金属材料及热处理 课件 项目一 工程材料性能认知

项目一工程材料性能认知任务一熟知工程材料的力学性能任务二熟知工程材料的工艺性能任务一熟知工程材料的力学性能材料的强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。材料的塑性是指材料在外力作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。材料的强度和塑性是材料最重要的力学性能指标之一，可以通过拉伸试验获得。

一

强度与塑性1拉伸试验及拉伸曲线（1）拉伸试验拉伸试验时，将试样两端装入拉伸试验机夹头内夹紧，随后缓慢加载。随着载荷的不断增加，试样随之伸长，直至拉断为止。光滑圆柱形标准拉伸试样（2）拉伸曲线在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动绘图装置绘制出载荷(拉伸力)和伸长量之间的关系曲线，即拉伸曲线，也称力—伸长曲线。1）弹性变形阶段（O-E）当载荷由零逐渐增加到Fe时，试样处于弹性变形状态，卸除载荷后试样可恢复到原来的形状和尺寸。OP阶段载荷与伸长量呈正比关系，即符合虎克定律。2）屈服阶段（E-S）当载荷超过Fe后，试样开始产生塑性变形，或称永久变形，即卸除载荷时，伸长的试样只能部分地恢复，而保留一部分的残余变形。当载荷增加到Fs时，拉伸曲线上出现平台或锯齿状，这种在载荷不增加的情况下，试样还继续伸长的现象称为屈服。3）强化阶段（S-B）当载荷超过Fs后，由于塑性变形而产生形变强化，必须增大载荷才能使伸长量继续增加。此时变形与强化交替进行，直至载荷达到Fb时，试样的伸长量也达到最大值。（4）局部塑性变形阶段（B-K）当载荷达到后，试样的某一部位横截面急剧缩小，出现“缩颈”。此时施加的载荷逐渐减小，而变形继续增加，直到K点时试样断裂。2弹性极限与刚度（1）弹性极限弹性极限是指材料保持弹性变形所能承受的最大应力，用符号Re（MPa）表示。Re=Fe/A0（2）刚度刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，它表征了材料弹性变形的难易程度，通常用弹性模量E来衡量。E=σ/ε

3强度（1）屈服点屈服点是指材料开始产生屈服现象的最小应力，它反映了工程材料抵抗塑性变形的能力，用符号ReL（MPa）表示。

ReL

=Fs/A0

对于铸铁、高碳钢等没有明显屈服现象的金属材料，可测定其规定残余伸长应力值，用符号Rr0.2（MPa）表示，它表示材料在卸除载荷后，试样标距部分残余伸长率达到规定数值时的应力。Rr0.2=F0.2/A0

（2）抗拉强度(强度极限)抗拉强度是指材料在拉断前所承受的最大应力，它反映了材料抵抗断裂的能力，用符号Rm（MPa）表示。Rm=Fm/A0

4塑性（1）断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比，用符号A表示。

A=(L1-L0)/L0x100％

（2）断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，用符号Z表示。

Z=(S0-S1)/S0x100％

二

硬度硬度是指材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。目前生产中普遍采用的硬度试验方法主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

1布氏硬度

以一定直径的球体(淬火钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，计算硬度值。布氏硬度值用压痕单位面积上所承受的平均压力来表示。压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于测量硬度值小于450HBS的材料；压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于测量硬度值在450～650HBW的材料。布氏硬度值一般不用计算方法求得，而是先测出压痕直径d，然后从专门的硬度表中查得相应的布氏硬度值。

布氏硬度的标注方法为：硬度符号之前用数字表示硬度值，符号之后依次用数字注明压头直径D、试验载荷F和载荷保持时间t（10～15s不标注）。例如，180HBS/10/1000/30，即表示用淬火钢球作为压头，在D=10mm，F=9807N，t=30秒的条件下，测得的布氏硬度值180。布氏硬度主要适用于测定各种铸铁，退火、正火、调质处理的钢，以及非铁合金等质地相对较软材料。2洛氏硬度洛氏硬度试验采用测量压痕深度的方法来确定材料的硬度值。在初始试验力F0和总试验力(F0+F1)的先后作用下，将顶角为120°金钢石圆锥体或直径为1.588mm(1／16英寸)的淬火钢球压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算洛氏硬度值。压头压入的深度越小，则金属硬度越高。为适应人们习惯上数值越大硬度越高的观念，故人为地规定用一常数K减去压痕深度h作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示。HR=(K-h)/0.002洛氏硬度值是一个无量纲的材料性能指标，硬度值在试验时直接从硬度计的表盘上读出。

