第1章金属材料的性能

1、第第 1 1 章章金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能金属材料的性能 分为使用性能和工艺性分为使用性能和工艺性能。能。 使用性能使用性能 为保证工件正常工作材料应具为保证工件正常工作材料应具备的性能。金属使用性能包括备的性能。金属使用性能包括力学性能、物理力学性能、物理性能，化学性能性能，化学性能。 工艺性能工艺性能 材料在加工过程中所表现出的材料在加工过程中所表现出的性能。性能。金属使用性能包括金属使用性能包括包括包括铸造、锻压、焊铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能接、热处理和切削加工性能等。等。1.1 1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是金属抵抗外

2、加载荷引起金属材料的力学性能是金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，又称机械性能。金属的常用的变形和断裂的能力，又称机械性能。金属的常用力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。度等。 一、强度与塑性一、强度与塑性 强强 度度 是指金属在静载荷作用下抵抗永久变是指金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。形和断裂的能力。 塑塑 性性 是指金属在静载荷作用下发生不可逆是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。变形的能力。 拉伸试样拉伸试样 根据根据GB6397-86GB6397-86金属拉伸试样金属拉伸试样要求，将被测金属材料制成图所示的

3、标准试样。要求，将被测金属材料制成图所示的标准试样。 图中图中d do o为试样直径，为试样直径，lo o为测定塑性用的标距长度。为测定塑性用的标距长度。试样分为长试样和短试样，对圆形拉伸试样，试样分为长试样和短试样，对圆形拉伸试样，长试长试样样lo o=10 d=10 do o ；短试样短试样lo o=5 d=5 do o 。 拉伸试验拉伸试验 拉伸试验是在拉伸试验是在拉伸试验机拉伸试验机上进行上进行的。的。 金属材料的强度和塑性是通过金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验拉伸试验测定出测定出来的。来的。 试验时，将试样装夹在试验机上，在试样两端试验时，将试样装夹在试验机上，在试样两端缓慢地施加

4、轴向拉伸载荷缓慢地施加轴向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断直到拉断。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷F F和伸长量和伸长量l，并绘出拉伸曲线。，并绘出拉伸曲线。低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线拉断后的试样拉断后的试样拉伸试验视频拉伸试验视频 低碳钢拉伸曲线分析低碳钢拉伸曲线分析 低碳钢在拉伸过程中试样所受拉力与伸长量低碳钢在拉伸过程中试样所受拉力与伸长量ll之之间有如下关系：间有如下关系： opop段：段：为一条斜线，为一条斜线，试样伸长量

5、试样伸长量l与拉力成与拉力成正比关系，完全符合虎正比关系，完全符合虎克定律。在此拉力和变克定律。在此拉力和变形范围内，去除拉力，形范围内，去除拉力，材料能恢复到原来的尺材料能恢复到原来的尺寸和形状，为寸和形状，为弹性变形弹性变形阶段；阶段； pepe段：段：在该区间，伸长量与拉力不在该区间，伸长量与拉力不成正比关系成正比关系，伸长量与拉力之间的关系不符合比例关系，但去除伸长量与拉力之间的关系不符合比例关系，但去除拉力后，材料仍能恢复到原来的尺寸和形状，因此拉力后，材料仍能恢复到原来的尺寸和形状，因此该阶段仍为该阶段仍为弹性变形阶段弹性变形阶段； eses段：段：该段曲线呈该段曲线呈 现水平或锯

6、齿形，试样现水平或锯齿形，试样 表现为在表现为在拉力不增加拉力不增加的的 情况下，情况下，伸长量却继续伸长量却继续 增加增加；去除载荷后，材；去除载荷后，材 料已不能恢复原状，开料已不能恢复原状，开 始出现塑性变形，这种始出现塑性变形，这种 现象称为现象称为屈服屈服； sb sb段：段：当拉力超过屈服点拉力后，试样随拉力当拉力超过屈服点拉力后，试样随拉力的增加继续伸长直到的增加继续伸长直到b b点，该阶段为均匀变形阶段；点，该阶段为均匀变形阶段； bkbk段：段：在试样的在试样的 局部开始产生收缩，局部开始产生收缩， 产生产生“缩颈缩颈”现象，此现象，此 时试样承受拉力的能时试样承受拉力的能

