模块一　金属材料的性能

第一篇金属材料及热加工基础模块一金属材料的性能模块一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两大类。使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出来的性能。它是保证工件正常工作应具备的性能，主要包括物理性能（如密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能等。工艺性能是指金属材料在加工过程中适应各种加工工艺方法的性能，主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。金属材料的力学性能是零件设计、选材和验收的主要依据，直接关系到零件能否正常使用。在选择和制定零件的加工工艺方法时，需要考虑材料的工艺性能，如铸铁的铸造性能较好，却不能锻造，则应通过铸造形成毛坯。课题一金属材料的力学性能任务测定柴油机连杆螺栓的力学性能任务说明◎对柴油机连杆螺栓进行强度、塑性等力学性能指标的测定。技能点◎具有测定金属材料力学性能指标的能力，为合理选材打好基础。知识点◎强度、塑性、硬度、冲击韧性的定义、测定原理与方法。一、任务实施（一）任务引入如图1-1所示为用合金钢制造的柴油机连杆螺栓实物图，因为对其力学性能要求较高，故提出下列技术要求：抗拉强度Rm≥931MPa，下屈服强度ReL≥784MPa，断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥50%，冲击韧度αKU≥78.4J/cm2，硬度300～350HBW。技术要求中包括强度（Rm、ReL）、塑性（A、Z）、冲击韧度（αKU）和硬度（HBW）等力学性能指标。通过测定该零件试样的力学性能，得到这些性能指标值，从而判断零件是否达到技术要求。这里仅完成强度指标（Rm、ReL）和塑性指标（A、Z）的测定。（二）分析及解决问题1．制作拉伸试样按照国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T228.1—2021），常用拉伸试样如图1-2所示。图中d是试样的原始直径，Lo为试样的原始标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样（Lo=10d）和短试样（Lo=5d）两种。根据连杆螺栓的尺寸大小，将其加工成短试样（d=10mm）。2．进行拉伸试验图1-3拉伸试验机测算出的ReL、Rm、A和Z值均大于技术要求，故这批零件的强度、塑性指标合格。二、知识链接金属材料的力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。它主要包括强度、硬度、塑性、冲击韧性及疲劳强度等。根据载荷（外力）作用性质的不同，可将其分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种：静载荷是指大小不变或变化缓慢的载荷。冲击载荷是指在短时间内以较高速度作用于工件上的载荷。交变载荷是指大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化的载荷。金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形两种。随载荷的作用而产生、随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。（一）强度与塑性1．拉伸曲线（一）强度与塑性2．强度金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小通常用应力来表示。（1）屈服强度在拉伸试验过程中，载荷不增加（或保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度，分为上屈服强度和下屈服强度。1）上屈服强度的计算公式：2）下屈服强度的计算公式：2）。Rr0.2表示卸除载荷后试样的规定残余延伸率达到0.2%时的应力，其计算公式如下：（2）抗拉强度试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，其计算公式如下：3．塑性断裂前金属材料产生塑性变形的能力称为塑性。塑性指标常用断后伸长率和断面收缩率来表示。（1）断后伸长率试样拉断后，标距的伸长量与原始标距长度的百分比称为断后伸长率，其计算公式如下：（2）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，其计算公式如下：（二）硬度硬度是指材料表面抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。1．布氏硬度（1）试验原理使用一定直径的碳化钨合金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后卸除试验力，然后测量表面压痕直径来计算硬度，如图1-5所示为布氏硬度试验原理图。布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示的，其计算公式如下：布氏硬度符号为HBW，其测量范围在650HBW以下。（2）布氏硬度的表示方法硬度值写在符号HBW之前，在硬度符号后面按以下顺序用数字表示试验条件：1）压头球体直径。2）试验力。3）试验力保持的时间（10～15s不标注）。例如，600HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金球，在294.2N（30kgf）试验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。（3）应用范围及优缺点布氏硬度试验主要用于测定原材料或半成品的硬度，适用于测量铸铁、有色金属以及退火、正火、调质的钢等。2．洛氏硬度测量布氏硬度常用的压头球体直径（10mm）大，因此，压痕面积较大，能反映出较大范围内金属材料的平均硬度，故测定的硬度值较准确、稳定，数据重复性强。但是，测量布氏硬度较费时，而且由于压痕面积大，对金属表面的损伤也较大，不宜用于测量成品及薄件。（1）试验原理如图1-6所示，将特定尺寸、形状和材料的压头按照规定的两级试验力压入试样表面，初试验力加载后，测量初始压痕深度。随后施加主试验力，在卸除主试验力后保持初试验力时测量最终压痕深度，洛氏硬度根据最终压痕深度和初始压痕深度的差值h及常数N和S通过下式计算给出：（2）常用洛氏硬度标尺及其适用范围常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。洛氏硬度表示方法如下：在符号HRC、HRB、HRA前面的数字表示各种标尺的洛氏硬度值。例如，45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。（3）应用范围及优缺点洛氏硬度试验的优点：操作简单迅速，能直接从表盘上读出硬度值；压痕较小，可以测定成品及较薄的工件；测量的硬度值范围大，可测从很软到很硬的金属材料。其缺点：因压痕较小，测定的硬度值不够准确，数据波动较大，重复性差，通常需要在不同部位测试数次，以取其平均值。洛氏硬度试验不适用于测量各微小部分性能不均匀的材料（如铸铁）。3．维氏硬度维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度相同：将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入金属表面，经规定的保持时间后卸除试验力，则在金属表面压出一个正四棱锥形的压痕，通过测量压痕对角线的长度来计算硬度值。（三）冲击韧性常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性。1．冲击试样冲击试样可根据国家标准有关规定来选择。常用的试样有10mm×10mm×55mm的U形缺口和V形缺口试样，其尺寸如图1-7所示。图1-7冲击试样的尺寸a）U形缺口b）V形缺口2．冲击试验的原理及方法常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性。将待测的金属材料加工成标准试样，然后放在试验机的支座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向，如图1-8所示为冲击试验示意图。再将具有一定重力G的摆锤升至一定的高度H1（见图1-8），使其获得一定的势能（GH1），然后使摆锤自由落下，将试样冲断。摆锤的剩余势能为GH2。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，用符号AK表示，单位为J，冲击吸收功AK

