金属材料的性能

第一章金属材料的性能教学目的与要求：

1.了解材料性能的分类。2.掌握性能参数的获得方法。3.掌握金属材料常用性能指标的名称、代表符号、单位、数值含义。教学内容：

1.材料性能与应用的关系。

2.性能的分类。

3.常用机械性能指标的基本概念。

4.常用机械性能参数的测试方法。

5.拉伸，冲击，硬度实验。重点：

常用机械性能指标的名词、代表符号、单位、数值含义。难点：常用机械性能参数的测试原理。

金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛地应用于制造生产和生活用品。金属材料之所以获得广泛的应用，是由于它具有许多良好的性能。第一节金属材料的物理性能和化学性能一、物理性能

金属材料的物理性能主要是指其密度、熔点、导电性、导热性及热胀冷缩性等。1、密度

物理意义：单位体积的质量。公式及单位：

=m/v，克/厘米3千克/米3根据

的大小，金属可以分为重金属和轻金属。2、熔点

金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。按照熔点的高低，金属可分为低熔点金属、中熔点金属、高熔点金属（难熔金属）3、导电性

定义：传导电流的能力。衡量指标：用电阻率来评价，电阻率越小，导电性就越好。导电性好坏：Ag最好，Cu、Al次之，合金的比纯金属差。4、导热性

定义：金属材料传导热量的能力。衡量指标：热导率（导热系数）λ（W/(m*K)）来评价，λ值或热导率越大，导热性就越好。材料的导热性对加工和使用都有很大的影响。导热性好坏：Ag最好，Cu、Al次之，合金的比纯金属差。5、磁性

定义：金属导磁的性质。磁性材料的分类：铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料。6、热胀冷缩性

材料的热胀冷缩性用线膨胀系数α（1/℃）或体积膨胀系数来评价。线膨胀系数或体积膨胀系数愈大，材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多，随温度降低而减少愈多，不仅对零件的使用有很大影响，而且影响零件的加工。

二、化学性能

化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力，即化学稳定性。主要化学性能有抗氧化性和耐腐蚀性。1.耐腐蚀性

腐蚀也是零件失效的一个主要原因，根据零件的工作环境的不同，要考虑材料耐不同介质腐蚀的能力。耐腐蚀性指金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。耐腐蚀性的好坏：钢铁的较差，钛及其合金（铝合金、铜合金）、不锈钢的比较好。2.抗氧化性

材料在使用过程中，尤其是在高温下使用要考虑材料的抗氧化性。

抗氧化性指金属材料抵抗氧化作用的能力。金属材料在加热状态下，氧化作用会加速。加入Cr、Si等元素，可以提高钢的抗氧化性。3.化学稳定性

金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性，在高温下化学稳定性也称为热稳定性。定义：金属材料的力学性能又称为机械性能，表示材料承受载荷（外力）作用所表现出来的能力。

金属材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。第二节金属材料的力学性能

在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多以其力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是很重要的。力学性能指标包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等载荷的概念及分类：定义：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。分类：按载荷作用性质分：①静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。③交变载荷：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化析载荷。按载荷作用形式分：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。变形的概念及分类金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。变形分为：弹性变形和塑性变形两种应力、内力内力：金属材料受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。应力：单位面积上的内力称为应力。金属材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其面积上的应力按下式计算：σ=F/A

式中：σ：应力，单位：Pa，1Pa=1N/㎡1Mpa=1*106N/m㎡

F：外力单位：N

A：横截面积单位：㎡拉伸试验

在万能材料实验机上做拉伸实验力学拉伸试验：图中d0和l0分别为试样在拉伸前的原始直径和原始标距长度，d和l分别为试样在拉断后的断口直径和标距长度。

标准拉伸试样示意图

拉伸试样：拉伸试样的形状截面一般有圆形和矩形。

一般做拉伸试验所用试样截面形状为圆形。长试样：Lo=10do短试样：Lo=5dokb极限载荷点Fe弹性极限点s屈服点断裂点oFFL力——伸长曲线纵坐标表示力F，单位N；横坐标表示伸长量△L，单位为mm。拉伸试验的四个阶段（1）弹性(变形)阶段：试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）屈服阶段：不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷（3）强化阶段：随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb：试样拉伸的最大载荷。（4）缩颈阶段（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。如铸铁等。一、强度

(一)概念：金属在静载荷作用下，抵抗（塑性）变形或破坏（断裂）的能力称为强度。强度的大小用应力来表示。(二)分类：根据载荷作用方式（受力方向）不同可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。根据工作温度分为：低温强度、常温强度、高温强度；根据力的性质分为：静力强度、疲劳强度；

