汽车机械基础-金属材料的性能配套

1、项目项目12 金属材料的性能金属材料的性能引言：汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方面，是汽车质量保障引言：汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方面，是汽车质量保障的基础，在当今研制经济、安全和轻便汽车中更是关键的一环。汽车的基础，在当今研制经济、安全和轻便汽车中更是关键的一环。汽车材料与汽车制造成本和耐用程度密切相关，现代汽车的技术进步，很材料与汽车制造成本和耐用程度密切相关，现代汽车的技术进步，很大程度就是材料技术的进步。大程度就是材料技术的进步。金属材料的性能金属材料的性能使用性能：使用性能： 指材料在使用过程中所表现的性质和适应能力，主要指材料在使用过程中所表现的性质和适应能力，主要包括

2、机械性能、物理性能和化学性能。包括机械性能、物理性能和化学性能。工艺性能：工艺性能：在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。所有性能中，机械性能最为基本和重要，因为它是产品设计和材料选择的主要依据。所有性能中，机械性能最为基本和重要，因为它是产品设计和材料选择的主要依据。 12.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 材料按其成分材料按其成分、特点可分为金属材

3、料特点可分为金属材料、非金属材料和复合非金属材料和复合材料，其中，金属材料以其优良的性能获得广泛的使用。材料，其中，金属材料以其优良的性能获得广泛的使用。 金属材料的机械性能指材料在外力作用下表现出来的性能，金属材料的机械性能指材料在外力作用下表现出来的性能，即金属材料即金属材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力，抵抗外力引起的变形和破坏的能力，主要有强度、主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。 这些性能指标是选择机械零件材料的主要依据，也是材料这些性能指标是选择机械零件材料的主要依据，也是材料性能评定的依据之一，其中强度、刚度、弹性及塑性一般可通性能评定

4、的依据之一，其中强度、刚度、弹性及塑性一般可通过金属拉伸试验来测定。拉伸试验是应用最为广泛的力学性能过金属拉伸试验来测定。拉伸试验是应用最为广泛的力学性能试验方法之一。试验方法之一。一、 强度图图8-1 拉伸试样拉伸试样 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。 强度指标一般可通过金属强度指标一般可通过金属拉伸试验来测定。拉伸试验采用标准拉伸试样，在拉伸试验机上缓慢施加静载拉伸试验来测定。拉伸试验采用标准拉伸试样，在拉伸试验机上缓慢施加静载荷，同时连续测量力和相应的伸长，直至把试样拉断为止，依据测出的拉伸曲荷，同时连续测量力和相应的伸长，直至把试样拉

5、断为止，依据测出的拉伸曲线，求出相应的力学性能指标。线，求出相应的力学性能指标。图图8-2 万能材料试验机简图万能材料试验机简图一、材料的拉伸曲线一、材料的拉伸曲线1 1、oeoe段：直线、弹性变形阶段。段：直线、弹性变形阶段。2 2、eses段：曲线、弹性变形段：曲线、弹性变形+ +塑性变形塑性变形即屈服阶段。即屈服阶段。5 5、bdbd段曲线：颈缩阶段。段曲线：颈缩阶段。b b点：出现点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小，缩颈现象，即试样局部截面明显缩小，试样承载能力降低，拉伸力达到最大试样承载能力降低，拉伸力达到最大值；当拉到值；当拉到d d点时，试样断裂。点时，试样断裂。3 3、s

6、sss段：水平线（略有波动）段：水平线（略有波动）、明显的塑性变形屈服现象，作用的力明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。基本不变，试样连续伸长。4 4、sbsb曲线：弹性变形曲线：弹性变形+ +均匀塑性变形。均匀塑性变形。s金属材料的强度指标根据其变形特点分为下列几个：金属材料的强度指标根据其变形特点分为下列几个：3 3、强度极限（抗拉强度）、强度极限（抗拉强度）指试样拉断前所承受的最大拉应力。指试样拉断前所承受的最大拉应力。2 2、屈服极限（强度）、屈服极限（强度） s当材料的内应力当材料的内应力b b时，材料将产生断裂。时，材料将产生断裂。b b常用作脆性材料的选材和设

7、计的依据。常用作脆性材料的选材和设计的依据。 一般机械零件使用时，不允许发生明显塑性变形，选材与设计的主一般机械零件使用时，不允许发生明显塑性变形，选材与设计的主要依据是要依据是 s s 或者或者0.2 。屈服强度是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。屈服强度是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。 1 1、弹性极限值、弹性极限值e 表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力。表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力。二、刚度和弹性二、刚度和弹性 在应力在应力- -应变曲线中的弹性变形阶段可测出材料的弹性模量应变曲线中的弹性变形阶段可测出材料的弹性模量E E，并依，并依此确定该

