第一章金属材料主要性能x

第一篇金属材料导论第一章、金属材料主要性能第二章、金属和合金的晶体结构与结晶第三章、铁碳合金第四章、钢的热处理第一章金属材料主要性能使用性能:力学物理化学工艺性能:铸造锻造焊接

切削加工热处理材料---组织---性能▼§1金属材料机械性能

外力（静载、动载）

材料-------------性能

（弹性、塑形、刚度、强度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）

是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。强度：材料抵抗破坏的能力刚度：材料抵抗变形的能力（E、G）塑性：材料破坏时，遗留变形的大小伸长率、断面收缩率硬度：材料抵抗硬物压入的能力布氏硬度HBW、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV◆断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力◆疲劳极限σ-1:金属材料在无数次交变载荷作用时不破坏的最大应力。影响力学性能的主要因素

1、含碳量含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能4、温度一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降，高温条件下相反。5、热处理工艺拉伸试验拉伸试验机◆强度◆塑性液压式万能电子材料试验机*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形拉伸试样的颈缩现象一、弹性(elasticity)金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形(elasticdeformation)

随载荷撤除而消失的变形。弹性极限(elasticlimit)

Fe

弹性极限载荷(N)

σe

=

(Mpa)

S0

试样原始横截面积(mm2)力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形弹性阶段弹性极限p屈服阶段屈服点s强度极限b颈缩阶段强度(strength)材料在力的作用下抵抗变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度抗扭强度

(2)屈服强度(yieldstrength)屈服点S

Fs

σs

=

(Mpa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs

，按GB/T2228规定，可用屈服强度σ0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即

σ0.2=F0.2/Ao式中F0.2—试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）；Ao—试样的原始横截面积（mm2）。屈服强度的测定规定残余伸长应力：

r0.2=Fr0.2/S0slF0.20.2%l0o(3)抗拉强度(tensilestrength):

试样在断裂前所能承受的最大应力。

Fb

试样断裂前的最大载荷(N)

σb=

(Mpa)

S0试样原始横截面积(mm2)力学性能强度硬度韧性断裂韧度疲劳主要指标：塑性塑性(plasticity)是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率(percentagereductioninarea)是指试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比。

S0-S1

ψ=×100%S0

(2)断后伸长率(延伸率)specificelongation是指试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比。

L1–L0δ=×100%L0

δ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料长试样：δ10简写为δ

短试样：δ5

同一种材料的δ5>δ10硬度(hardness)1.定义：

是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。2.硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法

布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV压入法(一)布氏硬度

HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

1.压头：淬火钢球HBS硬质合金钢球HBW2.试验原理：

用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。

FFHB=——=————SDh

Dh=———2Dd——–——22

22布氏硬度值450的材料选用淬火钢球压头例如：200HBS350HBS布氏硬度值450～650的材料

选用硬质合金球压头例如：550HBW600HBW3.标注：如HBS120或在符号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。4.特点：优点测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点压痕面积较大，测量费时。应用常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)1.压头：120º金刚石圆锥体钢球钢球HRAHRCHRB2.试验原理：

用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1初载10kgh12-2总载150kgh23-3卸载140kgh3最后测得：残余压痕深度增量hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：HRA70~85HRB25~100HRC20~70HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：HRC50<HRA70〤HRB50>HRC40〤3.特点：优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。应用：(三)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)维氏硬度计锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥体1.压头：2.试验原理：与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。

以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Saad3.标注：与布氏硬度基本相同，如

HV

580或在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。

例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580。4.特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。韧性(toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。1.定义：冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2.金属的夏氏冲击试验:试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)g

冲击韧性αk

就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功

AK

α

k=(J/cm²)S03.韧脆转变温度:-40-20020204060αkT(ºc)T↓，αk急剧↓韧性→脆性

金属材料的韧脆转变温度↓材料的低温冲击韧性愈好断裂韧度1、低应力脆断有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。式中：Y__裂纹的几何形状因子;

σ__外加应力（N/mm2）；

a__裂纹的半长（mm）；

K1__

强度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。K1=Yσa2、应力场强度因子当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。3、断裂韧性K1C材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧性表示。反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。为安全设计提供了一个重要的力学性能指标常见工程材料的断裂韧性K1C值（MN·m-3/2）

根据K1=Yσa≥K1C的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧性K1C

、名义工作应力σ和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：1）根据零件的实际工作应力σ和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧性K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧性K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力σC，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧性K1C和零件的实际工作应力σ，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。1、疲劳现象

零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳（fatigue）对称循环交变应力据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。

疲劳曲线与疲劳极限试验证明，金属材料所受最大交变应力σmax

愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力σmax

与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或S—