第一章金属材料的性能

1、金属材料的性能,第一节 金属的力学性能 第二节 金属的物理化学性能 第三节 金属的工艺性能,学习要求,1.准确理解各种性能指标的含义、试验方法、适用范围； 2.学会利用掌握的理论知识对遇到的实际问题或现象进行科学的解释； 3.要学会对所学的知识进行分类、归纳和整理，提高学习效率； 4.该课程具有很强的实践性，在学习时应尽量将自己的感性认识与教学内容相联系，帮助理解和掌握有关术语的含义； 5.金工实习时，应尽量熟悉金属材料的性能特点，为学习该课程做准备。,第一节 金属的力学性能,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包

2、括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。,一、强度与塑性 在静载荷作用下，材料抵抗变形与断裂的能力称为强度。 静载荷是指载荷的大小由零缓慢增加到最大值或大小保持不变的载荷，如钢索的拉力。 在静载荷作用下，材料产生塑性变形但不发生破坏的能力称为材料的塑性。 金属材料的强度和塑性指标可以通过静拉伸试验测得。,静拉伸试验 缓慢地在试样两端施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，试验一般进行到试样被拉断为止。测定试样对外加载荷的抗力，可以求出材料的强度指

3、标；测定试样在破断后塑性变形的大小，可以求出材料的塑性指标。,强度指标 弹性极限e： 材料开始发生塑性变形 时的应力值。 屈服强度s： 材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2： 残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b： 材料断裂前所承受的最大应力值。,应力-应变曲线,应力 = f/a0 应变 = (l-l0)/l0,工作条件下不允许产生微量塑性变形的零件，设计时应该根据弹性极限e来选材。如用弹簧 。 大多数金属合金没有屈服点。因此规定发生0.2%残余伸长的应力，作为条件屈服强度，以0.2表示 。 要求不十分严格的零件与结构，则要以材料的屈服强度（屈服点）作为设计和选材的主要

4、依据。 塑性差的材料（脆性材料）一般不产生缩颈，其抗拉强度就是断裂强度。在这种情况下，抗拉强度是设计的主要依据。,条件屈服强度的测定方法,刚度 材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。指标为弹性模量e。 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,塑性指标 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标为： 伸长率： 断面收缩率： 通过塑性变形所伴随的硬化过程可使材料强度获得提高，所以塑性变形是改善金属材料性能的一个重要手段。另一方面，材料具有一定塑性可以提

5、高零件使用的可靠性，防止突然断裂。,说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 。 时，无颈缩，为脆性材料表征； 时，有颈缩，为塑性材料表征。,二、硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 布氏硬度hb,压头为钢球时，布氏硬度用符号hbs表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号hbw表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 符号hbs或hbw之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、

6、载荷及载荷保持时间。,如120hbs10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kn）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 布氏硬度的缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适用范围：适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 材料的b与hb之间的经验关系： 对于低碳钢: b(mpa)3.6hb 对于高碳钢：b(mpa)3.4hb 对于铸铁： b(mpa)1hb或 b(mpa) 0.6(hb-40),洛氏硬度hr hr=（k-h）/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的

7、标尺为a、b、c。,符号hr前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 hra用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 hrb用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 hrc用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,维氏硬度,维氏硬度用符号hv表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。,三、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

8、 指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,冲击试验原理图,试样上开缺口的目的是：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，并保证在缺口处发生破断，以便正确测定材料承受冲击载荷的能力。同一种材料，试样缺口越深、越尖锐，冲击功越小，材料表现脆性越显著。因此，不同类型的冲击试样，冲击韧性值不能直接比较。 冲击韧性指标：,韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。 体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,冲击韧性-温度曲线,对于承受大能量冲击一次

9、或次数不多而破坏的构件，k值可作为材料的冲击抗力指标。但在实际生产中，机件很少是因一次大能量冲击而损毁，大多数是在小能量多次冲击载荷（如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等）下工作的，在这种情况，不能再以k值作为选材和设计的依据，应进行小能量多次冲击试验。 多次冲击抗力指标一般是以被测材料在一定冲击功作用下，开始出现裂纹和最后断裂的冲击次数来表示的。,小能量多次弯曲试验示意图,四、金属的疲劳 疲劳现象 ：构件在交变应力作用下经过较长时间的工作，在工作应力远小于屈服强度的情况下发生断裂的现象称作金属的疲劳。 交变应力：是指载荷的大小或大小和方向都随时间发生周期性变化的一类载荷。 疲劳断裂与静载荷下的

10、断裂不同，无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大的危险性。 疲劳强度：材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。疲劳强度可由疲劳曲线获得。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。,疲劳曲线 ：在交变载荷下，金属承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，通常用疲劳曲线来描述。金属所受的最大交变应力max愈大，则断裂前所经受的循环周次n（疲劳寿命）愈少；反之，max愈小，则n愈大。,疲劳曲线,疲劳断口 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,轴的

11、疲劳断口,疲劳辉纹（扫描电镜照片）,第二节 金属的物理化学性能,一、金属的物理性能 密度 ：单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5103kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及其合金；密度大于5103kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。 熔点 ：熔点是指材料的熔化温度。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，而高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点。 热膨胀性 ：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。 选用金属材料时应考虑温度对零件或构件尺寸和形状的影响。如轴与轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少

12、工件的变形和开裂。,磁性 ：金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性 。 铁磁性材料在外加磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。 顺磁性材料在外加磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。 抗磁性材料能抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属，如铜、锌等。 导热性 ：材料传导热量的性能称为导热性。导热性好的材料（如铜、铝及其合金）常用来制造热交换器等传热设备的零件。导热性差的材料（如陶瓷、木材）常用来制造绝热材料。,导电性 ：金属能够传导电流的性能称为导电性。电阻率越小，金属材料的导电性越好。电阻率小的金属（如纯铜、纯铝）适于制造导电零件和电线；电阻率大的金属（如钨、铁、铬）适于制造电热元件。 二、金

13、属的化学性能 耐腐蚀性 ：金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。腐蚀不仅会使结构发生破坏，也会降低产品的使用寿命。 抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升高而加速，如钢材在锻造、热处理等热加工时，氧化比较严重。氧化不仅造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷。,第三节 金属的工艺性能,焊接性能：焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。好的焊接接头应满足两点：一是无超出技术要求的焊接缺陷；二是焊接接头满足预定的使用性能的要求。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁的焊接性能则较差。 锻造性能：金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏取决于材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。如黄铜、变形铝合金在室温下就有良好的锻造性能，碳钢在加热状态下锻造性能良好，铸铁则不能锻造。,铸造性能：金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全逐渐的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析性等。在金属材料中铸铁和青铜具有良好的铸造性能。 切削加工性能：材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。切削