金属材料与热处理

1、世界四大材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥材料分：金属材料、非金属材料、复合材料材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），木材等），有机有机高分子材料（如塑料、橡胶），高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料料。现在新材料现在新材料- -纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料 材料按材料按物质结构物质结构不同分不同分： 金属材料金属材料、非金属材料非金属材料

2、（有机高分子材料和陶瓷（有机高分子材料和陶瓷料料)、复合材料复合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分： 机械工程材料机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材、土木工程材料、电工材料、电子材料料 材料按材料按功能功能不同分不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料材料发展概括材料发展概括 石器时代石器时代铜器时代：铜器时代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11111616世纪）世纪）1130113078078011001100战国编钟战国编钟（前前475475221221年）年）

3、6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具瓷器用具） 铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年 ）重）重50T ,50T ,长长5.3m,5.3m,宽宽3m3m人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等陶器时代陶器时代沧州铁沧州铁狮狮铸造于铸造于公公元元953953年。年。铁狮子通铁狮子通高高5.785.78米，米，身长身长6.56.5米，体宽米，体宽3.173.17米，米，重约重约4040吨吨本课程的性质和目的本

4、课程的性质和目的是机械类专业必修的一门专业技术是机械类专业必修的一门专业技术2、目的目的：a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。 b熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它 们之间成分、组织、性能、热处理的关系。们之间成分、组织、性能、热处理的关系。c 具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。d 为后续课程和从事技术工作打下基础。为后续课程和从事技术工作打下基础。 1、性质性质：本课本课学习学习方法方法是是：预习预习 、笔记、笔记 、复习、讨论

5、问题、复习、讨论问题本教材的本教材的重点重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理：常见的材料牌号及应用，钢的热处理基础课。基础课。第一章第一章 金属的性能金属的性能金属材料的性能金属材料的性能使用性能使用性能力学、物理、化学力学、物理、化学力学性能力学性能：受外力作用下所表现出的性能受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能不能说：机械性能 判据判据 如：如： 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节第一节 金属的力学性能金属的力学性能工艺性能工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工铸造、锻压、焊接、切削加工一、基本概念一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基

6、本形状和尺寸，当、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。研究力学性能意义研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。、应力：单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（化；通常以百分比（%）表示）表示5、载荷：金属材

7、料在加工及使用过程中所受的外力。、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：按作用性质分： 静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷按作用形式不同分：按作用形式不同分：6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。分为弹性变形与塑性变形称为变形。分为弹性变形与塑性变形 外力去处后能够

8、恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。一、强度一、强度概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂和断裂 的能力的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。 =F/S -应力应力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa 按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低

9、的指标。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。拉伸实验拉伸实验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（GB/T228-2002）1. 拉伸试样拉伸试样2. 力力伸长曲线伸长曲线（以低碳钢试样为例）（以低碳钢试样为例）3. 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线1. 拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86）长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0 万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式2. 力伸长曲线力伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与

10、伸长量的关系曲线。中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段强化阶段 (a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象LF0 03. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0三、强度三、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力破坏的能力 工程上工程上常用常用的金属材料的的金属材料的强度强度指标指标： 屈服点（屈服点（ s ）或规定残余）或规定残余伸

11、长应力（伸长应力（ r）抗拉强度抗拉强度(b)屈服点（ s ）:指材料产生屈服时的应力指材料产生屈服时的应力0.2:r规定残余伸长率为0.2%时的应力0ssFS材料屈服时的拉力（N） 屈服点（屈服极限）0.2原标准（GB228-76）： 屈服强度很重要，大多数很重要，大多数零件不允许有塑零件不允许有塑性变形性变形规定残余伸长应力:对有明显屈服现对有明显屈服现象的材料象的材料对无明显屈服现对无明显屈服现象的材料象的材料抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值0bbFS拉伸过程中最大的拉力（N） 强度的意义强度的意义 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在20010

12、00MPa 之间。 强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。 因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。二、塑性二、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力可逆永久变形的能力 常用的塑性判据常用的塑性判据： 拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如:

13、10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d010100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1L oL 试样原始标距（mm）2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1S oS 试样原始截面积（mm2） . 塑性对材料的意义塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性提高安全性:因为零件在工作时万一超因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂免突然断裂 强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑

14、性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。 正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。 GB/T 228-2002新标准 GB/T 228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度屈服点s上屈服强度ReH上屈服点sU下屈服强度ReL下屈服点sL规定残余延伸

15、强度Rr规定残余延伸应力r抗拉强度Rm抗拉强度b断后伸长率A或A11.3断后伸长率5或10断面收缩率Z断面收缩率三、硬三、硬 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法:压入法压入法 它是材料性能的一个综合的物理量。它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内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）局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV） 材料抵抗

