活动一金属材料的性能

1、w应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥梁中，等等，筑及桥梁中，等等，统称为工程材料。统称为工程材料。w其中用来制造各种机电产品的材料，其中用来制造各种机电产品的材料，称为机械工称为机械工程材料，程材料， 主要包括：主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多合而成的多相相材料。材料。w金属材料是制

2、造机器的最主要材料。金属材料是制造机器的最主要材料。 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为：、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 1）纯金属）纯金属(一种金属一种金属). 2）合金（以一种金属为基）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属）其他金属或非金属） 模块三 金属材料及热处理基础知识2、 金属材料按是否含金属材料按是否含Fe元素分为：元素分为： 1）黑色金属：铁族材料，指）黑色金属：铁族材料，指Fe及以及以Fe为基的合金。为基的合金。 钢：碳钢，合金钢，特殊性能钢等。钢：碳钢，合金钢，特殊性能钢等。 铸铁：灰铸铁，球墨铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁等铸铁：灰铸铁，球墨铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸

3、铁等。 2）有色金属：非铁族材料，指黑色金属以外的所有）有色金属：非铁族材料，指黑色金属以外的所有金属及合金。金属及合金。 铜及铜合金。铜及铜合金。 铝及铝合金，等等。铝及铝合金，等等。 3）粉末金材料）粉末金材料 w在机械制造中应用的金属以黑色金属为主，占在机械制造中应用的金属以黑色金属为主，占90%以以上。上。那么，为什么金属材料或者黑色金属材料是用来制造机器的最主要材料？这是因为： 其具有优良的机械性能（力学性能）、工艺性能，并具较好的物理性能及化学稳定性。那么，什么是金属材料的机械性能（力学性能）？什么是金属材料的工艺性能？什么是金属材料的物理性能及化学性能？ 金属材料的性能金属材料的

4、性能 材 料 的 性 能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能切削性能力学性能力学性能定义定义 : 是指金属材料在外力（载荷是指金属材料在外力（载荷或负载）的作用下所表现出来的或负载）的作用下所表现出来的抵抗能力。抵抗能力。 力 学 性 能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：主要指标：塑性韧性 力 学 性 能强度 力 学 性 能塑性强度 力 学 性 能硬度塑性强度 力 学 性 能韧性硬度塑性强度 力 学 性 能断裂韧度韧性硬度塑性强度 力 学 性 能疲劳断裂韧度韧性硬度塑性强度 力 学 性 能疲劳断裂韧度疲劳韧性断裂韧度疲劳硬度韧性断裂韧度疲劳塑性硬度韧性断裂韧度

5、疲劳强度塑性硬度韧性断裂韧度疲劳强度塑性硬度韧性疲劳 力 学 性 能强度塑性硬度韧性断裂韧疲劳主要指标：主要指标： 力 学 性 能强度塑性硬度韧性断裂韧疲劳w强度强度w塑性塑性拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验机拉伸试验机液压式万能电子材料试验机* 拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0弹性变形阶段塑性变形阶段颈缩现象至断裂拉伸试样的颈缩现象低碳钢拉伸过程变化的三个阶段：力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO屈服屈服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑塑性性变变形形塑性变形塑性变形: :外力外力去除后不能消失去除后不能消失的变形的变形拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈

6、缩现象弹性与塑性弹性与塑性w弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。w弹性变形 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。w塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性。w塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。弹性弹性( elasticity ):金属材料受外力作金属材料受外力作 用时产生变形用时产生变形,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能。到原来形状及尺寸的性能。弹性变形弹性变形( elastic deformation ): 随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。

7、 弹性极限弹性极限( elastic limit ): Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)强度强度(strength): 材料在力的作用下抵抗材料在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。 种类种类: 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗压强度、 抗弯强抗弯强 度度 、 抗剪强度抗剪强度 、 抗扭强度等。抗扭强度等。 (2)屈服强度屈服强度( yield strength): 屈服点屈服点 S 屈服极限屈服极限 Fs s = ( M pa ) S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N )试样试样原始

