金属的使用性能

1、 第一篇第一篇 机械工程材料与机械工程材料与 金属热加工基础金属热加工基础第一章第一章 机械工程材料机械工程材料用来制造机械零件的工程材料一般分为三大类：用来制造机械零件的工程材料一般分为三大类：q 金属材料金属材料钢铁、有色金属及其合金；钢铁、有色金属及其合金；q非金属材料非金属材料塑料、橡胶、合成纤维、木材塑料、橡胶、合成纤维、木材涂料，涂料， 陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥等；陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥等；q复合材料复合材料树脂基复合树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等金属基复合材料等机械用材（机械用材（2.52.5）第一章第一章 机械工程材料机械工程材料11 11

2、 金属材料的主要性能金属材料的主要性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能一、金属材料的力学性能一、金属材料的力学性能金属在外加载荷（包括静载荷、冲击载荷、金属在外加载荷（包括静载荷、冲击载荷、交变载荷）作用下表现出来的特性。交变载荷）作用下表现出来的特性。强度强度塑性塑性硬度硬度冲击韧性冲击韧性疲劳强度疲劳强度1 1、强度、强度材料在外力作用下，抵抗破坏的能力（一般材料在外力作用下，抵抗破坏的能力（一般以抗拉强度作为基本强度指标）。以抗拉强度作为基本强度指标）。第一章第一章 机械工程材料机械工程材料 螺栓的变形与折断螺栓的变形与折断齿轮轮齿的折断齿轮轮齿的折断（1

3、）拉伸试验）拉伸试验 按按GB6379-86GB6379-86规定制规定制作试样，在万能试验机作试样，在万能试验机上缓慢进行拉伸，使试上缓慢进行拉伸，使试样承受轴向拉力样承受轴向拉力P P，并并沿轴向产生伸长沿轴向产生伸长L L （L =LL =L1 1-L-L0 0），直到试直到试样断裂。样断裂。d0(A0)0ld1(A1)1l拉断前后的试棒形态第一章第一章 机械工程材料机械工程材料拉伸实验（拉伸实验（6 6）第一章第一章 机械工程材料机械工程材料（2 2）拉伸曲线）拉伸曲线lFoeeFssFbF低碳钢拉伸曲线力与变形成正比增加；力与变形成正比增加；段段oees段段力与变形成曲线增加，上力与

4、变形成曲线增加，上部水平波动；部水平波动；sb段段力与变形同时增加截面收缩；力与变形同时增加截面收缩；弹变屈服缩颈b点后点后力减少变形加剧，发生颈缩，力减少变形加剧，发生颈缩，直到断裂。直到断裂。 将拉力将拉力F F除以试样的原始横截面除以试样的原始横截面积积A A0 0称为应力称为应力, ,记为：记为：)MPa(AF0 式中：式中： 拉应力拉应力 (Mpa)F拉伸载荷拉伸载荷 (N)A0试棒横截面积试棒横截面积 (mm2)b（3 3）强度指标）强度指标1 1）屈服点）屈服点指金属材料开始产生指金属材料开始产生屈服时的应力，记为屈服时的应力，记为 。s 0ssAF 式中：式中：s 屈服点（屈服

5、点（Mpa） Fs屈服载荷屈服载荷(N)； A0试棒原始截面积试棒原始截面积(mm2) * *屈服点一般作为低碳钢、中碳钢、退火钢等较屈服点一般作为低碳钢、中碳钢、退火钢等较软的材料的强度指标，用以表明这类材料抗永久变软的材料的强度指标，用以表明这类材料抗永久变形的能力，它是设计和选材的重要依据之一。形的能力，它是设计和选材的重要依据之一。 第一章第一章 机械工程材料机械工程材料FoesbeFsFbFl *某些较硬的材料，如铸铁、高碳钢以及合金没有明显的屈服现象。通常规定，试棒产生0.2%的塑性变形时的应力值作为这类材料的条件屈服点，记为 。2 . 0 2 2）抗拉强度）抗拉强度0bbAF 指

