《工程材料与金属热加工》 课件 项目1 金属材料的性能

主讲：工程材料及热处理1．掌握金属材料的力学性能主要都有哪些性能指标及其含义与测试方法；2．熟悉金属材料的工艺性能；3．了解金属材料的物理性能、化学性能。项目1金属材料的性能2学习目标与技能要求材料的性能通常包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在特定的条件下，能保证安全可靠工作所必需的性能，如力学性能、物理性能和化学性能等；工艺性能是指材料在加工过程中所反映出来的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。项目1金属材料的性能3材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力，金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。力学性能不仅是机械零件设计、选材、验收、鉴定的主要依据，还是对产品加工过程实行质量控制的重要参数。1.14材料的弹性、刚度、强度及塑性一般是通过金属拉伸试验来测定的。它是在标准试样的两端缓慢施加拉伸载荷，试样的工作部分受轴向拉力作用产生变形，随着拉力的增大，变形也相应增加，直至断裂。拉伸试样如图1-1所示，根据国家标准GB/T228.1—2010，拉伸试样通常有l0=10d0（长试样）和l0=5d0（短试样）两种。通常以应力R（试样单位横截面上的拉力）与应变e（试样单位长度的伸长量）为坐标绘出应力—应变曲线（R—e曲线）。如图1-2所示为低碳钢的应力—应变曲线，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。图1-1拉伸试样

图1-2低碳钢的应力—应变曲线51.1.1弹性和刚度1

弹性在低碳钢的应力—应变曲线上，Oe段为弹性阶段，若在此阶段卸去载荷，则试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。e点对应的应力值称为弹性极限，用符号Rp表示。6图1-2低碳钢的应力—应变曲线弹性变形示意低碳钢的应力—应变曲线示意2

刚度材料在弹性范围内应力与应变的比值称为弹性模量，也就是应力—应变曲线中Oe直线的斜率，用符号E表示，即弹性模量E反映了材料抵抗弹性变形的能力，又称为刚度。E值主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶体材料的晶格类型、原子间距等，某些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。81.1.2强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。91屈服强度在低碳钢的应力—应变曲线上，e～s段试样所承受的载荷虽不再增加，但试样仍继续产生塑性变形，应力—应变曲线上产生了近似水平段，这种现象称为材料的屈服。s点对应的应力称为屈服强度，用符号Re表示，即式中：Fe

——试样发生屈服现象时所承受的最大外力（N）；

S0

——试样的初始截面积（mm2）。10图1-2低碳钢的应力—应变曲线由于许多工程材料没有明显的屈服现象（如高碳钢、铸铁等），测定很困难，因此规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，用符号Rp0.2表示，即式中：F0.2

——试样标距长度产生0.2%塑性变形时所承受的外力（N）；

S0

——试样的初始截面积（mm2）。11提示机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据，也是评定金属材料承载能力的重要力学性能指标。122抗拉强度在低碳钢的应力—应变曲线上，b点的拉力是试样在拉断前所承受的最大载荷，其所对应的应力Rm称为抗拉强度，即式中：Fb——试样断裂前承受的最大拉力（N）；

S0

——试样的初始截面积（mm2）。13屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，即使外载或某些意外因素使金属变形，也不会导致其立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率便太低。1.1.3塑性材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸试验测得的。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。141延伸率试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号A表示，即式中：L0

——试样原始标距长度（mm）；

L1——试样拉断后的标距长度（mm）。同一材料用不同长度的试样所测得的延伸率A数值是不同的，用长度为直径5倍的试样测得的延伸率用A5表示，用长度为直径10倍的试样测得的延伸率用A10表示。A10常写成A，但A5不能将下角标的5省去，一般A5>A10。152断面收缩率试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号Z表示，即式中：S0

——试样原始的横截面积（mm2）；

S1——试样拉断处的横截面积（mm2）。延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的原因。163、硬度HB－3000布氏硬度计布氏硬度试验原理图——材料抵抗硬物体压入其表面的能力或材料抵抗局部变形的能力适用范围：HBS＜450（钢球）

HBW450～650（硬质合金）退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属等特点：被测面积大，精度高；不适于太薄、太硬物体。布氏硬度（HBS）材料的力学性能（机械性能）洛氏硬度计洛氏硬度试验原理图适用范围：HRA

