金属材料的主要性能

材料作为能制造有用物品的物质，与能源和信息共同构成了人类社会赖以生存与发展的基本资源，故材料、能源和信息并列为现代科学和现代文明的三大支柱，而在这三者之间，材料又是最重要的基础。第一章金属材料的主要性能材料是人类生活与社会发展的主要物质基础，其品种、数量和质量是人类文明和社会进步程度的标志。1/14/20231金属工艺学复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料工程材料—用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。用来制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能的材料。1/14/20232金属工艺学

使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可靠性和寿命。包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能。工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等。为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。1/14/20233金属工艺学力学性能材料的性能使用性能工艺性能物理性能化学性能强度塑性韧性刚度硬度耐磨性疲劳蠕变密度熔点导电性导热性热膨胀磁性成分耐蚀性抗氧化铸造性能锻造性能焊接性能热处理性能切削加工性1/14/20234金属工艺学力学性能（机械性能）—指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性和硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度。

载荷类型：静载荷、动载荷、变载荷载荷的加载方式：拉伸载荷、压缩载荷、扭转载荷弯曲载荷、剪切载荷第一节金属材料的力学性能1/14/20235金属工艺学一、强度与塑性拉伸试验：用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸直至拉断的一种试验方法。GB/T228-2002

金属材料室温拉伸试验方法1/14/20236金属工艺学F/A0=σ(MPa)S0

为试样原始截面积(mm2)L1－L0/L0=ε（%）

L0为试样标距长度转化：纵坐标：以应力σ表示横坐标：以应变ε表示oe—弹性变形阶段；es—屈服阶段；sb—强化阶段；bk—缩颈阶段s-屈服点b-开始发生缩颈现象1/14/20237金属工艺学—是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。1、强度试样发生屈服时的最大载荷,N试样的原始横截面积,mm2（1）屈服强度：开始产生屈服现象时的应力称为屈服强度，或称屈服点。其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。1/14/20238金属工艺学（2）抗拉强度：当负荷继续增加超过s点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过b点，变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在k点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试样能够保持均匀塑性变形的最大应力。试样被拉断前所承受的最大载荷,N试样的原始横截面积,mm2塑性材料采用屈服强度脆性材料采用抗拉强度

零件设计时1/14/20239金属工艺学2、塑性指金属材料在静载荷作用时，材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率和断面收缩率。延伸率：指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。试样断裂后的标距长度；试样的原始标距长度；1/14/202310金属工艺学塑性对材料的意义：

1.提高安全性2.便于压力加工成型断面收缩率：指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。试样断裂出的最小横截面积；试样的原始横截面积；材料的和的数值越大，塑性越好。1/14/202311金属工艺学二、硬度硬度：是材料抵抗局部变形的能力。工程上常用的有:布氏硬度(HB)洛氏硬度(HR)维氏硬度(HV)硬度是综合性能指标硬度测量简便迅速，不破坏零件1/14/202312金属工艺学1、布氏硬度试验

GB/T231-2002《金属布氏硬度试验》分为如下三部分:

第1部分: 试验方法

第2部分: 硬度计的检验 第3部分: 标准块的标定1/14/202313金属工艺学原理：HBS（HBW）=采用淬火钢球时，记为HBS不写单位：采用硬质合金钢球时，记为HBW=优点：测量数值稳定，准确缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件单位面积所受的力值即为硬度1/14/202314金属工艺学布氏硬度的特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。由于压痕较大，成品检验也有困难。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。1/14/202315金属工艺学2、洛氏硬度试验

GB/T230-2004((金属洛氏硬度试验》分为如下3个部分:

第1部分:试验方法(A,B,C,D,E,F,G,H,K,N,T标尺);

第2部分: 硬度计(A,B,C,D,E,F,G,H,K,N、丁标尺)的检验与校准;

第3部分: 标准硬度块A,B,C,D,E,F,G,H,K,N,T标尺)的标定。1/14/202316金属工艺学原理：HR=k-(h1-h0)/0.002

对金刚石圆锥压头k=0.2mm

对钢球压头k=0.26mmh0——在预载荷作用下压头压入金属的深度（mm）；h1——在预载荷和主载荷作用下压头压入金属的深度（mm）。1/14/202317金属工艺学洛氏硬度的特点：

洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。1/14/202318金属工艺学洛氏硬度测量的优点：操作简便，压痕小可用于成品和薄形件缺点：测量数值分散1/14/202319金属工艺学3、维氏硬度

GB/T4340-1999((金属维氏硬度试验》分为如下3个部分:

第1部分: 试验方法

第2部分: 硬度计

第3部分: 标准硬度块的标定。1/14/202320金属工艺学原理：F——试验载荷（N），范围5～120Kgf；D——压痕对角线长度（mm）

；S——压痕面积（mm2）。1/14/202321金属工艺学优点：所用载荷小；压痕深度浅；测量范围大。缺点：生产率低；不适合成批生产检验应用范围：适用于测量零件薄的表面硬化层、金属镀层：薄片金属。1/14/202322金属工艺学三、韧性—金属材料断裂前吸收的变形能量的能力。冲击韧度（ak):是金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。梅氏标准试样GB229－841/14/202323金属工艺学：摆锤质量冲击韧度：冲击功：：试样缺口处原始截面积1/14/202324金属工艺学冲击韧度的影响因素:材料本身环境温度缺口状况冲击韧度的用途表征材料本身的韧性测量金属材料随环境温度下降由塑性状态转为脆性状态的韧脆转变温度；考察材料对于缺口的敏感性1/14/202325金属工艺学疲劳断裂：零件或材料在交变应力的作应下，其断裂时的应力远远小于该材料的屈服强度，这种现象称为疲劳断裂。交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力。重复应力：方向不随时间变化。tσσt四、疲劳强度断裂前材料往往没有明显的塑性变形，产生断裂也较突然，危害很大1/14/202326金属工艺学疲劳试验疲劳曲线疲劳极限—材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。纯弯曲疲劳极限用σ-1表示国家标准GB4337-84规定：一般钢铁材料的交变次数106~107周次；有色金属的交变次数为107~108周次。1/14/202327金属工艺学

材料的物理性能：是指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。第二节金属材料的物理、化学和工艺性能

材料的化学性能:是指材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能和抗氧化性能和化学稳定性能。1/14/202328金属工艺学金属材料的工艺性能：是指金属材料适应加工工艺要求的能力。按工艺方法可分为：铸造性能；锻造性能；焊接性能；切削加工性能；热处理性能。1/14/202329金属工艺学铸造性能：指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度；包括金属液体的流动性和收缩性。锻造性能：指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。1/14/202330金属工艺学焊接性：指材料被焊接的难易性质。切削加工性：表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小，加工表面质量、排屑的难易程度，切削刀具的寿命来衡量。热处理工艺性：指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳，过热与过烧，回火稳定性与脆性。1/14/202331金属工艺学体心立方面心立方密排六方固溶体金属化合物机械混合物晶体结构合金组织 结晶过程同素异构转变金属的晶体结构与铁碳合金的组织与性能合金第三节金属材料的基础知识1/14/202332金属工艺学一、纯金属的晶体结构

晶体

—原子规则排列的集合体。固定的熔点各向异性

非晶体

—原子无规则堆积的集合体。无固定熔点、各向同性金属在固态下都是晶体1/14/202333金属工艺学1/14/202334金属工艺学体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格1/14/202335金属工艺学合金的结构合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。组元：组成合金的基本元素。相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液单一的固相；液相、固相两相共存；1/14/202336金属工艺学固溶体：由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。金属化合物：

A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。固溶强化1/14/202337金属工艺学纯金属的冷却曲线（实际）ºC

LT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）凝固—一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶—由液态金属转变为固态晶体的过程。金属的结晶过程1/14/202338金属工艺学结晶的必要条件----过冷度金属的结晶过程：

原子团

形核

晶核长大

小晶粒

晶粒（外形不规则的小晶体）细化强化增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；1/14/202339金属工艺学纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe同素异构转变AFCC固溶体体心立方面心立方体心立方1/14/202340金属工艺学二、铁碳合金的基本知识1.合金alloy

由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如：青铜、铸铁、铝合金等。2.组元constituent

组成合金的最基本的独立的物质称组元，简称“元”。

如：黄铜Cu-Zn；硬铝Al-Cu等为二元合金。3.相phase

指同一化学成分，同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分。如固相、液相等。4.组织structure