8、材料的刚度和弹性。此确定该材料的刚度和弹性。弹性模量弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即：是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即：E=/弹性模量弹性模量E是引起单位弹性变形所需的应力。它表示金属材料抵抗弹性是引起单位弹性变形所需的应力。它表示金属材料抵抗弹性变形的能力。工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。变形的能力。工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。零件的刚度除了与零件横截面大小、形状有关外，还主要取决于材料的零件的刚度除了与零件横截面大小、形状有关外，还主要取决于材料的弹性模量弹性模量E越大，刚度越大。越大，刚度越大。E值主要取决于各种金属材料的本性。值

9、主要取决于各种金属材料的本性。三、塑性三、塑性 塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。评定指标是塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。评定指标是延伸率和断面收缩率。延伸率和断面收缩率。1 1、延伸率延伸率2 2、断面收缩率、断面收缩率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 x 100% x 100%L L0 0: :标距（本实验标距（

10、本实验L=100L=100）L L1 1: :拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。=(A=(A0 0-A-A1 1)/A)/A0 0 x 100% x 100%A0:A0:试件原横截面积。试件原横截面积。A1:A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。 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的塑性变形而不被破坏，便于通过压力加工获得形状复杂的金属可以发生大的塑性变形而不被破坏，

11、便于通过压力加工获得形状复杂的零件。零件。 四、硬度四、硬度1 1、定义：指材料抵抗另一硬物压入其内的能力。即受压、定义：指材料抵抗另一硬物压入其内的能力。即受压时抵抗局部塑性变形的能力。它是衡量材料软硬程度的指时抵抗局部塑性变形的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。标，其物理含义与试验方法有关。2 2、硬度的测试方法、硬度的测试方法硬度试验方法大体上可分为压入法硬度试验方法大体上可分为压入法, ,刻画法和弹性回跳法刻画法和弹性回跳法三种。金属材料三种。金属材料硬度测试硬度测试主要用压入法，常用的压入法有：主要用压入法，常用的压入法有： （1 1）布氏硬度试验；）布氏硬

12、度试验； （2 2）洛氏硬度试验；）洛氏硬度试验；1)1)、布氏硬度试验、布氏硬度试验（布氏硬度计） 原理原理: :用一定直径用一定直径D的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕平均直径量材料表面压痕平均直径d，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2)2)、布氏硬度值布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。示。 HBS (钢球压头

13、) 、HBW（硬质合金球）如：120HBS 500HBW4 4、测量范围、测量范围 用于测量各种退火、调质处理的钢、铸铁、有色金属等。用于测量各种退火、调质处理的钢、铸铁、有色金属等。3)3)、优缺点、优缺点（1 1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2 2）可测的硬度值不高（可测的硬度值不高（3 3）不测试成品与薄件（）不测试成品与薄件（4 4）测量费时，效率低）测量费时，效率低=2FDD-（D-d ）布氏硬度布氏硬度= F A凹凹1 1）洛氏硬度试验）洛氏硬度试验（洛氏硬度计） 原理原理: : 用顶角为用顶角为120金

14、刚石圆锥或直径为金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球，在的淬火钢球，在先后施加两个载荷（预载荷先后施加两个载荷（预载荷F0和总载荷和总载荷F）F0+F1（主载荷）的作用下压（主载荷）的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力入试样表面，经规定时间后卸除试验力F1，用测量的残余压痕深度增量，用测量的残余压痕深度增量h来计算硬度的一种压痕硬度试验。来计算硬度的一种压痕硬度试验。 2 2）洛氏硬度值）洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。出。如：如：50HRC50HRC（金刚石圆锥）（金刚石圆锥） 4 4、测量范围、测量范围 用于

15、测量用于测量淬火钢、硬质合金淬火钢、硬质合金等材料等材料. .应用最广泛。应用最广泛。3 3）优缺点）优缺点（1 1）试验简单、方便、迅速（）试验简单、方便、迅速（2 2）压痕小，可测成品，薄件（）压痕小，可测成品，薄件（3 3）数据）数据不够准确，应测三点取平均值（不够准确，应测三点取平均值（4 4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。）不应测组织不均匀材料，如铸铁。1. 原理原理 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值优点：操作简便、迅速，效率优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件高，可直接测量成品件 及高硬度及高硬度 的材料。

16、的材料。缺点：压痕小，测量不准确，缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。需多次测量。五、 冲击韧性 韧性韧性是指金属在冲断前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力。金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。韧性的主要判据：冲击吸收功韧性的主要判据：冲击吸收功，冲击吸收功越大，材料承受冲击的能力越强。指针试样摆锤支座试样6、疲劳强度、疲劳强度 在交变应力作用下， 虽然零件所承受的应力远低于材料的抗拉强度，甚至小于屈服点，但经过较长时间的工作也会产生裂纹或发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳，这种断裂称为疲劳断裂。12.2 金属材料的工艺性能1：铸造性（可铸性）：铸造性（

17、可铸性）： 指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能力，收缩性是指铸件凝固时，体积收缩的程度，偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。2：压力加工与可锻性：压力加工与可锻性： 指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态 或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。3、焊接性（可焊性）：、焊接性（可焊性）： 指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。4、切削加工性（可切削性，机械加工性）：、切削加工性（可切削性，机械加工性）： 指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易度。切削加