单元四机械工程材料-3

金属材料的主要性能金属材料的性能使用性能

指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。

指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。

金属材料力学性能:主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。工艺性能强度与塑性图低碳钢的力－伸长曲线拉伸试验

）两种

长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）两种

图圆形拉伸试样a）拉伸前b）拉断后强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力强度的指标2、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。1、屈服点Rm=

Fb/S0

当材料的内应力σ＞σb时，材料将产生断裂。

符号：σs材料产生屈服现象时的最小应力Re=Fs/S0

Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0

：试样原始横截面积（mm）

塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。塑性指标2、断面收缩率1、伸长率A=(L1-L0)/L0x100%Z=(S0-S1)/S0x100%指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。硬度硬度的测试方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。布氏硬度值:

用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：

500HBW测量范围

:

用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.优缺点:（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低布氏硬度

原理:

用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。

洛氏硬度值:

用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC测量范围:

用于测量淬火钢、硬质合金等材料.优缺点:（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。洛氏硬度

原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。维氏硬度值:

用压痕对角线长度表示。如：640HV。

测量范围

:

常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。优缺点:（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。维氏硬度

冲击韧度冲击试验原理图

冲击韧度是材料抗冲击能力的指标之一，它是用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的韧性，其试验原理如图所示。疲劳的概念

许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80％以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。疲劳断裂宏观断口示意图

疲劳强度常用的力学性能指标及其含义

力学性能性能指标符号名称单位含义应力RmRe抗拉强度屈服点PaMPa试样拉断前所能承受的最大应力。拉伸过程中，载荷不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时的应力。塑性AZ伸长率断面收缩率标距的伸长量与原始标距的百分比。缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。硬度HBWHR+标尺HV布氏硬度值洛氏硬度值维氏硬度值球形压痕单位面积上所承受的平均压力。用洛氏硬度相应A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺测得的对应硬度值。正四棱锥形压痕单位表面积上所承受的平均压力。冲击韧度RK冲击韧度J/cm2冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。疲劳强度R－1疲劳极限MPa试样承受无数次（或给定次）对称循环应力仍不断裂的最大应力。工艺性能金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。金属材料中，以灰铸铁和青铜的铸造性能较好。

铸造性能

①流动性熔融金属的流动能力称为流动性，它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。

②收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。

③偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量。这对大型铸件的危害更大。

用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关，也与材料的成分和加工条件有很大关系。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能；碳钢在加热状态下锻造性能较好；铸铁、铸铝、青铜则几乎不能锻压。锻造性能

焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对碳钢和低合金钢，焊接性主要同金属材料的化学成分有关（其中碳含量的影响最大）。如低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、、不锈钢、铸铁的焊接性较差。焊接性能

金属材料的切削加工性能是指金属材料在切削加工时的难易程度。切削加工性能一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。切削加工性能有色金属材料简介

表常用有色金属的类型及用途

分类

名称

型号

用途铜（俗称紫铜）纯铜工业纯铜CU-1CU-2T1、T2、T3（序号越大，纯度越低）主要用作各种导电材料，在电气工业中可制造电刷、电线、电缆、发电机、变压器；在机械设备制造中可作散热器、冷却器等。主要特点是导电，导热性好，具有良好的抗蚀性和可焊性。铜合金（常用的有黄铜、白铜、青铜）普通黄铜（铜锌合金）H62H96用于一般机械中的导管、冷凝管、散热片、销钉、螺帽以及导电零件等。特殊黄铜（普通黄铜中加入铅、铝、锰等元素）HSn90-1用于汽车，拖拉机弹性导管及其他耐蚀零件。锡青铜无锡青铜（特殊青铜）QSn4-3QBe2制作弹性元件及耐磨零件和抗磁零件等。制作弹性元件、耐磨零件、高速轴承等。铝纯铝如L1、L2、L6等是一种银白色的轻金属，有很好的导电性和导热性，强度低、塑性好、易加工，广泛用于航空、航天、电气工业和汽车等制造业及日常用品中。铝合金铸造铝合金铝铜铸造合金（铝硅、铝镁、铝锌合金）“ZL”和后面加三位数字表示如ZL102为铝铜铸造合金，主要用于仪表、抽水机壳体等铸件。铸铝主要用来制造一些形状复杂、承载不大、质量较轻，有一定耐蚀、耐热要求的铸件，不宜压力加工。变形铝合金防锈铝合金5A053A21用于制作焊接管道、容器、铆钉等。硬铝合金2A012A112A12主要用于制造飞机的大梁、空气螺旋桨以及螺栓、铆钉等。超硬铝合金7A047A06主要用于制造飞机上受力较大的结构零件，如飞机大梁、起落架等。硬质合金钨钴类硬质合金P主要用于做切削脆性材料的刀具。钨钴钛类硬质合金M主要用于做高速切削韧性材料的刀具。通用类硬质合金K主要用于做耐热钢、高锰钢不锈钢等难加工钢材的刀具。习题与思考1．说明下列力学性能指标的名称、单位及其含义：Rm、Re、A、Z、BW、HRC、HV。2．何谓强度？衡量强度的常用指标有哪些？各用什么符号表示？3．何谓塑性？衡量塑性的指标有哪些？各用什