课题一金属材料及其性能

1、 江 门 职 业 技 术 学 院 金属材料 及热处理 “金属材料及热处理金属材料及热处理”总课时总课时4545 课程内容课程内容 课题一课题一 认识并掌握金属材料基本性能（认识并掌握金属材料基本性能（6 6课时）课时） 课题二课题二 认识并应用金属材料的晶体结构与结晶（认识并应用金属材料的晶体结构与结晶（5 5课时）课时） 课题三课题三 掌握并运用铁碳合金相图（掌握并运用铁碳合金相图（3 3课时）课时） 课题四课题四 掌握钢的热处理工艺与应用（掌握钢的热处理工艺与应用（8 8课时）课时） 课题五课题五 熟悉并正确选用碳素钢（熟悉并正确选用碳素钢（3 3课时）课时） 课题六课题六 掌握常用合金钢

2、的性能与应用（掌握常用合金钢的性能与应用（5 5课时）课时） 课题七课题七 掌握常用铸铁性能与应用（掌握常用铸铁性能与应用（3 3课时）课时） 课题八课题八 非铁金属及其合金（非铁金属及其合金（4 4课时）课时） 课题九课题九 金属材料工程选用（金属材料工程选用（8 8课时）课时） 课题十课题十 了解工程前沿新材料的特点与应用（选学）了解工程前沿新材料的特点与应用（选学） 课程考核课程考核 课程考核课程考核 1 1）平时成绩：（课堂纪律、课堂提问、出勤）平时成绩：（课堂纪律、课堂提问、出勤 率）占率）占25%25%； 2 2）作业占）作业占1515； 3 3）期末考试占）期末考试占6060。

3、课题一课题一 认识并掌握金属材料基本性能认识并掌握金属材料基本性能 p课题一课题一 认识并掌握金属材料基本性能认识并掌握金属材料基本性能 p任务任务1 1 认识金属材料认识金属材料 p任务任务2 2 了解钢铁材料的生产过程了解钢铁材料的生产过程 p任务任务3 3 掌握金属材料的物理与化学性能掌握金属材料的物理与化学性能 p任务任务4 4 掌握并能测量金属材料的力学性能掌握并能测量金属材料的力学性能 p任务任务5 5 掌握金属材料的工艺性能掌握金属材料的工艺性能 p思考与练习思考与练习 任务一任务一 认识金属材料认识金属材料 学习目标学习目标 知识目标：了解材料的历史；熟悉材料的分类；知识目标：

4、了解材料的历史；熟悉材料的分类； 认识新材料。认识新材料。 能力目标：能够区分金属材料与非金属材料；能能力目标：能够区分金属材料与非金属材料；能 够辨别金属材料物理性能和化学性能。够辨别金属材料物理性能和化学性能。 青 铜 器 1. 1. 材料的历史与发展材料的历史与发展 什么是材料呢？什么是材料呢？ 材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类 存在且能为人类制造有用器件的物质，材料是人类生存在且能为人类制造有用器件的物质，材料是人类生 活、社会发展的重要物质文明基础。活、社会发展的重要物质文明基础。 材料的特性是能用于结构、机器、器件或其他产品。

5、材料的特性是能用于结构、机器、器件或其他产品。 青 铜 器 石器 陶器 瓷器 公元前公元前1010万年，人类只能使用天然的石头、木棒作为万年，人类只能使用天然的石头、木棒作为 狩猎工具狩猎工具-石器时代石器时代. . 公元前公元前80008000年，火的发现使人类有了改造自然的武器，年，火的发现使人类有了改造自然的武器， 人类对材料的使用由天然材料向人工材料发展，人类对材料的使用由天然材料向人工材料发展，-陶陶 器时代器时代. . 青 铜 器 青铜器 公元前公元前30003000年，随着制陶技术的发展，又为炼铜准备年，随着制陶技术的发展，又为炼铜准备 了必要的条件，紧接着是青铜器时代了必要的条

6、件，紧接着是青铜器时代 青 铜 器 铁人 黄黄 河河 镇镇 河河 大大 铁铁 牛牛 随着冶炼技术的提高，人类步入了铁器时代随着冶炼技术的提高，人类步入了铁器时代 新材料新工艺 涤纶安全带 尼龙齿轮 耐磨陶瓷 绝缘陶瓷 玻璃钢赛车壳体 光缆 玻璃钢储液罐 磁浮列车（时速430公里） 镁铝合金手机壳 2020世纪世纪 4040年代年代 材料科材料科 学的技学的技 术革命术革命 产生了产生了 复合材复合材 料，人料，人 类进入类进入 了新材了新材 料时代料时代 （硅器（硅器 时代）时代） 新 材 料 新 工 艺 新型轿车 电动汽车 镁铝合金叶轮 分层实体快速成形 减速机箱体原型 熔融沉积快速 成形叶

