金屬材料導論

金屬材料導論第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五機械制造中所用的金屬材料以合金為主，很少使用純金屬，原因是合金比純金屬具有更好的力學性能和工藝性能，且價格低廉。合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉或燒結(jié)制成的具有金屬特性的材料。最常用的合金是以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金，如碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵等；還有以銅或鋁為基礎(chǔ)的黃銅、青銅、硅鋁明等。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五用來制造機械設(shè)備的金屬及合金，應(yīng)具有優(yōu)良的力學性能和工藝性能、較好的化學穩(wěn)定性和所需的物理性能。因此，在設(shè)計零件時，必須首先熟悉金屬及合金的各種主要性能，方能依據(jù)零件的技術(shù)要求合理地選用所需的金屬材料。

本篇主要介紹金屬材料的基礎(chǔ)知識，為學習本課程中鑄造、壓力加工和焊接等加工工藝奠定必要的基礎(chǔ)。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五第一章金屬材料的主要性能第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)金屬材料的力學性能

金屬材料的力學性能又稱機械性能，是材料在力的作用下所表現(xiàn)出來的性能。力學性能對金屬材料的使用性能和工藝性能有著非常重要的影響。金屬材料的主要力學性能有：強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五一、強度與塑性金屬材料的強度和塑性是通過拉伸試驗測定出來的。拉伸試驗是在拉伸試驗機上進行的。試驗之前，先將被測金屬材料制成圖1—1所示的標準試樣(參見GB6397---86《金屬拉伸試樣》)，圖中do為試樣直徑，lo為測定塑性用的標距長度。試驗時，在試樣兩端緩慢地施加軸向拉伸載荷，使試樣承受軸向靜拉力。隨著載荷不斷增加，試樣被逐步拉長，直到拉斷。在拉伸過程中，試驗機將自動記錄每一瞬間的載荷F和伸長量△l，并繪出拉伸曲線。第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五拉伸實驗第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五由圖可見:在開始的Oe階段，載荷F與伸長量△l為線性關(guān)系，并且，去除載荷，試樣將恢復到原始長度。在此階段試樣的變形稱為彈性變形。載荷超過F。之后，試樣除發(fā)生彈性變形外還將發(fā)生塑性變形。當載荷增大到Fe之后，拉伸圖上出現(xiàn)了水平線段，這表示載荷雖未增加，但試樣繼續(xù)發(fā)生塑性變形而伸長，這種現(xiàn)象稱為“屈服”，s點稱為屈服點。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

當載荷超過Fb以后，試樣上某部分開始變細，出現(xiàn)了‘‘縮頸”，由于其截面縮小，使繼續(xù)變形所需載荷下降。

載荷到達Fk時，試樣在縮頸處斷裂。1．強度

強度是金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。強度有多種判據(jù)，工程上以屈服點和抗拉強度最為常用。(1)屈服點它是指拉伸試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。它可按下式計算：Fs——試樣發(fā)生屈服時所承受的最大載荷，N；Ao——試樣原始截面積，mm2。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五(2)抗拉強度指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，以δb表示。它可按下式計算：Fb——試樣在拉斷前所承受的最大載荷，N；Ao——試樣原始截面積，mm2。2．塑性

塑性是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力，通常以伸長率來表示：δ=L1-loloX100%lo——試樣原始標距長度，mm；L1——試樣拉斷后的標距長度，mm。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

必須指出，伸長率的數(shù)值與試樣尺寸有關(guān)，因而試驗時應(yīng)對所選定的試樣尺寸作出規(guī)定，以便進行比較如lo=10do時，用δ10或δ

表示；lo=5do時，用δ5表示。金屬材料的塑性也可用斷面收縮率Ψ表示：Ψ=A0-A1A0X100%

Ao——試樣的原始截面積，mm2；A1——試樣拉斷后，斷口處截面積，mm2。

δ和Ψ值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不僅是金屬材料進行軋制、鍛造、沖壓、焊接的必要條件，而且在使用時萬一超載，由于產(chǎn)生塑性變形，能夠避免突然斷裂。第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五二、硬度

金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)。硬度直接影響到材料的耐磨性及切削加工性，因為機械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都應(yīng)具有足夠高的硬度，才能保證其使用性能和壽命。若所加工的金屬坯料的硬度過高時，則給切削加工帶來困難。顯然，硬度也是重要的力學性能指標，應(yīng)用十分廣泛。金屬材料的硬度是在硬度計上測定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有時還采用維氏硬度法。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五1．布氏硬度(HB)布氏硬度的測試原理如圖1—3所示。以直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，在載荷F的靜壓力下，將壓頭壓人被測材料的表面(圖1—3a)；停留若干秒后，卸去載荷(圖1—3b)。然后，采用帶刻度的專用放大鏡測出壓痕直徑d，并依據(jù)d的數(shù)值從專門的硬度表格中查出相應(yīng)的HB值。

布氏硬度計的壓頭直徑有聲Φ10mm、Φ5mm、Φ2.5mm三種，而載荷有30000N、7500N、1870N等數(shù)種，供不同材料和不同厚度試樣測試時選用。其中常用的壓頭直徑Φ10mm，載荷為30000N。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五布氏硬度(HB)試驗第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

