金屬材料及熱處理 課件 項(xiàng)目一 工程材料性能認(rèn)知

項(xiàng)目一工程材料性能認(rèn)知任務(wù)一熟知工程材料的力學(xué)性能任務(wù)二熟知工程材料的工藝性能任務(wù)一熟知工程材料的力學(xué)性能材料的強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料的塑性是指材料在外力作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。材料的強(qiáng)度和塑性是材料最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，可以通過拉伸試驗(yàn)獲得。

一

強(qiáng)度與塑性1拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線（1）拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)時(shí)，將試樣兩端裝入拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)夾緊，隨后緩慢加載。隨著載荷的不斷增加，試樣隨之伸長，直至拉斷為止。光滑圓柱形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（2）拉伸曲線在拉伸過程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動繪圖裝置繪制出載荷(拉伸力)和伸長量之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線，也稱力—伸長曲線。1）彈性變形階段（O-E）當(dāng)載荷由零逐漸增加到Fe時(shí)，試樣處于彈性變形狀態(tài)，卸除載荷后試樣可恢復(fù)到原來的形狀和尺寸。OP階段載荷與伸長量呈正比關(guān)系，即符合虎克定律。2）屈服階段（E-S）當(dāng)載荷超過Fe后，試樣開始產(chǎn)生塑性變形，或稱永久變形，即卸除載荷時(shí)，伸長的試樣只能部分地恢復(fù)，而保留一部分的殘余變形。當(dāng)載荷增加到Fs時(shí)，拉伸曲線上出現(xiàn)平臺或鋸齒狀，這種在載荷不增加的情況下，試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為屈服。3）強(qiáng)化階段（S-B）當(dāng)載荷超過Fs后，由于塑性變形而產(chǎn)生形變強(qiáng)化，必須增大載荷才能使伸長量繼續(xù)增加。此時(shí)變形與強(qiáng)化交替進(jìn)行，直至載荷達(dá)到Fb時(shí)，試樣的伸長量也達(dá)到最大值。（4）局部塑性變形階段（B-K）當(dāng)載荷達(dá)到后，試樣的某一部位橫截面急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”。此時(shí)施加的載荷逐漸減小，而變形繼續(xù)增加，直到K點(diǎn)時(shí)試樣斷裂。2彈性極限與剛度（1）彈性極限彈性極限是指材料保持彈性變形所能承受的最大應(yīng)力，用符號Re（MPa）表示。Re=Fe/A0（2）剛度剛度是指材料抵抗彈性變形的能力，它表征了材料彈性變形的難易程度，通常用彈性模量E來衡量。E=σ/ε

3強(qiáng)度（1）屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是指材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最小應(yīng)力，它反映了工程材料抵抗塑性變形的能力，用符號ReL（MPa）表示。

ReL

=Fs/A0

對于鑄鐵、高碳鋼等沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，可測定其規(guī)定殘余伸長應(yīng)力值，用符號Rr0.2（MPa）表示，它表示材料在卸除載荷后，試樣標(biāo)距部分殘余伸長率達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí)的應(yīng)力。Rr0.2=F0.2/A0

（2）抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限)抗拉強(qiáng)度是指材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，它反映了材料抵抗斷裂的能力，用符號Rm（MPa）表示。Rm=Fm/A0

4塑性（1）斷后伸長率是指試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比，用符號A表示。

A=(L1-L0)/L0x100％

（2）斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，用符號Z表示。

Z=(S0-S1)/S0x100％

二

硬度硬度是指材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力，即受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。目前生產(chǎn)中普遍采用的硬度試驗(yàn)方法主要有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

1布氏硬度

以一定直徑的球體(淬火鋼球或硬質(zhì)合金球)在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測量其壓痕直徑，計(jì)算硬度值。布氏硬度值用壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示。壓頭為淬火鋼球時(shí)，用符號HBS表示，適用于測量硬度值小于450HBS的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號HBW表示，適用于測量硬度值在450～650HBW的材料。布氏硬度值一般不用計(jì)算方法求得，而是先測出壓痕直徑d，然后從專門的硬度表中查得相應(yīng)的布氏硬度值。

布氏硬度的標(biāo)注方法為：硬度符號之前用數(shù)字表示硬度值，符號之后依次用數(shù)字注明壓頭直徑D、試驗(yàn)載荷F和載荷保持時(shí)間t（10～15s不標(biāo)注）。例如，180HBS/10/1000/30，即表示用淬火鋼球作為壓頭，在D=10mm，F(xiàn)=9807N，t=30秒的條件下，測得的布氏硬度值180。布氏硬度主要適用于測定各種鑄鐵，退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼，以及非鐵合金等質(zhì)地相對較軟材料。2洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)采用測量壓痕深度的方法來確定材料的硬度值。在初始試驗(yàn)力F0和總試驗(yàn)力(F0+F1)的先后作用下，將頂角為120°金鋼石圓錐體或直徑為1.588mm(1／16英寸)的淬火鋼球壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，用測量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算洛氏硬度值。壓頭壓入的深度越小，則金屬硬度越高。為適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的觀念，故人為地規(guī)定用一常數(shù)K減去壓痕深度h作為洛氏硬度指標(biāo)，并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位，用符號HR表示。HR=(K-h)/0.002洛氏硬度值是一個(gè)無量綱的材料性能指標(biāo)，硬度值在試驗(yàn)時(shí)直接從硬度計(jì)的表盤上讀出。

