金属材料的性能

1、1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能材料的性能分为材料的性能分为使用性能使用性能和和工艺性能工艺性能（1） 工艺性能是指材料的可加工性。工艺性能是指材料的可加工性。 利用金属的加工工艺可将未经成型的坯料加工成零利用金属的加工工艺可将未经成型的坯料加工成零件所要求的形状、尺寸，并具有相应的性能。件所要求的形状、尺寸，并具有相应的性能。常用的加工工艺有：常用的加工工艺有：铸造铸造：将液态材料（如金属、塑料等）注入模具的成：将液态材料（如金属、塑料等）注入模具的成 型方法。型方法。 铸造性能是指材料易于成形并获得优铸造性能是指材料易于成形并获得优 质铸件的性能质铸件的性能第一章第一章 金属材

2、料的主要性质金属材料的主要性质（1） 工艺性能是指材料的可加工性。工艺性能是指材料的可加工性。 利用金属的加工工艺可将未经成型的坯料加工成零利用金属的加工工艺可将未经成型的坯料加工成零件所要求的形状、尺寸，并具有相应的性能。件所要求的形状、尺寸，并具有相应的性能。常用的加工工艺有：常用的加工工艺有：焊接：焊接：将分离的部件连接到一起的成型方法。焊接将分离的部件连接到一起的成型方法。焊接性能是指，材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝性能是指，材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能质量的性能热处理：热处理：通过对材料加热（加热温度通常在熔点以通过对材料加热（加热温度通常在熔点以下）、保温和冷却

3、来调整其性能的工艺方法。热处理下）、保温和冷却来调整其性能的工艺方法。热处理性能是指材料进行热处理的难易程度。性能是指材料进行热处理的难易程度。塑性加工塑性加工：利用材料的延展性，在外力（如锻、拉、：利用材料的延展性，在外力（如锻、拉、挤、弯）作用下将固态材料加工成型的方法。锻造性挤、弯）作用下将固态材料加工成型的方法。锻造性能是否易于压力加工的性能。能是否易于压力加工的性能。（1） 工艺性能是指材料的可加工性。工艺性能是指材料的可加工性。 利用金属的加工工艺可将未经成型的坯料加工成零利用金属的加工工艺可将未经成型的坯料加工成零件所要求的形状、尺寸，并具有相应的性能。件所要求的形状、尺寸，并具

4、有相应的性能。常用的加工工艺有：常用的加工工艺有：机械加工机械加工：利用切削加工（如车、铣、钳、刨、镗、：利用切削加工（如车、铣、钳、刨、镗、磨等）使固态材料成型。机械加工性能（切削加工性磨等）使固态材料成型。机械加工性能（切削加工性能）通常用材料的硬度来衡量，是指材料在加工时的能）通常用材料的硬度来衡量，是指材料在加工时的难易程度。难易程度。（2） 使用性能使用性能 是指在服役条件下能保证安全可靠是指在服役条件下能保证安全可靠工作所必须具备的性能，其中包括材料的力学性能工作所必须具备的性能，其中包括材料的力学性能（机械性能）、物理性能、化学性能等。（机械性能）、物理性能、化学性能等。 A、力

5、学性能：力学性能：材料受到各种不同性质载荷（外力）材料受到各种不同性质载荷（外力）作用时，所表现出的抵抗能力。作用时，所表现出的抵抗能力。主要包括工程材料主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能B、物理性能：主要包括工程材料的熔点、密度以及物理性能：主要包括工程材料的熔点、密度以及 电、磁、光和热性能电、磁、光和热性能C、化学性能：是指工程材料在环境作用下耐腐蚀和化学性能：是指工程材料在环境作用下耐腐蚀和 抗老化性能。抗老化性能。静载是指对试样的缓慢加载。静载是指对试样的缓慢加载。一一 强度强度1、弹性弹性 弹性弹性去除外力后，变形消失，

6、材料恢复原状去除外力后，变形消失，材料恢复原状的能力。（材料受到外力后，便产生变形）。的能力。（材料受到外力后，便产生变形）。 弹性变形弹性变形去除外力后随外力去除而消失的变形。去除外力后随外力去除而消失的变形。 2、塑性、塑性塑性变形塑性变形去除外力后保留下来的变形为永久变形。去除外力后保留下来的变形为永久变形。 塑性塑性材料在外力的作用下产生塑性变形的能力。材料在外力的作用下产生塑性变形的能力。 材料受到的外力超过一定限度后，再去除外力，材料受到的外力超过一定限度后，再去除外力，一部分变形便被保留下来，材料也就不能恢复原来一部分变形便被保留下来，材料也就不能恢复原来的形状和大小。的形状和大