7、力下降直至力下降直至k k点而断裂。点而断裂。1 1强度指标强度指标 强度是用强度是用应力应力来表示的，即材料受载荷作用后来表示的，即材料受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上的内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上的内力称为应力，用内力称为应力，用表示，即：表示，即： =F/S=F/S0 0 常用的强度指标有常用的强度指标有弹性极限、屈服点和抗拉强弹性极限、屈服点和抗拉强度度。 （1 1）弹性极限弹性极限 弹性极限是指试样产生完全弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号弹性变形时所能承受的最大应力，用符号e e表示，表示，单位为单位为MPaMPa。弹性

8、极限的值可下式计算：。弹性极限的值可下式计算： e e=F=Fe e/S/S0 0 （2 2）屈服点屈服点 屈服点是指试样在拉伸试验过程屈服点是指试样在拉伸试验过程中，中，力不增加力不增加（或保持恒定）仍然能（或保持恒定）仍然能继续伸长继续伸长时的时的最小应力最小应力。屈服点用符号。屈服点用符号s s表示，单位为表示，单位为MPaMPa。屈。屈服点的值可用下式计算：服点的值可用下式计算： s s=F=Fs s/S/S0 0 对于没有明显的屈服对于没有明显的屈服 现象的材料，无法确定出现象的材料，无法确定出 屈服点，按屈服点，按GB/T228GB/T228规定，规定， 可用试样标距部分可用试样标

9、距部分残余伸残余伸 长量长量为为0.2%0.2%时所对应的应时所对应的应 力值力值0.20.2（又称为（又称为屈服屈服 强度强度）来表示。）来表示。 （3 3）抗拉强度抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前抗拉强度是指试样拉断前所能承受的所能承受的最大应力值最大应力值，用符号，用符号b b表示，单位表示，单位为为MPaMPa。b b可用下式计算：可用下式计算：b b=F=Fb b/S/S0 0 屈服点（或屈服强度）、抗拉强度屈服点（或屈服强度）、抗拉强度是金属是金属材料的两个重要力学性能指标，也是大多数机材料的两个重要力学性能指标，也是大多数机械零件选材和设计的依据。因为零件不能在超械零件选材和设计

10、的依据。因为零件不能在超过其屈服点（或屈服强度）的条件下工作，否过其屈服点（或屈服强度）的条件下工作，否则会引起零件的塑性变形；更不能在超过其抗则会引起零件的塑性变形；更不能在超过其抗拉强度的条件下工作，否则会导致零件的断裂拉强度的条件下工作，否则会导致零件的断裂破坏。破坏。 2. 2.塑性塑性 塑性是材料在外力的作用下产生塑性是材料在外力的作用下产生塑性变形而不塑性变形而不破坏破坏的能力。材料的塑性指标可以用试样拉断时的的能力。材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量最大相对变形量来表示，常用的塑性指标有来表示，常用的塑性指标有伸长率伸长率（断后伸长率）和断面收缩率（断后伸长率）和断面

11、收缩率。 （1 1）断后伸长率断后伸长率断后伸长率是试样拉断后的断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原始标距之比标距增长量与原始标距之比，用符号，用符号表示，可用表示，可用下式计算：下式计算： =（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 0100%100% 材料的伸长率是随原始标距长度的增加而减小材料的伸长率是随原始标距长度的增加而减小的，同一材料的短试样要比长试样所测得的伸长率的，同一材料的短试样要比长试样所测得的伸长率大大20%20% 50%50%左右，因此圆形长、短两种试样的伸长左右，因此圆形长、短两种试样的伸长率分别用率分别用1010和和5 5表示。表示。 （2 2）断面收缩率断面收缩

12、率 断面收缩率是指试样拉断后断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的缩颈处横截面积的缩减量缩减量与与原始横截面积原始横截面积之比，用之比，用符号表示，可用下式计算：符号表示，可用下式计算： =（A0-A）/A0 100%100% 和和值愈大，材料的塑性愈好值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，而且在使用时万一条件，而且在使用时万一超载超载，由于产生塑性变形，由于产生塑性变形，能够能够避免突然断裂避免突然断裂。 二、硬度二、硬度 硬度是指材料硬度是指材料抵抗局部变形抵抗局部变形，特别是，特别