6、材料在断裂前所能承指材料在断裂前所能承受的最大拉应力，记为受的最大拉应力，记为 。b 式中：式中：第一章第一章 机械工程材料机械工程材料F loFoesbeFsFbFl Fb试棒能承受的最大载荷试棒能承受的最大载荷(N)A0试棒原始截面积试棒原始截面积(mm2)b b抗拉强度抗拉强度( (Mpa)Mpa) * *抗拉强度表明了材料抵抗断裂破坏的能力，抗拉强度表明了材料抵抗断裂破坏的能力，它也是设计和选材的重要依据之一。它也是设计和选材的重要依据之一。第一章第一章 机械工程材料机械工程材料2 2、塑性、塑性材料在外力作用下产生不可逆永久变形（塑性材料在外力作用下产生不可逆永久变形（塑性变形）而不

7、断裂的能力。变形）而不断裂的能力。塑性指标：塑性指标：1 1）伸长率）伸长率2 2）断面收缩率）断面收缩率%100lll001 %100AAA010 试棒原始截面积和断后截面积试棒原始截面积和断后截面积(mm2)10A,A式中：式中： 试棒原始标长和断后标长试棒原始标长和断后标长(mm)10l ,l或数值越大，材料的塑性越好。3 3、硬度、硬度材料抵抗更硬物体压入的能力。材料抵抗更硬物体压入的能力。 硬度值不仅决定于材料本身的化学成分、金相组织和热处理方式的差别，而且还取决于试验的方法和条件，目前广泛采用压入法。根据适用的硬度范围不同，主要采用两种硬度指标量：第一章第一章 机械工程材料机械工程

8、材料洛氏硬度布氏硬度齿轮因硬度不足而磨损齿轮因硬度不足而磨损第一章第一章 机械工程材料机械工程材料（1 1）布氏硬度）布氏硬度( (HB)HB)以测量压痕面积来确定硬度值的硬度指标。以测量压痕面积来确定硬度值的硬度指标。FdDh布氏硬度试验原理布氏硬度试验原理方法：用淬火钢球或硬质合金球作为压头，用规定的载荷F将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除载荷。用读数放大镜测量压痕，并经过计算得出硬度值。HBSHBS：淬火钢球压头（用于较软材料）。（表格化）HBWHBW:硬质合金球压头（用于较硬材料）。表达：表达：320320HBS HBS ，470HBW470HBW)dDD(DF2102.

9、0HB22 （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度( (HR)HR)以测量压痕深度来确定硬度值的硬度指标。以测量压痕深度来确定硬度值的硬度指标。 *布氏硬度压痕面积大，测量准确，又因压痕大，不宜测试薄件或成品件，主要测试铸铁、碳钢及退火、正火、和调质处理的钢材的硬度。Fh方法：方法：用金刚石锥形压头或淬火钢球压头，用初始载荷F1和主载荷F2两次将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除主载荷F2,，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值。002. 0hKHR 金刚石压头(k=0.2)淬火钢压头(k=0.26)第一章第一章 机械工程材料机械工程材料第一章第一章 机械工程材料机械工程材料 为了能用一种硬度计

10、测量从软到硬的材料硬度，采用不同的压头和载荷组合来测定硬度：HRA:HRA:用金刚石压头、小载荷，适用硬度为70708585HRAHRA的硬质合金、表面淬火层和渗碳层的较硬表层或薄壁材料。HRB:HRB:用淬火钢球压头、中载荷，适用硬度范围为2525100100HRBHRB的非铁金属、退火、正火钢等较软材料。HRC:HRC:用金刚石压头、大载荷，适用硬度范围为70708585HRCHRC的淬火钢、调质钢等较硬的整体材料。表达：表达：6060HRC HRC ，55HRA55HRA *洛氏硬度HRCHRC测量硬度高，操作简便迅速，压痕小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。硬度实

