三金属材料性能

1、第三章 金属材料的性能(The properties of metal Materials)一、定义 金属材料在使用和加工过程中所表现出的特性,称为金属材料的性能。二、分类 机械性能(Mechanical properties)，船机、轮机人员关心的。 工艺性能(workability) 是制造人员关心的。 理化性能(physical and chemical properties) 船机、轮机人员关心的。2-1 金属材料的机械性能（也称力学性能） 一、概述 1.定义:金属在各种外力作用下抵抗变形和断裂的能力,称为金属的机械性能(又称为金属的力学性能)。或金属材料对外界载荷的反应能力。 作用：

2、 机械性能是设计机件和选用材料的依据。 .分类 根据使用温度不同分： 1室温下的机械性能指标 刚度 ；强度 塑性 硬度 疲劳强度；冲击韧性 2高温下的机械性能指标： 高温强度； 热硬性 二、室温下的 机械性能 拉伸试验方法是测定室温下机械性能的重要方法,通过这些试验, 可以得到曲线(应力应变曲线)。（一） 刚度 定 义: 金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力，称为。 衡量指标: 弹性模量:E=/(、分别为弹性变形时的应力与应变)。 刚度的影响因素 E=/=（P/F）/（L/L0） L=（PL0）/（EF） 在P、L0一定的情况下，L取决于EF（刚度）。 材料的弹性模量E: 对热处理与合金化、及冷

3、热加工方法不敏感（主要取决于材料分子间作用力的强弱），故从刚度出发， 选用一般钢材即可，不必选用合金钢。 零件的截面大小：设计时，如果要增大刚度，主要通过增大截面积来实现。 结构设计：采用支承、改善应力分布等方法。 （二）强度 定义:在外力作用下,材料抵抗产生塑性变形和断裂的能力，称为。 衡量指标:主要有: 1屈服强度（ ）：材料抵抗微量塑性变形的能力，称为。 绝大多数机械零件（如：紧固螺栓等），在工作中不允许产生明显的塑性变形，因此，屈服极限是设计和选材的主要依据之一。 工作应力：s/n n安全系数2.抗拉强度（b）（强度极限） 抗拉强度表示材料对发生最大均匀变形的抗力，当零件承受的应力大于

4、b时，零件就会断裂，用b表示。 材料抵抗断裂的能力，称为。（断裂前的最大应力）3.屈强比（s/b)：屈强比小，可靠性高，但材料性能的浪费大。 影响因素: 热处理、合金化、细晶强化冷热加工方法都会对上述指标产生很大的影响。（三）塑性指标 定义:在外力作用下,材料产生塑性变形而不破坏的能力,称为塑性. 衡量指标: 1.延伸率（(l1-l0)/l0*100） 应用：工程上按延伸率的大小将材料分成两类： 的材料塑性材料； 的材料脆性材料； 2.断面收缩率 (F0-F1)/F0*100）。其中：F0为试样原始截面积；F1为拉断后的截面积。 3.塑性好的含义：一方面表示材料塑性加工性好;另一方面表示材料承

5、受过载的能力强(通过塑性变形,加工硬化来提高强度)。 注意：塑性指标不能直接用于设计计算，通常根据经验来选择， 一般零件有5，有即可满足要求。（四）硬度 很常用的指标，零件的设计图纸上一般标有对硬度的要求。应用很广。 1）定义：金属表面抵抗局部塑性变形的能力,称为硬度。 衡量材料软硬的指标。 2）衡量指标: 常用的方法是采用压入法，即：将一硬质压头，在一定载荷下压入被测材料的表面，形成压痕，根据压痕的大小或深度来表示硬度值。常用的有三种： 1布氏硬度 方法: 用载荷，将一个直径为（有、三种）的硬钢球压入被测金属的表面，使表面形成压痕，压痕单位面积上承受的压力就是。 优缺点： 压痕大，误差小；与

6、强度有较好的对应关系；不适用于成品检验(压痕太大)，只能在试样上进行。 2洛氏硬度 方法：原理与布氏硬度相仿。标准压头为钢球或金刚石圆锥体。试验时，将初负荷P0=10kg加上后,再加主负荷P,保持规定时间后卸除,根据压痕的深度，来衡量硬度的大小。深度相差0.002mm，作为相差一个洛氏硬度单位。压陷坑越深，硬度越小。 HR=（K-h）/0.002 当使用金刚石压头时：K0.2mm; 当使用钢球压头时： K0.26mm; 根据所用的压头及载荷大小不同分种： 用于测量极硬的材料（如渗碳层）；测量较软的材料（有色金属与退火钢）； 测量较硬的材料（淬火钢）。 其中以应用最广。特点：操作简便、迅速（结果

7、由表头直接给出），误差大（压痕小）。 注意：不同级别的硬度无可比性，只能查表，换算成同一级别后，才能比较数值的大小。3.维氏硬度 方法： 用（相邻平面）夹角为的金刚石四棱锥体（也称四方角锥体）做压头，载荷范围 ，（根据需要选择），保持一定时间，根据压痕投影的两对角线的平均长度，计算出压痕的面积，再求出压痕上的平均压力，以此作为硬度的大小，并称为维氏硬度。用表示。 HVP/F=1.8544P/d d压痕的对角线长度。 压痕d压痕面积平均压力HV。 适用范围：很薄的工件、经化学热处理后的工件（表面层：如渗层、镀层的测量）。 特 点： 适用范围广，比HB、HR测量精确，但操作麻烦，没有洛氏硬度效率高