13、是塑性变形、塑性变形、压痕或划痕压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。硬度试验和拉伸试验都是在硬度试验和拉伸试验都是在静态力静态力下测定材料力学下测定材料力学性能的，但硬度试验由于基本上不损伤试样，简便性能的，但硬度试验由于基本上不损伤试样，简便迅速，不需要单独制作试样，而是在工件上直接进迅速，不需要单独制作试样，而是在工件上直接进行测试，因而在生产中被广泛应用。行测试，因而在生产中被广泛应用。 硬度测定方法有硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹法压入法、划痕法、回弹法等，等，其中其中压入法在生产中的应用最为普遍压入法在生产中的应用最为普遍。压入法是在

14、。压入法是在规定试验力的作用下，将压头压入金属表面，然后规定试验力的作用下，将压头压入金属表面，然后根据压痕的面积大小或深度测定其硬度值。目前生根据压痕的面积大小或深度测定其硬度值。目前生产中应用较多的是产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法。试验法。1 1布氏硬度布氏硬度 HBHB30003000布氏硬度计布氏硬度计 1 1指示灯指示灯 2 2压头压头 3 3工作台工作台 4 4立柱立柱5 5丝杠丝杠 6 6手轮手轮 7 7载荷砝码载荷砝码 8 8压紧螺钉压紧螺钉 9 9定时器定时器 1010加载按钮加载按钮 布氏硬度的试验原理是用一定直径布氏硬度的试

15、验原理是用一定直径D D的的淬火淬火钢球或硬质合金球钢球或硬质合金球，在规定的试验载荷，在规定的试验载荷F F的作用的作用下压入被测金属表面（如图所示），停留一定下压入被测金属表面（如图所示），停留一定的时间后卸除载荷，在被测金属表面上留下一的时间后卸除载荷，在被测金属表面上留下一直径为直径为d d的压痕，测量压痕直径的压痕，测量压痕直径d d，并由此计算，并由此计算压痕的球缺面积压痕的球缺面积A A， 然后再求出然后再求出压痕的压痕的 单位面积上所承受单位面积上所承受 的平压力的平压力，以此作，以此作 为被测金属的布氏为被测金属的布氏 硬度值。硬度值。 布氏硬度值可用下式计算：布氏硬度值可用

16、下式计算： 式中式中 F F载荷，载荷，kgfkgf； D D压头的直径，压头的直径，mmmm； d d被测金属的压痕直径，被测金属的压痕直径，mmmm。 布氏硬度实验视频布氏硬度实验视频 布氏硬度实验用布氏硬度实验用压头直径压头直径有有1010、5 5、2.52.5、2 2和和1mm1mm五种规格；五种规格； 载荷（单位为载荷（单位为kgfkgf）与压头直径平方的比值）与压头直径平方的比值（F/DF/D2 2）有）有3030、1515、1010、5 5、2.52.5、1.251.25和和1 1共共7 7种，种，具体可根据金属材料的种类和布氏硬度范围按具体可根据金属材料的种类和布氏硬度范围按表

17、选定；表选定； 载荷的保持时间载荷的保持时间黑色金属为黑色金属为101015s15s，有色，有色金属为金属为30s30s，布氏硬度值小于，布氏硬度值小于3535时为时为60s60s。 F2D/材材 料料布布 氏氏 硬硬 度度钢及铸铁钢及铸铁14014014014010103030铜及其合金铜及其合金353535351301301301305 510103030轻金属及其合金轻金属及其合金35353535808080802.52.5（或（或1.251.25）1010（或（或5 5、1515）1010（或（或1515）铅、锡铅、锡1.251.25（或（或1 1） 布氏硬度试验布氏硬度试验F/DF/

18、D2 2值的选择值的选择 布氏硬度的标注方法布氏硬度的标注方法 布氏硬度用布氏硬度用HBHB表示，表示，在使用淬火钢球压头时用在使用淬火钢球压头时用HBSHBS表示，适合于布氏硬表示，适合于布氏硬度值在度值在450450以下以下的材料；使用硬质合金压头时，用的材料；使用硬质合金压头时，用HBWHBW表示，适合于布氏硬度值在表示，适合于布氏硬度值在450450650650的材料。的材料。 所测得的硬度值应在硬度符号的前面，硬度所测得的硬度值应在硬度符号的前面，硬度符号的后面用相应的数字注明压头直径、试验力符号的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小（大小（kgfkgf）和试验力保持的时间（一般

19、试验力保）和试验力保持的时间（一般试验力保持时间为持时间为101015s15s时不标）。时不标）。 例如：例如：180HBS10/1000/30180HBS10/1000/30表示用直径为表示用直径为10mm10mm的淬火钢球，在的淬火钢球，在1000kgf1000kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30s30s测得测得的布氏硬度值为的布氏硬度值为180180；500HBW5/750500HBW5/750表示用直径为表示用直径为5mm5mm的硬质合金球，在的硬质合金球，在750kgf750kgf载荷作用下保持载荷作用下保持101015s15s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为500500。 布