11、验（硬度实验（2.52.5）第一章第一章 机械工程材料机械工程材料4 4、冲击韧度（脆韧性）、冲击韧度（脆韧性）材料在冲击载荷下，抵材料在冲击载荷下，抵抗破坏的能力。抗破坏的能力。（1）冲击试验）冲击试验冲击试样冲击试样（2）冲击韧度指标）冲击韧度指标 利用冲击试验机冲断试样所消耗的利用冲击试验机冲断试样所消耗的冲击吸收功，通过计算断口单位面积上冲击吸收功，通过计算断口单位面积上的消耗功来表示冲击韧度的消耗功来表示冲击韧度k 。)cm/J(AW2dkk a a式中：Wk冲击吸收功(J)Ad试样断口截面积(cm2)冲击实验（冲击实验（2 2）第一章第一章 机械工程材料机械工程材料5 5、疲劳强度

12、、疲劳强度材料在反复改变大小或同时改变大小和方向材料在反复改变大小或同时改变大小和方向的交变载荷作用下，抵抗破坏的能力。的交变载荷作用下，抵抗破坏的能力。疲劳疲劳：金属在循环的交变应力作用下，在一处或多处产：金属在循环的交变应力作用下，在一处或多处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳失效前无明显的塑性变形而发突然发生断裂的过程。疲劳失效前无明显的塑性变形而发生断裂，具有危险性，大多数零件失效是由疲劳造成。生断裂，具有危险性，大多数零件失效是由疲劳造成。静强度断裂静强度断裂疲劳断裂疲劳断裂粗粗 糙糙光滑区光

13、滑区第一章第一章 机械工程材料机械工程材料疲劳强度指标：疲劳强度指标： 疲劳极限疲劳极限疲劳曲线循环次数循环次数N 应力应力r 4 4N1 1N2 2N3 3N不断裂不断裂材料经过无限次应力材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线应力。对应于疲劳曲线上水平部分的应力值上水平部分的应力值r 。 t t对称循环时：对称循环时：1r 脉动循环时：脉动循环时：0r 第一章第一章 机械工程材料机械工程材料二、金属材料的其它性能二、金属材料的其它性能1 1、物理性能、物理性能金属材料本身的固有属性。金属材料本身的固有属性。（1 1）密度：单位体积中材料的质量）密度：单

14、位体积中材料的质量(kg/m3)103 。* *要求重量轻时应使用低密度材料。要求重量轻时应使用低密度材料。)84. 7:Fe,69. 2:Al,74. 1:Mg(（2 2）熔点）熔点：材料的熔化温度（材料的熔化温度（o oC)C) 。*高温工作材料要求熔点高。（难熔w:3380,Mo:2610,V;1890)（3 3）热膨胀性）热膨胀性：用线膨胀系数表示用线膨胀系数表示e （K K-1-11010-6-6) )。*对精密仪器零件或异钟材料焊接是非常重要的性能指标。（4 4）导电性）导电性：用电阻率高低表示（用电阻率高低表示（m）/10-8 。*金属的导电性好 ，非金属的导电性差。纯金属的导电

15、性比合金的导电性好。)Al,Cu,Ag(第一章第一章 机械工程材料机械工程材料（5 5）导热性）导热性：用热导率表示用热导率表示 （W/m.KW/m.K）。）。*金属越纯导热性越好 ，非金属的导热性差。导热性高的材料常用来制造热交换器等传热设备中的零件。)Al,Cu,Ag(2 2、化学性能、化学性能材料在室温或高温下抵抗各种化学介质材料在室温或高温下抵抗各种化学介质作用的能力。作用的能力。（1 1）耐蚀性）耐蚀性：抵抗化学腐蚀或电化学腐蚀的能力。抵抗化学腐蚀或电化学腐蚀的能力。*腐蚀是机械、化工等行业中造成一些隐蔽性和突发性事故的重要原因。化工设备、医疗器械、食品器械、制药器械等应采用耐酸碱腐蚀、耐空气、水溶液等腐蚀的材料，如不锈钢等。（2 2）高温抗氧化性）高温抗氧化性：指材料在迅速氧化后，能在表面形指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续、致密并与基体结合牢固的膜，从而阻止材料成一层连续、致密并与基体结合牢固的膜，从而阻止材料进一步氧化的能力。进一步氧化的能力。第一章第一章 机械工程材料机械工程材料*工业高温加热炉管、气轮机、烟气轮机等高温设备应采用高温抗氧化材料。3 3、工艺性能、工艺性能材料在制造机械零件和工具的过程中，采材料在