金属学及热处理课件：金属材料的性能

金属材料的性能[目标]1.掌握金属材料主要力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性）的指标、测试方法及其应用选择;

2.了解金属材料的物理性能、化学性能;

[重点]1.强度、塑性、硬度、韧性的概念、指标及应用；2.强度、塑性、硬度、韧性之间的关系；

[难点]1.各力学性能的应用；2.强度、塑性、硬度、韧性之间的关系。金属材料的性能1.1金属材料的力学性能金属材料制成的零件或构件在加工和使用过程中都不可避免受到外力（载荷）的作用。在外力作用下，材料所表现出来的性能就是力学性能。金属材料的性能1.1.1常见外力与常用力学性能

1.常见外力静力（静载荷）：大小不变或变化很慢的力；冲击力（动载荷）：以很大的速率突然增大或减小的力，力的变化速度具有加速度；交变力（循环载荷）：大小、方向随时间发生周期性变化的力。

2.常用力学性能

对应上述力的分类，常用的力学性能分为：静力作用下的力学性能：刚度、强度、塑性、弹性、硬度；冲击力作用下的力学性能：冲击韧性；交变力作用下的力学性能：疲劳强度。1.拉伸试验强度：材料抵抗变形和断裂的能力

121.1.2强度

2.低碳钢拉伸曲线弹性变形阶段：ob段oa段：比例弹性变形阶段ab段：非比例弹性变形阶段塑性变形阶段：cg段cde段：屈服阶段ef段：均匀塑性变形阶段

f点：形成“缩颈”fg段：非均匀变形阶段

g点:断裂

缩颈现象R

=F/S(N/mm2=MPa)e

=ΔL/L03.强度指标

RA:

弹性极限

抵抗开始塑变的能力

抗微量塑性变形能力

ReL:屈服强度抵抗明显塑变的能力

Rm

:抗拉强度

抵抗断裂的能力低碳钢拉伸曲线旧国标强度指标Ϭe

:RAϬs:ReLϬb:Rm

屈服强度的确定规定塑性延伸强度塑性延伸率（伸长率）为0.2%时的应力值低碳钢应力应变曲线规定塑性延伸强度

Rp0.21.断面收缩率:

Z(ψ)=（S0-S

）/S0×100%

A(δ)=（L-L0

）/L0×100%1.1.3塑性

2.伸长率:塑性:材料在断裂前最大塑性变形的能力出版社1.1.4硬度

硬度：材料抵抗硬物压入表面的能力压入法硬度试验：布氏硬度试验法洛氏硬度试验法维氏硬度试验法1.布氏硬度（HBW）

2.洛氏硬度（HRA/HRB/HRC）

3.维氏硬度（HV）

三种硬度指标的比较方法压头公式测试方法表示法

举例特点布氏硬

度硬质合金球HB=F/S(MPa)压痕直径d硬度据d查表350HBS550HBW压痕面积大洛氏硬

度金刚石圆锥HR=N-h/0.002压痕深度h硬度直接读取75HRA80HRB60HRC操作简便

高效

压痕小维氏硬

度金刚石

四方角锥体HV=F/S(MPa)对角线长d硬度据d查表450HV可测范围广精度高

压痕小适用范围1.HB:压痕大；不能用于薄件、成品、硬的材料。

（1）原材料、毛坯、半成品

（2）灰铸铁、轴承合金、退火、正火、调质钢2.HR：压痕小、损伤小

（1）成品

（2）硬质合金、淬硬钢、调质钢、有色金属等3.HV:压痕小、精度高、极软到极硬，对试样表面要求高（1）很薄的工件如0.003mm（2）工件薄层硬度如工件镀硬层0.1mm课堂练习：硬度测试选择表面镀层灰铸铁件出版社1.1.5冲击韧性冲击韧性：材料在冲击力作用下抵抗断裂的能力1.冲击力出版社2.冲击试验K＝mg(H-h)(J=N·M)ɑk

＝

S：缺口处截面积3.低温脆性温度下降，韧性降低压力容器、桥梁、铁路、汽车、船舶尤为重视Titanic1912年4月14日：夜11时40分，当时世界上最先进、最豪华的邮轮泰坦尼克号在北大西洋水域撞上冰山，4.5万吨的钢铁巨轮迅速沉没于4000米的海水之中，1500多名乘客葬身海底，酿成20世纪最为悲惨的海难。出版社1.1.6疲劳强度材料在交变力作用下，抵抗疲劳断裂的能力。1.交变力出版社2.疲劳断裂在交变力（循环载荷）作用下，材料经过较长时间工作或多次应力循环后，在工作应力低于其屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。1—疲劳源2—裂纹扩展区3—瞬时断裂区NϬϬ112Ϭ2N1N2ϬrϬNN1083.疲劳试验及疲劳强度σr：疲劳强度材料经无限次应力循环而不断裂的最大应力值。σN:

条件疲劳强度4.r—交变力的循环特性系数kk

德国高铁出轨事件

1998年6月3日，一辆从德国慕尼黑开往汉堡的高速列车途中突然出轨，脱轨的车厢如离弦之箭直直地撞向了铁轨旁的大桥，大桥瞬间塌毁，后面的8节车厢一个接一个地撞了上来，101名乘客在短短180秒内顷刻间失去了生命，造成了世界高铁历史上第一次重大伤亡事故。5.提高金属疲劳强度的措施（1）疲劳断裂始于微小裂纹，经扩展而断裂。（2）裂纹源：内部缺陷：氧化、脱碳、夹杂、疏松、孔洞等加工缺陷：刀痕、擦伤、微裂纹设计不当：尖角、缺口、截面突变1.2金属材料的其他性能1.2.1

物理性能

密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性

1.2.2化学性能

耐腐蚀性抗氧化性

化学稳定性1.2.3

工艺性能

铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能力学性能应用韧性：在冲击载荷作用下的零件，为了保证零件的安全性，必须考虑金属材料的冲击韧性，如锻锤锤头。弹性极限：弹性极限是设计弹性零件考虑