除以试样缺口处的横截面积（So），即可得到材料的冲击韧度，用符号αK

表示，单位为J/cm2，其计算公式如下：根据两种试样缺口形状不同，冲击吸收功应分别表示为AKU

或AKV，冲击韧度则表示为αKU

或αKV。冲击吸收功（或冲击韧度）的大小可以表示金属材料冲击韧性的优劣。3．韧脆转变温度如图1-9所示为不同温度的冲击试验测绘出的冲击吸收功—温度曲线。由图可见，材料的冲击吸收功随温度的降低而减小。冲击吸收功急剧变化区所对应的温度范围称为韧脆转变温度范围。课题二金属材料的工艺性能任务改善T12钢的切削加工性能任务说明◎解决T12钢由于硬度高而造成切削加工性能较差的问题。技能点◎了解常用金属的工艺性能特点，以便正确选择加工工艺方法。知识点◎铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能。一、任务实施（一）任务引入在实际生产中，常用T12钢（wC=1.2%）制造锉刀，但在加工过程中会出现切削困难、严重磨损刀具的现象。这是由于T12钢硬度高。这就涉及切削加工性能的问题，也就是说T12钢的切削加工性能较差。（二）分析及解决问题对某些钢进行适当的热处理，能够改善钢的切削加工性能。如用T12钢制造锉刀时，应该在锻造后（即切削加工之前）对T12钢毛坯进行球化退火（一种热处理工艺），以降低钢的硬度，改善切削加工性能。（二）锻造性能锻造性能是指金属材料用锻造成型方法获得优良锻件的能力。锻件是指金属材料经过锻造变形而得到的工件或毛坯。锻造性能的好坏主要与金属材料的塑性和塑性变形抗力有关。塑性越好，塑性变形抗力越小，金属材料的锻造性能越好。（三）焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。（四）切削加工性能切削加工性能是指金属材料进行切削加工的难易程度。切削加工性能一般