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖疲勞斷口：通過通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)改善材料形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷減少表面缺陷，提高表面提高表面光潔度光潔度，進行表面強化進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力等方法可提高材料疲勞抗力.軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）金屬的物理性能與化學性能金屬的物理性能與化學性能第二節(jié)第二節(jié) 金屬的工藝性能金屬的工藝性能金屬材料的一般加工過程 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能金屬材料對不同加工工藝方法的適應能力。它包括鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能和焊接性能、熱處理性能等。 冶煉鑄造鑄件鑄錠熱鍛熱軋焊接