项目1 金属材料的性能

1、 项目项目1：金属材料的性能：金属材料的性能 材料的性能：材料的性能：工艺性能工艺性能 、使用性能、使用性能。 2.使用性能使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。 如：物理性能、化学性能、力学性能。如：物理性能、化学性能、力学性能。 1.工艺性能工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。 如：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性等。如：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性等。 金属的密度就是单位体积金属的质量金属的密度就是单位体积金属的质量 熔点：熔点：

2、 导电性导电性： 导热性：导热性： 热膨胀性：热膨胀性： 磁性：磁性： 缓慢加热时金属由固态转变为液态的温度缓慢加热时金属由固态转变为液态的温度 材料传导热量的能力材料传导热量的能力 是材料传导电流的能力是材料传导电流的能力 材料因温度变化而引起的体积变化现象材料因温度变化而引起的体积变化现象 材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性 或磁性或磁性 密度密度： 物理性能物理性能 1. 材料的使用性能材料的使用性能 金属材料与周围介质接触时抵抗金属材料与周围介质接触时抵抗 发生化学或电化学反应的性能。发生化学或电化学反应的性能。 耐耐腐蚀性腐蚀性指金属

3、材料抵抗各种介质侵蚀的能力。指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 抗抗氧化性氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力。指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力。 耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等 如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等 化学性能化学性能 是指金属材料在载荷作用下所表现出来的性能是指金属材料在载荷作用下所表现出来的性能 力学性能力学性能 力学性能指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性等力学性能指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性等。 1.1.1强度、刚度与塑性强度、刚度与塑性 一般用静拉伸实验

4、来测得一般用静拉伸实验来测得 应力（应力（）：单位横截面积的内力）：单位横截面积的内力 标准拉伸试样规格：长试样标准拉伸试样规格：长试样L L0 0=10d=10d0 0 短试样短试样L L0 0= =5d5d0 0 =F/S=F/S 第第1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能7 静载荷静拉伸曲线静载荷静拉伸曲线 第第1章章 k （1 1）强度）强度 弹性极限弹性极限 e e 金属材料发生弹性变形时所能承受的最大应力。金属材料发生弹性变形时所能承受的最大应力。 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 屈服极限屈服极限s（屈服强度或屈服点）（屈服强度或屈服点）

5、 s s=F=Fs s/S/So o 金属材料发生明显的塑性变形时所能承受的最小应力。金属材料发生明显的塑性变形时所能承受的最小应力。 e e=F=Fe e/S/So o 抗拉强度抗拉强度 b b （强度极限）（强度极限） 是试样被拉断前的所能承受的最大应力是试样被拉断前的所能承受的最大应力 b b=F=Fb b/S/So o 材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值 屈强比屈强比 s s与与 b b的比值。的比值。 屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高， 屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。

6、 弹性模量弹性模量E E E E愈大，刚度越大，弹性变形越不容易进行。愈大，刚度越大，弹性变形越不容易进行。 （3 3）塑性）塑性 断后伸长率断后伸长率 断面收缩率断面收缩率 %100 0 10 S SS 是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。 材料在断裂前发生塑性变形的能力。材料在断裂前发生塑性变形的能力。 （2 2）刚度）刚度 表示材料抵抗弹性变形的能力。表示材料抵抗弹性变形的能力。 、越大，材料塑性越好越大，材料塑性越好 %100 0 01 L LL 1.1.2. 硬度硬度 材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力材料抵抗局部变形、特别是塑性

7、变形、压痕或划痕的能力。 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。 硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算 出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。 （1 1） 布氏硬度（布氏硬度（HBHB） 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度， 压入法又分为压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。等。 布氏硬度测定的原理布氏硬度测定的原理 是

8、把一定直径的是把一定直径的淬火钢球或硬质合金球淬火钢球或硬质合金球，以规定的，以规定的载荷载荷p压压 入入被测材料表面，保持被测材料表面，保持一定时间一定时间后后卸除载荷卸除载荷，测出，测出压痕直径压痕直径d， 求出压痕面积，实验载荷除以球面压痕表面积所得的商即为求出压痕面积，实验载荷除以球面压痕表面积所得的商即为布布 氏硬度氏硬度。 第第1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 第第1章章 13 布氏硬度测试原理示意图布氏硬度测试原理示意图 布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻布氏硬度适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻 软的轴承合金。软的轴承合

9、金。 120 HBS 10/1000/10120 HBS 10/1000/10 表示用直径表示用直径D=10mmD=10mm的淬火钢球压头在的淬火钢球压头在1000kgf1000kgf（9.8KN9.8KN） 的试验载荷作用下，保持的试验载荷作用下，保持1010秒所测得布氏硬度值为秒所测得布氏硬度值为120120 。 HBSHBS只可用来测定硬度值小于只可用来测定硬度值小于450450的金属材料。的金属材料。 500 HBW 5/750500 HBW 5/750 表示用直径表示用直径D=5mm D=5mm 的硬质合金球压头在的硬质合金球压头在750kgf750kgf（7.35KN7.35KN）