根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度的标注方法如下：硬度符号HR前面的数字表示硬度值，后面的符号表示不同洛氏硬度的标度，例如60HRC、81HRA等。硬度符号压头总载荷F总

/kgf(N)硬度值有效范围应用举例HRA120°金钢石圆锥体60(588.4)70~85HRA硬质合金、表面淬火、渗碳层等HRBφ1.588mm钢球100(980.7)25~100HRB非铁金属，退火、正火钢等HRC120°金钢石圆锥体150(1471.1)20~67HRC淬火钢、调质钢等3维氏硬度维氏硬度也是一种压入硬度试验。将一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度。维氏硬度值为单位压痕表面积所承受试验力的大小，用符号HV表示，单位为kgf／mm2。维氏硬度值也是根据压痕角线长度直接查表获得的。维氏硬度试验适用于测定金属镀层、薄片金属、表面硬化层以及化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。当试验力小于1.961N时，压痕非常小，可用于测量金相组织中不同相的硬度，测得的硬度值称为显微硬度，用符号HM表示。三

冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧度或韧性，即在冲击载荷作用下金属在断裂前吸收变形能量的能力。1冲击试验及其指标标准冲击试样冲击试验冲击吸收功：AK=G(H-h)冲击韧度：aK=AK/S0用U型缺口和V型缺口试样测定的结果，冲击吸收功分别用符号AKU和AKV来表示，冲击韧度分别用符号aKU和aKV来表示。随温度的降低，AK值呈下降趋势。当温度降至某一范围时，AK值急剧下降，钢材由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变，该温度称为韧脆转变温度。任务一熟知工程材料的力学性能1.3.2小能量多次冲击试验在实际工作中，金属零件所承受的冲击多属小能量多次冲击。试验时将试样放在连续冲击试验机上，冲锤以一定的能量对试样多次冲击，测定试样出现裂纹和最后断裂的冲击次数N，以此作为多次冲击抗力指标。多次冲击抗力与材料的强度和塑性有关。当冲击能量高时，材料的多冲抗力主要取决于塑性；在冲击能量低时，则主要取决于强度。四

断裂韧度在实际工程应用中，一些用高强度钢制造的零件或大型焊接构件，如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服点，甚至低于许用应力的条件下，突然发生脆性断裂，这样的断裂称为低应力脆断。实际上，材料内部并不是完整的、均匀得、连续的，会有各种冶金或加工缺陷存在，这些缺陷可以看作是材料中的裂纹。在外力的作用下，这些裂纹的尖端前沿将产生应力集中，形成一个裂纹尖端应力场，其强弱可用应力强度因子KI来描述，单位为MPa·m1/2。对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，

Y值是一定的。当外力逐渐增大，或裂纹逐渐扩展时，应力强度因子KI也随之增大。当KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，直至发生脆断。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用符号KIC表示。断裂韧度表明了材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。断裂韧度可通过实验测得，它与裂纹本身大小，形状、外加应力等无关，主要取决于材料本身的成分、内部组织和结构。断裂韧度为零件设计和无损探伤提供了定量的依据，对于评估材料的使用寿命和机件工作的可靠性具有重要的指导意义。五

疲劳强度许多机械零件，在工作过程中，载荷的大小和方向随时间作周期性的循环变化，这种载荷称为交变载荷或循环载荷。金属在交变载荷作用下发生断裂的现象称为疲劳。疲劳断口可分为三个部分：发源区(疲劳源)；扩展区(光亮区)；最后断裂区(粗糙区)。通过疲劳试验测得材料承受的交变应力值σ和断裂前的循环次数N之间的关系曲线，即疲劳曲线。应力值σ越低，断裂前的循环次数就越多。当应力值降低到某一定值后，曲线与横坐标平行，此应力值称为材料的疲劳强度或疲劳极限。对称循环时，疲劳强度用符号σ-1表示，单位为MPa。产生疲劳的原因：一般是由于材料表面或内部的缺陷(如刀痕、夹杂等)易引起应力集中，在交变载荷的作用下产生微裂纹，并随着载荷循环周次的增加，裂纹不断扩展，使零件实际承载面积不断减少，直至最后达到某一临界尺寸时，实际应力超过了材料的强度极限，零件发生突然断裂。提高零件疲劳强度的措施：对零件结构形状进行合理设计以避免产生应力集中，降低表面粗糙度，对表面进行各种强化处理，使表面产生残余压应力等。

任务二熟知工程材料的工艺性能1、铸造性