8、， 一般用于科研。 4.影响硬度因素:取决于成份（特别是含C量）和热处理工艺。（五）冲击韧性 定义:材料抵抗冲击截荷的能力。一次冲断试样。 试验方法： 材料力学中的摆锤试验 衡量指标(a）分析及应用： 冲击韧性值：ak=Ak/F （J/cm2）； Ak 冲击功 ak与下述因素有关： 材料及其状态； 试样的形状和尺寸； 试样不同时，结果不可比； 与温度有关； 当温度降到某一数值时，a急剧下降， 这个温度称为脆性转变温度（）（使冲击韧性急剧降低的温度）。Tk低，说明材料的低温冲击韧性好。以上：强度、硬度、塑性和冲击韧性称为传统的“四大强度指标”。（六）疲劳强度 材料在所受的应力远远小于抗拉强度（甚

9、至屈服强度）的情况下，出现的断裂现象称为“疲劳”。 载荷的特点：应力 b （甚至S）。 金属因疲劳而产生的断裂称为疲劳断裂。机件的断裂事故中： 8090属于疲劳断裂。 如轴、齿轮、弹簧、桥梁等。 疲劳强度：材料在无限次交变载荷的作用下，不致因疲劳而破坏的最大应力，称为疲劳强度。 用w表示（N/mm2) 。 规定无限次应力循环的含义为： 钢铁：N107；有色金属： N 108。疲劳断裂的特点：突然产生； 断裂前无明显的塑性变形；很危险。 疲劳断口的特征：分为三个区： 疲劳源(核心区)； 扩展区； 最后断裂区。 两部分： 磨光部分；（疲劳源和扩展区） 粗糙晶粒或纤维状区。（最后断裂区）（粗大）疲劳

10、源扩展区最后断裂区2衡量指标：13影响因素： 抗拉强度;(大约等于断裂应力的一半）；工作条件(如工作温度、介质等)；零件表面的质量:(粗糙度,表面性能等)。4 提高疲劳强度的方法： 表面强化处理（喷丸、表面热处理、表面合金化）；表面产生压应力。 合理设计；形状要有利于减少应力集中；如采用圆角过渡。 提高加工质量；如降低表面粗糙度等。二、高温下金属的机械性能问题的提出： 很多零件在高温下长期工作，（如柴油机进（400500）、排气阀（650800）温度对金属的机械性能有很大的影响；其次在高温下工作的时间也有很大的影响。蠕变现象：金属零件长期在高温和恒应力（即使应力小于）的作用下，缓慢地产生塑性变

11、形，这种现象称为（reep）。蠕变的结果是导致断裂。所以对高温下机械性能指标要提出新的衡量标准。 高温机械性能指标主要有： 热强度； 热硬性。 1.热强度 f（,T,t）； （T 温度；t时间） 蠕变极限：金属材料长期在高温和恒应力（即使应力小于S ）的作用下 抵抗塑性变形的能力。 表示方法： /tT。 持久强度：金属材料长期在高温和恒应力（即使应力小于S ）的作用下 抵抗断裂的能力。 表示方法: tT 。 2热硬性：材料在高温下具有较高硬度的性能，称为。强调在高温下保持高硬度的能力。 3-2 金属的工艺性能一、概述 1定义: 把金属材料在加工过程中表现出的特性称为工艺性能。 2分类: 铸造性

12、 ；锻造性 ；焊接性 ；切削性 ；热处理性；冷变形性 等。 3. 工艺性能的重要性：实例如：某厂用24SiMnWV作为20CrMnTi的代用材料，性能好，但因正火后，硬度高，切削加工困难，不能满足大批量生产的要求而被否决。二、铸造性 1定义： 金属材料通过铸造的方法获得完好铸件的能力,称为金属材料的。 2衡量指标: 1）流动性；2）收缩性；钢的收缩率比铸铁的大；3）偏析：化学成分不均匀性。性能不均匀。三、可锻性： 承受压力加工变形的能力,称为。 取决于两方面： 塑性；（开裂的倾向） 变形抗力。含C量低,可锻性好。铸铁不可锻造。四、可焊性： 定义：在一般焊接条件下，获得优质焊缝的能力。 标准：焊

13、缝产生裂纹的倾向、焊缝的可靠性。 影响因素： 化学成分,特别是C。五、可热处理性： 用淬透性、淬硬性等衡量(后面谈到）。六、可切削加工性： 反映切削加工的难易程度。HB160230时最易切削加工。七、冷变形工艺性：变形部位不得产生裂纹和分层等。2-3 金属材料的理化性能一、物理性能 比重、熔点、导电性、导热性、磁性等。 应用实例： （1）柴油机的活塞： 低速机用（钢头铁裙组合活塞或铸铁活塞）； 高速机用铝合金。 （2）船用仪表指针：要求使用奥氏体不锈钢，不能用其它材料。 二、化学性能 如：耐腐蚀性，一般用每年的腐蚀深度来评定耐蚀等级)、抗氧化性等。 应用实例： （1）排气阀、气缸套等的抗氧化和抗腐蚀； （2）船体的防腐； （3）管路的防腐。本章小结和思考题：1解释：刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度、蠕变、蠕变极限、