10、 的试验载荷作用下，保持的试验载荷作用下，保持10-1510-15秒（不标注）所测得布氏硬秒（不标注）所测得布氏硬 度值为度值为500 500 。 HBWHBW可用来测定硬度值可用来测定硬度值450-650450-650的金属材料。的金属材料。 布氏硬度的表示方法（布氏硬度的表示方法（HBSHBS或或HBWHBW） （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度（HRHR） 洛氏硬度测试原理洛氏硬度测试原理 以顶角为以顶角为120120的金刚的金刚 石圆锥体或一定直径的淬火石圆锥体或一定直径的淬火 钢球作为压头，以规定的试钢球作为压头，以规定的试 验力使其压入试样表面，根验力使其压入试样表面，根 据压痕的深度确

11、定被测金属据压痕的深度确定被测金属 的硬度值。的硬度值。 硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出 h1- h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计 洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法如如404045HRC45HRC 常见洛氏硬度的试验条件及应用范围常见洛氏硬度的试验条件及应用范围 硬度硬度 符号符号 压头压头 总载荷总载荷 （kgf） 表盘上刻表盘上刻 度颜色度颜色 常用硬度常用硬度 值范围值范围 使用范围使用范围 HRA 金钢石圆金钢石圆 锥锥 60黑黑 色色2085 碳化物、硬质合碳化物、硬质合 金、表面淬火层金、表面淬火层 等等 HRB

12、 1.5875m m钢球钢球 100红红 色色25100 有色金属、退火有色金属、退火 及正火钢等及正火钢等 HRC 金钢石圆金钢石圆 锥锥 150黑黑 色色2067 调质钢、淬火钢调质钢、淬火钢 等等 特点与应用特点与应用 洛氏硬度可用于测量淬火钢、硬质合金等材料。洛氏硬度可用于测量淬火钢、硬质合金等材料。 1 1）试验简单、方便、迅速试验简单、方便、迅速 2 2）压痕小，可测成品，薄件压痕小，可测成品，薄件 3 3）数据不够准确，应测三点取平均值数据不够准确，应测三点取平均值 4 4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。不应测组织不均匀材料，如铸铁。 （3 3）维氏硬度（）维氏硬度（HVHV）

13、为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度， 因而制定了维氏硬度试验法。因而制定了维氏硬度试验法。 是用一种顶角为是用一种顶角为136的正四棱锥体的正四棱锥体金金 钢压头钢压头，在，在载荷载荷F作用下，试样表面压出作用下，试样表面压出 一个一个四方锥形压痕四方锥形压痕，测量压痕两，测量压痕两对角线的对角线的 平均长度平均长度d计算硬度的一种试验方法。计算硬度的一种试验方法。 一般根据一般根据d值查表即可得到值查表即可得到硬度值硬度值。 维氏硬度试验法原理维氏硬度试验法原理 维氏硬度主要用来测定薄件、镀层、化学热处理后的表层等。维氏硬度

14、主要用来测定薄件、镀层、化学热处理后的表层等。 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示。例如：表示。例如：640 HV 30/20640 HV 30/20 维氏硬度的表示方法维氏硬度的表示方法 1 1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬） 2 2）可测成品与薄件可测成品与薄件 3 3）试样表面要求高，费工时。试样表面要求高，费工时。 维氏硬度的特点维氏硬度的特点 1.1.3. 1.1.3. 冲击韧性冲击韧性（A Ak k或或a ak k ） 韧性韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力：材料断裂前吸收变形能量的能力 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂

15、的能力。冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 a ak k=A Ak k/S So o 冲击吸收功冲击吸收功 A Ak k=mg(h=mg(h1-h-h2 2) ) 冲击韧度冲击韧度（a ak） ：指冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击指冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击 吸收功。吸收功。 冲击韧性实验冲击韧性实验 A Ak k=mg(h=mg(h1 1-h-h2)2) nTitanic Titanic 含含硫硫高的钢高的钢 板，板，韧性韧性很差，特别是在很差，特别是在 低温呈脆性。所以，冲击低温呈脆性。所以，冲击 试样是典型的脆性断口。试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样近

16、代船用钢板的冲击试样 则具有相当好的韧性则具有相当好的韧性。 Titanic Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果 1.1.4. 疲劳强度疲劳强度 80%的断裂由疲劳造成的断裂由疲劳造成 疲劳断裂：疲劳断裂：材料在材料在承受大小和方同随时间作周期性变化承受大小和方同随时间作周期性变化 （包括交变应力和重复）的载荷作用下，往往在远小于强（包括交变应力和重复）的载荷作用下，往往在远小于强 度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 陶瓷、高分子材料的疲劳强度很低，金属材料疲劳强

17、度较高，陶瓷、高分子材料的疲劳强度很低，金属材料疲劳强度较高， 纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。 疲劳强度（疲劳极限）：材料经无数次应力循环而疲劳强度（疲劳极限）：材料经无数次应力循环而 不发生疲劳断裂的最高应力值。疲劳强度大小用循不发生疲劳断裂的最高应力值。疲劳强度大小用循 环基数表示。环基数表示。 循环基数：钢铁材料循环基数：钢铁材料10；非铁金属；非铁金属10；腐蚀介质作用下；腐蚀介质作用下10 786 1.铸造性能铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能， 2.焊接性能焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。处是否能满足使用目的的特性。 3.锻造性能锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。破裂的能力。 2.材料的工艺性能材料的工艺性能 含碳量含碳量4.3%4.3%的铁碳合金铸造性最好。的铁碳合金铸造性最好。 含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，焊接性越差。 含碳量越高，锻造性越差。含碳量越高，锻造性越差。 指材料适应加工工艺要