7、轮原型 人造卫星 运载火箭 飞船 “神舟”五号飞行成 功 隐形战斗机 歼10战斗机 2121世纪的世纪的 人类已进人类已进 人金属人金属 （如钛金（如钛金 属）、高属）、高 分子、陶分子、陶 瓷及复合瓷及复合 材料共同材料共同 发展的时发展的时 代代 2. 2. 材料的分类材料的分类 按不同的分类方法可以将材料分成五种按不同的分类方法可以将材料分成五种. . （1 1）按材料的化学组成分类）按材料的化学组成分类 根据材料的化学组成分为金属材料和非金属材料两大类。根据材料的化学组成分为金属材料和非金属材料两大类。 非金属材料分为高分子材料、陶瓷材料和复合材料三种非金属材料分为高分子材料、陶瓷材料

8、和复合材料三种 类型。类型。 （2 2）按材料的特性和用途分为结构材料和功能材料两）按材料的特性和用途分为结构材料和功能材料两 大类。大类。 结构材料结构材料 功能材料功能材料 （3 3）按材料内部原子排列分为晶体材料与非晶体材料）按材料内部原子排列分为晶体材料与非晶体材料 两大类。两大类。 （4 4）按材料的热力学状态分为稳态材料及亚稳态材料）按材料的热力学状态分为稳态材料及亚稳态材料 两大类。两大类。 （5 5）按材料尺寸分为一维（纤维及晶须）材料、二维）按材料尺寸分为一维（纤维及晶须）材料、二维 （薄膜）材料及三维（大块）材料三大类。（薄膜）材料及三维（大块）材料三大类。 3. 3. 金

9、属材料的应用金属材料的应用 在近代，材料专家把金属材料比做现代工业的骨在近代，材料专家把金属材料比做现代工业的骨 架，随着金属材料大规模生产及其使用量的急剧架，随着金属材料大规模生产及其使用量的急剧 上升，极大地促进了人类社会经济和科学技术的上升，极大地促进了人类社会经济和科学技术的 飞速发展。如果没有耐高温、高强度、高性能的飞速发展。如果没有耐高温、高强度、高性能的 钛合金等金属材料，就不可能有现代宇航工业的钛合金等金属材料，就不可能有现代宇航工业的 发展。发展。 任务二任务二 了解钢铁材料的生产过程了解钢铁材料的生产过程 学习目标学习目标 知识目标：了解炼铁、炼钢的生产过程。知识目标：了解

10、炼铁、炼钢的生产过程。 能力目标：能说出炼铁与炼钢生产过程的差别。能力目标：能说出炼铁与炼钢生产过程的差别。 钢铁材料是钢和生铁的总称，是铁和碳的合金，按钢铁材料是钢和生铁的总称，是铁和碳的合金，按 含碳的质量分数含碳的质量分数wcwc可分为：工业纯铁可分为：工业纯铁wcwc0.02180.0218、 钢钢wcwc0.02180.02182.112.11）、白口铸铁或生铁）、白口铸铁或生铁2.112.11 wcwc6.696.69。 铁矿石经高炉冶炼获得生铁，生铁再经过冶炼得到铁矿石经高炉冶炼获得生铁，生铁再经过冶炼得到 钢。钢。 1 1炼铁炼铁 铁矿石中除铁外，还含有其他的氧化物，如二氧化硅

11、、氧化铁矿石中除铁外，还含有其他的氧化物，如二氧化硅、氧化 锰、三氧化二铝等，这些杂质称为脉石。炼铁实质是从铁矿石锰、三氧化二铝等，这些杂质称为脉石。炼铁实质是从铁矿石 （铁的氧化物）中还原铁并使之与杂质分离的过程。（铁的氧化物）中还原铁并使之与杂质分离的过程。 1 1）炼铁的原料及其作用：原料有铁矿石、燃料和熔剂。）炼铁的原料及其作用：原料有铁矿石、燃料和熔剂。 铁矿石：磁铁矿（主要含铁矿石：磁铁矿（主要含FeFe3 3OO4 4，含铁量最高）、赤铁矿，含铁量最高）、赤铁矿 （主要含（主要含FeFe2 2O O3 3，）和菱铁矿（主要含，）和菱铁矿（主要含FeCOFeCO3 3）。含）。含铁

12、铁量在量在3030 以上就有开采价值。以上就有开采价值。 2 2）燃料。高炉炼铁的燃料是焦炭。焦炭是烟煤）燃料。高炉炼铁的燃料是焦炭。焦炭是烟煤 隔绝空气加热分解的干馏物。作用是燃烧后提隔绝空气加热分解的干馏物。作用是燃烧后提 供高温，并提供一氧化碳还原剂供高温，并提供一氧化碳还原剂 3 3）熔剂。常用的熔剂是石灰石（）熔剂。常用的熔剂是石灰石（CaCOCaCO3 3），）， 作用是造渣。矿石中的脉石熔点很高，加人熔作用是造渣。矿石中的脉石熔点很高，加人熔 剂与脉石发生化学作用，生成熔点低、密度小、剂与脉石发生化学作用，生成熔点低、密度小、 流动性好的炉渣，将铁分离出来。流动性好的炉渣，将铁分

