第一章 金属材料的主要性能

第一篇金属材料的基本知识材料是人类技术进步的标志材料导论机械工程领域中，广泛应用着各种材料,按属性可分类：金属材料非金属材料复合材料机械制造最主要的材料：广泛应用于机床、矿山、冶金、动力、交通等机械中塑料、陶瓷、橡胶等具有金属材料所没有的性能，如绝缘性、耐磨性、廉价性等将两种或两种以上的材料组合在一起，既保原单种材料的性能又具备单种材料不具的性能。如双金属复合材料、金属塑料涂覆材料等）材料类别不同，则性能不同、用途不同、成型的技术也不同以金属元素为主要成分、原子通过金属键结合而成的一类固体材料。第一章金属材料的主要性能两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）第一章金属材料的主要性能第一节金属材料的力学性能

力学性能:金属材料在受外力作用时所反映出来的固有性能。金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。

材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。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。低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力

=P/F0应变

=(l-l0)/l0低碳钢的拉伸曲线四个阶段：弹性阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段塑性变形弹性变形屈服变形断裂一、强度

１.弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。2.强度强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。

１）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。

条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。２）抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。0.2３.疲劳强度（疲劳极限）材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料（黑色金属）周次为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图分散带/水平台疲劳强度疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）三区：疲劳源、疲劳区及瞬断区二、硬度材料抵抗另一硬物压入其内而表面产生局部塑性变形的能力。１.布氏硬度HB：布氏硬度计

压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,

铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁加预载荷压头：锥顶角为１２０度的金刚石圆锥或淬火钢球表盘试样压头主载荷预载荷加主载荷卸载２.洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，HR=k(h3-h1)/0.002洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计

根据压头类型和载荷不同有A、B、C、D、E、F、G、H、K等9个标尺。其中常用于钢材硬度测试的标尺一般为A、B、C，即HRA、HRB、HRC。标尺压头总载荷（N）适用测试材料有效值HRA120°金刚石圆锥体600硬质合金、表面淬火钢70~85HRBΦ1.588mm淬火钢球1000退火钢、有色金属25~100HRC120°金刚石圆锥体1500淬火钢、调质钢20~67原理与布氏硬度的基本相同，区别在于压头不同。表达式：式中:P—载荷;Av—压痕面积。维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。金刚石四方角锥体锥面夹角１３６度压痕Ｐ３.维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。特点：载荷小、压痕浅，适用于测定零件表面的薄硬化层、镀层及薄片材料。载荷所调范围大，对软硬材料均适用。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计三、塑性

塑性：材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。

指标为：

伸长率（延伸率）：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0

时，伸长率用表示；当l0=5d0

时，伸长率用5表示。5>10③

>时，无颈缩，为脆性材料表征

<时，有颈缩，为塑性材料表征四、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过摆锤冲击实验测得)。H0H1AOB试样支座试样摆锤支座影响因素：材料、尺寸、缺口形状、试验环境等韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板五、断裂韧性油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关

1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式应力强度因子ＫＩ：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性ＫＩＣ：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，ＫＩＣ单位为第二节金属材料的物理、化学及工艺性能物理性能：密度、熔点、热膨胀性、磁性、导热性、导电性等。化学性能：⑴耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。⑵抗