布氏硬度法因壓痕面積較大、其硬度值比較穩(wěn)定，故測試數(shù)據(jù)重復性好，準確度較洛氏硬度法高。缺點是測量費時，且因壓痕較大，不適于成品檢驗。由于測試過硬的材料可導致鋼球的變形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰鑄鐵、非鐵合金及較軟的鋼材。必須看到，新型布氏硬度計設(shè)計有硬質(zhì)合金球壓頭，從而可用于測試淬火鋼等較硬金屬的硬度，使布氏硬度法的適用范圍擴大。

為了區(qū)別不同壓頭測出的硬度值，將鋼球壓頭測出的硬度值標以符號HBS，而將硬質(zhì)合金球壓頭測出的硬度值標以HBW。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五2．洛氏硬度(HR)

洛氏硬度的測試原理是以頂角為120°金剛石圓錐體(或Φ1.588mm淬火鋼球)為壓頭，在規(guī)定的載荷下，垂直地壓人被測金屬表面，卸載后依據(jù)壓人深度九，由刻度盤上的指針直接指示出HR值(圖1—4)。為使洛氏硬度計能夠測試從軟到硬各種材料的硬度，其壓頭及載荷可以變更，而刻度盤上也有三個不同的硬度標尺。表1—1列出了各個硬度標尺的壓頭、總載荷及其適用材料。其中，HRC在生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。標尺壓頭總載荷/N適用測試教材有效植HRA120°金剛石圓錐體600硬質(zhì)合金、表面淬火鋼70～85HRBΦ1.588mm淬火鋼球1000退火鋼、非鐵合金25～100HRC120°金剛石圓錐體1500一般淬火件20～67表1-1洛氏硬度的測試范圍第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五洛氏硬度(HR)試驗第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五三、韌性

金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的常用指標為沖擊韌度。沖擊韌度通常采用擺錘式?jīng)_擊試驗機測定。測定時，一般是將帶缺口的標準沖擊試樣(參見GB／T229—94)放在試驗機上，然后用擺錘將其一次沖斷，并以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖擊功表示其沖擊韌度，即ak=AkA（J/cm2）

ak——沖擊韌度(沖擊值)；

Ak——沖斷試樣所消耗的沖擊功，J；A——試樣缺口處的截面積，cm2

。第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五四、疲勞強度機械上的許多零件，如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等是在周期性或非周期性動載荷(稱為疲勞載荷)的作用下工作的。這些承受疲勞載荷的零件發(fā)生斷裂時，其應(yīng)力往往大大低于該材料的強度極限，這種斷裂稱作疲勞斷。金屬材料所承受的疲勞應(yīng)力(σ)與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(N)，具有圖1—5所示的疲勞曲線關(guān)系。當應(yīng)力下降到某值之后，疲勞曲線成為水平線，這表示該材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞斷裂，這個應(yīng)力值稱為疲勞極限或疲勞強度，亦即金屬材料在無數(shù)次循環(huán)載荷作用下不致引起斷裂的最大應(yīng)力。當應(yīng)力按正弦曲線對稱循環(huán)時，疲勞強度以符號σ-1表示。第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，一般認為是由于材料含有雜質(zhì)、表面劃痕及其它能引起應(yīng)力集中的缺陷，導致產(chǎn)生微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，致使零件有效截面逐步縮減，直至不能承受所加載荷而突然斷裂。為了提高零件的疲勞強度，除應(yīng)改善其結(jié)構(gòu)形狀、減少應(yīng)力集中外，還可采取表面強化的方法，如提高零件的表面質(zhì)量、噴丸處理、表面熱處理等。同時，應(yīng)控制材料的內(nèi)部質(zhì)量，避免氣孔、夾雜等缺陷。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)金屬材料的物理、化學及工藝性能一、物理性能金屬材料的物理性能主要有密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。由于機器零件的用途不同，對其物理性能的要求也有所不同。例如，飛機零件常選用密度小的鋁、鎂、鈦合金來制造；設(shè)計電機、電器零件時，常要考慮金屬材料的導電性等。金屬材料的物理性能有時對加工工藝也有一定的影響。例如，高速鋼的導熱性較差，鍛造時應(yīng)采用低的速度來加熱升溫，否則容易產(chǎn)生裂紋；而材料的導熱性對切削刀具的溫升有重大影響。又如，錫基軸承合金、鑄鐵和鑄鋼的熔點不同，故所選的熔煉設(shè)備、鑄型材料等均有很大的不同。第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五二、化學性能金屬材料的化學性能主要是指在常溫或高溫時，抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。對于在腐蝕介質(zhì)中或在高溫下工作的機器零件，由于比在空氣中或室溫時的腐蝕更為強烈，故在設(shè)計這類零件時應(yīng)特別注意金屬材料的化學性能，并采用化學穩(wěn)定性良好的合金。如化工設(shè)備、醫(yī)療用具等常采用不銹鋼來制造，而內(nèi)燃機排氣閥和電站設(shè)備的一些零件則常選用耐熱鋼來制造。第二十二頁，共二十三頁，編輯于202