根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，洛氏硬度常用有HRA、HRB、HRC三種。洛氏硬度的標(biāo)注方法如下：硬度符號HR前面的數(shù)字表示硬度值，后面的符號表示不同洛氏硬度的標(biāo)度，例如60HRC、81HRA等。硬度符號壓頭總載荷F總

/kgf(N)硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRA120°金鋼石圓錐體60(588.4)70~85HRA硬質(zhì)合金、表面淬火、滲碳層等HRBφ1.588mm鋼球100(980.7)25~100HRB非鐵金屬，退火、正火鋼等HRC120°金鋼石圓錐體150(1471.1)20~67HRC淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等3維氏硬度維氏硬度也是一種壓入硬度試驗(yàn)。將一個(gè)相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭，以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量壓痕對角線長度。維氏硬度值為單位壓痕表面積所承受試驗(yàn)力的大小，用符號HV表示，單位為kgf／mm2。維氏硬度值也是根據(jù)壓痕角線長度直接查表獲得的。維氏硬度試驗(yàn)適用于測定金屬鍍層、薄片金屬、表面硬化層以及化學(xué)熱處理（如氮化、滲碳等）后的表面硬度。當(dāng)試驗(yàn)力小于1.961N時(shí)，壓痕非常小，可用于測量金相組織中不同相的硬度，測得的硬度值稱為顯微硬度，用符號HM表示。三

沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌度或韌性，即在沖擊載荷作用下金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。1沖擊試驗(yàn)及其指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功：AK=G(H-h)沖擊韌度：aK=AK/S0用U型缺口和V型缺口試樣測定的結(jié)果，沖擊吸收功分別用符號AKU和AKV來表示，沖擊韌度分別用符號aKU和aKV來表示。隨溫度的降低，AK值呈下降趨勢。當(dāng)溫度降至某一范圍時(shí)，AK值急劇下降，鋼材由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變，該溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。任務(wù)一熟知工程材料的力學(xué)性能1.3.2小能量多次沖擊試驗(yàn)在實(shí)際工作中，金屬零件所承受的沖擊多屬小能量多次沖擊。試驗(yàn)時(shí)將試樣放在連續(xù)沖擊試驗(yàn)機(jī)上，沖錘以一定的能量對試樣多次沖擊，測定試樣出現(xiàn)裂紋和最后斷裂的沖擊次數(shù)N，以此作為多次沖擊抗力指標(biāo)。多次沖擊抗力與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)。當(dāng)沖擊能量高時(shí)，材料的多沖抗力主要取決于塑性；在沖擊能量低時(shí)，則主要取決于強(qiáng)度。四

斷裂韌度在實(shí)際工程應(yīng)用中，一些用高強(qiáng)度鋼制造的零件或大型焊接構(gòu)件，如橋梁、船舶等，有時(shí)會在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服點(diǎn)，甚至低于許用應(yīng)力的條件下，突然發(fā)生脆性斷裂，這樣的斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。實(shí)際上，材料內(nèi)部并不是完整的、均勻得、連續(xù)的，會有各種冶金或加工缺陷存在，這些缺陷可以看作是材料中的裂紋。在外力的作用下，這些裂紋的尖端前沿將產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成一個(gè)裂紋尖端應(yīng)力場，其強(qiáng)弱可用應(yīng)力強(qiáng)度因子KI來描述，單位為MPa·m1/2。對于一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，

Y值是一定的。當(dāng)外力逐漸增大，或裂紋逐漸擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI也隨之增大。當(dāng)KI增大到某一值時(shí)，就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，直至發(fā)生脆斷。這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用符號KIC表示。斷裂韌度表明了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力。斷裂韌度可通過實(shí)驗(yàn)測得，它與裂紋本身大小，形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決于材料本身的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。斷裂韌度為零件設(shè)計(jì)和無損探傷提供了定量的依據(jù)，對于評估材料的使用壽命和機(jī)件工作的可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。五

疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件，在工作過程中，載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性的循環(huán)變化，這種載荷稱為交變載荷或循環(huán)載荷。金屬在交變載荷作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷口可分為三個(gè)部分：發(fā)源區(qū)(疲勞源)；擴(kuò)展區(qū)(光亮區(qū))；最后斷裂區(qū)(粗糙區(qū))。通過疲勞試驗(yàn)測得材料承受的交變應(yīng)力值σ和斷裂前的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線，即疲勞曲線。應(yīng)力值σ越低，斷裂前的循環(huán)次數(shù)就越多。當(dāng)應(yīng)力值降低到某一定值后，曲線與橫坐標(biāo)平行，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。對稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度用符號σ-1表示，單位為MPa。產(chǎn)生疲勞的原因：一般是由于材料表面或內(nèi)部的缺陷(如刀痕、夾雜等)易引起應(yīng)力集中，在交變載荷的作用下產(chǎn)生微裂紋，并隨著載荷循環(huán)周次的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，使零件實(shí)際承載面積不斷減少，直至最后達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，實(shí)際應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度極限，零件發(fā)生突然斷裂。提高零件疲勞強(qiáng)度的措施：對零件結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低表面粗糙度，對表面進(jìn)行各種強(qiáng)化處理，使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力等。

任務(wù)二熟知工程材料的工藝性能1、鑄造性