(三)强度指标

（1）弹性极限σe定义：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。计算公式：

σe=Fe/Ao

Fe——材料产生弹性变形所承受的最大拉伸力，N；

Ao——试样原始横截面积，m㎡；（2）屈服点（屈服极限）σs定义:材料在抵抗外力作用下，开始发生明显塑性变形，拉力不增加（保持稳定）,但变形明显,应力增加，产生屈服现象的最小应力值称为屈服强度。计算公式：σs=Fs/Ao

Fs—试样发生屈服时的载荷,N；

Ao—试样的原始横截面积，m㎡；注意:屈服点σs是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。材料的屈服点是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，条件屈服强度

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，为此人为的专门规定，把当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定为该材料的屈服强度（条件屈服强度）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,m㎡。屈服强度的测定定义:金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度。计算公式σb=Fb/Ao

Fb—试样在断裂前所承受的最大载荷（N）；

Ao—试样原始横截面积（mm2）。注意:零件在工作中所承受的应力，不于允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。因此在工程上除要求材料有较高的σb外,还希望有一定的屈服比(σs/σb).屈服比越小,零件可靠性越高,使用中如超载也不会立即断裂.但屈服比太小,材料的有效利用率也会降低.（3）强度极限(抗拉极限)σb定义：断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。性能指标：

（1）伸长率δ定义：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率。计算公式：

=(L1-L0)/L0

×100%

L0

——试样原始的标距长度，mm;

L1

——试样拉断后的标距长度，mm;（2）断面收缩率ψ

定义：试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。

计算公式：ψ=(A0-A1)/A0×100%

A0

——试样原始的横截面面积，

mm2;

A1

——试样拉断后缩颈处的最小横截面面积，

mm2;金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。例如，工业纯铁的δ可以达到50%，ψ可达80%，因此就可以拉制细丝、轧制薄板等。像铸铁的δ几乎为零，所以不能进行塑性变形加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。二、塑性下面举例说明强度、塑性的计算方法例、有一直径dO=10mm，lo=100mm的低碳钢试样，拉伸试验时测得FS=21KN，Fb=29KN，d1=5.65mm，l1=138mm，求：σs、σb、δ、ψ。解：（1）计算AO，A1A0=78.5

mm2A1=25

mm2（2）计算σs、σb

σs=FS/AO=21×103/78.5=267.5Mpa

σb=Fb/AO=29×103/78.5=369.4Mpa（3）计算δ、ψδ=(l1-l0)/l0×100%=(138-100)/100×100%=38%ψ=(A0-A1)/A0×100%=(78.5-25)/78.5×100%=68%三、硬度概念：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，是衡量金属软硬的判据。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、维氏硬度等来表示材料的硬度。3、条件疲劳极限

对于钢铁材料，取N=107的循环周次所对应的最大应力为它的σ-1。对于大多数非铁金属及其合金的疲劳曲线上没有水平直线部分。如图曲线2所示这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108金属的疲劳曲线二、塑性（一）布什硬度如图所示：布氏硬度测试原理图

三、硬度概念：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，是衡量金属软硬的判据。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、维氏硬度等来表示材料的硬度。布氏硬度计

布什硬度的表示方法硬度值的标注方法如下：硬度值

硬度代号

压头直径D/载荷P/保荷时间T如：150HBS10/3000/30表示用直径10mm的淬火钢球压头，在3000kgf载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150。（二）洛氏硬度如图所示为洛氏硬度测试原理图。HR=K-e/0.002式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金刚石圆锥压头时K=100，用淬钢球压头时K=130。

洛氏硬度计

洛氏硬度的表示方法

硬度值

硬度代号如：60HRC金刚石圆锥压头载荷为150kgf所测得的硬度值为60。洛氏硬度值没有单位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。（三）布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用

共同点与不同点布什硬度和洛氏硬度特点比较：1、测定准确性布什大于洛氏2、测量范围洛什大于布氏3、测量效率洛什大于布氏4、应用对象布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的单件、小批测量。不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度。洛氏硬度：不仅可以用于测量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于测量成品的硬度，不仅可以用于单件、小批测量，也可以用于大批量测量。

四、冲击韧度

概念：冲击韧度表示材料抵抗冲击载荷作用的能力，并以冲断试样每单位面积所消耗的功来表示。冲击韧度值αk愈大，材料韧性愈好，抵抗冲击载荷作用的能力愈强。