13、离出来。 2 2. . 炼铁的基本过程炼铁的基本过程 炼铁的设备是高炉。铁矿石、焦炭、炼铁的设备是高炉。铁矿石、焦炭、石灰石由石灰石由 装料机构分层在高炉上部装料口装人。基本过装料机构分层在高炉上部装料口装人。基本过 程包括燃料燃烧程包括燃料燃烧、铁的还原和增碳、其他元素、铁的还原和增碳、其他元素 的还原、造渣等。的还原、造渣等。 1 1）燃料燃烧燃料燃烧 2 2）氧化铁的还原和铁的增碳氧化铁的还原和铁的增碳 3 3）造渣。石灰石在加热到一定的温度后，会发造渣。石灰石在加热到一定的温度后，会发 生分解生成生石灰，生石灰与杂质发生反应生生分解生成生石灰，生石灰与杂质发生反应生 成熔渣，渣物密度比

14、铁水小，浮在铁水上，从成熔渣，渣物密度比铁水小，浮在铁水上，从 出渣口排出。出渣口排出。 3 3. . 高炉的产品高炉的产品 （1 1）铸造生铁（铸造生铁（ WcWc 1.251.25）和炼钢生铁）和炼钢生铁 （ WcWc 1.251.25） （2 2）高炉煤气和炉渣）高炉煤气和炉渣 2 2炼钢炼钢 1 1）炼钢的基本过程）炼钢的基本过程 钢和铁的区别钢和铁的区别是是钢中含碳量和硅、锰、磷、钢中含碳量和硅、锰、磷、 硫的含量比铁中少。把生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到硫的含量比铁中少。把生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到 规定的水平。炼钢与炼铁不同，炼铁是一个还原过程，而炼钢规定的水平。炼钢

15、与炼铁不同，炼铁是一个还原过程，而炼钢 则主要是一个氧化过程。氧化过程结束后，则主要是一个氧化过程。氧化过程结束后，铁水就变成了钢水，铁水就变成了钢水， 钢水中形成了大量钢水中形成了大量Fe0Fe0使力学性能变坏，需进行脱氧。向钢液使力学性能变坏，需进行脱氧。向钢液 中加入脱氧剂（如锰铁、硅铁、纯铝块），脱氧剂与中加入脱氧剂（如锰铁、硅铁、纯铝块），脱氧剂与FeOFeO反应，反应， 生成炉渣。生成炉渣。 2 2）炼钢的方法炼钢的方法 平炉炼钢法平炉炼钢法、转炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉构造复杂、建、转炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉构造复杂、建 厂投资大、燃料利用率很低、氧化过程缓慢及熔炼时间长等缺厂

16、投资大、燃料利用率很低、氧化过程缓慢及熔炼时间长等缺 点，已被淘汰。点，已被淘汰。 1 1）转炉炼钢法：）转炉炼钢法：氧气顶吹转炉炼钢是利用一根或几根吹氧管从钢液上方氧气顶吹转炉炼钢是利用一根或几根吹氧管从钢液上方 吹人纯氧，利用炉中化学反应产生的热进行冶炼，不需外加热源。首先是装吹人纯氧，利用炉中化学反应产生的热进行冶炼，不需外加热源。首先是装 料，将铁水注人炉内，并按比例向炉内加入一定量的废钢和造渣材料。向炉料，将铁水注人炉内，并按比例向炉内加入一定量的废钢和造渣材料。向炉 中吹入中吹入18181212个标准大气压的氧气。剧烈的氧化反应使铁水温度升高，使个标准大气压的氧气。剧烈的氧化反应使

17、铁水温度升高，使SiSi、 MnMn、S S、P P被氧化进入渣中，碳被氧化形成被氧化进入渣中，碳被氧化形成COCO气体逸出炉外。当钢液中气体逸出炉外。当钢液中S S、 P P、SiSi、MnMn、C C的含量均达到要求时停止吹氧。出钢前进行钢液的脱氧和合的含量均达到要求时停止吹氧。出钢前进行钢液的脱氧和合 金化，根据钢种要求加人脱氧剂和合金料，最后将钢水注入钢包以各连铸或金化，根据钢种要求加人脱氧剂和合金料，最后将钢水注入钢包以各连铸或 模铸使用。模铸使用。 转炉炼钢法转炉炼钢法 2 2）电炉炼钢法）电炉炼钢法 用于生产质量要求较高的合金钢和特殊钢种。电炉具有炉温高，用于生产质量要求较高的合