硬质合金、表面淬火层或渗碳层；

（表1-1）HRB

有色金属和退火、正火钢等；

HRC

调质钢、淬火钢等。特点：

简单、迅速、适用范围广（软硬材料均适用）；洛氏硬度（HR）材料的力学性能（机械性能）洛氏硬度根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA，HRB，HRC三种，其试验规范如表1-1所示。洛氏硬度操作简便、迅速、压痕小，硬度值可直接从试验机表盘上读出，所以得到了广泛的应用，三种洛氏硬度中以HRC应用最多。但洛氏硬度由于压痕小，所以其硬度值的代表性较差。表1-1洛氏硬度试验规范标度压头预载荷/N总载荷/N适用范围适用的材料HRA120°的金刚石圆锥98.0760×9.80720～88HRA硬质合金、表面淬火钢等HRBφ1.588mm的淬火钢球98.07100×9.80720～100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRC120°的金刚石圆锥98.07150×9.80720～70HRC淬火钢等19适用范围：

表面硬化层金属镀层薄片金属特点：压痕浅、适用范围广；显微硬度(HV)适用范围：

金相显微组织中相特点：载荷小、压痕极小维氏硬度(HV)材料的力学性能（机械性能）布氏硬度测试示意

洛氏硬度测试维氏硬度测试原理示意1.1.5韧性材料的韧性是其断裂时所需能量的度量，描述材料韧性的指标通常有冲击韧性和断裂韧性。1冲击韧性冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用符号表示。22——材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力冲击功：冲击韧性：（单位面积冲击功）材料的力学性能（机械性能）冲击韧性冲击试验2断裂韧性在实际生产中，有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于Re的情况下，突然发生低应力脆断。通过大量研究证明，这种破坏与零件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。实际使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如气孔、夹杂物、机械缺陷等，它们破坏了材料的连续性，实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过程中，裂纹扩展的结果，便是造成零件在较低应力状态下（即低于材料的屈服强度，而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下）发生低应力脆断。25材料中存在的微裂纹，在外加应力的作用下，裂纹尖端处存在有较大的应力场。断裂力学分析指出，这一应力场的强弱程度可用应力强度因子来描述。值的大小与裂纹尺寸和外加应力的关系为：式中：Y——与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数，一般Y=1~2；

R——外加应力（MPa）；

a——裂纹的半长（m）。由上式可知，随应力的增大，也随之增大，当增大到一定值时，就可使裂纹前端某一区域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展，发生脆断。这个的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧性，用符号表示。它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。材料的断裂韧性与裂纹的形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（如成分、热处理条件、加工工艺等），是一个反映材料性能的常数。可通过试验来测定。26材料的断口类型韧性韧性材料的力学性能（机械性能）脆性脆性1.1.6疲劳强度许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷，在这种载荷的反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下突然发生断裂，这种现象称为疲劳（疲劳断裂）。疲劳强度是用来表示材料抵抗交变应力的能力，常用Sr表示，其下角标r称为应力循环对称因素，即式中：Smin——交变循环应力中的最小应力值（MPa）；

Smax——交变循环应力中的最大应力值（MPa）。对于对称循环交变应力，

，这种情况下材料的疲劳代号为S-1

。28材料所受交变应力S与其断裂前所经受的循环次数N之间的曲线称为疲劳曲线或S—N曲线，如图1-7所示。对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、合金结构钢、球铁等，当循环应力水平降低到某一临界值时，低应力段变成水平线段，表示试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应的应力称为疲劳极限，用符号S-1表示。实际生产中通常将材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力称为疲劳极限。图1-7疲劳曲线（S—N曲线）疲劳断裂的原因一般认为是由于材料表面与内部含有缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减少材料和零件的缺陷，降低零件表面粗糙度，对表面进行强化如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等，可以提高材料的疲劳抗力。29物理性能BECDA导电性能折射、反射、吸收光及声学性能密度、熔点磁性热效应及导热性能1、物理性能二、材料的物理性能和化学性能材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。催化性质：能够加速化学反应，且在反应前后材料自身不被消耗。其它化学性能：抗氧化性、抗渗入性、高分子材料的老化等2、化学性能材料的物理性能和化学性能车、钳、铣、刨、磨材料的切削铸造、拉拔、挤压、锻造、冲压材料的成型合金化、热处理材料的改性焊接、粘接材料的联接材料加工1.3

材料的工艺性能

铸造性能可锻性能焊接性能切削加工性能热处理性能精密铸件灰铁铸件——流动性、收缩性及偏析倾向材料的工艺性能