金属学科基础知识

1、1.11.1金属材料的主要性能金属材料的主要性能 机械零件在使用过程中，要受到诸如机械零件在使用过程中，要受到诸如拉伸、压拉伸、压缩、扭转、剪切、摩擦、冲击缩、扭转、剪切、摩擦、冲击以及温度和化学介质以及温度和化学介质等作用，并且还要传递力和能。等作用，并且还要传递力和能。 因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的良好的力学性能、物理性能、和化学性能力学性能、物理性能、和化学性能以防止零以防止零件早期失效，同时还要有良好的件早期失效，同时还要有良好的工艺性能工艺性能 。1.1.11.1.1金属的力学性能金属的力学性能 金属的力学性能金属的力学性能：

2、材料在材料在外力作用下表现出来的特外力作用下表现出来的特性，如性，如弹性、塑性、强度、弹性、塑性、强度、硬度和韧性硬度和韧性等。等。 表征和判定金属力学性表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。金属力学性能的判据。弹性弹性强度强度韧性韧性硬度硬度刚度刚度塑性塑性金属金属力学性能力学性能. .弹性弹性弹性弹性： 即物体在外力作即物体在外力作用用 下改变其形状和下改变其形状和尺寸，当外力卸除后尺寸，当外力卸除后物体又回复到原始形物体又回复到原始形状和尺寸的特性。弹状和尺寸的特性。弹性的判据可通过拉伸性的判据可通过拉伸试验来测定。试验来测定。图图1 11

3、1 拉伸曲线及拉伸试样拉伸曲线及拉伸试样(1)(1)拉伸试验拉伸试验（动画演示动画演示）拉伸试验拉伸试验： 即静拉伸力对试样轴向拉伸即静拉伸力对试样轴向拉伸, ,测量力和相应测量力和相应 的伸长的伸长, ,一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。 图图1 12 2 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线(L) (F)bksebse（2 2）弹性极限）弹性极限 即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线应力。拉伸曲线e e点对应的应力点对应的应力 e e为弹性极限：为弹性极限： e= Fe/S0 式中式中 e 弹性极限（弹

4、性极限（MPa）；）； F e 试样产生完全弹性变形时的最大外（试样产生完全弹性变形时的最大外（N）；）； S0 试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm 2）。）。 2. 2.刚度刚度 即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。 刚度的大小以刚度的大小以弹性模量弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现为曲线上表现为oeoe段的斜率，即：段的斜率，即： E=/E=/ 式中式中 E E弹性模量（弹性模量（MPMPa a）；）； 应力（应力（MPMPa a）； 应变。应变。3. 3. 强度强度 即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。（1 1

5、）屈服点）屈服点 屈服点屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上曲线上s s点对应的应力为屈服点。点对应的应力为屈服点。 s s=F=Fs s/S/S0 0 式中式中 s s屈服点（屈服点（ MPaMPa ）；）； F Fs s试样开始产生屈服现象时的（试样开始产生屈服现象时的（N N）；）； S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（ mm mm 2 2）。）。（2 2）抗拉强度）抗拉强度 即试样拉断前承受的最大标称拉应力。即试样拉断前承受的最大标称拉应力。

6、如图如图1-21-2所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上b b点对应的应力为抗点对应的应力为抗拉强度。拉强度。 b b=F=Fb b/S/S0 0 式中式中 b b抗拉强度（抗拉强度（MPaMPa）；）； F Fb b试样断裂前所能承受的最大拉（试样断裂前所能承受的最大拉（N N）；）； S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2 ）。）。4.4.塑性塑性 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。 常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率压缩率压缩率塑性塑性（1 1）伸长率）伸长

7、率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。 =(L=(L1 1 - L - L0 0)/ L)/ L0 0 100%100% 式中式中 伸长率（伸长率（%）；）； L L1 1试样拉断后标距（试样拉断后标距（mm)mm)； L L0 0 试样原始标距试样原始标距（mm)mm)。（2 2）断面收缩率）断面收缩率 即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。与原始的横截面积的百分比。 =（S S0 0-S-S1 1）/S/S0 0100%100%式中式中 断面收缩率（断面收缩率（%）；）；

8、S S1 1试样的原始截面积（试样的原始截面积（ mmmm2 2） S S0 0试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mmmm2 2 ) )5.5.硬度硬度 即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。 硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。指标。布氏硬度布氏硬度维氏硬度维氏硬度肖氏硬度肖氏硬度莫氏硬度莫氏硬度洛氏硬度洛氏硬度硬度硬度试验方法试验方法（1 1）布氏硬度试验）布氏硬度试验 动画演示动画演示布氏硬度试验： 用一定直

9、径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的实验力压入试样表面，经规定时间后卸除实验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。 布氏硬度的（2 2）洛氏硬度试验（）洛氏硬度试验（动画演示动画演示) ) 即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压 头压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，头压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力， 用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬 度试验。度试验。 6. 6.韧性韧性 即金属在断裂前吸收变形能量的能力。即金属在断裂前吸收变形能量的能力。 常采用夏比冲击试验来测定材

10、料的韧性。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。 (h1-h2)/A 式中式中 冲击韧度（冲击韧度（J/cmJ/cm2 2） 试样的冲击吸收功（试样的冲击吸收功（J)J) 缺口底部横截面积缺口底部横截面积(mm(mm2 2 ) ) 摆锤重量摆锤重量(Kg) (Kg) h h1 1摆锤举起高度摆锤举起高度(m)(m) h h2 2击断试样后升起高度击断试样后升起高度(m)(m)图图3 夏比冲击试验夏比冲击试验1.1.2 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能 金属材料的物理、化金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、学性能包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、导电性、导热性、磁性、热膨胀

11、性、耐热性和耐热膨胀性、耐热性和耐蚀性等。蚀性等。 机械零件的用途不同，机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性对材料的物理、化学性能要求也不同能要求也不同 。导热性导热性磁性磁性耐热性耐热性热膨胀性热膨胀性导电性导电性熔点熔点密度密度金属的金属的物理、化学性能物理、化学性能. . . 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 金属的工艺性能金属的工艺性能：即金即金属材料对加工工艺的适属材料对加工工艺的适应性应性。 按加工方法不同，按加工方法不同，可分为可分为铸造性能、塑性铸造性能、塑性成形性、焊接性成形性、焊接性等。等。 金属的各种工艺性金属的各种工艺性能将在以后的有关章节能将在以后的有关章节中作详细介绍。中作详细介绍。铸造性铸造性塑性成形性塑性成形性焊接性焊接性金属的金属的工