18、金钢和特殊钢种。电炉具有炉温高， 氧、硫及非金属夹杂含量低，合金元素烧损少等优点。电炉是氧、硫及非金属夹杂含量低，合金元素烧损少等优点。电炉是 电弧炉。电弧炉是利用石墨制成的电极与废钢料或钢水之间产电弧炉。电弧炉是利用石墨制成的电极与废钢料或钢水之间产 生的高温电弧作为热源来进行熔炼的。缺点是要消耗大量的电生的高温电弧作为热源来进行熔炼的。缺点是要消耗大量的电 能，成本比平炉钢、转炉钢高，用废钢作为炼钢原料。能，成本比平炉钢、转炉钢高，用废钢作为炼钢原料。 3. 3. 钢的浇注钢的浇注 炼好的钢液放人盛钢桶内，少数直接浇注成铸钢件，大部炼好的钢液放人盛钢桶内，少数直接浇注成铸钢件，大部 分浇注

19、成钢锭，送往轧钢车间或锻压车间，轧制或锻压成型分浇注成钢锭，送往轧钢车间或锻压车间，轧制或锻压成型 材、坯料等。材、坯料等。 目前浇注方法主要有钢锭模铸锭和连续铸锭两种。目前浇注方法主要有钢锭模铸锭和连续铸锭两种。 任务三任务三 掌握金属材料的物理与化学性能掌握金属材料的物理与化学性能 学习目标学习目标 知识目标：掌握金属材料的物理和化学性能知识。知识目标：掌握金属材料的物理和化学性能知识。 能力目标：能具体应用金属材料的物理和化学性能。能力目标：能具体应用金属材料的物理和化学性能。 通常把金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。通常把金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。 使用性能是在使用过程

20、中所表现出的特性，包括力学使用性能是在使用过程中所表现出的特性，包括力学 性能、物理性能、化学性能等。性能、物理性能、化学性能等。 工艺性能是金属材料在加工过程中适应各种冷热加工工艺性能是金属材料在加工过程中适应各种冷热加工 的性能。的性能。 钢中常存元素及其对性能的影响钢中常存元素及其对性能的影响 锰锰有益元素，有很好的脱氧能力，还原有益元素，有很好的脱氧能力，还原FeOFeO中的铁；还可中的铁；还可 与硫形成与硫形成MnSMnS，消除了硫的有害作用；溶于铁素体产生固溶强，消除了硫的有害作用；溶于铁素体产生固溶强 化，提高钢的强度和硬度。钢中含量化，提高钢的强度和硬度。钢中含量WWMn Mn

21、=0.25 =0.250.80.8 硅硅有益元素，脱氧能力比锰强，还原有益元素，脱氧能力比锰强，还原FeOFeO中的铁；溶于铁中的铁；溶于铁 素体产生固溶强化，提高钢的强度及质量，硅作为杂质含量在素体产生固溶强化，提高钢的强度及质量，硅作为杂质含量在 WWSi Si 0.10.10.4%0.4%。 硫硫有害元素，常以有害元素，常以FeSFeS形式存在，易使钢材变脆（热脆形式存在，易使钢材变脆（热脆 性）。性）。 磷磷有害元素，它使钢在低温时变脆（冷脆性）。有害元素，它使钢在低温时变脆（冷脆性）。 氢氢有害元素，能造成氢脆、白点等缺陷。有害元素，能造成氢脆、白点等缺陷。 1. 金属材料物理性能与

22、应用金属材料物理性能与应用 纯金属：铁（纯金属：铁（Fe)Fe)、铝（、铝（AlAl）、铜（）、铜（CuCu）、金（）、金（AuAu）、银）、银 （AgAg）、铬（）、铬（CrCr）、镍（）、镍（NiNi）、锰）、锰( (MnMn) )、钼（、钼（MoMo）、钨）、钨 （WW）、钒（）、钒（V V）、钛（）、钛（TiTi）、锌（）、锌（ZnZn）、锡（）、锡（SnSn) )、铅、铅 （PbPb）、铍（）、铍（BeBe）、铌（）、铌（NbNb）、锆（）、锆（ZrZr）、钴（）、钴（CoCo）等）等 合金：合金是由两种或两种以上金属元素、或金属元素与非金合金：合金是由两种或两种以上金属元素、或金属

23、元素与非金 属元素组成，具有金属特性的物质。属元素组成，具有金属特性的物质。 合金比纯金属具有更好的性能，更高的强度、硬度、耐热性、合金比纯金属具有更好的性能，更高的强度、硬度、耐热性、 耐蚀性、电磁性。耐蚀性、电磁性。 常见的非金属元素：碳（常见的非金属元素：碳（C C）、氮（）、氮（N N）、硫）、硫(S(S） 磷（磷（P P）、硼（）、硼（B B）、硅（）、硅（SiSi）等。）等。 p黑色金属：以铁或以铁为主形成的金属材料，外观颜色成黑色，黑色金属：以铁或以铁为主形成的金属材料，外观颜色成黑色， 如碳钢、合金钢、铸铁等。如碳钢、合金钢、铸铁等。 p非铁金属材料（有色金属材料）：除黑色金属