20、氏硬度的优点布氏硬度的优点 压痕面积较大、其硬度值压痕面积较大、其硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，能客观地反映比较稳定，故测试数据重复性好，能客观地反映被测金属的平均硬度，试验结果较准确，数据重被测金属的平均硬度，试验结果较准确，数据重复性强；复性强； 缺缺 点点 测量费时，压痕大，不宜测试成品测量费时，压痕大，不宜测试成品或薄片零件的硬度。或薄片零件的硬度。 2洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度试验法是用一个洛氏硬度试验法是用一个锥角为锥角为120度度的的金金刚石圆锥体刚石圆锥体或或直径为直径为1.588mm的淬火钢球的淬火钢球，在规，在规定载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属定载荷作用下压

21、入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的表面所形成的压痕的深度压痕的深度来确定其硬度值。来确定其硬度值。 试验时，先加初载试验时，先加初载荷（荷（98.07N98.07N），然后加），然后加主载荷，在初载荷主载荷，在初载荷+ +主主载荷的压力下保持一段载荷的压力下保持一段时间之后，去除主载荷，时间之后，去除主载荷，在保留初载荷的情况下，在保留初载荷的情况下，根据试样的根据试样的压痕深度压痕深度e e来衡量金属硬度的大小。来衡量金属硬度的大小。 洛氏硬度试验视频洛氏硬度试验视频洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验原理图 洛氏硬度的计算：洛氏硬度的计算： 式中式中k k为常数，用金刚石圆锥作压头时，为常

22、数，用金刚石圆锥作压头时，k k0.20.2；用钢球作压头时，；用钢球作压头时，k k0.260.26。 洛氏硬度的标注洛氏硬度的标注 洛氏硬度值为一洛氏硬度值为一无名数无名数，硬度数值写在符号硬度数值写在符号HRHR的前面，的前面，HRHR后面为使用的标后面为使用的标尺，如尺，如60HRC60HRC表示用表示用“C C”标尺测定的洛氏硬度值为标尺测定的洛氏硬度值为6060。在试验时，洛氏硬度值均由硬度计的。在试验时，洛氏硬度值均由硬度计的刻度盘刻度盘上直接读出上直接读出。 特特 点点 压痕小，对试样表面损伤小，常用来压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度；试验操作迅速简直

23、接检验成品或半成品的硬度；试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。 缺缺 点点 压痕小，对内部组织和硬度不均匀的压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此，在测试洛氏硬材料，所测结果不够准确。因此，在测试洛氏硬度时在被测金属的不同位置的三点测出硬度值，度时在被测金属的不同位置的三点测出硬度值，再计算其平均值。再计算其平均值。 3 3维氏硬度维氏硬度 维氏硬度的测定原理维氏硬度的测定原理与布氏硬度相同与布氏硬度相同。不同的。不同的是维氏硬

24、度采用的是用一是维氏硬度采用的是用一个相对面夹角为个相对面夹角为136136的的金刚石正四棱锥作压头。金刚石正四棱锥作压头。 维氏硬度视频维氏硬度视频 维氏硬度值的计算：维氏硬度值的计算： 布氏硬度的标注与布氏硬度一样，习惯上也只布氏硬度的标注与布氏硬度一样，习惯上也只写出硬度数值而不标出单位。在硬度符号写出硬度数值而不标出单位。在硬度符号HV之前的之前的数字为硬度值，数字为硬度值，HV后面的数值依次表示载荷和载荷后面的数值依次表示载荷和载荷保持的时间（保持时间为保持的时间（保持时间为1015s时不标注）。如：时不标注）。如：640HV30表示在表示在30kgf载荷作用下，保持载荷作用下，保持

25、1015s测得的维氏硬度值为测得的维氏硬度值为640。 620HV3020表示在表示在30kgf载荷作用下，保持载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度值为测得的维氏硬度值为620。 维氏硬度的特点维氏硬度的特点 适用范围广，从极软到极适用范围广，从极软到极硬的材料都可以进行测量，连续性好，可测量硬的材料都可以进行测量，连续性好，可测量较薄或表面硬度值较大的材料的硬度。尤其适较薄或表面硬度值较大的材料的硬度。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量。渗层硬度测量。 缺缺 点点 维氏硬度测试时对试样表面质量要维氏硬度测试时对试样表面质量要求较