16、表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度试验原理图)/()(2102. 0102. 0)(222mmNdDDDFSFWHBS压2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于650HBW试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表验力保持时间按表1-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范布氏硬度范围围HBSHBS（HBWHBW）试样厚试样厚度度/ /mmmm0.1020.102球的直球的直径径/ /mmmm试验力试验力F/F/K

17、NKN（k k g f)g f)试验力试验力保持时保持时间间/ /s s钢、钢、铸铁铸铁140-450140-4506 63 34 42 222303010.010.05.05.02.52.529.42(3000)29.42(3000)7.355(750)7.355(750)1.839(187.5)1.839(187.5)1212140666 63 3101010.010.05.05.09.807(1000)9.807(1000)2.452(250)2.452(250)1212非铁非铁金属金属1301306 63 34 42 22662.52.510.010.02.452(250)2.452(

18、250)6060表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范3、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值压头直径（mm）试验力保持 时间（s）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如 170HBS。 4、适用范围常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：测值重复优点：测值重复性强、测量结果性强、测量结果准确准确缺点：

19、压痕大，不缺点：压痕大，不适合成品检验适合成品检验二、洛氏硬度测定原理硬度硬度符号符号压头类压头类型型总实总实验力验力F/N 硬度值有效范围硬度值有效范围应用范围应用范围HRA金刚石金刚石圆锥体圆锥体58870 08585适用于测量硬质合金、表面淬硬适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢球钢球98025100100适用于测量非铁金属适用于测量非铁金属,退火、退火、正正火钢等火钢等HRC金刚石金刚石圆锥体圆锥体1470206767适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，

20、压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号002. 0hkHR3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以可以用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量，在钢件热处理质量检查中应用最多。检查中应用最多。4、适用范围优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测 。三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角

21、线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。 2、计算公式21891. 0dFHV 3、表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/204、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。四、冲击韧性 强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。 材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。 在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率

22、也随之增加。 冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。 示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。1、冲击试验 冲击试样 冲击试验原理 一次摆锤冲击试验 冲击韧性的表示方法 如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm10mm55mm试样常用于薄板材料的检验。 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。 原理 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样

23、放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。 2.材料冲击韧性的表示方法 国标GB/T2291994 冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。 根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。 2.材料冲击韧性的表示方法 国标GB/T2292007 冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量;

24、Kmg（H1-H2）2.材料冲击韧性的表示方法 按照国标GB/T2292007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2 ，其单位是焦耳（J）。 冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。 冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。【小资料小资料】GB/T 2292007与GB/T 2291994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读

25、者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T2292007旧标准GB/T2291994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU 2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU 8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 8转变温度Tt韧脆转变温度TC 缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 用来评定材料的冷脆倾向（

26、测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。 3.冲击试验的应用3.冲击试验的应用 缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。 低温脆性低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。冷脆：材料因温

27、度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。 冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（ Tt ）。 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。 金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（ Tt ）大约为-20，某些合金钢的韧脆转变温度（ Tt ）可达-40以下。

28、TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。4.4.提高提

29、高冲击韧性的途径冲击韧性的途径 冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有： 改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性； 提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、 气泡等缺陷；五、疲劳强度 想想 一一 想想想想 一一 想想人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。 1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 事故的原因已经查清，是因为一

30、节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。1.变动载荷和循环应力变动载荷和循环应力 1.变动载荷 引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因a)应力大小变化 b

31、)c）应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化 1.平均应力平均应力2.应力幅应力幅2minmaxm2minmaxat一个应力循环一个应力循环mamaxmin 2.疲劳断裂疲劳断裂 零件在循环应力作用下零件在循环应力作用下,在一处或几处产生在一处或几处产生局部永久性累积损伤局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产经一定循环次数后突然产生断裂的过程生断裂的过程,称为疲劳断裂称为疲劳断裂. 疲劳断裂由疲劳裂纹产生疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展扩展瞬时断瞬时断裂三个阶段组成。裂三个阶段组成。 尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断

32、需要经过很长的时间。 疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。3.疲劳断口疲劳断口3.疲劳断口疲劳断口轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片） 当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作R（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。 通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作-1。4.疲劳强度疲劳强度 若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。 对一般低、中强度钢：107周次 对高强度钢：108

33、周次 对铝合金，不锈钢：108周次 对钛合金：107周次 在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环周次下，测出max，并称之为疲劳强度，实际上就是条件疲劳极限。5.5.提高疲劳极限的途径提高疲劳极限的途径(1)(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。和截面突变。 (2) (2) 提高零件表面加工质量。提高零件表面加工质量。 (3) (3) 对对材料表面材料表面进行进行强化处理。强化处理。四、 冲击韧性在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验把试样放在试验