8、横截面积原始横截面积( mm2) 1.屈服强度（屈服极限、屈服点）： 当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用s表示。 计算公式:s=FsS0应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。 （2）条件屈服强度）条件屈服强度0.2 有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2 。 脆性材料拉伸试验的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到

9、试样标距长度的0.2%时的应力，用符号0.2表示。FsS0s= 应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。脆性材料的屈服点LF0F0.20.2%L0F0.2S00.2=计算公式:(3)抗拉强度抗拉强度( tensile strength ): 强度极限强度极限 试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。 F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) s 、0.2、 b是机械零件和构件设计是机械零件和构件设计与选材的主要依据与选材的主要依据塑性塑性(plasticity):是指材料在

10、载荷作用下是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in area): 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 (2)断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率) specific elongation: 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 1与与原始标距原始标距L 0之比。之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料属塑性材料长试样：10 简

11、写为简写为短试样：5 w同一种材料的5 10 金属材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量的塑性变形而不破坏，便于通过各种压力加工获得复杂形状的零件。 塑性好的材料，在受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。硬度硬度( hardness )( hardness )1.1.定义定义： 是指材料抵抗其它更硬物体是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面（局部变形）的能力。压入其表面（局部变形）的能力。2.2.硬度试验方法：硬度试验方法：（1 1）压入法）压入法（2 2）划痕法）划痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬

12、度洛氏硬度HR HR 维氏硬度维氏硬度HVHV压入法压入法( (一一) )布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)HB(Brinell-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 观看布氏硬度观看布氏硬度1.1.压头：压头：淬火钢球淬火钢球 HBSHBS硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW2.2.试验原理：试验原理： 用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 选用选用淬火钢球淬火钢球压头压头例如：

13、例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 选用选用硬质合金球压头压头例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW3.3.标注：标注： 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示符号后面的数字按顺序分别表示球体直径球体直径、载荷载荷及及载荷保持时间载荷保持时间。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的钢的钢球球在在1000kg（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保持保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。

14、4. 特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )观看洛氏硬度观看洛氏硬度1.1.压头：压头：120120金刚石圆锥体钢球金刚石圆锥体钢球钢球钢球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.试验原理：试验原理： 用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测

15、量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h12-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h23-3 3-3 卸载卸载140kg h3140kg h3最后测得：最后测得：残余压痕深度增量 h hh=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：w7085HRAw25100HRBw2070HRCwHRA 是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。 wHRB 是采用100Kg载荷和直径1.588mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火

16、钢、 铸铁等。 wHRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢、调制钢等HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特点：特点：优点优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。应用：( (三三) )维氏硬度维氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardness ) ( diamond penetrator hardness )维1.1.压头：压头： 锥面

17、夹角为锥面夹角为136136的金刚石的金刚石正四棱锥体正四棱锥体2.2.试验原理：试验原理： 与布氏硬度试验原理基本相同。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。 以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。2.2.试验原理：试验原理：用压痕两对角线的平均长度来计算。H V=F/Saad3.3.标注：标注： 与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。 例：580HV30表示用30kg(294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。4.4.特点：特点：优点优点：适用范围广，

18、从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。 实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。韧性(toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。的能力。1.1.定义：定义：冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图2.2.金属的夏比冲击试验金属的夏

19、比冲击试验: :试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J)g g 冲击韧度冲击韧度a ak k 就是试样缺口处单位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。耗的冲击吸收功。 AK a k = (J/cm) S03.3.韧脆转变温度韧脆转变温度: :-40-20020204060akT(c)TT，a ak k急剧急剧韧性韧性脆性脆性金属材料的韧脆转变温度金属材料的韧脆转变温度，材，材料的低温冲击韧性愈好。料的低温冲击韧性愈好。1、疲劳现象 零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳（