机械工程材料

机械工程材料MaterialsForMechanicalEngineering1

第2章材料的性能与力学行为本章目录2.1材料的静态力学性能2.2材料的动态力学性能2.3材料的物理、化学性能2.4材料的工艺性能2.5金属的塑性变形及强化2.6金属的再结晶与变形加工2材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性工程材料的性能3使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。4

2.1材料的静态力学性能2.1.1材料的强度与塑性拉伸实验拉伸试样：GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，规定有圆形、矩形、多边形、环形等试样。常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0圆形标准拉伸试样5拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加载（静载荷），随着载荷的增加，试样逐渐伸长，直至拉断。在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载荷和伸长量，并绘出它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线。拉伸试验6拉伸曲线op段：比例弹性变形阶段pe段：非比例弹性变形阶段s段：屈服阶段，呈平台或锯齿状sb段：均匀塑性变形阶段，是强化

阶段b点：形成了“缩颈”bk段：非均匀变形阶段，承载下降，

到k点断裂ΔL

Fopesbk(σ)（ε）低碳钢的拉伸曲线7强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。比例极限：是应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用σp表示，单位为MPa。弹性极限：是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，用σe表示，单位为MPa。屈服强度：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。常以下屈服强度ReL作为屈服强度的值，单位为MPa。对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生0.2%残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为Rr0.2，即所谓的“条件屈服强度”。抗拉强度：是试样拉断前所能承受的最大应力值，用Rm表示，单位为MPa。强度8刚度与塑性刚度：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。弹性模量：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值，用E

表示，单位为MPa。塑性：是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。断后伸长率：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断后标距Lu与原始标距L0之差）与原始标距长度L0的百分比，用符号A表示（相当于旧国家标准的δ5）。断面收缩率：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量(原始横截面积So与断后最小横截面积Su之差)与原始横截面积So之比的百分率，用符号Z表示。92.1.2材料的硬度硬度：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。特点：硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法简单、迅速、不需要专门的试样、不损坏工件，因此在生产和科研中得到广泛应用。分类：测定硬度的方法很多，压入法测定的硬度值表征材料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。10（1）布氏硬度测定原理：用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，在试验力F的作用下压入被测金属表面，保持规定的时间后卸除试验力，则在金属表面留下一压坑（压痕），用读数显微镜测量其压痕直径d，求出压痕表面积，用试验力F除以压痕表面积所得的商作为被测金属的布氏硬度值，用符号HB表示。布氏硬度试验原理示意图

11表示方法：当压头为淬火钢球时,布氏硬度用符号HBS表示，适合于测定布氏硬度值在450以下的材料，如：320HBS；压头为硬质合金压头时，用HBW表示，适用于布氏硬度大于450且小于650的材料，如：540HBW。应用范围：适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。特点：测量误差小、数据稳定，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度(如铸铁、轴承合金等)。但试验较费时，压痕较大，不宜用于测太薄件或成品，也不能用来测太硬的材料。（1）布氏硬度12（2）洛氏硬度测定原理：用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定载荷F作用下压入被测试材料表面，通过测定压头压入的深度来确定其硬度值。实测时，硬度值的大小由硬度计的指示器上直接读出。洛氏硬度试验原理示意图表示方法：洛氏硬度用符号HR表示，最常用的标尺为HRA、HRB、HRC；符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺，如55HRC表示用C标尺测定的材料洛氏硬度值为55。13常用的三种洛氏硬度试验规范特点：试验操作简便迅速，测量硬度值范围大，压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。但测定结果不够准确。硬度符号压头类型载荷/N(kgf)硬度值有效范围使用范围HRA120°金刚石圆锥558.4(60)60～85测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层等HRBΦ1.588mm钢球980.7(100)25～100测量有色金属、退火钢、正火钢等HRC120°金钢石圆锥1471(150)20～67用于测量调质钢、淬火钢等14（3）维氏硬度将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头，在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，在试样表面压出一个四方锥形压痕，试验载荷P除以压痕表面积所得的商即为维氏硬度，用符号HV表示。维氏硬度试验原理示意图

15（3）维氏硬度维氏硬度计维氏硬度原理维氏硬度压痕162.2材料的动态力学性能2.2.1材料的冲击韧度韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。摆锤式冲击试验原理示意图一次冲击弯曲试验：试样摆放在试验机的支座上，将质量为G的摆锤安放到规定的高度H，然后下落将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为AK，AK数值在试验机的刻度盘上直接读出。172.2.1材料的冲击韧度冲击韧度：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧度值就是试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功，即将冲击吸收功AK除以试样断口处的横截面积。冲击韧度用符号aK表示，单位为J/cm2。韧脆转变温度：在某一温度范围内冲击韧度值发生急剧下降的现象称为韧脆转变（或冷脆），发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度。韧脆转变温度曲线示意图182.2.2材料的多冲抗力多次冲击弯曲试验是将材料制成专用试样，放在多冲击试验机上，试样受到试验机锤头较小能量（＜1500J）多次冲击，测定在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次数（N），经受的冲击次数N代表金属的抗冲击能力。金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其多冲抗力主要取决于材料的强度和塑性。192.2.3材料的疲劳强度交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。一个疲劳源两个疲劳源断口示意图20疲劳极限σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。单位为MPa。通常规定钢铁材料的循环基数N=107；非铁金属的循环基数N=108；腐蚀介质作用下的循环基数N=106。

疲劳曲线示意图

提高疲劳抗力的方法：设计上减小应力集中；强化表面。212.2.4材料的断裂韧度断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPa·m1/2

或者MN·m-3/2。应用（判断构件是否安全，合理选材）

KI<KIC

构件安全

KI>KIC

构件发生脆性断裂

KI

＝KIC

构件发生低应力脆性断裂的临界条件应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。222.3材料的物理、化学性能2.3.1材料的物理性能密度熔点热膨胀性导电性导热性磁性2.3.2材料的化学性能耐腐蚀性抗氧化性化学稳定性232.4材料的工艺性能2.4.1材料的铸造性能2.4.2材料的锻造性能2.4.3材料的焊接性能2.4.4材料的切削加工性能2.4.5材料的热处理性能24塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加热时组织的变化,有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。5万吨水压机2.5

金属的塑性变形及强化25金属在外力作用下会发生塑性变形。塑性变形是强化金属的重要手段之一。金属材料在熔炼浇注成铸锭后，通常要进行各种压力加工，如轧制、挤压、冷拔、锻造及冲压等。26通过压力加工既可将金属材料加工成各种形状和尺寸的制品，还可改变材料的组织和性能。经过冷塑性变形的金属会产生组织和性能的变化，在加热过程中，又会使其组织发生回复、再结晶和晶粒长大等一系列变化。了解上述过程的实质，了解各种影响因素及规律，对掌握和改进金属材料的压力加工工艺，控制材料的组织和性能，具有重要意义。272.5.1单晶体的塑性变形及强化外力使金属发生两类变形：弹性变形：可逆，外力去除后变形可完全恢复。塑性变形：不可逆，为永久变形。单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力：只能引起弹性变形及解理断裂。切应力：使金属晶体塑性变形。外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片28塑性变形的形式：滑移和孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。滑移:晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。29滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。滑移面滑移方向FF30滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移后在晶体表面形成的台阶称为滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。铜拉伸试样表面滑移带一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。31滑移的同时伴随着晶体的转动转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。32孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称为孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。33与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。34密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶35

2.5.2实际金属的塑性变形及强化单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形比单晶体复杂。（1）多晶体塑性变形的特点①晶界阻碍位错运动当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。36②晶粒间的协调性

由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。③各晶粒变形不同时处于软位向的晶粒先发生滑移，处于硬位向的晶粒通过晶粒转动形成软位向后发生滑移。37（2）晶粒大小对金属力学性能的影响（细晶强韧化）金属的晶粒越细，其强度、硬度、塑性、韧性越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高，总的塑性变形量越大。晶粒大小与金属强度关系Cu-Zn合金38

（3）合金的塑性变形与强化

合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。珠光体奥氏体39单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为固溶强化。产生固溶强化的原因：溶质原子与位错相互作用。溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。

单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化40当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。多相合金的塑性变形与弥散强化当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利。当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性。41当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化的原因：硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。422.5.3冷变形对金属组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。变形前变形后43由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板“制耳”有无442.5.4冷变形对金属性能的影响加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。产生加工硬化的原因：随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。随变形量增加，亚结构细化。随变形量增加,空位密度增加。几何硬化：由晶粒转动引起。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。45

残余内应力内应力：是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中，内应力分为三类。第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)；第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间(微观内应力)；第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。46

2.6金属的再结晶与热变形加工2.6.1冷变形金属在加热时的组织和性能变化金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。加热温度℃黄铜47回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。（1）回复在回复阶段，组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。48当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。再结晶也是晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。铁素体变形80%670℃加热650℃加热（2）再结晶49由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形(变形量为38%)黄铜580ºC保温15min的再结晶组织50

再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。580ºC保温8s后的组织580ºC保温3s后的组织580ºC保温4s后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶51金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大,组织越不稳定，再结晶温度越低。金属的纯度：金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高。加热速度和加热时间：提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。影响再结晶温度的因素52再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