金属材料及热处理知识第章课件

金属材料及热处理知识姜敏凤主编第一章

金属材料的性能

掌握金属材料的力学性能；熟悉金属材料的工艺性能；了解金属材料的物理性能、化学性能。第一章金属材料的性能使用性能第一章金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能工艺性能

保证零件的正常工作应具备的性能，即在使用过程中表现出的性能，如力学性能、物理性能、化学性能等。

材料在被加工过程中，适应各种冷热加工的性能，如热处理性能、铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能等。第一节金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限等。1.载荷

零件和工具在使用过程中所受的力按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，这种力又称为载荷。载荷分为静载荷与动载荷。（1）静载荷力的大小不变或变化缓慢的载荷，如静拉力、静压力等。（2）动载荷力的大小和方向随时间而发生改变，如冲击载荷、交变载荷等。第一节金属材料的力学性能2.应力

物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力称为内力，单位面积上的内力，称为应力。

应力的计算公式为3.变形

金属在外力的作用下尺寸和形状的变化称为变形。（1）弹性变形去除外力后，物体的变形能完全恢复原状。（2）塑性变形当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生永久变形。去除外力后，物体的变形能完全恢复原状。式中σ——应力（MPa）；

F——内力（N）；

A——截面积（mm）。第一节金属材料的力学性能1.拉伸试样一、强度

材料在力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

在机械制造中常通过拉伸试验测定材料的屈服强度和抗拉强度，作为金属材料强度的主要判据。

拉伸试样的形状与尺寸取决于被测试金属产品的形状和尺寸，试样的横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等。图1-1圆形拉伸试样

常用的圆形拉伸试样的原始标距长度（L0）与原始直径（d0）一般应符合L0/d0=5（短试样），原始标距长度不小于15mm；当试样横截面太小时，可采用L0/d0=10（长试样），或采用非比例试样。第一节金属材料的力学性能表1-1金属材料强度与塑性的新、旧标准名称和符号对照第一节金属材料的力学性能（2）抗拉强度（σb）拉伸试验时，相应最大拉伸力时的应力。亦表示材料能够承受的最大应力值。其计算公式为

工程上把屈服点与抗拉强度的比值（σs/σb）称为屈强比，其值越高，则强度的利用率越高，一般材料的屈强比以0.75为宜。式中Fb——最大拉伸力（N），见图1-2a；

A0——试样原始横截面积（mm）。第一节金属材料的力学性能2.断面收缩率（ψ）

试样拉断后横截面积的最大缩减量（A0-A1）与试样原始横截面积（A0）的百分比，即为断面收缩率。其计算公式为

断后伸长率δ和断面收缩率ψ的数值越大，表明材料的塑性越好。材料的塑性是决定其能否进行塑性加工的必要条件，塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。式中A0——试样原始横截面积（mm）；

A1——试样断口横截面积（mm）。第一节金属材料的力学性能三、硬度

压入法测量硬度常用的方法有：布氏硬度洛氏硬度维氏硬度图1-3压入法测量硬度a)压入法测量示意图b)三种常用硬度测量法

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV压头选取直径为D的淬火钢球或硬质合金球金刚石圆锥或淬火钢球相对面夹角为136度的金刚石正四棱锥压头压入方法

以相应的试验力F压入材料的表面（见图1-4a），经保持规定时间后卸除试验力硬度值测量用读数显微镜测量残余压痕平均直径d（见图1-4b），用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值根据压痕两对角线长度的算术平均值来计算硬度，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值应用范围测量组织抵大或组织不均匀的材料（如铸铁）测量成品或较薄的工件测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层第一节金属材料的力学性能图1-4布氏硬度测量原理a)压头压入材料表面b)读数显微镜测量压痕直径布氏硬度值分为HBS和HBW两种（1）HBS：（2）HBW：

表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值，用于测量硬度值小于450HBS的材料。

表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值，用于测量硬度值为450～650HBW的材料。第一节金属材料的力学性能表1-2常用洛氏硬度的试验条件、硬度范围和应用举例四、韧性

金属在断裂前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力。韧性的主要判据是冲击吸收功。冲击吸收功越大，材料承受冲击的能力越强。1.冲击吸收功（AK）

冲击吸收功可通过一次摆锤冲击试验来测量。第一节金属材料的力学性能图1-5摆锤式冲击试验原理第一节金属材料的力学性能2.韧脆转变温度

一般金属材料的冲击吸收功随温度的下降而降低，即在高温下表现出较好的韧性，而在低温下则显得较脆。3.小能量多次冲击试验的概念图1-6韧脆转变温度示意图五、疲劳1.疲劳现象

材料在循环应力和交变应力作用下，尽管零件所受的应力低于屈服点,但经过较长时间的工作后,在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象称为疲劳。2.疲劳极限（σ-1）

循环应力越小，则断裂时的循环次数越大，当循环应力低于某一值时，试样可经受无限次的循环而不破坏，此应力称为疲劳极限，用σ-1表示。

机械零件失效约60%～70%属于疲劳破坏第一节金属材料的力学性能强度、硬度、塑性、韧性等是金属材料的常用力学性能判据第一节金属材料的力学性能表1-4常用力学性能判据及含义表1-4常用力学性能判据及含义第二节金属材料的物理性能与化学性能一、金属材料的物理性能

物理性能是指材料固有的属性，金属材料的物理性能包括熔点、密度、电性能、热性能、磁性能等。1.密度

密度是指在一定温度下单位体积物质的质量，其表达式为式中ρ——物质的密度（g/cm）；

m——物质的质量（g）；

V——物质的体积（cm）。4.热性能第二节金属材料的物理性能与化学性能（1）热导率用热导率λ表示金属导热性能，含义是在单位厚度金属、温差为1℃时，每秒钟从单位截面通过的热量，单位是W/(m·Ｋ)。金属越纯，导热性越好。（2）热膨胀性材料随温度的改变而出现体积变化的现象。用线［膨］胀系数α来表示热膨胀性，含义是温度上升1℃时，单位长度的伸长量，单位是1/℃。5.磁性

磁性能可分为非铁磁性物质和铁磁性物质。非铁磁性物质不能被磁化。铁磁性物质在外磁场强度（H）的作用下产生很大的磁感应强度（B）。银、铜的导热性最好，铝次之Al、CuFe、Ni、Co图1-8铁磁性材料的磁化和退磁曲线第二节金属材料的物理性能与化学性能第二节金属材料的物理性能与化学性能二、金属材料的化学性能

材料抵抗各种化学介质作用的能力，包括耐腐蚀性和高温抗氧化性。1.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。

金属的腐蚀现象随处可见，如铁生红锈、铜生绿锈、铝生白点等。2.高温抗氧化性高温下使用的工件，要求材料具有高温抗氧化的能力。二、压力加工性能

压力加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。利用压力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。金属的压力加工性能主要决定于塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的压力加工性能就越好。三、焊接性能

通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。

焊接性能是材料在限定的施工条件下焊接成规定设计要求的构件，并满足预定工作要求的能力。第三节金属材料的工艺性能工艺焊接性使用焊接性在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。焊接接头或整体结构满足技术要求所规定的各种使用性能的程度，包括力学性能及耐热、耐蚀等特殊性能。四、热处理性能五、切削加工性能

热处理是通过对固态下的材料进行加热、保温、冷却，从而获得所需要的组织和性能的工艺。材料接受各种切削加工的难易程度。

影响切削加工性能的主要因素是材料的硬度和组织状况，通常材料的硬度在170～230HBS时较容易加工。第三节金属材料的工艺性能1.材料的使用性能