《机械制造基础》课件-01篇 第一单元 金属材料的性能

第一单元金属材料的性能01篇

机械加工材料介绍教学目标:1.了解金属材料的分类。2.掌握金属材料的力学性能。3.了解金属材料的物理性能、化学性能与工艺性能。教学重点和难点:

1.金属材料的分类。2.强度概念与抗拉强度、屈服强度、抗压强度、抗弯强

度等强度指标。3.塑性、伸长率、断面收缩率概念。4.硬度概念及布氏、洛氏、维氏三种硬度的特点。5.冲击韧度（韧性）的概念与特点。6.疲劳强度的概念与特点。7.金属材料的物理性能与化学性能。1.1.1机械工程材料

机械工程材料是指用于制造各类机械零件、构件的材料。

机械工程材料按属性分，可分为非金属材料和金属材料两大类。其中金属材料应用最为广泛。1.1.2金属材料

金属是指具有良好的导电性和导热性等物理属性，同时具有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质。

金属材料按功能和化学成分分，可分为纯金属、合金和特种金属材料等。

金属材料从外观颜色和组成元素来分类，可分为钢铁材料（或黑色金属）和非铁金属（或有色金属）两大类。1.1.3

金属材料的性能

金属材料的性能分为力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。一、金属材料的力学性能

力学性能是指金属材料在外力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，主要包括强度、塑性、刚度、硬度、韧性、疲劳强度等。1、强度和塑性（1）强度材料在受载荷过程中一般会出现三个过程，即弹性变形、塑性变形和断裂。

弹性变形是指材料在载荷卸除后能恢复到原形的变形，而塑性变形是载荷卸除后永久保留下来的变形。使用中一般多用静拉伸试验法（如图1-1）来测定金属材料的强度和塑性指标。低碳钢试棒的拉伸过程具有典型意义。将拉伸试棒按GB6397—86的规定，制成如图1-2所示的试棒，在拉伸试验机上缓慢增加载荷，记录载荷与变形量的数值，直至试样拉断为止，便可获得如图1-3所示的载荷与变形量之间的关系曲线，即拉伸曲线。（a）拉伸试验原理（b）新型拉伸试验机图1-1

拉伸试验图1-2拉伸试样（a）（b）

常用的拉伸试样有长、短两种试棒，如图1-3(a)所示。其中短试样要求L0≥5d0，长试样要求L0≥10d0。图1-3退火低碳钢拉伸曲线金属材料在外力作用下，其内部会产生相应的作用力以抵抗变形，这种作用力称为内力。单位截面上承受的内力称为应力，用σ表示。金属材料的强度用应力来表示。式中：σ——应力（MPa）；

F——载荷（N）；

S0——试样的原始截面面积（mm2）。常用的强度指标有弹性极限、屈服强度和抗拉强度。1）弹性极限

弹性极限是试样在弹性变形范围内承受的最大拉应力，用符号σe表示。即：式中：σe——应力（MPa）；

Fe——载荷（N）；

S0——试样的原始截面面积（mm2）。2）屈服强度

试棒屈服时的应力为材料的屈服点，称为屈服强度，用σS表示。σS表示金属抵抗小量塑性变形的应力。即：式中：σS——屈服强度（MPa）;

FS——试样屈服时载荷（N）;

S0——试样的原始截面面积（mm2）。3）抗拉强度

抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大拉应力。即：式中：σb——抗拉强度（MPa）；

Fb——试样在断裂前的最大载荷（N）；

S0——试样的原始截面面积（mm2）。（2）塑性

金属材料在载荷作用下，在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ两种。1）伸长率

伸长率是试样被拉断时的标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比，用符号δ表示。即：式中：L0——试样原始标距长度（mm）；L1——试样拉断时的标距长度（mm）。2）断面收缩率

断面收缩率是指试样被拉断时，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。即：式中：S1——试样被拉断时缩颈处最小横截面积（mm2）；