24、外的金属和合金，非铁金属材料（有色金属材料）：除黑色金属外的金属和合金， 如铜及铜合金、铝及铝合金等。如铜及铜合金、铝及铝合金等。 金属材料又可分为：金属材料又可分为： 常见合金组成成分与用途常见合金组成成分与用途 p密度：密度： m/m/ kg/mkg/m3 3 不同金属，密度不同，查表不同金属，密度不同，查表1 1 p熔点：从固态向液态转变时的温度。纯金属有固定的熔点。比熔点：从固态向液态转变时的温度。纯金属有固定的熔点。比 较表较表1 1 p导热性：能够传导热量的性能，用导热性：能够传导热量的性能，用 表示。金属越纯导热能力表示。金属越纯导热能力 越好（银、铜、铝、铬、铁）。比较表越好（

25、银、铜、铝、铬、铁）。比较表1 1 p导电性：能够传导电流的性能，用电阻率（导电性：能够传导电流的性能，用电阻率（ ）来衡量。导电）来衡量。导电 性和导热性一样，金属越纯导电能力越好，银、铜、铝、镁、性和导热性一样，金属越纯导电能力越好，银、铜、铝、镁、 钨、镍。钨、镍。 p比较表比较表1 1 一、金属材料的物理性能一、金属材料的物理性能 p热膨胀性：随温度变化而膨胀、收缩的特性。用线胀系数（热膨胀性：随温度变化而膨胀、收缩的特性。用线胀系数（ l l） 和体胀系数（和体胀系数（ v v）表示。）表示。 v vl l l l（l l2 2-l -l1 1）/l/l1 1tt 比较表比较表1 1

26、 p磁性：在磁场中能内磁化的性能。磁性：在磁场中能内磁化的性能。 铁磁性材料：能被强烈磁化，如铁磁性材料：能被强烈磁化，如FeFe、NiNi、CoCo 顺磁性材料：呈微弱磁性，如顺磁性材料：呈微弱磁性，如MnMn、GrGr、AlAl 抗磁性材料：抗拒或弱化磁场作用，如抗磁性材料：抗拒或弱化磁场作用，如AuAu、AgAg、CuCu、PbPb、SnSn、 ZnZn 铁磁性材料在温度升高到一定温度时就会失去磁性，变为顺磁体，铁磁性材料在温度升高到一定温度时就会失去磁性，变为顺磁体， 该温度为居里点，如铁的居里点为该温度为居里点，如铁的居里点为770770 金属材料的物理性能金属材料的物理性能 p耐腐

27、蚀性：常温下抵抗氧、水蒸气及化学介质腐蚀破坏作用的能耐腐蚀性：常温下抵抗氧、水蒸气及化学介质腐蚀破坏作用的能 力。力。 金属防腐措施：金属防腐措施： 覆盖法覆盖法( (喷漆、镀锌、镀铬、喷塑、发蓝、涂油喷漆、镀锌、镀铬、喷塑、发蓝、涂油) ) 提高金属本身耐腐蚀性：合金化、化学处理法（渗铬、渗铝、提高金属本身耐腐蚀性：合金化、化学处理法（渗铬、渗铝、 渗氮）渗氮） p抗氧化性：在室温或加热时抵抗氧气氧化作用的能力。（热加工抗氧化性：在室温或加热时抵抗氧气氧化作用的能力。（热加工 包括铸造、锻造、焊接、热处理）包括铸造、锻造、焊接、热处理） p化学稳定性：耐腐蚀性和抗氧化性的总成。化学稳定性：耐

28、腐蚀性和抗氧化性的总成。 二、金属材料的化学性能二、金属材料的化学性能 任务任务4 4 掌握并能测量金属材料的力学性能掌握并能测量金属材料的力学性能 学习目标学习目标 知识目标：认识金属材料力学性能；掌握金属材料力学性能知识目标：认识金属材料力学性能；掌握金属材料力学性能 的测试方法。的测试方法。 能力目标：能利用相关测试设备测量金属材料的力学性能。能力目标：能利用相关测试设备测量金属材料的力学性能。 金属材料力学性能（机械性能）：外力作用是表现出来的性金属材料力学性能（机械性能）：外力作用是表现出来的性 能。能。 指标有强度、刚度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。指标有强度、刚度、硬度、塑性、

