金属材料的工艺性能.doc

金属材料的工艺性能 铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能。用流动性、收缩性和偏析来衡量。 流动性熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属易充满铸型，获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂。 偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。 锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的能力称为锻造性。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性越好。 焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性。在机械行业中，焊接的主要对象是钢材。碳质量分数是焊接好坏的主要因素。碳质量分数和合金元素质量分数越高，焊接性能越差。 切削加工性能切削加工性能一般用切削后的表面质量（以表面粗糙度高低衡量）和刀具寿命来表示。金属具有适当的硬度（170HBS230HBS）和足够的脆性时切削性能良好。改变钢的化学成分（加入少量的铅、磷元素）和进行适当的热处理（低碳钢正火、高碳钢球化退火）可提高钢的切削加工性能。 热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性比较差。 金属材料的机械性能 材料的性能好坏关系到设备使用寿命，整个国民经济的发展，特别是在航空航天方面（I2-8）。材料的机械性能包括这么几个方面。 强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷不同，可分为抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。 抗拉强度通过拉伸试验测定。将一截面为圆形低碳钢拉伸试样（如图1a）在材料试验机I2-9）上进行拉伸，测得应力应变曲线（如图1b） 图1a低碳钢试样图1b低碳钢应力-应变图 图中为应力,为应变。 图中各个阶段：OA弹性变形阶段试样的变形量与外加载荷成正比，载荷卸掉后，试样恢复原来样子。ABC屈服阶段发生塑性变形，载荷卸掉后，一部分变形恢复还有一部分不能恢复，形变不能恢复的变形称为塑性变形。CD强化阶段载荷不断增加,塑性变形增大，材料变形抗力也逐渐增加； DE缩颈阶段当载荷达到最大值时，试样直径发生局部收缩，称为“缩颈”；E点为试样发生断裂。 强度指标分为:弹性极限e，表示材料保持弹性变形，弹性零件设计依据； 屈服极限s，表示金属开始发生明显塑性变形抗力，有些金属如铸铁没有明显屈服现象，则用条件屈服极限表示：产生0.2残余应变时的应力值即0.2； 强度极限b，表示金属受拉时所能承受的最大应力。 e、s、b、是机械零件和构件设计的主要依据。 2塑性 延伸率试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率。=L/L=(L1-L0)/L0100 断面收缩率试样拉断后缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。=S/S=S0-S1/S0100 金属材料的延伸率与断面收缩率越大，其塑性越好。 3.硬度 图2布氏硬度的测量硬度是材料抵抗局部变形的能力。 布氏硬度,使用布氏硬度计（I2-10）进行测量。 如图2原理：HBS（HBW=F/A=2F/DD-(D2-d2)1/2（不写单位：kgf/mm2） 采用淬火钢球时，记为HBS； 采用硬质合金钢球时，记为HBW； 当F的单位取N时，加系数0.102。 布氏硬度特点： 优点：测量数值稳定，准确缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件。 应用：铸铁，有色金属；退火、正火、调质处理钢。当HBS450时有效（HBW450-650）洛氏硬度，使用洛氏硬度计（I2-11）进行测量。 图3洛氏硬度的测量如图3。原理：HR=(k-h)/0.002对金刚石圆锥压头，k=0.2mm对钢球压头，k=0.26mm洛氏硬度特点：优点：操作简便，压痕小，用于成品和薄形件； 缺点：测量数值分散。 应用：淬火钢，调质钢批生产零件，当20-67HRC时有效.洛氏硬度分类如表1： 表1洛氏硬度分类 4韧性与疲劳强度韧性 冲击韧性：反应了材料抵抗冲击载荷的能力k=Ak/A（J/cm2） Ak冲击功 A试样缺口处截面积 冲击韧性对材料的意义： k对材料内部缺陷很敏感（可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量）； k随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象。 冲击韧性的大小在冲击试验机（I2-12）上进行测试。材料在断裂之前吸收的冲击功越多表示材料抵抗冲击载荷的能力越强。 疲劳强度 材料在低于ss的重复交变应力作用下发生断裂的现象，称为疲劳现象。材料承受的载荷有交变应力和重复应力。 交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力，如图4。 重复应力：方向不随时间变化。 图4交变应力 疲劳曲线图如图5。图5疲劳曲线图 疲劳极限材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。（纯弯曲疲劳极限用-1表示） 材料在长期的应力作用下会断裂，其疲劳断口（I2-13）在显微镜下可明显看到辉纹。可以通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 5.断裂韧性 构件或零件内部存在着或多或少、或大或小的裂纹和类似裂纹的缺陷，裂纹在应力的作 用下可失稳或扩展，导致构件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫做断裂韧性。材料的断裂方式可以分为脆性断裂和韧性断裂两种，脆性断裂指的是材料在断裂之前没有发生塑性变形，韧性断裂指的是材料在断裂之前发生了塑性变形，脆性断裂更加危险，Titanic号船的沉没就与船体材料的质量有关。图6为Titanic号船用材料与近代船用材料的对比，可看出近代船用材料的冲击韧性高于Titanic号船用材料。 图6船用钢板断口图金属材料的理化性能 1.金属的物理性能 密度单位体积物质的质量称为该物质的密度 轻金属：密度小于5的金属。如铝、镁、钛及其合金。多用于航空航天。 重金属：密度大于5的金属。如铁、铅、钨。 熔点金属从固态向液态转变时的温度。纯金属都有固定熔点。 熔点高的金属为难熔金属，如钨、钼、钒，用来制造耐高温零件。 熔点低的金属为易熔金属，如铅、锡，用来制造保险丝和防火安全阀。 导热性通常用热导率来衡量。热导率越大，导热性越好。金属导热性银最好，铜、 铝次之，合金比金属导热性差。导热性好的金属用来制造散热性零件。 导电性金属传导电流的能力。金属导电性银最好，铜、铝次之。导电性好宜于做电 线；导电性差的宜于做电热元件。 热膨胀性金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。一般金属受热时膨胀体积增大， 冷却时收缩体积变小。用线膨胀系数和体膨胀系数来表示。 磁性金属材料可分为铁磁性材料（能被强烈磁化，铁。适于做变压器，电动机）顺 磁性材料和抗磁性材料（适于做航海罗盘）三类。铁磁性材料当温度升高高一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点。 2.金属的化学性能 耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。 碳钢、铸铁耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢耐腐蚀性好 抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。加入铬、硅等合金元素，可提高 抗氧化性。 金属材料的耐腐