7、小。3、强度、强度 、刚度刚度强度强度材料在外力作用时，抵抗变形或断裂的能力。材料在外力作用时，抵抗变形或断裂的能力。 刚度刚度 材料抵抗变形的能力。材料抵抗变形的能力。 材料所受载荷，按载荷的分类有：拉伸、压缩、材料所受载荷，按载荷的分类有：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转，那么相应的拉伸强度弯曲、剪切、扭转，那么相应的拉伸强度.; 拉伸强度是最简单的强度。测定拉伸强度指标，拉伸强度是最简单的强度。测定拉伸强度指标，最普遍、最简单的方法是拉伸实验法。最普遍、最简单的方法是拉伸实验法。拉伸试件拉伸试件ldl=100mmd=10mm电电子子拉拉力力试试验验机机主机主机加载机构加载机构控制台控制台绘图

8、机构绘图机构低碳钢拉伸试验强度的高低是以金属材料所能承受的应力大小来表示的。强度的高低是以金属材料所能承受的应力大小来表示的。当金属材料受载荷作用而未引起破坏时，其内部产当金属材料受载荷作用而未引起破坏时，其内部产生与载荷相平衡的力称为生与载荷相平衡的力称为内力内力。材料单位面积上的内力称为材料单位面积上的内力称为应力应力。1 强度强度 p e s b p比例极限比例极限; 强度性质强度性质0 AA BCK D e 弹性极限弹性极限; s屈服极限屈服极限; b强度极限强度极限;P/SP/S L/L / e 弹性极限弹性极限; 弹性变性阶段的最大应力。弹性变性阶段的最大应力。 是弹性零件的主要性

9、能指标。是弹性零件的主要性能指标。 e s b0 AA BCK D弹性模量弹性模量E ： 材料在弹性变形范围内应力与应变的比值。材料在弹性变形范围内应力与应变的比值。E材料抵抗变形的难易程度。材料抵抗变形的难易程度。E E越大，抵抗变形能力越好。越大，抵抗变形能力越好。 取决于材料内部原子之间的作用力，如晶体材料的晶格取决于材料内部原子之间的作用力，如晶体材料的晶格类型、原子间距，而其他强化手段对弹性模量的影响较小。类型、原子间距，而其他强化手段对弹性模量的影响较小。 s 屈服强度屈服强度; 材料在外力作用下发生塑材料在外力作用下发生塑性变形的最低应力值。性变形的最低应力值。 e s b0 A

10、A BCE DSFss 工程上大多数零件都是在弹性范围内工作，如工程上大多数零件都是在弹性范围内工作，如果产生过量的塑性变形就会使零件失效，所以屈服果产生过量的塑性变形就会使零件失效，所以屈服强度是零件设计和选材的主要依据之一。强度是零件设计和选材的主要依据之一。 F0A BC 0.2%lF0.245钢拉伸时的应力钢拉伸时的应力应变应变曲线，弹性阶段之后，没曲线，弹性阶段之后，没有象低碳钢那样明显的屈有象低碳钢那样明显的屈服过程。服过程。条件屈服极限：取塑性应条件屈服极限：取塑性应变变0.2%时所对应的应力值时所对应的应力值作为该材料的屈服极限，作为该材料的屈服极限，SF2 . 02 . 0

11、b抗拉强度抗拉强度; 试样拉断前最大载荷试样拉断前最大载荷所决定的应力值。所决定的应力值。 e s b0 AA BCE DSFbb 表征材料对最大均匀变形的抗力，是零件设计和表征材料对最大均匀变形的抗力，是零件设计和选材的主要依据之一。选材的主要依据之一。对几乎没有塑性或低塑性脆性材料，是主要设计指标。对几乎没有塑性或低塑性脆性材料，是主要设计指标。伸长率：伸长率： = 100 1- 0 0 材料在外力的作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。塑性变形去除外力后保留下来的变形为永久变形。（1）伸长率：）伸长率：L0 试样原始标距长度; mmL1 试样拉断后的长度；mm2 塑性塑性A0 试样的原始横

12、截面积； mm2A1 试样拉断后，断口处横截面积；mm2、 愈大，材料的塑性越好。%100010AAA 硬度是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。综合性的物理量。硬度的测定是通过硬度实验法测定的 （1 1）压入法，根据加载速度的不同，静载荷压入法和动载荷压入法。）压入法，根据加载速度的不同，静载荷压入法和动载荷压入法。（2 2）刻划法。）刻划法。 应用广泛的是静载荷压入法（布氏、洛氏、维氏和显微硬度）。应用广泛的是静载荷压入法（布氏、洛氏、维氏和显微硬度）。二二 硬度硬度 衡量材料软硬程度的指标，表征材料抵抗比它更衡量材料软硬程度的指标，表征材料抵抗比它更硬的物体压入或刻划