29、韧性、疲劳强度等。 1 1）载荷载荷：金属材料在加工和使用过程中所受的外力。：金属材料在加工和使用过程中所受的外力。 p静载荷大小不变或变动很小（绳上挂重物）静载荷大小不变或变动很小（绳上挂重物） p冲击载荷突然增加的载荷（钉钉子、打桩）冲击载荷突然增加的载荷（钉钉子、打桩） p交变载荷周期或非周期的动载荷（摩托、汽车减震弹簧）交变载荷周期或非周期的动载荷（摩托、汽车减震弹簧） 2 2）变形：金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸的变化。）变形：金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸的变化。 p弹性变形受外力作用时产生变形，当载荷去掉后能恢复到弹性变形受外力作用时产生变形，当载荷去掉后能恢复到 原

30、来形状及尺寸。原来形状及尺寸。 p塑性变形受外力作用时产生变形塑性变形受外力作用时产生变形, ,当载荷去掉后不能恢复到当载荷去掉后不能恢复到 原来形状及尺寸。原来形状及尺寸。 1.1.认识并理解载荷、变形、内力、应力的概念认识并理解载荷、变形、内力、应力的概念 3 3）内力：金属材料受外力作用，为保持其原状，材料内部作用）内力：金属材料受外力作用，为保持其原状，材料内部作用 着与外力相对抗的力。着与外力相对抗的力。 4 4）应力：单位面积上的内力，用）应力：单位面积上的内力，用 表示表示 F / A F / A p式中式中 F-F-外力（外力（N N），），A A横截面积（横截面积（mmmm2

31、 2） 应力，应力，MPaMPa（N/ mmN/ mm2 2)- )-兆帕兆帕 1 1 MPaMPa=10=106 6 Pa Pa 5 5）刚度：零刚度：零( (构构) )件加载受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹件加载受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹 性模量与零构件截面积的乘积，即性模量与零构件截面积的乘积，即E EA A p提高零件刚度的方法提高零件刚度的方法： 增加横截面面积增加横截面面积 改变截面形状改变截面形状 选用弹性模量较大的材料选用弹性模量较大的材料 2. 2. 金属材料强度与塑性及其测定金属材料强度与塑性及其测定 p强度强度：金属材料抵抗塑性变形或者破坏：金属材料抵抗塑性

32、变形或者破坏（断裂）的能力断裂）的能力 （1 1）通过静拉伸试验测定金属材料的强度和塑性）通过静拉伸试验测定金属材料的强度和塑性 p实验室采用圆形标准拉伸试验，在拉伸试验机上测量金属实验室采用圆形标准拉伸试验，在拉伸试验机上测量金属 材料的强度材料的强度 拉伸试验拉伸试验机机 拉伸试验机拉伸试验机实物实物 拉伸试验机拉伸试验机缓慢加载，对载荷变化进行记录，直至拉断。缓慢加载，对载荷变化进行记录，直至拉断。 当拉伸力由零逐渐增加到当拉伸力由零逐渐增加到F Fe e（OEOE）时，伸长量与拉伸力成正比）时，伸长量与拉伸力成正比 例，此时去除拉伸力，试样能完全恢复到原来形状和尺寸，处于例，此时去除拉

33、伸力，试样能完全恢复到原来形状和尺寸，处于 弹性变形阶段，此时应力用弹性极限弹性变形阶段，此时应力用弹性极限 e e表示。表示。 当拉伸力超过当拉伸力超过F Fe e后，试件既有弹性变形又有微量的塑性变形。当后，试件既有弹性变形又有微量的塑性变形。当 拉伸力增大到拉伸力增大到F Fs s时，曲线出现水平段，表示拉伸力不增加，试件时，曲线出现水平段，表示拉伸力不增加，试件 继续伸长，此现象称作继续伸长，此现象称作屈服屈服，S S点称作点称作屈服点屈服点，此时的应力称作，此时的应力称作 屈服应力或屈服强度屈服应力或屈服强度，用，用 s s表示。表示。 s s F Fs s/A/A0 0 当拉伸力超

34、过当拉伸力超过F Fs s后，试件产生大量塑性变形，直到拉伸力达到后，试件产生大量塑性变形，直到拉伸力达到F Fb b 时，试样局部产生严重缩颈，所能承受的拉伸力迅速减小，直到时，试样局部产生严重缩颈，所能承受的拉伸力迅速减小，直到 拉断（拉断（K K点）。点）。 B B点处的应力称作点处的应力称作抗拉强度抗拉强度，用，用 b b表示。表示。 b bF Fb b/A/A0 0 塑性塑性: :材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 用断面收缩率用断面收缩率和伸长率和伸长率来衡量。来衡量。 (1) 断面收缩率断面收缩率: 试样拉断处横截面积的收

35、缩量试样拉断处横截面积的收缩量 S与原始横截与原始横截 面积面积S0之比。之比。 S0 - S 1 = - 100% S0 塑性的衡量指标塑性的衡量指标 l 1 - l0 = - 100% l0 (2)(2)伸长率伸长率: :是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L L 与原始标距与原始标距L L0 0之比之比 长试样用长试样用1010表示，短试样用表示，短试样用55表示，同种材料表示，同种材料551010 3. 3. 金属材料的硬度及其测试方法金属材料的硬度及其测试方法 硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力。硬度也反映材料抵抗其硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力。硬度也反映材料抵抗其

