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第一章金属的性能金属材料性能：使用性能和工艺性能使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。第一节 金属的力学性能一、 强 度一）强度的概念1. 定义：指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂 的能力。 2. 应用：强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。二）强度的测定拉伸实验1. 拉伸试样（GB6397-86）圆形试样（断面为圆形），根据GB639786的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。对圆形试样：长试样l=10d。；短试样l=5d。2. 力伸长曲线（以低碳钢试样为例）（1）F0、L0（2）FFe 、LoeLeFoeLoetgLoeKOLe：弹性变形阶段。（3）FeFFs 、 LeL Fs 、 L=LsLs ，S屈服点 （“屈服”现象）。LsLs 塑性变形阶段（屈服变形）（5）FsFFb 、 LsLLbLsLb塑性变形阶段（大量塑性变形阶段）（6）FFb 、 L=Lb ， Fb最大载荷 、b缩颈点。（7）FkFFb 、 LbLLk ， 塑性变形（“缩颈”现象）。（8）FFk 断开。3. 脆性材料的拉伸曲线：脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象（三）强度指标1.屈服点和屈服强度内力：试样受拉伸力F作用后，导致材料内部之间产生同样大 小的相互作用力应力：单位横截面积上的内力，。屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现象时的应力 脆性材料的屈服点：屈服强度：对于无明显屈服现象的金属材料，工程技术上一般规定，以试样产生的塑性变形伸长量达到02时的应力，试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号0.2表示。对于较难测定0.2的脆性材料，则用抗拉强度作为选材依据。2、抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力，用符号b表示。3、屈服点、屈服强度和抗拉强度计算公式1）.屈服点s=脆性材料的屈服点：0.2=应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。2.)抗拉强度b= 应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。三）应用条件和范围：设计机械零件和选材的主要依据。二、 塑 性（一） 定义: 金属材料断裂前发生永久变形的能力。（二）衡量指标伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。= l1试样拉断后的标距,mm; l0试样的原始标距,mm注意：长、短试样测出的值不相等（比较大小，要同样的试样）。断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。= S0试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积,mm2 总结： 越大，塑性越好，越易变形但不会断裂。强度是表征材料变形抗力指标，而塑性是描述变形能力的指标。三）应用条件和范围：材料进行压力加工时选材的主要依据三、 硬 度 硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力 常用压入法测试硬度，有布氏硬度试验法，洛氏硬度试验法，维氏硬度试验法三种。 一、)布氏硬度试验法 1、 布氏硬度试验的原理：用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球，以相应的试验力F（N）压入试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力，测量试件表面的压痕直径d（mm），用试验力除以压痕球形表面积A（mm2）所得的商作为布氏硬度值，符号为HBS（压头为钢球时）或HBW（压头为硬质合金球时）。测量范围 HBS450、HBW650的金属材料。 2、计算公式 布氏硬度= F:试验力（N）， S：球面压痕表面积 (mm2)D：球体的直径（mm）， d：压痕的平均直径（mm）在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微镜测出压痕直 径d，然后根据 d大小查表，即可求出所测的硬度值。3、 应用 布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。 由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试件的硬度。120HBS10100030代表用 10mm钢球，在1000kgf（10kN）试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值。4、优缺点：压痕大，测量准确，但不能测量成品件。二) 洛氏硬度实验 1、洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力，使压头紧密接触试件表面a，并压入到h1处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到h2处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到h3处。那么由主试验力所引起的塑性变形而使压头压入式样表面的深度e=h3-h1，称为残余压入深度。e越大，被测金属的硬度越低。符合数值越大，硬度越高的习惯，以每标尺单位压痕深度作为一个硬度单位，并用一个常数K减去该比值，由此获得的硬度值称为洛氏硬度，用符号HR表示，计算公式： HR=K-e/S K:常数，根据压头的不同去100或130 e：压痕深度 S:给定标尺的单位，常为0.001mm或0.002mm 从公式可看出，洛氏硬度没有单位，试验时硬度值可直接从洛氏硬度计的刻盘上读出。2、应用：根据被测的材料不同，压头的类型、试验力的不同，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种3、优缺点：优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度 的材料。缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。总结：数值越大，硬度越高。但相互之间不能比较，必须查表为同单位才行。三）应用条件和范围：布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质的钢材等材料。HBS适于测量硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小于650的材料。洛氏硬度计可测定软的金属材料，也可测定硬的金属材料。HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢；HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等；HRC主要用于测量一般淬火钢。四、 冲击韧性（一）定义：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力冲击载荷：在短时间内以很大速度作用于零件或工具上的载荷。为了测定金属的冲击韧度，通常要进行夏比冲击实验。（二）冲击试验原理及方法 摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，利用的是能量守恒原理。把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak（三）冲击试样为了结果的可比性，试样必须按GB22984的规定制作，将被试金属制成标准的冲击试样。常用的有U型缺口和V型缺口两种，其相应的冲击吸收功分别为KU 、KV四）冲击韧度计算公式 实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需计算 冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而积 A0（cm2）得到的值 ak=AK/A0 五) 韧脆转变温度 金属的冲击吸收功的大小与冲击实验时的温度有关，如图，同一种金属材料在一系列不同温度下的冲击试验中，测绘的冲击吸收能量与实验温度之间的关系曲线，称为冲击吸收能量-温度曲线 由图可知，冲击吸收能量的变化趋势是随温度降低而降低的。当温度降至某一范围，冲击吸收能量急剧下降，金属由韧性断裂转变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆转变温度。金属的韧脆转变温度越低，说明其低温抗冲击性越好。六) 多次冲击实验 在实际工作中，承受冲击载荷作用的零件或工具，经过一次冲击断裂的情况很少，大多数都是在在小能量多次冲击破坏的这种破坏和大能量一次冲击破坏过程在本质上是不同的，对于这样的零件和工具已不能用冲击韧度来衡量其抵抗冲击载荷的能力，而应进行多次重复冲击试验测定其多冲抗力. 原理：材料制成专门的多冲缺口试样1放在多冲试验机上，使之受到试验机锤头2的小能量（15J)多次冲击。测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标 研究表明多冲抗力取决与强度与塑性的综合性能指标，当冲击能量大时，冲击抗力主要取决于金属的塑性，当冲击能量小时，主要取决与金属的强度。七）应用条件和范围：冲击韧度值一般只作为选材时的参考，冲击韧度作为衡量材料刚性的依据，不能作为计算依据。材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量地时，主要取决于强度。五、疲劳强度1、疲劳的概念 循环载荷：是指大小和方向构随时间周期变化的载荷 金属的疲劳：在多次循环载荷作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。2、 疲劳强度 疲劳曲线：材料所受交变应力最大值max与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。 疲劳强度：材料在循环应力作用下能经受无限次循环而不不产生疲劳断裂的最大应力。 工程上一般用疲劳极限来描述，既对应规定的循环次数，试样不发生断裂的最大应力。3、