13、的能力硬的物体压入或刻划的能力 硬度也可看作是材料表面抵抗变形的能力。它硬度也可看作是材料表面抵抗变形的能力。它是材料的一个重要指标是材料的一个重要指标用途铸铁、有色金属、低合金结构钢调质件的硬度。缺点由于压痕较大，不能检验薄片材料和不易检验成品件 1 1、布氏硬度（、布氏硬度（HBHB） 压头直径压头直径D（10mm，5mm， 2.5mm）载荷载荷F：30000N，7500N、1870N2122)(2dDDPDhPSPHB顶角为120的金刚石锥体或直径1.588mm的淬火钢球。标尺85压头总载荷N适应测试材料有效值HRA120金刚石圆锥体600硬质合金、表面淬火钢7085HRB1.588淬火

14、钢球1000退火钢、非合金钢25100HRC120度金刚石圆锥体1500一般淬火钢件2067优点：优点：简单迅速，并能直接从表盘读出硬度值；测量范围大，可用来测量很硬、很软的材料；实验后表面压痕小，故可测量成品及较薄的工件。缺点：缺点：压痕较小，对内部组织和硬度不均的材料，测得结果不准确，需在试样不同部位的冲击点数超过三个。压痕较大，不易检验薄片材料不易检验成品件 布氏硬度布氏硬度简单迅速，测量范围大，表面压痕小，可测量成品及较薄的工件。测得结果不准确，需在试样不同部位的冲击点数超过三个布氏硬度与洛氏硬度之间的关系：布氏硬度与洛氏硬度之间的关系：HRC ：HBS 1 ： 10其他硬度试验简介其

15、他硬度试验简介（1）肖氏硬度试验）肖氏硬度试验（2）锉刀硬度试验）锉刀硬度试验一般标准锉刀正常硬度为一般标准锉刀正常硬度为60HRC,锉刀打滑锉刀打滑:被测零件硬度高于与锉刀的硬度被测零件硬度高于与锉刀的硬度;感觉锉削较吃力感觉锉削较吃力:有少量锉屑出现有少量锉屑出现,零件硬度与锉刀硬零件硬度与锉刀硬度相近度相近;锉削不费劲锉削不费劲:有很容易锉削有很容易锉削,有大量锉屑出现有大量锉屑出现,零件硬度零件硬度远低于锉刀硬度远低于锉刀硬度;（3）声音判定法）声音判定法（4）其他方法）其他方法材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。k一次摆锤冲击试验一次摆

16、锤冲击试验把待测材料的标准缺口把待测材料的标准缺口试样放在试验机支座上，试样放在试验机支座上，将具有一定重量将具有一定重量G的摆的摆锤自高度锤自高度h自由落下，冲断试样，并自由落下，冲断试样，并摆过支承点升至高度摆过支承点升至高度h 三三 冲击韧性（韧性）冲击韧性（韧性）一次摆锤冲击试验一次摆锤冲击试验摆锤冲断试样所消耗的冲击功摆锤冲断试样所消耗的冲击功GhGHAkAAkkk对金属材料承受小能对金属材料承受小能量多次重复冲击的能量多次重复冲击的能力，用力，用 有一定的有一定的局限性。局限性。三三 冲击韧性（韧性）冲击韧性（韧性）1、对于脆性材料，试样一般不开缺口。2、冲击值与很多因素有关，与试

17、样形状、表面粗糙度、内部组织有关。 4、零件的破坏往往是受小能量多次重复冲击而破坏。5、冲击值对组织缺陷很敏感，能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的变化。3、韧脆转变温度韧脆转变温度，材料在低于某一温度时，冲击值显著降低呈脆性，材料由韧性状态转变为脆性状态。四四 疲劳强度疲劳强度 零件（如轴、齿轮、弹簧）在交变载荷作用下零件（如轴、齿轮、弹簧）在交变载荷作用下服役，虽然所承受的应力低于材料的屈服强度，但服役，虽然所承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间后，零件发生断裂。经过较长时间后，零件发生断裂。疲劳强度疲劳强度1表征材料抵抗疲劳的能力。表征材料抵抗疲劳的能力。 通过测定材料在多

18、次重复的交变载荷作用下而通过测定材料在多次重复的交变载荷作用下而无断裂的最大应力。无断裂的最大应力。（1）设计方面：尽量使零件避免尖角，缺口）设计方面：尽量使零件避免尖角，缺口和截面突变，以避免应力集中。和截面突变，以避免应力集中。（2）材料方面：使晶粒细化，减少材料内部的）材料方面：使晶粒细化，减少材料内部的夹杂物和由于热加工不当而引起的缺陷。夹杂物和由于热加工不当而引起的缺陷。（3）机械加工方面：降低零件表面粗糙度，）机械加工方面：降低零件表面粗糙度，表面刀痕、碰伤和划痕等都是疲劳的策源地。表面刀痕、碰伤和划痕等都是疲劳的策源地。（4）零件表面强度方面：采用化学热处理，）零件表面强度方面：