36、 它物体压入的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。它物体压入的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。 工程上常用的硬度指标有布氏硬度工程上常用的硬度指标有布氏硬度HBHB、洛氏硬度、洛氏硬度HR(AHR(A、B B、C)C) 和维氏硬度和维氏硬度HVHV等等 。 金属材料硬度的高低是通过特定的方法来测试。无论哪种测量金属材料硬度的高低是通过特定的方法来测试。无论哪种测量 方法，均要求工件平整，测量表面与压头垂直，工件表面无氧化方法，均要求工件平整，测量表面与压头垂直，工件表面无氧化 皮，且需测量多处，求其平均值。皮，且需测量多处，求其平均值。 h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图

37、 洛氏硬度计洛氏硬度计 1 1）洛氏硬度）洛氏硬度 洛氏测量方法：将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，洛氏测量方法：将标准压头用规定压力压入被测材料的表面， 根据压痕深度来确定硬度值。根据压痕深度来确定硬度值。 用用bdbd大小来判断材料的硬度高低，大小来判断材料的硬度高低，bdbd越大，硬度越低；反之，越大，硬度越低；反之， 硬度越高。为适应数值越大，硬度越高的习惯，用一常数硬度越高。为适应数值越大，硬度越高的习惯，用一常数 减去减去 bdbd作为硬度值（每作为硬度值（每0.002 mm0.002 mm的压痕深度为一个硬度单位），直的压痕深度为一个硬度单位），直 接由硬度计表盘上读出。洛

38、氏硬度用符号接由硬度计表盘上读出。洛氏硬度用符号HRHR表示，其计算公式表示，其计算公式 为为 HRHR bd/0.002bd/0.002 用金刚石作压头用金刚石作压头 100100； 用淬火钢球作压头用淬火钢球作压头 130130。 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 根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC 三种。三种。HRCHRC应用最多应用最多 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 洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直洛氏硬

39、度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直 接从表盘上读出，应用广泛。表盘外圈黑子适用于接从表盘上读出，应用广泛。表盘外圈黑子适用于HRAHRA、HRCHRC， 内圈红字适用于内圈红字适用于HRBHRB 缺点：由于压痕小，测量误差稍大，常在工件不同部位测量数缺点：由于压痕小，测量误差稍大，常在工件不同部位测量数 次取平均值次取平均值 2 2）布氏硬度）布氏硬度 用一定载荷用一定载荷P P，将直径为，将直径为DD的球体（的球体（淬火钢球淬火钢球HBSHBS、硬质合金球、硬质合金球 HBWHBW），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷

40、，测量 被测试件表面上所形成的压痕直径被测试件表面上所形成的压痕直径d d，计算压痕的球缺面积，计算压痕的球缺面积A A，单，单 位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值HB=P / A HB=P / A 。测量时。测量时 不需计算，只需测量压痕直径不需计算，只需测量压痕直径d d，查附录表，查附录表1 1可得硬度值。可得硬度值。 例题例题 测量某一金属材料布氏硬度值，测量某一金属材料布氏硬度值，d=4mm,d=4mm,查表查表 求硬度值？求硬度值？ 250HBS10/1000/30250HBS10/1000/30、280HBW10/3000/30,280H

41、BW10/3000/30,保载时间保载时间 10101515秒时不标注。秒时不标注。 例例1 1：250HBS10/1000/30250HBS10/1000/30表示用直径表示用直径10mm10mm的淬火钢球作的淬火钢球作 压头，在压头，在1000kgf(9.807KN)1000kgf(9.807KN)试验力作用下，保持试验力作用下，保持30s30s所测得的所测得的 布氏硬度值为布氏硬度值为250HBS250HBS 例例2 2：450HBW5/750450HBW5/750表示用直径表示用直径5mm5mm的硬质合金球作压头，的硬质合金球作压头， 在在750kgf(7.355KN)750kgf(7

42、.355KN)试验力作用下，保持试验力作用下，保持101015s15s所测得的布氏所测得的布氏 硬度值为硬度值为450HBW450HBW。 布氏硬度测量方法特点：布氏硬度测量方法特点： 优点：测得结果较准确、稳定。优点：测得结果较准确、稳定。 缺点：压痕大，操作不够简便。缺点：压痕大，操作不够简便。 布氏硬度表示方法布氏硬度表示方法 3 3）维氏硬度（）维氏硬度（） 维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对 面夹角为面夹角为136136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf5120kgf （