26、高，测试过程比较麻烦，效率较低，没有求较高，测试过程比较麻烦，效率较低，没有洛氏硬度方便，因此不适用于生产现场的常规洛氏硬度方便，因此不适用于生产现场的常规试验，且因所施加的试验载荷小，压入深度较试验，且因所施加的试验载荷小，压入深度较浅，所测数据精确度不高。浅，所测数据精确度不高。 三、冲击韧性三、冲击韧性 以很大速度作用于工件上的载荷称为以很大速度作用于工件上的载荷称为冲击冲击载荷载荷。 金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力叫做的能力叫做冲击韧性冲击韧性。 实际使用的大多数零件和工具在工作过程实际使用的大多数零件和工具在工作过程中往往受到的是冲击力

27、的作用，如锻锤的锤杆、中往往受到的是冲击力的作用，如锻锤的锤杆、冲床的冲头等，这些工件除要求强度、塑性、冲床的冲头等，这些工件除要求强度、塑性、硬度外，还必须具有足够抵抗冲击载荷能力。硬度外，还必须具有足够抵抗冲击载荷能力。 冲击试验冲击试验 冲击试样冲击试样 有夏比有夏比U U型缺口试样和夏比型缺口试样和夏比V V型缺口型缺口试样两种。试样两种。 U U型缺口试样型缺口试样 V V型缺口试样型缺口试样 冲击试验原理冲击试验原理 冲击功冲击功 摆锤在冲断试样过程中所消耗的能摆锤在冲断试样过程中所消耗的能量。即为试样在一次冲击力作用下折断时所吸收量。即为试样在一次冲击力作用下折断时所吸收的功，用

28、符号的功，用符号A AK K表示：表示： A AK K=mg=mg（h h1 1-h-h2 2） 根据两种试样缺口形状根据两种试样缺口形状 不同，冲击功分别用不同，冲击功分别用A AKuKu和和 A AKvKv表示，单位为焦耳（表示，单位为焦耳（J J）。）。 冲击试验视频冲击试验视频 冲击功愈大，材料的韧性愈好。冲击功愈大，材料的韧性愈好。 一般把冲击功低的金属材料称为一般把冲击功低的金属材料称为脆性材料脆性材料，冲击功高的称为冲击功高的称为韧性材料韧性材料。 冲击韧度冲击韧度 试样缺口处单位横截面积试样缺口处单位横截面积 上的冲上的冲击功，用符号击功，用符号K表示，单位为表示，单位为J/2

29、： 冲击功冲击功AK的大小与试验温度有关。有些材料的大小与试验温度有关。有些材料在室温（在室温（20）左右试验时不显示脆性，而在较）左右试验时不显示脆性，而在较低温度下可能发生脆性断裂。低温度下可能发生脆性断裂。 从图可以看出，从图可以看出，在某一温度处，冲在某一温度处，冲击功会急剧下降，击功会急剧下降，金属材料由韧性断金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂，裂转变为脆性断裂，这一温度区域称为这一温度区域称为韧脆转变温度韧脆转变温度。材。材料的韧脆转变温度料的韧脆转变温度越低，材料的低温越低，材料的低温抗冲击性能越好。抗冲击性能越好。 温度和碳含量对冲击性能的影响温度和碳含量对冲击性能的影响 四、疲

30、劳四、疲劳 1 1疲劳现象疲劳现象 工程上许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是工程上许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是变动载荷作用下工作的。根据变动载荷的作用方式变动载荷作用下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，零件承受的应力可分为交变应力与重复应力不同，零件承受的应力可分为交变应力与重复应力两种，如图所示。两种，如图所示。 承受交变应力或重复应力的零件，在经过承受交变应力或重复应力的零件，在经过一定一定次数的应力循环次数的应力循环后，往往在工作应力低于其屈服强后，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下突然发生断裂，这种现象称为度的情况下突然发生断裂，这种现象称为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断口示意图疲劳断口示意图 2. 2.疲劳强度疲劳强度 实验证明，金属材料能承受的交变应力实验证明，金属材料能承受的交变应力与断与断裂前应力循环次数裂前应力循环次数 N N 有如图所示的规律。由图所有如图所示的规律。由图所知，当知，当低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强材料可经无限次循环而不断裂，这一