19、采用化学热处理，表面淬火，喷丸处理和表面涂层。表面淬火，喷丸处理和表面涂层。1.2 金属材料的物理、化学及工艺性能金属材料的物理、化学及工艺性能1、密度：单位体积材料的重量、密度：单位体积材料的重量轻金属：密度小于轻金属：密度小于 的金属的金属 铝铝.镁镁.钛钛33/105mkg重金属：密度大于重金属：密度大于 的金属的金属 银银.铜铜.铁铁.钨钨33/105mkg2、熔点：材料的融化温度。、熔点：材料的融化温度。陶瓷和金属有固定熔点，高分子材料无固定熔点。陶瓷和金属有固定熔点，高分子材料无固定熔点。 取决于化学成分。是金属与合金的冶炼、铸造和焊接取决于化学成分。是金属与合金的冶炼、铸造和焊接

20、等重要的工艺参数。等重要的工艺参数。难熔金属：熔点高的金属。（钨难熔金属：熔点高的金属。（钨W、钼钼Mo、钒钒V）易熔金属：熔点低的金属。（锡易熔金属：熔点低的金属。（锡Sn、铅铅Pb）一一 物理性能物理性能3、热膨胀系数：、热膨胀系数： 温度每升高温度每升高1K，在单位长度上的变化量在单位长度上的变化量 表征材料的热膨胀性的重要指标，在精密仪器表征材料的热膨胀性的重要指标，在精密仪器或机器零件领域，有重要意义。或机器零件领域，有重要意义。高分子材料高分子材料 金属金属陶瓷陶瓷4、磁性：材料能导磁的性能、磁性：材料能导磁的性能软磁性材料：易磁化，导磁率好，外磁场去掉后，软磁性材料：易磁化，导磁

21、率好，外磁场去掉后， 磁性基本消失的磁性材料。（电工用纯铁、硅钢片）磁性基本消失的磁性材料。（电工用纯铁、硅钢片）硬磁性材料：去磁后仍保持磁场，磁性不一消失的材料。硬磁性材料：去磁后仍保持磁场，磁性不一消失的材料。 （淬火的钴钢、稀土钴）（淬火的钴钢、稀土钴）非金属材料一般无磁性。非金属材料一般无磁性。5、导热性导热性 热导率：取两个相距热导率：取两个相距1cm，面积为面积为1cm2的平行的平行平面，如果这两个平面的温度相差平面，如果这两个平面的温度相差1K,则在则在1秒内从秒内从一个平面传导到另一个平面的热量。一个平面传导到另一个平面的热量。热导率越大，导热性越好。热导率越大，导热性越好。加

22、入合金元素，热导率迅速下降。导热性降低加入合金元素，热导率迅速下降。导热性降低非金属元素的热导率较低。非金属元素的热导率较低。 导热性好的材料，散热性好，用于制造热交换导热性好的材料，散热性好，用于制造热交换器等传热设备的零、部件。器等传热设备的零、部件。 导热性差的材料，在加热或冷却速度过快的情况导热性差的材料，在加热或冷却速度过快的情况下，会引起零件表面与内部较大的温差，产生不同的下，会引起零件表面与内部较大的温差，产生不同的膨胀，形成过大的热应力，引起材料变形或开裂。膨胀，形成过大的热应力，引起材料变形或开裂。6、导电性、导电性用电阻率表示。用电阻率表示。 金属材料的电阻率随温度升高而增

23、加，金属材料的电阻率随温度升高而增加，非金属材料的电阻率随温度升高而降低。非金属材料的电阻率随温度升高而降低。加入合金元素，导电性迅速下降。加入合金元素，导电性迅速下降。大多数高分子材料和陶瓷材料都是绝缘体。大多数高分子材料和陶瓷材料都是绝缘体。二二 化学性能化学性能材料在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力。材料在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力。腐蚀：材料因化学侵蚀而损坏的现象。腐蚀：材料因化学侵蚀而损坏的现象。非金属材料的耐腐蚀性远高于金属。非金属材料的耐腐蚀性远高于金属。腐蚀：材料因化学侵蚀而损坏的现象。腐蚀：材料因化学侵蚀而损坏的现象。1、分类：、分类：（1）化学腐蚀）化学腐蚀金属与周围介质接触时单纯由化学作用而引起的腐蚀。金属与周围介质接触时单纯由化学作用而引起的腐蚀。例如：例如： 液压管道受酒精和甘油的腐蚀、陶瓷液压管道受酒精和甘油的腐蚀、陶瓷 在熔盐中的腐蚀、氧化在熔盐中的腐蚀、氧化（2）电化学腐蚀）电化学腐蚀金属与电介质溶液