43、49.031176.80N49.031176.80N） 维氏硬度不需计算，根据对角线长度平均值查表得出。与计算维氏硬度不需计算，根据对角线长度平均值查表得出。与计算 机结合，可直接从屏幕读出或打印机打出。机结合，可直接从屏幕读出或打印机打出。 其他维氏硬度计其他维氏硬度计 布、洛、维硬度计布、洛、维硬度计 数显布、洛、维硬度计操作简便迅速，界面直观，较数显布、洛、维硬度计操作简便迅速，界面直观，较 少人为操作误差，具有很高的灵敏度，稳定性，适用于少人为操作误差，具有很高的灵敏度，稳定性，适用于 车间和试验室车间和试验室 常用硬度之间换算常用硬度之间换算 硬度是检验零件的一项重要指标，零件图中都

44、有标注。硬度是检验零件的一项重要指标，零件图中都有标注。 调质硬度调质硬度180180320HBS320HBS 机械结构零件硬度在机械结构零件硬度在252545HRC45HRC 弹簧零件硬度在弹簧零件硬度在404050HRC50HRC 刀具、量具硬度在刀具、量具硬度在606065HRC65HRC 硬质合金硬度硬质合金硬度7007002980HV2980HV 材料硬度值比较：材料硬度值比较： HBHB、HRCHRC（A A、B)B)、HVHV测定方法不同，硬度值也不同，三测定方法不同，硬度值也不同，三 者之间如何比较？者之间如何比较？ 方法一：查硬度值换算表方法一：查硬度值换算表 方法二：经验公

45、式近似换算方法二：经验公式近似换算 pHRC HBSHRC HBS pHBSHVHBSHV 10 1 4. 4. 金属材料的韧性及其测试金属材料的韧性及其测试 p有些零件在工作过程中受到的是动载荷，如锻锤的锤杆、冲床的有些零件在工作过程中受到的是动载荷，如锻锤的锤杆、冲床的 冲头等，这些零件除要求强度、塑性、硬度外，还应有足够的韧冲头等，这些零件除要求强度、塑性、硬度外，还应有足够的韧 性。性。 p韧性韧性: :金属材料抗冲击载荷作用而不破坏的能力金属材料抗冲击载荷作用而不破坏的能力. .韧性的性能指标韧性的性能指标 是通过冲击试验确定。常用夏比冲击试验（摆锤式一次冲击试验）是通过冲击试验确定

46、。常用夏比冲击试验（摆锤式一次冲击试验） 来测定金属材料的韧性，是在专门的摆锤试验机上进行的。来测定金属材料的韧性，是在专门的摆锤试验机上进行的。 1)1)韧性：金属材料在抗击冲击载荷作用下而不破坏的能力。韧性：金属材料在抗击冲击载荷作用下而不破坏的能力。 2)2)冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能 力，是材料强度和塑性的综合表现。力，是材料强度和塑性的综合表现。 3) 3) 衡量指标衡量指标：冲击吸收功：冲击吸收功A Ak kmghmgh1 1-mgh-mgh2 2=mg=mg（h-hh-h2 2) ) 冲击韧度冲击韧度a

47、 ak k A Ak k/F/Fk k 4) 4) 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件 抗断裂设计。抗断裂设计。 p冲击韧性及衡量指标冲击韧性及衡量指标 5. 5. 金属材料的疲劳强度及其测试金属材料的疲劳强度及其测试 1) 1) 金属材料的疲劳现象金属材料的疲劳现象 p交变应力（循环应力）：机械零件，如轴、齿轮、弹簧等，在工交变应力（循环应力）：机械零件，如轴、齿轮、弹簧等，在工 作过程中各点所受的应力随时间而呈周期性变化。作过程中各点所受的应力随时间而呈周期性变化。 p疲劳疲劳: :交变应力或循环应力作用，工作应力低于屈

48、服强度，经过交变应力或循环应力作用，工作应力低于屈服强度，经过 一定循环周次后仍会发生断裂的现象。一定循环周次后仍会发生断裂的现象。 p疲劳疲劳断裂过程：裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段断裂过程：裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。 疲劳强度：当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷疲劳强度：当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷 多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限，用多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限，用 1 1表 表 示示。 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素： 载荷类型载荷类型 材料本质材料本质 零件表面状态零件表面状态 工作温度工作温度 腐

49、蚀介质腐蚀介质 任务任务5 5 掌握金属材料的工艺性能掌握金属材料的工艺性能 金属金属材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综 合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量 以及制造成本。以及制造成本。 材料的工艺性能主要包括材料的工艺性能主要包括: : 铸造铸造性能；性能； 压力加工性能；压力加工性能； 焊接性焊接性能；能； 热处理工艺性能；热处理工艺性能； 切削加工性切削加工性能。能。 1. 1. 金属铸造性能及影响因素金属铸造性能及影响因素 p铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优 质铸件的能力质铸件的能力。 p对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收 缩率、偏析倾向缩率