借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成部分。1/14/202341金属工艺学铁碳合金相图渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm1/14/202342金属工艺学含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1/14/202343金属工艺学铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体（A）。塑性好。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）。莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性差。1/14/202344金属工艺学铁碳合金平衡相图的应用（1）在选材上的应用

低碳钢：塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。

中碳钢:综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。

高碳钢：强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。

白口铁：性硬而脆，但铸造性能好，用于不受冲击的铸件。1/14/202345金属工艺学（2）在铸造工艺上的应用根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度(液相线以上50-100℃)。还可以看到钢的熔化与浇注温度都要比铸铁高。

靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系1/14/202346金属工艺学Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系（3）塑性加工工艺上的应用钢材轧制或锻造的温度范围，多选择在单一奥氏体组织范围内。其选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部分熔化，使工件报废。而终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，在锻造过程中导致产生裂纹。一般始锻温度在固相线以下100-200℃，终锻温度800℃左右。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如图所示。1/14/202347金属工艺学热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线T℃其它热处理形变真空激光三、钢的热处理1/14/202348金属工艺学退火和正火退火：

将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。目的：降低硬度，便于机加工。细化晶粒，提高塑性和韧性。消除应力。应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。

1、完全退火：将亚共析钢加热到Ac3线以上30—50℃，保温后缓慢冷却.2、球化退火:

将过共析钢加热到Ac1线以上20—30℃，保温后缓慢冷却.3、低温退火:

将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却.

再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150—250℃），降低硬度，恢复塑性。1/14/202349金属工艺学应用：（1）取代部分完全退火；（2）用于普通结构件的最终热处理；

（3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。正火：

将钢加热到Ac3线以上30—50℃

（亚共析钢）或Accm以上30—50℃

（过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光体组织（索氏体）。1/14/202350金属工艺学淬火和回火将钢加热到Ac3或Ac1线以上30—50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体（M)组织。马氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火内应力，应采取以下措施：（1）严格控制淬火加热温度温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易产生裂纹。（2）合理选择淬火介质淬透性好，选油淬。（3）正确选择淬火方法采用水油双介质淬火法。1/14/202351金属工艺学回火：将钢重新加热到Ac1线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺。目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。回火三种形式：

1）低温回火（150-250℃），目的是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（56-64HRC)和耐磨性。如刃具等。

2）中温回火（350-500℃），目的是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（35-50HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻模等。

3）高温回火—调质处理（500-650℃），硬度20-35HRC，强度及韧性等综合性能较好。如曲轴、齿轮等。1/14/202352金属工艺学特点是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。其目的是消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善毛坯的切削性能，改善零件的力学性能，延长其使用寿命，并为减小零件尺寸、减轻零件重量、提高产品质量、降低成本提供了可能性。因此，几乎90％以上的零件都要经过不同的热处理后才能使用。能进行热处理强化的材料必须满足：①有固态相变；②经冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态；③表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面化学成分。1/14/202353金属工艺学

1、碳钢的分类分类方法钢种质量分数或脱氧情况特点按碳的质量分数分类低碳钢wC≤0.25％强度低，塑性和焊接性能较好中碳钢wC＝0.25％～0.6％强度较高，但塑性和焊接性能较差高碳钢wC>0.6%塑性和焊接性能很差，强度和硬度高按钢的质量分普通钢wS≤0.055％,wP≤0.045％含S、P量较高，质量一般优质钢wS≤0.040％，wP≤0.040％含S、P量较少，质量较好高级优质钢wS≤0.030％,wP≤0.035％含S、P量很少，质量好按用途分结构钢wC＝0.08％～0.65％制造各种工程构件和机器零件工具钢wC>0.65％制造各种刀具、量具和模具按脱氧程度分沸腾钢（F）仅用弱脱氧剂脱氧，FeO较多钢锭内分布有许多小气泡，偏析严重镇静钢（Z）浇注时完全脱氧，凝固时不沸腾气泡、疏松少，质量较高半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间质量介于沸腾钢和镇静钢之间四、工业用钢1/14/202354金属工艺学2、常用的碳钢牌号分类编号方法常用牌号用途

举例说明碳素结构钢Q235-