S0——原始截面面积（mm2）。2、刚度

在外力作用下，材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。衡量刚度大小的指标是弹性模量。弹性模量是材料在弹性变形范围内，应力与应变（即试样的相对伸长量ΔL/L0）的比值，即：式中：E——弹性模量（Pa）；σ——在弹性范围内的应力（Pa）；ε弹——在弹性范围内的应变（%）。3、硬度

硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是反映材料软硬程度的力学性能指标。硬度值是通过试验测得的。常见硬度有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度三种。（1）布氏硬度

布氏硬度试验原理如图1-4所示。用一定直径的淬火钢球或硬质合金球以一定的试验力压入所测表面，保持一定时间后卸除试验力，随即在金属表面出现一个压坑（压痕）。以压痕单位面积上所承受试验力的大小确定被测材料的硬度值，用符号HBS（淬火钢球压头）或HBW（硬质合金钢球压头）表示。图1-4布氏硬度试验原理示意图式中：

F——试验力（kgf）；

S——表面积（mm2）；H——压痕深度（mm）；D——压头直径（mm）。

由于压痕深度H的测量比较困难，而测量压痕直径d比较方便，因此上式中H可换算成压痕直径d。即：式中：d——压痕直径（mm）。

在进行布氏硬度试验时，钢球直径D、试验力F与力保持时间应根据所测试金属的种类和试样厚度，按表1-1所示布氏硬度试验规范，正确进行选择。表1-1布氏硬度试验规范

（2）洛氏硬度

洛氏硬度试验法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压入金属表面，如图1-5所示。经规定的保持时间后卸除主载荷，根据压痕深度确定金属硬度值。

根据所用压头种类和所加试验力，洛氏硬度分为HRA、HRB及HRC等。表1-2所列为有关洛氏硬度指标的规定。图1-5洛氏硬度试验原理表1-2洛氏硬度及其应用范围（3）维氏硬度

维氏硬度的测试原理是使用规定的试验力，将顶部两相对面夹角为136度的金刚石正四棱锥体压头压入试样表面，保持规定的时间后撤除试验力，测量试样表面压痕对角线长度见图1-6（a）所示,目前常用的维氏硬度计见图1-6（b)所示。图1-6维氏硬度试验原理4、冲击韧性

实际上有许多工件是在冲击载荷作用下工作的，如冷冲模上的冲头、锻锤的锤杆、飞机的起落架、变速箱的齿轮等。对于这些承受冲击载荷的工件，不仅要有高的强度和一定的塑性，还必需有足够的冲击韧性。

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。目前测量冲击韧性最普通的方法是一次摆锤弯曲冲击试验。将材料制成带缺口的标准试样，如图1-7所示。

将试件放在冲击试验机的机座上，让一重量为G的摆锤自高度为H处自由下摆，摆锤冲断试样后又升至高度为h处，如图1-8所示。摆锤冲断试样所失去的能量即为试样在被冲断过程中吸收的功，用Ak表示。断口处单位面积上所消耗的冲击吸收功（Ak）即为材料的冲击韧性，用ak表示，即：式中:ak——冲击韧性（J·cm-2）；

F——试样缺口处的横截面积(cm2)；

Ak——冲击吸收功(J)；

G——摆锤重力(kgf);

H——摆锤初始高度(m)；

h——摆锤冲断试样后上升的高度(m)。图1-7冲击试样图1-8摆锤式冲击试验原理图5、疲劳强度

有些机器零件，如轴、齿轮、连杆、弹簧等，在交变载荷长期作用下，往往在工作应力低于屈服强度的情况下突然破坏，这种现象称为疲劳。

金属在交变应力作用下产生疲劳裂纹并使其扩展而导致的断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂具有很大的危险性，常造成严重的事故。交变应力是指大小、方向随时间呈周期性变化的应力；疲劳强度是指材料经受无数次的应力循环仍不断裂的最大应力。二、材料的其他性能1、物理性能

考虑金属材料的性能除了力学性能外，物理性能也是很重要的，主要包含6个方面：（1）密度：指单位体积中材料的质量。