34、机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为功为Ak。1、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)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k = (J/cm) Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积

35、上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感 能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越冲击韧度随温度下降越来越低来越低冷脆现象冷脆现象 在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好 第四节 疲劳强度交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲

36、劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂） 疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因： 应力集中微裂纹扩展断裂破坏。疲劳强度（疲劳强度（-1） ：金属材料经无穷多次（金属材料经无穷多次（107）应力循环）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。而不发生疲劳破坏的最大应力值。疲劳曲线：疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值实验证明，一般

37、钢铁材料所受交变应力最大值max与与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。的曲线关系。第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：主要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能, ,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料材料的性能材料的性能使用性能

38、工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能 热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 (指金属材料在指金属材料在使用过程中表现使用过程中表现出的性能出的性能)(指金属材料在指金属材料在加工过程中表现加工过程中表现出的性能出的性能)金属材料的力学性能金属材料的力学性能 -是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。思考思考如果把铁丝和钢如果把铁丝和钢丝折弯有何区别丝折弯有何区别? 常用的力学性能主要有常用的力学性能主要有：强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。研究力学性能意义研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据第一节第一节 刚度、强度、塑性刚度、强度、塑性一、拉伸试验及拉伸曲线一

39、、拉伸试验及拉伸曲线拉伸试验机拉伸试验机 OE段：弹性变形 阶段； 平台或锯齿（ES段）：屈服阶段； SB段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 B点：形成了“缩颈”。 BK段：非均匀变形阶段，承载下降，到K点断裂。 1 、变形过程、变形过程2、应力与应变曲线、应力与应变曲线应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F = ( M pa ) S 0应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: l = l 0应力应变曲线应力应变曲线（ - 曲线曲线） 形状和拉伸曲线相同，单位不同思考思考怎样比较不同材料抵怎样比较不同材料抵

40、抗外力能力的大小？抗外力能力的大小？2、应力与应变曲线、应力与应变曲线 比例极限（比例极限（ p ） 例例:弹簧秤弹簧秤 弹性极限（弹性极限（ e） 如如:弹簧弹簧 屈服极限（屈服极限（ s ） 抗拉极限抗拉极限(b)二、刚度二、刚度 是表征金属材料抵抗弹性变形的能力是表征金属材料抵抗弹性变形的能力E 式中的式中的E为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常用为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常用E作作为衡量材料刚度的指标。为衡量材料刚度的指标。 E值越大，在一定应力作用下产生的弹性变形越小，则刚度越大值越大，在一定应力作用下产生的弹性变形越小，则刚度越大 弹性模量主要取决于金属材料的种

41、类，即金属的本性（晶格类型弹性模量主要取决于金属材料的种类，即金属的本性（晶格类型、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，对刚度、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，对刚度有一定要求，如机床主轴、起重机臂等，在使用时不允许产生过有一定要求，如机床主轴、起重机臂等，在使用时不允许产生过量的弹性变形。量的弹性变形。三、强度三、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力破坏的能力 工程上工程上常用常用的金属材料的的金属材料的强度强度指标指标： 屈服点（屈服点（ s ）或规定残余）或规定残余伸长应力（伸长应力（ r）抗拉强度抗拉强度(b)

42、屈服点（ s ）:指材料产生屈服时的应力指材料产生屈服时的应力0.2:r规定残余伸长率为0.2%时的应力0ssFS材料屈服时的拉力（N） 屈服点（屈服极限）0.2原标准（GB228-76）： 屈服强度很重要，大多数很重要，大多数零件不允许有塑零件不允许有塑性变形性变形规定残余伸长应力:对有明显屈服现对有明显屈服现象的材料象的材料对无明显屈服现对无明显屈服现象的材料象的材料抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值0bbFS拉伸过程中最大的拉力（N）四、塑性四、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力可逆永久变形的能力 常用的塑性判据常用

43、的塑性判据： 拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如: 10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d010100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1L oL 试样原始标距（mm）2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1S oS 试样原始截面积（mm2） . 塑性对材料的意义塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件是金属材料进行压力加工的必要条

44、件;2.提高安全性提高安全性:因为零件在工作时万一超因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂免突然断裂 第二节 冲击韧性在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度某一高度h，试样在冲击试验力一次作用

45、下，折断时所吸收的功为冲击吸收试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为功为Ak。1、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)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k = (J/cm) Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感 能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可

46、用来检验材料的冶金质量,热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越冲击韧度随温度下降越来越低来越低冷脆现象冷脆现象 在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好 第四节 疲劳强度交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂） 疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因： 应力集中微裂纹扩展断裂破坏。